JP2012169109A - Porous heating body, porous heating element, and gas decomposition element - Google Patents

Porous heating body, porous heating element, and gas decomposition element Download PDF

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山口  篤
Masatoshi Mashima
正利 真嶋
Masahiro Kato
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a porous heating body, a porous heating element, and a gas decomposition element capable of efficiently heating flowing gas, performing thermal decomposition on the gas, and being used independently or in combination with another gas decomposition device.SOLUTION: A porous heating body 1 is made up of a metal porous body including continuous pores 1b, and in the porous heating body 1, a frame 10 that includes an outer shell made up of a heating material and a core part made up of a hollow and/or a conductive material has integrally continuous three-dimensional network structures.

Description

本願発明は、多孔質発熱体、多孔質発熱素子及びガス分解素子に関する。詳しくは、ガスを流動させて加熱分解するガス分解装置に好適な多孔質発熱体、多孔質発熱素子及びガス分解素子に関する。   The present invention relates to a porous heating element, a porous heating element, and a gas decomposition element. Specifically, the present invention relates to a porous heating element, a porous heating element, and a gas decomposition element suitable for a gas decomposition apparatus that thermally decomposes by flowing a gas.

たとえば、アンモニアは農業や工業に不可欠の化合物であるがヒトには有害であるため、水中や大気中のアンモニアを分解する種々の方法が知られている。高濃度のアンモニアを含む水からアンモニアを分解除去するために、アンモニア水を噴霧するとともに空気流と接触させて空気中にアンモニアを分離し、次亜臭素酸溶液又は硫酸と接触させる方法が提案されている(特許文献1)。また、上記方法と同じプロセスで空気中にアンモニアを分離して触媒により燃焼させる方法(特許文献2)や、アンモニア含有排水を、触媒を用いて、窒素と水に分解する方法が提案されている(特許文献3)。さらに、半導体製造装置の廃ガスには、アンモニア、水素等が含まれることが多く、アンモニアの異臭を完全に除去するには、ppmオーダーにまで除去する必要がある。この目的のために、半導体装置の廃ガス放出の際にスクラバーを通して、薬品を含む水に有害ガスを吸収させる方法が多く用いられてきた。一方、エネルギや薬品等の投入なしに安価なランニングコストで有害ガスを分解するために、リン酸燃料電池でアンモニアを分解する、半導体製造装置等における廃ガス処理の方法も提案されている(特許文献4)。   For example, ammonia is an indispensable compound for agriculture and industry, but is harmful to humans, so various methods for decomposing ammonia in water and air are known. In order to decompose and remove ammonia from water containing a high concentration of ammonia, a method has been proposed in which ammonia water is sprayed and contacted with an air stream to separate ammonia in the air and contacted with hypobromous acid solution or sulfuric acid. (Patent Document 1). In addition, a method of separating ammonia in the air by the same process as the above method and burning it with a catalyst (Patent Document 2) and a method of decomposing ammonia-containing wastewater into nitrogen and water using a catalyst have been proposed. (Patent Document 3). Furthermore, the waste gas of the semiconductor manufacturing apparatus often contains ammonia, hydrogen, etc., and in order to completely remove the odor of ammonia, it is necessary to remove 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 the waste gas of the semiconductor device is released. On the other hand, in order to decompose harmful gases at a low running cost without input of energy, chemicals, etc., a waste gas treatment method in a semiconductor manufacturing apparatus or the like that decomposes ammonia with a phosphoric acid fuel cell has been proposed (patent) Reference 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 特許第3238086号公報Japanese Patent No. 3238086

特許文献1に記載されているような中和剤等の薬液を用いる方法、特許文献2に記載されているような燃焼させる方法、特許文献3に記載されているような触媒を用いた熱分解反応による方法により、アンモニアを分解することはできる。ところが、これらの方法では、薬品や外部エネルギ(燃料)を必要とし、さらには、触媒を定期的に交換する必要があり、ランニングコストが大きくなるという問題がある。   A method using a chemical such as a neutralizing agent as described in Patent Document 1, a method of burning as described in Patent Document 2, and a thermal decomposition using a catalyst as described in Patent Document 3 Ammonia can be decomposed by a reaction method. However, these methods require chemicals and external energy (fuel), and further require periodic replacement of the catalyst, resulting in increased running costs.

また、装置が大掛かりとなり、既存の設備に付加的に設ける場合には、スペースを確保するのが困難である。また、リン酸型燃料電池を、化合物半導体製造の排気中のアンモニアの除去に用いる装置についても、電解質が液体であるため、空気側とアンモニア側との仕切りをコンパクトにできず、装置の小型化が難しいという問題があった。   In addition, since the apparatus becomes large, it is difficult to secure a space when it is additionally provided in existing facilities. In addition, for the device that uses phosphoric acid fuel cells to remove ammonia in the exhaust gas from the production of compound semiconductors, the electrolyte is liquid, so the partition between the air side and the ammonia side cannot be made compact, and the size of the device is reduced. There was a problem that was difficult.

上記問題を解決するため、特許文献5に記載されているように、筒状の固体電解質層と、この固体電解質層を内外から挟むようにして積層形成された第1の電極層及び第2の電極層とを備えて構成される筒状MEA(Membrane Electrode Assembly)を採用することができる。上記筒状MEAの内側空間を、分解されるガスを含む気体が、軸方向に流動させられる。   In order to solve the above problem, as described in Patent Document 5, a cylindrical solid electrolyte layer, and a first electrode layer and a second electrode layer formed so as to sandwich the solid electrolyte layer from inside and outside A cylindrical MEA (Membrane Electrode Assembly) configured with the above can be employed. A gas containing a gas to be decomposed is caused to flow in the axial direction in the inner space of the cylindrical MEA.

上記ガスを分解するには、ガスを含む気体の温度をできるだけ高めて、上記筒状MEAの第1の電極層(燃料極)に作用させるのが好ましい。高いガス分解性能を得るためには、筒状MEAを高温に、たとえば、800℃以上に保持する必要がある。このため、加熱容器内に上記筒状MEAを収容し、上記筒状MEAの全体を加熱するように構成されている。   In order to decompose the gas, it is preferable that the temperature of the gas containing the gas is increased as much as possible to act on the first electrode layer (fuel electrode) of the cylindrical MEA. In order to obtain high gas decomposition performance, it is necessary to keep the cylindrical MEA at a high temperature, for example, 800 ° C. or higher. For this reason, the cylindrical MEA is accommodated in a heating container, and the entire cylindrical MEA is heated.

ところが、筒状MEAの内側電極の表面積が限られているため、大量のガスを処理するのは困難であり、ガスの流量を増加させると、ガス分解効率が低下する。しかも、上記ガスの流量を増加させると、上記筒状MEA内でガスの温度が低下して、分解効率がさらに低下するという問題も生じる。   However, since the surface area of the inner electrode of the cylindrical MEA is limited, it is difficult to process a large amount of gas, and the gas decomposition efficiency decreases when the gas flow rate is increased. In addition, when the gas flow rate is increased, the temperature of the gas in the cylindrical MEA decreases, and the decomposition efficiency further decreases.

また、流量を増加させると、ガスが上記筒状MEA内で滞在する時間が減少する。このため、上記ガスを充分に加熱してから上記筒状MEAに作用させることができないという問題も生じる。   Further, when the flow rate is increased, the time during which the gas stays in the cylindrical MEA is reduced. For this reason, after the said gas is fully heated, the problem that it cannot make it act on the said cylindrical MEA also arises.

本願発明は、ガスを効率よく加熱することができるとともに、熱分解させることができ、さらに、単独であるいは他のガス分解装置と組み合わせて用いることができる多孔質発熱体、多孔質発熱素子及びガス分解素子を提供することを課題とする。   The present invention provides a porous heating element, a porous heating element, and a gas that can efficiently heat and thermally decompose a gas, and can be used alone or in combination with another gas decomposition apparatus. It is an object to provide a decomposition element.

本願の請求項1に記載した発明は、連続気孔を有する金属多孔質体からなる多孔質発熱体であって、発熱材料からなる外殻と、中空又は導電性材料からなる芯部とを有する骨格が、一体的に連続する3次元網目構造を構成しているものに関する。   The invention described in claim 1 of the present application is a porous heating element made of a metal porous body having continuous pores, and has a skeleton having an outer shell made of a heating material and a core made of a hollow or conductive material. However, it relates to what constitutes an integrally continuous three-dimensional network structure.

本願発明に係る発熱体は、連続気孔を有する多孔質状に形成されているため、上記気孔内でガスを流動させて、効率よく加熱することができる。   Since the heating element according to the present invention is formed in a porous shape having continuous pores, the gas can flow in the pores and can be efficiently heated.

しかも、上記多孔質発熱体は、骨格が3次元網目構造に形成されているため、気孔率をきわめて大きく設定することができる。これにより、気孔内におけるガスの流動抵抗が小さくなり、大量のガスを流動させて加熱することが可能となる。また、上記骨格は、一体的に連続するように形成されている。このため、繊維状の発熱体を充填して構成される多孔質発熱体のように、隣接する各繊維間の接触抵抗が生じることがなく、多孔質発熱体内各部における電気抵抗が大きく変化することはない。したがって、多孔質発熱体内の電流の流れに偏在が生じることが少なく、多孔質発熱体の全体を均一に加熱することが可能となる。   In addition, since the porous heating element has a three-dimensional network structure, the porosity can be set extremely high. Thereby, the flow resistance of the gas in the pores is reduced, and a large amount of gas can be flowed and heated. Further, the skeleton is formed so as to be continuously integrated. Therefore, unlike a porous heating element configured by filling a fibrous heating element, contact resistance between adjacent fibers does not occur, and the electrical resistance in each part of the porous heating element changes greatly. There is no. Therefore, the current flow in the porous heating element is less unevenly distributed, and the entire porous heating element can be heated uniformly.

上記骨格を形成する手法は特に限定されることはない。たとえば、請求項3に記載した発明のように、上記骨格を、3次元網目状樹脂の表面にめっき層又は金属コーティング層を設けるとともに、上記樹脂を消失させることにより形成することができる。上記骨格の外殻を金属めっき層又は金属コーティング層から形成することにより、骨格の厚みを非常に薄くかつ均一に設定することが可能となる。これにより、大きな気孔率を備える多孔質発熱体を形成することが可能となる。   The method for forming the skeleton is not particularly limited. For example, as in the invention described in claim 3, the skeleton can be formed by providing a plating layer or a metal coating layer on the surface of a three-dimensional network resin and eliminating the resin. By forming the outer shell of the skeleton from a metal plating layer or a metal coating layer, the thickness of the skeleton can be set very thin and uniform. Thereby, it becomes possible to form a porous heating element having a large porosity.

上記芯部は、製造方法に応じて、中空又は/及び導電性材料を含んで構成される。たとえば、上述したように、上記骨格を、3次元網目状樹脂の表面にめっき層を設けるとともに、上記樹脂を消失させることにより形成する場合、上記樹脂が消失した部分が中空状となる。また、上記メッキ層を設けるために上記3次元網目状樹脂の表面に導電性材料をコーティング等して導電化処理を施した場合には、上記導電性材料からなる表面導電化層が中空芯部の内周面に残存する場合がある。さらに、メッキ処理の後に熱処理等を施した場合は、外殻が収縮して、中空部分が消失する場合もある。なお、上記芯部の構造は、発熱体の全体において均一である必要はなく、部分によって異なっていてもよい。たとえば、芯部を構成する導電性材料が後の熱処理によって溶解して、発熱体内で偏在したり、一部の中空部が消失した状態であってもよい。なお、上記表面導電化層は、多孔質発熱体の所要の発熱性能を阻害しないように厚み等が設定される。   The said core part is comprised including a hollow or / and electroconductive material according to a manufacturing method. For example, as described above, when the skeleton is formed by providing a plating layer on the surface of a three-dimensional network resin and erasing the resin, the portion where the resin has disappeared becomes hollow. In addition, when the surface of the three-dimensional network resin is coated with a conductive material to conduct the conductive treatment in order to provide the plated layer, the surface conductive layer made of the conductive material has a hollow core portion. It may remain on the inner peripheral surface. Furthermore, when a heat treatment or the like is performed after the plating treatment, the outer shell may shrink and the hollow portion may disappear. In addition, the structure of the said core part does not need to be uniform in the whole heat generating body, and may differ according to parts. For example, the conductive material constituting the core part may be melted by a subsequent heat treatment and unevenly distributed in the heat generating body, or a part of the hollow part may be lost. In addition, the thickness etc. of the said surface conductive layer are set so that the required heat generation performance of a porous heat generating body may not be inhibited.

請求項2に記載した発明のように、上記多孔質発熱体における上記3次元網目構造は、上記骨格を構成する複数の枝部が結節部に集合して一体的に連続しているとともに、一の結節部に集合する上記各枝部の外殻の厚みがほぼ一定となるように構成するのが好ましい。上記結節部では各骨格(枝部)からの電流が集中するため、一の結節部に集合する各枝部の電気抵抗が異なると、結節部周りの一部の枝部に過大な電流が流れて温度が上昇し、骨格が溶断したり劣化する恐れがある。一の結節部に集合する枝部の外殻の厚みをほぼ一定に設定することにより、一の結節部に集合する各骨格の電気抵抗に大きな差異が生じることがなくなり、一の結節部に集合する一部の骨格に過大な電流が流れることもなくなる。これにより、骨格の溶断や劣化を防止することが可能となる。   As in the invention described in claim 2, the three-dimensional network structure in the porous heating element has a plurality of branch portions constituting the skeleton gathered together at a knot portion and integrally continuous. It is preferable that the thickness of the outer shell of each branch portion gathered at the nodule portion is substantially constant. Since the current from each skeleton (branch part) concentrates in the above-mentioned nodal part, if the electric resistance of each branch part gathering in one nodule part is different, an excessive current flows in some of the branch parts around the nodule part. As a result, the temperature rises and the skeleton may melt or deteriorate. By setting the thickness of the outer shells of the branches that gather in one nodule part to be almost constant, there is no significant difference in the electrical resistance of each skeleton that gathers in one nodule part. An excessive current does not flow through some skeletons. Thereby, it becomes possible to prevent fusing and deterioration of the skeleton.

多孔質発熱体の一の結節部に集合する枝部の外殻の厚みがほぼ一定であればよく、発熱体全体の外殻の厚みが一定であることまで要求されるものではない。たとえば、製造方法等によっては、外殻の厚みが、発熱体の表層部と内部で異なることが考えられる。この場合、表層部の結節部に集合する各枝部の外殻厚みと、内部の結節部に集合する枝部の外殻厚みが異なることになる。しかし、各結節部に集合する骨格の厚みがほぼ一定であれば、一部の枝部に過大な電流が流れることはなく、結節部近傍の骨格が溶断するのを防止することができる。また、結節部周りの骨格が均等な強度を備えるため、強度も確保することができる。   The thickness of the outer shell of the branch portion gathering at one nodule portion of the porous heating element only needs to be substantially constant, and it is not required until the thickness of the outer shell of the entire heating element is constant. For example, depending on the manufacturing method, the thickness of the outer shell may be different between the surface layer portion of the heating element and the inside. In this case, the outer shell thickness of each branch portion gathering at the nodal portion of the surface layer portion and the outer shell thickness of the branch portion gathering at the inner nodal portion are different. However, if the thickness of the skeleton gathered at each nodule portion is substantially constant, an excessive current will not flow through some branches, and the skeleton near the nodule portion can be prevented from fusing. Moreover, since the skeleton around the nodule portion has an equal strength, the strength can be ensured.

また、請求項3に記載した手法により、外殻をめっき層やコーティング層から形成すると、一の結節部に集合する骨格の外殻の厚みをほぼ一定に形成することが可能となる。これにより、一の結節部周りの外殻の電気抵抗に大きな差異が生じることがなくなり、多孔質発熱体の全域を均一に加熱することができる。   Further, when the outer shell is formed from a plating layer or a coating layer by the method described in claim 3, the thickness of the outer shell of the skeleton gathered at one nodule portion can be formed almost constant. Thereby, a big difference does not arise in the electrical resistance of the outer shell around one nodule, and the entire region of the porous heating element can be heated uniformly.

発熱体である上記外殻を構成する材料は、特に限定されることはない。たとえば、請求項4に記載した発明のように、Niを67〜95%と、Crを5〜33%とを含む合金から形成するのが好ましい。上記範囲の配合量に設定することにより、上記多孔質発熱体を効率よく発熱させることができる。なお、上記NiとCrの配合比を保持した状態で他の成分が配合されてもよい。   The material which comprises the said outer shell which is a heat generating body is not specifically limited. For example, as in the invention described in claim 4, it is preferable to form an alloy containing 67 to 95% of Ni and 5 to 33% of Cr. By setting the blending amount within the above range, the porous heating element can be efficiently heated. Other components may be blended while maintaining the blending ratio of Ni and Cr.

外殻をコーティング層から形成する場合、発熱体を構成するNiとCrを含む材料を3次元網目状樹脂の表面に直接コーティングして焼成し、多孔質発熱体を形成することができる。一方、Ni−Cr合金のめっき層を直接形成するのは困難である。請求項5に記載した発明は、多孔質発熱体が、Niを主成分とする金属多孔質体に、Crを拡散させることにより合金化されているものである。   When the outer shell is formed from a coating layer, a porous heating element can be formed by directly coating and firing a material containing Ni and Cr constituting the heating element on the surface of the three-dimensional network resin. On the other hand, it is difficult to directly form a Ni—Cr alloy plating layer. In a fifth aspect of the present invention, the porous heating element is alloyed by diffusing Cr in a metallic porous body mainly composed of Ni.

請求項5に記載した発明は、まず、Niから多孔質体を形成し、この多孔質体を構成するNiの表面から、Crを拡散させて発熱体として機能するNi−Cr合金としたものである。   The invention described in claim 5 is a Ni-Cr alloy that first forms a porous body from Ni and diffuses Cr from the surface of Ni constituting the porous body to function as a heating element. is there.

Niは、めっき処理しやすいため、上記骨格を容易に形成することができる。また、骨格の厚みや気孔率の異なる種々の金属多孔質体を容易に構成できる。そして、このNi多孔質体をCr合金化することによって、所要の電熱特性を備える種々の発熱体を構成できる。   Since Ni is easily plated, the skeleton can be easily formed. Also, various metal porous bodies having different skeleton thicknesses and porosity can be easily configured. And by making this Ni porous body into a Cr alloy, various heating elements having required electrothermal characteristics can be configured.

上記Ni多孔質体を、Cr合金化する手法は特に限定されることはない。たとえば、上記Ni多孔質体を、Cr源粉末の加熱により発生させた拡散浸透成分ガスと還元性希釈ガスとの混合ガス中で熱処理することにより、Ni多孔質体をNi−Cr合金とすることができる。   The method for forming the Ni porous body into a Cr alloy is not particularly limited. For example, the Ni porous body is made into a Ni-Cr alloy by heat-treating the Ni porous body in a mixed gas of a diffusion permeation component gas generated by heating the Cr source powder and a reducing dilution gas. Can do.

また、請求項6に記載した発明のように、Niによって形成された第1の外殻に、Crで形成された第2の外殻を積層形成し、所定の熱処理を行うことにより、上記第1の外殻と上記第2の外殻とを互いに拡散させて合金化し、上記多孔質発熱体とすることができる。   Further, as in the invention described in claim 6, the second outer shell made of Cr is laminated on the first outer shell made of Ni, and a predetermined heat treatment is performed, whereby the first outer shell is formed. One outer shell and the second outer shell are diffused and alloyed with each other to form the porous heating element.

上記多孔質発熱体を発熱させるには、多孔質体内に通電する必要がある。一方、気孔率が高いと、配線を充分な接続面積を介して接続するのは困難である。また、配線の接続強度を確保するのも困難である。通電するための配線と多孔質発熱体との間の接続面積が小さいと、配線近傍における電流値が局所的に大きくなってその部分の発熱量が大きくなり、多孔質発熱体や配線を傷める可能性がある。   In order to generate heat in the porous heating element, it is necessary to energize the porous body. On the other hand, when the porosity is high, it is difficult to connect the wiring via a sufficient connection area. It is also difficult to ensure the connection strength of the wiring. If the connection area between the current-carrying wiring and the porous heating element is small, the current value in the vicinity of the wiring will increase locally and the amount of heat generated in that area will increase, which may damage the porous heating element and wiring. There is sex.

上記不都合を回避するため、請求項7に記載した発明のように、請求項1から請求項6に記載した多孔質発熱体を用いて発熱部を形成し、上記発熱部に、所定の面積で接続されるとともに電流を導入するリード部を設けることにより、多孔質発熱素子を構成するのが好ましい。   In order to avoid the inconvenience, as in the invention described in claim 7, a heat generating part is formed using the porous heat generating element described in claims 1 to 6, and the heat generating part has a predetermined area. It is preferable to form a porous heating element by providing a lead portion that is connected and introduces a current.

多孔質発熱体に充分な接続面積を介して接続されるリード部を設けることにより、多孔質発熱体の全体に通電して発熱させることが可能となる。また、上記リード部に配線を接続するだけで、多孔質発熱体に効率よく通電することができるため、取扱性も向上する。上記リード部の形態や上記接続面積は、多孔質発熱体の形態や寸法等に応じて設定することができる。たとえば、導電性を有する所定面積の金属製導電板を上記多孔質発熱体の所定面積にわたって圧接あるいは溶接して、上記リード部を設けることができる。   By providing the lead portion connected to the porous heating element through a sufficient connection area, the entire porous heating element can be energized to generate heat. Moreover, since the porous heating element can be efficiently energized only by connecting the wiring to the lead portion, the handleability is also improved. The form of the lead part and the connection area can be set according to the form and dimensions of the porous heating element. For example, the lead portion can be provided by pressure-welding or welding a conductive metal plate having a predetermined area over a predetermined area of the porous heating element.

また、上記リード部を、上記多孔質発熱体に接続される導電性の金属多孔質体を備えて構成することができる。たとえば、上記多孔質発熱体と同様の気孔率を備える金属多孔質体を、上記多孔質発熱体の所定面積にわたって接続するとともに、この金属多孔質体に対して配線を接続することにより、上記多孔質発熱体内に電流を円滑に供給することができる。上記金属多孔質体は、多孔質発熱体の所定の面積にわたって所定圧力で接触させ、あるいは溶接することにより、上記多孔質発熱体に接続することができる。   Further, the lead portion can be configured by including a conductive metal porous body connected to the porous heating element. For example, a porous metal body having a porosity similar to that of the porous heating element is connected over a predetermined area of the porous heating element, and wiring is connected to the porous metal body. A current can be smoothly supplied into the heat generating body. The metallic porous body can be connected to the porous heating element by bringing it into contact with or welding at a predetermined pressure over a predetermined area of the porous heating element.

上記リード部を構成する金属多孔質体は、通電しても発熱しない導電性材料から形成するのが好ましい。たとえば、Ni、銅等の電気抵抗の小さい金属多孔質体から上記リード部を形成することができる。さらに、上記金属多孔質体から上記リード部を形成すると、上記リード部における冷却効果を期待できる。これにより、多孔質発熱体から配線等に伝導される熱量を減少させることが可能となり、配線等に作用する温度を低下させることができる。また、上記リード部に配線等を容易に接続することも可能となり、多孔質発熱素子の取扱性も向上する。   The metal porous body constituting the lead portion is preferably formed of a conductive material that does not generate heat even when energized. For example, the lead portion can be formed from a metal porous body having a low electrical resistance such as Ni or copper. Further, when the lead portion is formed from the metal porous body, a cooling effect in the lead portion can be expected. This makes it possible to reduce the amount of heat conducted from the porous heating element to the wiring or the like, and to reduce the temperature acting on the wiring or the like. In addition, it is possible to easily connect a wiring or the like to the lead portion, and the handleability of the porous heating element is improved.

請求項9に記載した発明のように、上記リード部を構成する金属多孔質体の中間部を合金化することにより、上記発熱部と上記リード部とを一体的に形成することができる。たとえば、Niを用いて多孔質発熱体とリード部を構成する共通の骨格を、多孔質樹脂の表面にめっき層として形成する。次に、リード部を構成する部分にマスキング等を施して、発熱部に対応する部分にのみCrのめっき層を形成する。その後、多孔質樹脂を消失させて、熱処理を行うことにより、上記Ni骨格の一部をCr合金化して上記リード部とを一体的に形成することができる。   As in the ninth aspect of the invention, the heat generating portion and the lead portion can be integrally formed by alloying the intermediate portion of the porous metal body constituting the lead portion. For example, Ni is used to form a common skeleton constituting the porous heating element and the lead portion as a plating layer on the surface of the porous resin. Next, masking or the like is performed on the portion constituting the lead portion, and a Cr plating layer is formed only on the portion corresponding to the heat generating portion. Thereafter, by removing the porous resin and performing heat treatment, a part of the Ni skeleton can be made into a Cr alloy and the lead portion can be integrally formed.

上記構成を採用することにより、多孔質体を構成する同一の骨格が連続しているとともに、所要の部分を発熱させることのできる多孔質発熱素子を形成することができる。また、発熱部に効率よく通電することができるとともに、リード部に放熱性があるため、配線等に作用する温度を低下させることも可能となる。しかも、リード部に発熱部と同一の通気性を持たせることが可能となり、ガス分解素子等に好適なガス分解素子を構成できる。   By adopting the above configuration, it is possible to form a porous heating element in which the same skeleton constituting the porous body is continuous and a required portion can be heated. In addition, it is possible to efficiently energize the heat generating part, and since the lead part has heat dissipation, it is possible to reduce the temperature acting on the wiring and the like. In addition, the lead portion can have the same air permeability as the heat generating portion, and a gas decomposition element suitable for a gas decomposition element or the like can be configured.

請求項10に記載した発明は、請求項1から請求項6に記載した多孔質発熱体と、上記多孔質発熱体を充填した容器と、上記発熱体に所定面積で接続されるとともに、上記容器外へ引き出される配線を有するリード部とを備え、上記リード部を介して通電することにより所定温度に設定した上記多孔質発熱体内に、分解に供せられるガスを流動させる、ガス分解素子に関するものである。   According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the porous heating element according to any one of the first to sixth aspects, a container filled with the porous heating element, the heating element connected to the heating element in a predetermined area, and the container A gas decomposing element comprising: a lead part having a wiring led out to the outside; and a gas to be decomposed flowing in the porous heating element set at a predetermined temperature by energizing through the lead part It is.

本願発明に係るガス分解素子は、自体で発熱する多孔質発熱体内に、分解に供せられるガスが流動するように構成されているため、ガスを効率よく加熱して分解することが可能となる。本願発明に係るガス分解素子は、単独で、あるいは他のガス分解素子と組み合わせてガス分解装置を構成することができる。たとえば、筒状MEAを備えるガス分解素子と組み合わせて、効率のよいガス分解装置を構成できる。   Since the gas decomposition element according to the present invention is configured such that the gas used for decomposition flows in the porous heating element that generates heat by itself, it is possible to efficiently heat and decompose the gas. . The gas decomposition device according to the present invention can constitute a gas decomposition apparatus alone or in combination with other gas decomposition devices. For example, an efficient gas decomposition apparatus can be configured in combination with a gas decomposition element including a cylindrical MEA.

多孔質発熱体を均一に加熱できるため、大量のガスを効率よく加熱して、分解することができる。   Since the porous heating element can be heated uniformly, a large amount of gas can be efficiently heated and decomposed.

本願発明に係る多孔質発熱体の外観構造を示す電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph which shows the external appearance structure of the porous heat generating body which concerns on this invention. 本願発明に係る多孔質発熱体の結節部近傍の断面構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-sectional structure of the nodule part vicinity of the porous heat generating body which concerns on this invention. 図2におけるIII−III線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the III-III line in FIG. 本願発明に係る多孔質発熱体にリード部を設けて構成される多孔質発熱素子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the porous heat generating element comprised by providing a lead part in the porous heat generating body which concerns on this invention. 第2の実施形態に係る多孔質発熱素子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the porous heat generating element which concerns on 2nd Embodiment. 図5に示す多孔質発熱素子の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the porous heat generating element shown in FIG. 図5に示す多孔質発熱素子の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the porous heat generating element shown in FIG. 図5に示す多孔質発熱素子の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the porous heat generating element shown in FIG. 図5に示す多孔質発熱素子の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the porous heat generating element shown in FIG. 図5に示す多孔質発熱素子の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the porous heat generating element shown in FIG. 図5に示す多孔質発熱素子の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the porous heat generating element shown in FIG. 図5に示す多孔質発熱素子の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the porous heat generating element shown in FIG. 多孔質発熱体を容器に収容してガス分解素子を構成した断面図である。It is sectional drawing which accommodated the porous heat generating body in the container, and comprised the gas decomposition | disassembly element. 図13に示すガス分解素子と他のガス分解素子を組み合わせて構成されるガス分解装置の概略図である。It is the schematic of the gas decomposition apparatus comprised combining the gas decomposition element shown in FIG. 13, and another gas decomposition element.

以下、本願発明の実施形態を図に基づいて具体的に説明する。   Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.

図1は、本願発明に係る多孔質発熱体1の外観構造を示す電子顕微鏡写真である。多孔質発熱体1は、連続気孔1bを有する3次元網目構造を備える。図2に示すように、上記3次元網目構造は、三角柱状の骨格10が3次元に連続して連なった形態を備え、上記骨格を構成する複数の枝部12が結節部11に集合して一体的に連続する形態を備える。また、骨格10の各部は、図3に示すように、外殻10aと、中空状の芯部10bとを備えて構成される。なお、図2及び図3に示す実施形態では、上記外殻10aは、後に説明するように、メッキ層12aと表面導電化層12bとが、一体的に合金化されて発熱体として機能するように構成されている。   FIG. 1 is an electron micrograph showing the external structure of a porous heating element 1 according to the present invention. The porous heating element 1 has a three-dimensional network structure having continuous pores 1b. As shown in FIG. 2, the three-dimensional network structure has a form in which triangular prism-like skeletons 10 are continuously connected in three dimensions, and a plurality of branch parts 12 constituting the skeleton are gathered at a nodule part 11. It has an integrally continuous form. Each part of the skeleton 10 includes an outer shell 10a and a hollow core part 10b as shown in FIG. In the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, in the outer shell 10a, as will be described later, the plating layer 12a and the surface conductive layer 12b are integrally alloyed to function as a heating element. It is configured.

上記多孔質発熱体1は、連続気孔1bを有する多孔質状に形成されているため、上記気孔1b内でガスを流動させて、効率よく加熱することができる。しかも、上記多孔質発熱体1は、3次元網目構造を採用することによって、気孔率をきわめて大きく設定することができる。このため、気孔内におけるガスの流動抵抗が低く、大量のガスを流動させて加熱することも可能となる。   Since the porous heating element 1 is formed in a porous shape having continuous pores 1b, the gas can flow in the pores 1b and can be efficiently heated. In addition, the porous heating element 1 can have a very high porosity by adopting a three-dimensional network structure. For this reason, the flow resistance of the gas in the pores is low, and a large amount of gas can be flowed and heated.

また、図2に示すように、上記3次元網目構造における一の結節部11に集合する上記枝部12の外殻10aの厚みtがほぼ一定に形成されている。一の結節部に集合する枝部(骨格)の外殻の厚みtがほぼ一定であるため、一の結節部に集合する各枝部12の電気抵抗に大きな差異が生じることがなくなるしたがって、一の結節部に集合する一部の枝部に過大な電流が流れることもなくなる。これにより、骨格の溶断や劣化を防止することが可能となる。   In addition, as shown in FIG. 2, the thickness t of the outer shell 10a of the branch portion 12 gathering at one nodule portion 11 in the three-dimensional network structure is formed to be substantially constant. Since the thickness t of the outer shells of the branches (skeleton) gathering at one nodule is substantially constant, there is no significant difference in the electrical resistance of each branch 12 gathering at one nodule. An excessive current does not flow through some branches gathering at the nodule. Thereby, it becomes possible to prevent fusing and deterioration of the skeleton.

なお、多孔質発熱体1の一の結節部11に集合する枝部12(骨格)の外殻10aの厚みがほぼ一定であればよく、発熱体全体の外殻の厚みが一定であることまで要求されるものではない。たとえば、製造方法等によっては、外殻の厚みが、発熱体の表層部と内部で異なることが考えられる。この場合、表層部の結節部に集合する各骨格の外殻厚みと、内部の結節部に集合する骨格の外殻厚みが異なることになる。しかし、一の結節部に集合する枝部の外殻の厚みがほぼ一定であれば、少なくとも各結節部周りの一部の枝部に過大な電流が流れることはなく、結節部近傍の骨格が溶断したり劣化するのを防止することができる。   It should be noted that the thickness of the outer shell 10a of the branch portion 12 (skeleton) that gathers at one node portion 11 of the porous heating element 1 only needs to be substantially constant, and the thickness of the outer shell of the entire heating element is constant. It is not required. For example, depending on the manufacturing method, the thickness of the outer shell may be different between the surface layer portion of the heating element and the inside. In this case, the outer shell thickness of each skeleton gathering at the nodal portion of the surface layer portion is different from the outer shell thickness of the skeleton gathering at the inner nodal portion. However, if the thickness of the outer shells of the branches gathering at one nodule is almost constant, an excessive current will not flow through at least some branches around each nodule, and the skeleton near the nodule It can prevent fusing or deterioration.

本実施形態に係る上記多孔質発熱体1は、少なくともNiとCrとを含む合金から形成されている。上記NiとCrの配合量は、所要の発熱量に応じて設定することができる。たとえば、上記多孔質発熱体1の上記外殻10を、Niを67〜95%と、Crを5〜33%とを含む合金から形成することができる。   The porous heating element 1 according to this embodiment is formed of an alloy containing at least Ni and Cr. The blending amount of Ni and Cr can be set according to the required calorific value. For example, the outer shell 10 of the porous heating element 1 can be formed from an alloy containing 67 to 95% Ni and 5 to 33% Cr.

上記多孔質発熱体1は、種々の手法を用いて形成することができる。たとえば、多孔質発熱体を構成する材料を3次元網目状樹脂の表面に直接コーティングして焼成し、多孔質発熱体を形成することができる。また、上記骨格をめっきによって形成する場合、3次元網目状樹脂に導電化処理を施す工程と、3次元網目状樹脂に金属めっきを施す工程と、3次元網目状樹脂を除去する工程とを含んで構成することができる   The porous heating element 1 can be formed using various methods. For example, the porous heating element can be formed by directly coating the material constituting the porous heating element on the surface of the three-dimensional network resin and baking it. Further, when the skeleton is formed by plating, the method includes a step of conducting a conductive treatment on the three-dimensional network resin, a step of metal plating the three-dimensional network resin, and a step of removing the three-dimensional network resin. Can consist of

上記3次元網目状樹脂の形態として、樹脂発泡体、不織布、フェルト、織布等を用いることができる。上記3次元網目状樹脂を構成する素材は特に限定されることはないが、金属めっき等した後、加熱等によって消失させることができるものを採用するのが好ましい。また、加工性やハンドリング性を確保するため、柔軟性を有するものを採用するのが好ましい。特に、3次元網目状樹脂として樹脂発泡体を採用するのが好ましい。樹脂発泡体は、連続気孔を有する多孔質状であればよく、既知のものを採用できる。たとえば、発泡ウレタン樹脂、発泡スチレン樹脂等を採用することができる。発泡樹脂の気孔の形態や気孔率、寸法等は特に限定されることはなく、用途に応じて適宜設定することができる。   As a form of the three-dimensional network resin, a resin foam, a nonwoven fabric, a felt, a woven fabric, or the like can be used. Although the raw material which comprises the said three-dimensional network resin is not specifically limited, It is preferable to employ | adopt what can be lose | disappeared by heating etc. after metal plating etc. Moreover, in order to ensure workability and handling property, it is preferable to employ a flexible one. In particular, it is preferable to employ a resin foam as the three-dimensional network resin. The resin foam may be a porous material having continuous pores, and a known one can be adopted. For example, a foamed urethane resin, a foamed styrene resin, or the like can be used. There are no particular limitations on the pore shape, porosity, dimensions, and the like of the foamed resin, and they can be set as appropriate according to the application.

めっき処理によって多孔質発熱体を形成する場合において、上記3次元網目状樹脂を導電化する処理は、各気孔の表面に上記骨格を構成する金属めっき層を設けるために行われるものであり、図2における表面導電化層12bを設けることができれば特に限定されることはない。たとえば、ニッケルを用いる場合には、無電解めっき処理、スパッタリング処理等を採用することができる。また、チタン、ステンレス等の金属やカーボンブラック、黒鉛等を採用する場合には、これらの微粉末にバインダを添加した混合物を、上記3次元網目状樹脂に含浸塗着する処理を採用することができる。   In the case where a porous heating element is formed by plating, the treatment for making the three-dimensional network resin conductive is performed for providing a metal plating layer constituting the skeleton on the surface of each pore. If surface conductive layer 12b in 2 can be provided, it will not be limited in particular. For example, when nickel is used, an electroless plating process, a sputtering process, or the like can be employed. In addition, when adopting metals such as titanium and stainless steel, carbon black, graphite, etc., it is possible to employ a treatment of impregnating and applying the mixture obtained by adding a binder to these fine powders to the three-dimensional network resin. it can.

上記めっき処理も特に限定されることはなく、公知のめっき法によって処理をすることができる。たとえば、ニッケルめっきを採用する場合、生産性、コスト等の観点から電気めっき法を採用するのが好ましい。電気めっきに用いるめっき浴として、公知あるいは市販のものを採用できる。   The plating treatment is not particularly limited, and the treatment can be performed by a known plating method. For example, when nickel plating is employed, it is preferable to employ an electroplating method from the viewpoint of productivity, cost, and the like. A well-known or commercially available thing can be employ | adopted as a plating bath used for electroplating.

上記めっき層の厚み(目付量)も特に限定されることはない。所要の気孔率や、強度を勘案して設定することができる。たとえば、100g/m2 〜2000g/m2 の目付量を採用することができる。 The thickness (weight per unit area) of the plating layer is not particularly limited. It can be set in consideration of the required porosity and strength. For example, it is possible to employ a unit weight of 100g / m 2 ~2000g / m 2 .

上記めっき層を形成した後、上記3次元網目状樹脂を除去する工程が行われる。上記3次元網目状樹脂を除去する工程は、たとえば、ステンレスマッフル内で大気等の酸化性雰囲気において、上記めっき層を設けた多孔質体を、600℃〜800℃で熱処理することにより、上記3次元網目状樹脂を焼却除去することができる。   After the plating layer is formed, a step of removing the three-dimensional network resin is performed. The step of removing the three-dimensional network resin may be performed by, for example, heat-treating the porous body provided with the plating layer at 600 ° C. to 800 ° C. in an oxidizing atmosphere such as air in a stainless muffle. Dimensional network resin can be removed by incineration.

高い発熱性能を得るため、Cr成分の配合量が多いNi合金から上記多孔質発熱体を形成するのが好ましい。Ni−Crの合金材料から上記めっき層を直接形成するのは困難である。このため、たとえば、Niめっき層とCrめっき層とを別々に形成し、その後合金化する手法を採用することができる。すなわち、3次元網目状樹脂に、上記手法によってまずNiめっき層を形成し、その上に、Crめっき層を積層形成する。その後、3次元網目状樹脂を除去し、さらに、所定の温度で熱処理することにより、上記Crめっき層とNiめっき層とを互いに拡散させて合金化することができる。   In order to obtain high heat generation performance, it is preferable to form the porous heating element from a Ni alloy having a large amount of Cr component. It is difficult to directly form the plating layer from an alloy material of Ni—Cr. For this reason, for example, it is possible to employ a technique in which a Ni plating layer and a Cr plating layer are separately formed and then alloyed. That is, a Ni plating layer is first formed on the three-dimensional network resin by the above-described method, and a Cr plating layer is laminated thereon. Thereafter, the three-dimensional network resin is removed and further heat-treated at a predetermined temperature, whereby the Cr plating layer and the Ni plating layer can be diffused and alloyed.

上記Crめっき層の厚み(目付量)も特に限定されることはなく、たとえば、10g/m2 〜1000g/m2 の範囲で設定することができる。 The thickness of the Cr plating layer (basis weight) also is not particularly limited, for example, can be set in a range of 10g / m 2 ~1000g / m 2 .

上記Crめっき層とNiめっき層とを積層形成した多孔質体を、ステンレスマッフル内でCOやH2 等の還元性ガス雰囲気のもとで800℃〜1000℃で熱処理することにより、上記Crめっき層とNiめっき層とを互いに拡散させてNi−Cr合金層を形成することができる。また、N2 やAr等の不活性ガス雰囲気では、カーボンマッフル内で1000℃〜1500℃に加熱して上記Crめっき層とNiめっき層とから合金層を形成することもできる。Niによって、図2及び図3に示す表面導電化層12bを設けた場合には、表面導電化層12bも上記合金化工程においてNi−Cr合金化されて全体が発熱体となる。 The Cr plating is performed by heat-treating the porous body in which the Cr plating layer and the Ni plating layer are laminated in a stainless steel muffle at 800 ° C. to 1000 ° C. in a reducing gas atmosphere such as CO or H 2. The Ni—Cr alloy layer can be formed by diffusing the layer and the Ni plating layer. Further, in an inert gas atmosphere such as N 2 or Ar, an alloy layer can be formed from the Cr plating layer and the Ni plating layer by heating to 1000 ° C. to 1500 ° C. in a carbon muffle. When the surface conductive layer 12b shown in FIG. 2 and FIG. 3 is provided by Ni, the surface conductive layer 12b is also Ni—Cr alloyed in the alloying step, and the whole becomes a heating element.

上記工程を採用することにより、外殻のクロム濃度のばらつきが少なく、高い耐蝕性を有するとともに発熱特性の高い多孔質発熱体を形成することができる。また、めっき層によって外殻が構成されるため、外殻の厚み(断面積)を多孔質体内でほぼ均一に設定することが可能となる。このため、多孔質体内における電気抵抗のばらつきが少なくなり、通電することにより、多孔質体の全体を均一に加熱することができる。なお、上述した実施形態は、上記骨格を3次元網目状樹脂にめっきを施すことによって形成したが、粉体金属をコーティングし、その後、熱処理を施すことにより形成することもできる。この場合、Ni粉末とCr粉末とを含む粉体をコーティングした後、焼成することにより、一度でNi−Cr合金を形成することもできる。   By adopting the above steps, it is possible to form a porous heating element having little variation in chromium concentration in the outer shell, high corrosion resistance and high heat generation characteristics. Further, since the outer shell is constituted by the plating layer, the thickness (cross-sectional area) of the outer shell can be set almost uniformly in the porous body. For this reason, the dispersion | variation in the electrical resistance in a porous body decreases, and the whole porous body can be heated uniformly by supplying with electricity. In the above-described embodiment, the skeleton is formed by plating a three-dimensional network resin. However, the skeleton may be formed by coating a powder metal and then performing a heat treatment. In this case, a Ni—Cr alloy can be formed at a time by coating a powder containing Ni powder and Cr powder and then firing.

図2及び図3に示すように、本実施形態に係る上記芯部は、中空状に形成されるが、これに限定されることはない。すなわち、上述した実施形態は、Niから形成された表面導電化層12bがCr合金化されたため外殻と一体化されたが、上記表面導電化層を別の導電性材料から形成する場合、芯部として残存する場合もある。たとえば、上記表面導電化層をチタンやカーボン等から形成するとともに、Niメッキによって骨格を形成した後Cr合金化した場合、上記表面導電化層10cが合金化されずに芯部として残存することになる。また、Niメッキ層をCr合金化する熱処理工程において、外殻が収縮して、中空の芯部が消失する場合もある。なお、上記表面導電化層は、多孔質発熱体の所要の発熱性能を阻害しないように厚み等が設定される。   As shown in FIG.2 and FIG.3, although the said core part which concerns on this embodiment is formed in hollow shape, it is not limited to this. That is, in the above-described embodiment, the surface conductive layer 12b formed of Ni is integrated with the outer shell because the Cr alloy is formed. However, when the surface conductive layer is formed of another conductive material, the core It may remain as a part. For example, when the surface conductive layer is formed of titanium, carbon, or the like, and the skeleton is formed by Ni plating and then Cr alloyed, the surface conductive layer 10c remains as a core without being alloyed. Become. Further, in the heat treatment step of forming the Ni plating layer into a Cr alloy, the outer shell may shrink and the hollow core portion may disappear. In addition, the thickness etc. of the said surface conductive layer are set so that the required heat generation performance of a porous heat generating body may not be inhibited.

図1に示すように、本実施形態に係る多孔質発熱体1は、気孔率が非常に高いため、通電するための配線を接続するのが困難である。すなわち、多孔質発熱体1へ電流を導入する部分の接続面積が小さいと、この導入部近傍における電流値が局所的に大きくなって発熱量が大きくなり、配線等を傷める恐れがある。上記不都合を回避するために、多孔質発熱体1に広い面積で接続されるリード部を設けるのが好ましい。たとえば、導電性のある所定面積の金属板を多孔質発熱体に溶接等し、この金属板に配線を接続して通電することができる。   As shown in FIG. 1, the porous heating element 1 according to the present embodiment has a very high porosity, so it is difficult to connect a wiring for energization. That is, if the connection area of the portion for introducing current to the porous heating element 1 is small, the current value in the vicinity of the introduction portion is locally increased to increase the amount of heat generation, which may damage the wiring and the like. In order to avoid the above inconvenience, it is preferable to provide a lead portion connected to the porous heating element 1 in a wide area. For example, a conductive metal plate with a predetermined area can be welded to a porous heating element, and a wiring can be connected to the metal plate to energize.

図4に示す実施形態は、多孔質発熱部2aに、リード部3,4を設けて、多孔質発熱素子2を構成したものである。上記多孔質発熱素子2は、所定の断面積を有する長尺状の多孔質発熱体2aと、一端部が上記多孔質発熱体2aの端面に接続される金属多孔質体3a,4aと、この金属多孔質体3a,4aの他端部に接続された電極板3b,4bとを備えて構成される。上記電極板3b,4bに配線5を接続することにより、上記リード部3,4を介して上記多孔質発熱体2aに通電される。   In the embodiment shown in FIG. 4, the porous heat generating element 2 is configured by providing lead portions 3 and 4 in the porous heat generating portion 2a. The porous heating element 2 includes a long porous heating element 2a having a predetermined cross-sectional area, metal porous bodies 3a and 4a having one end connected to the end face of the porous heating element 2a, It comprises electrode plates 3b and 4b connected to the other ends of the metal porous bodies 3a and 4a. By connecting the wiring 5 to the electrode plates 3b and 4b, the porous heating element 2a is energized through the lead portions 3 and 4.

上記金属多孔質体3a、4aは、Ni,Cu等の電気抵抗が小さい材料から形成するのが好ましい。また、上記金属多孔質体3a、4aの形態も特に限定されることはない。たとえば、上記多孔質発熱体2aと同じ手法によって形成される金属多孔質体から構成することもできるし、他の形態の金属多孔質体から構成することもできる。   The metal porous bodies 3a and 4a are preferably formed from a material having a low electric resistance such as Ni or Cu. Moreover, the form of the metal porous bodies 3a and 4a is not particularly limited. For example, it can also be comprised from the metal porous body formed by the same method as the said porous heat generating body 2a, and can also be comprised from the metal porous body of another form.

上記多孔質発熱体2aと上記金属多孔質体3a,4aとの接続形態も特に限定されることはない。たとえば、所定の圧力を加えて圧接することができる。また、溶接により接続することもできる。接続面積は、多孔質発熱体の密度や流れる電流値等に応じて設定することができる。   The connection form between the porous heating element 2a and the metal porous bodies 3a and 4a is not particularly limited. For example, a predetermined pressure can be applied for pressure contact. It can also be connected by welding. The connection area can be set according to the density of the porous heating element, the flowing current value, and the like.

上記電極板3b,4bを構成する材料や接続方法も特に限定されることはない。たとえば、Ni板やCu板を、溶接により上記金属多孔質体3a,4aに接続することができる。   There are no particular limitations on the materials and connection methods of the electrode plates 3b and 4b. For example, a Ni plate or a Cu plate can be connected to the metal porous bodies 3a and 4a by welding.

上記リード部3,4を設けることにより、多孔質発熱体2aに対する接続面積を確保することが可能となり、広い面積を介して上記多孔質発熱体2aに通電することができる。このため、局所的に大きな電流が流れることがなくなり、多孔質発熱体を均一に加熱することができる。   By providing the lead portions 3 and 4, it is possible to secure a connection area with respect to the porous heating element 2a, and to energize the porous heating element 2a through a wide area. For this reason, a large current does not flow locally, and the porous heating element can be heated uniformly.

一方、上記金属多孔質体3a,4aは、電気抵抗を小さく設定することにより発熱しないように構成するのが好ましい。また、多孔質状であるため、多孔質発熱体2aから伝わる熱を放熱させることも期待できる。これにより、電極板3b,4bに高い温度が作用しないように設定することが可能となり、配線5を上記電極板3b.4bに容易に接続することができる。   On the other hand, the metal porous bodies 3a and 4a are preferably configured so as not to generate heat by setting the electric resistance to be small. Moreover, since it is porous, it can also be expected to dissipate heat transmitted from the porous heating element 2a. As a result, it is possible to set the electrode plates 3b and 4b so that a high temperature does not act on the electrode plates 3b and 4b. 4b can be easily connected.

図5に、第2の実施形態に係る多孔質発熱素子202の概略構造を示す。この実施形態に係る多孔質発熱素子202は、Niで形成された金属多孔質体の中間部を、Cr合金化することにより、リード部203,204を構成する金属多孔質体203a,204aと多孔質発熱部202aとを一体形成するとともに、両端部に図2に示す実施形態と同様の電極板203b,204bを設けたものである。   FIG. 5 shows a schematic structure of the porous heating element 202 according to the second embodiment. In the porous heating element 202 according to this embodiment, the metal porous body 203a, 204a constituting the lead portions 203, 204 and the porous portion are formed by forming a Cr alloy at the intermediate portion of the metal porous body formed of Ni. The heat generating part 202a is integrally formed, and electrode plates 203b and 204b similar to the embodiment shown in FIG. 2 are provided at both ends.

上記構成を採用することにより、別途形成した金属多孔質体を、多孔質発熱部2aに接続する必要がなくなる。しかも、上記リード部203,204を構成する金属多孔質体203a,204aと多孔質発熱部202aとが、同じ骨格構造を備えて構成されているとともに一体的に連続している。このため、これら部材の接続抵抗が発生することがなく、多孔質発熱部202aに効率よく通電することができる。   By adopting the above configuration, it is not necessary to connect a separately formed metal porous body to the porous heat generating portion 2a. Moreover, the metal porous bodies 203a and 204a and the porous heat generating portion 202a constituting the lead portions 203 and 204 are configured to have the same skeleton structure and are integrally continuous. For this reason, the connection resistance of these members does not occur, and the porous heat generating portion 202a can be energized efficiently.

上記構成の多孔質発熱素子202は、たとえば、図6〜図12に示す手法によって形成することができる。なお、図6〜図12は、上記多孔質発熱素子202を製造する手法を模式的に示したものである。まず、リード部203,204を構成する金属多孔質体203a,204aと多孔質発熱体202aとの共通の骨格を形成するため、図6に示す3次元網目状樹脂210を準備する。上記3次元網目状樹脂210は、上述した骨格を構成する中空の芯部に対応する部分210aと、連続気孔210bとを備えて構成されており、たとえば、ウレタン樹脂を所定の気孔率で発泡させることにより形成することができる。   The porous heating element 202 having the above configuration can be formed by, for example, the method shown in FIGS. 6 to 12 schematically show a method for manufacturing the porous heating element 202. First, in order to form a common skeleton of the metal porous bodies 203a and 204a and the porous heating element 202a constituting the lead portions 203 and 204, a three-dimensional network resin 210 shown in FIG. 6 is prepared. The three-dimensional network resin 210 includes a portion 210a corresponding to the hollow core portion constituting the skeleton and the continuous pores 210b. For example, the urethane resin is foamed with a predetermined porosity. Can be formed.

図7に示すように、上記3次元網目状樹脂210に、上述した手法によって表面を導電化処理した後、Niめっき層211を形成する。上記Niめっき層211は、上述したように、100g/m2 〜2000g/m2 の目付量で形成することができる。その後、図8に示すように、上記リード部を構成する部分204aに、上記Crめっき処理に対するマスキング層212を形成する。上記マスキング層212は、たとえば、エポキシ樹脂等で形成することができる。 As shown in FIG. 7, the surface of the three-dimensional network resin 210 is subjected to a conductive treatment by the above-described method, and then a Ni plating layer 211 is formed. The Ni plating layer 211, as described above, can be formed by unit weight of 100g / m 2 ~2000g / m 2 . Thereafter, as shown in FIG. 8, a masking layer 212 for the Cr plating treatment is formed on the portion 204a constituting the lead portion. The masking layer 212 can be formed of, for example, an epoxy resin.

次に、図9に示すように、上記マスキング層212を設けた多孔質体に、上述した手法によって、Crめっき層213を設ける。上記マスキング層212を設けているため、上記多孔質発熱部202aに対応した領域にのみ上記Crめっき層213が形成される。これにより、上記発熱部202aを構成する部分に、Niめっき層とCrめっき層とが積層形成された複合めっき層220が形成される。   Next, as shown in FIG. 9, a Cr plating layer 213 is provided on the porous body provided with the masking layer 212 by the method described above. Since the masking layer 212 is provided, the Cr plating layer 213 is formed only in a region corresponding to the porous heat generating portion 202a. As a result, a composite plating layer 220 in which a Ni plating layer and a Cr plating layer are laminated is formed in a portion constituting the heat generating portion 202a.

上記マスキング層212を除去した後(図10)、上述した3次元網目状樹脂を除去する工程が行われ、図11に示すように、Niめっき層211とCrめっき層213とを備える複合めっき層220からなる3次元網目状の金属多孔質体214が形成される。   After removing the masking layer 212 (FIG. 10), the above-described step of removing the three-dimensional network resin is performed, and as shown in FIG. 11, a composite plating layer comprising a Ni plating layer 211 and a Cr plating layer 213 is provided. A three-dimensional network porous metal body 214 made of 220 is formed.

上記複合めっき層220を備える上記金属多孔質体214を、ステンレスマッフル内でCOやH2 等の還元性ガス雰囲気のもとで800℃〜1000℃で熱処理することにより、上記Niめっき層211と上記Crめっき層213を構成する成分を互いに拡散させてNi−Cr合金化し、図12に示す金属多孔質体を構成することができる。図12に示すように、上記金属多孔質体は、中空の芯部201cと外殻201aとからなる骨格を備えている。   The metal porous body 214 including the composite plating layer 220 is heat-treated at 800 ° C. to 1000 ° C. in a reducing gas atmosphere such as CO or H 2 in a stainless steel muffle, whereby the Ni plating layer 211 and the above The components constituting the Cr plating layer 213 can be diffused to form an Ni—Cr alloy to form the metal porous body shown in FIG. As shown in FIG. 12, the metal porous body has a skeleton composed of a hollow core portion 201c and an outer shell 201a.

上記手法を採用することにより、Niによって形成された金属多孔質体の中間部をNi−Cr合金化して、発熱部202aとこの両側にCr合金化されていない金属多孔質体203a,204aを設けた金属多孔質体を一体的に形成することができる。上記金属多孔質体203a,204aの両側に電極板203b,204bを設けることにより、図10に示す多孔質発熱素子202が形成される。   By adopting the above-mentioned method, the intermediate part of the metal porous body formed of Ni is Ni-Cr alloyed, and the heat generating part 202a and the metal porous bodies 203a and 204a not Cr alloyed on both sides are provided. The porous metal body can be formed integrally. By providing the electrode plates 203b and 204b on both sides of the metal porous bodies 203a and 204a, the porous heating element 202 shown in FIG. 10 is formed.

なお、上記多孔質発熱素子202では、金属多孔質体を備えるリード部を形成したが、上記金属多孔質体203a,204aを形成することなく上記発熱部202aのみ形成し、この発熱部202aを構成する多孔質体に直接電極板203b,204bを溶接等してリード部を設けてもよい。   In the porous heating element 202, the lead portion including the metal porous body is formed. However, only the heating portion 202a is formed without forming the metal porous bodies 203a and 204a, and the heating portion 202a is configured. The lead portions may be provided by welding the electrode plates 203b and 204b directly to the porous body.

図13に、本願発明に係る多孔質発熱素子を用いて形成したガス分解素子の断面を模式的に示す。   FIG. 13 schematically shows a cross section of a gas decomposition element formed using the porous heating element according to the present invention.

ガス分解素子310は、長尺状の筒状容器309の内部に、多孔質発熱素子320を充填して構成される。上記筒状容器309は、少なくとも内面が電気絶縁性を備えるように構成される。たとえば、セラミックから形成された筒状容器を採用することができる。   The gas decomposition element 310 is configured by filling a porous heating element 320 inside a long cylindrical container 309. The cylindrical container 309 is configured such that at least the inner surface has electrical insulation. For example, a cylindrical container made of ceramic can be employed.

本実施形態に係る多孔質発熱素子320は、多孔質発熱体302と両側に設けられたリード部303,304とを備えて構成される。上記多孔質発熱体302は、第1の実施形態と同様に形成されたものであり、Ni−Cr合金から形成された3次元網目状の骨格302aと、連続気孔302bとを備えて構成される。   The porous heating element 320 according to the present embodiment includes a porous heating element 302 and lead portions 303 and 304 provided on both sides. The porous heating element 302 is formed in the same manner as in the first embodiment, and includes a three-dimensional network skeleton 302a formed of a Ni—Cr alloy and continuous pores 302b. .

上記リード部303,304は、上記多孔質発熱体302の両端部に接続される金属多孔質体303a,304aと、上記金属多孔質体303a,304aの外周部を囲むように配置された環状の電極部303b,304bとを備えて構成される。   The lead portions 303 and 304 are metal porous bodies 303a and 304a connected to both ends of the porous heating element 302, and an annular shape disposed so as to surround the outer peripheral portions of the metal porous bodies 303a and 304a. It comprises an electrode part 303b, 304b.

上記金属多孔質体303a,304aは、上記多孔質発熱体302の端面に圧接あるいは溶接される。また、上記電極部303b,304bも、上記金属多孔質体303a,304aの外周部に、圧接あるいは溶接されている。   The metal porous bodies 303a and 304a are pressure-welded or welded to the end face of the porous heating element 302. The electrode parts 303b and 304b are also pressed or welded to the outer peripheral parts of the metal porous bodies 303a and 304a.

上記電極部303b,304bに接続される配線305が、上記容器309から引き出されて電源306に接続されており、この配線305によって、上記多孔質発熱素子320に通電される。   A wiring 305 connected to the electrode portions 303b and 304b is drawn from the container 309 and connected to a power source 306. The wiring 305 energizes the porous heating element 320.

本実施形態に係る多孔質発熱素子320は、リード部303,304を含む全体が多孔質であるため通気性が高い。また、上記電極部303b,304bも、上記筒状容器内のガスの流動を妨げないように、端部内周面に添着するように配置されている。このため、筒状容器309のガス導入口307を介してガスを筒状容器内に導入するとともに、上記多孔質発熱素子320の内部を軸方向に向けて流動させ、ガス排出口308から排出することができる。また、上記多孔質発熱体302は、全体がほぼ均等に加熱されるため、流動するガスを均一に加熱することができる。このため、非常に効率よくガスを分解することができる。しかも、外部に熱源を設ける必要がないため、エネルギ効率も非常に高い。   The porous heat generating element 320 according to the present embodiment has high air permeability because the entire structure including the lead portions 303 and 304 is porous. The electrode portions 303b and 304b are also arranged so as to be attached to the inner peripheral surface of the end portion so as not to hinder the flow of gas in the cylindrical container. For this reason, the gas is introduced into the cylindrical container via the gas inlet 307 of the cylindrical container 309, the inside of the porous heating element 320 is caused to flow in the axial direction, and is discharged from the gas outlet 308. be able to. Further, since the porous heating element 302 is heated almost uniformly, the flowing gas can be heated uniformly. For this reason, gas can be decomposed | disassembled very efficiently. In addition, since it is not necessary to provide a heat source outside, the energy efficiency is very high.

図14に、第1のガス分解素子410と、筒状MEA510を備える第2のガス分解素子520とを組み合わせて構成したガス分解装置600の概略断面図を示す。なお、上記第1のガス分解素子410は、図11に示すガス分解素子と構成が同一であるので説明は省略する。   FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a gas decomposition apparatus 600 configured by combining a first gas decomposition element 410 and a second gas decomposition element 520 including a cylindrical MEA 510. The first gas decomposition element 410 has the same configuration as the gas decomposition element shown in FIG.

上記第2のガス分解素子520は、内側ガスを流動させて分解する筒状MEA510と、上記筒状MEA510を保持するとともにこの筒状MEAの外周部に空気を流動させることのできる筒状容器509とを備えて構成される。   The second gas decomposing element 520 includes a cylindrical MEA 510 that causes the inner gas to flow and decomposes, and a cylindrical container 509 that holds the cylindrical MEA 510 and allows air to flow to the outer peripheral portion of the cylindrical MEA. And is configured.

上記筒状MEA510は、図示しない筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の内周部に積層形成された第1の電極層と、上記固体電解質層の外周部に積層形成された第2の電極層とを備えて構成されている。   The cylindrical MEA 510 includes a cylindrical solid electrolyte layer (not shown), a first electrode layer formed on the inner periphery of the solid electrolyte layer, and a second electrode formed on the outer periphery of the solid electrolyte layer. The electrode layer is provided.

上記筒状MEA510は、上記筒状容器509のガス流入口507とガス流出口508の間に接続されるようにして上記筒状容器509内に保持されている。上記筒状容器509の外周部には、空気を導入する空気導入口517と、上記筒状MEA510の外周部を流動した空気を排出する排出口518とを備える。   The cylindrical MEA 510 is held in the cylindrical container 509 so as to be connected between the gas inlet 507 and the gas outlet 508 of the cylindrical container 509. The outer periphery of the cylindrical container 509 is provided with an air inlet 517 for introducing air and an outlet 518 for discharging the air that has flowed through the outer periphery of the cylindrical MEA 510.

上記ガス分解素子520の外周部には、図示しないヒータが設けられており、上記筒状MEA510及び上記空気が流動する空間を所定温度に加熱できるように構成されている。また、上記筒状MEA510の上記第1の電極層と上記第2の電極層の間には、図示しない配線が設けられており、この配線内に図示しない負荷装置が設けられる。   A heater (not shown) is provided on the outer periphery of the gas decomposition element 520 so that the space in which the cylindrical MEA 510 and the air flow can be heated to a predetermined temperature. Further, a wiring (not shown) is provided between the first electrode layer and the second electrode layer of the cylindrical MEA 510, and a load device (not shown) is provided in the wiring.

上記第1のガス分解素子410と上記第2のガス分解素子520は、接続部500を介して連結されており、分解されるガスが、上記第1のガス分解素子410と上記第2のガス分解素子520に順次流動させられる。   The first gas decomposing element 410 and the second gas decomposing element 520 are connected to each other via a connection portion 500, and the gas to be decomposed is the first gas decomposing element 410 and the second gas. It is made to flow sequentially to the decomposition element 520.

上記構成のガス分解装置600は、第1のガス分解素子410において加熱によりガスを分解する一方、上記第2のガス分解素子520では、上記第1のガス分解素子410で分解しきれなかったガスを電気化学的に分解するように構成したものである。   The gas decomposition apparatus 600 having the above configuration decomposes gas by heating in the first gas decomposition element 410, while the gas that cannot be decomposed by the first gas decomposition element 410 in the second gas decomposition element 520. Is configured to be decomposed electrochemically.

たとえば、アンモニアガスを分解する場合、上記第1のガス分解素子において、2NH3→N2+3H2 のように、アンモニアガスが熱分解される。 For example, when decomposing ammonia gas, the ammonia gas is thermally decomposed in the first gas decomposing element, as in 2NH 3 → N 2 + 3H 2 .

また、上記筒状MEA510の第1の電極層(アノード)において、
(アノード反応)「2NH3+3O2-→N2+3H2O+6e-
の反応を生じさせる。より詳しくは、一部のアンモニアに、2NH3→N2+3H2の反応を生じ、この3H2が、酸素イオン3O2-と反応して3H2Oを生成する。
一方、上記筒状MEAの第2の電極層(カソード)では、
(カソード反応)「O2 +4e-→2O2-
の反応を生じさせる。
上記電気化学反応の結果、電力が発生し、第1の電極層と第2の電極層との間
に電位差が生じ、上記配線に電流が流れる。これにより、上記配線内に接続したヒータ等の負荷に電力を供給することができる。
In the first electrode layer (anode) of the cylindrical MEA 510,
(Anode reaction) “2NH 3 + 3O 2 − → N 2 + 3H 2 O + 6e
The reaction of More specifically, a reaction of 2NH 3 → N 2 + 3H 2 occurs in a part of ammonia, and this 3H 2 reacts with oxygen ions 3O 2− to generate 3H 2 O.
On the other hand, in the second electrode layer (cathode) of the cylindrical MEA,
(Cathode reaction) “O 2 + 4e → 2O 2−
The reaction of
As a result of the electrochemical reaction, electric power is generated, a potential difference is generated between the first electrode layer and the second electrode layer, and current flows through the wiring. Thereby, electric power can be supplied to a load such as a heater connected in the wiring.

上記第1のガス分解素子410と上記第2のガス分解素子520とを組合せてガス分解装置600を構成することにより、ガスを精度高く分解することが可能となる。   By configuring the gas decomposition apparatus 600 by combining the first gas decomposition element 410 and the second gas decomposition element 520, the gas can be decomposed with high accuracy.

本願発明の範囲は、上述の実施形態に限定されることはない。今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものでないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The scope of the present invention is not limited to the embodiment described above. The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined not by the above-mentioned meaning but by the scope of the claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of the claims.

ガス分解装置等において、ガスを効率よく加熱することができるとともに、熱分解させることができる。   In a gas decomposition apparatus or the like, gas can be efficiently heated and thermally decomposed.

1 多孔質発熱体
10 骨格
10a 外殻
1b 連続気孔
2 多孔質発熱素子
2a 発熱部
3 リード部
3a 金属多孔質体
3b 電極板
4a 金属多孔質体
4b 電極板
5 配線
11 結節部
12 枝部
202 多孔質発熱素子
202a 発熱部
203 リード部
203a 金属多孔質体
203b 電極板
204a 金属多孔質体
204b 電極板
205 配線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Porous heating element 10 Skeleton 10a Outer shell 1b Continuous pore 2 Porous heating element 2a Heat generating part 3 Lead part 3a Metal porous body 3b Electrode plate 4a Metal porous body 4b Electrode plate 5 Wiring 11 Knot part 12 Branch part 202 Porous Heat generating element 202a Heat generating part 203 Lead part 203a Metal porous body 203b Electrode plate 204a Metal porous body 204b Electrode plate 205 Wiring

Claims (10)

連続気孔を有する金属多孔質体からなる多孔質発熱体であって、
発熱材料からなる外殻と、中空又は/及び導電性材料からなる芯部とを有する骨格が、一体的に連続する3次元網目構造を構成している、多孔質発熱体。
A porous heating element comprising a porous metal body having continuous pores,
A porous heating element in which a skeleton having an outer shell made of a heat generating material and a hollow or / and a core made of a conductive material constitutes an integrally continuous three-dimensional network structure.
上記3次元網目構造は、上記骨格を構成する複数の枝部が結節部に集合して一体的に連続しているとともに、一の結節部に集合する上記各枝部の外殻の厚みがほぼ一定である、請求項1に記載の多孔質発熱体。   In the three-dimensional network structure, a plurality of branches constituting the skeleton gather together at a knot and are integrally continuous, and the thickness of the outer shell of each branch gathered at one knot is substantially equal. The porous heating element according to claim 1, which is constant. 上記骨格は、3次元網目状樹脂の表面にめっき層又は金属コーティング層を設けるとともに、上記樹脂を消失させることにより形成されたものである、請求項1又は請求項2のいずれかに記載の多孔質発熱体。   The porous structure according to any one of claims 1 and 2, wherein the skeleton is formed by providing a plating layer or a metal coating layer on a surface of a three-dimensional network resin and eliminating the resin. Quality heating element. 上記外殻は、Niを67〜95%と、Crを5〜33%とを含む合金から形成されている、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の多孔質発熱体。   The porous heating element according to any one of claims 1 to 3, wherein the outer shell is made of an alloy containing 67 to 95% of Ni and 5 to 33% of Cr. 上記外殻は、Niを主成分とする金属多孔質体に、Crを拡散させることにより合金化されたものである、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の多孔質発熱体。   The porous heating element according to any one of claims 1 to 4, wherein the outer shell is alloyed by diffusing Cr in a metal porous body mainly composed of Ni. . 上記外殻は、Niによって形成された第1の外殻に、Crで形成された第2の外殻を積層形成した後、所定の熱処理を行うことにより、上記第1の外殻と上記第2の外殻とを互いに拡散させて合金化することにより形成されている、請求項2から請求項5のいずれか1項に記載の多孔質発熱体。   The outer shell is formed by laminating a second outer shell made of Cr on a first outer shell made of Ni, and then performing a predetermined heat treatment to thereby form the first outer shell and the first outer shell. The porous heating element according to any one of claims 2 to 5, wherein the porous outer heating element is formed by diffusing and alloying two outer shells. 請求項1から請求項6に記載した多孔質発熱体から形成される発熱部と、
上記発熱部に、所定の面積で接続されるとともに電流を導入するリード部が設けられている、多孔質発熱素子。
A heating part formed from the porous heating element according to claim 1;
A porous heating element, wherein the heating part is connected with a predetermined area and is provided with a lead part for introducing a current.
上記リード部を、上記多孔質発熱体に接続される導電性の金属多孔質体を備えて構成した、請求項7に記載の多孔質発熱素子。   The porous heating element according to claim 7, wherein the lead portion includes a conductive metal porous body connected to the porous heating element. 上記リード部を構成する金属多孔質体の中間部を合金化することにより、上記発熱部及び上記リード部が一体的に形成されている、請求項7又は請求項8のいずれかに記載の多孔質発熱素子。   The porous part according to claim 7 or 8, wherein the heat generating part and the lead part are integrally formed by alloying an intermediate part of the metal porous body constituting the lead part. Quality heating element. 請求項1から請求項6に記載した多孔質発熱体と、
上記多孔質発熱体を充填した容器と、
上記発熱体に所定面積で接続されるとともに、上記容器外へ引き出される配線を有するリード部とを備え、
上記リード部を介して通電することにより所定温度に設定した上記多孔質発熱体内に、分解に供せられるガスを流動させる、ガス分解素子。
The porous heating element according to any one of claims 1 to 6,
A container filled with the porous heating element;
A lead part having a wiring connected to the heating element with a predetermined area and drawn out of the container;
A gas decomposing element for flowing a gas to be decomposed into the porous heat generating body set to a predetermined temperature by energizing through the lead portion.
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