(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応を進行させることができる程度の熱エネルギーを有している被処理物質を用いて、当該被処理物質の化学反応を行うための化学反応器であって、
前記化学反応器は、前記被処理物質が一方から他方に向けて通る通路を備えている形態とされ、
前記被処理物質が有している熱エネルギーから電力を生成させるエネルギー変換部、および前記エネルギー変換部と一体化されており、前記被処理物質の通過に伴って前記化学反応を進行させるための化学反応部を備えており、
前記化学反応部および前記エネルギー変換部によって形成してある一素子が、長手方向に多数配列されていると共に、前記化学反応部は前記通路に面するように配置されており、
前記エネルギー変換部で生成した電力によって前記化学反応部における前記化学反応を進行させることを特徴とする、化学反応器。
【請求項２】
前記化学反応部は、前記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る還元相と、前記還元相からの前記イオンを伝導するイオン伝導相と、このイオン伝導相を伝導した前記イオンから電子を放出させる酸化相とを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の化学反応器。
【請求項３】
前記被処理物質が窒素酸化物であり、前記還元相において窒素酸化物を還元して酸素イオンを生成させ、前記イオン伝導相において前記酸素イオンを伝導することを特徴とする、請求項２に記載の化学反応器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学反応器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンエンジンから発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）には、三元機能触媒によって対応している。しかし、リーンバーンエンジンやディーゼルエンジンなど、低燃費型のエンジンが増加すると、これらのエンジンの排ガス中の酸素量が多いので、三元機能触媒が機能しなくなる。このため、ＮＯｘ分解セルが注目されている。ＮＯｘ分解セルにおいては、酸素イオン伝導性の固体電解質膜を通して排ガス中の酸素を除去するのと共に、ＮＯｘを電解し、Ｎ2 とＯ2 - とに分解し、この分解によって生成した酸素をも除去できる。また、このプロセスと共に、排ガス中の水蒸気が電解されて水素と酸素とを生じ、この水素がＮＯｘをＮ2 へと還元する。
【０００３】
固体電解質を利用した触媒反応器が知られている。例えば、日本触媒学会誌Ｖｏｌ．３９、Ｎｏ．５、１９９７年の第３５３−３５９頁「固体電解質を利用した触媒反応の展開」においては、固体電解質膜と還元極と酸化極とを備えている燃料電池型の触媒反応器に、直流電源を接続し、例えばメタンと酸素とを分解させることが提案されている。また、この燃料電池型触媒を利用して、窒素酸化物を窒素および酸素へと分解することが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような電池型の触媒化学反応器は、外部電源を接続する必要があるが、例えば自動車等では電力をできるだけ消費しないことが望まれる。また、反応の選択性が必ずしも十分ではない。
【０００５】
本発明の課題は、外部電源を必要としない、新たな化学反応器を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、化学反応を進行させることができる程度の熱エネルギーを有している被処理物質を用いて、当該被処理物質の化学反応を行うための化学反応器であって、前記化学反応器は、前記被処理物質が一方から他方に向けて通る通路を備えている形態とされ、前記被処理物質が有している熱エネルギーから電力を生成させるエネルギー変換部、および前記エネルギー変換部と一体化されており、前記被処理物質の通過に伴って前記化学反応を進行させるための化学反応部を備えており、前記化学反応部および前記エネルギー変換部によって形成してある一素子が、長手方向に多数配列されていると共に、前記化学反応部は前記通路に面するように配置されており、前記エネルギー変換部で生成した電力によって前記化学反応部における前記化学反応を進行させることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明者は、一体型の化学反応器であって、被処理物質が有するエネルギーから電力を生成させるエネルギー変換部を化学反応部と一体化し、エネルギー変換部で生成した電力によって化学反応部における化学反応を進行させるような、まったく新しい概念の化学反応器を想到し、本発明に到達した。
【０００８】
エネルギー変換部は、被処理物質が有する何らかの化学的性質、物理的性質から、電力を生成させるものである。この化学的性質、物理的性質は、限定はされないが、例えば、被処理物質とエネルギー変換部の外部の物質との温度差、濃度差などの物理的性質の差を利用できる。
【０００９】
特に好ましくは、エネルギー変換部は、被処理物質の温度と外部物質の温度との差を利用して電力を生成させる、熱電変換素子である。この場合には、被処理物質の温度と外部物質との温度差は、５０℃以上とすることが好ましく、その上限は、エネルギー変換部を構成する材質の耐熱性によって決定されるものである。
【００１０】
好ましくは、化学反応部は、被処理物質を選択的に吸着する吸着相を備えており、これによって所望の反応を選択的に進行させ得る。
【００１１】
好ましくは、化学反応部は、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る還元相と、還元相からのイオンを伝導するイオン伝導相と、このイオン伝導相を伝導したイオンから電子を放出させる酸化相とを備えている。この場合には、エネルギー変換部において生じた電子を還元相へと供給し、酸化相で生成した電子をエネルギー変換部へと供給できるように、化学反応部とエネルギー変換部とを一体化する。
【００１２】
特に好ましくは、被処理物質が窒素酸化物であり、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、本発明の化学反応器によって、二酸化炭素を還元して一酸化炭素を生成でき、メタンから水素と一酸化炭素との混合ガスを生成でき、あるいは水から水素を生成できる。
【００１３】
化学反応器の形態は、管状、平板状、ハニカム状等であってよいが、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または複数有しており、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。
【００１４】
熱電変換素子の必須要素は、Ｐ型電気伝導相と、Ｎ型電気伝導相と、これらの各電気伝導相を絶縁する電気絶縁相である。Ｐ型電気伝導相とＮ型電気伝導相とは、低温領域で直接接続できるが、好ましくは、これらの各電気伝導相を電気伝導相で接続する。
【００１５】
Ｐ型電気伝導相の材質は、酸化コバルト、シリコンゲルマニウム、鉛テルル等である。Ｎ型電気伝導相の材質は、ランタンコバルタイト、ランタンクロマイト、シリコンゲルマニウム、鉛テルル等である。電気絶縁相の材質は、アルミナ、スピネル、シリカなどである。電気伝導相の材質は、銅、ニッケル、シリコンなどである。
【００１６】
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ことが好ましい。還元相は、エネルギー変換部からの電気をイオン伝導相に伝えるために、電子伝導性物質を含有する必要がある。電気伝導性物質には、Ｐ型またはＮ型を含むが、両方とも含んでいることが好ましい。また、電気およびイオンの伝達を促進するために、還元相中にイオン伝導性物質を含有させることで、イオン伝導相と還元相との間で、イオン伝導性物質を傾斜組成とすることが好ましい。
【００１７】
イオン伝導相は、イオン伝導性物質を含有する必要がある。また、電子およびイオンの伝達を促進するために、イオン伝導相中に電気伝導性物質を含有させることで、イオン伝導相と還元相との間で電気伝導性物質を傾斜組成とすることが好ましい。また、イオン伝導相が、若干の電気伝導性を有した混合伝導相であっても、有効に作動し得る。
【００１８】
酸化相は、イオン伝導相から得た電子をエネルギー変換部に伝達するために、電気伝導性物質を含有する必要がある。電気伝導性物質には、少なくともＮ型またはＰ型を含む。また、電気およびイオンの伝達を促進するために、酸化相中にイオン伝導性物質を含有させることで、イオン伝導相と酸化相との間で、イオン伝導性物質を傾斜組成とすることが好ましい。
【００１９】
化学反応部において使用できるＰ型電気伝導性物質は、酸化コバルト、酸化銅などである。化学反応部において使用できるＮ型電気伝導性物質は、ランタンコバルタイト、ランタンクロマイト、白金などである。イオン伝導性物質は、イットリア、セリア等によって安定化されたジルコニア、部分安定化されたジルコニア、酸化セリウム、ランタンガレイドを使用できる。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る化学反応器１を概略的に示す斜視図であり、図２は、図１の部分拡大図であり、図３は、図２における化学反応部を模式的に示す拡大図である。これは、ＮＯｘの分解セルに係るものである。
【００２１】
化学反応器１は、円筒形状をしており、その中に窒素酸化物ガスを含む排気ガスの通路４が形成されている。図２に示すようなエネルギー変換部７および化学反応部８を一素子１０としたときに、多数の素子を化学反応器１の長手方向に配列することによって、化学反応器１が構成される。本例におけるエネルギー変換部７は熱電変換素子である。
【００２２】
熱電変換素子７は、Ｐ型電気伝導相２と、Ｎ型電気伝導相３と、これらの各伝導相を包含する電気絶縁層６Ａ、６Ｃと、各電気伝導相を互いに絶縁する電気絶縁層６Ｂとを備えている。素子７の外側端部７ｂにおいては、Ｐ型電気伝導相２とＮ型電気伝導相３とは、電気伝導相１１によって接続されている。素子７の内側端部７ａ側には化学反応部８が設けられている。
【００２３】
化学反応部８は、通路４に面している。化学反応部８は、還元相８ａ、イオン伝導相８ｂ、酸化相８ｃの３つに分かれている。本例では、還元相８ａ中に、Ｎ型電気伝導性物質、Ｐ型電気伝導性物質およびイオン伝導性物質が混在しており、多孔質体を形成している。イオン伝導相８ｂは、ほとんどがイオン伝導性物質からなる。しかし、イオン伝導相８ｂと還元相、酸化相との境界付近では電気伝導性物質が混在していてよい。酸化相８ｃも、電気伝導性物質およびイオン伝導性物質が混在していてもよい。
【００２４】
化学反応器１の通路４中に、自動車の排気ガス等の、窒素酸化物を含む高温ガスを導入する。ガスの持つ熱により、通路４内が高温（４００℃−８００℃）となり、化学反応器１の通路４側と外側との間で温度差が付く。この際、温度差を大きくするために、化学反応器１の外側を公知の冷却手段によって冷却することが好ましい。
【００２５】
この温度差によって、エネルギー変換部７のＰ型電気伝導層２内にホールが発生し、電子が化学反応部８に供給される。一方、排気ガスは、矢印Ａのように通路４内へと入り、通路４内を矢印Ｄのように流れ、化学反応部８に接触する。この際、窒素酸化物が、還元相８ａで選択的に吸着される。
【００２６】
Ｐ型電気伝導相２からの電子は、還元相８ａとイオン伝導相８ｂとの界面において、吸着された窒素酸化物を選択的に還元し、酸素イオンと窒素とを生成させる。窒素は、矢印Ｂのように排出される。酸素イオンは、イオン伝導相中を伝導し、イオン伝導相と酸化相との界面において、酸素ガスと電子とを生成する。電子は、エネルギー変換部７のＮ型電気伝導部３に流れる。酸素ガスは矢印Ｃのように排出される。従って、高温の排気ガスを流し続ければ、エネルギー変換部において電子が発生し続け、この電子を利用して窒素酸化物の還元反応が進行する。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、外部電源を必要とせず、被処理物質それ自体が有する物理的、化学的エネルギーを利用して、被処理物質の化学反応を進行させ得るような、自己完結型の新規な化学反応器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る化学反応器１を概略的に示す斜視図である。
【図２】化学反応器１の一素子１０を拡大して示す断面図である。
【図３】図２の化学反応部８を拡大して模式的に示す図である。
【符号の説明】
１  化学反応器      ２  Ｐ型電気伝導相      ３  Ｎ型電気伝導相      ６Ａ、６Ｂ、６Ｃ  電気絶縁層      ７  エネルギー変換部      ８化学反応部      ８ａ  還元相      ８ｂ  イオン伝導相      ８ｃ  酸化相
１０  化学反応器の一素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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