JP2011255332A - Gas decomposition element and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas decomposition element which is capable of obtaining large throughput while using the electrochemical reaction, and to provide a manufacturing method thereof.SOLUTION: The gas decomposition element 10 is provided with a tubular body of MEA 7, a heater 41 to heat MEA, Celmet(R) 11s which is inserted in the inner surface side of the tubular body of MEA and which is conductive with an anode 2, a central conductive bar 11k which is so inserted as to serve as an electrically conductive axis of the Celmet(R) 11s and a Ni mesh sheet 11a inserted between the anode 2 and the Celmet(R) 11s wherein the Ni mesh sheet 11a has a portion coming out of the end of MEA and the portion coming out from the end is conductively connected with the central conductive bar 11k.

Description

本発明は、ガス分解素子およびその製造方法に関し、より具体的には、所定のガスを効率よく分解することができるガス分解素子およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a gas decomposition element and a method for manufacturing the same, and more specifically to a gas decomposition element capable of efficiently decomposing a predetermined gas and a method for manufacturing the same.

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ので、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。たとえば、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、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る方法が提案されている(特許文献1)。また、上記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の開示もなされている(特許文献2)。また、アンモニア含有排水を触媒を用いて分解して、窒素と水とに分解する方法が提案されている(特許文献3)。
また、半導体製造装置の廃ガスには、アンモニア、水素等が含まれるのが普通であり、アンモニアの異臭を完全に除去するには、ppmオーダーにまで除害する必要がある。この目的のために、半導体製造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を得るために、リン酸型燃料電池でアンモニアを分解する、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4)。
Ammonia is an indispensable compound for agriculture and industry, but it is harmful to humans. Therefore, many methods for decomposing ammonia in water and air have been disclosed. For example, in order to decompose and remove ammonia from water containing high-concentration ammonia, a method in which 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 Has been proposed (Patent Document 1). In addition, a method of separating ammonia in the air by the same process as described above and combusting with a catalyst is also disclosed (Patent Document 2). Moreover, a method for decomposing ammonia-containing wastewater into a nitrogen and water by using a catalyst has been proposed (Patent Document 3).
Moreover, ammonia, hydrogen, and the like are usually contained in the waste gas of the semiconductor manufacturing apparatus. In order to completely remove the odor of ammonia, it is necessary to detoxify it to the ppm order. For this purpose, many methods have been used in which harmful gas is absorbed in water containing chemicals through a scrubber when discharging waste gas from a semiconductor manufacturing apparatus. On the other hand, in order to obtain an inexpensive running cost without input of energy, chemicals, or the like, there has been proposed an exhaust gas treatment of a semiconductor manufacturing apparatus in which ammonia is decomposed by a phosphoric acid fuel cell (Patent Document 4).

特開平7−31966号公報JP-A-7-31966 特開平7−116650号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-116650 特開平11−347535号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-347535 特開2003−45472号公報JP 2003-45472 A

上記の中和剤などの薬液を用いる方法(特許文献1)、燃焼する方法(特許文献2)、触媒を用いた熱分解反応による方法(特許文献3)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(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。
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害に用いる装置(特許文献4)についても、除害能力の向上を阻害する、圧力損失や電気抵抗の増大などを踏み込んで解決する工夫がなされていない。電気化学反応をアンモニア等の除害に用いる場合、圧力損失の増大、高温環境下での電極/集電体間の電気抵抗の増大等を画期的な構造で抑止しない限り、実用レベルの大きな処理能力を得ることができず、ジャストアイデアに留まっている状況にある。
Ammonia can be decomposed by a method using a chemical solution such as the above neutralizing agent (Patent Document 1), a combustion method (Patent Document 2), a method using a thermal decomposition reaction using a catalyst (Patent Document 3), etc. It is. However, the above-described method has a problem in that it requires chemicals and external energy (fuel), requires periodic replacement of the catalyst, and has a high running cost. In addition, the apparatus becomes large and, for example, when it is additionally provided in existing equipment, the arrangement may be difficult.
A device that uses phosphoric acid fuel cells for the removal of ammonia in the exhaust of compound semiconductor manufacturing (Patent Document 4) also solves the problem by depressing pressure loss and increasing electrical resistance, etc. The idea to do is not made. When an electrochemical reaction is used for abatement of ammonia, etc., the level of practical use is large unless an epoch-making structure prevents the increase in pressure loss and the increase in electrical resistance between the electrode and current collector in a high-temperature environment. It is in a situation where the processing ability cannot be obtained and the idea remains.

本発明は、電気化学反応を用いながら、大きな処理能力を得ることができる、ガス分解素子およびその製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a gas decomposition element and a method for manufacturing the same, which can obtain a large processing capacity while using an electrochemical reaction.

本発明のガス分解素子は、ガスを分解するために用いられる。このガス分解素子は、内面側の第1電極と、外面側の第2電極と、該第1電極および第2電極によって挟まれる固体電解質とで構成される、筒状体のMEA(Membrane Electrode Assembly:膜−電極接合体)と、MEAを加熱するためのヒータと、筒状体のMEAの内面側に装入され、第1電極に導通する多孔質金属体と、多孔質金属体の導電性軸をなすように挿通された中心導電棒と、第1電極と多孔質金属体との間に装入された金属のメッシュシートとを備え、金属のメッシュシートは、MEAの端から出た部分を有し、その端から出た部分が中心導電棒に導電接続されていることを特徴とする。
上記の構成によって、第1電極の集電体は電気抵抗が低くなり、ガス分解の電気化学反応を円滑化することで、ガス分解の処理能力の増大に資することができる。
The gas decomposition element of the present invention is used to decompose gas. This gas decomposition element is a cylindrical MEA (Membrane Electrode Assembly) composed of a first electrode on the inner surface side, a second electrode on the outer surface side, and a solid electrolyte sandwiched between the first electrode and the second electrode. : A membrane-electrode assembly), a heater for heating the MEA, a porous metal body that is inserted on the inner surface side of the MEA of the cylindrical body and is electrically connected to the first electrode, and the conductivity of the porous metal body A central conductive rod inserted so as to form an axis, and a metal mesh sheet inserted between the first electrode and the porous metal body, wherein the metal mesh sheet is a portion protruding from the end of the MEA And a portion protruding from the end thereof is conductively connected to the central conductive rod.
With the above configuration, the current collector of the first electrode has a low electrical resistance, and facilitates the gas decomposition electrochemical reaction, thereby contributing to an increase in the gas decomposition processing capacity.

金属のメッシュシートは筒状をなして、第1電極を覆うように該第1電極にわたって配置される構成をとることができる。これによって筒状体MEAの内面に位置する第1電極を被覆する金属のメッシュシートが、その第1電極と多孔質金属体との間に介在して電気抵抗を低減することができる。   The metal mesh sheet may be formed in a cylindrical shape and disposed over the first electrode so as to cover the first electrode. As a result, a metal mesh sheet covering the first electrode located on the inner surface of the cylindrical body MEA can be interposed between the first electrode and the porous metal body to reduce electrical resistance.

金属のメッシュシートの端から出た部分は、縮径されて中心導電棒の外周に溶接されることができる。これによって、簡単に金属のメッシュシートと中心導電棒との導電接続を実現することができる。溶接は、MIG(Metal Inert Gas)溶接、TIG(Tungsten Inert Gas)溶接、抵抗溶接などどのような溶接方法であってもよい。   The portion protruding from the end of the metal mesh sheet can be reduced in diameter and welded to the outer periphery of the central conductive rod. Thereby, the conductive connection between the metal mesh sheet and the central conductive rod can be easily realized. The welding may be any welding method such as MIG (Metal Inert Gas) welding, TIG (Tungsten Inert Gas) welding, or resistance welding.

金属メッシュシートの端から出た部分は、中心導電棒の外周に、1つまたは複数の点で抵抗溶接によって接合されることができる。抵抗溶接では、金属のメッシュシートを中心導電棒に押し付け(圧力付加)ながら、界面間に電流を流し、その発熱によって接合する。このため、溶接材料、不活性(Inert)ガス等は不要であり、比較的清潔な環境を維持しながら、簡単に短時間で接合を実現することができる。   The portion protruding from the end of the metal mesh sheet can be joined to the outer periphery of the central conductive rod by resistance welding at one or more points. In resistance welding, a metal mesh sheet is pressed against a central conductive rod (pressure is applied), a current is passed between the interfaces, and bonding is performed by the generated heat. For this reason, welding material, inert gas, etc. are unnecessary, and joining can be realized easily in a short time while maintaining a relatively clean environment.

金属のメッシュシートは、ガスを含む気体が導入されるMEAの入口側および/または出口側で、中心導電棒に導電接続されることができる。これによって状況に応じて、適切な選択肢を選ぶことができる。   The metal mesh sheet can be conductively connected to the central conductive rod on the inlet side and / or outlet side of the MEA into which a gas containing gas is introduced. This makes it possible to select an appropriate option according to the situation.

分解対象のガスを、半導体製造装置から排出されるガスであって、少なくともアンモニアを含むガスとすることができる。これによって、GaAsなどの化合物半導体の製造に伴って排出されるアンモニアを、場所をとらない小さな装置により、異臭を感じない数ppmのオーダーまで簡単に除害することができる。半導体製造装置からの排気は、間欠的であって、ピーク時のアンモニア排気量は大きい。すなわち、アンモニア排出量は大きく変動する。しかし、本発明のガス分解素子は、ピーク時の排出量に合わせて処理能力を増大させることができ、上記の除害を遂行することができる。   The gas to be decomposed can be a gas discharged from the semiconductor manufacturing apparatus and a gas containing at least ammonia. As a result, it is possible to easily remove the ammonia discharged with the production of a compound semiconductor such as GaAs to the order of several ppm where no odor is felt by a small device that does not take up space. The exhaust from the semiconductor manufacturing apparatus is intermittent, and the amount of ammonia exhaust at the peak is large. That is, the ammonia emission amount varies greatly. However, the gas decomposing element of the present invention can increase the processing capacity in accordance with the peak discharge amount, and can perform the above-described detoxification.

第1電極と第2電極とから電力を取り出してヒータに電力を供給することができる。これによって、エネルギ効率のよいガス分解を行うことができる。上記自家発電の発電量は、外部から供給される電力を補う程度であっても、ヒータ加熱に要する電力のランニングコストを下げることができる。   Electric power can be extracted from the first electrode and the second electrode to supply electric power to the heater. Thereby, energy efficient gas decomposition can be performed. Even if the amount of power generated by the private power generation is sufficient to supplement the power supplied from the outside, the running cost of the power required for heater heating can be reduced.

外部装置へ電力を供給するために燃料電池として機能することができる。これによって、有害なガスを分解しながら、燃料電池による発電を行うことができる。   It can function as a fuel cell to supply power to an external device. As a result, power generation by the fuel cell can be performed while decomposing harmful gas.

本発明のガス分解素子の製造方法は、筒状体MEAの内面側を第1電極とし、該第1電極の集電体に、該筒状体の内側に配置された、金属のメッシュシートと多孔質金属体と該多孔質金属体を挿通する中心導電棒とを用いたガス分解素子を製造する。この製造方法は、中心導電棒に前記多孔質金属シートを固定して巻き回す工程と、筒状体MEAの内面に、筒状の金属のメッシュシートを、筒状体MEAの端から出る部分を有するように配設する工程と、多孔質金属シートが巻き回された中心導電棒を、金属のメッシュシートが配置された筒状体MEAの中に装入する工程と、巻き回された多孔質金属体と金属のメッシュシートとを導電接続させる工程と、金属のメッシュシートの端から出た部分を、中心導電棒に導電接続する工程とを備えることを特徴とする。
上記の製造方法によって、電気抵抗の低い第1電極集電体を形成することができ、十分高い処理能力を持つガス分解素子を簡単に製造することができる。
The method for producing a gas decomposition element according to the present invention includes a metal mesh sheet disposed on the inner side of the cylindrical body, on the current collector of the first electrode, with the inner surface side of the cylindrical body MEA as the first electrode. A gas decomposition element using a porous metal body and a central conductive rod inserted through the porous metal body is manufactured. This manufacturing method includes a step of fixing and winding the porous metal sheet around a central conductive rod, and a cylindrical metal mesh sheet on the inner surface of the cylindrical body MEA. A step of disposing the center conductive rod around which the porous metal sheet is wound, a step of charging the cylindrical body MEA where the metal mesh sheet is disposed, and the wound porous body The method includes a step of conductively connecting a metal body and a metal mesh sheet, and a step of conductively connecting a portion protruding from an end of the metal mesh sheet to a central conductive rod.
By the above manufacturing method, the first electrode current collector having a low electric resistance can be formed, and a gas decomposition element having a sufficiently high processing capability can be easily manufactured.

金属のメッシュシートの端から出た部分を中心導電棒に、溶接によって接合することができる。これによって、金属のメッシュシートを能率良く中心導電棒に導電接続することができる。   The portion protruding from the end of the metal mesh sheet can be joined to the central conductive rod by welding. As a result, the metal mesh sheet can be efficiently connected to the central conductive rod.

巻き回された多孔質金属体と金属のメッシュシートとの間にNiペーストが介在するように、中心導電棒を筒状体MEAの中に装入する前に、巻き回された多孔質金属体または筒状体MEA内に配設された金属のメッシュシートに、Niペーストを塗布することができる。これによって、第1電極/金属のメッシュシート/多孔質金属体、の部分の電気抵抗を低くすることができる。
Before inserting the central conductive rod into the cylindrical body MEA so that the Ni paste is interposed between the wound porous metal body and the metal mesh sheet, the wound porous metal body Or Ni paste can be apply | coated to the metal mesh sheet | seat arrange | positioned in the cylindrical body MEA. Thereby, the electrical resistance of the portion of the first electrode / metal mesh sheet / porous metal body can be lowered.

本発明のガス分解素子等によれば、第1電極と多孔質金属体との導電接続における電気抵抗を下げるために入れた金属のメッシュシートを延ばして中心導電棒に導電接続するので、第1電極集電体の電気抵抗を、より一層、下げることができる。この結果、小型の装置で、大きなガス処理能力を有し、低いランニングコストで稼動することができる。   According to the gas decomposition element or the like of the present invention, the metal mesh sheet put in order to lower the electrical resistance in the conductive connection between the first electrode and the porous metal body is extended and conductively connected to the central conductive rod. The electrical resistance of the electrode current collector can be further reduced. As a result, it is a small apparatus, has a large gas processing capacity, and can be operated at a low running cost.

(a)本発明の実施の形態1におけるガス分解素子、とくにアンモニア分解素子を示す縦断面図であり、(b)は(a)におけるIB−IB線に沿う断面図である。(A) It is a longitudinal cross-sectional view which shows the gas decomposition element in Embodiment 1 of this invention, especially an ammonia decomposition element, (b) is sectional drawing which follows the IB-IB line in (a). ガス分解素子におけるNiメッシュシートを示し、(a)はNiシートを打ち抜いた形態、(b)はNi線を編んだ形態、を示す図である。FIG. 2 shows a Ni mesh sheet in a gas decomposition element, where (a) shows a form in which a Ni sheet is punched, and (b) shows a form in which a Ni wire is knitted. Niメッシュシートの端部を示す図である。It is a figure which shows the edge part of Ni mesh sheet. 図1のガス分解素子の電気配線系統を示す図である。It is a figure which shows the electrical wiring system | strain of the gas decomposition element of FIG. アノード集電体の形成方法示す図である。It is a figure which shows the formation method of an anode electrical power collector. 円筒MEAに対する、外部配線および気体搬送路の接続形態を示す図である。It is a figure which shows the connection form of the external wiring and gas conveyance path with respect to cylindrical MEA. 円筒形のカソードの外周面に設けられた、銀ペースト塗布配線とNiメッシュシートとを示す図である。It is a figure which shows the silver paste application | coating wiring and Ni mesh sheet | seat provided in the outer peripheral surface of the cylindrical cathode. 銀ペースト塗布配線の表面性状を示す走査型電子顕微鏡像を示し、(a)は画像データであり、(b)はその説明図である。The scanning electron microscope image which shows the surface property of a silver paste application | coating wiring is shown, (a) is image data, (b) is the explanatory drawing. アノードにおける電気化学反応を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the electrochemical reaction in an anode. カソードにおける電気化学反応を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the electrochemical reaction in a cathode. 円筒MEAの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of cylindrical MEA. ガス分解素子の配列形態を示し、(a)は、1つの円筒MEAを用いた場合の構成であり、また、(b)は、(a)に示すものを、複数(12個)、並列に配置した構成を示す図である。The arrangement | sequence form of a gas decomposition | disassembly element is shown, (a) is a structure at the time of using one cylindrical MEA, Moreover, (b) is what (a) is shown in parallel (plurality (12 pieces)). It is a figure which shows the arrange | positioned structure.

図1(a)は、本発明の実施の形態1における電気化学反応装置であるガス分解素子、とくにアンモニア分解素子10の縦断面図である。また、図1(b)は、図1(a)におけるIB−IB線に沿う断面図である。
このアンモニア分解素子10では、円筒形の固体電解質1の内面を覆うようにアノード(第1電極)2が設けられ、また外面を覆うようにカソード(第2電極)5が設けられて、円筒形MEA7(1,2,5)が形成されている。アノード2は燃料極、またカソード5は空気極と呼ばれることがある。筒状体は、一般には、らせん状やサーペンタイン状などに曲がりくねっていてもよいが、図1の場合は、直円筒形のMEA7である。円筒形MEAの内径は、たとえば20mm程度であるが、適用する装置に応じて、変えるのがよい。本実施の形態のアンモニア分解素子10では、円筒形のMEA7の内筒中に、アノード集電体11が配置されている。また、カソード5の外面に巻き付くようにカソード集電体12が配置されている。
FIG. 1A is a longitudinal sectional view of a gas decomposition element, particularly an ammonia decomposition element 10, which is an electrochemical reaction apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. Moreover, FIG.1 (b) is sectional drawing which follows the IB-IB line | wire in Fig.1 (a).
In this ammonia decomposing element 10, an anode (first electrode) 2 is provided so as to cover the inner surface of the cylindrical solid electrolyte 1, and a cathode (second electrode) 5 is provided so as to cover the outer surface. MEA 7 (1, 2, 5) is formed. The anode 2 is sometimes called a fuel electrode, and the cathode 5 is sometimes called an air electrode. In general, the cylindrical body may be wound in a spiral shape or a serpentine shape, but in the case of FIG. 1, it is a right cylindrical MEA 7. The inner diameter of the cylindrical MEA is, for example, about 20 mm, but may be changed according to the device to be applied. In the ammonia decomposing element 10 of the present embodiment, the anode current collector 11 is disposed in the inner cylinder of the cylindrical MEA 7. A cathode current collector 12 is arranged so as to wrap around the outer surface of the cathode 5.

<アノード集電体11>:Niメッシュシート11a/多孔質金属体11s/中心導電棒11k
Niメッシュシート11aが円筒MEA7の内面側のアノード2に導電接続して、多孔質金属体11sから中心導電棒11kへと導電する。さらに、図1(a)に示すように、入口17側において、Niメッシュシート11aはMEA7から延び出た部分を有し、その部分の先端Wが中心導電棒11k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/中心導電棒11k、という導電路と、(2)Niメッシュシート/中心導電棒11k、という導電路とを形成する。この結果、円筒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できる。この構造が本発明の基本をなす。この点については、あとであらためて詳しく説明する。
多孔質金属体11sは、アンモニアを含む気体の圧力損失を低くするために、気孔率を高くできる金属めっき体、たとえばセルメット(登録商標:住友電気工業株式会社)を用いるのがよい。円筒MEAの内面側では、複数の部材で形成される集電体11の全体の電気抵抗を低くしながら、アノード側への気体導入の圧力損失を低くすることが重要なポイントである。
アノード2とNiメッシュシート11aとは、Niペーストを塗布後に還元焼結されて結合しており、両者の間に、焼結されたNiペースト8aが介在している。また、多孔質金属体11sとNiメッスシート11aとの間にも、同様に還元焼結されたNiペースト8bが位置している。
<Anode current collector 11>: Ni mesh sheet 11a / porous metal body 11s / center conductive rod 11k
The Ni mesh sheet 11a is conductively connected to the anode 2 on the inner surface side of the cylindrical MEA 7 and conducts from the porous metal body 11s to the central conductive rod 11k. Further, as shown in FIG. 1A, on the inlet 17 side, the Ni mesh sheet 11a has a portion extending from the MEA 7, and the tip W of this portion is conductively connected to the central conductive rod 11k. For this reason, the Ni mesh sheet 11a is, in parallel, referred to as (1) Ni mesh sheet 11a / porous metal body 11s / center conductive bar 11k, and (2) Ni mesh sheet / center conductive bar 11k. And a conductive path. As a result, an increase in pressure loss can be prevented while being located on the inner surface of the cylindrical MEA 7 and maintaining a low electrical resistance. This structure forms the basis of the present invention. This point will be described later in detail.
As the porous metal body 11s, in order to reduce the pressure loss of the gas containing ammonia, it is preferable to use a metal plated body capable of increasing the porosity, for example, Celmet (registered trademark: Sumitomo Electric Industries, Ltd.). On the inner surface side of the cylindrical MEA, it is important to reduce the pressure loss of gas introduction to the anode side while lowering the overall electric resistance of the current collector 11 formed of a plurality of members.
The anode 2 and the Ni mesh sheet 11a are bonded by reduction sintering after applying the Ni paste, and the sintered Ni paste 8a is interposed therebetween. Similarly, a Ni paste 8b that is reduced and sintered is located between the porous metal body 11s and the Ni mesh sheet 11a.

<カソード集電体12>:銀ペースト塗布配線12g+Niメッシュシート12a
Niメッシュシート12aが、円筒MEA7の外面に接触して、外部配線へと導電する。銀ペースト塗布配線12gは、カソード5における酸素ガスを酸素イオンに分解するのを促進する触媒として作用する銀を含み、かつカソード集電体12の電気抵抗を低くすることに寄与する。カソード5に銀を含ませることも可能であるが、カソード集電体12に、所定の性状の銀ペースト塗布配線12gは、酸素分子を通しながら銀粒子がカソード5に接触して、カソード5内に含まれる銀粒子と同等の触媒作用を発現する。しかも、カソード5に含ませるより安価である。
上記のNiメッシュシート12aは、銀ペースト塗布配線12gの有無によらず、銀めっき層で被覆されていてもよい。銀めっき層は、カソード5での酸素分子の分解を促進する触媒として作用する。また、電気抵抗が小さいので、カソード集電体12の電気抵抗を低下させる。銀ペースト塗布配線12gと共に用いるのがより有効であるが、銀ペースト塗布配線12gを省略してもよい。
<Cathode current collector 12>: Silver paste coated wiring 12g + Ni mesh sheet 12a
The Ni mesh sheet 12a contacts the outer surface of the cylindrical MEA 7 and conducts to the external wiring. The silver paste-coated wiring 12g contains silver that acts as a catalyst for promoting the decomposition of oxygen gas at the cathode 5 into oxygen ions, and contributes to lowering the electrical resistance of the cathode current collector 12. Although the cathode 5 can contain silver, the silver paste coating wiring 12g having a predetermined property is connected to the cathode current collector 12 so that the silver particles come into contact with the cathode 5 while passing oxygen molecules. It exhibits the same catalytic action as silver particles contained in. Moreover, it is less expensive than the inclusion in the cathode 5.
Said Ni mesh sheet | seat 12a may be coat | covered with the silver plating layer irrespective of the presence or absence of the silver paste application | coating wiring 12g. The silver plating layer acts as a catalyst that promotes the decomposition of oxygen molecules at the cathode 5. Moreover, since the electrical resistance is small, the electrical resistance of the cathode current collector 12 is reduced. Although it is more effective to use it together with the silver paste coated wiring 12g, the silver paste coated wiring 12g may be omitted.

<本実施の形態のガス分解素子の特徴>
本実施の形態のガス分解素子10の特徴は、つぎのとおりである。
(1)アノード2を覆うようにアノード2全体にNiメッシュシートが配置され、そのアノード2と多孔質金属体11sとの間に、Niメッシュシート11aが介在している。
(2)Niメッシュシート11aはMEA7から延び出る部分を持ち、この延び出た部分が中心導電棒11kに抵抗溶接されている。Niメッシュシート11aは、溶接部Wで中心導電棒11kに接合されている。
(3)気体の通路Pに配置された多孔質金属体11sは、断続的な配置であり、通路Pの全体長に占める多孔質金属体11sの割合は、20%程度であり、非常に小さい。多孔質金属体11sの役割は、アノード集電体11の中にあって、低い電気抵抗を維持しながら、気体の素通り防止をすることにある。気体の素通り防止とは、分解対象のガスを含む気体をアノード2に接触しやすくするために、その気体を乱流化すること等で実現される。素通り防止しながらそれでいて圧力損失は増大させないことが重要である。通路Pの全体長に占める多孔質金属体11sの割合を20%程度とすることは、圧力損失を低くするのに大きな効果がある。
上記の特徴により、つぎのような顕著な作用を得ることができる。
(E1)Niメッシュシート11aは、アノード2と多孔質金属体11sとの間に介在して、両者の間の導電性を高めることができる。これは、Niメッシュシート11aが滑らかな一枚の面であって、相手に合わせて接触しやすいのに対して、多孔質金属体とくにセルメット11sは、中心導電棒11kに巻き回されたらせん状であって、微細な樹枝状部分の集合からなるためである。
(E2)アノード2から中心導電棒11kへと、(アノード2/Niメッシュシート11a/多孔質金属体11s/中心導電棒11k)の導電路に加えて、(アノード2/Niメッシュシート11a/中心導電棒11k)の導電路が並列的に付加される。この結果、アノード集電体11の電気抵抗を画期的に小さくできる。
(E3)上記(E2)の電気抵抗の低減により、多孔質金属体11sの通路Pに占める長さを短くすることができる。上述のように、多孔質金属体11sのトータル長さを通路Pの全長さの20%程度にすることができる。この結果、通路Pにおける圧力損失を画期的に低くできる。さらに言えば、多孔質金属体11sは、上述のように断続的であり、かつ、分解の電気化学反応が大きな速度で進行する高温領域(気体の入口側よりも出口側で高温に昇温する)に重点的に配置される。
<Characteristics of gas decomposition element of this embodiment>
The features of the gas decomposition element 10 of the present embodiment are as follows.
(1) An Ni mesh sheet is disposed on the entire anode 2 so as to cover the anode 2, and the Ni mesh sheet 11a is interposed between the anode 2 and the porous metal body 11s.
(2) The Ni mesh sheet 11a has a portion extending from the MEA 7, and this extended portion is resistance welded to the central conductive rod 11k. The Ni mesh sheet 11a is joined to the central conductive rod 11k at the weld W.
(3) The porous metal body 11s disposed in the gas passage P is intermittent, and the ratio of the porous metal body 11s to the entire length of the passage P is about 20%, which is very small. . The role of the porous metal body 11s is to prevent gas from passing through while maintaining a low electrical resistance in the anode current collector 11. The prevention of gas passage is realized by making the gas containing the gas to be decomposed into contact with the anode 2 by making the gas turbulent or the like. It is important that pressure loss is not increased while passing through. Setting the ratio of the porous metal body 11s to the entire length of the passage P to about 20% has a great effect on reducing the pressure loss.
Due to the above characteristics, the following remarkable effects can be obtained.
(E1) The Ni mesh sheet 11a can be interposed between the anode 2 and the porous metal body 11s to increase the conductivity between the two. This is because the Ni mesh sheet 11a is a single smooth surface and is easy to come into contact with the other party, whereas the porous metal body, particularly the cermet 11s, is spirally wound around the central conductive rod 11k. This is because it consists of a set of fine dendritic parts.
(E2) From the anode 2 to the central conductive rod 11k, in addition to the conductive path of (anode 2 / Ni mesh sheet 11a / porous metal body 11s / central conductive rod 11k), (anode 2 / Ni mesh sheet 11a / center) Conductive paths of conductive bars 11k) are added in parallel. As a result, the electrical resistance of the anode current collector 11 can be dramatically reduced.
(E3) By reducing the electrical resistance in (E2) above, the length of the porous metal body 11s in the passage P can be shortened. As described above, the total length of the porous metal body 11s can be about 20% of the total length of the passage P. As a result, the pressure loss in the passage P can be dramatically reduced. Furthermore, the porous metal body 11s is intermittent as described above, and the temperature rises to a higher temperature on the outlet side than on the gas inlet side in which the decomposition electrochemical reaction proceeds at a high rate. ) Is focused on.

次に、Niメッシュシート11aについてより詳細に説明する。まず、上記の(E1)の作用について説明する。
仮に、Niメッシュシート11aを用いない場合は、多孔質金属体11sが、直接、アノード2に接触する。この場合、多孔質金属体11sをセルメット等の金属めっき体で構成しても、接触抵抗は大きなものになる。金属めっき体は、所定厚みを有してシート状であり、ミクロ的には樹枝状の金属が延びて樹枝間で連続している。筒状体MEAの内面側に第1電極集電体として金属めっき体を装入するとき、上記シート状の金属めっき体を渦巻き状に巻いて渦の軸心を筒状体MEAの軸心に沿うようにして装入する。この渦巻き状シートの外周面では、らせんの最も外の縁または所定位置の母線部分については筒内面に沿って接触しやすいが、それより内側の部分については非同心円ではなくらせん状なので、第1電極から離れる傾向がある。このため、多孔質金属体と第1電極との接触面積を十分大きくとりにくい。また、接触圧についても同様に所定の母線部分は十分な接触圧を保つことができるが、それより内側では不十分である。このため、多孔質金属体を、直接、第1電極に接触させて導通をとる場合、接触抵抗が大きくなり、第1電極集電体の電気抵抗を増大させる。集電体の電気抵抗の増大は、電気化学反応の能力を減少させる。そして、さらに不都合なことに、接触面積を稼ぐために、従来、多孔質金属体11sはアノード2の長さ一杯に連続して配置されていた。このような多孔質金属体11sの長さ一杯の連続配置が、導入される気体の圧力損失を増大させていた。
これに対して、Niメッシュシートを用いると、次のようにして接触抵抗を下げることができる。すなわち、Niメッシュシート11aの場合、一枚のシート状なので第1電極の内筒面に沿って全周で接触することは自然である。そして、筒状体内に充満するように加える外力(圧縮性)および充満させるための材料増の調整などによって、金属メッシュシート11aと金属めっき体11sとは相互になじみ合ってアノード2側に張り出してアノード2との接触面積を大きくすることができる。また、金属メッシュシート11aと金属めっき体11sとの接触界面では、樹枝状金属同士が押し合わされ、また相手側の隙間に入り込んで相互に接触するため、接触抵抗は低い状態が維持される。
さらに、アノード2/Niメッシュシート11a/金属めっき体11s、の各界面にNiペースト8a,8bを配置して還元焼結することで、さらに電気抵抗を低下させることができる。還元焼結については、このあと説明する。
上記のように、多孔質金属体11sに金属めっき体であるセルメット(登録商標)を用いても、Niメッシュシートを用いない場合、接触抵抗は比較的大きく、ガス分解素子10のカソード集電体12とアノード集電体11との間の電気抵抗は、たとえば4〜7Ω程度あった。これに、上記のNiメッシュシート11aを挿入して、Niペースト8a,8bを配置し、還元焼結することによって、1Ω程度以下に下げることができる。すなわち1/4以下程度にすることができる。
Next, the Ni mesh sheet 11a will be described in more detail. First, the operation (E1) will be described.
If the Ni mesh sheet 11 a is not used, the porous metal body 11 s is in direct contact with the anode 2. In this case, even if the porous metal body 11s is made of a metal plating body such as cermet, the contact resistance becomes large. The metal plating body is a sheet having a predetermined thickness, and microscopically, a dendritic metal extends and is continuous between the dendrites. When the metal plating body is inserted as the first electrode current collector on the inner surface side of the cylindrical body MEA, the sheet-shaped metal plating body is wound in a spiral shape so that the vortex axis becomes the axial center of the cylindrical body MEA. Insert along. On the outer peripheral surface of the spiral sheet, the outermost edge of the helix or the generatrix part at a predetermined position is likely to come in contact with the inner surface of the cylinder, but the inner part is helical rather than non-concentric. There is a tendency to move away from the electrode. For this reason, it is difficult to take a sufficiently large contact area between the porous metal body and the first electrode. Similarly, with respect to the contact pressure, the predetermined busbar portion can maintain a sufficient contact pressure, but it is insufficient on the inner side. For this reason, when the porous metal body is brought into direct contact with the first electrode to establish conduction, the contact resistance is increased, and the electrical resistance of the first electrode current collector is increased. Increasing the electrical resistance of the current collector decreases the ability of the electrochemical reaction. Further, further disadvantageously, in order to increase the contact area, conventionally, the porous metal body 11s has been continuously arranged to the full length of the anode 2. Such a continuous arrangement of the porous metal body 11s full length increases the pressure loss of the introduced gas.
On the other hand, when a Ni mesh sheet is used, the contact resistance can be lowered as follows. That is, in the case of the Ni mesh sheet 11a, since it is a single sheet, it is natural that the Ni mesh sheet 11a contacts the entire circumference along the inner cylindrical surface of the first electrode. Then, by adjusting the external force (compressibility) applied to fill the cylindrical body and the increase in material for filling, the metal mesh sheet 11a and the metal plating body 11s become familiar with each other and project toward the anode 2 side. The contact area with the anode 2 can be increased. In addition, at the contact interface between the metal mesh sheet 11a and the metal plating body 11s, the dendritic metals are pressed against each other and enter the gap on the other side to contact each other, so that the state of low contact resistance is maintained.
Furthermore, the electric resistance can be further reduced by disposing Ni pastes 8a and 8b at each interface of the anode 2 / Ni mesh sheet 11a / metal plated body 11s and performing reduction sintering. The reduction sintering will be described later.
As described above, even when Celmet (registered trademark), which is a metal plating body, is used as the porous metal body 11s, when the Ni mesh sheet is not used, the contact resistance is relatively large, and the cathode current collector of the gas decomposition element 10 The electrical resistance between 12 and the anode current collector 11 was, for example, about 4-7Ω. The Ni mesh sheet 11a is inserted into this, Ni pastes 8a and 8b are arranged, and reduction sintering can be performed to about 1Ω or less. That is, it can be reduced to about 1/4 or less.

図2(a),(b)は、Niメッシュシート11aを示す図である。図2(a)は単相のNiシートから打ち抜きによって、メッシュ状にしたものであり、図2(b)はNi線を編むことによって、メッシュ状にした織布である。また、図示しないが繊維を綿状にして圧力をかけて形成した不織布であってもよい。上記のNiメッシュシート11aには、どれを用いてもよい。ただし、柔軟性、孔径の均一分布などの点で織布とするのが好ましい。図2では、Niメッシュシート11aは円筒形ではないが、実際のガス分解素子10では、多少、頂部が開いて不完全な円筒形であってもよい。   2A and 2B are views showing the Ni mesh sheet 11a. FIG. 2A shows a woven fabric made into a mesh by punching from a single-phase Ni sheet, and FIG. 2B shows a woven fabric made into a mesh by knitting Ni wire. Moreover, although not shown in figure, the nonwoven fabric formed by making a fiber into cotton shape and applying pressure may be sufficient. Any Ni mesh sheet 11a may be used. However, it is preferable to use a woven fabric in terms of flexibility and uniform distribution of pore diameters. In FIG. 2, the Ni mesh sheet 11 a is not cylindrical, but the actual gas decomposition element 10 may have an incomplete cylindrical shape with a slightly open top.

メッシュシートの材料について説明する。上述のように、Niメッシュシート11aの語で説明してきたが、メッシュシートの材料としてはNiに限定されない。Ni,Ni−Fe、Ni−Co、Ni−Cr、Ni−Wなどが好ましい。また上記の金属または合金をめっき層に持つメッシュシートであってもよい。たとえばFeの織布にNiめっきを施したものでもよい。加熱によって合金化してNi−Fe合金を形成する。これらの金属または合金は、第1電極と接合するとき、比較的容易に、すなわち極めて厳格なシール条件でなくても、メッシュシートを形成する上記の金属に対して還元雰囲気を実現しやすく、第1電極との還元接合を実行しやすくなる。このうちNi−W等については、とくに高い触媒作用を持ち、たとえばアンモニアの分解を促進することができる。
なお、このあと用いるNiメッシュシートの語も、上記材料で形成されているメッシュシートであることを意味している。
The material of the mesh sheet will be described. As described above, the Ni mesh sheet 11a has been described, but the mesh sheet material is not limited to Ni. Ni, Ni-Fe, Ni-Co, Ni-Cr, Ni-W and the like are preferable. Moreover, the mesh sheet | seat which has said metal or alloy in a plating layer may be sufficient. For example, a woven fabric of Fe plated with Ni may be used. It is alloyed by heating to form a Ni-Fe alloy. When these metals or alloys are bonded to the first electrode, it is relatively easy to achieve a reducing atmosphere with respect to the above-mentioned metal forming the mesh sheet even if the sealing conditions are not extremely strict. It becomes easy to carry out reduction bonding with one electrode. Among these, Ni-W or the like has a particularly high catalytic action, and can promote, for example, decomposition of ammonia.
In addition, the word of Ni mesh sheet | seat used after this also means that it is a mesh sheet | seat formed with the said material.

図3は、Niメッシュシート11aの端部の形状を示す図である。図1(a)に示すように、Niメッシュシート11aを中心導電棒11kに溶接するために、縮径する必要がある。溶接する部分Wを中心導電棒11kの外周に接触させて、抵抗溶接によって溶接するのがよい。抵抗溶接の溶接点は、中心導電棒11kの外周に等間隔で4点程度とするのがよい。抵抗溶接の代わりに、TIG溶接やMIG溶接を行ってもよいが、溶接材料やシールドガスが必要となり、かつ、入熱が大きいために中心導電棒が変形するおそれがある。このため、抵抗溶接を用いるのがよい。抵抗溶接によって、Niメッシュシート11aと中心導電棒11kとを接合することで、高い強度と、低い電気抵抗の接合部を得ることができる。   FIG. 3 is a view showing the shape of the end portion of the Ni mesh sheet 11a. As shown in FIG. 1A, it is necessary to reduce the diameter in order to weld the Ni mesh sheet 11a to the central conductive rod 11k. The portion W to be welded may be brought into contact with the outer periphery of the central conductive rod 11k and welded by resistance welding. The number of resistance welding points is preferably about 4 at regular intervals on the outer periphery of the central conductive rod 11k. Instead of resistance welding, TIG welding or MIG welding may be performed. However, a welding material and a shielding gas are required, and since the heat input is large, the central conductive rod may be deformed. For this reason, it is better to use resistance welding. By joining the Ni mesh sheet 11a and the central conductive rod 11k by resistance welding, a joint portion having high strength and low electrical resistance can be obtained.

図4は、固体電解質が酸素イオン導電性である場合における、図1のガス分解素子10の電気配線系統を示す図である。アンモニアを含む気体は、気密性を厳格にして円筒MEA7の内筒、すなわちアノード集電体12が配置されている空間に導入される。円筒MEA7を用いた場合、内面側に気体を通すことから、多孔質金属体11s、上述のように金属めっき体、たとえばセルメットを用いることが重要である。上述のように、本実施の形態では、セルメット11sは間をおいて断続的に配置され、その通路Pでの長さは20%程度である。
アンモニアを含む気体は、Niメッシュシート11aおよび多孔質金属11sの空隙を通りながら、アノード2と接触して、下記のアンモニア分解反応をする。酸素イオンO2−は、カソードでの酸素ガス分解反応によって生じ、固体電解質1を通ってアノード2に到達したものである。すなわち陰イオンである酸素イオンが固体電解質を移動する場合の電気化学反応である。
(アノード反応):2NH+3O2−→N+3HO+6e
より詳しくは、一部のアンモニアが、2NH→N+3Hの反応を生じ、この3Hが酸素イオン3O2−と反応して3HOを生成する。
カソード5には空気、とくに酸素ガスが、スペースSを通るように導入され、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アノード2に向かって固体電解質1へと送り出す。カソード反応はつぎのとおりである。
(カソード反応):O+4e→2O2−
上記の電気化学反応の結果、電力が発生し、アノード2とカソード5との間に電位差を生じ、カソード集電体12からアノード集電体11へと電流Iが流れる。カソード集電体12とアノード集電体11との間に負荷、たとえばこのガス分解素子10を加熱するためのヒータ41を接続しておけば、そのための電力を供給することができる。ヒータ41への上記電力の供給は、部分的であってもよく、むしろ大部分の場合において、自家発電の供給量はヒータ全体に要する電力の半分以下であることが多い。
FIG. 4 is a diagram showing an electrical wiring system of the gas decomposition element 10 of FIG. 1 when the solid electrolyte is oxygen ion conductive. The gas containing ammonia is introduced into the inner cylinder of the cylindrical MEA 7, that is, the space where the anode current collector 12 is disposed, with tight airtightness. When the cylindrical MEA 7 is used, it is important to use the porous metal body 11s and, as described above, a metal plating body, for example, Celmet, because gas passes through the inner surface side. As described above, in the present embodiment, the cermet 11s is intermittently arranged at intervals, and the length in the passage P is about 20%.
The gas containing ammonia contacts the anode 2 while passing through the gaps between the Ni mesh sheet 11a and the porous metal 11s, and undergoes the following ammonia decomposition reaction. Oxygen ions O 2− are generated by an oxygen gas decomposition reaction at the cathode and reach the anode 2 through the solid electrolyte 1. That is, it is an electrochemical reaction when oxygen ions, which are anions, move through the solid electrolyte.
(Anode reaction): 2NH 3 + 3O 2− → N 2 + 3H 2 O + 6e
More specifically, a part of ammonia causes a reaction of 2NH 3 → N 2 + 3H 2 , and this 3H 2 reacts with oxygen ions 3O 2− to generate 3H 2 O.
Air, particularly oxygen gas, is introduced into the cathode 5 so as to pass through the space S, and oxygen ions decomposed from oxygen molecules at the cathode 5 are sent toward the anode 2 toward the solid electrolyte 1. The cathode reaction is as follows.
(Cathode reaction): O 2 + 4e → 2O 2−
As a result of the above electrochemical reaction, electric power is generated, a potential difference is generated between the anode 2 and the cathode 5, and a current I flows from the cathode current collector 12 to the anode current collector 11. If a load, for example, a heater 41 for heating the gas decomposition element 10 is connected between the cathode current collector 12 and the anode current collector 11, electric power for that purpose can be supplied. The supply of the electric power to the heater 41 may be partial, but in most cases, the supply amount of private power generation is often less than half of the electric power required for the entire heater.

上記は、陰イオンである酸素イオンが固体電解質1を移動する電気化学反応であるが、固体電解質1に、たとえばバリウムジルコネート(BaZrO)を用いてプロトンをアノード2で発生させて固体電解質1中をカソード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。
プロトン導電性の固体電解質1を用いると、たとえばアンモニアを分解する場合、アノード2でアンモニアを分解してプロトン、窒素分子および電子を生じさせて、プロトンを固体電解質1を経てカソード5へと移動させ、カソード5において酸素と反応して水(HO)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1の厚みも、強度を確保できる厚みとしやすい。
また、たとえば筒状体MEAを用いてアンモニア分解を行うとき、内側をアノードとした場合、酸素イオン導電性の固体電解質では、水を筒状体の内側(アノード)で生成する反応となる。水は、筒状体MEAの出口付近の温度が低い部分では水滴を形成して圧力損失の原因となる場合がある。これに対して、プロトン導電性の固体電解質を用いると、プロトンと酸素分子と電子とが、カソード(外側)で反応して水を生成する。外側はほぼ開放されているので、出口側の温度の低い箇所で水滴となって付着しても圧力損失を生じにくい。
The above is an electrochemical reaction in which oxygen ions, which are anions, move through the solid electrolyte 1. For example, barium zirconate (BaZrO 3 ) is used as the solid electrolyte 1 to generate protons at the anode 2 to generate solid electrolyte 1. The reaction of moving the inside to the cathode 5 is also a desirable form of the present invention.
When proton conductive solid electrolyte 1 is used, for example, when ammonia is decomposed, ammonia is decomposed at anode 2 to generate protons, nitrogen molecules and electrons, and protons are transferred to cathode 5 through solid electrolyte 1. Then, it reacts with oxygen at the cathode 5 to produce water (H 2 O). Since protons are smaller than oxygen ions, the moving speed in the solid electrolyte is large. Therefore, a practical decomposition capacity can be obtained while lowering the heating temperature. The thickness of the solid electrolyte 1 is also easily set to a thickness that can ensure strength.
Further, for example, when ammonia decomposition is performed using a cylindrical body MEA, when the inner side is an anode, the oxygen ion conductive solid electrolyte is a reaction that generates water on the inner side (anode) of the cylindrical body. Water may form water droplets at the low temperature near the outlet of the cylindrical body MEA and cause pressure loss. In contrast, when a proton conductive solid electrolyte is used, protons, oxygen molecules, and electrons react at the cathode (outside) to generate water. Since the outside is almost open, pressure loss is unlikely to occur even if water droplets adhere on the outlet side at low temperature.

次に、図5によって、円筒MEA7と、Niメッシュシート11aと、セルメット(多孔質金属体)11sと、中心導電棒11kと、を用いて、アノード集電体11を形成する方法について説明する。円筒MEAの製造方法については、あとで説明する。まず、Niメッシュシート11aの端部を図3に示すように加工し、Niペースト8aを塗布したあと、円筒MEA7内に装入する。このあと直ぐに還元焼結によって、アノード2/Niメッシュシート11aを結合してもよいし、そのまま還元焼結しないで仮止めしておいてもよい。
一方、セルメットシート11sの巻き始め部分を中心導電棒11に抵抗溶接によって固定し、巻き回して仮止めする。この巻き回されたセルメット11sの外表面にNiペースト8bを塗布して、上記のNiメッシュシート11a付きの円筒MEA7に装入する。このあと、直ぐに(RS工程)還元焼結によってセルメット11sとNiメッシュシート11aとを接合する。この(RS工程)のときまでに、Niメッシュシート11aとアノード2とが還元焼結されていない場合は、この(RS工程)において、並行して、還元焼結される。次いで、(W工程)Niメッシュシート11aの延び出た部分(端部)Wを中心導電棒11kの外周に配置して、抵抗溶接する。(RS工程)と(W工程)とは順序を入れ替えてもよい。これによって、アノード集電体11を形成して、次工程に移ることができる。
抵抗溶接は、たとえば次の条件で行うことができる。
抵抗溶接機:ミヤチテクノス社製、溶接電源:IS−120B、溶接トランス:ITH−651A6W6、溶接ヘッド:MH−D500C、溶接条件:電流6.0kA×圧力25.0N
また、還元焼結の条件は、20%NHを含有する窒素雰囲気中で、800℃×10〜20分間の保持、である。
Next, a method of forming the anode current collector 11 using the cylindrical MEA 7, the Ni mesh sheet 11a, the cermet (porous metal body) 11s, and the central conductive rod 11k will be described with reference to FIG. A method for manufacturing the cylindrical MEA will be described later. First, the end of the Ni mesh sheet 11a is processed as shown in FIG. 3, and after applying the Ni paste 8a, the Ni mesh sheet 11a is loaded into the cylindrical MEA 7. Immediately thereafter, the anode 2 / Ni mesh sheet 11a may be bonded by reduction sintering, or may be temporarily fixed without reduction sintering.
On the other hand, the winding start portion of the cermet sheet 11s is fixed to the central conductive rod 11 by resistance welding, and is wound and temporarily fixed. Ni paste 8b is applied to the outer surface of the wound cermet 11s, and is inserted into the cylindrical MEA 7 with the Ni mesh sheet 11a. Thereafter, the Celmet 11s and the Ni mesh sheet 11a are joined immediately by reduction sintering (RS process). When the Ni mesh sheet 11a and the anode 2 are not reduced and sintered by this (RS step), they are reduced and sintered in parallel in this (RS step). Next, (W step) An extended portion (end portion) W of the Ni mesh sheet 11a is arranged on the outer periphery of the central conductive rod 11k, and resistance welding is performed. The order of (RS process) and (W process) may be interchanged. As a result, the anode current collector 11 can be formed and transferred to the next step.
Resistance welding can be performed, for example, under the following conditions.
Resistance welder: manufactured by Miyachi Technos, welding power source: IS-120B, welding transformer: ITH-651A6W6, welding head: MH-D500C, welding conditions: current 6.0 kA × pressure 25.0 N
The conditions for reduction sintering are holding at 800 ° C. for 10 to 20 minutes in a nitrogen atmosphere containing 20% NH 3 .

本実施の形態のガス分解素子10の他の部分の特徴について説明する。
1.中心導電棒11k:
本実施の形態では、MEA7が円筒形であり、かつ、アノード集電体11に中心導電棒11kを用いた点にも特徴の一つがある。中心導電棒11kは、少なくとも表層にCrを含まない金属で形成するのがよい。たとえばNi導電棒11kとするのがよい。Crを含むステンレススティールを用いた場合、使用中に、アノード2中のセラミックスGDCなどがCr被毒によって機能不全を生じるからである。中心導電棒11kの直径は、特にこだわらないが、円筒固体電解質1の内径の1/9〜1/3程度とするのがよい。たとえば上記内径18mmのとき、2mm〜6mm程度とするのがよい。太くしすぎると流すことのできるガスの最大流量が減少し、細くし過ぎると電気抵抗が大きくなり発電時の電圧低下につながる。多孔質金属体11sは、シート状のもの(セルメットシート)が巻きはじめの部分で中心導電棒11kに抵抗溶接され、らせん状に緊密に巻き付けられ、らせんの状態が維持される。このため、多孔質金属体11sと中心導電棒11kとの界面の電気抵抗は小さい。中心導電棒11kを用いることの利点は次のとおりである。
(1)アノード2から外部配線に至る間の全体の電気抵抗を低くすることができる。すなわちアノード集電体11の電気抵抗の低減に役立つ。
(2)従来の円筒MEAを用いた場合の泣き所は、内面側の集電体の外部端子を簡単な構造で、小型にまとめることができない点にある。円筒MEAの内面側の集電には多孔質金属体は不可欠であるが、この多孔質金属体は端の部分をまとめにくく、小型化された端子部を形成することができなかった。たとえば、多孔質金属の端を引き伸ばして外部との導電接続をはかる場合、ガス分解素子自体が大掛かりになり、商品価値は大きく低下する。また、圧力損失の点でも多孔質金属体の延長は好ましくない。
さらに、円筒MEA7の内側には、アンモニアを含む気体が導入されるので、気密性の高い、気体搬送路と円筒MEA7との接続、およびアノード集電体11と外部配線との接続が重要となる。円筒MEA7の端には、アノード集電体の外部配線への接続部、および、気体搬送路との接続部が、両方ともに設けられる。
中心導電棒11kは、ねじ切りや溝きり等の加工が容易であり、ソリッド棒なので、多少の外部の応力に変形することはなく、安定にその形状を維持することができる。この結果、アノード集電体11と外部配線との接続部を簡単な構造で、しかも小型で実現することができる。
(3)ガス分解素子10を能率よく稼働させるには300℃〜1000℃に加熱する必要がある。加熱のためのヒータ41は、空気通路の外側に配置するしかない。熱は円筒MEA7の外側から内側へと伝導するが、円筒MEA7の端部も当然、高温になる。高温の端部に高い気密性で、外部配線および気体搬送路を接続させるには、上記の高温では、特殊な耐熱性の樹脂が必要になる。また、ガスによる腐食等も高温になるほど進行が高くなる傾向があるので、耐食性についても、特殊な材料が必要になるおそれがある。この結果、使用可能な樹脂が、非常に高価になるおそれがある。
しかし、中心導電棒11kを用いれば、ヒータ41側の外側から最も遠い位置にあり、しかも容易に軸方向に延ばすことができる。このため、比較的、温度が低い箇所まで延ばした位置で、気密性を高くしながら、外部配線との導電接続、および気体搬送路との接続、を行うことができる。その結果、非常に特殊な樹脂を用いることなく、通常のレベルの耐熱性かつ耐食性の樹脂を用いることができ、経済性を高め、かつ耐久性を向上させることができる。
Features of other parts of the gas decomposition element 10 of the present embodiment will be described.
1. Center conductive rod 11k:
In the present embodiment, the MEA 7 has a cylindrical shape, and one of the features is that the central conductive rod 11k is used for the anode current collector 11. The center conductive rod 11k is preferably formed of a metal that does not contain Cr in at least the surface layer. For example, the Ni conductive rod 11k is preferable. This is because when stainless steel containing Cr is used, the ceramic GDC in the anode 2 malfunctions due to Cr poisoning during use. The diameter of the central conductive rod 11k is not particularly limited, but is preferably about 1/9 to 1/3 of the inner diameter of the cylindrical solid electrolyte 1. For example, when the inner diameter is 18 mm, the thickness is preferably about 2 mm to 6 mm. If it is too thick, the maximum flow rate of the gas that can be flowed will decrease, and if it is too thin, the electrical resistance will increase, leading to a voltage drop during power generation. The porous metal body 11s is resistance-welded to the central conductive rod 11k at the beginning of winding of a sheet-like material (Celmet sheet), tightly wound in a spiral shape, and the spiral state is maintained. For this reason, the electrical resistance at the interface between the porous metal body 11s and the central conductive rod 11k is small. The advantages of using the central conductive rod 11k are as follows.
(1) The overall electrical resistance between the anode 2 and the external wiring can be reduced. That is, it helps to reduce the electrical resistance of the anode current collector 11.
(2) The crying place in the case of using a conventional cylindrical MEA is that the external terminals of the current collector on the inner surface side cannot be put together in a small size with a simple structure. A porous metal body is indispensable for collecting current on the inner surface side of the cylindrical MEA. However, this porous metal body is difficult to put together the end portions, and a miniaturized terminal portion cannot be formed. For example, when the end of the porous metal is stretched to establish a conductive connection with the outside, the gas decomposition element itself becomes large, and the commercial value is greatly reduced. Also, it is not preferable to extend the porous metal body in terms of pressure loss.
Further, since a gas containing ammonia is introduced into the inside of the cylindrical MEA 7, it is important to connect the gas conveying path and the cylindrical MEA 7 with high airtightness and the connection between the anode current collector 11 and the external wiring. . At the end of the cylindrical MEA 7, both a connection part to the external wiring of the anode current collector and a connection part to the gas conveyance path are provided.
The central conductive rod 11k is easy to process such as threading and grooving, and is a solid rod, so that it is not deformed by some external stress, and its shape can be maintained stably. As a result, the connecting portion between the anode current collector 11 and the external wiring can be realized with a simple structure and in a small size.
(3) In order to operate the gas decomposing element 10 efficiently, it is necessary to heat to 300 ° C. to 1000 ° C. The heater 41 for heating can only be arranged outside the air passage. Although heat is conducted from the outside to the inside of the cylindrical MEA 7, the end portion of the cylindrical MEA 7 naturally becomes high temperature. In order to connect the external wiring and the gas transport path with high airtightness to the high temperature end, a special heat resistant resin is required at the above high temperature. In addition, since corrosion due to gas tends to increase as the temperature increases, a special material may be required for corrosion resistance. As a result, usable resin may be very expensive.
However, if the central conductive rod 11k is used, it is at a position farthest from the outside on the heater 41 side, and can be easily extended in the axial direction. For this reason, in the position extended to the location where temperature is comparatively low, the electrical connection with an external wiring and the connection with a gas conveyance path can be performed, making airtightness high. As a result, a resin having a normal level of heat resistance and corrosion resistance can be used without using a very special resin, so that economic efficiency can be improved and durability can be improved.

図6は、中心導電棒11kと外部配線11eとの接続形態、および円筒MEA7と気体搬送路45との接続形態を示す図である。円筒MEA7の端には、フッ素樹脂製の管状継ぎ手30が嵌め合わされる。嵌め合わせは、管状継ぎ手30の本体部31から固体電解質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、焼結体であるセラミックスの固体電解質1の外面に当接された状態が維持されるように行う。このため、管状継ぎ手30の締結部31bは、外径がテーパ状に変わるようにされ、そこにねじが切られ、そのねじに環状ねじ32が螺合ざれる。環状ねじを外径が大きくなる方向へと螺合することで、締結部31bは、外面から締め付けられ、Oリング33による気密性を調節することができる。
管状継ぎ手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の他端には接続板37aが接合されている。
接続板37aと、中心導電棒11kの先端部35との導電接続は、接続器具たとえばドライバを用いて、そのドライバを管状継ぎ手30の突き出し孔部31aを通して、ねじ34を螺合することで、行う。ドライバによるねじ34の締め付けによって、先端部35と接続板37aとの導電接続における電気抵抗(接触抵抗)をほとんどなくすことができる。
また、カソード集電体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。カソード5は、円筒MEA7の外面側に位置するので、アノード集電体11から外部への引き出しほど困難ではない。
気体搬送路45は、弾性変形可能な樹脂等の管を用いるのがよい。その管45を、突き出し孔部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。
図6における、アノード集電体11と外部配線11eとの接続、および管状継ぎ手30と気体搬送路45との接続は、ともに非常に簡単かつ小型の構造で実現されている。また、上記の2種類の接続が、ヒータからの熱硫の主流部から外れた位置へと、中心導電棒11kおよびその付属品である先端部35によって離されている。このため、フッ素樹脂という普通の耐熱性樹脂または耐食性樹脂によって、長期間の繰り返し耐久性を確保することができる。また、確認のために付言するが、中心導電棒11kは、多孔質金属体11sと小さい接触抵抗で導電接続することは、上述したとおりである。
FIG. 6 is a diagram showing a connection form between the central conductive rod 11k and the external wiring 11e and a connection form between the cylindrical MEA 7 and the gas conveyance path 45. A tubular joint 30 made of fluororesin is fitted into the end of the cylindrical MEA 7. In the fitting, the O-ring 33 housed on the inner surface side of the fastening portion 31b extending from the main body portion 31 of the tubular joint 30 to the solid electrolyte 1 is brought into contact with the outer surface of the ceramic solid electrolyte 1 which is a sintered body. The state is maintained. For this reason, the fastening portion 31b of the tubular joint 30 is configured such that the outer diameter changes into a taper shape, a screw is cut there, and the annular screw 32 is screwed into the screw. By fastening the annular screw in the direction in which the outer diameter increases, the fastening portion 31b is tightened from the outer surface, and the airtightness by the O-ring 33 can be adjusted.
The main body portion 31 of the tubular joint 30 is provided with a conductive through portion 37c that penetrates the main body portion 31 while maintaining airtightness, and is coated with a sealing resin 38 or the like in order to maintain airtightness. The conductive penetrating portion 37c is a cylindrical rod, and a screw for screwing the nut 39 is preferably cut in order to make a reliable conductive connection with the external wiring 11e. A conductive wire 37b is bonded to the distal end of the conductive through portion 37c in the tube, and a connection plate 37a is bonded to the other end of the conductive wire 37b.
Conductive connection between the connection plate 37a and the distal end portion 35 of the central conductive rod 11k is performed by screwing the screw 34 through the protruding hole portion 31a of the tubular joint 30 using a connection tool such as a driver. . By tightening the screw 34 by the driver, the electrical resistance (contact resistance) in the conductive connection between the tip 35 and the connection plate 37a can be almost eliminated.
Further, the external wiring 12e can be wound around the outer periphery of the end portion of the Ni mesh sheet 12a of the cathode current collector 12, whereby the lead-out to the outside can be performed. Since the cathode 5 is located on the outer surface side of the cylindrical MEA 7, it is not as difficult as withdrawing from the anode current collector 11 to the outside.
For the gas conveyance path 45, it is preferable to use a tube made of an elastically deformable resin or the like. By fitting the tube 45 to the outer periphery of the protruding hole portion 31 a and fastening with the fastener 47, a connection with good airtightness can be obtained.
The connection between the anode current collector 11 and the external wiring 11e and the connection between the tubular joint 30 and the gas conveyance path 45 in FIG. 6 are both realized by a very simple and small structure. Also, the above two types of connections are separated by the central conductive rod 11k and the tip portion 35 that is an accessory thereof to a position that is out of the main stream portion of the thermal sulfur from the heater. For this reason, long-term repeated durability can be ensured by an ordinary heat-resistant resin or corrosion-resistant resin called a fluororesin. Moreover, as added for confirmation, the central conductive rod 11k is conductively connected to the porous metal body 11s with a small contact resistance as described above.

2.銀ペースト塗布配線12g:
従来、カソード5には銀粒子を配置して、銀粒子の触媒作用によって酸素分子の分解速度を向上させるのが普通であった。しかし、カソード5に銀粒子を含ませる構造では、カソード5の価格が高くなり、経済性を低下させる。カソード5に銀粒子を含有させる代わりに、カソード5外面において、銀ペースト塗布層の形態で銀粒子の配線を形成することができる。
図7は、円筒形のカソード5の外周面に設けられた、銀ペースト塗布配線12gとNiメッシュシート12aとを示す図である。銀ペースト塗布配線12gは、銀ペーストをカソード5の外周面に、たとえば図5に示すように帯状の配線を格子状(母線方向+環状方向)に配置する。
この銀ペーストにおいて重要なのは、乾燥後または焼結後に、気孔率の高い多孔質にすることである。図8は銀ペースト塗布配線12gの表面を示すSEM(Scanning Electron Microscopy)像を示し、(a)は画像データであり、(b)はその説明図である。図8に示すように、塗布し乾燥(焼結)した後に多孔質になる銀ペーストは市販されており、たと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の重要性はつぎの理由に基づく。
カソード5には酸素分子Oをできるだけ多く供給するのがよく、しかも銀ペーストに含まれる銀粒子は、カソード5におけるカソード反応を促進する触媒作用を有する(図10参照)。銀ペースト塗布配線12gをカソード5に塗布することで、カソード中の酸素イオンを通すLSMなどの金属酸化物と、銀粒子と、酸素分子Oとが接触する箇所(接触箇所)が高密度で生じる。銀ペースト塗布配線12gを多孔質にすることで、多くの酸素分子Oが、多孔質の気孔中に入って上記の接触箇所に触れ、カソード反応を生じやすくなる。
さらに、銀粒子を含む銀ペースト塗布配線12gは、導電性が高いので、Niメッシュシート12aを補助してカソード集電体12における電気抵抗を低くする。このために、銀ペースト塗布配線12gは、上記のように、格子状(母線方向、環状方向)に連続するように設けるのがよい。外側のNiメッシュシート12aは、この銀ペースト塗布配線12gに接触して導通するように巻き付けられる。
要約すると、多孔質になる銀ペースト塗布配線12gによって、(1)カソード反応を促進して、かつ(2)カソード集電体12の電気抵抗を下げることができる。
銀ペースト塗布配線12gは、図5に示すように帯状に格子状に設けてもよいし、またはカソード5の全外周面に形成してもよい。カソード5の全外周面に銀ペースト塗布した場合には、配線とは呼びにくいが、本説明では、全外周面の領域に抜けた領域なく塗布する場合も、銀ペースト塗布配線と呼ぶこととする。このカソード5の全外周面に塗布する場合は、Niメッシュシート12aを省略することができる。
2. Silver paste coated wiring 12g:
Conventionally, it has been usual to arrange silver particles on the cathode 5 to improve the decomposition rate of oxygen molecules by the catalytic action of the silver particles. However, in the structure in which the cathode 5 contains silver particles, the price of the cathode 5 becomes high and the economy is lowered. Instead of containing silver particles in the cathode 5, wiring of silver particles can be formed on the outer surface of the cathode 5 in the form of a silver paste coating layer.
FIG. 7 is a diagram showing a silver paste coated wiring 12g and a Ni mesh sheet 12a provided on the outer peripheral surface of the cylindrical cathode 5. As shown in FIG. In the silver paste application wiring 12g, the silver paste is arranged on the outer peripheral surface of the cathode 5, for example, as shown in FIG. 5, the belt-like wiring is arranged in a lattice shape (bus line direction + annular direction).
What is important in this silver paste is to make it highly porous after drying or sintering. FIG. 8 shows an SEM (Scanning Electron Microscopy) image showing the surface of the silver paste coated wiring 12g, (a) is image data, and (b) is an explanatory diagram thereof. As shown in FIG. 8, a silver paste that becomes porous after being applied and dried (sintered) is commercially available. For example, DD-1240 manufactured by Kyoto Elex Co., Ltd. can be used. The importance of making the silver paste coated wiring 12g porous is based on the following reason.
The cathode 5 should be supplied with as many oxygen molecules O 2 as possible, and the silver particles contained in the silver paste have a catalytic action that promotes the cathode reaction in the cathode 5 (see FIG. 10). By applying the silver paste coating wiring 12g to the cathode 5, the metal oxide such as LSM that passes oxygen ions in the cathode, silver particles, and oxygen molecules O 2 are in contact with each other at high density (contact points). Arise. By making the silver paste coated wiring 12g porous, a large number of oxygen molecules O 2 enter the porous pores and touch the above-mentioned contact portions, and the cathode reaction is likely to occur.
Furthermore, since the silver paste coated wiring 12g containing silver particles has high conductivity, the Ni mesh sheet 12a is assisted to lower the electrical resistance in the cathode current collector 12. For this purpose, the silver paste coated wiring 12g is preferably provided so as to be continuous in a lattice shape (bus line direction, annular direction) as described above. The outer Ni mesh sheet 12a is wound so as to be in contact with the silver paste coated wiring 12g.
In summary, the silver paste-coated wiring 12g that becomes porous can promote (1) the cathode reaction and (2) lower the electrical resistance of the cathode current collector 12.
As shown in FIG. 5, the silver paste coated wiring 12 g may be provided in a strip shape in a lattice shape, or may be formed on the entire outer peripheral surface of the cathode 5. When the silver paste is applied to the entire outer peripheral surface of the cathode 5, it is difficult to call it a wiring. . In the case of applying to the entire outer peripheral surface of the cathode 5, the Ni mesh sheet 12a can be omitted.

3.アノード2:
−構成と作用−
図9は、固体電解質1が酸素イオン導電性の場合における、アノード2の電気化学反応を説明するための図である。アノード2には、アンモニアを含む気体が導入され、気孔2hを通って流れる。アノード2は、表面酸化されて酸化層を有する金属粒連鎖体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。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。
金属粒連鎖体21の金属は、ニッケル(Ni)またはNiに鉄(Fe)を含むものとするのがよい。さらに好ましくはTiを2〜10000ppm程度の微量含むものである。(1)Ni自体、アンモニアの分解を促進する触媒作用を有する。また、FeやTiを微量含むことでさらに触媒作用を高めることができる。さらに、このNiを酸化させて形成されたニッケル酸化物は、これら金属単味の促進作用をさらに高めることができる。ただし、アンモニアの分解反応(アノード反応)は還元反応なので、使用前の製品には焼結処理等で生じた酸化層がNi粒連鎖体に形成されていたのが、使用によってアノード中の金属粒連鎖体も還元されて酸化層が消失することになる。しかし、Ni自体の触媒作用は確実にあり、さらに、酸化層がないことをカバーするために、FeやTiをNiに含有させて触媒作用の低下を補うことができる。
上記の触媒作用に加えて、アノードにおいて、酸素イオンを分解反応に参加させている。すなわち、分解を電気化学反応のなかで行う。上記のアノード反応2NH+3O2−→N+3HO+6eでは、酸素イオンの寄与があり、アンモニアの分解速度を大きく向上させる。(3)アノード反応では、自由な電子eが生じる。電子eがアノード2に滞留すると、アノード反応の進行は、妨げられる。金属粒連鎖体21は、ひも状に細長く、酸化層21bで被覆された中身21a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、スムースに流れる。このため、電子eがアノード2に滞留することはなく、金属粒連鎖体21の中身21aを通って、外に流れる。金属粒連鎖体21により、電子eの通りが、非常に良くなる。要約すると、本発明の実施の形態における特徴は、アノードにおける次の(e1)、(e2)および(e3)にある。
(e1)ニッケル粒連鎖体、Fe含有ニッケル連鎖体、またはFe,Ti含有ニッケル粒連鎖体による分解反応の促進(高い触媒機能)
(e2)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)
(e3)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(e1)、(e2)および(e3)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。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、分解反応速度は飛躍的に向上する。上記の(e1)、(e2)および(e3)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である。
なお、上記は固体電解質1が酸素イオン導電性の場合の説明であるが、固体電解質1はプロトン(H)導電性でもよく、その場合、アノード2におけるイオン導電性セラミックス22はプロトン導電性のセラミックス、たとえばバリウムジルコネート等を用いる。
−配合および焼結−
アノード2の酸素イオン導電性の金属酸化物(セラミックス)をSSZとする場合、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1000℃〜1600℃の範囲に、30分〜180分間保持することで行う。製造方法については、とくに円筒MEA7の製造法に関連づけて、このあと説明する。
3. Anode 2:
-Configuration and action-
FIG. 9 is a diagram for explaining an electrochemical reaction of the anode 2 when the solid electrolyte 1 is oxygen ion conductive. A gas containing ammonia is introduced into the anode 2 and flows through the pores 2h. The anode 2 is a sintered body mainly composed of a metal particle chain 21 having a surface oxidized oxide layer and an oxygen ion conductive ceramic 22. 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.
The metal of the metal particle chain 21 is preferably nickel (Ni) or Ni containing iron (Fe). More preferably, Ti contains a trace amount of about 2 to 10000 ppm. (1) Ni itself has a catalytic action to promote the decomposition of ammonia. Further, the catalytic action can be further enhanced by containing a small amount of Fe or Ti. Furthermore, the nickel oxide formed by oxidizing this Ni can further enhance the promotion effect of these simple metals. However, since the ammonia decomposition reaction (anode reaction) is a reduction reaction, the oxide layer produced in the sintering process, etc., was formed in the Ni particle chain in the product before use. The chain is also reduced and the oxide layer disappears. However, the catalytic action of Ni itself is certain, and furthermore, in order to cover the absence of an oxide layer, Fe or Ti can be included in Ni to compensate for the reduction in catalytic action.
In addition to the above catalytic action, oxygen ions are allowed to participate in the decomposition reaction at the anode. That is, the decomposition is performed in an electrochemical reaction. In the above-mentioned anode reaction 2NH 3 + 3O 2− → N 2 + 3H 2 O + 6e , oxygen ions contribute and greatly improve the decomposition rate of ammonia. (3) In the anode reaction, free electrons e are generated. When the electrons e stay on the anode 2, the progress of the anode reaction is hindered. The metal particle chain 21 is elongated in a string shape, and the content 21a covered with the oxide layer 21b is a good conductor metal (Ni). The electrons e flow smoothly in the longitudinal direction of the string-like metal particle chain. For this reason, the electrons e do not stay in the anode 2 and flow outside through the contents 21 a of the metal particle chain 21. The metal particle chain 21 makes the passage of electrons e very good. In summary, the characteristics of the embodiment of the present invention are the following (e1), (e2) and (e3) in the anode.
(E1) Promotion of decomposition reaction by nickel particle chain, Fe-containing nickel chain, or Fe, Ti-containing nickel particle chain (high catalytic function)
(E2) Decomposition promotion by oxygen ions (decomposition promotion in electrochemical reaction)
(E3) Ensuring continuity of electrons by string-like good conductor of metal particle chain (high electron conductivity)
By the above (e1), (e2) and (e3), the anode reaction is greatly promoted.
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 from the cathode 5 through the ion conductive solid electrolyte 1, and as a result, the generated electrons are conducted to the outside, thereby decomposing. The reaction rate is dramatically improved. It is a major feature of the present invention to have the functions (e1), (e2), and (e3) described above, and a configuration that provides the functions.
Although the above description is for the case where the solid electrolyte 1 is oxygen ion conductive, the solid electrolyte 1 may be proton (H + ) conductive. In this case, the ion conductive ceramics 22 in the anode 2 is proton conductive. Ceramics such as barium zirconate is used.
-Formulation and sintering-
When the oxygen ion conductive metal oxide (ceramics) of the anode 2 is SSZ, the average diameter of the raw material powder of SSZ is about 0.5 μm to 50 μm. The compounding ratio between the surface-oxidized metal particle chain 21 and SSZ22 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 manufacturing method will be described later in connection with the manufacturing method of the cylindrical MEA 7 in particular.

4.金属粒連鎖体21:
−還元析出法−
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。
−酸化層の形成−
表面酸化処理は、アノード2に用いる場合は、還元されるので重要度は少し低下する。表面酸化処理方法はつぎのとおりである。(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。
4). Metal grain chain 21:
-Reduction precipitation method-
The metal particle chain 21 is preferably manufactured by a reduction precipitation method. The reduction precipitation method of the metal particle chain 21 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. In the case of Ni, Ni ions are allowed to coexist. 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 must be a ferromagnetic metal and have 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. The average diameter D of the metal particle chain 21 contained in the anode 2 is preferably in the range of 5 nm to 500 nm. The average length L 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.
-Formation of oxide layer-
When the surface oxidation treatment is used for the anode 2, the degree of importance is slightly reduced because it is reduced. The surface oxidation treatment method is as follows. Three types of (i) heat treatment oxidation by vapor phase method, (ii) electrolytic oxidation, and (iii) chemical oxidation are suitable methods. In (i), it is good to process at 500-700 degreeC for 1 to 30 minutes in air | atmosphere. Although it is the simplest method, it is difficult to control the oxide film thickness. 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 1 nm to 100 nm, and more preferably 10 nm to 50 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. 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.

5.カソード5:
−構成および作用−
図10は、固体電解質1が酸素イオン導電性の場合における、カソード5における電気化学反応を説明するための図である。カソード5には、空気とくに酸素分子が導入される。カソード5は、酸素イオン導電性のセラミックス5cとを主成分とする焼結体とする。この場合の酸素イオン導電性のセラミックス5c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。
本実施の形態におけるカソード5では、Ag粒子は銀ペースト塗布配線12gの形態で配置される。この中で、Ag粒子はカソード反応O+4e→2O2−を大きく促進させる触媒機能を有する。この結果、カソード反応は非常に大きい速度で進行することができる。Ag粒子の平均径は、10nm〜100nmとするのがよい。
上記は固体電解質1が酸素イオン導電性の場合の説明であるが、固体電解質1はプロトン(H)導電性でもよく、その場合、カソード5におけるイオン導電性セラミックス5cはプロトン導電性のセラミックス、たとえばバリウムジルコネート等を用いるのがよい。
−焼結−
SSZの平均径は0.5μm〜50μm程度のものを用いるのがよい。焼結条件は、大気雰囲気で、1000℃〜1600℃に、30分〜180分間程度保持する。
5). Cathode 5:
-Configuration and action-
FIG. 10 is a diagram for explaining an electrochemical reaction at the cathode 5 when the solid electrolyte 1 is oxygen ion conductive. Air, particularly oxygen molecules, is introduced into the cathode 5. The cathode 5 is a sintered body mainly composed of an oxygen ion conductive ceramic 5c. In this case, it is preferable to use LSM (lanthanum strontium manganite), LSC (lanthanum strontium cobaltite), SSC (samarium strontium cobaltite) or the like as the oxygen ion conductive ceramic 5c.
In the cathode 5 in the present embodiment, Ag particles are arranged in the form of silver paste coated wiring 12g. Among them, the Ag particles have a catalytic function for greatly promoting the cathode reaction O 2 + 4e → 2O 2− . As a result, the cathodic reaction can proceed at a very high rate. The average diameter of the Ag particles is preferably 10 nm to 100 nm.
The above is a description of the case where the solid electrolyte 1 is oxygen ion conductive. However, the solid electrolyte 1 may be proton (H + ) conductive, and in this case, the ion conductive ceramic 5c in the cathode 5 is a proton conductive ceramic, For example, barium zirconate may be used.
-Sintering-
The average diameter of SSZ is preferably about 0.5 μm to 50 μm. The sintering conditions are maintained at 1000 ° C. to 1600 ° C. for about 30 minutes to 180 minutes in an air atmosphere.

6.固体電解質1:
電解質1は、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が、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1としては、酸素イオン導電性の、SSZ、YSZ、SDC、LSGM、GDCなどを用いるのがよい。また、上記のように、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。
6). Solid electrolyte 1:
As the electrolyte 1, a solid oxide, molten carbonate, phosphoric acid, solid polymer, or the like can be used, but the solid oxide is preferable because it can be downsized and easily handled. As the solid oxide 1, it is preferable to use oxygen ion conductive SSZ, YSZ, SDC, LSGM, GDC, or the like. Further, as described above, proton conductive barium zirconate can also be used.

7.めっき金属体11s:
アノード2の集電材の重要な一要素である多孔質金属体11sは金属めっき体とするのがよい。多孔質金属体11には金属めっき多孔体とくにNiめっき多孔体、すなわち上述のセルメット(登録商標)を用いるのがよい。Niめっき多孔体は、気孔率を大きくとることができ、たとえば0.6以上0.98以下とすることができる。これによって、内面側電極であるアノード2の集電体の一要素として機能しながら、非常に良好な通気性を得ることができる。気孔率が0.6未満では、圧力損失が大きくなり、ポンプ等による強制循環をするとエネルギ効率が低下し、またイオン導電材等に曲げ変形等を生じて好ましくない。圧力損失を低減し、イオン導電材の損傷を防止するために、気孔率は、0.8以上とするのがよく、更に好ましい範囲として0.9以上とする。一方、気孔率が0.98を超えると電気伝導性が低下して集電機能が低下する。
7). Plating metal body 11s:
The porous metal body 11s, which is an important element of the current collector of the anode 2, is preferably a metal plating body. As the porous metal body 11, it is preferable to use a metal-plated porous body, particularly a Ni-plated porous body, that is, the above-mentioned Celmet (registered trademark). The Ni-plated porous body can have a large porosity, for example, 0.6 or more and 0.98 or less. This makes it possible to obtain very good air permeability while functioning as one element of the current collector of the anode 2 that is the inner surface side electrode. If the porosity is less than 0.6, the pressure loss increases, and if forced circulation by a pump or the like is performed, the energy efficiency is lowered, and bending deformation or the like occurs in the ion conductive material or the like. In order to reduce the pressure loss and prevent the ion conductive material from being damaged, the porosity is preferably 0.8 or more, and more preferably 0.9 or more. On the other hand, when the porosity exceeds 0.98, the electrical conductivity is lowered and the current collecting function is lowered.

8.円筒MEA7の製造方法:
図11により、円筒形MEA7の製造方法の概要について説明する。図11には、アノード2、およびカソード5ごとに、焼成を行う工程を示す。まず、市販されている円筒形固体電解質1を購入して準備する。次いで、カソード5を形成する場合は、所定の流動性を持つようにカソード構成材料を溶媒に溶かした溶液を調整して、円筒形固体電解質の外面に均等になるように塗布する。次いで、カソード5に適切な焼成条件で焼成する。このあとアノード2の形成に移る。図9に示す製造方法の他に、多くのバリエーションがある。焼成回数を1回ですます場合で、図9に示すように、各部分ごとに焼成を行うのではなく、塗布状態のまま、各部分を形成して、最後に、各部分の最大公約数的な条件で焼成を行う。この他、多くのバリエーションがあり、各部分を構成する材料と、目標とする分解効率と、製造経費等を総合的に考えて製造条件を決めることができる。
8). Manufacturing method of cylindrical MEA7:
The outline of the manufacturing method of the cylindrical MEA 7 will be described with reference to FIG. FIG. 11 shows a step of firing for each of the anode 2 and the cathode 5. First, a commercially available cylindrical solid electrolyte 1 is purchased and prepared. Next, when the cathode 5 is formed, a solution in which the cathode constituent material is dissolved in a solvent so as to have a predetermined fluidity is prepared and applied uniformly to the outer surface of the cylindrical solid electrolyte. Next, the cathode 5 is fired under suitable firing conditions. Thereafter, the process proceeds to formation of the anode 2. There are many variations in addition to the manufacturing method shown in FIG. In the case where the number of times of firing is one time, as shown in FIG. 9, instead of firing each part, each part is formed in the applied state, and finally the greatest common divisor of each part Firing is performed under various conditions. In addition, there are many variations, and the manufacturing conditions can be determined by comprehensively considering the material constituting each part, the target decomposition efficiency, the manufacturing cost, and the like.

9.ガス分解素子の配列
図12は、ガス分解素子10の配列例を示す図である。図12(a)は、1つの円筒形MEA7を用いた場合のガス除害装置であり、また、図12(b)は、図12(a)に示すものを、複数(12個)、並列に配置した構成のガス除害装置である。1つのMEA7では処理容量が不足する場合に、複数の並列配置は、面倒な加工無しに容量増大をはかることができる。複数のどの円筒形MEA7についても、内面側に、上記のアノード集電体11(11a,11s,11k)を装入し、内面側にアンモニアを含む気体を流す。円筒形MEA7の外面側は、スペースSを設けて高温の空気または高温の酸素に触れさせるようにする。
また、加熱装置であるヒータ41については、複数、並列配置した円筒形MEA7の全体をまとめて結束する態様により、設けることができる。このような全体をまとめて結束する態様をとることで、小型化をはかることができる。
9. Arrangement of Gas Decomposing Elements FIG. 12 is a view showing an arrangement example of the gas decomposing elements 10. FIG. 12 (a) shows a gas abatement apparatus when one cylindrical MEA 7 is used, and FIG. 12 (b) shows a plurality (12 pieces) of those shown in FIG. 12 (a) in parallel. It is the gas abatement apparatus of the structure arrange | positioned. When the processing capacity of one MEA 7 is insufficient, the plurality of parallel arrangements can increase the capacity without troublesome processing. In any of the plurality of cylindrical MEAs 7, the anode current collector 11 (11a, 11s, 11k) is inserted on the inner surface side, and a gas containing ammonia is flowed on the inner surface side. A space S is provided on the outer surface side of the cylindrical MEA 7 so as to be in contact with hot air or hot oxygen.
Moreover, about the heater 41 which is a heating apparatus, it can provide by the aspect which bundles and bundles the whole cylindrical MEA7 arranged in parallel. By adopting such a mode in which the whole is bundled together, downsizing can be achieved.

(その他のガス分解素子)
表1は、本発明のガス分解素子を適用できる他のガス分解反応を例示する表である。ガス分解反応R1は、実施の形態1で説明したアンモニア/酸素の分解反応である。その他、ガス分解反応R2〜R8のどの反応に対しても本発明のガス分解素子は用いることができる。すなわち、アンモニア/水、アンモニア/NOx、水素/酸素/、アンモニア/炭酸ガス、VOC(揮発性有機化合物:volatile organic compounds)/酸素、VOC/NOx、水/NOx、などに用いることができる。また、どの反応においても、第1電極はアノードに限定されず、カソードとしてもよい。カソードもそれに応じて対をなすようにする。
(Other gas decomposition elements)
Table 1 is a table illustrating other gas decomposition reactions to which the gas decomposition element of the present invention can be applied. The gas decomposition reaction R1 is the ammonia / oxygen decomposition reaction described in the first embodiment. In addition, the gas decomposition element of the present invention can be used for any of the gas decomposition reactions R2 to R8. That is, it can be used for ammonia / water, ammonia / NOx, hydrogen / oxygen /, ammonia / carbon dioxide gas, VOC (volatile organic compounds) / oxygen, VOC / NOx, water / NOx, and the like. In any reaction, the first electrode is not limited to the anode, and may be a cathode. The cathodes should be paired accordingly.

Figure 2011255332
Figure 2011255332

表1は、多くの電気化学反応の一部を例示したにすぎない。本発明のガス分解素子は、その他の多くの反応に適用可能である。たとえば表1は酸素イオン導電性の固体電解質の反応例に限定しているが、上述のように固体電解質をプロトン(H)導電性とする反応例も本発明の有力な実施の形態例である。固体電解質をプロトン導電性としても、固体電解質を透過するイオン種はプロトンになるが表1に示すガスの組み合わせにおいて、結果的にガス分子の分解を実現することは可能である。たとえば(R1)の反応において、プロトン導電性の固体電解質の場合、アンモニア(NH)はアノードで窒素分子、プロトン、および電子に分解し、プロトンは固体電解質中をカソードへと移動する。電子は外部回路をカソードへと移動する。そしてカソードにおいて酸素分子と、電子と、プロトンとが水分子を生成する。結果的にアンモニアが酸素分子と組み合わされて分解されるという点において、固体電解質が酸素イオンである場合と同じである。 Table 1 only illustrates some of the many electrochemical reactions. The gas decomposition element of the present invention is applicable to many other reactions. For example, Table 1 is limited to reaction examples of the solid electrolyte having oxygen ion conductivity, but the reaction example in which the solid electrolyte is proton (H + ) conductivity as described above is also a powerful embodiment of the present invention. is there. Even if the solid electrolyte is made proton conductive, the ionic species that permeate the solid electrolyte become protons. However, in the gas combinations shown in Table 1, it is possible to achieve decomposition of gas molecules as a result. For example, in the reaction of (R1), in the case of a proton conductive solid electrolyte, ammonia (NH 3 ) decomposes into nitrogen molecules, protons, and electrons at the anode, and the protons move through the solid electrolyte to the cathode. The electrons move through the external circuit to the cathode. At the cathode, oxygen molecules, electrons, and protons generate water molecules. As a result, ammonia is decomposed in combination with oxygen molecules, which is the same as when the solid electrolyte is oxygen ions.

(その他の適用例)
上記の電気化学反応はガス除害を目的としたガス分解反応である。しかし、ガス除害を主目的としないガス分解素子もあり、本発明のガス分解素子は、そのような、電気化学反応装置、たとえば燃料電池等にも用いることができる。
(Other application examples)
The above electrochemical reaction is a gas decomposition reaction for the purpose of removing gas. However, there are gas decomposition elements that are not mainly intended for gas removal, and the gas decomposition elements of the present invention can also be used in such electrochemical reaction devices such as fuel cells.

上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、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、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. 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.

本発明のガス分解素子等によれば、第1電極と多孔質金属体との導電接続における電気抵抗を下げるために入れた金属のメッシュシートを延ばして中心導電棒に導電接続するので、より一層、第1電極集電体の電気抵抗を下げることができる。この電気抵抗の低減によって、気体の通路内の多孔質金属体の長さを短くすることができるので、圧力損失の増大を防止できる。この結果、小型の装置で、大きなガス処理能力を有し、低いランニングコストで稼動することができる。   According to the gas decomposition element or the like of the present invention, the metal mesh sheet put in order to lower the electrical resistance in the conductive connection between the first electrode and the porous metal body is extended and conductively connected to the central conductive rod. The electrical resistance of the first electrode current collector can be lowered. By reducing the electrical resistance, the length of the porous metal body in the gas passage can be shortened, so that an increase in pressure loss can be prevented. As a result, it is a small apparatus, has a large gas processing capacity, and can be operated at a low running cost.

1 固体電解質、2 アノード、2h アノード中の気孔、5 カソード、5c カソードのイオン導電性セラミックス、8a,8b Niペースト、10 ガス分解素子、11 アノード集電体、11a Niメッシュシート、11e アノード外部配線、11g Niペースト層、11k 中心導電棒、11s 多孔質金属体(金属めっき体)、12 カソード集電体、12a Niメッシュシート、12e カソード外部配線、12g 銀ペースト塗布配線、21 金属粒連鎖体、21a 金属粒連鎖体の芯部(金属部)、21b酸化層、22 アノードのイオン導電性セラミックス、30 管状継ぎ手、31 管状継ぎ手本体部、31a 突き出し孔部、31b 締結部、32 環状ねじ、33 Oリング、34 ねじ、35 中心導電棒の先端部、37a 接続板、37b 導電線、37c 導電貫通部、39 ナット、45 気体搬送路、47 締結具、41 ヒータ、51 分解前排気路、53 分解後排気路、61 制御盤、63 発電電力配線、64 外部電力配線、P 気体の通路(MEA内)、S 空気スペース、W Niメッシュシートの溶接部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid electrolyte, 2 anode, 2h pore in anode, 5 cathode, 5c ion conductive ceramic of cathode, 8a, 8b Ni paste, 10 gas decomposition element, 11 anode current collector, 11a Ni mesh sheet, 11e anode external wiring 11g Ni paste layer, 11k center conductive rod, 11s porous metal body (metal plating body), 12 cathode current collector, 12a Ni mesh sheet, 12e cathode external wiring, 12g silver paste coating wiring, 21 metal particle chain, 21a Core part (metal part) of metal particle chain, 21b oxide layer, 22 ion conductive ceramic of anode, 30 tubular joint, 31 tubular joint body part, 31a protruding hole part, 31b fastening part, 32 annular screw, 33 O Ring, 34 screw, 35 Center conductive rod tip, 3 a connection plate, 37b conductive wire, 37c conductive through-hole, 39 nut, 45 gas conveying path, 47 fastener, 41 heater, 51 exhaust passage before decomposition, 53 exhaust passage after decomposition, 61 control panel, 63 power generation wiring, 64 External power wiring, P gas passage (inside MEA), S air space, W Ni mesh sheet weld.

Claims (11)

ガスを分解するために用いる素子であって、
内面側の第1電極と、外面側の第2電極と、該第1電極および第2電極によって挟まれる固体電解質とで構成される、筒状体のMEA(Membrane Electrode Assembly)と、
前記MEAを加熱するためのヒータと、
前記筒状体のMEAの内面側に装入され、前記第1電極に導通する多孔質金属体と、
前記多孔質金属体の導電性軸をなすように挿通された中心導電棒と、
前記第1電極と前記多孔質金属体との間に装入された金属のメッシュシートとを備え、
前記金属のメッシュシートは、 前記MEAの端から出た部分を有し、その端から出た部分が前記中心導電棒に導電接続されていることを特徴とする、ガス分解素子。
An element used to decompose gas,
A cylindrical MEA (Membrane Electrode Assembly) composed of a first electrode on the inner surface side, a second electrode on the outer surface side, and a solid electrolyte sandwiched between the first electrode and the second electrode;
A heater for heating the MEA;
A porous metal body that is inserted on the inner surface side of the MEA of the cylindrical body and is electrically connected to the first electrode;
A central conductive rod inserted so as to form a conductive axis of the porous metal body;
A metal mesh sheet inserted between the first electrode and the porous metal body,
The metal mesh sheet has a portion protruding from the end of the MEA, and the portion protruding from the end is conductively connected to the central conductive rod.
前記金属のメッシュシートは筒状をなして、前記第1電極を覆うように該第1電極にわたって配置されていることを特徴とする、請求項1に記載のガス分解素子。   2. The gas decomposition element according to claim 1, wherein the metal mesh sheet has a cylindrical shape and is disposed over the first electrode so as to cover the first electrode. 前記金属のメッシュシートの端から出た部分は、縮径されて前記中心導電棒の外周に溶接されていることを特徴とする、請求項2に記載のガス分解素子。   The gas decomposing element according to claim 2, wherein a portion protruding from an end of the metal mesh sheet is reduced in diameter and welded to an outer periphery of the central conductive rod. 前記金属メッシュシートの端から出た部分は、前記中心導電棒の外周に、1つまたは複数の点で抵抗溶接によって接合されていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガス分解素子。   The part which protruded from the end of the said metal mesh sheet | seat is joined to the outer periphery of the said center conductive rod by the resistance welding at one or several points, The one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. The gas decomposition element as described in 2. 前記金属のメッシュシートは、前記ガスを含む気体が導入される前記MEAの入口側および/または出口側で、前記中心導電棒に導電接続されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のガス分解素子。   The metal mesh sheet is conductively connected to the central conductive rod on the inlet side and / or the outlet side of the MEA into which the gas containing the gas is introduced. The gas decomposing element according to any one of the above. 前記分解対象のガスが、半導体製造装置から排出されるガスであって、少なくともアンモニアを含むガスであることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載のガス分解素子。   The gas decomposition element according to claim 1, wherein the gas to be decomposed is a gas discharged from a semiconductor manufacturing apparatus and is a gas containing at least ammonia. 前記第1電極と第2電極とから電力を取り出して前記ヒータに電力を供給することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載のガス分解素子。   The gas decomposing element according to claim 1, wherein electric power is taken out from the first electrode and the second electrode to supply electric power to the heater. 外部装置へ電力を供給するために燃料電池として機能することを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載のガス分解素子。   The gas decomposition element according to claim 1, wherein the gas decomposition element functions as a fuel cell for supplying electric power to an external device. 筒状体MEAの内面側を第1電極とし、該第1電極の集電体に、該筒状体の内側に配置された、金属のメッシュシートと多孔質金属体と該多孔質金属体を挿通する中心導電棒とを用いたガス分解素子の製造方法であって、
前記中心導電棒に前記多孔質金属シートを固定して巻き回す工程と、
前記筒状体MEAの内面に、筒状の前記金属のメッシュシートを、前記筒状体MEAの端から出る部分を有するように配設する工程と、
前記多孔質金属シートが巻き回された中心導電棒を、前記金属のメッシュシートが配置された前記筒状体MEAの中に装入する工程と、
前記巻き回された多孔質金属体と前記金属のメッシュシートとを導電接続させる工程と、
前記金属のメッシュシートの端から出た部分を、前記中心導電棒に導電接続する工程とを備えることを特徴とする、ガス分解素子の製造方法。
A metal mesh sheet, a porous metal body, and the porous metal body, which are disposed on the inner side of the cylindrical body, are disposed on the inner surface of the cylindrical body MEA as a first electrode. A gas decomposition element manufacturing method using a central conductive rod to be inserted,
Fixing and winding the porous metal sheet around the central conductive rod;
A step of disposing a cylindrical metal mesh sheet on an inner surface of the cylindrical body MEA so as to have a portion protruding from an end of the cylindrical body MEA;
A step of charging the central conductive rod around which the porous metal sheet is wound into the cylindrical body MEA in which the metal mesh sheet is disposed;
A step of conductively connecting the wound porous metal body and the metal mesh sheet;
And a step of conductively connecting a portion protruding from an end of the metal mesh sheet to the central conductive rod.
前記金属のメッシュシートの端から出た部分を中心導電棒に、溶接によって接合することを特徴とする、請求項9に記載のガス分解素子の製造方法。   The method of manufacturing a gas decomposition element according to claim 9, wherein a portion protruding from an end of the metal mesh sheet is joined to a central conductive rod by welding. 前記巻き回された多孔質金属体と前記金属のメッシュシートとの間にNiペーストが介在するように、前記中心導電棒を前記筒状体MEAの中に装入する前に、前記巻き回された多孔質金属体または筒状体MEA内に配設された金属のメッシュシートに、Niペーストを塗布することを特徴とする、請求項9または10に記載のガス分解素子の製造方法。
Before inserting the central conductive rod into the cylindrical body MEA so that Ni paste is interposed between the wound porous metal body and the metal mesh sheet, the winding is performed. 11. The method for producing a gas decomposition element according to claim 9, wherein Ni paste is applied to a metal mesh sheet disposed in the porous metal body or cylindrical body MEA.
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