JP2013027805A - ガス分解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多孔質触媒体内のガスの流動を妨げることがなく、流動するガスを均一に加熱することが可能になるとともに、大量のガスを流動させて効率よく分解することができ、さらに流量が変動してもガスを一定温度に加熱して触媒に作用させることができるガス分解装置を提供する。
【解決手段】ガスが流動させられる容器１内に、多孔質触媒体１１，１２，１３を充填して構成されるガス分解装置であって、上記多孔質触媒体内で上記ガスが流動させられるとともに、上記多孔質触媒体の表面及び／又は内部に連続気孔を有する多孔質発熱体７，８，９，１０を設けて構成されている。
【選択図】図１

Description

本願発明は、ガス分解装置に関する。詳しくは、アンモニア（ＮＨ₃）等の有毒ガスを、大量に分解することができるガス分解装置に関する。

たとえば、化合物半導体製造装置等における窒化物製造工程において、アンモニアガスが排出される。アンモニアガスは、人体や環境に悪影響を及ぼすため、その濃度を２５ｐｐｍ以下にまで低下させた上で、大気に放出しなければならない。上記アンモニアガスの濃度を低下させる手法として、硫酸等の水溶液に接触吸収させて捕捉する方法、燃焼炉に導入して除去する方法、乾式除害剤に接触させて除去する方法等が知られている。また、アンモニアガスを高温で触媒に接触させて、Ｎ₂とＨ₂に分解する手法も知られている。

アンモニアガスを高温で触媒に接触させる従来の手法では、アンモニアガスを分解する筒状容器の触媒充填部を分解温度に加熱するため、筒状容器の外部に加熱装置を設けたり、触媒充填部にヒータを埋設する構造が採用されていた。

特開平８−１５０３２０号公報

ところが、筒状容器の外部に加熱装置を設けた場合、ガスが流動する触媒内部への熱の伝達が遅いため、ガスの流量が増加すると、ガスを充分に加熱することができないという問題が生じる。また、触媒内部の温度差が生じ、ガスの分解性能にむらが生じやすい。このため、大径の容器を構成するのが困難であり、大量のガスを処理できるガス分解装置を構成することができなかった。また、筒状容器の全体を加熱しなければならないため、熱効率も悪い。

ヒータを多孔質触媒内に埋設した場合、ヒータのみならず、ヒータに給電する電極部等もガスが流動する多孔質触媒内に埋設しなければならない。このため、これら電極等が触媒内のガスの流動を妨げ、偏流が生じやすい。このため、ガスを触媒に均一に作用させることができなくなる。

さらに、ガス分解装置に流入するガスの流量が一定とはかぎらない。このため、一定の出力の加熱装置を設けた場合、ガスの流量が既定流量より少ないとガス温度が高くなり、一方、ガスの流量が既定流量より多くなるとがス温度が低下する。従来、ヒータ出力を調節することによりガス流量に対応していたが、外部から加熱する加熱装置では、熱の伝達が遅いため流量の変化に対応することができず、容器内を流れるガスを効率よく加熱することができなかった。

本願発明は、上記従来の問題を解決し、多孔質触媒内のガスの流動を妨げることがなく、流動するガスを均一に加熱することができるとともに、大量のガスを流動させて効率よく分解することができ、さらに流量が変動してもガスを一定温度に加熱して触媒に作用させることができるガス分解装置を提供することを課題としている。

本願の請求項１に記載した発明は、ガスが流動させられる容器内に、多孔質触媒体を充填して構成されるガス分解装置であって、上記多孔質触媒体内で上記ガスが流動させられるとともに、上記多孔質触媒体の表面及び／又は内部に連続気孔を有する多孔質発熱体を設けて構成されている。

本願発明では、多孔質発熱体を、多孔質触媒体の表面及び／又は内部に設けている。すなわち、多孔質発熱体を、多孔質触媒体を収容する容器の内部において、上記多孔質触媒体と一体的に設けている。

本願発明に係る発熱体は連続気孔を有する多孔質発熱体であるため、発熱体内でガスを流動させることできる。このため、多孔質触媒体の表面や内部に設けても、上記発熱体がガスの流動を妨げることがない。したがって、ガスの偏流等が生じることがなく、多孔質触媒体にガスを均等に作用させることができる。

上記多孔質発熱体を設ける位置は、特に限定されることはない。たとえば、上記多孔質発熱体を、流動するガスが上記多孔質触媒体内に流入する表面に設けて、上記多孔質触媒体に接触する直前にガスを加熱することができる。また、上記多孔質触媒体内に埋設するように設けることにより、多孔質触媒体の内部温度が低下するのを防止することができる。これにより、多孔質触媒体内を流動するガスを効率よく加熱することができるとともに、大流量を処理する場合にも、触媒体の温度が低下するのを防止できる。また、大流量を処理するために、筒状容器の直径を大きくした場合にも、流動するガスを均等に加熱して触媒に作用させることができる。

本願の請求項２に記載した発明は、複数の多孔質発熱体が設けられているとともに、これら発熱体を選択的に発熱させることができるように構成されているものである。

本願発明に係る発熱体は多孔質発熱体であるため、容器内のいずれの部位に設けてもガスの流動を妨げることがない。このため、複数の多孔質発熱体を設け、発熱体内を流れるガスの流速や温度に応じて、所要の発熱体を発熱させるように構成することが可能となる。

上記構成を採用することにより、ガスの流動量が変動しても容易に対応することが可能となる。また、温度が低下しやすい領域に多孔質発熱体を配置して、流動するガスを均一に加熱することも可能となる。

請求項３に記載した発明は、上記多孔質発熱体を、ガスの流動方向に対して直交する面に沿って設けられた板状に形成するとともに、上記触媒体をガスの流動方向に配列される複数の層に分割するように設けたものである。

上記構成を採用することにより、多孔質触媒体内を流動するガスを多段的に加熱することが可能となり、多孔質触媒体内を一定の温度に加熱することができる。また、複数の多孔質発熱体のうち、所要の発熱体に通電することができるため、流量の変動に迅速に対応することも可能となる。

さらに、上記多孔質発熱体と上記多孔質触媒体とを交互に設けることにより、流動するガスの速度を調整する機能を発揮させることができる。たとえば、一体的に設けられた多孔質触媒体の空孔に偏在があった場合、ガスの流路が曲げられて偏流が生じ、ガスを多孔質触媒体に均一に接触させることができない場合が生じる。上記多孔質触媒体をガスの流動方向に配列される複数の層に分離するとともに、これら層の間に多孔質発熱体を挟むことにより、ガスが流動する空隙が不均一な多孔質触媒体を採用した場合にも、ガスの偏流を防止して、ガスを多孔質触媒体に均一に作用させることが可能となる。

請求項４に記載した発明は、ガスの流動方向に直交する断面の中央部近傍に設けられた多孔質発熱体を備えて構成したものである。

一般に、ガスの流動方向に直交する断面の中央部分の流速は大きくなる。このため、上記断面を均等に加熱する構成を採用すると、中央部分のガス温度が低下することになる。多孔質発熱体を、ガス流動方向に直交する断面の中央部近傍に設けることにより、この部分を流動するガスを加熱することが可能となり、流動するガスを均一に加熱することができる。

請求項５に記載した発明のように、上記多孔質発熱体に給電する多孔質給電体を備えて構成することもできる。多孔質発熱体に給電を行う給電体として多孔質体を採用することにより、上記給電体をガスの流路に設けても、ガスの流動を妨げることはない。したがって、多孔質発熱体を、多孔質触媒体のいずれの部位にも設置することができる。たとえば、温度の低下しやすい部位等に配置することが可能となり、大流量のガスを処理できる大型のガス分解装置を構成することが可能となる。

本願発明で採用される多孔質触媒体を構成する材料は特に限定されることはない。触媒体を構成する材料は、分解するガスの種類に応じて選定することができる。また、ガスを所要の流速で流動させることができれば、上記触媒体の形態も限定されることはない。たとえば、一体的に成形された多孔質体から構成される触媒体を採用することができる。

また、多孔質触媒体を、球状あるいは粒状の形態を備える触媒を集合させて構成することができる。たとえば、請求項６に記載した発明のように、上記多孔質触媒体を、表面に触媒層を設けた球状触媒を集合させて構成することもできる。この場合、メッキ等によって表面にＮｉ−Ｃｒ等の触媒層を設けた多孔質アルミナ球体を容器内に充填することにより、多孔質触媒体を構成することができる。この場合、ガスが流動する際の圧力損失が大きくならないように、たとえば、直径２ｍｍ以上のアルミナ球体を採用し、気孔率が２５％〜８０％となるように充填するのが好ましい。

球状触媒を容器に充填して触媒体を構成する場合、これら球状触媒を所定形状に保持するために、保持手段を設ける必要がある。請求項７に記載した発明は、上記多孔質発熱体が上記保持手段を構成しているものである。

本願発明においては、多孔質発熱体を多孔質触媒体の表面に設けることができるため、板状あるいはシート状の多孔質発熱体を採用するとともに、多孔質発熱体を上記球状触媒の保持手段あるいは保形手段として利用することができる。これにより、他の部材から形成された保持手段を設ける必要がなくなり、部品点数を削減できるとともに製造コストを低減させることもできる。なお、上記多孔質触媒体として、導電性のあるものを採用する場合、上記多孔質発熱体と上記多孔質触媒体の間に絶縁層を設けるのが好ましい。上記絶縁層は、多孔質触媒体あるいは多孔質発熱体の形態に応じて形成することができる。たとえば、球状媒体を集合させて多孔質触媒体を構成する場合、上記多孔質触媒体と上記多孔質発熱体の境界面に、導電性を有しない球状体から構成される絶縁層を設けることができる。また、セラミック繊維等から構成されたシート状の部材を境界面に配置して絶縁層を設けることもできる。

請求項８に記載した発明は、上記多孔質発熱体を板状に形成するとともに、電流を流す回路を備えて構成したものである。

一体的なブロック状あるいは板状の多孔質発熱体の２点に電極を設けて電流を流した場合、電流が流れるルートが特定されず、多孔質発熱体内を流れる電流に偏流が生じて、多孔質発熱体の全域を均等に発熱させることができない恐れがある。上記電流が流れる回路を設けることにより、上記多孔質発熱体の全体に電流を流し、多孔質発熱体を均一に発熱させることが可能となる。

上記回路を設ける手法及び回路の形態は、特に限定されることはない。たとえば、矩形板状の多孔質発熱体を採用する場合、対向する辺から一定間隔をあけて交互に平行なスリットを設けることにより、帯状の回路を形成することができる。

上記多孔質発熱体の形態及び材料は特に限定されることはない。また、上記多孔質発熱体自体が触媒作用を有するものを採用することもできる。たとえば、請求項９に記載した発明は、上記多孔質発熱体として、発熱性を有する外殻と、中空又は／及び導電性を有する芯部とを有する骨格を備え、上記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体を採用したものである。

上記多孔質発熱体は、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。

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、繊維状の発熱体を集合させ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。

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、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、外郭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。

上記芯部は、製造方法に応じて、中空又は／及び導電性材料から構成される。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、中空部分がなくなる場合もある。

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をほぼ一定にすることが可能となり、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。

多孔質発熱体の一の結節部に集合する枝部の外殻の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の厚みと、内部の結節部に集合する枝部の外殻の厚みが異なることになる。しかし、各結節部に集合する枝部の外郭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、多孔質体としての強度も確保できる。

外殻をめっき層等から形成すると、一の結節部に集合する枝部の外郭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、結節部周りの外殻の電気抵抗のばらつきが小さくなり、多孔質発熱体の全域を均一に加熱することができる。

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、Ｎｉを７０〜９５％と、Ｃｒを５〜３０％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。上記Ｎｉ−Ｃｒ合金は、発熱体であると同時に触媒作用を有する。このため、多孔質触媒体として利用することもできる。

上記多孔質発熱体を、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して構成することができる。Ｎｉ−Ｃｒ合金から、直接所要の気孔率を有する多孔質体を形成するのは困難な場合がある。たとえば、Ｎｉ−Ｃｒ合金のめっき層を直接形成するのは困難である。

このため、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合金層を形成することができる。

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、外郭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。

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。

また、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もできる。

請求項１０に記載した発明は、本願発明をアンモニアガスに適用されるガス分解装置に適用したものであり、上記ガス分解装置を、上記アンモニアガスを、室温、常圧時の空塔線速度（ＬＶ）で、０．１〜２００ｃｍ／ｓｅｃで流動させることができるように構成する一方、上記容器内で上記アンモニアガスを、４５０〜１２００℃に加熱しながら、上記室温、常圧時の流量に相当する流量で流動させるように構成したものである。なお、上記空塔線速度（ＬＶ）は、充填物等が存在しない筒状容器内を流れる流体の速度を意味するものである。

ガスを所要の濃度以下に分解するには、ガスの温度を分解反応が生じる温度である４５０〜１２００℃に加熱する必要がある。また、触媒に接触する時間を確保するために、触媒を充填した容器内を、室温、常圧時の空塔線速度（ＬＶ）が０．１〜２００ｃｍ／ｓｅｃとなる流量に相当する流量で、アンモニアガスを流動させるのが好ましい。さらに、ガスの温度を６００〜９００℃に加熱した状態で、室温、常圧時の空塔線速度（ＬＶ）が０．１〜２０ｃｍ／ｓｅｃとなる流量に相当する流量で流動させることができるように構成するのが望ましい。

アンモニアガスの流動速度を上記の値に設定した状態で、アンモニアガスを上記温度に加熱できるように、多孔質触媒体や多孔質発熱体の気孔率、流動断面積、多孔質発熱体の加熱温度等が設定される。アンモニアガスの温度及び流動速度を上記のように設定することにより、アンモニアガスの濃度を２５ｐｐｍ以下にまで低減させることができる。

触媒体内のガスの流動を妨げることがなく、流動するガスを均一に加熱することが可能になるとともに、大量のガスを流動させて効率よく分解することができるガス分解装置を提供できる。

第１の実施形態に係るガス分解装置の軸線に沿う縦断面図である。 第１の実施形態の要部の拡大断面図である。 第２の実施形態に係るガス分解装置の軸線に沿う縦断面図である。 図３におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 図３における発熱体の平面図である。 多孔質発熱体の構造の一例を示す電子顕微鏡写真である。 図６に示す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。 図７におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う断面図である。

以下、本願発明の実施形態を図に基づいて説明する。

図１に第１の実施形態に係るガス分解装置１００の断面を示す。ガス分解装置１００は、円筒状の容器１と、この容器１の内部空間に充填された多孔質発熱体７，８，９，１０及び多孔質触媒体１１，１２，１３とを備えて構成されている。

上記容器１は、金属等の材料から形成されるとともに、ガス流入口３と、ガス排出口４と、上記多孔質発熱体７，８，９，１０及び多孔質触媒体１１，１２，１３を充填する円筒空間１ａとを備えて構成されている。側壁２の内周部には、セラミック繊維等から形成された断熱材５が設けられている。

本実施形態に係る上記多孔質発熱体７，８，９，１０は、円板ないし円柱状に形成されている。一方、上記多孔質触媒体１１，１２，１３は、多孔質アルミナから形成された球体の表面に触媒層を設けて形成された球状触媒の集合体として構成される。上記多孔質発熱体７，８，９，１０と、上記多孔質触媒体１１，１２，１３とは、上記断熱材５の内周部において、ガス流動方向に直交する方向に交互に積層されて、一体的な多孔質体６が構成されている。本実施形態では、上記多孔質発熱体７，８，９，１０間において、上記球状触媒の集合体が保持された形態を備え、上記多孔質発熱体７，８，９，１０が多孔質触媒体の保持手段として機能するように構成されている。

各多孔質発熱体７，８，９，１０の両側には、給電を行うためのリード線７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂが、上記容器１の側壁２から引き出されている。各リード線は、図示しない電源に接続されている。本実施形態では、各多孔質発熱体のリード線に選択的に電流を流し、各多孔質発熱体７，８，９，１０を選択的に発熱させることができるように構成されている。

上記多孔質発熱体７，８，９，１０及び多孔質触媒体１１，１２，１３は、連続気孔を備えて構成されており、上記ガス流入口３から流入するガスを所定の流動速度で通過できる気孔率に設定されている。

また、上記多孔質発熱体７，８，９，１０は、少なくとも８００℃以上で発熱するように構成されており、上記多孔質発熱体７，８，９，１０を通過するガスを所定の温度に加熱することができるように構成されている。

一方、上記多孔質触媒体１１，１２，１３は、上記温度及びガスの流動速度において、流動するガスの有害成分を所定の濃度以下に分解できる性能に設定されている。

図２に示すように、上記多孔質触媒体１１，１２，１３は、球体２０ａの表面に、触媒層２０ｂを設けた球状触媒２０の集合体として構成されている。本実施形態では、直径が４〜６ｍｍのアルミナ球体２０ａの表面に上記触媒層２０ｂを設けた球状触媒２０を採用している。これにより、多孔質触媒体の気孔率を４０％〜８０％に設定することができる。上記球体２０ａを構成する材料は、所要の耐熱性等を備えていれば、種々の材料を採用することができる。たとえば、多孔質アルミナから形成されるセラミック球体や、ステンレス等の金属球体を採用できる。また、上記触媒体の形態も特に限定されることはなく、不定形粒状の形態を備えるものを採用することもできる。

上記触媒層２０ｂを構成する材料も特に限定されることはない。たとえば、Ｎｉから形成される触媒層や、Ｎｉ−Ｃｒ合金から形成される触媒層を採用できる。また、上記各多孔質触媒体１１，１２，１３に、異なる材料から形成された触媒層を備える球状触媒を採用することもできる。本実施形態では、上下の多孔質触媒体１１，１３に、Ｎｉ−Ｃｒから形成された触媒層２０ｂを備える球状触媒の集合体から形成する一方、中間部の多孔質触媒体１２を、Ｎｉから形成された触媒層２０ｂを備える球状触媒２０の集合体から構成している。

一方、上記多孔質発熱体７，８，９，１０として、発熱性を有する外殻と、中空又は／及び導電性を有する芯部とを有する骨格を備え、上記骨格が一体的に連続する３次元網目構造を備えるものを採用することができる。たとえば、図６〜図８に示す形態の多孔質発熱体４０１を採用することができる。

図６は、上記多孔質発熱体４０１の外観構造を示す電子顕微鏡写真である。多孔質発熱体４０１は、連続気孔４０１ｂを有する３次元網目構造を備える。図７に示すように、上記３次元網目構造は、三角柱状の骨格４１０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４１２が結節部４１１に集合して一体的に連続する形態を備える。また、骨格４１０の各部は、図８に示すように、外殻４１０ａと、中空状の芯部４１０ｂとを備えて構成される。なお、図７及び図８に示す実施形態では、上記外殻４１０ａは、後に説明するように、メッキ層４１２ａと表面導電化層４１２ｂ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。

上記多孔質発熱体４０１は、連続気孔４０１ｂを有する多孔質状に形成されているため、上記気孔４０１ｂ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４０１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。

また、図７に示すように、上記３次元網目構造における一の結節部４１１に集合する上記枝部４１２の外殻４１０ａの厚みｔがほぼ一定に形成されている。一の結節部４１１に集合する各枝部の外殻の厚みｔがほぼ一定であるため、一の結節部に集合する各枝部４１２の電気抵抗もほぼ一定となる。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。

なお、多孔質発熱体４０１の一の結節部４１１に集合する枝部４１２の外殻４１０ａの厚みｔ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の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、少なくとも上記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するのを防止することができる。

本実施形態に係る上記多孔質発熱体４０１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４０１の上記外殻４１０を、Ｎｉを７０〜９５％と、Ｃｒを５〜３０％とを含む合金から形成することができる。

上記多孔質発熱体４０１は、種々の手法を用いて形成することができる。たとえば、上記骨格をメッキ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。

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。

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７における表面導電化層４１２ｂ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。

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。

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。

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。

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。

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／ｍ²〜３０００ｇ／ｍ²の範囲で設定することができる。

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７及び図８に示す表面導電化層４１２ｂを設けた場合には、表面導電化層４１２ｂ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。

上記工程を採用することにより、外殻のクロム濃度のバラツキが少なく、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。

図７及び図８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４１２ｂ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４１２ｂ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。

本実施形態では、上記多孔質発熱体７，８，９，１０及び多孔質触媒体１１，１２，１３が導電性を備えており、直接接触すると多孔質発熱体７，８，９，１０と多孔質触媒体１１，１２，１３間に電流が流れ、多孔質発熱体７，８，９，１０を所要の温度で発熱させることができない。上記不都合を回避するため、図２に示すように、上記多孔質発熱体７，８，９，１０と多孔質触媒体１０，１１，１２間に、導電性のある触媒層を設けていないアルミナ球３０ａから構成される絶縁層３０を設けている。

上記構成のガス分解装置１００に、異なる濃度のアンモニアガスを流動させた実施例１〜実施例３の結果を下記に示す。なお、本実施例では、上記多孔質発熱体は、上記構成を備えるとともに、気孔率が９６％のものを使用した。また、上記多孔質触媒体は、上記構成を備えるとともに、気孔率が６０％に設定されたものを使用した。

〔実施例１〕
図１に示すガス分解装置において、上部に設けた多孔質発熱体７のリード線７ａ、７ｂに電流を流して、多孔質発熱体７を８００℃に保持した状態で、アンモニア濃度１０％のガスを、ガス流入口３から容器１内に導入し、ガス分解装置内でのガスの流速を、５ｃｍ／ｓｅｃに設定してガスの分解を行った。
実施例１では、ガス排出口４から排出されるガスのアンモニア濃度は、２５ｐｐｍ以下であった。

〔実施例２〕
上部に設けた多孔質発熱体７のリード線７ａ、７ｂと、中間部に設けた多孔質発熱体８のリード線８ａ、８ｂに電流を流して、多孔質発熱体７及び多孔質発熱体８を８００℃に保持した状態で、アンモニア濃度２０％のガスを、ガス流入口３から容器１内に導入し、ガス分解装置内でのガスの流速を、１０ｃｍ／ｓｅｃに設定してガスの分解を行った。
実施例２では、ガス排出口４から排出されるガスのアンモニア濃度は、２５ｐｐｍ以下であった。

〔実施例３〕
すべての多孔質発熱体７，８，９，１０のリード線７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ，１０ａ．１０ｂに電流を流し、全ての発熱体７，８，９，１０を８００に保持した状態で、アンモニア濃度３０％のガスを、ガス流入口３から容器１内に導入し、ガス分解装置内でのガスの流速を、２０ｃｍ／ｓｅｃに設定してガスの分解を行った。
実施例３では、ガス排出口４から排出されるガスのアンモニア濃度は、２５ｐｐｍ以下であった。

各実施例から明らかなように、上記発熱体７，８，９，１０を、アンモニアガスの濃度や流動量に応じて選択的に発熱させることにより、アンモニアガスを所要の濃度以下に分解することができる。

図３及び図４に、本願発明の第２の実施形態を示す。

第２の実施形態に係るガス分解装置２００は、多孔質触媒体２１２の軸方向上下端面に、上記多孔質触媒体２１２を挟むようにして板状の多孔質発熱体２０７，２０８を設けるとともに、上記多孔質触媒体２１２の中央部分に、円筒状の多孔質発熱体２０９を埋設したものである。なお、第２の実施形態において、上記多孔質触媒体２１２の構成及び多孔質発熱体２０７，２０８，２０９の構成は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。

上記多孔質発熱体２０９は、円筒軸をガスが流動する方向に向けて埋設されているとともに、多孔質発熱体２０９と同様の多孔質構造を備えるとともにニッケルから形成された多孔質給電体２０９ａ、２０９ｂ及びリード線２１０ａ，２１０ｂを介して、給電を行えるように構成されている。

本実施形態では、ガスの温度が低下しやすい多孔質触媒体２１２の中央部、特に、ガス流動方向に直交する断面の中央部近傍に、多孔質発熱体２０９を配置している。この構成によって、ガス流速が速く温度が低下しやすい中央部を加熱することが可能となり、多孔質触媒体内を流動するガスを均一に加熱することができる。

しかも、上記多孔質発熱体２０９のみならず、給電体２０９ａ，２０９ｂを、多孔質発熱体と同様の多孔質体から構成しているため、多孔質触媒体内のガスの流動を阻害することがない。このため、ガスを触媒体に均等に接触させて分解させることが可能となる。

なお、本実施形態では、円筒状の多孔質発熱体２０９を採用したが、多孔質発熱体の形態は、容器の形態等に応じて、ガスを均一に加熱できるように設定すればよい。また、図示はしないが、上記多孔質発熱体と上記多孔質導電体の表面には、セラミック繊維等から形成された通気性のあるシートからなる絶縁層が設けられている。

多孔質触媒体２１２の上下端面に設けられる多孔質発熱体２０７，２０８には、図５に示すように、全体が筒状容器２０１の内部空間に対応する円板状に形成されているとともに、対向する縁部から交互に延びるスリット３０８，３０９，３１０，３１１，３１２，３１３，３１４が設けられている。また、上記スリットで区画される帯状領域の端部に、給電体３１６ａ，３１６ｂが接続されており、この給電体３１６ａ，３１６ｂからリード線２０７ａ，２０７ｂが容器２０１の外側に延出させられて、電源３２０に接続されている。

上記スリット３０８，３０９，３１０，３１１，３１２，３１３，３１４を設けることにより、上記多孔質発熱体２０７に、一定幅の帯状の回路が形成される。このため、円板状の多孔質発熱体２０７，２０８の全域に、電流を流して均一に加熱することができる。

上記構成を採用することにより、多孔質触媒体内に大流量のガスを流動させても、均一に加熱して触媒に接触させることが可能となり、流動するガスを効率よく分解することができる。

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。

大量のガスを加熱しながら流動させて効率よく分解することができ、また、ガスの流量が変動してもガスを一定温度に加熱して分解することができるガス分解装置を構成できる。

１ 容器
７ 多孔質発熱体
８ 多孔質発熱体
９ 多孔質発熱体
１０ 多孔質発熱体
１１ 多孔質触媒体
１２ 多孔質触媒体
１３ 多孔質触媒体
１００ ガス分解装置

Claims (10)

1. ガスが流動させられる容器内に、多孔質触媒体を充填して構成されるガス分解装置であって、
   上記多孔質触媒体内で上記ガスが流動させられるとともに、
   上記多孔質触媒体の表面及び／又は内部に連続気孔を有する多孔質発熱体が設けられている、ガス分解装置。
2. 複数の上記多孔質発熱体が設けられているとともに、これら発熱体を選択的に発熱させることができるように構成されている、請求項１に記載のガス分解装置。
3. 上記多孔質発熱体は、ガスの流動方向に対して直交する面に沿って設けられた板状に形成されているとともに、上記触媒体をガスの流動方向に配列される複数の層に分割するように設けられている、請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のガス分解装置。
4. ガス流動方向に直交する断面の中央部近傍に設けられた多孔質発熱体を備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガス分解装置。
5. 上記多孔質発熱体に給電する多孔質給電体を備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のガス分解装置。
6. 上記多孔質触媒体は、表面に触媒層を設けた球状触媒の集合体から構成されている、請求項１から請求項５のいずれかに記載のガス分解装置。
7. 上記多孔質発熱体が上記球状触媒を保持する保持手段を構成している、請求項６に記載のガス分解装置。
8. 上記多孔質発熱体が板状に形成されているとともに、電流が流れる回路を備えて構成されている、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のガス分解装置。
9. 上記多孔質発熱体は、発熱性を有する外殻と、中空又は／及び導電性を有する芯部とを有する骨格を備え、
   上記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、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のガス分解装置。
10. アンモニアガスを分解するガス分解装置であって、
    上記ガス分解装置は、上記アンモニアガスを、室温、常圧時の空塔線速度で、０．１〜２００ｃｍ／ｓｅｃで流動させることができるように構成される一方、
    上記容器内で上記アンモニアガスを、４５０〜１２００℃に加熱しながら、上記室温、常圧時の流量に相当する流量で流動させるように構成されている、ガス分解装置。

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