(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアガスを含むガスを分解して除害するガス分解発電システムであって、
分解対象となるガスを収集するガス収集手段と、
収集した上記ガスを収着できるとともに脱着できる多孔質収着回収素子を設けて構成されるガス濃縮手段と、
上記ガス濃縮手段において脱着されたガスを、加熱しながら多孔質触媒体内で流動させることにより、アンモニアガスから水素を生成させる水素生成手段と、
固体電解質を備えて構成されるとともに、上記水素生成手段において生成された上記水素及びアンモニアガスを用いて発電するガス分解発電手段とを含み、
上記水素生成手段は、容器と、この容器の内部空間に充填された多孔質給電体及び多孔質触媒体とを備え、
上記多孔質給電体は、Ｎｉを７０〜９５％、Ｃｒを５〜３０％含む合金から形成されている、ガス分解発電システム。
【請求項２】
上記ガス収集手段によって収集したガス又はガス濃縮手段によって濃縮したガスを脱硫する脱硫手段を含む、請求項１に記載のガス分解発電システム。
【請求項３】
上記脱硫手段は、硫黄化合物を分離除去できる収着剤を備えて構成される、請求項２に記載のガス分解発電システム。
【請求項４】
上記ガス分解発電手段で発電した電力を蓄電する蓄電手段を備える、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発電システム。
【請求項５】
上記多孔質収着回収素子は、
連続気孔を有する多孔質収着体と、
上記多孔質収着体の表面及び／又は内部に設けられて、上記ガスが流動させられる連続気孔を有する多孔質発熱体とを備え、
上記多孔質発熱体を発熱させることにより、上記多孔質収着体に収着されたガスを脱着させる、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発電システム。
【請求項６】
上記多孔質収着回収素子は、
連続気孔を有する多孔質発熱体の各気孔表面にガス収着剤層を設け、上記多孔質発熱体を発熱させることにより、上記ガス収着剤層に収着されたガスを脱着できる、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発電システム。
【請求項７】
上記ガス濃縮手段は、上記多孔質収着回収素子をそれぞれ設けた複数の収着領域を備え、
選択した上記収着領域にガスを流動させて収着させるとともに、選択した上記収着領域を加熱することにより上記収着領域に収着されたガスを脱着させる、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発電システム。
【請求項８】
上記ガス濃縮手段は、ガスを脱着させる上記収着領域の範囲及び加熱温度を制御することにより、後に設けられる各手段に、所要のアンモニア濃度及び流量のガスを供給できる、請求項７に記載のガス分解発電システム。
【請求項９】
上記水素生成手段は、
ガスが流動させられる連続気孔を有する多孔質触媒体と、
上記多孔質触媒体の表面及び／又は内部に設けられるとともに、上記ガスが流動させられる連続気孔を有する多孔質発熱体とを備える、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発電システム。
【請求項１０】
上記水素生成手段は、
ガスが流動させられる連続気孔を有するとともに通電することにより発熱する多孔質発熱体の上記各気孔表面に触媒層を備える、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発電システム。
【請求項１１】
上記ガス分解発電手段は、上記固体電解質層と、この固体電解質層の一側に形成された第１の電極層と、上記固体電解質層の他側に形成された第２の電極層と、第１の電極層及び／又は第２の電極層に設けられた集電体とを設けて構成されたガス分解発電素子を備え、
上記電極層及び／又は上記集電体に、アンモニアガス及び水素ガスを分解する触媒が設けられている、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発電システム。
【請求項１２】
上記ガス分解発電素子は、上記触媒の組成がガスの流動方向に対して連続的に変化するように構成されており、
流動にともなって変化するガスの成分に対応して、触媒作用を発揮させる、請求項１１に記載のガス分解発電システム。
【請求項１３】
上記ガス分解発電手段は、複数のガス分解発電素子を備え、
これら複数のガス分解発電素子は、各電極又は集電体に設けた触媒の構成を異ならせて構成されているとともに、
これら複数のガス分解発電素子が、これらガス分解素子間で流動するガスの成分変化に対応して配列されている、請求項１１に記載のガス分解発電システム。
【請求項１４】
上記ガス分解発電手段の固体電解質がプロトン伝導体である、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のガス分解発電システム。
【請求項１５】
上記ガス分解発電システムにおける水分を含む排出ガスが屋外に排出される、請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のガス分解発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ガス分解発電システムに関する。詳しくは、し尿処理や堆肥製造工程等において生成されるガスを収集し、分解して除害するとともに、生成される水素を用いて発電を行うガス分解発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、し尿処理や堆肥製造プラントにおいて生じるバイオガスは、アンモニア等の有害物質を含むとともに、悪臭等の原因となる。このため、そのまま大気に放出することができず、種々の手法を用いて上記ガスを回収し、処理する装置が提案されている。
【０００３】
たとえば、堆肥製造プラントは、有機性廃棄物である堆肥原料を堆肥化するための醗酵槽と、上記醗酵槽に堆肥原料を供給するための堆肥原料供給手段と、醗酵槽内の堆肥原料を攪拌するための攪拌装置と、醗酵槽内の堆肥原料に酸素を供給する酸素供給手段等を備えて構成される。上記製造装置プラントは、全体が気密性のある建屋内に建造されており、製造工程において発生する悪臭ガスを収集し、燃焼装置等に導いて燃焼処理するように構成される場合が多い。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３６１２００公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
堆肥製造プラント等において生じるバイオガスは、アンモニアや硫黄分を含むため、そのまま燃焼させると、ＮＯxやＳＯxが生成されてしまう。
【０００６】
上記不都合を回避するために、燃焼させることができないガス成分を収着剤等を用いて収集して収着剤ごと処理する手法を採用することも多い。ところが、この手法では、ランニングコストが大きくなるという問題がある。
【０００７】
また、バイオガスは、濃度や発生量、さらには、発生するガスの成分をコントロールするのが困難であり、処理装置等の能力に応じた濃度や成分のガスを供給することができない。このため、システム全体が非効率なものとなることが多い。たとえば、電気化学的にガスを分解する手法等を用いてガスを分解処理することも考えられるが、ガスの濃度や成分を一定に保持することが困難なため、分解装置の性能を充分に発揮させることができない。
【０００８】
本願発明は、アンモニアを含む種々のバイオガスに適用できるとともに、処理システムにおける各装置の能力を最大限に発揮させることができる、ガス分解発電システムを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明は、アンモニアガスを含むガスを分解して除害するガス分解発電システムであって、分解対象となるガスを収集するガス収集手段と、収集した上記ガスを収着できるとともに脱着できる多孔質収着回収素子を設けて構成されるガス濃縮手段と、上記ガス濃縮手段において脱着されたガスを、加熱しながら多孔質触媒体内で流動させることにより、アンモニアガスから水素を生成させる水素生成手段と、固体電解質を備えて構成されるとともに、上記水素生成手段において生成された上記水素及びアンモニアガスを用いて発電するガス分解発電手段とを含み、上記水素生成手段は、容器と、この容器の内部空間に充填された多孔質給電体及び多孔質触媒体とを備えて構成されるとともに、上記多孔質給電体は、Ｎｉを７０〜９５％、Ｃｒを５〜３０％含む合金から形成されているものである。
【００１０】
本願発明は、収集したガスを燃焼させることなく、最終的に燃料電池による発電に利用して処理するように構成している。このため、ＮＯxやＳＯxが大気中に放出されることがない。
【００１１】
本願発明では、ガスの発生源からガス収集手段を用いてガスを収集する。上記ガス収集手段の構成は特に限定されることはない。たとえば、堆肥製造装置が設置された建屋の天井や壁面にダクトを設け、送風機等を利用して発生するガスを収集することができる。上記ガス収集手段は、次に設けられるガス濃縮手段や脱硫手段の能力を最大限に発揮できる流量で上記ガスを流動させるように構成するのが望ましい。また、収集するガスの濃度等に応じて流量を制御できるように構成するのが望ましい。
【００１２】
本願発明に係る上記ガス濃縮手段は、収集した上記ガスを収着できるとともに脱着できる多孔質収着回収素子を設けて構成される。
【００１３】
上記多孔質収着回収素子を設けることにより、収集したガスの濃度等に変化があっても、ガスを確実に捕捉することができる。また、収着したガスを所要の濃度で脱着することが可能となり、後に設けられる各手段における処理に適した濃度のガスを生成することが可能となる。
【００１４】
上記多孔質収着回収素子を、連続気孔を有する多孔質収着体と、上記多孔質収着体の表面及び／又は内部に設けられて、上記ガスが流動させられる連続気孔を有する多孔質発熱体とを備えて構成し、上記多孔質発熱体を発熱させることにより、上記多孔質収着体に収着されたガスを脱着させるように構成することができる。
【００１５】
多孔質収着体の表面及び／又は内部に多孔質発熱体を設けることにより、上記多孔質収着体や脱着用に流動させられるキャリヤガスを、多孔質収着体を収容した容器内で直接加熱することができる。このため、収着されたガスを脱着させる際のエネルギ効率が高い。
【００１６】
一方、上記多孔質発熱体は、収着対象となるガスを流動させることができる連続気孔を有する多孔質体から形成されている。このため、多孔質発熱体を多孔質収着体の表面や内部に設けても、上記多孔質発熱体が収着ガスの流動を妨げることがない。このため、多孔質収着体の形態やガスの流動経路等に応じて上記多孔質発熱体を配置することが可能になり、大量のガスを容器内で流動させるとともに、均一な収着処理及び脱着処理することが可能となる。
【００１７】
また、上記多孔質発熱体の発熱温度を制御することにより、多孔質収着体及び流動するキャリヤガスを所要の温度に加熱することができる。このため、収着体に収着されたガスを確実に脱着させることが可能となる。また、後工程での処理に適した濃度のガスを脱着させることができる。
【００１８】
さらに、脱着用のキャリヤガスを別途加熱するための加熱装置を設ける必要がないため、装置を小型化することができる。また、多孔質収着剤を繰り返し使用できるため、ランニングコストを低く抑えることも可能となる。
【００１９】
上記多孔質発熱体を設ける位置は、特に限定されることはない。多孔質収着体の表面に設けて、多孔質収着体に流入する直前のガスを加熱するように構成することができる。また、多孔質収着体の内部に設けて、多孔質収着体自体を加熱するように構成することもできる。
【００２０】
上記多孔質収着回収素子を、連続気孔を有する多孔質発熱体の各気孔表面にガス収着剤層を設け、上記多孔質発熱体を発熱させることにより、上記ガス収着剤層に収着されたガスを脱着できるように構成することができる。
【００２１】
ガス収着剤層と発熱体とが一体的に形成されることにより、ガス収着剤層を直接加熱して、収着されたガスを脱着させることができる。このため、収着されたガスを脱着させる際のエネルギ効率がきわめて高い。
【００２２】
また、通電した多孔質発熱体の全域を、所定温度に迅速に加熱することができる。このため、ガスの脱着効率が高いばかりでなく、多量のガスを収着し、また、脱着することが可能となる。
【００２３】
上記ガス濃縮手段は、上記多孔質収着回収素子をそれぞれ設けた複数の収着領域を備えて構成し、選択した上記収着領域にガスを流動させて収着させるとともに、選択した上記収着領域を加熱することにより上記収着領域に収着されたガスを脱着させるように構成することができる。
【００２４】
上記構成を採用することにより、大量のガスを連続して処理することが可能となる。たとえば、ガスを複数の領域に順次流動させて多孔質収着体に収着させる一方、ガスが収着された領域の多孔質収着体を順次加熱してガスを脱着することにより、ガス収着回収装置を連続して運転することが可能となる。
【００２５】
上記領域を設ける手法は特に限定されることはない。たとえば、一の容器内を複数の領域に区画して、各区画内に多孔質収着体と多孔質発熱体とをそれぞれ収容し、上記領域に順次収着ガスを流動させるとともに、順次脱着させるように構成することができる。
【００２６】
また、上記各領域を、独立した容器を備えて構成するとともに、上記各容器に収着ガスを順次流動させて収着させるとともに、ガスを収着した多孔質収着体を順次加熱してガスを脱着させて回収することもできる。
【００２７】
ガス収着作用を発揮できるものであれば、上記多孔質収着体を構成する材料は限定されることはなく、また、収着するガスの種類に応じて選定することができる。たとえば、活性炭やゼオライト等を採用することができる。また、収着ガスを所要の流速で流動させることができれば、形態も限定されることはない。たとえば、一体的に成形されたブロック状の多孔質体から構成される収着体を採用することができる。また、粒状の収着剤を集合させて多孔質収着体を構成することもできる。
【００２８】
上記ガス濃縮手段を、ガスを脱着させる収着領域の範囲や加熱温度を制御することにより、後に設けられる各手段に、所要のアンモニア濃度及び流量のガスを供給できるように構成するのが好ましい。
【００２９】
上記構成によって、脱着したガスが供給される水素生成手段や発電装置の能力等に応じて、所要の濃度や流量のガスを供給することが可能となり、各手段の能力を最大限に発揮させて、装置全体の効率を大幅に向上させることが可能となる。
【００３０】
上記水素生成手段を、容器と、この容器の内部空間に充填された多孔質給電体及び多孔質触媒体とを備えて構成することができる。上記多孔質給電体は、Ｎｉを７０〜９５％、Ｃｒを５〜３０％含む合金から形成される。上記水素生成手段は、脱着させられたアンモニアガスを熱分解して、水素を生成するものである。上記水素生成手段を設けることにより、ガス分解発電手段の能力を補い、排出されるアンモニアガスの濃度を低下させることができる。なお、流動するアンモニアガスの全量を分解する必要はなく、ガス分解発電手段における効率を高めることができる範囲でアンモニアガスを熱分解して、水素が生成される。上記水素生成手段の構成は特に限定されることはない。たとえば、上記水素生成手段を、ガスが流動させられる連続気孔を有する多孔質触媒体と、上記多孔質触媒体の表面及び／又は内部に設けられるとともに、上記ガスが流動させられる連続気孔を有する多孔質発熱体とを備えて構成することができる。
【００３１】
多孔質発熱体を、多孔質触媒体の表面及び／又は内部に設けることができる。すなわち、多孔質発熱体を、多孔質触媒体を収容する容器の内部において、上記多孔質触媒体と一体的に設けることができる。
【００３２】
本願発明に係る発熱体は連続気孔を有する多孔質発熱体であるため、発熱体内でガスを流動させることできる。このため、多孔質触媒体の表面や内部に設けても、上記発熱体がガスの流動を妨げることがない。したがって、ガスの偏流等が生じることがなく、多孔質触媒体にガスを均等に作用させることができる。
【００３３】
上記多孔質発熱体を設ける位置は、特に限定されることはない。たとえば、上記多孔質発熱体を、流動するガスが上記多孔質触媒体内に流入する表面に設けて、上記多孔質触媒体に接触する直前にガスを加熱することができる。また、上記多孔質触媒体内に埋設するように設けることにより、多孔質触媒体の内部温度が低下するのを防止することができる。これにより、多孔質触媒体内を流動するガスを効率よく加熱することができるとともに、大流量を処理する場合にも、触媒体の温度が低下するのを防止できる。また、大流量を処理するために、筒状容器の直径を大きくした場合にも、流動するガスを均等に加熱して触媒に作用させることができる。
【００３４】
上記水素生成手段を、複数の多孔質発熱体を設けるとともに、これら発熱体を選択的に発熱させることができるように構成することができる。上記発熱体は多孔質発熱体であるため、容器内のいずれの部位に設けてもガスの流動を妨げることがない。このため、複数の多孔質発熱体を設け、発熱体内を流れるガスの流速や温度に応じて、所要の発熱体を発熱させるように構成することが可能となる。
【００３５】
上記構成を採用することにより、ガスの流動量が変動しても、アンモニアガスを確実に分解して水素を生成させることが可能となる。また、温度が低下しやすい領域に多孔質発熱体を配置して、流動するガスを均一に加熱して分解することも可能となり、エネルギ効率を高めることもできる。
【００３６】
上記水素生成手段を、ガスが流動させられる連続気孔を有するとともに通電することにより発熱する多孔質発熱体の上記各気孔表面に触媒層を設けて構成することができる。
【００３７】
上記構成を採用することにより、触媒自体を発熱させてアンモニアガスに作用させることが可能となる。このため、多孔質発熱体内を流動するアンモニアガスを確実に分解して水素を生成することができる。
【００３８】
上記水素生成手段における触媒の組成及び形態は、特に限定されることはない。たとえば、ニッケル、鉄、チタン等を採用することができる。
【００３９】
上記水素生成手段を、触媒機能を有する複数の多孔質発熱体を備えて構成し、選択した発熱体を発熱させるように構成することができる。この構成を採用することにより、生成される水素の濃度を調整することが可能となり、ガス分解発電手段の能力を最大限に発揮させる配合のガスを生成することができる。
【００４０】
処理するガスに硫黄成分が含まれている場合、発電装置の触媒や電解質を傷める恐れがある。ガスに硫黄成分が含まれる場合、上記ガス収集手段によって収集したガス又は濃縮手段によって濃縮したガスを脱硫する脱硫手段を含ませることができる。上記脱硫手段の構成は特に限定されることはない。例えば、上記脱硫手段を、硫黄化合物を分離除去できる収着剤を備えて構成することができる。
【００４１】
上記脱硫剤の構成及び形態も特に限定されることはない。たとえば、粒状の酸化亜鉛を所定の気孔率で保持し、硫黄成分を含むガスを上記気孔内で流動させることにより、脱硫を行うことができる。
【００４２】
上記脱硫手段は、少なくとも、上記ガス分解発電手段の前に設けるのが好ましい。硫黄成分を含むガスが、上記ガス分解発電手段に供給されると、固体電解質等を損傷させる恐れがある。
【００４３】
本願発明に係るガス分解発電システムは、固体電解質層を備えて構成されるガス分解発電素子を備えて構成されており、アンモニアを電気化学的に分解しつつ、アンモニアと水素を用いて発電するように構成されている。
【００４４】
上記ガス分解発電素子の構成は特に限定されることはない。たとえば、上記ガス分解発電素子を、上記固体電解質層と、この固体電解質層の一側に形成された第１の電極層と、上記固体電解質層の他側に形成された第２の電極層と、第１の電極層及び／又は第２の電極層に設けられた集電体を備えたガス分解発電素子を備えて構成することができる。上記電極層及び／又は上記集電体には、アンモニアガス及び水素ガスを分解する触媒が設けられる。
【００４５】
固体電解質を構成する材料は特に限定されることはない。たとえば、上記固体電解質として、固体酸化物、溶融炭酸塩、リン酸、固体高分子などを用いて構成される酸素イオン導電性の、ＳＳＺ、ＹＳＺ、ＳＤＣ、ＬＳＧＭ、ＧＤＣなどを用いることができる。また、ＢＹＺ（イットリウム添加ジルコン酸バリウム）から形成された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、酸素イオン導電性のＳＳＺに比べて低温で作動させることができ、汎用のステンレス材料を用いて容器等の部材を形成することができる。さらに、反応生成物である水が、カソード側（空気極側）に生じるため、アノード側（燃料極側）に作用させられる分解ガスが、水等の生成物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。
【００４６】
すなわち、ＢＹＺ等のプロトン導電性の固体電解質層を用いると、たとえばアンモニアを分解する場合、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、生成されたプロトンを、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い。このため加熱温度を低くしながら効率よくガスを分解することができる。また、反応効率が高いため、発電性能も高い。
【００４７】
また、堆肥製造工程においては、上記ガス分解発電手段において生成された水分が原料に作用すると、醗酵作用を阻害する恐れがあるため、水分が生成される側を流動する排出ガスを、屋外に排出するように構成するのが好ましい。
【００４８】
本願発明に係る上記ガス分解発電素子には、水素とアンモニアの混合気体が作用させられる。上記ガス分解発電素子において、水素を分解するには、ニッケル触媒を用いるのが効果的である。一方、アンモニアを分解するには、鉄触媒を用いるのが好ましい。このため、上記アンモニアと水素を含むガスを分解する場合、ニッケル−鉄合金から形成される触媒を採用するのが好ましい。
【００４９】
ところが、上記ガス分解発電素子においては、処理対象となるガスが、アンモニアと水素の組成比が変化しながら流動して、上記アノードに作用させられる。このため、ニッケルと鉄の配合割合が一定の触媒を採用した場合、分解効率が低下する恐れがある。
【００５０】
上記不都合を解消するため、上記ガス分解発電素子における上記触媒の組成をガスの流動方向に対して連続的に変化するように構成し、流動にともなって変化するガスの成分に対応して、触媒作用を発揮させるように構成することができる。
【００５１】
具体的には、上記ガス分解発電素子内での流動初期には、アンモニアを分解するのが好ましいため、鉄成分の配合量を大きく設定する一方、分解が進行するにつれて水素成分が多くなるため、下流側にいくほどニッケル成分を多く設定した触媒層を設けるのが好ましい。上記構成を採用することにより、ガス分解発電手段におけるガス分解効率及び発電効率を高めることが可能になる。
【００５２】
また、上記ガス分解発電手段を、複数のガス分解発電素子を備えて構成し、これら複数のガス分解発電素子が、各電極又は集電体に設けた触媒の構成を異ならせて構成するとともに、これら複数のガス分解発電素子が、これらガス分解素子間で流動するガスの成分変化に対応して配列することができる。
【００５３】
上記構成を採用することにより、複数のガス分解発電素子を効率的に作動させることが可能となり、発電効率及びガス分解効率を高めることができる。
【００５４】
上記ガス分解発電手段において生じた電力は、上記ガス分解発電素子を加熱する加熱ヒータに供給することもできるし、請求項３に記載した発明のように、蓄電池を設けて蓄電することもできる。
【発明の効果】
【００５５】
アンモニアを含むバイオガスを、有害成分を排出することなく効率よく処理できるとともに、アンモニア分解過程において生成される水素を用いて効率よく発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本願発明に係るガス分解発電システムの概要を示す図である。
【図２】ガス濃縮手段の一例を示す斜視図である。
【図３】図２におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】ガス濃縮手段の他の実施形態を示す図であり、図３に相当する断面図である。
【図５】水素生成手段の一例を示す断面図である。
【図６】図５に示す水素生成手段の要部の拡大図である。
【図７】水素生成手段の他の実施形態を示す断面図である。
【図８】ガス分解発電手段の概要を示す断面図である。
【図９】（ａ）ガス分解発電手段の要部を示す縦断面図である。（ｂ）図９（ａ）におけるＩＢ−ＩＢ線に沿う断面図である。
【図１０】図９（ａ）の要部の拡大断面図である。
【図１１】ガス分解発電手段の他の実施形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
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。
【００５８】
図１は、本願発明に係るガス分解発電システム１の概要を示す図である。なお、本実施形態は、本願発明に係るガス分解発電システム１を、堆肥製造プラントにおいて発生するバイオガスの処理に適用したものである。
【００５９】
ガス分解発電システム１は、堆肥製造工程において、建屋２内で発生するガスを収集するガス収集手段１００と、収集した上記ガスを濃縮できる濃縮手段２００と、濃縮されたガスを脱硫する脱硫手段２５０と、脱硫したガスから水素を生成させる水素生成手段３００と、上記水素生成手段３００において生成された上記水素を含むガスを用いて発電する発電手段４００と、発電した電力を蓄電する蓄電手段５００とを備えて構成される。
【００６０】
上記堆肥製造工程においては、堆肥の醗酵過程等において、アンモニア及び硫黄成分を含むガスが発生する。本願発明は、上記ガスを電気化学的に分解することにより除害するとともに、発電を行うように構成したものである。
【００６１】
上記堆肥製造プラントは、発生したガスが大気に漏れ出ないように建屋２内に設けられる。堆肥原料３の醗酵工程において生じるガス４は、天井等に設けた上記ガス収集手段１００によって収集される。
【００６２】
上記ガス収集手段１００の構成は特に限定されることはない。たとえば、天井５に設けたダクトと吸引ファンを備えて構成することができる。
【００６３】
堆肥の製造工程は連続的に行われ、堆肥原料３から連続的にガス４が放出される。このため、本願発明に係るガス分解発電システムも２４時間稼働する必要がある。
【００６４】
一方、上記堆肥製造工程において発生するガスの濃度や量は一定ではなく、しかも、発電に要する濃度より低い濃度のガスが発生する。このため、発生したガスそのままでは、本願発明に係るガス分解発電システム１を稼働させることができない。このため、発生したガスを収着して濃縮するガス濃縮手段２００が設けられる。
【００６５】
図２は、上記ガス濃縮手段の一例に係る要部の斜視図である。本実施形態に係るガス濃縮手段２００は、上記ガス収集手段１００によって収集した上記ガスを収着できるとともに脱着できる多孔質収着回収素子２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，２４０ｄを備えて構成される。
【００６６】
図２及び図３に示すように、本実施形態に係るガス濃縮手段２００は、円筒状のロータ２０１を半径方向に延びる隔壁２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄで４つの領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに区画し、この区画に上記多孔質収着回収素子２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，２４０ｄを設けて構成される。上記多孔質収着回収素子２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，２４０ｄは、多孔質発熱体２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄと多孔質収着体２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄとを積層して構成される。
【００６７】
上記ロータ２０１は、図示しないモータによって回転させられ、選択した領域を所定の回転位置に位置させるとともに、この領域にガスを流動させて選択した多孔質収着体に収着させる。一方、他の回動位置において上記多孔質発熱体に通電して加熱するとともにキャリヤガスを流動させることにより、選択した多孔質収着体に収着させたガスを脱着させて、濃縮回収できるように構成されている。
【００６８】
本実施形態では、上記各領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて、各２層の多孔質収着体２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄを挟むようにして各３層の多孔質発熱体２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄを積層することにより、各多孔質収着回収素子２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，２４０ｄが構成されている。上記ロータ２０１の回転軸２１２の外周部に各多孔質発熱体２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄに導通する第１の電極２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃ，２１３ｄが設けられているとともに、上記ロータ２０１の外周部に各多孔質発熱体２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄに導通する第２の電極２１４ａ，２１４ｂ，２１４ｃ，２１４ｄが設けられている。
【００６９】
電源２２０からの電流が、ロータ２０１の回転軸２１２と、上記第２の電極２１４ａ，２１４ｂ，２１４ｃ，２１４ｄに接触しながら回転する通電体２１５を介して、所定の回転位置にある上記多孔質発熱体２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄに順次が流される。これにより、所定の回転位置に回動した区画の多孔質発熱体が順次発熱させられて、収着されたガスが脱着させられる。
【００７０】
本実施形態に係る上記多孔質発熱体２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄは、円板を４等分した板状の多孔質体から形成されている。上記多孔質発熱体２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄは、ガスを流動させることができる連続気孔を有する多孔質体から形成されている。このため、多孔質発熱体を多孔質収着体の表面や内部に設けても、上記多孔質発熱体がガスの流動を妨げることはなく、大量のガスを流動させて収着処理及び脱着処理を行うことができる。
【００７１】
上記多孔質発熱体の形態は特に限定されることはない。たとえば、多孔質発熱体２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄとして、発熱性を有する外殻と、中空又は／及び導電性を有する芯部とを有する骨格を備え、上記骨格が一体的に連続する３次元網目構造を備えるものを採用することができる。３次元網目構造の多孔質発熱体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。上記構成の多孔質発熱体では、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る。また、上記多孔質発熱体に通電することにより、多孔質収着体２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄ及びキャリヤガスを効率よく加熱して、上記多孔質収着体２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄに収着されたガスを脱着して、濃縮されたガスを効率よく回収することができる。
【００７２】
上記多孔質発熱体は、種々の手法を用いて形成することができる。たとえば、上記多孔質発熱体を構成する骨格をめっきによって形成する場合、３次元網目状樹脂に導電化処理を施す工程と、３次元網目状樹脂にＮｉめっきを施す工程と、上記合金化する領域以外の領域に、めっき処理又はコーティング処理に対するマスキング層を設けるマスキング工程と、上記マスキングを施していない領域に、Ｃｒ等の金属をめっき又はコーティングする積層工程と、上記３次元網目状樹脂を除去する工程と、上記めっき又はコーティングが施された多孔質体を加熱して、積層されたＮｉ層とＣｒ層とを合金化する熱処理工程とを含んで構成することができる。これにより、Ｎｉ−Ｃｒ合金層が形成されるとともに３次元網目構造を備える多孔質発熱体が形成される。
【００７３】
上記多孔質収着体の構成は特に限定されることはない。本実施形態では、上記多孔質収着体２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄは、活性アルミナから形成された球体の表面に収着剤をコーティングして形成された球状収着剤の集合体として構成されている。上記多孔質発熱体２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄと、上記多孔質収着体２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄは、ロータの各区画内において、ガス流動方向に交互に積層配置されて、一体的な多孔質収着回収素子２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，２４０ｄが構成されている。本実施形態では、上記多孔質発熱体２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄ間において、上記球状収着剤の集合体が保持された形態を備え、上記多孔質発熱体２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄは、球状収着剤の集合体を円板状あるいは円柱状の形態に保持する保持手段として機能するように構成されている。
【００７４】
上記収着剤を構成する材料も特に限定されることはない。たとえば、ゼオライト粉末とバインダ及び溶剤とから形成されるペーストを、上記球体にコーティングして収着層を形成することができる。また、粉状活性炭を所定の気孔率で充填して多孔質収着体を形成できる。
【００７５】
図４に、多孔質収着回収素子に係る他の実施形態を示す。なお、図４に示す多孔質収着回収素子２４１ａ，２４１ｂ，２４１ｃ，２４１ｄは、図３に示す多孔質収着回収素子と同様に、図２に示すロータ式のガス収着回収手段２００に装着されるものであり、ロータ等の構成は、図２に示す実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００７６】
本実施形態に係る各多孔質収着回収素子２４１ａ，２４１ｂ，２４１ｃ，２４１ｄは、内周部が回転軸２１２に保持された円筒壁状の第１の電極２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃ，２１３ｄと、外周部を覆うように設けられた円筒壁状の第２の電極２１４ａ，２１４ｂ，２１４ｃ，２１４ｄと、これら電極の間の空間に設けられた多孔質発熱収着体２０８ａ，２０８ｂ，２０８ｃ，２０８ｄとを備えて構成されている。
【００７７】
上記多孔質発熱体は、図３に示す多孔質発熱体と同様に形成することができる。上記多孔質発熱体の連続気孔表面に、ガス収着剤をコーティングすることにより、ガス収着剤層が形成される。上記ガス収着剤層を形成する手法も特に限定されることはない。たとえば、ゼオライト粉末とバインダと溶剤とを混合して形成されるペーストを、上記多孔質体に塗布し、乾燥させることにより、上記ガス収着剤層を形成することができる。
【００７８】
上記多孔質収着回収素子２４１ａ，２４１ｂ，２４１ｃ，２４１ｄは、ガス収着剤層と多孔質発熱体とが一体的に形成されているため、ガス収着剤層を直接加熱して収着されたガスを脱着させることができる。このため、収着されたガスを脱着させる際のエネルギ効率がきわめて高い。
【００７９】
また、通電した多孔質発熱体の全域を、所定温度に迅速に加熱することができる。このため、ガスの脱着効率が高いばかりでなく、多量のガスを収着し、また、脱着することが可能となる。しかも、キャリヤガスを加熱する装置を別途設ける必要がないことから、装置の小型化を図ることができる。
【００８０】
上記脱硫手段２５０は、硫黄化合物を分離除去できる種々の脱硫剤を用いて構成することができる。
【００８１】
上記脱硫剤の構成及び形態も特に限定されることはない。たとえば、粒状の酸化亜鉛を所定の気孔率で保持し、硫黄成分を含むガスを上記気孔内で流動させることにより、脱硫を行うことができる。また、ゼオライト等を担体として、銀、銅、コバルト等の金属成分を担持させたものを採用することもできる。
【００８２】
上記脱硫手段は、少なくとも、上記ガス分解発電手段４００の上流側に設けるのが好ましい。硫黄成分を含むガスが、上記ガス分解発電手段４００に供給されると、固体電解質等を損傷させる恐れがある。
【００８３】
図５及び図６に、水素生成手段３００の一例を示す。
【００８４】
水素生成手段３００は、円筒状の容器３０１と、この容器３０１の内部空間に充填された多孔質給電体３０７，３０８，３０９，３１０及び多孔質触媒体３１１，３１２，３１３とを備えて構成されている。
【００８５】
上記容器３０１は、金属等の材料から形成されるとともに、ガス流入口３０３と、ガス排出口３０４と、上記多孔質給電体３０７，３０８，３０９，３１０及び多孔質触媒体３１１，３１２，３１３を充填する円筒空間３０１ａとを備えて構成されている。側壁３０２の内周部には、セラミック繊維等から形成された断熱材３０５が設けられている。
【００８６】
本実施形態に係る上記多孔質給電体３０７，３０８，３０９，３１０は、円板ないし短円柱状に一体形成された多孔質体から形成されている。一方、上記多孔質触媒体３１１，３１２，３１３は、多孔質アルミナから形成された球体の表面に触媒層を設けて形成された球状触媒の集合体として構成されている。上記多孔質給電体３０７，３０８，３０９，３１０と、上記多孔質触媒体３１１，３１２，３１３とは、上記断熱材３０５の内周部において、ガス流動方向に交互に積層配置されて、一体的な多孔質体３０６が構成されている。本実施形態では、上記多孔質給電体３０７，３０８，３０９，３１０間において、上記球状触媒の集合体が保持された形態を備え、上記多孔質給電体３０７，３０８，３０９，３１０が多孔質触媒体３１１，３１２，３１３へ給電するとともに、球状触媒の集合体を円板状あるいは円柱状の形態に保持する保持手段として機能するように構成されている。
【００８７】
各多孔質給電体３０７，３０８，３０９，３１０のうち、最上部に配置された給電体３０７と最下部に配置された給電体３１０には、上記側壁３０２から引き出されたリード線３０７ｂ，３１０ｂを備える電極３１６，３１７が接続されている。上記リード線３０７ｂ，３１０ｂは、電源３４０に接続されており、電極３１６，３１７を介して、上記多孔質給電体３０７，３０８，３０９，３１０及び上記多孔質触媒体３１１，３１２，３１３に電流を流すことができるように構成されている。
【００８８】
上記多孔質給電体３０７，３０８，３０９，３１０及び多孔質触媒体３１１，３１２，３１３は、連続気孔を備えて構成されており、上記ガス流入口３０３から流入するガスを所定の流動速度で通過できる気孔率に設定されている。
【００８９】
本実施形態では、上記多孔質給電体３０７，３０８，３０９，３１０を、上記多孔質触媒体に電流を供給できるとともに、自己発熱できるように構成している。上記多孔質給電体３０７，３０８，３０９，３１０及び上記多孔質触媒体３１１，３１２，３１３は、少なくとも８００℃以上で発熱するように構成されており、上記多孔質給電体３０７，３０８，３０９，３１０及び上記多孔質触媒体３１１，３１２，３１３を通過するガスを所定の分解温度まで加熱する。
【００９０】
図６に示すように、上記多孔質触媒体３１１，３１２，３１３は、球体３２０ａの表面に、触媒層３２０ｂを設けた球状触媒３２０の集合体として構成されている。本実施形態では、直径が４〜６ｍｍのアルミナ球体３２０ａの表面に上記触媒層３２０ｂを設けた球状触媒３２０を採用している。これにより、多孔質触媒体の気孔率を４０％〜８０％に設定することができる。上記球体３２０ａを構成する材料は、所要の耐熱性等を備えていれば、種々の材料を採用することができる。たとえば、多孔質アルミナから形成されるセラミック球体や、ステンレス等の金属球体を採用できる。また、上記触媒体の形態も特に限定されることはなく、不定形粒状の形態を備えるものや、所定の気孔率を有する多孔質成形体を採用することもできる。
【００９１】
上記触媒層３２０ｂを構成する材料も特に限定されることはない。たとえば、Ｎｉから形成される触媒層や、Ｎｉ−Ｃｒ合金から形成される触媒層を採用できる。また、上記各多孔質触媒体３１１，３１２，３１３に、異なる材料から形成された触媒層を備える球状触媒を採用することもできる。本実施形態では、各多孔質触媒体を、Ｎｉ−Ｃｒから形成された触媒層３２０ｂを備える球状触媒の集合体から構成している。
【００９２】
一方、上記多孔質給電体３０７，３０８，３０９，３１０として、上述したガス濃縮手段２００に採用した発熱体と同様に、発熱性を有する外殻と、中空又は／及び導電性を有する芯部とを有する骨格を備え、上記骨格が一体的に連続する３次元網目構造を備えるものを採用することができる。
【００９３】
上記多孔質給電体３０７，３０８，３０９，３１０は、連続気孔を有する多孔質状に形成されているため、上記気孔内でガスを流動させて、効率よく加熱することができる。しかも、上記多孔質給電体３０７，３０８，３０９，３１０に、上記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て加熱することも可能となる。
【００９４】
本実施形態に係る上記多孔質給電体３０７，３０８，３０９，３１０は、少なくともＮｉとＣｒとを含む合金から形成することができる。上記ＮｉとＣｒの配合量は、所要の発熱量に応じて設定することができる。たとえば、上記多孔質給電体の上記外殻を、Ｎｉを７０〜９５％と、Ｃｒを５〜３０％とを含む合金から形成することができる。
【００９５】
図７に、上記水素生成手段の他の実施形態を示す。
【００９６】
水素生成手段３５０は、長尺状の筒状容器３５９の内部に、触媒機能を有する多孔質発熱素子３７０を充填して構成される。上記筒状容器３５９は、少なくとも内面が電気絶縁性を備えるように構成される。たとえば、セラミックから形成された筒状容器を採用することができる。
【００９７】
本実施形態に係る多孔質発熱素子３７０は、多孔質発熱体３５２と両側に設けられたリード部３５３，３５４とを備えて構成される。上記多孔質発熱体３５２は、図５に示す水素生成手段３００の多孔質給電体３０７と同様の形態で形成されたものであり、Ｎｉ−Ｃｒ合金から形成された３次元網目状の骨格３５２ａと、連続気孔３５２ｂとを備えて構成される。
【００９８】
上記リード部３５３，３５４は、上記多孔質発熱体３５２の両端部に接続される金属多孔質体３５３ａ，３５４ａと、上記金属多孔質体３５３ａ，３５４ａの外周部を囲むように配置された環状の電極部３５３ｂ，３５４ｂとを備えて構成される。
【００９９】
上記金属多孔質体３５３ａ，３５４ａは、上記多孔質発熱体３５２の端面に圧接あるいは溶接される。また、上記電極部３５３ｂ，３５４ｂも、上記金属多孔質体３５３ａ，３５４ａの外周部に、圧接あるいは溶接されている。
【０１００】
上記電極部３５３ｂ，３５４ｂに接続される配線３５５が、上記容器３５９から引き出されて電源３８０に接続されており、この配線３５５によって、上記多孔質発熱素子３７０に通電される。
【０１０１】
本実施形態に係る多孔質発熱素子３７０は、リード部３５３，３５４を含む全体が多孔質であるため通気性が高い。また、上記電極部３５３ｂ，３５４ｂも、上記筒状容器内のガスの流動を妨げないように、端部内周面に添着するように配置されている。このため、筒状容器３５９のガス導入口３５７を介してガスを筒状容器内に導入するとともに、上記多孔質発熱素子３７０の内部を軸方向に向けて流動させ、ガス排出口３５８から排出することができる。また、上記多孔質発熱体３５２は、全体がほぼ均等に加熱されるため、流動するガスを均一に加熱することができる。このため、非常に効率よくガスを分解することができる。しかも、外部に熱源を設ける必要がないため、エネルギ効率も非常に高い。
【０１０２】
図８に、固体電解質層を備えて構成されるガス分解発電手段４００の概略構造を示す。
【０１０３】
本実施形態に係るガス分解発電手段４００は、内側にガスを流動させて分解する筒状ＭＥＡ（ガス分解発電素子）４１０と、上記筒状ＭＥＡ４１０を保持するとともにこの筒状ＭＥＡ４１０の外周部に空気を流動させることのできる筒状容器４０９とを備えて構成される。
【０１０４】
上記筒状ＭＥＡ４１０は、上記筒状容器４０９のガス流入口４０７とガス流出口４０８の間に接続されるようにして上記筒状容器４０９内に保持されている。上記筒状容器４０９の外周部には、空気を導入する空気導入口４１７と、上記筒状ＭＥＡ４１０の外周部を流動した空気を排出する排出口４１８とを備える。
【０１０５】
上記ガス分解発電手段４００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ＭＥＡ４１０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ＭＥＡ４１０の第１の電極層（アノード）４０２と第２の電極層（カソード）４０５の間には、配線４１１ｅ，４１２ｅが設けられており、この配線内に蓄電手段５００が設けられる。
【０１０６】
図９（ａ）は、ガス分解発電手段４００の縦断面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）におけるＩＢ−ＩＢ線に沿う断面図である。
【０１０７】
上記筒状ＭＥＡ４１０は、円筒状の固体電解質層４０１と、この固体電解質層４０１の内面を覆うように形成された第１の電極層（アノード）４０２と、上記固体電解質層の外面を覆うように形成された第２の電極層（カソード）４０５とを備えて構成されている。上記第１の電極層４０２及び第２の電極層４０５には、集電体４１１，４１２が設けられている。上記アノード４０２は燃料極、また、カソード４０５は空気極と呼ばれる。本実施形態では、筒状ＭＥＡ４１０（４０１，４０２，４０５）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発電手段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。
【０１０８】
アノード側集電体４１１は、銀ペースト塗布層４１１ｇと、Ｎｉメッシュシート４１１ａと、多孔質金属体４１１ｓと、中心導電棒４１１ｋとを備えて構成されている。Ｎｉメッシュシート４１１ａが、銀ペースト塗布層４１１ｇを介して、筒状ＭＥＡ４１０の内面側のアノード４０２に接触して、多孔質金属体４１１ｓから中心導電棒４１１ｋへと導電するように構成されている。多孔質金属体４１１ｓ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。アノード４０２とアノード側集電体４１１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４１１ｇとＮｉメッシュシート４１１ａとが配置されている。
【０１０９】
カソード側集電体４１２は、銀ペースト塗布配線４１２ｇとＮｉメッシュシート４１２ａ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４１２ａが、筒状ＭＥＡ４１０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４１２ｇは、カソード４０５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４１２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４１２ｇは、酸素分子を通しながら銀粒子がカソード４０５に接触して、カソード４０５内に含まれる銀粒子と同等の触媒作用を発現する。しかも、カソード４０５に含ませるより安価である。
【０１１０】
図１０は、固体電解質層４０１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を模式的に表した図である。アンモニアを含む気体は、気密性を厳格にした筒状ＭＥＡ４１０の内筒、すなわちアノード側集電体４１１が配置されている空間に導入される。筒状ＭＥＡ４１０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４１１ｓ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４１１ｓ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４１１ｓ、Ｎｉメッシュシート４１１ａ、及び多孔質の銀ペースト塗布層４１１ｇの空隙を通りながら、アノード４０２と接触して、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-
【０１１１】
すなわち、プロトン導電性の固体電解質層４０１を用いると、アノード４０２でアンモニアを分解することにより、プロトン、窒素分子及び電子を生じさせる。発生したプロトンは、固体電解質層４０１中をカソード４０５へ移動する。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４０１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。
【０１１２】
また、本実施形態では、ガス分解発電手段４００の上流に、水素生成手段３００が設けられているため、アノード４０２には、アンモニアと水素とを含む混合気体が作用させられる。上記水素は、下記のように、プロトンに分解される。
（アノード反応）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
【０１１３】
上記水素の分解反応で生じたプロトンも、上記アンモニアの分解によって生じたプロトンと同様に、固体電解質層４０１中をカソード４０５に向けて移動する。
【０１１４】
カソード４０５では、固体電解質層４０１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
【０１１５】
上記の電気化学反応の結果、電力が発生し、アノード４０２とカソード４０５との間に電位差を生じ、カソード側集電体４１２からアノード側集電体４１１へと電流Ｉが流れる。カソード側集電体４１２とアノード側集電体４１１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発電手段４００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。
【０１１６】
内側をアノードとした場合、酸素イオン導電性の固体電解質では、水を筒状ＭＥＡ４１０の内側（アノード側）で生成する反応となる。水は、筒状ＭＥＡ４１０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。
【０１１７】
上記固体電解質層４０１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（カソード側）に生じるため、内側（アノード側）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。
【０１１８】
特に、堆肥製造工程においては、上記ガス分解発電手段４００において発生した水分が醗酵途中の原料に作用すると、醗酵作用を阻害する恐れがあるため、ＢＹＺから形成された固体電解質層を備えて構成されるガス分解発電装置においては、水分が生成されるカソード側を流動する排出ガスを、屋外に排出するように構成するのが好ましい。
【０１１９】
上記アノード及び上記カソードにおける上記反応促進するため、触媒が設けられる。上記触媒は、筒状ＭＥＡの電極層内に配合することもできるし、電極の表面や上記メッシュシート等の集電体に触媒層として設けることもできる。なお本実施形態では、上記アノードを構成する材料に上記Ｎｉ系とＦｅ系の触媒を配合している。
【０１２０】
アンモニアを分解する触媒としてＦｅ系の触媒を用いるのが好ましい。一方、水素を分解するには、Ｎｉ系の触媒を用いるのが好ましい。本実施形態では、アノード４０２に、アンモニアと水素とが作用させられるため、ＮｉとＦｅとを含む触媒を採用するのが好ましい。
【０１２１】
一方、上記ガス分解反応が進行するにつれて、流動するガスにおける上記アンモニアと水素の比率が変化する。このため、上記アノードの全域にわたって、同一構成のＮｉ−Ｆｅ触媒を用いると、上記２種類のガスを効率よく分解できない場合が生じる。
【０１２２】
上記不都合を回避するため、上記筒状ＭＥＡ４１０のアノード側に設けられる触媒のＮｉ−Ｆｅの配合比率を、ガスの流動路に沿って変化させるのが好ましい。本実施形態の場合、ガス分解発電手段の分解ガスの入口近傍の触媒組成におけるＦｅの配合比率を大きく設定する一方、分解ガスの出口近傍に向けて、上記Ｆｅの配合比率が次第に小さくなるように構成するとともに、Ｎｉの配合比率が次第に大きくなるように構成するのが好ましい。
【０１２３】
上記触媒層の成分を変化させる手法は特に限定されることはない。たとえば、上記筒状ＭＥＡ４１０の第１の電極層（アノード）４０２に配合されるＦｅ触媒の成分の配合量を変化させることにより、Ｎｉ−Ｆｅの配合比率を連続的に変化させる場合、次のようにして構成することができる。まず、筒状の個体電解質の内部にＮｉペーストを充填等することにより、上記個体電解質の内面にＮｉ層を形成する。次に、上記個体電解質層の外面にマスキングを施した状態で、硝酸Ｆｅ水溶液中に浸漬した後、所定の速度で引き上げ、乾燥させる。これにより、上記筒状ＭＥＡの内面において、軸方向に付着量を変化させたＦｅ層を設けることができる。その後、上記個体電解質を焼成することによりＮｉ−Ｆｅを合金化して、Ｎｉ成分とＦｅ成分の配合率が連続的に変化する第１の電極層（アノード）を有する筒状ＭＥＡを形成することができる。
【０１２４】
Ｎｉ成分の配合量を変化させる場合も、上記Ｆｅ成分の配合量を変化させたのと同様の手法を採用することができる。上記手法を、Ｆｅ成分とＮｉ成分に適用することにより、これら２種類の触媒成分の配合比率を所要のパターンで連続的に変化させた第１の電極層（アノード）を形成することができる。たとえば、Ｎｉ成分とＦｅ成分の配合量を共に変化させることにより、Ｎｉ：Ｆｅの配合比率を、分解ガスの入口近傍において１：９に設定し、流動路の中央部分において５：５まで変化させ、さらに、分解ガスの出口近傍において９：１となるように連続的に変化させるのが好ましい。上記構成を採用することにより、アンモニアと水素とを含む混合気体を効率よく分解できるとともに、効率よく発電することが可能となる。
【０１２５】
また、上記集電体４１１に、配合比率が変化する触媒を設けることができる。たとえば、Ｆｅメッシュシートに厚みが連続的に変化する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成分の配合比率が連続的に変化する触媒集電体を形成できる。厚みが変化する上記Ｎｉメッキ層は、たとえば、上記Ｆｅメッシュシートを、所定の速度でメッキ浴から引き上げながらメッキ処理することにより形成することができる。
【０１２６】
図１１に、アノードの表面に、Ｎｉ−Ｆｅから構成される触媒層を設けた複数のガス分解発電装置４００ａ，４００ｂ，４００ｃを組み合わせてガス分解発電手段４００を構成した例を示す。
【０１２７】
図１１に示すように、複数のガス分解発電装置４００ａ，４００ｂ，４００ｃが、直列状に接続されている。本実施形態に係る各ガス分解発電装置４００ａ，４００ｂ，４００ｃのアノードの表面には、Ｎｉ−Ｆｅからなる触媒層４５１ａ，４５１ｂ，４５１ｃがそれぞれ設けられている。上記触媒層４５１ａ，４５１ｂ，４５１ｃは、ＮｉとＦｅの配合割合がそれぞれ異なるように形成されている。すなわち、本実施形態では、上記触媒層４５１ａ，４５１ｂ，４５１ｃにおいて、Ｆｅの成分割合が４００ａ＞４００ｂ＞４００ｃに設定される一方、Ｎｉの成分割合が４００ａ＜４００ｂ＜４００ｃとなるように設定されている。具体的には、
Ｎｉ：Ｆｅの配合比率を、第１のガス分解発電装置４００ａにおいて１：９に設定し、第２のガス分解発電装置４００ｂにおいて５：５に設定し、第３のガス分解発電装置４００ｃにおいて９：１に設定するのが好ましい。
【０１２８】
上記構成を採用することにより、アンモニアと水素とを含む気体を効率よく分解できるとともに、発電効率を高めることが可能となる。
【０１２９】
上記蓄電池５００の形式等は特に限定されることはなく、発電量や発電電圧に応じて、種々の二次電池を採用できる。たとえば、鉛蓄電池、ニッケル蓄電池やリチウム系蓄電池等を採用することができる。
【０１３０】
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】
【０１３１】
アンモニアを含むガスを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】
【０１３２】
１  ガス分解発電システム
１００  ガス収集手段
２００  ガス濃縮手段
２５０  脱硫手段
３００  水素生成手段
４００  ガス分解発電手段
【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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