JPWO2015182404A1 - ガス分解装置及び発電装置 - Google Patents
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Abstract
単室型ガス分解装置１００は、固体電解質層２と、この固体電解質層２の一側に積層形成されたアノード層３と、前記固体電解質層の他側に積層形成されたカソード層４とをそれぞれ有する１又は２以上の膜電極接合体５と、連続気孔１ｂを有する多孔質集電体８ａ，８ｂ，８ｃとを備え、前記膜電極接合体は前記多孔質集電体を介して積層されており、前記固体電解質層は、プロトン伝導性を有する固体電解質から形成されており、前記多孔質集電体は、少なくとも前記連続気孔に対向する表面に耐蝕性を有する合金層１２ａを設けた金属多孔質体１を含んで構成されており、前記金属多孔質体が、前記アノード層及び前記カソード層にガスを供給するガス流路９ａ，９ｂ，９ｃを構成している。
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、固体電解質を用いて構成されるとともに、低い温度で作動させた場合にも高いガス分解効率を発揮できるガス分解装置に関する。
たとえば、自動車の排気ガスやアンモニアガスは、人体に有害であり、そのまま大気に放出すると公害問題を引き起こす。このため、これらガスを分解するために種々のガス分解装置が考案されている。
たとえば、白金（Ｐｔ）やロジウム（Ｒｈ）等の触媒を用いるとともに、熱エネルギーを作用させることによりガスを分解するガス分解装置が知られている。ところが、前記触媒は非常に高価である。このため、自動車等の排気ガスを処理するガス分解装置に採用することは困難である。
固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣという。）の原理を利用して、ガス分解装置を構成することもできる。固体酸化物型燃料電池の原理を用いたガス分解装置は、固体電解質層とアノード層とカソード層とを一体的に積層して構成される膜電極接合体を備え、前記固体電解質層にイオンを伝導させることにより電気化学的にガスを分解するものである。
燃料電池の原理を用いてガス分解装置を構成する場合、一般的な燃料電池のように、排気ガス等と空気（酸素）とを分離して各電極に作用させることは困難である。このため、排気ガス等と空気（酸素）含む混合ガスを、前記膜電極接合体を収容した一つの容器内で流動させて前記アノード層とカソード層にガスを作用させる、いわゆる単室型のガス分解装置を構成する必要がある。
ところが、前記単室型のガス分解装置においてガスを効率よく分解するには、８００℃以上の高温を作用させなければならない。たとえば、自動車の排気ガスを分解する場合、エンジンで発生する熱を利用できるが、他の触媒装置や熱電変換装置等との熱の取り合いが生じる。このため、設置場所等が限定され、設計の自由度が低い。
また、近年、エンジンの効率を高めるため、エンジンの排気ガス温度を低下させることが要請されている。このため、ガス分解装置に充分な熱エネルギーを作用させるのが困難になりつつある。上記不都合を回避するため、固体電解質として、比較的低温で作動するスカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）やランタンガレート（ＬＳＧＭ）を採用することが考えられる。
ところが、前記ＳＳＺやＬＳＧＭは、酸素イオン伝導体であり、水がアノード層側に生成される。前記アノード層は、通常、前記固体電解質層を形成する基材であるとともに、膜電極接合体の機械的強度を確保するため、大きな厚みで形成されている。このため、これら材料から排気ガス処理用の膜電極接合体を構成した場合、アノード層において生成された水を排出するのが困難になり、ガス分解性能が低下するという問題が生じる。
本願発明は、上記課題を解決するために案出されたものであって、ガスを低温で効率よく分解できるとともに、生成された水を円滑に排出できるガス分解装置を提供することを課題とする。
本願発明の一態様に係るガス分解装置は、固体電解質層と、この固体電解質層の一側に積層形成されたアノード層と、前記固体電解質層の他側に積層形成されたカソード層とをそれぞれ有する１又は２以上の膜電極接合体と、連続気孔を有する多孔質集電体とを備え、前記膜電極接合体は前記多孔質集電体を介して積層されており、前記固体電解質層は、プロトン伝導性を有する固体電解質から形成されており、前記多孔質集電体は、少なくとも前記連続気孔に対向する表面に耐蝕性を有する合金層を設けた金属多孔質体を含んで構成されており、前記金属多孔質体が、前記アノード層及び前記カソード層にガスを供給するガス流路を構成している。
低温でガスを効率よく分解できるとともに、生成された水を円滑に排出できる。
〔実施形態の概要〕
本願発明の一態様に係るガス分解装置は、固体電解質層と、この固体電解質層の一側に積層形成されたアノード層と、前記固体電解質層の他側に積層形成されたカソード層とをそれぞれ有する１又は２以上の膜電極接合体と、連続気孔を有する多孔質集電体とを備え、前記膜電極接合体は前記多孔質集電体を介して積層されており、前記固体電解質層は、プロトン伝導性を有する固体電解質から形成されており、前記多孔質集電体は、少なくとも前記連続気孔に対向する表面に耐蝕性を有する合金層を設けた金属多孔質体を含んで構成されており、前記金属多孔質体が、前記アノード層及び前記カソード層にガスを供給するガス流路を構成するものである。
本願発明の一態様に係るガス分解装置は、固体電解質層と、この固体電解質層の一側に積層形成されたアノード層と、前記固体電解質層の他側に積層形成されたカソード層とをそれぞれ有する１又は２以上の膜電極接合体と、連続気孔を有する多孔質集電体とを備え、前記膜電極接合体は前記多孔質集電体を介して積層されており、前記固体電解質層は、プロトン伝導性を有する固体電解質から形成されており、前記多孔質集電体は、少なくとも前記連続気孔に対向する表面に耐蝕性を有する合金層を設けた金属多孔質体を含んで構成されており、前記金属多孔質体が、前記アノード層及び前記カソード層にガスを供給するガス流路を構成するものである。
本実施形態に係るガス分解装置においては、前記固体電解質層が、プロトン伝導性を有する固体電解質から形成される。前記固体電解質として、たとえば、イットリウム添加バリウムセレイト（ＢＣＹ）、イットリウム添加ジルコン酸バリウム（ＢＺＹ）、イットリウム添加ジルコン酸バリウムセレイト（ＢＺＣＹ）等のプロトン伝導性を有するものを採用することができる。
前記プロトン伝導性の固体電解質を採用することにより、作動温度を、ＹＳＺ等の酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた場合より低く設定することが可能となる。このため、他の触媒装置や熱電変換装置等との熱の取り合いを緩和することができる。また、作動温度が低くなるため、システム設計の自由度も向上する。
また、前記プロトン伝導性の固体電解質層を採用することにより、カソード側において水を生成させることができる。カソード層は、アノード層に比べて厚みを薄く設定することが可能であるため、生成された水分をカソード層近傍から円滑に排出することができる。このため、電極内に溜まった水が、ガスの拡散流動性を阻害してガス分解効率を低下させることもない。
ガス分解装置の膜電極接合体の近傍は強い腐食環境下にある。本実施形態では、前記多孔質集電体として、少なくとも前記連続気孔に対向する表面に耐蝕性を有する合金層を設けた金属多孔質体を採用している。
前記合金層を設けることにより、前記金属多孔質体の耐蝕性が高まり、ガス分解装置の耐久性が向上する。前記合金層は、金属多孔質体の表面を覆うように所定の厚みで形成することもできるし、金属多孔質体の全体を耐蝕性のある合金で形成することもできる。
前記耐蝕性のある合金として種々の配合のものを採用できる。たとえば、ニッケル（Ｎｉ）−スズ（Ｓｎ）合金、ニッケル（Ｎｉ）−クロム（Ｃｒ）合金等を採用できる。
前記耐蝕性のある合金層を備える金属多孔質体として、ニッケル（Ｎｉ）多孔質体の少なくとも前記連続気孔に対向する表面に、スズ（Ｓｎ）を含む合金層を設けたものを採用するのが好ましい。
ニッケル（Ｎｉ）は安価であり、また、表面にスズ（Ｓｎ）を含む合金層を設けることにより、所要の耐蝕性を確保できる。
ニッケル（Ｎｉ）は安価であり、また、表面にスズ（Ｓｎ）を含む合金層を設けることにより、所要の耐蝕性を確保できる。
前記スズを含む合金層は、ニッケル多孔質体の少なくとも前記連続気孔に対向する表面に設けられる。すなわち、前記ニッケル多孔質体の全体をスズ合金とすることもできるし、ニッケル多孔質体の表面に所定厚みのスズ合金層を形成することもできる。
前記ニッケル多孔質体の全体、及び前記スズを含む合金層は、スズ以外の合金成分を含んで構成することもできる。たとえば、耐蝕性を向上させるために、クロム（Ｃｒ）、Ｗ（タングステン）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）等を含む合金層を形成することもできる。
腐食環境は、ガス分解装置の部位によって異なる。本実施形態では、カソード層において水分が生成されるため、カソード層近傍が、アノード層近傍より過酷な腐食環境となる。このため、前記金属多孔質体におけるカソード層に積層される側のスズの配合割合を、アノード層に積層される側のスズの配合割合より大きく設定するのが好ましい。
例えば、金属多孔質体においてカソード近傍部分（金属多孔質体の厚さを１とした場合において、カソード層に隣接する位置から厚さ１／３の部分）のスズの配合割合を１０〜２０質量％に設定し、その他の部分におけるスズの配合割合をカソード近傍部分におけるスズの配合割合よりも小さくすることにより、カソード近傍部分における金属多孔質体の腐食を抑えつつ、金属多孔質体へのスズの配合割合を全体としては下げることができる。
さらに、本実施形態における前記金属多孔質体は、前記アノード層及び前記カソード層にガスを供給するガス流路を構成している。
ガス流路として機能させるために、前記金属多孔質体の気孔率を３０〜９８％に設定するのが好ましい。前記気孔率が３０％未満の場合、ガスの流動性が低下する。一方、気孔率が９８％を越えると、金属多孔質体の強度を確保できない。
また、ガス流路として機能させるために、気孔径の範囲を０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下に設定するのが好ましい。気孔径が０．１ｍｍ未満の場合、ガスの流動抵抗が大きくなる。一方、気孔径が１ｍｍを越えると、ガスの拡散機能が低下し、電極層に均一にガスを作用させることができなくなる。
前記金属多孔質体におけるカソード層に積層される側の気孔率や気孔径を、アノード層に積層される側の気孔率や気孔径より大きく設定するのが好ましい。これにより、カソード側で生成される水を円滑に排出することができる。また、生成された水がカソード層内や、その近傍の金属多孔質体内で溜まりにくくなる。
異なる気孔率や気孔径を有する金属多孔質体を形成する手法は、特に限定されることはない。たとえば、２以上の異なる気孔率や気孔径を備える金属多孔質体を組み合わせることにより、異なる気孔率や気孔径を備える金属多孔質体を構成できる。また、気孔径及び気孔率が一定の金属多孔質体を圧縮変形させることにより、一体に形成された金属多孔質体内に異なる気孔率や気孔径を有する部位を形成することができる。
ガス分解効率を高めるには、流動するガスを各電極層に対して均一に作用させるのが好ましい。このため、前記金属多孔質体におけるガス流入側の気孔径を、他の部位の気孔径より小さく設定することができる。たとえば、金属多孔質体の全体の気孔径を０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下に設定するとともに、この範囲内で、ガス流入側の気孔径を、他の部位の気孔径より小さく設定するのが好ましい。この構成を採用することにより、金属多孔質体内において、ガスを乱流状態で流動させることが可能となり、各電極にガスを円滑に、かつ均一に作用させて分解することができる。
前記金属多孔質体の形態は特に限定されることはない。たとえば、繊維状の金属を編成し、又は交絡させて金属多孔質体を構成できる。
また、前記金属多孔質体として、外殻と、中空又は導電性材料の一方又は双方からなる芯部とを有する骨格を備え、前記骨格が一体的に連続する三次元網目構造を備えものを採用するのが好ましい。前記三次元網目構造を備える金属多孔質体は、大きな気孔率で形成できるとともに、均一な気孔径で各気孔を形成できる。このため、ガスの流動抵抗が低く、ガス分解装置の効率を高めることができる。
前記構成の金属多孔質体を製造する手法も特に限定されることはない。たとえば、ニッケルからなる多孔質基材を形成するニッケル多孔質基材形成工程と、前記ニッケル多孔質基材にスズをコーティングするスズコーティング工程と、前記コーティングされたスズと前記ニッケル多孔質基材とを合金化するスズ合金化工程とを含んで製造することができる。
本実施形態に係るガス分解装置は、燃料電池の原理を利用するものであるため、ガスを分解すると同時に発電が行われる。このため、発電された電力を、蓄電池に蓄えたり、他の機器を作動させるために利用することができる。
〔実施形態の詳細〕
以下、実施形態の詳細を図に基づいて具体的に説明する。
以下、実施形態の詳細を図に基づいて具体的に説明する。
図１に、一実施形態に係るガス分解装置の要部の断面構造を示す。本実施形態に係るガス分解装置１００は、２つの膜電極接合体５，５を備えて構成される。各膜電極接合体５，５は、固体電解質層２と、この固体電解質層２の一側に積層形成されたアノード層３と、他側に積層形成されたカソード層４とを備えて構成される。
前記膜電極積層体５，５は、多孔質集電体８ａ，８ｂ，８ｃを介して積層されるとともに、外側に導電性を有する板状の集電部材６，７で挟み込むようにして保持されている。
なお、実際には、前記ガス分解装置１００の全体が所定の容器内に収容されて、図１に示すように、一方の側から排気ガスが供給される。前記多孔質集電体８ａ，８ｂ，８ｃは、ガス流路９ａ，９ｂ，９ｃを構成しており、これら多孔質集電体８ａ，８ｂ，８ｃ内を、固体電解質層２の面方向にガスが流動させられながら、各膜電極接合体５，５の電極層３，４に作用するように構成されている。
また、本実施形態では、前記多孔質集電体８ａ，８ｂ，８ｃが、隣接して配置される前記膜電極接合体５，５の対向する前記アノード層３と前記カソード層４とを導通させる導電部材としても機能している。この構成により、複数の膜電極接合体５，５を直列接続して、高い電圧を確保することが可能となる。
前記固体電解質層２を構成する固体電解質として、たとえば、イットリウム添加バリウムセレイト（ＢＣＹ）、イットリウム添加ジルコン酸バリウム（ＢＺＹ）、イットリウム添加ジルコン酸バリウムセレイト（ＢＺＣＹ）等のプロトン伝導性を有するものを採用することができる。また、前記固体電解質層２は、約５０μｍの厚みで形成されている。
前記アノード層３を構成する材料として、前記固体電解質にニッケル（Ｎｉ）を添加したものを採用できる。固体電解質を支持する構造体として一定の強度を確保する観点からは、アノード層の厚みは１００μｍ以上１０００μｍ以下とすることが望ましい。
また、前記カソード層４を構成する材料として、ランタンストロンチウム鉄コバルト系材料（ＬＳＣＦ）や、バリウムストロンチウム鉄コバルト系材料（ＢＳＣＦ）等を採用できる。また、前記アノード層３は、５００〜１０００μｍの厚みで形成されている。
また、前記カソード層４を構成する材料として、ランタンストロンチウム鉄コバルト系材料（ＬＳＣＦ）や、バリウムストロンチウム鉄コバルト系材料（ＢＳＣＦ）等を採用できる。また、前記アノード層３は、５００〜１０００μｍの厚みで形成されている。
図２に示すように、プロトン伝導性の固体電解質２を用いると、たとえば、アノード層３の近傍や多孔質集電体８ａ内において、アンモニアガスやメタンガスが分解されて、水素ガスやプロトンＨ＋が生成され、このプロトンＨ＋を、固体電解質層２を経てカソード層４へと移動させる。前記カソード層４において酸素Ｏ２と反応させて水（Ｈ２Ｏ）を生じさせる。プロトンＨ＋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、低い加熱温度においても、充分なガス分解性能を得ることができる。
また、カソード層４の厚みは小さいため、生成された水は、前記カソード層４から迅速に排出される。このため、水滴となってカソード層４内に溜まることはなく、ガス分解装置１００の性能が低下することもない。本実施形態では、エンジン等の熱源によって、４００〜６００℃に加熱された状態で、前記ガスの分解が行われる。カソード層（空気極）としての機能を発揮しつつ極力厚みを小さくする観点からは、カソード層の厚みは１０μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい。本実施形態では、カソード層４は、約５０μｍの厚みで形成されている。
前記多孔質集電体８ａ，８ｂ，８ｃは、耐蝕性を有する合金層１２ａを備える金属多孔質体１から形成される。前記金属多孔質体として、種々の形態のものを採用できる。たとえば、金属繊維を編成し、あるいは交絡させたシート状の金属多孔質体を採用できる。
本実施形態では、前記多孔質集電体８ａ，８ｂ，８ｃに、ニッケル（Ｎｉ）−スズ（Ｓｎ）合金から形成された合金層１２ａを備える金属多孔質体１を採用している。
図３は、前記多孔質集電体８ａ，８ｂ，８ｃを構成する金属多孔質体１の外観構造を示す電子顕微鏡写真である。金属多孔質体１は、連続気孔１ｂを有する３次元網目構造を備える。図４及び図５に示すように、前記３次元網目構造は、三角柱状の骨格１０が３次元に連続して連なった形態を備え、前記骨格１０を構成する複数の枝部１２が結節部１１に集合して一体的に連続する形態を備える。また、骨格１０の各部は、図４に示すように、外殻部１０ａと、中空状の芯部１０ｂとを備えて構成される。なお、後に説明するように、前記外殻部１０ａの表面には、ニッケル（Ｎｉ）とスズ（Ｓｎ）とが、一体的に合金化されたニッケル（Ｎｉ）−スズ（Ｓｎ）合金からなる合金層１２ａが形成されている。
前記金属多孔質体１は、連続気孔１ｂを有する多孔質状に形成されているため、前記連続気孔１ｂ内でガス等を流動させて各電極に作用させることができるとともに、効率よく集電することができる。しかも、前記金属多孔質体１は、３次元網目構造を採用することによって、気孔率をきわめて大きく設定することができる。このため、気孔内におけるガスの流動抵抗が低く、大量のガスを流動させることが可能となり、ガス分解効率を高めることができる。
また、図４に示すように、前記３次元網目構造における一の結節部１１及びこれに集合する前記枝部１２における外殻部１０ａの厚みｔがほぼ一定に形成されている。このため、多孔質体の全体が均一な機械的強度を備える。これにより、高温環境下で使用されるＳＯＦＣの集電体に適用しても、所要の強度を確保することができる。
たとえば、前記金属多孔質体１として、３０％〜９８％の気孔率を備えるとともに、大気雰囲気中で６００℃以上に加熱した後、常温において３０Ｋｇｆ／ｃｍ２の荷重を作用させた場合の厚みの変化量が、３０％未満となるように設定されたものを採用するのが好ましい。
前記多孔質集電体１は、Ｎｉ（ニッケル）とＳｎ（スズ）とを含む合金（以下、Ｎｉ−Ｓｎ合金という）から形成された合金層１２ａを備えて構成されている。前記合金層１２ａのＮｉとＳｎの配合量は、作動温度等に応じて設定することができる。たとえば、前記合金層１２ａを、Ｓｎを１０〜２０質量％含むように構成するのが好ましい。さらに、Ｓｎを１２〜１７質量％含むように構成するのより好ましい。さらにまた、Ｎｉ成分、Ｓｎ成分に加えて、１０質量％以下のリン成分を加えるのが好ましい。リン成分を加えるには、Ｎｉ−Ｓｎ合金層を形成する際に、リンを含む添加物を加えればよい。例えば、Ｎｉ層を無電解ニッケルめっきで形成した後、還元剤として次亜リン酸系材料を用いることにより、リン成分を添加することができる。これにより、耐電解性、耐蝕性がさらに向上する。なお、リンの配合量が多くなると耐熱性が低下するため、リンの配合量は１０％以下に設定される。
前記金属多孔質体１は、種々の手法を用いて形成することができる。たとえば、金属多孔質体を構成するＮｉ−Ｓｎ合金材料を多孔質基材の表面に直接コーティングして焼成し、前記Ｎｉ−Ｓｎ合金層を形成することができる。
また、３次元網目状の樹脂多孔質基材に導電化処理を施して表面導電化層を形成する工程と、前記導電化層の上にＮｉめっき層を形成するＮｉめっき層形成工程と、前記Ｎｉめっき層の上にＳｎめっき層を形成するＳｎめっき層形成工程と、少なくとも酸素が存在する雰囲気中で前記樹脂多孔質基材を消失させる基材消失工程と、還元性雰囲気中で、３００℃〜１１００℃の温度を作用させて、前記Ｎｉめっき層と前記Ｓｎめっき層とを拡散させて合金化する拡散工程とを含む工程によって形成することができる。なお、Ｎｉめっき層形成工程を行った後に前記基材消失工程を行い、前記基材消失工程において酸化したＮｉめっき層を還元させる工程を行った後に、前記Ｓｎめっき層形成工程及び前記拡散工程を行うこともできる。
前記３次元網目状樹脂の形態として、樹脂発泡体、不織布、フエルト、織布等を用いることができる。前記３次元網目状樹脂を構成する素材は特に限定されることはないが、金属めっき等した後、加熱等によって消失させることができるものを採用するのが好ましい。また、加工性やハンドリング性を確保するため、柔軟性を有するものを採用するのが好ましい。特に、３次元網目状樹脂として樹脂発泡体を採用するのが好ましい。樹脂発泡体は、連続気孔を有する多孔質状であればよく、既知のものを採用できる。たとえば、発泡ウレタン樹脂、発泡スチレン樹脂等を採用することができる。発泡樹脂の気孔の形態や気孔率、寸法等は特に限定されることはなく、用途に応じて適宜設定することができる。
めっき処理によって前記金属多孔質体１を形成する場合において、前記表面導電化層を形成する工程は、３次元網目状樹脂の各気孔に対向する表面にＮｉめっき層を確実に形成するために行われる。Ｎｉめっき処理に必要な表面導電化層を設けることができれば、形成手法は特に限定されることはない。たとえば、Ｎｉの表面導電化層を設けるには、無電解めっき処理、スパッタリング処理等を採用することができる。
前記Ｎｉめっき層１２ｂ及びＳｎめっき層を形成する手法も特に限定されることはなく、水溶液系めっき法等の公知のめっき法によって処理をすることができる。
前記Ｎｉ−Ｓｎ合金めっき層の全体厚み（目付量）も特に限定されることはない。所要の気孔率や、強度を勘案して設定することができる。たとえば、１００ｇ／ｍ２〜２０００ｇ／ｍ２の目付量を採用することができる。
前記Ｎｉの配合割合とＳｎの配合割合に応じて、前記Ｎｉめっき層１２ｂと前記Ｓｎめっき層の厚みが設定される。たとえば、ＮｉとＳｎの配合割合を８：２とする場合には、前記各めっき層の厚み（目付量）を、８００ｇ／ｍ２（Ｎｉ）：２００ｇ／ｍ２（Ｓｎ）とすることができる。
前記Ｎｉめっき層１２ｂ及びＳｎめっき層を形成した後、あるいはＮｉめっき層１２ｂを形成した後に、前記３次元網目状樹脂を除去する基材消失工程が行われる。前記基材消失工程は、たとえば、ステンレスマッフル内で大気等の酸化性雰囲気において、前記めっき層を設けた多孔質体を、所定温度で熱処理することにより、前記３次元網目状樹脂を焼却除去することができる。
図４及び図５に示すように、本実施形態に係る金属多孔質体１の前記芯部１０ｂは、中空状に形成されるが、これに限定されることはない。すなわち、上述した実施形態では、Ｎｉから形成された図示しない表面導電化層とこの上に積層形成されたＮｉめっき層１２ｂとＳｎめっき層とが互いに拡散して一体化されて合金層１２ａが形成されたが、前記表面導電化層を別の導電性材料から形成する場合、芯部として残存する場合もある。
前記Ｓｎめっき層とＮｉめっき層とが積層形成された多孔質体を、ステンレスマッフル内でＣＯやＨ2 等の還元性ガス雰囲気のもとで３００℃〜１１００℃で熱処理することにより、前記Ｎｉめっき層１２ｂとＳｎめっき層とを互いに拡散させてＮｉ−Ｓｎ合金層１２ａを備える外殻部１０ａを形成することができる。前記合金層１２ａは、５μｍ以上に設定するのが好ましい。
上記各工程を採用することにより、外殻部１０ａのＳｎ濃度のばらつきが少なく、高温における耐酸化性の高い多孔質集電体１を形成することができる。また、めっき層によって外殻部が構成されるため、外殻部の厚み（断面積）を多孔質体内でほぼ均一に設定することが可能となる。このため、多孔質体内における機械的強度のばらつきが少なくなり、均一な強度を有する多孔質集電体を形成できる。これにより、耐熱性及び機械的強度が要求されるガス分解装置の集電体に採用しても耐久性を確保することができる。
前記多孔質集電体８ａ，８ｂ，８ｃの厚みは、ガス分解装置の形態等によって設定することができる。アノード層３及びカソード層４に対するガスの拡散性を確保するために、１００〜２０００μｍの厚みに設定するのが好ましい。また、多孔質集電体８ａ，８ｂ，８ｃの厚みを１２０〜１５００μｍに設定するのがより好ましく、３００〜１５００μｍに設定するのがさらに好ましい。多孔質集電体８ａ，８ｂ，８ｃの厚みが小さすぎると、ガスの拡散性が低下して、ガスを均一に電極層３，４に作用させることができない。一方、厚みが大きすぎると、セルの大きさが大きくなるため、ガス分解装置の寸法が大きくなる。本実施形態では、厚み１ｍｍの金属多孔質体１から各多孔質集電体８ａ，８ｂ，８ｃを形成している。
前記金属多孔質体１の耐久性及び機械的強度を確認するため以下の試験を行った。試験は、スズの配合量が異なる複数の金属多孔質体１について、所定の条件下での酸化質量変化、及び引っ張り強度を計測した。
１．酸化質量変化試験
〔試験条件〕
スズ濃度の異なるニッケル−スズ合金から形成された金属多孔質体を、大気中で８００℃及び６００℃に加熱し、１０００時間経過後、及び３０００時間経過後の酸化質量変化を測定した。
〔試験条件〕
スズ濃度の異なるニッケル−スズ合金から形成された金属多孔質体を、大気中で８００℃及び６００℃に加熱し、１０００時間経過後、及び３０００時間経過後の酸化質量変化を測定した。
〔試験結果〕
図６に示すように、スズ濃度が５質量％以上の金属多孔質体において、質量変化が少なくなることが判明した。
図６に示すように、スズ濃度が５質量％以上の金属多孔質体において、質量変化が少なくなることが判明した。
２．引っ張り強度試験
〔試験条件〕
スズ濃度が異なるニッケル−スズ合金から形成された金属多孔質体の引っ張り強度と伸び率を計測した。引っ張り試験は、大気雰囲気、室温にて、種々のスズ濃度のニッケル（Ｎｉ）―スズ（Ｓｎ）合金から形成された金属多孔質体を引っ張り試験機にセットした後、荷重を加えていき、伸び率を測定した。
〔試験条件〕
スズ濃度が異なるニッケル−スズ合金から形成された金属多孔質体の引っ張り強度と伸び率を計測した。引っ張り試験は、大気雰囲気、室温にて、種々のスズ濃度のニッケル（Ｎｉ）―スズ（Ｓｎ）合金から形成された金属多孔質体を引っ張り試験機にセットした後、荷重を加えていき、伸び率を測定した。
〔試験結果〕
図７に示すように、スズ濃度を増加させていくと、引っ張り強度が大きくなるが、伸び率が低下する。
図６および図７の結果からガス分解装置の集電体として好適なニッケルースズ合金の金属多孔質体におけるスズ濃度を検討する。本願のガス分解装置を例えば自動車のような移動体へ適用することを考慮した場合、ガス分解装置の動作温度において極力集電体（金属多孔質体）が酸化により損耗しないことが望ましい。また、エンジンのオン・オフにより本願のガス分解装置の温度は大きく変動するため、熱サイクルへの耐性を高めるべく、引張強度と伸び率とが高い次元でバランスされている必要がある。
引張強度が低いと熱サイクル時に集電体を構成する金属多孔質体の骨格が容易に伸び、細くなってしまったり切れてしまったりする恐れがある。また、伸び率が低いと金属多孔質体を構成する金属多孔質体の骨格が容易に切れてしまうおそれがある。
集電体を構成する金属多孔質体の骨格が細くなったり切れたりすることは電気抵抗の増大、ひいてはガス分解効率の低下を招来する可能性がある。
図６より、６００℃近傍の耐熱性の観点からは、スズ濃度が５質量％以上であることが望ましい。また、図７より、スズ濃度が10〜20質量％の範囲が引張強度と伸び率とのバランスが良い。
これらを総合的に勘案すると、ガス分解装置の集電体として機能させるには、１０〜２０質量％のスズ濃度を有するニッケル−スズ合金が好適であることが判明した。より好ましいスズ濃度の範囲は、１２〜１７％であると考えられる。
図７に示すように、スズ濃度を増加させていくと、引っ張り強度が大きくなるが、伸び率が低下する。
図６および図７の結果からガス分解装置の集電体として好適なニッケルースズ合金の金属多孔質体におけるスズ濃度を検討する。本願のガス分解装置を例えば自動車のような移動体へ適用することを考慮した場合、ガス分解装置の動作温度において極力集電体（金属多孔質体）が酸化により損耗しないことが望ましい。また、エンジンのオン・オフにより本願のガス分解装置の温度は大きく変動するため、熱サイクルへの耐性を高めるべく、引張強度と伸び率とが高い次元でバランスされている必要がある。
引張強度が低いと熱サイクル時に集電体を構成する金属多孔質体の骨格が容易に伸び、細くなってしまったり切れてしまったりする恐れがある。また、伸び率が低いと金属多孔質体を構成する金属多孔質体の骨格が容易に切れてしまうおそれがある。
集電体を構成する金属多孔質体の骨格が細くなったり切れたりすることは電気抵抗の増大、ひいてはガス分解効率の低下を招来する可能性がある。
図６より、６００℃近傍の耐熱性の観点からは、スズ濃度が５質量％以上であることが望ましい。また、図７より、スズ濃度が10〜20質量％の範囲が引張強度と伸び率とのバランスが良い。
これらを総合的に勘案すると、ガス分解装置の集電体として機能させるには、１０〜２０質量％のスズ濃度を有するニッケル−スズ合金が好適であることが判明した。より好ましいスズ濃度の範囲は、１２〜１７％であると考えられる。
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、請求の範囲によって示され、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。
ガスを低温で効率よく分解できるとともに、生成された水を円滑に排出できるガス分解装置を提供できる。
１ 金属多孔質体
１ｂ 連続気孔
２ 固体電解質層
３ アノード層
４ カソード層
５ 膜電極接合体
６ 集電部材
７ 集電部材
８ａ 多孔質集電体
８ｂ 多孔質集電体
８ｃ 多孔質集電体
９ａ ガス流路
９ｂ ガス流路
９ｃ ガス流路
１０ 骨格
１０ａ 外殻
１０ｂ 芯部
１１ 結節部
１２ 枝部
１２ａ 合金層
１２ｂ ニッケルメッキ層
１００ ガス分解装置
１ｂ 連続気孔
２ 固体電解質層
３ アノード層
４ カソード層
５ 膜電極接合体
６ 集電部材
７ 集電部材
８ａ 多孔質集電体
８ｂ 多孔質集電体
８ｃ 多孔質集電体
９ａ ガス流路
９ｂ ガス流路
９ｃ ガス流路
１０ 骨格
１０ａ 外殻
１０ｂ 芯部
１１ 結節部
１２ 枝部
１２ａ 合金層
１２ｂ ニッケルメッキ層
１００ ガス分解装置
Claims (11)
- 固体電解質層と、この固体電解質層の一側に積層形成されたアノード層と、前記固体電解質層の他側に積層形成されたカソード層とをそれぞれ有する１又は２以上の膜電極接合体と、
連続気孔を有する多孔質集電体とを備え、
前記膜電極接合体は前記多孔質集電体を介して積層されており、
前記固体電解質層は、プロトン伝導性を有する固体電解質から形成されており、
前記多孔質集電体は、少なくとも前記連続気孔に対向する表面に耐蝕性を有する合金層を設けた金属多孔質体を含んで構成されており、
前記金属多孔質体が、前記アノード層及び前記カソード層にガスを供給するガス流路を構成している、ガス分解装置。 - 前記合金層は、前記ニッケル（Ｎｉ）−スズ（Ｓｎ）合金から形成されているとともに、スズの配合割合が、１０〜２０質量％である、請求項１に記載のガス分解装置。
- 前記金属多孔質体におけるカソード層に積層される側のスズの配合割合を、アノード層に積層される側のスズの配合割合より大きく設定した、請求項１又は請求項２に記載のガス分解装置。
- 前記金属多孔質体は、気孔率が３０〜９８％であるとともに、気孔径が０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガス分解装置。
- 前記金属多孔質体におけるカソード層に積層される側の気孔率を、アノード層に積層される側の気孔率より大きく設定した、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。
- 前記金属多孔質体におけるカソード層に積層される側の気孔径を、アノード層に積層される側の気孔径より大きく設定した、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。
- 前記金属多孔質体におけるガス流入側の気孔径を、他の部位の気孔径より小さく設定した、請求項１から請求項６のいずれか項に記載のガス分解装置。
- 前記金属多孔質体は、外殻と、中空又は導電性材料の一方又は双方からなる芯部とを有する骨格を備え、前記骨格が一体的に連続する三次元網目構造を備える、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。
- 前記アノード層の厚みは、１００μｍ以上１０００μｍ以下である、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のガス分解装置。
- 前記カソード層の厚みは、１０μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のガス分解装置。
- 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のガス分解装置を備える発電装置。
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