(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
請求項１に記載され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方法であって、
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。
【請求項３】
上記ガスが、複数のガス成分を含む、請求項２に記載のガス分解方法。
【請求項４】
請求項１に記載のガス分解装置を備えて構成される、ガス分解発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−３１９６６号公報
【特許文献２】特開平７−１１６６５０号公報
【特許文献３】特開２０１０−２４７０３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【発明の効果】
【００３５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本願発明に係るガス分解素子の概略構成を示す断面図である。
【図２】図２は図１に示すガス分解素子の要部の拡大断面図である。
【図３】図２におけるＩＢ−ＩＢ線に沿う断面図である。
【図４】本願発明に係るガス分解素子の作用を説明する拡大断面図である。
【図５】複数のガス分解素子を備えて構成されるガス分解装置の概略構成を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係るガス分解装置における第１のガス分解素子の要部拡大断面図であり、触媒成分の配合割合を模式的に示す図である。
【図７】第１の実施形態に係るガス分解装置における第２のガス分解素子の要部拡大断面図であり、触媒成分の配合割合を模式的に示す図である。
【図８】第１の実施形態に係るガス分解装置における第３のガス分解素子の要部拡大断面図であり、触媒成分の配合割合を模式的に示す図である。
【図９】第２の実施形態に係るガス分解装置における第１のガス分解素子の要部拡大断面図であり、触媒成分の配合割合を模式的に示す図である。
【図１０】第２の実施形態に係るガス分解装置における第２のガス分解素子の要部拡大断面図であり、触媒成分の配合割合を模式的に示す図である。
【図１１】第２の実施形態に係るガス分解装置における第３のガス分解素子の要部拡大断面図であり、触媒成分の配合割合を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
＜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。
【００５３】
＜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。
【００５４】
＜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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
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。
【符号の説明】
【００７７】
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）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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