JP4719073B2

JP4719073B2 - 電気化学反応装置

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Publication number: JP4719073B2
Application number: JP2006129302A
Authority: JP
Inventors: 元史田中; 祐之安井; 悦夫野田; 林　　和夫
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-05-08
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2026-05-08
Also published as: JP2007301435A

Description

本発明は電気化学反応装置に係り、特に、流入した流体に固体電解質を伝導したイオンを作用させて酸化還元反応を行い、効率的にかつ制御性よく進行させる電気化学反応装置に関する。

セラミックスなどからなる固体電解質は、一種類のイオンを移動させることが可能な電解質であり、例えば酸素イオン伝導性固体電解質（例えば、イットリア固溶酸化ジルコニウムセラミックスなど）の場合、一方の固体電解質表面から他方の固体電解質表面に酸素イオンを移動させることができる。

固体電解質を用いると、対となる２つの固体電解質表面において異なる反応を起こすことができるため、例えば、混合すると爆発する危険のある物質同士の反応や、１つの反応により生成された生成物が同時に進行する他の反応を阻害してしまうような複合反応に適用することが可能である。

近年、このような固体電解質の特性を利用した固体高分子型燃料電池や固体酸化物型燃料電池なども提案されている他、様々な分野での応用が期待されている。

例えば、固体電解質からなる基板上に電極を設け、電極において酸化還元反応を起こすことにより、ガソリン車やディーゼル車などから排出される排ガスＸaに含まれる粒子状物質（ＰＭ；Particulate Matter）とＮＯｘを同時に浄化することができる排ガス処理装置が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

図１は、酸素イオン伝導性固体電解質を用いた従来の排ガス処理装置１の構成を表している。

図１に示されるように、従来の排ガス処理装置１は、ガソリン車やディーゼル車などから排出される排ガスＸaが流入する流入口Ａと、処理後の排ガス（クリーンガスＸb）を外部に流出する流出口Ｂが設けられた筐体１０内部に、例えばイットリア固溶酸化ジルコニウムセラミックス（以下、単に「ＹＳＺ」という。）などからなる酸素イオン伝導性固体電解質１１をカソード側の混合電極１２とアノード側の混合電極１４で挟んだ反応部Ｒが設けられる。

反応部Ｒのカソード側では、酸素イオン伝導性固体電解質１１の基板上に、カソード触媒と電極との混合（例えばＮｉＯとＹＳＺの混合）からなる混合電極１２（還元電極）がスクリーン印刷により形成され、形成された混合電極１２上に還元電極の端子として電極端子１３−１乃至１３−ｎが設けられる。

一方、反応部Ｒのアノード側では、酸素イオン伝導性固体電解質１１の基板上に、アノード触媒と電極との混合（例えばＹＳＺとアルミン酸カルシウムの混合）からなる混合電極１４（酸化電極）がスクリーン印刷により形成され、形成された混合電極１４上に酸化電極の端子としてメッシュ形状の白金または銀電極端子（図示せず）が設けられる。

反応部Ｒの電極間に図示せぬ直流電源から数Ｖ程度の直流電圧を印加すると、酸素イオン伝導性固体電解質１１中をＯ^２−（酸素イオン）が移動し、反応部Ｒのカソード側とアノード側でそれぞれ還元反応と酸化反応が進行する。

具体的には、図１の従来の排ガス処理装置１の反応系においては、カソード触媒が含まれる混合電極１２上において排ガスＸa中に含まれるＮＯｘ（代表的にＮＯ）が２ＮＯ＋４e⁻→Ｎ_２＋２Ｏ^２−の還元反応を起こして分解され、還元反応により生成されたＯ^２−イオンとアノード触媒上に付着した炭素分子との間で２Ｏ^２−＋Ｃ→ＣＯ_２＋４e⁻の酸化反応が起こり、ＣＯ_２が生成する。このとき、カソード側で生成されたＮ_２とアノード側で生成されたＣＯ_２は、いずれも大気中に通常含まれる化合物であり、従来の排ガス処理装置１の外部にクリーンガスＸbとして流出される。

一方、流入された排ガスＸaに放電プラズマ処理を施すことにより反応活性種を生成し、還元触媒上において触媒反応を起こすことにより、ガソリン車やディーゼル車などから排出される排ガスＸaに含まれる粒子状物質（ＰＭ）とＮＯｘを同時に浄化することができる排ガス処理装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図２は、還元触媒上における触媒反応を用いた従来の排ガス処理装置１の構成を表している。

図２に示されるように、ガソリン車やディーゼル車などから排出される排ガスＸaが流入され、処理後のクリーンガスＸｂが外部に流出される配管１５の上に、流入された排ガスＸaに放電プラズマ処理を施すことにより反応活性種（例えば、Ｏ_３、ＨＣＯ、ＮＯ_２など）を生成する放電部１６と、さらに下流側に、生成された反応活性種の存在下で還元触媒上において排ガスＸaに含まれる粒子状物質（ＰＭ）とＮＯｘが触媒反応を起こす触媒反応部１７が設けられる。

放電部１６においては、排ガスＸaに含まれる粒子状物質（ＰＭ）と反応活性種との反応によりＣＯ_２が生成され、排ガスＸaに含まれるＮＯｘと反応活性種との反応によりＮＯ_２が生成され、触媒反応部１７においては、生成されたＮＯ_２と反応活性種との反応によりＮ_２が生成され、その後、排ガスＸaに含まれる粒子状物質（ＰＭ）とＮＯｘが同時に除去されたクリーンガスＸｂが配管１５を介して外部に流出される。

このように、還元触媒上における触媒反応を用いた従来の排ガス処理装置１においては、放電により生成された反応活性種の作用により触媒を活性化させるようにしたので、例えば自動車の始動時などの低温環境にあっても排ガス処理を行うことができ、自動車や工場などにおける高効率な排ガス処理装置として利用することができる。
特願２００４−３１７２６３号の明細書産総研ＴＯＤＡＹ２００５第５号第１０頁乃至１３頁

しかしながら、非特許文献１に提案されている固体電解質を用いた従来の排ガス処理装置１では、排ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）とＮＯｘを同時に浄化することはできるが、全体としての反応速度は遅く、粒子状物質（ＰＭ）の燃焼効率が低いという課題があった。

また、対象物質と固体電解質の材料を除くと、温度だけが反応系における制御因子となるため、緊急時などでの出力変更において制御時の定数が長くなっていまい、制御性に欠けるという課題があった。

さらに、反応系では、１０００℃くらいの高温での反応が進行するため、固体電解質などに用いられる材料が劣化しやすく、安全性に欠けるという課題があった。

これらの課題を解決するために、現在、固体電解質の材料や触媒などの種々の開発が行われているが、画期的な技術の開発までは至っておらず、これらの課題を解決することが可能な新規の技術の開発が望まれている。

一方、特許文献１に提案されている還元触媒上における触媒反応を用いた従来の排ガス処理装置１では、多数の反応種が含まれる単一の酸化還元反応系において、複数の反応が同時に進行するため、複数の反応間での干渉や阻害により、全体としての反応が効率的に進行することが困難であるという課題があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされてものであり、流入した流体に固体電解質を伝導したイオンを作用させて酸化還元反応を行い、効率的にかつ制御性よく進行させる電気化学反応装置を提供することを目的としている。

本発明者等は、図１の従来の排ガス処理装置１の反応部Ｒにおける酸化還元反応が概ね８段階で進行し、これらの段階は常にすべてが起こるわけではなく、材料や反応系などによって決定する複合的な現象であることに注目した。このことから、本発明者らは、反応部Ｒにおける酸化還元反応における制御因子が増大することで、反応系Ｒの全体の反応速度や反応効率が高められることを見出した。

特に、反応部Ｒにおける酸化還元反応の前処理として、放電プラズマ作用を用いることで、反応系Ｒの全体の反応速度や反応効率の向上に寄与する可能性が高いことを見出した。

本発明の電気化学反応装置は、上述した課題を解決するために、電解質層を挟むカソードとしての第１の電極およびアノードとしての第２の電極と、前記第１の電極に対向し、誘電体層とこの誘電体層に内挿された第１の内挿電極とを有する第１の対向壁と、前記第２の電極に対向し、誘電体層とこの誘電体層に内挿された第２の内挿電極とを有する第２の対向壁と、前記第１の電極と前記第１の内挿電極の間、および前記第２の電極と前記第２の内挿電極の間に、それぞれに交流電圧を印加する交流電源とを備え、この交流電源から印加される交流電圧によって、前記第１の電極と前記第１の対向壁の間に形成される第１の流体流路および前記第２の電極と前記第２の対向壁の間に形成される第２の流体流路それぞれに放電プラズマ空間を形成させることを特徴とする。

本発明の電気化学反応装置においては、電解質層を挟むカソードとしての第１の電極およびアノードとしての第２の電極と、前記第１の電極に対向し、誘電体層とこの誘電体層に内挿された第１の内挿電極とを有する第１の対向壁と、前記第２の電極に対向し、誘電体層とこの誘電体層に内挿された第２の内挿電極とを有する第２の対向壁と、前記第１の電極と前記第１の内挿電極の間、および前記第２の電極と前記第２の内挿電極の間に、それぞれに交流電圧を印加する交流電源とを備え、この交流電源から印加される交流電圧によって、前記第１の電極と前記第１の対向壁の間に形成される第１の流体流路および前記第２の電極と前記第２の対向壁の間に形成される第２の流体流路それぞれに放電プラズマ空間が形成される。

本発明によれば、流入した流体に固体電解質を伝導したイオンを作用させて酸化還元反応を行い、効率的にかつ制御性よく進行させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

［第１の実施形態］
図３は、本発明を適用した電気化学反応装置２０の第１の実施形態における構成を表している。なお、図１の固体電解質を用いた従来の排ガス処理装置１の構成と対応するものについては、同一の符号を付している。

図３に示されるように、電気化学反応装置２０は、ガソリン車やディーゼル車などから排出される排ガスＸaが流入する流入口Ａと、処理後の排ガス（クリーンガスＸb）を外部に流出する流出口Ｂが設けられた筐体２１内部に、例えばＹＳＺなどからなる酸素イオン伝導性固体電解質１１をカソード側の混合電極１２とアノード側の混合電極１４で挟んだ反応部Ｒが設けられる。

一方、反応部Ｒのアノード側では、酸素イオン伝導性固体電解質１１の基板上に、アノード触媒と電極との混合（例えばＹＳＺとアルミン酸カルシウムの混合）からなる混合電極１４（酸化電極）がスクリーン印刷により形成され、形成された混合電極１４上に酸化電極の端子としてメッシュ形状の白金または銀電極からなる電極端子２２が設けられる。

反応部Ｒの電極端子１３−１乃至１３−ｎと電極端子２２の間には、直流電源２３により数Ｖ程度の直流電圧が印加される。反応部Ｒの電極間に数Ｖ程度の直流電圧を印加すると、酸素イオン伝導性固体電解質１１中をＯ^２−が移動し、反応部Ｒのカソード側とアノード側でそれぞれ還元反応と酸化反応が進行する。

反応部Ｒの上部には、酸素イオン伝導性固体電解質１１に対向してセラミックスなどのバリア材（誘電体）からなる対向壁２４が配置され、対向壁２４には内挿電極２５が所定の位置に内挿される。カソード側の電極端子１３−１乃至１３−ｎと内挿電極２５の電極間には、放電用電源２６により交流電圧が印加されており、酸素イオン伝導性固体電解質１１と対向壁２４との間にプラズマ放電が生じ、図３に示されるような放電プラズマ空間Ｓが形成される。すなわち、内挿電極２５上に誘電体層が形成されることにより、効果的なプラズマ放電が促進される。

また、酸素イオン伝導性固体電解質１１と対向壁２４により挟まれた放電プラズマ空間Ｓには、流入口Ａから第１の流路Ｐ_１を介して排ガスＸaが流入し、放電プラズマの作用により活性化される。

反応部Ｒの下部には、酸素イオン伝導性固体電解質１１に対向する対向壁２７が配置され、流入口Ａから排ガスＸaが流入する第２の流路Ｐ_２が形成される。

次に、本発明を適用した電気化学反応装置２０における排ガス処理について説明する。

電気化学反応装置２０にガソリン車やディーゼル車などから排出された排ガスＸa（例えば、ＮＯなどのＮＯｘや粒子状物質（以下、単に「ＰＭ」という。）、空気中に存在するＯ_２などを含むガス）が流入すると、電気化学反応装置２０内の第１の流路Ｐ_１と第２の流路Ｐ_２にそれぞれ排ガスＸaが流入する。

排ガスＸaが第１の流路Ｐ_１に流入すると、酸素イオン伝導性固体電解質１１と対向壁２４との間に形成された放電プラズマ空間Ｓにおいて、放電プラズマの作用により反応活性種などが生成される。

具体的には、放電プラズマ空間Ｓにおいては、放電プラズマの作用により電子にエネルギーが与えられ、エネルギーが与えられた電子が流入した排ガスＸaに含まれる気体分子と衝突し、下記に示されるようにラジカル連鎖反応を起こす。
［化１］
e＋Ｏ_２→Ｏ＋Ｏ＋e
Ｏ＋Ｏ_２＋Ｍ→Ｏ_３＋Ｍ

これにより、放電プラズマ空間Ｓにおいては、ＯやＯ_３などの反応活性種が生成される。その後、生成されたこれらの反応活性種と放電プラズマ空間内の分子との下記に示される反応により、ＮＯ_２やＨＣＯなどの反応活性種が生成される。
［化２］
ＮＯ＋Ｏ_３→ＮＯ_２＋Ｏ_２
ＨＣ＋ＯＨ、Ｏ_３→ＨＣＯ（ＨＣの部分酸化反応）

このように、放電プラズマ空間Ｓにおいては、放電プラズマの作用による一連の反応により、流入口Ａから流入された排ガスＸa中に存在しなかった反応活性種などが生成される。反応活性種が生成されると、第１の流路Ｐ_１に流入した排ガスＸaとともに、反応部Ｒのカソード側において還元反応が進行する。

反応部Ｒにおける酸化還元反応は概ね８段階で進行し、カソード側の混合電極１２上では吸着、解離、および還元反応の段階があり、酸素イオン伝導性固体電解質１１中ではＯ^２−の移動の段階があり、そして、アノード側の混合電極１４上では吸着、解離、酸化反応、および脱離の段階がある。また、カソード側の混合電極１２での段階、酸素イオン伝導性固体電解質１１中での段階、そして、アノード側の混合電極１４での段階はそれぞれ律速段階となり得る可能性を有しており、反応部Ｒにおける酸化還元反応の反応速度や反応率などを決定する重要な要因となっている。

具体的には、図４に示されるように、排ガス中Ｘaに含まれるＯ_２は、第１段階でカソード側の混合電極１２に吸着する。第２段階で混合電極１２に吸着したＯ_２が２つのＯ（酸素原子）に解離する。第３段階で解離されたＯについて還元反応が起き、第４段階でカソード側においてＯ^２−が生成される。

排ガス中Ｘaに含まれるＯ_３は、第１段階でカソード側の混合電極１２に吸着する。第２段階で混合電極１２に吸着したＯ_３がＯ（酸素原子）とＯ_２に解離する。第３段階で解離されたＯについて還元反応が起き、第４段階でカソード側において１つのＯ^２−が生成される。解離されたＯ_２についてはその後２つのＯ^２−が生成される。

排ガス中Ｘaに含まれる２ＮＯは、第１段階でカソード側の混合電極１２に吸着する。第２段階で混合電極１２に吸着した２ＮＯが２つのＯ（酸素原子）とＮ_２に解離する。第３段階で解離された２つのＯについて還元反応が起き、第４段階でカソード側において２つのＯ^２−が生成される。

排ガス中Ｘaに含まれる２ＮＯ_２は、第１段階でカソード側の混合電極１２に吸着する。第２段階で混合電極１２に吸着した２ＮＯ_２が４つのＯ（酸素原子）とＮ_２に解離する。第３段階で解離された４つのＯについて還元反応が起き、第４段階でカソード側において４つのＯ^２−が生成される。

これにより、プラズマ放電をしない場合に比べて、カソード側における還元反応により生成されるＯ^２−の量を増加させ、それに伴い、カソード側から酸素イオン伝導性固体電解質１１を介してアノード側に移動するＯ^２−の量を増加させ、その結果、反応系全体の反応速度を高めることができる。

また、ＮＯやＮ_２Ｏなどの窒素酸化物の中では、ＮＯ_２が混合電極１２に対して最も吸着力の強い化合物であるが、本発明を適用した電気化学反応装置２０においては、放電プラズマの作用によりＮＯ_２を生成するようにしているので、プラズマ放電をしない場合に比べて、カソード側の還元反応における吸着反応を促進させ、カソード側の還元反応の反応速度を高めることができる。その結果、反応系全体の反応速度を高めることができる。

さらに、カソード側の還元反応においては、排ガスＸaに含まれるＯ_２が混合電極１２に吸着すると、Ｏへの解離が必要であるが、放電プラズマの作用により生成された反応活性種Ｏは、混合電極１２への吸着時に解離を必要とせず、また、放電プラズマの作用により生成された反応活性種Ｏ_３のＯへの解離速度は速いため、カソード側の還元反応の反応速度を高めることができる。その結果、反応系全体の反応速度を高めることができる。

また、放電プラズマの作用により生成される反応活性種などの量は、放電用電源２６から印加される交流電圧の大きさにより電気的に瞬時に制御することができるため、電気化学反応装置２０に供給される排ガスＸaの温度や種類（例えば、ＰＭの量が多い排ガスなど）に応じて、生成される反応活性種などの量を容易に、かつ、好適に制御することができる。

一方、排ガスＸaが第２の流路Ｐ_２に流入すると、アノード側で酸化反応が進行する。具体的には、排ガスＸaに含まれるＰＭは微粒子であることから、その一部は混合電極１４に物理的に吸着される。吸着されたＰＭは、酸素イオン伝導性固体電解質１１中を移動したＯ^２−により酸化され、ＣＯ_２が生成される（すなわち、排ガスＸaに含まれるＰＭがアノード側の酸化反応により燃焼する）。

本発明を適用した電気化学反応装置２０においては、放電プラズマの作用により、カソード側の還元反応の反応速度を高め、酸素イオン伝導性固体電解質１１中を移動するＯ^２−の量を増加させるようにしたので、混合電極１４に吸着されたＰＭの単位時間当たりの燃焼量を増加させ、ＰＭの燃焼効率を向上させることができる。これにより、反応系全体の反応速度や反応効率を高め、流入した流体に固体電解質を伝導したイオンを作用させて行う酸化還元反応を効率的にかつ制御性よく進行させることができる。また、反応系全体の温度を低下させることができ、電気化学反応装置２０における安全性を向上させることができる。

［第２の実施形態］
ところで、図３の電気化学反応装置２０においては、ガソリン車やディーゼル車などから排出される排ガスＸaを電気化学反応装置２０の第１の流路Ｐ_１と第２の流路Ｐ_２に流入させるようにしているが、排ガスＸaを放電プラズマ空間Ｓに直接流入させると、排ガスＸaに含まれるＰＭの部分酸化などにより電極端子１３−１乃至１３−ｎなどが汚れてしまい、放電プラズマ空間Ｓにおけるバリア放電が不安定になってしまう場合が考えられる。

そこで、図５に示されるように、放電プラズマ空間Ｓが形成された第１の流路Ｐ_１に遮断壁２８を設け、流入する排ガスＸaの直接的な流入を防止し、第２の流路Ｐ_２に迂回させて流入するようにしてもよい。例えば、第２の流路Ｐ_２を流入し、その後、アノード側における酸化反応により排ガスＸaに含まれるＰＭが燃焼してＣＯ_２が生成され、ＰＭが除かれた排ガスＸaを還流させて第１の流路Ｐ_１に流入するようにする。これにより、放電プラズマ空間Ｓに、ＰＭが除かれた排ガスＸaを流入することができ、ＰＭが含まれる排ガスＸaの流入を防止することができる。従って、排ガスＸaに含まれるＰＭの部分酸化などにより電極端子１３−１乃至１３−ｎなどが汚れてしまい、放電プラズマ空間Ｓにおけるバリア放電が不安定になることを防止することができる。

［第３の実施形態］
なお、図３と図５の電気化学反応装置２０においては、反応部Ｒのカソード側にのみ、プラズマ放電を行うことが可能な放電プラズマ空間Ｓを形成するようにしたが、このような場合に限られず、例えば図６に示されるように、反応部Ｒのアノード側にも放電プラズマ空間Ｓを形成するようにしてもよい。

図６の例の場合、反応部Ｒのアノード側では、酸素イオン伝導性固体電解質１１の基板上に、アノード触媒と電極の混合（例えばＹＳＺとアルミン酸カルシウムの混合）からなる混合電極１４（酸化電極）がスクリーン印刷により形成され、形成された混合電極１４上に酸化電極の端子として電極端子２２−１乃至２２−ｎが設けられる。

また、反応部Ｒの下部においても、図３と図５の対向壁２７の代わりに、上部と同様に、酸素イオン伝導性固体電解質１１に対向してセラミックスなどのバリア材（誘電体）からなる対向壁２４が配置され、対向壁２４には内挿電極２５が所定の位置に内挿される。アノード側の電極端子２２−１乃至２２−ｎと内挿電極２５の電極間には、放電用電源２６により交流電圧がカソード側と同様に印加されており、酸素イオン伝導性固体電解質１１と対向壁２４との間にプラズマ放電が生じ、アノード側においても図６に示されるような放電プラズマ空間Ｓが形成される。

次に、図６の電気化学反応装置２０における排ガス処理について説明する。なお、図３と図５の電気化学反応装置２０における排ガス処理と同様の部分については、その説明は繰り返しになるので省略する。

排ガスＸaが第２の流路Ｐ_２に流入すると、アノード側で酸化反応が進行する。具体的には、排ガスＸaに含まれるＰＭは微粒子であることから、その一部は混合電極１４に物理的に吸着される。ここで、図６の電気化学反応装置２０においては、アノード側においても放電用電源２６により交流電圧を印加するようにしているので、混合電極１４に物理的に吸着されるだけでなく、電気的にも吸着され、交流電圧を印加しない場合に比べて、より多くのＰＭが混合電極１４に吸着される。このことは、実験的にも確認されている。

その後、吸着されたＰＭは、酸素イオン伝導性固体電解質１１中を移動したＯ^２−により酸化され、ＣＯ_２が生成される（すなわち、排ガスＸaに含まれるＰＭがアノード側の酸化反応により燃焼する）。

ここで、アノード側の放電プラズマ空間Ｓにおいても、放電プラズマの作用により反応活性種などが生成される。具体的には、例えば反応活性種であるＯ_３が生成される。そのため、酸化力が強いＯ_３などの存在下においては、吸着されたＰＭは、酸素イオン伝導性固体電解質１１中を移動したＯ^２−により酸化されるだけでなく、生成されたＯ_３によっても酸化されるため、ＣＯ_２がより生成されやすくなる（すなわち、排ガスＸaに含まれるＰＭがアノード側の酸化反応により燃焼しやすくなる）。

これにより、混合電極１４に吸着されたＰＭの単位時間当たりの燃焼量をより増加させ、ＰＭの燃焼効率をより向上させることができる。その結果、反応系全体の反応速度や反応効率をより高め、流入した流体に固体電解質を伝導したイオンを作用させて行う酸化還元反応を効率的にかつ制御性よく進行させることができる。また、反応系全体の温度を低下させることができ、電気化学反応装置２０における安全性を向上させることができる。

［第４の実施形態］
ところで、図６の電気化学反応装置２０においては、ガソリン車やディーゼル車などから排出される排ガスＸaが流入する第２の流路Ｐ_２にも放電プラズマ空間Ｓを形成し、混合電極１４上におけるＰＭの燃焼効率をより向上させ、アノード側における酸化反応の反応速度や反応効率を高めるようにしているが、さらに混合電極１４上におけるＰＭの燃焼効率をより向上させるために、例えば図７に示されるような電気化学反応装置２０の構成にしてもよい。

図７の例の場合、アノード側の対向壁２４の表面に沿面電極端子２９−１乃至２９−ｎを設け、アノード側の電極端子２２−１乃至２２−８と沿面電極端子２９−１乃至２９−ｎの電極間に、集塵用電源３０により直流電圧が印加される。第２の流路Ｐ_２に流入した排ガスＸaに含まれるＰＭは、沿面電極端子２９−１乃至２９−ｎの近傍において、沿面電極端子２９−１乃至２９−ｎによる放電で荷電され、集塵用電源３０により作られる電界により混合電極１４の表面に静電気力で移動する。

これにより、第２の流路Ｐ_２に流入する排ガスＸaに含まれるＰＭを効率的に混合電極１４の表面に移動させることができ、混合電極１４への吸着反応を促進させ、アノード側の酸化反応の反応速度をさらに高めることができる。

なお、排ガスＸaの集塵にあたり、慣性力を用いてもよいし、多孔質の充填材などを用いたふるい作用を利用するようにしてもよい。

また、本発明の実施形態においては、排ガス処理に用いるようにしたが、このような場合に限られず、例えばベンゼンから電解質層を透過するＨ^＋存在下においてフェノールを合成する反応系（例えば、ＡＩＳＴＴＯＤＡＹ２００２年第３号第１５頁参照）などにも用いることができる。また、電解質層を通過したＨ^＋イオンと空気との反応による燃焼エネルギーを電気化学的に取り出す構成を有する燃料電池にも適用することができる。この場合においても、プラズマ放電の利用により、カソード側における還元反応あるいはアノード側における酸化反応の反応速度を高めることができ、反応系の全体の反応効率を向上させることができる。

さらに、本発明の実施形態においては、酸素イオン伝導性固体電解質１１の反応部Ｒと、その反応部Ｒの上部に、酸素イオン伝導性固体電解質１１に対向してセラミックスなどのバリア材（誘電体）からなる対向壁２４が配置され、反応部Ｒの下部には、酸素イオン伝導性固体電解質１１に対向する対向壁２７が配置されるようにしたが、このような場合に限られず、これらの一組のセットが幾重にも重なる多層構造にするようにしてもよい。

また、本発明の実施形態においては、バリア（誘電体）を用いたバリア放電に適用するようにしたが、このような場合に限られず、例えば流入する排ガスＸaが正常である場合（すなわち、流入する排ガスＸaが高温ではなく、かつ、ＰＭがないガスの場合）には、バリア材（誘電体）を用いないコロナ放電に適用するようにしてもよい。

なお、本発明の実施形態においては、固体電解質として酸素イオン伝導性固体電解質１１を用いるようにしたが、このような場合に限られず、他のイオン伝導性固体電解質を用いるようにしてもよい。

従来の排ガス処理装置の構成を示す図。従来の排ガス処理装置の他の構成を示す図。本発明を適用した電気化学反応装置の第１の実施形態における構成を示す図。図３の酸素イオン伝導性固体電解質における酸化還元反応の詳細について説明する説明図。本発明を適用した電気化学反応装置の第２の実施形態における構成を示す図。本発明を適用した電気化学反応装置の第３の実施形態における構成を示す図。本発明を適用した電気化学反応装置の第４の実施形態における構成を示す図。

符号の説明

１従来の排ガス処理装置
１０筐体
１１酸素イオン伝導性固体電解質
１２混合電極
１３−１乃至１３−ｎ電極端子
１４混合電極
１５配管
１６放電部
１７触媒反応部
２０電気化学反応装置
２１筐体
２２電極端子
２３直流電源
２４対向壁
２５内挿電極
２６放電用電源
２７対向壁
２８遮断壁
２９−１乃至２９−ｎ沿面電極端子
３０集塵用電源

Claims

電解質層を挟むカソードとしての第１の電極およびアノードとしての第２の電極と、
前記第１の電極に対向し、誘電体層とこの誘電体層に内挿された第１の内挿電極とを有する第１の対向壁と、
前記第２の電極に対向し、誘電体層とこの誘電体層に内挿された第２の内挿電極とを有する第２の対向壁と、
前記第１の電極と前記第１の内挿電極の間、および前記第２の電極と前記第２の内挿電極の間に、それぞれに交流電圧を印加する交流電源とを備え、
この交流電源から印加される交流電圧によって、前記第１の電極と前記第１の対向壁の間に形成される第１の流体流路および前記第２の電極と前記第２の対向壁の間に形成される第２の流体流路それぞれに放電プラズマ空間を形成させることを特徴とする電気化学反応装置。
前記第２の対向壁の前記第２の電極に対向する面に、前記第２の流体流路に流入する気体に含まれる粒子状物質を荷電するための放電を行う沿面電極を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電気化学反応装置。
電解質層を挟む前記第１の電極と第２の電極との間に印加される電圧は、直流電圧であることを特徴とする請求項２に記載の電気化学反応装置。
前記第１の流体流路と第２の流体流路とは、前記第１の電極および第２の電極に挟持された電解質層により分岐された分岐流路であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電気化学反応装置。
前記第１の流体流路に外部からの流体の第１の流体流路への直接的な流入を防止する遮断壁を設け、前記第２の流体流路から電解質層を迂回した流体が前記第１の流体流路に流入するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の電気化学反応装置。
前記第１の流体流路と第２の流体流路とは別個に流入する異なる流体の流路であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電気化学反応装置。