JP2014155923A - ガス分解装置及び発電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】筒状の固体電解質層1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2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5とを有する筒状MEA7を用いて構成されるガス分解装置100であって、ガスを上記筒状MEA内に出入りさせる接続部材30と、上記筒状MEAを収容して加熱する加熱容器51と、上記加熱容器内を通過するとともに、上記接続部材に導かれるガスを予め加熱する予備加熱配管53を備え、上記筒状MEAに、上記加熱容器の外部に突出する突出部41を設けるとともに、上記接続部材を上記突出部の先端部に設けて構成したものである。
【選択図】図4
Description
(A1)金属粒子連鎖体を第1の電極層(アノード)に含有させた場合、第1の電極層(アノード)において、固体電解質層から移動してくる陰イオンと、第1の電極層(アノード)の外部から第1の電極層(アノード)へと導かれる気体中のガス分子との化学反応を、金属粒子連鎖体の酸化層によって促進させ(触媒作用)、かつ陰イオンを参加させて第1の電極層(アノード)での化学反応を促進させる(電荷による促進作用)。そして、その化学反応の結果、生じる電子の導電性を、金属粒子連鎖体の金属部分で確保することができる。この結果、第1の電極層(アノード)における電荷の授受を伴う電気化学反応を、全体的に促進することができる。金属粒子連鎖体を第1の電極層(アノード)に含有させた場合、第1の電極層(アノード)において、陽イオンたとえばプロトンを発生させて固体電解質層中を第2の電極層(カソード)へと陽イオンを移動させ、上記の電荷による促進作用を、同様に得ることができる。
ただし、金属粒子連鎖体の酸化層については、使用前は焼成処理によって確実に形成されているが、使用中に還元反応によって酸化層がなくなることが多い。酸化層がなくなっても、上記の触媒作用は減ずることはあってもなくなることはない。とくにFeやTiを含有させたNiは、酸化層がなくても触媒作用は高い。
(A2)金属粒子連鎖体を第2の電極層(カソード)に含有させた場合、第2の電極層(カソード)において、第2の電極層(カソード)の外部から第2の電極層(カソード)へと導かれる気体中のガス分子の化学反応を、金属粒子連鎖体の酸化層によって促進させ(触媒作用)、かつ外部回路からの電子の導電性を向上させるとともに、当該電子を参加させて第2の電極層(カソード)での化学反応を促進させる(電荷による促進作用)。そして、当該分子から効率よく陰イオンを生じて、固体電解質層へと送り出すことができる。(A1)と同様に、(A2)の場合、固体電解質層中を移動してきた陽イオンと、外部回路を流れてきた電子と、第2の気体との電気化学反応を促進することができる。このため、上記第1の電極層(アノード)に含ませる場合と同様に、第2の電極層(カソード)における電荷の授受を伴う電気化学反応を、全体的に促進することができる。どのような場合に、金属粒子連鎖体を第2の電極層(カソード)に含ませるかは、分解対象のガスによって変わる。
(A3)金属粒子連鎖体を第1の電極層(アノード)及び第2の電極層(カソード)に含有させた場合は、上記(A1)および(A2)の効果を得ることができる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るガス分解装置100の縦断面図である。また図2は、図1におけるII−II線に沿う断面図である。なお本実施形態では、特に分解に供される第1のガスをアンモニア含有ガスとした場合のガス分解装置について説明する。また、本実施形態では、1本の筒状MEA7からなる一のガス分解素子10からガス分解装置100を構成したが、各々筒状MEAを備えて構成される複数のガス分解素子を一の加熱容器に内に配置してガス分解装置を構成することができる。
本実施形態では上記したように、上記筒状MEA7(1、2、5)の内側には第1のガスとしてアンモニア含有ガスが流される。また、筒状MEA7(1、2、5)の外側には、第2のガスとして酸素含有ガスである空気が流される。そして、上記第1のガスが流れる筒状MEA7(1、2、5)の内側の流路を第1のガス流路とする。また、上記第2のガスが流れる筒状MEA7(1、2、5)の外側の流路を第2のガス流路とする。
本実施形態に係る上記筒状MEA7(1、2、5)は、図1に示すように、直円筒状に形成されている。筒状MEA7(1、2、5)の内径は、例えば20mm程度であるが、適用する装置に応じて寸法等を設定できる。
予備加熱用配管53としては、耐熱性の管、例えばNi管、インコネル管、その他の金属製やセラミックス製の耐熱及び耐腐食性を有する管を用いることができる。
なお、筒状MEA7及び予備加熱用配管53は、図1には1本だけを図示しているが、それぞれ複数本を配管して、ガス分解装置を構成することができる。
上記加熱容器51は耐熱材料で構成されることになるが、耐火物材料で厚肉に構成し、ヒータ52を埋設したものとしてもよい。また、厚肉とした耐火物材料からなる加熱容器51の肉厚内に予備加熱用配管53を埋設、貫通させた構成とすることもできる。
本来的には上記筒状MEA7を加熱するヒータ52を利用することにより、上記予備加熱用配管53が加熱され、この予備加熱用配管内を流動する上記第1のガスが良好に予備加熱される。
(アノード反応):2NH3+3O2−→N2+3H2O+6e−
より詳しくは、一部のアンモニアが、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。
第2の電極層(カソード)5には空気、特に酸素ガスが、スペースSを通るように導入され、第2の電極層(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第1の電極層(アノード)2に向かって固体電解質層1へと送り出す。
(カソード反応):O2+4e−→2O2−
上記の電気化学反応の結果、電力が発生し、第1の電極層(アノード)2と第2の電極層(カソード)5との間に電位差を生じ、カソード側集電体12からアノード側集電体11へと電流Iが流れる。カソード側集電体12とアノード側集電体11との間に負荷、例えばこのガス分解素子10を加熱するためのヒータ52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52への上記電力の供給は、部分的であってもよい。多くの場合、自家発電の供給量はヒータ52全体に要する電力の半分以下である。
2第1の電極層(アノード)
5第2の電極層(カソード)
7筒状MEA
10ガス分解素子
11アノード側集電体
11aNiメッシュシート
11d基端部
11e外部配線
11g銀ペースト塗布層
11kガス誘導パイプ
11s多孔質金属体
12カソード側集電体
12aNiメッシュシート
12g銀ペースト塗布配線
12e外部配線
30接続部材
31本体部
31aガス導入部
31b締結部
31cガス排出部
32環状ネジ
33Oリング
34締め付け具
35排気空間
36嵌合部
37a他端部
37b導電線
37c導電貫通部
38封止樹脂
39ナット
41突出部
42内部空間
43筒状流路
44封止部
45ガス導入管
47締結具
51加熱容器
52ヒータ
53予備加熱用配管
65排気管
100ガス分解装置
Sスペース
W1 Niメッシュシートの先端部
W2 接合部材
Claims (9)
- 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の電極層とを有する筒状MEA(Membrane Electrode Assembly)を用いて構成されるガス分解装置であって、
ガスを上記筒状MEA内に出入りさせる接続部材と、
上記筒状MEAを収容して加熱する加熱容器と、
上記加熱容器内を通過するとともに、上記接続部材に導かれるガスを予め加熱する予備加熱配管とを備え、
上記筒状MEAに、上記加熱容器の外部に突出する突出部を設けるとともに、上記接続部材を上記突出部の先端部に設けた、ガス分解装置。 - 上記突出部は、上記筒状MEAの一部を、上記加熱容器から突出させて構成されている、請求項1に記載のガス分解装置。
- 上記突出部を冷却する冷却手段が設けられている、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。
- 上記突出部先端の温度を、205℃以下に設定した、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。
- 上記接続部材が、樹脂材料から形成されている、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。
- 上記筒状MEAは、
一端部を封止して設けられるとともに、上記加熱容器内に配置される封止部と、
上記筒状MEAの内部空間に挿入されて、上記筒状MEAの内周面との間に筒状流路を形成するガス誘導パイプを備え、
上記接続部材を介して上記ガス誘導パイプ内に導入されたガスを、上記封止部に向けて流動させるとともに、上記封止部近傍において上記誘導パイプ内から流出させることにより反転流動させ、上記筒状流路を上記ガス誘導パイプ内の流れと反対方向に向けて流動させながら第1の電極層に作用させて分解し、上記接続部材を介して排出するように構成された、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のガス分解装置。 - 上記第1の電極層及び/又は上記第2の電極層が、ニッケル(Ni)を主成分とする金属粒子連鎖体と、イオン導電性セラミックとを含む焼成体であることを特徴とする、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のガス分解装置。
- 上記固体電解質層が、酸素イオン導電性又はプロトン導電性を有することを特徴とする、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。
- 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載したガス分解装置を備える、発電装置。
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