JPH0692616A - Method and apparatus for carbon monoxide oxidation reaction - Google Patents
Method and apparatus for carbon monoxide oxidation reactionInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質を用いた一
酸化炭素の酸化反応方法及びその装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbon monoxide oxidation reaction method and apparatus using a solid electrolyte.
【0002】[0002]
【従来の技術・発明が解決しようとする課題】一酸化炭
素は自動車の排ガス等の燃焼ガス中に含まれているが、
人体に有害であるため、一酸化炭素の酸化による無害化
は空気浄化という点で重要である。従来より、一酸化炭
素の酸化は触媒下で行われてきたが、さらに近年、酸素
イオンを透過させる特性を有する固体電解質を用いて、
一酸化炭素の酸化反応を行う方法が提案された。2. Description of the Related Art Carbon monoxide is contained in combustion gas such as exhaust gas of automobiles.
Since it is harmful to the human body, detoxification by oxidation of carbon monoxide is important in terms of air purification. Conventionally, the oxidation of carbon monoxide has been carried out in the presence of a catalyst, but more recently, using a solid electrolyte having the property of allowing oxygen ions to permeate,
A method for carrying out an oxidation reaction of carbon monoxide has been proposed.
【0003】例えば、固体電解質の両面に触媒電極を備
えた排ガスの電気化学的浄化装置(特公昭55−397
4号公報)、両面に電極を付けた酸素イオン導電性固体
電解質隔膜の片側に水蒸気、他側に一酸化炭素を流通さ
せ、両電極を結線することにより電力を得ると同時に、
水蒸気供給側の排出口から高純度水素ガスを得る一酸化
炭素シフト反応法(特開昭62−278288号公
報)、固体電解質の両側に白金電極を形成し、一方側に
空気を、もう一方側に一酸化炭素含有ガスを流通し白金
電極表面で一酸化炭素を酸化する方法(JOURNAL OF CAT
ALYSIS. VOL82. p322-331 1983) 等がある。For example, an electrochemical purification device for exhaust gas having catalyst electrodes on both sides of a solid electrolyte (Japanese Patent Publication No. 55-397).
No. 4), water vapor is supplied to one side of an oxygen ion conductive solid electrolyte membrane having electrodes on both sides and carbon monoxide is circulated to the other side, and electric power is obtained by connecting both electrodes at the same time.
Carbon monoxide shift reaction method (Japanese Patent Laid-Open No. 62-278288) in which high-purity hydrogen gas is obtained from an outlet on the side of supplying steam, platinum electrodes are formed on both sides of a solid electrolyte, and air is formed on one side and the other side is formed. A method to oxidize carbon monoxide on the platinum electrode surface by flowing a gas containing carbon monoxide into the surface (JOURNAL OF CAT
ALYSIS. VOL82. P322-331 1983) etc.
【0004】しかし、これらの方法は何れも反応温度3
00℃以上、印加電圧が固体電解質の厚さ1mmあたり
1.5V程度の条件で行っており、常温から300℃未
満の低温領域での反応は開示されていない。このよう
に、従来方法では、適用できる温度範囲が300℃以上
の高温で行われており、例えば、自動車の排ガスの処理
に適用する場合、エンジン始動時等の排気温が300℃
未満の時には、そのままでは一酸化炭素の酸化が十分に
行えないという問題があり、別個に固体電解質を加熱す
る等の手段が必要となる。However, in all of these methods, the reaction temperature is 3
The reaction is performed at a temperature of 00 ° C. or higher and an applied voltage of about 1.5 V per 1 mm of the thickness of the solid electrolyte, and no reaction is disclosed in a low temperature region from room temperature to less than 300 ° C. As described above, in the conventional method, the applicable temperature range is a high temperature of 300 ° C. or higher. For example, when applied to the treatment of exhaust gas of an automobile, the exhaust temperature at the time of engine start is 300 ° C.
If it is less than the above, there is a problem that carbon monoxide cannot be sufficiently oxidized as it is, and means for separately heating the solid electrolyte is required.
【0005】このように固体電解質を用いた一酸化炭素
酸化反応において、300℃未満で行われなかった理由
としては、以下の点が挙げられる。即ち、上記の方法に
おいて、温度300℃未満といった低温条件下では、固
体電解質の酸素イオン透過性が小さくなり固体電解質が
一酸化炭素を酸化するのに十分な量の酸素イオンを透過
させることが困難であると一般に考えられてきたからで
ある。従って、300℃未満で固体電解質を用いた一酸
化炭素の酸化反応方法の開発が望まれている。The reasons why the carbon monoxide oxidation reaction using the solid electrolyte is not carried out below 300 ° C. are as follows. That is, in the above method, under low temperature conditions such as a temperature of less than 300 ° C., the oxygen ion permeability of the solid electrolyte becomes small, and it is difficult for the solid electrolyte to permeate oxygen ions in an amount sufficient to oxidize carbon monoxide. Because it has been generally considered. Therefore, development of a carbon monoxide oxidation reaction method using a solid electrolyte at less than 300 ° C. is desired.
【0006】本発明の目的は、上記の課題を解決すべ
く、従来、効率の良い反応が困難と思われていた300
℃未満での固体電解質を用いた一酸化炭素の酸化反応に
おいて、効率良く酸化反応が行えるような酸化反応方法
及びその装置を提供することにある。The object of the present invention, in order to solve the above problems, has hitherto been considered to be difficult to carry out an efficient reaction.
It is an object of the present invention to provide an oxidation reaction method and an apparatus for efficiently performing the oxidation reaction in the carbon monoxide oxidation reaction using a solid electrolyte at a temperature lower than ° C.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】即ち、本発明の要旨は、
(1)酸素を酸素イオンに変換する特性、酸素イオンを
透過させる特性および酸素イオンを活性酸素種に変換す
る特性を有する固体電解質の両表面を電極材で被覆して
電極間に電圧を印加することにより酸化反応を行う方法
において、該固体電解質の一方側の電極表面に酸素を供
給すると共に他方側の電極表面ないし近傍に一酸化炭素
を供給し、酸素供給側で酸素を酸素イオンに変換した
後、酸素イオンを固体電解質の他方側に透過させ、一酸
化炭素供給側で透過した酸素イオンより変換される活性
酸素種により、該一酸化炭素を温度300℃未満で酸化
させることを特徴とする酸化反応方法、並びに(2)酸
素を酸素イオンに変換する特性、酸素イオンを透過させ
る特性および酸素イオンを活性酸素種に変換する特性を
有する固体電解質の両表面が電極材で被覆された電極付
固体電解質と、該電極間に電圧を印加する手段と、該固
体電解質の一方側の電極表面に酸素を供給する手段と、
他方側の電極表面ないし近傍に一酸化炭素を供給する手
段とを備えた酸化反応装置において、温度300℃未満
で一酸化炭素が酸化できるように構成されていることを
特徴とする一酸化炭素酸化反応装置に関するものであ
る。以下、本発明を詳細に説明する。The summary of the present invention is as follows.
(1) Both surfaces of a solid electrolyte having a property of converting oxygen into oxygen ions, a property of transmitting oxygen ions and a property of converting oxygen ions into active oxygen species are coated with electrode materials, and a voltage is applied between the electrodes. In the method of carrying out the oxidation reaction by supplying oxygen to the electrode surface on one side of the solid electrolyte and carbon monoxide to the electrode surface on the other side or in the vicinity thereof, oxygen is converted to oxygen ions on the oxygen supply side. After that, oxygen ions are permeated to the other side of the solid electrolyte, and the carbon monoxide is oxidized at a temperature of less than 300 ° C. by active oxygen species converted from the oxygen ions permeated on the carbon monoxide supply side. Oxidation reaction method, and (2) solid electrolyte having properties of converting oxygen into oxygen ions, properties of transmitting oxygen ions and properties of converting oxygen ions into active oxygen species Surface and the electrode material coated with the electrode with the solid electrolyte, and means for supplying and means for applying a voltage between the electrodes, the oxygen on one side of the electrode surface of the solid electrolyte,
An oxidation reaction device comprising means for supplying carbon monoxide to the surface of the electrode on the other side or in the vicinity thereof, wherein carbon monoxide is oxidized at a temperature of less than 300 ° C. It relates to a reactor. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
【0008】まず、本発明の一酸化炭素反応装置につい
て説明する。本発明に用いることのできる固体電解質
は、特に限定されないが、好ましくは一種あるいは二種
以上からなる金属酸化物であって結晶構造が蛍石型構造
を持つものである。金属酸化物の蛍石型構造では、酸素
イオンの配置が最密充填からかけ離れており、酸素イオ
ンが8配位の空のサイトが存在する。こうしたルーズな
構造のため多量の格子欠陥を生じやすいものと考えられ
る。つまり蛍石型構造では、ルーズなゆえに多少の異種
原子が入り、種々の欠陥が生じても、その基本的な結晶
構造は維持されるといわれている(工藤徹一、笛木和雄
共著『固体アイオニクス』講談社サイエンティフィク1
986年5月20日第1刷発行)。このような蛍石型構
造中の酸素イオンの格子欠陥を利用して、酸素イオンを
透過する特性が生じる。First, the carbon monoxide reactor of the present invention will be described. The solid electrolyte that can be used in the present invention is not particularly limited, but is preferably a metal oxide composed of one kind or two or more kinds, and a crystal structure having a fluorite structure. In the fluorite type structure of the metal oxide, the arrangement of oxygen ions is far from the closest packing, and there is an empty site with eight coordinations of oxygen ions. It is considered that a large amount of lattice defects are likely to occur due to such a loose structure. In other words, it is said that the fluorite structure retains its basic crystal structure even if some heteroatoms enter due to its looseness and various defects occur (Tetsuichi Kudo and Kazuo Fueki, "Solid Eye"). Onyx] Kodansha Scientific 1
Issued the first printing on May 20, 986). By utilizing the lattice defects of oxygen ions in such a fluorite structure, a property of transmitting oxygen ions is generated.
【0009】前記の蛍石型構造を持つ金属酸化物として
は、例えば、酸化セリウム、酸化トリウム、酸化ジルコ
ニウム、酸化ハフニウム、酸化ビスマス及びこれら金属
酸化物に酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化スカ
ンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ニオ
ブ、酸化タングステン、酸化ネオジム、酸化サマリウ
ム、酸化ガドニウム、酸化エルビウム、酸化イッテルビ
ウムを固溶したものが挙げられる。これらのうち、適用
温度範囲が広いこと、入手の容易さ等の点から酸化イッ
トリウムを固溶した酸化ジルコニウム、酸化カルシウム
を固溶した酸化ジルコニウムおよび酸化スカンジウムを
固溶した酸化セリウムが好ましく用いられる。Examples of the above-mentioned metal oxide having a fluorite structure include cerium oxide, thorium oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, bismuth oxide and magnesium oxide, calcium oxide, scandium oxide, yttrium oxide in addition to these metal oxides. , Lanthanum oxide, niobium oxide, tungsten oxide, neodymium oxide, samarium oxide, gadnium oxide, erbium oxide, and ytterbium oxide are solid-solved. Among these, zirconium oxide in which yttrium oxide is dissolved in solid solution, zirconium oxide in which calcium oxide is dissolved in solid solution, and cerium oxide in which scandium oxide is dissolved in solid solution are preferably used from the viewpoints of wide application temperature range and easy availability.
【0010】固体電解質の形状は、特に限定されない
が、例えば板状、あるいは管状等のように略一定の厚さ
を有しているものであればよい。また、略一定の厚さを
有しているものであれば、平面状でなく、凹凸状の構造
で表面積が大であり反応場を効率良く提供できるものも
好ましい。The shape of the solid electrolyte is not particularly limited, but may be any shape having a substantially constant thickness such as a plate shape or a tube shape. Further, as long as it has a substantially constant thickness, it is also preferable that the structure is not flat but has an uneven structure and a large surface area so that a reaction field can be efficiently provided.
【0011】ここで、固体電解質の厚さは、1.0mm
未満が好ましく、更に好ましくは1μm〜0.5mm、
特に好ましくは10μm〜0.5mmである。1.0m
m以上のものは温度300℃未満で良好な酸素イオンの
透過が困難である。1μmより薄いものは作製が困難で
あり、分子状酸素も透過するような穴が多く存在しやす
い。また、急激な温度変化等で割れやすく強度面にも問
題がある。但し、固体電解質の厚さは、薄ければ薄いほ
ど、同じ印加電圧に対して単位厚さあたりの印加電圧が
大きくなり、これにより酸素イオンの透過量が増大し、
本発明の酸化反応方法を好適に行うことができる。Here, the thickness of the solid electrolyte is 1.0 mm.
Is preferably less than 1 μm, more preferably 1 μm to 0.5 mm,
Particularly preferably, it is 10 μm to 0.5 mm. 1.0 m
If the temperature is less than 300 ° C., it is difficult for oxygen ions having good permeability to pass through oxygen ions. Those having a thickness of less than 1 μm are difficult to manufacture, and are likely to have many holes through which molecular oxygen can pass. Further, there is a problem in strength because it is easily cracked due to a sudden temperature change. However, the thinner the thickness of the solid electrolyte, the larger the applied voltage per unit thickness for the same applied voltage, which increases the permeation amount of oxygen ions,
The oxidation reaction method of the present invention can be suitably performed.
【0012】なお、固体電解質の厚みが薄くなると(例
えば0.1mm以下)機械的強度が低下するので、酸素
分子の拡散抵抗の少ない多孔質材料(例えば多孔性アル
ミナ、多孔性ジルコニア等)からなる支持体の表面に固
体電解質を装着して用いてもよい。Since the mechanical strength decreases as the solid electrolyte becomes thinner (for example, 0.1 mm or less), the solid electrolyte is made of a porous material (for example, porous alumina, porous zirconia, etc.) having a low diffusion resistance of oxygen molecules. You may mount and use a solid electrolyte on the surface of a support body.
【0013】固体電解質の作製法としては、焼成法、プ
ラズマ溶射、ゾルーゲル法、真空蒸着、スパッタリング
などが挙げられるが、これらに限定されるものではな
い。以上のような固体電解質は、酸素を酸素イオンに変
換する特性、酸素イオンを透過させる特性および酸素イ
オンを活性酸素種に変換する特性を有し、本発明におい
てこれらの特性は、300℃未満といった低温温度下
で、発現することができる。Examples of the method for producing the solid electrolyte include, but are not limited to, firing method, plasma spraying, sol-gel method, vacuum deposition and sputtering. The solid electrolyte as described above has the property of converting oxygen into oxygen ions, the property of transmitting oxygen ions, and the property of converting oxygen ions into active oxygen species. In the present invention, these properties are less than 300 ° C. It can be expressed at low temperature.
【0014】本発明においては、前記の固体電解質はそ
の両表面が電極材で被覆されている。この電極は、一方
側に供給した酸素を酸素イオンに変換するための電子の
供与と、もう一方側に固体電解質を透過した酸素イオン
を活性酸素種に変換するための電子の受容を効率よく行
うために設けられる。電極材は十分な導電性のあるもの
であればよく、例えば、金、白金、銀、銅、鉄、アルミ
ニウム、ニッケル、亜鉛、すず等の金属類、二種以上の
金属からなる合金類あるいは炭素等が挙げられる。この
ような電極は、電極材をペースト状にして塗布する方
法、スパッタリング法あるいは真空蒸着法により固体電
解質表面に被覆する方法や金属メッシュを固体電解質表
面に接着させる方法などにより形成されるが、特に限定
されるものではない。In the present invention, both surfaces of the solid electrolyte are coated with electrode materials. This electrode efficiently donates electrons to convert oxygen supplied to one side into oxygen ions and accepts electrons to convert oxygen ions permeating the solid electrolyte into active oxygen species on the other side. It is provided for. The electrode material may be one having sufficient conductivity, for example, metals such as gold, platinum, silver, copper, iron, aluminum, nickel, zinc, tin, alloys composed of two or more metals, or carbon. Etc. Such an electrode is formed by a method of applying an electrode material in a paste form, a method of coating the solid electrolyte surface by a sputtering method or a vacuum deposition method, a method of adhering a metal mesh to the solid electrolyte surface, and the like. It is not limited.
【0015】本発明の酸化反応装置は、このような電極
付固体電解質と、該電極間に電圧を印加する手段と該固
体電解質の一方側の電極表面に酸素を供給する手段と、
該固体電解質の他方側で発生する活性酸素種により、一
酸化炭素が酸化されるように一酸化炭素を固体電解質の
電極表面ないし近傍に供給する手段を備えるものであ
る。The oxidation reaction apparatus of the present invention comprises such a solid electrolyte with electrodes, means for applying a voltage between the electrodes, and means for supplying oxygen to the electrode surface on one side of the solid electrolyte.
A means for supplying carbon monoxide to the electrode surface of the solid electrolyte or the vicinity thereof is provided so that carbon monoxide is oxidized by the active oxygen species generated on the other side of the solid electrolyte.
【0016】本発明においては、該固体電解質中の酸素
イオンの透過を行うために両電極間に電位差を生じさせ
る必要がある。電位差を生じさせる場合、電極間に電圧
を印加するための手段が必要であり、直流電圧を印加で
きるものであれば、特に限定されないが、例えば安定化
電源、乾電池あるいは鉛蓄電池等を用いることができ
る。In the present invention, in order to permeate oxygen ions in the solid electrolyte, it is necessary to generate a potential difference between both electrodes. In order to generate a potential difference, a means for applying a voltage between the electrodes is required, and it is not particularly limited as long as it can apply a DC voltage, but for example, a stabilizing power source, a dry battery, a lead acid battery or the like can be used. it can.
【0017】酸素を供給する手段としては、例えば、酸
素あるいは空気等の酸素混合物の高圧ガスボンベで供給
する方法、エアーポンプ、エアーコンプレッサで供給す
る方法、または大気中に露出させる方法等によるものが
挙げられるが、特に限定されるものではない。この酸素
供給手段により固体電解質の一方側の電極表面に酸素が
供給され、酸素から酸素イオンへの変換が生じる。The means for supplying oxygen include, for example, a method of supplying oxygen or a mixture of oxygen such as air with a high-pressure gas cylinder, a method of supplying with an air pump or an air compressor, or a method of exposing to the atmosphere. However, it is not particularly limited. Oxygen is supplied to the electrode surface on one side of the solid electrolyte by this oxygen supply means, and oxygen is converted to oxygen ions.
【0018】一酸化炭素を供給する手段としては、一酸
化炭素含有ガス(例えば、自動車排気ガス)をポンプ等
で供給する方法、一酸化炭素を不活性ガス(ヘリウム、
窒素等)で希釈して供給する方法等によるものが挙げら
れる。なお、一酸化炭素は、電極表面またはその近傍に
供給することが望ましい。As means for supplying carbon monoxide, a method of supplying a carbon monoxide-containing gas (for example, automobile exhaust gas) by a pump or the like, and a method of supplying carbon monoxide with an inert gas (helium,
For example, it may be diluted with nitrogen or the like and supplied. Note that it is desirable to supply carbon monoxide to the surface of the electrode or the vicinity thereof.
【0019】本発明の一酸化炭素の酸化反応装置におい
ては、このような酸素及び一酸化炭素の供給に際し、例
えば図1に示すような反応器を用いることも可能であ
る。即ち、電極付固体電解質により酸素供給室と酸化反
応室に仕切られた反応器を用いて、酸素供給室、酸化反
応室にそれぞれの物質を供給する方法を採ることができ
る。このような反応器以外にも、例えば管状の電極付固
体電解質の内側又は外側が酸素供給室あるいは酸化反応
室である反応器、電極付固体電解質の一方側が大気中に
露出され開放系となっている反応器等の種々の態様のも
のを用いることができる。ただし、本発明においては、
必ずしもこのような閉じた系を有する形状の反応器を用
いる必要はない。In the carbon monoxide oxidation reaction apparatus of the present invention, it is possible to use a reactor as shown in FIG. 1 for supplying oxygen and carbon monoxide. That is, it is possible to adopt a method of supplying the respective substances to the oxygen supply chamber and the oxidation reaction chamber by using a reactor partitioned by the solid electrolyte with electrodes into the oxygen supply chamber and the oxidation reaction chamber. In addition to such a reactor, for example, a reactor in which the inside or outside of a tubular solid electrolyte with an electrode is an oxygen supply chamber or an oxidation reaction chamber, one side of the solid electrolyte with an electrode is exposed to the atmosphere to form an open system. Various types of reactors such as existing reactors can be used. However, in the present invention,
It is not always necessary to use a reactor with such a closed system geometry.
【0020】また、本発明では必要に応じて圧力勾配ま
たは濃度勾配を生じさせるための補助的手段を設けても
よい。その手段としては、圧力勾配を生じさせる手段と
しては、酸素供給室側を加圧ポンプで加圧する手段、酸
素反応室側を真空ポンプにより減圧する手段等が挙げら
れる。濃度勾配を生じさせる手段としては、酸素供給室
側に酸素濃度の高い酸素含有ガスを供給する手段、加圧
ポンプにより酸素含有ガスの圧力を上げて、酸素濃度の
高いガスを供給する手段、反応室側に不活性ガス(窒
素、ヘリウム等)と混合した一酸化炭素を供給する手段
等が挙げられる。In the present invention, auxiliary means for producing a pressure gradient or a concentration gradient may be provided if necessary. As means for producing the pressure gradient, means for pressurizing the oxygen supply chamber side with a pressurizing pump, means for depressurizing the oxygen reaction chamber side with a vacuum pump, and the like can be mentioned. As a means for producing a concentration gradient, a means for supplying an oxygen-containing gas having a high oxygen concentration to the oxygen supply chamber side, a means for increasing the pressure of the oxygen-containing gas by a pressure pump to supply a gas having a high oxygen concentration, a reaction Examples include means for supplying carbon monoxide mixed with an inert gas (nitrogen, helium, etc.) to the chamber side.
【0021】次に、本発明の一酸化炭素酸化反応方法に
ついて説明する。本発明の酸化反応方法は、前記の酸化
反応装置を用いて好適に行うことができる。用いられる
酸素は、純成分の酸素分子気体、空気あるいは酸素と他
のガス(例えば窒素、ヘリウム等)を混合した気体等と
して用いてもよく、このような物質が前記の供給手段に
より供給される。用いられる一酸化炭素は、純成分の一
酸化炭素分子気体、あるいは自動車排ガス等の一酸化炭
素含有気体等でもよい。Next, the carbon monoxide oxidation reaction method of the present invention will be described. The oxidation reaction method of the present invention can be suitably performed using the above-mentioned oxidation reaction device. The oxygen used may be a pure component oxygen molecule gas, air, or a gas in which oxygen is mixed with another gas (for example, nitrogen, helium, etc.), and such a substance is supplied by the above-mentioned supply means. . The carbon monoxide used may be a pure component carbon monoxide molecular gas or a carbon monoxide-containing gas such as automobile exhaust gas.
【0022】本発明において、固体電解質中を酸素イオ
ンを透過させるための具体的条件としては、温度300
℃未満で一酸化炭素を効率よく酸化できるように、電位
差を固体電解質を介して生じさせればよい。このように
電位差を適宜調整することにより、一酸化炭素を60モ
ル%以上、好適には80モル%以上酸化することができ
る。なお、固体電解質中の酸素イオン透過性を向上させ
るために圧力勾配又は濃度勾配を生じさせてもよい。電
位差を生じさせるには、前記の電圧印加手段により電極
間に電圧を印加する。固体電解質1mm厚さあたりの印
加電圧は、通常20−0.04T V/mm以上、好ま
しくは20−0.04T V/mm〜200−0.4T
V/mmである。ここで、Tは温度〔℃〕を表わす。
20−0.04T V/mm未満では、300℃未満の
温度において、固体電解質の酸素イオンの透過性が小さ
くなり一酸化炭素の酸化を効率よく行うことができな
い。圧力勾配を生じさせる場合には、酸素供給側を加圧
する方法、一酸化炭素供給側を減圧する方法等が挙げら
れる。このとき酸素イオンの透過が起こるための差圧
は、酸素分圧として通常10mmHg以上、好ましくは
50mmHg以上である。濃度勾配を生じさせる場合に
は、酸素供給側に酸素濃度の高いガスを供給する方法、
酸素含有ガスを加圧して酸素濃度を高くしたガスを供給
する方法または不活性ガスと混合した一酸化炭素を反応
基質供給側に供給してもよい。このとき酸素イオンの透
過が起こるための酸素濃度差は、通常5モル%以上、好
ましくは10モル%以上である。In the present invention, specific conditions for permeating oxygen ions in the solid electrolyte include a temperature of 300.
The potential difference may be generated through the solid electrolyte so that carbon monoxide can be efficiently oxidized at a temperature lower than ° C. By appropriately adjusting the potential difference in this manner, carbon monoxide can be oxidized by 60 mol% or more, preferably 80 mol% or more. A pressure gradient or a concentration gradient may be generated in order to improve the oxygen ion permeability in the solid electrolyte. To generate a potential difference, a voltage is applied between the electrodes by the voltage applying means. The applied voltage per 1 mm thickness of the solid electrolyte is usually 20-0.04T V / mm or more, preferably 20-0.04T V / mm to 200-0.4T.
V / mm. Here, T represents a temperature [° C.].
If it is less than 20-0.04 TV / mm, the oxygen ion permeability of the solid electrolyte becomes small and the oxidation of carbon monoxide cannot be efficiently performed at a temperature of less than 300 ° C. When a pressure gradient is generated, a method of pressurizing the oxygen supply side, a method of depressurizing the carbon monoxide supply side, and the like can be mentioned. At this time, the differential pressure for causing the permeation of oxygen ions is usually 10 mmHg or more, preferably 50 mmHg or more as the oxygen partial pressure. When generating a concentration gradient, a method of supplying a gas having a high oxygen concentration to the oxygen supply side,
The oxygen-containing gas may be pressurized to supply a gas having a high oxygen concentration, or carbon monoxide mixed with an inert gas may be supplied to the reaction substrate supply side. At this time, the difference in oxygen concentration for causing the permeation of oxygen ions is usually 5 mol% or more, preferably 10 mol% or more.
【0023】一酸化炭素酸化反応の反応温度は、300
℃未満であり、通常50〜300℃、好ましくは100
〜300℃である。50℃より低い温度では、固体電解
質中の酸素イオンの透過速度が小さく好ましくない。酸
化反応側の圧力は常圧でもよいが、前記のように固体電
解質を介して圧力勾配を生じさせる場合は、減圧下で行
ってもよい。この場合の減圧の条件としては、500m
mHg以下が好ましく、200mmHg以下が更に好ま
しい。酸化供給側の圧力は常圧でもよいが、前記のよう
に固体電解質を介して圧力勾配を生じさせる場合は加圧
してもよい。この場合の加圧の条件としては、0.1k
gf/cm2 以上好ましくは1kgf/cm2 以上であ
る。以上、固体電解質を用いた一酸化炭素の酸化反応方
法及びその装置について示した。The reaction temperature of the carbon monoxide oxidation reaction is 300.
Below 50 ° C, usually 50-300 ° C, preferably 100
~ 300 ° C. If the temperature is lower than 50 ° C, the permeation rate of oxygen ions in the solid electrolyte is low, which is not preferable. The pressure on the oxidation reaction side may be normal pressure, but when a pressure gradient is generated through the solid electrolyte as described above, it may be performed under reduced pressure. The decompression condition in this case is 500 m
It is preferably mHg or less, more preferably 200 mmHg or less. The pressure on the oxidation supply side may be normal pressure, but may be increased when a pressure gradient is generated through the solid electrolyte as described above. The pressurizing condition in this case is 0.1 k.
gf / cm 2 or more, preferably 1 kgf / cm 2 or more. The carbon monoxide oxidation reaction method and apparatus using a solid electrolyte have been described above.
【0024】本発明を用いれば、焼却炉をはじめとする
種々の燃焼炉一般及び内燃機関などにおける排ガス中に
含まれる一酸化炭素の除去が可能である。本発明の用途
は上記に限られず、本発明により得られる活性酸素種を
用いれば一酸化炭素を効率よく酸化させることができ
る。By using the present invention, it is possible to remove carbon monoxide contained in exhaust gas from various combustion furnaces such as incinerators in general and internal combustion engines. The use of the present invention is not limited to the above, and carbon monoxide can be efficiently oxidized by using the active oxygen species obtained by the present invention.
【0025】本発明の酸化反応方法の機構は以下の如く
考えられる。結晶構造が蛍石型構造を持った一種以上の
金属酸化物からなる固体電解質は、酸素イオンの格子欠
陥を介して酸素イオンを透過する特性をもつ。この固体
電解質の両側を電極で被覆し、固体電解質の一方側に酸
素を接触させると、電極表面では、1/2O2 +2e-
→O2-の反応が起こり酸素イオンは固体電解質中の格子
欠陥中に入る。格子欠陥中に入った酸素イオンは電極間
に印加した電圧による電位差でもう一方側に輸送され
る。もう一方側の電極表面で、O2-→O* +2e- の反
応が起こり活性酸素種が生成する。この活性酸素種によ
り導入された一酸化炭素は酸化されると推定される。The mechanism of the oxidation reaction method of the present invention is considered as follows. A solid electrolyte composed of one or more kinds of metal oxides having a fluorite type crystal structure has a property of transmitting oxygen ions through lattice defects of oxygen ions. When both sides of this solid electrolyte are covered with electrodes and oxygen is brought into contact with one side of the solid electrolyte, 1 / 2O 2 + 2e − on the electrode surface.
→ O 2 − reaction occurs and oxygen ions enter into lattice defects in the solid electrolyte. Oxygen ions that have entered the lattice defects are transported to the other side due to the potential difference due to the voltage applied between the electrodes. On the surface of the electrode on the other side, a reaction of O 2- → O * + 2e − occurs and active oxygen species are generated. The carbon monoxide introduced by this reactive oxygen species is presumed to be oxidized.
【0026】固体電解質中の酸素イオンの透過性は、温
度が高いほど大きく、また、固体電解質の厚さが薄いほ
ど大きくなる。すなわち厚さが薄いほど同じ印加電圧
で、固体電解質単位厚さあたりの印加電圧を大きくする
ことが可能となり、300℃未満といった低温でも酸素
イオンの透過が良好に行われ、十分量の活性酸素種を生
成させることができ、低温での一酸化炭素の酸化が可能
となる。The permeability of oxygen ions in the solid electrolyte increases as the temperature rises and as the thickness of the solid electrolyte decreases. That is, the thinner the thickness, the larger the applied voltage can be, and the applied voltage per unit thickness of the solid electrolyte can be increased. Oxygen ions permeate well even at a low temperature of less than 300 ° C., and a sufficient amount of active oxygen species can be obtained. Can be generated, and carbon monoxide can be oxidized at a low temperature.
【0027】[0027]
【実施例】以下、実施例により本発明をさらに詳しく説
明するが、本発明はこれらの実施例等によりなんら限定
されるものではない。The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.
【0028】実施例1 図1は、本発明の一酸化炭素の酸化反応装置の反応器部
分の一例を模式的に示したものであり、電極付固体電解
質により仕切られた2つの空間をそれぞれ酸素供給室、
酸化反応室としたものである。1は、酸素イオン透過性
を持つ固体電解質で8mol%濃度で酸化イットリウム
を固溶した酸化ジルコニウム円盤(日本ファインセラミ
ックス(株)製、厚さ0.1mm、直径80mm)であ
る。2は固体電解質中に酸素を供給する酸素供給室であ
る。3は、一酸化炭素を供給し活性酸素種と反応させる
酸化反応室である。4はペースト状の金(日本金液
(株)製)を塗布して作製された金電極(厚さ10〜2
0μm)で、固体電解質の両側に作製した。5は、固体
電解質間に電圧を印加するための直流安定化電源であ
る。6は、電圧を印加した時に、系内に流れる電流を測
定する電流計である。Example 1 FIG. 1 schematically shows an example of a reactor portion of a carbon monoxide oxidation reaction apparatus according to the present invention, in which two spaces partitioned by a solid electrolyte with electrodes are respectively oxygenated. Supply room,
It is used as an oxidation reaction chamber. Reference numeral 1 is a zirconium oxide disc (manufactured by Japan Fine Ceramics Co., Ltd., thickness 0.1 mm, diameter 80 mm) in which solid electrolyte having oxygen ion permeability and 8 mol% concentration of yttrium oxide was solid-dissolved. Reference numeral 2 is an oxygen supply chamber for supplying oxygen into the solid electrolyte. 3 is an oxidation reaction chamber that supplies carbon monoxide and reacts with the active oxygen species. 4 is a gold electrode (thickness 10 to 2) produced by applying paste gold (manufactured by Nippon Kin Liquid Co., Ltd.)
0 μm) on both sides of the solid electrolyte. Reference numeral 5 is a stabilized DC power supply for applying a voltage between the solid electrolytes. 6 is an ammeter for measuring the current flowing in the system when a voltage is applied.
【0029】実施例2 図1の装置を用いて、一酸化炭素の酸化反応を実施し
た。以下、その反応方法及びその結果について示す。2
の酸素供給室に空気を流速50ml/minで供給し
た。一方、3の酸化反応室には、一酸化炭素822pp
m、酸素20モル%含有ヘリウムガスを高圧ガスボンベ
により流速20ml/minで流通させた。反応温度が
150℃になるようにヒータで加熱し、常圧下、5の電
源装置によりアノード側の4の電極に+35V/mmの
電圧を印加して反応を行った。反応生成物の定量は、出
口ガス中の生成物である二酸化炭素量をガスクロマトグ
ラフィ(島津製GC−8A)により測定した。分析条件
は、カラムとしてWG−100(ジーエルサイエンス
製)を用い、カラム温度:50℃、キャリアガス:ヘリ
ウム、キャリアー圧:0.8kg/cm2 、検出器:T
CDにより行った。その結果、入口ガス中には二酸化炭
素を検出できなかったが、出口ガス中に二酸化炭素が7
95ppm存在し、供給した中の97モル%の一酸化炭
素が酸化されたことが確認できた。Example 2 An oxidation reaction of carbon monoxide was carried out using the apparatus shown in FIG. The reaction method and the result are shown below. Two
Air was supplied at a flow rate of 50 ml / min to the oxygen supply chamber. On the other hand, in the oxidation reaction chamber of 3, carbon monoxide 822pp
Helium gas containing 20 mol% of oxygen and 20 mol% of oxygen was passed through the high pressure gas cylinder at a flow rate of 20 ml / min. The reaction was carried out by heating with a heater so that the reaction temperature was 150 ° C., and applying a voltage of +35 V / mm to the 4th electrode on the anode side by the power supply device of 5 under normal pressure. To quantify the reaction product, the amount of carbon dioxide as a product in the outlet gas was measured by gas chromatography (GC-8A manufactured by Shimadzu). As the analysis conditions, WG-100 (manufactured by GL Sciences) was used as a column, column temperature: 50 ° C., carrier gas: helium, carrier pressure: 0.8 kg / cm 2 , detector: T
It was done by CD. As a result, carbon dioxide was not detected in the inlet gas, but carbon dioxide was detected in the outlet gas.
95 ppm was present, and it was confirmed that 97 mol% of the supplied carbon monoxide was oxidized.
【0030】[0030]
【発明の効果】本発明によれば、従来、効率の良い反応
が困難と思われていた、温度300℃未満における一酸
化炭素の酸化を効率良く行うことが可能になった。この
ため、300℃未満といった低温下で一酸化炭素を酸化
処理する方法を提供でき、本発明の幅広い応用が可能に
なった。EFFECTS OF THE INVENTION According to the present invention, it has become possible to efficiently oxidize carbon monoxide at a temperature of less than 300 ° C., which has hitherto been considered difficult to perform an efficient reaction. Therefore, it is possible to provide a method for oxidizing carbon monoxide at a low temperature of less than 300 ° C., and the present invention can be widely applied.
【図1】図1は、本発明の一酸化炭素の酸化反応装置の
反応器部分の一例を模式的に示したものである。FIG. 1 is a schematic view showing an example of a reactor portion of a carbon monoxide oxidation reaction apparatus of the present invention.
1 固体電解質 2 酸素供給室 3 酸化反応室 4 電極 5 電源装置 6 電流計 7 反応器 1 Solid Electrolyte 2 Oxygen Supply Chamber 3 Oxidation Reaction Chamber 4 Electrode 5 Power Supply Device 6 Ammeter 7 Reactor
Claims (4)
イオンを透過させる特性および酸素イオンを活性酸素種
に変換する特性を有する固体電解質の両表面を電極材で
被覆して電極間に電圧を印加することにより酸化反応を
行う方法において、該固体電解質の一方側の電極表面に
酸素を供給すると共に他方側の電極表面ないし近傍に一
酸化炭素を供給し、酸素供給側で酸素を酸素イオンに変
換した後、酸素イオンを固体電解質の他方側に透過さ
せ、一酸化炭素供給側で透過した酸素イオンより変換さ
れる活性酸素種により、該一酸化炭素を温度300℃未
満で酸化させることを特徴とする酸化反応方法。1. A solid electrolyte having the characteristics of converting oxygen into oxygen ions, the characteristics of allowing oxygen ions to permeate, and the characteristics of converting oxygen ions into active oxygen species, is coated with electrode materials to apply a voltage between the electrodes. In the method of performing an oxidation reaction by applying, oxygen is supplied to the electrode surface on one side of the solid electrolyte and carbon monoxide is supplied to the electrode surface on the other side or in the vicinity thereof, and oxygen is converted into oxygen ions on the oxygen supply side. After conversion, the oxygen ions are permeated to the other side of the solid electrolyte, and the active carbon species converted from the oxygen ions permeated on the carbon monoxide supply side oxidize the carbon monoxide at a temperature of less than 300 ° C. And the oxidation reaction method.
が20−0.04TV/mm(但しTは温度〔℃〕を表
わす)以上である請求項1記載の酸化反応方法。2. The oxidation reaction method according to claim 1, wherein the applied voltage per 1 mm thickness of the solid electrolyte is 20-0.04 TV / mm (where T represents temperature [° C.]) or more.
イオンを透過させる特性および酸素イオンを活性酸素種
に変換する特性を有する固体電解質の両表面が電極材で
被覆された電極付固体電解質と、該電極間に電圧を印加
する手段と、該固体電解質の一方側の電極表面に酸素を
供給する手段と、他方側の電極表面ないし近傍に一酸化
炭素を供給する手段とを備えた酸化反応装置において、
温度300℃未満で一酸化炭素が酸化できるように構成
されていることを特徴とする一酸化炭素酸化反応装置。3. A solid electrolyte with electrodes in which both surfaces of a solid electrolyte having a property of converting oxygen into oxygen ions, a property of transmitting oxygen ions and a property of converting oxygen ions into active oxygen species are coated with electrode materials. An oxidation reaction comprising means for applying a voltage between the electrodes, means for supplying oxygen to the electrode surface on one side of the solid electrolyte, and means for supplying carbon monoxide to the electrode surface on the other side or in the vicinity thereof. In the device,
A carbon monoxide oxidation reactor characterized by being configured to oxidize carbon monoxide at a temperature of less than 300 ° C.
が20−0.04TV/mm(但しTは温度〔℃〕を表
わす)以上である請求項3記載の一酸化炭素酸化反応装
置。4. The carbon monoxide oxidation reactor according to claim 3, wherein the applied voltage per 1 mm thickness of the solid electrolyte is 20-0.04 TV / mm (where T represents temperature [° C.]) or more.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4263123A JPH0692616A (en) | 1992-09-04 | 1992-09-04 | Method and apparatus for carbon monoxide oxidation reaction |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4263123A JPH0692616A (en) | 1992-09-04 | 1992-09-04 | Method and apparatus for carbon monoxide oxidation reaction |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0692616A true JPH0692616A (en) | 1994-04-05 |
Family
ID=17385147
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4263123A Pending JPH0692616A (en) | 1992-09-04 | 1992-09-04 | Method and apparatus for carbon monoxide oxidation reaction |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0692616A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2570889A (en) * | 2018-02-07 | 2019-08-14 | Ford Global Tech Llc | An exhaust gas treatment device and method |
-
1992
- 1992-09-04 JP JP4263123A patent/JPH0692616A/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2570889A (en) * | 2018-02-07 | 2019-08-14 | Ford Global Tech Llc | An exhaust gas treatment device and method |
| GB2570889B (en) * | 2018-02-07 | 2020-02-12 | Ford Global Tech Llc | An exhaust gas treatment device comprising an electrochemical cell |
| US11105244B2 (en) | 2018-02-07 | 2021-08-31 | Ford Global Technologies, Llc | Exhaust gas treatment device comprising an electrochemical cell |
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