JP2007292010A - Purification of exhaust gas exhausted from internal combustion engine and including nitrogen oxides - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関から排気される窒素酸化物を含む排気ガスを浄化する技術に関するものである。 The present invention relates to a technology for purifying exhaust gas containing nitrogen oxides exhausted from an internal combustion engine.
従来、車両等の移動体の動力源として、内燃機関が用いられている。この内燃機関では、燃料が燃焼され、排気ガスが排気される。そして、この排気ガスには、窒素酸化物(NOx)が含まれる。この窒素酸化物は、大気汚染物質であるため、通常、吸着剤によって吸着除去されたり、NOx吸蔵還元触媒等の触媒や、プラズマ照射によって分解されたりする。 Conventionally, an internal combustion engine has been used as a power source for a moving body such as a vehicle. In this internal combustion engine, fuel is burned and exhaust gas is exhausted. The exhaust gas contains nitrogen oxides (NOx). Since this nitrogen oxide is an air pollutant, it is usually adsorbed and removed by an adsorbent, or decomposed by a catalyst such as a NOx storage reduction catalyst or plasma irradiation.
近年では、窒素酸化物を電気化学的に分解する技術も提案されている。例えば、下記特許文献1には、溶融炭酸塩型燃料電池を用いて、燃焼プラントから排出される排出ガスに含まれる窒素酸化物を電気化学的に分解する技術が記載されている。 In recent years, techniques for electrochemically decomposing nitrogen oxides have also been proposed. For example, Patent Document 1 listed below describes a technique for electrochemically decomposing nitrogen oxides contained in exhaust gas discharged from a combustion plant using a molten carbonate fuel cell.
上記特許文献1に記載された技術を、内燃機関を動力源として用いる車両等の移動体に適用することも可能ではある。しかし、溶融炭酸塩型燃料電池の運転温度は、600〜700(℃)と非常に高温であるため、上記特許文献1に記載された技術を、内燃機関を動力源として用いる車両等の移動体に適用する場合、内燃機関の排気ガスを溶融炭酸塩型燃料電池の運転温度付近まで予熱する必要があり、内燃機関の排気ガスを予熱するための予熱装置を併せて搭載する必要があった。これは、内燃機関を備えるシステムのエネルギ効率の低下や、システムの大型化を招く。 It is also possible to apply the technique described in Patent Document 1 to a moving body such as a vehicle using an internal combustion engine as a power source. However, since the operating temperature of the molten carbonate fuel cell is as high as 600 to 700 (° C.), the technique described in Patent Document 1 described above is used as a moving body such as a vehicle using an internal combustion engine as a power source. When it is applied to the above, it is necessary to preheat the exhaust gas of the internal combustion engine to near the operating temperature of the molten carbonate fuel cell, and it is necessary to mount a preheating device for preheating the exhaust gas of the internal combustion engine. This leads to a decrease in energy efficiency of the system including the internal combustion engine and an increase in the size of the system.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、内燃機関を動力源として備えるシステムにおいて、エネルギ効率の低下や、システムの大型化を招くことなく、内燃機関から排気される窒素酸化物を含む排気ガスを浄化する技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and in a system including an internal combustion engine as a power source, nitrogen exhausted from the internal combustion engine without causing a reduction in energy efficiency or an increase in the size of the system. An object of the present invention is to provide a technique for purifying exhaust gas containing oxides.
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の排気ガス浄化システムは、
内燃機関から排気される窒素酸化物を含む排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムであって、
前記排気ガスの温度を含む所定の温度範囲内で運転される燃料電池であって、所定の燃料ガスと、前記排気ガスに含まれる窒素酸化物との電気化学反応によって、前記窒素酸化物を分解するとともに、発電する燃料電池を備えることを要旨とする。
In order to solve at least a part of the above-described problems, the present invention employs the following configuration.
The exhaust gas purification system of the present invention comprises:
An exhaust gas purification system for purifying exhaust gas containing nitrogen oxides exhausted from an internal combustion engine,
The fuel cell is operated within a predetermined temperature range including the temperature of the exhaust gas, and the nitrogen oxide is decomposed by an electrochemical reaction between the predetermined fuel gas and the nitrogen oxide contained in the exhaust gas. In addition, the gist is to provide a fuel cell for generating electricity.
本発明では、燃料電池が、酸化剤ガスとして内燃機関から排気される排気ガスに含まれる窒素酸化物を利用し、燃料ガスとして水素を利用して、水素と窒素酸化物との電気化学反応によって発電する。この際、燃料電池のアノードでの反応は、H2→2H++2e-で表され、カソードでの反応は、(2/X)NOX+2H++2e-→(1/X)N2+H2Oで表される。そして、窒素酸化物は、2NOX+XH2→N2+XH2Oで表される反応によって分解される。また、本発明では、燃料電池は、内燃機関から排気される排気ガスの温度を含む所定の温度範囲内で運転される燃料電池であるので、内燃機関の排気ガスを予熱することなく、燃料電池のカソードに供給することができる。したがって、排気ガス浄化システムに、内燃機関の排気ガスを予熱するための予熱装置を設ける必要がなく、システムのエネルギ効率の向上、および、システムの小型化を図ることができる。つまり、本発明によって、エネルギ効率の低下や、システムの大型化を招くことなく、内燃機関から排気される窒素酸化物を含む排気ガスを浄化することができる。 In the present invention, the fuel cell uses nitrogen oxides contained in the exhaust gas exhausted from the internal combustion engine as the oxidant gas, uses hydrogen as the fuel gas, and performs an electrochemical reaction between hydrogen and nitrogen oxides. Generate electricity. At this time, the reaction at the anode of the fuel cell is represented by H 2 → 2H + + 2e − , and the reaction at the cathode is (2 / X) NO x + 2H + + 2e − → (1 / X) N 2 + H 2. Represented by O. Then, nitrogen oxide is decomposed by the reaction represented by 2NO X + XH 2 → N 2 + XH 2 O. In the present invention, since the fuel cell is a fuel cell operated within a predetermined temperature range including the temperature of the exhaust gas exhausted from the internal combustion engine, the fuel cell does not preheat the exhaust gas of the internal combustion engine. Can be supplied to the cathode. Therefore, it is not necessary to provide a preheating device for preheating the exhaust gas of the internal combustion engine in the exhaust gas purification system, so that the energy efficiency of the system can be improved and the system can be downsized. That is, according to the present invention, exhaust gas containing nitrogen oxides exhausted from an internal combustion engine can be purified without causing a decrease in energy efficiency and an increase in the size of the system.
上記排気ガス浄化システムにおいて、
前記燃料電池は、前記燃料ガスとしての水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層とを積層させた電解質膜を備えるものとしてもよい。
In the exhaust gas purification system,
The fuel cell may include an electrolyte membrane in which a hydrogen-permeable metal layer that selectively transmits hydrogen as the fuel gas and an electrolyte layer having proton conductivity are stacked.
本発明では、燃料電池として、水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層とを積層させた電解質膜を備える燃料電池、すなわち、いわゆる水素分離膜型燃料電池を用いる。この水素分離膜型燃料電池の運転温度は、400(℃)程度であり、一般的な内燃機関の排気ガスの温度と同程度であるので、本発明に適用するのに好適である。また、水素分離膜型燃料電池は、電解質膜が、比較的強度が高い水素透過性金属層を備えるため、電解質膜の強度を維持しつつ、プロトンが伝導する電解質層の厚さを比較的薄くすることができる。したがって、電解質層の膜抵抗を比較的低くすることができる。したがって、本発明に水素分離膜型燃料電池を適用することによって、効率よく窒素酸化物を分解しつつ、発電することができる。 In the present invention, as a fuel cell, a fuel cell including an electrolyte membrane in which a hydrogen-permeable metal layer that selectively permeates hydrogen and an electrolyte layer having proton conductivity is laminated, that is, a so-called hydrogen separation membrane fuel cell. Is used. The operating temperature of this hydrogen separation membrane fuel cell is about 400 (° C.), which is about the same as the temperature of exhaust gas of a general internal combustion engine, and is suitable for application to the present invention. In the hydrogen separation membrane fuel cell, since the electrolyte membrane includes a hydrogen-permeable metal layer having a relatively high strength, the thickness of the electrolyte layer through which protons are conducted is relatively thin while maintaining the strength of the electrolyte membrane. can do. Therefore, the membrane resistance of the electrolyte layer can be made relatively low. Therefore, by applying the hydrogen separation membrane fuel cell to the present invention, it is possible to generate power while efficiently decomposing nitrogen oxides.
なお、水素透過性金属層としては、パラジウム(Pd)、パラジウム合金などの貴金属や、VA族元素、例えば、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)などを用いることができる。電解質層としては、固体酸化物、例えば、BaCeO3、SrCeO3系のセラミックスなど、種々の電解質を用いることができる。 As the hydrogen permeable metal layer, a noble metal such as palladium (Pd) or a palladium alloy, or a VA group element such as vanadium (V), niobium (Nb), or tantalum (Ta) can be used. As the electrolyte layer, various electrolytes such as solid oxides such as BaCeO 3 and SrCeO 3 ceramics can be used.
上記いずれかの排気ガス浄化システムにおいて、
前記燃料電池のカソードは、前記電気化学反応を促進するための白金系の触媒を備えるようにすることが好ましい。
In any of the above exhaust gas purification systems,
It is preferable that the cathode of the fuel cell includes a platinum-based catalyst for promoting the electrochemical reaction.
ここで、「白金系の触媒」としては、例えば、白金や、白金・ルテニウム合金等が挙げられる。 Here, examples of the “platinum-based catalyst” include platinum and platinum / ruthenium alloys.
燃料電池のカソードに白金系の触媒を用いることによって、他の触媒を用いるよりも効率よく窒素酸化物を分解することができる。 By using a platinum-based catalyst for the cathode of the fuel cell, nitrogen oxides can be decomposed more efficiently than using other catalysts.
上記いずれかの排気ガス浄化システムにおいて、
さらに、前記燃料電池によって発電された電力を蓄電する二次電池を備えるようにしてもよい。
In any of the above exhaust gas purification systems,
Furthermore, a secondary battery that stores electric power generated by the fuel cell may be provided.
こうすることによって、燃料電池によって発電された電力を、一時的に、二次電池に蓄電しておき、必要に応じて利用することができる。 In this way, the electric power generated by the fuel cell can be temporarily stored in the secondary battery and used as necessary.
本発明は、上述の排気ガス浄化システムとしての構成の他、排気ガスの浄化方法の発明として構成することもできる。また、本発明は、上述の排気ガス浄化システムを搭載した移動体の発明として構成することもできる。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。 The present invention can be configured as an invention of an exhaust gas purification method in addition to the above-described configuration as an exhaust gas purification system. In addition, the present invention can also be configured as an invention of a moving body equipped with the exhaust gas purification system described above. In addition, in each aspect, it is possible to apply the various additional elements shown above.
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
A.排気ガス浄化システムの構成:
B.燃料電池の構成:
C.変形例:
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Configuration of exhaust gas purification system:
B. Fuel cell configuration:
C. Variation:
A.排気ガス浄化システムの構成:
図1は、本発明の一実施例としての排気ガス浄化システム100の概略構成を示す説明図である。本実施例の排気ガス浄化システム100は、内燃機関を動力源とする車両等の移動体に搭載される。
A. Configuration of exhaust gas purification system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an exhaust
図示するように、排気ガス浄化システム100は、エンジン10と、燃料電池20と、水素ガス生成装置30と、バッテリ40とを備えている。
As shown in the figure, the exhaust
エンジン10は、図示しないガソリンタンクから供給されたガソリンを燃焼し、排気ガスを排気する。なお、この排気ガスの温度は、約400(℃)である。また、排気ガスには、窒素酸化物(NOx)が含まれる。この窒素酸化物は、後述するように、燃料電池20によって電気化学的に分解される。
The
水素ガス生成装置30は、ガソリンと、水と、空気(酸素)を利用して、改質反応や、シフト反応等を行い、水素を主成分とする水素リッチガスを生成する。炭化水素の混合物であるガソリンの改質反応は、次式(1),(2)で表される。この改質反応では、ガソリンと水蒸気との反応によって、さらに、ガソリンと酸素との反応によって、水素と一酸化炭素とが生成される。また、シフト反応は、改質反応で生成された一酸化炭素を、水蒸気を利用して酸化させ、水素を生成する反応であり、次式(3)で表される。このシフト反応では、水素と、二酸化炭素とが生成される。なお、水素ガス生成装置30によって生成される水素リッチガスの温度は、約400(℃)である。
The hydrogen
CnHm+nH2O →nCO+(n+m/2)H2 …(1);
CnHm+n/2O2 →nCO+m/2H2 …(2);
CO+H2O→H2+CO2 …(3);
C n H m + nH 2 O → nCO + (n + m / 2) H 2 (1);
C n H m + n / 2O 2 → nCO + m / 2H 2 (2);
CO + H 2 O → H 2 + CO 2 (3);
本実施例における燃料電池20は、後述するように、水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層とを積層させた電解質膜を備える、いわゆる水素分離膜型燃料電池であり、アノードに供給された燃料ガスと、カソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する。なお、この水素分離膜型燃料電池の運転温度は、約400(℃)である。燃料電池20の構成については、後から詳述する。
As will be described later, the
燃料電池20のカソードには、エンジン10から排気された窒素酸化物を含む排気ガスが、配管52を介して供給され、排気ガスに含まれる窒素酸化物が、酸化剤ガスとして利用される。燃料電池20のカソードから排出されるカソードオフガスは、配管54を介して外部に排気される。
Exhaust gas containing nitrogen oxides exhausted from the
燃料電池20のアノードには、水素ガス生成装置30によって生成された水素リッチガスが、配管56を介して供給され、水素リッチガスに含まれる水素が、燃料ガスとして利用される。燃料電池20のアノードから排出されるアノードオフガスは、配管58を介して外部に排気される。アノードオフガスに含まれる発電で未消費の水素を配管56に再循環させるようにしてもよい。
A hydrogen rich gas generated by the
なお、燃料電池20では、アノード、および、カソードにおいて、次式(4)、(5)で表される反応によって、発電が行われる。そして、この発電時には、次式(6)で表される反応によって、窒素酸化物(NOx)が電気化学的に窒素と水に分解される。こうすることによって、エンジン10から排気される窒素酸化物を含む排気ガスを、燃料電池20によって浄化するとともに、発電することができる。
In the
アノード:H2→2H++2e- …(4);
カソード:(2/X)NOX+2H++2e-→(1/X)N2+H2O …(5);
2NOX+XH2→N2+XH2O …(6);
Anode: H 2 → 2H + + 2e − (4);
Cathode: (2 / X) NO x + 2H + + 2e − → (1 / X) N 2 + H 2 O (5);
2NO x + XH 2 → N 2 + XH 2 O (6);
バッテリ40は、燃料電池20によって発電された電力を、一時的に蓄電する。こうすることによって、バッテリ40に蓄電した電力を必要に応じて利用することができる。
The
B.燃料電池の構成:
図2は、燃料電池20の概略構成を示す説明図である。ここでは、燃料電池20を構成する単セル200の断面構造を模式的に示した。この単セル200は、膜電極接合体210の両面を、セパレータ220で挟持することによって構成されている。
B. Fuel cell configuration:
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the
セパレータ220は、図示するように、凹凸形状を有しており、膜電極接合体210のアノード側、および、カソード側に、それぞれ燃料ガスとしての水素、および、酸化ガスとしてのエンジン10の排気ガスを流すための流路を形成する。セパレータ220の材料としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。
As shown in the figure, the
膜電極接合体210は、水素を選択的に透過する水素透過性金属層212と、プロトン伝導性を有する電解質層214と、カソード216とを、この順序で積層することによって構成されている。水素透過性金属層212は、アノードとしての機能も有している。これらの各層は、物理蒸着等、種々の手法によって、形成することができる。
The
本実施例では、水素透過性金属層212として、パラジウム膜を用いるものとした。また、電解質層214として、ペロブスカイト型の固体電解質を用いるものとした。また、カソード216として、電気化学反応を促進する触媒能を有する白金を用いるものとした。これらの材質および膜厚は、任意に選択、設定可能である。
In this embodiment, a palladium film is used as the hydrogen
なお、本実施例における燃料電池20は、上述したように、いわゆる水素分離膜型燃料電池である。この水素分離膜型燃料電池は、膜電極接合体210が、比較的強度が高い水素透過性金属層212を備えるため、膜電極接合体210の強度を維持しつつ、プロトン伝導性を有する電解質層214の厚さを比較的薄くすることができる。したがって、電解質層214の膜抵抗を比較的低くすることができる。したがって、燃料電池20として水素分離膜型燃料電池を用いることによって、効率よく窒素酸化物を分解しつつ、発電することができる。
The
以上説明した排気ガス浄化システム100によれば、燃料電池20が、酸化剤ガスとしてエンジン10から排気される排気ガスに含まれる窒素酸化物を利用し、燃料ガスとして水素を利用して、水素と窒素酸化物との電気化学反応によって発電する。このとき、窒素酸化物は、先に示した式(6)で表される反応によって分解される。また、燃料電池20は、エンジン10から排気される排気ガスの温度とほぼ等しい温度で運転される水素分離型燃料電池であるので、エンジン10の排気ガスを予熱することなく、燃料電池20のカソードに供給することができる。したがって、排気ガス浄化システム100に、エンジン10の排気ガスを予熱するための予熱装置を設ける必要がなく、システムのエネルギ効率の向上、および、システムの小型化を図ることができる。つまり、本実施例の排気ガス浄化システム100によって、エネルギ効率の低下や、システムの大型化を招くことなく、エンジン10から排気される窒素酸化物を含む排気ガスを浄化することができる。
According to the exhaust
C.変形例:
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
C. Variation:
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are possible.
C1.変形例1:
上記実施例では、燃料電池20のアノードに水素ガス生成装置30によって生成された水素リッチガスを供給するものとしたが、これに限られない。例えば、水素ガス生成装置30の代わりに水素タンクを備えるようにし、この水素タンクから水素を供給するようにしてもよい。
C1. Modification 1:
In the above embodiment, the hydrogen-rich gas generated by the
C2.変形例2:
上記実施例では、排気ガス浄化システム100は、バッテリ40を備えるものとしたが、バッテリ40を備えないようにしてもよい。この場合、燃料電池20によって発電された電力を順次利用するようにすればよい。
C2. Modification 2:
In the above embodiment, the exhaust
C3.変形例3:
上記実施例では、カソード216として、白金を用いるものとしたが、これに限られない。ただし、カソード216として白金系の触媒を用いることによって、他の触媒を用いるよりも効率よく窒素酸化物を分解するとともに、発電することができる。
C3. Modification 3:
In the above embodiment, platinum is used as the
C4.変形例4:
上記実施例では、エンジン10の排気ガスの温度が約400(℃)であるから、燃料電池20として、約400(℃)で運転する、いわゆる水素分離膜型燃料電池を用いるものとしたが、これに限られない。一般に、内燃機関から排気される排気ガスの温度を含む所定の温度範囲内で運転される燃料電池を用いるようにすればよい。
C4. Modification 4:
In the above embodiment, since the exhaust gas temperature of the
100…排気ガス浄化システム
10…エンジン
20…燃料電池
200…単セル
210…膜電極接合体
212…水素透過性金属層
214…電解質層
216…カソード
220…セパレータ
30…水素ガス生成装置
40…バッテリ
52,54,56,58…配管
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記排気ガスの温度を含む所定の温度範囲内で運転される燃料電池であって、所定の燃料ガスと、前記排気ガスに含まれる窒素酸化物との電気化学反応によって、前記窒素酸化物を分解するとともに、発電する燃料電池を備える排気ガス浄化システム。 An exhaust gas purification system for purifying exhaust gas containing nitrogen oxides exhausted from an internal combustion engine,
The fuel cell is operated within a predetermined temperature range including the temperature of the exhaust gas, and the nitrogen oxide is decomposed by an electrochemical reaction between the predetermined fuel gas and the nitrogen oxide contained in the exhaust gas. And an exhaust gas purification system comprising a fuel cell for generating electricity.
前記燃料電池は、前記燃料ガスとしての水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層とを積層させた電解質膜を備える、
排気ガス浄化システム。 The exhaust gas purification system according to claim 1,
The fuel cell includes an electrolyte membrane in which a hydrogen permeable metal layer that selectively permeates hydrogen as the fuel gas and an electrolyte layer having proton conductivity are stacked.
Exhaust gas purification system.
前記燃料電池のカソードは、前記電気化学反応を促進するための白金系の触媒を備える、
排気ガス浄化システム。 The exhaust gas purification system according to claim 1 or 2,
The cathode of the fuel cell includes a platinum-based catalyst for promoting the electrochemical reaction.
Exhaust gas purification system.
さらに、前記燃料電池によって発電された電力を蓄電する二次電池を備える、
排気ガス浄化システム。 An exhaust gas purification system according to any one of claims 1 to 3,
Furthermore, a secondary battery that stores electric power generated by the fuel cell is provided.
Exhaust gas purification system.
前記排気ガスの温度を含む所定の温度範囲内で運転される燃料電池であって、所定の燃料ガスと、前記排気ガスに含まれる窒素酸化物との電気化学反応によって発電する燃料電池を用意する工程と、
前記燃料ガスを前記燃料電池のアノードに供給するとともに、前記排気ガスを前記燃料電池のカソードに供給し、前記電気化学反応によって、前記窒素酸化物を分解するとともに、発電する工程と、
を備える浄化方法。 A method for purifying exhaust gas containing nitrogen oxides exhausted from an internal combustion engine,
A fuel cell that is operated within a predetermined temperature range including the temperature of the exhaust gas, and that generates power by an electrochemical reaction between the predetermined fuel gas and nitrogen oxides contained in the exhaust gas is prepared. Process,
Supplying the fuel gas to the anode of the fuel cell, supplying the exhaust gas to the cathode of the fuel cell, decomposing the nitrogen oxides by the electrochemical reaction, and generating power;
A purification method comprising:
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