JP2016108574A - 熱処理炉 - Google Patents

Abstract

【課題】使用済みの水素含有ガスを活用することが可能な熱処理炉を提供する。【解決手段】炉本体１０の内部には被処理物２００を収容可能な炉内空間が形成される。炉本体１０には、炉内空間に水素を含むガスである第１ガスを導入する導入口１８と、炉内空間に収容されているガスを外部に排出する排出口２０，２２とが形成される。炉内空間は、熱処理温度に保持される熱処理領域と、熱処理領域の周囲に配置されるとともに熱処理温度よりも低い温度である周辺温度に保持される周辺領域とを有する。周辺領域には、周辺温度で作動する水素イオン伝導型の燃料電池３０が配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、水素を含む還元雰囲気ガスを用いて被処理物を加熱する熱処理炉に関する。

従来、金属の光輝焼鈍やロウ付けなどを行う熱処理炉においては、熱処理中に被処理物の酸化反応を抑制するために雰囲気熱処理が行なわれている。このような熱処理炉として、水素ガス、または不活性ガスに水素を添加したガスを還元雰囲気として使用するものが実用化されている（たとえば特開２０１１−１６２８６９号公報（特許文献１）参照）。上記熱処理炉によれば、酸化反応が進行しやすい高い熱処理温度であっても、被処理物の酸化を抑制できる。また、金属の表面層を硬化させる浸炭を行う熱処理炉においては、炭化水素と空気とを結合してＮｉ触媒で熱分解させることにより得た一酸化炭素、水素、窒素を主成分とするガス（ＲＸガス）を処理雰囲気として用いる。以上説明した熱処理では、雰囲気中の水蒸気分圧が被処理物の処理結果に影響を及ぼすことが知られており、水蒸気分圧の制御が必要である場合が多い。なお、本明細書では、水素ガス（水素１００％のガス）および、不活性ガスまたは他のガスに水素ガスを添加したガスをまとめて「水素含有ガス」または「水素を含むガス」と称する。

特開２０１１−１６２８６９号公報

上記熱処理炉においては、空気中の酸素が被処理物に反応するのを防止するため、炉内に空気（酸素）が極力侵入しないように炉内を陽圧に保ちつつ、炉内に侵入してきた酸素を還元雰囲気中の水素と反応させている。さらに、使用済みの水素含有ガスは高温であり、かつ不純物を含んでいるために回収することが難しく、また、熱処理炉の外部にそのまま放出させることもできない。そのため、従来、使用済みの水素含有ガスを炉内から排出させるための排出管の付近に燃焼装置を設け、排出された水素含有ガスを燃焼させる処理が行なわれている。

しかしながら、上記の水素含有ガスの燃焼処理によって熱が発生するものの、熱処理炉の外部で発生した熱を炉内の熱源として利用することは困難であった。また、安全性を確保する観点から、熱処理炉から排出された高温の水素含有ガスを別の装置に導入して再利用することは、現状において実現が困難であった。

なお、炉内で水素含有ガスの温度を十分に低下させてから水素含有ガスを排出させる構成が考えられるが、炉内で水素含有ガスを冷却するためには、炉内の均熱帯から排出管までの長さを長くすることが必要となり、炉本体が大型化することがある。このように、従来の熱処理炉においては、使用済みの水素含有ガスを活用することが必ずしも容易ではなかった。

本発明の目的は、使用済みの水素含有ガスを活用することが可能な熱処理炉を提供することである。

本発明の一態様に係る熱処理炉は、被処理物を予め設定された熱処理温度で保持することにより被処理物に熱処理を施す熱処理炉である。熱処理炉は、内部には被処理物を収容可能な炉内空間が形成され、かつ、炉内空間に水素を含むガスである第１ガスを導入する導入口および炉内空間に収容されているガスを外部に排出する排出口が形成された炉本体を備える。炉内空間は、熱処理温度に保持される熱処理領域と、熱処理領域の周囲に配置されるとともに熱処理温度よりも低い温度である周辺温度に保持される周辺領域とを有する。熱処理炉はさらに、周辺領域に配置され、周辺温度で作動する水素イオン伝導型の燃料電池を備える。

上記によれば、使用済みの水素含有ガスを活用することが可能な熱処理炉を実現することができる。

実施の形態１に係る熱処理炉の構成を示す断面模式図である。 炉本体の外側から見た燃料電池の配置構成を模式的に示す図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 燃料電池の配置構成を模式的に示す図である。 燃料電池の配置構成の他の構成例を模式的に示す図である。 燃料電池の構成を示す断面図である。 実施の形態２に係る熱処理炉の構成を示す模式図である。 図７に示す熱処理炉を上面から見た状態を示す模式図である。 燃料電池の配置構成を模式的に示す図である。 燃料電池の配置構成を示す縦断面図である。 図１０におけるＸＩ−ＸＩ線に沿う断面図である。 実施の形態１の変形例に係る熱処理炉の構成を示すブロック図である。

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

（１）本発明の一態様に係る熱処理炉は、被処理物を予め設定された熱処理温度で保持することにより被処理物に熱処理を施す熱処理炉である。熱処理炉は、内部には被処理物を収容可能な炉内空間が形成され、かつ、炉内空間に水素を含むガスである第１ガスを導入する導入口および炉内空間に収容されているガスを外部に排出する排出口が形成された炉本体を備える。炉内空間は、熱処理温度に保持される熱処理領域と、熱処理領域の周囲に配置されるとともに熱処理温度よりも低い温度である周辺温度に保持される周辺領域とを有する。熱処理炉はさらに、周辺領域に配置され、周辺温度で作動する水素イオン伝導型の燃料電池を備える。

上記（１）に記載の熱処理炉によれば、炉内空間において、熱処理温度よりも低い温度（周辺温度）に保持されている周辺領域に、周辺温度で動作可能な燃料電池を配置することにより、熱処理においてたとえば還元雰囲気に使用された水素含有ガスを用いて発電させることができる。燃料電池は、周辺温度で動作可能であるため、燃料電池を加熱するためのヒータの設置を必要とせず、燃料電池が発電する際に生成された熱を炉内空間に供給することもできる。この結果、使用済みの水素含有ガスを活用することが可能な熱処理炉を実現できる。

（２）上記（１）に記載の熱処理炉において好ましくは、周辺領域のうち熱処理領域の鉛直上方に位置する部分に燃料電池が配置される。使用された水素含有ガスは、空気や炉出入口のガスカーテンに使用される窒素やアルゴンなどの不活性ガスと比較して比重が小さいため、炉内の上側に集まりやすい。したがって、炉内上側に位置する周辺領域に燃料電池を配置することで、燃料電池のアノードに水素含有ガスを効率良く導入することができる。この結果、燃料電池における電気化学反応を促進させることが可能となる。

（３）上記（２）に記載の熱処理炉において好ましくは、周辺領域は、炉本体の内部において上方に突出した形状の部分を有し、当該部分に燃料電池が配置される。これにより、熱処理領域よりも上側に分布している水素含有ガスを一部分（上方に突出した形状の部分）に集めることができるため、当該部分に収容された燃料電池のアノードに対して、より効率的に水素含有ガスを導入することができる。

（４）上記（３）に記載の熱処理炉において好ましくは、炉本体の内部において上方に突出した形状の部分は、水平面における断面積が上方に行くほど小さくなる。これにより、熱処理領域よりも上側に分布している水素含有ガスを効率良く一部分に集めて燃料電池のアノードに導入することができる。

（５）上記（３）または（４）に記載の熱処理炉において好ましくは、排出口は、炉本体の内部において上方に突出した形状の部分に面する炉本体の内壁面に形成される。これにより、炉本体の内部において上方に突出した形状の部分に面する排気口から排気することで、当該突出した形状の部分へ炉本体の内部全体からより効率的に水素含有ガスを集めることができる。

（６）上記（１）から（５）のいずれかに記載の熱処理炉において好ましくは、燃料電池は、排出口と熱処理領域とで挟まれる位置に配置される。たとえば還元雰囲気に使用された水素含有ガスは、熱処理領域から排出口を通じて炉本体外に排出される。したがって、熱処理領域と排出口との間にある周辺領域に燃料電池を配置することで、燃料電池のアノードに水素含有ガスを効率良く導入することができる。この結果、燃料電池における電気化学反応を促進させることが可能となる。

（７）上記（１）から（６）のいずれかに記載の熱処理炉において好ましくは、燃料電池は、膜電極複合体を含む。膜電極複合体は、筒状体に形成された水素イオン伝導性の固体電解質と、固体電解質の外周部に形成され、第１ガスが導入される第１電極と、固体電解質の内周部に形成され、酸素を含むガスである第２ガスが導入される第２電極とを有する。これにより、燃料電池において、筒状に形成された膜電極複合体の内面側に電気化学反応による水が生成され、膜電極複合体の外面側には水が生成されない構造が実現される。このため、生成された水が炉内空間の雰囲気ガスに放出されて、水蒸気濃度が上昇するのを回避することができる。

（８）上記（７）に記載の熱処理炉において好ましくは、膜電極複合体は、筒状体の少なくとも一方端に開口部を有する。燃料電池は、膜電極複合体の開口部を含む一方端が炉本体の外側に突出するように配置される。これにより、膜電極複合体の内面側を炉内空間から隔離できるため、内面側に生成された水が炉内空間の雰囲気ガスに放出されるのを回避することができる。

（９）上記（７）または（８）に記載の熱処理炉において好ましくは、水素イオン伝導性の固体電解質は、一般式（１）で表されるペロブスカイト型の酸化物である。

Ｍ２_ａＺｒ_ｘＣｅ_ｙＭ３_{（１−ｘ−ｙ）}Ｏ_３−δ ・・・（１）
（一般式（１）中、Ｍ２はＣａ、Ｓｒ、Ｂａから選択される少なくとも１種以上の＋２価の金属イオンを表し、Ｍ３はＣｅを除く希土類およびＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎから選択される少なくとも１種類以上の＋３価の金属イオンを表し、ａは０．９０以上１．０５以下であり、ｘおよびｙはそれぞれ０以上１．０以下であり、ｘ＋ｙは０．７５以上１．０以下であり、δは結晶格子中の酸素イオンの欠陥数を表す。）
（１０）上記（１）から（９）のいずれかに記載の熱処理炉において好ましくは、燃料電池の動作温度は、４００℃以上６００℃以下である。これにより、熱処理温度がたとえば６００℃〜１１００℃程度である熱処理領域の周辺領域に、燃料電池を配置することができる。

[本発明の実施形態の詳細]
次に、本発明の実施形態の具体例を図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。

＜実施の形態１＞
まず、本発明の一実施形態に係る熱処理炉の全体構成について説明する。図１は、実施の形態１に係る熱処理炉１００の構成を示す断面模式図である。実施の形態１に係る熱処理炉１００は、被処理物２００を予め設定された熱処理温度で保持することにより、被処理物２００に熱処理を施す。図１の上下方向が熱処理炉１００の高さ方向（鉛直方向）を示し、図１の左右方向が熱処理炉１００の幅方向（水平方向）を示している。

図１に示すように、実施の形態１に係る熱処理炉１００は、複数の被処理物２００を連続して熱処理することが可能な連続式熱処理炉である。熱処理炉１００は、炉本体１０と、搬入口１３と、搬出口１４と、搬送ベルト１６と、導入管１８と、排出管２０，２２と、ヒータ４０，４２，４４と、筐体１１０とを備える。

炉本体１０は筐体１１０内に収容されている。炉本体１０の水平方向の一方端には搬入口１３が接続され、他方端には搬出口１４が接続される。被処理物２００は、搬入口１３において、搬送ベルト１６上に載置される。搬送ベルト１６は図示しない駆動部により駆動される。搬送ベルト１６上に載置された被処理物２００は、炉本体１０内に搬入される。

炉本体１０の内部には、被処理物２００を収容可能な炉内空間が形成されている。炉内空間には、ヒータ４０，４２，４４が設けられる。炉内空間の雰囲気はヒータ４０，４２によって加熱される。加熱された高温になった雰囲気によって、被処理物２００が加熱される。

炉内空間には、被処理物２００の搬送方向の上流側から下流側に向かって加熱帯、均熱帯および冷却帯が、この順に形成されている。各帯では、被処理物２００の品質や寸法等に応じて設定温度が決定されており、被処理物２００の全長に亘って熱処理が施される。ヒータ４０，４２，４４は、制御盤２４によって制御されることにより、加熱帯、均熱帯および冷却帯の各々を設定温度に保持することができる。

上記のような構成とすることにより、搬入口１３から炉本体１０の内部に搬入された被処理物２００は、加熱帯においてヒータ４０により所定温度まで加熱された後、均熱帯においてヒータ４２により一定時間だけ一定温度に維持されることによって熱処理が施される。加熱帯は、たとえば２００℃〜８００℃の温度範囲に保持される。被処理物２００の熱処理時における均熱帯の温度（熱処理温度）は、たとえば８００℃〜１０００℃程度である。被処理物２００は均熱帯で熱処理が施された後、冷却帯において２００℃〜８００℃程度まで冷却される。すなわち、均熱帯は、熱処理温度に保持される「熱処理領域」を形成し、加熱帯および冷却帯は、当該熱処理領域の周囲に配置されるとともに、熱処理温度よりも低い温度である周辺温度に保持される「周辺領域」を形成する。このようにして熱処理工程が完了すると、被処理物２００は搬出口１４から搬出される。

炉内空間には、還元雰囲気ガスである第１ガスが保持されている。第１ガスは水素（Ｈ_２）を含むガスである。第１ガスは、水素１００％のガス、または不活性ガスまたは他のガスに水素ガスを添加したガス（すなわち、水素含有ガス）である。水素は還元力が強いため、還元雰囲気に水素含有ガスを用いることにより、雰囲気中の酸素（Ｏ_２）を強力に還元することができる。これにより、熱処理中における被処理物２００の酸化反応を抑制できる。第１ガスとして、たとえばアンモニア（ＮＨ_３）分解ガス、ＲＸガス、水素および窒素（Ｎ_２）を含むガス、水素および不活性ガスの混合ガスなどが用いられる。以下の説明では、炉内空間に導入される水素含有ガスと、炉内空間で還元雰囲気に使用された後の水素含有ガスとを共に「第１ガス」と表記するが、これら２つの水素含有ガスの組成（水素濃度）が必ずしも一致していなくてもよい。

第１ガスは、導入管１８から炉本体１０内に導入される。このとき、第１ガスは、炉内が陽圧となるように導入される。炉本体１０内に導入された第１ガスは、ヒータ４０，４２によって加熱される。還元雰囲気に使用された第１ガスは、搬入口１３に設けられた排出管２０および搬出口１４に設けられた排出管２２の各々から排出される。排出管２０，２２の各々は排気管１１１に接続されている。排出管２０，２２から排出された第１ガスは、排出管２０，２２の付近に設置された水素処理装置１１２において燃焼処理が施される。

熱処理炉１００は、制御盤２４と、外部電力配線２６と、燃料電池３０と、電圧印加部３２と、自家電力配線３４とをさらに備える。

ヒータ４０，４２，４４には、外部電力配線２６を介して制御盤２４から電力が供給される。制御盤２４は、外部電源（たとえば商用電源）から電源の供給を受けて、ヒータ４０，４２，４４への給電を制御する。具体的には、炉本体１０には、加熱帯、均熱帯および冷却帯の各々の温度を検出するための複数の温度計（図示せず）が設置されている。制御盤２４は、複数の温度計の検出値を取得すると、加熱帯、均熱帯および冷却帯の各々について、設定温度に対する温度計の検出値の偏差に基づいて、ヒータ４０，４２，４４の各々へ供給する電力を制御する。これにより、加熱帯、均熱帯および冷却帯はそれぞれ設定温度に保持される。

燃料電池３０は、炉内空間において、均熱帯（熱処理領域）の周辺領域に配置される。本実施の形態では、燃料電池３０は、加熱帯および冷却帯の少なくとも一方に配置することができる。図１では、燃料電池３０を加熱帯に配置する例を示している。燃料電池３０は、周辺領域のうち、均熱帯の鉛直上方に位置する部分に配置される。燃料電池３０の配置位置については後述する。

燃料電池３０は、被処理物２００の熱処理温度よりも低い温度（周辺温度）で作動可能である。燃料電池３０の動作温度は、好ましくは４００℃〜６００℃である。このような燃料電池３０としては、たとえば、中温形の固体酸化物形燃料電池（Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell：ＩＴ−ＳＯＦＣ）を用いることができる。ＩＴ−ＳＯＦＣは、たとえば、イットリウムなどの３価のカチオンをドープしたバリウムジルコネートやバリウムセレートに代表される、水素イオン（Ｈ^＋）伝導性の固体電解質に用いたＳＯＦＣである。ＩＴ−ＳＯＦＣは、たとえば、一般式Ｍ２_ａＺｒ_ｘＣｅ_ｙＭ３_{（１−ｘ−ｙ）}Ｏ_３−δで表されるペロブスカイト型の酸化物である。上記一般式中、Ｍ２はＣａ、Ｓｒ、Ｂａから選択される少なくとも１種以上の＋２価の金属イオンを表し、Ｍ３はＣｅを除く希土類およびＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎから選択される少なくとも１種類以上の＋３価の金属イオンを表し、ａは０．９０以上１．０５以下であり、ｘおよびｙはそれぞれ０以上１．０以下であり、ｘ＋ｙは０．７５以上１．０以下であり、δは結晶格子中の酸素イオンの欠陥数を表す。また、動作温度を４００℃〜６００℃程度の低い温度域とすることで、従来のＳＯＦＣでは適用できない低い運転温度の熱処理炉にも適用可能である。

このように、燃料電池３０に、周辺温度で動作可能なＩＴ−ＳＯＦＣを採用することにより、燃料電池３０は還元雰囲気に使用された第１ガスによって加熱されて動作することができる。したがって、燃料電池３０を動作温度まで加熱するための専用のヒータを炉内空間に設置する必要なく、炉内空間に燃料電池３０を設置することができる。また、燃料電池３０が発電する際に生成される熱を炉内空間に供給することも可能となる。

燃料電池３０は、主な構成要素として、膜電極複合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）を含む。ＭＥＡは、水素含有ガスである第１ガスが導入されるアノード（第１電極）と、第２ガスが導入されるカソード（第２電極）と、２つの電極に挟まれるイオン伝導性絶縁層とにより構成される。本実施の形態では、イオン伝導性絶縁層に、水素イオン伝導性の固体電解質を用いる。すなわち燃料電池３０は、水素イオン伝導型のＳＯＦＣである。ＭＥＡは、第１ガスに含まれる水素と第２ガスとが電気化学反応を起こすことによって発電する。第２ガスは、第１ガスと組み合わせて発電する電気化学反応を生じるものであればよいが、本実施の形態では、空気すなわち空気中の酸素（Ｏ_２）を用いる例を示している。第２ガスとしての空気は、図１に示すように、筐体１１０の外部から入って炉本体１０内のＭＥＡに導入される。

燃料電池３０により生成された電力は、自家電力配線３４に供給される。図１に示すように、上記の電気化学反応で生じる電力を、自家電力配線３４を介してヒータ４０，４２，４４に供給することができる。これにより、ヒータ４０，４２，４４における電力消費の不足分が外部電源から制御盤２４を介して供給されることになり、外部電源からの供給電力を減らすことができる。この結果、熱処理炉１００のランニングコストを抑えることが可能となる。また、図示は省略するが、燃料電池３０により生成された電力を、自家電力配線３４を介してヒータ以外の電気負荷（たとえば照明装置など）にも給電する構成としても、同様の効果を得ることができる。

自家電力配線３４には、電圧印加部３２が挿入されている。電圧印加部３２は、制御盤２４によって制御される。電圧印加部３２は、ＭＥＡのアノード（第１電極）とカソード（第２電極）との間に、電気化学反応の順方向の電圧を印加する。熱処理炉１００の運転停止中は、電気化学反応が休止状態となるため、アノード等に酸素が触れると酸化が進行する。また、熱処理炉１００を稼働させると、電気化学反応が再開することにより、還元が進行する。このように、熱処理炉１００の運転および停止の繰り返しに伴って酸化および還元が繰り返される。この酸化および還元の繰り返しは電極材料に損傷を与えるため、電極を劣化させる可能性がある。本実施の形態では、電圧印加部３２によって電圧を印加することで休止中の酸化反応を抑制できるため、電極の劣化を防止することができる。電圧印加部３２は、たとえばダイオードおよびトランジスタを含む回路を用いて構成することができる。

（燃料電池の配置構成）
図２は、炉本体１０の外側から見た燃料電池３０の配置構成を模式的に示す図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。

図１に示すように、燃料電池３０は、周辺領域のうち熱処理領域よりも鉛直上方に位置する部分に設けられる。「周辺領域のうち熱処理領域よりも鉛直上方に位置する部分」とは、熱処理領域よりも高い位置にある部分である。当該部分は、図１に示すように熱処理領域の斜め上方に位置する周辺領域に設けられてもよいし、熱処理領域の真上に位置する周辺領域に設けられていてもよい。

水素含有ガスである第１ガスは、空気に比べて比重が小さい。そのため、均熱帯において還元雰囲気に使用された第１ガスは、炉内空間の鉛直上方に集まりやすい。そのため、炉内空間には、上方に向かって第１ガスの濃度が高くなるという濃度分布が生じている。したがって、熱処理領域よりも高い位置にある周辺領域に燃料電池３０を配置することにより、第１ガスの濃度が高くなる領域に燃料電池３０を配置することができる。これにより、ＭＥＡのアノード（第１電極）に第１ガスを効率良く導入することができるため、ＭＥＡにおける電気化学反応を促進させることができる。

周辺領域は、図１および図２に示すように、炉本体１０の内部において上方に突出した形状の部分（以下、単に「突出部分」と称する）１５を有していてもよい。この突出部分１５の内側に燃料電池３０が配置される。突出部分１５の形状は、内部に空間を形成することが可能であれば特に限定されるものではなく、円柱状、三角柱状、四角柱状、多角柱状、断面真円の半球状、断面楕円の半球状、円錐状、三角錐状、四角錐状、多角錐状、円錐台状、三角錐台状、四角錐台状、多角錐台状、その他の形状であってもよい。これにより、炉内空間の鉛直上方に分散している第１ガスを、突出部分１５の内部の空間に集めることができる。

図２では、突出部分１５が四角錐台の形状を有する例を示している。突出部分１５の４つの側壁面のうちの対向する一対の側壁面のそれぞれには、燃料電池３０を挿入するための孔部１５０が形成されている。

本実施の形態では、燃料電池３０は筒状体（たとえば、円筒形）のＭＥＡを有する。図３に示すように、円筒形のＭＥＡ７は、外周面を第１ガスが導入されるアノード（第１電極）とし、内周面を第２ガスが導入されるカソード（第２電極）とする。ＭＥＡ７は、突出部分１５の一対の側壁面に形成された孔部１５０に挿入される。ＭＥＡ７の両端の開口部はそれぞれ炉本体１０の外部に突出している。そのため、ＭＥＡ７の内側（カソード側）は炉内空間から隔離されている。このようにして、突出部分１５において、燃料電池３０は炉本体１０を貫通して配置される。なお、孔部１５０の内周面と燃料電池３０の外周面との間隙は塞がれており、炉本体１０の外部に第１ガスが漏れるのを防止している。

図４は、突出部分１５の構成例を模式的に示す図である。図４に示すように、突出部分１５は、水平面における断面積が上方に行くほど小さくなるように形成されている。すなわち、突出部分１５は、開口部の断面積（図中の面積Ｓ２）が最も大きく、最上部の断面積（図中の面積Ｓ１）が最も小さくなるように形成されている。

このような構成とすることにより、炉内空間の鉛直上方に分散している第１ガスは、突出部分１５の内部に集められる。そして、突出部分１５の内部では、上方に行くほど第１ガスの濃度が高くなる。したがって、突出部分１５の内部に収容されたＭＥＡ７の外周面（アノード）に、第１ガスを効率良く導入することができる。

さらに、突出部分１５に面する炉本体１０の内壁面に、炉内空間に収容されているガスを排出するための排出口１５２が設けられる構成としてもよい。図５には、突出部分１５の上面に排出口１５２が設けられる構成が例示されている。これによれば、突出部分の内部に集められた第１ガスは、排出口１５２を通って炉本体１０の外部に排出される。すなわち、突出部分の内部には、開口部側から排出口１５２に向かって第１ガスが流れるような第１ガスの流路が形成される。この第１ガスの流路上に燃料電池３０が配置されることにより、ＭＥＡ７の外周面（アノード）に第１ガスを効率良く導入することができる。

なお、突出部分１５の４つの側壁面のうちのいずれかに排出口１５２を設ける構成としても、第１ガスの流路上に燃料電池３０が配置されるため、一定の効果を奏することができる。

（燃料電池の構成）
以下、図６を用いて、実施の形態１に係る熱処理炉１００に配置される燃料電池３０の構成について説明する。図６は、燃料電池３０の構成を示す断面図である。図６（ａ）は、燃料電池３０の縦断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＶＩＢ−ＶＩＢ線に沿う断面図である。

図６に示すように、円筒形のＭＥＡ７は、円筒形の固体電解質１と、固体電解質１の内面を覆うように設けられたカソード（第２電極）２と、固体電解質１の外面を覆うように設けられたアノード（第１電極）５とにより構成される。アノード５は「燃料極」とも称され、カソード２は「空気極」とも称される。なお、図３に示したように、ＭＥＡ７の内側は炉内空間から隔離されている。

円筒形の固体電解質１の内筒を埋めるように、カソード集電体１１が配置されている。また、アノード５の外面に巻き付くようにアノード集電体１２が配置されている。

カソード集電体１１は、Ｎｉ（ニッケル）メッシュシート１１ａと、多孔質金属体１１ｓと、中心導電棒１１ｋとを含む。Ｎｉメッシュシート１１ａは、ＭＥＡ７の内面側のカソード２に接触して、多孔質金属体１１ｓから中心導電棒１１ｋへと導電する。多孔質金属体１１ｓは、空気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。これにより、カソード集電体１１の全体の電気抵抗を低くしながら、カソード２側への気体導入の圧力損失を低減することができる。

アノード集電体１２は、銀ペースト塗布配線１２ｇと、Ｎｉメッシュシート１２ａとを含む。Ｎｉメッシュシート１２ａは、ＭＥＡ７の外面に接触して自家電力配線３４へと導電する。銀ペースト塗布配線１２ｇは、アノード集電体１２の電気抵抗を低くすることに寄与する。

第１ガスである水素含有ガスは、Ｎｉメッシュシート１２ａの空隙を通りながらアノード５と接触する。アノード５は、水素を分解して水素イオン（Ｈ^＋）および電子（ｅ⁻）を生じさせる。アノード５は、水素イオン（Ｈ^＋）をカソード２に向かって固体電解質１に送り出す。アノード反応は次のとおりである。

（アノード反応）：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
第２ガスである空気は、Ｎｉメッシュシート１１ａおよび多孔質金属体１１ｓの空隙を通りながらカソード２と接触する。カソード２では、固体電解質１を通って到達した水素イオン（Ｈ^＋）が酸素（Ｏ_２）と反応して水（Ｈ_２Ｏ）を生じさせる。カソード反応は次のとおりである。

（カソード反応）：２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
上記の電気化学反応の結果、電力が発生し、アノード５とカソード２との間に生じた電位差によってカソード集電体１１からアノード集電体１２へと電流Ｉが流れる。カソード集電体１１とアノード集電体１２との間に電気負荷、たとえばヒータ４０，４２，４４を接続しておくことにより、電気負荷に電力を供給することができる。図６に示すように、カソード集電体１１とヒータ４０，４２，４４とを自家電力配線３４で結び、この自家電力配線３４に電圧印加部３２を挿入するのが好ましい。

ここで、本実施の形態では、水素イオン伝導性の固体電解質１を用いたことにより、炉内空間から隔離された筒状体のＭＥＡ７の内側のカソード２において、水素イオンと酸素分子と電子とが反応して水が生成される。すなわち、ＭＥＡ７の内側に水が生成される一方で、ＭＥＡ７の外側、すなわち、炉内空間には水を生じさせないように構成されている。これにより、炉内空間の雰囲気ガスに水が放出されて水蒸気分圧が上昇するのを容易に回避することができる。この結果、図１に示すように、燃料電池３０のＭＥＡ７を直接的に炉本体１０に設置することができる。

このように、実施の形態１に係る連続式熱処理炉１００によれば、熱処理領域の周囲に配置され、かつ、熱処理温度よりも低い周辺温度に保持される周辺領域に、周辺温度で動作可能な燃料電池が配置される。これにより、熱処理に使用された水素含有ガスを用いて燃料電池に電力を発生させることができる。この燃料電池で生じた電力をヒータなどの電気負荷に供給することで、熱処理炉のランニングコストを抑えることが可能となる。

また、周辺領域に配置された燃料電池は、周辺温度で動作可能な燃料電池であるため、燃料電池を加熱するためのヒータを必要とせず、かつ、燃料電池が発電する際に生じた熱を炉内空間に供給することができるため、熱処理炉のランニングコストの低減に寄与する。

さらに、筒状体の水素イオン伝導性の固体電解質の内側のカソードを、炉内空間から隔離した構成とすることにより、電気化学反応によって生成された水を炉内空の雰囲気ガスに放出させることがない。したがって、炉本体に直接的に燃料電池を設置することができる。

この結果、還元雰囲気として使用された水素含有ガスを活用することが可能な熱処理炉を簡易な装置構成で実現することができる。

（実施の形態２）
図７は、実施の形態２に係る熱処理炉１０２の構成を示す模式図である。図８は、図７に示す熱処理炉１０２を上面から見た状態を示す模式図である。実施の形態２に係る熱処理炉１０２は、被処理物２００を炉内に搬入して、その単位で熱処理を行なうバッチ式熱処理炉である。図７の上下方向（図８の紙面垂直方向）が熱処理炉１０２の高さ方向（鉛直方向）を示し、図７および図８の左右方向が熱処理炉１０２の幅方向（水平方向）を示している。

図７に示すように、実施の形態２に係る熱処理炉１０２は、炉本体１０１と、導入管１０４と、排出管１０６と、ヒータ４６，４８とを備える。

炉本体１０１は、たとえば直方体の形状を有しており、内部に被処理物２００を収容する。図７では、被処理物２００を１個単位で熱処理する例を示している。炉本体１０１の内部にはヒータ４６，４８が設けられている。炉本体１０１内の雰囲気はヒータ４６，４８によって加熱される。

炉本体１０１の内部には、ヒータ４６により加熱されて高温になった雰囲気により均熱部が形成される。炉本体１０１の内部に搬入された被処理物２００は、均熱部において一定時間だけ一定温度に維持されることにより熱処理が施される。すなわち、均熱部は、熱処理温度に保持される「熱処理領域」を形成する。被処理物２００の熱処理時における均熱帯の温度（被処理物２００の熱処理温度）は、たとえば８００℃〜１０００℃程度である。熱処理工程が完了した後、被処理物２００は、炉本体１０１から搬出される。

炉本体１０１の内部には、還元性雰囲気ガスである第１ガスが保持されている。第１ガスは、実施の形態１における第１ガスと同様の水素含有ガスであり、たとえばアンモニア（ＮＨ_３）分解ガス、ＲＸガス、水素および窒素（Ｎ_２）を含むガス、水素および不活性ガスの混合ガスなどが用いられる。

第１ガスは、導入管１０４から炉本体１０１に導入される。なお、第１ガスは、炉内が陽圧となるように導入される。炉本体１０１に導入された第１ガスは、ヒータ４６，４８によって加熱される。還元雰囲気に使用された第１ガスは、排出管１０６から排出される。排出管１０６から排出された第１ガスは、排出管１０６の付近に設置された水素処理装置（図示せず）において燃焼処理が施される。

熱処理炉１０２は、制御盤２４と、外部電力配線２６と、燃料電池５０と、電圧印加部３２と、自家電力配線３４とをさらに備える。

ヒータ４６，４８には、外部電力配線２６を介して制御盤２４から電力が供給される。制御盤２４は、外部電源（たとえば商用電源）から電源の供給を受けて、ヒータ４６，４８への給電を制御する。具体的には、炉本体１０１には、均熱部の温度を検出するための温度計（図示せず）が設置されている。制御盤２４は、温度計の検出値を取得すると、均熱部の設定温度に対する温度計の検出値の偏差に基づいて、ヒータ４６へ供給する電力を制御する。これにより、均熱部は設定温度に保持される。一方、ヒータ４８は、後述する周辺領域を燃料電池３０の動作温度域に調整するために補助的に用いられる。

燃料電池５０は、炉本体１０１内おいて、熱処理領域の周囲に配置され、熱処理温度よりも低い温度である周辺温度に保持される周辺領域に設けられる。実施の形態２では、炉本体１０１内において、均熱部と水平方向において隣接するとともに、排出管１０６から見て均熱部よりも近い位置にある周辺領域（図中の領域ＲＧＮに相当）に、燃料電池５０が配置される。これにより、燃料電池５０は、炉本体１０１内において、熱処理領域よりも第１ガスの流通方向の下流側に設けられ、熱処理領域から還元雰囲気に使用された第１ガスの供給を受ける。

燃料電池５０は、実施の形態１に係る熱処理炉１００における燃料電池３０と同様に、被処理物２００の熱処理温度よりも低い温度（周辺温度）で動作可能である。燃料電池５０の動作温度は、好ましくは４００℃〜６００℃である。このような燃料電池５０としては、ＩＴ−ＳＯＦＣが好適に用いられる。燃料電池５０に、周辺温度で動作可能なＩＴ−ＳＯＦＣを採用することにより、炉本体１０１内に設置された燃料電池５０は、還元雰囲気に使用された第１ガスによって加熱されて動作することができる。

燃料電池５０は、主な構成要素として、ＭＥＡを有している。ＭＥＡは、水素含有ガスである第１ガスが導入されるアノード（第１電極）と、第２ガスが導入されるカソード（第２電極）と、２つの電極に挟まれるイオン伝導性絶縁層とにより構成される。実施の形態２では、実施の形態１と同様に、イオン伝導性絶縁層に、水素イオン（Ｈ^＋）伝導性の固体電解質を用いる。

図９は、燃料電池５０の配置構成を模式的に示す図である。図９に示すように、周辺領域ＲＧＮには、燃料電池５０が収容されている。燃料電池５０は、筒状体（たとえば円筒状）のＭＥＡ７を有している。

円筒状のＭＥＡ７には、下部を炉本体１０１の周辺領域ＲＧＮ内に収容するとともに、上部を炉本体１０１から上方に突出させることにより突出部４１が設けられている。ＭＥＡ７の上部の開口端部には、接続部材３５が設けられている。ＭＥＡ７は、接続部材３５を介して、第２ガスとしての空気をＭＥＡ７内へ導入するとともに、電気化学反応により生成された水を排出するように構成されている。

周辺領域ＲＧＮにはヒータ４８が設けられている。周辺領域ＲＧＮの雰囲気温度は、ヒータ４８を用いることによって、燃料電池５０の動作温度域（４００℃〜６００℃）になるように調整することができる。具体的には、炉本体１０１には、周辺領域ＲＧＮの温度を検出するための温度計（図示せず）が設置されている。制御盤２４は、温度計の検出値を取得すると、周辺領域ＲＧＮの設定温度に対する温度計の検出値の偏差に基づいて、ヒータ４８へ供給する電力を制御する。これにより、周辺領域ＲＧＮは燃料電池５０の動作温度域に保持される。

（燃料電池の構成）
以下、図１０および図１１を用いて、実施の形態２の熱処理炉１０２に配置される燃料電池５０の構成について説明する。

図１０は、燃料電池５０の配置構成を示す縦断面図である。図１１は、図１０におけるＸＩ−ＸＩ線に沿う断面図である。

円筒状のＭＥＡ７は、円筒状の固体電解質１と、固体電解質１の外面を覆うように設けられたアノード（第１電極／燃料極）５と、固体電解質１の内面を覆うように設けられたカソード（第２電極／空気極）２とから構成される。

ＭＥＡ７の外側には第１ガスとして水素含有ガスが流される。また、ＭＥＡ７の内側には、第２ガスとして空気が流される。そして、第２ガスが流れるＭＥＡ７の内部の流路を第２のガス流路９１とするとともに、第１ガスが流れるＭＥＡ７の外側の炉本体１０１内の空間（周辺領域ＲＧＮ）を第１のガス流路としている。

筒状ＭＥＡ７は、図１０に示すように、下端部が封止されるとともに、上端部からガス誘導パイプ１１ｐが挿入されている。ＭＥＡ７の下端部は、固体電解質１および固体電解質１の内側に位置するカソード２を延出させて、底部を設けることによって封止部９４が設けられている。

ガス誘導パイプ１１ｐは、ＭＥＡ７の上端部から下端部（封止部９４）側に向けて挿入されている。ＭＥＡ７のカソード２の内周面とガス誘導パイプ１１ｐの外周面との間に、筒状流路９３が形成される。筒状流路９３には、多孔質金属体１１ｓが挿入されている。ガス誘導パイプ１１ｐを中央部に保持しつつ、ガス誘導パイプ１１ｐの外周面とカソード２との内周面との間に、筒状流路９３が形成される。

ガス誘導パイプ１１ｐの内部空間９２内を封止部９４に向けて第２ガスを流し、封止部９４の近傍においてガス誘導パイプ１１ｐ内から第２ガスを流出させるとともに反転させ、さらに筒状流路９３を内部空間９２での流れとは反対方向に向けて第２ガスを流すように構成している。すなわち、内部空間９２と筒状流路９３とによって第２のガス流路９１が構成される。

上記構成を採用することにより、ＭＥＡ７の内側の空間において、ＭＥＡ７の筒長さの約２倍の距離を第２のガス流路９１とすることができる。これにより、ガス誘導パイプ１１ｐ内で加熱され、温度が上昇された状態でＭＥＡ７に作用させることができる。この結果、ＭＥＡ７における電気化学反応を促進することが可能となる。

また、ガス誘導パイプ１１ｐは、ステンレス等の導電性の金属で形成されており、カソード集電体１１の構成要素として機能する。一方、アノード５の外面に巻き付くようにアノード集電体１２が配置されている。

カソード集電体１１は、銀ペースト塗布層１１ｇと、Ｎｉメッシュシート１１ａと、多孔質金属体１１ｓと、ガス誘導パイプ１１ｐとを含む。Ｎｉメッシュシート１１ａは、銀ペースト塗布層１１ｇを介して、ＭＥＡ７の内面側のカソード２に接触して、多孔質金属体１１ｓからガス誘導パイプ１１ｐへと導電するように構成されている。銀ペースト塗布層１１ｇを設けることにより、カソード２とカソード集電体１１との間の電気抵抗を低減することができる。

Ｎｉメッシュシート１１ａの先端部Ｗ１は、封止部９４の近傍において、ガス誘導パイプ１１ｐの外周部にバンド状の接合部材Ｗ２を介して巻き付けるよう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、Ｎｉメッシュシート１１ａ／多孔質金属体１１ｓ／ガス誘導パイプ１１ｐという導電路と、Ｎｉメッシュシート１１ａ／ガス誘導パイプ１１ｐという導電路とを形成している。この結果、Ｎｉメッシュシート１１ａは、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。

なお、多孔質金属体１１ｓは、第２ガスの圧力損失を低減させるために、気孔率を高くできる金属メッキ体、たとえばセルメットを用いるのが好ましい。

アノード集電体１２は、銀ペースト塗布配線１２ｇと、Ｎｉメッシュシート１２ａとを含む。Ｎｉメッシュシート１２ａは、ＭＥＡ７の外面と接触して、自家電力配線３４へと導電している。

第２ガスは、ガス誘導パイプ１１ｐを介してＭＥＡ７の封止部９４の近傍まで誘導される。ＭＥＡ７は、雰囲気ガスによって、その全体が４００℃〜６００℃程度に加熱されているため、第２ガスはガス誘導パイプ１１ｐ内を流動する間に昇温する。第２ガスは、第２のガス流路９１を内部空間９２から筒状流路９３内へと流れ、多孔質金属体１１ｓ、Ｎｉメッシュシート１１ａおよび銀ペースト塗布層１１ｇの空隙を通りながら、カソード２と接触する。

アノード５には、第１ガスが導入される。アノード５は、第１ガスに含まれる水素を分解して、水素イオン（Ｈ^＋）および電子（ｅ⁻）を生じさせ、この水素イオンをカソード２に向かって固体電解質１へと送り出す。カソード２では、固体電解質１を通って到達した水素イオンが酸素と反応して水を生じさせる。

上記の電気化学反応の結果、電力が発生し、アノード５とカソード２との間に生じた電位差によってカソード集電体１１からアノード集電体１２へと電流Ｉが流れる。したがって、カソード集電体１１とアノード集電体１２との間に電気負荷（たとえばヒータ４６，４８）を接続しておくことにより、電気負荷に電力を供給することができる。図１０に示すように、カソード集電体１１とヒータ４８とを自家電力配線３４で結び、この自家電力配線３４に電圧印加部３２を挿入するのが好ましい。

本実施の形態では、水素イオン伝導性の固体電解質１を用いたことにより、炉内空間から隔離されたＭＥＡ７の内側のカソード２において、水素イオンと酸素分子と電子とが反応して水が生成される。すなわち、炉内空間から隔離されたＭＥＡ７の内側に水が生成される一方で、ＭＥＡ７の外側、すなわち、炉本体１０１の内部には水を生じさせないように構成されている。そのため、図７に示すように、燃料電池５０を炉本体１０１内に設置することができる。

このように、実施の形態２に係るバッチ式熱処理炉１０２によれば、炉内空間の熱処理領域と水平方向において隣接するとともに、排出管から見て熱処理領域よりも近い位置にある周辺領域に、熱処理温度よりも低い周辺温度で動作可能な燃料電池を配置する。これにより、熱処理において還元雰囲気に使用された水素含有ガスを用いて燃料電池に電力を発生させることができる。この結果、実施の形態２に係る熱処理炉においても、実施の形態１と同様に、熱処理炉のランニングコストを抑えることが可能となる。

また、燃料電池が発電する際に生じた熱を炉内空間に供給できるため、熱処理炉のランニングコストの低減に寄与する。

さらに、筒状体の水素イオン伝導性の固体電解質の内側のカソードを、炉内空間から隔離した構成とすることにより、電気化学反応によって生成された水を炉内空の雰囲気ガスに放出させることがない。したがって、炉本体に直接的に燃料電池を設置することができる。

この結果、還元雰囲気として使用された水素含有ガスを活用することが可能な熱処理炉を簡易な装置構成で実現することができる。

なお、上記の実施の形態１および２においては、燃料電池が発生する電力をヒータ等の電気負荷に投入する構成について例示したが、この電力を蓄電装置に蓄えておく構成としてもよい。図１２は、実施の形態１の変形例に係る熱処理炉の構成を示すブロック図である。図１２に示すように、自家電力配線３４は蓄電装置３００に接続されている。これにより、電気負荷に供給する電力の電圧レベルを安定化させることができる。また、熱処理炉の起動時には、燃料電池が未だ発電していない状態であっても、蓄電装置３００に蓄えられた電力を用いてヒータ４０，４２，４４を作動させることができる。

また、上記の実施の形態１および２では、燃料電池の一例として、筒状体のＭＥＡを有する構成について説明したが、板状構造のＭＥＡを有する構成であっても本発明を適用することが可能である。ただし、筒状体のＭＥＡを用いることで、筒状体ＭＥＡの内面側に電気化学反応による水が生成されるため、炉本体内の雰囲気ガスに水蒸気が混じるのを容易に回避することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態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、およ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。

１ 固体電解質
２ カソード（第２電極）
５ アノード（第１電極）
７ ＭＥＡ
１０，１０１ 炉本体
１１ カソード集電体
１１ａ，１２ａ Ｎｉメッシュシート
１１ｇ 銀ペースト塗布層
１１ｋ 中心導電棒
１１ｐ ガス誘導パイプ
１２ アノード集電体
１２ｇ 銀ペースト塗布配線
１３ 搬入口
１４ 搬出口
１５ 突出部分
１６ 搬送ベルト
１８ 導入管
２０，２２ 排出管
２４ 制御盤
２６ 外部電力配線
３０，５０ 燃料電池
３２ 電圧印加部
３４ 自家電力配線
３５ 接続部材
４０，４２，４４，４６，４８ ヒータ
４１ 突出部
１００，１０２ 熱処理炉
１１０ 筐体
１５０ 孔部
１５２ 排出口
２００ 被処理物
３００ 蓄電装置

Claims (10)

1. 被処理物を予め設定された熱処理温度で保持することにより前記被処理物に熱処理を施す熱処理炉であって、
   内部には前記被処理物を収容可能な炉内空間が形成され、かつ、前記炉内空間に水素を含むガスである第１ガスを導入する導入口および前記炉内空間に収容されているガスを外部に排出する排出口が形成された炉本体を備え、
   前記炉内空間は、前記熱処理温度に保持される熱処理領域と、前記熱処理領域の周囲に配置されるとともに前記熱処理温度よりも低い温度である周辺温度に保持される周辺領域とを有し、
   前記熱処理炉はさらに、
   前記周辺領域に配置され、前記周辺温度で作動する水素イオン伝導型の燃料電池を備える、熱処理炉。
2. 前記周辺領域のうち前記熱処理領域の鉛直上方に位置する部分に前記燃料電池が配置される、請求項１に記載の熱処理炉。
3. 前記周辺領域は、前記炉本体の内部において上方に突出した形状の部分を有し、当該部分に前記燃料電池が配置される、請求項１または請求項２に記載の熱処理炉。
4. 前記炉本体の内部において上方に突出した形状の部分は、水平面における断面積が上方に行くほど小さくなる、請求項３に記載の熱処理炉。
5. 前記排出口は、前記炉本体の内部において上方に突出した形状の部分に面する前記炉本体の内壁面に形成される、請求項３または請求項４に記載の熱処理炉。
6. 前記燃料電池は、前記排出口と前記熱処理領域とで挟まれる位置に配置される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の熱処理炉。
7. 前記燃料電池は、膜電極複合体を含み、
   前記膜電極複合体は、
   筒状体に形成された水素イオン伝導性の固体電解質と、
   前記固体電解質の外周部に形成され、前記第１ガスが導入される第１電極と、
   前記固体電解質の内周部に形成され、酸素を含むガスである第２ガスが導入される第２電極とを有する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の熱処理炉。
8. 前記膜電極複合体は、前記筒状体の少なくとも一方端に開口部を有し、
   前記燃料電池は、前記膜電極複合体の前記開口部を含む前記一方端が前記炉本体の外側に突出するように配置される、請求項７に記載の熱処理炉。
9. 前記水素イオン伝導性の固体電解質は、下記一般式（１）で表されるペロブスカイト型の酸化物である、請求項７または請求項８に記載の熱処理炉。
   Ｍ２_ａＺｒ_ｘＣｅ_ｙＭ３_{（１−ｘ−ｙ）}Ｏ_３−δ ・・・（１）
   （一般式（１）中、Ｍ２はＣａ、Ｓｒ、Ｂａから選択される少なくとも１種以上の＋２価の金属イオンを表し、Ｍ３はＣｅを除く希土類およびＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎから選択される少なくとも１種類以上の＋３価の金属イオンを表し、ａは０．９０以上１．０５以下であり、ｘおよびｙはそれぞれ０以上１．０以下であり、ｘ＋ｙは０．７５以上１．０以下であり、δは結晶格子中の酸素イオンの欠陥数を表す。）
10. 前記燃料電池の動作温度は、４００℃以上６００℃以下である、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の熱処理炉。

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