JP2000210554A - 化学反応器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】外部電源が不要な、新たな化学反応器を提供す
る。 【解決手段】化学反応器は、被処理物質から電力を生成
させるエネルギー変換部７、およびエネルギー変換部と
一体化されており、被処理物質の化学反応を進行させる
ための化学反応部８を備える。エネルギー変換部７で生
成した電力によって、化学反応部８における化学反応を
進行させる。好ましくは、エネルギー変換部７が、被処
理物質が有する熱エネルギーから電力を生成させる熱電
変換素子であり、化学反応部が、被処理物質を選択的に
吸着する吸着相を備えており、被処理物質が窒素酸化物
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学反応器に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ガソリンエンジンから発生する窒素酸化
物（ＮＯｘ）には、三元機能触媒によって対応してい
る。しかし、リーンバーンエンジンやディーゼルエンジ
ンなど、低燃費型のエンジンが増加すると、これらのエ
ンジンの排ガス中の酸素量が多いので、三元機能触媒が
機能しなくなる。このため、ＮＯｘ分解セルが注目され
ている。ＮＯｘ分解セルにおいては、酸素イオン伝導性
の固体電解質膜を通して排ガス中の酸素を除去するのと
共に、ＮＯｘを電解し、Ｎ₂ とＯ^{2 -}とに分解し、この
分解によって生成した酸素をも除去できる。また、この
プロセスと共に、排ガス中の水蒸気が電解されて水素と
酸素とを生じ、この水素がＮＯｘをＮ₂ へと還元する。

【０００３】固体電解質を利用した触媒反応器が知られ
ている。例えば、日本触媒学会誌Ｖｏｌ．３９、Ｎｏ．
５、１９９７年の第３５３−３５９頁「固体電解質を利
用した触媒反応の展開」においては、固体電解質膜と還
元極と酸化極とを備えている燃料電池型の触媒反応器
に、直流電源を接続し、例えばメタンと酸素とを分解さ
せることが提案されている。また、この燃料電池型触媒
を利用して、窒素酸化物を窒素および酸素へと分解する
ことが提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような電
池型の触媒化学反応器は、外部電源を接続する必要があ
るが、例えば自動車等では電力をできるだけ消費しない
ことが望まれる。また、反応の選択性が必ずしも十分で
はない。

【０００５】本発明の課題は、外部電源を必要としな
い、新たな化学反応器を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、被処理物質
の化学反応を行うための、化学反応器であって、被処理
物質が有するエネルギーから電力を生成させるエネルギ
ー変換部、およびエネルギー変換部と一体化されてお
り、被処理物質の化学反応を進行させるための化学反応
部を備えており、エネルギー変換部で生成した電力によ
って化学反応部における化学反応を進行させることを特
徴とする。

【０００７】本発明者は、一体型の化学反応器であっ
て、被処理物質が有するエネルギーから電力を生成させ
るエネルギー変換部を化学反応部と一体化し、エネルギ
ー変換部で生成した電力によって化学反応部における化
学反応を進行させるような、まったく新しい概念の化学
反応器を想到し、本発明に到達した。

【０００８】エネルギー変換部は、被処理物質が有する
何らかの化学的性質、物理的性質から、電力を生成させ
るものである。この化学的性質、物理的性質は、限定は
されないが、例えば、被処理物質とエネルギー変換部の
外部の物質との温度差、濃度差などの物理的性質の差を
利用できる。

【０００９】特に好ましくは、エネルギー変換部は、被
処理物質の温度と外部物質の温度との差を利用して電力
を生成させる、熱電変換素子である。この場合には、被
処理物質の温度と外部物質との温度差は、５０℃以上と
することが好ましく、その上限は、エネルギー変換部を
構成する材質の耐熱性によって決定されるものである。

【００１０】好ましくは、化学反応部は、被処理物質を
選択的に吸着する吸着相を備えており、これによって所
望の反応を選択的に進行させ得る。

【００１１】好ましくは、化学反応部は、被処理物質中
に含まれる元素へと電子を供給してイオンを生成させる
還元相と、還元相からのイオンを伝導するイオン伝導相
と、このイオン伝導相を伝導したイオンから電子を放出
させる酸化相とを備えている。この場合には、エネルギ
ー変換部において生じた電子を還元相へと供給し、酸化
相で生成した電子をエネルギー変換部へと供給できるよ
うに、化学反応部とエネルギー変換部とを一体化する。

【００１２】特に好ましくは、被処理物質が窒素酸化物
であり、還元相において窒素酸化物を還元して酸素イオ
ンを生成させ、イオン伝導相において酸素イオンを伝導
させる。しかし、本発明の化学反応器によって、二酸化
炭素を還元して一酸化炭素を生成でき、メタンから水素
と一酸化炭素との混合ガスを生成でき、あるいは水から
水素を生成できる。

【００１３】化学反応器の形態は、管状、平板状、ハニ
カム状等であってよいが、特に、管状、ハニカム状のよ
うに、一対の開口を有する貫通孔を一つまたは複数有し
ており、各貫通孔中に化学反応部が位置していることが
好ましい。

【００１４】熱電変換素子の必須要素は、Ｐ型電気伝導
相と、Ｎ型電気伝導相と、これらの各電気伝導相を絶縁
する電気絶縁相である。Ｐ型電気伝導相とＮ型電気伝導
相とは、低温領域で直接接続できるが、好ましくは、こ
れらの各電気伝導相を電気伝導相で接続する。

【００１５】Ｐ型電気伝導相の材質は、酸化コバルト、
シリコンゲルマニウム、鉛テルル等である。Ｎ型電気伝
導相の材質は、ランタンコバルタイト、ランタンクロマ
イト、シリコンゲルマニウム、鉛テルル等である。電気
絶縁相の材質は、アルミナ、スピネル、シリカなどであ
る。電気伝導相の材質は、銅、ニッケル、シリコンなど
である。

【００１６】還元相は、多孔質とし、反応の対象とする
物質を選択的に吸着することが好ましい。還元相は、エ
ネルギー変換部からの電気をイオン伝導相に伝えるため
に、電子伝導性物質を含有する必要がある。電気伝導性
物質には、Ｐ型またはＮ型を含むが、両方とも含んでい
ることが好ましい。また、電気およびイオンの伝達を促
進するために、還元相中にイオン伝導性物質を含有させ
ることで、イオン伝導相と還元相との間で、イオン伝導
性物質を傾斜組成とすることが好ましい。

【００１７】イオン伝導相は、イオン伝導性物質を含有
する必要がある。また、電子およびイオンの伝達を促進
するために、イオン伝導相中に電気伝導性物質を含有さ
せることで、イオン伝導相と還元相との間で電気伝導性
物質を傾斜組成とすることが好ましい。また、イオン伝
導相が、若干の電気伝導性を有した混合伝導相であって
も、有効に作動し得る。

【００１８】酸化相は、イオン伝導相から得た電子をエ
ネルギー変換部に伝達するために、電気伝導性物質を含
有する必要がある。電気伝導性物質には、少なくともＮ
型またはＰ型を含む。また、電気およびイオンの伝達を
促進するために、酸化相中にイオン伝導性物質を含有さ
せることで、イオン伝導相と酸化相との間で、イオン伝
導性物質を傾斜組成とすることが好ましい。

【００１９】化学反応部において使用できるＰ型電気伝
導性物質は、酸化コバルト、酸化銅などである。化学反
応部において使用できるＮ型電気伝導性物質は、ランタ
ンコバルタイト、ランタンクロマイト、白金などであ
る。イオン伝導性物質は、イットリア、セリア等によっ
て安定化されたジルコニア、部分安定化されたジルコニ
ア、酸化セリウム、ランタンガレイドを使用できる。

【００２０】図１は、本発明の一実施形態に係る化学反
応器１を概略的に示す斜視図であり、図２は、図１の部
分拡大図であり、図３は、図２における化学反応部を模
式的に示す拡大図である。これは、ＮＯｘの分解セルに
係るものである。

【００２１】化学反応器１は、円筒形状をしており、そ
の中に窒素酸化物ガスを含む排気ガスの通路４が形成さ
れている。図２に示すようなエネルギー変換部７および
化学反応部８を一素子１０としたときに、多数の素子を
化学反応器１の長手方向に配列することによって、化学
反応器１が構成される。本例におけるエネルギー変換部
７は熱電変換素子である。

【００２２】熱電変換素子７は、Ｐ型電気伝導相２と、
Ｎ型電気伝導相３と、これらの各伝導相を包含する電気
絶縁層６Ａ、６Ｃと、各電気伝導相を互いに絶縁する電
気絶縁層６Ｂとを備えている。素子７の外側端部７ｂに
おいては、Ｐ型電気伝導相２とＮ型電気伝導相３とは、
電気伝導相１１によって接続されている。素子７の内側
端部７ａ側には化学反応部８が設けられている。

【００２３】化学反応部８は、通路４に面している。化
学反応部８は、還元相８ａ、イオン伝導相８ｂ、酸化相
８ｃの３つに分かれている。本例では、還元相８ａ中
に、Ｎ型電気伝導性物質、Ｐ型電気伝導性物質およびイ
オン伝導性物質が混在しており、多孔質体を形成してい
る。イオン伝導相８ｂは、ほとんどがイオン伝導性物質
からなる。しかし、イオン伝導相８ｂと還元相、酸化相
との境界付近では電気伝導性物質が混在していてよい。
酸化相８ｃも、電気伝導性物質およびイオン伝導性物質
が混在していてもよい。

【００２４】化学反応器１の通路４中に、自動車の排気
ガス等の、窒素酸化物を含む高温ガスを導入する。ガス
の持つ熱により、通路４内が高温（４００℃−８００
℃）となり、化学反応器１の通路４側と外側との間で温
度差が付く。この際、温度差を大きくするために、化学
反応器１の外側を公知の冷却手段によって冷却すること
が好ましい。

【００２５】この温度差によって、エネルギー変換部７
のＰ型電気伝導層２内にホールが発生し、電子が化学反
応部８に供給される。一方、排気ガスは、矢印Ａのよう
に通路４内へと入り、通路４内を矢印Ｄのように流れ、
化学反応部８に接触する。この際、窒素酸化物が、還元
相８ａで選択的に吸着される。

【００２６】Ｐ型電気伝導相２からの電子は、還元相８
ａとイオン伝導相８ｂとの界面において、吸着された窒
素酸化物を選択的に還元し、酸素イオンと窒素とを生成
させる。窒素は、矢印Ｂのように排出される。酸素イオ
ンは、イオン伝導相中を伝導し、イオン伝導相と酸化相
との界面において、酸素ガスと電子とを生成する。電子
は、エネルギー変換部７のＮ型電気伝導部３に流れる。
酸素ガスは矢印Ｃのように排出される。従って、高温の
排気ガスを流し続ければ、エネルギー変換部において電
子が発生し続け、この電子を利用して窒素酸化物の還元
反応が進行する。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、外
部電源を必要とせず、被処理物質それ自体が有する物理
的、化学的エネルギーを利用して、被処理物質の化学反
応を進行させ得るような、自己完結型の新規な化学反応
器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る化学反応器１を概略
的に示す斜視図である。

【図２】化学反応器１の一素子１０を拡大して示す断面
図である。

【図３】図２の化学反応部８を拡大して模式的に示す図
である。

【符号の説明】

１ 化学反応器 ２ Ｐ型電気伝導相 ３ Ｎ
型電気伝導相 ６Ａ、６Ｂ、６Ｃ 電気絶縁層
７ エネルギー変換部 ８化学反応部 ８ａ
還元相 ８ｂ イオン伝導相 ８ｃ 酸化相 １０ 化学反応器の一素子

フロントページの続き (72)発明者 片山 真吾 神奈川県川崎市中原区井田３丁目35番１号 新日本製鐵株式会社技術開発本部内 Ｆターム(参考） 4D002 AA12 AC10 BA05 BA06 HA08 4G075 AA03 AA43 BA06 BB04 BD14 EB21 EE02 FA14 FC13

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被処理物質の化学反応を行うための化学反
   応器であって、 前記被処理物質から電力を生成させるエネルギー変換
   部、および前記エネルギー変換部と一体化されており、
   前記被処理物質の前記化学反応を進行させるための化学
   反応部を備えており、前記エネルギー変換部で生成した
   電力によって前記化学反応部における前記化学反応を進
   行させることを特徴とする、化学反応器。
2. 【請求項２】前記エネルギー変換部が、前記被処理物質
   が有する熱エネルギーから前記電力を生成させる熱電変
   換素子であることを特徴とする、請求項１記載の化学反
   応器。
3. 【請求項３】前記化学反応部が、前記被処理物質を選択
   的に吸着する吸着相を備えていることを特徴とする、請
   求項１または２記載の化学反応器。
4. 【請求項４】前記被処理物質中に含まれる元素へと電子
   を供給してイオンを生成させる還元相と、前記還元相か
   らの前記イオンを伝導するイオン伝導相と、このイオン
   伝導相を伝導した前記イオンから電子を放出させる酸化
   相とを備えていることを特徴とする、請求項１−３のい
   ずれか一つの請求項に記載の化学反応器。
5. 【請求項５】前記化学反応部が多孔質体からなることを
   特徴とする、請求項１−４のいずれか一つの請求項に記
   載の化学反応器。
6. 【請求項６】前記被処理物質が窒素酸化物であり、前記
   還元相において窒素酸化物を還元して酸素イオンを生成
   させ、前記イオン伝導相において前記酸素イオンを伝導
   することを特徴とする、請求項４または５記載の化学反
   応器。