JP5765664B2 - Gas decomposition apparatus and power generation apparatus - Google Patents

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Description

本願発明は、ガス分解装置及び発電装置に関する。詳しくは、所定のガスを効率良く分解することができるガス分解装置、このガス分解装置を備える発電装置に関する。   The present invention relates to a gas decomposition apparatus and a power generation apparatus. Specifically, the present invention relates to a gas decomposition apparatus capable of efficiently decomposing a predetermined gas and a power generation apparatus including the gas decomposition apparatus.

たとえば、アンモニアは農業や工業に不可欠の化合物であるがヒトには有害であるため、水中や大気中のアンモニアを分解する種々の方法が知られている。高濃度のアンモニアを含む水からアンモニアを分解除去するために、アンモニア水を噴霧するとともに空気流と接触させて空気中にアンモニアを分離し、次亜臭素酸溶液又は硫酸と接触させる方法が提案されている(特許文献1)。また、上記方法と同じプロセスで空気中にアンモニアを分離して触媒により燃焼させる方法(特許文献2)や、アンモニア含有排水を、触媒を用いて、窒素と水に分解する方法が提案されている(特許文献3)。さらに、半導体製造装置の廃ガスには、アンモニア、水素等が含まれることが多く、アンモニアの異臭を完全に除去するには、ppmオーダーにまで除去する必要がある。この目的のために、半導体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で有害ガスを分解するために、リン酸燃料電池でアンモニアを分解する、半導体製造装置等における廃ガス処理の方法も提案されている(特許文献4)。   For example, ammonia is an indispensable compound for agriculture and industry, but is harmful to humans, so various methods for decomposing ammonia in water and air are known. In order to decompose and remove ammonia from water containing a high concentration of ammonia, a method has been proposed in which ammonia water is sprayed and contacted with an air stream to separate ammonia in the air and contacted with hypobromous acid solution or sulfuric acid. (Patent Document 1). In addition, a method of separating ammonia in the air by the same process as the above method and burning it with a catalyst (Patent Document 2) and a method of decomposing ammonia-containing wastewater into nitrogen and water using a catalyst have been proposed. (Patent Document 3). Furthermore, the waste gas of the semiconductor manufacturing apparatus often contains ammonia, hydrogen, etc., and in order to completely remove the odor of ammonia, it is necessary to remove it to the ppm order. For this purpose, many methods have been used in which harmful gas is absorbed in water containing chemicals through a scrubber when the waste gas of the semiconductor device is released. On the other hand, in order to decompose harmful gases at a low running cost without input of energy, chemicals, etc., a waste gas treatment method in a semiconductor manufacturing apparatus or the like that decomposes ammonia with a phosphoric acid fuel cell has been proposed (patent) Reference 4).

特開平7−31966号公報JP-A-7-31966 特開平7−116650号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-116650 特開平11−347535号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-347535 特開2003−45472号公報JP 2003-45472 A 特許第3238086号公報Japanese Patent No. 3238086

特許文献1に記載されているような中和剤等の薬液を用いる方法、特許文献2に記載されているような燃焼させる方法、特許文献3に記載されているような触媒を用いた熱分解反応による方法により、アンモニアを分解することはできる。ところが、これらの方法では、薬品や外部エネルギ(燃料)を必要とし、さらには、触媒を定期的に交換する必要があり、ランニングコストが大きくなるという問題がある。   A method using a chemical such as a neutralizing agent as described in Patent Document 1, a method of burning as described in Patent Document 2, and a thermal decomposition using a catalyst as described in Patent Document 3 Ammonia can be decomposed by a reaction method. However, these methods require chemicals and external energy (fuel), and further require periodic replacement of the catalyst, resulting in increased running costs.

また、装置が大掛かりとなり、既存の設備に付加的に設ける場合には、スペースを確保するのが困難である。また、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去に用いる装置についても、電解質が液体であるため、空気側とアンモニア側との仕切りをコンパクトにできず、装置の小型化が難しいという問題があった。   In addition, since the apparatus becomes large, it is difficult to secure a space when it is additionally provided in existing facilities. In addition, for the device that uses phosphoric acid fuel cells to remove ammonia in the exhaust gas from the production of compound semiconductors, the electrolyte is liquid, so the partition between the air side and the ammonia side cannot be made compact, and the size of the device is reduced. There was a problem that was difficult.

上記問題を解決するため、特許文献5に記載されているように、筒状の固体電解質層と、この固体電解質層を内外から挟むようにして積層形成された第1の電極層及び第2の電極層とを備えて構成される筒状MEA(Membrane Electrode Assembly)を採用することができる。上記筒状MEAの内側空間を、分解されるガスを含む気体が、軸方向に流動させられる。   In order to solve the above problem, as described in Patent Document 5, a cylindrical solid electrolyte layer, and a first electrode layer and a second electrode layer formed so as to sandwich the solid electrolyte layer from inside and outside A cylindrical MEA (Membrane Electrode Assembly) configured with the above can be employed. A gas containing a gas to be decomposed is caused to flow in the axial direction in the inner space of the cylindrical MEA.

上記ガスを分解するには、ガスを含む気体の温度をできるだけ高めて、上記筒状MEAの第1の電極層(燃料極)に作用させるのが好ましい。このため、上記筒状MEAの全体
を加熱するヒータが設けられている。
In order to decompose the gas, it is preferable that the temperature of the gas containing the gas is increased as much as possible to act on the first electrode layer (fuel electrode) of the cylindrical MEA. For this reason, the heater which heats the whole said cylindrical MEA is provided.

従来の筒状MEAでは、両端部に接続部材を接続して、ガスを筒状MEAの内部空間で一方向に流動させるように構成されている。ところが、上述したように、筒状MEAの全体が高温に保持されるため、上記筒状MEAの両端部と上記接続部材との間のシール性能が低下しやすく、接続の信頼性が低いという問題があった。   In the conventional cylindrical MEA, a connection member is connected to both ends so that gas flows in one direction in the internal space of the cylindrical MEA. However, as described above, since the entire tubular MEA is kept at a high temperature, the sealing performance between the both ends of the tubular MEA and the connecting member is likely to be lowered, and the connection reliability is low. was there.

また、上記筒状MEAを含むガス分解素子の全体が、上記加熱ヒータを設けた加熱容器内に設けられることになるため、上記接続部材やこれに接続される接続配管にも高い耐熱性が要求されることになる。このため、これらの間のシール構造や接続配管を高価な耐熱性材料で形成する必要があり、装置の製造コストを増加させる。   Moreover, since the whole gas decomposition element containing the said cylindrical MEA will be provided in the heating container provided with the said heater, high heat resistance is requested | required also for the said connection member and the connection piping connected to this. Will be. For this reason, it is necessary to form the sealing structure and connection piping between these with expensive heat-resistant material, and increase the manufacturing cost of an apparatus.

本願発明は、筒状MEA内を流れるガスの温度を高めて分解効率をより高めることができるとともに、外部配管やこれを接続する接続部材、及びこれらの間に設けられるシール構造が熱により損傷するのを防止し、さらに製造コストを低減させることのできるガス分解装置を提供することを課題とする。   According to the present invention, the temperature of the gas flowing in the cylindrical MEA can be increased to further improve the decomposition efficiency, and the external piping, the connecting member connecting the external piping, and the seal structure provided therebetween are damaged by heat. It is an object of the present invention to provide a gas decomposition apparatus that can prevent the above-described problem and further reduce the manufacturing cost.

本願発明は、筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の内周部に積層形成された第1の電極層と、上記固体電解質層の外周部に積層形成された第2の電極層とを有する筒状MEA(Membrane Electrode Assembly)を用いて構成されるガス分解装置であって、第1のガスを上記筒状MEA内に出入りさせる接続部材と、上記筒状MEAを収容して加熱するとともに、第2のガスを流動させる加熱容器と、上記筒状MEAの一端部を封止して設けられるとともに、上記加熱容器内に配置される封止部と、上記筒状MEAの内部空間に挿入されて、上記筒状MEAの内周面との間に筒状流路を形成するガス誘導パイプと、上記接続部材及び/又は上記突出部を冷却する冷却手段とを備え、上記接続部材は、上記ガス誘導パイプに連通するガス導入部を備えるとともに、上記ガス誘導パイプの外周部を囲み、側部にガス排出部を有する環状の排気空間を備えて構成されており、上記接続部材を介して上記ガス誘導パイプ内に導入されたガスを、上記封止部に向けて流動させるとともに、上記封止部近傍において上記誘導パイプ内から流出させることにより反転流動させ、上記筒状流路を上記ガス誘導パイプ内の流れと反対方向に向けて流動させながら第1の電極層に作用させて分解し、上記接続部材を介して排出するように構成されたものである。
The present invention includes a cylindrical solid electrolyte layer, a first electrode layer formed on the inner periphery of the solid electrolyte layer, and a second electrode layer formed on the outer periphery of the solid electrolyte layer. A gas decomposition apparatus configured using a tubular MEA (Membrane Electrode Assembly) having a connecting member that allows a first gas to enter and exit the tubular MEA, and accommodates and heats the tubular MEA In addition, a heating container that allows the second gas to flow , and one end of the cylindrical MEA are provided sealed, a sealing part that is disposed in the heating container, and an internal space of the cylindrical MEA. A gas induction pipe that is inserted and forms a cylindrical flow path between the inner peripheral surface of the cylindrical MEA, and a cooling means that cools the connecting member and / or the protruding portion. , Gas induction above A gas introduction part that communicates with the pipe, and an annular exhaust space that surrounds an outer peripheral part of the gas induction pipe and has a gas discharge part on a side part; The gas introduced into the pipe is caused to flow toward the sealing portion, and is caused to flow reversely by flowing out of the induction pipe in the vicinity of the sealing portion, so that the cylindrical flow path is formed in the gas induction pipe. The first electrode layer is decomposed by being caused to flow in the direction opposite to the direction of the flow and discharged through the connecting member.

本願発明に係るガス分解装置においては、高いガス分解性能を得るために、筒状MEAを高温に、たとえば、800℃以上に保持する必要がある。このため、上記加熱容器が設
けられるとともに、筒状MEAが上記加熱容器内に収容される。
In the gas decomposition apparatus according to the present invention, in order to obtain high gas decomposition performance, it is necessary to keep the cylindrical MEA at a high temperature, for example, 800 ° C. or more. For this reason, while the said heating container is provided, cylindrical MEA is accommodated in the said heating container.

本願発明では、上記筒状MEAに、上記加熱容器の下方外側に突出する突出部を設け、上記接続部材を上記突出部の先端部に設けている。すなわち、上記接続部材を、上記加熱容器の外側であって、上記加熱容器から離れた位置に設けている。この構成によって、上記加熱容器内の筒状MEAから上記接続部材に伝導される温度が低下させられる。しかも、本願発明では、上記接続部材を加熱容器の下方に設けているため、加熱容器の外側を対流する高温の空気に晒されることもない。したがって、筒状MEAと上記接続部材間のシール性能の低下を防止し、ガス漏れ等を防止することができる。また、上記接続部材やこれに接続される配管に高い耐熱性が要求されることがなくなり、接続の信頼性が高まるとともに、製造コストを低減させることができる。   In the present invention, the cylindrical MEA is provided with a protruding portion that protrudes downward and outward from the heating container, and the connecting member is provided at the tip of the protruding portion. That is, the connection member is provided outside the heating container and at a position away from the heating container. With this configuration, the temperature conducted from the cylindrical MEA in the heating container to the connecting member is lowered. Moreover, in the present invention, since the connecting member is provided below the heating container, it is not exposed to high-temperature air that convects the outside of the heating container. Therefore, it is possible to prevent the sealing performance between the cylindrical MEA and the connecting member from being lowered and to prevent gas leakage and the like. In addition, high heat resistance is not required for the connecting member and the pipe connected thereto, so that the connection reliability is increased and the manufacturing cost can be reduced.

上記突出部の構成は、特に限定されることはない上記突出部を、上記筒状MEAの一部上記加熱容器から突出させて構成することができる。
The configuration of the protruding portion is not particularly limited . The protruding portion can be configured by protruding a part of the cylindrical MEA from the heating container.

また上記突出部の一部又は全部を、上記筒状MEAと別部材から形成することができる。たとえば、上記筒状MEAに連続する筒状のセラミック部材を、上記筒状MEAの端部に接続して、上記突出部を形成することができる。
Moreover , a part or all of the projecting part can be formed from the cylindrical MEA and a separate member. For example, a cylindrical ceramic member continuous with the cylindrical MEA can be connected to an end of the cylindrical MEA to form the protruding portion.

上記突出部を構成する別部材は、材料自体が耐熱及び断熱性を備えるもので形成するのが好ましい。ただし、断熱性は必須ではない。すなわち、上記接続部材に作用する温度を
低減させることができれば、種々の材料を採用することができる。たとえば、耐熱性及び断熱性の高いセラミック等を採用することができる。また、ニッケル等の金属材料で上記突出部を形成した場合、上記突出部において、上記筒状MEAから伝導される熱を逃がして、上記接続部材や配管部材に作用する温度を低減させるように構成することもできる。
It is preferable that the separate member constituting the protruding portion is formed of a material having heat resistance and heat insulation. However, heat insulation is not essential. That is, various materials can be employed as long as the temperature acting on the connecting member can be reduced. For example, a ceramic having high heat resistance and high heat insulation can be employed. Further, when the protruding portion is formed of a metal material such as nickel, the heat transmitted from the cylindrical MEA is released at the protruding portion, and the temperature acting on the connecting member or the piping member is reduced. You can also

また、上記突出部を冷却する冷却手段を設けている。上記冷却手段の構成は特に限定されることはない。たとえば、上記突出部に放熱フィン等を設けることができる。また、上記突出部に冷却用空気や冷却水を採用させて、冷却することもできる。
Further, a cooling means for cooling the protruding portion is provided . The configuration of the cooling means is not particularly limited. For example, a radiating fin or the like can be provided on the protruding portion. In addition, cooling can be performed by using cooling air or cooling water in the protruding portion.

また上記冷却手段を、上記加熱容器に流入する前の第2のガスを用いて上記接続部材及び/又は上記突出部を冷却するように構成することができる。上記第2のガスとして空気が用いられることが多く、しかも、ファンや吸引手段等によって上記加熱容器内に導入されるとともに、所定の流速で流動させられる。このため、上記第2のガスを利用することにより、非常に効率のよい冷却手段を構成することができる。
Moreover , the said cooling means can be comprised so that the said connection member and / or the said protrusion part may be cooled using the 2nd gas before flowing in into the said heating container. In many cases, air is used as the second gas, and the air is introduced into the heating container by a fan, suction means, or the like, and is allowed to flow at a predetermined flow rate. For this reason, a very efficient cooling means can be comprised by utilizing the said 2nd gas.

上記第2のガスを利用した冷却手段の構成は特に限定されることはない。たとえば、上記第2のガスの流路を、上記接続部材及び/又は上記突出部の周囲に配置して、これら部位を外気温度で流動させられる第2のガスに晒すように構成することができる。   The structure of the cooling means using the second gas is not particularly limited. For example, the flow path of the second gas can be arranged around the connecting member and / or the protruding portion, and these portions can be configured to be exposed to the second gas that is allowed to flow at the outside air temperature. .

特に、上記突出部を上記筒状MEAと別部材で形成する場合には、冷却用のフィンや上記第2のガスの流路を上記突出部に一体形成することもできる。   In particular, when the projecting portion is formed of a separate member from the cylindrical MEA, the cooling fin and the second gas flow path can be integrally formed with the projecting portion.

記突出部先端の温度を、260℃以下に設定するのが好ましい。上記温度範囲を設定する手段は、特に限定されることはない。たとえば、上記突出部あるいは上記接続部材に温度センサーを設けるとともに、制御手段によって制御できる上記冷却手段を設けることにより、上記温度を制御することができる。また、加熱容器の温度や周囲の温度に応じて、上記突出部の長さを調節することにより、上記温度を設定することもできる。上記設定温度は、接続部材間のシール構造の耐熱性、接続部材や接続配管の耐熱性に応じて設定することができる。
The temperature of the upper Symbol projecting tip, preferably set to 260 ° C. or less. The means for setting the temperature range is not particularly limited. For example, the temperature can be controlled by providing a temperature sensor in the projecting portion or the connecting member and providing the cooling means that can be controlled by the control means. Moreover, the said temperature can also be set by adjusting the length of the said protrusion part according to the temperature of a heating container, or ambient temperature. The set temperature can be set according to the heat resistance of the seal structure between the connection members and the heat resistance of the connection members and the connection pipes.

上記構成を採用することにより、上記筒状MEAと上記接続部材間のシール構造や、上記接続部材自体が熱によって損傷等するのを確実に防止することができる。また、上記接続部材や配管部材に耐熱性の低い部材を採用することが可能となり、製造コストを低減させることができる。   By adopting the above configuration, it is possible to reliably prevent the sealing structure between the cylindrical MEA and the connection member and the connection member itself from being damaged by heat. Moreover, it becomes possible to employ | adopt a member with low heat resistance for the said connection member or piping member, and can reduce manufacturing cost.

上記突出部や上記冷却手段を設けることにより、上記接続部材に作用する温度を大幅に低下させることができる。これにより上記接続部材を、樹脂材料から形成することが可能となる。上記樹脂材料の種類は特に限定されることはない。たとえば、フッ素樹脂等を採用することができる。また、樹脂材料から上記接続部材を形成することにより、加工等を容易に行うことも可能となり、製造コストを低減させることができる。
By providing the protrusion and the cooling means, the temperature acting on the connecting member can be greatly reduced. Thereby , the connection member can be formed from a resin material. The kind of the resin material is not particularly limited. For example, a fluororesin can be used. In addition, by forming the connecting member from a resin material, it is possible to easily perform processing and the like, and the manufacturing cost can be reduced.

また、本願発明では、上記筒状MEAを、一端部を封止して設けられるとともに、上記加熱容器内に配置される封止部と、上記筒状MEAの内部空間に挿入されて、上記筒状MEAの内周面との間に筒状流路を形成するガス誘導パイプを備えて構成し、上記接続部材を介して上記ガス誘導パイプ内に導入されたガスを、上記封止部に向けて流動させるとともに、上記封止部近傍において上記誘導パイプ内から流出させることにより反転流動させ、上記筒状流路を上記ガス誘導パイプ内の流れと反対方向に向けて流動させながら第1の電極層に作用させて分解し、上記接続部材を介して排出するように構成している。
In the present invention, the cylindrical MEA is provided with one end sealed, and is inserted into the sealing portion disposed in the heating container and the internal space of the cylindrical MEA. A gas guide pipe that forms a cylindrical flow path between the inner peripheral surface of the MEA and the gas introduced into the gas guide pipe via the connection member is directed toward the sealing portion. The first electrode while flowing in the direction opposite to the flow in the gas induction pipe by causing it to flow reversely by flowing out of the induction pipe in the vicinity of the sealing portion. It is configured to be decomposed by acting on the layer and to be discharged through the connecting member .

上記構成を採用することにより、ガスを出入りさせる接続部材を片側のみに設けることが可能となり、筒状MEAと上記接続部材とのシール構造も1か所に設ければ良い。したがって、接続の信頼性が高まる。また、部品点数や加工工程を低減させることができる。
By adopting the above configuration, it is possible to provide a connecting member for allowing gas to enter and exit only on one side, and the sealing structure between the cylindrical MEA and the connecting member may be provided in one place. Therefore, the reliability of connection is increased. In addition, the number of parts and processing steps can be reduced.

また、上記構成を採用することにより、筒状MEAを流れるガスは、筒状MEAの筒長さの2倍の距離を流動させられることになる。このため、上記ガス誘導パイプ内でガスの温度を上昇させた後に、上記筒状MEAに作用させることができる。したがって、ガスの分解効率を高めることが可能となり、ガスの流量を増加させてガスの処理量を増加させることが可能となる。   In addition, by adopting the above configuration, the gas flowing through the cylindrical MEA can flow a distance twice as long as the cylindrical length of the cylindrical MEA. For this reason, after raising the temperature of gas in the said gas induction pipe, it can be made to act on the said cylindrical MEA. Therefore, it is possible to increase the gas decomposition efficiency, and it is possible to increase the gas throughput by increasing the gas flow rate.

上記筒状MEAの一端部を封止する構成は特に限定されることはない。たとえば、上記筒状MEAの一端部を、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することができる。上記底部は、成形及び焼結工程において筒状MEAと一体形成されるため、ガスが漏れ出る恐れはなく、筒状MEAの一端部を確実に封止することができる。   The structure which seals the one end part of the said cylindrical MEA is not specifically limited. For example, one end of the cylindrical MEA can be sealed with a bottom formed by integrally extending the solid electrolyte layer. Since the bottom part is integrally formed with the cylindrical MEA in the molding and sintering steps, there is no risk of gas leakage, and one end of the cylindrical MEA can be reliably sealed.

また、上記筒状MEAの一端部を、封止部材を筒状MEAの端部に嵌合させて封止することもできる。この構成を採用することにより、本願発明を両端が開口された従来の筒状MEAに適用することが可能となる。   Further, one end of the cylindrical MEA can be sealed by fitting a sealing member to the end of the cylindrical MEA. By adopting this configuration, the present invention can be applied to a conventional cylindrical MEA having both ends opened.

上記筒状MEAにおけるガスの出入り口は、分解前のガスと分解後のガスが混合しないように、二重構造を備える接続部材が設けられる。上記接続部材は、上記ガス誘導パイプに連通するガス導入部を備えるとともに、上記ガス誘導パイプの外周部を囲み、側部にガス排出部を有する環状の排気空間を備えて構成される。上記接続部材を採用することにより、上記筒状MEAの一方の側から、分解されるガスを含む気体を導入するとともに、分解されたガスを含む気体を排出することができる。
A connecting member having a double structure is provided at the gas inlet / outlet of the cylindrical MEA so that the gas before decomposition and the gas after decomposition do not mix. The connecting member is provided with a gas inlet communicating with the gas conducting pipe surrounds the outer periphery of the gas introduction pipe is configured with an exhaust annular space having a gas outlet on the side. By adopting the connection member, it is possible to introduce a gas containing a gas to be decomposed and discharge a gas containing the decomposed gas from one side of the cylindrical MEA.

また、上記ガス誘導パイプを第1の電極層の集電体として利用することができる。すなわち、上記ガス誘導パイプを導電性材料から形成するとともに、上記第1の電極層に導通させることにより、上記第1の電極層の集電体として機能させることができる。   The gas induction pipe can be used as a current collector for the first electrode layer. That is, the gas induction pipe can be made of a conductive material and can be made to function as a current collector of the first electrode layer by being conducted to the first electrode layer.

上記ガス誘導パイプを第1の電極層の集電体として利用することにより、ガス分解効率を高めることができるばかりでなく、筒状MEA内のスペースを有効活用することができる。しかも、上記突出部内において、上記ガス誘導パイプに導通する配線を設けることができる。   By using the gas induction pipe as a current collector for the first electrode layer, not only the gas decomposition efficiency can be increased, but also the space in the cylindrical MEA can be effectively utilized. In addition, a wiring conducting to the gas induction pipe can be provided in the protruding portion.

上記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。たとえば、ステンレス、ニッケル、インコネル(スペシャルメタル社の登録商標)等のニッケル合金製の材料を用いて形成することができる。   Although the material which comprises the said gas induction pipe is not specifically limited, It is necessary to form with the material which corrosion etc. do not produce by the gas to decompose | disassemble. For example, it can be formed using a material made of a nickel alloy such as stainless steel, nickel, or Inconel (registered trademark of Special Metal Co.).

上記第1の電極層と上記ガス誘導パイプとを導通させる手法は特に限定されることはない。たとえば、導電性を有する多孔質金属体を、上記筒状MEA内周面と上記ガス誘導パイプ外周面の間に形成される筒状流路内に挿入して、上記第1の電極層と上記ガス誘導パイプとを導通させることができる。また、上記多孔質金属体を設けることにより、上記第1の電極層の内周面と上記ガス誘導パイプの外周面との間の筒状流路を確保することができるとともに、上記ガス誘導パイプを筒状MEA内で位置決め保持することができる。   The method for electrically connecting the first electrode layer and the gas induction pipe is not particularly limited. For example, a porous metal body having conductivity is inserted into a cylindrical flow path formed between the inner peripheral surface of the cylindrical MEA and the outer peripheral surface of the gas induction pipe, and the first electrode layer and the above The gas induction pipe can be conducted. Further, by providing the porous metal body, it is possible to secure a cylindrical flow path between the inner peripheral surface of the first electrode layer and the outer peripheral surface of the gas induction pipe, and the gas induction pipe. Can be positioned and held in the cylindrical MEA.

上記第1の電極層及び上記第2の電極層を構成する材料も特に限定されることはない。たとえば上記第1の電極層及び/又は上記第2の電極層を、ニッケル(Ni)を主成分とする金属粒子連鎖体と、イオン導電性セラミックスとを含む焼成体とすることができる。金属粒子連鎖体は、金属粒子が連なってできた数珠状の細長い金属体をいう。Ni,Fe含有Ni、もしくはNi,Fe含有Niに微量Tiを含む金属とするのがよい。Niなどは表面酸化された状態では、その金属粒子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。
The materials constituting the first electrode layer and the second electrode layer are not particularly limited. For example , the first electrode layer and / or the second electrode layer may be a fired body including a metal particle chain body mainly composed of nickel (Ni) and an ion conductive ceramic. The metal particle chain refers to a bead-like elongated metal body formed by connecting metal particles. Ni, Fe-containing Ni, or Ni, Fe-containing Ni may be a metal containing a small amount of Ti. In a state where Ni or the like is oxidized, the surface of the metal particle chain is oxidized, and the contents (portion inside the surface layer) are not oxidized and retain the conductivity of the metal.

このため、たと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。
(A1)金属粒子連鎖体を第1の電極層(アノード)に含有させた場合、第1の電極層(アノード)において、固体電解質層から移動してくる陰イオンと、第1の電極層(アノード)の外部から第1の電極層(アノード)へと導かれる気体中のガス分子との化学反応を、金属粒子連鎖体の酸化層によって促進させ(触媒作用)、かつ陰イオンを参加させて第1の電極層(アノード)での化学反応を促進させる(電荷による促進作用)。そして、その化学反応の結果、生じる電子の導電性を、金属粒子連鎖体の金属部分で確保することができる。この結果、第1の電極層(アノード)における電荷の授受を伴う電気化学反応を、全体的に促進することができる。金属粒子連鎖体を第1の電極層(アノード)に含有させた場合、第1の電極層(アノード)において、陽イオンたとえばプロトンを発生させて固体電解質層中を第2の電極層(カソード)へと陽イオンを移動させ、上記の電荷による促進作用を、同様に得ることができる。
ただし、金属粒子連鎖体の酸化層については、使用前は焼成処理によって確実に形成されているが、使用中に還元反応によって酸化層がなくなることが多い。酸化層がなくなっても、上記の触媒作用は減ずることはあってもなくなることはない。とくにFeやTiを含有させたNiは、酸化層がなくても触媒作用は高い。
(A2)金属粒子連鎖体を第2の電極層(カソード)に含有させた場合、第2の電極層(カソード)において、第2の電極層(カソード)の外部から第2の電極層(カソード)へと導かれる気体中のガス分子の化学反応を、金属粒子連鎖体の酸化層によって促進させ(触媒作用)、かつ外部回路からの電子の導電性を向上させるとともに、当該電子を参加させて第2の電極層(カソード)での化学反応を促進させる(電荷による促進作用)。そして、当該分子から効率よく陰イオンを生じて、固体電解質層へと送り出すことができる。(A1)と同様に、(A2)の場合、固体電解質層中を移動してきた陽イオンと、外部回路を流れてきた電子と、第2の気体との電気化学反応を促進することができる。このため、上記第1の電極層(アノード)に含ませる場合と同様に、第2の電極層(カソード)における電荷の授受を伴う電気化学反応を、全体的に促進することができる。どのような場合に、金属粒子連鎖体を第2の電極層(カソード)に含ませるかは、分解対象のガスによって変わる。
(A3)金属粒子連鎖体を第1の電極層(アノード)及び第2の電極層(カソード)に含有させた場合は、上記(A1)および(A2)の効果を得ることができる。
For this reason, for example, when the ion moving in the solid electrolyte layer is an anion (in some cases, it is a cation), the following effects are produced.
(A1) When a metal particle chain is contained in the first electrode layer (anode), in the first electrode layer (anode), the anion moving from the solid electrolyte layer and the first electrode layer ( The chemical reaction with the gas molecules in the gas led from the outside of the anode) to the first electrode layer (anode) is promoted by the oxidation layer of the metal particle chain (catalysis), and an anion is added. The chemical reaction in the first electrode layer (anode) is promoted (acceleration effect by electric charge). And as a result of the chemical reaction, the conductivity of the generated electrons can be ensured by the metal portion of the metal particle chain. As a result, the electrochemical reaction involving charge transfer in the first electrode layer (anode) can be accelerated as a whole. When the metal particle chain is contained in the first electrode layer (anode), a cation, for example, a proton is generated in the first electrode layer (anode), and the second electrode layer (cathode) is generated in the solid electrolyte layer. The cation can be moved to the surface, and the above-mentioned promoting action by the charge can be obtained similarly.
However, the oxide layer of the metal particle chain is surely formed by firing before use, but the oxide layer is often lost due to a reduction reaction during use. Even if the oxide layer disappears, the above-described catalytic action may or may not be reduced. In particular, Ni containing Fe or Ti has high catalytic action even without an oxide layer.
(A2) When the second electrode layer (cathode) contains a metal particle chain in the second electrode layer (cathode), the second electrode layer (cathode) from the outside of the second electrode layer (cathode). The chemical reaction of gas molecules in the gas led to gas) is promoted by the oxidation layer of the metal particle chain (catalysis), and the conductivity of the electrons from the external circuit is improved and the electrons are allowed to participate. The chemical reaction at the second electrode layer (cathode) is promoted (acceleration effect by electric charge). Then, anions can be efficiently generated from the molecules and delivered to the solid electrolyte layer. As in (A1), in the case of (A2), the electrochemical reaction between the cation that has moved through the solid electrolyte layer, the electrons that have flowed through the external circuit, and the second gas can be promoted. For this reason, the electrochemical reaction accompanied by transfer of electric charge in the second electrode layer (cathode) can be accelerated as a whole, as in the case of being included in the first electrode layer (anode). In what case, the metal particle chain is included in the second electrode layer (cathode) depending on the gas to be decomposed.
(A3) When the metal particle chain is contained in the first electrode layer (anode) and the second electrode layer (cathode), the effects (A1) and (A2) can be obtained.

上記の電気化学反応は、イオンの固体電解質層を移動する速度または移動時間で律速される場合が多い。イオンの移動速度を大きくするために、上記のガス分解装置は、上記筒状MEAの全体を収容できる加熱機器たとえばヒータを備え、高温、たとえば600℃〜1000℃にするのが普通である。高温にすることで、イオン移動速度だけでなく、電極層での電荷授受をともなう化学反応も促進される。   In many cases, the electrochemical reaction is limited by the moving speed or moving time of the solid electrolyte layer of ions. In order to increase the moving speed of ions, the gas decomposing apparatus generally includes a heating device that can accommodate the entire cylindrical MEA, such as a heater, and is usually set to a high temperature, for example, 600 ° C to 1000 ° C. By raising the temperature, not only the ion transfer speed but also a chemical reaction accompanied by charge transfer in the electrode layer is promoted.

固体電解質層を移動するイオンが陰イオンの場合は、上述のように、第2の電極層(カソード)での化学反応によって発生し、供給される。第2の電極層(カソード)において導入された流体中の分子と電子とが反応して陰イオンが生成する。生成した陰イオンは、固体電解質層中を第1の電極層(アノード)へと移動する。第2の電極層(カソード)での反応に参加する電子は、第1の電極層(アノード)と第2の電極層(カソード)とを連絡する外部回路(蓄電器、電源、電力消費機器を含む)から入ってくる。固体電解質層を移動するイオンが陽イオンの場合は、第1の電極層(アノード)での電気化学反応によって発生して固体電解質層中を第2の電極層(カソード)へと移動する。電子は、第1の電極層(アノード)で発生して外部回路を第2の電極層(カソード)へと流れて第2の電極層(カソード)での電気化学反応に参加する。上記電気化学反応は、燃料電池としての発電反応であってもよいし、または電気分解反応であってもよい。   When the ions moving through the solid electrolyte layer are anions, they are generated and supplied by a chemical reaction at the second electrode layer (cathode) as described above. Molecules in the fluid and electrons introduced in the second electrode layer (cathode) react to generate anions. The generated anion moves in the solid electrolyte layer to the first electrode layer (anode). The electrons participating in the reaction at the second electrode layer (cathode) include an external circuit (capacitor, power source, and power consuming device) that connects the first electrode layer (anode) and the second electrode layer (cathode). ) Comes in. When the ions moving through the solid electrolyte layer are cations, they are generated by an electrochemical reaction in the first electrode layer (anode) and move through the solid electrolyte layer to the second electrode layer (cathode). Electrons are generated at the first electrode layer (anode) and flow through an external circuit to the second electrode layer (cathode) to participate in the electrochemical reaction at the second electrode layer (cathode). The electrochemical reaction may be a power generation reaction as a fuel cell, or may be an electrolysis reaction.

体電解質層を、酸素イオン導電性またはプロトン導電性を有する構成とすることができる。酸素イオン導電性の固体電解質を用いた場合、たとえば第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、この酸素イオンを固体電解質層内で移動させて第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。
The solid body electrolyte layer can have a structure having oxygen ion conductivity or proton conductivity. When an oxygen ion conductive solid electrolyte is used, for example, electrons and oxygen molecules are reacted in the second electrode layer (cathode) to generate oxygen ions, which are then moved in the solid electrolyte layer. A predetermined electrochemical reaction can be caused in one electrode layer (anode). In this case, since the moving speed of oxygen ions in the solid electrolyte layer is not large compared to protons, the temperature is sufficiently increased and / or the thickness of the solid electrolyte layer is sufficiently thin to obtain a practical level of decomposition capacity. Such measures are necessary.

一方、プロトン導電性の固体電解質は、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を用いると、たとえば第1の電極層(アノード)でアンモニアを分解してプロトン、窒素分子および電子を生じさせて、このプロトンを、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層中の移動速度は大きく、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。 On the other hand, barium zirconate (BaZrO 3 ) is known as a proton conductive solid electrolyte. When a proton conductive solid electrolyte is used, for example, ammonia is decomposed at the first electrode layer (anode) to generate protons, nitrogen molecules and electrons, and this proton is passed through the solid electrolyte layer to the second electrode layer. It moves to (cathode) and reacts with oxygen in the second electrode layer (cathode) to generate water (H 2 O). Since protons are small compared to oxygen ions, the moving speed in the solid electrolyte layer is high, and a practical decomposition capacity can be obtained by lowering the heating temperature.

また、たとえば筒状MEAを用いてアンモニア分解を行うとき、酸素イオン導電性の固体電解質層では、水を筒状MEAの第1の電極層(アノード)で生成する反応となる。水は、温度が低い出口付近では水滴を形成して圧力損失の原因となる。これに対して、プロトン導電性の固体電解質層を用いると、プロトンと酸素分子と電子とが、第2の電極層(カソード)(外側)で生成される。外側はほぼ開放されているので、水滴となって付着しても圧力損失を生じにくい。   For example, when ammonia decomposition is performed using a cylindrical MEA, the oxygen ion conductive solid electrolyte layer is a reaction that generates water in the first electrode layer (anode) of the cylindrical MEA. Water forms water droplets near the outlet where the temperature is low, causing pressure loss. In contrast, when a proton conductive solid electrolyte layer is used, protons, oxygen molecules, and electrons are generated at the second electrode layer (cathode) (outside). Since the outside is almost open, even if it adheres as water droplets, pressure loss is unlikely to occur.

また、分解対象のガスを燃料とし、ガス分解装置を備えて発電装置を構成することもできる。 Further, the decomposition target gas as fuel, it is also possible to configure the power generating device comprises a gas decomposition apparatus.

外部配管やこれを接続する接続部材、及びこれらの間に設けられるシール構造が熱により損傷するのを防止し、さらに製造コストを低減させることのできるガス分解装置を提供できる。   It is possible to provide a gas decomposition apparatus that can prevent external piping, a connecting member that connects the external piping, and a seal structure provided between them from being damaged by heat, and can further reduce manufacturing costs.

本願発明のガス分解装置の概略構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows schematic structure of the gas decomposition apparatus of this invention. 本願発明の第1の実施形態に係るガス分解装置の先端側(封止側)を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the front end side (sealing side) of the gas decomposition apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図2におけるIII−III線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the III-III line in FIG. 図2のガス分解装置における電気配線系統を示す図である。It is a figure which shows the electrical wiring system | strain in the gas decomposition apparatus of FIG. 図2に示すガス分解装置の突出部側(開口端側)の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view by the side of the protrusion part (opening end side) of the gas decomposition apparatus shown in FIG. 本願発明の第2の実施形態に係るガス分解装置の要部の拡大縦断面図である。It is an expanded longitudinal cross-sectional view of the principal part of the gas decomposition apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention.

以下、本願発明の実施形態を、図を用いて具体的に説明する。
図1は、本願発明の第1の実施形態に係るガス分解装置100の概略構成を示す縦断面図である。なお、本実施形態では、分解に供される第1のガスをアンモニア含有ガスとし、第2のガスとして空気を採用した場合のガス分解装置100について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of a gas decomposition apparatus 100 according to a first embodiment of the present invention. In the present embodiment, a gas decomposition apparatus 100 in which the first gas used for decomposition is an ammonia-containing gas and air is used as the second gas will be described.

第1の実施形態では、筒状MEA7を備えて構成される複数のガス分解素子10を加熱容器51内に収容してガス分解装置100が構成されている。   In the first embodiment, a gas decomposition apparatus 100 is configured by housing a plurality of gas decomposition elements 10 each including a cylindrical MEA 7 in a heating container 51.

上記筒状MEA7には、上部を加熱容器51内に収容するとともに、下部を上記加熱容器から下方へ突出させることにより突出部41が設けられている。上記筒状MEA7の下端の開口端部には、接続部材30が設けられており、この接続部材30を介して、上記筒状MEAの内側に形成される第1のガス流路91へ第1のガスを導入するとともに排出できるように構成している。   The cylindrical MEA 7 is provided with a projecting portion 41 by accommodating the upper portion in the heating container 51 and projecting the lower portion downward from the heating container. A connecting member 30 is provided at the opening end of the lower end of the cylindrical MEA 7, and a first gas channel 91 is formed through the connecting member 30 to the first gas channel 91 formed inside the cylindrical MEA. The gas is introduced and discharged.

上記加熱容器51には、加熱ヒータ52が設けられており、この加熱ヒータ52を作動させることにより、上記筒状MEA7、及びこれに作用させられる第1及び第2のガスを加熱するように構成している。上記加熱ヒータ52は、図示しない制御装置によって制御されるように構成されており、加熱容器51内を所定の温度が、たとえば、800〜1000℃に保持される。   The heating vessel 51 is provided with a heater 52, and the heater 52 is operated to heat the cylindrical MEA 7 and the first and second gases applied to the cylindrical MEA 7. doing. The heater 52 is configured to be controlled by a control device (not shown), and a predetermined temperature is maintained, for example, at 800 to 1000 ° C. in the heating container 51.

上記加熱容器51の下部には、第2のガスを導入する導入口61が設けられるとともに、上部に処理された第2のガスを排出する排出口62が設けられており、第2のガスは、上記加熱容器51内の空間S内を、下方から上方に向けて流動するように構成されている。   In the lower part of the heating container 51, an inlet 61 for introducing the second gas is provided, and an outlet 62 for discharging the processed second gas is provided in the upper part. The space S in the heating container 51 is configured to flow from below to above.

図2は、上記ガス分解装置100における加熱容器51内の構造を示す要部の拡大縦断面図である。また図3は、図2におけるIII−III線に沿う断面図である。   FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view of a main part showing the structure inside the heating vessel 51 in the gas decomposition apparatus 100. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.

ガス分解素子10は、円筒状の固体電解質層1の内面を覆うように第1の電極層(アノード)2が設けられると共に、外面を覆うように第2の電極層(カソード)5が設けられた筒状MEA7(1、2、5)を備えて構成されている。第1の電極層(アノード)2は燃料極、また、第2の電極層(カソード)5は空気極と呼ばれることがある。
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。一方、筒状MEA7(1、2、5)の外側の加熱容器51内には、第2のガスとして酸素含有ガスである空気が流される。
The gas decomposition element 10 is provided with a first electrode layer (anode) 2 so as to cover the inner surface of the cylindrical solid electrolyte layer 1, and a second electrode layer (cathode) 5 so as to cover the outer surface. The cylindrical MEA 7 (1, 2, 5) is provided. The first electrode layer (anode) 2 may be called a fuel electrode, and the second electrode layer (cathode) 5 may be called an air electrode.
In the present embodiment, as described above, the ammonia-containing gas flows as the first gas inside the cylindrical MEA 7 (1, 2, 5). On the other hand, in the heating container 51 outside the cylindrical MEA 7 (1, 2, 5), air that is an oxygen-containing gas flows as the second gas.

上記突出部41を加熱容器51の下方へ突出させて上記接続部材30を設けることにより、加熱容器51から上記接続部材30へ伝導される熱を低減させることができる。しかも、上記突出部41が加熱容器51の下方へ突出させられているため、上記接続部材30及び上記突出部41が、上記加熱容器51の周囲において対流する高温の空気に晒されることもない。このため、上記突出部41の下端側(接続部材30側)の温度が低下させられて、上記接続部材30に高い温度が作用することがなくなる。また、筒状MEA7と上記接続部材30間のシール性能の低下を防止することができる。これにより、上記接続部材30やこれに接続されるガス導入管45等に高い耐熱性が要求されることがなくなり、接続の信頼性が高まるとともに、製造コストを低減させることができる。   By providing the connecting member 30 by projecting the protruding portion 41 below the heating container 51, heat conducted from the heating container 51 to the connecting member 30 can be reduced. In addition, since the protrusion 41 protrudes downward from the heating container 51, the connection member 30 and the protrusion 41 are not exposed to high-temperature air that convects around the heating container 51. For this reason, the temperature on the lower end side (connecting member 30 side) of the protruding portion 41 is lowered, and a high temperature does not act on the connecting member 30. Moreover, the fall of the sealing performance between cylindrical MEA7 and the said connection member 30 can be prevented. Thereby, high heat resistance is not required for the connecting member 30 and the gas introduction pipe 45 connected thereto, and the connection reliability is increased and the manufacturing cost can be reduced.

しかも、本実施形態では、上記接続部材30及び上記突出部41の一部(下端部近傍)を冷却できる冷却手段70を設けている。上記冷却手段70は、上記接続部材30及び上記突出部41の一部を囲むようにして、上記加熱容器51に流入する前の第2のガス(空気)を流動させる冷却室71を備えて構成されている。上記冷却室71には、上記加熱容器51から離れた部位において第2のガスを上記冷却室71に取り入れる取り入れ口72が設けられており、外気温度の空気が第2のガスとして上記冷却室71に取り入れられる。また、上記冷却室71の上記取り入れ口72と反対側には、上記加熱容器51の上記導入口61に繋がる配管73が設けられている。   In addition, in the present embodiment, a cooling means 70 that can cool the connection member 30 and a part of the protrusion 41 (near the lower end) is provided. The cooling means 70 includes a cooling chamber 71 that flows the second gas (air) before flowing into the heating container 51 so as to surround a part of the connection member 30 and the protruding portion 41. Yes. The cooling chamber 71 is provided with an intake 72 for taking the second gas into the cooling chamber 71 at a location away from the heating container 51, and air at an outside temperature serves as the second gas. Incorporated. A pipe 73 connected to the inlet 61 of the heating container 51 is provided on the opposite side of the cooling chamber 71 from the inlet 72.

上記取り入れ口72から取り入れられた第2のガスは、上記接続部材30及び上記突出部の一部の周囲を流動しながら、上記配管73を介して、上記加熱容器51に流入するように構成されている。   The second gas introduced from the intake 72 is configured to flow into the heating container 51 through the pipe 73 while flowing around the connection member 30 and a part of the protrusion. ing.

上記第2のガスは、図示しないファンあるいは吸引装置等によって、上記冷却室71内及び上記加熱容器51内を流動させられる。したがって、上記冷却室71を設けるだけで、上記接続部材30、上記突出部41及びこれらの間に設けられるシール構造に、高い熱が作用することを防止できる。   The second gas is caused to flow in the cooling chamber 71 and the heating container 51 by a fan or a suction device (not shown). Therefore, it is possible to prevent high heat from acting on the connecting member 30, the protruding portion 41, and the seal structure provided between them only by providing the cooling chamber 71.

上記構成を採用することにより、上記接続部材30を、樹脂材料から形成することが可能となる。上記樹脂材料の種類は特に限定されることはない。たとえば、耐熱性の高いフッ素樹脂等を採用するのが好ましい。樹脂材料から上記接続部材を形成することにより、加工等を容易に行うことも可能となり、製造コストを低減させることができる。   By employ | adopting the said structure, it becomes possible to form the said connection member 30 from a resin material. The kind of the resin material is not particularly limited. For example, it is preferable to employ a fluororesin having high heat resistance. By forming the connecting member from a resin material, it becomes possible to easily perform processing and the like, and the manufacturing cost can be reduced.

本実施形態では、接続部材30の温度がフッ素樹脂の耐熱温度以下、たとえば、260℃以下となるように上記突出部41の突出長さが設定され、また、上記冷却手段70が設けられている。   In the present embodiment, the protruding length of the protruding portion 41 is set so that the temperature of the connecting member 30 is lower than the heat resistant temperature of the fluororesin, for example, 260 ° C. or lower, and the cooling means 70 is provided. .

なお、冷却手段は、上記冷却室を備えたものに限定されることはない。たとえば、上記突出部41に、直接冷却空気を送るファン等を設けることもできる。また、上記突出部41の周囲に、冷却水を流す冷却管路を設けてもよい。上記冷却手段70を設けることにより、突出部41や接続部材30の冷却効率が高まり、上記突出部41の突出長さを短縮することも可能となる。従って、ガス分解装置100を小型化することもできる。   The cooling means is not limited to the one provided with the cooling chamber. For example, the protrusion 41 can be provided with a fan or the like that sends cooling air directly. In addition, a cooling conduit through which cooling water flows may be provided around the protrusion 41. By providing the cooling means 70, the cooling efficiency of the projecting portion 41 and the connecting member 30 is increased, and the projecting length of the projecting portion 41 can be shortened. Therefore, the gas decomposition apparatus 100 can be reduced in size.

本実施形態のガス分解素子10では、上記筒状MEA7(1、2、5)の一端部(上端部)側が封止されると共に、他端部(下端部)側からステンレス、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、即ち600〜1000℃に対する耐熱性と、アンモニアガス耐蝕性とを備えた材料で構成されるガス誘導パイプ11kが挿入されている。上記一端部は、上記筒状MEA7(1、2、5)の固体電解質層1及び内側電極層2を延出させて、底部を設けることにより封止部44が設けられている。   In the gas decomposition element 10 of the present embodiment, one end (upper end) side of the cylindrical MEA 7 (1, 2, 5) is sealed, and stainless steel, copper, nickel, A gas induction pipe 11k made of an alloy containing iron, chromium, niobium, molybdenum or the like based on Ni, such as Inconel, that is, a material having heat resistance to 600 to 1000 ° C. and ammonia gas corrosion resistance is provided. Has been inserted. The one end portion is provided with a sealing portion 44 by extending the solid electrolyte layer 1 and the inner electrode layer 2 of the cylindrical MEA 7 (1, 2, 5) and providing a bottom portion.

上記ガス誘導パイプ11kは、上記筒状MEA7(1、2、5)の他端部側から上記一端部である封止部44側に向けて挿入されており、上記筒状MEA7の第1の電極層2の内周面と上記ガス誘導パイプ11kの外周面との間に、筒状流路43が形成されるように設定されている。この筒状流路43には、多孔質金属体11sが挿入されており、上記ガス誘導パイプ11kを中央部に保持しつつ、上記ガス誘導パイプ11kの外周面と上記第1の電極層2の内周面との間に、筒状流路43が形成される構成としている。   The gas induction pipe 11k is inserted from the other end portion side of the cylindrical MEA 7 (1, 2, 5) toward the sealing portion 44 side which is the one end portion. A cylindrical flow path 43 is set between the inner peripheral surface of the electrode layer 2 and the outer peripheral surface of the gas induction pipe 11k. A porous metal body 11s is inserted into the cylindrical flow path 43, and the gas guide pipe 11k is held at the center while the outer peripheral surface of the gas guide pipe 11k and the first electrode layer 2 are in contact with each other. A cylindrical flow path 43 is formed between the inner peripheral surface.

本実施形態に係るガス分解素子10においては、上記ガス誘導パイプ11kの内部空間42内を上記封止部44に向けて第1のガスを流し、上記封止部44の近傍において上記ガス誘導パイプ11k内から第1のガスを流出させると共に反転させ、更に上記筒状流路43を上記内部空間42での流れとは反対方向に向けて第1のガスを流すように構成している。すなわち、上記内部空間42と筒状流路43とで上記第1のガス流路91が構成される。   In the gas decomposition element 10 according to the present embodiment, the first gas is caused to flow toward the sealing portion 44 in the internal space 42 of the gas guiding pipe 11k, and the gas guiding pipe is disposed in the vicinity of the sealing portion 44. The first gas is allowed to flow out from the inside of 11k and reversed, and the first gas is caused to flow in the direction opposite to the flow in the internal space 42 through the cylindrical flow path 43. That is, the first gas flow path 91 is configured by the internal space 42 and the cylindrical flow path 43.

上記構成を採用することにより、上記ガスは、上記筒状MEA7の内側の空間において、筒状MEA7の筒長さの約2倍の距離を第1のガス流路とすることができる。このため、上記ガス誘導パイプ11k内で充分に加熱され、温度が上昇された状態で、上記筒状MEA7に作用されることになる。従って、第1のガスの分解効率を高めることが可能となり、ガスの流量を増加させてガスの処理量を増加させることが可能となる。   By adopting the above-described configuration, the gas can be used as the first gas flow path in the space inside the cylindrical MEA 7 at a distance approximately twice the cylinder length of the cylindrical MEA 7. For this reason, it is heated in the gas induction pipe 11k and acts on the cylindrical MEA 7 in a state where the temperature is raised. Therefore, the decomposition efficiency of the first gas can be increased, and the gas flow rate can be increased to increase the gas throughput.

また、上記ガス誘導パイプ11kは、ステンレス等の導電性の金属で形成されており、アノード側集電体11の構成要素として機能するように構成されている。一方、第2の電極層(カソード)5の外面に巻き付くようにカソード側集電体12が配置されている。   The gas induction pipe 11k is made of a conductive metal such as stainless steel, and is configured to function as a component of the anode current collector 11. On the other hand, the cathode current collector 12 is arranged so as to wrap around the outer surface of the second electrode layer (cathode) 5.

上記アノード側集電体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と上記ガス誘導パイプ11kとを備えて構成されている。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(アノード)2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。   The anode side current collector 11 includes a silver paste coating layer 11g, a Ni mesh sheet 11a, a porous metal body 11s, and the gas induction pipe 11k. The Ni mesh sheet 11a is in contact with the first electrode layer (anode) 2 on the inner surface side of the cylindrical MEA 7 through the silver paste coating layer 11g, and conducts from the porous metal body 11s to the gas induction pipe 11k. Is configured to do. The tip portion W1 of the Ni mesh sheet 11a is conductively connected in the vicinity of the sealing portion 44 so as to be wound around the outer peripheral portion of the gas induction pipe 11k via a band-shaped joining member W2. Therefore, the Ni mesh sheet 11a includes, in parallel, a conductive path of (1) Ni mesh sheet 11a / porous metal body 11s / gas induction pipe 11k, and (2) Ni mesh sheet 11a / gas induction pipe 11k, The conductive path is formed. As a result, it is possible to prevent an increase in pressure loss while being located on the inner surface of the cylindrical MEA 7 and maintaining a low electrical resistance.

多孔質金属体11sは、第1の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、例えばセルメット(登録商標:住友電気工業株式会社)を用いるのが好ましい。第1の電極層(アノード)2とアノード側集電体11との間の電気抵抗を低減させるために、上記銀ペースト塗布層11gとNiメッシュシート11aとが配置されている。   As the porous metal body 11s, in order to reduce the pressure loss of the first gas, it is preferable to use a metal plated body that can increase the porosity, such as Celmet (registered trademark: Sumitomo Electric Industries, Ltd.). In order to reduce the electrical resistance between the first electrode layer (anode) 2 and the anode-side current collector 11, the silver paste coating layer 11g and the Ni mesh sheet 11a are disposed.

上記カソード側集電体12は、銀ペースト塗布配線12gとNiメッシュシート12aとを備えて構成されている。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。   The cathode current collector 12 includes a silver paste coated wiring 12g and a Ni mesh sheet 12a. In the present embodiment, the Ni mesh sheet 12a contacts the outer surface of the cylindrical MEA 7 and conducts to the external wiring 12e. The silver paste coated wiring 12g contains silver that acts as a catalyst for promoting the decomposition of oxygen in the oxygen-containing gas (air), which is the second gas, into oxygen ions in the second electrode layer (cathode) 5. In addition, this contributes to lowering the electrical resistance of the cathode current collector 12. The silver paste coated wiring 12g has a catalytic action equivalent to that of the silver particles contained in the second electrode layer (cathode) 5 by contacting the silver particles with the second electrode layer (cathode) 5 while passing oxygen molecules. To express.

本実施形態では、加熱容器51内の空間Sには予備加熱用配管53が上記加熱容器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のガスを、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、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製の耐熱及び耐腐食性を有する管を用いることができる。
In the present embodiment, a preheating pipe 53 is arranged in the space S in the heating container 51 so as to penetrate the heating container 51. The preheating pipe 53 is a pipe for preheating the first gas. By passing the first gas through the preheating pipe 53 before being introduced into the cylindrical MEA 7, the first gas having a low temperature is suddenly introduced into the cylindrical MEA 7, resulting in insufficient reaction. Is solved. As a result, it is possible to improve the decomposition performance and make the gas decomposition element 10 compact. The preheating pipe 53 includes a connection end 53a connected to the pipe from the first gas source, and the downstream side is connected to the gas introduction pipe 45.
As the preheating pipe 53, a heat-resistant pipe such as a Ni pipe, an Inconel pipe, or other metal or ceramic pipe having heat resistance and corrosion resistance can be used.

上記加熱容器51は耐熱材料で構成されることになるが、耐火物材料で厚肉に構成し、加熱ヒータ52を埋設したものとしてもよい。また、厚肉とした耐火物材料からなる加熱容器51の肉厚内に予備加熱用配管53を埋設、貫通させた構成とすることもできる。
上記筒状MEA7を加熱するヒータ52を利用して上記予備加熱用配管53を加熱することにより、上記第1のガスを効率よく予備加熱することができる。
Although the said heating container 51 is comprised with a heat-resistant material, it is good also as what is comprised thickly with the refractory material and embedded the heater 52. FIG. Moreover, it can also be set as the structure which embed | buried and penetrated the preheating piping 53 in the thickness of the heating container 51 which consists of a thick refractory material.
By heating the preheating pipe 53 using the heater 52 for heating the cylindrical MEA 7, the first gas can be efficiently preheated.

図4は、固体電解質層1が酸素イオン導電性である場合における、図1のガス分解素子10の電気配線系統を示す図である。アンモニアを含む第1のガスは、上記予備加熱用配管53を経た後、上記ガス誘導パイプ11kを介して、気密性を厳格にした筒状MEA7の内筒の最奥部、即ち上記封止部44の近傍まで誘導される。上記筒状MEA7は、加熱ヒータ52によってその全体が800℃程度に加熱されており、上記第1のガスは、上記ガス誘導パイプ11k内を流動する間に、昇温させられる。この間、上記第1のガス中のアンモニアが、上記ガス誘導パイプ11k内における加熱によって2NH3→N2+3H2 のように分解される。 FIG. 4 is a diagram showing an electrical wiring system of the gas decomposition element 10 of FIG. 1 when the solid electrolyte layer 1 is oxygen ion conductive. The first gas containing ammonia passes through the preheating pipe 53, and then passes through the gas induction pipe 11k to the innermost part of the inner cylinder of the cylindrical MEA 7 with strict airtightness, that is, the sealing part. It is guided to the vicinity of 44. The cylindrical MEA 7 is entirely heated to about 800 ° C. by the heater 52, and the temperature of the first gas is raised while flowing in the gas induction pipe 11k. During this time, ammonia in the first gas is decomposed as 2NH 3 → N 2 + 3H 2 by heating in the gas induction pipe 11k.

筒状MEA7を用いた場合、内面側に分解ガスを含む第1のガスを通すと共に、上記ガス誘導パイプ11kを保持するため、多孔質金属体11sが用いられる。圧力損失を低くする点から、上述のように、上記筒状流路43内に配置される多孔質金属体11sとして、多孔質金属めっき体、例えば上述したセルメット(登録商標)を用いることができる。アンモニアを含む第1のガスは、上記第1のガス流路を内部空間42から筒状流路43内へと流れ、多孔質金属体11s、Niメッシュシート11a、及び多孔質の銀ペースト塗布層11gの空隙を通りながら、第1の電極層(アノード)2と接触して、下記のアンモニア分解反応をする。   When the cylindrical MEA 7 is used, the porous metal body 11s is used to pass the first gas containing the decomposition gas on the inner surface side and hold the gas induction pipe 11k. From the viewpoint of reducing the pressure loss, as described above, a porous metal plated body, for example, the above-mentioned Celmet (registered trademark) can be used as the porous metal body 11s disposed in the cylindrical flow path 43. . The first gas containing ammonia flows through the first gas flow path from the internal space 42 into the cylindrical flow path 43, and the porous metal body 11s, the Ni mesh sheet 11a, and the porous silver paste coating layer The following ammonia decomposition reaction is performed in contact with the first electrode layer (anode) 2 while passing through the 11 g gap.

酸素イオンO2-は、第2の電極層(カソード)5での酸素ガス分解反応によって生じ、固体電解質層1を通って第1の電極層(アノード)2に到達したものである。即ち、陰イオンである酸素イオンが固体電解質層1を移動する場合の電気化学反応である。 Oxygen ions O 2− are generated by an oxygen gas decomposition reaction in the second electrode layer (cathode) 5 and reach the first electrode layer (anode) 2 through the solid electrolyte layer 1. That is, it is an electrochemical reaction when oxygen ions, which are anions, move through the solid electrolyte layer 1.

第1の電極層(アノード)2では、以下の反応が生じている。
(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、空間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。
In the first electrode layer (anode) 2, the following reaction occurs.
(Anode reaction): 2NH 3 + 3O 2− → N 2 + 3H 2 O + 6e
More specifically, a part of ammonia causes a reaction of 2NH 3 → N 2 + 3H 2 , and this 3H 2 reacts with oxygen ions 3O 2− to generate 3H 2 O.
Air, particularly oxygen gas, is introduced into the second electrode layer (cathode) 5 so as to pass through the space S, and oxygen ions decomposed from oxygen molecules in the second electrode layer (cathode) 5 are converted into the first electrode layer. (Anode) 2 is sent to the solid electrolyte layer 1.

第2の電極層(カソード)5では、以下の反応が生じている。
(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、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を加熱するための加熱ヒータ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。加熱ヒータ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加熱ヒータ52全体に要する電力の半分以下である。
In the second electrode layer (cathode) 5, the following reaction occurs.
(Cathode reaction): O 2 + 4e → 2O 2−
As a result of the above electrochemical reaction, electric power is generated, and a potential difference is generated between the first electrode layer (anode) 2 and the second electrode layer (cathode) 5, and the anode side current collector 12 performs the anode side current collection. A current I flows to the electric body 11. If a load, for example, a heater 52 for heating the gas decomposition element 10 is connected between the cathode-side current collector 12 and the anode-side current collector 11, electric power for that purpose can be supplied. The supply of the electric power to the heater 52 may be partial. In many cases, the supply amount of private power generation is less than half of the electric power required for the entire heater 52.

上記ガス分解素子10では、筒状MEA7の内面側の第1の電極層(アノード)2においては、アノード側集電体11の電気抵抗を低くしながら、ここを通る第1のガスの圧力損失を低くすることが重要である。また、第2の電極層(カソード)5側においては、第2のガスである空気と第2の電極層(カソード)5との接触箇所を高密度化し、カソード側集電体12の抵抗を低くするのが重要である。   In the gas decomposition element 10, in the first electrode layer (anode) 2 on the inner surface side of the cylindrical MEA 7, the pressure loss of the first gas passing through the anode-side current collector 11 is lowered while the electrical resistance of the anode-side current collector 11 is lowered. Is important. Further, on the second electrode layer (cathode) 5 side, the contact portion between the second gas, air, and the second electrode layer (cathode) 5 is densified to reduce the resistance of the cathode current collector 12. It is important to keep it low.

上記は、陰イオンである酸素イオンが固体電解質層1を移動する電気化学反応であるが、固体電解質層1に、例えばバリウムジルコネート(BaZrO3)を用いてプロトンを第1の電極層(アノード)2で発生させて固体電解質層1中を第2の電極層(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。 The above is an electrochemical reaction in which oxygen ions, which are anions, move through the solid electrolyte layer 1. For example, barium zirconate (BaZrO 3 ) is used for the solid electrolyte layer 1 to generate protons in the first electrode layer (anode). The reaction that is generated in step 2 and moves in the solid electrolyte layer 1 to the second electrode layer (cathode) 5 is also a desirable embodiment of the present invention.

プロトン導電性の固体電解質層1を用いると、例えば第1のガス中のアンモニアを分解する場合、第1の電極層(アノード)2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1を経て第2の電極層(カソード)5へと移動させ、第2の電極層(カソード)5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ので、固体電解質層1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。固体電解質層1の厚みも、強度を確保できる厚みにすることができる。 When proton conductive solid electrolyte layer 1 is used, for example, when ammonia in the first gas is decomposed, ammonia is decomposed at first electrode layer (anode) 2 to generate protons, nitrogen molecules, and electrons. Then, protons are transferred to the second electrode layer (cathode) 5 through the solid electrolyte layer 1 and reacted with oxygen in the second electrode layer (cathode) 5 to generate water (H 2 O). Since protons are smaller than oxygen ions, the moving speed in the solid electrolyte layer 1 is large. For this reason, a practical decomposition capacity can be obtained while lowering the heating temperature. The thickness of the solid electrolyte layer 1 can also be set to a thickness that can ensure strength.

図5は、上記ガス分解素子10の下端部近傍の構造を示す縦断面図であり、上記接続部材30、接続部材30とガス誘導パイプ11kの接続構造、接続部材30と筒状MEA7の接続構造、冷却手段70の構造等を示している。   FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing the structure in the vicinity of the lower end portion of the gas decomposing element 10. The connection member 30, the connection structure of the connection member 30 and the gas induction pipe 11 k, and the connection structure of the connection member 30 and the cylindrical MEA 7. The structure of the cooling means 70 is shown.

本実施形態では、上記加熱容器51に、上記筒状MEA7を収容するとともに、上記筒状MEA7の一部を上記加熱容器51の下方に突出させて突出部41を設け、この突出部41の先端部に、第1のガスを出入りさせる接続部材30を設けている。   In the present embodiment, the cylindrical MEA 7 is accommodated in the heating container 51, and a protruding portion 41 is provided by projecting a part of the cylindrical MEA 7 below the heating container 51. A connecting member 30 for allowing the first gas to enter and exit is provided in the part.

上記接続部材30は、本体部31から固体電解質層1へと延びる締結部31bの内面側に収納されたOリング33が、焼成体であるセラミックスの固体電解質層1の外面に当接された状態で接続される。接続部材30の締結部31bは、外径がテーパ状に形成されており、そこにねじが切られ、そのねじに環状ねじ32が螺合される。環状ねじ32の外径が大きくなる方向へと螺合することで、締結部31bは、外面から締め付けられ、Oリング33による気密性を調節することができる。上記突出部41を形成することにより、上記Oリング33に作用する温度を低下させることが可能となり、上記Oリング33の寿命を延ばすことができるとともに、シール構造の信頼性を高めることができる。   In the connection member 30, the O-ring 33 housed on the inner surface side of the fastening portion 31 b extending from the main body portion 31 to the solid electrolyte layer 1 is in contact with the outer surface of the ceramic solid electrolyte layer 1 that is a fired body. Connected with. The fastening portion 31b of the connection member 30 has an outer diameter that is tapered, and a screw is cut there, and an annular screw 32 is screwed into the screw. By screwing in the direction in which the outer diameter of the annular screw 32 is increased, the fastening portion 31b is fastened from the outer surface, and the airtightness by the O-ring 33 can be adjusted. By forming the protrusion 41, the temperature acting on the O-ring 33 can be lowered, the life of the O-ring 33 can be extended, and the reliability of the seal structure can be increased.

上記接続部材30の内側には、上記ガス誘導パイプ11kの基端部11dが気密性をもって嵌合できる嵌合部36が形成されている。これによって、ガス誘導パイプ11kと接続部材30とが連結され、第1のガスの通路が形成される。   Inside the connection member 30, a fitting portion 36 is formed in which the base end portion 11 d of the gas guiding pipe 11 k can be fitted with airtightness. As a result, the gas guiding pipe 11k and the connecting member 30 are connected to form a first gas passage.

接続部材30には、上記第1のガスのガス導入管45との接続を行うためのガス導入部31aが設けられている。ガス導入管45の端部を、上記接続部材30のガス導入部31aの外周に嵌め合わせ、締結具47で締結することで、気密性のよい接続を得ることができる。第1のガスはガス導入管45からガス導入部31aを経てガス誘導パイプ11k内に流れ込む。ガス誘導パイプ11k内に流れ込んだ第1のガスは、内部空間42を通って上記筒状MEA7の封止部44の近傍まで流動させられる。   The connection member 30 is provided with a gas introduction part 31a for connection with the gas introduction pipe 45 for the first gas. By fitting the end portion of the gas introduction pipe 45 to the outer periphery of the gas introduction portion 31 a of the connection member 30 and fastening with the fastener 47, a good airtight connection can be obtained. The first gas flows from the gas introduction pipe 45 through the gas introduction part 31a into the gas induction pipe 11k. The first gas that has flowed into the gas induction pipe 11k flows through the internal space 42 to the vicinity of the sealing portion 44 of the cylindrical MEA 7.

また、接続部材30には、排気管65との接続を行うためのガス排出部31cが設けられている。ガス排気管65の端部を、上記接続部材30のガス排出部31cの外周に嵌め合わせ、締結具67によって締結することで、気密性のよい接続を得ることができる。筒状MEA7を経た第1のガスは、接続部材30内の排気空間35、ガス排出部31cを通って排気管65に排出される。   Further, the connection member 30 is provided with a gas discharge part 31 c for connecting to the exhaust pipe 65. By fitting the end portion of the gas exhaust pipe 65 to the outer periphery of the gas discharge portion 31 c of the connection member 30 and fastening with the fastener 67, a connection with good airtightness can be obtained. The first gas that has passed through the cylindrical MEA 7 is discharged to the exhaust pipe 65 through the exhaust space 35 and the gas discharge portion 31 c in the connection member 30.

上記接続部材30を採用することにより、分解前の第1のガスと分解後の第1のガスとが混ざり合うことなく、且つ上記筒状MEA7の同じ片側の位置から第1のガスを出入りさせることが可能となる。   By adopting the connection member 30, the first gas is allowed to enter and exit from the same one side position of the cylindrical MEA 7 without mixing the first gas before decomposition and the first gas after decomposition. It becomes possible.

上記接続部材30の本体部31には、気密性を保ってその本体部31を貫通する導電貫通部37cが設けられ、気密性を保つために封止樹脂38等が塗られている。この導電貫通部37cは、円柱棒で、外部配線11eと確実な導電接続を行うためにナット39を螺合させるねじを切っておくのがよい。導電貫通部37cの管内先端には導電線37bが接合されており、この導電線37bの他端部37aが上記ガス誘導パイプ11kの外周部に、環状の締め付け具34を介して接合されている。   The main body portion 31 of the connection member 30 is provided with a conductive through portion 37c that penetrates the main body portion 31 while maintaining airtightness, and is coated with a sealing resin 38 or the like in order to maintain airtightness. The conductive penetrating portion 37c is a cylindrical rod, and a screw for screwing the nut 39 is preferably cut in order to make a reliable conductive connection with the external wiring 11e. A conductive wire 37b is joined to the distal end of the conductive through portion 37c in the tube, and the other end 37a of the conductive wire 37b is joined to the outer peripheral portion of the gas induction pipe 11k via an annular fastening tool 34. .

上記構成を採用することにより、上記ガス誘導パイプ11kと外部配線11eの接続抵抗を低減させることができる。   By adopting the above configuration, the connection resistance between the gas induction pipe 11k and the external wiring 11e can be reduced.

一方、カソード側集電体12のNiメッシュシート12aの端部の外周に、外部配線12eを周回させることで、外部への引き出しを行うことができる。   On the other hand, external wiring 12e can be circulated around the outer periphery of the end portion of the Ni mesh sheet 12a of the cathode-side current collector 12, thereby leading to the outside.

図5に示すように、アノード側集電体11と外部配線11eとの接続と、接続部材30とガス導入管45及びガス排気管65との接続を、小さなスペースで行うことができる。しかも、上記の接続は、上記突出部41の先端側において行われている。すなわち、加熱ヒータ52からの熱流の主流部から外れた位置において行われている。このため、上記接続部材30をフッ素樹脂等の耐熱性樹脂によって形成しても、長期間の繰り返し耐久性を確保することが可能となる。   As shown in FIG. 5, the connection between the anode-side current collector 11 and the external wiring 11e and the connection between the connection member 30, the gas introduction pipe 45, and the gas exhaust pipe 65 can be performed in a small space. In addition, the above connection is made on the distal end side of the protruding portion 41. That is, it is performed at a position deviating from the main flow portion of the heat flow from the heater 52. For this reason, even if the connection member 30 is formed of a heat-resistant resin such as a fluororesin, it is possible to ensure long-term repeated durability.

上記接続部材30の全体及び上記突出部41の一部を含むように、上記冷却室71が設けられている。上記ガス導入部31a、上記排気管65は、上記冷却室71の壁部を貫通して上記冷却室71の外部に延出させられており、上記ガス導入管45を介してアンモニアを含む第1のガスが上記筒状MEA7内に導入されるとともに、アンモニアを除去した第1のガスが上記排気管65から排出される。   The cooling chamber 71 is provided so as to include the entire connection member 30 and a part of the protrusion 41. The gas introduction part 31 a and the exhaust pipe 65 extend through the wall of the cooling chamber 71 to the outside of the cooling chamber 71, and include a first ammonia containing ammonia via the gas introduction pipe 45. Is introduced into the cylindrical MEA 7 and the first gas from which ammonia has been removed is discharged from the exhaust pipe 65.

上記固体電解質層1を構成する粉体材料として、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。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。固体酸化物としては、酸素イオン導電性の、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)などを用いるのがよい。また、プロトン導電性のバリウムジルコネートを用いることもできる。上記各粉体材料は、大気雰囲気で、1000℃〜1600℃に、30分〜180分間程度保持することにより焼成することができる。   As the powder material constituting the solid electrolyte layer 1, a solid oxide, molten carbonate, phosphoric acid, solid polymer, or the like can be used. Solid oxides are preferred because they can be miniaturized and are easy to handle. Examples of the solid oxide include oxygen ion conductive SSZ (scandium stabilized zirconia), YSZ (yttrium stabilized zirconia), SDC (samarium stabilized ceria), LSGM (lanthanum gallate), GDC (gadria stabilized ceria), and the like. Should be used. Proton conductive barium zirconate can also be used. Each said powder material can be baked by hold | maintaining at 1000 degreeC-1600 degreeC for about 30 minutes-180 minutes by air | atmosphere atmosphere.

第1の電極層(アノード)2は、表面酸化されて酸化層を有する金属粒子連鎖体と、酸素イオン導電性のセラミックスとを主成分とする焼成体として形成できる。酸素イオン導電性のセラミックスとしては、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。   The first electrode layer (anode) 2 can be formed as a fired body mainly composed of a metal particle chain having an oxidized layer that is surface oxidized and an oxygen ion conductive ceramic. As oxygen ion conductive ceramics, SSZ (scandium stabilized zirconia), YSZ (yttrium stabilized zirconia), SDC (samarium stabilized ceria), LSGM (lanthanum gallate), GDC (gadria stabilized ceria), etc. should be used. Can do.

上記SSZを採用する場合、平均径は0.5μm〜50μm程度のものを用いるのがよい。焼成工程は、大気雰囲気で、1000℃〜1600℃に、30分〜180分間程度保持することにより行うことができる。また、SSZの原料粉末の平均径は0.5μm〜50μm程度とするのが好ましい。表面酸化された金属粒子連鎖体と、SSZとの配合比は、mol比で0.1〜10の範囲とする。   When adopting the above SSZ, it is preferable to use one having an average diameter of about 0.5 μm to 50 μm. The firing step can be performed by holding at 1000 ° C. to 1600 ° C. for about 30 minutes to 180 minutes in an air atmosphere. The average diameter of the raw material powder of SSZ is preferably about 0.5 μm to 50 μm. The compounding ratio of the surface-oxidized metal particle chain and SSZ is in the range of 0.1 to 10 in terms of molar ratio.

上記金属粒子連鎖体の金属は、ニッケル(Ni)、または、Niに鉄(Fe)を含むものを採用するのが好ましい。更に好ましくは、チタン(Ti)を2〜10000ppm程度の微量含むものである。   The metal of the metal particle chain is preferably nickel (Ni) or one containing Ni (Fe) in Ni. More preferably, it contains a very small amount of titanium (Ti) of about 2 to 10000 ppm.

金属粒子連鎖体は、還元析出法によって製造するのがよい。この金属粒子連鎖体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。第1の電極層(アノード)2に含まれる金属粒連鎖体の平均直径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。   The metal particle chain is preferably produced by a reduction precipitation method. The reduction precipitation method for this metal particle chain is described in detail in JP-A No. 2004-332047. The average diameter D of the metal particle chain contained in the first electrode layer (anode) 2 is preferably in the range of 5 nm to 500 nm. The average length L is preferably in the range of 0.5 μm or more and 1000 μm or less. The ratio between the average length L and the average diameter D is preferably 3 or more. However, it may have dimensions outside these ranges.

第2の電極層(カソード)5は、酸素イオン導電性のセラミックスを主成分とする焼成体から形成される。この場合の酸素イオン導電性のセラミックスとして、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)などを用いることができる。これら粉体材料も、上記と同様の条件で焼成することができる。   The second electrode layer (cathode) 5 is formed from a fired body mainly composed of oxygen ion conductive ceramics. As the oxygen ion conductive ceramic in this case, LSM (lanthanum strontium manganite), LSC (lanthanum strontium cobaltite), SSC (samarium strontium cobaltite), or the like can be used. These powder materials can also be fired under the same conditions as described above.

図6に、本願発明の第2の実施形態を示す。第2の実施形態は、第1の実施形態に係る突出部41に相当する突出部材241を設けて構成したものである。なお、筒状MEA207及び加熱容器251等の構成は、第1の実施形態と同様であるので説明は省略する。   FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention. The second embodiment is configured by providing a protruding member 241 corresponding to the protruding portion 41 according to the first embodiment. Note that the configurations of the cylindrical MEA 207, the heating container 251 and the like are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.

図6に示すように、第2の実施形態では、上記筒状MEA207が貫通して配置される加熱容器251の底部に、上記筒状MEA207を固定できるフランジ部251aが設けられている。上記筒状MEA207は、一部が上記加熱容器251の外側に延出した状態で上記フランジ部251aに固定される。上記フランジ部251aの内周部には、耐熱性を有するシール材が充填されており、上記筒状MEA207の外周部と上記フランジ部251aの内周部との間の気密性が確保される。   As shown in FIG. 6, in 2nd Embodiment, the flange part 251a which can fix the said cylindrical MEA207 is provided in the bottom part of the heating container 251 by which the said cylindrical MEA207 is penetrated. The cylindrical MEA 207 is fixed to the flange portion 251a in a state in which a part thereof extends to the outside of the heating container 251. The inner peripheral portion of the flange portion 251a is filled with a heat-resistant sealing material, and airtightness between the outer peripheral portion of the cylindrical MEA 207 and the inner peripheral portion of the flange portion 251a is ensured.

上記フランジ部251aを設けた壁部の外面側には、筒状MEA207の軸方向に延びる円筒状の突出部材241が設けられている。上記突出部材241は、筒状MEA207の延出部207bを、気密性をもって収容するとともに、先端側にフッ素樹脂性の接続部材230が接続されている。   A cylindrical projecting member 241 extending in the axial direction of the cylindrical MEA 207 is provided on the outer surface side of the wall portion provided with the flange portion 251a. The projecting member 241 accommodates the extending portion 207b of the cylindrical MEA 207 with airtightness, and a fluororesin connecting member 230 is connected to the distal end side.

上記突出部材241における上記加熱容器側には、フランジ部241aが形成されており、ネジ手段261によって上記加熱容器の壁部に固定されている。上記フランジ部241aと上記加熱容器251の外面との間には、図示しない耐熱性ガスケットが介挿されており、上記突出部材241と上記加熱容器251との間の気密性が確保され、筒状MEA内を流動するガスが漏れでないように構成されている。   A flange portion 241 a is formed on the heating container side of the protruding member 241, and is fixed to the wall portion of the heating container by screw means 261. A heat-resistant gasket (not shown) is interposed between the flange portion 241a and the outer surface of the heating container 251 so that airtightness between the protruding member 241 and the heating container 251 is ensured, and a tubular shape. The gas flowing in the MEA is configured not to leak.

一方、上記突出部材241の先端部241bは、上記接続部材230に設けた嵌合部236に気密性をもって嵌合されている。   On the other hand, the front end portion 241b of the protruding member 241 is fitted with a fitting portion 236 provided on the connecting member 230 with airtightness.

上記突出部材241は、上記接続部材230に作用する温度を低減させることができれば、種々の材料を用いて形成することができる。たとえば、上記接続部材を、セラミック等の耐熱性及び断熱性のある材料から形成することができる。また、放熱性の高いニッケル等の金属材料から形成することにより、上記突出部材241において、上記筒状MEA207から伝導される熱を放熱させて、上記接続部材230に作用する温度を低減させるように構成することもできる。   The protruding member 241 can be formed using various materials as long as the temperature acting on the connecting member 230 can be reduced. For example, the connecting member can be formed from a heat-resistant and heat-insulating material such as ceramic. Further, by forming from a metal material such as nickel having high heat dissipation, the heat conducted from the cylindrical MEA 207 is dissipated in the protruding member 241 so that the temperature acting on the connecting member 230 is reduced. It can also be configured.

上記突出部材241には、第1の実施形態と同様に、気密性を保って貫通する図示しない導電貫通部が設けられ、第1の集電体を構成するガス誘導パイプ211kの外周部から延びる接続配線211eが、上記突出部材241の外側に延出されている。また、上記筒状MEA207の外周部に設けられた第2の集電体から延びる接続配線212eも、上記と同様に上記突出部材241から延出されている。   Similarly to the first embodiment, the protruding member 241 is provided with a conductive through portion (not shown) that penetrates while maintaining airtightness, and extends from the outer peripheral portion of the gas induction pipe 211k constituting the first current collector. The connection wiring 211e extends to the outside of the protruding member 241. Further, the connection wiring 212e extending from the second current collector provided on the outer peripheral portion of the cylindrical MEA 207 is also extended from the protruding member 241 as described above.

上記構成を採用することにより、上記接続部材230や接続配線211e,212e等に作用する温度を大幅に低下させることができる。また、筒状MEA207のほぼ全体を加熱容器251内に収容できるため、筒状MEAに均一な温度を作用させて、ガス分解効率を高めることもできる。   By adopting the above configuration, the temperature acting on the connection member 230, the connection wirings 211e, 212e, and the like can be greatly reduced. In addition, since almost the entire cylindrical MEA 207 can be accommodated in the heating container 251, it is possible to increase the gas decomposition efficiency by applying a uniform temperature to the cylindrical MEA.

さらに、上記突出部材241を採用することにより、冷却手段271を容易に設けることができる。たとえば、図6に示すように、上記突出部材241に放熱フィン271aを一体形成することも可能となる。また、冷却空気や冷却水を採用させる配管を一体的に設けることもできる。従って、上記突出部材241を採用することにより、接続部材230に作用する温度を大幅に低下させることも可能となる。   Furthermore, by employing the protruding member 241, the cooling means 271 can be easily provided. For example, as shown in FIG. 6, it is possible to integrally form the radiation fins 271a on the protruding member 241. Moreover, piping which employ | adopts cooling air or cooling water can also be provided integrally. Therefore, by employing the protruding member 241, the temperature acting on the connecting member 230 can be significantly reduced.

上述した実施形態は、本願発明を、ガス除害を目的としたガス分解装置に適用したが、ガス除害を主目的としないガス分解装置や、電気化学反応装置の筒状MEAに適用できる。例えば、燃料電池等の発電装置を構成する筒状MEAにも用いることができる。   In the above-described embodiments, the present invention is applied to a gas decomposition apparatus for the purpose of gas abatement. However, the present invention can be applied to a gas decomposition apparatus not intended for a gas abatement and a cylindrical MEA of an electrochemical reaction apparatus. For example, it can also be used for a cylindrical MEA that constitutes a power generator such as a fuel cell.

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、更に、特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。   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.

ガス分解性能が高いのみならず、接続部材や外部配管等に高い温度が作用することがなく、信頼性の高いガス分解装置及び発電装置を提供できる。   Not only is the gas decomposition performance high, but a high temperature does not act on the connecting member and the external piping, and a highly reliable gas decomposition apparatus and power generation apparatus can be provided.

1 固体電解質層
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
11k ガス誘導パイプ
11s 多孔質金属体
12 カソード側集電体
12e 外部配線
30 接続部材
41 突出部
42 内部空間
43 筒状流路
44 封止部
45 ガス導入管
51 加熱容器
52 加熱ヒータ
53 予備加熱用配管
65 排気管
100 ガス分解装置
S 空間
W1 Niメッシュシートの先端部
W2 接合部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid electrolyte layer 2 1st electrode layer (anode)
5 Second electrode layer (cathode)
7 Tubular MEA
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Gas decomposition | disassembly element 11 Anode side collector 11k Gas induction pipe 11s Porous metal body 12 Cathode side collector 12e External wiring 30 Connection member 41 Protrusion part 42 Internal space 43 Cylindrical flow path 44 Sealing part 45 Gas introduction pipe 51 Heating vessel 52 Heating heater 53 Preheating pipe 65 Exhaust pipe 100 Gas decomposition device S Space W1 Tip of Ni mesh sheet W2 Joining member

Claims (9)

筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の内周部に積層形成された第1の電極層と、上記固体電解質層の外周部に積層形成された第2の電極層とを有する筒状MEA(Membrane Electrode Assembly)を用いて構成されるガス分解装置であって、
第1のガスを上記筒状MEA内に出入りさせる接続部材と、
上記筒状MEAを収容して加熱するとともに、第2のガスを流動させる加熱容器と
上記筒状MEAの一端部を封止して設けられるとともに、上記加熱容器内に配置される封止部と、
上記筒状MEAの内部空間に挿入されて、上記筒状MEAの内周面との間に筒状流路を形成するガス誘導パイプと、
上記接続部材及び/又は上記突出部を冷却する冷却手段とを備え、
上記接続部材は、上記ガス誘導パイプに連通するガス導入部を備えるとともに、上記ガス誘導パイプの外周部を囲み、側部にガス排出部を有する環状の排気空間を備えて構成されており、
上記接続部材を介して上記ガス誘導パイプ内に導入されたガスを、上記封止部に向けて流動させるとともに、上記封止部近傍において上記誘導パイプ内から流出させることにより反転流動させ、上記筒状流路を上記ガス誘導パイプ内の流れと反対方向に向けて流動させながら第1の電極層に作用させて分解し、上記接続部材を介して排出するように構成された、ガス分解装置。
A cylindrical shape having a cylindrical solid electrolyte layer, a first electrode layer stacked on the inner periphery of the solid electrolyte layer, and a second electrode layer stacked on the outer periphery of the solid electrolyte layer A gas decomposition apparatus configured using MEA (Membrane Electrode Assembly),
A connection member for allowing the first gas to enter and exit the cylindrical MEA;
A heating container that accommodates and heats the cylindrical MEA and causes the second gas to flow ;
A sealing portion disposed in the heating container, the sealing member being disposed at one end of the cylindrical MEA;
A gas induction pipe that is inserted into the inner space of the cylindrical MEA and forms a cylindrical flow path between the inner peripheral surface of the cylindrical MEA;
Cooling means for cooling the connection member and / or the protrusion,
The connection member includes a gas introduction portion communicating with the gas induction pipe, and includes an annular exhaust space that surrounds an outer peripheral portion of the gas induction pipe and includes a gas discharge portion on a side portion.
The gas introduced into the gas induction pipe via the connection member is caused to flow toward the sealing portion, and is reversely flowed by flowing out of the induction pipe in the vicinity of the sealing portion, whereby the cylinder A gas decomposing apparatus configured to act on the first electrode layer while causing the flow path to flow in a direction opposite to the flow in the gas induction pipe and to be decomposed and discharged via the connecting member .
上記冷却手段は、上記加熱容器に流入する前の第2のガスを用いて上記接続部材及び/又は上記突出部を冷却するように構成されている、請求項1に記載のガス分解装置。 2. The gas decomposition apparatus according to claim 1 , wherein the cooling unit is configured to cool the connection member and / or the protrusion using the second gas before flowing into the heating container. 上記突出部は、上記筒状MEAの一部を、上記加熱容器から突出させて構成されている、請求項1又は請求項2に記載のガス分解装置。 3. The gas decomposition apparatus according to claim 1 , wherein the projecting portion is configured by projecting a part of the cylindrical MEA from the heating container. 上記突出部の一部又は全部が、上記筒状MEAと別部材から形成されている、請求項1又は請求項2に記載のガス分解装置。 The gas decomposition apparatus according to claim 1 or 2 , wherein a part or all of the protruding portion is formed of a member separate from the cylindrical MEA. 上記突出部先端の温度を、260℃以下に設定した、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のガス分解装置。 The gas decomposition apparatus according to any one of claims 1 to 4 , wherein a temperature at a tip of the protrusion is set to 260 ° C or lower. 上記接続部材が、樹脂材料から形成されている、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のガス分解装置。 The gas decomposition apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein the connection member is formed of a resin material. 上記第1の電極層及び/又は上記第2の電極層が、ニッケル(Ni)を主成分とする金属粒子連鎖体と、イオン導電性セラミックとを含む焼成体であることを特徴とする、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のガス分解装置。 The first electrode layer and / or the second electrode layer is a fired body including a metal particle chain composed mainly of nickel (Ni) and an ion conductive ceramic. The gas decomposition apparatus according to any one of claims 1 to 6 . 上記固体電解質層が、酸素イオン導電性又はプロトン導電性を有することを特徴とする、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のガス分解装置。 The gas decomposition apparatus according to any one of claims 1 to 7 , wherein the solid electrolyte layer has oxygen ion conductivity or proton conductivity. 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載したガス分解装置を備える、発電装置。
A power generator comprising the gas decomposition apparatus according to any one of claims 1 to 8 .
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