JP5648344B2 - 触媒、電極、燃料電池、ガス除害装置、並びに触媒および電極の製造方法 - Google Patents
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Description
また、半導体製造装置の廃ガスには、アンモニア、水素等が含まれるのが普通であり、アンモニアの異臭を完全に除去するには、ppmオーダーにまで除害する必要がある。この目的のために、半導体製造装置の廃ガス放出の際にスクラバーを通して、薬品を含む水に有害ガスを吸収させる方法が多く用いられてきた。一方、エネルギや薬品等の投入なしに、安価なランニングコストを得るために、リン酸型燃料電池でアンモニアを分解する、半導体製造装置の排気ガス処理の提案もされている(特許文献4)。
リン酸型燃料電池を、化合物半導体製造の排気中のアンモニアの除害に用いる装置(特許文献4)についても、除害能力の向上を阻害する、圧力損失や電気抵抗の増大などを踏み込んで解決する工夫がなされていない。電気化学反応をアンモニア等の除害に用いる場合、圧力損失の増大、高温環境下での電極/集電体間の電気抵抗の増大等を画期的な構造で抑止しない限り、実用レベルの大きな処理能力を得ることができず、ジャストアイデアに留まっている状況にある。このような電気化学反応を促進して実用化可能とするものに、高性能の触媒がある。高性能の触媒は、アンモニア等の分解の電気化学反応を促進して処理容量を増大させる。
上記の構成によって、ガス等の分解を促進して、小型で処理容量の大きいガス除害装置や燃料電池等を得ることができる。
上記の連鎖体では、合金の粒子が個々の粒子の形態を少し残しながら相互に連結してひも状に延びている。このため、連鎖体の表面は、ひもの長手方向に、粒子の凸面と連結部における凹部とが連続して、凹凸がくり返されている。また合金の粒子の表面には微細な突起が稠密に分布している。このため、連鎖体には、表面に凸部または突起が高密度で分布している。本発明の触媒は、突起のような特異点において、その触媒作用を飛躍的に増加させる。これによって、塊状、板状などの合金の触媒作用に比べて、上記の特異点が非常に高い密度で分布しており、これによって、塊状、板状の合金に比べて格段に大きな触媒作用を得ることができる。
ここで、連鎖体は、いわゆる金属環をつなぎあわせた「鎖(くさり)」という意味ではなく、金属粒子同士が連結して微細な凹凸と高密度の突起を形成しながら延びており、その凹凸等が鎖の凹凸のように見えるという意味で用いている。
なお、上記の連鎖体では、合金の粒子は、ニッケルと、{鉄(Fe)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、タングステン(W)および銅(Cu)}の一種以上と、の組成が、連鎖体にわたって、変動していてもよい。たとえば隣り合う粒子どうしの組成が同じである必要はなく、たとえば周期的に変動していてもよい。
これによって、ミクロ的に気孔が確保された多孔質の触媒を得ることができる。このため、分解対象のガスを触媒に接触させやすく、比較的小さなMEA(Membrane Electrode Assembly)等でガス分解の処理能力を向上させることができる。
本発明では、液相法において3価のチタン(Ti)イオンを還元剤に用いて、上記合金粒子の連鎖体を得ることができる。この場合、上記のニッケルイオン、鉄イオン等は、3価のチタンによって還元され、電子を付加されて、ニッケルイオン、鉄イオン等から合金粒子として析出する。3価のチタンは、電子を失って4価のチタンイオンになる。合金粒子は、これらのイオンを含む水溶液から析出するので、3価および4価のチタンイオンを含むが、合金粒子中では特に区別されずチタンとして存在する。
チタンは、合金中で、触媒作用の増大に寄与する。
また、触媒機能を有する上記の合金には、耐酸化性の高い合金があり、酸素と接触する空気極に用いることで、低い電気抵抗を維持できる耐久性の高い空気極の集電体を得ることができる。
酸素の共存下で、上記合金の触媒作用はさらに向上する。中身の合金部分は良導体であり、電気化学反応における電子の良好な移動経路を提供する。
これによって液相法によって、高性能の触媒を、比較的簡単に得ることができる。
図1は、本発明の実施の形態1における触媒3を示す図であり、(a)は走査型電子顕微鏡像であり、(b)はその中のA部拡大図である。図1(a),(b)に示すように、触媒3は、合金粒子3pが連結しており連鎖体を形成している。連鎖体3の形態上の特徴は次のとおりである。
(F1)大きく眺めると、合金粒子3pが連結されて、ひも状に長く延びている。また、分枝部3bで枝分かれして、枝同士が絡み合っている。すなわち絡み合う樹枝状でもある。
(F2)細かく見ると、合金粒子3p自体の凸部と合金粒子の連結部の凹部とで形成される凹凸が、ひも状の長手方向に沿ってある。凸凹状のひもと言ってもよい。
(F3)さらに詳細に見ると、合金粒子3pには、微細な突起3kが無数に形成されている。
どのような場合でも、とくに断らない限り、連鎖体3というとき、上記のすべての状態(そのまま、表面酸化層あり、表面酸化層が還元された状態)のいずれかをさす。
<Ni−Fe系>
図2は、Ni−Fe合金粒子の組成を変えて、連鎖体3を用いて電極を形成して、アンモニアを分解したときの発電出力を測定した結果を示す図である。電極はアノードまたは燃料極である。測定に用いた装置の設置当初は、連鎖体3に表面酸化処理による酸化層が形成されていたが、稼働によってアンモニアを含む還元性ガスが導入されてアノード反応が進行する結果、その酸化層は還元されて消失している。ただし、空気極でのカソード反応で生じて固体電解質を経由してきた酸素イオンによる酸化は起こっていると考えられる。
カソードまたは空気極の材料、アンモニア濃度等は一定にして、アノード中の触媒を構成する連鎖体3の組成のみを変えている。アンモニア濃度は、入口で、100体積%であり、流量は50ml/分である。この測定に用いたアンモニア分解装置については、実施の形態2で詳細に説明する。
図2によれば、ニッケル(Ni)−鉄(Fe)系において、Niが40at%以上80at%以下の範囲で、発電出力は高められており、触媒作用が大きいことが分かる。FeはNiより酸素との結合力が強いために、Ni−Fe合金とすることでNi単体に比べて酸素が表面に結合しやすくなる。とくに連鎖体3では突起3kが無数にNi−Fe合金粒子3pの表面に形成されるので、突起3kの先端に酸素が付加されやすい。すなわち上記の連鎖体の特徴(F3)によって、単なる合金の作用よりも触媒作用は高められる。さらに、上記の特徴(F2)によって連鎖体3の表面積は増大するので、やはり表面積の増大分だけ、単なる合金による作用よりも触媒作用は高くなる。さらに、特徴(F1)により多孔質電極の気孔率は高くなり、やはりガス分解の促進に寄与することができる。
上記のNi−Fe系におけるNi40at%以上80at%以下、は、上記の複合的な要因により、電気化学反応が促進される組成範囲とみることができる。
<Ni−Co系>:
Ni20at%以上80at%以下の広い組成にわたって、アンモニア分解を促進する触媒作用の高い範囲が認められる。
<Ni−Cr系>:
Crが0.25at%以上50at%以下に、アンモニア分解を促進する触媒作用の高い範囲がある。
<Ni−W系>:
Wが0.25at%以上50at%以下に、アンモニア分解を促進する触媒作用の高い範囲がある。
<Ni−Cu系>:
Cuが0.25at%以上50at%以下に、アンモニア分解を促進する触媒作用の高い範囲がある。
上記の範囲は、いずれも二元系での触媒作用を高める組成範囲である。組成の範囲は異なってくるが、本発明の触媒は、三元系以上の合金でもよい。
このとき、微細な突起3kとなる析出も、合金粒子の表面に生じる。微細な突起3kは、合金粒子3pの凸部において目立つが、結合部の凹部にも生じる。このような連鎖体3の生成メカニズムに、触媒の特異点となる微細な突起3kが生じる理由がある(上記の特徴(F3))。
アノード2に含まれる連鎖体3の平均直径Dは、たとえば5nm以上、500nm以下の範囲とするのがよい。また、平均長さLは、分枝して絡み合う場合は測定が難しいが、絡み合わない場合、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。
上述のように、酸化層の厚みは1nm〜100nmの範囲で、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。
要約すると、合金粒子の連鎖体による触媒は、Ni単体粒子の連鎖体に比べて、ガス分解の電気化学反応を促進する触媒作用が大きい。
なお、上記の触媒は、Ti還元法によって製造した合金粒子の連鎖体の場合の説明である。本発明の触媒は、Ti還元法による合金粒子の連鎖体だけでなく、溶融塩電析法によって製造した析出物等であってもよい。
図4(a)は、本発明の実施の形態2における電気化学反応装置であるガス分解素子、とくにアンモニア分解素子10の縦断面図である。また、図4(b)は、図4(a)におけるIVB−IVB線に沿う断面図である。このアンモニア分解素子10では、円筒形の固体電解質1の内面を覆うようにアノード2が設けられ、また外面を覆うようにカソード5が設けられて、円筒形MEA7(1,2,5)が形成されている。アノード2は燃料極、またカソード5は空気極と呼ばれることがある。
アノード2のなかに、実施の形態1で説明した触媒である合金粒子の連鎖体が含まれている。アノード2を構成する材料については、このあと詳しく説明する。
円筒形MEAの内径は、たとえば20mm程度であるが、適用する装置に応じて、変えるのがよい。円筒形のMEA7の内筒中に、アノード集電体11が配置されている。また、カソード5の外面に巻き付くようにカソード集電体12が配置されている。
<アノード集電体11>:金属の織布11a/めっき多孔体11s/中心導電棒11k
金属の織布11aが円筒MEA7の内面側のアノード2に接触して、めっき多孔体11sから中心導電棒11kへと導電する。めっき多孔体11sは、後述するアンモニアを含む気体の圧力損失を低くするために、気孔率を高くできるセルメット(登録商標:住友電気工業株式会社)を用いることができる。アノード2に合金粒子の連鎖体3を含有させてアンモニア分解能力を十分高めた上で、円筒MEAの内面側では、複数の部材で形成される集電体11の全体の電気抵抗を低くしながら、アノード側への気体導入の圧力損失を低くすることが重要なポイントである。
<カソード集電体12>:銀ペースト塗布配線12g+金属の織布12a
金属の織布12aが、円筒MEA7の外面に接触して、外部配線へと導電する。銀ペースト塗布配線12gは、カソード5における酸素ガスを酸素イオンに分解するのを促進する触媒として作用する銀を含み、かつカソード集電体12の電気抵抗を低くすることに寄与する。カソード5に銀を含ませることも可能であるが、カソード集電体12に、所定の性状の銀ペースト塗布配線12gは、酸素分子を通しながら銀粒子がカソード5に接触して、カソード5内に含まれる銀粒子と同等の触媒作用を発現する。しかも、カソード5に含ませるより安価である。
(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。このアンモニア分解において、合金粒子の連鎖体3が分解を促進する。このため、このあと説明する出口濃度を所定レベル以下にしながら、少なくとも、アンモニア分解過程が、全体の電気化学反応のネック(律速過程)にならないようにできる。
カソード5には空気、とくに酸素ガスが、スペースSを通るように導入され、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アノード2に向かって固体電解質1へと送り出す。カソード反応はつぎのとおりである。
(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、アノード2とカソード5との間に電位差を生じ、カソード集電体12からアノード集電体11へと電流Iが流れる。カソード集電体12とアノード集電体11との間に負荷、たとえばこのガス分解素子10を加熱するためのヒータ41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41への上記電力の供給は、部分的であってもよく、むしろ大部分の場合において、自家発電の供給量はヒータ全体に要する電力の半分以下であることが多い。
図6は、固体電解質1が酸素イオン導電性の場合における、アノード2の材料および電気化学反応を説明するための図である。アノード2には、アンモニアを含む気体が導入され、気孔2hを通って流れる。アノード2は、触媒、すなわち表面酸化されて酸化層を有する合金粒子の連鎖体3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。ここでは、Ni−Fe系の合金粒子の連鎖体3を用いている。組成としては、たとえばNi60at%程度とするのがよい。
さらにTiを2〜10000ppm程度の微量含むのがよい。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高めることができる。ただし、アンモニアの分解反応(アノード反応)は還元反応なので、使用前の製品には焼結処理等で生じた酸化層がNi粒連鎖体に形成されていたのが、使用によってアノード中の金属粒連鎖体も還元されて酸化層が消失することになる。しかし、Ni−Fe合金自体の触媒作用は確実にあり、さらに、酸化層がないことをカバーするために、TiをNi−Fe系に含有させて触媒作用の低下を補うことができる。
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。
(e1)合金粒子の連鎖体3による分解反応の促進(高い触媒機能:酸化層3sも触媒作用の向上に寄与)
(e2)酸素イオンによる分解促進(電気化学反応の中での分解促進)
(e3)連鎖体3のひも状良導体3mによる電子の導通性確保(高い電子伝導性)
上記の(e1)、(e2)および(e3)によって、アノード反応は非常に大きく促進される。
温度を上げて、触媒3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。しかし、上記のように、燃料電池を構成する素子において、カソード5からイオン導電性の固体電解質1を経て、酸素イオンを反応に関与させ、その結果、生じる電子を外に導通させることで、分解反応速度は飛躍的に向上する。上記の(e1)、(e2)および(e3)の機能、およびその機能をもたらす構成をもつことが、本発明の大きな特徴である。
なお、上記は固体電解質1が酸素イオン導電性の場合の説明であるが、固体電解質1はプロトン(H+)導電性でもよく、その場合、アノード2におけるイオン導電性セラミックス22はプロトン導電性のセラミックス、たとえばバリウムジルコネート等を用いる。
(i)アノード集電体の金属の織布11a:
アノード集電体11における金属の織布11aは、アノード集電体11の電気抵抗を低下させることを通じて、ガス流れの圧力損失を小さくする点で、重要な要素である。
上記のように、めっき多孔体11sに金属めっき体であるセルメット(登録商標)を用いても、金属の織布を用いない場合、接触抵抗は比較的大きく、ガス分解素子10のカソード集電体12とアノード集電体11との間の電気抵抗は、たとえば4〜7Ω程度あった。これに、上記の金属の織布11aを挿入することによって、1Ω程度以下に下げることができる。すなわち1/4以下程度にすることができる。
アノード集電体11に金属の織布11aを用いた場合、次のことが判明した。
(N1)金属の織布11aを配置することで、めっき多孔体11sは、断続的に円筒MEAの内側に配置すればよい。すなわち、めっき多孔体11sを、円筒MEA7の全長さにわたって切れ目なく配置する必要はない。
(N2)そのめっき多孔体11sを、間隔をおいて断続的に配置した結果、アンモニアを含む気体の流れにおける圧損を大きく下げることができる。この結果、たとえば半導体製造装置の排気設備から排出されるアンモニアを含んだ気体を、大きな負圧をかけずに十分な量吸い出すことができ、上記気体の吸い出しに要する電力代を下げることができる。
また、ニッケル(Ni)と、{鉄(Fe)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、タングステン(W)および銅(Cu)}の一種以上と、を含む合金の織布、または上記の合金のめっき層を形成した金属繊維の織布を用いることで、上記のアノード反応を促進することができる(織布11aによる触媒作用)。
圧力損失を低くしながら導電性を確保するために、アノード2の集電材のめっき多孔体11sは金属めっき体とするのがよい。めっき多孔体11には、上述のセルメット(登録商標)を用いるのがよい。めっき多孔体11sは、気孔率を大きくとることができ、たとえば0.6以上0.98以下とすることができる。これによって、内面側電極であるアノード2の集電体の一要素として機能しながら、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。
また、本実施の形態では採用していないが、金属の織布を用いないで、めっき多孔体11sを、直接、アノードに接触させる場合がある。そのような場合、ニッケル(Ni)と、{鉄(Fe)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、タングステン(W)および銅(Cu)}の一種以上と、を含む合金のめっき多孔体、または上記の合金のめっき層を形成しためっき多孔体を用いることで、上記のアノード反応を促進することができる(めっき多孔体11sによる触媒作用)。
MEA7が円筒形の場合、アノード集電体11に中心導電棒11kを用いるのがよい。たとえばニッケルの中心導電棒11kを用いるのがよい。これによって、次の利点を得ることができる。
(K1)アノード2から外部配線に至る間の全体の電気抵抗を低くすることができる。
(K2)円筒MEAの内面側の集電にはめっき多孔体は不可欠であるが、このめっき多孔体は端の部分をまとめにくいことで知られるが、中心導電棒11kを用いることで、小型化された端子部を形成することができる。
(K3)ガス分解素子10を能率よく稼働させるには600℃〜1000℃に加熱する必要がある。加熱のためのヒータ41は、空気通路の外側に配置するしかない。中心導電棒11kを用いれば、ヒータ41側の外側から遠い位置にあり、しかも容易に軸方向に延ばすことができる。このため、比較的、温度が低い箇所まで延ばした位置で、気密性を高くしながら、外部配線との導電接続、および気体搬送路との接続、を行うことができる。その結果、非常に特殊な樹脂を用いることなく、通常のレベルの耐熱性かつ耐食性の樹脂を用いることができ、経済性を高め、かつ耐久性を向上させることができる。
図7は、固体電解質1が酸素イオン導電性の場合における、カソード5における電気化学反応を説明するための図である。カソード5には、空気とくに酸素分子が導入される。カソード5は、酸素イオン導電性のセラミックス52とを主成分とする焼結体とする。この場合の酸素イオン導電性のセラミックス52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。酸素イオン導電性の固体電解質1を用いる場合、カソード5には、連鎖体は用いなくてもよい。
本実施の形態におけるカソード5では、Ag粒子は銀ペースト塗布配線12gの形態で配置される。この中で、Ag粒子はカソード反応O2+4e−→2O2−を大きく促進させる触媒機能を有する。この結果、カソード反応は非常に大きい速度で進行することができる。Ag粒子の平均径は、10nm〜100nmとするのがよい。
なお、上記は固体電解質1が酸素イオン導電性の場合の説明であるが、固体電解質1はプロトン(H+)導電性でもよく、その場合、カソード5におけるイオン導電性セラミックス52はプロトン導電性のセラミックス、たとえばバリウムジルコネート等を用いるのがよい。さらに、触媒である連鎖体3を用いるのがよい。とくに表面酸化処理が行われて酸化層3sを有する連鎖体3を用いるのがよい。この場合、銀粒子は用いることが好ましいが、用いなくてもよい。
カソード5におけるSSZの平均径は0.5μm〜50μm程度のものを用いるのがよい。焼結条件は、大気雰囲気で、1000℃〜1600℃に、30分〜180分間程度保持する。
(i)カソード集電体12の銀ペースト塗布配線12g:
従来、カソード5には銀粒子を配置して、銀粒子の触媒作用によって酸素分子の分解速度を向上させるのが普通であった。しかし、カソード5に銀粒子を含ませる構造では、カソード5の価格が高くなり、経済性を低下させる。カソード5に銀粒子を含有させる代わりに、カソード5外面において、銀ペースト塗布層の形態で銀粒子の配線を形成することができる。銀ペースト塗布配線12gは、銀ペーストをカソード5の外周面に、たとえば帯状の配線を格子状(母線方向+環状方向)に配置する。この銀ペーストにおいて重要なのは、乾燥後または焼結後に、気孔率の高い多孔質にすることである。多孔質になる銀ペースト塗布配線12gによって、(C1)カソード反応を促進して、かつ(C2)カソード集電体12の電気抵抗を下げることができる。
(ii)金属の織布12a:
カソード集電体12のうちの織布12aを、ニッケル(Ni)と、{鉄(Fe)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、タングステン(W)および銅(Cu)}の一種以上と、を含む合金の織布、または上記の合金のめっき層を形成した金属繊維の織布を用いることで、耐酸化性を向上させて、低い電気抵抗を長く維持できる耐久性の高いものとすることができる。また、合金によるが、上記のカソード反応を促進することができる。
さらに金属の織布たとえばNi繊維の織布に銀めっき層を形成することで、酸素分子の分解を促進し、その結果、耐酸化性を向上させ、また銀であることから電気抵抗を低減することができる。
電解質1は、固体酸化物、溶融炭酸塩、リン酸、固体高分子などを用いることができるが、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、酸素イオン導電性の、SSZ、YSZ、SDC、LSGM、GDCなどを用いるのがよい。
また、固体電解質1に、たとえばバリウムジルコネート(BaZrO3)を用いてプロトンをアノード2で発生させて固体電解質1中をカソード5へと移動させる反応も、本発明の望ましい一つの形態である。プロトン導電性の固体電解質1を用いると、たとえばアンモニアを分解する場合、アノード2でアンモニアを分解してプロトン、窒素分子および電子を生じさせて、プロトンを固体電解質1を経てカソード5へと移動させ、カソード5において酸素と反応して水(H2O)を生じさせる。プロトンは酸素イオンと比べて小さいので固体電解質中の移動速度は大きい。このため加熱温度を低くしながら実用レベルの分解容量を得ることができる。固体電解質1の厚みも、強度を確保できる厚みとしやすい。
また、たとえば筒状体MEAを用いてアンモニア分解を行うとき、内側をアノードとした場合、酸素イオン導電性の固体電解質では、水を筒状体の内側(アノード)で生成する反応となる。水は、筒状体MEAの出口付近の温度が低い部分では水滴を形成して圧力損失の原因となる場合がある。これに対して、プロトン導電性の固体電解質を用いると、プロトンと酸素分子と電子とが、カソード(外側)で反応して水を生成する。外側はほぼ開放されているので、出口側の温度の低い箇所で水滴となって付着しても圧力損失を生じにくい。
図8により、円筒形MEA7の製造方法の概要について説明する。図8には、アノード2、およびカソード5ごとに、焼結を行う工程を示す。まず、市販されている円筒形固体電解質1を購入して準備する。次いで、カソード5を形成する場合は、所定の流動性を持つようにカソード構成材料を溶媒に溶かした溶液を調整して、円筒形固体電解質の外面に均等になるように塗布する。次いで、カソード5に適切な焼結条件で焼結する(後述するアノードの焼結条件による進行を見込んで少なめにしておく)。このあとアノード2の形成に移る。アノード2の場合も流動性を有する溶媒に、合金粒子の連鎖体3およびイオン導電性セラミックス22を分散して、円筒形固体電解質1の内面に均等に塗布する。次いで、アノード2に適切な焼結条件で焼結する。
図8に示す製造方法の他に、多くのバリエーションがある。焼結回数を1回ですます場合で、図8に示すように、各部分ごとに焼結を行うのではなく、塗布状態のまま、各部分を形成して、最後に、各部分の最大公約数的な条件で焼結を行う。この他、多くのバリエーションがあり、各部分を構成する材料と、目標とする分解効率と、製造経費等を総合的に考えて製造条件を決めることができる。
上記の製造方法は、Ti還元法による合金粒子の連鎖体を用いる場合である。この他に、固体電解質1に、アノード2の場合、直接、イオン導電性セラミックス22および合金析出物を、溶融塩電析法で析出させてもよい。
なお、ここで説明したガス分解素子10は、筒状のMEA7を有し、筒内を除害対象のガスが通るが、本発明のガス分解素子は筒状のMEAに限定されず、形状はどのようなものでもよい。たとえば、板状のMEAが間に多孔質金属体(めっき多孔体)を挟んで複数、積層された板状積層体であってもよい。
図9は、本発明の実施の形態3における、燃料電池として機能するガス分解システムを示す図である。この燃料電池システム50では、水素源から、アンモニア、トルエン、キシレン等の、水素を含む分子である水素源を供給され、発電セル10またはガス分解素子10において分解する。ガス分解素子10の形状は、上述のようにどのような形状であってもよく、また1つのガス分解素子の配置でも、複数が配置されていてもよい。ガス分解素子10の、図示しないアノードには実施の形態1および2で説明した合金粒子の連鎖体3が含まれている。上記のガス分解の電気化学反応によって、電力を生じる。この電力の一部は、ガス分解能力または発電能力を向上させるための加熱装置(ヒータ)41に用いられる。余剰の電力は、インバータ71によって交直変換や、昇圧などされて、外部装置に適合する電力形態に変換される。これによって、本実施の形態の燃料電池システムは、糖類などの有機物を含む多様な水素源を用いて、PCや携帯端末等の電子機器の電源、より電力消費の多い電気機器の電源に利用されることができる。
分解されて、発電セル10またはガス分解素子10から排気される気体は、後処理装置(センサー内蔵)75によって残留成分濃度を検出して、安全なように処理する。この場合、残留成分濃度によっては元に戻して循環させることができる。
燃料電池システム50では、ガス除害を目的とする場合のように、ガス成分の濃度を極端に低くする必要がなく、高いガス成分濃度において分解の電気化学反応を行うことで、高い発電能力を得ることができる。
表1は、本発明の触媒および電極を適用できる他のガス分解反応を例示する表である。ガス分解反応R1は、実施の形態2で説明したアンモニア/酸素の分解反応である。その他、ガス分解反応R2〜R20のどの反応に対しても本発明の触媒および電極は用いることができる。すなわち、アンモニア/水、アンモニア/NOx、水素/酸素/、アンモニア/炭酸ガス、VOC(揮発性有機化合物:volatile organic compounds)/酸素、VOC/NOx、水/NOx、などに用いることができる。
上記の電気化学反応はガス除害を目的としたガス分解反応である。しかし、ガス除害を主目的としないガス分解素子もあり、本発明のガス分解素子は、そのような、電気化学反応装置、たとえば燃料電池等にも用いることができる。
Claims (16)
- 電気化学反応を促進するために用いられる触媒であって、
ニッケル(Ni)と、{鉄(Fe)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、タングステン(W)および銅(Cu)}の一種以上と、を含む合金であり、
直径0.5μm以下の前記合金の粒子が連結して延びた連鎖体であることを特徴とする、触媒。 - 前記連鎖体は、分枝して、当該分枝した枝状の連鎖体が絡み合った樹枝状連鎖体であることを特徴とする、請求項1に記載の触媒。
- 前記合金に、0.5重量%以下のチタン(Ti)が含まれることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の触媒。
- 電気化学反応を促進するために用いられる触媒であって、
ニッケル(Ni)と、{鉄(Fe)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、タングステン(W)および銅(Cu)}の一種以上と、を含む合金であり、
前記合金の繊維による織布、または前記合金のめっき層が形成された金属繊維の織布、であることを特徴とする、触媒。 - 電気化学反応を促進するために用いられる触媒であって、
ニッケル(Ni)と、{鉄(Fe)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、タングステン(W)および銅(Cu)}の一種以上と、を含む合金であり、
前記合金のめっき多孔体、または前記合金のめっき層が形成されためっき多孔体であることを特徴とする、触媒。 - 電気化学反応を促進するために用いられる触媒であって、
ニッケル(Ni)と、{鉄(Fe)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、タングステン(W)および銅(Cu)}の一種以上と、を含む合金であり、
固体電解質とともに存在し、該固体電解質の表面を覆うように、前記合金の、膜または析出物の形態で位置することを特徴とする、触媒。 - 前記合金の表面に酸素が結合されているか、または前記合金が酸化層で被覆されている、ことを特徴とする、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の触媒。
- 電気化学反応を促進するために用いられる、ニッケル(Ni)と、{鉄(Fe)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、タングステン(W)および銅(Cu)}の一種以上と、を含む合金である触媒と、イオン導電性セラミックスとが焼結されていることを特徴とする、電極。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の触媒と、イオン導電性セラミックスとが焼結されていることを特徴とする、電極。
- さらに銀粒子が分散していることを特徴とする、請求項9に記載の電極。
- 請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の触媒、または請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の電極を用いたことを特徴とする、燃料電池。
- 電気化学反応を促進するために用いられる、ニッケル(Ni)と、{鉄(Fe)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、タングステン(W)および銅(Cu)}の一種以上と、を含む合金である触媒、または、前記触媒とイオン導電性セラミックスとが焼結された電極、を含むことを特徴とする、ガス除害装置。
- 請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の触媒、または請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の電極を用いたことを特徴とする、ガス除害装置。
- ニッケルイオンと、(鉄イオン、コバルトイオン、クロムイオン、タングステンイオンおよび銅イオン)の一種以上と、チタンイオンと、錯体イオンとを含む水溶液を準備する工程と、
前記水溶液にアルカリ性水溶液を添加して、常温〜60℃において撹拌して、ニッケル(Ni)と、(鉄(Fe)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、タングステン(W)および銅(Cu))の一種以上と、微量のチタン(Ti)を含む合金粒子の連鎖体を析出させる工程と、を備えることを特徴とする、触媒の製造方法。 - 前記連鎖体に表面酸化処理を施す工程を備えることを特徴とする、請求項14に記載の触媒の製造方法。
- 請求項14または請求項15に記載の触媒の製造方法に引き続いて、イオン導電性セラミックス粉とともに、流動性のある溶媒に分散して、前記触媒およびイオン導電性セラミックスを含む溶媒を、固体電解質に塗布し、焼結することを特徴とする、電極の製造方法。
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