JP2013078721A - 窒素酸化物分解電極及びその利用 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】以下の要素;(a)固体電解質12、(b)ABO3で表されるペロブスカイト型酸化物を含むNOx分解触媒相16を有し、NOx含有ガスに暴露される第1の電極14、及び(c)前記固体電解質12を介して前記第1の電極と対向され前記NOx含有ガスと遮断されて配置される第2の電極18とを有する電気化学セルを備え、前記第1の電極14は、前記Aは、La、Sr、Mg、Ca及びBaからなる群から選択される1種又は2以上であり、前記Bは、Al、Ni、Fe、Co、Mn、Cr及びCuからなる群から選択される1種又は2種以上を表す前記ペロブスカイト型酸化物を主体とする窒素酸化物分解触媒相16を含み、前記第1の電極14は、前記固体電解質12と前記NOx含有ガスとの接触を遮断する分解装置2とする。
【選択図】図2
Description
以下の要素;
(a)固体電解質、
(b)ABO3で表されるペロブスカイト型酸化物を含むNOx分解触媒相を有し、NOx含有ガスに暴露される第1の電極、及び
(c)前記固体電解質を介して前記第1の電極と対向され前記NOx含有ガスと遮断されて配置される第2の電極と、
を有する電気化学セル、
を備え、
前記第1の電極は、前記Aは、La、Sr、Mg、Ca及びBaからなる群から選択される1種又は2以上であり、、前記Bは、Al、Ni、Fe、Co、Mn、Cr及びCuからなる群から選択される1種又は2種以上を表す前記ペロブスカイト型酸化物を主体とする窒素酸化物分解触媒相を含み、
前記第1の電極は、前記固体電解質と前記NOx含有ガスとの接触を遮断する、分解装置。
(2)前記NOx分解触媒相が前記固体電解質と前記NOx含有ガスとの接触を遮断し、その厚みが0.5μm以上50μm以下である、(1)に記載の分解装置。
(3)相前記第1の電極は、前記AはLaを少なくとも含んで、Sr、Mg、Ca及びBaから選択される1種又は2種以上を表す前記ペロブスカイト型酸化物を主体とする窒素酸化物分解触媒相を含む、(1)又は(2)記載の分解装置。
(4)前記第1の電極は、NOx分解触媒相からなる、(1)〜(3)のいずれかに記載の分解装置。
(5)前記第1の電極は、酸素濃度が制御されていない前記NOx含有ガスに暴露可能に構成されている、(1)〜(4)のいずれかに記載の分解装置。
(6)さらに、前記電気化学セルの温度を400℃以上800℃以下の所定の温度に制御する温度制御手段を備える、(1)〜(5)のいずれかに記載の分解装置。
(7)(1)〜(6)のいずれかに記載のNOx分解装置を用いるNOx含有ガス中のNOx分解方法であって、
前記電気化学セルの前記第1の電極をNOx含有ガスに暴露させた状態で、前記分解装置の前記第1の電極及び第2の電極に所定の電圧を印加して前記NOx含有ガス中のNOxを分解する分解工程、を備える、方法。
(8)前記分解工程は、前記電気化学セルを400℃以上800℃以下の所定の温度で実施する、(7)記載の方法。
本発明のNOx分解装置2は、電気化学セル10を備えることができる。電気化学セル10は、固体電解質12と固体電解質12を挟んで対向する少なくとも一組の第1の電極14と第2の電極18とを備えている。
(固体電解質)
固体電解質12は、酸素イオン伝導性を有するものであれば特に制限なく使用することができる。固体電解質12としては、例えば、ジルコニア系固体電解質(典型的にはZrO2−M2O3固溶体又はZrO2−MO固溶体:ここでMはY,Yb,Gd,Ca又はMgであることが好ましい)、セリア系固体電解質(典型的にはCeO2−M2O3固溶体又はCeO2−M固溶体:ここでMはY又はSmであることが好ましい)、酸化ビスマス系固体電解質(典型的にはBi2O3−WO3固溶体)、あるいはぺロブスカイト型構造のLaGaO3系化合物が挙げられる。自動車等の内燃機関(エンジン)からの排ガスをNOx含有ガスとした場合の安定性と酸素イオン伝導性の観点からジルコニア系固体電解質が好ましい。なかでも、全体の3〜10mol%となる量のイットリア、マグネシア又はカルシアが固溶した安定化ジルコニアが特に好ましい。
第1の電極14は、固体電解質12に接して(密着して)備えられている。第1の電極14は、NOxを分解するための分解極として機能する。第1の電極14は、酸素イオン伝導性と電子伝導性との双方を有し、かつ、NOx分解触媒活性を有している1種又は2種以上の材料からなるNOx分解触媒相16(以下、単に触媒相16という。)を有している。第1の電極は、好ましくは触媒相16からなり、NOx含有ガスに暴露される表層に何ら被覆層を有しない。こうした触媒相16は、例えば、2種類以上の材料を用いて構成してもよいが、好ましくは、単一材料でこれらを充足する材料を用いて構成する。このような材料を用いることで、高選択的でかつ高い応答性でNOxを分解できる。すなわち、触媒相16は、例えば、酸素イオン伝導性材料と電子伝導性材料とNOx分解触媒活性材料とから形成されていてもよいが、好ましくはペロブスカイト型酸化物を有し、より好ましくは、ペロブスカイト型酸化物を主体とし、さらに好ましくは実質的にペロブスカイト型酸化物からなる。かかるペロブスカイト型酸化物は、酸素イオン伝導性と電子伝導性との双方を有し、かつ、NOx分解触媒活性を有している。第1の電極14がこうしたペロブスカイト型酸化物を含む触媒相16を有していることで、第1の電極14がNOx含有ガスに暴露され、電気化学セル10に電圧が印加され第1の電極14に電子が流入されるとき、以下の事象が生じる。
(2)NOx含有ガスに暴露された触媒相16は吸着しているNOxを優先的に電子と反応させ還元(分解)する。この還元によって生じた混合導電性であるO2-は触媒相16を拡散し、さらに、酸素イオン伝導性の固体電解質12に到達し、拡散し、第2の電極18に到達する。
第2の電極18は、固体電解質12を介して第1の電極14と対向するように固体電解質12に接して(密着して)備えられている。第2の電極18は、分解極としての第1の電極14の対極であり、基準電極又は参照電極として機能する。第2の電極18は、電子伝導性であれば足り、その構成材料は特に限定されない。電子伝導性材料としては、白金族元素に属する貴金属(典型的にはPt、Pd、Rh)、それ以外の貴金属(典型的にはAu、Ag)、高導電性の卑金属(例えばNi)が挙げられる。また、それらのいずれかの金属をベースとする合金(例えばPt−Rh、Pt−Irなど)が挙げられる。さらに、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化銅、ランタンマンガンナイト、ランタンコバルタイト、ランタンクロマイト等の金属酸化物も挙げられる。第2の電極18は、こうした電子伝導性材料の1種又は2種以上を含むことができる。また、第2の電極18は、酸素イオン伝導性材料を含んでいてもよい。酸素イオン伝導材料としては、固体電解質12に使用するのと同様の材料を使用することができる。例えば、イットリア又は酸化スカンジウムで安定化したジルコニアや酸化ガドリニウム又は酸化サマリウムで安定化したセリア、ランタンガレイト等が挙げられる。第2の電極18の電子伝導性や固体電解質12との密着性とのバランス等を考慮すると、第2の電極18の酸素イオン伝導性材料は、当該極18の全体の質量の0質量%超10質量%以下の範囲とすることが好ましく、より好ましくは1質量%以上5質量%以下である。
電気化学セル10は、固体電解質12、第1の電極14及び第2の電極18から常法に従い作製される。例えば、電気化学セル10は、電解質支持型あるいは電極支持型等とすることができる。電解質支持型の場合、典型的には、焼成後あるいは焼成前の固体電解質12上の一方の面に、それぞれ第1の電極14用の組成物をスクリーン印刷等により付与した上で、焼成することで、固体電解質12と第1の電極14との積層体を形成することができる。同様にして、第2の電極18等を固体電解質12に対して形成できる。電気化学セル10は、NOx分解装置の態様に応じて、種々の態様で使用されるが、いずれの態様においても、第1の電極14は、NOx含有ガスに暴露されるように構成される。
本発明のNOx分解装置2は、種々のNOx分解態様を採り得る。典型的には、固体電解質電界質12の酸素イオン伝導性を発揮させる程度の温度の雰囲気下で、第1の電極14と第2の電極18に電圧を印加して、第1の電極14をNOx含有ガスに暴露して、直接NOx含有ガス中のNOxを分解する態様が挙げられる。
本発明のNOxの分解方法は、本発明のNOx分解装置を用いる以下のNOx分解工程を備えることができる。すなわち、電気化学セル10の第1の電極14をNOx含有ガスに暴露させた状態で、第1の電極14及び第2の電極18に所定の電圧を印加してNOx含有ガス中のNOxを分解する検知工程、を備えることができる。
YSZ粉末(8mol%のY2O3を固溶させたジルコニア、東ソー株式会社製)を直径10mmの錠剤成型器を用いて一軸加圧成形後、冷間等方圧加圧(CIP)し、大気雰囲気下1530℃で2時間焼成することで直径約9mm、厚さ1mmのペレットを作製した。
次いで、作製したペレットの片面にα−テルピネオールにペロブスカイト型酸化物(La0.8Sr0.2MnO3)混ぜ込んだペーストを直径7mmのスクリーンを用いて印刷した。また、ペレット反対面には白金ペースト(TR7095、田中貴金属株式会社製)を直径3mmのスクリーンを用いて印刷した。この後、これを大気中1000℃で2時間焼成し、分解極(第1の電極)及び対極(第2の電極)を形成し、電気化学セルとした。分解極の厚みは、5μmとするとともに、固体電解質とNOx含有ガスとの接触を遮断できるようにした。
得られた電気化学セルの分解極表面に、図2に示す態様でPt線をPtペースト(TR7905、田中貴金属株式会社製)で接合し、大気中、1000℃で2時間焼き付けて、集電体及びリード線を付設した。
分解極と対極とをNOx含有ガスに対して区画するための隔壁としてマグネシア管(MgO、外径×内径×長さ=6mm×4mm×350mm)を用いた。マグネシア管を、図2に例示するような形態で、検知極と対極とが異なるガス雰囲気にさらされるように無機系接着剤を用いて電気化学セルに接合し、直接分解型NOx分解装置とした。
ベースガス及びNOx含有ガスを準備した。ベースガスは、空気組成を模倣した合成空気とし、NOx含有ガスは、500ppmのNO2をベースガスで希釈して調製した。これらのガスは、純酸素(O2)、純窒素(N2)、1000ppm二酸化窒素(NO2、純窒素と1000ppm(0.1%)のNO2の混合ガス)のガスボンベを用いてマスフローメーターを用い、それぞれのボンベ流量を調整することで濃度を調節して準備した。
作製したNOx分解装置を、図3に例示する態様で、フランジ付きのガラス管の中に入れ、ベースガスをを流し、その後、NOx含有ガスに切り替えて流通させ、ガスの流通にあたり、ポテンシオスタットを用いて分解極と対極との間に電位差を印加し、電流値を読み取った。なお、ガスの流通は、ヒーターを用いて500℃に昇温した状態で行い、流速はマスフローメーターを用いて100cm3/分、印加電位差は0〜50mVとした。
結果を図4に示す。図4に示すように、NOx含有ガスを供給すると、NOx分解電流値は、ベースガス供給時に比べて約10倍となり、電力消費効率は93.4%を示した。また、上記条件及び得られた電流値によれば、5μAの分解電流が得られたことがわかった。このNOx分解条件及び結果を、典型的な排ガス(2000ccエンジン、2m3/分、500ppmNO)を500cm2の電極面積を有する電気化学セルで分解した場合に適用する、NOの分解率を算出した。その結果、本発明の電気化学セルによると、上記典型的な排ガス中の98.8%のNOを分解浄化可能であることがわかった。
Claims (8)
- NOx分解装置であって、
以下の要素;
(a)固体電解質、
(b)ABO3で表されるペロブスカイト型酸化物を含むNOx分解触媒相を有し、NOx含有ガスに暴露される第1の電極、及び
(c)前記固体電解質を介して前記第1の電極と対向され前記NOx含有ガスと遮断されて配置される第2の電極と、
を有する電気化学セル、
を備え、
前記第1の電極は、前記Aは、La、Sr、Mg、Ca及びBaからなる群から選択される1種又は2以上であり、、前記Bは、Al、Ni、Fe、Co、Mn、Cr及びCuからなる群から選択される1種又は2種以上を表す前記ペロブスカイト型酸化物を主体とする窒素酸化物分解触媒相を含み、
前記第1の電極は、前記固体電解質と前記NOx含有ガスとの接触を遮断する、分解装置。 - 前記NOx分解触媒相が前記固体電解質と前記NOx含有ガスとの接触を遮断し、その厚みが0.5μm以上50μm以下である、請求項1に記載の分解装置。
- 前記第1の電極は、前記AはLaを少なくとも含んで、Sr、Mg、Ca及びBaから選択される1種又は2種以上を表す前記ペロブスカイト型酸化物を主体とする窒素酸化物分解触媒相を含む、請求項1又は2に記載の分解装置。
- 前記第1の電極は、NOx分解触媒相からなる、請求項1〜3のいずれかに記載の分解装置。
- 前記第1の電極は、酸素濃度が制御されていない前記NOx含有ガスに暴露可能に構成されている、請求項1〜4のいずれかに記載の分解装置。
- さらに、前記電気化学セルの温度を400℃以上800℃以下の所定の温度に制御する温度制御手段を備える、請求項1〜5のいずれかに記載の分解装置。
- 請求項1〜6のいずれかに記載のNOx分解装置を用いるNOx含有ガス中のNOx分解方法であって、
前記電気化学セルの前記第1の電極をNOx含有ガスに暴露させた状態で、前記分解装置の前記第1の電極及び第2の電極に所定の電圧を印加して前記NOx含有ガス中のNOxを分解する分解工程、を備える、方法。 - 前記分解工程は、前記電気化学セルを400℃以上800℃以下の所定の温度で実施する、請求項7に記載の方法。
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