JP5568865B2 - Gas decomposition element - Google Patents
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Description
本発明は、ガス分解素子であって、より具体的には、ガスを効率よく分解することができ、小型で、維持管理が容易なガス分解素子に関するものである。 The present invention relates to a gas decomposing element, and more specifically to a gas decomposing element that can efficiently decompose gas, is small, and is easy to maintain.
生活環境、とくに空気に対する関心の高まりから、大気中の微量の有害ガス成分を効率よく除害(分解)するための技術開発が推進されている。たとえば、アンモニア分解反応を促進する触媒については、クロム化合物、銅化合物、コバルト化合物(特許文献1)、アルミナ製3次元網状構造体に担持された白金(特許文献2)などが公表されている。上記の触媒を用いた化学反応によってアンモニアを分解する方法では、窒素酸化物NOxの生成を抑えることができる。さらに、触媒に二酸化マンガンを用いることによって、100℃以下で、より効率的にアンモニアの熱分解を促進する方法も提案されている(特許文献3、4)。
また、ディーゼルエンジン搭載の自動車が増加する傾向にあるが、廃ガス規制をクリアする必要があり、ディーゼルエンジンの排出ガスを低減する各種の触媒装置が開発されている。それらの触媒装置のなかで、尿素選択還元システムはNOxを、エンジンスピードが低い温度域で効率よく窒素と水へと還元浄化するものとして推奨されている(非特許文献1)。これらの排気ガス浄化装置は、自動車エンジンの排気経路に取り付けられ、排気ガスを浄化する。このために、排気経路の温度やNOx濃度を測定して、尿素の排気経路への噴射量の制御を行う。たとえば、尿素噴射の後段にNOxセンサを設け、NOとNO2とを化学量論的に個別に割り出し、最適な尿素の噴射量を制御する装置が提案されている(特許文献5)。また、排気経路に、酸化触媒と、その後段に尿素選択還元装置とを配置して、尿素選択還元装置の前段で、酸化触媒の前後に配置した2つのNOxセンサを用いて、NOx分解を行う方法の提案もある(特許文献6)。
一方、夏季の光化学スモッグなどで知られるように、ディーゼルエンジンに限らず、NOxを含む気体環境は生物にとって好ましくない。大気中のNOx等を分解除去するために、多孔質担体の表面を被覆する酸化チタン薄膜にリン酸カルシウムを島状に分散配置した光触媒の提案がなされている(特許文献7)。
Due to the growing interest in the living environment, especially air, technological development to efficiently remove (decompose) trace amounts of harmful gas components in the atmosphere is being promoted. For example, as a catalyst for promoting an ammonia decomposition reaction, a chromium compound, a copper compound, a cobalt compound (Patent Document 1), platinum supported on an alumina three-dimensional network structure (Patent Document 2), and the like are disclosed. In the method of decomposing ammonia by a chemical reaction using the above catalyst, generation of nitrogen oxides NOx can be suppressed. Furthermore, a method for more efficiently promoting the thermal decomposition of ammonia at 100 ° C. or lower by using manganese dioxide as a catalyst has been proposed (
Although automobiles equipped with diesel engines tend to increase, it is necessary to satisfy waste gas regulations, and various catalyst devices for reducing exhaust gas from diesel engines have been developed. Among these catalytic devices, the urea selective reduction system is recommended as one that efficiently reduces and purifies NOx into nitrogen and water in a temperature range where the engine speed is low (Non-patent Document 1). These exhaust gas purification devices are attached to the exhaust path of an automobile engine and purify the exhaust gas. For this purpose, the temperature of the exhaust passage and the NOx concentration are measured to control the injection amount of urea into the exhaust passage. For example, a device has been proposed in which a NOx sensor is provided at the subsequent stage of urea injection, and NO and NO 2 are separately determined stoichiometrically to control the optimum urea injection amount (Patent Document 5). In addition, an oxidation catalyst and a urea selective reduction device are arranged in the exhaust path in the exhaust path, and NOx decomposition is performed using two NOx sensors arranged before and after the oxidation catalyst in the front stage of the urea selective reduction device. There is also a proposal of a method (patent document 6).
On the other hand, as known by summer photochemical smog and the like, not only a diesel engine but also a gaseous environment containing NOx is not preferable for a living organism. In order to decompose and remove NOx and the like in the atmosphere, a photocatalyst has been proposed in which calcium phosphate is dispersed and arranged in islands on a titanium oxide thin film covering the surface of a porous carrier (Patent Document 7).
アンモニアについては、触媒を用いた熱分解反応による方法(特許文献1〜4)などによれば、アンモニアの分解は可能である。しかし、上記の方法では触媒の定期的交換やメインテナンスを要し、ランニングコストが高いという問題がある。とくに構成部材について長期間にわたってメインテナンスフリーは許容されない。さらに装置が大掛かりとなり、たとえば既存の設備に付加的に設ける場合に配置が難しい場合も生じる。
一方、NOxを分解する尿素選択還元装置については、自動車にとって大掛かりな尿素選択還元装置を排気系統に配置するものであり、重量増をもたらす。また、尿素の補給を必要とする。このため、自動車分野では、尿素等の還元剤の補給を必要とせず、維持管理が簡単な、できればメインテナンスフリーなNOx分解素子が望まれてきた。また自動車用では、当然のことながら小型で軽量であることは大きな価値を生み出す。
また、自動車に限定されず大気中のNOx等の有害物質を除去する光触媒については、分解速度または分解効率が不足する傾向があった。人が密集する空港、鉄道の駅等では、迅速な有害物質の分解が求められ、光触媒による分解では、対応しきれない場合が生じる。
上記のような課題は、アンモニアおよびNOxに限定されず、悪臭ガス成分にあげられるメタン、エタン等のVOC(Volatile Organic Compounds)の分解についても、同様のことがいえる。
As for ammonia, ammonia can be decomposed by a method (
On the other hand, the urea selective reduction device for decomposing NOx is one in which a urea selective reduction device that is large for an automobile is arranged in the exhaust system, resulting in an increase in weight. In addition, urea replenishment is required. For this reason, in the automobile field, there has been a demand for a NOx decomposing element that does not require replenishment of a reducing agent such as urea and that is easy to maintain and, if possible, maintenance-free. For automobiles, of course, small size and light weight create great value.
In addition, the photocatalyst that removes harmful substances such as NOx in the atmosphere is not limited to automobiles, and there is a tendency that the decomposition rate or decomposition efficiency is insufficient. Airports, railway stations, and other places where people are crowded require rapid decomposition of harmful substances, and photocatalytic decomposition may not be possible.
The above problems are not limited to ammonia and NOx, and the same can be said for the decomposition of VOC (Volatile Organic Compounds) such as methane and ethane, which are listed as malodorous gas components.
本発明は、(1)高い耐久性を有し、長期間にわたってメインテナンスフリーで、かつ低いランニングコストで稼動することができ、(2)小型の装置で、大きな処理能力と高い分解速度を有する、ガス分解素子を提供することを目的とする。 The present invention (1) has high durability, is maintenance-free for a long period of time and can be operated at a low running cost, and (2) has a large processing capacity and a high decomposition rate in a small apparatus. An object is to provide a gas decomposition element.
本発明のガス分解素子は、ガス成分を分解する。このガス分解素子は、酸素原子を含む第1の気体が導入される多孔質のカソードと、カソードと対をなし、第1の気体と異なる第2の気体が導入される多孔質のアノードと、アノードとカソードとに挟まれる、酸素イオン導電性を持つイオン導電材と、カソードに接するカソード集電材とを備え、ガス成分は、第1の気体もしくは第2の気体であるか、または第1の気体もしくは第2の気体の一部に含まれ、カソード集電材が、孔径0.05mm〜3.2mmの連続気孔を持つ金属多孔体である金属めっき体であって、めっきによって形成されたニッケルもしくはニッケル基合金を骨格として該めっきによる骨格の表層が、クロム(Cr)、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、金(Au)および白金(Pt)、の少なくとも1種に富化されており、イオン導電材が固体酸化物からなり、アノード、固体酸化物、およびカソードが、一体化されたMEA(Membrane Electrode Assembly)の(アノード/固体酸化物/カソード)の形態とされ、カソード集電体は、シート状であり、カソードに接して積層され、酸素原子を含む第1の気体の流路を占めていて、カソードおよびカソード集電体が、250℃〜950℃に加熱された状態で使用されるものであることを特徴とする。 The gas decomposition element of the present invention decomposes gas components. The gas decomposition element includes a porous cathode into which a first gas containing oxygen atoms is introduced, a porous anode that is paired with the cathode and into which a second gas different from the first gas is introduced; An ion conductive material having oxygen ion conductivity sandwiched between an anode and a cathode and a cathode current collector in contact with the cathode, wherein the gas component is the first gas or the second gas, or the first included as part of the gas or the second gas, the cathode current collector is a metal plating which is a metal porous body having continuous pores having a pore diameter of 0.05Mm~3.2Mm, nickel was formed by plating or the nickel-based alloy surface layer of the scaffold according to the plating as a scaffold, chromium (Cr), aluminum (Al), silver (Ag), gold (Au) and platinum (Pt), is enriched in at least one Cage, ion conductive material is made of a solid oxide, anode, solid oxide, and a cathode, formed as an integrated MEA of (Membrane Electrode Assembly) (anode / solid oxide / cathode), cathode current collector The body is in the form of a sheet, is laminated in contact with the cathode , occupies the flow path of the first gas containing oxygen atoms , and the cathode and the cathode current collector are heated to 250 ° C. to 950 ° C. characterized in der Rukoto those used.
上記のガス分解素子では、カソードに酸素原子を含む第1気体を導入して、カソードにおいて酸素イオンを生成してイオン導電材にその酸素イオンを送る。イオン導電材における酸素イオンの拡散速度を高めるため、また各電極での電気化学反応を促進するため、高温に加熱する。このため、カソード集電体を含むカソード表面付近は、高温の酸化性雰囲気になる。上記の構成によれば、電気化学反応によって、第1気体中または第2気体中のガス成分を分解するとき、次の作用を得ることができる。なお、分解対象のガス成分は、第1気体または第2気体、そのものである場合もあるが、通常、微量だけ含まれる場合が多いので、第1気体中または第2気体中に含まれるものとして、説明する。
(E1)カソード集電体を金属多孔体で形成することで、第1気体を通しながら、当該気体の乱流状態を促進する。気体を層流にして通過させるよりも、乱流とすることで、当該第1気体がカソードに接する機会、時間等を長くして分解反応(電気化学反応)を促進することができる。これによって、カソード単位面積当たりの電気化学反応効率を高めることができる。
(E2)カソード集電体は金属多孔体なので、外部からのカソードへの電子の流入を確保して、ガス成分の分解に伴う電荷授受を円滑化することができる。これによって、電子の授受が電気化学反応のネックになることを防止することができる。
(E3)金属多孔体を、クロム等の富化層を形成したものにより形成することで、ニッケルを超える耐高温腐食(酸化)性能を与えることができる。上記のガス分解素子のカソード周辺は、たとえば250℃〜950℃の高温に加熱され、酸素原子を含む第1気体が流入して、カソードにおいて酸素イオンを生成する。このため、カソードおよびカソード集電体で、金属の高温酸化反応が進行し、実用上、耐久性(耐高温酸化性)が不足する場合が生じる。ニッケルは、めっき体や微粒子の作製が容易なため、連続気孔の金属多孔体を製造する上で、非常に好適な金属であり、かつ一定の耐高温酸化性能を備える。しかし、耐高温酸化性能が不十分であり、より耐高温酸化性能の良好な材料を用いる。金属多孔体を耐高温酸化性能に優れる材料で形成することで、カソード集電体の耐久性を向上させることができる。この結果、カソード集電体の取り換えや修理などのメインテナンスなしで、長期間にわたって安定してアンモニア分解素子を使用することができる。
上記の金属多孔体は、(1)参考例としてあげる金属粒子または金属繊維の焼結体、ではなく、(2)気孔連続化処理をされた発泡樹脂を用いて形成した金属めっき体である。ニッケル合金は、ニッケルをベースにして他の金属が含まれるニッケル基合金でもよいし、他の金属をベースにした他金属基の合金であってニッケルがそこに含まれるものであってもよい。
また、カソードに導入される酸素原子を含む第1気体は、酸素原子を含む分子が含まれる気体をさし、空気、酸素ガス、NOx、水蒸気、二酸化炭素など、またはこれら2種以上の混合気体をさす。分解対象のガス成分は、第1の気体に含まれてもよいし、第2の気体に含まれてもよい。
In the gas decomposition element, a first gas containing oxygen atoms is introduced into the cathode, oxygen ions are generated at the cathode, and the oxygen ions are sent to the ion conductive material. In order to increase the diffusion rate of oxygen ions in the ion conductive material and to promote the electrochemical reaction at each electrode, the material is heated to a high temperature. For this reason, the vicinity of the cathode surface including the cathode current collector becomes a high-temperature oxidizing atmosphere. According to said structure, when decomposing | disassembling the gas component in 1st gas or 2nd gas by an electrochemical reaction, the following effect | action can be acquired. In addition, although the gas component to be decomposed may be the first gas or the second gas itself, it is usually contained only in a very small amount, so it is assumed that it is contained in the first gas or the second gas. ,explain.
(E1) By forming the cathode current collector from a porous metal body, the turbulent state of the gas is promoted while allowing the first gas to pass. By making the turbulent flow rather than letting the gas pass as a laminar flow, it is possible to promote the decomposition reaction (electrochemical reaction) by lengthening the opportunity, time, and the like of the first gas contacting the cathode. Thereby, the electrochemical reaction efficiency per cathode unit area can be increased.
(E2) Since the cathode current collector is a porous metal body, it is possible to ensure the inflow of electrons from the outside to the cathode and to facilitate the charge transfer accompanying the decomposition of the gas component. This can prevent the exchange of electrons from becoming a bottleneck for electrochemical reactions.
(E3) By forming the porous metal body with a layer enriched with chromium or the like, high-temperature corrosion (oxidation) performance exceeding that of nickel can be provided. The periphery of the cathode of the gas decomposition element is heated to a high temperature of, for example, 250 ° C. to 950 ° C., and the first gas containing oxygen atoms flows in to generate oxygen ions at the cathode. For this reason, the high temperature oxidation reaction of the metal proceeds in the cathode and the cathode current collector, and the durability (high temperature oxidation resistance) may be insufficient in practice. Nickel is easy to produce a plated body and fine particles, and therefore is a very suitable metal for producing a continuous porous metal porous body and has a certain high-temperature oxidation resistance. However, a high-temperature oxidation resistance is insufficient, and a material with a better high-temperature oxidation resistance is used. The durability of the cathode current collector can be improved by forming the metal porous body with a material excellent in high-temperature oxidation resistance. As a result, the ammonia decomposition element can be used stably over a long period of time without maintenance such as replacement or repair of the cathode current collector.
The metal porous body is not (1) a sintered body of metal particles or metal fibers mentioned as a reference example, but (2) a metal plating body formed by using a foamed resin subjected to pore continuation treatment. The nickel alloy may be a nickel-based alloy containing other metals based on nickel, or may be an alloy of other metals based on other metals containing nickel.
The first gas containing oxygen atoms introduced into the cathode refers to a gas containing molecules containing oxygen atoms, such as air, oxygen gas, NOx, water vapor, carbon dioxide, or a mixture of two or more of these. Point. The gas component to be decomposed may be contained in the first gas or in the second gas.
上記の金属多孔体を、金属めっき体で形成する。金属めっき体で金属多孔体を形成することで、成形に際し空隙の狭小化をもたらす圧力付加を必要としない。これによって、(E1)の作用を確保しながら、金属粒子や金属繊維の焼結体に比較して、気孔率を高くでき、通気性が良く、圧力損失の小さいカソード集電体とすることができる。なお、上記の金属多孔体は、柱状の金属めっき体が連続する骨格をなしている場合が多い。 The metal porous body is formed of a metal plated body. By forming a metal porous body with a metal plating body, it is not necessary to apply pressure to narrow the gap during molding. As a result, while ensuring the effect of (E1), the porosity can be increased, the air permeability is good, and the cathode current collector has a small pressure loss compared to the sintered body of metal particles or metal fibers. it can. The porous metal body often has a skeleton in which columnar metal plating bodies are continuous.
上記の金属多孔体の気孔率を、0.6以上0.98以下とすることができる。これによって、非常に良好な通気性を得ることができる。気孔率が0.6未満では、圧力損失が大きくなり、ポンプ等による強制循環をするとエネルギー効率が低下し、またイオン導電材等に曲げ変形等を生じて好ましくない。圧力損失を低減し、イオン導電材の損傷を防止するために、気孔率は、0.8以上とするのがよく、更に好ましい範囲として0.9以上とする。一方、気孔率が0.98を超えると電気伝導性が低下して集電機能が低下する。
金属多孔体について、(1)孔径はSEM(Scanning Electric Microscopy:走査型電子顕微鏡)観察により、(2)比表面積はBET表面積法により、(3)気孔率は表面積、体積および重量から、それぞれ求めることができる。
The porosity of said metal porous body can be 0.6 or more and 0.98 or less. Thereby, very good air permeability can be obtained. If the porosity is less than 0.6, the pressure loss becomes large, and if forced circulation by a pump or the like is performed, the energy efficiency is lowered, and bending deformation or the like occurs in the ion conductive material or the like. In order to reduce the pressure loss and prevent the ion conductive material from being damaged, the porosity is preferably 0.8 or more, and more preferably 0.9 or more. On the other hand, when the porosity exceeds 0.98, the electrical conductivity is lowered and the current collecting function is lowered.
For metal porous bodies, (1) pore diameter is determined by SEM (Scanning Electric Microscopy) observation, (2) specific surface area is determined by BET surface area method, and (3) porosity is determined from surface area, volume and weight. be able to.
ウレタンを用いて金属多孔体を作製した場合において、その金属多孔体の、孔径をx(mm)、比表面積をy(m2/m3)とするとき、400≦(x−0.3)y、を満たす構成をとることができる。これによって、上記(E1)の作用を得ながら、圧力損失の増大を防止することができる。圧力損失の増大をより厳しく防止するには、600≦(x−0.3)yとするのがよい。(x−0.3)yの上限は、とくに設ける必要はないが、(E2)の作用を確保するために、たとえば3000を上限とすることができる。なお、孔径と比表面積との積の双曲線における漸近線は、孔径の最小極限値0.3mmを表示する。この最小極限値0.3mmはウレタンを用いて金属多孔体を製作した場合の最小極限値である。ウレタンに代えて、メラミン樹脂を使うと最小極限値は50μm、すなわち0.05mmくらいとなる。メラミン樹脂を用いて製作した金属多孔体の範囲については、とくに限定はしないが、メラミン樹脂を用いて製作した金属多孔体も、構成要件が該当すれば本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。すなわち、メラミン樹脂を用いて製作した金属多孔体の、気孔率などの上記の構成要件が該当すれば、本発明の範囲に含まれる。 When a metal porous body is prepared using urethane, when the pore diameter of the metal porous body is x (mm) and the specific surface area is y (m 2 / m 3 ), 400 ≦ (x−0.3) The structure which satisfy | fills y can be taken. As a result, an increase in pressure loss can be prevented while obtaining the effect (E1). In order to more strictly prevent an increase in pressure loss, 600 ≦ (x−0.3) y is preferable. The upper limit of (x−0.3) y is not particularly required, but in order to ensure the effect of (E2), for example, 3000 can be set as the upper limit. The asymptote in the hyperbola of the product of the hole diameter and the specific surface area represents the minimum limit value of 0.3 mm for the hole diameter. The minimum limit value of 0.3 mm is the minimum limit value when a porous metal body is manufactured using urethane. When melamine resin is used instead of urethane, the minimum limit value is 50 μm, that is, about 0.05 mm. The range of the metal porous body manufactured using the melamine resin is not particularly limited, but it goes without saying that the metal porous body manufactured using the melamine resin is also included in the scope of the present invention as long as the configuration requirements are met. . That is, if the above-mentioned constituent requirements such as porosity of the metal porous body manufactured using melamine resin are applicable, it is included in the scope of the present invention.
アノード、イオン導電材、およびカソードが、一体化されたMEAの(アノード/イオン導電材/カソード)の形態とされ、カソード集電体は、シート状であり、カソードに接して積層され、酸素原子を含む第1気体の流路を形成する。これによって、(E1)の作用を確実にすることができ、かつカソードにおいて分解されずに素通りするものの比率を顕著に低下させることができる。また、シート状とすることで薄型のガス分解素子シートを得ることができ、これを積層することで、コンパクトなガス分解素子を得ることができる。なお、最終的な製品のガス分解素子は、どのような形状でもよく、板状、板状のものを巻いた円柱状などの可能な形状をとることができる。 The anode, the ionic conductive material, and the cathode are in the form of an integrated MEA (anode / ionic conductive material / cathode), and the cathode current collector is in the form of a sheet, laminated in contact with the cathode, and oxygen atoms The flow path of the 1st gas containing is formed. As a result, the effect of (E1) can be ensured, and the ratio of those that pass through without being decomposed at the cathode can be significantly reduced. Moreover, a thin gas decomposition element sheet | seat can be obtained by setting it as a sheet form, and a compact gas decomposition element can be obtained by laminating | stacking this. In addition, the gas decomposition element of the final product may have any shape, and can take a possible shape such as a plate shape or a cylindrical shape wound with a plate shape.
前記カソードを、(a1)金属粉末もしくは金属粒連鎖体と、イオン導電性セラミックスとの焼結体、または(a2)酸化層を有する金属粉末もしくは金属粒連鎖体と、イオン導電性セラミックスとの焼結体、とすることができる。これによって、電気化学反応中のカソード反応において、高い効率を確保することができる。また、効率の範囲が広がるので、ガス分解素子に要求される性能に応じて、製造コストと性能との適切なバランスをとることができる。 The cathode is formed by sintering (a1) a sintered body of metal powder or metal particle chain and ion conductive ceramics, or (a2) firing of a metal powder or metal particle chain having an oxide layer and ion conductive ceramics. A ligature. Thereby, high efficiency can be secured in the cathode reaction during the electrochemical reaction. Further, since the range of efficiency is widened, an appropriate balance between the manufacturing cost and the performance can be achieved according to the performance required for the gas decomposition element.
上記のイオン導電材、アノードおよびカソードを加熱するヒータと、イオン導電材、アノードおよびカソードの温度を制御する温度制御システムとを備えることができる。実用化可能なガス成分の分解速度を得るために、イオン導電材における酸素イオンの拡散速度を一定以上とする必要があり、また、電極における反応速度も促進するので、高温に加熱する。通常、250℃〜950℃に加熱するためのヒータと、イオン導電材等の温度を制御するための温度制御システムを備える。 A heater for heating the ion conductive material, the anode and the cathode, and a temperature control system for controlling the temperatures of the ion conductive material, the anode and the cathode can be provided. In order to obtain a practical decomposition rate of the gas component, it is necessary to make the oxygen ion diffusion rate in the ion conductive material constant or higher, and the reaction rate in the electrode is also accelerated, so that the heating is performed at a high temperature. Usually, a heater for heating to 250 ° C. to 950 ° C. and a temperature control system for controlling the temperature of the ion conductive material or the like are provided.
特定のガス成分を酸素イオンにより分解する電気化学反応では、カソードの電位がアノードの電位より高くなり、カソードとアノードから電力の取り出しができるので、これを利用することができる。この場合、電力を他の電気装置に供給するための電力供給部品(配電用の配線、端子など)を備えることができる。上記の取り出した電力をヒータ、および/または 温度制御システムに供給することができ、これによって、エネルギー効率を高めることができる。 In an electrochemical reaction in which a specific gas component is decomposed by oxygen ions, the cathode potential becomes higher than the anode potential, and power can be taken out from the cathode and the anode, which can be used. In this case, power supply components (distribution wiring, terminals, etc.) for supplying power to other electrical devices can be provided. The extracted power can be supplied to a heater and / or temperature control system, which can increase energy efficiency.
NOxの分解や、室内の悪臭成分の分解の場合、内燃機関を有する自動車に搭載され、当該内燃機関の排熱を、加熱のための熱源とすることができる。高いエネルギー効率で所定のガス成分を分解することができる。 In the case of decomposition of NOx or decomposition of a malodorous component in the room, it is mounted on an automobile having an internal combustion engine, and the exhaust heat of the internal combustion engine can be used as a heat source for heating. A predetermined gas component can be decomposed with high energy efficiency.
本発明のガス分解素子によれば、分解速度を高めるために高温に加熱しても、長期間にわたってメインテナンスフリーで高耐久性であり、かつ低いランニングコストで稼動することができる。また高温に加熱して、所定のガス成分の分解の電気化学反応を促進するので、小型の装置で、大きな処理能力と高い分解速度を有する。 According to the gas decomposition element of the present invention, even if it is heated to a high temperature in order to increase the decomposition rate, it is maintenance-free and highly durable over a long period of time, and can be operated at a low running cost. In addition, since it is heated to a high temperature to promote the electrochemical reaction of decomposition of a predetermined gas component, it has a large processing capacity and a high decomposition rate with a small apparatus.
ガス分解素子の具体的な構造を例示する前に、表1に本発明の実施の形態におけるガス分解素子が適用されるおよその電気化学反応例を示す。このガス分解素子10は、表1に示すように、燃料電池として発電させることもできるし、電気分解装置として電力投入して作動させることもできる。たとえば、NOxの分解の場合は、カソードにNOxを含む第1気体を導入し、アノードに、アンモニア(表1の反応R3)、VOC(反応R7)、または水蒸気(反応R8)を導入する。反応R3の場合は、燃料電池を構成し、電力を利用することができる。また、反応R7およびR8の場合は、電力を投入して電気分解の電気化学反応を生じさせる。どの反応例においても、カソードには酸素原子を含む第1の気体NOxを導入する。
また、アンモニアの分解では、反応R1〜R3、およびR5の反応を生起させる。このアンモニア分解の場合も、燃料電池(反応R1〜R3)を構成するものと、電気分解(R5)を構成するものがある。アンモニア分解のどの反応においても、カソードには酸素原子を含む気体を導入する。本発明のガス分解素子を用いて、表1に例示する反応R1〜R8を起こさせることができるが、さらに、表1に例示するもの以外の反応を生じさせてもよい。
Before illustrating the specific structure of the gas decomposition element, Table 1 shows an example of an approximate electrochemical reaction to which the gas decomposition element in the embodiment of the present invention is applied. As shown in Table 1, the
In the decomposition of ammonia, reactions R1 to R3 and R5 are caused. In the case of this ammonia decomposition, there are those constituting the fuel cell (reactions R1 to R3) and those constituting the electrolysis (R5). In any ammonia decomposition reaction, a gas containing oxygen atoms is introduced into the cathode. Although the reactions R1 to R8 exemplified in Table 1 can be caused by using the gas decomposition element of the present invention, reactions other than those exemplified in Table 1 may be caused.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるガス分解素子であるNOx分解素子10を示す図である。このNOx分解素子10では、イオン導電性の電解質1をはさんで、アノード2と、カソード3とが、配置されている。アノード2の外側にはアノード集電体8が、また、カソード3の外側にはカソード集電体7が配置されている。アノード2は、表面酸化層を持つ金属粒連鎖体21とイオン導電性のセラミックス(金属酸化物)22とを主構成材とする焼結体であり、第2気体が流通できる多孔質体である。また、カソード3は、第1気体が流通できる多孔質体であり、たとえば表面酸化層を持つ金属粒連鎖体31と、イオン導電性のセラミックス32と、銀(Ag)33とを主構成材とする焼結体とすることができる。アノード集電体8およびカソード集電体7は、ともに連続気孔を持つ金属多孔体とする。カソード集電体7を構成する材料については、あとで詳しく説明する。
電解質1は、固体酸化物とする。電解質1の材料については、あとで具体的に説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a
The
図2において、分解対象のNOxは、カソード集電体7が占める流路を通ってカソード3に導入される。このNOxは、酸素イオンを供給することになる。固体電解質1を通ってアノード2に至る酸素イオンと、電気化学反応をする気体は、本実施の形態では、水蒸気である(表1の反応R8)。NOxは、カソード3で所定の反応をして、窒素を生成し、この窒素はカソード集電体7が占める流路を通って外部に放出される。また、水蒸気は、アノード2で所定の反応をして、水素および酸素を生成し、これら水素および酸素がアノード集電体8が占める流路を通って外部に放出される。
NOx分解素子10の場合、電解質1の酸素イオンの通過時間を短縮し、かつ各電極での電気化学反応速度も確保するために、要は全体の電気化学反応を促進するために、ヒータ等によって、たとえば250℃〜600℃に加熱される。上述のように、カソード3およびカソード集電体7には、酸素原子を含む酸化力の高い気体(第1気体)であるNOxが通る。250℃〜600℃の高温で酸化力の高い気体にさらされる金属は、所定の金属を除いて、当該気体によって酸化されてゆき、所定期間経過後に使用不能になる。カソード集電体が、使用不能になる形態は、酸化増量による目詰まり(通気性の低下、圧力損失の増大)、集電性能の低下、などである。カソードにおいても、高温酸化による同様の、通気性の低下、導電性の低下などが生じる。
アノード集電体などのアノード側は還元性の気体が流通するので、高温酸化の問題は生じにくい。
In FIG. 2, NOx to be decomposed is introduced into the
In the case of the
Since a reducing gas flows on the anode side such as the anode current collector, the problem of high-temperature oxidation hardly occurs.
(本発明の実施の形態におけるポイント1−耐高温酸化性能−)
図3は、カソード3およびカソード集電体7を構成する材料の役割を説明するための図である。本発明の実施の形態のポイントは、NOx分解に電気化学反応を用い、その電気化学反応の促進を図りながら、その場合、必然的に生じる、カソード側3,7における高温酸化、とくにカソード集電体7の高温酸化に対して耐久性を持ち、維持管理が不要かまたは容易な材料とする点に特徴を持つ。カソード集電体7は、上記(E3)の作用を得るために、連続気孔を持つ多孔体を、ニッケルもしくはニッケル合金の金属多孔体の表層が、(クロム(Cr)、アルミニウム(Al)および他の金属)の少なくとも1種によって富化されるようにする。これによって耐高温酸化性能(E3)が強化される。
本実施の形態におけるカソード3は、空隙3hのある多孔体であり、酸化層を有するNi等の金属粒連鎖体31と、Ag粒子33と、酸素イオンを通すセラミックス32とで構成される。この中で、Ag粒子33および酸化層付き金属粒連鎖体31は、カソード反応2NO2+4e−→N2+2O2−、またはNO+2e−→N2+O2−、を大きく促進させる触媒機能を有する。上記のNi等の金属粒連鎖体31については、カソード集電体と、同様に、高温酸化による触媒作用の劣化や電導性の劣化が生じる。このため、Ni粒連鎖体についても、金属部分の合金化や合金層の形成によって、耐高温酸化性能を向上させるのがよい。カソード3およびカソード集電体7は、250℃〜600℃を、たとえば低温域と高温域とに分けて次の材料で構成される。低温域および高温域の区別、または酸化力の強弱は、NOx中のNOとNO2の割合や、大気中の濃度などによって変動するので、それほど明確に分ける必要はない。
(
FIG. 3 is a diagram for explaining the role of the materials constituting the
The
(参考例としてあげる使用例=低温域または比較的酸化性の弱い雰囲気):
参考例として、低温域または比較的酸化性の弱い雰囲気に用いる場合を示す。カソード集電体7は、連続気孔7hを持ち、骨格7aが導電部となるNi等の骨格の連続気孔を持つ金属多孔体とする。このNi等の金属多孔体は、通気性と導電性とが確保されればどのようなものでもよい。ただし、その中でも、とくにNiめっきで形成された三角柱状の骨格が3次元に連なった連続気孔を持つ金属多孔体がよく、典型例として、たとえば住友電気工業(株)製のセルメット(登録商標)を用いることができる。製造方法については、このあと詳細に説明するが、発泡樹脂の気孔を連続化した後、金属めっきにより骨格部を形成する製造方法に起因して、金属粒や金属繊維の焼結体に比べて、格段に通気性がよく、また導電性も確保される。
カソード3は、表面酸化されて酸化層を有するNi粒連鎖体31と、酸素イオン導電性のセラミックス32と、銀(Ag)33と、を主成分とする焼結体とする。酸素イオン導電性のセラミックス32として、LSM(ランタンストロンチウムマンガナイト)、LSC(ランタンストロンチウムコバルタイト)、SSC(サマリウムストロンチウムコバルタイト)などを用いるのがよい。Ni粒連鎖体は、金属粒連鎖体の金属をNiとしたもので、製造が比較的容易であり、また既知である。また、Ni粒連鎖体の導電部(酸化層で被覆される金属部)は、Niのみでもよいし、NiにFe、Ti等を含ませたものでもよい。
(Usage example given as a reference example = low temperature range or relatively weak oxidizing atmosphere):
As a reference example, a case where the present invention is used in a low temperature region or an atmosphere having a relatively low oxidizing property is shown. The cathode
The
(高温域または酸化性の強い雰囲気):
高温域または酸化性の強い雰囲気用のカソード集電体7については、金属多孔体にNiを用いた場合、ある程度高温になっても、NOxの組成等によっては十分な耐久性を持つことができる。しかし、Niによる多孔体の表層にCr等の富化層を形成するなどして、耐高温酸化性能を確実に向上させる。上述のように、ニッケルは、めっき体や微粒子の作製が容易なため、連続気孔の金属多孔体を製造する上で、非常に好適な金属であり、かつ一定の耐高温酸化性能を備える。しかし、このNiによる多孔体を土台にして、Cr等の耐高温酸化性能を向上させる合金元素を利用するのが、良好な通気性、長期間の耐久性、経済性の確保の点で、必須である。
高温域または酸化性の強い雰囲気用のカソード3については、カソード3中の、酸素イオン導電性セラミックス32と、銀33とは、低温域用のものと同じであるが、金属粒連鎖体は、耐高温酸化性向上のために、Ni粒連鎖体の表層をCr富化層、Al富化層もしくは他の金属富化層とする。または、上記の富化層を形成する代わりに、Ni−Cr合金などのニッケル合金で形成するのがよい。
(High temperature range or highly oxidizing atmosphere):
The cathode
For the
(本発明の実施の形態におけるポイント2−NOx分解反応−)
本実施の形態では、分解対象のガスはNOxとし、このNOxが酸素イオンを供給する。アノード2で酸素イオンと反応する気体は、アンモニア、VOC(CH4など)、および水蒸気のどれでもよい。これによって、表1に示す番号R1〜R3の電気化学反応によるNOx分解が可能である。これらの反応のうち、水蒸気(H2O)は取り扱いが容易で、経済的であるので、とくにR3の電気化学反応に限定して、以下に説明をする。アノード2に導入された水蒸気は、結局、2O2−→O2+2e−の反応(アノード反応)をする。反応後の流体であるO2+H2はアノードから放出される。また、カソード3に導入されたNOxは、2NO+4e−→N2+2O2−、および2NO2+8e−→N2+4O2−の反応(カソード反応)をする。酸素イオンは、カソード3中の酸素イオン導電性セラミックス32から固体電解質1を通って、アノード2に到達する。アノード2に到達した酸素イオンは、水蒸気と上記反応をして、水蒸気は分解される。またカソードで分解されたNOxは、窒素ガスとなって、カソード3およびカソード集電体7から放出される。アノード2で生成した電子e−は、負荷を経てカソード集電体7およびカソード3へと流れる。上記の反応では、カソード3の電位が、アノード2よりも高くないと、電気化学反応が進行しないが、外部から電位を印可しないと上記とは逆の電位関係になっているので、外部から電位をかける必要がある。
(Point 2-NOx decomposition reaction in the embodiment of the present invention)
In the present embodiment, the gas to be decomposed is NOx, and this NOx supplies oxygen ions. The gas that reacts with oxygen ions at the
図3において、カソード3は、表面酸化された金属粒連鎖体31と、LSM32と、銀粒子33との焼結体で構成される。金属粒連鎖体21の金属は、ニッケル(Ni)とするのがよい。Niに鉄(Fe)を少し含むものであってもよい。さらに好ましくはTiを2〜10000ppm程度の微量含むものである。(1)Ni自体、NOxの分解を促進する触媒作用を有する。また、FeやTiを微量含むことでさらに触媒作用を高めることができる。さらに、このNiを酸化させて形成されたニッケル酸化物は、これら金属単味の促進作用をさらに大きく高めることができる。(2)上記の触媒作用に加えて、カソードにおいて、電子を分解反応に参加させている。すなわち、分解を電気化学反応のなかで行う。上記のカソード反応2NO+4e−→N2+2O2−、および2NO2+8e−→N2+4O2−では、電子の寄与があり、NOxの分解速度を大きく向上させる。(3)カソード反応では、電子e−が反応に関与する。電子e−がカソードに導電されないと、カソード反応の進行は、妨げられる。金属粒連鎖体31は、ひも状に細長く、酸化層31bで被覆された中身31aは良導体の金属(Ni)である。電子e−は、ひも状の金属粒連鎖体の長手方向に、スムースに流れる。このため、電子e−がカソード3に導電しないことはなく、金属粒連鎖体21の中身31aを通って、流れ込む。金属粒連鎖体31により、電子e−の通りが、非常に良くなる。
上記のカソード3中のNi粒連鎖体31の作用(1)〜(3)は、気体を酸素からアンモニアに置き換えて、そのまま、アノード2中のNi粒連鎖体21についても言えることである。
In FIG. 3, the
The actions (1) to (3) of the
温度を上げて、触媒に分解対象ガスを接触させるだけで、その分解対象ガスの分解は進行する。それは先行文献に開示されており、上記したように周知である。しかし、上記のように、気体分子の分解に電気化学反応を用いて、当該分解対象の気体分子を一方の電極に導入し、当該分解の電気化学反応に寄与する気体を他方の電極に導入し、電子と酸素イオンとを用いて、分解の顕著な促進をはかった例は、あまり見られない。 The decomposition of the decomposition target gas proceeds only by raising the temperature and bringing the decomposition target gas into contact with the catalyst. It is disclosed in prior literature and is well known as described above. However, as described above, an electrochemical reaction is used to decompose gas molecules, the gas molecules to be decomposed are introduced into one electrode, and a gas that contributes to the electrochemical reaction of the decomposition is introduced into the other electrode. There have been few examples of using the electrons and oxygen ions to achieve significant acceleration of decomposition.
次に、カソード集電体7に用いられる、金属めっき体で形成された骨格を持つ、連続気孔の多孔体(以下、めっき多孔体と呼ぶ)の製造方法の一例について説明する。図4は、めっき多孔体の製造方法の一例を示す図である。図4において、まずウレタン等の樹脂に発泡処理を施し発泡させたものを準備する。次いで、発泡した気孔を連続する気孔連続化処理を行う。気孔連続化処理は、除膜処理を主内容とする。孔の上に出来た薄膜を爆発処理等の加圧処理もしくは化学処理により除膜することで連続気孔化する。このあと、気孔内壁に、導電性炭素膜を付着させるか、または無電解めっき等により導電薄膜を形成する。次いで、電気めっきによって、金属めっき層を導電性炭素膜または導電薄膜上に形成する。この金属めっき層が気孔体の骨格となる。金属めっきはニッケルイオンを含むめっき液を用い、Niめっき層を形成する。Niは、上記の低温域で耐高温酸化性を有し、かつめっき層の形成が容易である。次いで、熱処理によって樹脂を消散させて、金属めっき層のみを残して、Niめっき多孔体とする。
カソード集電体7が、より強い酸化性雰囲気にさらされ、あるいは、より高温で使用されるので、耐酸化性能を一層向上させるために、上述のように、Niめっき多孔体に対して合金化処理を施す。この合金化処理は、Cr、Al、その他の金属を外から表層に拡散導入することにより行われる。合金化を表層のみに止めて、合金化表層付きめっき多孔体とするのが普通であるが、中まで合金化する場合もある。
また、図4には示していないが、めっき液にニッケルイオンおよび他の金属イオンを溶解させて、めっき体をニッケル合金とすることができる。そのように、直接、合金めっき層を形成することで、ニッケル合金の骨格を形成してもよい。
Next, an example of a method for producing a continuous pore porous body (hereinafter referred to as a plated porous body) having a skeleton formed of a metal plating body used for the cathode
Since the cathode
Although not shown in FIG. 4, nickel ions and other metal ions can be dissolved in the plating solution to make the plated body a nickel alloy. As such, a nickel alloy skeleton may be formed by directly forming an alloy plating layer.
図5は、AlまたはCr添加処理の具体例を示す図である。図5(a)はアルミナイジング(Aluminizing)の具体例である。この方法では、Niめっき多孔体を、Fe−Al合金粉およびNH4Cl粉よりなる調合剤とともに鋼製ケース内に埋め込む。次いで、ケースを密封して、その密封したケースを炉内に装入し、900℃〜1050℃に加熱する。これによってAl拡散浸透層を得ることができ、耐高温酸化性、耐摩耗性等を向上することができる。また、図5(b)はクロマイジング(Chromizing)の具体例である。この方法では、Niめっき多孔体を、Cr粉、Al2O3粉およびNH4Cl粉よりなる調合剤とともに、ケース内に埋め込む。ケース内にH2ガスまたはArガスを通しながら、炉内にて900℃〜1100℃に加熱することで、Cr拡散浸透層を得ることができる。このCr拡散浸透層も耐高温酸化性能を高めることができる。なお、図5では、アルミナイジングおよびクロマイジングともに、粉末法のみを示したが、気体法、溶融塩法など、既存の任意の方法を用いて、AlまたはCrを拡散浸透することができる。
FIG. 5 is a diagram showing a specific example of the Al or Cr addition treatment. FIG. 5A is a specific example of aluminizing. In this method, a Ni-plated porous body is embedded in a steel case together with a preparation composed of Fe—Al alloy powder and NH 4 Cl powder. Next, the case is sealed, and the sealed case is charged into a furnace and heated to 900 ° C. to 1050 ° C. As a result, an Al diffusion / permeation layer can be obtained, and high-temperature oxidation resistance, wear resistance, and the like can be improved. FIG. 5B is a specific example of chromizing. In this method, a Ni-plated porous body is embedded in a case together with a preparation composed of Cr powder, Al 2 O 3 powder, and NH 4 Cl powder. A Cr diffusion / permeation layer can be obtained by heating to 900 ° C. to 1100 ° C. in a furnace while passing
発泡樹脂にウレタンを用いて図4に示す方法で製造したNiめっき多孔体の、比表面積(y:m2/m3)と孔径(x:mm)との関係を図6に示す。図6の小黒丸が実測値である。孔径0.05mm〜3.2mmにわたって、上記の方法で製造することができる。実測値は、ウレタンを用いた場合は、(x−0.3)y=400または600の双曲線に比して、同じ孔径において大きな比表面積を持つ。ここで双曲線の孔径の最小極限値(漸近線)の0.3mmは、ウレタンを用いた場合のものである。(x−0.3)yの値が大きいと、カソード集電体7に導入される気体と接触して、カソード3へと気体を乱流状態で送り込む機能を保持しながら、圧力損失を低くできる効果を生み出す。このため、400≦(x−0.3)y、とするのがよい。より好ましくは、600≦(x−0.3)y、とするのがよい。孔径をあまり大きくする弊害(導電性の低下など)が生じるおそれがあるので、上限は3000程度、より好ましくは2000程度とするのがよい。
なお、ウレタンの代わりにメラミンを用いた場合には、孔径の最小極限値は0.05mmとなる。メラミンを用いて製作した金属多孔体については、孔径と比表面積との積の表式は示さないが、気孔率が0.6以上0.98以下の範囲に入れば、メラミンを用いて製作した金属多孔体も本発明の範囲に入る。
金属粉焼結体の場合、孔径は0.05mm〜0.3mmの範囲、より好ましくは0.10〜0.2mmの範囲にある。また、比表面積は、ウレタンの多孔体鋳型を用いて製作した図4に示す関係(x−0.3)y=400よりも、かなり小さい範囲にある。気孔率は、骨格の形状にも影響を受けるが、一般的に気孔率が高いものほど比表面積は大きい。したがって、図4に示す方法で作製したNiめっき多孔体は、同じ導電性、同じ乱流生成作用を得ながら、金属粉焼結体よりも圧力損失を低下することができる。
FIG. 6 shows the relationship between the specific surface area (y: m 2 / m 3 ) and the pore diameter (x: mm) of the Ni-plated porous body manufactured by the method shown in FIG. 4 using urethane as the foamed resin. The small black circles in FIG. 6 are actually measured values. It can manufacture by said method over hole diameter 0.05mm-3.2mm. When the urethane is used, the actual measurement value has a large specific surface area at the same pore diameter as compared to the hyperbola of (x−0.3) y = 400 or 600. Here, the minimum limit value (asymptotic line) of 0.3 mm of the hyperboloid hole diameter is obtained when urethane is used. When the value of (x−0.3) y is large, the pressure loss is reduced while maintaining the function of contacting the gas introduced into the cathode
When melamine is used instead of urethane, the minimum limit value of the pore diameter is 0.05 mm. The metal porous body manufactured using melamine does not show the expression of the product of the pore diameter and the specific surface area, but if the porosity falls within the range of 0.6 or more and 0.98 or less, it was manufactured using melamine. Metal porous bodies are also within the scope of the present invention.
In the case of a metal powder sintered body, the hole diameter is in the range of 0.05 mm to 0.3 mm, more preferably in the range of 0.10 to 0.2 mm. Further, the specific surface area is in a considerably smaller range than the relationship (x−0.3) y = 400 shown in FIG. 4 manufactured using a urethane porous mold. The porosity is also affected by the shape of the skeleton, but generally the higher the porosity, the greater the specific surface area. Therefore, the Ni plating porous body produced by the method shown in FIG. 4 can reduce pressure loss more than the metal powder sintered body while obtaining the same conductivity and the same turbulent flow generation action.
次に、アノード側2,8および電解質1について説明する。アノード2およびアノード集電体8は、高温酸化についてとくに対策は必要ないが、加熱されることは避けられないので、それに応じた材料で構成するのがよい。アノード2は、表面酸化されて酸化層を有するNi粒連鎖体21と、酸素イオン導電性のセラミックス22とを主成分とする焼結体である。酸素イオン導電性のセラミックス22としては、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)、YSZ(イットリウム安定化ジルコニア)、SDC(サマリウム安定化セリア)、LSGM(ランタンガレート)、GDC(ガドリア安定化セリア)などを用いることができる。
アノード集電体8には、低温域用のカソード集電体と同じもので構成するのが、通気性および導電性を確保する上で、好ましい。
また、電解質1は、酸素イオン導電性がある、固体酸化物とする。固体酸化物は小型化でき、取り扱いが容易なので好ましい。固体酸化物1としては、SSZ、YSZ、SDC、LSGMなどを用いるのがよい。
Next, the
The anode
The
図7は、アノード2を構成する材料の役割を説明するための図である。アノード2は、表面酸化された金属粒連鎖体21と、SSZ22との焼結体で構成される。金属粒連鎖体21の金属は、Niとするのがよい。Niに鉄(Fe)を少し含むものであってもよい。さらに好ましくはTiを2〜10000ppm程度の微量含むものである。
上述のようにアノード2内の表面酸化層付きNi粒連鎖体21は、カソード3内の表面酸化層付きNi粒連鎖体31と同様な、電気化学反応の促進作用(1)、(2)および(3)を有する。ほとんど同じ内容なので、具体的な説明は省略する。
FIG. 7 is a view for explaining the role of the material constituting the
As described above, the
上記のアノード2およびカソード3の構成によって、アノード反応およびカソード反応は、非常に高い反応速度で進行する。このため、小型の簡単な構造の素子によって、大量のNOxを能率よく分解することができる。また、高温酸化によるカソード側の金属部分の劣化のおそれがなく、維持管理は不要である。また、反応生成物が堆積することもなく、メインテナンスは必要なく、ランニングコストは大幅に低減することができる。
Due to the configuration of the
次に、上記のNOx分解素子10の、カソード集電体以外の各部について説明する。
1.カソードおよびアノードの金属粒連鎖体21,31
金属粒連鎖体21,31は、還元析出法によって製造するのがよい。この金属粒連鎖体21,31の還元析出法については、特開2004−332047号公報などに詳述されている。ここで紹介されている還元析出法は、還元剤として3価チタン(Ti)イオンを用いる方法であり、析出する金属粒(Ni粒など)は微量のTiを含む。このため、Ti含有量を定量分析することで、3価チタンイオンによる還元析出法で製造されたものと特定することができる。3価チタンイオンとともに存在する金属イオンを変えることで、所望の金属の粒を得ることができる。Niの場合はNiイオンを共存させる。Feイオンを微量加えると、微量Feを含むNi粒連鎖体が形成される。
また、連鎖体を形成するには、金属が強磁性金属であり、かつ所定のサイズ以上であることを要する。NiもFeも強磁性金属なので、金属粒連鎖体を容易に形成することができる。サイズについての要件は、強磁性金属が磁区を形成して、相互に磁力で結合し、その結合状態のまま金属の析出→金属層の成長が生じて、金属体として全体が一体になる過程で、必要である。所定サイズ以上の金属粒が磁力で結合した後も、金属の析出は続き、たとえば結合した金属粒の境界のネックは、金属粒の他の部分とともに、太く成長する。アノード2またはカソード3に含まれる金属粒連鎖体21,31の平均直径Dは5nm以上、500nm以下の範囲とするのがよい。また、平均長さLは0.5μm以上、1000μm以下の範囲とするのがよい。また、上記平均長さLと平均径Dとの比は3以上とするのがよい。ただし、これら範囲外の寸法を持つものであってもよい。
上記のカソード3の金属粒連鎖体31は低温域用のものとするのがよい。カソード集電体7と同様に、高温域用の金属粒連鎖体31は、図5に示すような、アルミナイジングまたはクロマイジングのような合金化処理を施すのがよい。すなわち、250℃〜600℃の高温域で使用するNOx分解素子10のカソード3に含まれるNi粒連鎖体31は、耐高温酸化性のために、CrまたはAl等の富化層を設けるのが好ましい。
Next, each part of the
1. Cathode and anode
The metal
In order to form a chain, the metal must be a ferromagnetic metal and have a predetermined size or more. Since both Ni and Fe are ferromagnetic metals, a metal particle chain can be easily formed. The size requirement is that the ferromagnetic metal forms a magnetic domain and bonds with each other by magnetic force, and in the combined state, the metal is deposited → the growth of the metal layer occurs, and the entire metal body is integrated. ,is necessary. Even after metal grains of a predetermined size or more are bonded by magnetic force, metal deposition continues, for example, the neck at the boundary of the bonded metal grains grows thicker together with other portions of the metal grains. The average diameter D of the metal
The
2.表面酸化
アノード2内のNi粒連鎖体21、ならびに高温域用および低温域用カソード3内のNi粒連鎖体31は、いずれも、電気化学反応を促進する触媒作用を高めるために、表面酸化されるのがよい。
表面酸化処理は、(i)気相法による熱処理酸化、(ii)電解酸化、(iii)化学酸化の3種類が好適な手法である。(i)では大気中で500〜700℃にて1〜30分処理するのがよい。最も簡便な方法であるが、酸化膜厚の制御が難しい。(ii)では標準水素電極基準で3V程度に電位を印加し、陽極酸化することにより表面酸化を行うが、表面積に応じ電気量により酸化膜厚を制御できる特徴がある。しかし、大面積化した場合、均一に酸化膜をつけることは難しい手法である。(iii)では硝酸などの酸化剤を溶解した溶液に1〜5分程度浸漬することで表面酸化する。酸化膜厚は時間と温度、酸化剤の種類でコントロールできるが薬品の洗浄が手間となる。いずれの手法も好適であるが、(i)または(iii)がより好ましい。
望ましい酸化層の厚みは、1nm〜100nmであり、より好ましくは10nm〜50nmの範囲とする。ただし、この範囲外であってもかまわない。酸化皮膜が薄すぎると触媒機能が不十分となる。また、わずかな還元雰囲気でもメタライズされてしまう恐れがある。逆に酸化皮膜が厚すぎると触媒性は充分保たれるが、反面、界面での電子伝導性が損なわれ、発電性能が低下する。
2. Surface oxidation Both the
Three types of surface oxidation treatments are suitable: (i) heat treatment oxidation by a vapor phase method, (ii) electrolytic oxidation, and (iii) chemical oxidation. In (i), it is good to process at 500-700 degreeC for 1 to 30 minutes in air | atmosphere. Although it is the simplest method, it is difficult to control the oxide film thickness. In (ii), surface oxidation is performed by applying a potential to about 3 V with reference to a standard hydrogen electrode and performing anodization. However, the oxide film thickness can be controlled by the amount of electricity according to the surface area. However, when the area is increased, it is difficult to uniformly form an oxide film. In (iii), the surface is oxidized by being immersed in a solution in which an oxidizing agent such as nitric acid is dissolved for about 1 to 5 minutes. Although the oxide film thickness can be controlled by time, temperature, and type of oxidizer, cleaning of chemicals is troublesome. Either method is suitable, but (i) or (iii) is more preferred.
A desirable thickness of the oxide layer is 1 nm to 100 nm, and more preferably 10 nm to 50 nm. However, it may be outside this range. If the oxide film is too thin, the catalyst function will be insufficient. In addition, even a slight reducing atmosphere may cause metallization. On the other hand, if the oxide film is too thick, the catalytic property is sufficiently maintained, but on the other hand, the electronic conductivity at the interface is impaired and the power generation performance is lowered.
3.焼結
アノード2またはカソード3に含まれるSSZまたはLSMの原料粉末の平均径は0.5μm〜50μm程度とする。表面酸化された金属粒連鎖体21,31と、SSZ22,LSM32との配合比は、mol比で0.1〜10の範囲とする。
焼結方法は、たとえば大気雰囲気中で、温度1000℃〜1600℃の範囲に、
30分〜180分間保持することで行う。
カソード3は、酸化層付き金属粒連鎖体31、LSM、Ag粒子33等の焼結体で構成される。Ag粒子の平均径は、10nm〜100nmとするのがよい。銀と、LSMとの配合比は、0.01〜10程度とするのがよい。
連鎖状金属粉末の表面酸化の時期は、上記の焼結体形成の前でもよいし後でもよい。
3. Sintering The average diameter of the raw material powder of SSZ or LSM contained in the
The sintering method is, for example, in the atmosphere at a temperature of 1000 ° C. to 1600 ° C.
It is carried out by holding for 30 minutes to 180 minutes.
The
The time of surface oxidation of the chain metal powder may be before or after the formation of the sintered body.
(実施の形態2)
図8は、本発明の実施の形態2におけるガス分解素子のNOx分解素子10を示す図である。本実施の形態における反応は、表1の反応R3に対応し、発電素子(燃料電池)でもある。カソード3にはカソード集電体7が占める流路を通してNOxを導入し、またアノード2にはアンモニアを導入する。カソード反応は、実施の形態1と同じであるが、アノード反応は、2NH3+3O2−→N2+3H2O+6e−である。この場合、アノード集電体8の電位は、自然に、カソード集電体7の電位よりも高くなり、電力を取り出すことが可能になる。たとえば図8の負荷を図示しないヒータとしてこのヒータに電力を供給することができる。また、ヒータの温度制御部に、この電力を供給してもよい。
(Embodiment 2)
FIG. 8 is a diagram showing the
上記のように、実施の形態1との間に、電力の発生と消費という相違はあるが、アノード2/電解質1/カソード3および集電体7,8の構成は、実施の形態1と同様である。したがって、カソード集電体7について、Niを骨格とする連続気孔の多孔体とし、CrやAlの拡散浸透をはかったものを用いる。とくにNiめっきで骨格を形成したものが圧力損失を軽減するのに好ましい。
また、アノード2およびカソード3では、表面酸化された金属粒連鎖体による、(1)ニッケル酸化物31および銀粒子33による反応の促進(高い触媒機能)、および(2)金属粒連鎖体のひも状良導体による電子の導通性確保(高い電子伝導性)を得ることができる。その結果、小型で簡単な素子によって大量のNOxを迅速に処理することができ、メインテナンス費用(ランニングコスト)が安価である。
As described above, although there is a difference in generation and consumption of electric power from the first embodiment, the configurations of the
In the
実施の形態1においても説明したように、触媒のもとで分解対象ガスを分解させることは周知である。しかし、本実施の形態では、電気化学反応において、NOx自身を酸素イオンを供給する気体とし、アンモニアをその酸素イオンと反応する気体として、実用レベルの分解速度を得るために、250℃〜600℃に加熱しながら、カソード側3,7における高い耐高温酸化性能によって維持管理を容易にすることができる。NOx分解速度の向上については、実施の形態1におけるものと同様に、カソードにおける触媒(銀粒子、酸化層付き金属粒連鎖体)の酸素イオン生成促進(NOx分解促進)、およびアノードにおける銀粒子を除く同様の構成および作用効果を持たせたることで、反応速度を大幅に向上させることができる。
As described in the first embodiment, it is well known to decompose a gas to be decomposed under a catalyst. However, in the present embodiment, in the electrochemical reaction, NOx itself is used as a gas for supplying oxygen ions, and ammonia is used as a gas for reacting with the oxygen ions in order to obtain a practical decomposition rate. While being heated, maintenance management can be facilitated by the high-temperature oxidation resistance performance on the
(実施の形態3)
図9は、本発明の実施の形態3におけるガス分解素子であるアンモニア分解素子10を示す図である。このアンモニア分解素子10の構造は、イオン導電性の電解質1をはさんで、アノード2と、カソード3とが、配置されていて、実施の形態1のガス分解素子と同じである。相違点は、カソード3に、表面酸化層を持つ金属粒連鎖体を含まず、イオン導電性のセラミックス32と、銀(Ag)33とを主構成材とする焼結体している点である。アノード2および電解質1の構造は同じである。
電解質1は、固体酸化物とする。電解質1の材料については、あとで具体的に説明する。このアンモニア分解素子10は、表1に示すように、燃料電池として発電させることもできるし、電気分解装置として電力投入して作動させることもできる。本実施の形態3では、図10に示すように、アンモニア分解素子10を燃料電池として用いる場合について説明する。これは表1におけるR1〜R3の電気化学反応の場合に対応する。その中でもとくに、アノード2にアンモニアを、カソード3に空気または酸素を導入する場合、すなわち表1のR1の電気化学反応を行う場合について説明する。
(Embodiment 3)
FIG. 9 is a diagram showing an
The
図10において、分解対象のガスは、アノード集電体8が占める流路を通ってアノード2に導入される。また酸素イオンを供給するための流体は、カソード集電体7が占める流路を通ってカソードに導入される。導入された流体は、カソード3またはアノード2で所定の反応をした後、カソード集電体7またはアノード集電体8が占める流路を通って外部に放出される。反応R1は、発電を伴う電気化学反応であり、アノード集電体8およびカソード集電体7から電力を取り出し、負荷に電力を供給することができる。負荷としては、アンモニア分解素子10に内蔵される、図示しない加熱装置、たとえばヒータとすることができる。
アンモニア分解素子10の場合、電解質1の酸素イオンの通過時間を短縮し、かつ各電極での電気化学反応速度も確保するために、要は全体の電気化学反応を促進するために、ヒータ等によって、たとえば600℃〜950℃に加熱される(それ以外の温度で用いてもかまわない)。上述のように、カソード3およびカソード集電体7には、酸素原子を含む酸化力の高い気体が導入される。600℃〜950℃の高温で酸化力の高い気体にさらされる金属は、特別な金属を除いて、当該気体によって酸化されてゆき、所定期間経過後に使用不能になる。カソード集電体が、使用不能になる形態は、酸化増量による目詰まり(通気性の低下、圧力損失の増大)、集電性能の低下、などである。カソードにおいても、高温酸化による同様の、通気性の低下、導電性の低下などが生じる。アノード集電体などのアノード側は還元性の気体が流通するので、高温酸化の問題は生じにくい。
In FIG. 10, the gas to be decomposed is introduced into the
In the case of the
(実施の形態3におけるポイント1−耐高温酸化性能−)
耐高温酸化性能は、アンモニア分解の場合、600℃〜950℃に加熱されるので、とくに重要である。すなわち250℃〜600℃に加熱されるNOx分解の場合よりも切実な問題である。
図11は、カソード3およびカソード集電体7を構成する材料の役割を説明するための図である。本発明の実施の形態のポイントは、アンモニア分解に電気化学反応を用い、その電気化学反応の促進を図りながら、その場合、必然的に生じる、カソード側3,7における高温酸化、とくにカソード集電体7の高温酸化に対して耐久性を持ち、維持管理が不要かまたは容易な材料とする点に特徴を持つ。カソード集電体7は、上記(E3)の作用を得るために、連続気孔を持つ多孔体を、ニッケルもしくはニッケル合金で形成し、そのニッケルもしくはニッケル合金の表層が、(クロム(Cr)、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、金(Au)および白金(Pt))の少なくとも1種によって富化されるようにする。これによって耐高温酸化性能(E3)が強化される。
本実施の形態におけるカソード3は、空隙3hのある多孔体であり、Ag粒子33と、酸素イオンを通すセラミックス32とで構成される。この中で、Ag粒子33は、カソード反応O2+2e−→2O2−を大きく促進させる触媒機能を有する。カソード集電体7は、600℃〜950℃を、たとえば低温域と高温域、または酸化力の強い雰囲気と弱い雰囲気に分けて次の材料で構成される。低温域および高温域の区別、または酸化力の強弱はそれほど明確に分ける必要はない。
(
The high-temperature oxidation resistance is particularly important because it is heated to 600 ° C. to 950 ° C. in the case of ammonia decomposition. That is, it is a more serious problem than the case of NOx decomposition heated to 250 ° C to 600 ° C.
FIG. 11 is a diagram for explaining the role of the materials constituting the
The
(参考例としてあげる使用例=低温域または比較的酸化性の弱い雰囲気):
参考例として、低温域または比較的酸化性の弱い雰囲気に用いる場合を示す。カソード集電体7は、連続気孔7hを持ち、骨格7aが導電部となるNi等の金属多孔体とする。Ni等の金属多孔体は、通気性と導電性とが確保されればどのようなものでもよい。ただし、その中でも、とくにNiめっきで形成された三角柱状の骨格が3次元に連なった連続気孔を持つ金属多孔体がよく、典型例として、上述のセルメット(登録商標)を用いることができる。製造方法については、このあと詳細に説明するが、発泡樹脂の気孔を連続化した後、金属めっきにより骨格部を形成することに起因して、金属粒や金属繊維の焼結体に比べて、通気性がよく、導電性も確保される。
カソード3は、酸素イオン導電性のセラミックス32と、銀(Ag)33と、を主成分とする焼結体とする。酸素イオン導電性のセラミックス32として、LSM(ランタンストロンチウムマンガナイト)、LSC(ランタンストロンチウムコバルタイト)、SSC(サマリウムストロンチウムコバルタイト)などを用いるのがよい。触媒の銀は、条件によっては含まなくてもよい。
(Usage example given as a reference example = low temperature range or relatively weak oxidizing atmosphere):
As a reference example, a case where the present invention is used in a low temperature region or an atmosphere having a relatively low oxidizing property is shown. The cathode
The
(高温域または酸化性の強い雰囲気):
高温域または酸化性の強い雰囲気用のカソード集電体7については、Niによる多孔体の表層にCr等の富化層を形成するなどして、耐高温酸化性能を確実に向上させる。上述のように、ニッケルは、めっき体や微粒子の作製が容易なため、連続気孔の金属多孔体を製造する上で、非常に好適な金属であり、かつ一定の耐高温酸化性能を備える。しかし、このNiによる多孔体を土台にして、Cr等の耐高温酸化性能を向上させる合金元素を利用するのが、良好な通気性、長期間の耐久性、経済性の確保の点で、必須である。
高温域または酸化性の強い雰囲気用のカソード3については、カソード3中の、酸素イオン導電性セラミックス32と、銀33とは、低温域用のものと同じである。
(High temperature range or highly oxidizing atmosphere):
For the cathode
Regarding the
(実施の形態3におけるポイント2−アンモニア分解反応−)
アノード2に導入されたアンモニアは、2NH3+3O2−→N2+3H2O+6e−の反応(アノード反応)をする。反応後の流体であるN2+3H2Oはアノード2およびアノード集電体8から放出される。また、カソード3に導入されたO2は、O2+2e−→2O2−の反応(カソード反応)をする。カソード3で生成した酸素イオンは、カソード3中の酸素イオン導電性セラミックス32から固体電解質1を通って、アノード2に到達する。アノード2に到達した酸素イオンは、アンモニアと上記反応をして、アンモニアは分解される。アノード2で生成した電子e−は、負荷を経てカソード集電体7およびカソード3へと流れる。上記の反応では、カソード3の電位が、アノード2よりも高くないと、電気化学反応が進行しないが、外部から電位を印可しなくても、この電位条件は満たされ、このアンモニア分解素子10は燃料電池として発電をする。
(Point 2-Ammonia decomposition reaction in Embodiment 3)
Ammonia introduced into the
温度を上げて、触媒に分解対象ガスを接触させるだけで、その分解対象ガスの分解は進行する。それは先行文献に開示されており、上記したように周知である。しかし、上記のように、気体分子の分解に電気化学反応を用いて、当該分解対象の気体分子を一方の電極に導入し、当該分解の電気化学反応に寄与する気体を他方の電極に導入し、電子と酸素イオンとを用いて、分解の顕著な促進をはかった例は、あまり見られない。 The decomposition of the decomposition target gas proceeds only by raising the temperature and bringing the decomposition target gas into contact with the catalyst. It is disclosed in prior literature and is well known as described above. However, as described above, an electrochemical reaction is used to decompose gas molecules, the gas molecules to be decomposed are introduced into one electrode, and a gas that contributes to the electrochemical reaction of the decomposition is introduced into the other electrode. There have been few examples of using the electrons and oxygen ions to achieve significant acceleration of decomposition.
カソード集電体7に用いられる、金属めっき体で形成された骨格を持つ、連続気孔の多孔体(以下、めっき多孔体と呼ぶ)の製造方法については、実施の形態1で説明したとおりである(図4および図5参照)。また、上記の方法で製造した金属多孔体における、比表面積(y:m2/m3)と孔径(x:mm)との関係の範囲についても、実施の形態1と同じとする(図6参照)。
次に、アノード側2,8および電解質1について説明する。アノード2およびアノード集電体8は、高温酸化についてとくに対策は必要ないが、加熱されることは避けられないので、それに応じた材料で構成するのがよい。アノード2は、表面酸化されて酸化層を有するNi粒連鎖体21と、酸素イオン導電性のセラミックス22とを主成分とする焼結体である。酸素イオン導電性のセラミックス22としては、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)、YSZ(イットリウム安定化ジルコニア)、SDC(サマリウム安定化セリア)、LSGM(ランタンガレート)、GDC(ガドリア安定化セリア)などを用いることができる。
アノード集電体8には、低温域用のカソード集電体と同じもので構成するのが、通気性および導電性を確保する上で、好ましい。
また、電解質1は、酸素イオン導電性がある、固体酸化物とする。固体酸化物は小型化でき、取り扱いが容易なので好ましい。固体酸化物1としては、SSZ、YSZ、SDC、LSGM、GDCなどを用いるのがよい。
A method for producing a continuous pore porous body (hereinafter referred to as a plated porous body) having a skeleton formed of a metal plating body used for the cathode
Next, the
The anode
The
図12は、アノード2を構成する材料の役割を説明するための図である。アノード2は、実施の形態1の図7に示すものと同じである。上記のアノード2およびカソード3の構成によって、アノード反応およびカソード反応は、非常に高い反応速度で進行する。このため、小型の簡単な構造の素子によって、大量のアンモニアを能率よく分解することができる。また、高温酸化によるカソード側の金属部分の劣化のおそれがなく、維持管理は不要である。また、反応生成物が堆積することもなく、メインテナンスは必要なく、ランニングコストは大幅に低減することができる。さらに、上記のように発電が可能なので、たとえば本実施の形態のアンモニア分解素子10に内蔵されるヒータの電力を外部から供給しなくてもよいか、または外部からの供給量を減らすことができる。このため、エネルギー効率に優れている。
FIG. 12 is a diagram for explaining the role of the material constituting the
(実施の形態4)
図13は、本発明の実施の形態4におけるガス分解素子のアンモニア分解素子10を示す図である。本実施の形態における反応は、一般的には、表1の反応R5のように、電気分解反応である。すなわち、このアンモニア分解素子10は、電気分解素子であり、電力を投入してアンモニアを分解する。アノード2にはアンモニアを導入し、カソード3には二酸化炭素を導入する。アノード反応は、実施の形態1と同じであるが、カソード反応は、CO2+2e−→CO+O2−である。この場合、アノード集電体8と、カソード集電体7との間に、アノード側が高くなるように、外部から電位差(電圧)を印加する。外部の電源は、アンモニア分解素子10に対して電力を消費する。
(Embodiment 4)
FIG. 13 is a diagram showing an
上記のように、実施の形態1との間に、電力の発生と消費という相違はあるが、アノード2/電解質1/カソード3および集電体7,8の構成は、実施の形態1と同様である。したがって、カソード集電体7について、Niを骨格とする連続気孔の多孔体にCrやAlの拡散浸透をはかったものを用いる。とくにNiめっきで骨格を形成したものが圧力損失を軽減するのに好ましい。
また、アノード2では、表面酸化された金属粒連鎖体による、(1)ニッケル酸化物による反応の促進(高い触媒機能)、および(2)金属粒連鎖体のひも状良導体による電子の導通性確保(高い電子伝導性)を得ることができる。その結果、小型で簡単な素子によって大量のアンモニアガスを迅速に処理することができ、メインテナンス費用(ランニングコスト)が安価である。
As described above, although there is a difference in generation and consumption of electric power from the first embodiment, the configurations of the
Further, in the
本実施の形態では、電気化学反応において二酸化炭素を酸素イオンの供給源として反応に関与させ、実用レベルの分解速度を得るために、600℃〜950℃に加熱しながら、維持管理を容易にすることができる。アンモニア分解速度の向上については、実施の形態3におけるものと同様に、カソードにおける触媒(銀粒子)の酸素イオン生成促進、およびアノードにおけるNi粒連鎖体を含む構成および作用効果を持たせたることで、反応速度を大幅に向上させることができる。 In the present embodiment, carbon dioxide is used as an oxygen ion supply source in an electrochemical reaction, and maintenance is facilitated while heating at 600 ° C. to 950 ° C. in order to obtain a practical decomposition rate. be able to. As for the improvement of the ammonia decomposition rate, as in the third embodiment, the catalyst (silver particles) at the cathode promotes the production of oxygen ions, and the structure including the Ni particle chain at the anode and the effect are provided. The reaction rate can be greatly improved.
(実施例1−NOx分解素子−)
次に、NOx分解の試験体を用いて実際に検証した例について説明する。用いた試験体は、アノードを共通にして、カソードについて構成を変えて8種類のガス分解素子を作製した。アノードは、次の構成を有し、8種類の試験体に共通である。
(1)アノード集電体:Ni金属多孔体(住友電気工業(株)製セルメット)、孔径1900μm、比表面積500m2/m3
(2)アノード:触媒のNi粒連鎖体(太さ100nm、鎖長30μm)/電解質
SSZ
8種類の試験体のカソード集電体およびカソードを、表2に示す。カソード集電体については、上記のNi金属多孔体をベースにして、孔径(比表面積)、合金化、について条件を振った。試験体番号5〜7が本発明例の試験体である。またカソードの触媒について、ベースをNi粒連鎖体として、銀粒子の影響についても検討した。これらの試験体について、温度300℃〜600℃で、アンモニアを含む窒素ガス(搬送ガス)に対して、除害の処理能力の、5時間〜10000時間にわたる変化を測定した。結果を表3に示す。
Example 1 NOx Decomposing Element
Next, an example of actual verification using a NOx decomposition specimen will be described. The test specimens used were eight types of gas decomposing elements with a common anode and a different configuration of the cathode. The anode has the following configuration and is common to eight types of test bodies.
(1) Anode current collector: Ni metal porous body (Celmet manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd.), pore diameter 1900 μm, specific surface area 500 m 2 / m 3
(2) Anode: Ni particle chain of catalyst (thickness 100 nm,
Table 2 shows the cathode current collectors and cathodes of the eight types of test specimens. For the cathode current collector, the conditions for pore diameter (specific surface area) and alloying were varied based on the Ni metal porous body.
表3の結果より、つぎの事項を確認することができた。処理能力の経過は、試験番号t2の5時間経過時の能力を100として規格化した。試験番号t2の5時間経過時の処理能力は、NOx1000ppmを50ml/cm2・minで流したときの除害効率90%である。
−処理温度の影響−
試験番号t1、t2、t3の結果より、温度300℃〜500℃の範囲で、500時間程度までは短時間では高温度ほど処理能力は高い。10000時間では300℃での処理能力が最も高くなる。このような逆転現象は、高温酸化の影響によると考えられる。
−触媒の影響−
カソードの触媒に銀を用いた試験番号t10では、短時間では、触媒にNi粒連鎖体を用いた試験t5の80に比べて、110と高い。この優位性は500時間程度までは維持される。しかし、10000時間になると、ほとんど同じになる。
−カソード集電体 金属多孔体の孔径−
試験番号t2,t4,t5,t6によって、カソード集電体を形成する金属多孔体の孔径の影響を知ることができる。時間500時間程度以内では、孔径は小さく、比表面積が大きいほうが、処理能力は高い。しかし、10000時間程度では、影響がなくなり、ほとんど同じ処理能力に落ち着く。
−合金化の影響−
試験番号t3,t5,t6,t7によって、カソード集電体を形成する金属多孔体の合金化(表層への合金拡散)の影響を知ることができる。合金化によって、長時間経過した10000時間で大きな効果を得ることができる。Ni単体では、10000時間で45であるが、Crの拡散導入により75程度と顕著な効果を得ることができる。また、Al(試験番号t8)、Al−Cr(試験番号t9)の拡散導入によっても、同程度の顕著な効果を得ることができる。ただし、500時間程度まではほとんど影響が認められない。
上記より、長時間、ランニングコストを抑制して良好な除害能力を長期間得るためには、合金化が有効であることが理解される。
From the results in Table 3, the following items could be confirmed. Course of processing power, and normalized performance during 5 hours after the test numbers t 2 as 100. Capacity at 5 hours after the test numbers t 2 is the abatement efficiency of 90% when a current of NOx1000ppm at 50ml /
-Effect of processing temperature-
From the results of test numbers t 1 , t 2 , and t 3 , the processing capability increases as the temperature increases in a short time up to about 500 hours in the temperature range of 300 ° C. to 500 ° C. At 10,000 hours, the treatment capacity at 300 ° C. is the highest. Such a reversal phenomenon is considered to be due to the effect of high temperature oxidation.
-Influence of catalyst-
In Test No. t 10 using silver in the cathode catalyst, in a short time, as compared with 80 of the test t 5 with Ni particle chains bodies catalyst, high and 110. This advantage is maintained for up to about 500 hours. However, at 10,000 hours, it will be almost the same.
-Cathode current collector Pore diameter of metal porous body-
From the test numbers t 2 , t 4 , t 5 , and t 6 , it is possible to know the influence of the pore diameter of the metal porous body forming the cathode current collector. Within about 500 hours, the treatment capacity is higher when the pore diameter is smaller and the specific surface area is larger. However, after about 10,000 hours, there is no effect and the processing capacity is almost the same.
-Effect of alloying-
By the test numbers t 3 , t 5 , t 6 and t 7 , it is possible to know the influence of alloying (alloy diffusion to the surface layer) of the metal porous body forming the cathode current collector. By alloying, a great effect can be obtained in 10,000 hours after a long time. With Ni alone, it is 45 in 10,000 hours, but a remarkable effect of about 75 can be obtained by introducing Cr diffusion. Further, the same remarkable effect can be obtained by introducing diffusion of Al (test number t 8 ) and Al—Cr (test number t 9 ). However, there is almost no effect until about 500 hours.
From the above, it is understood that alloying is effective in order to obtain a good abatement ability for a long period of time while suppressing running costs.
(実施例2−アンモニア分解素子−)
アンモニア分解素子について、検証した例について説明する。用いた試験体は、アノードを共通にして、カソードについて構成を変えて8種類のガス分解装置を作製した。アノードは、次の構成を有し、8種類の試験体に共通である。
(1)アノード集電体:Ni金属多孔体(住友電気工業(株)製セルメット)、孔径1900μm、比表面積500m2/m3
(2)アノード:触媒のNi粒連鎖体(太さ100nm、鎖長30μm)/電解質
SSZ
8種類の試験体のカソード集電体およびカソードを、表4に示す。カソード集電体については、上記のNi金属多孔体をベースにして、孔径(比表面積)、合金化、について条件を振った。またカソードの触媒について、銀の有無の影響を検討した。これらの試験体について、温度700℃〜900℃で、アンモニアを含む窒素ガス(搬送ガス)に対して、除害の処理能力の、5時間〜5000時間にわたる変化を測定した。結果を表5に示す。
Example 2 Ammonia Decomposing Element
A verified example of the ammonia decomposing element will be described. The test specimens used were 8 types of gas decomposing apparatuses with a common anode and different cathode configurations. The anode has the following configuration and is common to eight types of test bodies.
(1) Anode current collector: Ni metal porous body (Celmet manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd.), pore diameter 1900 μm, specific surface area 500 m 2 / m 3
(2) Anode: Ni particle chain of catalyst (thickness 100 nm,
Table 4 shows the cathode current collectors and cathodes of the eight types of test specimens. For the cathode current collector, the conditions for pore diameter (specific surface area) and alloying were varied based on the Ni metal porous body. The effect of the presence or absence of silver on the cathode catalyst was also examined. About these test bodies, the temperature over 700 to 900 degreeC measured the change over 5 hours-5000 hours of the processing capacity of an abatement with respect to nitrogen gas (carrier gas) containing ammonia. The results are shown in Table 5.
表5の結果より、つぎの事項を確認することができた。処理能力の経過は、試験番号t2の5時間経過時の能力を100として規格化した。試験番号t2の5時間経過時の処理能力は、1.1mmol/cm2・minである。すなわちこの処理能力を100とした。
−処理温度の影響−
試験番号t1、t2、t3の結果より、5時間程度までの短時間では、温度700℃〜900℃の範囲で、高温度ほど処理能力は高い。900℃では700℃の処理能力の2.6倍である。しかし、高温度ほど時間経過につれ、処理能力は大きく低下して。5000時間では700℃での処理能力が最も高い。500時間では、800℃と900℃とで差が無く80程度を維持し、700℃の処理能力40よりも大きい。このような逆転現象は、高温酸化の影響によると考えられる。
−触媒の影響−
カソードの触媒に銀を用いた試験番号t10では、銀を用いないt5に比べて、1.4倍程度向上し、110程度と高い。この優位性は500時間で90程度と、維持される。しかし、5000時間になると、処理能力の絶対値が大きく低下する。これは、金属多孔体の金属Niに起因すると考えられる。
−カソード集電体 金属多孔体の孔径−
試験番号t2,t4,t5,t6によって、カソード集電体を形成する金属多孔体の孔径の影響を知ることができる。時間500時間程度以内では、孔径は小さく、比表面積が大きいほうが、処理能力は高い。しかし、5000時間程度では、孔径が大きいほうがやや処理能力は高い。
−合金化の影響−
試験番号t3,t5,t6,t7によって、カソード集電体を形成する金属多孔体の合金化(表層への合金拡散)の影響を知ることができる。合金化によって、5000時間経過時点で大きな効果を得ることができる。Ni単体では、5000時間で15であるが、Crの拡散導入により70程度と顕著な効果を得ることができる。また、Al(試験番号t8)、Al−Cr(試験番号t9)の拡散導入によっても、同程度の顕著な効果を得ることができる。
上記より、長時間、ランニングコストを抑制して良好な除害能力を長期間得るためには、合金化が有効であることが理解される。
From the results in Table 5, the following items could be confirmed. Course of processing power, and normalized performance during 5 hours after the test numbers t 2 as 100. Capacity at 5 hours after the test numbers t 2 is 1.1mmol /
-Effect of processing temperature-
From the results of test numbers t 1 , t 2 , and t 3 , in a short time up to about 5 hours, the processing temperature is higher as the temperature is higher in the temperature range of 700 ° C. to 900 ° C. At 900 ° C., it is 2.6 times the processing capacity at 700 ° C. However, as the temperature rises, the processing capability decreases greatly with time. The processing capacity at 700 ° C. is the highest at 5000 hours. In 500 hours, there is no difference between 800 ° C. and 900 ° C., and it is maintained at about 80, which is larger than the processing capability 40 of 700 ° C. Such a reversal phenomenon is considered to be due to the effect of high temperature oxidation.
-Influence of catalyst-
In Test No. t 10 using silver in the cathode catalyst, as compared to t 5 using no silver was improved by about 1.4 times, 110 degree and high. This advantage is maintained at about 90 in 500 hours. However, at 5000 hours, the absolute value of the processing capacity is greatly reduced. This is considered to be caused by metal Ni in the metal porous body.
-Cathode current collector Pore diameter of metal porous body-
From the test numbers t 2 , t 4 , t 5 , and t 6 , it is possible to know the influence of the pore diameter of the metal porous body forming the cathode current collector. Within about 500 hours, the treatment capacity is higher when the pore diameter is smaller and the specific surface area is larger. However, at about 5000 hours, the larger the hole diameter, the higher the treatment capacity.
-Effect of alloying-
By the test numbers t 3 , t 5 , t 6 and t 7 , it is possible to know the influence of alloying (alloy diffusion to the surface layer) of the metal porous body forming the cathode current collector. By alloying, a great effect can be obtained after 5000 hours. With Ni alone, it is 15 in 5000 hours, but a remarkable effect of about 70 can be obtained by introducing Cr diffusion. Further, the same remarkable effect can be obtained by introducing diffusion of Al (test number t 8 ) and Al—Cr (test number t 9 ).
From the above, it is understood that alloying is effective in order to obtain a good abatement ability for a long period of time while suppressing running costs.
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
本発明のガス分解素子によれば、大掛かりな装置を用いずに、小型、かつ簡単な素子により、大量のガスを能率よく分解することができ、維持管理は容易である。とくにカソード集電体のNi多孔体についての合金化は有効である。さらに、発電装置としても用いられる場合があるので、ガス分解素子を高温に保持するための加熱装置に電力を供給することも可能である。 According to the gas decomposition element of the present invention, a large amount of gas can be efficiently decomposed by a small and simple element without using a large-scale apparatus, and maintenance is easy. In particular, alloying of the Ni porous body of the cathode current collector is effective. Furthermore, since it may be used also as an electric power generating apparatus, it is also possible to supply electric power to the heating apparatus for maintaining a gas decomposition element at high temperature.
1 イオン導電性電解質(固体酸化物電解質)、2 アノード、3 カソード、3h 空隙、7 カソード集電体、7a 導電部、7h 連続気孔(空隙)、8 アノード集電体、10 ガス分解素子、21 金属粒連鎖体、21a 金属粒連鎖体の芯部(金属部)、21b 酸化層、22 アノードのイオン導電性セラミックス(SSZなど)、31 金属粒連鎖体、31a 金属粒連鎖体の芯部(金属部)、31b 酸化層、32 カソードのイオン導電性セラミックス(LSMなど)、33 銀。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
酸素原子を含む第1の気体が導入される多孔質のカソードと、
前記カソードと対をなし、前記第1の気体と異なる第2の気体が導入される多孔質のアノードと、
前記アノードとカソードとに挟まれる、酸素イオン導電性を持つイオン導電材と、
前記カソードに接するカソード集電材とを備え、
前記ガス成分は、前記第1の気体もしくは前記第2の気体であるか、または前記第1の気体もしくは前記第2の気体の一部に含まれ、
前記カソード集電材が、孔径0.05mm〜3.2mmの連続気孔を持つ金属多孔体である金属めっき体であって、めっきによって形成されたニッケルもしくはニッケル基合金を骨格として該めっきによる骨格の表層が、クロム(Cr)、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、金(Au)および白金(Pt)、の少なくとも1種に富化されており、
前記イオン導電材が固体酸化物からなり、前記アノード、固体酸化物、およびカソードが、一体化されたMEA(Membrane Electrode Assembly)の(アノード/固体酸化物/カソード)の形態とされ、前記カソード集電体は、シート状であり、前記カソードに接して積層され、前記酸素原子を含む第1の気体の流路を占めていて、
前記カソードおよびカソード集電体が、250℃〜950℃に加熱された状態で使用されるものであることを特徴とする、ガス分解素子。 An element for decomposing a gas component,
A porous cathode into which a first gas containing oxygen atoms is introduced;
A porous anode that is paired with the cathode and into which a second gas different from the first gas is introduced;
An ionic conductive material having oxygen ion conductivity sandwiched between the anode and the cathode;
A cathode current collector in contact with the cathode,
The gas component is the first gas or the second gas, or is included in a part of the first gas or the second gas,
The cathode current collector is a metal plated body which is a metal porous body having continuous pores having a pore diameter of 0.05 mm to 3.2 mm, and the surface layer of the skeleton formed by plating using nickel or a nickel-based alloy formed by plating as a skeleton Is enriched in at least one of chromium (Cr), aluminum (Al), silver (Ag), gold (Au) and platinum (Pt),
The ion conductive material is made of a solid oxide, and the anode, the solid oxide, and the cathode are in the form of an integrated MEA (Membrane Electrode Assembly) (anode / solid oxide / cathode). The electric body has a sheet shape, is laminated in contact with the cathode, and occupies a flow path of the first gas containing the oxygen atoms,
The gas decomposing element, wherein the cathode and the cathode current collector are used while being heated to 250 ° C to 950 ° C.
Priority Applications (1)
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