(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の内周部に積層形成された第１の電極層と、この固体電解質層の外周部に積層形成された第２の電極層とを有する筒状ＭＥＡを備え、上記筒状ＭＥＡの内側には分解に供せられる第１のガスを流す第１のガス流路を備えると共に上記筒状ＭＥＡの外側に第２のガスを流す第２のガス流路を備えたガス分解素子であって、
上記筒状ＭＥＡの内側に備えられる第１のガス流路に、流れてくる第１のガスと接触して分解を促進するガス分解促進手段として、Ｎｉ−ＹＳＺを表面に担持したアルミナ筒を、上記第１のガスの流れに平行に配置してあることを特徴とするガス分解素子。
【請求項２】
筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の内周部に積層形成された第１の電極層と、この固体電解質層の外周部に積層形成された第２の電極層とを有する筒状ＭＥＡを備え、上記筒状ＭＥＡの内側には分解に供せられる第１のガスを流す第１のガス流路を備えると共に上記筒状ＭＥＡの外側に第２のガスを流す第２のガス流路を備えたガス分解素子であって、
上記筒状ＭＥＡの内側に備えられる第１のガス流路に、流れてくる第１のガスと接触して分解を促進するガス分解促進手段を配置してあり、
上記筒状ＭＥＡの一端部を封止する封止部を設けると共に、
上記筒状ＭＥＡの他端部側から上記筒状ＭＥＡの内部空間に挿入されて、上記筒状ＭＥＡの内周面との間に筒状流路を形成するガス誘導パイプを設け、
上記ガス誘導パイプ内を上記封止部に向けて流動する第１のガスを、上記封止部近傍において上記ガス誘導パイプ内から流出させることにより反転流動させ、上記筒状流路を上記誘導パイプ内の流れと反対方向に向けて流動させるようにして上記第１のガス流路を構成し、
且つ上記ガス誘導パイプの内空に、上記ガス分解促進手段として、Ｎｉ−ＹＳＺを担持したアルミナ筒を複数本、稠密状態に配置してあることを特徴とするガス分解素子。
【請求項３】
上記ガス誘導パイプには、上記Ｎｉ−ＹＳＺを担持したアルミナ筒の配置位置を決めるための位置決め部を構成してあることを特徴とする請求項２に記載のガス分解素子。
【請求項４】
上記ガス誘導パイプは、導電性材料から形成されていると共に、
上記第１の電極層に導通させられて、上記第１の電極層の集電体を構成している請求項２又は請求項３に記載のガス分解素子。
【請求項５】
筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の内周部に積層形成された第１の電極層と、この固体電解質層の外周部に積層形成された第２の電極層とを有する筒状ＭＥＡを備え、上記筒状ＭＥＡの内側には分解に供せられる第１のガスを流す第１のガス流路を備えると共に上記筒状ＭＥＡの外側に第２のガスを流す第２のガス流路を備えたガス分解素子であって、
上記筒状ＭＥＡの内側に備えられる第１のガス流路に、流れてくる第１のガスと接触して分解を促進するガス分解促進手段を配置してあり、
上記筒状ＭＥＡの一端部を封止する封止部を設けると共に、
上記筒状ＭＥＡの他端部側から上記筒状ＭＥＡの内部空間に挿入されて、上記筒状ＭＥＡの内周面との間に筒状流路を形成するガス誘導パイプを設け、
上記ガス誘導パイプ内を上記封止部に向けて流動する第１のガスを、上記封止部近傍において上記ガス誘導パイプ内から流出させることにより反転流動させ、上記筒状流路を上記誘導パイプ内の流れと反対方向に向けて流動させるようにして上記第１のガス流路を構成し、
且つ上記ガス誘導パイプの少なくとも一部の内空に、上記ガス分解促進手段を配置してあると共に、
上記第１の電極層の内周面に、導電性の金属メッシュシートを配置すると共に、
この金属メッシュシートを上記ガス誘導パイプに接続することにより、上記第１の電極層と上記ガス誘導パイプとを導通させたことを特徴とするガス分解素子。
【請求項６】
上記第１の電極層表面に多孔質導電層を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載のガス分解素子。
【請求項７】
上記筒状ＭＥＡの一端部は、上記固体電解質層を一体延出させて形成された底部によって封止されていることを特徴とする請求項２〜請求項６の何れか１項に記載のガス分解素子。
【請求項８】
上記筒状ＭＥＡの一端部は、封止部材を筒状ＭＥＡの端部に嵌合させて封止されていることを特徴とする請求項２〜請求項６の何れか１項に記載のガス分解素子。
【請求項９】
上記第１の電極層及び／又は上記第２の電極層が、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする金属粒連鎖体と、イオン導電性セラミックとを含む焼成体であることを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか１項に記載のガス分解素子。
【請求項１０】
上記固体電解質層が、酸素イオン導電性又はプロトン導電性を有することを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか１項に記載のガス分解素子。
【請求項１１】
上記ガス分解素子は、加えて、素子全体を加熱するためのヒータを備えると共に、上記第１のガス流路に導かれる上記第１のガスを予め通過させて予備加熱を行うための予備加熱用配管を備えていることを特徴とする請求項１〜請求項１０の何れか１項に記載のガス分解素子。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１１の何れか１項に記載したガス分解素子を備える発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ガス分解素子及び発電装置に関する。詳しくは、所定のガスを効率良く分解することができるガス分解素子、このガス分解素子を備える発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばアンモニアは、農業や工業に不可欠の化合物であるがヒトには有害であるため、水中や大気中のアンモニアを分解する種々の方法が知られている。高濃度のアンモニアを含む水からアンモニアを分解除去するために、アンモニア水を噴霧すると共に空気流と接触させて空気中でアンモニアを分離し、次亜臭素酸溶液又は硫酸と接触させる方法が提案されている（特許文献１）。また上記方法と同じプロセスで、空気中でアンモニアを分離して触媒により燃焼させる方法（特許文献２）や、アンモニア含有排水を触媒を用いて窒素と水に分解する方法が提案されている（特許文献３）。更に半導体製造装置の廃ガスには、アンモニア、水素等が含まれることが多く、アンモニアの異臭を完全に除去するには、ｐｐｍオーダーにまで除去する必要がある。この目的のために、半導体装置の廃ガス放出の際に、スクラバーを通して薬品を含む水に有害ガスを吸収させる方法が多く用いられてきた。一方、エネルギーや薬品等の投入なしに安価なランニングコストで有害ガスを分解するために、リン酸燃料電池でアンモニアを分解する半導体製造装置等における廃ガス処理の方法も提案されている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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】特開平１１−３４７５３５号公報
【特許文献４】特開２００３−４５４７２号公報
【特許文献５】特許第３２３８０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されているような中和剤等の薬液を用いる方法、特許文献２に記載されているような燃焼させる方法、特許文献３に記載されているような触媒を用いた熱分解反応による方法により、アンモニアを分解することはできる。ところが、これらの方法では、薬品や外部エネルギー（燃料）を必要とし、更には触媒を定期的に交換する必要があり、ランニングコストが大きくなるという問題がある。
【０００５】
また装置が大掛かりとなり、既存の設備に付加的に設ける場合には、スペースを確保するのが困難である。またリン酸型燃料電池を、化合物半導体製造の排気中のアンモニアの除去に用いる装置についても、電解質が液体であるため、空気側とアンモニア側との仕切りをコンパクトにできず、装置の小型化が難しいという問題があった。
【０００６】
上記問題を解決するため、特許文献５に記載されているように、筒状の固体電解質層と、この固体電解質層を内外から挟むようにして積層形成された第１の電極層及び第２の電極層とを備えて構成される筒状ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を採用することができる。上記筒状ＭＥＡの内側空間を、分解されるガスを含む気体が、軸方向に流動させられる。
【０００７】
上記ガスを分解するには、ガスを含む気体の温度をできるだけ高めて、上記筒状ＭＥＡの第１の電極層（燃料極）に作用させるのが好ましい。このため、上記筒状ＭＥＡの全体を加熱するヒータが設けられている。
その一方、多量のガスを分解するには、上記筒状ＭＥＡ内を流れるガスの流量を大きくする必要がある。ところが、ガス流量を大きくすると、充分に加熱されないガスが、上記筒状ＭＥＡに作用させられることになり、ガス分解効率が低下するという問題があった。
【０００８】
また上記筒状ＭＥＡ内を流れるガスの分解を良くするためには、ガスを高温に加熱する必要があるが、筒状ＭＥＡがコンパクトであればあるほど、ガスの加熱が効率よく行えないという問題があった。
【０００９】
その他、従来の筒状ＭＥＡでは、両端部に接続部材を接続して、ガスを筒状ＭＥＡの軸方向に流動させるように構成されていた。ところが筒状ＭＥＡの全体が高温になるので、上記筒状ＭＥＡの両端部と上記接続部材とのシール性能が低下しやすく、接続の信頼性が低いという問題があった。
【００１０】
そこで本願発明は、固体電解質を用いた電気化学反応を利用することによって、ランニングコストを抑えながら大きな処理能力を得ることができると共に、筒状ＭＥＡ内を流れるガスの分解効率をより向上させることのできるガス分解素子及びそのガス分解素子を備える発電装置の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する本発明のガス分解素子は、筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の内周部に積層形成された第１の電極層と、この固体電解質層の外周部に積層形成された第２の電極層とを有する筒状ＭＥＡを備え、上記筒状ＭＥＡの内側には分解に供せられる第１のガスを流す第１のガス流路を備えると共に上記筒状ＭＥＡの外側に第２のガスを流す第２のガス流路を備えたガス分解素子であって、
上記筒状ＭＥＡの内側に備えられる第１のガス流路に、流れてくる第１のガスと接触して分解を促進するガス分解促進手段として、Ｎｉ−ＹＳＺを表面に担持したアルミナ筒を、上記第１のガスの流れに平行に配置してあることを第１の特徴としている。
ここにおいて、ＭＥＡとはＭｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙの略で、膜／電極接合体と訳すことができるが、ＭＥＡとしても当業者に周知の技術用語であるので、そのまま用いている。
【００１２】
上記本発明の第１の特徴によれば、分解に供せられる第１のガスは、ガス分解素子の第１のガス流路に導かれ、そこで加熱がなされながら分解に供される。第１のガス流路を流れる第１のガスは、第１のガス流路に配置されたガス分解促進手段と接触することで、分解の機会をより多く得て、分解効率が向上される。これにより第１のガス流路を流れる第１のガスの温度が装置のコンパクト化等により十分なる反応温度まで上昇されないようなことがあっても、その温度不足を分解効率の向上により補うことができる。よって第１のガスのガス供給量を増加させた場合等による加熱温度不足と、それによる分解効率の低下を補い、効率のよい分解を確保することができる。
よって本発明の第１の特徴によるガス分解素子によれば、分解に供される第１のガスの分解効率を向上させることができる。また第１のガスの流量を増加させて処理能力を増加させることができる。またガス分解素子を、その長さにおいてよりコンパクトなものとすることが可能となる。
【００１３】
またガス分解促進手段がアルミナ筒であるので、第１のガス流路において第１のガスをアルミナ筒の多孔質の筒内外表面において十分なる接触面積をもって接触させることができる。これにより、アルミナ筒の有する熱を第１のガスに与えて、第１のガスの温度上昇を図ることができる。
ガス分解促進手段が筒状であり、且つ第１のガス流路での第１のガスの流れに平行に配置されているので、第１のガスの流れに対する圧損を小さくすることができる。
Ｎｉ−ＹＳＺは、電子の移動と酸素イオンの移動が可能であるので、上記ＭＥＡの第１の電極層と連携した反応が可能である。またＮｉの凝集をＹＳＺが阻害するため、触媒の寿命も長くすることが可能である。
【００１４】
また本発明のガス分解素子は、筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の内周部に積層形成された第１の電極層と、この固体電解質層の外周部に積層形成された第２の電極層とを有する筒状ＭＥＡを備え、上記筒状ＭＥＡの内側には分解に供せられる第１のガスを流す第１のガス流路を備えると共に上記筒状ＭＥＡの外側に第２のガスを流す第２のガス流路を備えたガス分解素子であって、
上記筒状ＭＥＡの内側に備えられる第１のガス流路に、流れてくる第１のガスと接触して分解を促進するガス分解促進手段を配置してあり、上記筒状ＭＥＡの一端部を封止する封止部を設けると共に、上記筒状ＭＥＡの他端部側から上記筒状ＭＥＡの内部空間に挿入されて、上記筒状ＭＥＡの内周面との間に筒状流路を形成するガス誘導パイプを設け、上記ガス誘導パイプ内を上記封止部に向けて流動する第１のガスを、上記封止部近傍において上記ガス誘導パイプ内から流出させることにより反転流動させ、上記筒状流路を上記誘導パイプ内の流れと反対方向に向けて流動させるようにして上記第１のガス流路を構成し、且つ上記ガス誘導パイプの内空に、上記ガス分解促進手段として、Ｎｉ−ＹＳＺを担持したアルミナ筒を複数本、稠密状態に配置してあることを第２の特徴としている。
上記本発明の第２の特徴によれば、分解に供せられる第１のガスは、ガス分解素子の第１のガス流路に導かれ、そこで加熱がなされながら分解に供される。第１のガス流路を流れる第１のガスは、第１のガス流路に配置されたガス分解促進手段と接触することで、分解の機会をより多く得て、分解効率が向上される。これにより第１のガス流路を流れる第１のガスの温度が装置のコンパクト化等により十分なる反応温度まで上昇されないようなことがあっても、その温度不足を分解効率の向上により補うことができる。よって第１のガスのガス供給量を増加させた場合等による加熱温度不足と、それによる分解効率の低下を補い、効率のよい分解を確保することができる。
よって本発明の第２の特徴によるガス分解素子によれば、分解に供される第１のガスの分解効率を向上させることができる。また第１のガスの流量を増加させて処理能力を増加させることができる。またガス分解素子を、その長さにおいてよりコンパクトなものとすることが可能となる。
【００１５】
また分解されるガスが、ガス誘導パイプ内を、上記封止部を設けた一端部側に向けて流動させられると共に、上記封止部近傍で反転流動させられ、上記ガス誘導パイプの外周面と上記筒状ＭＥＡの内周面との間に形成された筒状流路を、上記ガス誘導パイプ内の流れと反対方向に流動させられる。
よって上記第１のガスは、筒状ＭＥＡの筒長さの２倍の距離を流動させられることになる。このため、上記誘導パイプ内で充分に加熱されて温度が上昇させられた後に、上記筒状ＭＥＡに作用させることができる。従ってガスの分解効率を高めることが可能となり、ガスの流量を増加させてガスの処理量を増加させることが可能となる。
加えて、上記ガス分解促進手段であるＮｉ−ＹＳＺ等が上記挿入されたガス誘導パイプの内空に配置されているので、更に相乗して一層、第１のガスの分解効率を高めることができる。
【００１６】
前記Ｎｉ−ＹＳＺは、ガス誘導パイプの内表面、外表面にも担持させるのが好ましい。これにより上記ＭＥＡの第１の電極層との間での電子及び酸素イオン移動を確保して、第１のガスの分解効率を一層向上させることができる。
【００１７】
その他、上記第２の特徴によれば、上記第１のガスが筒状ＭＥＡに出入りする部分を、筒状ＭＥＡの片側端部に集中して設けることができる。このため、上記筒状ＭＥＡとガス配管の間のシールの信頼性を高めることができる。
上記筒状ＭＥＡにおけるガスの出入口は、分解前の第１のガスと分解後の第１のガスが混合しないように、二重構造を備える配管部材を備えて構成できる。
【００１８】
上記筒状ＭＥＡの一端部を封止する構成は特に限定されることはない。例えば後述する第７の特徴に記載した発明のように、上記筒状ＭＥＡの一端部を、上記固体電解質層を一体延出させて形成された底部によって封止することができる。上記底部は、筒状ＭＥＡと一体形成されているため、ガスが漏れ出る恐れはなく、筒状ＭＥＡの一端部を確実に封止することができる。
また後述する第８の特徴に記載した発明のように、上記筒状ＭＥＡの一端部を、封止部材を筒状ＭＥＡの端部に嵌合させて封止することもできる。この構成を採用することにより、本発明を従来の両端が開口された筒状ＭＥＡに適用することが可能となる。
【００１９】
またＮｉ−ＹＳＺを担持したアルミナ筒をガス誘導パイプの内空に稠密状態に配置することで、第１のガスとＮｉ−ＹＳＺを担持したアルミナ筒との接触面積を十分に確保して、ガス分解効率を最大限に発揮させることができる。勿論、稠密状態とすることでアルミナ筒の自由な移動を抑制して、位置の安定性を確保することができる。更に圧損も同表面積の他の構造体より小さくすることが可能である。
【００２０】
また本発明のガス分解素子は、上記第２の特徴に加えて、上記ガス誘導パイプには、上記Ｎｉ−ＹＳＺを担持したアルミナ筒の配置位置を決めるための位置決め部を構成してあることを第３の特徴としている。
上記第３の特徴によれば、上記第２の特徴による作用、効果に加えて、複数本のアルミナ筒をガス誘導パイプ内に挿入して固定する場合、ガス誘導パイプに構成した位置決め部を利用して、アルミナ筒の位置を所定の位置に位置決めすることができる。よってアルミナ筒の挿入、配置、固定作業が容易で簡単、確実となる。
なお、固定はセラミックス接着剤やＮｉペーストで接着固定をして行うことができる。
【００２１】
また本発明のガス分解素子は、上記第２又は第３の特徴に加えて、上記ガス誘導パイプは、導電性材料から形成されていると共に、上記第１の電極層に導通させられて、上記第１の電極層の集電体を構成していることを第４の特徴としている。
【００２２】
上記第４の特徴によれば、上記第２又は第３の特徴による作用、効果に加えて、ガス誘導パイプを第１の電極層の集電体として利用することにより、ガス分解効率を高めることができるばかりでなく、筒状ＭＥＡ内のスペースを有効活用することができる。
なお、ガス誘導パイプを構成する材料は特に限定されることはないが、分解するガスによって腐食等が生じない材料で形成する必要がある。例えばステンレス、銅、ニッケル、インコネル、インコネル等のＮｉをベースとして鉄、クロム、ニオブ、モリブデン等を含有させた合金を用いて形成することができる。
【００２３】
上記第１の電極層と上記ガス誘導パイプとを導通させる手法は、特に限定されることはない。例えば多孔質金属体を、上記筒状ＭＥＡ内周面と上記ガス誘導パイプ外周面の間に形成される筒状流路内に挿入して、上記第１の電極層と上記ガス誘導パイプとを導通させることができる。また上記多孔質金属体を設けることにより、上記ガス誘導パイプを筒状ＭＥＡ内で保持することが可能になると共に、上記第１の電極層の内周面と上記ガス誘導パイプの外周面との間の筒状流路を確保することができる。
【００２４】
また本発明のガス分解素子は、筒状の固体電解質層と、この固体電解質層の内周部に積層形成された第１の電極層と、この固体電解質層の外周部に積層形成された第２の電極層とを有する筒状ＭＥＡを備え、上記筒状ＭＥＡの内側には分解に供せられる第１のガスを流す第１のガス流路を備えると共に上記筒状ＭＥＡの外側に第２のガスを流す第２のガス流路を備えたガス分解素子であって、
上記筒状ＭＥＡの内側に備えられる第１のガス流路に、流れてくる第１のガスと接触して分解を促進するガス分解促進手段を配置してあり、上記筒状ＭＥＡの一端部を封止する封止部を設けると共に、上記筒状ＭＥＡの他端部側から上記筒状ＭＥＡの内部空間に挿入されて、上記筒状ＭＥＡの内周面との間に筒状流路を形成するガス誘導パイプを設け、上記ガス誘導パイプ内を上記封止部に向けて流動する第１のガスを、上記封止部近傍において上記ガス誘導パイプ内から流出させることにより反転流動させ、上記筒状流路を上記誘導パイプ内の流れと反対方向に向けて流動させるようにして上記第１のガス流路を構成し、且つ上記ガス誘導パイプの少なくとも一部の内空に、上記ガス分解促進手段を配置してあると共に、上記第１の電極層の内周面に、導電性の金属メッシュシートを配置すると共に、この金属メッシュシートを上記ガス誘導パイプに接続することにより、上記第１の電極層と上記ガス誘導パイプとを導通させたことを第５の特徴としている。
上記本発明の第５の特徴によれば、分解に供せられる第１のガスは、ガス分解素子の第１のガス流路に導かれ、そこで加熱がなされながら分解に供される。第１のガス流路を流れる第１のガスは、第１のガス流路に配置されたガス分解促進手段と接触することで、分解の機会をより多く得て、分解効率が向上される。これにより第１のガス流路を流れる第１のガスの温度が装置のコンパクト化等により十分なる反応温度まで上昇されないようなことがあっても、その温度不足を分解効率の向上により補うことができる。よって第１のガスのガス供給量を増加させた場合等による加熱温度不足と、それによる分解効率の低下を補い、効率のよい分解を確保することができる。
よって本発明の第５の特徴によるガス分解素子によれば、分解に供される第１のガスの分解効率を向上させることができる。また第１のガスの流量を増加させて処理能力を増加させることができる。またガス分解素子を、その長さにおいてよりコンパクトなものとすることが可能となる。
また分解されるガスが、ガス誘導パイプ内を、上記封止部を設けた一端部側に向けて流動させられると共に、上記封止部近傍で反転流動させられ、上記ガス誘導パイプの外周面と上記筒状ＭＥＡの内周面との間に形成された筒状流路を、上記ガス誘導パイプ内の流れと反対方向に流動させられる。
よって上記第１のガスは、筒状ＭＥＡの筒長さの２倍の距離を流動させられることになる。このため、上記誘導パイプ内で充分に加熱されて温度が上昇させられた後に、上記筒状ＭＥＡに作用させることができる。従ってガスの分解効率を高めることが可能となり、ガスの流量を増加させてガスの処理量を増加させることが可能となる。
【００２５】
加えて、上記ガス分解促進手段であるＮｉ−ＹＳＺ等が上記挿入されたガス誘導パイプの少なくとも一部の内空に配置されているので、更に相乗して一層、第１のガスの分解効率を高めることができる。
前記Ｎｉ−ＹＳＺは、ガス誘導パイプの内表面、外表面にも担持させるのが好ましい。これにより上記ＭＥＡの第１の電極層との間での電子及び酸素イオン移動を確保して、第１のガスの分解効率を一層向上させることができる。
その他、上記第５の特徴によれば、上記第１のガスが筒状ＭＥＡに出入りする部分を、筒状ＭＥＡの片側端部に集中して設けることができる。このため、上記筒状ＭＥＡとガス配管の間のシールの信頼性を高めることができる。
上記筒状ＭＥＡにおけるガスの出入口は、分解前の第１のガスと分解後の第１のガスが混合しないように、二重構造を備える配管部材を備えて構成できる。
上記筒状ＭＥＡの一端部を封止する構成は特に限定されることはない。例えば後述する第７の特徴に記載した発明のように、上記筒状ＭＥＡの一端部を、上記固体電解質層を一体延出させて形成された底部によって封止することができる。上記底部は、筒状ＭＥＡと一体形成されているため、ガスが漏れ出る恐れはなく、筒状ＭＥＡの一端部を確実に封止することができる。
また後述する第８の特徴に記載した発明のように、上記筒状ＭＥＡの一端部を、封止部材を筒状ＭＥＡの端部に嵌合させて封止することもできる。この構成を採用することにより、本発明を従来の両端が開口された筒状ＭＥＡに適用することが可能となる。
【００２６】
また上記第１の電極層の内周面に、導電性のメッシュシートを配置すると共に、この金属メッシュシートを上記ガス誘導パイプに接続することにより、上記第１の電極層と上記ガス誘導パイプとを導通させることができる。
金属メッシュシートを上記第１の電極層に接触状態で保持することにより、上記電極層と金属メッシュシート間の抵抗を低減することができる。
また、この金属メッシュシートを上記ガス誘導パイプに直接接続することにより、集電体との接触抵抗を低減させることができる。例えば上記第１の電極層の内周面の全面に接触するように１枚の金属メッシュシートを配置することができる。
また上記構成を採用することにより、上記ガス誘導パイプを利用して、集電体の面積を大きくとることが可能となり、ガス分解効率をより高めることができる。
【００２７】
更に多孔質金属体を、上記金属メッシュシートの内側と上記ガス誘導パイプとの間に挿入して、上記金属メッシュシートを内側からバックアップする構成とすれば、上記第１の電極層と集電体との間の接触抵抗を低減させることができる。また、この構成によって、（１）Ｎｉメッシュシート／多孔質金属体／ガス誘導パイプ、という導電路と、（２）Ｎｉメッシュシート／ガス誘導パイプ、という２つの導電経路が形成される。この結果、アノード側集電体の接触抵抗をより低減させることができると共に、圧力損失の増大を防止することが可能となる。
【００２８】
上記金属メッシュシートの形態は特に限定されることはない。例えば上記金属メッシュシートを筒状に形成して、上記第１の電極層の全面を覆うように配置することができる。
上記金属メッシュシートの外観構成も特に限定されることはない。例えば織布、不織布、打ち抜きシート等を採用できる。柔軟性、孔径の均一性等を確保するには、織布を採用するのが好ましい。
金属メッシュシートを構成する金属材料も特に限定されることはない。例えばＮｉ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｗ等の材料から形成された金属メッシュシートを採用するのが好ましい。また表層に銀メッキ層等が形成された金属メッシュシートを採用することもできる。また触媒反応を期待する場合には、Ｎｉ−Ｗ等の材料から形成された金属メッシュシートを採用するのが好ましい。
【００２９】
本発明のガス分解素子は、上記第１〜第５の何れか１つの特徴に加えて、上記第１の電極層表面に多孔質導電層を設けたことを第６の特徴としている。
上記第６の特徴によれば、上記第１〜第５の何れか１つの特徴による作用、効果に加えて、上記導電層を第１の電極層の表面に形成することにより、第１の電極層と上記メッシュシート間の導電性を全域において確保することができる。また上記導電層が多孔質であるため、各電極層に対するガスの接触を妨げることもない。
金属メッシュシートを第１の電極層の内周面の全面に均一に接触させるのは困難な場合がある。即ち、第１の電極層の表面と上記金属メッシュシート間の接触圧力が異なったり、一部が第１の電極層の表面から浮き上がったりすることがあるからである。第１の電極層表面に多孔質導電層を設けることにより、そのようなことが防止できる。
【００３０】
上記多孔質導電層として、多孔質の導電性ペースト塗布層を設けることができる。上記第１の電極層の内周面に多孔質の導電性ペースト塗布層を設けることにより、上記第１の電極層と上記金属メッシュシートとが、上記導電性ペースト塗布層を介して確実に導通され、上記第１の電極層と金属メッシュシートとの間の電気抵抗も低減される。
即ち、上記導電性ペースト塗布層を設けることにより、金属メッシュシートの表面の一部を上記導電性ペースト塗布層に埋め込むようにして、上記金属メッシュシートと上記第１の電極層との間を確実に導通させることができる。このため、これらの間の接触抵抗を大幅に低減させることができる。また上記金属メッシュシートの全面を上記第１の電極層に対して均一に接触させることができる。このため、上記第１の電極層と上記金属メッシュシート間の電気抵抗が部分的に増大することはない。
【００３１】
また上記導電性ペースト塗布層を、第１の電極層の全面に塗布することにより、上記金属メッシュシートが上記導電性ペースト塗布層から離間した場合でも、第１の電極層表面における集電を確保することが可能となる。このため、温度等の作用によって上記金属メッシュシートの一部が、上記導電性ペースト塗布層から離間した場合であっても、集電効果が低下することはない。しかも上記導電性ペースト塗布層は多孔質であるため、上記第１の電極層にガスが接触することを妨げることもない。従って上記第１の電極層の全領域において電気化学反応を均一に生じさせてガス分解反応の効率を大幅に向上させることが可能となり、ガス分解の処理能力を増大させることができる。
【００３２】
上記多孔質の導電性ペースト塗布層は、種々の導電性粒子を含むペーストから形成することができる。例えば上記多孔質の導電性ペースト塗布層を、銀粒子を含むペーストから形成することができる。銀粒子は導電性が高く、上記第１の電極層の集電体としての電気抵抗を低下させて、ガス分解の処理能力を向上させることができる。また安定性が良く、酸化することもほとんどない。
【００３３】
また本発明のガス分解素子は、上記第２〜第６の何れか１つの特徴に加えて、上記筒状ＭＥＡの一端部は、上記固体電解質層を一体延出させて形成された底部によって封止されていることを第７の特徴としている。
上記第７の特徴によれば、上記第２〜第６の何れか１つの特徴による作用、効果に加えて、固体電解質層を予め有底の筒状に形成しておくことで、一端部が封止された筒状ＭＥＡをごく簡単に構成することができる。よって、ガス分解素子でのガス流路を容易に反転させることができる。
【００３４】
また本発明のガス分解素子は、上記第２〜第６の何れか１つの特徴に加えて、上記筒状ＭＥＡの一端部は、封止部材を筒状ＭＥＡの端部に嵌合させて封止されていることを第８の特徴としている。
上記第８の特徴によれば、上記第２〜第６の何れか１つの特徴による作用、効果に加えて、別体の封止部材を嵌合させて筒状ＭＥＡの一端部を封止するようにしているので、筒状ＭＥＡの固体電解質層は筒状のまま用いることができ、筒状ＭＥＡの製作が容易である。
【００３５】
また本発明のガス分解素子は、上記第１〜第８の何れか１つの特徴に加えて、上記第１の電極層及び／又は上記第２の電極層が、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする金属粒連鎖体と、イオン導電性セラミックとを含む焼成体であることを第９の特徴としている。
ここで金属粒連鎖体とは、金属粒が連なってできた数珠状の細長い金属体をいう。
金属粒連鎖体は、Ｎｉ、Ｆｅ含有Ｎｉ、若しくはＮｉ、Ｆｅ含有Ｎｉに微量Ｔｉを含むものがよい。Ｎｉなどは表面酸化された状態では、その金属粒連鎖体の表面が酸化されており、中身（表層の内側の部分）は酸化されずに金属の導電性を保持している。
このため、例えば固体電解質層内を移動するイオンが陰イオンの場合（陽イオンの場合もある）、次のような作用効果が生じる。
【００３６】
（Ａ１）金属粒連鎖体を第１の電極層（アノード）に含有させた場合、第１の電極層（アノード）において、固体電解質層から移動してくる陰イオンと、第１の電極層（アノード）の外部から第１の電極層（アノード）へと導かれる気体中のガス分子との化学反応を、金属粒連鎖体の酸化層によって促進させ（触媒作用）、且つ陰イオンを参加させて第１の電極層（アノード）での化学反応を促進させる（電荷による促進作用）。そして、その化学反応の結果、生じる電子の導電性を、金属粒連鎖体の金属部分で確保することができる。この結果、第１の電極層（アノード）における電荷の授受を伴う電気化学反応を、全体的に促進することができる。金属粒連鎖体を第１の電極層（アノード）に含有させた場合、第１の電極層（アノード）において、陽イオン、例えばプロトンを発生させて、固体電解質層中を第２の電極層（カソード）へと陽イオンを移動させ、上記の電荷による促進作用を、同様に得ることができる。
ただし、金属粒連鎖体の酸化層については、使用前は焼成処理によって確実に形成されているが、使用中に還元反応によって酸化層がなくなることが多い。酸化層がなくなっても、上記の触媒作用は減ずることはあってもなくなることはない。特にＦｅやＴｉを含有させたＮｉは、酸化層がなくても触媒作用は高い。
（Ａ２）金属粒連鎖体を第２の電極層（カソード）に含有させた場合、第２の電極層（カソード）において、第２の電極層（カソード）の外部から第２の電極層（カソード）へと導かれる気体中のガス分子の化学反応を、金属粒連鎖体の酸化層によって促進させ（触媒作用）、且つ外部回路からの電子の導電性を向上させて、当該電子を参加させて第２の電極層（カソード）での化学反応を促進させる（電荷による促進作用）。そして、当該分子から効率よく陰イオンを生じて、固体電解質層へと送り出すことができる。（Ａ１）と同様に、（Ａ２）の場合、固体電解質層中を移動してきた陽イオンと、外部回路を流れてきた電子と、第２のガスとの電気化学反応を促進することができる。このため、上記第２の電極層（カソード）に含ませる場合と同様に、第２の電極層（カソード）における電荷の授受を伴う電気化学反応を、全体的に促進することができる。どのような場合に、金属粒連鎖体を第２の電極層（カソード）に含ませるかは、分解対象のガスによって変わる。
（Ａ３）金属粒連鎖体を第１の電極層（アノード）及び第２の電極層（カソード）に含有させた場合は、上記（Ａ１）及び（Ａ２）の効果を得ることができる。
【００３７】
上記の電気化学反応は、イオンの固体電解質層を移動する速度または移動時間で律速される場合が多い。イオンの移動速度を大きくするために、上記のガス分解素子は、加熱機器、例えばヒータを備え、高温、例えば６００℃〜１０００℃にするのが普通である。高温にすることで、イオン移動速度だけでなく、電極層での電荷授受を伴う化学反応も促進される。
【００３８】
固体電解質層を移動するイオンが陰イオンの場合は、上述のように、第２の電極層（カソード）での化学反応によって発生し、供給される。第２の電極層（カソード）において導入された流体中の分子と電子とが反応して陰イオンが生成する。生成した陰イオンは、固体電解質層中を第１の電極層（アノード）へと移動する。第２の電極層（カソード）での反応に参加する電子は、第１の電極層（アノード）と第２の電極層（カソード）とを連絡する外部回路（蓄電器、電源、電力消費機器を含む）から入ってくる。固体電解質層を移動するイオンが陽イオンの場合は、第１の電極層（アノード）での電気化学反応によって発生して固体電解質層中を第２の電極層（カソード）へと移動する。電子は第１の電極層（アノード）で発生して外部回路を第２の電極層（カソード）へと流れて第２の電極層（カソード）での電気化学反応に参加する。上記電気化学反応は、燃料電池としての発電反応であってもよいし、または電気分解反応であってもよい。
【００３９】
また本発明のガス分解素子は、上記第１〜第９何れか１つの特徴に加えて、上記固体電解質層が、酸素イオン導電性又はプロトン導電性を有することを第１０の特徴としている。
上記第１０の特徴によれば、上記第１〜第９の何れか１つの特徴による作用、効果に加えて、酸素イオン導電性の固体電解質層を用いた場合、例えば第２の電極層（カソード）で電子と酸素分子とを反応させて酸素イオンを生じさせ、これを固体電解質層を移動させて第１の電極層（アノード）にて所定の電気化学反応を起こさせることができる。この場合、酸素イオンの固体電解質層中の移動速度はプロトンと比べて大きくないので、実用レベルの分解容量を得るには、温度を十分高める、及び／又は固体電解質層の厚みを十分薄くする、などの対策が必要である。
一方、プロトン導電性の固体電解質層は、バリウムジルコネート（ＢａＺｒＯ３）などが知られている。プロトン導電性の固体電解質層を用いた場合、例えば第１の電極層（アノード）でアンモニアを分解してプロトン、窒素分子及び電子を生じさせて、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させて水（Ｈ２Ｏ）を生じさせる。プロトンは酸素イオンと比べて小さいため固体電解質層中の移動速度は大きいので、加熱温度を低くして実用レベルの分解容量を得ることができる。
【００４０】
また例えば筒状ＭＥＡを用いてアンモニア分解を行うとき、酸素イオン導電性の固体電解質層では、水を筒状ＭＥＡの第１の電極層（アノード）で生成する反応となる。水は、温度が低い出口付近では水滴を形成して圧力損失の原因となる。これに対して、プロトン導電性の固体電解質層を用いると、プロトンと酸素分子と電子とが、第２の電極層（カソード）（外側）で生成する。外側はほぼ開放されているので、水滴となって付着しても圧力損失を生じにくい。
【００４１】
また本発明の発電装置は、上記第１〜第１０の何れか１つの特徴に加えて、上記ガス分解素子は、加えて、素子全体を加熱するためのヒータを備えると共に、上記第１のガス流路に導かれる上記第１のガスを予め通過させて予備加熱を行うための予備加熱用配管を備えていることを第１１の特徴としている。
【００４２】
上記第１１の特徴によれば、上記第１〜第１０の何れか１つの特徴による作用、効果に加えて、分解に供せられる第１のガスは、ガス分解素子の第１のガス流路に導かれるのに先立って、予備加熱用配管に導かれ、そこでヒータにより予備加熱される。そして予備加熱がなされた第１のガスが第１のガス流路に導かれるので、第１のガス流路での所定温度への加熱が効率よく速やかに行われる。
よって、第１のガスの分解効率を向上させることができる。また第１のガスの流量を増加させて処理能力を増加させることができる。またガス分解素子を、その長さにおいてよりコンパクトなものとすることが可能となる。
【００４３】
また本発明の発電装置は、上記第１〜第１１の何れか１つの特徴に記載のガス分解素子を備えることを第１２の特徴としている。
第１２の特徴による発電装置によれば、第１〜第１１の何れか１つの特徴に記載のガス分解素子が有する作用効果を発揮させたガス分解を用いた発電、即ち燃料電池を得ることができる。
【００４４】
ところで、分解の対象となるガスも特に限定されることはない。例えば上記の何れかのガス分解素子を備え、第１の電極層に供給される第１のガスとしてアンモニアを含むガスを採用し、第２の電極層に供給される第２のガスとして酸素分子を含むガスを採用することができる。これによって、第２の電極層（カソード）で発生させた酸素イオンを第１の電極層（アノード）に移動させて、第１の電極層においてアンモニアと酸素イオンとを、金属粒連鎖体による触媒作用、及びイオンによる促進作用のもとで反応させて、更に反応の結果生じる電子を速やかに移動させることができる。
【００４５】
本発明に係るガス分解素子、発電装置は、排ガス等に含まれる有害ガスの分解、無害化を図り、また燃料ガスを用いた燃料電池や、ガス分解を利用した独自の電気化学反応装置の分野で、装置の小型化、高効率化、低いランニングコスト等を得ることに貢献できる。
【発明の効果】
【００４６】
ランニングコストが低く、またガスの分解効率の高いガス分解素子、そのガス分解素子を備える発電装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガス分解素子の先端側（封止側）を示す縦断面図である。
【図２】図１におけるＩ−Ｉ線に沿う断面構成図である。
【図３】図１のガス分解素子の電気配線系統を示す図である。
【図４】図１に示すガス分解素子の第１のガスの出入口側の縦断面構成図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るガス分解素子の先端側（封止側）の変形例を示す縦断面構成図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るガス分解素子を示し、図２が単数からなるガス分解素子の断面構成図であるのに対して、複数からなるガス分解素子群としてのガス分解素子の断面構成図を示す。
【図７】本発明の第１、第２の実施形態に係るガス分解素子に用いられるガス分解促進手段の具体的な配置を説明する断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、本願発明の実施形態を、図を用いて具体的に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガス分解素子１０の縦断面図である。また図２は、図１におけるＩ−Ｉ線に沿う断面図である。なお本実施形態では、特に分解に供される第１のガスをアンモニア含有ガスとした場合のガス分解素子について説明する。
【００４９】
ガス分解素子１０は、円筒状の固体電解質層１の内面を覆うように第１の電極層（アノード）２が設けられると共に、外面を覆うように第２の電極層（カソード）５が設けられた筒状ＭＥＡ７（１、２、５）を備えて構成されている。第１の電極層（アノード）２は燃料極、また第２の電極層（カソード）５は空気極と呼ばれることがある。
本実施形態では上記したように、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の内側には第１のガスとしてアンモニア含有ガスが流される。また筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の外側には、第２のガスとして酸素含有ガスである空気が流される。そして上記第１のガスが流れる筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の内側の流路を第１のガス流路とする。また上記第２のガスが流れる筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の外側の流路を第２のガス流路とする。
本実施形態に係る上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）は、図１に示すように、直円筒状に形成されている。筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の内径は、例えば２０ｍｍ程度であるが、適用する装置に応じて寸法等を設定できる。
【００５０】
本実施形態のガス分解素子１０では、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の一端部が封止されると共に、他端部側から上記したステンレス、銅、ニッケル、インコネル等のＮｉをベースとして鉄、クロム、ニオブ、モリブデン等を含有させた合金、即ち６００〜１０００℃に対する耐熱性と、アンモニアガス耐蝕性とを備えた材料で構成されるガス誘導パイプ１１ｋが挿入されている。上記一端部は、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の固体電解質層１及び内側電極層２を延出させて、底部を設けることにより封止部４４が設けられている。
【００５１】
上記ガス誘導パイプ１１ｋは、上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の他端部側から上記一端部である封止部４４側に向けて挿入されており、上記筒状ＭＥＡ７の第１の電極層２の内周面と上記ガス誘導パイプ１１ｋの外周面との間に、筒状流路４３が形成されるように設定されている。この筒状流路４３には、多孔質金属体１１ｓが挿入されており、上記ガス誘導パイプ１１ｋを中央部に保持しつつ、上記ガス誘導パイプ１１ｋの外周面と上記第１の電極層２の内周面との間に、筒状流路４３が形成される構成としている。
【００５２】
本実施形態に係るガス分解素子１０においては、上記ガス誘導パイプ１１ｋの内部空間４２内を上記封止部４４に向けて第１のガスを流し、上記封止部４４の近傍において上記ガス誘導パイプ１１ｋ内から第１のガスを流出させると共に反転させ、更に上記筒状流路４３を上記内部空間４２での流れとは反対方向に向けて第１のガスを流すように構成している。
上記内部空間４２と筒状流路４３とで上記第１のガス流路を構成する。
【００５３】
上記構成を採用することにより、上記ガスは、上記筒状ＭＥＡ７の内側の空間において、筒状ＭＥＡ７の筒長さの約２倍の距離を第１のガス流路とすることができる。このため、上記ガス誘導パイプ１１ｋ内で充分に加熱され、温度が上昇された状態で、上記筒状ＭＥＡ７に作用されることになる。従って第１のガスの分解効率を高めることが可能となり、ガスの流量を増加させてガスの処理量を増加させることが可能となる。
【００５４】
本発明の実施形態では、上記筒状ＭＥＡ７の内側に構成される第１のガス流路にガス分解促進手段７１を配置している。このガス分解促進手段７１は、第１のガス流路を流れてくる第１のガスと接触することで、第１のガスの分解を促進する手段である。
上記ガス分解促進手段７１としては、具体的にはＮｉ−ＹＳＺを表面に担持したアルミナ筒を用いている。
またこのＮｉ−ＹＳＺを表面に担持したアルミナ筒からなるガス分解促進手段７１は、上記第１のガス流路のうち、上記ガス誘導パイプ１１ｋの少なくとも１部の内空、即ち上記内部空間４２の少なくとも１部に配置している。Ｎｉ−ＹＳＺは、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合体であるサーメットである。
またガス分解促進手段７１は、第１のガスの流れに対して平行となるように配置している。
ガス分解促進手段７をアルミナ筒で構成することにより、第１のガス流路において第１のガスをアルミナ筒の多孔質の筒内外表面において十分なる接触面積をもって接触させることができる。これにより、アルミナ筒の有する熱を第１のガスに与えて、第１のガスの温度上昇を図ることができる。またガス分解促進手段７１が筒状であり、且つ第１のガス流路（内部空間４２）での第１のガスの流れに平行に配置されているので、第１のガスの流れに対する圧損を小さくすることができる。
またＮｉの凝集をＹＳＺが阻害するため、触媒の寿命も長くすることが可能である。
【００５５】
上記Ｎｉ−ＹＳＺの担持はアルミナ筒の内側表面及び外側表面に施すのが、第１のガスとの接触面積を増大する上で好ましい。またＮｉ−ＹＳＺの担持はガス誘導パイプ１１ｋの内側表面、外側表面に施すのが好ましい。
上記Ｎｉ−ＹＳＺの担持は必ずしもアルミナ筒である必要はない。筒状以外の表面積の大きいフィンを備えたものを用いることが可能である。
前記アルミナ筒は、耐熱性、耐食性、多孔性に優れており、Ｎｉ−ＹＳＺを担持させるのによいが、他の耐熱性、耐食性に優れた金属やセラミックスの筒でも可能である。
また前記Ｎｉ−ＹＳＺは、アンモニアの分解を助け、電子の移動が可能な金属材料（Ｎｉ、Ｆｅ等）或いはその複合材料（ＮｉＦｅ、ＮｉＣｕ、ＮｉＣｒ等）と耐熱耐腐食材料（ＹＳＺ、アルミナ、シリカ等）を用いることが可能である。またＰｔやＲｕ等の貴金属や、Ｋ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａ等のアルカリ、アルカリ土類、希土類金属を添加してもよい。
【００５６】
図７を参照して、上記ガス誘導パイプ１１ｋの内空にＮｉ−ＹＳＺを表面に担持したアルミナ筒（ガス分解促進手段７１）を配置する場合、ガス分解促進手段７１である複数本のアルミナ筒をガス誘導パイプ１１ｋの内空に稠密に配置することが好ましい。アルミナ筒を稠密に配置することで、第１のガスとの接触面積を十分に確保して、ガスの分解効率を最大限に発揮させることができる。勿論、稠密状態とすることでアルミナ筒の自由な移動を抑制して、位置の安定性を確保することができる。
また上記ガス誘導パイプ１１ｋの内空に、ガス分解促進手段７１であるＮｉ−ＹＳＺを表面に担持したアルミナ筒を配置する場合、ガス誘導パイプ１１ｋに予め位置決め部１１ｋ１を構成しておくことができる。位置決め部１１ｋ１は、例えばガス誘導パイプ１１ｋの内径を内向きの凸条となるように絞って構成することができる。
上記位置決め部１１ｋ１を設けることで、ガス分解促進手段７１であるアルミナ筒の所定位置への挿入、配置、固定作業を容易で簡単且つ確実に行える。固定はセラミックス接着剤やＮｉペーストで接着固定をして行うことができる。
【００５７】
上記ガス誘導パイプ１１ｋの内空である内部空間４２に配置されるＮｉ−ＹＳＺ担持アルミナ筒（ガス分解促進手段７１）の筒径、長さ、数本は特に限定されるものではない。が、例えばガス誘導パイプ１１ｋの径を８〜１０ｍｍとする場合、アルミナ筒の径を２〜３ｍｍとすることができる。
筒の径、長さ、本数等は、ガス誘導パイプ１１ｋの径、長さ等を考慮して、第１のガスとの接触面積の増大による反応面積の増大の観点と、第１のガスの圧損の増加との関係が最良となるようにすることになる。
【００５８】
上記ガス誘導パイプ１１ｋは、ＳＵＳ等の導電性の金属で形成されており、アノード側集電体１１の構成要素として機能するように構成されている。一方、第２の電極層（カソード）５の外面に巻き付くようにカソード側集電体１２が配置されている。
【００５９】
上記アノード側集電体１１は、銀ペースト塗布層１１ｇとＮｉメッシュシート１１ａと多孔質金属体１１ｓと上記ガス誘導パイプ１１ｋとを備えて構成されている。
上記Ｎｉメッシュシート１１ａは、銀ペースト塗布層１１ｇを介して、筒状ＭＥＡ７の内面側の第１の電極層２（アノード）に接触して、多孔質金属体１１ｓからガス誘導パイプ１１ｋへと導電するように構成されている。また上記Ｎｉメッシュシート１１ａの先端部Ｗ１は、上記封止部４４の近傍において、上記ガス誘導パイプ１１ｋの外周部にバンド状の接合部材Ｗ２を介して巻き付けるように導電接続されている。このため、Ｎｉメッシュシート１１ａは、並列的に、（１）Ｎｉメッシュシート１１ａ／多孔質金属体１１ｓ／ガス誘導パイプ１１ｋ、という導電路と、（２）Ｎｉメッシュシート１１ａ／ガス誘導パイプ１１ｋ、という導電路とを形成している。この結果、筒状ＭＥＡ７の内面に位置して、低い電気抵抗を維持しながら、圧力損失の増大を防止することが可能となる。
【００６０】
多孔質金属体１１ｓは、第１のガスの圧力損失を低減させるために、気孔率を高くできる金属メッキ体、例えばセルメット（登録商標：住友電気工業株式会社）を用いるのが好ましい。第１の電極層（アノード）２とアノード側集電体１１との間の電気抵抗を低減させるために、上記銀ペースト塗布層１１ｇとＮｉメッシュシート１１ａとが配置されている。
【００６１】
上記カソード側集電体１２は、銀ペースト塗布配線１２ｇとＮｉメッシュシート１２ａとを備えて構成されている。
本実施形態では、Ｎｉメッシュシート１２ａが、筒状ＭＥＡ７の外面に接触して、外部配線１２ｅへと導電している。
銀ペースト塗布配線１２ｇは、第２の電極層（カソード）５において、第２のガスである酸素含有ガス（空気）内の酸素を酸素イオンに分解するのを促進する触媒として作用する銀を含み、且つカソード側集電体１２の電気抵抗を低くすることに寄与する。
銀ペースト塗布配線１２ｇは、酸素分子を通しながら銀粒子が第２の電極層（カソード）５に接触して、第２の電極層（カソード）５内に含まれる銀粒子と同等の触媒作用を発現する。しかも、第２の電極層（カソード）５に含ませるより安価である。
【００６２】
上記筒状ＭＥＡ７（１、２、５）の外側には、上記第２のガスを流すためのスペースＳが設けられている。スペースＳの外側は外装体５１で筒状ＭＥＡ７全体が被覆されている。そして外装体５１の外側にはヒータ５２が配置されている。
上記スペースＳには予備加熱用配管５３が上記外装体５１を貫通して配されている。
【００６３】
上記ヒータ５２は素子全体を加熱するためのものである。このヒータ５２によってガス分解素子１０の全体が第１のガスの分解に適した温度に加熱される。
上記予備加熱用配管５３は、上記第１のガスを予熱するための配管である。第１のガスが、上記筒状ＭＥＡ７内に導入される前に予備加熱用配管５３に通すことで、第１のガスを予熱し、温度の低い第１のガスがいきなり筒状ＭＥＡ７に導入されることにより反応不足となるのを解消する。これによってガス分解素子１０の分解性能の向上とコンパクト化を図ることが可能となる。
予備加熱用配管５３は、第１のガス源からの配管との接続端５３ａを含み、下流側はガス導入管４５と接続される構成とされている。
予備加熱用配管５３としては、耐熱性の管、例えばＮｉ管、インコネル管、その他の金属製やセラミックス性の耐熱、耐腐食性管を用いることができる。
なお、予備加熱用配管５３は、図１には１本だけを図示しているが、複数本を配管するようにしてもよい。
前記外装体５１は耐熱材料で構成されることになるが、耐火物材料で厚肉に構成し、ヒータ５２を埋設したものとしてもよい。また厚肉とした耐火物材料からなる外装体５１の肉厚内に予備加熱用配管５３を埋設、貫通させた構成とすることもできる。
本来的には上記筒状ＭＥＡ７を加熱するヒータ５２を兼用し、このヒータ５２によって予備加熱用配管５３が加熱されることで、分解に供される上記第１のガスが良好に予備加熱される。
【００６４】
図３は、固体電解質層１が酸素イオン導電性である場合における、図１のガス分解素子１０の電気配線系統を示す図である。アンモニアを含む第１のガスは、上記予備加熱用配管５３を経た後、上記ガス誘導パイプ１１ｋを介して、気密性を厳格にした筒状ＭＥＡ７の内筒の最奥部、即ち上記封止部４４の近傍まで誘導される。上記筒状ＭＥＡ７は、ヒータ５２によってその全体が８００℃程度に加熱されており、上記第１のガスは、上記ガス誘導パイプ１１ｋ内を流動する間に、昇温させられる。この間、上記第１のガス中のアンモニアが、上記ガス誘導パイプ１１ｋ内における加熱によって２ＮＨ３→Ｎ２＋３Ｈ２のように分解される。
【００６５】
筒状ＭＥＡ７を用いた場合、内面側に分解ガスを含む第１のガスを通すと共に、上記ガス誘導パイプ１１ｋを保持するため、多孔質金属体１１ｓが用いられる。圧力損失を低くする点から、上述のように、上記筒状流路４３内に配置される多孔質金属体１１ｓとして、多孔質金属めっき体、例えば上述したセルメットを用いることができる。アンモニアを含む第１のガスは、上記第１のガス流路を内部空間４２から筒状流路４３内へと流れ、多孔質金属体１１ｓ、Ｎｉメッシュシート１１ａ、及び多孔質の銀ペースト塗布層１１ｇの空隙を通りながら、第１の電極層（アノード）２と接触して、下記のアンモニア分解反応をする。
【００６６】
酸素イオンＯ２−は、第２の電極層（カソード）５での酸素ガス分解反応によって生じ、固体電解質層１を通って第１の電極層（アノード）２に到達したものである。即ち、陰イオンである酸素イオンが固体電解質層１を移動する場合の電気化学反応である。
【００６７】
第１の電極層（アノード）２では、以下の反応が生じている。
（アノード反応）：２ＮＨ３＋３Ｏ２−→Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ＋６ｅ−
より詳しくは、一部のアンモニアが、２ＮＨ３→Ｎ２＋３Ｈ２の反応を生じ、この３Ｈ２が酸素イオン３Ｏ２−と反応して３Ｈ２Ｏを生成する。
第２の電極層（カソード）５には空気、特に酸素ガスが、スペースＳを通るように導入され、第２の電極層（カソード）５において酸素分子から分解した酸素イオンを第１の電極層（アノード）２に向かって固体電解質層１へと送り出す。
【００６８】
第２の電極層（カソード）では、以下の反応が生じている。
（カソード反応）：Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−
上記の電気化学反応の結果、電力が発生し、第１の電極層（アノード）２と第２の電極層（カソード）５との間に電位差を生じ、カソード側集電体１２からアノード側集電体１１へと電流Ｉが流れる。カソード側集電体１２とアノード側集電体１１との間に負荷、例えばこのガス分解素子１０を加熱するためのヒータ５２を接続しておけば、そのための電力を供給することができる。ヒータ５２への上記電力の供給は、部分的であってもよい。多くの場合、自家発電の供給量はヒータ５２全体に要する電力の半分以下である。
【００６９】
上記ガス分解素子１０では、筒状ＭＥＡ７の内面側の第１の電極層（アノード）２においては、アノード側集電体１１の電気抵抗を低くしながら、ここを通る第１のガスの圧力損失を低くすることが重要である。また第２の電極層（カソード）５側においては、第２のガスである空気と第２の電極層（カソード）５との接触箇所を高密度化し、カソード側集電体１２の低抵抗化するのが重要である。
【００７０】
上記は、陰イオンである酸素イオンが固体電解質層１を移動する電気化学反応であるが、固体電解質層１に、例えばバリウムジルコネート（ＢａＺｒＯ３）を用いてプロトンを第１の電極層（アノード）２で発生させて固体電解質層１中を第２の電極層（カソード）５へと移動させる反応も、本発明の望ましい一つの形態である。
【００７１】
プロトン導電性の固体電解質層１を用いると、例えば第１のガス中のアンモニアを分解する場合、第１の電極層（アノード）２でアンモニアを分解してプロトン、窒素分子及び電子を生じさせて、プロトンを固体電解質層１を経て第２の電極層（カソード）５へと移動させ、第２の電極層（カソード）５において酸素と反応させて水（Ｈ２Ｏ）を生じさせる。プロトンは酸素イオンと比べて小さいので、固体電解質層１中の移動速度は大きい。このため加熱温度を低くしながら実用レベルの分解容量を得ることができる。固体電解質層１の厚みも、強度を確保できる厚みにすることができる。
【００７２】
図４は、上記ガス誘導パイプ１１ｋと外部配線１１ｅとの接続形態、及び筒状ＭＥＡ７とガス導入管４５及び排気管６５との接続形態を示す図である。これらの接続はフッ素樹脂製の管継手３０を介して行われている。
【００７３】
上記管継手３０は、管継手３０の本体部３１から固体電解質層１へと延びる締結部３１ｂの内面側に収納されたＯリング３３が、焼成体であるセラミックスの固体電解質層１の外面に当接された状態で接続される。管継手３０の締結部３１ｂは、外径がテーパ状に形成されており、そこにねじが切られ、そのねじに環状ねじ３２が螺合される。環状ねじ３２の外径が大きくなる方向へと螺合することで、締結部３１ｂは、外面から締め付けられ、Ｏリング３３による気密性を調節することができる。
【００７４】
上記管継手３０の内側には、上記ガス誘導パイプ１１ｋの基端部１１ｄに気密性をもって嵌合できる嵌合部３６を備えている。これによって、ガス誘導パイプ１１ｋと管継手３０とが連結され、第１のガス通路が形成される。
【００７５】
管継手３０には、上記第１のガスのガス導入管４５との接続を行うためのガス導入部３１ａが設けられている。ガス導入管４５の端部を、上記管継手３０のガス導入部３１ａの外周に嵌め合わせ、締結具４７で締結することで、気密性のよい接続を得ることができる。第１のガスはガス導入管４５からガス導入部３１ａを経てガス誘導パイプ１１ｋ内に流れ込む。ガス誘導パイプ１１ｋ内に流れ込んだ第１のガスは、内部空間４２を通って上記筒状ＭＥＡ７の封止部４４の近傍まで流動させられる。
【００７６】
また管継手３０には、排気管６５との接続を行うためのガス排出部３１ｃが設けられている。排気管６５の端部を、上記管継手３０のガス排出部３１ｃの外周に嵌め合わせ、締結具６７によって締結することで、気密性のよい接続を得ることができる。筒状ＭＥＡ７を経た第１のガスは、管継手３０内の排気空間３５、ガス排出部３１ｃを通って排気管６５に排出される。
【００７７】
以上のようにして上記管継手３０を採用することにより、分解前の第１のガスと分解後の第１のガスとが混ざり合うことなく、且つ上記筒状ＭＥＡ７の同じ片側の位置から第１のガスを出入りさせることが可能となる。
【００７８】
管継手３０の本体部３１には、気密性を保ってその本体部３１を貫通する導電貫通部３７ｃが設けられ、気密性を保つために封止樹脂３８等が塗られている。この導電貫通部３７ｃは、円柱棒で、外部配線１１ｅと確実な導電接続を行うためにナット３９を螺合させるねじを切っておくのがよい。導電貫通部３７ｃの管内先端には導電線３７ｂが接合されており、この導電線３７ｂの他端部３７ａが上記ガス誘導パイプ１１ｋの外周部に、環状の締め付け具３４を介して接合されている。
【００７９】
上記構成を採用することにより、上記ガス誘導パイプ１１ｋと外部配線１１ｅの接続抵抗を低減させることができる。
【００８０】
一方、カソード側集電体１２のＮｉメッシュシート１２ａの端部の外周に、外部配線１２ｅを周回させることで、外部への引き出しを行うことができる。第２の電極層（カソード）５は、筒状ＭＥＡ７の外面側に位置するので、アノード側集電体１１から外部への引き出しほど困難ではない。
【００８１】
図４に示すように、アノード側集電体１１と外部配線１１ｅとの接続、及び管継手３０とガス導入管４５及び排気管６５との接続を、小さなスペースで行うことができる。しかも上記の２種類の接続は、ヒータ５２からの熱流の主流部から外れた位置において、行われている。このため、フッ素樹脂等の耐熱性樹脂または耐食性樹脂によって、長期間の繰り返し耐久性を確保することも可能となる。
【００８２】
本実施形態では、上記第１の電極層（アノード）２の内周部に多孔質導電層として銀ペースト塗布層１１ｇが設けられると共に、Ｎｉメッシュシート１１ａが上記多孔質導電層である銀ペースト塗布層１１ｇを介して上記第１の電極層２に接続されている。
【００８３】
塗布して乾燥（焼成）させた後に多孔質になる銀ペーストは市販されており、例えば京都エレックス株式会社製のＤＤ−１２４０などを用いることができる。銀ペースト塗布層１１ｇを多孔質にすることにより、多くのアンモニア分子ＮＨ３が、多孔質の気孔中に入って、上記第１の電極層（アノード）２中の触媒に触れてアノード反応が生じやすくなる。
【００８４】
ガス分解反応の効率を高めるため、上記銀ペースト塗布層１１ｇの気孔率を、２０〜８０％に設定するのが好ましい。気孔率が２０パーセント以下である場合、ガスを導電性ペースト塗布層内へ導くのが困難になり、効率を高めることができない。一方、気孔率が８０％以上になると、充分な導電性を確保するのが困難であると共に、塗布層の強度を確保できない。更に気孔率を４０〜６０％に設定するのがより好ましい。
【００８５】
上記銀ペースト塗布層１１ｇの厚みは、５〜３００μｍに設定することができる。５μｍ以下では、Ｎｉメッシュシート１１ａの全域を、銀ペースト塗布層１１ｇに均一に接触させることができず、充分な導電性を確保するのが困難である。一方、３００μｍ以上では、充分な気孔率を有するペースト塗布層を形成するのが困難となる。導電性と気孔率を確保するために、５〜１００μｍの厚みの銀ペースト塗布層１１ｇを設けるのがより好ましい。
【００８６】
上記銀ペースト塗布層１１ｇを形成する手法は特に限定されることはない。筒状ＭＥＡ７を、銀ペーストを満たした浸漬層に漬けるディッピング法や、筒状ＭＥＡ７の内面に銀ペーストを噴射する塗布ノズルを挿入する手法等により、上記銀ペースト塗布層１１ｇを形成することができる。
【００８７】
また銀ペースト塗布層１１ｇを、多孔質に形成する手法も特に限定されることはない。上述した所要の気孔率を確保するために、所定温度で消失するバインダを所定量配合した銀ペーストを採用できる。またバインダが消失する際の導電性ペースト塗布層の収縮を防止するために、昇華型のバインダを配合するのが好ましい。例えばナフタレン系のバインダを配合した銀ペーストを採用するのが好ましい。
【００８８】
上記銀ペースト塗布層１１ｇを設ける範囲も特に限定されることはないが、第１の電極層（アノード）２の全面に銀ペースト塗布層１１ｇを設けるのが好ましい。銀ペースト塗布層１１ｇを第１の電極層（アノード）２の全面に形成することにより、Ｎｉメッシュシート１２ａの一部が上記銀ペースト塗布層１１ｇから離間した場合にも、第１の電極層（アノード）２における集電性能が低下することはなくなる。
【００８９】
上記固体電解質層１を構成する粉体材料として、固体酸化物、溶融炭酸塩、リン酸、固体高分子などを用いることができる。固体酸化物は小型化でき、取り扱いが容易なので好ましい。固体酸化物としては、酸素イオン導電性の、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウム安定化セリア）、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、ＧＤＣ（ガドリア安定化セリア）などを用いるのがよい。またプロトン導電性のバリウムジルコネートを用いることもできる。上記各粉体材料は、大気雰囲気で、１０００℃〜１６００℃に、３０分〜１８０分間程度保持することにより焼成することができる。
【００９０】
第１の電極層（アノード）２は、表面酸化されて酸化層を有する金属粒連鎖体と、酸素イオン導電性のセラミックスとを主成分とする焼成体として形成できる。酸素イオン導電性のセラミックスとしては、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウム安定化セリア）、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、ＧＤＣ（ガドリア安定化セリア）などを用いることができる。
【００９１】
上記ＳＳＺを採用する場合、平均径は０．５μｍ〜５０μｍ程度のものを用いるのがよい。焼成工程は、大気雰囲気で、１０００℃〜１６００℃に、３０分〜１８０分間程度保持することにより行うことができる。またＳＳＺの原料粉末の平均径は０．５μｍ〜５０μｍ程度とするのが好ましい。表面酸化された金属粒連鎖体と、ＳＳＺとの配合比は、ｍｏｌ比で０．１〜１０の範囲とする。
【００９２】
上記金属粒連鎖体の金属は、ニッケル（Ｎｉ）またはＮｉに鉄（Ｆｅ）を含むものを採用するのが好ましい。更に好ましくは、チタン（Ｔｉ）を２〜１００００ｐｐｍ程度の微量含むものである。
【００９３】
金属粒連鎖体は、還元析出法によって製造するのがよい。この金属粒連鎖体の還元析出法については、特開２００４−３３２０４７号公報などに詳述されている。第１の電極層（アノード）２に含まれる金属粒連鎖体の平均直径Ｄは５ｎｍ以上、５００ｎｍ以下の範囲とするのがよい。また平均長さＬは０．５μｍ以上、１０００μｍ以下の範囲とするのがよい。また、上記平均長さＬと平均径Ｄとの比は３以上とするのがよい。ただし、これら範囲外の寸法を持つものであってもよい。
【００９４】
第２の電極層（カソード）５は、酸素イオン導電性のセラミックスを主成分とする焼成体から形成される。この場合の酸素イオン導電性のセラミックスとして、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガナイト）、ＬＳＣ（ランタンストロンチウムコバルタイト）、ＳＳＣ（サマリウムストロンチウムコバルタイト）などを用いることができる。これら粉体材料も、上記と同様の条件で焼成することができる。
【００９５】
図５に、本願発明の第１の実施形態に係るガス分解素子の先端側（封止側）の変形例を示す。この変形例では、封止部材６０を用いて、上記筒状ＭＥＡ７の一端部を封止して封止部４４を形成したものである。なお、封止部４４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。
【００９６】
上記封止部材６０は、テフロン（登録商標）樹脂等の耐熱性樹脂で形成されており、上記固体電解質層１の外周部に嵌合しうる側壁部６０ａと、上記側壁部６０ａの一方側を封止する底部６０ｂとを備えて構成されている。
【００９７】
上記側壁部６０ａの内面側に収納されたＯリング６３が、焼成体であるセラミックスの固体電解質層１の外面に当接された状態が維持されるように接続される。上記側壁部６０ａの縁部側は、外径がテーパ状に形成されており、そこにねじが切られ、そのねじに環状ねじ６２が螺合される。環状ねじ６２を外径が大きくなる方向へと螺合することで、側壁部６０ｃは、外面から締め付けられ、Ｏリング６３による気密性を調節することができる。
【００９８】
上記構成を採用することにより、両端が開口された筒状ＭＥＡ７を用いて、本願発明に係るガス分解素子１０を容易に構成することができる。
【００９９】
上述した実施形態は、本願発明をガス除害を目的としたガス分解素子に適用したが、ガス除害を主目的としないガス分解素子や、電気化学反応装置の筒状ＭＥＡに適用できる。例えば、燃料電池等を構成する筒状ＭＥＡにも用いることができる。
【０１００】
上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、更に特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
【０１０１】
図６に本発明の第２の実施形態に係るガス分解素子を示す。図６では複数からなるガス分解素子群としてのガス分解素子を、その断面構成図で示している。
この第２の実施形態に係るガス分解素子１００は、複数のガス分解素子１０を群として並列立体的配置したものに対して、外装体１０１とヒータ１０２と予備加熱用配管１０３とを共通に設けて、１つのガス分解素子１００としたものである。従って本ガス分解素子１００には、個々のガス分解素子１０毎にはヒータ１０２及び予備加熱用配管１０３を備えていない。この点、ヒータ５２及び予備加熱用配管５３を個々に備えた上記第１の実施形態のガス分解素子１０とは異なる。
本実施形態では、外装体１０１を耐火物材料で構成して、その内部にヒータ１０２と予備加熱用配管１０３を埋設した構成としている。
前記予備加熱用配管１０３は外装体１０１の内側のスペースＳに貫通させて設けてもよい。また予備加熱用配管１０３は個々のガス分解素子１０の配列数に対応して複数本を配管してもよい。ガス分解素子１０の数が増すにつれて第１のガスの供給量も増加するので、対応する予備加熱用配管１０３の数も増加させるのがよい。或いは予備加熱用配管１０３の管径を大きくしたものを用いるようにしてもよい。
前記ヒータ１０２は外装体１０１そのものをヒータとすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
ランニングコストが低く、小型であり、更に高い性能を有するガス分解素子、発電装置を提供できる。
【符号の説明】
【０１０３】
１        固体電解質層
２        第１の電極層（アノード）
５        第２の電極層（カソード）
７        筒状ＭＥＡ
１０      ガス分解素子
１１      アノード側集電体
１１ａ    Ｎｉメッシュシート
１１ｄ    基端部
１１ｅ    外部配線
１１ｇ    銀ペースト塗布層
１１ｋ    ガス誘導パイプ
１１ｋ１  位置決め部
１１ｓ    多孔質金属体
１２      カソード側集電体
１２ａ    Ｎｉメッシュシート
１２ｇ    銀ペースト塗布配線
１２ｅ    外部配線
３０      管継手
３１      本体部
３１ａ    ガス導入部
３１ｂ    締結部
３１ｃ    ガス排出部
３２      環状ネジ
３３      Ｏリング
３４      締め付け具
３５      排気空間
３６      嵌合部
３７ａ    他端部
３７ｂ    導電線
３７ｃ    導電貫通部
３８      封止樹脂
３９      ナット
４２      内部空間
４３      筒状流路
４４      封止部
４５      ガス導入管
４６      排気空間
４７      締結具
５１      外装体
５２      ヒータ
５３      予備加熱用配管
５３ａ    接続端
６０      封止部材
６０ａ    側壁部
６０ｂ    底部
６０ｃ    側壁部
６２      環状ネジ
６３      Ｏリング
６５      排気管
６７      締結具
７１      ガス分解促進手段
１００    ガス分解素子
１０１    外装体
１０２    ヒータ
１０３    予備加熱用配管
Ｓ        スペース
Ｗ１      Ｎｉメッシュシートの先端部
Ｗ２      接合部材
【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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