JP4717755B2 - Nitrogen oxide treatment apparatus and method - Google Patents
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Description
本発明は、窒素酸化物処理装置および方法に係り、特に、自動車の排気ガスから窒素酸化物を還元させて取り除く窒素酸化物処理装置および方法に関する。 The present invention relates to a nitrogen oxide treatment apparatus and method, and more particularly to a nitrogen oxide treatment apparatus and method for reducing and removing nitrogen oxide from automobile exhaust gas.
ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスには、窒素酸化物(NOx)、炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)などの有害物質が含まれており、これらの有害物質を取り除く技術として、従来は三元触媒を使って還元する方法が公知である。この三元触媒法は、アルミナをベースに白金、パラジウム、ロジウムを添加し触媒を用い、それぞれHC、COの酸化反応と、NOxの還元反応を同時に行わせている。 Exhaust gas emitted from gasoline and diesel engines contains harmful substances such as nitrogen oxides (NOx), hydrocarbons (HC), and carbon monoxide (CO), and technology to remove these harmful substances As a conventional method, a reduction method using a three-way catalyst is known. In this three-way catalyst method, platinum, palladium, and rhodium are added on the basis of alumina and a catalyst is used to simultaneously perform an oxidation reaction of HC and CO and a reduction reaction of NOx, respectively.
ディーゼルエンジンでは、NOxの排出量を低減するために、EGR装置(排ガス再循環装置)が用いられている。このEGR装置は、エンジンからの排気の一部を吸気系に再循環させることで燃焼温度を抑え、NOxの排出量を低減している。 In a diesel engine, an EGR device (exhaust gas recirculation device) is used to reduce the amount of NOx emissions. This EGR device suppresses the combustion temperature by recirculating a part of the exhaust from the engine to the intake system, thereby reducing the amount of NOx emission.
最近では、排気ガスからNOxを除去する技術として、固形電解質を用いた電気化学的手法によるNOxの還元処理技術が注目されている。この種の従来技術としては、例えば、特許文献1を挙げることができる。 Recently, as a technique for removing NOx from exhaust gas, a reduction treatment technique for NOx by an electrochemical method using a solid electrolyte has attracted attention. As this type of prior art, for example, Patent Document 1 can be cited.
この特許文献1には、酸素イオンを透過する固体電解質を材料とする円筒状基板を用い、この基板の内面にカソード電極、外面にアノード電極を配置し、このアノードとカソードには電圧源が接続されている。 In Patent Document 1, a cylindrical substrate made of a solid electrolyte that transmits oxygen ions is used, a cathode electrode is disposed on the inner surface of the substrate, an anode electrode is disposed on the outer surface, and a voltage source is connected to the anode and the cathode. Has been.
電圧をかけると、基板に電界が発生し、酸素イオンが基板の内面から外面に移動する。そして排気ガスを基板内部を導くと、排気ガス中に含まれるNO2は、基板内面をカソードとして還元される。 When a voltage is applied, an electric field is generated in the substrate, and oxygen ions move from the inner surface to the outer surface of the substrate. When exhaust gas is introduced into the substrate, NO2 contained in the exhaust gas is reduced using the inner surface of the substrate as a cathode.
他方、外面のアノード極側に到達した酸素イオンは、電子を放出し、酸素ガスとなる。
このように固形電解質を用いて電気化学的にNOxを還元させる方式を自動車の排気ガス浄化に適用する場合、電解質に電界をかけるために電源が必要となり、通常は、自動車のバッテリを利用することになる。このため、運転中のバッテリ消費量が増大し、補充するためのオルタネータ負荷が増えるため、燃費が低下するという問題がある。
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、排気ガスのもつ熱エネルギーを再利用して、熱電発電により電解質に電界をかけるようにし、排気ガスの熱エネルギーを有効に使って排気ガス中のNOxを効果的に還元できるようにした窒素酸化物処理装置を提供することにある。
When applying a method of reducing NOx electrochemically using a solid electrolyte in this way to purify the exhaust gas of an automobile, a power source is required to apply an electric field to the electrolyte, and usually a car battery is used. become. For this reason, the battery consumption during operation increases, and the alternator load for replenishment increases, so that there is a problem that the fuel consumption decreases.
Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems of the prior art, reuse the heat energy of the exhaust gas, apply an electric field to the electrolyte by thermoelectric power generation, and effectively use the heat energy of the exhaust gas. It is an object of the present invention to provide a nitrogen oxide treatment apparatus that can effectively reduce NOx in exhaust gas.
前記の目的を達成するために、本発明は、
内燃機関の排気ガスに含まれるNOxを電気化学的還元反応により分解する窒素酸化物処理装置であって、
電界下で酸素イオンが移動する固体電解質からなり、排気ガスが導入される排気ガス通路を形成するとともに、前記排気ガス通路を形成する高温側の面に排気ガス中のNOxを還元する還元領域を形成する電解質体と、
前記電解質体の内外の温度差により、前記固体電解質を電界下におくための電圧を発生し、前記電解質体に一体的に組み込まれた熱電素子部と、を有し、
前記熱電素子部は、p型熱電素子からなり、それぞれアノード、カソードとなり固体電解質を挟む2枚の触媒金属の間に、前記p型熱電素子を挟み込んだことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
A nitrogen oxide treatment apparatus for decomposing NOx contained in exhaust gas of an internal combustion engine by an electrochemical reduction reaction,
It is made of a solid electrolyte in which oxygen ions move under an electric field, forms an exhaust gas passage through which exhaust gas is introduced, and a reduction region for reducing NOx in the exhaust gas on the high temperature side surface forming the exhaust gas passage. An electrolyte body to be formed;
A temperature difference between the inside and outside of the electrolyte body to generate a voltage for placing the solid electrolyte under an electric field, and a thermoelectric element portion integrally incorporated in the electrolyte body,
The thermoelectric element portion is made of a p-type thermoelectric element, and is characterized in that the p-type thermoelectric element is sandwiched between two catalytic metals that serve as an anode and a cathode, respectively, and sandwich a solid electrolyte .
本発明によれば、排気ガスのもつ熱エネルギーを再利用して、熱電発電により電解質に電界をかけるようにしているので、排気ガスの熱エネルギーを有効に使って排気ガス中のNOxを効果的に還元することでき、また、装置の構造も固体電解質と熱電素子が一体化した構造により、電源や配線等が不要になる。 According to the present invention, the heat energy of the exhaust gas is reused, and an electric field is applied to the electrolyte by thermoelectric power generation. Therefore, NOx in the exhaust gas is effectively used by effectively using the heat energy of the exhaust gas. In addition, since the structure of the apparatus is a structure in which the solid electrolyte and the thermoelectric element are integrated, a power source, wiring, and the like are not required.
以下、本発明による窒素酸化物処理装置の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
第1実施形態
図1は、本発明の第1実施形態による窒素酸化物処理装置を示す。図1において、参照番号10はガス中のNOxを還元する電解質体を示す。
この実施形態では、電解質体10は、例えば、ZrO2(二酸化ジルコニウム)、YSZ(Y2O2安定化ジルコニア)などの固体電解質を材料として、管状体に成形されている。この種の固体電解質は、電界をかけると、酸素イオンが電解質中を移動する性質があり、その性質を利用して、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジンなどの内燃機関の排気ガス中に含まれるNOxを還元する。
Hereinafter, embodiments of a nitrogen oxide treatment apparatus according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
First embodiment
FIG. 1 shows a nitrogen oxide processing apparatus according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1,
In this embodiment, the
電解質体10には、排気ガスが導入される排気ガス通路12が形成されており、電解質体10の内周面は、排気ガスの熱により高温になっており、NOxの還元領域となる。電解質体10の外側は、冷却フィンにより冷却されるなどして、低温に保持されている。
An
本実施形態による窒素酸化物処理装置では、電解質体10そのものに、熱電素子を一体的に組み入れ、熱電素子で発生する電圧により、電解質中で酸素イオンを移動させるための電界を発生させる。
In the nitrogen oxide processing apparatus according to the present embodiment, a thermoelectric element is integrally incorporated in the
図2は、熱電素子の配列構造を示す図である。
この図2において、熱電素子は、p型熱電素子14とn型熱電素子15との組み合わせから構成されている。この場合、前記のように、電解質体10の内周面は高温側、熱電素子の外側は低温側になっている。この内外の温度差が与えられることにより、p型熱電素子14とn型熱電素子15では熱起電力が発生するが、電圧は反対符号となる、そこで、p型熱電素子14とn型熱電素子15とを直接に交互に接続して電解質体10の外周部に配設することにより、それぞれの素子の電圧が加算されて電界を発生する電圧を高くすることができる。
FIG. 2 is a diagram showing an arrangement structure of thermoelectric elements.
In FIG. 2, the thermoelectric element is composed of a combination of a p-type
この実施形態では、それぞれのp型熱電素子14とn型熱電素子15は、次のように、電解質とは絶縁層を介して絶縁された導電体により電気的に直列に接続されている。すなわち、最初のn型熱電素子15と電解質体10の電解質の間には、プラチナなどのアノード側の触媒金属16が介在させてある。電解質の内周面にはカソード側の触媒金属17が取り付けられている。最初のn型熱電素子15には、導電体18a介して最初のp型熱電素子14が接続されている。この最初のp型熱電素子14と次のn型熱電素子15は導電体18bを介し接続され、この導電体18bは絶縁層19を介して電解質とは絶縁されている。このn型熱電素子15は導電体18cを介して最後のp型熱電素子14と接続されている。最後のp型熱電素子14は、導電体18dと金属線11を介してカソード側の触媒金属17と電気的に接続されている。
In this embodiment, each of the p-type
次に、以上のように構成される第1実施形態の作用並びに効果について説明する。
図1において、矢印で示すように、NOxを含有する排気ガスが電解質体10の排気ガス通路12に導かれると、内外の温度差により、p型熱電素子14とn型熱電素子15には電圧が発生し、電解質体10の電解質は電界の下におかれる。そして、電解質体10の内周面側の触媒金属17はカソード、外周面側の触媒金属はアノードとなり、電解質の内部では酸素イオンがカソード側からアノード側に向かって移動し、電子はアノード側から熱電素子の配列を流れてカソードに移動する。
Next, operations and effects of the first embodiment configured as described above will be described.
In FIG. 1, when the exhaust gas containing NOx is led to the
このときカソード側では、還元反応が起こり、排気ガス中の二酸化窒素は、窒素と酸素に分解される。
他方、アノード側では、酸素イオンが電子を放出し、酸素ガスを発生する。
At this time, a reduction reaction occurs on the cathode side, and nitrogen dioxide in the exhaust gas is decomposed into nitrogen and oxygen.
On the other hand, on the anode side, oxygen ions emit electrons and generate oxygen gas.
このようにして、排気ガスを電解質体10に導入するとともに、p型熱電素子14、n型熱電素子15で電解質体10に電界をかけることで、電解質体10の内周面に窒素酸化物の還元反応を起こさせることができる。このため、捨てられている排気ガスの熱エネルギーを再利用して、電圧源としてバッテリを用いる必要がなくなり、自動車用の排気ガス処理装置とする場合、燃費低下の懸念がなく、排気ガス中からNOxを除去することが可能となる。
In this way, exhaust gas is introduced into the
第2実施形態
次に、図3は、本発明の第2実施形態による窒素酸化物処理装置を示す。図2の第1実施形態では、熱電素子部をn型熱電素子とp型熱電素子とを交互に直接に配列していたの対して、図3の第2実施形態では、熱電素子部をp型熱電素子20だけで構成するようにしている。
Second embodiment
Next, FIG. 3 shows a nitrogen oxide processing apparatus according to a second embodiment of the present invention. In the first embodiment of FIG. 2, the n-type thermoelectric elements and the p-type thermoelectric elements are arranged directly and alternately in the second embodiment of FIG. 3, whereas in the second embodiment of FIG. The type
すなわち、電解質体10の電解質は、触媒金属21と触媒金属22とにより挟まれており、さらに、2枚の触媒金属21、22の間には、熱電素子部を形成するp型熱電素子20が挟み込まれている。
That is, the electrolyte of the
このような熱電素子部によれば、排気ガスに接している内側の触媒金属21側が高温になり、外側の触媒金属22側が低温になり、内外の温度差により、p型熱電素子20には電圧が発生し、電解質体10の電解質は電界の下におかれる。そして、触媒金属21はカソード、触媒金属22はアノードとなり、電解質の内部では酸素イオンがカソード側からアノード側に向かって移動し、電子はアノードからp型熱電素子の内部をカソードまで流れる。
According to such a thermoelectric element portion, the inner
このときカソード側では、還元反応が起こり、排気ガス中の二酸化窒素は、窒素と酸素に分解される。
他方、アノード側では、酸素イオンが電子を放出し、酸素ガスを発生する。
At this time, a reduction reaction occurs on the cathode side, and nitrogen dioxide in the exhaust gas is decomposed into nitrogen and oxygen.
On the other hand, on the anode side, oxygen ions emit electrons and generate oxygen gas.
この第2実施形態によれば、p型熱電素子20を電解質と触媒金属21、22で挟んだ構造とすることにより、n型熱電素子と組み合わせる場合よりも、排気ガスの熱エネルギーを効率よく使って、電解質体10に電界をかけることができる。すなわち、一般的に、p型熱電素子20は、n型熱電素子に較べて高温領域でのエネルギー変換効率が良いので、排気ガスの熱でカソード側を高温に、アノード側を冷却するなどして低温にして温度差を大きくすることにより、排気ガスの熱エネルギーを窒素酸化物の還元反応に必要な電気エネルギーに効率良く転換できる。また、第1実施形態との比較では、電子の流れる回路を形成するのに配線用の金属線を用いる必要がなくなる利点がある。なお、図3には、電解質とp型熱電素子20の間には、絶縁体を介在させるようにしてもよい。
According to the second embodiment, the p-type
第3実施形態
図4は、本発明の第3実施形態による窒素酸化物処理装置を示す。上述した第1実施形態および第2実施形態は、ともに電解質とは別に熱電素子を用いた形態であるが、この第3実施形態では、電解質体10の電解質そのものをp型熱電素子として動作させるようにしている。
Third embodiment
FIG. 4 shows a nitrogen oxide processing apparatus according to a third embodiment of the present invention. Both the first embodiment and the second embodiment described above are forms using thermoelectric elements separately from the electrolyte, but in the third embodiment, the electrolyte itself of the
この第3実施形態では、ZrO2(二酸化ジルコニウム)、YSZ(Y2O2安定化ジルコニア)などの固体電解質にドーピング処理を施すことにより、温度差を与えるとp型熱電素子として動作するようになっている。 In the third embodiment, a doping process is performed on a solid electrolyte such as ZrO2 (zirconium dioxide) or YSZ (Y2O2 stabilized zirconia) to operate as a p-type thermoelectric element when a temperature difference is given.
したがって、排気ガスに接している内側の触媒金属21側が高温になり、外側の触媒金属22側が低温になり、内外の温度差により、電解質体10の電解質には電圧が発生し、電界の下におかれる。そして、触媒金属21はカソード、触媒金属22はアノードとなり、電解質の内部では酸素イオンがカソード側からアノード側に向かって移動し、電子はアノードからp型熱電素子の内部をカソードまで流れる。これにより、独立した熱電素子を用いることなく、p型熱電素子を用いた第2実施形態と実質的に同じような機能を実現できる。
Therefore, the temperature of the inner
第4実施形態
次に、本発明の第4実施形態による窒素酸化物処理装置について、図5を参照して説明する。この第4実施形態は、複数の排気ガス通路32が仕切られたハニカム構造体30に第2実施形態を応用した実施形態である。この第4実施形態では、ハニカム構造体30の外周部および排気ガス通路32を区画する隔壁は固体電解質から形成されている。そして、外周部の外側面にある触媒金属33と、隔壁33の表面の触媒金属34との間で固体電解質が挟まれる構造になっている。また、p型熱電素子35も触媒金属33、34に挟み込まれており、ハニカム構造体の外周部が低温側。排気ガス通路32側が高温側になり、この温度差によりp型熱電素子35に電圧が発生し、固体電解質が電界下におかれるようになっている。
Fourth embodiment
Next, a nitrogen oxide processing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The fourth embodiment is an embodiment in which the second embodiment is applied to a
この第4実施形態によれば、ハニカム構造体30を利用して排気ガス通路32を形成するとともにp型熱電素子35を組み入れた構造を採用することにより、窒素酸化物を還元する領域の面積を増やすことができるので、分解処理効率を高めることが可能になる。
According to the fourth embodiment, by adopting a structure in which the
第5実施形態
次に、図6は、本発明の第5実施形態による窒素酸化物処理装置を示す。これまで説明した第1実施形態乃至第4実施形態は、いずれも電解質体は熱電素子部と一体構造になっている実施形態であるのに対して、この第5実施形態は、発電素子を利用した熱電発電ユニット40を電解質体41とは分離させた独立形式のユニットとした実施形態である。
Fifth embodiment
Next, FIG. 6 shows a nitrogen oxide processing apparatus according to a fifth embodiment of the present invention. The first to fourth embodiments described so far are all embodiments in which the electrolyte body is integrated with the thermoelectric element portion, whereas the fifth embodiment uses a power generation element. In this embodiment, the thermoelectric
図6に示されるように、導入口42と排出口43を有するケース44に熱電発電ユニット40と電解質体41が収納されている。熱電発電ユニット40は、中央部を排気ガスが流れるように中空になっている。電解質体41は管状体である。
As shown in FIG. 6, a thermoelectric
熱電発電ユニット40は、外周面が冷却面となっており、排気ガスの流れる高温側の内部と冷却されて低温の外周面との間に温度差が生じるようになっている。熱電発電ユニット40は電解質体41と金属線45、46により電気的に接続されており、電解質体41の内周面がカソード、外周面がアノードになる。
The thermoelectric
この第5実施形態によれば、熱電発電ユニット40ではその内外温度差により発生する電圧が電解質体41に印加され、電界下におかれた電解質体41では、カソードの内周面が還元領域となって、排気カス中に含まれる窒素酸化物が分解される。
According to the fifth embodiment, in the thermoelectric
このように排気ガスの熱を電気エネルギーに変換する発電素子を用いた熱発電ユニット40を電圧源とすることにより、排気ガスの熱エネルギーを再利用することにより、バッテリから電力を分配する必要がないので、燃費を低下させることなく、排気ガス中の窒素酸化物を効率よく処理することができる。なお、電解質体41は、通常の管体に限ることなく、ハニカム構造をもつ管体であってもよい。また、熱発電ユニット40の配置位置は、図6では電界質代41の直上流に配置しているが、下流位置であってもよい。
Thus, it is necessary to distribute power from the battery by reusing the thermal energy of the exhaust gas by using the
10 電解質体
12 排気ガス通路
14 p型熱電素子
15 n型熱電素子
16、17 触媒金属
20 p型熱電素子
21、22 触媒金属
30 ハニカム構造体
35 p型熱電素子
40 熱電発電ユニット
41 電解質体
42 導入口
43 排出口
44 ケース
DESCRIPTION OF
Claims (2)
電界下で酸素イオンが移動する固体電解質からなり、排気ガスが導入される排気ガス通路を形成するとともに、前記排気ガス通路を形成する高温側の面に排気ガス中のNOxを還元する還元領域を形成する電解質体と、
前記電解質体の内外の温度差により、前記固体電解質を電界下におくための電圧を発生し、前記電解質体に一体的に組み込まれた熱電素子部と、を有し、
前記熱電素子部は、p型熱電素子からなり、それぞれアノード、カソードとなり固体電解質を挟む2枚の触媒金属の間に、前記p型熱電素子を挟み込んだことを特徴とする窒素酸化物処理装置。 A nitrogen oxide treatment apparatus for decomposing NOx contained in exhaust gas of an internal combustion engine by an electrochemical reduction reaction,
It is made of a solid electrolyte in which oxygen ions move under an electric field, forms an exhaust gas passage through which exhaust gas is introduced, and a reduction region for reducing NOx in the exhaust gas on the high temperature side surface forming the exhaust gas passage. An electrolyte body to be formed;
A temperature difference between the inside and outside of the electrolyte body to generate a voltage for placing the solid electrolyte under an electric field, and a thermoelectric element portion integrally incorporated in the electrolyte body,
The said thermoelectric element part consists of a p-type thermoelectric element, respectively, The nitrogen oxide processing apparatus characterized by sandwiching the said p-type thermoelectric element between the two catalyst metals which become an anode and a cathode, respectively, and sandwich a solid electrolyte.
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