JP4317683B2

JP4317683B2 - Nitrogen oxide purification chemical reactor

Info

Publication number: JP4317683B2
Application number: JP2002204893A
Authority: JP
Inventors: 正信淡野; 芳伸藤代; ブレディヒンセルゲイ; 真吾片山; 拓也平松
Original assignee: NGK Insulators Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: NGK Insulators Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: JP2004041975A

Description

【０００１】
【発明の属する専門分野】
本発明は、化学反応器に関するものであり、更に詳しくは、被処理物質の化学反応を行うための固体電解質からなるイオン伝導相を含む化学反応器において、例えば、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ことが可能な化学反応器に関するものである。本発明は、酸素が吸着する化学反応部表面への導電経路を遮断することにより、化学反応部表面における吸着酸素のイオン化反応を抑止して、少ない消費電力で高効率に被処理物質を処理することを可能とする新しい構造の化学反応器を提供するものとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガソリンエンジンから発生する窒素酸化物を浄化する方法は、現在、三元系触媒による方法が主流となっている。しかし、燃費向上を可能とするリーンバーンエンジンやディーゼルエンジンにおいては、燃焼排ガス中に酸素が過剰に存在するため、三元系触媒表面への酸素の吸着による触媒活性の激減が問題となり、窒素酸化物を高効率で浄化することができない。
【０００３】
一方、酸素イオン伝導性を有する固体電解質膜を用いて、そこへ電流を流すことにより、排ガス中の酸素を触媒表面に吸着させることなく除去することも行われている。この種の触媒反応器として提案されているものとして、例えば、電極に両面を挟まれた固体電解質に電圧を印加することにより、触媒表面の酸素を除去すると同時に窒素酸化物を酸素と窒素に分解するシステムが知られている。
【０００４】
しかしながら、上記方法及びシステムでは、燃焼排ガス中に過剰の酸素が存在する場合、共存している酸素がイオン化し、固体電解質中を流れるため、窒素酸化物を分解するには、多量の電流を流す必要があり、それにより、消費電力が著しく増大するという問題があり、当技術分野においてはそのような問題を解決することができる新しい方法を開発することが強く要請されていた。
【０００５】
このような状況の中で、本発明者らは、既に、被処理物質の化学反応を行うための固体電解質からなるイオン伝導相を含む化学反応器において、被処理ガスの流れに対し、化学反応部の上流部に触媒反応部を配置し、被処理物質の化学反応を行う際に妨害ガスとなる過剰な酸素を触媒反応を利用して低減させることにより、少ない消費電力で高効率に被処理物質を処理できることを見出している（特願２００１−２２３６８７）。しかし、その際に、この方法では、過剰な酸素の低減に炭化水素などの還元剤が必要とされる点が、省エネルギー化を進める上で問題であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、これらの諸問題を抜本的に解決することを目標として鋭意研究を重ねた結果、化学反応部において、最上層表面が酸素吸着の相当部分を占め、この吸着酸素のイオン化と除去に多量の電流が消費されること、この表面酸素の除去に電流が消費されないようにするには、電子伝導性の電極下部から、酸素が吸着した化学反応部表面への導電経路を遮断することが有効であること、を見出し、更に研究を重ねて、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明の課題は、上記問題点を解決することにあり、本発明は、被処理物質の化学反応を行うための固体電解質からなるイオン伝導相を含む化学反応器において、燃焼排ガス中に過剰の酸素が存在する場合に、イオン化して固体電解質中を流れる酸素量を減少させることにより、窒素酸化物の分解に必要な電流量を減らし、少ない消費電力で高効率に窒素酸化物を浄化することができる新しい構造の化学反応器を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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）被処理物質中に含まれる元素へ電子を供給してイオンを生成させる還元相と、前記還元相からの前記イオンを伝導することにより、前記被処理物質の化学反応を行うための固体電解質からなるイオン伝導相と、このイオン伝導相を伝導した前記イオンから電子を放出させる酸化相を含む化学反応器において、
酸素分子を表面吸着した際に酸素イオンを生成するために必要な電子の供給を防ぐために、前記化学反応を進行させる化学反応部の上流層に、化学反応部表面における吸着酸素のイオン化反応を抑止するイオン化反応抑止層を形成した構造を有し、該イオン化反応抑止層が、イオン伝導性物質、電子伝導の抑止効果を有する混合導電性物質又は絶縁性物質から構成され、イオン化電流の導電経路を抑止、遮断する作用を有することを特徴とする化学反応器。
（２）前記被処理物質の化学反応を行うための化学反応器において、前記イオン化反応抑止層として、前記被処理物質の前記化学反応を進行させる化学反応部の表面に、化学反応部表面における吸着酸素のイオン化反応を抑止する表面被覆層を形成した構造を有することを特徴とする前記（１）に記載の化学反応器。
（３）前記被処理物質が、窒素酸化物であり、前記還元相において、窒素酸化物を還元して酸素イオンを生成させ、前記イオン伝導相において前記酸素イオンを伝導するようにしたことを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の化学反応器。
（４）前記イオン化反応抑止層又は表面被覆層が、酸素ガス分子が化学反応部表面に吸着した際に、化学反応部に外部から供給される電流が、酸素分子の吸着点に到達する導電経路を抑止、遮断し、それにより、吸着酸素のイオン化に要する電流が低減されることを特徴とする前記（１）から（３）のいずれかに記載の化学反応器。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、被処理物質の化学反応を行うための固体電解質からなるイオン伝導相を含む化学反応器において、前記化学反応を進行させる化学反応部の上流層に、化学反応部表面における吸着酸素のイオン化反応を抑止するイオン化反応抑止層を形成したことを特徴とする化学反応器に係るものである。本発明において、被処理物質の化学反応を行うための化学反応器は、好適には、前記被処理物質の前記化学反応を進行させる化学反応部と、吸着酸素のイオン化反応を抑止する表面被覆層とからなる。
【００１０】
被処理物質の化学反応を行う化学反応部は、好適には、例えば、被処理物質中に含まれる元素へ電子を供給してイオンを生成させる還元相と、還元相からのイオンを伝導するイオン伝導相と、このイオン伝導相を伝導したイオンから電子を放出させる酸化相とを備えている。
【００１１】
本発明において、被処理物質は、好適には、例えば、燃焼排ガス中の窒素酸化物であり、上記化学反応部の還元相において、窒素酸化物を還元して酸素イオンを生成させ、イオン伝導相において酸素イオンを伝導させ、酸化相において前記イオンから電子を放出させる。しかし、本発明における被処理物質は、窒素酸化物に制限されるものではなく、本発明は、適宜の被処理物に適用することが可能である。本発明の化学反応器によって実施できる反応方法としては、上記窒素酸化物を処理する方法の他に、例えば、二酸化炭素を還元して一酸化炭素を生成する方法、メタンから水素と一酸化炭素との混合ガスを生成する方法、あるいは水から水素を生成する方法等が例示されるが、これらに制限されるものではない。
【００１２】
本発明の化学反応器の形態としては、例えば、管状、平板状、ハニカム状等が例示されるが、特に、管状、ハニカム状のように、一対の開口を有する貫通孔を一つ又は複数有しており、各貫通孔中に化学反応部が位置している構造を有するものが好ましい。しかし、本発明の化学反応器の形態は、これらに限らず、その使用目的に応じて適宜の形態に設計することができる。
【００１３】
上記化学反応部の還元相は、好適には、例えば、多孔質であり、反応の対象とする被処理物質を選択的に吸着するものが好ましい。この還元相では、被処理物質中に含まれる元素へ電子を供給し、イオンを生成させ、生成したイオンをイオン伝導相へ伝達するために、当該還元相は、導電性物質からなることが好ましく、また、電子及びイオンの伝達を促進するために、電子伝導性とイオン伝導性の両特性を有する混合伝導性物質からなること、又は、電子伝導性物質とイオン伝導性物質の混合物からなることがより好ましい。この還元相は、これらの物質を少なくとも二相以上積層した構造であることが好ましい。
【００１４】
上記還元相として用いられる導電性物質及びイオン伝導性物質は、特に制限されるものではないが、導電性物質としては、例えば、白金、パラジウム等の貴金属や、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化銅、ランタンマンガナイト、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などが用いられる。被処理物質を選択的に吸着するバリウム含有酸化物やセオライト等も還元相として用いられる。前記物質の少なくとも１種類以上を、少なくとも１種類以上のイオン伝導性物質との混合質として用いることも好ましい。また、イオン伝導性物質としては、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用いられる。還元相は、前記物質を少なくとも二相以上積層した構造からなることが好ましく、好適には、例えば、白金等の貴金属からなる導電性物質相と酸化ニッケルと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の混合物相の二相を積層した構造からなる。
【００１５】
上記化学反応部のイオン伝導相は、イオン伝導性を有する固体電解質からなり、好ましくは、酸素イオン導電性を有する固体電解質からなる。酸素イオン伝導性を有する固体電解質としては、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、ランタンガレイトが挙げられるが、特に制限されるものではない。このイオン伝導相としては、好ましくは、高い導電性と強度を有し、長期安定性に優れた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が用いられる。
【００１６】
上記化学反応部の酸化相は、イオン伝導相からのイオンから電子を放出させるために、導電性物質を含有するが、電子及びイオンの伝達を促進するために、電子伝導性とイオン伝導性の両特性を有する混合伝導性物質からなること、又は、電子伝導性物質とイオン伝導性物質の混合物からなることが好ましい。酸化相として用いられる導電性物質及びイオン伝導性物質は、特に制限されるものではないが、導電性物質としては、例えば、白金、パラジウム等の貴金属や、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化銅、ランタンマンガナイト、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などが用いられる。また、イオン伝導性物質としては、好適には、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、ランタンガレイトが用いられる。
【００１７】
次に、上記化学反応器におけるイオン化反応抑止層又は表面被覆層は、酸素分子を表面吸着した際に、酸素イオンを生成するために必要な電子の供給を防ぐために、化学反応部、特に、その還元相による供給電子が表面に到達することを抑止する材料及び構造を有する。このイオン化反応抑止層又は表面被覆層は、イオン伝導体、混合導電体又は絶縁体であることが望ましく、混合導電体の場合は、電子伝導性が大きいと電子伝導の抑止効果が低下するため、電子伝導性の割合が極力小さいものであることが望ましい。また、このイオン化反応抑止層又は表面被覆層は、高温での酸化還元雰囲気に対する安定性と、被処理物質を化学反応部に適度に供給することが可能な密度（連続開気孔が生成可能である、理論密度比で約９５％以下であり、かつ開気孔孔壁において、酸素が吸着イオン化することによる消費電流の増大が、セルの作動効率に問題とならないレベルの上限である、理論密度比約８０％以上であることが望ましい。）の両方が求められるため、その材料として、好適には、例えば、イットリア安定化ジルコニアが用いられる。
【００１８】
上記イオン化反応抑止層又は表面被覆層の材料としては、その他、スカンジウム安定化ジルコニアやランタンガレイトも好ましく用いられ、また、雰囲気安定性は劣るものの、セリア系イオン伝導体も同様に用いることが可能である。しかし、これらに制限されるものではない。また、絶縁体として、アルミナ等を用いることも可能であるが、隣接層との間で熱膨張特性に大きな差があると層間剥離などの構造欠陥を生じる。上記のイオン化反応抑止層又は表面被覆層としての条件を満たすものであれば、イオン伝導体、混合導電体、絶縁体の各々の化合物及びこれらの相互のコンポジットを用いることも有効である。これらの層は、スクリーン印刷及び熱処理などの適宜の手段で形成することが可能であり、その手段は、特に制限されない。
【００１９】
また、イオン化反応抑止層又は表面被覆層は、必ずしも最上層表面に位置させることに限定されるものではなく、イオン化電流の導電経路の抑止、遮断が可能であれば、例えば、中間層として、又は混合層等として適宜の位置に配置することができる。しかし、このような配置の場合、これらの層より上部において、又は上部から連続する領域においては、酸素分子が吸着した際の酸素イオンの生成による電流消費が生じてしまうことが避けられないことがあり得るので、より効率的には表面被覆層とすることが望ましい。そして、この場合、表面被覆層の上部に、更に、酸素等のガス分子の吸着層、炭化水素による酸素分圧低減層、電気化学セルの保護層等を加えることは、本発明により期待される性能を何ら妨げるものではない限り、適宜、採用し得るものである。
【００２０】
【作用】
本発明は、被処理物質の化学反応を行うための固体電解質からなるイオン伝導相を含む化学反応器において、前記化学反応を進行させる化学反応部の上流層に、化学反応部表面における吸着酸素のイオン化反応を抑止するイオン化反応抑止層を形成したことを特徴とする化学反応器、に係るものである。本発明では、被処理物質中に含まれる酸素ガス分子が化学反応部表面に吸着した際に、化学反応部に外部から供給される電流が、酸素分子の吸着点に到達する導電経路を遮断するための材料及び構造を有するイオン化反応抑止層を化学反応部の上流層に形成したので、これらの構成により、吸着酸素のイオン化反応を抑止することが可能となり、それにより、吸着酸素のイオン化に要する電流を低減させ、少ない消費電力で高効率に窒素酸化物等の被処理物質を処理することが可能となる。
【００２１】
【実施例】
次に、実施例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。
実施例１
（１）化学反応器の構成
図１は、本発明の一実施態様に係る化学反応器１の構成図である。表面被覆層２は、ガスの流れに対し、化学反応部３より上流部に位置する。すなわち、被処理ガスは、表面被覆層２を通過した後に化学反応部３を通過する。
【００２２】
（２）化学反応器の作製
以下、被処理物質として、窒素酸化物を対象とした場合の実施例を示す。
イオン伝導性を有する固体電解質として、イットリアで安定化したジルコニアを用い、その形状は、直径２０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの円板状とした。化学反応部を構成する還元相は、酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合物からなる膜と、白金及びイットリア安定化ジルコニアからなる膜の二層構造とした。白金及びイットリア安定化ジルコニアからなる膜は、固体電解質の片面に面積約１．１ｃｍ² となるようにスクリーン印刷した後、１２００℃で熱処理することにより形成した。
【００２３】
酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合膜は、白金膜上に白金膜と同一面積となるようにスクリーン印刷した後、１４５０℃で熱処理することにより形成した。酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合比は、モル比で３：７とした。還元相を形成した固体電解質の他方の面に面積約１．１ｃｍ² となるように白金膜をスクリーン印刷した後、１２００℃で熱処理することにより形成し、酸化相とした。表面被覆層は、イットリア安定化ジルコニアを用いて、スクリーン印刷及び１４００℃の焼成により、上記還元相の表面に形成した。
【００２４】
（３）窒素酸化物の処理方法
このようにして作製した本発明の化学反応器による窒素酸化物の処理方法を、次に示す。被処理ガス中に化学反応器を配置し、還元相と酸化相に白金線をリード線として固定し、直流電源に接続、直流電圧を印加して電流を流した。評価は、反応温度５００℃から６００℃の範囲で行った。被処理ガスとして、一酸化窒素１０００ｐｐｍ、酸素３％、ヘリウムバランスのモデル燃焼排ガスを流量５０ｍｌ／ｍｉｎで流した。化学反応器に流入前後における被処理ガス中の窒素酸化物濃度を化学発光式ＮＯｘ計で測定し、窒素及び酸素濃度をガスクロマトグラフィーで測定した。窒素酸化物の減少量から、窒素酸化物の浄化率を求め、浄化率が５０％となるときの電流密度及び消費電力を測定した。
【００２５】
（４）結果
化学反応器を反応温度６００℃に加熱し、化学反応部に通電を行った。この時、電流量の増加と共に窒素酸化物の浄化率は向上し、電流密度５５ｍＡ／ｃｍ²、消費電力８０ｍＷの時に窒素酸化物は約５０％に減少した。
【００２６】
実施例２
表面被覆層を構成するイオン伝導体として、ガドリニウム１０％ドープセリアを用いた以外は、実施例１と同様にして化学反応器を作製した。この化学反応器を反応温度５００℃に加熱し、化学反応部に通電を行った。この時、電流量の増加と共に窒素酸化物の浄化率は向上し、電流密度５２ｍＡ／ｃｍ² 、消費電力６７ｍＷの時に窒素酸化物は約５０％に減少した。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、窒素酸化物浄化用化学反応器に係るものであり、本発明によれば、１）被処理物質の化学反応を行うための固体電解質からなるイオン伝導相を含む化学反応器において、酸素が吸着する化学反応部表面への導電経路を遮断することができる、２）化学反応部に外部から供給される電流が、酸素分子の吸着点に到達する導電経路を遮断し、化学反応部表面における吸着酸素イオン化反応を抑止することができる、３）それにより、吸着酸素イオン化に要する電流を低減させ、少ない消費電力で、高効率に窒素酸化物等の被処理物質を処理することができる、４）化学反応器における消費電力を顕著に低減することができる、５）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、省エネルギーで、高効率に被処理物質を処理できる化学反応器を提供することができる、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係る化学反応器の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１化学反応器
２表面被覆層
３化学反応部[0001]
[Field of Invention]
The present invention relates to a chemical reactor. More specifically, the present invention relates to a chemical reactor including an ion conductive phase made of a solid electrolyte for performing a chemical reaction of a substance to be treated. The present invention relates to a chemical reactor capable of efficiently purifying substances. The present invention prevents the ionization reaction of adsorbed oxygen on the surface of the chemical reaction section by blocking the conductive path to the surface of the chemical reaction section where oxygen is adsorbed, and treats the material to be treated with low power consumption and high efficiency. It is useful to provide a chemical reactor having a new structure that makes it possible.
[0002]
[Prior art]
In general, the method of purifying nitrogen oxides generated from a gasoline engine is currently a method using a three-way catalyst. However, in lean burn engines and diesel engines that can improve fuel efficiency, excessive oxygen is present in the combustion exhaust gas, so a drastic decrease in catalytic activity due to adsorption of oxygen on the surface of the three-way catalyst becomes a problem, and nitrogen oxidation Things cannot be purified with high efficiency.
[0003]
On the other hand, by using a solid electrolyte membrane having oxygen ion conductivity and flowing current therethrough, oxygen in the exhaust gas is removed without being adsorbed on the catalyst surface. As a catalyst reactor of this type, for example, by applying a voltage to a solid electrolyte sandwiched between electrodes, oxygen on the catalyst surface is removed and at the same time nitrogen oxides are decomposed into oxygen and nitrogen. Systems that do this are known.
[0004]
However, in the above method and system, when excessive oxygen is present in the combustion exhaust gas, the coexisting oxygen is ionized and flows in the solid electrolyte, so that a large amount of current is passed to decompose the nitrogen oxides. Therefore, there is a problem that the power consumption is remarkably increased, and there has been a strong demand in the art to develop a new method capable of solving such a problem.
[0005]
Under such circumstances, the present inventors have already made a chemical reaction with respect to the flow of the gas to be processed in the chemical reactor including the ion conductive phase made of the solid electrolyte for performing the chemical reaction of the material to be processed. A catalytic reaction unit is placed upstream of the unit, and excess oxygen, which becomes an interfering gas when the chemical reaction of the material to be processed is performed, is reduced by using the catalytic reaction, enabling high-efficiency processing with low power consumption. It has been found that substances can be processed (Japanese Patent Application No. 2001-223687). However, at this time, this method requires a reducing agent such as a hydrocarbon to reduce excess oxygen, which is a problem in promoting energy saving.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, in view of the above prior art, the present inventors have conducted intensive research with the goal of drastically solving these problems, and as a result, in the chemical reaction part, the top layer surface is a substantial part of oxygen adsorption. In order to prevent a large amount of current from being consumed for ionization and removal of this adsorbed oxygen and to prevent current from being consumed to remove this surface oxygen, a chemical reaction in which oxygen is adsorbed from the bottom of the electron conductive electrode The inventors have found that it is effective to block the conductive path to the surface of the part, and have further researched to complete the present invention.
[0007]
That is, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and the present invention relates to a chemical reactor including an ion conductive phase made of a solid electrolyte for performing a chemical reaction of a substance to be treated, in a combustion exhaust gas. When excess oxygen is present, the amount of oxygen that ionizes and flows through the solid electrolyte is reduced, reducing the amount of current required for nitrogen oxide decomposition and purifying nitrogen oxide with low power consumption and high efficiency. It is an object of the present invention to provide a chemical reactor having a new structure that can be performed.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A solid for performing a chemical reaction of the material to be treated by conducting a reduced phase for supplying ions to elements contained in the material to be treated to generate ions and conducting the ions from the reducing phase. In a chemical reactor comprising an ionic conduction phase comprising an electrolyte and an oxidation phase for releasing electrons from the ions conducted through the ionic conduction phase ,
In order to prevent the supply of electrons necessary to generate oxygen ions when oxygen molecules are adsorbed on the surface, an ionization reaction of adsorbed oxygen on the surface of the chemical reaction unit is performed on the upstream layer of the chemical reaction unit that promotes the chemical reaction. The ionization reaction suppression layer has a structure in which the ionization reaction suppression layer is formed , and the ionization reaction suppression layer is composed of an ion conductive material, a mixed conductive material or an insulating material having an electron conduction suppression effect, and a conduction path of an ionization current. A chemical reactor characterized in that it has the action of inhibiting and blocking .
(2) in the chemical reactor for performing chemical reactions of the substance to be treated, as the ion reaction inhibiting layer, said the surface of the chemical reaction section to advance the chemical reaction of the substance to be treated, the chemical reaction unit surface The chemical reactor according to (1), wherein the chemical reactor has a structure in which a surface coating layer that suppresses an ionization reaction of adsorbed oxygen is formed.
( 3 ) The substance to be treated is nitrogen oxide, and in the reduction phase, the nitrogen oxide is reduced to generate oxygen ions, and the oxygen ions are conducted in the ion conduction phase. The chemical reactor according to (1) or (2) .
( 4 ) The conductive path through which the current supplied from the outside to the chemical reaction part reaches the adsorption point of the oxygen molecule when the ionization reaction suppression layer or the surface coating layer adsorbs oxygen gas molecules on the surface of the chemical reaction part. deterrence, and shielding sectional, whereby the chemical reactor according to any one the current required to ionize the adsorbed oxygen is characterized by a reduced Turkey from (1) to (3).
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention relates to a chemical reactor including an ion conductive phase made of a solid electrolyte for performing a chemical reaction of a substance to be treated, and adsorbed oxygen on the surface of the chemical reaction part is disposed upstream of the chemical reaction part in which the chemical reaction proceeds. The present invention relates to a chemical reactor characterized in that an ionization reaction suppression layer for suppressing an ionization reaction is formed. In the present invention, the chemical reactor for performing the chemical reaction of the substance to be treated is preferably a chemical reaction part for advancing the chemical reaction of the substance to be treated, and a surface coating layer for suppressing the ionization reaction of adsorbed oxygen It consists of.
[0010]
The chemical reaction unit that performs the chemical reaction of the target substance preferably includes, for example, a reduction phase that supplies ions to elements contained in the target substance to generate ions, and an ion that conducts ions from the reduction phase. A conduction phase and an oxidation phase for emitting electrons from ions conducted through the ion conduction phase are provided.
[0011]
In the present invention, the substance to be treated is preferably, for example, nitrogen oxide in combustion exhaust gas, and in the reduction phase of the chemical reaction section, the nitrogen oxide is reduced to generate oxygen ions, and the ion conduction phase Oxygen ions are conducted in, and electrons are emitted from the ions in the oxidation phase. However, the material to be treated in the present invention is not limited to nitrogen oxides, and the present invention can be applied to an appropriate material to be treated. As a reaction method that can be carried out by the chemical reactor of the present invention, in addition to the method of treating nitrogen oxides, for example, a method of reducing carbon dioxide to produce carbon monoxide, hydrogen and carbon monoxide from methane, Examples of the method for generating the mixed gas or the method for generating hydrogen from water are illustrated, but the method is not limited thereto.
[0012]
Examples of the form of the chemical reactor of the present invention include a tubular shape, a flat plate shape, and a honeycomb shape. In particular, one or a plurality of through holes having a pair of openings are provided, such as a tubular shape and a honeycomb shape. It is preferable to have a structure in which a chemical reaction part is located in each through hole. However, the form of the chemical reactor of the present invention is not limited to these, and can be designed in an appropriate form according to the purpose of use.
[0013]
The reduction phase of the chemical reaction part is preferably, for example, porous and preferably selectively adsorbs the target substance to be reacted. In this reduction phase, it is preferable that the reduction phase is made of a conductive material in order to supply electrons to the elements contained in the material to be treated, generate ions, and transmit the generated ions to the ion conduction phase. In addition, in order to promote the transmission of electrons and ions, it is made of a mixed conductive material having both the properties of electron conductivity and ion conductivity, or made of a mixture of an electron conductive material and an ion conductive material. Is more preferable. This reducing phase preferably has a structure in which at least two phases of these substances are laminated.
[0014]
The conductive substance and ion conductive substance used as the reducing phase are not particularly limited, but examples of the conductive substance include noble metals such as platinum and palladium, nickel oxide, cobalt oxide, copper oxide, Metal oxides such as lanthanum manganite, lanthanum cobaltite and lanthanum chromite are used. Barium-containing oxides or theolite that selectively adsorb the substance to be treated are also used as the reducing phase. It is also preferable to use at least one kind of the substance as a mixture with at least one kind of ion conductive substance. Examples of the ion conductive substance include zirconia stabilized with yttria or scandium oxide, ceria stabilized with gadolinium oxide or samarium oxide, lanthanum gallate, and the like. The reducing phase preferably has a structure in which at least two phases are stacked. Preferably, the reducing phase is preferably composed of a conductive material phase made of a noble metal such as platinum, nickel oxide, and zirconia stabilized with yttria or scandium oxide. It has a structure in which two phases of a mixture phase are laminated.
[0015]
The ion conductive phase of the chemical reaction part is made of a solid electrolyte having ionic conductivity, and preferably a solid electrolyte having oxygen ion conductivity. Examples of the solid electrolyte having oxygen ion conductivity include, but are not particularly limited to, zirconia stabilized with yttria or scandium oxide, ceria stabilized with gadolinium oxide or samarium oxide, and lanthanum gallate. As the ion conductive phase, zirconia stabilized with yttria or scandium oxide having high conductivity and strength and excellent long-term stability is preferably used.
[0016]
The oxidation phase of the chemical reaction part contains a conductive substance in order to release electrons from ions from the ion conduction phase, but in order to promote the transfer of electrons and ions, the conductivity of the electrons and the conductivity of the ions are reduced. It is preferably made of a mixed conductive material having both characteristics, or a mixture of an electron conductive material and an ion conductive material. The conductive substance and ion conductive substance used as the oxidation phase are not particularly limited, but examples of the conductive substance include noble metals such as platinum and palladium, nickel oxide, cobalt oxide, copper oxide, and lanthanum. Metal oxides such as manganite, lanthanum cobaltite and lanthanum chromite are used. As the ion conductive substance, zirconia stabilized with yttria or scandium oxide, ceria stabilized with gadolinium oxide or samarium oxide, and lanthanum gallate are preferably used.
[0017]
Next, the ionization reaction suppression layer or the surface coating layer in the chemical reactor is used to prevent the supply of electrons necessary for generating oxygen ions when the oxygen molecules are adsorbed on the surface. It has a material and a structure that prevent the supply electrons from the reduction phase from reaching the surface. This ionization reaction suppression layer or surface coating layer is preferably an ionic conductor, a mixed conductor or an insulator. In the case of a mixed conductor, if the electron conductivity is large, the suppression effect of electron conduction is reduced. It is desirable that the ratio of electron conductivity is as small as possible. In addition, the ionization reaction suppression layer or the surface coating layer has stability against a redox atmosphere at a high temperature and a density capable of appropriately supplying a substance to be treated to the chemical reaction part (continuous open pores can be generated. The theoretical density ratio is about 95% or less, and the increase in current consumption due to adsorption and ionization of oxygen in the open pore walls is the upper limit of the level at which the cell operation efficiency does not become a problem. For example, yttria-stabilized zirconia is preferably used as the material.
[0018]
In addition, scandium-stabilized zirconia and lanthanum gallate are also preferably used as the material for the ionization reaction suppression layer or surface coating layer. Ceria-based ion conductors can also be used in the same manner although the atmosphere stability is poor. It is. However, it is not limited to these. Further, alumina or the like can be used as the insulator, but structural defects such as delamination occur if there is a large difference in thermal expansion characteristics between adjacent layers. It is also effective to use an ionic conductor, a mixed conductor, an insulating compound, and a composite of these, as long as the above conditions for the ionization reaction inhibiting layer or the surface coating layer are satisfied. These layers can be formed by appropriate means such as screen printing and heat treatment, and the means is not particularly limited.
[0019]
In addition, the ionization reaction suppression layer or the surface coating layer is not necessarily limited to be positioned on the surface of the uppermost layer. For example, if the ionization current conduction path can be suppressed or blocked, for example, as an intermediate layer or It can be arranged at an appropriate position as a mixed layer or the like. However, in such an arrangement, it is inevitable that current consumption occurs due to generation of oxygen ions when oxygen molecules are adsorbed in the region above these layers or in a region continuous from the top. Therefore, it is desirable to make the surface coating layer more efficient. In this case, it is expected according to the present invention that an adsorbing layer for gas molecules such as oxygen, an oxygen partial pressure reducing layer using hydrocarbons, a protective layer for electrochemical cells, and the like are further added to the upper portion of the surface coating layer. As long as it does not impede performance, it can be adopted as appropriate.
[0020]
[Action]
The present invention relates to a chemical reactor including an ion conductive phase made of a solid electrolyte for performing a chemical reaction of a substance to be treated, and adsorbed oxygen on the surface of the chemical reaction part is disposed upstream of the chemical reaction part in which the chemical reaction proceeds. The present invention relates to a chemical reactor characterized in that an ionization reaction inhibiting layer for inhibiting an ionization reaction is formed. In the present invention, when oxygen gas molecules contained in the substance to be treated are adsorbed on the surface of the chemical reaction part, the current supplied from the outside to the chemical reaction part blocks the conduction path that reaches the adsorption point of the oxygen molecule. Since the ionization reaction suppression layer having the material and structure for forming is formed in the upstream layer of the chemical reaction section, it becomes possible to suppress the ionization reaction of the adsorbed oxygen by these configurations, and thus, it is necessary for the ionization of the adsorbed oxygen. It is possible to reduce a current and process a material to be processed such as nitrogen oxide with low power consumption and high efficiency.
[0021]
【Example】
EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples.
Example 1
(1) Configuration of Chemical Reactor FIG. 1 is a configuration diagram of a chemical reactor 1 according to an embodiment of the present invention. The surface coating layer 2 is located upstream of the chemical reaction unit 3 with respect to the gas flow. That is, the gas to be treated passes through the chemical reaction section 3 after passing through the surface coating layer 2.
[0022]
(2) Production of chemical reactor Hereinafter, an example in which nitrogen oxide is used as a material to be treated will be described.
As the solid electrolyte having ion conductivity, zirconia stabilized with yttria was used, and the shape thereof was a disk shape having a diameter of 20 mm and a thickness of 0.3 mm. The reducing phase constituting the chemical reaction part has a two-layer structure of a film made of a mixture of nickel oxide and yttria stabilized zirconia and a film made of platinum and yttria stabilized zirconia. A film made of platinum and yttria-stabilized zirconia was formed by screen-printing on one side of the solid electrolyte so as to have an area of about 1.1 cm ² , followed by heat treatment at 1200 ° C.
[0023]
A mixed film of nickel oxide and yttria-stabilized zirconia was formed by screen-printing on the platinum film so as to have the same area as the platinum film and then heat-treating at 1450 ° C. The mixing ratio of nickel oxide and yttria-stabilized zirconia was 3: 7 in molar ratio. A platinum film was screen-printed on the other surface of the solid electrolyte on which the reduced phase was formed so as to have an area of about 1.1 cm ^2, and then heat treated at 1200 ° C. to form an oxidized phase. The surface coating layer was formed on the surface of the reduced phase by screen printing and firing at 1400 ° C. using yttria-stabilized zirconia.
[0024]
(3) Nitrogen oxide processing method The nitrogen oxide processing method by the chemical reactor of the present invention produced as described above will be described below. A chemical reactor was placed in the gas to be treated, platinum wires were fixed as lead wires to the reduction phase and the oxidation phase, connected to a DC power source, and a DC voltage was applied to pass a current. The evaluation was performed in the reaction temperature range of 500 ° C to 600 ° C. As the gas to be treated, a model combustion exhaust gas of 1000 ppm nitrogen monoxide, 3% oxygen, and helium balance was flowed at a flow rate of 50 ml / min. The nitrogen oxide concentration in the gas to be treated before and after flowing into the chemical reactor was measured with a chemiluminescent NOx meter, and the nitrogen and oxygen concentrations were measured by gas chromatography. The nitrogen oxide purification rate was determined from the amount of nitrogen oxide reduction, and the current density and power consumption when the purification rate was 50% were measured.
[0025]
(4) Results The chemical reactor was heated to a reaction temperature of 600 ° C., and the chemical reaction part was energized. At this time, the purification rate of nitrogen oxides was improved as the amount of current increased, and the nitrogen oxides were reduced to about 50% when the current density was 55 mA / cm ² and the power consumption was 80 mW.
[0026]
Example 2
A chemical reactor was produced in the same manner as in Example 1 except that gadolinium 10% doped ceria was used as the ionic conductor constituting the surface coating layer. The chemical reactor was heated to a reaction temperature of 500 ° C., and the chemical reaction part was energized. At this time, the purification rate of nitrogen oxides was improved as the amount of current increased, and the nitrogen oxides were reduced to about 50% when the current density was 52 mA / cm ² and the power consumption was 67 mW.
[0027]
【The invention's effect】
As described above in detail, the present invention relates to a chemical reactor for purifying nitrogen oxides. According to the present invention, 1) an ion conducting phase comprising a solid electrolyte for performing a chemical reaction of a substance to be treated. In a chemical reactor containing oxygen, the conduction path to the surface of the chemical reaction part where oxygen is adsorbed can be interrupted. 2) The conduction path through which the current supplied from the outside to the chemical reaction part reaches the adsorption point of oxygen molecules 3) It can reduce the current required for adsorbed oxygen ionization, reduce the current required for adsorbed oxygen ionization, and efficiently process nitrogen oxides with low power consumption. 4) The power consumption in the chemical reactor can be significantly reduced. 5) Even when there is an excessive amount of oxygen that interferes with the chemical reaction of the material to be treated. In chromatography, it is possible to provide a chemical reactor that can process the substance to be treated with high efficiency, special effect can be attained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a chemical reactor according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Chemical reactor 2 Surface coating layer 3 Chemical reaction section

Claims

A reduction phase that supplies electrons to elements contained in the material to be treated to generate ions, and a solid electrolyte for conducting a chemical reaction of the material to be treated by conducting the ions from the reduction phase. In a chemical reactor comprising an ion conducting phase and an oxidized phase for releasing electrons from the ions conducted through the ion conducting phase ,
In order to prevent the supply of electrons necessary to generate oxygen ions when oxygen molecules are adsorbed on the surface, an ionization reaction of adsorbed oxygen on the surface of the chemical reaction unit is performed on the upstream layer of the chemical reaction unit that promotes the chemical reaction. The ionization reaction suppression layer has a structure in which the ionization reaction suppression layer is formed , and the ionization reaction suppression layer is composed of an ion conductive material, a mixed conductive material or an insulating material having an electron conduction suppression effect, and a conduction path of an ionization current. A chemical reactor characterized in that it has an action of inhibiting and blocking .

In the chemical reactor for performing chemical reactions of the substance to be treated, as the ion reaction inhibiting layer, said the surface of the chemical reaction section to advance the chemical reaction of the substance to be treated, the adsorbed oxygen in the chemical reaction unit surface The chemical reactor according to claim 1, wherein the chemical reactor has a structure in which a surface coating layer for suppressing an ionization reaction is formed.

The material to be treated is nitrogen oxide, and in the reduction phase, the nitrogen oxide is reduced to generate oxygen ions, and the oxygen ions are conducted in the ion conduction phase. Item 3. The chemical reactor according to Item 1 or 2 .

When the ionization reaction suppression layer or the surface coating layer adsorbs oxygen gas molecules on the surface of the chemical reaction unit, the current supplied from the outside to the chemical reaction unit suppresses a conductive path that reaches the adsorption point of the oxygen molecule , and shielding sectional, whereby the chemical reactor according to any one of claims 1 to 3, wherein the benzalkonium reduced current required for ionization of adsorbed oxygen.