JP2022189523A - NOx PURIFICATION DEVICE AND NOx PURIFICATION METHOD WITH USE THEREOF - Google Patents

NOx PURIFICATION DEVICE AND NOx PURIFICATION METHOD WITH USE THEREOF Download PDF

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千和 加藤
Yukikazu Kato
雄二 ▲榊▼原
Yuji Sakakibara
美穂 畑中
Yoshio Hatanaka
豪 濱口
Takeshi Hamaguchi
哲哉 佐久間
Tetsuya Sakuma
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Abstract

To provide a NOx purification device which can decompose and remove NOx to N2 with high purification rate even at low temperatures near room temperature.SOLUTION: A NOx purification device comprises: an electrochemical cell 4 having a solid electrolyte 1, an anode electrode film 2 located on face of the solid electrolyte 1, and a cathode electrode film 3 located on the other face of the solid electrolyte 1; an electrification device 5 which is electrically connected to the anode electrode film 2 and the cathode electrode film 3; and a N2O decomposition catalyst located on a downstream side of the electrochemical cell 4. The N2O decomposition catalyst contains a metal oxide carrier, and at least one kind of noble metal which is carried on the metal oxide carrier and is selected from a group comprising Pd and Rh. An anode side incoming gas passage 7a for supplying first incoming gas to the anode electrode film 2, and a cathode side incoming gas passage 8a for supplying second incoming gas to the cathode electrode film 3 are independently provided, and only a cathode side outgoing gas passage 8b is connected to the N2O decomposition catalyst.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、NOx浄化装置及びそれを用いたNOx浄化方法に関し、より詳しくは、水の電気分解を利用したNOx浄化装置及びNOx浄化方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a NOx purification device and a NOx purification method using the same, and more particularly to a NOx purification device and NOx purification method using electrolysis of water.

近年、電気化学素子に電圧を印加することによりNOxを浄化させる方法が研究されてきた。また、このような方法に用いられるNOx浄化装置としては、様々な構成の装置が開示されている。 In recent years, research has been conducted on a method of purifying NOx by applying a voltage to an electrochemical element. Further, devices with various configurations have been disclosed as NOx purifiers used in such a method.

例えば、特開2020-110761号公報(特許文献1)には、固体電解質と、前記固体電解質の一方の面上に配置されたアノード電極膜と、前記アノード電極膜と対向するように前記固体電解質の他方の面上に配置されたカソード電極膜と、前記アノード電極膜及び前記カソード電極膜に電気的に接続された通電装置と、を備えているNOx浄化装置、並びに、前記アノード電極膜と前記カソード電極膜との間に電圧を印加しながら、NOx及び水分を含む排ガスを前記NOx浄化装置に導入することによって、前記アノード電極膜上で前記排ガス中の水分を電気分解して水素イオンを生成させ、前記カソード電極膜上で前記水素イオンを前記排ガス中のNOxと反応させてNOxを除去するNOx浄化方法が開示されている。この方法では、特許文献1にも記載されているように、カソード電極膜上において、NOxが水素イオン(H)と反応して窒素分子(N)と水分子(HO)に還元分解される。この還元分解反応は、NOxが解離して生成する窒素原子(N)同士が反応することによって進行するが、窒素原子(N)同士の反応は室温付近の温度では進行しにくい(反応速度が遅い)ため、NOxが解離して生成した窒素原子(N)はNOxと反応しやすく、一酸化二窒素(NO)が生成しやすい。この一酸化二窒素(NO)は水素イオン(H)と反応して窒素分子(N)と水分子(HO)に還元分解されるものの、この還元分解反応も室温付近の温度では進行しにくい(反応速度が遅い)ため、特許文献1に記載の方法では、高いNOx浄化率は達成されるものの、一酸化二窒素(NO)が残存しやすいという問題があった。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-110761 (Patent Document 1) discloses a solid electrolyte, an anode electrode film disposed on one side of the solid electrolyte, and the solid electrolyte so as to face the anode electrode film. a cathode electrode film disposed on the other surface of the NOx purification device, and an energization device electrically connected to the anode electrode film and the cathode electrode film; and the anode electrode film and the Exhaust gas containing NOx and water is introduced into the NOx purifier while a voltage is applied between the cathode electrode film and the water in the exhaust gas is electrolyzed on the anode electrode film to generate hydrogen ions. and reacting the hydrogen ions with the NOx in the exhaust gas on the cathode electrode film to remove the NOx. In this method, as described in Patent Document 1, NOx reacts with hydrogen ions (H + ) on the cathode electrode film and is reduced to nitrogen molecules (N 2 ) and water molecules (H 2 O). decomposed. This reductive decomposition reaction proceeds by reacting nitrogen atoms (N) generated by the dissociation of NOx. ), the nitrogen atoms (N) generated by the dissociation of NOx are likely to react with NOx, and dinitrogen monoxide (N 2 O) is likely to be generated. This dinitrogen monoxide (N 2 O) reacts with hydrogen ions (H + ) and is reductively decomposed into nitrogen molecules (N 2 ) and water molecules (H 2 O). Since it is difficult to progress at high temperatures (reaction rate is slow), the method described in Patent Document 1 achieves a high NOx purification rate, but has the problem that dinitrogen monoxide (N 2 O) tends to remain. .

また、特開2014-237117号公報(特許文献2)には、NOxを吸着可能なNOx吸着材と前記NOx吸着材の下流側に配置したNOx還元触媒と前記NOx還元触媒の下流側に配置したNO分解触媒とを備え、前記NO分解触媒が、Rh、Pt、Cu、Co、Ni、Fe、Au及びAgからなる群から選択される少なくとも1種の活性金属とCeを含有する担体とを含んでいる排ガス浄化システムが開示されている。この排ガス浄化システムでは、窒素酸化物を含有する排ガスをNOx吸着材及びNOx還元触媒に接触させることにより、NOxが浄化され、条件により(特に、還元雰囲気下で)NOが生成する。生成したNOをNO分解触媒に接触させると、NO分解触媒のNOの分解サイトであるRh等の活性金属とその近傍の担体のCe上の高速酸素吸脱着サイトの働きにより、NOの解離により生じた酸素種が担体のCe上に効率よく吸着し、Hによる再生機能により脱離する。しかしながら、特許文献2に記載の排ガス浄化システムにおいては、高いNOx浄化率は達成されるものの、一酸化二窒素(NO)の分解効率は必ずしも十分なものではなかった。 Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-237117 (Patent Document 2) discloses a NOx adsorbent capable of adsorbing NOx, a NOx reduction catalyst arranged downstream of the NOx adsorbent, and a NOx reduction catalyst arranged downstream of the NOx reduction catalyst. an N 2 O decomposition catalyst, the N 2 O decomposition catalyst containing at least one active metal selected from the group consisting of Rh, Pt, Cu, Co, Ni, Fe, Au and Ag and Ce. An exhaust gas purification system is disclosed that includes a carrier. In this exhaust gas purification system, NOx is purified by bringing exhaust gas containing nitrogen oxides into contact with the NOx adsorbent and the NOx reduction catalyst, and N 2 O is generated depending on the conditions (especially in a reducing atmosphere). When the generated N 2 O is brought into contact with the N 2 O decomposition catalyst, the active metal such as Rh, which is the N 2 O decomposition site of the N 2 O decomposition catalyst, and the fast oxygen adsorption/desorption site on Ce of the support in the vicinity thereof. As a result, the oxygen species generated by the dissociation of N 2 O are efficiently adsorbed onto the Ce carrier and desorbed by the regeneration function of H 2 . However, in the exhaust gas purification system described in Patent Document 2, although a high NOx purification rate is achieved, the decomposition efficiency of dinitrogen monoxide (N 2 O) is not always sufficient.

特開2020-110761号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-110761 特開2014-237117号公報JP 2014-237117 A

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、室温付近の低温でも高い浄化率でNOxをNまで分解除去することが可能なNOx浄化装置及びNOx浄化方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and provides a NOx purifying device and a NOx purifying method capable of decomposing and removing NOx to N2 at a high purification rate even at a low temperature near room temperature. for the purpose.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、固体電解質とアノード電極膜とカソード電極膜とを有する電気化学セルを用いてNOxを浄化した場合に、カソード電極膜からの出ガスのみをNO分解触媒に供給することによって、室温付近の低温でも高い浄化率でNOxをNまで分解除去できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventors have made intensive studies to achieve the above object, and found that when NOx is purified using an electrochemical cell having a solid electrolyte, an anode electrode film, and a cathode electrode film, By supplying only the outgas to the N 2 O decomposition catalyst, NOx can be decomposed and removed to N 2 at a high purification rate even at a low temperature around room temperature, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明のNOx浄化装置は、固体電解質と、前記固体電解質の一方の面上に配置されたアノード電極膜と、前記アノード電極膜と対向するように前記固体電解質の他方の面上に配置されたカソード電極膜とを有する電気化学セルと、前記アノード電極膜及び前記カソード電極膜に電気的に接続された通電装置と、前記電気化学セルの下流に配置されているNO分解触媒とを備えており、前記NO分解触媒が、金属酸化物担体と前記金属酸化物担体に担持された、Pd及びRhからなる群から選択される少なくとも1種の貴金属とを含有するものであり、前記アノード電極膜に第一の入ガスを供給するためのアノード側入ガス流路と前記カソード電極膜に第二の入ガスを供給するためのカソード側入ガス流路とがそれぞれ独立に設けられており、前記アノード電極膜からの第一の出ガスを排出するためのアノード側出ガス流路と前記カソード電極膜からの第二の出ガスを排出するためのカソード側出ガス流路とがそれぞれ独立に設けられており、前記カソード側出ガス流路のみが前記NO分解触媒に接続されていることを特徴とするものである。 That is, the NOx purifier of the present invention comprises a solid electrolyte, an anode electrode film arranged on one surface of the solid electrolyte, and an anode electrode film arranged on the other surface of the solid electrolyte so as to face the anode electrode film. an electrochemical cell having a cathode electrode film connected thereto; an energization device electrically connected to the anode electrode film and the cathode electrode film; and an N 2 O decomposition catalyst disposed downstream of the electrochemical cell. wherein the N 2 O decomposition catalyst contains a metal oxide support and at least one noble metal selected from the group consisting of Pd and Rh supported on the metal oxide support. and an anode-side incoming gas flow path for supplying a first incoming gas to the anode electrode film and a cathode-side incoming gas flow path for supplying a second incoming gas to the cathode electrode film are provided independently of each other. an anode-side outlet gas flow path for discharging a first output gas from the anode electrode film and a cathode-side output gas flow path for discharging a second output gas from the cathode electrode film; are provided independently of each other, and only the cathode-side exit gas flow path is connected to the N 2 O decomposition catalyst.

本発明のNOx浄化装置においては、前記アノード電極膜及び前記カソード電極膜が貴金属を含有するものであることが好ましく、また、前記カソード電極膜がPd電極膜又はPt電極膜であること好ましく、さらに、前記固体電解質がプロトン伝導性高分子固体電解質であること好ましい。 In the NOx purification device of the present invention, the anode electrode film and the cathode electrode film preferably contain a noble metal, and the cathode electrode film is preferably a Pd electrode film or a Pt electrode film. , the solid electrolyte is preferably a proton-conducting polymer solid electrolyte.

また、本発明のNOx浄化方法は、前記本発明のNOx浄化装置の前記アノード電極膜と前記カソード電極膜との間に電圧を印加しながら、水分を含む第一の入ガスを前記アノード電極膜に、NOxを含む第二の入ガスを前記カソード電極膜に、それぞれ独立に供給することによって、前記アノード電極膜上で前記水分を電気分解して水素イオンを生成させ、前記カソード電極膜上で前記水素イオンと前記NOxとを反応させて前記NOxをNとNOに分解する工程と、前記カソード電極膜からの第二の出ガスのみを前記NO分解触媒に供給して前記第二の出ガスに含まれるNOをNに還元分解する工程とを含むことを特徴とする方法である。 Further, in the NOx purification method of the present invention, while applying a voltage between the anode electrode film and the cathode electrode film of the NOx purification device of the present invention, the first incoming gas containing moisture is passed through the anode electrode film. Then, by independently supplying a second input gas containing NOx to the cathode electrode film, the moisture is electrolyzed on the anode electrode film to generate hydrogen ions, and on the cathode electrode film a step of reacting the hydrogen ions with the NOx to decompose the NOx into N 2 and N 2 O, and supplying only a second output gas from the cathode electrode film to the N 2 O decomposition catalyst to and reductively decomposing N 2 O contained in the second outgas into N 2 .

なお、本発明によって、室温付近の低温においても高い浄化率でNOxをNまで分解除去できる理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、図1に示す電気化学セル(固体電解質1とアノード電極膜2とカソード電極膜3とを備えるもの)のアノード電極膜2とカソード電極膜3との間に電圧を印加しながら、アノード電極膜2に水分(水蒸気、HO)を含むガスを接触させると、アノード電極膜2上において、水分(水蒸気、HO)が電気分解されて水素イオン(プロトン、H)と電子(e)が生成する。水素イオン(H)は固体電解質1を通って、また、電子(e)は通電回路を通ってカソード電極膜3へ移動する。カソード電極膜3へ移動した水素イオン(H)と電子(e)はカソード電極膜3上でNOxと反応し、NOxが窒素分子(N)と水分子(HO)に電気化学的に還元分解される。この還元分解反応は、NOxが解離して生成する窒素原子(N)同士が反応することによって進行するが、窒素原子(N)同士の反応は室温付近の温度では進行しにくい(反応速度が遅い)ため、NOxが解離して生成した窒素原子(N)はNOxと反応しやすく、一酸化二窒素(NO)が生成しやすい。この一酸化二窒素(NO)は水素イオン(H)と反応して窒素分子(N)と水分子(HO)に還元分解されるものの、この還元分解反応も室温付近の温度では進行しにくい(反応速度が遅い)ため、一酸化二窒素(NO)が残存しやすい。本発明においては、このように残存した一酸化二窒素(NO)と、カソード電極膜3上で水素イオン(H)と電子(e)とが反応して生成する水素(H)とを含有するカソード側出ガスのみをNO分解触媒反応装置9に供給することによって、NO分解触媒により一酸化二窒素(NO)と水素(H)との反応が促進され、一酸化二窒素(NO)が窒素分子(N)と水分子(HO)に還元分解されるため、室温付近の低温においても高い浄化率でNOxをNまで分解除去できると推察される。 The reason why the present invention can decompose and remove NOx to N2 with a high purification rate even at a low temperature around room temperature is not necessarily clear, but the present inventors speculate as follows. That is, while applying a voltage between the anode electrode film 2 and the cathode electrode film 3 of the electrochemical cell (having the solid electrolyte 1, the anode electrode film 2, and the cathode electrode film 3) shown in FIG. When a gas containing moisture (water vapor, H 2 O) is brought into contact with the membrane 2, the moisture (water vapor, H 2 O) is electrolyzed on the anode electrode membrane 2 to produce hydrogen ions (protons, H + ) and electrons ( e ) is generated. Hydrogen ions (H + ) move through the solid electrolyte 1 , and electrons (e ) move through the current-carrying circuit to the cathode electrode film 3 . The hydrogen ions (H + ) and electrons (e ) that have moved to the cathode electrode film 3 react with NOx on the cathode electrode film 3, and NOx is electrochemically converted into nitrogen molecules (N 2 ) and water molecules (H 2 O). is reductively decomposed. This reductive decomposition reaction proceeds by reacting nitrogen atoms (N) generated by the dissociation of NOx. ), the nitrogen atoms (N) generated by the dissociation of NOx are likely to react with NOx, and dinitrogen monoxide (N 2 O) is likely to be generated. This dinitrogen monoxide (N 2 O) reacts with hydrogen ions (H + ) and is reductively decomposed into nitrogen molecules (N 2 ) and water molecules (H 2 O). Dinitrogen monoxide (N 2 O) tends to remain because it is difficult to progress at high temperatures (reaction rate is slow). In the present invention , hydrogen ( H 2 ) to the N 2 O decomposition catalyst reactor 9, the reaction between dinitrogen monoxide (N 2 O) and hydrogen (H 2 ) is caused by the N 2 O decomposition catalyst. Dinitrogen monoxide ( N 2 O) is reductively decomposed into nitrogen molecules (N 2 ) and water molecules (H 2 O). presumed to be removable.

本発明によれば、室温付近の低温でも高い浄化率でNOxをNまで分解除去することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to decompose and remove NOx to N2 at a high purification rate even at low temperatures near room temperature.

本発明におけるNOxの分解反応のメカニズムを示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the mechanism of NOx decomposition reaction in the present invention. 本発明のNOx浄化装置の好適な一実施態様を模式的に示す縦断面図である。1 is a longitudinal sectional view schematically showing a preferred embodiment of the NOx purifier of the present invention; FIG. 実施例で作製したNOx浄化装置を模式的に示す縦断面図である。1 is a longitudinal sectional view schematically showing a NOx purifying device produced in an example; FIG. 実施例1~5及び比較例1~4で作製したNOx浄化装置のN生成率及びNO残存率を示すグラフである。4 is a graph showing the N 2 production rate and the N 2 O residual rate of the NOx purifiers produced in Examples 1-5 and Comparative Examples 1-4.

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明するが、本発明は前記図面に限定されるものではない。なお、以下の説明及び図面中、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する場合もある。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the drawings. In the following description and drawings, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.

〔NOx浄化装置〕
先ず、本発明のNOx浄化装置について説明する。図2は本発明のNOx浄化装置の好適な一実施態様を模式的に示す縦断面図である。図2に示すNOx浄化装置は、固体電解質1と、前記固体電解質1の一方の面上に配置されたアノード電極膜2と、前記アノード電極膜2と対向するように前記固体電解質1の他方の面上に配置されたカソード電極膜3とを有する電気化学セル4と、前記アノード電極膜2及び前記カソード電極膜3に電気的に接続された通電装置5と、前記電気化学セル4の下流に配置されているNO分解触媒反応装置9とを備えるものである。
[NOx purification device]
First, the NOx purification device of the present invention will be explained. FIG. 2 is a longitudinal sectional view schematically showing a preferred embodiment of the NOx purifier of the present invention. The NOx purification device shown in FIG. an electrochemical cell 4 having a cathode electrode film 3 disposed on a surface; an energization device 5 electrically connected to the anode electrode film 2 and the cathode electrode film 3; and an N 2 O decomposition catalytic reactor 9 disposed therein.

本発明に用いられる固体電解質としては、電気化学的還元分解反応を利用したNOxの浄化装置に用いられる固体電解質であれば特に制限はないが、例えば、プロトン伝導性固体電解質が好ましく、プロトン伝導性高分子固体電解質膜がより好ましい。このようなプロトン伝導性高分子固体電解質膜としては、例えば、商標名「ナフィオン(登録商標)」として知られているパーフルオロスルホン酸系ポリマー等の従来公知のプロトン伝導性高分子固体電解質膜が挙げられる。また、このようなプロトン伝導性高分子固体電解質膜の厚さとしては特に制限はないが、0.01~0.5mmが好ましく、0.05~0.2mmがより好ましい。 The solid electrolyte used in the present invention is not particularly limited as long as it is a solid electrolyte used in a NOx purifier using an electrochemical reductive decomposition reaction. Polymer solid electrolyte membranes are more preferred. Examples of such a proton-conducting polymer solid electrolyte membrane include conventionally known proton-conducting polymer solid electrolyte membranes such as perfluorosulfonic acid-based polymers known under the trade name of "Nafion (registered trademark)." mentioned. The thickness of such a proton conductive polymer solid electrolyte membrane is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 0.5 mm, more preferably 0.05 to 0.2 mm.

本発明に用いられる固体電解質1の一方の面上にはアノード電極膜2が配置されており、他方の面上には前記アノード電極膜2と対向するようにカソード電極膜3が配置されている。このようなアノード電極膜及びカソード電極膜としては導電性を有する金属膜であれば特に制限はないが、アノード電極膜上における水分(水蒸気、HO)の電気分解及びカソード電極膜上におけるNOxの還元分解が促進されるという観点から、貴金属(Pt、Rh、Pd、Ag、Ir、Ru等)、Cu、Ti、Sn等を含有する電極膜が好ましく、Pd電極膜、Pt電極膜、IrOx電極膜がより好ましく、カソード電極膜としては、Pd電極膜、Pt電極膜が特に好ましい。また、このような電極膜としては、前記貴金属等が担持された多孔質カーボン膜、前記貴金属等が担持されたカーボンペーパー、前記貴金属等からなる多孔質膜、又は前記貴金属等のメッシュであってもよい。 An anode electrode film 2 is arranged on one surface of the solid electrolyte 1 used in the present invention, and a cathode electrode film 3 is arranged on the other surface so as to face the anode electrode film 2. . The anode electrode film and cathode electrode film are not particularly limited as long as they are conductive metal films. From the viewpoint of promoting the reductive decomposition of the electrode film, an electrode film containing noble metals (Pt, Rh, Pd, Ag, Ir, Ru, etc.), Cu, Ti, Sn, etc. is preferable, and a Pd electrode film, a Pt electrode film, IrOx An electrode film is more preferable, and a Pd electrode film and a Pt electrode film are particularly preferable as the cathode electrode film. Such an electrode film may be a porous carbon film supporting the noble metal or the like, carbon paper supporting the noble metal or the like, a porous film made of the noble metal or the like, or a mesh of the noble metal or the like. good too.

このようなアノード電極膜及びカソード電極膜の厚さとしては特に制限はないが、0.1~100μmが好ましく、1~50μmがより好ましい。アノード電極膜及びカソード電極膜の厚さが前記下限未満になると、触媒としての活性点が不足し、不活性になったり、電極膜の抵抗が大きくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、電極膜と固体電解質との界面で生成したプロトン(H)がNOxと十分に反応しなかったり、水分やNOx等との接触性が低下する傾向にある。 The thickness of the anode electrode film and cathode electrode film is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 100 μm, more preferably 1 to 50 μm. When the thicknesses of the anode electrode film and the cathode electrode film are less than the lower limit, the catalyst tends to become inactive due to lack of active sites and the resistance of the electrode film increases. , the protons (H + ) generated at the interface between the electrode film and the solid electrolyte tend not to sufficiently react with NOx, and the contact with moisture, NOx and the like tends to decrease.

アノード電極膜及びカソード電極膜の形成方法としては特に制限はないが、例えば、固体電解質(又は固体電解質前駆体)の面上に電極材料を、熱圧着する方法、塗布する方法、蒸着させる方法が挙げられる。電極材料としては、金属が担持されたカーボン粉末、金属ターゲット(例えば、Ptターゲット)、有機金属等が挙げられる。 The method of forming the anode electrode film and the cathode electrode film is not particularly limited, but for example, a method of thermocompression bonding an electrode material onto the surface of the solid electrolyte (or solid electrolyte precursor), a method of coating, and a method of vapor deposition. mentioned. Electrode materials include metal-supported carbon powder, metal targets (for example, Pt targets), organic metals, and the like.

本発明のNOx浄化装置においては、このようなアノード電極膜2及びカソード電極膜3と通電装置5とが電気配線6によって電気的に接続されている。このような通電装置としては直流の電圧を印加できるものであれば特に制限はなく、公知の通電装置(直流電源)を適宜採用することができる。電気配線としては特に制限はなく、Au線、Pt線、Ni線、Cu線、Ag線等が挙げられる。また、電気配線6は、アノード電極膜2及びカソード電極膜3に直接接合されていてもよいし、電気配線6が接合された金属メッシュ(Auメッシュ、Ptメッシュ、Niメッシュ、Agメッシュ等)を介してアノード電極膜2及びカソード電極膜3と接触させてもよい。さらに、電気配線6が接合された集電板を集電材及び金属製薄板フィンを介してアノード電極膜2及びカソード電極膜3と接触させてもよい。前記集電板及び前記集電材としては、ステンレス板、貴金属をコーティングしたステンレス板及び金等の金属メッシュ等が挙げられ、前記金属製薄板フィンとしては、ステンレス製のコルゲートフィン、オフセットフィン及びウェービングフィン等が挙げられる。 In the NOx purifier of the present invention, the anode electrode film 2 and the cathode electrode film 3 are electrically connected to the energization device 5 by the electric wiring 6 . Such an energizing device is not particularly limited as long as it can apply a DC voltage, and a known energizing device (DC power supply) can be appropriately employed. The electrical wiring is not particularly limited, and examples thereof include Au wire, Pt wire, Ni wire, Cu wire, and Ag wire. The electric wiring 6 may be directly bonded to the anode electrode film 2 and the cathode electrode film 3, or a metal mesh (Au mesh, Pt mesh, Ni mesh, Ag mesh, etc.) to which the electric wiring 6 is bonded may be used. You may contact the anode electrode film 2 and the cathode electrode film 3 through. Furthermore, the current collector plate to which the electric wiring 6 is joined may be brought into contact with the anode electrode film 2 and the cathode electrode film 3 via the current collector and metal thin plate fins. Examples of the current collecting plate and the current collecting material include a stainless steel plate, a stainless steel plate coated with a precious metal, and a metal mesh such as gold. etc.

また、本発明のNOx浄化装置においては、このような固体電解質1、アノード電極膜2及びカソード電極膜3を有する電気化学セル4に対して、アノード電極膜2に第一の入ガスを供給するためのアノード側入ガス流路7aとカソード電極膜3に第二の入ガスを供給するためのカソード側入ガス流路8aとがそれぞれ独立に接続されている。これにより、アノード電極膜2には水分(水蒸気、HO)を含有するガスを、カソード電極膜3にはNOxを含有するガスをそれぞれ独立に供給することが可能となる。 Further, in the NOx purifier of the present invention, the first incoming gas is supplied to the anode electrode film 2 of the electrochemical cell 4 having such a solid electrolyte 1, the anode electrode film 2 and the cathode electrode film 3. The anode-side incoming gas channel 7a for supplying the second incoming gas to the cathode electrode film 3 and the cathode-side incoming gas channel 8a for supplying the second incoming gas to the cathode electrode film 3 are connected independently. This makes it possible to independently supply a gas containing moisture (water vapor, H 2 O) to the anode electrode film 2 and a gas containing NOx to the cathode electrode film 3 .

さらに、本発明のNOx浄化装置においては、アノード電極膜2からの第一の出ガスを排出するためのアノード側出ガス流路7bとカソード電極膜3からの第二の出ガスを排出するためのカソード側出ガス流路8bとがそれぞれ独立に接続されており、このカソード側出ガス流路8bのみが、電気化学セル4の下流に配置されているNO分解触媒(NO分解触媒反応装置9)に接続されている。これにより、カソード電極膜3上で副生した一酸化二窒素(NO)と水素(H)とを含有する第二の出ガスのみをNO分解触媒(NO分解触媒反応装置9)に供給することができ、NO分解触媒の作用によって効率よくNOをNまで還元分解することが可能となる。 Further, in the NOx purifying apparatus of the present invention, the anode side outlet gas passage 7b for discharging the first outlet gas from the anode electrode film 2 and the second outlet gas flow path 7b for discharging the second outlet gas from the cathode electrode film 3 are provided. are independently connected to the cathode-side gas passage 8b, and only the cathode-side gas passage 8b is connected to the N 2 O decomposition catalyst (N 2 O decomposition catalyst) disposed downstream of the electrochemical cell 4. It is connected to the catalytic reactor 9). As a result, only the second output gas containing dinitrogen monoxide (N 2 O) and hydrogen (H 2 ) by-produced on the cathode electrode film 3 is removed by the N 2 O decomposition catalyst (N 2 O decomposition catalyst reaction It can be supplied to the device 9), and the action of the N 2 O decomposition catalyst makes it possible to efficiently reductively decompose N 2 O to N 2 .

本発明に用いられるNO分解触媒は、金属酸化物担体と前記金属酸化物担体に担持された、Pd及びRhからなる群から選択される少なくとも1種の貴金属とを含有するものである。前記金属酸化物担体としては特に制限はなく、従来公知のNO分解触媒に用いられる金属酸化物担体を用いることができ、例えば、セリア、アルミナ、ジルコニア、チタニア、スピネル酸化物等が挙げられる。 The N 2 O decomposition catalyst used in the present invention contains a metal oxide support and at least one noble metal selected from the group consisting of Pd and Rh supported on the metal oxide support. The metal oxide support is not particularly limited, and can be any metal oxide support used for conventionally known N 2 O decomposition catalysts. Examples thereof include ceria, alumina, zirconia, titania, spinel oxide, and the like. .

前記貴金属の担持量としては特に制限はないが、前記金属酸化物担体100質量部に対して0.01~10質量部が好ましく、0.1~5質量部がより好ましい。貴金属の担持量が前記下限未満になると、NO分解触媒中に存在する活性サイトが少なく、触媒活性が低下する傾向にあり、他方、前記上限を超えると、コストが増大する傾向にある。 The amount of the noble metal to be supported is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 10 parts by mass, more preferably 0.1 to 5 parts by mass, relative to 100 parts by mass of the metal oxide support. If the supported amount of the noble metal is less than the lower limit, the number of active sites present in the N 2 O decomposition catalyst tends to decrease, resulting in a decrease in catalytic activity.

〔NOx浄化方法〕
次に、本発明のNOx浄化方法を、図2に示すNOx浄化装置を用いた場合を例に説明する。このような図2に示すNOx浄化装置を用いてNOxを浄化するNOx浄化方法は、本発明のNOx浄化方法の好適な一実施態様である。なお、前記本発明のNOx浄化装置の好適な一実施態様において説明した内容と重複する内容については省略する。
[NOx purification method]
Next, the NOx purification method of the present invention will be described using the NOx purification device shown in FIG. 2 as an example. The NOx purification method of removing NOx using the NOx purification device shown in FIG. 2 is a preferred embodiment of the NOx purification method of the present invention. Contents overlapping with the contents described in the preferred embodiment of the NOx purifier of the present invention will be omitted.

本発明のNOx浄化方法においては、前記NOx浄化装置のアノード電極膜2とカソード電極膜3との間に電圧を印加しながら、水分を含む第一の入ガスをアノード側入ガス流路7aからアノード電極膜2に、NOxを含む第二の入ガスをカソード側入ガス流路8aからカソード電極膜3に、それぞれ独立に供給して、水分をアノード電極膜2に、NOxをカソード電極膜3に接触させる。これにより、図1に示したように、アノード電極膜2上では水分(水蒸気、HO)が電気分解して水素イオン(H)と電子(e)が生成し、水素イオン(H)は固体電解質1を通ってカソード電極膜3の表面に移動する。また、電子(e)は通電回路を通ってカソード電極膜3へ移動する。 In the NOx purifying method of the present invention, while applying a voltage between the anode electrode film 2 and the cathode electrode film 3 of the NOx purifying device, the first incoming gas containing moisture is introduced from the anode side incoming gas passage 7a. A second incoming gas containing NOx is supplied to the anode electrode film 2 from the cathode-side incoming gas passage 8a to the cathode electrode film 3 independently, and moisture is supplied to the anode electrode film 2 and NOx is supplied to the cathode electrode film 3. come into contact with As a result, as shown in FIG. 1, water (water vapor, H.sub.2O ) is electrolyzed on the anode electrode film 2 to generate hydrogen ions (H.sup .+ ) and electrons ( e.sup.- ). + ) moves through the solid electrolyte 1 to the surface of the cathode electrode film 3 . Also, the electrons (e ) move to the cathode electrode film 3 through the conducting circuit.

一方、カソード電極膜3上ではNOxが窒素原子(N)と酸素原子(O)とに解離し、酸素原子(O)が前記水素イオン(H)及び電子(e)と反応して水分(HO)が生成する。また、解離した窒素原子(N)同士が反応して窒素分子(N)が生成するとともに、解離した窒素原子(N)と残存するNOとが反応して一酸化二窒素(NO)が生成する。さらに、前記水素イオン(H)同士が反応して水素分子(H)が生成する。したがって、カソード電極膜3からの第二の出ガスが、窒素分子(N)と一酸化二窒素(NO)と水素分子(H)とを含むガスとなる。 On the other hand, on the cathode electrode film 3, NOx is dissociated into nitrogen atoms (N) and oxygen atoms (O), and the oxygen atoms (O) react with the hydrogen ions (H + ) and electrons (e ) to produce moisture. (H 2 O) is produced. Further, the dissociated nitrogen atoms (N) react with each other to form nitrogen molecules (N 2 ), and the dissociated nitrogen atoms (N) react with the remaining NO to form dinitrogen monoxide (N 2 O). is generated. Further, the hydrogen ions (H + ) react with each other to produce hydrogen molecules (H 2 ). Therefore, the second output gas from the cathode electrode film 3 is a gas containing nitrogen molecules (N 2 ), dinitrogen monoxide (N 2 O) and hydrogen molecules (H 2 ).

アノード電極膜2とカソード電極膜3との間に印加する電圧としては、1~20Vが好ましく、1.2~8Vがより好ましい。印加する電圧が前記下限未満になると、反応に必要な水の電気分解が進行しない傾向にあり、他方、前記上限を超えると、プロトン(H)伝導に必要な固体電解質中の水分が失われたり、固体電解質や電極膜が劣化したりする傾向にある。 The voltage applied between the anode electrode film 2 and the cathode electrode film 3 is preferably 1-20V, more preferably 1.2-8V. When the applied voltage is less than the lower limit, the electrolysis of water required for the reaction tends not to proceed. Also, the solid electrolyte and the electrode film tend to deteriorate.

また、アノード電極膜2とカソード電極膜3との間の電流値としては、0.1~500mA/cmが好ましく、1~400mA/cmがより好ましい。電極膜間の電流値が前記下限未満になると、反応に必要な水の電気分解が進行しない傾向にあり、他方、前記上限を超えると、固体電解質や電極膜が劣化する傾向にある。 Also, the current value between the anode electrode film 2 and the cathode electrode film 3 is preferably 0.1 to 500 mA/cm 2 , more preferably 1 to 400 mA/cm 2 . If the current value between the electrode films is less than the lower limit, the electrolysis of water required for the reaction tends not to proceed, while if it exceeds the upper limit, the solid electrolyte and the electrode films tend to deteriorate.

アノード電極膜2に供給される第一の入ガスとしては、水分(水蒸気、HO)を含むガスであれば特に制限はないが、例えば、HOを相対湿度として30%以上含むガスが好ましく、HOを相対湿度として40%以上含むガスがより好ましい。このような相対湿度のガスを第一の入ガスとして用いることによって、アノード電極膜2上における水素イオン(H)の生成が促進される。 The first input gas supplied to the anode electrode film 2 is not particularly limited as long as it contains moisture (water vapor, H 2 O). is preferable, and a gas containing H 2 O at a relative humidity of 40% or more is more preferable. By using such a relative humidity gas as the first input gas, the generation of hydrogen ions (H + ) on the anode electrode film 2 is promoted.

また、カソード電極膜3に供給される第二の入ガスとしては、NOxを含むガスであれば特に制限はない。このようなNOxを含むガスとしては内燃機関からの排ガスが挙げられる。 The second input gas supplied to the cathode electrode film 3 is not particularly limited as long as it contains NOx. Exhaust gas from an internal combustion engine is exemplified as such a gas containing NOx.

次に、本発明のNOx浄化方法においては、カソード電極膜3からの第二の出ガスのみを、電気化学セルの下流に配置されたNO分解触媒(NO分解触媒反応装置9)に導入して、NO分解触媒の存在下で、一酸化二窒素(NO)と水素分子(H)とを反応させてNOを窒素分子(N)まで還元分解する。NO分解触媒の作用によりNOとHとの反応が促進されるため、室温付近の低温でも高い浄化率でNOxをNまで分解除去することが可能となる。 Next, in the NOx purification method of the present invention, only the second exit gas from the cathode electrode film 3 is passed through the N 2 O decomposition catalyst (N 2 O decomposition catalyst reactor 9) arranged downstream of the electrochemical cell. to react dinitrogen monoxide (N 2 O) and hydrogen molecules (H 2 ) in the presence of an N 2 O decomposition catalyst to reductively decompose N 2 O into nitrogen molecules (N 2 ) . Since the action of the N 2 O decomposition catalyst promotes the reaction between N 2 O and H 2 , it becomes possible to decompose and remove NOx to N 2 at a high purification rate even at a low temperature around room temperature.

以上、図1及び図2を参照して本発明のNOx浄化装置及びNOx浄化方法の好適な実施態様について説明したが、本発明のNOx浄化装置及びNOx浄化方法は上記実施形態に限定されるものではない。 Although the preferred embodiments of the NOx purification device and NOx purification method of the present invention have been described above with reference to FIGS. 1 and 2, the NOx purification device and NOx purification method of the present invention are limited to the above embodiments. is not.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below based on examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.

(作製例1)
先ず、バイアル瓶(容量30ml)に1.97質量%のテトラアンミンパラジウム水酸塩水2.54gを秤量し、イオン交換水8ml、エタノール5ml及び酢酸2mlを添加した後、さらに、担体として導電性カーボンブラック(キャボット社製「VULCAN XC-72」)0.1gを添加して混合した。得られた混合物を、マイクロ波合成装置(株式会社アントンパール・ジャパン製「Monowave450」)を用いて140℃で1.5時間加熱して、前記導電性カーボンブラックにパラジウム(Pd)を担持した。得られた粉末をイオン交換水で洗浄した後、吸引ろ過により回収し、Pd担持多孔質カーボン(Pd担持量:カーボン100質量部に対して33質量部)を得た。このPd担持多孔質カーボンをパーフルオロスルホン酸系樹脂溶液(デュポン社製「ナフィオン(登録商標)」、濃度:20質量%)に添加して混合し、得られた溶液を用いてPd担持多孔質カーボン(Pd/C)電極膜を作製した。
(Production example 1)
First, 2.54 g of 1.97% by mass tetraamminepalladium hydroxide water was weighed into a vial (capacity: 30 ml), 8 ml of ion-exchanged water, 5 ml of ethanol and 2 ml of acetic acid were added, and then conductive carbon black was added as a carrier. ("VULCAN XC-72" manufactured by Cabot) was added and mixed. The resulting mixture was heated at 140° C. for 1.5 hours using a microwave synthesizer (“Monowave 450” manufactured by Anton Paar Japan Co., Ltd.) to support palladium (Pd) on the conductive carbon black. After the obtained powder was washed with ion-exchanged water, it was recovered by suction filtration to obtain Pd-supported porous carbon (amount of Pd supported: 33 parts by mass with respect to 100 parts by mass of carbon). This Pd-supporting porous carbon was added to a perfluorosulfonic acid resin solution (“Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont, concentration: 20% by mass) and mixed, and the obtained solution was used to form a Pd-supporting porous carbon. A carbon (Pd/C) electrode film was produced.

また、酸化イリジウム(IrOx)(田中貴金属工業株式会社製、比表面積:5m/g)をパーフルオロスルホン酸系樹脂溶液(デュポン社製「ナフィオン(登録商標)」、濃度:20質量%)に添加して混合し、得られた溶液を用いて酸化イリジウム(IrOx)電極膜を作製した。 In addition, iridium oxide (IrOx) (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., specific surface area: 5 m 2 /g) is added to a perfluorosulfonic acid resin solution (manufactured by DuPont “Nafion (registered trademark)”, concentration: 20% by mass). An iridium oxide (IrOx) electrode film was produced using the solution obtained by adding and mixing.

次に、プロトン伝導性高分子固体電解質膜であるパーフルオロスルホン酸系樹脂膜(デュポン社製「ナフィオン(登録商標)N115」)の一方の面上に前記Pd担持多孔質カーボン(Pd/C)電極膜(面積:12.96cm)を、他方の面上に前記酸化イリジウム(IrOx)電極膜(面積:12.96cm)を熱圧着して、プロトン伝導性高分子固体電解質膜にカソード電極膜として前記Pd/C電極膜とアノード電極膜として前記IrOx電極膜とが接合した電極・電解質膜接合体(Pd/C-IrOx-MEA)を作製した。 Next, on one surface of a perfluorosulfonic acid-based resin membrane (“Nafion (registered trademark) N115” manufactured by DuPont), which is a proton-conducting polymer solid electrolyte membrane, the Pd-supporting porous carbon (Pd/C) was deposited. An electrode film (area: 12.96 cm 2 ) was thermocompression bonded to the other surface of the iridium oxide (IrOx) electrode film (area: 12.96 cm 2 ) to form a cathode electrode on the proton conductive polymer solid electrolyte membrane. An electrode/electrolyte membrane assembly (Pd/C-IrOx-MEA) was prepared by joining the Pd/C electrode film as a film and the IrOx electrode film as an anode electrode film.

(作製例2)
先ず、固体高分子形燃料電池用電極触媒である白金(Pt)担持多孔質カーボン(田中貴金属株式会社製白金触媒「TEC10V30E」、カーボン担持体:導電性カーボンブラック(キャボット社製「VULCAN XC-72」)、Pt担持量:30質量%)をパーフルオロスルホン酸系樹脂溶液(デュポン社製「ナフィオン(登録商標)」、濃度:20質量%)に添加して混合し、得られた溶液を用いてPt担持多孔質カーボン(Pt/C)電極膜を作製した。次に、前記Pd/C電極膜の代わりに前記Pt/C電極膜(面積:12.96cm)を用いた以外は作製例1と同様にして、プロトン伝導性高分子固体電解質膜(パーフルオロスルホン酸系樹脂膜)にカソード電極膜として前記Pt/C電極膜とアノード電極膜として前記IrOx電極膜とが接合した電極・電解質膜接合体(Pt/C-IrOx-MEA)を作製した。
(Production example 2)
First, platinum (Pt)-supported porous carbon, which is an electrode catalyst for polymer electrolyte fuel cells (platinum catalyst "TEC10V30E" manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., carbon support: conductive carbon black (manufactured by Cabot Corporation "VULCAN XC-72 ”), Pt supported amount: 30% by mass) was added to a perfluorosulfonic acid-based resin solution (manufactured by DuPont “Nafion (registered trademark)”, concentration: 20% by mass) and mixed, and the resulting solution was used. A Pt-supporting porous carbon (Pt/C) electrode film was produced by the method. Next, a proton conductive polymer solid electrolyte membrane ( perfluoro An electrode/electrolyte membrane assembly (Pt/C-IrOx-MEA) was prepared by bonding the Pt/C electrode film as a cathode electrode film and the IrOx electrode film as an anode electrode film to a sulfonic acid resin film).

(調製例1)
イオン交換水250mlに硝酸パラジウム水溶液(Pd濃度:4.5質量%)2.24gを添加して撹拌し、さらに、γ-Al(Rhodia社製「MI307」)10gを添加して撹拌し、得られた混合物を蒸発乾固させた。得られた乾固物を大気中、300℃で3時間焼成してPd担持γ-Al(Pd担持量:γ-Al100質量部に対して1質量部)を得た。
(Preparation Example 1)
Add 2.24 g of an aqueous palladium nitrate solution (Pd concentration: 4.5% by mass) to 250 ml of ion-exchanged water and stir, then add 10 g of γ-Al 2 O 3 (“MI307” manufactured by Rhodia) and stir. and the resulting mixture was evaporated to dryness. The resulting dried product was calcined in air at 300° C. for 3 hours to obtain Pd-supported γ-Al 2 O 3 (Pd supported amount: 1 part by mass per 100 parts by mass of γ-Al 2 O 3 ). .

(調製例2)
イオン交換水100mlに酢酸ロジウム(Rh含量:36.6質量%)0.272g及びクエン酸鉄アンモニウム(Fe含量:16質量%)0.2196gを添加して撹拌し、さらに、CeO(第一稀元素化学工業株式会社製「酸化セリウム」)10gを添加して撹拌し、得られた混合物を蒸発乾固させた。得られた乾固物を大気中、300℃で3時間焼成してRhFe担持CeO(Rh担持量:CeO100質量部に対して1質量部、Fe担持量:CeO100質量部に対して0.35質量部)を得た。
(Preparation Example 2)
0.272 g of rhodium acetate (Rh content: 36.6% by mass) and 0.2196 g of ferric ammonium citrate (Fe content: 16% by mass) were added to 100 ml of ion-exchanged water and stirred. 10 g of "cerium oxide" manufactured by Kigenso Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was added and stirred, and the resulting mixture was evaporated to dryness. The obtained dried product was calcined in the atmosphere at 300° C. for 3 hours to obtain RhFe-supported CeO 2 (amount of Rh supported: 1 part by weight per 100 parts by weight of CeO 2 , amount of Fe supported: per 100 parts by weight of CeO 2 0.35 parts by mass) was obtained.

(調製例3)
イオン交換水100mlに硝酸ロジウム水溶液(Rh濃度:2.75質量%)3.67gを添加して撹拌し、さらに、CeO(第一稀元素化学工業株式会社製「酸化セリウム」)10gを添加して撹拌し、得られた混合物を蒸発乾固させた。得られた乾固物を大気中、300℃で3時間焼成してRh担持CeO(Rh担持量:CeO100質量部に対して1質量部)を得た。
(Preparation Example 3)
Add 3.67 g of an aqueous rhodium nitrate solution (Rh concentration: 2.75% by mass) to 100 ml of ion-exchanged water and stir, then add 10 g of CeO 2 ("Cerium oxide" manufactured by Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co., Ltd.). was stirred and the resulting mixture was evaporated to dryness. The obtained dried product was calcined in air at 300° C. for 3 hours to obtain Rh-supported CeO 2 (amount of Rh supported: 1 part by weight per 100 parts by weight of CeO 2 ).

(比較調製例1)
硝酸パラジウム水溶液の代わりにジニトロジアンミン白金硝酸溶液(Pt濃度:4.573質量%)2.19gを用いた以外は調製例1と同様にして、Pt担持γ-Al(Pt担持量:γ-Al100質量部に対して1質量部)を得た。
(Comparative Preparation Example 1)
Pt-supported γ-Al 2 O 3 (Pt supported amount: 1 part by mass per 100 parts by mass of γ-Al 2 O 3 ) was obtained.

(実施例1)
図3に示すNOx浄化装置を作製した。すなわち、先ず、作製例1で作製した電極・電解質膜接合体(Pd/C-IrOx-MEA)を、2枚のカーボンペーパー(東レ株式会社製「TGP-H-060」、厚さ:0.19mm、電気抵抗値:(厚さ方向)80mΩ・cm、(面方向)5.8mΩ・cm、気体透過性:1900ml・mm/(cm・hr・mmAq)、気孔率:78%、嵩密度:0.44g・cm)で挟持し、固体電解質1(パーフルオロスルホン酸系樹脂膜)、アノード電極膜2(IrOx電極膜)、アノード側カーボンペーパー2a、カソード電極膜3(Pd/C電極膜)、及びカソード側カーボンペーパー3aを備える電気化学セル4を作製した。
(Example 1)
A NOx purifier shown in FIG. 3 was produced. That is, first, the electrode/electrolyte membrane assembly (Pd/C-IrOx-MEA) produced in Production Example 1 was wrapped with two sheets of carbon paper ("TGP-H-060" manufactured by Toray Industries, Inc., thickness: 0.005 mm). 19 mm, electrical resistance: (thickness direction) 80 mΩ・cm, (surface direction) 5.8 mΩ・cm, gas permeability: 1900 ml・mm/(cm 2・hr・mmAq), porosity: 78%, bulk density Solid electrolyte 1 (perfluorosulfonic acid resin film), anode electrode film 2 (IrOx electrode film), anode side carbon paper 2a, cathode electrode film 3 (Pd/C electrode membrane), and an electrochemical cell 4 comprising a carbon paper 3a on the cathode side.

次に、この電気化学セル4を、2枚の集電材11a(AuをスパッタリングしたSUS316ステンレスメッシュ、厚さ:0.1mm)、2枚の金属製薄板フィン12(SUS304ステンレス製コルゲートフィン、厚さ:0.8mm)、2枚の集電材11b(AuをスパッタリングしたSUS316ステンレスメッシュ、厚さ:0.1mm)で順に挟持し、さらに、ガス流路用開口部を有する2枚の集電板13(PtをスパッタリングしたSUS316ステンレス板)で挟持し、前記集電板13を通電装置5(ケースレーインスツルメンツ社製直流電源「2400-C型汎用ソースメータ」)に電気配線6により接続した。さらに、シール材(シリコーンガスケット)14を用いて、入ガス流路7a及び出ガス流路7bを含むアノード側ガス流路7並びに入ガス流路8a及び出ガス流路8bを含むカソード側ガス流路8をそれぞれ独立に形成した。 Next, the electrochemical cell 4 is composed of two current collectors 11a (Au-sputtered SUS316 stainless steel mesh, thickness: 0.1 mm), two metal thin plate fins 12 (SUS304 stainless steel corrugated fin, thickness : 0.8 mm), and two current collectors 11b (Au-sputtered SUS316 stainless steel mesh, thickness: 0.1 mm) sandwiched in order, and two current collector plates 13 having openings for gas flow paths. The collector plate 13 was sandwiched between (Pt-sputtered SUS316 stainless steel plates), and the current collector plate 13 was connected by an electrical wiring 6 to an electrification device 5 (direct current power source “2400-C general-purpose source meter” manufactured by Keithley Instruments). Furthermore, using a sealing material (silicone gasket) 14, the anode side gas flow path 7 including the inlet gas flow path 7a and the out gas flow path 7b and the cathode side gas flow including the inflow gas flow path 8a and the out gas flow path 8b are formed. Each channel 8 was formed independently.

次に、NO分解触媒として調製例1で調製したPd担持γ-Al0.8gを反応管に充填してNO分解触媒反応装置9を作製し、これにカソード側出ガス流路8bのみを接続し、さらに、前記NO分解触媒反応装置9に浄化ガス排出流路10を接続して、図3に示したNOx浄化装置を作製した。 Next, 0.8 g of the Pd-supported γ-Al 2 O 3 prepared in Preparation Example 1 was filled in the reaction tube as the N 2 O decomposition catalyst to prepare the N 2 O decomposition catalyst reactor 9. Only the gas flow path 8b was connected, and the purified gas discharge flow path 10 was connected to the N 2 O decomposition catalytic reaction device 9 to fabricate the NOx purifier shown in FIG.

(実施例2)
調製例1で調製したPd担持γ-Alの代わりに調製例2で調製したRhFe担持CeO0.8gを用いた以外は実施例1と同様にして、図3に示したNOx浄化装置を作製した。
(Example 2)
NOx purification shown in FIG . A device was fabricated.

(実施例3)
調製例1で調製したPd担持γ-Alの代わりに調製例3で調製したRh担持CeO0.8gを用いた以外は実施例1と同様にして、図3に示したNOx浄化装置を作製した。
(Example 3)
NOx purification shown in FIG . A device was fabricated.

(実施例4)
作製例1で作製した電極・電解質膜接合体(Pd/C-IrOx-MEA)の代わりに作製例2で作製した電極・電解質膜接合体(Pt/C-IrOx-MEA)を用いた以外は実施例1と同様にして、図3に示したNOx浄化装置を作製した。
(Example 4)
Except that the electrode/electrolyte membrane assembly (Pt/C-IrOx-MEA) produced in Production Example 2 was used instead of the electrode/electrolyte membrane assembly (Pd/C-IrOx-MEA) produced in Production Example 1. In the same manner as in Example 1, the NOx purifier shown in FIG. 3 was produced.

(実施例5)
調製例1で調製したPd担持γ-Alの代わりに調製例2で調製したRhFe担持CeO0.8gを用いた以外は実施例4と同様にして、図3に示したNOx浄化装置を作製した。
(Example 5)
NOx purification shown in FIG . A device was fabricated.

(比較例1)
O分解触媒反応装置9を接続しなかった以外は実施例1と同様にして、NOx浄化装置を作製した。
(Comparative example 1)
A NOx purification device was produced in the same manner as in Example 1, except that the N 2 O decomposition catalytic reaction device 9 was not connected.

(比較例2)
調製例1で調製したPd担持γ-Alの代わりに比較調製例1で調製したPt担持γ-Al0.8gを用いた以外は実施例1と同様にして、NOx浄化装置を作製した。
(Comparative example 2)
NOx purification was carried out in the same manner as in Example 1 except that 0.8 g of Pt-supported γ-Al 2 O 3 prepared in Comparative Preparation Example 1 was used instead of Pd-supported γ-Al 2 O 3 prepared in Preparation Example 1. A device was fabricated.

(比較例3)
O分解触媒反応装置9を接続しなかった以外は実施例4と同様にして、NOx浄化装置を作製した。
(Comparative Example 3)
A NOx purification device was produced in the same manner as in Example 4, except that the N 2 O decomposition catalytic reaction device 9 was not connected.

(比較例4)
O分解触媒反応装置9にアノード側出ガス流路7bとカソード側出ガス流路8bの両方を接続した以外は実施例1と同様にして、NOx浄化装置を作製した。
(Comparative Example 4)
A NOx purifier was fabricated in the same manner as in Example 1, except that both the anode-side exit gas flow path 7b and the cathode-side exit gas flow path 8b were connected to the N 2 O decomposition catalytic reactor 9 .

実施例及び比較例で作製した各NOx浄化装置の構成を表1にまとめた。 Table 1 summarizes the configurations of the NOx purifiers produced in Examples and Comparative Examples.

Figure 2022189523000002
Figure 2022189523000002

<性能評価試験>
先ず、実施例及び比較例で作製した各NOx浄化装置のNO分解触媒反応装置9に、ヘリウムガスを流量100ml/分、温度300℃の条件で30分間流通させて前処理を行った。
<Performance evaluation test>
First, helium gas was passed through the N 2 O decomposition catalytic reactor 9 of each of the NOx purifiers fabricated in Examples and Comparative Examples at a flow rate of 100 ml/min and a temperature of 300° C. for 30 minutes for pretreatment.

次に、各NOx浄化装置の電気化学セル4のアノード電極膜2にバブラーで水を添加したヘリウムガスを、カソード電極膜3に一酸化窒素と水分とを含有する混合ガス(NO(1000ppm)+HO(5%)+He(残部))をそれぞれ流量120ml/分で供給しながら、室温(19~26℃)で、アノード電極膜とカソード電極膜との間に1.5Vの電圧を15分間印加した。 Next, helium gas to which water was added by a bubbler was applied to the anode electrode film 2 of the electrochemical cell 4 of each NOx purification device, and a mixed gas containing nitrogen monoxide and moisture (NO (1000 ppm) + H 2 O (5%) + He (balance)) at a flow rate of 120 ml/min, and a voltage of 1.5 V is applied between the anode electrode film and the cathode electrode film for 15 minutes at room temperature (19 to 26°C). applied.

O分解触媒反応装置9から排出された浄化ガス(比較例1、3については、カソード側出ガス)中のNO濃度、N濃度及びNO濃度を、質量分析計(キヤノンアネルバ株式会社製四重極型質量分析計「M-101QA-TDF」)を用いてm/z=28及び44として測定した。なお、ガス濃度と質量分析ピーク強度との関係は、予め既知の濃度のガスを用いて校正した。得られた結果に基づいて、電圧印加開始から14分~15分の1分間におけるNO転化量に対するN生成量の割合(N生成率)及びNO残存量の割合(NO残存率)を求めた。その結果を図4に示す。 The NO concentration, N 2 concentration and N 2 O concentration in the purified gas discharged from the N 2 O decomposition catalytic reactor 9 (cathode-side gas for Comparative Examples 1 and 3) were measured using a mass spectrometer (Canon ANELVA Co., Ltd.). It was measured at m/z = 28 and 44 using a quadrupole mass spectrometer "M-101QA-TDF" manufactured by the company. The relationship between gas concentration and mass spectrometry peak intensity was calibrated in advance using gases of known concentrations. Based on the results obtained, the ratio of the amount of N 2 produced to the amount of NO converted (N 2 production rate) and the ratio of the amount of residual N 2 O (remaining N 2 O rate). The results are shown in FIG.

図4に示したように、電気化学セル(NOx分解装置)のカソード側出ガスのみをPd又はRhを含有するNO分解触媒に供給した場合(実施例1~5)には、浄化ガス中にNOは残存せず、N生成率が高くなった。すなわち、本発明のNOx浄化装置を用いることにより、高い浄化率でNOxをNまで分解除去できることがわかった。 As shown in FIG. 4, when only the cathode side exit gas of the electrochemical cell (NOx decomposition device) was supplied to the N 2 O decomposition catalyst containing Pd or Rh (Examples 1 to 5), the purified gas No N 2 O remained inside, and the N 2 production rate increased. That is, it was found that NOx can be decomposed and removed to N2 at a high purification rate by using the NOx purification device of the present invention.

一方、電気化学セル(NOx分解装置)の下流にNO分解触媒を配置しなかった場合(比較例1、3)には、N生成率が非常に低く(15%以下)、NO残存率が非常に高くなった(50%以下)。すなわち、NO分解触媒を備えていないNOx分解装置を用いると、NOx浄化率は高くなるものの、Nまで十分に分解されず、浄化ガスに多量のNOが残存することがわかった。 On the other hand, when the N 2 O decomposition catalyst was not arranged downstream of the electrochemical cell (NOx decomposition device) (Comparative Examples 1 and 3), the N 2 production rate was very low (15% or less), and the N 2 O residual rate became very high (50% or less). That is, it was found that when a NOx decomposition device not equipped with an N 2 O decomposition catalyst is used, although the NOx purification rate is high, N 2 is not sufficiently decomposed, and a large amount of N 2 O remains in the purified gas. .

また、NO分解触媒としてPtを含有する触媒を用いた場合(比較例2)には、NO分解触媒を備えていないNOx分解装置を用いた場合(比較例1、3)に比べて、N生成率は高くなる(約25%)ものの、NO残存率は未だ高かった(約45%)。すなわち、Ptを含有する触媒はNO分解触媒として不向きであることがわかった。 In addition, when a catalyst containing Pt was used as the N 2 O decomposition catalyst (Comparative Example 2), compared to the case of using a NOx decomposition device not equipped with an N 2 O decomposition catalyst (Comparative Examples 1 and 3), As a result, the N 2 production rate increased (approximately 25%), but the N 2 O residual rate was still high (approximately 45%). That is, it was found that catalysts containing Pt are unsuitable as N 2 O decomposition catalysts.

さらに、電気化学セル(NOx分解装置)のアノード側出ガスとカソード側出ガスの両方をPd又はRhを含有するNO分解触媒に供給した場合(比較例4)も、N生成率が非常に低く(約15%)、NO残存率が非常に高くなった(約65%)。すなわち、電気化学セル(NOx分解装置)の出ガスすべてをPd又はRhを含有するNO分解触媒に供給すると、NOx浄化率は高くなるものの、Nまで十分に分解されず、浄化ガスに多量のNOが残存することがわかった。 Furthermore, when both the anode side gas and the cathode side gas of the electrochemical cell (NOx decomposition device) were supplied to the N 2 O decomposition catalyst containing Pd or Rh (Comparative Example 4), the N 2 production rate was Very low (approximately 15%) and very high residual N 2 O (approximately 65%). That is, if all the output gas from the electrochemical cell (NOx decomposition device) is supplied to the N 2 O decomposition catalyst containing Pd or Rh, the NOx purification rate will be high, but N 2 will not be sufficiently decomposed into purified gas. It was found that a large amount of N 2 O remained.

以上説明したように、本発明によれば、室温付近の低温でも高い浄化率でNOxをNまで分解除去することが可能となる。したがって、本発明のNOx浄化装置及びそれを用いたNOx浄化方法は、自動車排ガス処理、低温排ガス処理、分散型コージェネレーションシステム、長距離トンネルや工場等の閉鎖空間におけるNOx浄化等に使用でき、特に、ディーゼルエンジンや燃料消費率の低い希薄燃料式(リーンバーン)エンジン等の内燃機関からの排ガス中に含まれる窒素酸化物(NOx)を浄化するためのNOx浄化装置及びそれを用いたNOx浄化方法として特に有用である。 As described above, according to the present invention, it is possible to decompose and remove NOx to N2 at a high purification rate even at a low temperature around room temperature. Therefore, the NOx purification device and the NOx purification method using the same of the present invention can be used for automobile exhaust gas treatment, low-temperature exhaust gas treatment, distributed cogeneration system, NOx purification in closed spaces such as long-distance tunnels and factories, etc. , NOx purifier for purifying nitrogen oxides (NOx) contained in exhaust gas from internal combustion engines such as diesel engines and lean fuel engines with low fuel consumption rate, and NOx purifying method using the same is particularly useful as

1:固体電解質
2:アノード電極膜
2a:アノード側カーボンペーパー
3:カソード電極膜
3a:カソード側カーボンペーパー
4:電気化学セル
5:通電装置
6:電気配線
7:アノード側ガス流路
7a:アノード側入ガス流路
7b:アノード側出ガス流路
8:カソード側ガス流路
8a:カソード側入ガス流路
8b:カソード側出ガス流路
9:NO分解触媒反応装置
10:浄化ガス排出流路
11a、11b:集電材
12:金属製薄板フィン
13:集電板
14:シール材
1: Solid electrolyte 2: Anode electrode film 2a: Anode side carbon paper 3: Cathode electrode film 3a: Cathode side carbon paper 4: Electrochemical cell 5: Conductor 6: Electric wiring 7: Anode side gas channel 7a: Anode side Incoming gas passage 7b: Anode side outgoing gas passage 8: Cathode side gas passage 8a: Cathode side incoming gas passage 8b: Cathode side outgoing gas passage 9: N 2 O decomposition catalytic reactor 10: Purified gas discharge stream Paths 11a, 11b: Current collector 12: Metal thin plate fin 13: Current collector 14: Sealing material

Claims (5)

固体電解質と、前記固体電解質の一方の面上に配置されたアノード電極膜と、前記アノード電極膜と対向するように前記固体電解質の他方の面上に配置されたカソード電極膜とを有する電気化学セルと、
前記アノード電極膜及び前記カソード電極膜に電気的に接続された通電装置と、
前記電気化学セルの下流に配置されているNO分解触媒と
を備えており、
前記NO分解触媒が、金属酸化物担体と前記金属酸化物担体に担持された、Pd及びRhからなる群から選択される少なくとも1種の貴金属とを含有するものであり、
前記アノード電極膜に第一の入ガスを供給するためのアノード側入ガス流路と前記カソード電極膜に第二の入ガスを供給するためのカソード側入ガス流路とがそれぞれ独立に設けられており、
前記アノード電極膜からの第一の出ガスを排出するためのアノード側出ガス流路と前記カソード電極膜からの第二の出ガスを排出するためのカソード側出ガス流路とがそれぞれ独立に設けられており、
前記カソード側出ガス流路のみが前記NO分解触媒に接続されている
ことを特徴とするNOx浄化装置。
Electrochemistry comprising a solid electrolyte, an anode electrode film arranged on one surface of the solid electrolyte, and a cathode electrode film arranged on the other surface of the solid electrolyte so as to face the anode electrode film a cell;
an energization device electrically connected to the anode electrode film and the cathode electrode film;
an N 2 O decomposition catalyst located downstream of the electrochemical cell;
The N 2 O decomposition catalyst contains a metal oxide support and at least one noble metal selected from the group consisting of Pd and Rh supported on the metal oxide support,
An anode-side incoming gas channel for supplying a first incoming gas to the anode electrode film and a cathode-side incoming gas channel for supplying a second incoming gas to the cathode electrode film are provided independently of each other. and
An anode-side outlet gas flow path for discharging the first output gas from the anode electrode film and a cathode-side output gas flow path for discharging the second output gas from the cathode electrode film are independently provided. is provided,
The NOx purifier, wherein only the cathode-side exit gas flow path is connected to the N 2 O decomposition catalyst.
前記アノード電極膜及び前記カソード電極膜が貴金属を含有するものであることを特徴とする請求項1に記載のNOx浄化装置。 2. A NOx purifier according to claim 1, wherein said anode electrode film and said cathode electrode film contain a noble metal. 前記カソード電極膜がPd電極膜又はPt電極膜であることを特徴とする請求項2に記載のNOx浄化装置。 3. A NOx purifier according to claim 2, wherein said cathode electrode film is a Pd electrode film or a Pt electrode film. 前記固体電解質がプロトン伝導性高分子固体電解質であることを特徴とする請求項1~3のうちのいずれか一項に記載のNOx浄化装置。 The NOx purifier according to any one of claims 1 to 3, wherein the solid electrolyte is a proton-conducting polymer solid electrolyte. 請求項1~4のうちのいずれか一項に記載のNOx浄化装置の前記アノード電極膜と前記カソード電極膜との間に電圧を印加しながら、水分を含む第一の入ガスを前記アノード電極膜に、NOxを含む第二の入ガスを前記カソード電極膜に、それぞれ独立に供給することによって、前記アノード電極膜上で前記水分を電気分解して水素イオンを生成させ、前記カソード電極膜上で前記水素イオンと前記NOxとを反応させて前記NOxをNとNOに分解する工程と、
前記カソード電極膜からの第二の出ガスのみを前記NO分解触媒に供給して前記第二の出ガスに含まれるNOをNに還元分解する工程と、
を含むことを特徴とするNOx浄化方法。
While applying a voltage between the anode electrode film and the cathode electrode film of the NOx purifier according to any one of claims 1 to 4, the first incoming gas containing moisture is supplied to the anode electrode. By independently supplying a second input gas containing NOx to the cathode electrode film, the water is electrolyzed on the anode electrode film to generate hydrogen ions, and reacting the hydrogen ions with the NOx to decompose the NOx into N2 and N2O ;
a step of supplying only the second output gas from the cathode electrode film to the N 2 O decomposition catalyst to reduce and decompose N 2 O contained in the second output gas into N 2 ;
A NOx purification method comprising:
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