JP4822494B2 - Electrochemical cell type chemical reactor - Google Patents

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本発明は、被処理物質の化学反応もしくはエネルギー変換反応を行うための化学反応器に関するものであり、更に詳しくは、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電気化学セル方式化学反応器に関するものである。本発明は、例えば、排ガス中の窒素酸化物等の被処理物質の化学反応もしくはエネルギー変換反応を行うための化学反応器の技術分野において、従来の化学反応器は、自動車の排気ガスのように大流量の排気ガスに対する浄化用途の場合、反応容積が不十分で、必要な性能が得られないという問題や排ガス中の窒素酸化物を浄化する際に、酸素分子が表面吸着して反応性が低下するという問題があったことを踏まえ、それらの問題を抜本的に解決することを可能とすると共に、少ない消費電力で化学反応器を再活性化し、高効率にかつ連続的に、被処理物質を処理することを可能とする、新しい電気化学セル方式化学反応器を提供するものである。   The present invention relates to a chemical reactor for performing a chemical reaction or energy conversion reaction of a substance to be treated. More specifically, for example, an electrochemical cell that efficiently purifies nitrogen oxides from combustion exhaust gas containing oxygen. It relates to a chemical reactor. The present invention relates to a technical field of a chemical reactor for performing a chemical reaction or an energy conversion reaction of a substance to be treated such as nitrogen oxides in exhaust gas. For example, a conventional chemical reactor is an automobile exhaust gas. When purifying exhaust gas with a large flow rate, the reaction volume is insufficient and the required performance cannot be obtained.When purifying nitrogen oxides in exhaust gas, oxygen molecules are adsorbed on the surface and the reactivity is reduced. Based on the fact that there was a problem of lowering, it became possible to drastically solve these problems, and to reactivate the chemical reactor with low power consumption, with high efficiency and continuously, the substance to be treated The present invention provides a new electrochemical cell type chemical reactor capable of treating the above.

ガソリンエンジンから発生する窒素酸化物の浄化は、現在、三元系触媒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、この三元系触媒では、その表面への酸素の吸着により触媒活性が激減し、窒素酸化物を効率的に浄化することができない、という問題があることが指摘されている。   Currently, three-way catalysts are mainly used to purify nitrogen oxides generated from gasoline engines. However, in lean burn engines and diesel engines that can improve fuel efficiency, excess oxygen is present in the combustion exhaust gas, so in this three-way catalyst, the catalytic activity decreases drastically due to the adsorption of oxygen to the surface, It has been pointed out that there is a problem that nitrogen oxides cannot be purified efficiently.

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試みられている。そして、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、表面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方法が提案されている(特許文献1、2、及び非特許文献1参照)。   On the other hand, an attempt has been made to remove oxygen in an exhaust gas without adsorbing the catalyst surface by passing a current through the solid electrolyte membrane having oxygen ion conductivity. And as what has been proposed as a catalytic reactor, for example, by applying a voltage to a solid electrolyte sandwiched between electrodes, a method for removing surface oxygen and simultaneously decomposing nitrogen oxides into oxygen and nitrogen It has been proposed (see Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1).

しかしながら、この種の方法では、燃焼排ガス中に過剰の酸素が存在する場合、共存している酸素と窒素酸化物の吸着分解反応サイトが同一の酸素欠陥よりなるため、酸素分子に対する窒素酸化物の吸着確率は、分子選択性及び共存分子数比から見て著しく低くなり、このため、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、消費電力が増大する、という問題があった。   However, in this type of method, when excess oxygen is present in the flue gas, the adsorption and decomposition reaction sites of coexisting oxygen and nitrogen oxide are composed of the same oxygen defects. The adsorption probability is remarkably low in view of the molecular selectivity and the ratio of the number of coexisting molecules. For this reason, it is necessary to pass a large amount of current in order to decompose the nitrogen oxide, thereby increasing the power consumption. There was a problem.

このような問題に対処するために、本発明者らは、化学反応器において、カソードの内部構造として、同層上部に、ナノメートルサイズの貫通孔を取り巻いて、電子伝導体とイオン伝導体がナノメートルからミクロン以下のサイズで相互に密着した、ネットワーク状に分布する構造を導入することで、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低減させ、それにより、少ない消費電力で、高効率に被処理物質を処理する方法を開発している(特許文献3参照)。   In order to cope with such a problem, the present inventors have used a nanometer-sized through-hole around the same layer as an internal structure of a cathode in a chemical reactor, and an electron conductor and an ionic conductor are formed. By introducing a network-distributed structure that is in close contact with each other in the size of nanometers to micron, excess oxygen, which becomes an interfering gas when performing chemical reaction of the material to be treated, is reduced. A method for treating a substance to be treated with high power consumption has been developed (see Patent Document 3).

しかし、この種の方法では、共存酸素分子の除去のためには、連続的に電流を供給しなければならず、消費電力の低減は不十分であることが分かった。そこで、本発明者らは、これらの問題を解決することを目標として更に研究を重ねた結果、化学反応部中のカソード上部に位置する作動電極層において、窒素酸化物の吸着−還元反応を行うことで、化学反応の効率化を可能とするための局所反応場を形成し、更に、一定量の酸素分子の吸着後に、化学反応システムに通電することで、酸素分子をイオン化して除去し、再活性化することが可能であることを見出している(特許文献4及び特許文献5参照)。   However, in this type of method, it has been found that the current must be continuously supplied in order to remove the coexisting oxygen molecules, and the power consumption is insufficiently reduced. Therefore, as a result of further research aimed at solving these problems, the present inventors perform an adsorption-reduction reaction of nitrogen oxides in the working electrode layer located above the cathode in the chemical reaction section. By forming a local reaction field to enable chemical reaction efficiency, and after adsorbing a certain amount of oxygen molecules, the chemical reaction system is energized to ionize and remove oxygen molecules, It has been found that it can be reactivated (see Patent Document 4 and Patent Document 5).

しかし、この種の方法では、化学反応部中で反応に寄与する部分が限定され、自動車の排気ガスのように数100リットル〜1000リットル以上/分に及ぶ大流量に対する浄化用途の場合、反応容積が不十分で、必要な性能が得られないという課題があった。   However, in this type of method, the portion that contributes to the reaction in the chemical reaction section is limited, and in the case of purification applications for large flow rates ranging from several hundred liters to 1000 liters / minute or more, such as automobile exhaust gas, the reaction volume However, there was a problem that required performance could not be obtained.

また、化学反応器を作製する際に、化学反応部を構成する材料に対して、イオン伝導性及び電子伝導性についての性能上の必要性、及び貴金属を使用しないで化学反応器を構成する必要性から、低温作動を可能とすることが求められていた。   In addition, when producing a chemical reactor, it is necessary to configure the chemical reactor without using noble metals and the necessity of performance for ion conductivity and electronic conductivity for the material constituting the chemical reaction part. Therefore, it has been required to enable low-temperature operation.

米国特許第4902487号明細書US Pat. No. 4,902,487 特公平7−106290号公報Japanese Examined Patent Publication No. 7-106290 特願2003−33646号公報Japanese Patent Application No. 2003-33646 特願2004−058028号公報Japanese Patent Application No. 2004-058028 特願2004−058029号公報Japanese Patent Application No. 2004-058029 日本表面科学会編、環境触媒、1997年、167頁、共立出版株式会社Japan Surface Science Society, Environmental Catalyst, 1997, 167 pages, Kyoritsu Publishing Co., Ltd.

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、化学反応部における反応部分を増大させ、更に、低温で緻密焼結することが可能な固体電解質を用いることにより、低温で化学反応器を製造することを可能とする新しい化学反応器の開発を検討した結果、イオン伝導相と還元相の組み合わせ、又は、イオン伝導相、及びこれを挟んで相対するカソード及びアノードもしくはイオン伝導相に接する還元相又はこれらの両方、から構成される基本単位からなるマイクロ電気化学セルの集合構造により化学反応部を構成することにより所期の目的を達成し得ることを見出し、更に研究を重ねて、本発明を完成するに至った。即ち、本発明は、例えば、燃焼排ガス中に過剰の酸素が存在する場合に、酸素分子と窒素酸化物分子に対する選択吸着性物質を対にして、窒素酸化物を吸着しやすくすることにより、窒素酸化物の分解に必要な電流量を減らし、同時に一定量の酸素吸着後に通電処理することで化学反応器を再活性化して、低消費電力により高効率に窒素酸化物を浄化できる化学反応器を提供すること、同時に被処理物質を大量かつ高速に反応させること、及び貴金属不要のシステム構成を可能とする低温作動に必要な材料を提供することを目的とするものである。   In such a situation, in view of the prior art, the present inventors increased the reaction part in the chemical reaction part, and further, by using a solid electrolyte that can be densely sintered at a low temperature, As a result of studying the development of a new chemical reactor that makes it possible to produce a chemical reactor at a low temperature, a combination of an ion conducting phase and a reducing phase, or an ion conducting phase, and a cathode and an anode facing each other We have found that the intended purpose can be achieved by constructing the chemical reaction part with the assembly structure of the microelectrochemical cell consisting of the basic unit composed of the reduced phase in contact with the ion conducting phase or both. As a result, the present invention has been completed. That is, the present invention, for example, in the case where excess oxygen is present in the combustion exhaust gas, makes it easy to adsorb nitrogen oxides by pairing a selective adsorptive substance for oxygen molecules and nitrogen oxide molecules. A chemical reactor that reduces the amount of current required for the decomposition of oxides and at the same time reactivates the chemical reactor by energizing it after adsorption of a certain amount of oxygen, and can efficiently purify nitrogen oxides with low power consumption. The object is to provide a material necessary for low-temperature operation that allows a large amount and a high-speed reaction of a substance to be treated and a system configuration that requires no precious metal.

上記課題を解決するための本発明は、被処理物質の化学反応もしくはエネルギー変換反応を行うための電気化学セル方式化学反応器において、
1)酸素イオンを伝導させるイオン伝導相と被処理物質を還元して酸素イオンを生成させる還元相の組み合わせ、又は、2)イオン伝導相、これを挟んで相対するカソード及びアノード、及びイオン伝導相に接する還元相又はこれらの両方、から構成される基本単位からなるマイクロ電気化学セルの集合構造により化学反応部を構成した化学反応器であって、
上記基本単位からなるマイクロ電気化学セルの集合構造に、作動電極層、還元相及びイオン伝導相と連結した酸化相をこの順に被処理物質の流通側から形成し、還元相による供給電子が表面に到達することを抑制するバリア層を作動電極層の上部に形成したこと、イオン伝導相に接する還元相の混合層に用いられる結晶粒子の粒径を0.1ミクロン以下に下げた樹枝状構造の界面に反応場を形成し、イオン伝導体及び電子伝導体のネットワークを構成したこと、を特徴とする化学反応器、である。
本化学反応器は、(1)化学反応を行うカソード又は還元相が、被処理物質中の酸素分子がカソード又は還元相において容易に反応することを妨げるための、0.1ミクロン以下の孔径に下げた多孔質空間を有すること、(2)化学反応を行うカソード又は還元相が、電気化学的な還元処理による酸素欠損(空孔)量が増大された構造を有すること、(3)化学反応を行うカソード又は還元相が、被処理物質が導入される外部に対して長径が100ナノメートル以上の空間(反応層厚1ミクロン当たり)を含まないこと、(4)イオン伝導相を構成する固体電解質として、セリウム酸化物もしくはビスマス酸化物もしくはこれらの内の少なくとも一つを含む化合物を用いたこと、(5)導電性の化合物を用いることにより、化学反応器のいずれの部分においても白金を使用しないこと、(6)固体電解質として、1200℃以下で緻密焼結することが可能な化合物を使用することにより、化学反応器の通電経路として白金及びその他の貴金属を用いることなく、基本単位を形成したこと、(7)上記作動電極層を構成する材料が、平均粒子径が1〜100nmの超微粒子混合粉体からなること、(8)上記基本単位からなるマイクロ電気化学セルの集合構造が、多層に配置されていること、(9)上記マイクロ電気化学セルの集合構造が、平面形状で直列及び/又は並列に多層に配置されていること、を好ましい態様としている。
The present invention for solving the above problems is an electrochemical cell type chemical reactor for performing chemical reaction or energy conversion reaction of a substance to be treated.
1) a combination of the reduction phase ion conducting phase to conduct oxygen ions and by reducing the treated material to produce oxygen ions, or, 2) ion conducting phase, opposite sides of the Re this cathode de及 beauty anode, and A chemical reactor in which a chemical reaction portion is configured by a collective structure of a microelectrochemical cell composed of a basic unit composed of a reduced phase in contact with an ion conductive phase , or both of them,
An oxidation phase connected to the working electrode layer, the reduction phase, and the ion conduction phase is formed in this order from the flow side of the material to be treated in the aggregate structure of the microelectrochemical cell composed of the above basic units, and the supply electrons by the reduction phase are on the surface The formation of a barrier layer that suppresses reaching the top of the working electrode layer, and the dendritic structure in which the particle size of the crystal particles used in the mixed layer of the reducing phase in contact with the ion conducting phase is reduced to 0.1 microns or less A chemical reactor characterized in that a reaction field is formed at an interface to form a network of ion conductors and electron conductors.
This chemical reactor has the following features: (1) The cathode or reducing phase in which the chemical reaction is performed has a pore size of 0.1 micron or less to prevent oxygen molecules in the material to be treated from easily reacting in the cathode or reducing phase. Having a lowered porous space, (2) the cathode or reducing phase in which the chemical reaction is performed has a structure in which the amount of oxygen deficiency (vacancies) is increased by electrochemical reduction treatment, and (3) the chemical reaction The cathode or the reducing phase that does not contain a space (per reaction layer thickness of 1 micron) whose major axis is 100 nanometers or more with respect to the outside into which the substance to be treated is introduced, and (4) the solid that constitutes the ion conducting phase The use of cerium oxide or bismuth oxide or a compound containing at least one of them as the electrolyte, and (5) the use of a conductive compound, (6) Use platinum and other noble metals as the current path of the chemical reactor by using a compound that can be densely sintered at 1200 ° C. or lower as the solid electrolyte. (7) the material constituting the working electrode layer is composed of ultra-fine mixed powder having an average particle diameter of 1 to 100 nm, and (8) microelectricity composed of the basic unit. It is preferable that the chemical cell assembly structure is arranged in multiple layers, and (9) the microelectrochemical cell assembly structure is arranged in multiple layers in a planar shape in series and / or in parallel. .

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明の化学反応器は、イオン伝導相と還元相の組み合わせ、又は、イオン伝導相、及びこれを挟んで相対するカソード及びアノードもしくはイオン伝導相に接する還元相又はこれらの両方、から構成される基本単位からなるマイクロ電気化学セルの集合構造により化学反応部を構成したことを特徴とするものである。本発明の好適な実施の態様としては、被処理物質の化学反応を行うための化学反応器は、前記被処理物質の化学反応を進行させる化学反応部と、酸素のイオン化を阻害するためのバリア層とからなることが好ましい。
Next, the present invention will be described in more detail.
The chemical reactor of the present invention is composed of a combination of an ionic conduction phase and a reduction phase, or an ionic conduction phase, and a reduction phase in contact with a cathode and an anode or an ionic conduction phase facing each other, or both. The chemical reaction part is constituted by an aggregate structure of microelectrochemical cells composed of basic units. As a preferred embodiment of the present invention, a chemical reactor for performing a chemical reaction of a substance to be treated includes a chemical reaction part for advancing the chemical reaction of the substance to be treated, and a barrier for inhibiting ionization of oxygen. It is preferable to consist of a layer.

被処理物質の化学反応を行う化学反応部は、好ましくは、被処理物質中に含まれる元素への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から構成される基本単位からなるマイクロ電気化学セルの集合構造により構成されるが、好適には前記の還元相、イオン伝導相、及び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。   The chemical reaction unit that performs a chemical reaction of the target substance preferably has a reduced phase that supplies ions to the elements contained in the target substance to generate ions, and an ion conductive phase that conducts ions from the reduced phase. It is constituted by an aggregate structure of microelectrochemical cells composed of basic units composed of: preferably the reducing phase, the ionic conduction phase, and the oxidation phase for releasing electrons from ions conducted through the ionic conduction phase. It has.

本発明では、例えば、被処理物質が燃焼排ガス中の窒素酸化物である場合、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る。しかし、本発明における被処理物質は、窒素酸化物に限定されるものではなく、本発明の化学反応器は、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などに適用できる。   In the present invention, for example, when the substance to be treated is nitrogen oxide in combustion exhaust gas, the nitrogen oxide is reduced in the reduction phase to generate oxygen ions, and the oxygen ions are conducted in the ion conduction phase. However, the material to be treated in the present invention is not limited to nitrogen oxides, and the chemical reactor of the present invention is, for example, a method of reducing carbon dioxide to produce carbon monoxide, or from methane to hydrogen. The present invention can be applied to a method for generating a mixed gas with carbon oxide or a method for generating hydrogen from water.

本発明の化学反応器の形態は、好適には、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ことが好ましい。その具体的な構成例としては、内口径1mmの多層チューブで、内側から酸化触媒層(多孔体層厚100ミクロン)、還元相・イオン伝導より成るマイクロ電気化学セル層(層厚100−300ミクロン)、及びこれと連結した最外殻の酸化層(層厚50ミクロン)により構成される単位構造が、耐熱衝撃性セラミック多孔体(コーディエライト等)中に0.5mm間隔で縦横配列され、ガス流路に沿って一方向に配列された全体の構造体が例示される。あるいは平板状の形態であり、その表面に化学反応部が位置することで、可能な限り大きな反応面積を有する形態であることも同様に好ましい。その具体的な構成例としては、酸化触媒層(多孔体層厚100ミクロン)、還元相・イオン伝導より成るマイクロ電気化学セル層(層厚100−300ミクロン)、及びこれと連結した酸化層(層厚50ミクロン)の順にガス流入側から配列した多層平板状の単位構造体が向かい合わせに交互配列、もしくは段ボール構造様に屈曲した上記の多層単位構造体により、交互にガス流入側と排出側が配置して構成される全体の構造体が例示される。 The form of the chemical reactor of the present invention is preferably exemplified by, for example, a tubular shape, a flat plate shape, a honeycomb shape, etc. In particular, one through hole having a pair of openings is provided, such as a tubular shape or a honeycomb shape. Alternatively, it is preferable that a plurality of the chemical reaction portions are located in each through hole. As a specific configuration example, it is a multilayer tube having an inner diameter of 1 mm, and a microelectrochemical cell layer (layer thickness: 100-300) comprising an oxidation catalyst layer (porous layer thickness of 100 microns), a reducing phase and an ion conducting phase from the inside. Unit structure composed of the outermost oxide layer (layer thickness: 50 microns) connected to this is vertically and horizontally arranged at intervals of 0.5 mm in a thermal shock-resistant ceramic porous body (such as cordierite). The whole structure arranged in one direction along the gas flow path is illustrated. Or it is a flat form, and it is similarly preferable that it is a form which has a reaction area as large as possible because a chemical reaction part is located in the surface. Specific examples of the structure include an oxidation catalyst layer (porous layer thickness of 100 microns), a microelectrochemical cell layer (layer thickness of 100 to 300 microns) composed of a reduction phase and an ion conduction phase , and an oxide layer connected thereto. The multilayer flat unit structures arranged from the gas inflow side in the order of (layer thickness 50 microns) are alternately arranged face-to-face, or alternately by the above-mentioned multilayer unit structure bent like a corrugated board structure. An example of the entire structure configured by arranging the sides is illustrated.

本発明において、還元相は、多孔質とし、反応の対象とする物質を選択的に吸着するものが好ましい。還元相では、被処理物質中に含まれる元素へと電子を供給してイオンを生成させ、生成したイオンをイオン伝導相へ伝達するため、導電性物質からなることが好ましい。また、電子及びイオンの伝達を促進するため、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。還元相は、これらの物質の少なくとも2相以上が積層した構造であってもよい。   In the present invention, the reducing phase is preferably porous and selectively adsorbs a substance to be reacted. In the reduction phase, an electron is supplied to an element contained in the material to be treated to generate ions, and the generated ions are transmitted to the ion conduction phase, and therefore, preferably include a conductive material. Further, in order to promote the transfer of electrons and ions, it is more preferably composed of a mixed conductive material having both electron conductivity and ion conductivity characteristics, or a mixture of an electron conductive material and an ion conductive material. . The reducing phase may have a structure in which at least two phases of these substances are laminated.

上記還元相として用いられる導電性物質及びイオン導電性物質は、特に限定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ゼ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が好ましい。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。還元相が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も好ましい。性能向上を最優先にするならば、白金等の貴金属の添加が好ましいが、製造コスト等の実用性の観点から、より好ましくは、還元相は、白金等の貴金属以外の導電性物質相(金属又はセラミックス又は両者の混合物)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。   The conductive substance and ionic conductive substance used as the reducing phase are not particularly limited. 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 zeolites that selectively adsorb the material to be treated are also used as the reducing phase. It is 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. It is also preferable that the reducing phase has a structure in which at least two phases of the above substances are laminated. Addition of a noble metal such as platinum is preferable if the improvement of performance is given the highest priority. However, from the viewpoint of practicality such as manufacturing cost, the reduction phase is more preferably a conductive substance phase (metal) other than a noble metal such as platinum. Or a mixture of ceramics or a mixture of both) and a mixed phase of nickel oxide and zirconia stabilized with yttria or scandium oxide.

本発明において、イオン伝導相には、ビスマス酸化物が用いられる。酸化ビスマス系のイオン伝導体は、セラミック系材料の中で最も高いレベルの導電性を示しており、これを部分的もしくは全体として置き換えることで、化学反応器の作動電圧ひいては消費電力の低減に大きく寄与する。   In the present invention, bismuth oxide is used for the ion conductive phase. Bismuth oxide-based ionic conductors exhibit the highest level of conductivity among ceramic materials. Replacing them partially or as a whole greatly reduces the operating voltage of chemical reactors and thus power consumption. Contribute.

上記イオン伝導相は、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、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、ランタンガレイトが挙げられるが、特に限定されるものではない。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。あるいは比較的短時間の作動によりその使用目的を達することのできる用途の場合には、セリア系固体電解質も好ましく用いられる。更に好ましくは、前述した酸化ビスマス系イオン伝導体を用いることで、イオン伝導性が大幅に向上し、作動温度を400℃以下、好適には、300〜400℃にしても十分なイオン伝導特性が得られる。酸化ビスマスへの添加物の種類と量により、焼結温度、溶融温度及びイオン伝導性が変化するため、組成比は他の部分を構成する材料との組み合わせにより決まる。また、ビスマス系酸化物と他の材料との化学反応による導電性への影響をも考慮する必要がある。本発明では、好適には、低温で作動するセリア・ビスマス・ランタンガレイトからなる電解質材料が使用される。   The ion conductive phase is made of a solid electrolyte having ion conductivity, and preferably made of 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. Preferably, zirconia stabilized with yttria or scandium oxide having high conductivity and strength and excellent long-term stability is used. Alternatively, a ceria-based solid electrolyte is also preferably used for an application that can achieve its intended purpose by operating for a relatively short time. More preferably, by using the above-described bismuth oxide ion conductor, ion conductivity is greatly improved, and sufficient ion conduction characteristics can be obtained even at an operating temperature of 400 ° C. or lower, preferably 300 to 400 ° C. can get. Since the sintering temperature, melting temperature, and ionic conductivity change depending on the type and amount of the additive to bismuth oxide, the composition ratio is determined by the combination with the material constituting the other part. In addition, it is necessary to consider the influence on the conductivity due to the chemical reaction between the bismuth-based oxide and other materials. In the present invention, an electrolyte material made of ceria, bismuth, and lanthanum gallate that operates at a low temperature is preferably used.

本発明において、酸化相は、イオン伝導相のイオンから電子を放出させるため、導電性物質を含有する。電子及びイオンの伝達を促進するため、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、特に限定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が用いられる。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、ランタンガレイトが用いられる。   In the present invention, the oxidation phase contains a conductive substance in order to emit electrons from ions in the ion conduction phase. In order to promote the transmission of electrons and ions, it is preferable that the material is composed of a mixed conductive material having both electron conductivity and ion conductivity properties, 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. 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. Examples of the ion conductive material include zirconia stabilized with yttria or scandium oxide, ceria stabilized with gadolinium oxide or samarium oxide, and lanthanum gallate.

本発明において、バリア層は、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ことを目的とするものであり、酸素イオンが化学反応部内において、導電性酸化物(例えば、酸化ニッケル)の還元反応により生成した金属(例えば、金属ニッケル)が再酸化されることを防ぐ目的で設置され、化学反応部、特に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。その材料は、イオン伝導体又は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ことが望ましい。   In the present invention, the barrier layer is intended to prevent supply of electrons necessary for generating oxygen ions when oxygen molecules are adsorbed on the surface, and the oxygen ions are electrically conductive in the chemical reaction part. It is installed for the purpose of preventing reoxidation of metal (for example, nickel metal) generated by the reduction reaction of oxide (for example, nickel oxide), and the supply electron from the chemical reaction part, especially the reduction phase, reaches the surface. Material and structure to prevent The material is preferably an ionic conductor, a mixed conductor or an insulator. In the case of a mixed conductor, the electronic conductivity ratio decreases as much as possible because the electronic conduction deterring effect decreases if the electronic conductivity is large. Small is desirable.

本発明の特徴の一つとして、従来型の電気化学セル方式の化学反応器においては、電気的に化学反応を促進させるための基本構造として、固体電解質を挟んだ2枚の電極(カソード及びアノード)もしくはいずれかの電極に触媒機能を付与したものが使われているのに対して、本発明では、全体として電気回路を形成するような上記構造は必ずしも必要ではなく、反応を行う局所構造が活性化されるためには、イオン伝導相と還元相の組合せを具備することのみが、構造上の必要条件となる。すなわち、そのマイクロ電気化学セルの態様としては、いわゆる狭義のセル構造のみではなく、例えば、コンポジット粒子、樹枝状ネットワーク、フラクタル構造、あるいはこれらの組み合わせによる、有効反応体積が大きいものが例示される。更に、これらの構造を具体的に説明すると、本発明では、上記基本単位からなるマイクロ電気化学セルの集合構造が、平面形状で直列及び/又は並列に多層に配置されている構造が好適なものとして例示される。それにより、基本単位がその必須構造因子を保ちつつ、その反応領域を増やすことが実現できる。   As one of the features of the present invention, in a conventional electrochemical cell type chemical reactor, two electrodes (cathode and anode) sandwiching a solid electrolyte are used as a basic structure for electrically promoting a chemical reaction. In the present invention, the above structure that forms an electric circuit as a whole is not necessarily required, but a local structure that performs a reaction is used. To be activated, only having a combination of an ion conducting phase and a reducing phase is a structural requirement. That is, as an aspect of the microelectrochemical cell, not only a so-called narrow cell structure but also a large effective reaction volume by, for example, composite particles, a dendritic network, a fractal structure, or a combination thereof is exemplified. Further, these structures will be described in detail. In the present invention, it is preferable that the aggregate structure of the microelectrochemical cells composed of the above basic units is arranged in a multilayer in series and / or in parallel in a planar shape. As an example. Thereby, it is possible to increase the reaction region while the basic unit keeps its essential structural factor.

図1に、その構造的特徴の一例を示す。本発明では、化学反応部は、その効率を高めるために、被処理物質が反応するために必要な構成である、イオン伝導相、及びこれを挟んで相対するカソード及びアノードもしくは該イオン伝導相に接する還元相又はこれらの両方、から構成される基本単位からなるマイクロ電気化学セルの集合構造により構成されており、それにより、被処理物質と反応する表面積を高めることが可能となる。   FIG. 1 shows an example of the structural feature. In the present invention, the chemical reaction part is provided with an ion conductive phase and a cathode and an anode opposed to the ion conductive phase, or the ion conductive phase, which are necessary for the substance to be treated to react in order to increase the efficiency. It is composed of an aggregate structure of microelectrochemical cells composed of basic units composed of a reducing phase in contact with them or both of them, and it is possible to increase the surface area that reacts with the substance to be treated.

その構造形成手段としては、化学反応部中のイオン伝導相−電子伝導相の混合層に用いられる結晶粒子の粒径を、被処理物質中の酸素分子が、カソード又は還元相において容易に反応することを防げるために、普通に用いられる1ミクロン程度から0.1ミクロン程度もしくはそれ以下に下げた多孔質空間を被処理物質が通過する構造とすることであるが、化学反応部の構造及び構造制御手段としては、これらに限定されるものではない。   As the structure forming means, the particle size of the crystal particles used in the mixed layer of the ion conduction phase-electron conduction phase in the chemical reaction part is the same as the oxygen molecule in the material to be treated easily reacts in the cathode or the reduction phase. In order to prevent this, the material to be treated passes through a porous space that has been lowered from about 1 micron to about 0.1 micron or less. The control means is not limited to these.

また、本発明では、化学反応を行うカソード又は還元相の反応表面を増大させるために、電気化学的に還元処理を行うと同時に、被処理物質中の酸素分子が、カソード又は還元相において容易に反応することを妨げるための所定の空間構造とする。この場合、電気化学的な還元処理は、印加電圧1.0V〜3.0V(反応表面積1cm2 当たり)の範囲で行うことが好ましく、それにより、局所電界による酸素欠損(空孔)量が増大した構造とすることができ、また、被処理物質中の酸素分子がカソード又は還元相において容易に反応することを妨げるために、カソード又は還元相が、被処理物質が導入される外部に対して長径が100ナノメートル以上の空間(反応層厚1ミクロン当たり)を含まないようにすることが好ましい。これらにより、低温でイオン伝導性が低下しても反応活性を維持することが可能となる。 Further, in the present invention, in order to increase the reaction surface of the cathode or the reduction phase for performing the chemical reaction, the oxygen molecule in the material to be treated is easily added to the cathode or the reduction phase simultaneously with the electrochemical reduction treatment. A predetermined spatial structure is provided to prevent reaction. In this case, the electrochemical reduction treatment is preferably performed within an applied voltage range of 1.0 V to 3.0 V (per reaction surface area of 1 cm 2 ), thereby increasing the amount of oxygen deficiency (vacancies) due to the local electric field. In order to prevent oxygen molecules in the material to be treated from easily reacting in the cathode or the reducing phase, the cathode or the reducing phase is connected to the outside where the material to be treated is introduced. It is preferable not to include a space having a major axis of 100 nanometers or more (per reaction layer thickness of 1 micron). As a result, the reaction activity can be maintained even if the ion conductivity is lowered at a low temperature.

このような構造により、従来は、同じ反応サイト(反応活性点)においてのみ可能であった、窒素酸化物の還元分解などの化学反応の際に、2種類以上の原子分子又は化合物の同時又は短時間に並行及び競合して生じる反応に対し、各々異なる反応サイトを提供し、かつその反応体積を大きくすることで、反応の選択性を高め、その結果として、反応効率を飛躍的に向上させるものである。   With such a structure, two or more types of atomic molecules or compounds may be simultaneously or shortly used in a chemical reaction such as reductive decomposition of nitrogen oxides, which is conventionally possible only at the same reaction site (reaction active site). Providing different reaction sites for reactions that occur in parallel and competing with time and increasing the reaction volume, thereby increasing the selectivity of the reaction and, as a result, dramatically improving the reaction efficiency. It is.

このような構造としては、イオン伝導相と電子伝導相の組合せ、混合伝導相同士又はこれとイオン伝導相、電子伝導相との組合せが可能である。被処理物質を窒素酸化物とした場合、還元相としてはニッケル等の遷移金属相が、共有結合性分子をより高選択吸着するためより好ましい。   As such a structure, a combination of an ion conduction phase and an electron conduction phase, a mixed conduction phase, or a combination of this with an ion conduction phase and an electron conduction phase are possible. When the substance to be treated is a nitrogen oxide, a transition metal phase such as nickel is more preferable as the reduction phase because it can selectively adsorb covalently bonded molecules.

また、このような反応器の実用化に求められる材料コストの削減を図る場合、白金などの貴金属を用いることを可能な限り避けることが重要となる。従来の化学反応器において白金を用いる必要性は、本来の高い電子導電特性以外に、高温の製造プロセスを経ても、高い電気伝導性を保てる安定した材料であることがある。   In order to reduce the material cost required for practical use of such a reactor, it is important to avoid the use of noble metals such as platinum as much as possible. The need to use platinum in conventional chemical reactors may be a stable material that can maintain high electrical conductivity, even after high temperature manufacturing processes, in addition to the inherently high electronic conductivity characteristics.

従って、白金を使用しなくても本発明の化学反応器の製造プロセスを行うことが可能な材料を、新たに開発して用いることは極めて重要な要件となる。本発明では、例えば、固体電解質(イオン伝導相)として、バリウムを含むビスマス酸化物(BaO/Y23 /Bi23 、BaO/CeO2 /ZrO2 /Bi23 )等を使用することで、プロセス温度を従来の1450℃から1200℃に低減することが可能となる。その結果、化学反応器の通電経路として白金及びその他の貴金属を使用せずに緻密層を化学反応部に導入することが可能となり、これにより、高効率反応が実現される。 Therefore, it is an extremely important requirement to newly develop and use a material capable of performing the manufacturing process of the chemical reactor of the present invention without using platinum. In the present invention, for example, bismuth oxide containing barium (BaO / Y 2 O 3 / Bi 2 O 3 , BaO / CeO 2 / ZrO 2 / Bi 2 O 3 ) or the like is used as the solid electrolyte (ion conductive phase). By doing so, the process temperature can be reduced from the conventional 1450 ° C. to 1200 ° C. As a result, it is possible to introduce a dense layer into the chemical reaction section without using platinum and other noble metals as the current path of the chemical reactor, thereby realizing a highly efficient reaction.

本発明により、(1)自動車の排気ガスのような大流量の被処理物に対する浄化用途に好適な化学反応器を提供できる、(2)化学反応部における反応表面積を増大させた、低温作動を可能とする、化学反応器を提供できる、(3)本発明の化学反応器により、例えば、低消費電力により高効率に窒素酸化物を浄化できる、(4)大流量の排気ガスを処理するのに好適な新規化学反応部の基本単位とその配置構造を提供することができる、という格別の効果が奏される。   According to the present invention, (1) it is possible to provide a chemical reactor suitable for purifying a large flow rate object such as automobile exhaust gas, and (2) low temperature operation with an increased reaction surface area in the chemical reaction section. It is possible to provide a chemical reactor. (3) With the chemical reactor of the present invention, for example, nitrogen oxide can be purified with high efficiency by low power consumption. (4) A large amount of exhaust gas is treated. It is possible to provide a basic unit of a new chemical reaction part suitable for the above and an arrangement structure thereof.

次に、本発明を実施例に基づいて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。
図1に、本発明の一実施形態に係る化学反応器の構成例における典型的な内部構造の例である。以下、被処理物質を窒素酸化物とした場合について具体的に説明する。
EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples.
FIG. 1 is an example of a typical internal structure in a configuration example of a chemical reactor according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, the case where the material to be treated is nitrogen oxide will be specifically described.

化学反応器を構成する基体となるイオン伝導相の基板としては、緻密に焼結された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0.5mmの円板状とした。還元相には金属ニッケルとビスマス酸化物の混合層を用いた。作動電極層には酸化ニッケルとジルコニア及びセリア及びバリウム添加酸化ビスマスの混合物からなる膜を用いた。イオン伝導相の片面に、面積約1.8cm2 となるように金属ニッケルとビスマス酸化物の混合物をスクリーン印刷した後、1100℃で熱処理することにより還元相を形成した。酸化ニッケルとセリア及びバリウム添加酸化ビスマスの混合膜を、金属ニッケルとビスマス酸化物膜上に同一面積となるようにスクリーン印刷した後、1100℃で熱処理することにより作動電極層を形成した。酸化ニッケルとジルコニア及びペロブスカイト酸化物及びセリアの混合比は、モル比で5:1:2:2とした。還元相を形成したイオン伝導相の他方の面に、面積約1.8cm2 となるようにランタンストロンチウムマンガナイト及びその化合物よりなる膜をスクリーン印刷した後、1200℃で熱処理することにより酸化相を形成した。バリア層には超微粒子アルミナを用い、スクリーン印刷と1100℃の熱処理により、約3ミクロンの膜厚で作動電極層の上部に形成した。更に、カソードとアノードの間に1.0V−15mAの電流を通電しながら温度を650℃に上昇させ、3時間保った後で通電停止し、徐冷した。 As the substrate of the ion conductive phase that becomes the base constituting the chemical reactor, zirconia stabilized with densely sintered yttria was used, and the shape thereof was a disk shape having a diameter of 20 mm and a thickness of 0.5 mm. . For the reduction phase, a mixed layer of metallic nickel and bismuth oxide was used. As the working electrode layer, a film made of a mixture of nickel oxide, zirconia, ceria, and barium-added bismuth oxide was used. A reduced phase was formed by screen-printing a mixture of metallic nickel and bismuth oxide on one side of the ion conductive phase so as to have an area of about 1.8 cm 2 , followed by heat treatment at 1100 ° C. A mixed film of nickel oxide, ceria and barium-added bismuth oxide was screen-printed on the metallic nickel and bismuth oxide film so as to have the same area, and then heat treated at 1100 ° C. to form a working electrode layer. The mixing ratio of nickel oxide, zirconia, perovskite oxide and ceria was 5: 1: 2: 2 in molar ratio. A film made of lanthanum strontium manganite and its compound is screen-printed on the other surface of the ion-conductive phase forming the reduced phase so as to have an area of about 1.8 cm 2 , followed by heat treatment at 1200 ° C. Formed. Ultrafine alumina was used for the barrier layer, and was formed on the working electrode layer to a thickness of about 3 microns by screen printing and heat treatment at 1100 ° C. Furthermore, the temperature was raised to 650 ° C. while a current of 1.0 V-15 mA was applied between the cathode and the anode, and after 3 hours, the current supply was stopped and the mixture was gradually cooled.

次に、上記化学反応器の化学反応部を構成する基本単位、及びその組み合わせ構造について具体的に説明する。この化学反応器は、上述したように、イオン伝導相及び還元相と、作動電極層、酸化相、バリア層、カソード及びアノードから構成される。イオン伝導相、及びこれを挟んで相対するカソード及びアノード及び該イオン伝導相に接する還元相から構成される基本単位からなるマイクロ電気化学セルの集合構造により化学反応部を構成した。また、この化学反応部には、イオン導相−還元相の混合層に用いられる結晶粒子の粒径を0.1ミクロン以下に下げて樹枝状構造とすることで、数10nmの樹枝状構造の界面に反応場を形成した。それらにより、イオン導体・電子伝導体のネットワークを構成した。 Next, the basic unit constituting the chemical reaction part of the chemical reactor and the combination structure thereof will be specifically described. As described above, this chemical reactor is composed of an ion conduction phase and a reduction phase, a working electrode layer, an oxidation phase, a barrier layer, a cathode and an anode. The chemical reaction part was constituted by an aggregate structure of a microelectrochemical cell composed of an ion conductive phase, and a basic unit composed of a cathode and an anode opposed to each other and a reducing phase in contact with the ion conductive phase. Further, this chemical reaction section, the ion Den Shirubesho - lowering the particle size of the mixed layer in the crystal particles used in the reduction phase below 0.1 microns With dendritic structure, the number 10nm dendritic structure A reaction field was formed at the interface. By their constituted the network of the ion Den conductors and electronic conductors.

次に、このように形成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、直流電源に接続し、直流電圧を印加して電流を流した。被処理ガスとして、一酸化窒素1000ppm、酸素2%、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。化学反応器への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。   Next, a method for treating nitrogen oxides by the chemical reactor of the present invention thus formed will be described. 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. As the gas to be treated, a model combustion exhaust gas of 1000 ppm nitric oxide, 2% 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 with gas chromatography. From the reduction amount of nitrogen oxides, the purification rate of nitrogen oxides was determined, and the current density and power consumption when the purification rate was 50% were measured.

すなわち、測定開始時に化学反応器を反応温度350℃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20mA/cm2 、消費電力25mW/cm2 の時に窒素酸化物は約70%に減少した。 That is, at the start of measurement, the chemical reactor was heated to a reaction temperature of 350 ° 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 decreased to about 70% when the current density was 20 mA / cm 2 and the power consumption was 25 mW / cm 2 .

この化学反応器に対して、更に、通電開始後30分で通電を中止して、そのまま窒素酸化物の分解率の測定を継続したところ、通電停止直後に窒素酸化物の分解率が約10%低下したものの、その後は漸減傾向を示し、約100時間の連続測定でも3%以下の低下で反応を継続することが可能であった。この操作を繰り返すことで、窒素酸化物の分解性能の劣化なしに、更に、長時間の作動が可能であることは、合計400時間の測定で確かめられた。   The chemical reactor was further deenergized 30 minutes after the start of energization, and when the measurement of the decomposition rate of nitrogen oxide was continued as it was, the decomposition rate of nitrogen oxide was about 10% immediately after the energization was stopped. Although it decreased, it showed a gradual decrease thereafter, and it was possible to continue the reaction with a decrease of 3% or less even in continuous measurement for about 100 hours. It was confirmed by measurement for a total of 400 hours that the operation could be continued for a long time without deteriorating the decomposition performance of nitrogen oxides by repeating this operation.

実施例1と同様の材料と手順を用い、化学反応器を作製した。作動電極を構成するジルコニア、酸化ニッケル、ビスマス系酸化物、セリアのいずれについても超粉砕混合処理を予め施し、平均粒子径が約80nmの超微粒子混合粉体とし、スクリーン印刷に用いる原料とした。更に、作動電極層の電気化学反応による構造形成プロセスにおいて、過剰な電界印加による過大な空孔形成と性能劣化を防ぐために、カソードとアノードの間の通電条件を0.8V−8mAと緩和し、温度を650℃に上昇させ、10時間保った後で通電を停止し、徐冷した。その結果、作動電極層内の反応有効体積は、組織の電子顕微鏡観察結果から推定して、実施例1の場合に比べて約5倍の増大が認められた。   A chemical reactor was prepared using the same materials and procedures as in Example 1. All of zirconia, nickel oxide, bismuth oxide, and ceria constituting the working electrode were preliminarily pulverized and mixed to obtain an ultrafine particle mixed powder having an average particle diameter of about 80 nm as a raw material used for screen printing. Furthermore, in the structure formation process by the electrochemical reaction of the working electrode layer, in order to prevent excessive void formation and performance degradation due to application of an excessive electric field, the current-carrying condition between the cathode and the anode is relaxed to 0.8 V-8 mA, The temperature was raised to 650 ° C. and maintained for 10 hours, and then the energization was stopped and gradually cooled. As a result, the reaction effective volume in the working electrode layer was estimated from the result of electron microscopic observation of the tissue, and an increase of about 5 times compared with the case of Example 1 was recognized.

このようにして作製された化学反応器について、実施例1と同様に、その窒素酸化物浄化性能を調べた。窒素酸化物の浄化率は、高温連続作動時(560℃)で70%浄化時の消費電力20mW/cm2 、低温間欠通電時(350℃、通電1.5V−40mAを1時間/20時間毎)での40%浄化時の平均消費電力量は約3mW/hであった。 The chemical reactor thus manufactured was examined for nitrogen oxide purification performance in the same manner as in Example 1. Nitrogen oxide purification rate is 20 mW / cm 2 for 70% purification at high temperature continuous operation (560 ° C.), intermittent energization at low temperature (350 ° C., 1.5 V-40 mA energization every 1 hour / 20 hours ) Average power consumption at 40% purification was about 3 mW / h.

以上詳述したように、本発明は、電気化学セル方式化学反応器に係るものであり、本発明によれば、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、極めて少ない消費電力で高効率かつ連続的に被処理物質を処理できる化学反応器を提供できる。また、本発明により、自動車の排気ガスのような大流量の被処理物に対する浄化用途に好適な化学反応器を提供できる。化学反応部における反応表面積を増大させた、低温作動を可能とする、化学反応器を提供できる。本発明の化学反応器により、例えば、低消費電力により高効率に窒素酸化物を浄化できる。大流量の排気ガスを処理するのに好適な新規化学反応部の基本単位とその配置構造を提供することができる。   As described in detail above, the present invention relates to an electrochemical cell type chemical reactor, and according to the present invention, even when oxygen that interferes with the chemical reaction of the substance to be treated is excessively present, It is possible to provide a chemical reactor capable of processing a material to be processed with high efficiency and low power consumption. In addition, the present invention can provide a chemical reactor suitable for purifying a large flow rate object to be processed such as automobile exhaust gas. A chemical reactor capable of operating at a low temperature with an increased reaction surface area in the chemical reaction section can be provided. The chemical reactor of the present invention can purify nitrogen oxide with high efficiency, for example, with low power consumption. It is possible to provide a basic unit of a new chemical reaction part suitable for treating a large flow rate of exhaust gas and its arrangement structure.

本発明の化学反応器の構成及び内部構造の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a structure and internal structure of the chemical reactor of this invention.

Claims (10)

被処理物質の化学反応もしくはエネルギー変換反応を行うための電気化学セル方式化学反応器において、
1)酸素イオンを伝導させるイオン伝導相と被処理物質を還元して酸素イオンを生成させる還元相の組み合わせ、又は、2)イオン伝導相、これを挟んで相対するカソード及びアノード、及びイオン伝導相に接する還元相又はこれらの両方、から構成される基本単位からなるマイクロ電気化学セルの集合構造により化学反応部を構成した化学反応器であって、
上記基本単位からなるマイクロ電気化学セルの集合構造に、作動電極層、還元相及びイオン伝導相と連結した酸化相をこの順に被処理物質の流通側から形成し、還元相による供給電子が表面に到達することを抑制するバリア層を作動電極層の上部に形成したこと、
イオン伝導相に接する還元相の混合層に用いられる結晶粒子の粒径を0.1ミクロン以下に下げた樹枝状構造の界面に反応場を形成し、イオン伝導体及び電子伝導体のネットワークを構成したこと、
を特徴とする化学反応器。
In an electrochemical cell type chemical reactor for performing chemical reaction or energy conversion reaction of the material to be treated,
1) a combination of the reduction phase ion conducting phase to conduct oxygen ions and by reducing the treated material to produce oxygen ions, or, 2) ion conducting phase, opposite sides of the Re this cathode de及 beauty anode, and A chemical reactor in which a chemical reaction portion is configured by a collective structure of a microelectrochemical cell composed of a basic unit composed of a reduced phase in contact with an ion conductive phase , or both of them,
An oxidation phase connected to the working electrode layer, the reduction phase, and the ion conduction phase is formed in this order from the flow side of the substance to be processed in the aggregate structure of the microelectrochemical cell composed of the above basic units, and the supply electrons by the reduction phase are formed on the surface. Forming a barrier layer on top of the working electrode layer to prevent it from reaching,
A reaction field is formed at the interface of the dendritic structure in which the particle size of the crystal particles used in the mixed layer of the reducing phase in contact with the ionic conduction phase is reduced to 0.1 microns or less, and a network of ionic and electronic conductors is formed. What
A chemical reactor characterized by
化学反応を行うカソード又は還元相が、被処理物質中の酸素分子がカソード又は還元相において容易に反応することを妨げるための、0.1ミクロン以下の孔径に下げた多孔質空間を有する請求項1に記載の化学反応器。   The cathode or reducing phase for performing a chemical reaction has a porous space lowered to a pore size of 0.1 micron or less to prevent oxygen molecules in the material to be treated from easily reacting in the cathode or the reducing phase. The chemical reactor according to 1. 化学反応を行うカソード又は還元相が、電気化学的な還元処理による酸素欠損(空孔)量が増大された構造を有する請求項2に記載の化学反応器。   The chemical reactor according to claim 2, wherein the cathode or the reducing phase that performs the chemical reaction has a structure in which the amount of oxygen deficiency (vacancies) by the electrochemical reduction treatment is increased. 化学反応を行うカソード又は還元相が、被処理物質が導入される外部に対して長径が100ナノメートル以上の空間(反応層厚1ミクロン当たり)を含まない請求項2に記載の化学反応器。   3. The chemical reactor according to claim 2, wherein the cathode or the reducing phase for performing the chemical reaction does not include a space (per reaction layer thickness of 1 micron) having a major axis of 100 nanometers or more with respect to the outside into which the substance to be treated is introduced. イオン伝導相を構成する固体電解質として、セリウム酸化物もしくはビスマス酸化物もしくはこれらの内の少なくとも一つを含む化合物を用いた請求項1に記載の化学反応器。   The chemical reactor according to claim 1, wherein a cerium oxide or a bismuth oxide or a compound containing at least one of them is used as the solid electrolyte constituting the ion conductive phase. 導電性の化合物を用いることにより、化学反応器のいずれの部分においても白金を使用しない請求項1に記載の化学反応器。   The chemical reactor according to claim 1, wherein platinum is not used in any part of the chemical reactor by using a conductive compound. 固体電解質として、1200℃以下で緻密焼結することが可能な化合物を使用することにより、化学反応器の通電経路として白金及びその他の貴金属を用いることなく、基本単位を形成した請求項1に記載の化学反応器。   The basic unit is formed according to claim 1, wherein a compound that can be densely sintered at 1200 ° C or less is used as a solid electrolyte, and platinum and other noble metals are not used as a current path of a chemical reactor. Chemical reactor. 上記作動電極層を構成する材料が、平均粒子径が1〜100nmの超微粒子混合粉体からなる請求項1に記載の化学反応器。   The chemical reactor according to claim 1, wherein the material constituting the working electrode layer is an ultrafine particle mixed powder having an average particle diameter of 1 to 100 nm. 上記基本単位からなるマイクロ電気化学セルの集合構造が、多層に配置されている請求項1に記載の化学反応器。   The chemical reactor according to claim 1, wherein the aggregate structure of the microelectrochemical cells composed of the basic units is arranged in multiple layers. 上記マイクロ電気化学セルの集合構造が、平面形状で直列及び/又は並列に多層に配置されている請求項1に記載の化学反応器。   The chemical reactor according to claim 1, wherein the aggregate structure of the microelectrochemical cells is arranged in multiple layers in a planar shape in series and / or in parallel.
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