膜电极组件、燃料电池、气体毒害消除装置以及制造膜电极组件的方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了MEA、燃料电池和气体毒害消除装置，其中所述MEA、燃料电池和气体毒害消除装置能够高效地进行可将气体分解等的一般电化学反应，并且具有出色的成本效率。在该MEA7中，多孔基材3、多孔阳极2、离子导电性固体电解质1和多孔阴极5层叠在一起。阳极2或阴极5与多孔基材3的表面接触。多孔阳极2包括对气体分解具有催化作用的金属沉积体21。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及膜电极组件（MEA）、燃料电池、气体毒害消除装置以及制造膜电极组件的方法；具体而言，涉及（例如）易于制造且能够（例如）高效地分解气体的膜电极组件、燃料电池和气体毒害消除装置，以及制造膜电极组件的方法。
技术介绍
尽管氨是农业与工业中必不可少的化合物，但它对人体有害，因此已经公开了用于将水和空气中的氨分解的多种方法。例如，提出了一种从含有高浓度氨的水中通过分解来除去氨的方法：使喷雾状的氨水与空气流接触以将氨分离到空气中，并使氨与次溴酸溶液或硫酸接触（专利文献1）。还公开了另一种方法：通过上述相同的工序将氨分离到空气中，并利用催化剂使氨燃烧（专利文献2）。还公开了另一种方法：利用催化剂将含有氨的废水分解为氮和水（专利文献3）。通常，来自于半导体制造设备的废气含有氨和氢等。为了完全去除氨的气味，需要将氨的量减少至ppm级。出于这个目的，普遍使用的方法是：使从半导体制造设备中释放出来的废气通过涤气器，以使含有化学品的水对有害气体进行吸收。另一方面，为了在不投入能量和化学品等情况下实现低的运作成本，提出这样一种对来自于半导体制造设备的废气进行处理的方案：利用磷酸燃料电池来分解氨（专利文献4）。引用列表专利文献专利文献1：日本未审查专利申请公开No.7-31966专利文献2：日本未审查专利申请公开No.7-116650专利文献3：日本未审查专利申请公开No.11-347535专利文献4：日本未审查专利申请公开No.2003-45472
技术实现思路
技术问题如上所述，可以通过（例如）使用诸如中和剂等化学溶液的方法（专利文献1）、燃烧法（专利文献2）、或者采用热分解反应（使用了催化剂）的方法（专利文献3）来分解氨。然而，这些方法具有以下问题：它们需要化学品和外部能量（燃料），并且还需要定期更换催化剂，从而导致了高运行成本。此外，这种装置体型大，并且（例如）有时可能难以将该装置另外安装在现有设备上。关于其中使用磷酸燃料电池用于对废气中的氨进行解毒的设备（专利文献4），没有为了解决压力损失增加和电阻增加等的问题而对材料改良方面进行深入研究，而压力损失增加和电阻增加等问题会抑制解毒性能的增强。从成本效率的角度来看，在采用MEA进行气体分解的情况下，存在以下问题：能够高效地分解气体且廉价的MEA并不易于获得。MEA具有充当燃料电极的阳极、充当空气电极的阴极以及夹在它们之间的固体电解质，并且构成电化学反应装置的核心。在燃料电极中，诸如氨之类的含有氢的气体分子被引入，从而气体分子的分解得以进行。阳极是多孔的，以便实现与待分解气体分子间的良好接触；阴极也是多孔的，以便实现与氧分子间的良好接触。夹在电极之间的固体电解质不是多孔的，并且起到不使气体通过的致密的壁的作用；该固体电解质由不传导电子而传导离子的离子导电性材料形成。本专利技术的目的是提供膜电极组件、燃料电池和气体毒害消除装置，以及制造膜电极组件的方法，其中所述膜电极组件、燃料电池和气体毒害消除装置能够高效地进行可将气体分解的一般电化学反应。问题的解决方案将根据本专利技术的膜电极组件（MEA）用于使气体分解的电化学反应。该MEA包括：多孔基材；以及由多孔阳极、离子导电性固体电解质和多孔阴极层叠而成的MEA。阳极或阴极被设置为与多孔基材的表面接触。多孔阳极具有金属的多孔层或沉积层，所述金属对气体分解具有催化作用。在上述构造中，由于阳极/固体电解质/阴极的多层体形成于多孔基材的一个表面上，因此易于制造，并能够容易地降低制造成本。阳极（也被称为燃料电极）中进行的气体分解通过对气体分解具有催化作用的金属而得到促进。因此能够有效地进行引起气体分解的电化学反应。所述多孔基材不需要具有离子导电性等，并且能够相对容易地获得具有任意形状的这种多孔基材。可以采用以下构造：多孔基材为筒状体；阳极被设置为与所述筒状体的外周面接触的筒状；并且固体电解质和阴极在阳极上被设置为具有筒状。或者，可以采用以下构造：多孔基材为筒状体；阴极被设置为与筒状体的内周面接触的筒状；并且固体电解质和阳极在阴极的内表面侧被设置为具有筒状。在这样的构造中，可以使氨等需要高气密性的气体通过筒状MEA的内部，同时可以容易地在氧与设置于MEA外侧的阴极之间建立接触。可以通过已知方法，采用氧化钙稳定氧化锆（CSZ）或二氧化硅（SiO2）等材料来制造筒状体多孔基材。将MEA设置在筒状体多孔基材的外表面侧还是内表面侧优选通过以下方面来确定：（例如）导入阳极中的气体分子的大小（在多孔基材中的移动性）、气体出口浓度的阈值、集电体的结构、允许的压力损失、筒状体的直径、或者形成阳极的多孔体的孔隙率。具有催化作用的金属可以由选自Ni、Ni-Fe系、Ni-Co系、Ni-Cu系、Ni-Cr系和Ni-W系所构成的组中的至少一者构成。所有这些金属均相对易于获得，并且可以容易地制造阳极。因此在确保了成本效率的同时，可以高效地进行引起气体分解的电化学反应。例如，Ni-Fe系表示Ni-Fe合金或Fe-Ni合金。阳极的厚度可以为1μm以上且1mm以下。当采用这样薄的阳极时，有助于待分解气体（燃料气体）与整个阳极的接触，从而减少了离子（氧离子或质子）移动所需要的时间。由此，可以提高电化学反应的效率。当阳极的厚度小于1μm时，相对于面积而言所发生的阳极反应的量不能达到足够的量。当厚度大于1mm时，对反应没有贡献的区域增加，并且用于离子移动的时间也增加。可以采用以下构造：阳极的厚度为50μm以下，并且阳极不含有任何离子导电性陶瓷。阳极是多孔的，而固体电解质是致密但表面不平整的。阳极和固体电解质在它们之间的界面附近是不平整的，并且部分混杂在一起。当阳极的厚度为50μm以下时，靠近阳极和固体电解质之间的界面的区域的比重增加；即使在阳极本身不含有任何离子导电性陶瓷时，阳极也能发挥其作用。此外，离子移动穿过阳极所需要的时间可忽略不计，因此能够提高气体分解的进行速率。此外，由于离子导电性陶瓷相对昂贵，因此可以有利地降低制造成本。阳极可以含有离子导电性陶瓷。在这种情况下，可以在阳极的整个厚度上进行气体分解。固体电解质的厚度可以为0.7μm以上且20μm以下。这种情况下，可以减少离子移动穿过固体电解质的时间，从而可以提高电化学反应进行的速率。尽管已经加热至本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.07.01 JP 2010-151382;2010.07.21 JP 2010-164101.一种膜电极组件（MEA），其用于引起气体分解的电化学反
应，所述膜电极组件包括：
多孔基材；以及
由多孔阳极、离子导电性固体电解质和多孔阴极层叠而成的
MEA，
其中所述阳极或所述阴极被设置为与所述多孔基材的表面接
触，并且
所述多孔阳极具有金属的多孔层或沉积层，其中所述金属对所
述气体分解具有催化作用。
2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述多孔基材为筒
状体；所述阳极被设置为与所述筒状体的外周面接触的筒状；并且所
述固体电解质和所述阴极在所述阳极上被设置为具有筒状。
3.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述多孔基材为筒
状体；所述阴极被设置为与所述筒状体的内周面接触的筒状；并且所
述固体电解质和所述阳极在所述阴极的内表面侧被设置为具有筒状。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的膜电极组件，其中所
述具有催化作用的金属由选自Ni、Ni-Fe系、Ni-Co系、Ni-Cu系、
Ni-Cr系和Ni-W系所组成的组中的至少一种构成。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的膜电极组件，其中所
述阳极的厚度为1μm以上且1mm以下。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的膜电极组件，其中所
述阳极的厚度为50μm以下，并且所述阳极不含有任何离子导电性陶
瓷。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的膜电极组件，其中所
述阳极含有离子导电性陶瓷。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的膜电极组件，其中所
述固体电解质的厚度为0.7μm以上且20μm以下。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的膜电极组件，其中所
述固体电解质为氧离子导电性的或质子导电性的。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的膜电极组件，其中所
述阳极、所述固体电解质和所述阴极是通过电泳法或镀覆法形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：平岩千寻，真岛正利，桑原铁也，粟津知之，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，
类型：
国别省市：