JP2012097351A - 排気放出を制御するための電気化学的触媒コンバータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明によれば、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)および粒子状物質(PM)を除去することができる電気化学的触媒コンバータが開示される。電気化学的触媒コンバータは電池モジュールを備えており、電気化学的促進を介して窒素酸化物が分解して窒素が形成され、また、一酸化炭素、炭化水素および粒子状物質は、酸化触媒による触媒作用によって二酸化炭素および水を形成する。
【選択図】図3
Description
ΔE(OCV)=[(RT)/(4F)]・ln[(P O2|Cathode)/(PO2|Anode)] (1)
上式でRは気体定数であり、Tは絶対温度、Fはファラデー定数、PO2は酸素分圧である。アノード側では、タイプが異なる還元ガスは値が異なる酸素分圧に対応しており、したがって異なる起電力を生成することができ、また、カソード側では、異なる酸素濃度が同じく値が異なる酸素分圧に対応しており、したがって同じく異なる起電力を生成することができる。言い換えると、カソード側の排気ガス中の酸素含有量が多いほど起電力が大きくなり、したがって本発明の場合、窒素に分解されている窒素酸化物の電気化学的促進能力がより高い。一実施形態では、排気ガス中の酸素濃度が起電力を効果的に生成するためには低すぎる場合、空気追加ユニット80を使用して余分の空気を排気ガスに追加し、それにより酸素濃度を高くすることができるため、大きい起電力が生成される。還元ガス循環ポンプ90は、アノード層132中への還元ガスの効果的な流入およびアノード層132中での一様な分布を促進するべく、還元ガスの循環を実施するために使用され、それにより起電力が効果的に、かつ、一様に生成され、したがって窒素に分解中の窒素酸化物の電気化学的促進能力が効果的に得られ、かつ、一様に分布する。
2NO→N2+O2 (2)
2NO2→2NO+O2 (3)
2CO+O2→2CO2 (4)
HC+O2→H2O+CO2 (5)
C+O2→CO2 (6)
10 電池モジュール
11 カソードコンパートメント
12 アノードコンパートメント
13 膜電極アセンブリ(MEA)
20 加熱ユニット
30 排気ガス流入ユニット
40 排気ガス流出ユニット
50 還元ガス流入ユニット
60 還元ガス流出ユニット
70 排気ガス源
80 空気追加ユニット
81 熱交換ユニット
90 還元ガス循環ポンプ
111 カソード通路
112 酸化触媒層
121 アノード通路
131 カソード層
132 アノード層
133 電解質層
Claims (16)
- 排気放出を制御するために使用される電気化学的触媒コンバータであって、
少なくとも1つの電池モジュールであって、カソードコンパートメント、アノードコンパートメント、膜電極アセンブリおよび加熱ユニットをさらに含み、前記膜電極アセンブリが前記カソードコンパートメントと前記アノードコンパートメントの間に配置され、前記加熱ユニットが前記電池モジュールの中に埋設され、前記カソードコンパートメントが酸化触媒を含んだ少なくとも1つの電池モジュールと、
それぞれ前記アノードコンパートメントの2つの面に結合されて、動作のために前記電池モジュールの還元ガス流入ターミナルおよび還元ガス流出ターミナルとして機能する還元ガス流入ユニットおよび還元ガス流出ユニットと、
前記還元ガス流入ユニットおよび前記還元ガス流出ユニットそれぞれに結合されて、還元ガスの閉循環を実施する還元ガス循環ポンプと、
それぞれ前記カソードコンパートメントの2つの面に結合されて、排気ガスを処理するための前記電池モジュールの排気ガス流入ターミナルおよび排気ガス流出ターミナルとして機能する排気ガス流入ユニットおよび排気ガス流出ユニットと
を備え、
前記膜電極アセンブリ内に起電力を生成するために前記加熱ユニットが前記膜電極アセンブリを動作温度まで加熱し、
前記排気ガス中の窒素酸化物が分解して前記膜電極アセンブリ内に窒素を形成し、
前記排気ガス中の一酸化炭素、炭化水素および粒子状物質が前記酸化触媒による触媒作用によって二酸化炭素および水を形成し、
それにより前記排気ガスが分解される
電気化学的触媒コンバータ。 - 前記膜電極アセンブリが、カソード層、アノード層および電解質層をさらに備え、前記電解質層が前記カソード層と前記アノード層の間に配置され、前記カソード層および前記アノード層がそれぞれ前記カソードコンパートメントおよび前記アノードコンパートメントに結合され、前記カソードコンパートメントが、カソード通路および酸化触媒でできた酸化触媒層をさらに含み、前記アノードコンパートメントがアノード通路をさらに含み、前記加熱ユニットが前記アノード通路に配置され、前記排気ガス流入ユニットが前記カソード通路に結合され、前記排気ガスの酸化反応が前記カソードコンパートメントの中で生じ、前記排気ガスが前記カソード層に到達して分解を起こし、前記還元ガス流入ユニットが前記アノード通路に結合され、前記還元ガスが前記アノード層に到達して起電力を生成する、請求項1に記載の電気化学的触媒コンバータ。
- 前記カソードコンパートメント、前記膜電極アセンブリ、前記加熱ユニットおよび前記アノードコンパートメントが1つずつ積み重ねられ、前記カソード通路、前記酸化触媒層、前記カソード層、前記電解質層、前記アノード層、前記加熱ユニットおよび前記アノード通路が順次積み重ねられた、請求項2に記載の電気化学的触媒コンバータ。
- 前記アノードコンパートメント、前記加熱ユニット、前記膜電極アセンブリおよび前記カソードコンパートメントが管状構造で積み重ねられ、前記アノード通路が前記管状構造の中心に配置され、前記加熱ユニット、前記アノード層、前記電解質層、前記カソード層、前記酸化触媒層および前記カソード通路が積み重ねられ、かつ、前記アノード通路を順次取り囲んでいる、請求項2に記載の電気化学的触媒コンバータ。
- 前記動作温度が450℃から600℃までの間である、請求項2に記載の電気化学的触媒コンバータ。
- 前記酸化触媒が、金属、合金、フルオライト型酸化物、ペロブスカイト型酸化物およびそれらの組合せからなるグループから選択された材料でできている、請求項2に記載の電気化学的触媒コンバータ。
- 前記酸化触媒が微小粒子の形態で前記カソード通路を覆っている、請求項2に記載の電気化学的触媒コンバータ。
- 前記酸化触媒が微小粒子の形態で前記カソード層を覆っている、請求項2に記載の電気化学的触媒コンバータ。
- 前記電解質層が、フルオライト型酸化物、ペロブスカイト型酸化物およびそれらの組合せからなるグループから選択された材料でできている、請求項2に記載の電気化学的触媒コンバータ。
- 前記アノード層が、ニッケルおよびフルオライト型酸化物のサーメット、ペロブスカイト型酸化物、フルオライト型酸化物、金属添加ペロブスカイト型酸化物、金属添加フルオライト型酸化物およびそれらの組合せからなるグループから選択された材料でできている、請求項2に記載の電気化学的触媒コンバータ。
- 前記カソード層が、ペロブスカイト型酸化物、フルオライト型酸化物、金属添加ペロブスカイト型酸化物、金属添加フルオライト型酸化物およびそれらの組合せからなるグループから選択された材料でできている、請求項2に記載の電気化学的触媒コンバータ。
- 前記排気ガス流入ユニットが前記排気ガスに空気を追加するための空気追加ユニットを含む、請求項1に記載の電気化学的触媒コンバータ。
- 前記還元ガスが、水素(H2)、一酸化炭素と二酸化炭素の混合ガス、一酸化炭素と水素の混合ガス、天然ガスおよびそれらの組合せからなるグループから選択された材料でできている、請求項1に記載の電気化学的触媒コンバータ。
- 前記還元ガス循環ポンプが前記還元ガスの温度を調整するための少なくとも1つの熱交換ユニットを含む、請求項1に記載の電気化学的触媒コンバータ。
- 前記加熱ユニットが多孔性電気発熱体である、請求項1に記載の電気化学的触媒コンバータ。
- 前記加熱ユニットが多孔性熱伝導体である、請求項1に記載の電気化学的触媒コンバータ。
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