JP2008307492A - Electrochemical reactor having electrode for stable and high efficient operation - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸素を含む燃焼排ガスから窒素酸化物を効率的に浄化する電気化学リアクターに関するものであり、更に詳しくは、イオン伝導性固体電解質を挟む両面にイオンと電子の混合伝導性を有する電極、もしくは電子伝導性を有する集電電極及びその両方が塗布された、窒素酸化物の浄化を行う電気化学素子に関するものである。 The present invention relates to an electrochemical reactor that efficiently purifies nitrogen oxides from combustion exhaust gas containing oxygen, and more specifically, an electrode having mixed conductivity of ions and electrons on both sides sandwiching an ion conductive solid electrolyte. In addition, the present invention relates to an electrochemical element for purifying nitrogen oxides, to which a collecting electrode having electron conductivity and both are applied.
本発明は、排ガス中の窒素酸化物を浄化する際に、排ガス中に共存する酸素分子が電気化学リアクターの電極で優先的に反応することを防ぎ、従来技術に比べて少ない消費電力で安定に、高効率かつ連続的に、被処理物質を浄化処理することを可能とする、新しい電気化学リアクターを提供するものである。 The present invention prevents oxygen molecules coexisting in the exhaust gas from preferentially reacting with the electrodes of the electrochemical reactor when purifying nitrogen oxides in the exhaust gas, and is stable with less power consumption than the conventional technology. The present invention provides a new electrochemical reactor that makes it possible to purify a substance to be treated with high efficiency and continuously.
従来、ガソリンエンジンから発生する窒素酸化物は、三元触媒で無害化されているが、リーンバーンエンジン、ディーゼルエンジンのように排ガス中に数%以上の酸素が存在する場合、三元触媒表面への酸素被毒によって触媒活性が低下することが問題となっている。 Conventionally, nitrogen oxides generated from gasoline engines are detoxified by a three-way catalyst. However, when oxygen of more than several percent is present in exhaust gas, such as lean burn engines and diesel engines, the three-way catalyst surface. The problem is that the catalytic activity is reduced by oxygen poisoning.
一方、イットリア安定化ジルコニア等の酸素イオン導電性酸化物の焼結体を用いた固体電解質型リアクターシステムが提案されている。このシステムは、酸素イオン伝導性を有する固体電解質基板を挟んだ両面に電極を付与し、これに電界を印加する方法である。 On the other hand, a solid electrolyte reactor system using a sintered body of an oxygen ion conductive oxide such as yttria stabilized zirconia has been proposed. This system is a method in which electrodes are provided on both sides of a solid electrolyte substrate having oxygen ion conductivity and an electric field is applied thereto.
この固体電解質リアクターシステムに電界を印加すると、排ガス中に含まれる窒素酸化物が、カソード電極部に存在するカソード電極−電解質−気相の三相界面において、カソード電極からの電子供与により還元され、酸素イオンと窒素に分解される。 When an electric field is applied to this solid electrolyte reactor system, nitrogen oxides contained in the exhaust gas are reduced by electron donation from the cathode electrode at the cathode electrode-electrolyte-gas phase three-phase interface existing in the cathode electrode portion, Decomposed into oxygen ions and nitrogen.
この分解された酸素イオンは、固体電解質を介して拡散し、アノード電極上にて酸素として放出される。このように作動中、カソード電極部における固体電解質表面は、常に酸素が枯渇した状態であり、排ガス中の窒素酸化物の浄化は連続的に行われる。 The decomposed oxygen ions diffuse through the solid electrolyte and are released as oxygen on the anode electrode. During the operation, the surface of the solid electrolyte in the cathode electrode portion is always in a state where oxygen is depleted, and the purification of nitrogen oxides in the exhaust gas is continuously performed.
しかし、実際のディーゼル排ガスには、窒素酸化物に対して数十〜千倍程度高い濃度の酸素が含まれている。そのため、窒素酸化物の効率的な浄化には、優先的に窒素酸化物を分解する必要がある。この問題については、既出特許(特許文献1)において、電気化学素子の電極表面に酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニア等の混合物層を形成することで効率が向上することが示されている。 However, actual diesel exhaust gas contains oxygen at a concentration several tens to thousand times higher than that of nitrogen oxides. Therefore, for efficient purification of nitrogen oxides, it is necessary to decompose nitrogen oxides preferentially. Regarding this problem, it has been shown in an already-existing patent (Patent Document 1) that efficiency is improved by forming a mixture layer of nickel oxide and yttria-stabilized zirconia on the electrode surface of the electrochemical element.
しかしながら、一般的にディーゼルエンジンの排ガス中には数%以上の酸素が存在するため、共存している酸素が優先的にカソード電極部においてイオン化されて固体電解質中を流れるため、窒素酸化物を分解するには、ある程度以上の電流を流す必要がある。 However, in general, the exhaust gas of diesel engines has oxygen of several percent or more, so the coexisting oxygen is preferentially ionized at the cathode electrode and flows through the solid electrolyte, so the nitrogen oxides are decomposed. In order to achieve this, it is necessary to pass a certain amount of current.
上記の固体電解質型電気化学素子の電流効率は、最大でも10%程度である。排ガス中の窒素酸化物と酸素の濃度比が数十〜千倍であることを考慮すれば、非常に高い窒素酸化物選択性であるが、90%程度の電流が余剰酸素のポンピングに使用されている事実は、大きな消費電力の必要性を意味するため、実用化には大きな障害となる。 The current efficiency of the above solid electrolyte type electrochemical device is about 10% at the maximum. Considering that the concentration ratio of nitrogen oxides and oxygen in exhaust gas is several tens to thousands times, it is very high nitrogen oxide selectivity, but about 90% of the current is used for pumping excess oxygen. The fact that it means the need for large power consumption, is a big obstacle to practical use.
更に、既出特許(特許文献1)の固体電解質型電気化学素子では、電圧の揺らぎや酸化性ガスの瞬間的な枯渇によって、窒素酸化物の選択浄化を行なう混合層が劣化し、浄化効率が低下するという問題がある。このため、実際の作動には、雰囲気ガスの濃度に合わせて電圧印加を高度に制御する必要が生じる。 Furthermore, in the solid electrolyte type electrochemical device disclosed in the patent (Patent Document 1), the mixed layer for selective purification of nitrogen oxides deteriorates due to voltage fluctuations or instantaneous exhaustion of oxidizing gas, and the purification efficiency decreases. There is a problem of doing. For this reason, in actual operation, it is necessary to highly control voltage application in accordance with the concentration of the atmospheric gas.
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、従来技術に比べて少ない消費電力で安定に、高効率かつ連続的に、被処理物を浄化処理することを可能とする、新しい電気化学リアクターを開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、雰囲気の変化や作動条件の変動に対して安定した作動を伝える電気化学素子を開発することに成功し、本発明を完成するに至った。 In such a situation, in view of the above-described conventional technology, the present inventors can purify the object to be processed stably, highly efficiently and continuously with less power consumption than the conventional technology. As a result of intensive research with the goal of developing a new electrochemical reactor, the inventors succeeded in developing an electrochemical element that transmits stable operation against changes in atmosphere and fluctuations in operating conditions. It came to complete.
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、排ガス中に過剰の酸素が共存する場合においても、電気化学素子反応電極において、窒素酸化物の浄化に必要な電力を低減及び安定作動させることを可能とする電気化学リアクターを提供するものである。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and is necessary for the purification of nitrogen oxides in the electrochemical device reaction electrode even when excess oxygen coexists in the exhaust gas. It is an object of the present invention to provide an electrochemical reactor that can reduce electric power and stably operate.
すなわち、本発明は、燃焼排ガス中の窒素酸化物に対する選択性を向上させることにより、少ない消費電力で安定かつ高効率な窒素酸化物の浄化を達成し、雰囲気の変化や作動条件の変動に対して安定した作動を行える電気化学素子を提供することを目的とするものである。 In other words, the present invention achieves stable and highly efficient nitrogen oxide purification with less power consumption by improving the selectivity for nitrogen oxides in combustion exhaust gas, and against changes in atmosphere and operating conditions. It is an object of the present invention to provide an electrochemical device that can operate stably and stably.
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)被処理物に対して電気化学反応を行うための電気化学素子であり、イオン伝導体及び電極より構成される基本セル構造を有し、電極上に化学反応部を構成した電気化学リアクターであって、該化学反応部の上部に網状電極を形成したことを特徴とする電気化学リアクター。
(2)網状電極の材料が、白金、金属又は電子伝導性酸化物材料である、前記(1)に記載の電気化学リアクター。
(3)網状電極が、面内方向の抵抗値が1Ωcmより低い形状を有する、前記(1)に記載の電気化学リアクター。
(4)被処理物が、窒素酸化物である、前記(1)に記載の電気化学リアクター。
(5)電極に、酸素イオン伝導性を有する固体電解質、又は酸素イオン及び電子の両方を伝導可能な混合導電性材料と、電気化学的に酸素を分離(還元)可能な金属酸化物の複合物を有する、前記(1)に記載の電気化学リアクター。
(6)前記電極材に含まれる還元可能な金属酸化物にドナー元素であるLiを添加して半導体化することにより電子伝導性を向上させ、その電気化学的還元反応を促進させる、前記(5)に記載の電気化学リアクター。
(7)前記金属酸化物へのLi添加量が、0.3〜0.75mol%である、前記(6)に記載の電気化学リアクター。
(8)電気化学リアクターへ電界を印加することで、電極材の内部に配置した金属酸化物の還元で生成した金属微粒子による表面積の増加が、被処理物質の分解性能を向上させる微構造を形成した、前記(5)に記載の電気化学リアクター。
(9)前記電極材に含まれる還元可能な金属酸化物が、NiOである、前記(4)に記載の電気化学リアクター。
(10)Pt+酸素イオン導伝性の安定化ジルコニア電極及び酸素イオン導伝性の安定化ジルコニア電解質を有する基本セル構造と、NiO−酸素イオン導伝性の安定化ジルコニア触媒層とから構成される化学反応部の上部に網状Pt電極を有し、その上に酸素イオン導伝性の安定化ジルコニア被覆層を有する、前記(1)に記載の電気化学リアクター。
(11)前記(1)から(7)のいずれかに記載の電気化学リアクターへ電界を印加することで、電極材の内部に配置した金属酸化物を還元し、金属微粒子の生成により表面積を増加させ、被処理物質の分解性能を増加させる微構造を形成することを特徴とする被処理物の分解性能の増加方法。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) An electrochemical element for performing an electrochemical reaction on an object to be processed, an electrochemical reactor having a basic cell structure composed of an ionic conductor and an electrode and having a chemical reaction part on the electrode An electrochemical reactor characterized in that a mesh electrode is formed on the upper part of the chemical reaction section.
(2) The electrochemical reactor according to (1), wherein the material of the mesh electrode is platinum, metal, or an electron conductive oxide material.
(3) The electrochemical reactor according to (1), wherein the mesh electrode has a shape having a resistance value in an in-plane direction lower than 1 Ωcm.
(4) The electrochemical reactor according to (1), wherein the object to be processed is nitrogen oxide.
(5) A composite of a solid electrolyte having oxygen ion conductivity or a mixed conductive material capable of conducting both oxygen ions and electrons and a metal oxide capable of electrochemically separating (reducing) oxygen. The electrochemical reactor according to (1) above, comprising:
(6) The electron conductivity is improved by adding Li, which is a donor element, to the reducible metal oxide contained in the electrode material, thereby promoting the electrochemical reduction reaction (5) ) Electrochemical reactor.
(7) The electrochemical reactor according to (6), wherein the amount of Li added to the metal oxide is 0.3 to 0.75 mol%.
(8) By applying an electric field to the electrochemical reactor, an increase in surface area due to metal fine particles generated by reduction of the metal oxide placed inside the electrode material forms a microstructure that improves the decomposition performance of the material to be treated. The electrochemical reactor according to (5) above.
(9) The electrochemical reactor according to (4), wherein the reducible metal oxide contained in the electrode material is NiO.
(10) A basic cell structure having a stabilized zirconia electrode having Pt + oxygen ion conductivity and a stabilized zirconia electrolyte having oxygen ion conductivity, and a stabilized zirconia catalyst layer having NiO-oxygen ion conductivity. The electrochemical reactor according to the above (1), which has a reticulated Pt electrode on the upper part of the chemical reaction part and an oxygen ion conductive stabilized zirconia coating layer on the electrode.
(11) By applying an electric field to the electrochemical reactor according to any one of (1) to (7) above, the metal oxide disposed inside the electrode material is reduced, and the surface area is increased by the production of metal fine particles. Forming a microstructure that increases the decomposition performance of the substance to be processed, and increasing the decomposition performance of the object to be processed.
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、被処理物に対して電気化学反応を行うための電気化学素子であり、イオン伝導体及び電極より構成される基本セル構造を有し、電極上に化学反応部を構成した電気化学リアクターであって、該化学反応部の上部に網状電極を形成したことを特徴とするものである。本発明では、電極に、酸素イオン伝導性を有する固体電解質、又は酸素イオン及び電子の両方を伝導可能な混合導電性材料と、電気化学的に酸素を分離(還元)可能な金属酸化物の複合物を有すること、前記電極材に含まれる還元可能な金属酸化物にドナー又はアクセプター元素を添加して半導体化することにより電子伝導性を向上させ、その電気化学的還元反応を促進するようにしたこと、を好ましい実施の態様としている。
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention is an electrochemical element for performing an electrochemical reaction on an object to be processed, and has a basic cell structure composed of an ionic conductor and an electrode, and an electrochemical device having a chemical reaction part on the electrode. The reactor is characterized in that a mesh electrode is formed above the chemical reaction part. In the present invention, a composite of a solid electrolyte having oxygen ion conductivity or a mixed conductive material capable of conducting both oxygen ions and electrons and a metal oxide capable of electrochemically separating (reducing) oxygen in the electrode. In order to improve the electron conductivity and promote the electrochemical reduction reaction by adding a donor or acceptor element to the reducible metal oxide contained in the electrode material and making it a semiconductor This is a preferred embodiment.
また、本発明では、電気化学リアクターへ電界を印加することで、電極材の内部に配置した金属酸化物の還元で生成した、金属微粒子による表面積の増加が、被処理物質の分解性能を向上させる微構造を形成したこと、Pt+酸素イオン導伝性の安定化ジルコニア電極及び酸素イオン導伝性の安定化ジルコニア電解質を有する基本セル構造と、NiO−酸素イオン導伝性の安定化ジルコニア触媒層とから構成される化学反応部の上部に網状Pt電極を有し、その上に酸素イオン導伝性の安定化ジルコニア被覆層を有すること、を好ましい実施の態様としている。 Further, in the present invention, by applying an electric field to the electrochemical reactor, the increase in surface area due to the metal fine particles generated by reduction of the metal oxide disposed inside the electrode material improves the decomposition performance of the substance to be treated. Forming a microstructure, a basic cell structure having a stabilized zirconia electrode of Pt + oxygen ion conductivity and a stabilized zirconia electrolyte of oxygen ion conductivity, a stabilized zirconia catalyst layer of NiO-oxygen ion conductivity, It is a preferred embodiment that a reticulated Pt electrode is provided on the upper part of the chemical reaction portion composed of the above, and a stabilized zirconia coating layer having oxygen ion conductivity is provided thereon.
本発明の実施の形態としては、電気化学素子は、図1に示すように、窒素酸化物を選択還元する化学反応部、電極層及び酸素イオン伝導性を有する固体電解質層で構成される。 As an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, the electrochemical element is composed of a chemical reaction part for selectively reducing nitrogen oxides, an electrode layer, and a solid electrolyte layer having oxygen ion conductivity.
窒素酸化物の浄化に関する一般的なメカニズムは、まず、電気化学素子への通電により、電極層からの電子供与を生起し、それにより窒素酸化物をイオン化する。窒素原子は、その場で分子となり放出される。生成した酸素イオンは、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層内を拡散して反対側の電極層にて酸素分子として排出する。この反応が連続して起こることにより、窒素酸化物を窒素と酸素へ分解浄化する。 The general mechanism for purifying nitrogen oxides is to first generate electrons from the electrode layer by energizing the electrochemical device, thereby ionizing the nitrogen oxides. Nitrogen atoms are released as molecules on the spot. The generated oxygen ions diffuse in the solid electrolyte layer having oxygen ion conductivity and are discharged as oxygen molecules at the opposite electrode layer. As this reaction occurs continuously, nitrogen oxides are decomposed and purified into nitrogen and oxygen.
しかしながら、一般的に、ディーゼルエンジンの排ガス中には、数%以上の酸素が存在するため、共存している酸素が、優先的にカソード電極部においてイオン化されて、固体電解質中を流れるため、窒素酸化物を分解するには、ある程度以上の電流を流す必要がある。 However, in general, exhaust gas from a diesel engine has oxygen of several percent or more, so the coexisting oxygen is preferentially ionized at the cathode electrode part and flows through the solid electrolyte. In order to decompose the oxide, it is necessary to pass a certain current or more.
上記の固体電解質型電気化学素子の電流効率は、最大でも10%程度である。排ガス中の窒素酸化物と酸素の濃度比が数十〜千倍であることを考慮すれば、非常に高い窒素酸化物選択性であるが、90%程度の電流が余剰酸素のポンピングに使用されている事実は、大きな消費電力の必要性を意味するため、実用化には大きな障害となる。 The current efficiency of the above solid electrolyte type electrochemical device is about 10% at the maximum. Considering that the concentration ratio of nitrogen oxides and oxygen in exhaust gas is several tens to thousands times, it is very high nitrogen oxide selectivity, but about 90% of the current is used for pumping excess oxygen. The fact that it means the need for large power consumption, is a big obstacle to practical use.
更に、図2に示す既出特許(特開2003−33646)のような固体電解質型電気化学素子では、電圧の揺らぎや酸化性ガスの瞬間的な枯渇によって、窒素酸化物の選択浄化を行なう化学反応部内のNiOが過剰な還元を受け、大きな空孔が形成される。空孔が形成されると、上記電気化学素子では、未浄化ガスが化学浄化部の下に配置された電極部へ浸透し、酸素の分解が優勢に起こり易くなり、電気化学素子の窒素酸化物に対する浄化効率が低下するという問題を有していた。このため、実際の作動には、雰囲気ガスの濃度に合わせて電圧印加を高度に制御する必要が生じた。 Furthermore, in a solid electrolyte type electrochemical device such as the already disclosed patent (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-33646) shown in FIG. 2, a chemical reaction that selectively purifies nitrogen oxides by voltage fluctuations or instantaneous depletion of oxidizing gas. NiO in the part undergoes excessive reduction, and large vacancies are formed. When the pores are formed, in the electrochemical element, the unpurified gas penetrates into the electrode part disposed below the chemical purification part, and oxygen is easily decomposed, and the nitrogen oxide of the electrochemical element There was a problem that the purification efficiency against the decrease. For this reason, in actual operation, it is necessary to highly control the voltage application in accordance with the concentration of the atmospheric gas.
そこで、本発明者らは、化学反応部内のNiOが過剰な還元を受けることによっても、浄化効率が低下しない電極配置を検討した。その結果、網状の電極を化学反応部の上部に配置することで、意識的に酸素分解活性の高い電極―固体電界質界面を電気化学素子内部のより抵抗が高い部位に構成し、化学反応部内の構造が劣化しても窒素酸化物分解効率を維持することに成功した。 Therefore, the present inventors examined an electrode arrangement in which the purification efficiency does not decrease even when NiO in the chemical reaction section undergoes excessive reduction. As a result, by placing the mesh electrode on the upper part of the chemical reaction part, an electrode-solid electrolyte interface with a high oxygen decomposition activity is consciously formed in a part with higher resistance inside the electrochemical element, We succeeded in maintaining the decomposition efficiency of nitrogen oxides even if the structure of the material deteriorates.
更に、この電極構造の変化によって、セルの抵抗が上昇するが、これを低減する方法として、化学反応部のNiOへのLi添加による半導体化を検討した。その結果、0〜1mol%程度のLiをNiOへ添加することにより、化学反応部における電子抵抗の増加を低減し、窒素酸化物の浄化効率を向上させることに成功した。 Further, the resistance of the cell increases due to the change in the electrode structure. As a method for reducing this, the study of semiconductor formation by adding Li to NiO in the chemical reaction part was examined. As a result, by adding about 0 to 1 mol% of Li to NiO, the increase in the electronic resistance in the chemical reaction part was reduced, and the purification efficiency of nitrogen oxides was successfully improved.
本発明の電気化学素子は、イオン伝導体及び電極より構成される基本セル構造を有し、電極上に化学反応部を配置した電気化学リアクターにおいて、該化学反応部の上部に網状電極を形成したことを基本構成としている。本発明の電気化学素子では、電気化学素子の化学反応部の上部に網状電極を形成することにより、内燃機関の排ガス中の窒素酸化物を、窒素酸化物浄化処理部である反応電極において、効率的かつ安定的に浄化することが可能となる。 The electrochemical device of the present invention has a basic cell structure composed of an ion conductor and an electrode, and in an electrochemical reactor in which a chemical reaction part is arranged on the electrode, a mesh electrode is formed on the upper part of the chemical reaction part. This is the basic configuration. In the electrochemical element of the present invention, a network electrode is formed on the upper part of the chemical reaction part of the electrochemical element, so that nitrogen oxide in the exhaust gas of the internal combustion engine can be efficiently converted into the reaction electrode as the nitrogen oxide purification treatment part. And stable purification.
従来、化学反応部の高温焼成の必要性から、電極には白金が使用されてきたが、網状電極では、その電極配置によって低温焼成が可能となることから、白金の他、金属及び電子伝導性酸化物材料等の使用が可能である。 Conventionally, platinum has been used for electrodes because of the necessity of high-temperature firing in the chemical reaction part. However, in the case of mesh electrodes, low-temperature firing is possible depending on the arrangement of the electrodes. An oxide material or the like can be used.
網状電極の形状は、面内方向の抵抗値が1Ωcm程度以下となる形状で、より抵抗値が低い方が望ましい。理想的には、電極の線幅50ミクロン程度で、網状である線と線の間隔が1mm〜1.5mm程度である。電極の線幅は広くても構わないが、低抵抗化のために電極の線幅を広くすると、白金の使用量が多くなり、コスト高となる。 The shape of the mesh electrode is such that the resistance value in the in-plane direction is about 1 Ωcm or less, and it is desirable that the resistance value is lower. Ideally, the line width of the electrode is about 50 microns, and the distance between the net-like lines is about 1 mm to 1.5 mm. The line width of the electrode may be wide, but if the line width of the electrode is widened to reduce resistance, the amount of platinum used increases and the cost increases.
また、線ごとの間隔を1mmよりも狭くすることも可能であるが、電極−固体電解質界面の面積が増大するために、浄化効率が低減する。逆に、線ごとの間隔が1.5mm以上であると、電極間の中間地点までの化学反応部内の電子抵抗が高くなり、化学反応部の面内方向での還元状態に大きな分布を生じ、性能が十分に発揮されない。 Moreover, although it is possible to make the space | interval for every line narrower than 1 mm, since the area of an electrode-solid electrolyte interface increases, purification efficiency reduces. On the contrary, when the distance between the lines is 1.5 mm or more, the electronic resistance in the chemical reaction part to the intermediate point between the electrodes is increased, and a large distribution is generated in the reduction state in the in-plane direction of the chemical reaction part, Performance is not fully demonstrated.
化学反応部のNiOへのLi添加量は、後記する実施例(図5)に示したように、0.3〜0.75mol%の間で、浄化効率が最大となる。NiOの抵抗値は、Li添加量の増加に比例して低下するが、浄化効率は抵抗率のみに比例して増加することはなく、添加量0.5mol%程度で最大効率となり、添加量0.3〜0.75mol%の範囲で高い浄化効率を示す。そして、添加量0.75mol%以上では添加の効果が小さいことが判明した。 The amount of Li added to NiO in the chemical reaction part has a maximum purification efficiency between 0.3 and 0.75 mol%, as shown in an example (FIG. 5) described later. The resistance value of NiO decreases in proportion to the increase in the amount of Li added, but the purification efficiency does not increase in proportion to the resistivity alone, and the maximum efficiency is reached at an addition amount of about 0.5 mol%, and the addition amount is 0 High purification efficiency in the range of 3 to 0.75 mol%. And it became clear that the effect of addition was small when the addition amount was 0.75 mol% or more.
従来の固体電解質型電気化学素子では、電圧の揺らぎや酸化性ガスの瞬間的な枯渇によって、窒素酸化物の選択浄化を行う化学反応部内のNiOが過剰な還元を受け、大きな空孔が形成され、未浄化ガスが化学浄化部の下に配置された電極部へ浸透し、酸素の分解が優勢に起こり易くなり、電気化学素子の窒素酸化物に対する浄化効率が低下するという問題があった。 In the conventional solid electrolyte type electrochemical device, NiO in the chemical reaction part that selectively purifies nitrogen oxides undergoes excessive reduction due to fluctuations in voltage and instantaneous depletion of oxidizing gas, and large vacancies are formed. However, the unpurified gas permeates into the electrode part disposed below the chemical purification part, so that oxygen is easily decomposed, and the purification efficiency of the electrochemical element with respect to nitrogen oxides is reduced.
これに対して、本発明では、網状の電極を化学反応部の上部に配置することで、酸素分解活性の高い電極−固体電解面を電気化学素子内部のより抵抗が高い部位に構成し、化学反応部内の構造が劣化しても窒素酸化物分解効率を維持することを可能にして、少ない消費電力で安定に、高効率かつ連続的に、窒素酸化物を浄化処理することを実現したものである。 On the other hand, in the present invention, a reticulated electrode is arranged on the upper part of the chemical reaction part, so that an electrode having a high oxygen decomposition activity-solid electrolytic surface is formed in a portion having a higher resistance inside the electrochemical element, It is possible to maintain the nitrogen oxide decomposition efficiency even if the structure in the reaction section deteriorates, and realizes the purification process of nitrogen oxide stably, efficiently and with low power consumption. is there.
本発明により、次のような効果が奏される。
(1)被処理物質の化学反応を妨害する酸素が過剰に存在する場合においても、浄化素子の作動を安定化でき、従来技術に比べて少ない消費電力で高効率かつ連続的に、窒素酸化物を浄化処理することが可能な新しい電気化学リアクターを提供することができる。
(2)化学反応部内のNiO等の金属酸化物が過剰な還元を受けることによっても、浄化効率が低下しない電極配置を有する電気化学リアクターを提供することができる。
(3)化学反応部のNiOへのLi等の添加による半導体化を行うことにより、化学反応部における電子抵抗の増加を低減し、窒素酸化物の浄化効率を向上させることができる。
(4)上記化学反応部のNiOへのLi添加量を0.3〜0.75mol%の範囲とすることにより臨界的に高い浄化効率を発揮することができる。
(5)Ptの使用量を低減でき、素子の作製コストを安くすることができる。
(6)高温焼成が必要でない部分があるため、(カソードの電極)焼成プロセスでのエネルギーを削減することができる。
The present invention has the following effects.
(1) Even when there is an excessive amount of oxygen that interferes with the chemical reaction of the substance to be treated, the operation of the purification element can be stabilized, and the nitrogen oxide can be efficiently and continuously consumed with less power consumption than in the prior art. It is possible to provide a new electrochemical reactor capable of purifying water.
(2) It is possible to provide an electrochemical reactor having an electrode arrangement in which the purification efficiency does not decrease even when a metal oxide such as NiO in the chemical reaction section undergoes excessive reduction.
(3) By making semiconductor by adding Li or the like to NiO in the chemical reaction part, an increase in electronic resistance in the chemical reaction part can be reduced and the purification efficiency of nitrogen oxides can be improved.
(4) Critically high purification efficiency can be exhibited by setting the amount of Li added to NiO in the chemical reaction part in the range of 0.3 to 0.75 mol%.
(5) The amount of Pt used can be reduced, and the manufacturing cost of the element can be reduced.
(6) Since there is a portion that does not require high-temperature firing, energy in the (cathode electrode) firing process can be reduced.
次に、実施に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。以下、本発明の実施例を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る電気化学素子の模式図である。以下、被処理物質として窒素酸化物とした場合について具体的に説明する。 Next, the present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to the following examples. Examples of the present invention will be described below. FIG. 1 is a schematic view of an electrochemical device according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, the case where nitrogen oxide is used as the material to be treated will be specifically described.
図1と同様の構造を有する電気化学素子を、下記の方法により作製した。酸素イオン伝導性を有する固体電解質は、イットリア安定化ジルコニア(8mol%Y)を用い、直径20mm、厚さ0.5mmの成形体を用いた。窒素酸化物選択還元触媒層は、イットリア安定化ジルコニア(8mol%Y)と酸化ニッケルを混合したペーストを用いて、前述の成形体へスクリーン印刷にて印刷した。 An electrochemical device having the same structure as that shown in FIG. 1 was produced by the following method. As a solid electrolyte having oxygen ion conductivity, yttria-stabilized zirconia (8 mol% Y) was used, and a molded body having a diameter of 20 mm and a thickness of 0.5 mm was used. The nitrogen oxide selective reduction catalyst layer was printed on the above-described molded article by screen printing using a paste in which yttria-stabilized zirconia (8 mol% Y) and nickel oxide were mixed.
電極は、窒素酸化物浄化側には白金とイットリア安定化ジルコニアの混合物を、窒素酸化物選択還元触媒層側には線幅50ミクロン、線間隔1.25mmの網状電極を、酸素排出側にはベタ塗りの形状にて前記成形体の両面にスクリーン印刷にてそれぞれ印刷した。 The electrode is a mixture of platinum and yttria-stabilized zirconia on the nitrogen oxide purification side, a mesh electrode having a line width of 50 microns and a line interval of 1.25 mm on the nitrogen oxide selective reduction catalyst layer side, and an oxygen exhaust side. Each of the molded bodies was printed by screen printing in a solid coating shape.
電極を形成したものに、更にYSZペーストを用いて成形体の窒素酸化物浄化層側へ被覆層をスクリーン印刷にて形成した。その成形体を1400℃で2時間焼成した物の両電極に白金線を接続し、直流電源へと接続した。 A coating layer was further formed by screen printing on the nitrogen oxide purification layer side of the formed body using the YSZ paste on the electrode. A platinum wire was connected to both electrodes of a product obtained by firing the molded body at 1400 ° C. for 2 hours and connected to a DC power source.
(比較例1)
図2と同様の構造を有する素子構造改善前の素子を、下記の方法により作製した。酸素イオン伝導性を有する固体電解質は、イットリア安定化ジルコニア(8mol%Y)を用い、直径20mm、厚さ0.5mmの成形体を用いた。電極に、白金とイットリア安定化ジルコニアの混合物ペーストを前記成形体の両面にスクリーン印刷にて印刷した。
(Comparative Example 1)
A device having the same structure as that of FIG. 2 and having an improved device structure was manufactured by the following method. As a solid electrolyte having oxygen ion conductivity, yttria-stabilized zirconia (8 mol% Y) was used, and a molded body having a diameter of 20 mm and a thickness of 0.5 mm was used. A mixture paste of platinum and yttria-stabilized zirconia was printed on the electrodes by screen printing on both sides of the molded body.
その後、窒素酸化物選択還元触媒層として、イットリア安定化ジルコニア(8mol%Y)と酸化ニッケルを混合したペーストを用いて、前述の成形体の電極上面にスクリーン印刷にて印刷した。更にYSZペーストを用いて成形体の窒素酸化物浄化層上部に被覆層をスクリーン印刷にて形成した。その成形体を1400℃で2時間焼成した物の両電極に白金線を接続し、直流電源へと接続した。 Thereafter, a paste obtained by mixing yttria-stabilized zirconia (8 mol% Y) and nickel oxide was used as a nitrogen oxide selective reduction catalyst layer, and was printed on the upper surface of the electrode of the above-described molded article by screen printing. Further, a coating layer was formed by screen printing on the nitrogen oxide purification layer of the compact using a YSZ paste. A platinum wire was connected to both electrodes of a product obtained by firing the molded body at 1400 ° C. for 2 hours and connected to a DC power source.
実験に用いた電気化学素子の窒素酸化物浄化層に含まれるNiOにLiを添加した以外は実施例1と同じ手順で電気化学素子を作製した。NiO粉末に対して0.25mol%の硝酸リチウムをエタノールで溶解し、NiO粉末と混ぜ、エタノールを分散媒として24時間ボールミルした後、ロータリーエバポレーターで濃縮・乾燥の後、900℃で2時間焼成を行い、これを粉砕して、Li添加NiOの粉末を得た。 An electrochemical device was produced in the same procedure as in Example 1 except that Li was added to NiO contained in the nitrogen oxide purification layer of the electrochemical device used in the experiment. 0.25 mol% of lithium nitrate is dissolved in ethanol with NiO powder, mixed with NiO powder, ball milled for 24 hours using ethanol as a dispersion medium, concentrated and dried with a rotary evaporator, and then fired at 900 ° C for 2 hours. This was pulverized to obtain Li-added NiO powder.
この粉末とイットリア安定化ジルコニア(8mol%Y)をポリエチレングリコールを用いて混合し、スラリーを得た。このスラリーを上記成形体の窒素酸化物選択還元触媒層として塗布し、実施例1と同様の手順により電気化学素子を得た。 This powder and yttria-stabilized zirconia (8 mol% Y) were mixed using polyethylene glycol to obtain a slurry. This slurry was applied as a nitrogen oxide selective reduction catalyst layer of the molded body, and an electrochemical device was obtained by the same procedure as in Example 1.
実験に用いた電気化学素子のLi添加量を変えた以外は実施例2と同じとした。NiO粉末に対して0.5mol%の硝酸リチウムをエタノールで溶解し、NiO粉末と混ぜ、エタノールを分散媒として24時間ボールミルした後、ロータリーエバポレーターで濃縮・乾燥の後、900℃で2時間焼成を行い、これを粉砕して、Li添加NiOの粉末を得た。 Example 2 was the same as Example 2 except that the amount of Li added to the electrochemical device used in the experiment was changed. 0.5 mol% lithium nitrate is dissolved in ethanol with NiO powder, mixed with NiO powder, ball milled for 24 hours using ethanol as a dispersion medium, concentrated and dried with a rotary evaporator, and then fired at 900 ° C for 2 hours. This was pulverized to obtain Li-added NiO powder.
この粉末とイットリア安定化ジルコニア(8mol%Y)をポリエチレングリコールを用いて混合し、スラリーを得た。このスラリーを上記成形体の窒素酸化物選択還元触媒層として塗布し、実施例1と同様の手順により電気化学素子を得た。 This powder and yttria-stabilized zirconia (8 mol% Y) were mixed using polyethylene glycol to obtain a slurry. This slurry was applied as a nitrogen oxide selective reduction catalyst layer of the molded body, and an electrochemical device was obtained by the same procedure as in Example 1.
実験に用いた電気化学素子のLi添加量を変えた以外は実施例2と同じとした。NiO粉末に対して0.75mol%の硝酸リチウムをエタノールで溶解し、NiO粉末と混ぜ、エタノールを分散媒として24時間ボールミルした後、ロータリーエバポレーターで濃縮・乾燥の後、900℃で2時間焼成を行い、これを粉砕して、Li添加NiOの粉末を得た。 Example 2 was the same as Example 2 except that the amount of Li added to the electrochemical device used in the experiment was changed. 0.75 mol% lithium nitrate is dissolved in ethanol with NiO powder, mixed with NiO powder, ball milled for 24 hours using ethanol as a dispersion medium, concentrated and dried with a rotary evaporator, and then fired at 900 ° C for 2 hours. This was pulverized to obtain Li-added NiO powder.
この粉末とイットリア安定化ジルコニア(8mol%Y)をポリエチレングリコールを用いて混合し、スラリーを得た。このスラリーを上記成形体の窒素酸化物選択還元触媒層として塗布し、実施例1と同様の手順により電気化学素子を得た。 This powder and yttria-stabilized zirconia (8 mol% Y) were mixed using polyethylene glycol to obtain a slurry. This slurry was applied as a nitrogen oxide selective reduction catalyst layer of the molded body, and an electrochemical device was obtained by the same procedure as in Example 1.
実験に用いた電気化学素子のLi添加量を変えた以外は実施例2と同じとした。NiO粉末に対して1.0mol%の硝酸リチウムをエタノールで溶解し、NiO粉末と混ぜ、エタノールを分散媒として24時間ボールミルした後、ロータリーエバポレーターで濃縮・乾燥の後、900℃で2時間焼成を行い、これを粉砕して、Li添加NiOの粉末を得た。 Example 2 was the same as Example 2 except that the amount of Li added to the electrochemical device used in the experiment was changed. 1.0 mol% lithium nitrate is dissolved in ethanol with NiO powder, mixed with NiO powder, ball milled for 24 hours using ethanol as a dispersion medium, concentrated and dried with a rotary evaporator, and then fired at 900 ° C for 2 hours. This was pulverized to obtain Li-added NiO powder.
この粉末とイットリア安定化ジルコニア(8mol%Y)をポリエチレングリコールを用いて混合し、スラリーを得た。このスラリーを上記成形体の窒素酸化物選択還元触媒層として塗布し、実施例1と同様の手順により電気化学素子を得た。 This powder and yttria-stabilized zirconia (8 mol% Y) were mixed using polyethylene glycol to obtain a slurry. This slurry was applied as a nitrogen oxide selective reduction catalyst layer of the molded body, and an electrochemical device was obtained by the same procedure as in Example 1.
実験に用いた電気化学素子のLi添加量を変えた以外は実施例2と同じとした。NiO粉末に対して1.5mol%の硝酸リチウムをエタノールで溶解し、NiO粉末と混ぜ、エタノールを分散媒として24時間ボールミルした後、ロータリーエバポレーターで濃縮・乾燥の後、900℃で2時間焼成を行い、これを粉砕して、Li添加NiOの粉末を得た。 Example 2 was the same as Example 2 except that the amount of Li added to the electrochemical device used in the experiment was changed. 1.5 mol% lithium nitrate is dissolved in ethanol with NiO powder, mixed with NiO powder, ball milled for 24 hours using ethanol as a dispersion medium, concentrated and dried with a rotary evaporator, and then fired at 900 ° C for 2 hours. This was pulverized to obtain Li-added NiO powder.
この粉末とイットリア安定化ジルコニア(8mol%Y)をポリエチレングリコールを用いて混合し、スラリーを得た。このスラリーを上記成形体の窒素酸化物選択還元触媒層として塗布し、実施例1と同様の手順により電気化学素子を得た。 This powder and yttria-stabilized zirconia (8 mol% Y) were mixed using polyethylene glycol to obtain a slurry. This slurry was applied as a nitrogen oxide selective reduction catalyst layer of the molded body, and an electrochemical device was obtained by the same procedure as in Example 1.
これらの電気化学素子の電極間に直流電圧を印加してNOx浄化性能の評価を行った。評価装置の模式図を図3に示す。 The direct current voltage was applied between the electrodes of these electrochemical elements to evaluate the NOx purification performance. A schematic diagram of the evaluation apparatus is shown in FIG.
(実験実施結果)
表1に示す測定条件にて実施例1及び比較例1のサンプルを用いて、作動電圧2.5Vにて窒素酸化物浄化性能の試験を行った。各電気化学素子の窒素酸化物浄化率と電気化学素子に流れる電流値を図4に示す。実施例の電気化学素子は、比較例に比べて窒素酸化物浄化の経過時間に対して安定性の向上が見られることが分かる。
(Experimental result)
Using the samples of Example 1 and Comparative Example 1 under the measurement conditions shown in Table 1, a nitrogen oxide purification performance test was performed at an operating voltage of 2.5V. FIG. 4 shows the nitrogen oxide purification rate of each electrochemical element and the value of the current flowing through the electrochemical element. It can be seen that the electrochemical elements of the examples show an improvement in stability with respect to the elapsed time of nitrogen oxide purification compared to the comparative example.
表2に示す測定条件にて実施例1〜2及び比較例2〜5のサンプルを用いて、作動電圧1.75V及び2.15Vにて窒素酸化物浄化性能の試験を行った。各電気化学素子の窒素酸化物浄化率と電気化学素子に流れる電流値を図5に示す。実施例の電気化学素子は、Liの添加により窒素酸化物の浄化が向上したことが分かる。 Using the samples of Examples 1-2 and Comparative Examples 2-5 under the measurement conditions shown in Table 2, a nitrogen oxide purification performance test was performed at operating voltages of 1.75 V and 2.15 V. FIG. 5 shows the nitrogen oxide purification rate of each electrochemical element and the current value flowing through the electrochemical element. It can be seen that the electrochemical element of the example improved the purification of nitrogen oxides by the addition of Li.
図7に、図5から計算して求めた窒素酸化物浄化の電流効率を示す。本来、図6に示すように、Liの添加量に比例してリニアに電子抵抗は減少するが、浄化効率は、電子抵抗に比例せず、Li添加量0.5mol%の時に窒素酸化物の最大となった。このように、限定的なNiOへのLi添加量は、窒素酸化物の浄化効率の向上に有効であることが分かった。 FIG. 7 shows the current efficiency of nitrogen oxide purification calculated from FIG. Originally, as shown in FIG. 6, the electronic resistance decreases linearly in proportion to the amount of Li added, but the purification efficiency is not proportional to the electronic resistance, and when the amount of Li added is 0.5 mol%, the nitrogen oxides It became the maximum. Thus, it was found that the limited amount of Li added to NiO is effective in improving the purification efficiency of nitrogen oxides.
以上詳述したように、本発明は、安定かつ高効率作動用の電極を有する電気化学リアクターに係るものであり、本発明により、排ガス中の窒素酸化物を浄化する際に、排ガス中に共存する酸素分子が電気化学リアクターの反応表面に吸着して反応性が低下することに対し、従来技術に比べて少ない消費電力で安定に、高効率かつ連続的に、窒素酸化物を浄化処理することが可能な新しい電気化学リアクターを提供することができる。本発明は、排ガス中に過剰な酸素が共存する場合においても、電気化学素子反応電極において、窒素酸化物の浄化に必要な電力を低減及び安定作動させることを可能とする電気化学リアクターを提供するものである。更に、本発明は、燃焼排ガス中の窒素酸化物に対する選択性を向上させることにより、少ない消費電力での高効率な窒素酸化物の浄化を達成し、雰囲気の変化や作動条件の変動に対して安定した作動を行える電気化学素子を提供するものとして有用である。 As described in detail above, the present invention relates to an electrochemical reactor having an electrode for stable and high-efficiency operation. When purifying nitrogen oxides in exhaust gas according to the present invention, the present invention coexists in the exhaust gas. Oxygen molecules to be adsorbed on the reaction surface of the electrochemical reactor, resulting in a decrease in reactivity, while purifying nitrogen oxides stably, efficiently, and with less power consumption compared to conventional technologies It is possible to provide a new electrochemical reactor capable of. The present invention provides an electrochemical reactor capable of reducing and stably operating electric power required for purifying nitrogen oxides in an electrochemical element reaction electrode even when excess oxygen coexists in exhaust gas. Is. Furthermore, the present invention achieves high-efficiency purification of nitrogen oxides with low power consumption by improving the selectivity for nitrogen oxides in combustion exhaust gas. This is useful for providing an electrochemical device capable of stable operation.
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WO2014136792A1 (en) | 2013-03-06 | 2014-09-12 | 一般財団法人ファインセラミックスセンター | Nitrogen oxide decomposition material and use thereof |
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