JP2009125622A

JP2009125622A - 排気ガスの浄化装置

Info

Publication number: JP2009125622A
Application number: JP2007300626A
Authority: JP
Inventors: Naotaka Koide; 直孝小出; Nami Ikeda; 菜美池田; Hiroyasu Kawachi; 浩康河内; Yoshifumi Kato; 祥文加藤
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2009-06-11
Also published as: US20090162257A1; EP2062638A1; CN101439257A

Abstract

【課題】低温で動作する、排気ガスの浄化装置を提供する。
【解決手段】浄化装置１２０は、複数の電気化学デバイス１０を含む。電気化学デバイス１０の陽極２０はバッテリー３０の陽極に接続され、電気化学デバイス１０の陰極２２はバッテリー３０の陰極に接続される。陽極２０と陰極２２との間には、電解質を含む電解質層２４が配置される。電解質層２４は、高分子膜２６と、高分子膜２６を支持するハニカム構造の支持体４０とを含む。高分子膜２６は、プロトンＨ^＋に対して伝導性を示す電解質である。
【選択図】図４

Description

この発明は排気ガスの浄化装置に関する。

車両の内燃機関等で発生する排気ガス中の有害成分を分解する浄化装置には、電解質のイオン伝導を利用して化学反応を促進する電気化学デバイスを備えるものがある。このような電気化学デバイスは、電気化学リアクターとも呼ばれる。

電気化学デバイスは、陽極と陰極との間に電解質を有するが、この電解質の特性によって電気化学デバイスの特性が左右される。電解質としては、たとえば固体酸化物系の材料（たとえばＹＳＺすなわちイットリア安定化ジルコニア）や、リン酸系の材料が使用される。

図５に、従来の電気化学デバイスを用いた排気ガスの浄化装置の動作原理を示す。陽極では炭素とＨ_２Ｏとが反応し、電子を放出してＣＯ_２とプロトンを生成する。プロトンは、固体酸化物からなる電解質中を陰極へ向かって伝導する。陰極ではＮＯｘが電子を受け取ってプロトンと反応し、Ｎ_２およびＨ_２Ｏが生成される。このようにして炭素およびＮＯｘが分解され、それぞれＣＯ_２およびＮ_２となって排気ガスが浄化される。
なお、図５はプロトン伝導性の電解質を用いる電気化学デバイスを示すが、より高温の環境には酸素イオン伝導性の電解質を用いるものが適している。炭素が酸化されＮＯｘが還元されるという化学反応を利用する点で、これらの電気化学デバイスの浄化作用は同質である。

特許文献１には、このような電気化学デバイスが開示されている。なお、このデバイスは、酸素イオン伝導性の電解質を用いるものである。

特開２００３−２６５９３１号公報

しかしながら、従来の電気化学デバイスを用いた排気ガスの浄化装置には、動作可能な温度範囲が高いという問題があった。
たとえば、固体酸化物を電解質として使用する電気化学デバイスでは、動作可能な温度範囲は６００℃付近であり、たとえば１００℃付近の環境では動作が困難である。とくに、ディーゼル車両の排気ガスは比較的低温であり、１００℃を下回る場合もあるが、このような排気ガスを浄化する用途には従来の浄化装置は不適であった。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、低温で動作する排気ガスの浄化装置を提供することを目的とする。

上述の問題点を解決するため、この発明に係る排気ガスの浄化装置は、電気化学デバイスを含み、電気化学デバイスによって排気ガスを浄化する、排気ガスの浄化装置であって、電気化学デバイスは、陽極及び陰極と、陽極と陰極との間に配置される電解質層とを含み、電解質層は、プロトン伝導性の高分子電解質を含むことを特徴とする。
この排気ガスの浄化装置において、電気化学デバイスは、プロトン伝導性の高分子電解質としての高分子膜からなる導電経路を有する。この高分子膜は、酸素イオン伝導性の電解質に比較して低温であっても電解質として動作することができる。このため、この排気ガスの浄化装置は、低温で動作する。

陽極及び陰極は、多孔質電極であり、電解質層は、ハニカム構造を有する支持体を含み、陽極と陰極とにより支持体の両端面が挟持されており、プロトン伝導性の高分子電解質は、支持体の表面に塗布されており、電気化学デバイスは、電極の一方、支持体におけるハニカム構造の空洞部、および電極の他方を順次通過する、排気ガスの通過経路を構成するようにしてもよい。
このような構成によって、排気ガスは空洞部を通過する際に高分子電解質と接触する。このため、排気ガス中に含まれるＨ_２Ｏによって高分子膜２６が加湿され、電解質としての性能を維持できる。

プロトン伝導性の高分子電解質は、１００℃において電解質として動作するものであってもよい。
高分子の組成を適切に選択することによって、１００℃において動作する排気ガスの浄化装置を構成することができる。

この発明によれば、排気ガスの浄化装置は、プロトン伝導性の高分子電解質からなる導電経路を有する電気化学デバイスを備えるので、低温で動作することができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１〜図３は、実施の形態１に係る排気ガスの浄化装置１２０およびその周辺の構成を示す図である。浄化装置１２０は電気化学デバイス１０を含み、電気化学デバイス１０は、ディーゼル車両の内燃機関から排出される排気ガスを浄化する。なお、この浄化は、後述するように、排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）およびＰＭ（粒子状物質）を分解することによってなされる。

図１に模式的に示すように、電気化学デバイス１０は、外部のバッテリー３０に電気的に接続される。電気化学デバイス１０は電極として陽極２０および陰極２２を備え、陽極２０はバッテリー３０の陽極に、陰極２２はバッテリー３０の陰極に、それぞれ接続される。
電気化学デバイス１０は、陽極２０と陰極２２との間に配置される、電解質を含む電解質層２４を備える。電解質層２４は、陽極２０と陰極２２との間におけるイオンの移動を許容する。このイオンが移動する経路が、電解質層２４における導電経路となる。

図２は、図１の電気化学デバイス１０のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。この断面は、導電経路の断面、すなわち電解質層２４中をイオンが伝導する方向に垂直な平面による断面である。
電解質層２４は、高分子膜２６と、高分子膜２６を支持するハニカム構造の支持体４０とを含む。高分子膜２６は、プロトンＨ^＋に対して伝導性を示す電解質であり、たとえばナフィオンからなる。

この電解質層２４は、たとえば次のようにして製造される。
まず、ハニカム構造の支持体４０を形成する。支持体４０はたとえばコージェライトからなるが、これはＳｉＣからなってもよい。次に、支持体４０の表面にナフィオンを塗布し、これによって高分子膜２６を形成する。なお、この塗布は、ハニカム構造の内部に空洞部２８を残す程度になされる。
電気化学デバイス１０全体の厚さ、すなわち図１の寸法Ａは、たとえば１ｍｍであるが、これは電気化学デバイス１０の強度と高分子膜２６の導電抵抗とのバランスを考慮して適宜変更されてもよい。

次に、電解質層２４の対向する面、すなわち支持体４０の両端面に、スクリーン印刷等の周知技術を用いて陽極２０および陰極２２を形成する。すなわち、陽極２０と陰極２２とによって支持体４０の両端面が挟持される構成となる。このようにして電気化学デバイス１０が形成される。
陽極２０は、Ｐｔを塗布し、これを焼成して形成される。なお、塗布される材料は触媒活性が高いものであれば他の物質でもよく、たとえばＲｈであってもよい。
陰極２２は、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）およびＢａＣｅＯ_３を含むＮｉ系材料に、Ｂａを添加して形成される。なお、Ｎｉ系材料の代わりに他の材料、たとえばＭｇ系材料が用いられてもよい。また、陰極２２に添加されるＢａは、ＮＯｘに対する吸蔵効果を持つものであれば他の物質でもよい。
なお、陽極２０および陰極２２は多孔質電極であり、その内部を排気ガスが通過できる構造になっている。
また、陽極２０および陰極２２をメッシュ金属等で構成してもよい。

図３は、車両の排気系統において電気化学デバイス１０が配置される構成を表す。
内燃機関１００に、排気ガスを外部に排出するための通路として排気管１１０が設けられ、発生した排気ガスはこの排気管を通過して排出される。排気管１１０の内部には排気ガスを浄化するための浄化装置１２０が設けられ、排気ガスはこの浄化装置１２０の内部を通過するようになっている。浄化装置１２０は複数の電気化学デバイス１０を含む。なお図１のバッテリー３０は図３には示されない。

複数の電気化学デバイス１０は、排気ガスの流路を塞ぐ位置に、同じ向きに一定の間隔を置いて重ねて配置される。この向きは、たとえば電気化学デバイス１０の電極表面が排気ガスが流れる方向に垂直となる向きである。すなわち、ある電気化学デバイス１０の陽極２０と、隣接する電気化学デバイス１０の陰極２２とが、互いに平行に向かい合うように配置される。このような配置によって、排気ガスは電気化学デバイス１０の空洞部２８（図１参照）を通って流れることになる。

次に、本実施形態における電気化学デバイス１０および浄化装置１２０の動作について説明する。
図３において、内燃機関１００の作動によって排気ガスが発生し、これが排気管１１０を通って浄化装置１２０に達する。排気ガスは、まず最も内燃機関１００側に近い位置に配置された電気化学デバイス１０の陽極２０に接触する。陽極２０は多孔質電極であるので、排気ガスはその内部を通過して、電解質層２４の空洞部２８（図１参照）に入る。さらに排気ガスは空洞部２８を通って陰極２２に達し、陰極２２に接触する。陰極２２は多孔質電極であるので、排気ガスはその内部を通過して電気化学デバイス１０の外部へと抜ける。

このように、電気化学デバイス１０は、陽極２０、空洞部２８、および陰極２２を順次通過する、排気ガスの通過経路を構成し、排気ガスはこの通過経路を通過する。その後、排気ガスは、次に配置された電気化学デバイス１０へと達し、同様にしてこれを通過する。
なお、電気化学デバイス１０は、これとは逆の向きに配置されてもよい。すなわち、排気ガスの通過経路は、陰極２２、空洞部２８、および陽極２０を順次通過するものであってもよい。

ここで電気化学デバイス１０によって排気ガスの浄化、すなわちＰＭおよびＮＯｘの分解が行われる。
図４は、電気化学デバイス１０が排気ガスを浄化する際の動作を表す図である。電荷の移動は主にプロトンによって、高分子膜２６を介してなされる。
陽極２０の表面およびその周辺では、排気ガス中のＰＭに含まれる炭素と、排気ガス中のＨ_２Ｏとが反応し、ＣＯ_２、プロトン、および電子が生成される。電子はバッテリー３０の陽極に引かれてバッテリー３０へと移動し、プロトンは陰極２２に引かれて高分子膜２６内部を移動する。ＣＯ_２は排気管１１０を経由して外気へと排出される。このようにして、陽極２０周辺でＰＭが分解され、排気ガスが浄化される。
陰極２２の表面およびその周辺では、排気ガス中のＮＯｘと、高分子膜２６によって伝導されるプロトンとが、バッテリー３０から供給される電子を受け取って反応し、Ｎ_２およびＨ_２Ｏが生成される。生成されたＮ_２およびＨ_２Ｏは排気管１１０を経由して外気へと排出される。このようにして、陰極２２周辺でＮＯｘが分解され、排気ガスが浄化される。
ここで、上述のように高分子膜２６は電解質としてナフィオンを含むので、８０℃以上の温度であれば動作する。

このように、本実施形態に係る排気ガスの浄化装置１２０は、高分子膜２６からなる導電経路を有する電気化学デバイス１０を備えるので、比較的低温で動作することができる。具体的には、８０℃以上の環境であれば動作することができる。

とくに、ディーゼルエンジンの排気温度の下限は低く、１００℃付近またはそれ以下になる場合もあるが、浄化装置１２０はそのような温度範囲でも動作することができる。よって、浄化装置１２０はディーゼルエンジンの排気ガスをより効率的に浄化することができる。
また、高分子膜２６に含まれるナフィオンの導電率は１０^−１〜１０^−２のオーダーである。これは、従来の電解質、たとえば固体酸化物等と同等である。

上述の実施の形態１では、高分子膜２６はナフィオンからなる。変形例として、高分子膜２６は、他の組成を有してもよい。例として、親水性部位（たとえばスルホン酸基からなるもの）を持つ高分子であれば、親水鎖を通ってプロトンが移動することができるので、プロトン伝導性の電解質として用いることができる。
なお、一般的に、高分子膜は１００℃付近において電解質として動作するので、ディーゼル車両の排気ガスを効率的に浄化することができる。

一般に高分子膜は、加湿しないと電解質としての性能が急激に落ちるため、燃料電池等では別体の加湿器を設ける必要がある。しかしながら、本実施の形態では、支持体４０がハニカム構造を有し、その空洞部２８を排気ガスが通過するので、支持体４０の表面に塗布された高分子膜２６が排気ガスに接触する。このため、排気ガス中に含まれるＨ_２Ｏによって自然に高分子膜２６が加湿されることになる。よって、性能を維持するために加湿用の部材を追加する必要はない。すなわち、電気化学デバイス１０を他の用途（燃料電池等）に用いる場合に比較して、構成を簡素にすることができる。

上述の実施の形態１では、浄化装置１２０は車両の排気ガスを浄化するために用いられる。変形例として、車両以外の排気ガスを浄化するために用いられてもよい。たとえば、農業用機械や、発電所等において用いられてもよい。炭素およびＮＯｘを含むものであれば他の排気ガスに用いられてもよい。

上述の実施の形態１では、支持体４０は六角形の空洞部を有するハニカム構造であるが、空洞部の形状は六角形に限らない。たとえば格子状であってもよい。

実施の形態１に係る排気ガスの浄化装置に含まれる、電気化学デバイスの構成を示す図である。図１の電気化学デバイスのＩＩ−ＩＩ線における断面図である。図１の電気化学デバイスを含む、排気ガスの浄化装置が配置される構成を表す図である。図１の電気化学デバイスが排気ガスを浄化する際の動作を表す図である。従来の排気ガスの浄化装置に含まれる電気化学デバイスの動作原理を示す図である。

符号の説明

１０電気化学デバイス、２０陽極（電極の一方）、２２陰極（電極の他方）、２４電解質層、２６高分子膜（高分子）、２８空洞部、４０支持体、１２０浄化装置（排気ガスの浄化装置）。

Claims

電気化学デバイスを含み、前記電気化学デバイスによって排気ガスを浄化する、排気ガスの浄化装置であって、
前記電気化学デバイスは、陽極及び陰極と、前記陽極と前記陰極との間に配置される電解質層とを含み、
前記電解質層は、プロトン伝導性の高分子電解質を含む
ことを特徴とする、排気ガスの浄化装置。
前記陽極及び陰極は多孔質電極であり、
前記電解質層は、ハニカム構造を有する支持体を含み、
前記陽極と前記陰極とにより前記支持体の両端面が挟持されており、
前記プロトン伝導性の高分子電解質は、前記支持体の表面に塗布されており、
前記電気化学デバイスは、前記電極の一方、前記支持体における前記ハニカム構造の空洞部、および前記電極の他方を順次通過する、排気ガスの通過経路を構成する
ことを特徴とする、請求項１に記載の排気ガスの浄化装置。
前記プロトン伝導性の高分子電解質は、１００℃において電解質として動作することを特徴とする、請求項１または２に記載の排気ガスの浄化装置。