JP5655508B2 - ガス分解素子、発電装置及びガス分解方法 - Google Patents
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Description
その一方、多量のガスを分解するには、上記筒状MEA内を流れるガスの流量を大きくする必要がある。ところが、ガス流量を大きくすると、充分に加熱されないガスが、上記筒状MEAに作用させられることになり、ガス分解効率が低下するという問題があった。
上記ガス分解素子は、加えて、素子全体を加熱するためのヒータを備えると共に、上記第1のガス流路に導かれる上記第1のガスを予め通過させて予備加熱を行うための予備加熱用配管を備え、
上記第1のガス流路は、上記筒状MEAの一端部を封止する封止部を設けると共に、
上記筒状MEAの他端部側から上記筒状MEAの内部空間に挿入されて、上記筒状MEAの内周面との間に筒状流路を形成するガス誘導パイプを設け、
上記ガス誘導パイプ内を上記封止部に向けて流動する第1のガスを、上記封止部近傍において上記ガス誘導パイプ内から流出させることにより反転流動させ、上記筒状流路を上記誘導パイプ内の流れと反対方向に向けて流動させるようにして構成し、
且つ上記第1の電極層の内周面に、導電性の金属メッシュシートを配置すると共に、
この金属メッシュシートを上記ガス誘導パイプに接続することにより、上記第1の電極層と上記ガス誘導パイプとを導通させたことを第1の特徴としている。
ここにおいて、MEAとはMembrane Electrode Assemblyの略で、膜/電極接合体と訳すことができるが、MEAとしても当業者に周知の技術用語であるので、そのまま用いている。
よって、第1のガスの分解効率を向上させることができる。また第1のガスの流量を増加させて処理能力を増加させることができる。またガス分解素子を、その長さにおいてよりコンパクトなものとすることが可能となる。
金属メッシュシートを上記第1の電極層に接触状態で保持することにより、上記電極層と金属メッシュシート間の抵抗を低減することができる。
また、この金属メッシュシートを上記ガス誘導パイプに直接接続することにより、集電体との接触抵抗を低減させることができる。例えば上記第1の電極層の内周面の全面に接触するように1枚の金属メッシュシートを配置することができる。
また上記構成を採用することにより、上記ガス誘導パイプを利用して、集電体の面積を大きくとることが可能となり、ガス分解効率をより高めることができる。
上記金属メッシュシートの外観構成も特に限定されることはない。例えば織布、不織布、打ち抜きシート等を採用できる。柔軟性、孔径の均一性等を確保するには、織布を採用するのが好ましい。
金属メッシュシートを構成する金属材料も特に限定されることはない。例えばNi、Ni−Fe、Ni−Co、Ni−Cr、Ni−W等の材料から形成された金属メッシュシートを採用するのが好ましい。また表層に銀メッキ層等が形成された金属メッシュシートを採用することもできる。また触媒反応を期待する場合には、Ni−W等の材料から形成された金属メッシュシートを採用するのが好ましい。
なお、ガス誘導パイプを構成する材料は特に限定されることはないが、分解するガスによって腐食等が生じない材料で形成する必要がある。例えばステンレス、銅、ニッケル、インコネル等のNiをベースとして、鉄、クロム、ニオブ、モリブデン等を含有させた合金を用いて形成することができる。
上記第5の特徴によれば、上記第1〜第4の何れか1つの特徴による作用、効果に加えて、上記導電層を第1の電極層の表面に形成することにより、第1の電極層と上記メッシュシート間の導電性を全域において確保することができる。また上記導電層が多孔質であるため、各電極層に対するガスの接触を妨げることもない。
金属メッシュシートを第1の電極層の内周面の全面に均一に接触させるのは困難な場合がある。即ち、第1の電極層の表面と上記金属メッシュシート間の接触圧力が異なったり、一部が第1の電極層の表面から浮き上がったりすることがあるからである。第1の電極層表面に多孔質導電層を設けることにより、そのようなことが防止できる。
即ち、上記導電性ペースト塗布層を設けることにより、金属メッシュシートの表面の一部を上記導電性ペースト塗布層に埋め込むようにして、上記金属メッシュシートと上記第1の電極層との間を確実に導通させることができる。このため、これらの間の接触抵抗を大幅に低減させることができる。また上記金属メッシュシートの全面を上記第1の電極層に対して均一に接触させることができる。このため、上記第1の電極層と上記金属メッシュシート間の電気抵抗が部分的に増大することはない。
上記第6の特徴によれば、上記第1〜第5の何れか1つの特徴による作用、効果に加えて、固体電解質層を予め有底の筒状に形成しておくことで、一端部が封止された筒状MEAをごく簡単に構成することができる。よって、ガス分解素子でのガス流路を容易に反転させることができる。
上記第7の特徴によれば、上記第1〜第5の何れか1つの特徴による作用、効果に加えて、別体の封止部材を嵌合させて筒状MEAの一端部を封止するようにしているので、筒状MEAの固体電解質層は筒状のまま用いることができ、筒状MEAの製作が容易である。
ここで金属粒連鎖体とは、金属粒が連なってできた数珠状の細長い金属体をいう。
金属粒連鎖体は、Ni、Fe含有Ni、若しくはNi、Fe含有Niに微量Tiを含むものがよい。Niなどは表面酸化された状態では、その金属粒連鎖体の表面が酸化されており、中身(表層の内側の部分)は酸化されずに金属の導電性を保持している。
このため、例えば固体電解質層内を移動するイオンが陰イオンの場合(陽イオンの場合もある)、次のような作用効果が生じる。
ただし、金属粒連鎖体の酸化層については、使用前は焼成処理によって確実に形成されているが、使用中に還元反応によって酸化層がなくなることが多い。酸化層がなくなっても、上記の触媒作用は減ずることはあってもなくなることはない。特にFeやTiを含有させたNiは、酸化層がなくても触媒作用は高い。
(A2)金属粒連鎖体を第2の電極層(カソード)に含有させた場合、第2の電極層(カソード)において、第2の電極層(カソード)の外部から第2の電極層(カソード)へと導かれる気体中のガス分子の化学反応を、金属粒連鎖体の酸化層によって促進させ(触媒作用)、且つ外部回路からの電子の導電性を向上させて、当該電子を参加させて第2の電極層(カソード)での化学反応を促進させる(電荷による促進作用)。そして、当該分子から効率よく陰イオンを生じて、固体電解質層へと送り出すことができる。(A1)と同様に、(A2)の場合、固体電解質層中を移動してきた陽イオンと、外部回路を流れてきた電子と、第2のガスとの電気化学反応を促進することができる。このため、上記第2の電極層(カソード)に含ませる場合と同様に、第2の電極層(カソード)における電荷の授受を伴う電気化学反応を、全体的に促進することができる。どのような場合に、金属粒連鎖体を第2の電極層(カソード)に含ませるかは、分解対象のガスによって変わる。
(A3)金属粒連鎖体を第1の電極層(アノード)及び第2の電極層(カソード)に含有させた場合は、上記(A1)及び(A2)の効果を得ることができる。
上記第9の特徴によれば、上記第1〜第8の何れか1つの特徴による作用、効果に加えて、酸素イオン導電性の固体電解質層を用いた場合、例えば第2の電極層(カソード)で電子と酸素分子とを反応させて酸素イオンを生じさせ、これを固体電解質層を移動させて第1の電極層(アノード)にて所定の電気化学反応を起こさせることができる。この場合、酸素イオンの固体電解質層中の移動速度はプロトンと比べて大きくないので、実用レベルの分解容量を得るには、温度を十分高める、及び/又は固体電解質層の厚みを十分薄くする、などの対策が必要である。
一方、プロトン導電性の固体電解質層は、バリウムジルコネート(BaZrO3)などが知られている。プロトン導電性の固体電解質層を用いた場合、例えば第1の電極層(アノード)でアンモニアを分解してプロトン、窒素分子及び電子を生じさせて、プロトンを固体電解質層を経て第2の電極層(カソード)へと移動させ、第2の電極層(カソード)において酸素と反応させて水(H2O)を生じさせる。プロトンは酸素イオンと比べて小さいため固体電解質層中の移動速度は大きいので、加熱温度を低くして実用レベルの分解容量を得ることができる。
第10の特徴による発電装置によれば、第1〜第9の何れか1つの特徴に記載のガス分解素子が有する作用効果を発揮させたガス分解を用いた発電、即ち燃料電池を得ることができる。
上記第1のガス流路に導かれる前の上記第1のガスを、上記予備加熱用配管に導き上記ヒータを利用して予備加熱することを第11の特徴としている。
よって、第1のガスの分解効率を向上させることができる。また第1のガスの流量を増加させて処理能力を増加させることができる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るガス分解素子10の縦断面図である。また図2は、図1におけるI−I線に沿う断面図である。なお本実施形態では、特に分解に供される第1のガスをアンモニア含有ガスとした場合のガス分解素子について説明する。
本実施形態では上記したように、上記筒状MEA7(1、2、5)の内側には第1のガスとしてアンモニア含有ガスが流される。また筒状MEA7(1、2、5)の外側には、第2のガスとして酸素含有ガスである空気が流される。そして上記第1のガスが流れる筒状MEA7(1、2、5)の内側の流路を第1のガス流路とする。また上記第2のガスが流れる筒状MEA7(1、2、5)の外側の流路を第2のガス流路とする。
本実施形態に係る上記筒状MEA7(1、2、5)は、図1に示すように、直円筒状に形成されている。筒状MEA7(1、2、5)の内径は、例えば20mm程度であるが、適用する装置に応じて寸法等を設定できる。
上記内部空間42と筒状流路43とで上記第1のガス流路を構成する。
上記Niメッシュシート11aは、銀ペースト塗布層11gを介して、筒状MEA7の内面側の第1の電極層2(アノード)に接触して、多孔質金属体11sからガス誘導パイプ11kへと導電するように構成されている。また上記Niメッシュシート11aの先端部W1は、上記封止部44の近傍において、上記ガス誘導パイプ11k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、(1)Niメッシュシート11a/多孔質金属体11s/ガス誘導パイプ11k、という導電路と、(2)Niメッシュシート11a/ガス誘導パイプ11k、という導電路とを形成している。この結果、筒状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可能となる。
本実施形態では、Niメッシュシート12aが、筒状MEA7の外面に接触して、外部配線12eへと導電している。
銀ペースト塗布配線12gは、第2の電極層(カソード)5において、第2のガスである酸素含有ガス(空気)内の酸素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、且つカソード側集電体12の電気抵抗を低くすることに寄与する。
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第2の電極層(カソード)5に接触して、第2の電極層(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、第2の電極層(カソード)5に含ませるより安価である。
上記スペースSには予備加熱用配管53が上記外装体51を貫通して配されている。
上記予備加熱用配管53は、上記第1のガスを予熱するための配管である。第1のガスが、上記筒状MEA7内に導入される前に予備加熱用配管53に通すことで、第1のガスを予熱し、温度の低い第1のガスがいきなり筒状MEA7に導入されることにより反応不足となるのを解消する。これによってガス分解素子10の分解性能の向上とコンパクト化を図ることが可能となる。
予備加熱用配管53は、第1のガス源からの配管との接続端53aを含み、下流側はガス導入管45と接続される構成とされている。
予備加熱用配管53としては、耐熱性の管、例えばNi管、インコネル管、その他の金属製やセラミックス性の耐熱、耐腐食性管を用いることができる。
なお、予備加熱用配管53は、図1には1本だけを図示しているが、複数本を配管するようにしてもよい。
前記外装体51は耐熱材料で構成されることになるが、耐火物材料で厚肉に構成し、ヒータ52を埋設したものとしてもよい。また厚肉とした耐火物材料からなる外装体51の肉厚内に予備加熱用配管53を埋設、貫通させた構成とすることもできる。
本来的には上記筒状MEA7を加熱するヒータ52を兼用し、このヒータ52によって予備加熱用配管53が加熱されることで、分解に供される上記第1のガスが良好に予備加熱される。
(アノード反応):2NH3+3O2−→N2+3H2O+6e−
より詳しくは、一部のアンモニアが、2NH3→N2+3H2の反応を生じ、この3H2が酸素イオン3O2−と反応して3H2Oを生成する。
第2の電極層(カソード)5には空気、特に酸素ガスが、スペースSを通るように導入され、第2の電極層(カソード)5において酸素分子から分解した酸素イオンを第1の電極層(アノード)2に向かって固体電解質層1へと送り出す。
(カソード反応):O2+4e−→2O2−
上記の電気化学反応の結果、電力が発生し、第1の電極層(アノード)2と第2の電極層(カソード)5との間に電位差を生じ、カソード側集電体12からアノード側集電体11へと電流Iが流れる。カソード側集電体12とアノード側集電体11との間に負荷、例えばこのガス分解素子10を加熱するためのヒータ52を接続しておけば、そのための電力を供給することができる。ヒータ52への上記電力の供給は、部分的であってもよい。多くの場合、自家発電の供給量はヒータ52全体に要する電力の半分以下である。
この第2の実施形態に係るガス分解素子100は、複数のガス分解素子10を群として並列立体的配置したものに対して、外装体101とヒータ102と予備加熱用配管103とを共通に設けて、1つのガス分解素子100としたものである。従って本ガス分解素子100には、個々のガス分解素子10毎にはヒータ102及び予備加熱用配管103を備えていない。この点、ヒータ52及び予備加熱用配管53を個々に備えた上記第1の実施形態のガス分解素子10とは異なる。
本実施形態では、外装体101を耐火物材料で構成して、その内部にヒータ102と予備加熱用配管103を埋設した構成としている。
前記予備加熱用配管103は外装体101の内側のスペースSに貫通させて設けてもよい。また予備加熱用配管103は個々のガス分解素子10の配列数に対応して複数本を配管してもよい。ガス分解素子10の数が増すにつれて第1のガスの供給量も増加するので、対応する予備加熱用配管103の数も増加させるのがよい。或いは予備加熱用配管103の管径を大きくしたものを用いるようにしてもよい。
前記ヒータ102は外装体101そのものをヒータとすることもできる。
2 第1の電極層(アノード)
5 第2の電極層(カソード)
7 筒状MEA
10 ガス分解素子
11 アノード側集電体
11a Niメッシュシート
11d 基端部
11e 外部配線
11g 銀ペースト塗布層
11k ガス誘導パイプ
11s 多孔質金属体
12 カソード側集電体
12a Niメッシュシート
12g 銀ペースト塗布配線
12e 外部配線
30 管継手
31 本体部
31a ガス導入部
31b 締結部
31c ガス排出部
32 環状ネジ
33 Oリング
34 締め付け具
35 排気空間
36 嵌合部
37a 他端部
37b 導電線
37c 導電貫通部
38 封止樹脂
39 ナット
42 内部空間
43 筒状流路
44 封止部
45 ガス導入管
46 排気空間
47 締結具
51 外装体
52 ヒータ
53 予備加熱用配管
53a 接続端
60 封止部材
60a 側壁部
60b 底部
60c 側壁部
62 環状ネジ
63 Oリング
65 排気管
67 締結具
100 ガス分解素子
101 外装体
102 ヒータ
103 予備加熱用配管
S スペース
W1 Niメッシュシートの先端部
W2 接合部材
Claims (11)
- 筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の内周部に積層形成された第1の電極層と、この固体電解質層の外周部に積層形成された第2の電極層とを有する筒状MEAを備え、上記筒状MEAの内側には分解に供せられる第1のガスを流す第1のガス流路を備えると共に上記筒状MEAの外側に第2のガスを流す第2のガス流路を備えたガス分解素子であって、
上記ガス分解素子は、加えて、素子全体を加熱するためのヒータを備えると共に、上記第1のガス流路に導かれる上記第1のガスを予め通過させて予備加熱を行うための予備加熱用配管を備え、
上記第1のガス流路は、上記筒状MEAの一端部を封止する封止部を設けると共に、
上記筒状MEAの他端部側から上記筒状MEAの内部空間に挿入されて、上記筒状MEAの内周面との間に筒状流路を形成するガス誘導パイプを設け、
上記ガス誘導パイプ内を上記封止部に向けて流動する第1のガスを、上記封止部近傍において上記ガス誘導パイプ内から流出させることにより反転流動させ、上記筒状流路を上記誘導パイプ内の流れと反対方向に向けて流動させるようにして構成し、
且つ上記第1の電極層の内周面に、導電性の金属メッシュシートを配置すると共に、
この金属メッシュシートを上記ガス誘導パイプに接続することにより、上記第1の電極層と上記ガス誘導パイプとを導通させたことを特徴とする請求項1に記載のガス分解素子。 - 上記ヒータと予備加熱用配管とは、単数からなるガス分解素子毎に備えられていることを特徴とする請求項1に記載のガス分解素子。
- 上記ヒータと予備加熱用配管とは、複数からなるガス分解素子群としてのガス分解素子に、共通して備えられていることを特徴とする請求項1に記載のガス分解素子。
- 上記ガス誘導パイプは、導電性材料から形成されていると共に、
上記第1の電極層に導通させられて、上記第1の電極層の集電体を構成している請求項1〜請求項3の何れか1項に記載のガス分解素子。 - 上記第1の電極層表面に多孔質導電層を設けた請求項1〜請求項4の何れか1項に記載のガス分解素子。
- 上記筒状MEAの一端部は、上記固体電解質層を一体延出させて形成された底部によって封止されている請求項1〜請求項5の何れか1項に記載のガス分解素子。
- 上記筒状MEAの一端部は、封止部材を筒状MEAの端部に嵌合させて封止されている請求項1〜請求項5の何れか1項に記載のガス分解素子。
- 上記第1の電極層及び/又は上記第2の電極層が、ニッケル(Ni)を主成分とする金属粒連鎖体と、イオン導電性セラミックとを含む焼成体であることを特徴とする請求項1〜請求項7の何れか1項に記載のガス分解素子。
- 上記固体電解質層が、酸素イオン導電性又はプロトン導電性を有することを特徴とする請求項1〜請求項8の何れか1項に記載のガス分解素子。
- 請求項1〜請求項9の何れか1項に記載したガス分解素子を備える発電装置。
- 請求項1に記載したガス分解素子によって行われるガス分解方法であって、
上記第1のガス流路に導かれる前の上記第1のガスを、上記予備加熱用配管に導き上記ヒータを利用して予備加熱することを特徴とするガス分解方法。
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