JP2020118089A - 電気化学リアクタ - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの浄化率を高めた電気化学リアクタを提供する。【解決手段】電気化学リアクタ４５は、複数の板状部材６３と、それぞれ複数の板状部材によって画定された複数の通路６４とを備える。各板状部材は、イオン伝導性の固体電解質層と、該固体電解質層の表面上に配置されたアノード層と、固体電解質層のアノード層が配置された表面とは反対側の表面上に配置されたカソード層とを有するセルを備える。板状部材は、全ての通路について、通路を画定する複数の板状部材のうち少なくとも一つの板状部材のアノード層と、通路を画定する複数の板状部材のうち少なくとも一つの他の板状部材のカソード層との双方が前記通路内に面するように構成される。【選択図】図２

Description

本開示は、電気化学リアクタに関する。

従来から、イオン伝導性の固体電解質層と固体電解質層の表面上に配置されたアノード層及びカソード層とを有するセルを複数備える電気化学リアクタが知られている（例えば、特許文献１）。斯かる電気化学リアクタでは、アノード層から固体電解質層を介してカソード層に流れるように電気化学リアクタに電流を供給すると、カソード層上にてＮＯｘがＮ₂に還元され、浄化される。

特に、特許文献１に記載の電気化学リアクタでは、複数のセルは、排気流れ方向に対して垂直な方向に並んで且つ互いに平行に配置される。排気ガスは二つのセルによって画定される通路を通って流れ、排気ガスがこの通路を流れている間に排気ガス中のＮＯｘが浄化される。

特開２００９−１３８５２２号公報

ところで、特許文献１に記載の電気化学リアクタでは、平行に並んで配置された複数のセルのうち最も端に配置されたセルによって画定される通路には、アノード層及びカソード層のうちいずれか一方が面しないことになる。そして、カソード層が面しない通路では、流入する排気ガス中のＮＯｘが浄化されずにそのまま流出することになる。この結果、電気化学リアクタによる排気ガスの浄化率は十分に高いとは言えず、改善の余地がある。

上記課題に鑑みて、本開示の目的は、排気ガスの浄化が行われない通路を減らすことにより排気ガスの浄化率を高めた電気化学リアクタを提供することにある。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（１）複数の板状部材と、それぞれ複数の板状部材によって画定された複数の通路とを備える電気化学リアクタであって、各板状部材は、イオン伝導性の固体電解質層と、該固体電解質層の表面上に配置されたアノード層と、前記固体電解質層の前記アノード層が配置された表面とは反対側の表面上に配置されたカソード層とを有するセルを備え、 前記板状部材は、全ての前記通路について、該通路を画定する複数の板状部材のうち少なくとも一つの板状部材のアノード層と、該通路を画定する複数の板状部材のうち少なくとも一つの他の板状部材のカソード層との双方が前記通路内に面するように構成される、電気化学リアクタ。

（２）当該電気化学リアクタの外周に位置する外周壁を更に備え、前記外周壁の内面には前記板状部材が複数結合され、前記外周壁の内面に結合された全ての板状部材は、隣り合う該板状部材同士のうちの一方の板状部材のアノード層と他方の板状部材のカソード層とが互いに対面するように配置される、上記（１）に記載の電気化学リアクタ。

（３）前記外周壁の内面に結合された複数の板状部材の少なくとも一部は、隣り合う板状部材同士が互いに対して角度をもって配置されるように構成される、上記（２）に記載の電気化学リアクタ。

（４）前記外周壁の内面に結合された複数の板状部材の少なくとも一部は放射状に配置される、上記（３）に記載の電気化学リアクタ。

（５）全ての前記板状部材は、各板状部材の両面がそれぞれ互いに異なる別の板状部材と対面するように構成される、上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載の電気化学リアクタ。

（６）前記板状部材は、前記通路の延在方向に対して垂直な断面において当該電気化学リアクタの径方向内側に設けられた内側板状部材と、該内側板状部材よりも径方向外側に設けられた外側板状部材とを備え、前記内側板状部材及び前記外側板状部材はそれぞれ放射状に配置されると共に、前記外側板状部材の方が内側板状部材よりも多い、上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の電気化学リアクタ。

本開示によれば、排気ガスの浄化が行われない通路を減らすことにより、排気ガスの浄化率が高められる。

図１は、内燃機関の概略的な構成図である。 図２は、排気流れ方向に対して垂直な断面におけるリアクタの断面図である。 図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩに沿って見た、排気流れ方向に平行な断面におけるリアクタの断面図である。 図４は、図２の断面図の一部を模式的に示す拡大断面図である。 図５は、リアクタを構成する一つのセルと、このセルへの電流供給機構を模式的に表す図である。 図６は、本開示に係る実施形態とは異なり、複数の板状部材が互いに平行に配置されたリアクタの、図２と同様な断面図である。 図７は、第二実施形態に係るリアクタの、図２と同様な断面図である。 図８は、第三実施形態に係るリアクタの、図２と同様な断面図である。 図９は、図８の断面図の一部を模式的に示す拡大断面図である。 図１０は、第三実施形態に係るリアクタの、図２と同様な断面図である。

以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
≪内燃機関全体の説明≫
図１を参照して、第一実施形態に係る電気化学リアクタが搭載された内燃機関１の構成について説明する。図１は、内燃機関１の概略的な構成図である。図１に示したように、内燃機関１は、機関本体１０、燃料供給装置２０、吸気系３０、排気系４０及び制御装置５０を備える。

機関本体１０は、複数の気筒１１が形成されたシリンダブロックと、吸気ポート及び排気ポートが形成されたシリンダヘッドと、クランクケースとを備える。各気筒１１内にはピストンが配置されると共に、各気筒１１は吸気ポート及び排気ポートに連通している。

燃料供給装置２０は、燃料噴射弁２１、デリバリパイプ２２、燃料供給管２３、燃料ポンプ２４及び燃料タンク２５を備える。燃料噴射弁２１は、各気筒１１内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッドに配置されている。燃料ポンプ２４によって圧送された燃料は、燃料供給管２３を介してデリバリパイプ２２に供給され、燃料噴射弁２１から各気筒１１内に噴射される。

吸気系３０は、吸気マニホルド３１、吸気管３２、エアクリーナ３３、過給機５のコンプレッサ３４、インタークーラ３５、及びスロットル弁３６を備える。各気筒１１の吸気ポートは、吸気マニホルド３１及び吸気管３２を介してエアクリーナ３３に連通している。吸気管３２内には、吸入空気を圧縮して吐出する過給機５のコンプレッサ３４と、コンプレッサ３４によって圧縮された空気を冷却するインタークーラ３５とが設けられている。スロットル弁３６は、スロットル弁駆動アクチュエータ３７によって開閉駆動される。

排気系４０は、排気マニホルド４１、排気管４２、過給機５のタービン４３、排気浄化触媒４４及び電気化学リアクタ（以下、単に「リアクタ」という）４５を備える。各気筒１１の排気ポートは、排気マニホルド４１及び排気管４２を介して排気浄化触媒４４に連通し、排気浄化触媒４４は排気管４２を介してリアクタ４５に連通している。排気浄化触媒４４は、例えば、三元触媒やＮＯｘ吸蔵還元触媒であり、一定の活性温度以上になるとＮＯｘや未燃ＨＣ等の排気ガス中の成分を浄化する。排気管４２内には、排気ガスのエネルギによって回転駆動せしめられる過給機５のタービン４３が設けられている。排気ポート、排気マニホルド４１、排気管４２、排気浄化触媒４４及びリアクタ４５は排気通路を形成する。したがって、リアクタ４５は排気通路内に配置されている。なお、排気浄化触媒４４は、排気ガスの流れ方向（以下、「排気流れ方向」ともいう）においてリアクタ４５の下流側に設けられてもよい。

制御装置５０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）５１及び各種センサを備える。各種センサとしては、例えば、吸気管３２内を流れる吸気ガスの流量を検出する流量センサ５２、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ５３、リアクタ４５に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ５４等が挙げられ、これらセンサはＥＣＵ５１に接続される。また、各種センサには、内燃機関１の負荷を検出する負荷センサ５５、機関回転速度を検出するのに用いられるクランク角センサ５６も含まれ、これらセンサもＥＣＵ５１に接続される。また、ＥＣＵ５１は、内燃機関１の運転を制御する各アクチュエータに接続される。図１に示した例では、ＥＣＵ５１は、燃料噴射弁２１、燃料ポンプ２４及びスロットル弁駆動アクチュエータ３７に接続され、これらアクチュエータを制御している。

≪電気化学リアクタの構成≫
次に、図２〜図５を参照して本実施形態に係るリアクタ４５の構成について説明する。図２は、排気流れ方向に対して垂直な断面におけるリアクタ４５の断面図である。また、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩに沿って見た、排気流れ方向に平行な断面におけるリアクタ４５の断面図である。図３における矢印は、排気流れ方向を示している。また、図３には、リアクタ４５を収容する排気管４２も描かれている。

図２からわかるように、リアクタ４５は、排気流れ方向に対して垂直な断面において、円筒状の外周壁６１と、円柱状の中心軸部６２と、これら外周壁６１と中心軸部６２との間で延びる複数の板状部材６３と、これら外周壁６１、中心軸部６２及び板状部材６３によって画成される通路６４とを備える。

外周壁６１は、リアクタ４５の外周に位置すると共に、その軸線が排気流れ方向と平行に延びるように配置される。また、外周壁６１は、図３に示したように、その外周面が排気管４２の内周面と接触するように配置される。したがって、外周壁６１は、排気管４２と相補的な形状を有する。外周壁６１の内面には複数の板状部材６３が結合される。本実施形態では、全ての板状部材６３が外周壁６１の内面に結合される。なお、本実施形態では、外周壁６１は、円筒状に形成されているが、矩形の筒状や楕円形の筒状等、筒状であれば任意の他の形状に形成されてもよい。

中心軸部６２は、外周壁６１と同軸になるように配置される。したがって、中心軸部６２も、その軸線が排気流れ方向と平行になるように配置される。また、中心軸部６２は、排気流れ方向に垂直な断面におけるその外周一周の長さが、全ての板状部材６３の厚さの合計よりも長くなるように形成される。中心軸部６２の外面には複数の板状部材６３が結合される。本実施形態では、全ての板状部材６３が中心軸部６２の外面に結合される。なお、本実施形態では、中心軸部６２は、円柱状に形成されているが、角柱状や楕円柱状等、柱状であれば任意の他の形状に形成されてもよい。

各板状部材６３は、排気流れ方向に延びるように配置される。各板状部材６３は、その一つの縁が外周壁６１の内面に結合されると共に、この縁とは反対側の縁が中心軸部６２の外面に結合される。リアクタ４５には多数の板状部材６３が設けられ、これら板状部材６３は外周壁６１及び中心軸部６２の周方向に互いに並んで配置される。特に、本実施形態では、板状部材６３は等しい角度間隔で周方向に並んで配置される。

特に、本実施形態では、全ての板状部材６３は、中心軸部６２から放射状に延びるように構成される。したがって、全ての板状部材６３は、各板状部材６３の両面がそれぞれ互いに異なる別の板状部材６３と対面するように構成される。各板状部材６３は、中心軸部６２の外面の接線に対して垂直になるように中心軸部６２の外面に結合される。同様に、各板状部材６３は、外周壁６１の内面の接線に対して垂直に延びるように外周壁６１の内面に結合される。したがって、本実施形態では、板状部材６３は、隣り合う板状部材６３同士が互いに対して角度をもって配置されるように構成される。

図４は、図２の断面図の一部を模式的に示す拡大断面図である。図４に示したように、板状部材６３は、固体電解質層６５と、固体電解質層６５の一方の表面上に配置されたアノード層６６と、アノード層６６が配置された表面とは反対側の固体電解質層６５の表面上に配置されたカソード層６７とを備えるセル６８を構成する。

固体電解質層６５は、プロトン伝導性を有する多孔質の固体電解質を含む。固体電解質としては、例えば、ペロブスカイト型金属酸化物ＭＭ’_1-xＲ_xＯ_3-α（Ｍ＝Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍ’＝Ｃｅ，Ｚｒ、Ｒ＝Ｙ、Ｙｂであり、例えば、ＳｒＺｒ_xＹｂ_1-xＯ_3-α、ＳｒＣｅＯ₃、ＢａＣｅＯ₃、ＣａＺｒＯ₃、ＳｒＺｒＯ₃など）、リン酸塩（例えば、ＳｉＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅系ガラスなど）、金属ドープＳｎ_xＩｎ_1-xＰ₂Ｏ₇（例えば、ＳｎＰ₂Ｏ₇など）又はゼオライト（例えば、ＺＳＭ−５）が使用される。

アノード層６６及びカソード層６７は、共にＰｔ、Ｐｄ又はＲｈ等の貴金属を含む。また、アノード層６６は、水分子を保持可能（すなわち、吸着可能及び／又は吸収可能）な物質を含む。水分子を保持可能な物質としては、具体的には、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ等が挙げられる。また、アノード層６６は未燃ＨＣを保持可能（すなわち、吸着可能及び／又は吸収可能）な物質（ＨＣ保持材）を含んでもよい。ＨＣを保持可能な物質としては、具体的には、ゼオライト等が挙げられる。一方、カソード層６７は、ＮＯｘを保持可能（すなわち、吸着可能及び／又は吸収可能）な物質（ＮＯｘ保持材）を含む。ＮＯｘを保持可能な物質としては、具体的には、Ｋ、Ｎａ等のアルカリ金属、Ｂａ等のアルカリ土類金属、Ｌａ等の希土類等が挙げられる。

図４から分かるように、本実施形態では、板状部材６３は、隣り合う二つの板状部材６３のうち、一方の板状部材６３のセル６８のアノード層６６と、他方の板状部材６３のセル６８のカソード層６７とが対面するように配置される。すなわち、外周壁６１の内面に結合された複数の板状部材６３のうち隣り合う板状部材６３同士は、このうちの一方の板状部材６３のアノード層６６と、他方の板状部材６３のカソード層６７とが互いに対面するように配置される。見方を変えると、本実施形態では、全ての板状部材６３は、周方向において同一の方向にアノード層６６が位置し、周方向においてこれとは反対の同一の方向にカソード層６７が位置するように配置される。

各通路６４は、上述したように、外周壁６１、中心軸部６２及び複数の板状部材６３によって画成される。各通路６４は、排気流れ方向に延びる（したがって、排気流れ方向は、通路６４の延在方向と同一である）。リアクタ４５に流入した排気ガスは、これら通路６４を通って流れた後に、リアクタ４５から流出する。リアクタ４５に流入した全ての排気ガスは、これら通路６４のうちいずれかを通って流れる。

特に、本実施形態では、各通路６４は、上述したように構成された隣り合う二つの板状部材６３によって画定される。その結果、本実施形態では、一つの通路６４を画定する二つの板状部材６３のうち、一方の板状部材６３のセル６８ではこの通路６４にアノード層６６が曝されると共に、他方の板状部材６３のセル６８ではこの通路６４にカソード層６７が曝される。したがって、本実施形態では、板状部材６３は、各通路６４にアノード層６６とカソード層６７との両方が曝されるように構成される。

図５は、リアクタ４５を構成する一つのセル６８と、このセル６８への電流供給機構を模式的に表す図である。図５に示したように、セル６８への（すなわちリアクタ４５への）電流供給機構７０は、電源装置７１、電流計７２及び電圧調整装置７３を備える。

電源装置７１は、リアクタ４５のセル６８に接続されて、セル６８に電力を供給する。電源装置７１の正極はアノード層６６に接続され、電源装置７１の負極はカソード層６７に接続される。

電流計７２は、電源装置７１からリアクタ４５のセル６８に供給される電流を検出する。

電圧調整装置７３は、アノード層６６とカソード層６７との間に印加される電圧を変化させることができるように構成される。また、電圧調整装置７３は、アノード層６６から固体電解質層６５を通ってカソード層６７に流れるように供給される電流の大きさを変化させることができるように構成される。

電源装置７１は、電流計７２と直列に接続されている。また、電流計７２は、ＥＣＵ５１に接続され、検出された電流値をＥＣＵ５１に送信する。また、電圧調整装置７３は、ＥＣＵ５１に接続され、ＥＣＵ５１によって制御される。本実施形態では、電圧調整装置７３は、電流計７２によって検出される電流値が目標値となるように制御される。したがって、電圧調整装置７３及びＥＣＵ５１は、アノード層６６とカソード層６７との間に印加される電圧の大きさ（すなわち、リアクタ４５への通電）を制御する通電制御部として機能する。

なお、図５に示した例では、各セル６８が、それぞれ独立して電源装置７１、電流計７２及び電圧調整装置７３に接続されている。しかしながら、例えば、複数のセル６８が互いに並列に電源装置７１等に接続されてもよい。或いは、直列に接続された複数のセル６８が電源装置７１等に接続されてもよい。或いは、直列に接続された複数のセル６８をそれぞれ有するセル群を設けると共に、これらセル群同士を互いに並列に電源装置７１等に接続するようにしてもよい。

≪電気化学リアクタによる浄化≫
図５を参照して、上述したように構成されたリアクタ４５において生じる反応について説明する。リアクタ４５では、電源装置７１からアノード層６６及びカソード層６７に電流が流されると、アノード層６６及びカソード層６７ではそれぞれ下記式のような反応が生じる。
アノード側： ２Ｈ₂Ｏ→４Ｈ⁺＋Ｏ₂＋４ｅ^-
Ｈ₂Ｏ→２Ｈ⁺＋Ｏ^2-
カソード側： ２ＮＯ＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→Ｎ₂＋２Ｈ₂Ｏ

すなわち、アノード層６６では、アノード層６６に保持されている水分子が電気分解されて酸素及び酸素イオンとプロトンとが生成される。生成された酸素は排気ガス中に放出されると共に、生成されたプロトンは固体電解質層６５内をアノード層６６からカソード層６７へと移動する。カソード層６７では、カソード層６７に保持されているＮＯがプロトン及び電子と反応して窒素と水分子が生成される。

したがって、本実施形態によれば、リアクタ４５の電源装置７１からアノード層６６及びカソード層６７に電流を流すことにより（すなわち、リアクタ４５に通電することにより）、カソード層６７のＮＯｘ保持材に保持されていたＮＯをＮ₂に還元、浄化することができる。

また、アノード層６６では、排気ガス中に未燃ＨＣやＣＯ等が含まれる場合には、下記式のような反応により、酸素イオンがこれらＨＣやＣＯと反応して、二酸化炭素や水が生成される（なお、未燃ＨＣは、様々な成分を含むため、下記反応式中においてはＣ_mＨ_nとして表されている）。したがって、本実施形態によれば、リアクタ４５の電源装置７１からアノード層６６及びカソード層６７に電流を流すことにより、排気ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化、浄化することもできる。
Ｃ_mＨ_n＋（２ｍ＋０．５ｎ）Ｏ^2-→ｍＣＯ₂＋０．５ｎＨ₂Ｏ＋（４ｍ＋ｎ）ｅ^-
ＣＯ＋Ｏ^2-→ＣＯ₂＋２ｅ^-

加えて、アノード層６６がＨＣ保持材を備える場合、リアクタ４５の電源装置７１からアノード層６６及びカソード層６７に電流を流すことにより（すなわち、リアクタ４５に通電することにより）、アノード層６６のＨＣ保持材に保持されているＨＣを水や二酸化炭素に酸化、浄化することができる。

上述したように、本実施形態では、板状部材６３は、各通路６４にアノード層６６とカソード層６７との両方が曝されるように配置される。したがって、各通路６４では、電源装置７１から電流を流すことにより、排気ガス中のＮＯｘ及びＨＣやＣＯが浄化される。

≪作用・効果≫
図６を参照して、本実施形態に係る電気化学リアクタ４５の作用及びこの電気化学リアクタ４５によって得られる効果について説明する。図６は、本実施形態とは異なり、複数の板状部材６３’が互いに平行に配置されたリアクタ４５’の、図２と同様な断面図である。

図６に示した例では、板状部材６３’は一定間隔で並んで配置される。図６からわかるように、板状部材６３’は、隣り合う二つの板状部材６３’のうち、一方の板状部材６３’のセル６８のアノード層６６と、他方の板状部材６３’のセル６８のカソード層６７とが対面するように配置される。したがって、板状部材６３’及び外周壁６１によって画定される各通路６４’には、基本的に、アノード層６６とカソード層６７の両方が面している。

上述したように、リアクタ４５’へ通電すると、アノード層６６ではＮＯｘが浄化され、カソード層６７ではＨＣやＣＯが浄化される。各通路６４’にはアノード層６６及びカソード層６７の両方が面していることから、リアクタ４５’によれば各通路６４’を流れる排気ガス中のＮＯｘ並びにＨＣ及びＣＯが浄化される。

ところが、複数並んで配置された板状部材６３’のうち一方の端（上端）に配置された板状部材６３’と、外周壁６１とによって画成された通路（以下、「上方通路」という）６４’ａは、この板状部材６３’のカソード層６７には面するが、いずれの板状部材６３’のアノード層６６とも面しない。このため、上方通路６４’ａでは、リアクタ４５への通電が行われても、排気ガス中のＮＯｘは浄化されない。

同様に、複数並んで配置された板状部材６３’のうち反対側の端（下端）に配置された板状部材６３’と、外周壁６１とによって画成された通路（以下、「下方通路」という）６４’ｂは、この板状部材６３’のアノード層６６には面するが、いずれの板状部材６３’のカソード層６７とも面しない。このため、下方通路６４’ｂでは、リアクタ４５への通電が行われても、排気ガス中のＨＣやＣＯは浄化されない。

これに対して、上記実施形態に係るリアクタ４５では、板状部材６３は、全ての通路６４それぞれについて、各通路６４を画定する複数の板状部材６３のうち少なくとも一つの板状部材６３のアノード層６６と、この通路６４を画定する複数の板状部材６３のうち少なくとも一つの他の板状部材６３のカソード層６７との双方が通路６４内に面するように構成される。したがって、本実施形態では、板状部材６３は、全ての通路６４それぞれにアノード層６６とカソード層６７との両方が曝されるように構成される。

このため、本実施形態に係るリアクタ４５によれば、リアクタ４５への通電が行われると、全ての通路において排気ガス中のＮＯｘやＨＣ、ＣＯが浄化される。したがって、排気ガスの浄化が行われない通路がなくなり、よってリアクタ４５による排気ガスの浄化効率を高めることができる。

≪変形例≫
なお、アノード層６６は、電気伝導性を有する貴金属を含む導電層と、水分子を保持可能な物質を含む水分子保持層（或いは、水分子やＨＣを保持可能な物質を含む水・ＨＣ保持層）との二つの層を含むように構成されてもよい。この場合、固体電解質層６５の表面上に導電層が配置され、固体電解質層６５側とは反対側の導電層の表面上に水分子保持層（又は水・ＨＣ保持層）が配置される。

同様に、カソード層６７は、電気伝導性を有する貴金属を含む導電層と、ＮＯｘを保持可能な物質を含むＮＯｘ保持層との二つの層を含むように構成されてもよい。この場合、固体電解質層６５の表面上に導電層が配置され、固体電解質層６５側とは反対側の導電層の表面上にＮＯｘ保持層が配置される。

また、上記実施形態では、外周壁６１、中心軸部６２及び板状部材６３は別体として形成され、その後、結合されることで製造されている。しかしながら、外周壁６１、中心軸部６２及び板状部材６３は一体部材として形成されてもよい。この場合、外周壁６１と、中心軸部６２と、板状部材６３のセル６８の固体電解質層６５とが同一の材料で一体部材として形成される。

さらに、上記実施形態では、板状部材６３は放射状に配置される。しかしながら、板状部材６３は、隣り合う板状部材同士が互いに対して角度をもって配置されれば、必ずしも放射状に配置されなくてもよい。

さらに、上記実施形態では、リアクタ４５の固体電解質層６５は、プロトン伝導性の固体電解質を含んでいる。しかしながら、固体電解質層６５は、プロトン伝導性の固体電解質の代わりに、酸素イオン伝導性の固体電解質等、他のイオン伝導性の固体電解質を含むように構成されてもよい。

＜第二実施形態＞
次に、図７を参照して、第二実施形態に係る電気化学リアクタ４５について説明する。第二実施形態に係る電気化学リアクタ４５の構成は、基本的に第一実施形態に係る電気化学リアクタの構成と同様であるため、以下では第一実施形態に係る電気化学リアクタとは異なる部分を中心に説明する。

図７は、第二実施形態に係るリアクタ４５の、図２と同様な断面図である。図７に示したように、リアクタ４５は、排気流れ方向に対して垂直な断面において、円筒状の外周壁６１と、円柱状の中心軸部６２と、円筒状の隔壁８１と、中心軸部６２と隔壁８１との間で延びる複数の内側板状部材８３と、外周壁６１と隔壁８１との間で延びる複数の外側板状部材８４と、これら外周壁６１、中心軸部６２、隔壁８１、内側板状部材８３及び外側板状部材８４によって画成される通路６４と、を備える。外周壁６１及び中心軸部６２は、第一実施形態と同様に構成される。

隔壁８１は、外周壁６１よりも半径が小さい（例えば、外周壁６１の半径の半分）円筒状である。隔壁８１は、外周壁６１と同軸になるように配置される。

各内側板状部材８３は、その一つの縁が中心軸部６２の外面に結合されると共に、この縁とは反対側の縁が隔壁８１の内面に結合される。リアクタ４５には多数の内側板状部材８３が設けられ、これら内側板状部材８３は中心軸部６２及び隔壁８１の周方向に互いに並んで配置される。特に、本実施形態では、内側板状部材８３は等しい角度間隔で周方向に並んで配置される。特に、本実施形態では、全ての内側板状部材８３は、中心軸部６２から放射状に延びるように構成される。

各外側板状部材８４は、その一つの縁が隔壁８１の外面に結合されると共に、この縁とは反対側の縁が外周壁６１の内面に結合される。したがって、外側板状部材８４は、内側板状部材よりも径方向外側においてリアクタ４５に設けられる。リアクタ４５には多数の外側板状部材８４が設けられ、これら外側板状部材８４は外周壁６１及び隔壁８１の周方向に互いに並んで配置される。特に、本実施形態では、外側板状部材８４は等しい角度間隔で周方向に並んで配置される。特に、本実施形態では、全ての外側板状部材８４は、隔壁８１から放射状に延びるように構成される。

本実施形態では、外側板状部材８４の方が内側板状部材８３よりも多い。このため、隣り合う外側板状部材８４同士の角度間隔は、隣り合う内側板状部材８３同士の角度間隔よりも小さい。図７に示した例では、外側板状部材８４の数は、内側板状部材の数の倍となっている。したがって、隣り合う外側板状部材８４同士の角度間隔は、隣り合う内側板状部材８３同士の角度間隔の半分となっている。

ここで、上記第一実施形態に係るリアクタ４５では、板状部材６３が放射状に設けられていることから、隣り合う板状部材６３同士の間隔が、リアクタ４５の中央付近に比べてリアクタ４５の外周付近で長くなっている。隣り合う板状部材６３同士の間隔が長くなると、これらの間の通路６４を通って流れる排気ガスが浄化されにくくなる。

これに対して本実施形態に係るリアクタ４５では、その外側領域における外側板状部材８４の数が、その内側領域における内側板状部材８３の数よりも多くなっている。この結果、リアクタ４５の外周付近においても、隣り合う板状部材６３同士の間隔が長くなってしまうことが抑制される。この結果、排気ガスの浄化効率を高いものとすることができる。

なお、上記第二実施形態に係るリアクタ４５では、リアクタ４５の内側と外側を二段に分けて、各段に板状部材を放射状に配置するようにしている。しかしながら、リアクタ４５を、三つ以上の段に分けて、各段に板状部材を放射状に配置するようにしてもよい。この場合、外側の段ほど、各段に設けられる板状部材の数が多くされる。

＜第三実施形態＞
次に、図８及び図９を参照して、第三実施形態に係る電気化学リアクタ４５について説明する。第三実施形態に係る電気化学リアクタ４５の構成は、基本的に第一実施形態及び第二実施形態に係る電気化学リアクタの構成と同様であるため、以下では第一実施形態及び第二実施形態に係る電気化学リアクタとは異なる部分を中心に説明する。

図８は、第三実施形態に係るリアクタ４５の、図２と同様な断面図である。図８からわかるように、本実施形態に係るリアクタ４５は、排気流れ方向に対して垂直な断面において、長円形状の断面を有する。なお、図８では、長円形状のリアクタ４５を短軸で分割したうちの半分の部分のみが示されているが、省略されている部分は図８に表された部分と線対称に形成される。

図８に示したように、第三実施形態に係るリアクタ４５は、排気流れ方向に対して垂直な断面において、長円形状を有する外周壁６１と、半円柱状の二つの中心軸部８６（図８中には一つのみを表示）と、これら外周壁６１と中心軸部６２との間で放射状に延びる複数の放射状板状部材６３と、互いに平行に延びる複数の平行板状部材８７とを備える。

二つの中心軸部８６のそれぞれは、排気流れ方向に対して垂直な断面において外周壁６１の半円形の断面を有する部分と同軸に配置される。特に、中心軸部８６は、排気流れ方向に対して垂直な断面において、その半円形状の外面が外周壁６１の半円形状の断面と対面するように配置される。なお、本実施形態では、中心軸部６２は、半円柱状に形成されているが、柱状であれば任意の他の形状に形成されてもよい。

放射状板状部材６３は、第一実施形態における板状部材と同様に形成される。

各平行板状部材８７は、排気流れ方向に延びるように、且つ互いに平行に配置される。特に、平行板状部材８７は、周方向に並んで配置された放射状板状部材６３のうち周方向両端に位置する放射状板状部材６３と平行に延びるように配置される。

図９は、図８において破線で囲まれた部分を模式的に示す拡大断面図である。図９からわかるように、一つの平行板状部材８７は、二つのセル６８を有するように構成される。本実施形態では、平行板状部材８７は、二つのセル６８が共通の固体電解質層６５を有する。

また、本実施形態では、平行板状部材８７は、長円形状の外周壁６１の長軸Ｘの両側にそれぞれ一つずつセルを有するように構成される。二つのセル６８は、一方のセル６８のアノード層６６が他方のセル６８のカソード層６７と同一の固体電解質層６５の表面（第一表面）上に配置されるように構成される。加えて、二つのセル６８は、一方のセル６８のカソード層６７が他方のセル６８のアノード層と同一の固体電解質層６５の表面（第一表面とは反対側の第二表面）上に配置されるように構成される。

この結果、本実施形態では、外周壁６１の内面に結合された板以上部材のうち隣り合う板状部材（放射状板状部材６３及び平行板状部材８７の両方を含む）同士は、全て、一方の板状部材のアノード層と他方の板状部材のカソード層とが互いに対面するように配置される。また、本実施形態では、外周壁６１の内面に結合された複数の板状部材のうち一部のみ（放射状板状部材６３のみ）において、隣り合う板状部材同士が互いに対して角度をもって、具体的には放射状に配置される。

本実施形態のようにリアクタ４５を構成した場合も、板状部材６３は、全ての通路６４それぞれにアノード層６６とカソード層６７との両方が曝されるように構成される。したがって、本実施形態に係るリアクタ４５によっても、リアクタ４５への通電が行われると、全ての通路において排気ガス中のＮＯｘやＨＣ、ＣＯが浄化される。したがって、排気ガスの浄化が行われない通路がなくなり、よってリアクタ４５による排気ガスの浄化効率を高めることができる。

なお、本実施形態では、平行板状部材８７は、同一の固体電解質層６５を共有する二つのセルを備えている。しかしながら、平行板状部材８７は、長軸Ｘ上近傍に設けられた絶縁体によって二つに分離された二つのセルを有するように構成されてもよい。或いは、リアクタ４５は、長軸Ｘに沿って延びる絶縁性の隔壁を更に備え、その両側にそれぞれ一つのセルを備える平行板状部材８７を有するように構成されてもよい。

また、本実施形態では、リアクタ４５は、排気流れ方向に垂直な断面において、長円形状の外形を有するように構成されている。しかしながら、リアクタ４５は、例えば、図１０に示したように、矩形の外形を有するように構成されてもよい。

以上、本開示に係る好適な実施形態を説明したが、本開示はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。

１ 内燃機関
１０ 機関本体
２０ 燃料供給装置
３０ 吸気系
４０ 排気系
４４ 排気浄化触媒
４５ 電気化学リアクタ
５０ 制御装置
６１ 外周壁
６２ 中心軸部
６３ 板状部材
６４ 通路
６５ 固体電解質層
６６ アノード層
６７ カソード層
６８ セル
７１ 電源装置

Claims (6)

1. 複数の板状部材と、それぞれ複数の板状部材によって画定された複数の通路とを備える電気化学リアクタであって、
   各板状部材は、イオン伝導性の固体電解質層と、該固体電解質層の表面上に配置されたアノード層と、前記固体電解質層の前記アノード層が配置された表面とは反対側の表面上に配置されたカソード層とを有するセルを備え、
   前記板状部材は、全ての前記通路について、該通路を画定する複数の板状部材のうち少なくとも一つの板状部材のアノード層と、該通路を画定する複数の板状部材のうち少なくとも一つの他の板状部材のカソード層との双方が前記通路内に面するように構成される、電気化学リアクタ。
2. 当該電気化学リアクタの外周に位置する外周壁を更に備え、
   前記外周壁の内面には前記板状部材が複数結合され、
   前記外周壁の内面に結合された全ての板状部材は、隣り合う該板状部材同士のうちの一方の板状部材のアノード層と他方の板状部材のカソード層とが互いに対面するように配置される、請求項１に記載の電気化学リアクタ。
3. 前記外周壁の内面に結合された複数の板状部材の少なくとも一部は、隣り合う板状部材同士が互いに対して角度をもって配置されるように構成される、請求項２に記載の電気化学リアクタ。
4. 前記外周壁の内面に結合された複数の板状部材の少なくとも一部は放射状に配置される、請求項３に記載の電気化学リアクタ。
5. 全ての前記板状部材は、各板状部材の両面がそれぞれ互いに異なる別の板状部材と対面するように構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気化学リアクタ。
6. 前記板状部材は、前記通路の延在方向に対して垂直な断面において当該電気化学リアクタの径方向内側に設けられた内側板状部材と、該内側板状部材よりも径方向外側に設けられた外側板状部材とを備え、前記内側板状部材及び前記外側板状部材はそれぞれ放射状に配置されると共に、前記外側板状部材の方が内側板状部材よりも多い、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気化学リアクタ。

Images