JP5939501B2 - Gas decomposition apparatus, gas decomposition method, and gas decomposition power generation apparatus - Google Patents
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Description
本願発明は、ガス分解装置、ガス分解方法及びガス分解発電装置に関する。詳しくは、ガス分解過程におけるガスの濃度変化やガスの組成変化等に対応して、効率よくガスを分解できるガス分解装置に関する。 The present invention relates to a gas decomposition apparatus, a gas decomposition method, and a gas decomposition power generation apparatus. More specifically, the present invention relates to a gas decomposition apparatus capable of efficiently decomposing gas in response to a change in gas concentration or a change in gas composition during the gas decomposition process.
たとえば、し尿処理や堆肥製造工程において生じるバイオガス(揮発性有機化合物)には、種々のガス成分が含まれる。たとえば、悪臭の原因となるガス成分として、アンモニアガスが含まれる場合が多い。 For example, various gas components are contained in biogas (volatile organic compound) generated in human waste processing and compost manufacturing processes. For example, ammonia gas is often included as a gas component that causes bad odor.
上記アンモニアガスは、悪臭を発するだけでなく人体にも有害であるため、外気にそのまま放出することはできない。このため、アンモニアガスを分離して、次亜臭素酸溶液や硫酸と接触させて処理する手法(特許文献1)や、触媒を用いて燃焼処理する手法(特許文献2)が採用されることが多い。 The ammonia gas not only emits a bad odor but is also harmful to the human body, so it cannot be released as it is to the outside air. For this reason, the method (patent document 1) which isolate | separates ammonia gas and makes it contact with a hypobromite solution and a sulfuric acid, and the method (patent document 2) which carries out a combustion process using a catalyst may be employ | adopted. Many.
上記特許文献1に記載されているような薬品を用いる手法や、特許文献2に記載されているような燃焼処理する手法によって、アンモニアガスを分解して無害化することができる。しかし、これら手法では、薬品や外部エネルギを必要とすることから、ランニングコストが大きくなるという問題がある。また、燃焼する手法を採用すると、NOXやCO2が生成されて、環境に悪影響を与える恐れもある。 The ammonia gas can be decomposed and detoxified by a method using a chemical as described in Patent Document 1 or a combustion method as described in Patent Document 2. However, since these methods require chemicals and external energy, there is a problem that the running cost increases. Further, if a combustion method is employed, NO x and CO 2 may be generated, which may adversely affect the environment.
上記問題を解消する手法として、特許文献3に記載されているような固体電解質を備えるガス分解素子を用いてガスを電気化学的に分解して除害する手法が提案されている。上記手法を用いることにより、有害ガスが生成されることがなく、装置を小型化できるとともに、ランニングコストを低く抑えることが可能となる。 As a technique for solving the above problem, a technique for electrochemically decomposing and detoxifying a gas using a gas decomposition element having a solid electrolyte as described in Patent Document 3 has been proposed. By using the above method, no harmful gas is generated, the apparatus can be downsized, and the running cost can be kept low.
上記固体電解質を用いてガスを分解する場合、ガスは、アノード電極に沿うようにして流動させられながら分解される。このため、分解対象となるガスの濃度は、固体電解質層に沿う流動距離に応じて低下することになる。 When the gas is decomposed using the solid electrolyte, the gas is decomposed while flowing along the anode electrode. For this reason, the density | concentration of the gas used as the decomposition | disassembly object falls according to the flow distance along a solid electrolyte layer.
従来、上記触媒は、ガスが流動して接触させられるアノード電極の全体に一定割合で、均一に配合されていた。ところが、ガスは分解されるにつれて濃度が低下し、あるいは組成が変化する。このため、流動にともなって変化するガス濃度等に応じて、最適な配合量や組成を有する触媒を作用させることができない。したがって、ガス分解素子(MEA)の能力を最大限に発揮させているとはいえなかった。 Conventionally, the catalyst has been uniformly blended at a constant rate over the entire anode electrode to which the gas flows and contacts. However, as the gas is decomposed, the concentration decreases or the composition changes. For this reason, the catalyst which has the optimal compounding quantity and composition cannot be made to act according to the gas concentration etc. which change with a flow. Therefore, it cannot be said that the ability of the gas decomposition element (MEA) is exhibited to the maximum.
たとえば、アンモニアガスを、上記固体電解質層を備えるガス分解素子で分解する場合、アンモニアガス(NH3)の一部が、アノード電極表面ないし近傍において次のように分解される。
<アノード反応>
2NH3→N2+3H2
上記N2は、排気として排出される。上記H2は、酸素導電性の固体電解質を採用した場合は、アノードにおいて酸素と化合して水が生成される。一方、プロトン導電性の固体電解質を採用した場合、上記H2がアノードにおいてさらに分解されてプロトンH+と電子e-が生成され、上記プロトンH+が固体電解質中をカソードに向けて移動させられ、カソードにおいて酸素と化合して水が生成される。
For example, when ammonia gas is decomposed by the gas decomposition element including the solid electrolyte layer, a part of the ammonia gas (NH 3 ) is decomposed as follows on or near the anode electrode surface.
<Anode reaction>
2NH 3 → N 2 + 3H 2
The N 2 is discharged as exhaust gas. When the oxygen conductive solid electrolyte is employed, the H 2 combines with oxygen at the anode to generate water. On the other hand, when a proton conductive solid electrolyte is employed, the H 2 is further decomposed at the anode to generate proton H + and an electron e − , and the proton H + is moved toward the cathode through the solid electrolyte. In combination with oxygen at the cathode, water is produced.
すなわち、ガス分解素子のアノード電極には、水素ガスとアンモニアガスとが混合されたガスが作用させられることになる。また、ガスの分解効率を高めるため、前工程において、アンモニアガスを加熱して、アンモニアガスの一部を水素化する手法も採用される。 That is, a gas in which hydrogen gas and ammonia gas are mixed is allowed to act on the anode electrode of the gas decomposition element. Moreover, in order to improve the decomposition efficiency of gas, the method of heating ammonia gas and hydrogenating a part of ammonia gas in a pre-process is also employ | adopted.
上記水素ガスとアンモニアガスを含むガスを分解する触媒成分として、Ni−Feからなる触媒を採用することが多い。ところが、上記Ni−Feからなる触媒のうち、アンモニアガスを分解する効率はFe触媒の方が高く、一方、水素ガスを分解して水を生成し、あるいはプロトンを生成する効率はNi触媒の方が高い。従来のガス分解装置では、所定の配合割合を有するNi−Fe触媒が、アノード電極全域に均一に配合されていた。このため、ガス分解素子の能力を充分に発揮させているとはいえなかった。 As a catalyst component for decomposing the gas containing hydrogen gas and ammonia gas, a catalyst made of Ni—Fe is often employed. However, among the catalysts composed of Ni—Fe, the efficiency of decomposing ammonia gas is higher with the Fe catalyst, while the efficiency of decomposing hydrogen gas to generate water or proton is higher than that of the Ni catalyst. Is expensive. In the conventional gas decomposition apparatus, the Ni—Fe catalyst having a predetermined mixing ratio is uniformly mixed throughout the anode electrode. For this reason, it cannot be said that the ability of the gas decomposition element is fully exhibited.
また、し尿処理や堆肥製造工程において生じるバイオガスには、上述したアンモニアガスの他、種々のガス成分が含まれる場合が多い。アンモニアガスと他のガス成分が含まれる混合ガスを分解する場合、上述したアンモニアガス用の触媒では、アンモニアガス以外のガスを充分に分解できない場合がある。また、これらガス成分が無害である場合には、そのまま大気に放出することができるが、有害である場合やアンモニアガスの分解に悪影響を与える場合には除去する必要がある。たとえば、H2Sは人体に有害であり、また水蒸気が共存すると、ガス分解装置の性能低下を引き起こす。したがって、これらガスをアンモニアガス分解素子に作用する前に除去するのが好ましい。 In addition, biogas generated in human waste processing and compost manufacturing processes often includes various gas components in addition to the above-described ammonia gas. When decomposing a mixed gas containing ammonia gas and other gas components, the above-described catalyst for ammonia gas may not be able to sufficiently decompose gases other than ammonia gas. Further, when these gas components are harmless, they can be released to the atmosphere as they are, but when they are harmful or when they adversely affect the decomposition of ammonia gas, they need to be removed. For example, H 2 S is harmful to the human body, and when water vapor coexists, the performance of the gas decomposition apparatus is reduced. Therefore, it is preferable to remove these gases before acting on the ammonia gas decomposition element.
本願発明は、上述した問題を解決し、分解過程のガス濃度の変化や組成の変化等に対応して、最適な触媒を採用させることにより、ガスの分解効率を高めたガス分解装置を提供することを課題とする。 The invention of the present application provides a gas decomposition apparatus that solves the above-described problems and increases the gas decomposition efficiency by adopting an optimal catalyst in response to changes in gas concentration and composition in the decomposition process. This is the issue.
本願発明は、固体電解質層と、この固体電解質層の一側に設けられる第1の電極層と、上記固体電解質層の他側に設けられる第2の電極層と、第1の触媒成分であるFeと第2の触媒成分であるNiとを含む触媒とを備えるガス分解素子を複数備え、上記複数のガス分解素子にアンモニアを含むガスを順次作用させることによりアンモニアを含むガスを分解するガス分解装置に係るものである。上記複数のガス分解素子はいずれも、上記第1の電極層にてアンモニアを含むガスを窒素と水素に分解し、さらに上記水素をプロトンに分解し、上記プロトンが上記固体電解質を通じて上記第2の電極層に移動し、上記第2の電極層にて上記プロトンと酸素とが反応して水を生成するものである。上記触媒は、上記第1の電極層を構成する材料中に配合されるか、上記第1の電極層の表面に設けた触媒層中に配合されるか、あるいは、上記第1の電極層に沿って隣接して設けられる集電体に付加されるか、のいずれかにより上記第1の電極層に設けられている。上記複数のガス分解素子における触媒の上記第1の触媒成分及び上記第2の触媒成分の配合割合について、上記アンモニアガスを先に作用させるものは上記アンモニアを含むガスを後に作用させるものに比べて、上記第1の触媒成分の配合割合が高く、かつ上記第2の触媒成分の配合割合が低く設定されている。
The present invention is a solid electrolyte layer, a first electrode layer provided on one side of the solid electrolyte layer, a second electrode layer provided on the other side of the solid electrolyte layer, and a first catalyst component. Gas decomposition that includes a plurality of gas decomposition elements including Fe and a catalyst containing Ni as the second catalyst component, and decomposes the gas containing ammonia by sequentially causing a gas including ammonia to act on the plurality of gas decomposition elements. It concerns the device . Each of the plurality of gas decomposition elements decomposes the gas containing ammonia in the first electrode layer into nitrogen and hydrogen, further decomposes the hydrogen into protons, and the protons pass through the solid electrolyte to the second electrode. at the electrode layer, and the pro tons and oxygen at the second electrode layer is intended to react to produce water. The catalyst is blended in the material constituting the first electrode layer, blended in the catalyst layer provided on the surface of the first electrode layer , or in the first electrode layer. It is added to the current collector provided adjacently along the first electrode layer. Regarding the mixing ratio of the first catalyst component and the second catalyst component of the catalyst in the plurality of gas decomposition elements, the one that causes the ammonia gas to act first is compared to the one that causes the gas containing ammonia to act later. The blending ratio of the first catalyst component is high and the blending ratio of the second catalyst component is set low.
本願発明に係るガス分解装置は、アンモニアを含むガスに適用される。また、アンモニアガスに加えてそれ以外のガス成分が含まれるガスに対しても適用できる。
The gas decomposition apparatus according to the present invention is applied to a gas containing ammonia. Further, the present invention can be applied to a gas containing other gas components in addition to ammonia gas .
上記固体電解質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、固体酸化物、固体高分子等を備える複数種類のガス分解素子を組み合わせてガス分解装置を構成できる。固体酸化物からなる固体電解質層を作用する場合、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(サマリウム安定化ジルコニア)、LSGM(ランタンガレート)、GDC(ガドリア安定化セリア)等を採用することができる。また、BYZ(イットリウム添加ジルコン酸バリウム)やBCY(バリウムセレイト)等からなるプロトン導電性の固体電解質層を採用することができる。BYZは、低い作動温度においてプロトン伝導率が高く、活性化エネルギが低いため、エネルギ効率を高めることができる。また、反応生成物である水が、外側(第2の電極層側)に生じるため、内側(第1の電極層側)に作用させられるアンモニアガスが、水蒸気により希釈されて反応効率が低下するのを防止することができる。また、各ガス成分に対応した固体電解質を備えて構成される複数のガス分解素子を組み合わせてガス分解装置を構成するのが好ましい。 The material constituting the solid electrolyte layer is not particularly limited. For example, a gas decomposition apparatus can be configured by combining a plurality of types of gas decomposition elements including solid oxides, solid polymers, and the like. When working a solid electrolyte layer made of a solid oxide, oxygen ion conductive SSZ (scandium stabilized zirconia), YSZ (yttrium stabilized zirconia), SDC (samarium stabilized zirconia), LSGM (lanthanum gallate), GDC (Gadria stabilized ceria) or the like can be employed. Further, a proton conductive solid electrolyte layer made of BYZ (yttrium-added barium zirconate), BCY (barium selete), or the like can be employed. BYZ has high proton conductivity at low operating temperatures and low activation energy, so it can increase energy efficiency. Moreover, since water which is a reaction product is generated on the outer side (second electrode layer side), the ammonia gas that is allowed to act on the inner side (first electrode layer side) is diluted with water vapor, thereby reducing the reaction efficiency. Can be prevented. Moreover, it is preferable that the gas decomposition apparatus is configured by combining a plurality of gas decomposition elements configured to include a solid electrolyte corresponding to each gas component.
上記第1の電極層と上記第2の電極層の一方の電極層が燃料側のアノード電極として機能し、他方の電極層がカソード電極として機能する。上記電極層は、ガス成分の種類や濃度に応じて、所要の濃度及び組成を有する触媒を設けることができれば、上記電極層を構成する材料は特に限定されることはない。プロトン導電性の固体電解質層を採用する場合、アノード電極を、表面酸化された酸化層を有する触媒としての金属粒連鎖体と、プロトン導電性のセラミック(BYZ,BCY等)とを主成分とする焼結体から形成することができる。たとえば、アノード電極を、FeとNiの触媒成分を含んで構成することができる。一方、上記カソード電極は、Ni,Co,Ti,Mo,W,Mn,Ru,Cuから選ばれた少なくとも1の触媒成分を含んで構成することができる。
One of the first electrode layer and the second electrode layer functions as a fuel-side anode electrode, and the other electrode layer functions as a cathode electrode. As long as the electrode layer can be provided with a catalyst having a required concentration and composition according to the type and concentration of the gas component, the material constituting the electrode layer is not particularly limited . When employing flop proton conductive solid electrolyte layer, the anode electrode, and the metal particles hormogone as a catalyst having an oxidation layer which is surface-oxidized, a main component and a proton conductive ceramic (BYZ, BCY, etc.) It can form from the sintered compact. For example, the anode electrode can be configured to include Fe and Ni catalyst components. On the other hand, the cathode electrode may Ni, Co, Ti, Mo, W, Mn, be configured to include at least one catalyst component selected Ru, from Cu.
本願発明では、触媒としての上記金属粒連鎖体の組成を、ガス分解装置を構成する複数のガス分解素子において異ならせ、これらガス分解素子にガスを順次作用させて分解するように構成される。 In the present invention, the composition of the metal particle chain as a catalyst is made different in a plurality of gas decomposing elements constituting the gas decomposing apparatus, and gas is sequentially acted on these gas decomposing elements to be decomposed.
複数のガス分解素子を直列に配列してガス分解装置を構成する場合、ガスの組成変化に応じて、最大の分解効率を発揮できるように、各ガス分解素子における触媒の濃度や組成を設定するのが好ましい。たとえば、上記複数のガス分解素子における触媒の上記第1の触媒成分及び上記第2の触媒成分の配合割合について、上記アンモニアガスを先に作用させるものは上記アンモニアを含むガスを後に作用させるものに比べて、上記第1の触媒成分の配合割合が高く、かつ上記第2の触媒成分の配合割合が低くなるように設定できる。上記各ガス分解素子における上記触媒の配合割合の変化は、分解過程におけるガス濃度や組成の変化に応じて、最も効率よくガスを分解できるように設定される。たとえば、複数のガス分解素子における触媒成分の変化と同様に、上記複数のガス分解素子のそれぞれは、上記触媒における上記第1の触媒成分の配合割合が上記アンモニアを含むガスの上記第1の電極層における流動方向に向けて減少し、かつ、上記触媒における上記第2の触媒成分の配合割合が上記アンモニアを含むガスの上記第1の電極層における流動方向に向けて増加するように構成できる。
When a gas decomposition apparatus is configured by arranging a plurality of gas decomposition elements in series, the concentration and composition of the catalyst in each gas decomposition element are set so that the maximum decomposition efficiency can be exhibited according to changes in the gas composition. Is preferred. For example, regarding the blending ratio of the first catalyst component and the second catalyst component of the catalyst in the plurality of gas decomposition elements, the one that causes the ammonia gas to act first is the one that causes the gas containing ammonia to act later. In comparison, it can be set so that the blending ratio of the first catalyst component is high and the blending ratio of the second catalyst component is low. The change in the mixing ratio of the catalyst in each gas decomposition element is set so that the gas can be decomposed most efficiently in accordance with the change in gas concentration and composition in the decomposition process. For example, similarly to the change of the catalyst component in the plurality of gas decomposition elements, each of the plurality of gas decomposition elements includes the first electrode of the gas in which the mixing ratio of the first catalyst component in the catalyst includes the ammonia. It can be configured such that the ratio of the second catalyst component in the catalyst decreases in the direction of flow in the bed and increases in the direction of flow of the gas containing ammonia in the first electrode layer.
各ガス分解素子において、配合割合を異ならせる触媒は、第1の触媒成分であるFeと第2の触媒成分であるNiのみに限定されることはなく、他の触媒成分を付加することもできる。
In each gas decomposition element, the catalyst for varying the blending ratio is not limited to Fe as the first catalyst component and Ni as the second catalyst component, and other catalyst components can be added. .
上記触媒を、第1の触媒成分であるFeと第2の触媒成分であるNiとを含んで構成し、上記第1の触媒成分と上記第2の触媒成分の配合割合が、ガスの流動方向に段階的に変化するように、上記ガス分解素子を配列してガス分解装置を構成できる。たとえば、上記第1の触媒成分を、ガスの流動方向に向けて配合割合が段階的に減少するように設ける一方、上記第2の触媒成分を、ガスの流動方向に向けて配合割合が段階的に増加するように設けることができる。
On SL catalyst, and configured to include a Ni a Fe a second catalyst component is a first catalyst component, the mixing ratio of the first catalyst component and said second catalyst component, the flow of gas The gas decomposition apparatus can be configured by arranging the gas decomposition elements so as to change stepwise in the direction. For example, the first catalyst component is provided so that the blending ratio decreases stepwise in the gas flow direction, while the second catalyst component is blended in a stepwise ratio in the gas flow direction. It can be provided so as to increase.
アンモニアガスを分解する場合、分解初期において、アンモニアが窒素分子と水素分子に分解される。その後、上記水素分子がプロトンに分解されて、アノード電極あるいはカソード電極において、酸素と化合して水が生成される。このような場合、アノード電極には、アンモニアガスと水素ガスの混合ガスが作用させられることになる。さらに、上記混合ガスの濃度及び組成が、ガス分解の過程において変化する。すなわち、ガス分解過程の初期にはアンモニアガスの成分割合が多く、ガス分解過程の最終段階では、水素ガスの成分割合が多くなる。したがって、上記混合ガスの成分変化に応じて、触媒の配合割合を、配列されるガス分解素子において段階的に変化させるのが好ましい。
When disassembling the ammonia gas, the decomposition initial, ammonia is decomposed into nitrogen molecules and hydrogen molecules. Thereafter, the hydrogen molecules are decomposed into protons and combined with oxygen at the anode or cathode electrode to produce water. In such a case, a mixed gas of ammonia gas and hydrogen gas is allowed to act on the anode electrode. Further, the concentration and composition of the mixed gas change in the process of gas decomposition. That is, the component ratio of ammonia gas is large at the beginning of the gas decomposition process, and the component ratio of hydrogen gas is large at the final stage of the gas decomposition process. Therefore, it is preferable to change the compounding ratio of the catalyst stepwise in the arranged gas decomposition elements in accordance with the change in the components of the mixed gas.
アンモニアガスを分解する場合、Ni−Fe合金からなる触媒を採用するのが好ましい。上記Ni触媒は、水素分子を分解する効率が高い。一方、Fe触媒は、アンモニアガスを分解する効率が高い。したがって、ガス分解装置としては、流動初期において、アンモニアガスの分解を促進して水素分子を生成するように構成するのが好ましい。このため、Fe触媒の配合割合を、最初に配列されるガス分解素子において最大に設定するとともに、ガスの流動方向に向けて段階的に減少させるように構成するのが好ましい。一方、最終的には、水素が酸素と化合して水が生成されるものであるため、上記Ni触媒の配合割合を、最初に配列されるガス分解素子において最小に設定するとともに、ガスの流動方向に向けて段階的に増加するように構成するのが好ましい。 When decomposing ammonia gas, it is preferable to employ a catalyst made of a Ni-Fe alloy. The Ni catalyst has high efficiency for decomposing hydrogen molecules. On the other hand, the Fe catalyst has high efficiency for decomposing ammonia gas. Therefore, it is preferable that the gas decomposition apparatus is configured so as to generate hydrogen molecules by promoting decomposition of ammonia gas at the initial stage of flow. For this reason, it is preferable that the composition ratio of the Fe catalyst is set to the maximum in the gas decomposition element arranged first, and is decreased stepwise in the gas flow direction. On the other hand, since hydrogen is finally combined with oxygen to produce water, the mixing ratio of the Ni catalyst is set to the minimum in the gas decomposition element arranged first, and the gas flow It is preferable to configure so as to increase stepwise in the direction.
なお、触媒の種類を異ならせた複数のガス分解素子を含んでガス分解装置を構成できる。たとえば、複数のガス成分から構成されるガスを分解する場合、これらガスに好適な触媒を採用したガス分解素子を所定位置に配列したガス分解装置を構成できる。また、第1のガス成分が、第2のガス成分を分解するための電解質層や電極層を傷める恐れがある場合、第1のガス成分を分解するガス分解素子を、第2のガス成分を分解するガス分解素子の前に配置することができる。また、ガスを精度高く分解する必要がある場合、低い濃度のガスに対しても高い分解効率を発揮できる触媒成分を備えるガス分解素子をガス分解過程の最終段階に配置することができる。
In addition, a gas decomposition apparatus can be comprised including the several gas decomposition element in which the kind of catalyst was varied. For example, when decomposing a gas composed of a plurality of gas components, it is possible to configure a gas decomposing apparatus in which gas decomposing elements employing catalysts suitable for these gases are arranged at predetermined positions. When the first gas component may damage the electrolyte layer or electrode layer for decomposing the second gas component, the gas decomposing element for decomposing the first gas component is used as the second gas component. It can be placed in front of the gas decomposition element to be decomposed. Moreover, when it is necessary to decompose | disassemble gas with high precision, the gas decomposition | disassembly element provided with the catalyst component which can exhibit high decomposition efficiency also to low concentration gas can be arrange | positioned in the last stage of a gas decomposition process.
また、非常に有毒なガスを除害する場合、一つの触媒では対応できない場合がある。本願発明では、このような有毒なガスを、複数種類の触媒を用いたガス分解素子を付加して構成することもできる。
In addition, when a very toxic gas is removed, a single catalyst may not be able to cope with it. In the present invention, such a toxic gas, can also be configured by adding a gas decomposition device had use a plurality of types of catalysts.
各ガス分解素子において、上記配合割合が異なる触媒を設ける部位も特に限定されることはない。上記触媒を、上記電極層を構成する材料中に配合することができる。
In each gas decomposition element, there is no particular limitation on the part where the catalyst having a different blending ratio is provided. On SL catalyst can be formulated in the material constituting the electrode layer.
また、上記固体電解質層及び/又は電極層の表面に触媒層を設けるとともに、この触媒層において上記触媒の配合割合を異ならせて設けることもできる。
Further, provided with the catalyst layer on the surface of the upper Symbol solid electrolyte layer and / or electrode layer, it can be provided with different mixing ratio of the catalyst in the catalyst layer.
また、上記電極層に沿って隣接して設けられる集電体に触媒を付加するとともに、上記触媒の配合割合を異ならせることもできる。
Moreover , while adding a catalyst to the electrical power collector provided adjacently along the said electrode layer, the compounding ratio of the said catalyst can also be varied.
アンモニアガスを含むガスを分解するガス分解装置においては、上記ガスが作用させられる電極に、第1の触媒成分と第2の触媒成分とを含む触媒が設けられる。上記第1の触媒成分として、主としてアンモニアガスを分解して水素分子を生成する触媒成分であるFeが採用される。一方、第2の触媒成分として、主として水素分子を分解してプロトンを生成する触媒成分であるNiが採用される。 The gas decomposition apparatus for decomposing a gas containing ammonia gas is the electrode where the gas is allowed to act, the catalyst comprising a first catalyst component and the second catalyst component are provided. As the first catalyst component is Fe is a catalyst component for producing hydrogen molecules are employed primarily decomposed ammonia gas. On the other hand, as the second catalyst component, Ni is a catalyst component for generating protons is employed to decompose the hydrogen molecule primarily.
アンモニアガスを含むガスを分解する場合、上記第1の触媒として、Fe,Co,Ti,Mo,W,Mn,Ru,Cuから選ばれた少なくとも1の触媒成分を含んで構成するとともに、上記第2の触媒として、Ni,Co,Ti,Mo,W,Mn,Ru,Cuから選ばれた少なくとも1の触媒成分を含んで構成することができる。
In the case of decomposing a gas containing ammonia gas, the first catalyst includes at least one catalyst component selected from Fe, Co, Ti, Mo, W, Mn, Ru, and Cu. As the second catalyst, at least one catalyst component selected from Ni , Co, Ti, Mo, W, Mn, Ru, and Cu can be included.
本願発明は、アンモニアガスと、他の複数のガス成分を含むガスを分解するガス分解装置に適用できる。
The present invention can be applied to a gas decomposition apparatus that decomposes ammonia gas and a gas containing a plurality of other gas components.
本願発明に係るガス分解方法は、上述したガス分解装置を用いて行われるアンモニアガスを含むガスの分解に用いられる。上記ガス分解方法においては、上記第1の電極層に含まれる触媒の組成を異ならせた複数のガス分解素子に、上記ガスを順次作用させて分解が行われる。
The gas decomposition method according to the present invention is used for decomposition of a gas containing ammonia gas, which is performed using the gas decomposition apparatus described above. In the gas decomposition method, decomposition is performed by sequentially applying the gas to a plurality of gas decomposition elements having different compositions of the catalyst included in the first electrode layer .
なお、上記ガスとして、アンモニアガス以外のガス成分を含むものを分解することもできる。
In addition, as said gas , what contains gas components other than ammonia gas can also be decomposed | disassembled.
本願発明に係るガス分解装置から、ガス分解発電装置を構成することができる。 From a gas decomposition apparatus according to the present gun invention, it is possible to construct a gas decomposition generator.
分解過程で変化するガスの成分に応じた触媒を作用させることが可能となり、ガスの分解効率を高めることができる。 A catalyst according to the gas component that changes in the decomposition process can be made to act, and the efficiency of gas decomposition can be increased.
以下、本願発明の実施形態を図に基づいて具体的に説明する。 Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
図5に示すように、本実施形態に係るガス分解装置100は、複数のガス分解素子100a,100b,100cを備えて構成される。図1は、上記ガス分解素子100a(100b,100c)の概要を示す断面図である。本実施形態は、アンモニアガス含むガスを分解して発電を行うガス分解装置100に、本願発明を適用したものである。
As shown in FIG. 5, the
上記各ガス分解素子100a(100b,100c)は、内側にガスを流動させて分解する筒状MEA110a(110b,110c)と、上記筒状MEA110a(110b,110c)を保持するとともにこの筒状MEAの外周部に空気を流動させることのできる筒状容器109とを備えて構成される。
Each
上記各筒状MEA110a(110b,110c)は、上記筒状容器109のガス流入口107とガス流出口108の間に接続されるようにして上記筒状容器109内に保持されている。上記筒状容器109の外周部には、空気を導入する空気流入口117と、上記筒状MEA110の外周部を流動する空気及び生成された水分を排出する排出口118とを備える。
Each
上記各ガス分解素子100a(100b,100c)は、外周部に図示しないヒータが設けられており、上記筒状MEA110a(110b,110c)及び上記空気が流動する空間Sを所定温度に加熱できるように構成されている。また、上記筒状MEA110a(110b,110c)の第1の電極層(アノード電極)102a(102b,102c)と第2の電極層105a(105b,105c)(カソード電極)の間には、配線111e,112eが設けられており、この配線内に蓄電手段500a(500b,500c)が設けられる。
Each of the
図2は、上記ガス分解装置100の要部拡大断面図であり、図3は、図2におけるIB−IB線に沿う断面図である。
2 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the
上記各筒状MEA110a(110b,110c)は、円筒状の固体電解質層101と、この固体電解質層101の内面を覆うように形成された第1の電極層(アノード電極)102a(102b,102c)と、上記固体電解質層101の外面を覆うように形成された第2の電極層(カソード電極)105a(105b,105c)とを備えて構成されている。上記第1の電極層102a(102b,102c)及び第2の電極層105a(105b,105c)には、集電体111,112が設けられている。上記第1の電極層102は燃料極と、また、上記第2の電極層105は空気極と呼ばれる。本実施形態では、筒状MEA110a(110b,110c)を採用したが、これに限定されることはなく、平板状の固体電解質層を備えるMEAを組み合わせてガス分解装置を構成することもできる。また、適用する装置に応じて寸法等を設定できる。
Each
アノード側集電体111は、銀ペースト塗布層111gと、Niメッシュシート111aと、多孔質金属体111sと、中心導電棒111kとを備えて構成されている。Niメッシュシート111aが、銀ペースト塗布層111gを介して、筒状MEA110の内面側の第1の電極層102に接触して、多孔質金属体111sから中心導電棒111kへと導電するように構成されている。多孔質金属体111sは、アンモニアを含む気体の圧力損失を低減させるために、気孔率を高くできる金属メッキ体、たとえば、セルメット(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102とアノード側集電体111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111gとNiメッシュシート111aとが配置されている。
The anode
カソード側集電体112は、銀ペースト塗布配線112gとNiメッシュシート112a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112aが、筒状MEA110の外面に接触して、外部配線へと導電している。銀ペースト塗布配線112gは、第2の電極層(カソード電極)105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、かつカソード側集電体112の電気抵抗を低くすることに寄与する。所定の性状の銀ペースト塗布配線112gは、酸素分子を通しながら銀粒子が第2の電極層(カソード電極)105に接触して、第2の電極層(カソード電極)105内に含まれる銀粒子と同等の触媒作用を発現する。
The cathode side
図4は、固体電解質層101にプロトン導電性の固体電解質を採用した場合における要部の機能を模式的に表した図である。アンモニアを含む気体は、ガス流入口107から気密性を厳格にした筒状MEA110の内筒、すなわちアノード側集電体111が配置されている空間に導入される。筒状MEA110を用いた場合、内面側にアンモニアを含む気体を通すことから、多孔質金属体111sが用いられる。圧力損失を低くする点から、上述のように、多孔質金属体111sとして、多孔質金属めっき体、たとえば、上述したセルメットを用いることができる。アンモニアを含む気体は、多孔質金属体111s、Niメッシュシート111a、及び多孔質の銀ペースト塗布層111gの空隙を通りながら、アンモニアの一部が熱分解されて、窒素ガスと水素ガスに分解される。
(アノード側集電体における反応):2NH3→N2+3H2
FIG. 4 is a diagram schematically showing the function of the main part when a proton conductive solid electrolyte is employed for the
(Reaction at the anode side current collector): 2NH 3 → N 2 + 3H 2
上記アンモニアは、上記集電体111を通過して第1の電極層102と接触し、第1の電極層102において、下記のアンモニア分解反応をする。
(アノード反応):2NH3→N2+6H++6e-
また、上記アンモニアが、上記アノード側集電体111を通過する際に熱分解して生成された水素ガスも、上記第1の電極層102においてプロトンに分解される。
(アノード反応):H2→2H++2e-
そして、上記プロトンは、固体電解質層101中を第2の電極層105に向けて移動する。一方、N2は、排気ガスとしてガス流出口108から排出される。
The ammonia passes through the
(Anode reaction): 2NH 3 → N 2 + 6H + + 6e −
Further, the hydrogen gas generated by thermal decomposition when the ammonia passes through the anode-side
(Anode reaction): H 2 → 2H + + 2e −
The proton moves in the
すなわち、プロトン導電性の固体電解質層101を用いると、第1の電極層102において、アンモニアが、プロトンと、窒素ガスと、電子に分解される。発生したプロトンは、固体電解質層101中を第2の電極層105へ向けて移動する。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101中の移動速度が大きく、装置の加熱温度を低く設定することが可能となる。
That is, when the proton conductive
一方、第2の電極層105では、固体電解質層101を移動してきた上記プロトンと空気中の酸素とが反応し、水が生成される。
(カソード反応):4H++O2-+4e-→2H2O
On the other hand, in the
(Cathode reaction): 4H + + O 2 + + 4e − → 2H 2 O
上記の電気化学反応の結果、電力が発生し、第1の電極層102と第2の電極層105との間に電位差を生じ、カソード側集電体112からアノード側集電体111へと電流Iが流れる。カソード側集電体112とアノード側集電体111との間に蓄電池500を接続することにより、電力が蓄えられる。また、蓄電池の代わりに、負荷、たとえばこのガス分解素子100aを加熱するための図示しないヒータに接続しておけば、そのための電力を供給することができる。
As a result of the above electrochemical reaction, electric power is generated, a potential difference is generated between the
酸素イオン導電性の固体電解質を採用した場合、水を筒状MEA110の内側(アノード電極側)で生成する反応となる。水は、筒状MEA110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、本実施形態のように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、外側(カソード側)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。
When an oxygen ion conductive solid electrolyte is employed, the reaction is to generate water inside the tubular MEA 110 (on the anode electrode side). Water may form water droplets at the low temperature near the outlet of the
<固体電解質層>
上記固体電解質層101として、BYZ(イットリウム添加ジルコン酸バリウム)から形成されたものを採用するのが好ましい。BYZは、低い作動温度においてプロトン伝導率が高く、活性化エネルギが低いため、エネルギ効率を高めることができる。また、上記構成によって、反応生成物である水が、外側(第2の電極層側)に生じるため、内側(第1の電極2側)に作用させられるアンモニアガスが、水蒸気により希釈されて反応効率が低下するのを防止することができる。なお、上記BYZの代わりに、BCY(バリウムセレイト)を用いることもできる。
<Solid electrolyte layer>
The
<第1の電極層(アノード電極)>
本実施形態に係る第1の電極層102は、表面に酸化層を有し、触媒として機能する金属粒連鎖体と、イオン導電性のセラミックスとを含む焼結体から形成することができる。本実施形態では、上記イオン導電性のセラミックスとして、プロトン導電性のセラミックスが採用される。たとえば、BYZ(イットリウム添加ジルコン酸バリウム)やBCY(バリウムセレイト)等を採用することができる。アンモニアを分解する場合、金属粒連鎖体の金属として、Ni及びFeを含むものを採用するのが好ましい。また、Ni−Co,Co−Fe,Ni−Ru,Ni−W等を含むものを採用することができる。
<First electrode layer (anode electrode)>
The
<第2の電極層(カソード電極)>
上記第2の電極層105(カソード電極)として、上記第1の電極層102(アノード電極)を構成する材料と同様に、プロトン導電性を有するセラミックス焼結体を用いて形成することができる。また、プロトンと酸素との反応を促進するため、銀等の触媒を添加することができる。また、分解するガスの種類によって、上記第1の電極層102と同様に、金属粒連鎖体を配合することができる。上記第2の電極層105(カソード電極)も、上記第1の電極層102(アノード電極)と同様の手法により形成することができる。
<Second electrode layer (cathode electrode)>
The second electrode layer 105 (cathode electrode) can be formed using a ceramic sintered body having proton conductivity in the same manner as the material constituting the first electrode layer 102 (anode electrode). In addition, a catalyst such as silver can be added to promote the reaction between protons and oxygen. Also, depending on the type of gas to be decomposed, a metal particle chain can be blended similarly to the
上述したように、本実施形態では、第1の電極層102に、アンモニアガスと水素ガスの混合ガスが作用させられて、上記のように分解される。上記触媒として配合される金属粒連鎖体は、上記混合ガスを分解するのに好適なNi−Fe合金から形成されるが、Feはアンモニアガスの分解効率が高く、一方、Niは水素ガスの分解効率が高い。
As described above, in the present embodiment, a mixed gas of ammonia gas and hydrogen gas is allowed to act on the
アンモニアガスは、上記筒状MEAの内側を軸方向に流動させられながら分解される。このため、アンモニアガスと水素ガスからなる混合ガスの濃度は、筒状容器のガス流入口近傍で最も大きく、筒状MEA内を軸方向に流動するにつれて低下し、ガス流出口近傍で最も小さくなる。アンモニアガスは、上記集電体内における分解反応と、第1の電極層102(アノード電極)における分解反応が同時に進行するため、上記ガス流入口からガス流出口に向かって減少する。一方、集電体内でアンモニアガスが分解された後水素ガスが分解されるまで、ある程度の時間差があるため、水素ガスの濃度低下は、アンモニアガスの濃度低下より小さくなる。この結果、ガスの流動初期においては、アンモニアガスの占める成分割合は、水素ガスの占める成分割合より大きくなるが、流動するにつれて水素ガスの占める割合が増加して、ガス流出口近傍では、分解未了のほとんどのガスが水素ガスになる。従来のガス分解素子における上記第1の電極層102は、均一な組成の触媒を配合して構成されていたため、上記アンモニアガスの濃度変化に対応できず、分解性能を高めることができなかった。
The ammonia gas is decomposed while flowing in the axial direction inside the cylindrical MEA. For this reason, the concentration of the mixed gas composed of ammonia gas and hydrogen gas is the highest near the gas inlet of the cylindrical container, decreases as it flows in the cylindrical MEA in the axial direction, and becomes the lowest near the gas outlet. . The ammonia gas decreases from the gas inlet to the gas outlet because the decomposition reaction in the current collector and the decomposition reaction in the first electrode layer 102 (anode electrode) proceed simultaneously. On the other hand, since there is a certain time difference until the hydrogen gas is decomposed after the ammonia gas is decomposed in the current collector, the decrease in the concentration of hydrogen gas is smaller than the decrease in the concentration of ammonia gas. As a result, at the initial stage of gas flow, the component ratio of ammonia gas is larger than the component ratio of hydrogen gas, but the ratio of hydrogen gas increases as it flows, and in the vicinity of the gas outlet, no decomposition occurs. Most of the gas will be hydrogen gas. Since the
本実施形態では、図5に示すように、上記ガスの濃度及び成分割合が変化するのに対応して、触媒の配合割合を段階的に異ならせた複数のガス分解素子100a,100b,100cから、ガス分解装置100を構成している。
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the
図6から図8は、上記各ガス分解素子100a,100b,100cにおける触媒の配合割合の相異を模式的に示したものである。なお、本実施形態は、各ガス分解素子における第1の電極層102(アノード電極)の触媒の組成を異ならせたものである。これらの図に示すように、ガスが最初に通過させられるガス分解素子100aの第1の電極層102a(アノード電極)おけるFe触媒151の配合割合を最も大きく設定し、第2のガス分解素子100b、第3のガス分解素子100cにおけるFe触媒151の配合割合を段階的に減少させている。一方、Ni触媒152の配合割合は、ガスが最初に通過させられるガス分解素子100aの第1の電極層(アノード電極)102aにおいて最も小さく設定し、上記とは逆に、第2のガス分解素子100b、第3のガス分解素子100cにおける配合割合を段階的に増加させている。
6 to 8 schematically show the difference in the mixing ratio of the catalyst in each of the
上記構成を採用することにより、ガスの分解初期には、アンモニアガスの分解を促進するとともに、流動するにつれて成分割合が増加する水素ガスの分解能力を高めることが可能となる。これにより、複数の筒状MEA内を流動しながら、濃度及び成分比率が変化するガスを効率よく分解することが可能となる。 By adopting the above-described configuration, it is possible to promote the decomposition of ammonia gas at the initial stage of gas decomposition, and to enhance the decomposition ability of hydrogen gas whose component ratio increases as it flows. Thereby, it is possible to efficiently decompose the gas whose concentration and component ratio change while flowing in the plurality of cylindrical MEAs.
触媒の配合割合が異なる上記第1の電極層102を形成する手法は特に限定されることはない。たとえば、固体電解質層と電極層とを焼結手法で一体形成する場合、成形工程において電極層における触媒の配合割合を異ならせることができる。各ガス分解素子における上記Ni−Feの配合割合は特に限定されることはない。たとえば、第1のガス分解素子100aにおけるNi−Feの配合割合を1:9とし、第2のガス分解素子100bにおけるNi−Feの配合割合を5:5とし、第3のガス分解素子100cにおけるNi−Feの配合割合を9:1とすることができる。
There is no particular limitation on the method of forming the
なお、図6〜図8に示す実施形態では、第2の電極層105a,105b,105cにおける触媒の配合割合を変化させていないが、分解するガスの種類や装置の構成に応じて、触媒の配合割合を変化させることができる。 In the embodiment shown in FIGS. 6 to 8, the mixing ratio of the catalyst in the second electrode layers 105 a, 105 b, and 105 c is not changed, but depending on the type of gas to be decomposed and the configuration of the apparatus, The blending ratio can be changed.
また、第1の実施形態では、アノード側集電体111に銀ペーストからなる触媒を設けたが、Ni−Feからなる触媒に置き換えることができる。Ni−Feからなるメッシュシートは、たとえば、Feメッシュシートに、異なる厚みでNiメッキ層を設け、これを加熱して合金化することにより、Ni−Fe成分の配合割合が異なる複合触媒メッシュシートを形成できる。
In the first embodiment, the anode
図9から図11に、本願発明の第2の実施形態を示す。第2の実施形態は、異なる触媒を備える複数のガス分解素子200a,200b,200cを組み合わせて、ガス分解装置200を構成したものである。なお、図9から図11は、図5における各ガス分解素子の要部を模式的に示す図であり、第1の実施形態に係る図6から図8に対応するものである。また、固体電解質層及び第1の電極層以外の構成は、第1の実施形態と同様であるので説明は省略する。
9 to 11 show a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, a
上述したように、アンモニアガスを分解するには、Ni−Fe触媒が有効である。一方、上記Ni−Fe触媒がすべてのガスに効果的であるとはいえない。本実施形態では、アンモニアガスとメタンガスとを含む混合ガスに適用できるガス分解装置200に本願発明を適用したものである。
As described above, the Ni—Fe catalyst is effective for decomposing ammonia gas. On the other hand, the Ni-Fe catalyst is not effective for all gases. In the present embodiment, the present invention is applied to a
本実施形態では、メタンガスを効果的に分解できる第1のガス分解素子200aと、アンモニアガスを効果的に分解できる第2のガス分解素子200bと、主として前置された上記ガス分解素子200bにおいて生成される水素を効果的に分解できる第3のガス分解素子200cとを直列に接続して、図5に示すガス分解装置200を構成している。なお、本実施形態に係るガス分解装置200は、上記組成の異なる触媒を有するガス分解素子を一つずつ備えて構成されているが、それぞれのガス分解素子200a,200b,200cにおいて、触媒の配合割合が異なる複数のガス分解素子をそれぞれ備えて構成することができる。
In the present embodiment, the first
図9に示す第1の筒状MEA210aを備える第1のガス分解素子200aは、YSZ等の酸素イオン導電性の固体電解質層201aを備えるとともに、Ru−Niからなる触媒を含む第1の電極層202a(アノード電極)を採用している。
A first
上記第1のガス分解素子200aにおいては、メタンガスの分解効率を高めるため、Ni触媒251に比べて、Ru触媒252の配合割合を高く設定している。たとえば、Ru−Niの配合割合を7:3以上に設定するのが好ましい。上記構成により、第1のガス分解素子200aにおいては、上記混合ガス成分のうち、主としてメタンガスを効率的に分解できるように構成している。第1のガス分解素子200aにおける第1の電極層202a(アノード電極)における反応は下記のとおりである。
(アノード電極反応):CH4+4O2-→2H2O+CO2+8e-
第1の電極層202aにおける上記アノード反応によって生成される水蒸気2H2O及び炭酸ガスCO2は、他のガス分解素子を通過後に、大気へ排出される。
なお、触媒を有する集電体を設けることにより、水素を生成する反応を生じさせてから第1の電極層に作用させることもできる。
In the first
(Anode electrode reaction): CH 4 + 4O 2− → 2H 2 O + CO 2 + 8e −
The water vapor 2H 2 O and carbon dioxide gas CO 2 generated by the anode reaction in the
Incidentally, by providing a current collector having a catalyst, it can also be applied to the first electrode layer from causing a reaction for generating hydrogen.
第2の電極層205a(カソード電極)では、上記アノード反応に用いられる酸素イオンO2-が空気から生成され、固体電解質層201a中を第1の電極層202a(アノード電極)に向けて移動させられる。
(カソード反応):2O2+8e-→4O2-
上記構成を採用することにより、第1のガス分解素子200aにおいて、主としてメタンガスを効率よく分解することができる。
In the
(Cathode reaction): 2O 2 + 8e − → 4O 2−
By adopting the above configuration, methane gas can be mainly decomposed efficiently in the first
また、BYZ等のプロトン導電性の固体電解質を用いてガス分解素子を形成した場合、第1の電極層において、
(アノード反応)
CH4→C+2H2
2H2→4H++4e-
が生じる。
上記アノード反応によって生成された水素イオンが固体電解質層内を第2の電極層に移動させられる。第2の電極層では、
(カソード反応)
4H++O2+4e-→2H2O
が生じ、上記カソード反応によって生成された水蒸気は、大気へ放出される。
Further, when the gas decomposition element is formed using a proton conductive solid electrolyte such as BYZ, in the first electrode layer,
(Anode reaction)
CH 4 → C + 2H 2
2H 2 → 4H + + 4e -
Occurs.
Hydrogen ions generated by the anode reaction are moved in the solid electrolyte layer to the second electrode layer. In the second electrode layer,
(Cathode reaction)
4H + + O2 + 4e − → 2H 2 O
The water vapor generated by the cathode reaction is released to the atmosphere.
図10に示す第2の筒状MEA210bを備える第2のガス分解素子200bは、第1の実施形態と同様に、アンモニアガスを分解するために設けられるものであり、第1の実施形態と同様に、Fe−Niからなる触媒を含む第1の電極層202b(アノード電極)が採用されている。上記アンモニアガスを効率よく分解するために、Fe触媒251の配合割合を、Ni触媒253の配合割合より高く設定している。本実施形態では、Fe−Niの配合割合を7:3以上に設定するのが好ましい。
Similar to the first embodiment, the second
上記第2のガス分解素子200bにおいては、上述した第1の実施形態と同様にして、アンモニアガスが分解される。なお、Fe−Niの配合割合を7:3以上に設定したため、水素ガスの分解を充分に行うことができない。このため、水素ガスを効率よく分解するために、図11に示す第3のガス分解素子200cを設けている。
In the second
上記第3のガス分解素子200cの第1の電極層202cは、Fe−Niの配合割合を9:1に設定している。上記構成を採用することにより、上記第1のガス分解素子200a及び第2のガス分解素子200bにおいて分解しきれなかった水素ガスを効率よく分解することができる。
In the
上記構成を採用することにより、メタンガスとアンモニアガスを含む混合ガスを効率よく分解することが可能となる。 By adopting the above configuration, it is possible to efficiently decompose the mixed gas containing methane gas and ammonia gas.
なお、上述した実施形態では、アンモニアガスとメタンガスを含む混合ガスの分解に、本願発明に係るガス分解素子を適用したが、他のガスを分解するガス分解装置にも適用できる。 In the above-described embodiment, the gas decomposition element according to the present invention is applied to the decomposition of the mixed gas containing ammonia gas and methane gas, but the present invention can also be applied to a gas decomposition apparatus that decomposes other gases.
本願発明の範囲は、上述の実施形態に限定されることはない。今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものでないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The scope of the present invention is not limited to the embodiment described above. The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined not by the above-mentioned meaning but by the scope of the claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of the claims.
流動しながら濃度や組成が変化するガスを効率よく分解して除害できるとともに、分解反応を利用して効率よく発電を行うことができる。 A gas whose concentration or composition changes while flowing can be efficiently decomposed and removed, and power can be generated efficiently using a decomposition reaction.
100 ガス分解装置
100a 第1のガス分解素子
100b 第2のガス分解素子
100c 第3のガス分解素子
110a 第1の筒状MEA
110b 第2の筒状MEA
110c 第3の筒状MEA
102a 第1の電極層(アノード電極)
102b 第1の電極層(アノード電極)
102c 第1の電極層(アノード電極)
105a 第2の電極層(カソード電極)
105b 第2の電極層(カソード電極)
105c 第2の電極層(カソード電極)
DESCRIPTION OF
110b Second cylindrical MEA
110c Third cylindrical MEA
102a First electrode layer (anode electrode)
102b First electrode layer (anode electrode)
102c 1st electrode layer (anode electrode)
105a Second electrode layer (cathode electrode)
105b Second electrode layer (cathode electrode)
105c Second electrode layer (cathode electrode)
Claims (4)
この固体電解質層の一側に設けられる第1の電極層と、
上記固体電解質層の他側に設けられる第2の電極層と、
第1の触媒成分であるFeと第2の触媒成分であるNiとを含む触媒と、を備えるガス分解素子を複数備え、
上記複数のガス分解素子にアンモニアを含むガスを順次作用させることによりアンモニアを含むガスを分解するガス分解装置であって、
上記複数のガス分解素子はいずれも、上記第1の電極層にてアンモニアを含むガスを窒素と水素とに分解し、さらに上記水素をプロトンに分解し、上記プロトンが上記固体電解質層を通じて上記第2の電極層に移動し、上記第2の電極層にて上記プロトンと酸素とが反応して水を生成するものであり、
上記触媒は、
上記第1の電極層を構成する材料中に配合されるか、上記第1の電極層の表面に設けた触媒層中に配合されるか、あるいは、上記第1の電極層に沿って隣接して設けられる集電体に付加されるか、のいずれかにより上記第1の電極層に設けられ、
上記複数のガス分解素子における触媒の上記第1の触媒成分及び上記第2の触媒成分の配合割合について、上記アンモニアガスを先に作用させるものは上記アンモニアを含むガスを後に作用させるものに比べて、上記第1の触媒成分の配合割合が高く、かつ上記第2の触媒成分の配合割合が低い、ガス分解装置。 A solid electrolyte layer;
A first electrode layer provided on one side of the solid electrolyte layer;
A second electrode layer provided on the other side of the solid electrolyte layer;
A plurality of gas decomposition elements comprising: a catalyst containing Fe as the first catalyst component and Ni as the second catalyst component;
A gas decomposition apparatus that decomposes a gas containing ammonia by sequentially causing a gas containing ammonia to act on the plurality of gas decomposition elements,
In each of the plurality of gas decomposition elements, the gas containing ammonia is decomposed into nitrogen and hydrogen in the first electrode layer, the hydrogen is further decomposed into protons, and the protons pass through the solid electrolyte layer. The second electrode layer reacts with the protons and oxygen to produce water,
The catalyst is
It is mix | blended in the material which comprises the said 1st electrode layer, is mix | blended in the catalyst layer provided in the surface of the said 1st electrode layer, or adjoins along the said 1st electrode layer. Or is added to the current collector provided in the first electrode layer,
Regarding the mixing ratio of the first catalyst component and the second catalyst component of the catalyst in the plurality of gas decomposition elements, the one that causes the ammonia gas to act first is compared to the one that causes the gas containing ammonia to act later. A gas decomposition apparatus in which the blending ratio of the first catalyst component is high and the blending ratio of the second catalyst component is low.
上記第1の電極層に含まれる触媒の組成を異ならせた複数のガス分解素子に、上記ガスを順次作用させて分解する、ガス分解方法。 A method for decomposing a gas containing ammonia gas, which is performed using the gas decomposing apparatus according to claim 1 ,
A gas decomposition method, in which the gas is sequentially applied to a plurality of gas decomposition elements having different compositions of the catalyst contained in the first electrode layer for decomposition.
A gas decomposition power generation apparatus comprising the gas decomposition apparatus according to claim 1.
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