JP2004141750A - 窒素酸化物分解素子およびこれを備えた窒素酸化物分解装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】酸化剤や触媒として環境や人体への影響が懸念される材料を用いず、比較的低温で処理が行える窒素酸化物分解素子および窒素酸化物分解装置を得る。
【解決手段】水素イオンを選択的に透過させる導電性の固体電解質膜２と、電子導電性基材と陽極酸化を促進する触媒よりなる第１の電極層３と、電子導電性基材と陰極還元を促進する触媒よりなる第２の電極層４と、第２の電極層４に隣接して配設され多孔体の金属酸化物５に担持された白金族触媒６を備えた窒素酸化物分解素子１を提案した。また、窒素酸化物センサ１４を金属酸化物５に担持された白金族触媒６の近傍に設置し、この窒素酸化物センサ１４により検知された窒素酸化物の濃度に対応して、電源・制御装置１５により第１、第２の電極層３、４間を流れる電流の大きさおよび通電時間を制御することにより、電気エネルギーを効率的に利用できる低消費電力の窒素酸化物分解装置が得られた。
【選択図】 図６
【解決手段】水素イオンを選択的に透過させる導電性の固体電解質膜２と、電子導電性基材と陽極酸化を促進する触媒よりなる第１の電極層３と、電子導電性基材と陰極還元を促進する触媒よりなる第２の電極層４と、第２の電極層４に隣接して配設され多孔体の金属酸化物５に担持された白金族触媒６を備えた窒素酸化物分解素子１を提案した。また、窒素酸化物センサ１４を金属酸化物５に担持された白金族触媒６の近傍に設置し、この窒素酸化物センサ１４により検知された窒素酸化物の濃度に対応して、電源・制御装置１５により第１、第２の電極層３、４間を流れる電流の大きさおよび通電時間を制御することにより、電気エネルギーを効率的に利用できる低消費電力の窒素酸化物分解装置が得られた。
【選択図】 図６
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素酸化物を分解、除去する窒素酸化物分解素子およびこれを備えた窒素酸化物分解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒素酸化物を分解、除去する窒素酸化物浄化システムは、自動車の排気ガス処理や分散型コージェネレーションシステム、長距離トンネルまたは工場等の閉鎖空間の空気清浄化等の幅広い用途があり、将来的にも需要増加が見込まれている。窒素酸化物を除去する従来の技術として、例えば特許文献１がある。この特許文献１には、アンモニアを触媒的に用い窒素酸化物ＮＯＸを浄化する方法が開示されている。この方法では、ＮＨ３分子は隣接する貴金属を介して貴金属に吸着されているＮＯに電子を供給し、その結果ＮＯはＮ原子とＯ原子に解離し易くなり、Ｎ原子はＮ２となることが開示されている。この際、流通されるガス温度は４００℃である。
また、窒素酸化物を除去するその他の従来技術として特許文献２がある。この特許文献２では、安全性の高い酸化剤であるオゾンを使用して各種有機系汚染物、悪臭成分、細菌類などの有害物質を含有するガスを処理することができる有害物質含有ガス処理方法およびそのための装置が開示されている。特許文献２では、有害物質含有ガスにオゾンを添加、混合した後、オゾンを吸着し、かつ有害物質を吸着する高シリカ吸着剤を充填した吸着剤層を流過させることによって、ガス中の有害物質をオゾンの作用により無害化することが提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１５３７５５号公報（要約、図１）
【特許文献２】
特開平１１−３４２３１３号公報（第２−４頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１で提示された方法では、環境および人体への配慮からアンモニアを用いることは望ましくなく、さらに４００℃の高温で処理せねばならぬこと、窒素酸化物濃度の変動に対応した処理が困難であり未反応アンモニアの処理が必要であるという問題点があった。また、特許文献２の方法においても、吸着した窒素酸化物を脱着し吸着剤を再生させる場合、３００〜４００℃の高温で処理する必要があった。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、酸化剤や触媒として環境や人体への影響が懸念される材料を用いず、比較的低温で処理が行える窒素酸化物分解素子を提案することである。
また、第２の目的は、上記窒素酸化物分解素子を用いた窒素酸化物分解装置を提案することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる窒素酸化物分解素子は、水素イオンを選択的に透過させる導電性の固体電解質膜と、この固体電解質膜表面の一部に配設された電子導電性基材と陽極酸化を促進する触媒よりなる第１の電極と、固体電解質膜表面の他の部分に配設された電子導電性基材と陰極還元を促進する触媒よりなる第２の電極と、この第２の電極に隣接して配設された多孔体の金属酸化物に担持された白金族触媒とを備えたものである。
【０００７】
また、本発明に係わる窒素酸化物分解装置は、上記の窒素酸化物分解素子およびこれを保持するフレームと、フレーム内に陽極ガスおよび陰極ガスを供給するガス供給口と、フレーム内のガスを外部に排出するガス排出口と、第１、第２の電極間に直流電圧を印加する電源とを備えたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における窒素酸化物分解素子および窒素酸化物分解装置の構成を示す概略図である。
本実施の形態における窒素酸化物分解装置は、窒素酸化物分解素子１とそれを収容するフレーム７を備えている。窒素酸化物分解素子１は、水素イオンを選択的に透過させる導電性の固体電解質膜２と、この固体電解質膜２表面の一部に接触して配設された電子導電性基材と陽極酸化を促進する触媒（以下、陽極触媒と称す）よりなる第１の電極層３と、固体電解質膜２表面の他の部分に接触して配設された電子導電性基材と陰極還元を促進する触媒（以下、陰極触媒と称す）よりなる第２の電極層４と、第２の電極層４に隣接して配設された多孔体の金属酸化物５に担持された白金族触媒６を備えている。固体電解質膜２は、相対向する平面２ａ、２ｂを有するもので、それぞれの平面２ａ、２ｂ上には、第１の電極層３と第２の電極層４が密着して形成されている。本実施の形態では、固体電解質膜２として、デュポン社製のナフィオン１１７（商品名）、第１の電極層３および第２の電極層４として、多孔性の白金薄膜層と多孔性チタンがめっきにより積層され、このチタン表面にさらに白金めっきを施した給電体が用いられており、表面の白金めっきが陽極触媒および陰極触媒の機能を有している。なお、本実施の形態では陽極触媒と陰極触媒としていずれも白金を用いているが、これらは同じものである必要はなく、陽極触媒としては白金の他にイリジウム、酸化イリジウム等を用いることができる。なお、第１の電極層３と第２の電極層４がそれぞれ陽極触媒、陰極触媒を備えていない場合、窒素酸化物分解素子１に非常に高い電圧をかけなければ陽極酸化と陰極還元の反応が速やかに促進しないため、これらの触媒は必要不可欠なものである。
【０００９】
さらに、窒素酸化物を吸蔵し濃縮する機能を有する多孔体の金属酸化物５が第２の電極層４に接触して配設され、この金属酸化物５には白金族触媒６である白金が１ｗｔ％担持されている。すなわち、多孔体である金属酸化物５の孔の中に白金族触媒６である金属分子が収まっている状態にある。多孔体の金属酸化物５に白金族触媒６を担持させる方法としては、白金成分を含む溶液、例えばＨ２ＰｔＣｌ６水溶液に多孔体を含浸させ、４００℃程度に加熱することにより白金が多孔体に担持される。本実施の形態では、多孔体の金属酸化物５として水素終端ゼオライトを用いている。ゼオライトは成分として酸化アルミニウムと酸化シリコンを含むもので一般式ＷｍＺｎＯ２ｎ・ｓＨ２Ｏを用いて示される。ただし、ＷはＮａ、Ｃａ、Ｋ、Ｂａ、Ｓｒのいずれか、ＺはＳｉ＋Ａｌ（Ｓｉ／Ａｌ＞１）であり、ｓは一定しない。
また、本実施の形態で用いられる金属酸化物５は、酸性酸化物または両性酸化物である。酸性酸化物とは、塩基（アルカリ）と反応して塩をつくるものであり、遷移金属の高酸化数酸化物、例えばＴｉＯ２がこれに属する。これに対し両性酸化物とは一つの酸化物で塩基に対しては酸性を示し、酸に対しては塩基性を示すもので、例えばＡｌ２Ｏ３がこれに属する。
【００１０】
以上の固体電解質膜２、第１の電極層３、第２の電極層４および金属酸化物５に担持された白金族触媒６より構成される窒素酸化物分解素子１は、フレーム７により保持されている。フレーム７は、環状の枠体７ａ、その上端面にＯリング８ａを介して気密に接合する上側蓋体７ｂ、その下端面にＯリング８ｂを介して気密に接合する下側蓋体７ｃより構成されている。フレーム７内の空間は、固体電解質膜２によって第１の電極層３側と第２の電極層４側に分断され、上側処理室７ｄと、下側処理室７ｅが形成されている。上側蓋体７ｂには陽極ガス供給口９および陽極ガス排出口１０が取り付けられ、上側処理室７ｄ内に陽極ガス供給口９より水蒸気（Ｈ２Ｏ）と窒素（Ｎ２）の混合ガスが供給される。窒素（Ｎ２）は空気に置き換えても構わない。また、下側蓋体７ｃには陰極ガス供給口１１および陰極ガス排出口１２が取り付けられ、下側処理室７ｅ内に陰極ガス供給口１１より窒素酸化物である一酸化窒素（ＮＯ）、酸素（Ｏ２）およびヘリウム（Ｈｅ）の混合ガスが供給される。
本実施の形態における窒素酸化物分解素子１の各場所における反応を以下に示す。
【００１１】
第１の電極層上（陽極反応）
Ｈ２Ｏ→２Ｈ＋ ＋ １／２Ｏ２＋２ｅ− （化１）
第２の電極層上（陰極反応）
２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→ Ｈ２Ｏ （化２）
２Ｈ＋＋２ｅ−→ Ｈ２ （化３）
２Ｈ＋＋２ＮＯ＋２ｅ−→ Ｎ２＋ Ｈ２Ｏ＋１／２Ｏ２ （化４）
２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２ＮＯ＋１／４Ｏ２→ １／４Ｎ２＋Ｈ２Ｏ （化５）
２Ｈ＋＋２ｅ−＋２／３ＮＯ＋１／３Ｏ２→ １／３Ｎ２Ｏ＋Ｈ２Ｏ （化６）
Ｎ２Ｏ＋２Ｈ＋＋２ｅ−→ Ｎ２＋ Ｈ２Ｏ （化７）
白金族触媒上（陰極側）
Ｈ２＋２ＮＯ→ Ｎ２＋ Ｈ２Ｏ＋１／２Ｏ２ （化８）
２Ｈ２＋ＮＯ＋１／２Ｏ２→ ２／１Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ （化９）
３／２Ｈ２＋ＮＯ＋１／２Ｏ２→ １／２Ｎ２Ｏ＋ ３／２Ｈ２Ｏ （化１０）
Ｎ２Ｏ＋Ｈ２→ Ｎ２＋ Ｈ２Ｏ （化１１）
【００１２】
本実施の形態における窒素酸化物分解素子１の作用について上記化１〜化１１を用いて説明する。第１の電極層３側である上側処理室７ｄ内に陽極ガス供給口９より水蒸気含有窒素ガスを供給し、第１の電極層３に接触させる。同時に、第２の電極層４側である下側処理室７ｅ内に陰極ガス供給口１１より窒素酸化物含有ガスを供給し、第２の電極層４に接触させる。この状態において直流電源１３の通電を開始し、第１、第２の電極層３、４間に直流電圧を印加すると、第１の電極層３は陽極、第２の電極層４は陰極となり、それぞれに備えられた触媒の作用により陽極酸化、陰極還元が起こる。まず、陽極である第１の電極層３では、化１に示すように水分子（Ｈ２Ｏ）が電気分解され水素イオン（Ｈ＋）が生成する。この水素イオンは、固体電解質膜２を通って第２の電極層４側へ移動し、第２の電極層４上において窒素酸化物（ＮＯ）と反応し、化４、化５に示すように窒素酸化物は窒素分子（Ｎ２）と水分子に電気化学的に還元分解される。また、化６に示すように一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）が生成された場合は、化７に示すようにさらに還元分解され窒素分子と水分子に還元分解される。また、陰極側の白金族触媒６上においては、第２の電極層４上で生成した水素分子（化３）と窒素酸化物が白金族触媒６の作用により反応し、化８〜化１１に示すように窒素酸化物が化学的に還元分解される。
このように、本実施の形態における窒素酸化物分解素子１においては、分子のみが関与する化学的還元反応（化８〜化１１）と、イオンが関与する電気化学的還元反応（化１〜化７）の２種類の反応によって窒素酸化物が分解される。これら２種類の反応は、同時に起こる場合と、一方だけが起こる場合がある。
【００１３】
以上のように構成された窒素酸化物分解装置において、反応面すなわち第１、第２の電極層３、４の各面積が０．８ｃｍ２であり、ヘリウム（Ｈｅ）ガス中に窒素酸化物である一酸化窒素の濃度を１０００ｐｐｍとして流速１０ｍｌ／ｍｉｎで供給し、第１、第２の電極層３、４間に直流定電流を供給した場合の、窒素酸化物除去に対する電流効果を図２、図３、図４に示す。ここで、窒素酸化物（ＮＯｘ）とは、ＮＯとＮＯ２との和である。図２、図３、図４は、それぞれ６０℃、７０℃、８０℃において分解されたＮＯｘの割合を、陰極ガス排出口１２から排出されたガスを分析装置にて分析することにより求めたものである。すなわち、（分解されたＮＯｘの割合％）＝｛（供給口におけるＮＯｘ濃度（０．１％））−（排出口におけるＮＯｘ濃度％）｝÷（供給口におけるＮＯｘ濃度（０．１％））×１００によって求めている。なお、ここではＮＯｘ濃度とは、ＮＯとＮＯ２との濃度の和である。図５は、縦軸に排出口における一酸化窒素濃度、横軸に電流を取り、図２、３、４をグラフ化したものである。曲線Ａは図２の６０℃、曲線Ｂは図３の７０℃、曲線Ｃは図４の８０℃を示す。図５に示すように、いずれの温度においても電流密度の増大とともに窒素酸化物の分解除去効果は増大し、１５ｍＡ／ｃｍ２以上の電流密度域で約８０％の窒素酸化物が除去できた。また、この中では最も高温である８０℃における窒素酸化物除去効果が６０℃、７０℃の結果と比べて劣ることから、８０℃以上の高温にした場合でもこれ以上の効果は得られないことを示している。すなわち、本実施の形態における窒素酸化物分解装置は６０℃〜８０℃の比較的低温においてその効果を充分に発揮することができる。
【００１４】
このように、本実施の形態によれば、固体電解質膜２表面の相対向する平面２ａ、２ｂにそれぞれ配設された第１の電極層３および第２の電極層４と、第２の電極層４に隣接して配設された多孔体の金属酸化物５に担持された白金族触媒６とを備えた窒素酸化物分解素子１が提案され、この窒素酸化物分解素子１をフレーム７で保持し、フレーム７内に陽極ガス供給口９より陽極ガスとして水蒸気含有ガスを、陰極ガス供給口１１より陰極ガスとして窒素酸化物含有ガスを供給し、直流電源１３により第１、第２の電極層３、４間に直流電圧を印加することにより、酸化剤や触媒として環境や人体への影響が懸念される材料を用いずに、比較的低温（６０℃〜８０℃）で処理が行える窒素酸化物分解装置が得られた。
なお、本実施の形態では、白金族触媒６を担持する多孔体の金属酸化物５として水素終端ゼオライトを用いた例を示したが、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化マグネシウム、酸化スズのうちの少なくとも一成分を含む金属酸化物を用いた場合においても同様の効果が得られる。また本実施の形態では、金属酸化物５に担持された白金族触媒６として白金を用いた例を示したが、イリジウム、パラジウムであっても同様の効果が得られる。
【００１５】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２における窒素酸化物分解素子は、上記実施の形態１による窒素酸化物分解素子１（図１参照）の固体電解質膜２と第２の電極層４の間に、電子導電性基材、固体電解質膜、白金族触媒および陰極触媒とを含む混合層を密着して配設したものである（図示は省略する）。この混合層は、白金族触媒と陰極触媒、微粒子化された電子導電性基材と微粒子化された固体電解質膜とを溶液中に分散し、加熱することにより揮発成分を気化させ、微粒子成分を接合することにより形成することができる。
上記実施の形態１で説明した電気化学反応が各電極と固体電解質膜の界面で起こることから、界面の面積に比例して反応量および反応速度は増大する。本実施の形態では、第２の電極層４側において電極と固体電解質膜の界面すなわち電気化学反応の反応サイトを増大させることにより、窒素酸化物の電気化学的還元反応の効率向上を図った。
【００１６】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３における窒素酸化物分解装置を示す概略図である。図中、同一、相当部分には同一符号を付し説明を省略する。本実施の形態における窒素酸化物分解装置は、窒素酸化物濃度を検知する窒素酸化物センサ１４と、この窒素酸化物センサ１４により検知された窒素酸化物の濃度に対応して第１、第２の電極層３、４間を流れる電流の大きさおよび通電時間を制御する電源・制御装置１５を備えている。これにより、窒素酸化物の濃度に応じて窒素酸化物分解素子１に流れる電流の大きさおよび通電時間を制御することが可能なものである。なお、窒素酸化物センサ１４は、陰極側の金属酸化物５に担持された白金族触媒６の近傍に設置されることが望ましい。例えば、窒素酸化物分解素子１の１０分の１程度の大きさの受感部を備えた窒素酸化物センサ１４を金属酸化物５の近傍に固定し、信号線を経由して外部に情報を取り出す。
【００１７】
本実施の形態における窒素酸化物分解装置の動作および効果について図７を用いて説明する。図において、ｙ１、ｙ２は予め設定されている窒素酸化物濃度値であり、ｙ１は通電停止濃度、ｙ２は通電開始濃度である。すなわち、窒素酸化物センサ１４によって検知された窒素酸化物濃度がｙ２を超えた時点ｔ１、ｔ３において電源・制御装置１５の通電が開始され、窒素酸化物の分解、除去が行われる。また、窒素酸化物濃度がｙ１以下に低下した時点ｔ２、ｔ４になると通電が停止される。このため、大気中の窒素酸化物濃度が高くなった場合や、金属酸化物５に担持された白金族触媒６に吸蔵・蓄積された窒素酸化物が多量になり、その量（吸蔵濃度）に平衡する気相の窒素酸化物濃度が高くなった場合にのみ窒素酸化物分解素子１に電流が流れ、窒素酸化物が分解、除去される。さらに、図示していないが、電源・制御装置１５は、窒素酸化物濃度の増減量に応じて、通電する電流量を増減しながら作動することも可能である。
以上のように、本実施の形態によれば、窒素酸化物の濃度変化に対応でき、電気エネルギーを効率的に利用できる低消費電力の窒素酸化物分解装置が得られる。
【００１８】
実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４における窒素酸化物分解装置を示す概略図である。この実施の形態４には、図８（ａ）に示すケース１と、図８（ｂ）に示すケース２がある。これらのケース１、２は、それぞれ１つのガス供給口１６と１つのガス排出口１７を有する。また、ケース１、２とも、固体電解質膜２の１つの表面２ａ上に、互いに離れて、第１の電極層３と第２の電極層４が配置され、第２の電極層４上には、金属酸化物５および白金族触媒６が配置されている。
図８（ａ）のケース１は、実施の形態１のガス供給口９、１１からのガスと同じく、ガス供給口１６から、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、窒素ガス（Ｎ２）、一酸化窒素ガス（ＮＯ）、酸素ガス（Ｏ２）およびヘリウムガス（Ｈｅ）が供給され、陽極である第１の電極層３側で、水蒸気（Ｈ２Ｏ）との反応が起こるケースである。また、図８（ｂ）のケース２は、ガス供給口１６から、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、窒素ガス（Ｎ２）、一酸化窒素ガス（ＮＯ）、酸素ガス（Ｏ２）、ヘリウムガス（Ｈｅ）および炭化水素ガス（ＣＨ４）が供給され、陽極である第１の電極層３側に炭化水素（ＣＨ４）と水蒸気との反応が起こるケースである。なお、図中、同一、相当部分には同一符号を付し説明を省略する。
本実施の形態における窒素酸化物分解装置は、第１の電極層３および第２の電極層４を、固体電解質膜２表面の同一平面上にそれぞれ設けたものである。固体電解質膜２および第１、第２の電極層３、４を構成する材料は上記実施の形態１と同様である。また、第２の電極層４上には、多孔体の金属酸化物５である水素終端ゼオライトに担持された白金族触媒６として例えばイリジウムを備えている。これら第１、第２の電極層３、４に水蒸気含有ガスと窒素酸化物含有ガスの混合ガスを接触させることにより、上記実施の形態１と同様に窒素酸化物を分解、除去するものである。本実施の形態における窒素酸化物分解素子の各場所における反応を、ケース１とケース２の場合について以下に示す。
【００１９】
ケ−ス１
（陽極）２Ｈ２Ｏ →４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ− （化１２）
（陰極）２ＮＯ＋４Ｈ＋＋４ｅ− → Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ （化１３）
（全体）２ＮＯ → Ｎ２ ＋ Ｏ２ （化１４）
ケース２
（陽極）ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ → ８Ｈ＋＋ＣＯ２＋８ｅ− （化１５）
（陰極）４ＮＯ＋８Ｈ＋＋８ｅ− → ２Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ （化１６）
（全体）４ＮＯ＋ＣＨ４ → ２Ｎ２ ＋ ＣＯ２ ＋２Ｈ２Ｏ （化１７）
【００２０】
ケース１では、陽極である第１の電極層３において、化１２に示すように水分子（Ｈ２Ｏ）が電気分解され水素イオン（Ｈ＋）が生成する。また、ケース２では、化１５に示すように水分子と炭化水素（ＣＨ４）が電気分解され、水素イオンと二酸化炭素（ＣＯ２）が生成する。これらの水素イオンは、固体電解質膜２を通って第２の電極層４側へ移動し、化１３、化１６に示すように窒素酸化物（ＮＯ）は窒素（Ｎ２）と水分子（Ｈ２Ｏ）に還元分解される。
本実施の形態では、固体電解質膜２によってフレーム７内の空間が上側処理室７ｄと下側処理室７ｅに分断されていた上記実施の形態１（図１参照）とは異なり、陽極側、陰極側の反応が同じ処理室７ｆ内で起こるようになっている。このため、陽極ガス供給口９と陰極ガス供給口１１を兼用して１つのガス供給口１６とすることができるが、その結果、陽極ガスと陰極ガスが混ざり合う。しかし、それぞれの電極に備えられた陽極触媒および陰極触媒の作用により目的とする反応が起こるため、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、装置の構成部品が減少し、また平面での素子の集積化が可能となるため、窒素酸化物分解装置の簡易化および小型化が図られる。これにより、窒素酸化物の発生源近傍に設置することが可能となり、窒素酸化物の高濃度領域において効率的に分解除去が行える。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、水素イオンを選択的に透過させる導電性の固体電解質膜と、この固体電解質膜表面の一部に配設された電子導電性基材と陽極酸化を促進する触媒よりなる第１の電極と、固体電解質膜表面の他の部分に配設された電子導電性基材と陰極還元を促進する触媒よりなる第２の電極と、この第２の電極に隣接して配設され多孔体の金属酸化物に担持された白金族触媒とを備えることにより、酸化剤や触媒として環境や人体への影響が懸念される材料を用いず、比較的低温（６０℃〜８０℃）で処理が行える窒素酸化物分解素子が得られた。
【００２２】
また、上記の窒素酸化物分解素子およびこれを保持するフレームと、フレーム内に陽極ガスおよび陰極ガスを供給するガス供給口と、フレーム内のガスを外部に排出するガス排出口と、第１、第２の電極間に直流電圧を印加する電源とを備えることにより、酸化剤や触媒として環境や人体への影響が懸念される材料を用いず、比較的低温（６０℃〜８０℃）で処理が行える窒素酸化物分解装置が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１である窒素酸化物分解装置を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１である窒素酸化物分解装置の６０℃における一酸化窒素除去に対する電流効果を表した図である。
【図３】本発明の実施の形態１である窒素酸化物分解装置の７０℃における一酸化窒素除去に対する電流効果を表した図である。
【図４】本発明の実施の形態１である窒素酸化物分解装置の８０℃における一酸化窒素除去に対する電流効果を表した図である。
【図５】本発明の実施の形態１である窒素酸化物分解装置の６０℃、７０℃、８０℃における窒素酸化物除去に対する電流効果を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態３である窒素酸化物分解装置を示す概略図である。
【図７】本発明の実施の形態３である窒素酸化物分解装置の動作および効果を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態４である窒素酸化物分解装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 窒素酸化物分解素子、２ 固体電解質膜、２ａ、２ｂ 平面、３ 第１の電極、４ 第２の電極、５ 金属酸化物、６ 白金族触媒、７ フレーム、７ａ枠体、７ｂ 上側蓋体、７ｃ 下側蓋体、７ｄ 上側処理室、７ｅ 下側処理室、７ｆ 処理室、８ａ、８ｂ Ｏリング、９ 陽極ガス供給口、１０ 陽極ガス排出口、１１ 陰極ガス供給口、１２ 陰極ガス排出口、１３ 直流電源、１４ 窒素酸化物センサ、１５ 電源・制御装置、１６ ガス供給口、１７ ガス排出口。
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素酸化物を分解、除去する窒素酸化物分解素子およびこれを備えた窒素酸化物分解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒素酸化物を分解、除去する窒素酸化物浄化システムは、自動車の排気ガス処理や分散型コージェネレーションシステム、長距離トンネルまたは工場等の閉鎖空間の空気清浄化等の幅広い用途があり、将来的にも需要増加が見込まれている。窒素酸化物を除去する従来の技術として、例えば特許文献１がある。この特許文献１には、アンモニアを触媒的に用い窒素酸化物ＮＯＸを浄化する方法が開示されている。この方法では、ＮＨ３分子は隣接する貴金属を介して貴金属に吸着されているＮＯに電子を供給し、その結果ＮＯはＮ原子とＯ原子に解離し易くなり、Ｎ原子はＮ２となることが開示されている。この際、流通されるガス温度は４００℃である。
また、窒素酸化物を除去するその他の従来技術として特許文献２がある。この特許文献２では、安全性の高い酸化剤であるオゾンを使用して各種有機系汚染物、悪臭成分、細菌類などの有害物質を含有するガスを処理することができる有害物質含有ガス処理方法およびそのための装置が開示されている。特許文献２では、有害物質含有ガスにオゾンを添加、混合した後、オゾンを吸着し、かつ有害物質を吸着する高シリカ吸着剤を充填した吸着剤層を流過させることによって、ガス中の有害物質をオゾンの作用により無害化することが提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１５３７５５号公報（要約、図１）
【特許文献２】
特開平１１−３４２３１３号公報（第２−４頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１で提示された方法では、環境および人体への配慮からアンモニアを用いることは望ましくなく、さらに４００℃の高温で処理せねばならぬこと、窒素酸化物濃度の変動に対応した処理が困難であり未反応アンモニアの処理が必要であるという問題点があった。また、特許文献２の方法においても、吸着した窒素酸化物を脱着し吸着剤を再生させる場合、３００〜４００℃の高温で処理する必要があった。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、酸化剤や触媒として環境や人体への影響が懸念される材料を用いず、比較的低温で処理が行える窒素酸化物分解素子を提案することである。
また、第２の目的は、上記窒素酸化物分解素子を用いた窒素酸化物分解装置を提案することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる窒素酸化物分解素子は、水素イオンを選択的に透過させる導電性の固体電解質膜と、この固体電解質膜表面の一部に配設された電子導電性基材と陽極酸化を促進する触媒よりなる第１の電極と、固体電解質膜表面の他の部分に配設された電子導電性基材と陰極還元を促進する触媒よりなる第２の電極と、この第２の電極に隣接して配設された多孔体の金属酸化物に担持された白金族触媒とを備えたものである。
【０００７】
また、本発明に係わる窒素酸化物分解装置は、上記の窒素酸化物分解素子およびこれを保持するフレームと、フレーム内に陽極ガスおよび陰極ガスを供給するガス供給口と、フレーム内のガスを外部に排出するガス排出口と、第１、第２の電極間に直流電圧を印加する電源とを備えたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における窒素酸化物分解素子および窒素酸化物分解装置の構成を示す概略図である。
本実施の形態における窒素酸化物分解装置は、窒素酸化物分解素子１とそれを収容するフレーム７を備えている。窒素酸化物分解素子１は、水素イオンを選択的に透過させる導電性の固体電解質膜２と、この固体電解質膜２表面の一部に接触して配設された電子導電性基材と陽極酸化を促進する触媒（以下、陽極触媒と称す）よりなる第１の電極層３と、固体電解質膜２表面の他の部分に接触して配設された電子導電性基材と陰極還元を促進する触媒（以下、陰極触媒と称す）よりなる第２の電極層４と、第２の電極層４に隣接して配設された多孔体の金属酸化物５に担持された白金族触媒６を備えている。固体電解質膜２は、相対向する平面２ａ、２ｂを有するもので、それぞれの平面２ａ、２ｂ上には、第１の電極層３と第２の電極層４が密着して形成されている。本実施の形態では、固体電解質膜２として、デュポン社製のナフィオン１１７（商品名）、第１の電極層３および第２の電極層４として、多孔性の白金薄膜層と多孔性チタンがめっきにより積層され、このチタン表面にさらに白金めっきを施した給電体が用いられており、表面の白金めっきが陽極触媒および陰極触媒の機能を有している。なお、本実施の形態では陽極触媒と陰極触媒としていずれも白金を用いているが、これらは同じものである必要はなく、陽極触媒としては白金の他にイリジウム、酸化イリジウム等を用いることができる。なお、第１の電極層３と第２の電極層４がそれぞれ陽極触媒、陰極触媒を備えていない場合、窒素酸化物分解素子１に非常に高い電圧をかけなければ陽極酸化と陰極還元の反応が速やかに促進しないため、これらの触媒は必要不可欠なものである。
【０００９】
さらに、窒素酸化物を吸蔵し濃縮する機能を有する多孔体の金属酸化物５が第２の電極層４に接触して配設され、この金属酸化物５には白金族触媒６である白金が１ｗｔ％担持されている。すなわち、多孔体である金属酸化物５の孔の中に白金族触媒６である金属分子が収まっている状態にある。多孔体の金属酸化物５に白金族触媒６を担持させる方法としては、白金成分を含む溶液、例えばＨ２ＰｔＣｌ６水溶液に多孔体を含浸させ、４００℃程度に加熱することにより白金が多孔体に担持される。本実施の形態では、多孔体の金属酸化物５として水素終端ゼオライトを用いている。ゼオライトは成分として酸化アルミニウムと酸化シリコンを含むもので一般式ＷｍＺｎＯ２ｎ・ｓＨ２Ｏを用いて示される。ただし、ＷはＮａ、Ｃａ、Ｋ、Ｂａ、Ｓｒのいずれか、ＺはＳｉ＋Ａｌ（Ｓｉ／Ａｌ＞１）であり、ｓは一定しない。
また、本実施の形態で用いられる金属酸化物５は、酸性酸化物または両性酸化物である。酸性酸化物とは、塩基（アルカリ）と反応して塩をつくるものであり、遷移金属の高酸化数酸化物、例えばＴｉＯ２がこれに属する。これに対し両性酸化物とは一つの酸化物で塩基に対しては酸性を示し、酸に対しては塩基性を示すもので、例えばＡｌ２Ｏ３がこれに属する。
【００１０】
以上の固体電解質膜２、第１の電極層３、第２の電極層４および金属酸化物５に担持された白金族触媒６より構成される窒素酸化物分解素子１は、フレーム７により保持されている。フレーム７は、環状の枠体７ａ、その上端面にＯリング８ａを介して気密に接合する上側蓋体７ｂ、その下端面にＯリング８ｂを介して気密に接合する下側蓋体７ｃより構成されている。フレーム７内の空間は、固体電解質膜２によって第１の電極層３側と第２の電極層４側に分断され、上側処理室７ｄと、下側処理室７ｅが形成されている。上側蓋体７ｂには陽極ガス供給口９および陽極ガス排出口１０が取り付けられ、上側処理室７ｄ内に陽極ガス供給口９より水蒸気（Ｈ２Ｏ）と窒素（Ｎ２）の混合ガスが供給される。窒素（Ｎ２）は空気に置き換えても構わない。また、下側蓋体７ｃには陰極ガス供給口１１および陰極ガス排出口１２が取り付けられ、下側処理室７ｅ内に陰極ガス供給口１１より窒素酸化物である一酸化窒素（ＮＯ）、酸素（Ｏ２）およびヘリウム（Ｈｅ）の混合ガスが供給される。
本実施の形態における窒素酸化物分解素子１の各場所における反応を以下に示す。
【００１１】
第１の電極層上（陽極反応）
Ｈ２Ｏ→２Ｈ＋ ＋ １／２Ｏ２＋２ｅ− （化１）
第２の電極層上（陰極反応）
２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→ Ｈ２Ｏ （化２）
２Ｈ＋＋２ｅ−→ Ｈ２ （化３）
２Ｈ＋＋２ＮＯ＋２ｅ−→ Ｎ２＋ Ｈ２Ｏ＋１／２Ｏ２ （化４）
２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２ＮＯ＋１／４Ｏ２→ １／４Ｎ２＋Ｈ２Ｏ （化５）
２Ｈ＋＋２ｅ−＋２／３ＮＯ＋１／３Ｏ２→ １／３Ｎ２Ｏ＋Ｈ２Ｏ （化６）
Ｎ２Ｏ＋２Ｈ＋＋２ｅ−→ Ｎ２＋ Ｈ２Ｏ （化７）
白金族触媒上（陰極側）
Ｈ２＋２ＮＯ→ Ｎ２＋ Ｈ２Ｏ＋１／２Ｏ２ （化８）
２Ｈ２＋ＮＯ＋１／２Ｏ２→ ２／１Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ （化９）
３／２Ｈ２＋ＮＯ＋１／２Ｏ２→ １／２Ｎ２Ｏ＋ ３／２Ｈ２Ｏ （化１０）
Ｎ２Ｏ＋Ｈ２→ Ｎ２＋ Ｈ２Ｏ （化１１）
【００１２】
本実施の形態における窒素酸化物分解素子１の作用について上記化１〜化１１を用いて説明する。第１の電極層３側である上側処理室７ｄ内に陽極ガス供給口９より水蒸気含有窒素ガスを供給し、第１の電極層３に接触させる。同時に、第２の電極層４側である下側処理室７ｅ内に陰極ガス供給口１１より窒素酸化物含有ガスを供給し、第２の電極層４に接触させる。この状態において直流電源１３の通電を開始し、第１、第２の電極層３、４間に直流電圧を印加すると、第１の電極層３は陽極、第２の電極層４は陰極となり、それぞれに備えられた触媒の作用により陽極酸化、陰極還元が起こる。まず、陽極である第１の電極層３では、化１に示すように水分子（Ｈ２Ｏ）が電気分解され水素イオン（Ｈ＋）が生成する。この水素イオンは、固体電解質膜２を通って第２の電極層４側へ移動し、第２の電極層４上において窒素酸化物（ＮＯ）と反応し、化４、化５に示すように窒素酸化物は窒素分子（Ｎ２）と水分子に電気化学的に還元分解される。また、化６に示すように一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）が生成された場合は、化７に示すようにさらに還元分解され窒素分子と水分子に還元分解される。また、陰極側の白金族触媒６上においては、第２の電極層４上で生成した水素分子（化３）と窒素酸化物が白金族触媒６の作用により反応し、化８〜化１１に示すように窒素酸化物が化学的に還元分解される。
このように、本実施の形態における窒素酸化物分解素子１においては、分子のみが関与する化学的還元反応（化８〜化１１）と、イオンが関与する電気化学的還元反応（化１〜化７）の２種類の反応によって窒素酸化物が分解される。これら２種類の反応は、同時に起こる場合と、一方だけが起こる場合がある。
【００１３】
以上のように構成された窒素酸化物分解装置において、反応面すなわち第１、第２の電極層３、４の各面積が０．８ｃｍ２であり、ヘリウム（Ｈｅ）ガス中に窒素酸化物である一酸化窒素の濃度を１０００ｐｐｍとして流速１０ｍｌ／ｍｉｎで供給し、第１、第２の電極層３、４間に直流定電流を供給した場合の、窒素酸化物除去に対する電流効果を図２、図３、図４に示す。ここで、窒素酸化物（ＮＯｘ）とは、ＮＯとＮＯ２との和である。図２、図３、図４は、それぞれ６０℃、７０℃、８０℃において分解されたＮＯｘの割合を、陰極ガス排出口１２から排出されたガスを分析装置にて分析することにより求めたものである。すなわち、（分解されたＮＯｘの割合％）＝｛（供給口におけるＮＯｘ濃度（０．１％））−（排出口におけるＮＯｘ濃度％）｝÷（供給口におけるＮＯｘ濃度（０．１％））×１００によって求めている。なお、ここではＮＯｘ濃度とは、ＮＯとＮＯ２との濃度の和である。図５は、縦軸に排出口における一酸化窒素濃度、横軸に電流を取り、図２、３、４をグラフ化したものである。曲線Ａは図２の６０℃、曲線Ｂは図３の７０℃、曲線Ｃは図４の８０℃を示す。図５に示すように、いずれの温度においても電流密度の増大とともに窒素酸化物の分解除去効果は増大し、１５ｍＡ／ｃｍ２以上の電流密度域で約８０％の窒素酸化物が除去できた。また、この中では最も高温である８０℃における窒素酸化物除去効果が６０℃、７０℃の結果と比べて劣ることから、８０℃以上の高温にした場合でもこれ以上の効果は得られないことを示している。すなわち、本実施の形態における窒素酸化物分解装置は６０℃〜８０℃の比較的低温においてその効果を充分に発揮することができる。
【００１４】
このように、本実施の形態によれば、固体電解質膜２表面の相対向する平面２ａ、２ｂにそれぞれ配設された第１の電極層３および第２の電極層４と、第２の電極層４に隣接して配設された多孔体の金属酸化物５に担持された白金族触媒６とを備えた窒素酸化物分解素子１が提案され、この窒素酸化物分解素子１をフレーム７で保持し、フレーム７内に陽極ガス供給口９より陽極ガスとして水蒸気含有ガスを、陰極ガス供給口１１より陰極ガスとして窒素酸化物含有ガスを供給し、直流電源１３により第１、第２の電極層３、４間に直流電圧を印加することにより、酸化剤や触媒として環境や人体への影響が懸念される材料を用いずに、比較的低温（６０℃〜８０℃）で処理が行える窒素酸化物分解装置が得られた。
なお、本実施の形態では、白金族触媒６を担持する多孔体の金属酸化物５として水素終端ゼオライトを用いた例を示したが、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化マグネシウム、酸化スズのうちの少なくとも一成分を含む金属酸化物を用いた場合においても同様の効果が得られる。また本実施の形態では、金属酸化物５に担持された白金族触媒６として白金を用いた例を示したが、イリジウム、パラジウムであっても同様の効果が得られる。
【００１５】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２における窒素酸化物分解素子は、上記実施の形態１による窒素酸化物分解素子１（図１参照）の固体電解質膜２と第２の電極層４の間に、電子導電性基材、固体電解質膜、白金族触媒および陰極触媒とを含む混合層を密着して配設したものである（図示は省略する）。この混合層は、白金族触媒と陰極触媒、微粒子化された電子導電性基材と微粒子化された固体電解質膜とを溶液中に分散し、加熱することにより揮発成分を気化させ、微粒子成分を接合することにより形成することができる。
上記実施の形態１で説明した電気化学反応が各電極と固体電解質膜の界面で起こることから、界面の面積に比例して反応量および反応速度は増大する。本実施の形態では、第２の電極層４側において電極と固体電解質膜の界面すなわち電気化学反応の反応サイトを増大させることにより、窒素酸化物の電気化学的還元反応の効率向上を図った。
【００１６】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３における窒素酸化物分解装置を示す概略図である。図中、同一、相当部分には同一符号を付し説明を省略する。本実施の形態における窒素酸化物分解装置は、窒素酸化物濃度を検知する窒素酸化物センサ１４と、この窒素酸化物センサ１４により検知された窒素酸化物の濃度に対応して第１、第２の電極層３、４間を流れる電流の大きさおよび通電時間を制御する電源・制御装置１５を備えている。これにより、窒素酸化物の濃度に応じて窒素酸化物分解素子１に流れる電流の大きさおよび通電時間を制御することが可能なものである。なお、窒素酸化物センサ１４は、陰極側の金属酸化物５に担持された白金族触媒６の近傍に設置されることが望ましい。例えば、窒素酸化物分解素子１の１０分の１程度の大きさの受感部を備えた窒素酸化物センサ１４を金属酸化物５の近傍に固定し、信号線を経由して外部に情報を取り出す。
【００１７】
本実施の形態における窒素酸化物分解装置の動作および効果について図７を用いて説明する。図において、ｙ１、ｙ２は予め設定されている窒素酸化物濃度値であり、ｙ１は通電停止濃度、ｙ２は通電開始濃度である。すなわち、窒素酸化物センサ１４によって検知された窒素酸化物濃度がｙ２を超えた時点ｔ１、ｔ３において電源・制御装置１５の通電が開始され、窒素酸化物の分解、除去が行われる。また、窒素酸化物濃度がｙ１以下に低下した時点ｔ２、ｔ４になると通電が停止される。このため、大気中の窒素酸化物濃度が高くなった場合や、金属酸化物５に担持された白金族触媒６に吸蔵・蓄積された窒素酸化物が多量になり、その量（吸蔵濃度）に平衡する気相の窒素酸化物濃度が高くなった場合にのみ窒素酸化物分解素子１に電流が流れ、窒素酸化物が分解、除去される。さらに、図示していないが、電源・制御装置１５は、窒素酸化物濃度の増減量に応じて、通電する電流量を増減しながら作動することも可能である。
以上のように、本実施の形態によれば、窒素酸化物の濃度変化に対応でき、電気エネルギーを効率的に利用できる低消費電力の窒素酸化物分解装置が得られる。
【００１８】
実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４における窒素酸化物分解装置を示す概略図である。この実施の形態４には、図８（ａ）に示すケース１と、図８（ｂ）に示すケース２がある。これらのケース１、２は、それぞれ１つのガス供給口１６と１つのガス排出口１７を有する。また、ケース１、２とも、固体電解質膜２の１つの表面２ａ上に、互いに離れて、第１の電極層３と第２の電極層４が配置され、第２の電極層４上には、金属酸化物５および白金族触媒６が配置されている。
図８（ａ）のケース１は、実施の形態１のガス供給口９、１１からのガスと同じく、ガス供給口１６から、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、窒素ガス（Ｎ２）、一酸化窒素ガス（ＮＯ）、酸素ガス（Ｏ２）およびヘリウムガス（Ｈｅ）が供給され、陽極である第１の電極層３側で、水蒸気（Ｈ２Ｏ）との反応が起こるケースである。また、図８（ｂ）のケース２は、ガス供給口１６から、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、窒素ガス（Ｎ２）、一酸化窒素ガス（ＮＯ）、酸素ガス（Ｏ２）、ヘリウムガス（Ｈｅ）および炭化水素ガス（ＣＨ４）が供給され、陽極である第１の電極層３側に炭化水素（ＣＨ４）と水蒸気との反応が起こるケースである。なお、図中、同一、相当部分には同一符号を付し説明を省略する。
本実施の形態における窒素酸化物分解装置は、第１の電極層３および第２の電極層４を、固体電解質膜２表面の同一平面上にそれぞれ設けたものである。固体電解質膜２および第１、第２の電極層３、４を構成する材料は上記実施の形態１と同様である。また、第２の電極層４上には、多孔体の金属酸化物５である水素終端ゼオライトに担持された白金族触媒６として例えばイリジウムを備えている。これら第１、第２の電極層３、４に水蒸気含有ガスと窒素酸化物含有ガスの混合ガスを接触させることにより、上記実施の形態１と同様に窒素酸化物を分解、除去するものである。本実施の形態における窒素酸化物分解素子の各場所における反応を、ケース１とケース２の場合について以下に示す。
【００１９】
ケ−ス１
（陽極）２Ｈ２Ｏ →４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ− （化１２）
（陰極）２ＮＯ＋４Ｈ＋＋４ｅ− → Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ （化１３）
（全体）２ＮＯ → Ｎ２ ＋ Ｏ２ （化１４）
ケース２
（陽極）ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ → ８Ｈ＋＋ＣＯ２＋８ｅ− （化１５）
（陰極）４ＮＯ＋８Ｈ＋＋８ｅ− → ２Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ （化１６）
（全体）４ＮＯ＋ＣＨ４ → ２Ｎ２ ＋ ＣＯ２ ＋２Ｈ２Ｏ （化１７）
【００２０】
ケース１では、陽極である第１の電極層３において、化１２に示すように水分子（Ｈ２Ｏ）が電気分解され水素イオン（Ｈ＋）が生成する。また、ケース２では、化１５に示すように水分子と炭化水素（ＣＨ４）が電気分解され、水素イオンと二酸化炭素（ＣＯ２）が生成する。これらの水素イオンは、固体電解質膜２を通って第２の電極層４側へ移動し、化１３、化１６に示すように窒素酸化物（ＮＯ）は窒素（Ｎ２）と水分子（Ｈ２Ｏ）に還元分解される。
本実施の形態では、固体電解質膜２によってフレーム７内の空間が上側処理室７ｄと下側処理室７ｅに分断されていた上記実施の形態１（図１参照）とは異なり、陽極側、陰極側の反応が同じ処理室７ｆ内で起こるようになっている。このため、陽極ガス供給口９と陰極ガス供給口１１を兼用して１つのガス供給口１６とすることができるが、その結果、陽極ガスと陰極ガスが混ざり合う。しかし、それぞれの電極に備えられた陽極触媒および陰極触媒の作用により目的とする反応が起こるため、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、装置の構成部品が減少し、また平面での素子の集積化が可能となるため、窒素酸化物分解装置の簡易化および小型化が図られる。これにより、窒素酸化物の発生源近傍に設置することが可能となり、窒素酸化物の高濃度領域において効率的に分解除去が行える。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、水素イオンを選択的に透過させる導電性の固体電解質膜と、この固体電解質膜表面の一部に配設された電子導電性基材と陽極酸化を促進する触媒よりなる第１の電極と、固体電解質膜表面の他の部分に配設された電子導電性基材と陰極還元を促進する触媒よりなる第２の電極と、この第２の電極に隣接して配設され多孔体の金属酸化物に担持された白金族触媒とを備えることにより、酸化剤や触媒として環境や人体への影響が懸念される材料を用いず、比較的低温（６０℃〜８０℃）で処理が行える窒素酸化物分解素子が得られた。
【００２２】
また、上記の窒素酸化物分解素子およびこれを保持するフレームと、フレーム内に陽極ガスおよび陰極ガスを供給するガス供給口と、フレーム内のガスを外部に排出するガス排出口と、第１、第２の電極間に直流電圧を印加する電源とを備えることにより、酸化剤や触媒として環境や人体への影響が懸念される材料を用いず、比較的低温（６０℃〜８０℃）で処理が行える窒素酸化物分解装置が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１である窒素酸化物分解装置を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１である窒素酸化物分解装置の６０℃における一酸化窒素除去に対する電流効果を表した図である。
【図３】本発明の実施の形態１である窒素酸化物分解装置の７０℃における一酸化窒素除去に対する電流効果を表した図である。
【図４】本発明の実施の形態１である窒素酸化物分解装置の８０℃における一酸化窒素除去に対する電流効果を表した図である。
【図５】本発明の実施の形態１である窒素酸化物分解装置の６０℃、７０℃、８０℃における窒素酸化物除去に対する電流効果を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態３である窒素酸化物分解装置を示す概略図である。
【図７】本発明の実施の形態３である窒素酸化物分解装置の動作および効果を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態４である窒素酸化物分解装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 窒素酸化物分解素子、２ 固体電解質膜、２ａ、２ｂ 平面、３ 第１の電極、４ 第２の電極、５ 金属酸化物、６ 白金族触媒、７ フレーム、７ａ枠体、７ｂ 上側蓋体、７ｃ 下側蓋体、７ｄ 上側処理室、７ｅ 下側処理室、７ｆ 処理室、８ａ、８ｂ Ｏリング、９ 陽極ガス供給口、１０ 陽極ガス排出口、１１ 陰極ガス供給口、１２ 陰極ガス排出口、１３ 直流電源、１４ 窒素酸化物センサ、１５ 電源・制御装置、１６ ガス供給口、１７ ガス排出口。
Claims (12)
- 水素イオンを選択的に透過させる導電性の固体電解質膜と、この固体電解質膜表面の一部に配設された電子導電性基材と陽極酸化を促進する触媒よりなる第１の電極と、前記固体電解質膜表面の他の部分に配設された電子導電性基材と陰極還元を促進する触媒よりなる第２の電極と、この第２の電極に隣接して配設された多孔体の金属酸化物に担持された白金族触媒とを備えたことを特徴とする窒素酸化物分解素子。
- 前記第１、第２の電極は、前記固体電解質膜表面の相対向する平面上にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１記載の窒素酸化物分解素子。
- 前記第１、第２の電極は、前記固体電解質膜表面の同一平面上にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１記載の窒素酸化物分解素子。
- 前記固体電解質膜と前記第２の電極の間に、電子導電性基材と、固体電解質膜と、白金族触媒および陰極触媒とを含む混合層を設けたことを特徴とする請求項１記載の窒素酸化物分解素子。
- 前記金属酸化物は、酸性酸化物または両性酸化物であることを特徴とする請求項１記載の窒素酸化物分解素子。
- 前記金属酸化物は、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化マグネシウム、酸化スズのうち少なくとも一成分を含むことを特徴とする請求項５記載の窒素酸化物分解素子。
- 前記白金族触媒は、白金、イリジウム、パラジウムのうち少なくとも一成分を含むことを特徴とする請求項１記載の窒素酸化物分解素子。
- 請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の前記窒素酸化物分解素子およびこれを保持するフレームと、前記フレーム内に陽極ガスおよび陰極ガスを供給するガス供給口と、前記フレーム内のガスを外部に排出するガス排出口と、前記第１、第２の電極間に直流電圧を印加する電源とを備えたことを特徴とする窒素酸化物分解装置。
- 前記陽極ガスとして、水蒸気含有ガスを供給することを特徴とする請求項８記載の窒素酸化物分解装置。
- 前記陰極ガスとして、窒素酸化物含有ガスを供給することを特徴とする請求項８記載の窒素酸化物分解装置。
- 窒素酸化物濃度を検知するセンサと、このセンサにより検知された窒素酸化物の濃度に対応して前記第１、第２の電極間を流れる電流の大きさおよび通電時間を制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項８記載の窒素酸化物分解装置。
- 前記センサは、前記金属酸化物に担持された前記白金族触媒の近傍に設置されていることを特徴とする請求項１１記載の窒素酸化物分解装置。
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