JP2000210554A - 化学反応器 - Google Patents
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Abstract
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
るものである。
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O2 -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。
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。
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。
い、新たな化学反応器を提供することである。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
的に示す斜視図である。
図である。
である。
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
Claims (6)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。
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- 1999-01-26 JP JP01664699A patent/JP4342018B2/ja not_active Expired - Lifetime
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