JP5957284B2 - Exhaust gas purification device - Google Patents

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Description

本発明は、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)を除去することができる排ガス浄化装置に関する。更には、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)及び微粒子(PM)を同時に除去することができる排ガス浄化装置に関する。   The present invention relates to an exhaust gas purifying apparatus capable of removing nitrogen oxides (NOx) in exhaust gas. Furthermore, the present invention relates to an exhaust gas purification device that can simultaneously remove nitrogen oxides (NOx) and particulates (PM) in exhaust gas.

燃焼器から排出される排ガス中の窒素酸化物(NOx)を除去する装置及び方法に関しては、従来から各種の触媒装置が開発されている。
なかでも特許文献1には、金属粒連鎖体の酸化物、GDC、およびBaCOを含むカソード電極を用いて、固体電解質の両側の電極に電圧を印加してカソード電極の表面でNOxを除去する技術が開示されている。
また、特許文献2には、固体電解質の両側の電極に電圧を印加して排ガスを一方の電極から流入させ、固体電解質を通過させて、他方の電極から流出させることにより、排ガス流入側の電極でディーゼル微粒子を流出側の電極でNOxを除去する技術が開示されている。
Various catalyst devices have been developed in the past for devices and methods for removing nitrogen oxides (NOx) in exhaust gas discharged from a combustor.
In particular, Patent Document 1 uses a cathode electrode containing metal particle chain oxide, GDC, and BaCO 3 to apply a voltage to the electrodes on both sides of the solid electrolyte to remove NOx on the surface of the cathode electrode. Technology is disclosed.
In Patent Document 2, a voltage is applied to the electrodes on both sides of the solid electrolyte so that the exhaust gas flows in from one electrode, passes through the solid electrolyte, and flows out from the other electrode. Discloses a technique for removing NOx from diesel particulates with an electrode on the outflow side.

特開2011−104533号公報JP 2011-104533 A 特開2006−200520号公報JP 2006-200520 A

固体電解質の両側の電極に電圧を印加して排ガスを一方の電極から流入させ、固体電解質を通過させて、他方の電極から流出させることにより、排ガス流入側の電極でディーゼル微粒子を流出側の電極でNOxを除去する特許文献2に記載の技術においては、使用されている電極が固体電解質と導電体を含んでいるが、その混合状態は電極内で均一であった。そのため、電極性能に限界があり、NOx除去の効率にも限界があった。また、固体電解質と電極の界面の接合にも問題があった。
本発明の目的は、上記課題を解決し、NOx除去率の高い効率の良い排ガス浄化装置を提供することである。
By applying a voltage to the electrodes on both sides of the solid electrolyte, exhaust gas flows in from one electrode, passes through the solid electrolyte, and flows out from the other electrode, so that diesel particulates are discharged from the exhaust gas inflow side electrode. In the technique described in Patent Document 2 for removing NOx, the electrode used includes a solid electrolyte and a conductor, but the mixed state is uniform in the electrode. Therefore, the electrode performance is limited, and the NOx removal efficiency is also limited. In addition, there is a problem in joining the interface between the solid electrolyte and the electrode.
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide an efficient exhaust gas purification device with a high NOx removal rate.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、電極内の固体電解質と導電体の濃度を傾斜させることによって高い効率でNOx除去することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、以下の構成からなることを特徴とする。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that it is possible to remove NOx with high efficiency by inclining the concentration of the solid electrolyte and the conductor in the electrode, The present invention has been completed. That is, the present invention is characterized by having the following configuration.

[1] 酸素イオン導電性を有する多孔質固体電電解質の一方の面に多孔質の第一電極を他方の面に多孔質の第二電極を備えて排ガスを通過可能とし、両面の電極に電圧を印加して排ガスを浄化する装置であって、排ガスが流入する側の第一電極はアノードであり、排ガスが流出する側の第二電極はカソードであり、前記第一電極はガドリニア添加セリア(GDC)及び導電体を含み、前記第二電極はガドリニア添加セリア(GDC)、導電体及びNOx吸蔵材を含み、前記第一電極及び/又は前記第二電極が前記導電体の濃度が前記固体電解質側に向かって濃度が低くなるように傾斜させてあることを特徴とする排ガス浄化装置。
[2] 前記第一電極及び/又は前記第二電極が複数の層からなり、前記層の導電体の濃度が前記固体電解質側に向かって濃度が低くなるように傾斜させてあることを特徴とする前記[1]に記載の排ガス浄化装置。
[3] 前記第一電極が、排ガス中の微粒子を捕集することができる多孔質であることを特徴とする前記[1]又は[2]に記載の排ガス浄化装置。
[4] 前記固体電解質の主成分がガドリニア添加セリア(GDC)であることを特徴とする前記[1]〜[3]のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
[5] 前記NOx吸蔵材がバリウム(Ba)又はバリウムの化合物であることを特徴とする前記[1]〜[4]のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
[1] A porous solid electrode having oxygen ion conductivity is provided with a porous first electrode on one side and a porous second electrode on the other side so that exhaust gas can pass therethrough. The first electrode on the side into which the exhaust gas flows is an anode, the second electrode on the side from which the exhaust gas flows out is a cathode, and the first electrode is a gadolinia-added ceria ( GDC) and a conductor, and the second electrode includes gadolinia-added ceria (GDC), a conductor and a NOx storage material, and the concentration of the conductor in the first electrode and / or the second electrode is the solid electrolyte. An exhaust gas purification apparatus, wherein the exhaust gas purification apparatus is inclined so that the concentration decreases toward the side.
[2] The first electrode and / or the second electrode is composed of a plurality of layers, and the concentration of the conductor in the layer is inclined so that the concentration decreases toward the solid electrolyte side. The exhaust gas purifying apparatus according to [1].
[3] The exhaust gas purifying apparatus according to [1] or [2], wherein the first electrode is porous capable of collecting fine particles in the exhaust gas.
[4] The exhaust gas purification apparatus according to any one of [1] to [3], wherein the main component of the solid electrolyte is gadolinia-added ceria (GDC).
[5] The exhaust gas purifying apparatus according to any one of [1] to [4], wherein the NOx storage material is barium (Ba) or a compound of barium.

電極の導電体の濃度を固体電解質側に向かって濃度が低くなるように傾斜させたことにより、固体電解質と電極の界面の接合状態が良好になり、効率の良い排ガス浄化装置を提供することが可能になった。
また、電極中の導電体の濃度を傾斜させたことによりNOxの除去性能を向上させることができた他、装置の消費電力を抑えることができた。
更に、固体電解質の主成分をガドリニア添加セリア(GDC)にすることにより他の固体電解質よりも低温でNOxを除去することができる。
By tilting the concentration of the electrode conductor so that the concentration decreases toward the solid electrolyte side, the bonding state of the interface between the solid electrolyte and the electrode is improved, and an efficient exhaust gas purification device is provided. It became possible.
Further, the NOx removal performance could be improved by tilting the concentration of the conductor in the electrode, and the power consumption of the apparatus could be suppressed.
Furthermore, NOx can be removed at a lower temperature than other solid electrolytes by using gadolinia-added ceria (GDC) as the main component of the solid electrolyte.

本発明の排ガス浄化装置の原理図Principle diagram of the exhaust gas purification apparatus of the present invention 単一電極及び傾斜電極のSEM画像SEM image of single electrode and inclined electrode 単一電極及び傾斜電極の傾斜比率の違いによるNOx低減率を示すグラフThe graph which shows the NOx reduction rate by the difference in the inclination ratio of a single electrode and an inclination electrode 電圧を印加しない場合のアノード表面にPMの堆積状況を示す写真Photograph showing PM deposition on anode surface when no voltage is applied 電圧を印加した場合のアノード表面にPMの堆積状況を示す写真Photograph showing PM deposition on anode surface when voltage is applied

以下に、本発明の排ガス浄化装置の具体的な実施形態を詳細に述べる。本発明の排ガス浄化装置は、固体電解質層の両側表面に第一電極及び第二電極が設けられ、前記第一電極がガドリニア添加セリア(GDC)及び導電体を含むアノードであり、前記第二電極がガドリニア添加セリア(GDC)、導電体及びNOx吸蔵材を含むカソードである。そして、本発明の排ガス浄化装置の前記第一電極及び/又は前記第二電極は、前記導電体の濃度が前記固体電解質層側に向かって濃度が低くなるようにすなわちガドリニア添加セリア(GDC)の濃度が前記固体電解質層側に向かって濃度が高くなるように傾斜させた構成になっている。   Hereinafter, specific embodiments of the exhaust gas purifying apparatus of the present invention will be described in detail. In the exhaust gas purifying apparatus of the present invention, the first electrode and the second electrode are provided on both side surfaces of the solid electrolyte layer, and the first electrode is an anode including gadolinia-added ceria (GDC) and a conductor, and the second electrode Is a cathode containing gadolinia-added ceria (GDC), a conductor and a NOx storage material. The first electrode and / or the second electrode of the exhaust gas purifying apparatus according to the present invention is configured so that the concentration of the conductor decreases toward the solid electrolyte layer side, that is, gadolinia-added ceria (GDC). The concentration is inclined so that the concentration increases toward the solid electrolyte layer side.

本発明の浄化装置においては、前記第一電極、固体電解質層及び第二電極(以下、これらを総称して「浄化構造体」という。)は平板状の多孔質であり、浄化される排ガスは、浄化構造体の第一電極側に供給され、第二電極側から排出される。そして、浄化構造体の両側面の電極は、電圧印加手段から電圧を印加することができるように構成されており、両電極間に電圧を印加することによってNOx又はNOx及び微粒子(PM)を除去することが可能である。   In the purification apparatus of the present invention, the first electrode, the solid electrolyte layer, and the second electrode (hereinafter collectively referred to as “purification structure”) are flat porous, and the exhaust gas to be purified is , Supplied to the first electrode side of the purification structure, and discharged from the second electrode side. The electrodes on both side surfaces of the purification structure are configured so that a voltage can be applied from the voltage application means, and NOx or NOx and particulates (PM) are removed by applying a voltage between the electrodes. Is possible.

浄化構造体のアノードである第一電極に正電圧、カソードである第二電極に負電圧が印加されることにより、第二電極に含まれるNOx吸蔵材に吸着されたNOxが還元される。この際に、第二電極で生じた酸素イオン(O2−)は、電圧が印加された固体電解質層を介して第一電極側へ強制的に移動させられ、第二電極でのNOxの再合成が抑制される。第一電極に移動したO2−は、排ガス中の一酸化炭素(CO)、炭化水素、一酸化窒素(NO)、微粒子(PM)等を酸化することで消費される。 By applying a positive voltage to the first electrode that is the anode of the purification structure and a negative voltage to the second electrode that is the cathode, NOx adsorbed on the NOx storage material included in the second electrode is reduced. At this time, oxygen ions (O 2− ) generated at the second electrode are forcibly moved to the first electrode side through the solid electrolyte layer to which a voltage is applied, and NOx is regenerated at the second electrode. Synthesis is suppressed. The O 2− moved to the first electrode is consumed by oxidizing carbon monoxide (CO), hydrocarbons, nitrogen monoxide (NO), fine particles (PM) and the like in the exhaust gas.

本発明を構成する電極は、第一電極がガドリニア添加セリア(GDC)及び導電体を含み、前記第二電極がガドリニア添加セリア(GDC)、導電体及びNOx吸蔵材を含んでおり、電極に含まれる導電体の濃度が前記固体電解質層側に向かって濃度が低くなるようにすなわちガドリニア添加セリア(GDC)の濃度が前記固体電解質層側に向かって濃度が高くなるように傾斜させた電極になっている(以下「傾斜電極」と称することがある。)。   In the electrode constituting the present invention, the first electrode includes gadolinia-added ceria (GDC) and a conductor, and the second electrode includes gadolinia-added ceria (GDC), a conductor, and a NOx storage material. The electrode is inclined so that the concentration of the conductor to be reduced decreases toward the solid electrolyte layer, that is, the concentration of gadolinia-added ceria (GDC) increases toward the solid electrolyte layer. (Hereinafter sometimes referred to as “tilted electrode”).

その導電体の濃度の傾斜は、連続的に傾斜させてあってもよいし、段階的にすなわち電極が複数の層からなり前記層の導電体の濃度が前記固体電解質層側に向かって濃度が低くなるように傾斜させてあっても良い。   The concentration of the conductor may be continuously inclined, or stepwise, that is, the electrode is composed of a plurality of layers, and the concentration of the conductor in the layer increases toward the solid electrolyte layer. You may incline so that it may become low.

本発明は、第1電極又は第二電極のどちらか一方を傾斜電極としても良いし、第1電極及び第二電極の両方を傾斜電極としても良いが、両方の電極を傾斜電極とした場合の方が、以下に示す傾斜電極による効果が増す。   In the present invention, either the first electrode or the second electrode may be a tilted electrode, and both the first electrode and the second electrode may be tilted electrodes. The effect by the gradient electrode shown below increases.

本発明は、傾斜電極を用いているため、導電体、排ガス、電解質の三層界面を十分に確保できるとともに、導電性粒子同士および電解質粒子同士の接続確率が上がり、有効なネットワークにより良好な電子導電性およびイオン導電性が保たれるため、NOx分解反応が促進され、その分解率が上がるとともに、ジュール損が減少するため、同じ電流値に対して電圧が下がるので、消費電力を抑えることができる。   Since the present invention uses a tilted electrode, a sufficient three-layer interface of the conductor, exhaust gas, and electrolyte can be secured, and the connection probability between the conductive particles and the electrolyte particles is increased. Since the conductivity and ionic conductivity are maintained, the NOx decomposition reaction is promoted, the decomposition rate is increased, and the joule loss is reduced. Therefore, the voltage is decreased for the same current value, so that the power consumption can be suppressed. it can.

更に、本発明において、前記第一電極を、排ガス中の微粒子(PM)を捕集することができる多孔質の電極にすることもできる。
そうすることによって、排ガスが微粒子(PM)を含む場合、排ガスが流入する第一電極の表面にPMが捕集され、NOx還元で生じたO2−により第一電極表面でPMが酸化されてCO及びHOを生成して除去することが可能になり、排ガス中の窒素酸化物(NOx)及び微粒子(PM)を同時に除去することができる排ガス浄化装置とすることができる。
Furthermore, in the present invention, the first electrode can be a porous electrode capable of collecting fine particles (PM) in the exhaust gas.
By doing so, when the exhaust gas contains fine particles (PM), PM is collected on the surface of the first electrode into which the exhaust gas flows, and PM is oxidized on the surface of the first electrode by O 2− generated by NOx reduction. CO 2 and H 2 O can be generated and removed, and an exhaust gas purifying apparatus capable of simultaneously removing nitrogen oxides (NOx) and fine particles (PM) in the exhaust gas can be obtained.

前記固体電解質層に用いられる固体電解質としては、ガドリニア添加セリア(GDC)、イットリウム安定化ジルコニア、セリア系固体電解質又は溶融炭酸塩型、サマリア添加セリア(SDC)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)等を用いることができるが、その中でも装置を低温で作動することが可能なガドリニア添加セリア(GDC)が好ましい。   Examples of the solid electrolyte used in the solid electrolyte layer include gadolinia-added ceria (GDC), yttrium-stabilized zirconia, ceria-based solid electrolyte or molten carbonate type, samaria-added ceria (SDC), scandia-stabilized zirconia (ScSZ), and the like. Among them, gadolinia-added ceria (GDC) capable of operating the apparatus at a low temperature is preferable.

電極に含まれる前記導電体としては、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)等の金属粉末を用いることができるが、その中でもPM分解効率、NOx分解効率の点で銀(Ag)を用いるのが最も好ましい。   As the conductor contained in the electrode, metal powder such as silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni) can be used. Among them, PM decomposition efficiency, NOx decomposition efficiency Most preferred is silver (Ag).

第二電極に含まれるNOx吸蔵材としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属を用いることができるが、その中でもNOxの吸蔵特性の点でバリウム(Ba)又はバリウムの化合物を用いるのが最も好ましい。また、リチウム(Li)、カリウム(K)などとバリウム(Ba)を混合しても良い。NOx吸蔵材として用いられるアルカリ金属、アルカリ土類金属は、電極製造の焼成過程で最終的には酸化物又は炭酸塩となるが、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の酸化物又は炭酸塩は、窒素酸化物を吸収し易く容易に硝酸塩となる。   As the NOx occlusion material contained in the second electrode, an alkali metal or an alkaline earth metal can be used. Among these, barium (Ba) or a barium compound is most preferably used in terms of NOx occlusion characteristics. Further, lithium (Li), potassium (K), or the like and barium (Ba) may be mixed. Alkali metals and alkaline earth metals used as NOx storage materials eventually become oxides or carbonates in the firing process of electrode production, but oxides or carbonates of alkali metals and alkaline earth metals are nitrogen. It is easy to absorb oxides and easily becomes nitrate.

以下、添付図面を参照してより詳細に本発明を説明する。
図1は、本発明の排ガス浄化装置の原理図を示している。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a principle diagram of an exhaust gas purification apparatus of the present invention.

図1に示す固体電解質2は板状になっており、その形状は正方形、長方形、円形又は楕円形等いずれの形状であっても良い。固体電解質2の厚さは、通常10〜500μmである。また、固体電解質2は、多孔質であり、その気孔率は、20〜60%が好ましく、その気孔の大きさは0.1〜10μmである。
固体電解質2の片側には、第一電極(アノード)3が、厚さ10〜30μmで積層され、その反対側には、第二電極(カソード)4が、厚さ10〜30μmで積層され、浄化構造体1を形成している。
両電極も多孔質であり、その気孔率は、30〜70%が好ましく、その気孔の大きさは導電性粒子と電解質粒子の混合割合に応じて0.01μm〜5μmの範囲で変化させることが望ましい。
The solid electrolyte 2 shown in FIG. 1 has a plate shape, and the shape thereof may be any shape such as a square, a rectangle, a circle, or an ellipse. The thickness of the solid electrolyte 2 is usually 10 to 500 μm. The solid electrolyte 2 is porous, and its porosity is preferably 20 to 60%, and the pore size is 0.1 to 10 μm.
On one side of the solid electrolyte 2, a first electrode (anode) 3 is laminated with a thickness of 10 to 30 μm, and on the opposite side, a second electrode (cathode) 4 is laminated with a thickness of 10 to 30 μm. A purification structure 1 is formed.
Both electrodes are also porous, and the porosity is preferably 30 to 70%, and the size of the pores may be changed in the range of 0.01 μm to 5 μm depending on the mixing ratio of the conductive particles and the electrolyte particles. desirable.

両電極は、導電線によりスイッチ5を介して電源6に接続されており、スイッチ5をONにすることにより、浄化構造体1に電圧が印加される。印加される電圧は、通常1〜5Vである。そして、導電線を電極に接続する位置は、できるだけ導電体の比率が高い電極の表面側に接続するのが好ましい。場合によっては、網目状の導電体を両電極の表面部分に配置して、その導電体に導電線を接続しても良い。   Both electrodes are connected to a power source 6 via a switch 5 by a conductive wire, and a voltage is applied to the purification structure 1 by turning on the switch 5. The applied voltage is usually 1-5V. And it is preferable to connect the position which connects a conductive wire to an electrode to the surface side of the electrode where the ratio of a conductor is as high as possible. In some cases, a mesh-like conductor may be disposed on the surface portions of both electrodes, and a conductive wire may be connected to the conductor.

浄化される排ガスは、第一電極(アノード)3側から流入し、第二電極(カソード)4側から排出される。そして、浄化構造体1が250〜400℃に保たれた状態の時に電圧を印加することにより、第二電極(カソード)4において、排ガス中に含まれるNOxは、第二電極3の成分であるNOx吸蔵材に吸着され負電圧が印加されている第二電極4で窒素ガス(N)に還元される。NOxの還元により生じる酸素イオン(O2−)は、電圧が印加された固体電解質層を介して第一電極3側へ強制的に移動させられる。 The exhaust gas to be purified flows in from the first electrode (anode) 3 side and is discharged from the second electrode (cathode) 4 side. Then, by applying a voltage when the purification structure 1 is maintained at 250 to 400 ° C., NOx contained in the exhaust gas in the second electrode (cathode) 4 is a component of the second electrode 3. It is reduced to nitrogen gas (N 2 ) by the second electrode 4 adsorbed by the NOx storage material and applied with a negative voltage. Oxygen ions (O 2− ) generated by the reduction of NOx are forcibly moved to the first electrode 3 side through the solid electrolyte layer to which a voltage is applied.

排ガス中に微粒子(PM)を含む場合は、第一電極3を微粒子(PM)を捕集可能な多孔質にしておくことにより、第一電極3の表面にPMが捕集され、第二電極4から移動してきたO2−により第一電極3表面でPMが酸化されてCO及びHOを生成して除去することができ、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)及び微粒子(PM)を同時に除去することが可能である。 When the exhaust gas contains fine particles (PM), PM is collected on the surface of the first electrode 3 by making the first electrode 3 porous so that the fine particles (PM) can be collected. PM is oxidized on the surface of the first electrode 3 by O 2− that has moved from 4 to generate and remove CO 2 and H 2 O, and nitrogen oxide (NOx) and fine particles (PM) in the exhaust gas can be removed. ) Can be removed simultaneously.

浄化構造体1の稼働温度は、用いる固体電解質2によって最適な温度が存在し、ガドリニア添加セリア(GDC)およびサマリア添加セリア(SDC)では250〜350℃、イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)およびスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)では350〜400℃である。
固体電解質をガドリニア添加セリア(GDC)あるいはサマリア添加セリア(SDC)にすることは、他の固体電解質よりも低温でNOxを除去することができるので好ましい。
The operating temperature of the purification structure 1 has an optimum temperature depending on the solid electrolyte 2 to be used. In the case of gadolinia-added ceria (GDC) and samaria-added ceria (SDC), 250 to 350 ° C. In zirconia bromide (ScSZ), the temperature is 350 to 400 ° C.
It is preferable to use gadolinia-added ceria (GDC) or samaria-added ceria (SDC) as the solid electrolyte because NOx can be removed at a lower temperature than other solid electrolytes.

浄化構造体1は、実用時は排ガスのエネルギーによって上記の温度に加熱・昇温されるタイミングで電圧を印加しNOxとPMの分解を行う。浄化構造体1の温度がその稼働温度よりも低い場合は、第一電極にPMが捕集され、第二電極ではNOxが吸蔵されるため、排ガス中にこれらの成分が高濃度で排出されことはない。また、浄化構造体1は平板である必要はなく、PMの堆積量やNOxの吸蔵量を向上させ、これらの分解速度を向上させるために反応面積を拡張する狙いから、ハニカム構造体とすることが望ましい。   In practical use, the purification structure 1 decomposes NOx and PM by applying a voltage at the timing of heating and raising the temperature to the above temperature by the energy of exhaust gas. When the temperature of the purification structure 1 is lower than its operating temperature, PM is collected in the first electrode, and NOx is occluded in the second electrode, so that these components are discharged at a high concentration in the exhaust gas. There is no. In addition, the purification structure 1 does not need to be a flat plate, and the honeycomb structure is intended to improve the PM deposition amount and NOx occlusion amount and to expand the reaction area in order to improve the decomposition rate thereof. Is desirable.

浄化構造体の加熱は、上記のように通常高温排ガスを浄化するのに用いられるため特別な加熱手段を用いることを要しないが、排ガス温度が低い場合は、浄化構造体の前段に加熱装置により排ガスを浄化構造体に導いても良いし、通常用いられる加熱手段により浄化構造体自体を加熱することにより上記稼動温度に維持するようにしても良い。   Since the heating of the purification structure is usually used to purify high-temperature exhaust gas as described above, it is not necessary to use a special heating means. However, when the exhaust gas temperature is low, a heating device is used before the purification structure. The exhaust gas may be guided to the purification structure, or the purification structure itself may be heated by a commonly used heating means to maintain the operating temperature.

続いて、傾斜電極の固体電解質2への積層方法について説明する。
固体電解質へ電極を担持するには、導電性粒子と電解質粒子をスラリー状に混合し、スクリーン印刷やディップコーティング法により、電解質上に形成する。一回のコーティング厚さを薄くし、導電性粒子と電解質粒子の割合が異なる薄い層を積層することによって傾斜電極を得ることが出来る。
Then, the lamination | stacking method to the solid electrolyte 2 of a gradient electrode is demonstrated.
In order to support the electrode on the solid electrolyte, conductive particles and electrolyte particles are mixed in a slurry state and formed on the electrolyte by screen printing or dip coating. A gradient electrode can be obtained by reducing the coating thickness once and laminating thin layers having different proportions of conductive particles and electrolyte particles.

以上、傾斜電極の各種製造方法について述べた。なお、傾斜電極を形成後第二電極にはNOx吸蔵材として酸化バリウム(BaO)を担持する。バリウム(Ba)粒子あるは酸化バリウム(BaO)粒子を第二電極用のスラリーに直接混合してもよいが、電極を焼成した後、酢酸バリウム(Ba(CHCOO))の水溶液を第二電極に塗布し、室温〜600℃の温度で乾燥させると高い分散性を保持したまま、担持することが可能である。 The various manufacturing methods of the tilt electrode have been described above. In addition, after forming the inclined electrode, the second electrode carries barium oxide (BaO) as a NOx storage material. Although barium (Ba) particles or barium oxide (BaO) particles may be directly mixed in the slurry for the second electrode, after firing the electrode, an aqueous solution of barium acetate (Ba (CH 3 COO) 2 ) is added. When applied to two electrodes and dried at a temperature of room temperature to 600 ° C., it can be supported while maintaining high dispersibility.

本発明の排ガス浄化装置を用いてNOxとPMの同時低減させた実施例を以下に示す。
実施例の浄化構造体を構成する固体電解質はガドリニア添加セリア(GDC)製であり、粉末のGDCを焼結して直径60mm、厚さ約400μmの円板状にしたもので、気孔率は、約50%のものを使用した。
そして、前記固体電解質の両面に、直径58mm、厚み約30μmの第一電極および第二電極をスクリーン印刷により担持した。第一電極および第二電極は、ともに固体電解質上にまずGDC含有率が質量比で95%の導電体であるAgとGDCの混合物(Ag95)を賦形剤とエチルアルコールでスラリー状にしたものをスクリーン印刷し、その外側にGDC含有率が質量比で30%の導電体であるAgとGDCの混合物(Ag30)を賦形剤とエチルアルコールでスラリー状にしたものをスクリーン印刷したGDCとAgの配合比が異なる2層のサーメット電極から構成される。
また、第二電極 には、NOx吸蔵材としてBa(バリウム)を担持した。その方法は、酢酸バリウム(Ba(CHCOO))の水溶液を第二電極に塗布し,乾燥させて担持した。
An embodiment in which NOx and PM are simultaneously reduced using the exhaust gas purifying apparatus of the present invention is shown below.
The solid electrolyte that constitutes the purification structure of the example is made of gadolinia-added ceria (GDC), and is sintered into a disk shape having a diameter of 60 mm and a thickness of about 400 μm by sintering powdered GDC. About 50% was used.
Then, a first electrode and a second electrode having a diameter of 58 mm and a thickness of about 30 μm were carried on both surfaces of the solid electrolyte by screen printing. Both the first electrode and the second electrode are prepared by slurrying a mixture of Ag and GDC (Ag95), which is a conductor having a GDC content of 95% by mass, on a solid electrolyte with an excipient and ethyl alcohol. A screen-printed GDC and Ag obtained by slurrying a mixture of Ag and GDC (Ag30), which is a conductor having a GDC content of 30% by mass, into a slurry with an excipient and ethyl alcohol on the outside. Are composed of two layers of cermet electrodes.
The second electrode supported Ba (barium) as a NOx storage material. In this method, an aqueous solution of barium acetate (Ba (CH 3 COO) 2 ) was applied to the second electrode, dried and supported.

図2は比較例の単一電極(左側)及び本発明の傾斜電極(右側)のSEM画像で、Ag30はGDC含有率が質量比で30%、Ag95はGDC含有率が質量比で95%であることを示している。図2左側の写真は、比較のためAg30単一の単一電極を固体電解質に担持した部分のSEM画像を示す。また、図2右側の写真は、固体電解質の上にGDC含有率が質量比で95%の電極を担持し、その上にGDC含有率が質量比で30%の電極を担持した傾斜電極の部分のSEM画像を示す。なお、図2では電解質は電極近傍の一部が撮影されている。
図から分かるように、Ag95は固体電解質とAg30のインターフェースとなっており、電極と固体電解質間のイオン導電性に寄与することが想定される。
FIG. 2 is an SEM image of the single electrode (left side) of the comparative example and the gradient electrode (right side) of the present invention. Ag30 has a GDC content of 30% by mass, and Ag95 has a GDC content of 95% by mass. It shows that there is. The photograph on the left side of FIG. 2 shows an SEM image of a portion in which a single electrode of Ag30 is supported on a solid electrolyte for comparison. Moreover, the photograph on the right side of FIG. 2 shows a portion of a gradient electrode in which an electrode having a GDC content of 95% by mass is supported on a solid electrolyte, and an electrode having a GDC content of 30% by mass is supported thereon. The SEM image of is shown. In FIG. 2, a part of the electrolyte is photographed in the vicinity of the electrode.
As can be seen from the figure, Ag95 serves as an interface between the solid electrolyte and Ag30, and is assumed to contribute to ionic conductivity between the electrode and the solid electrolyte.

上記浄化構造体の第一電極および第二電極のAg95とAg30の膜厚を変化させて傾斜電極を製造して、NOx低減の効果を確かめた実験結果をAg30単一電極の実験結果と比較してまとめて図3に示す。
傾斜電極は、Ag95とAg30の膜厚を変化させているが、その電極のトータルの厚みは約30μmとほぼ同じ厚みになるようにした。また、単一電極の厚みも約30μmのものを用いて実験した。
実験に使用した排ガスは、水冷、1気筒、4サイクルの汎用エンジンから排出される排ガスで、噴射時期をおよびノズルの開弁圧を最適設定値より変化させ、より多くのNOxとPMを排出させる条件で実験を行った。排ガス中の各成分の濃度はおよそ以下の通りである。NO:346ppm、NO:9ppm、CO2:4.23%、CO:270ppm、THC:220ppm、PM:5mg/m。また、実験では排ガスの一部を円盤状セルに導き,温度を350℃に加熱した。
The results of experiments in which the gradient electrode was manufactured by changing the film thickness of Ag95 and Ag30 of the first electrode and the second electrode of the purification structure and the effect of NOx reduction was confirmed were compared with the experimental results of the Ag30 single electrode. These are collectively shown in FIG.
The tilted electrodes have different thicknesses of Ag95 and Ag30, but the total thickness of the electrodes was set to be approximately the same as about 30 μm. The experiment was performed using a single electrode having a thickness of about 30 μm.
The exhaust gas used in the experiment is exhaust gas discharged from a water-cooled, 1-cylinder, 4-cycle general-purpose engine. The injection timing and the valve opening pressure of the nozzle are changed from the optimum set values, and more NOx and PM are discharged. The experiment was conducted under conditions. The concentration of each component in the exhaust gas is approximately as follows. NO: 346 ppm, NO 2 : 9 ppm, CO 2: 4.23%, CO: 270 ppm, THC: 220 ppm, PM: 5 mg / m 3 . In the experiment, part of the exhaust gas was guided to a disk-shaped cell and heated to 350 ° C.

実験は、3種類の傾斜電極及び単一電極を備えた計4種類の浄化構造体に、上記排ガスを第一電極側から流入させ、第二電極側から排出させ、電極間に電圧を印加して、各電流値における浄化率を測定した。   In the experiment, the exhaust gas was allowed to flow from the first electrode side and discharged from the second electrode side to a total of four types of purification structures having three types of inclined electrodes and a single electrode, and a voltage was applied between the electrodes. The purification rate at each current value was measured.

その結果をNOx低減率としてまとめて図3に示している。図3から、Ag30単一電極に比べAg95・Ag30傾斜電極はいずれの膜厚でもNOx低減率が向上しており、電解質粒子と導電性粒子のネットワークを改善し、三層界面を拡張出来た効果とみることが出来る。また、Ag95とAg30の膜厚を変化させた場合、Ag95の膜厚をAg30に比べて薄くすることで低電流領域でのNOx低減率が高くなっている。これは、Ag95が電子導電性に劣るほか、図2から分かるように空隙が少なくガス透過性に劣るため、Ag95を厚くすると三層界面の向上効果のほかに、ジュール損が増し、ガスの流れが阻害されるために、NOx低減率の低下に繋がるものと考えられる。このように、導電性粒子と電解質粒子の混合割合が変わると電極の性状が異なるので、これらの厚みも最適化することが効果的である。   The results are collectively shown in FIG. 3 as NOx reduction rates. From Fig. 3, compared to the Ag30 single electrode, the Ag95 / Ag30 gradient electrode has improved NOx reduction rate at any film thickness, improved the network of electrolyte particles and conductive particles, and expanded the three-layer interface. Can be seen. Further, when the film thicknesses of Ag95 and Ag30 are changed, the NOx reduction rate in the low current region is increased by making the film thickness of Ag95 thinner than that of Ag30. This is because Ag95 is inferior in electronic conductivity and, as can be seen from FIG. 2, there are few voids and gas permeability is poor, so thickening Ag95 increases Joule loss in addition to the effect of improving the three-layer interface, and the flow of gas This is thought to lead to a decrease in the NOx reduction rate. Thus, since the properties of the electrodes are different when the mixing ratio of the conductive particles and the electrolyte particles is changed, it is effective to optimize these thicknesses.

図4および図5は第一電極表面上のPMの分解状況を示す写真であり、図4は排ガスを2h通過後のPM堆積状況を、図5は電圧を印加した場合のPMの堆積状況を示しており、電圧印加によってPMが分解されることがわかる。   4 and 5 are photographs showing the state of decomposition of PM on the surface of the first electrode, FIG. 4 shows the state of PM deposition after passing through the exhaust gas for 2 hours, and FIG. 5 shows the state of PM deposition when voltage is applied. It can be seen that PM is decomposed by voltage application.

本発明の排ガス浄化装置は、排ガス中のみならず空気中のNOxを低減するための装置として利用することができる。排ガスとしては、各種燃焼機関から排出されるガスがあり、例を挙げれば、ディーゼルエンジン、ガソリン機関、ボイラ及び工業炉等がある。その中でも、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)及び微粒子(PM)を同時に除去することができる排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンから排出される排ガスを浄化するのに好適である。   The exhaust gas purification apparatus of the present invention can be used as an apparatus for reducing NOx in air as well as in exhaust gas. Examples of the exhaust gas include gases discharged from various combustion engines, and examples include a diesel engine, a gasoline engine, a boiler, and an industrial furnace. Among these, the exhaust gas purifying device capable of simultaneously removing nitrogen oxides (NOx) and fine particles (PM) in the exhaust gas is suitable for purifying the exhaust gas discharged from the diesel engine.

1 浄化構造体
2 固体電解質
3 第一電極(アノード)
4 第二電極(カソード)
5 スイッチ
6 電源
1 Purification Structure 2 Solid Electrolyte 3 First Electrode (Anode)
4 Second electrode (cathode)
5 Switch 6 Power supply

Claims (5)

酸素イオン導電性を有する多孔質固体電電解質の一方の面に多孔質の第一電極を他方の面に多孔質の第二電極を備えて排ガスを通過可能とし、両面の電極に電圧を印加して排ガスを浄化する装置であって、排ガスが流入する側の第一電極はアノードであり、排ガスが流出する側の第二電極はカソードであり、前記第一電極はガドリニア添加セリア(GDC)及び導電体を含み、前記第二電極はガドリニア添加セリア(GDC)、導電体及びNOx吸蔵材を含み、前記第一電極及び/又は前記第二電極の全体に含まれる前記導電体の濃度が前記固体電解質側に向かって濃度が低くなるように傾斜させてあることを特徴とする排ガス浄化装置。A porous solid electroelectrolyte having oxygen ion conductivity is equipped with a porous first electrode on one side and a porous second electrode on the other side to allow exhaust gas to pass through, and a voltage is applied to both electrodes. The first electrode on the exhaust gas inflow side is an anode, the second electrode on the exhaust gas outflow side is a cathode, the first electrode is gadolinia-added ceria (GDC) and The second electrode includes a gadolinia-added ceria (GDC), a conductor, and a NOx storage material, and the concentration of the conductor contained in the entire first electrode and / or the second electrode is the solid. An exhaust gas purifying apparatus characterized by being inclined so that the concentration decreases toward the electrolyte side. 前記第一電極及び/又は前記第二電極が複数の層からなり、前記層の導電体の濃度が前記固体電解質側に向かって濃度が低くなるように傾斜させてあることを特徴とする請求項1に記載の排ガス浄化装置。   The first electrode and / or the second electrode is composed of a plurality of layers, and the concentration of the conductor of the layer is inclined so that the concentration decreases toward the solid electrolyte side. The exhaust gas purification apparatus according to 1. 前記第一電極が、排ガス中の微粒子を捕集することができる多孔質であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の排ガス浄化装置。   The exhaust gas purification apparatus according to claim 1 or 2, wherein the first electrode is porous capable of collecting fine particles in the exhaust gas. 前記固体電解質の主成分がガドリニア添加セリア(GDC)であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の排ガス浄化装置。   The exhaust gas purification apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein a main component of the solid electrolyte is gadolinia-added ceria (GDC). 前記NOx吸蔵材がバリウム(Ba)又はバリウムの化合物であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の排ガス浄化装置。   The exhaust gas purifying apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the NOx storage material is barium (Ba) or a compound of barium.
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