JP6881279B2 - 電気化学リアクタ及び電気化学リアクタを備えた内燃機関 - Google Patents

電気化学リアクタ及び電気化学リアクタを備えた内燃機関 Download PDF

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Description

本発明は、電気化学リアクタ及び電気化学リアクタを備えた内燃機関に関する。
従来から、プロト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と、固体電解質層の表面上に配置されたカソード層とを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、アノード層とカソード層とを通る電流を流すと、アノード層上にて水分子が分解されてプロトンと酸素が生成され、カソード層上にてＮＯｘがプロトンと反応して窒素と水分子が生成される。この結果、電気化学リアクタによってＮＯｘを浄化することができる。
特開２００６−３４６６２４号公報
上述したような電気化学リアクタでは、ＮＯｘの浄化には水分子が必要であることから、水分子を保持することができる材料でアノード層を形成することが考えられる。このように構成された電気化学リアクタでは、アノード層に保持されている水分子が分解されてプロトンが生成される。
ところで、このように構成された電気化学リアクタを例えば内燃機関の排気通路内に配置した場合、電気化学リアクタ周りを流れる排気ガス中の水分子の濃度（液体の水及び水蒸気の濃度）は一定ではなく、内燃機関の運転状態に応じて変化する。したがって、内燃機関の運転状態によっては排気ガス中の水分子の濃度が低くなり、よってアノード層に供給される水分子が減少する。このような状態でアノード層とカソード層とを通る電流を流してアノード層上での水分子の分解を続けると、アノード層での水分子の保持量が減少する。
一方、アノード層とカソード層とを通って流れる電流が大きいと、多量のプロトンがアノード層からカソード層に移動し、その結果、プロトンの一部はＮＯｘの浄化に寄与せずに、水素分子として排気ガス中に放出される。したがって、アノード層に保持されている水分子の量が減少しつつあるにもかかわらず電流を大きくすると、ＮＯｘの浄化に寄与しないプロトンを大量に生成しつつアノード層に保持されている水分子の量の減少を促進してしまうことになる。
そして最終的にはアノード層での水分子の保持量が少なくなり、アノード層からカソード層へ移動するプロトンの量が減少し、その結果、カソード層において還元、浄化されるＮＯｘ量が減少する。したがって、電気化学リアクタによるＮＯｘの浄化性能が低下してしまう。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電気化学リアクタにおいて、ＮＯｘの浄化に寄与しないプロトンを減少させることによって、アノード層における水分子の保持量が減少することに伴うＮＯｘの浄化性能の低下を抑制することにある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）プロト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ると共に水分子を保持可能なアノード層と、前記固体電解質層の表面上に配置されるカソード層と、前記アノード層と前記カソード層とを通って流れる電流を制御する電流制御装置とを備え、前記電流制御装置は、前記アノード層に保持された水分子が少なくなるときには、前記アノード層と前記カソード層とを通って流れる電流を小さくする、電気化学リアクタ。
（２）請求項１に記載の電気化学リアクタが排気通路内に設けられた内燃機関であって、前記電気化学リアクタは、前記アノード層及び前記カソード層のいずれもが排気ガスに曝されるように排気通路内に配置される、内燃機関。
（３）当該内燃機関は、内燃機関の作動中に内燃機関への燃料の供給を停止する燃料カット制御を行うように構成され、前記電流制御装置は、前記燃料カット制御が開始されるときには、前記アノード層に保持された水分子が少なくなるとして、前記電流を小さくする、請求項２に記載の内燃機関。
（４）当該内燃機関は内燃機関に供給される混合気の空燃比を変化させることができるように構成され、前記電流制御装置は、前記混合気の空燃比がリーン側に変化するときには、前記アノード層に保持された水分子が少なくなるとして、前記電流を小さくする、請求項２又は３に記載の内燃機関。
本発明によれば、電気化学リアクタにおいて、ＮＯｘの浄化に寄与しないプロトンを減少させることによって、アノード層における水分子の保持量が減少することに伴うＮＯｘの浄化性能の低下を抑制することができる。
図１は、内燃機関の概略的な構成図である。 図２は、電気化学リアクタの断面側面図である。 図３は、電気化学リアクタの隔壁を概略的に示す拡大断面図である。 図４は、電気化学リアクタの隔壁を概略的に示す拡大断面図である。 図５は、電源装置から電流が流されたときにおける隔壁周りで生じる反応を概略的に示す図である。 図６は、各気筒内に供給される混合気の空燃比と、アノード層とカソード層とを通って流れる電流との関係を示す図である。 図７は、電源装置によって行われる電流制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明の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。
＜内燃機関全体の説明＞
まず、図１を参照して、本発明の一つの実施形態に係る内燃機関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、吸気管３２内を流通する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及び電気化学リアクタ７０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を介して電気化学リアクタ７０に連通している。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。なお、排気系４０は、排気流れ方向において電気化学リアクタ７０の下流側又は上流側に、三元触媒やＮＯｘ吸蔵還元触媒等の触媒を備えていてもよい。
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。ＥＣＵ５１は、デジタルコンピュータから構成され、双方向性バス５２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）５４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）５５、入力ポート５６、及び出力ポート５７を備える。
吸気管３２には吸気管３２内を流れる吸気ガスの流量を検出する流量センサ（例えば、エアフロメータ）６１が設けられ、排気管４２（又は排気マニホルド４１）には電気化学リアクタ７０に流入する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ６２が設けられる。また、吸気管３２又は内燃機関１を搭載した車両には、各気筒１１に供給される空気（例えば、外気）の湿度を検出する湿度センサ６３が設けられる。これら流量センサ６１、空燃比センサ６２及び湿度センサ６３は、対応するＡＤ変換器５８を介して入力ポート５６に接続される。
また、アクセルペダル６４の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ６５が接続され、負荷センサ６５の出力電圧は対応するＡＤ変換器５８を介して入力ポート５６に入力される。クランク角センサ６６は機関本体１０のクランクシャフトが例えば１０°回転する毎に出力パルスを発生する。この出力パルスは入力ポート５６に入力され、ＣＰＵ５５ではこの出力パルスに基づいて機関回転速度が算出される。
一方、ＥＣＵ５１の出力ポート５７は、対応する駆動回路５９を介して、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、出力ポート５７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に接続されている。ＥＣＵ５１は、これらアクチュエータを制御する制御信号を出力ポート５７から出力して、内燃機関１の運転を制御する。
＜内燃機関の制御＞
制御装置５０は、このようにして入力された機関負荷及び機関回転速度等に基づいて、燃料噴射弁２１から噴射される燃料量を制御する噴射量制御を行う。噴射量制御では、基本的には、機関負荷が高くなるほど、各サイクル中に燃料噴射弁２１から噴射される燃料の量が多くなるように噴射量が制御される。これに対して、本実施形態では、機関負荷が変化しても、各気筒１１に供給される空気量はそれほど変化しない。この結果、機関負荷が高くなるほど、各気筒１１内に供給される混合気の空燃比が高くなる。
また、本実施形態の制御装置５０は、例えば、内燃機関１の搭載された車両の減速時等に、内燃機関の作動中（すなわち、機関本体１０のクランクシャフトの回転中）に燃料噴射弁２１からの燃料噴射を一時的に停止する燃料カット制御を行う。具体的には、燃料カット制御では、例えば、負荷センサ６５によって検出される機関負荷がゼロ又は所定の上限値以下であって、クランク角センサ６６の出力に基づいて算出される機関回転速度が所定の下限値（例えば、２０００ｒｐｍ）以上であるときに、燃料カット制御が実行され、燃料噴射弁２１からの燃料噴射が停止せしめられる。
なお、本実施形態では、機関本体１０には点火プラグが設けられておらず、内燃機関１は圧縮自着火式の内燃機関である。しかしながら、内燃機関１は、点火プラグによる火花で混合気への点火を行う、火花点火式の内燃機関であってもよい。この場合、噴射量制御では、各気筒１１に供給される混合気の空燃比が目標空燃比になるように噴射量が制御される。目標空燃比は、例えば、機関運転状態に応じて理論空燃比近傍で変化するように設定される。また、火花点火式の内燃機関であっても、燃料カット制御は同様に行われる。
＜電気化学リアクタの構成＞
次に、図２及び図３を参照して、本実施形態に係る電気化学リアクタ７０の構成について説明する。図２は、電気化学リアクタ７０の断面側面図である。図２に示したように、電気化学リアクタ７０は、隔壁７１と、隔壁によって画定される通路７２とを備える。隔壁７１は、互いに平行に延びる複数の第１隔壁と、これら第１隔壁に対して垂直に且つ互いに平行に延びる複数の第２隔壁とを備える。通路７２は、これら第１隔壁及び第２隔壁によって画定され、互いに平行に延びる。したがって、本実施形態に係る電気化学リアクタ７０は、ハニカム構造を有する。電気化学リアクタ７０に流入した排気ガスは複数の通路７２を通って流れる。
図３は、電気化学リアクタ７０の隔壁７１の拡大断面図である。図３に示したように、電気化学リアクタ７０の隔壁７１は、固体電解質層７５と、固体電解質層７５の一方の表面上に配置されたアノード層７６と、アノード層７６が配置された表面とは反対側の固体電解質層７５の表面上に配置されたカソード層７７とを備える。
固体電解質層７５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-xＲxＯ3-α（Ｍ＝Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍ’＝Ｃｅ，Ｚｒ、Ｒ＝Ｙ、Ｙｂであり、例えば、ＳｒＺｒxＹｂ1-xＯ3-α、ＳｒＣｅＯ3、ＢａＣｅＯ3、ＣａＺｒＯ3、ＳｒＺｒＯ3など）、リン酸塩（例えば、ＳｉＯ2−Ｐ2Ｏ5系ガラスなど）、又は金属ドープＳｎxＩｎ1-xＰ2Ｏ7（例えば、ＳｎＰ2Ｏ7など）が使用される。
アノード層７６及びカソード層７７は、共にＰｔ、Ｐｄ又はＲｈ等の貴金属を含む。また、アノード層７６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。一方、カソード層７７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。
また、電気化学リアクタ７０は、電源装置７３と電流計７４とを備える。電源装置７３の正極はアノード層７６に接続され、電源装置７３の負極はカソード層７７に接続される。電源装置７３は、カソード層７７、固体電解質層７５及びアノード層７６を通って流れる電流を変化させることができるように構成される。また、電源装置７３は、アノード層７６とカソード層７７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、電源装置７３は、電流計７４と直列に接続されている。また、電流計７４は、対応するＡＤ変換器５８を介して入力ポート５６に接続される。電源装置７３は、対応する駆動回路５９を介してＥＣＵ５１の出力ポート５７に接続され、電源装置７３はＥＣＵ５１によって制御される。したがって、電源装置７３及びＥＣＵ５１は、アノード層７６及びカソード層７７とを通って流れる電流を制御する電流制御装置として機能する。
特に、本実施形態では、電源装置７３は、電流計７４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。
このように構成された電気化学リアクタ７０では、電源装置７３からアノード層７６及びカソード層７７に電流が流されると、アノード層７６及びカソード層７７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
カソード側 ２ＮＯ＋４Ｈ+＋４ｅ→Ｎ2＋２Ｈ2Ｏ
すなわち、アノード層７６では、アノード層７６に保持されている水分子が電気分解されて酸素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７５内をアノード層７６からカソード層７７へと移動する。カソード層７７では、カソード層７７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、電気化学リアクタ７０の電源装置７３からアノード層７６及びカソード層７７に電流を流すことにより、排気ガス中のＮＯをＮ2に還元、浄化することができる。
なお、上記実施形態では、アノード層７６及びカソード層７７は固体電解質層７５の反対側の二つの表面上に配置されている。しかしながら、アノード層７６及びカソード層７７は、固体電解質層７５の同一の表面上に配置されてもよい。この場合、プロトンは、アノード層７６及びカソード層７７が配置された固体電解質層７５の表面近傍を移動することになる。
また、図５に示したように、アノード層７６は、電気伝導性を有する貴金属を含む導電層７６ａと、水分子を保持可能な物質を含む水分子保持層７６ｂとの二つの層を含んでもよい。この場合、固体電解質層７５の表面上に導電層７６ａが配置され、固体電解質層７５側とは反対側の導電層７６ａの表面上に水分子保持層７６ｂが配置される。
同様に、カソード層７７は、電気伝導性を有する貴金属を含む導電層７７ａと、ＮＯｘを保持可能な物質を含むＮＯｘ保持層７７ｂとの二つの層を含んでもよい。この場合、固体電解質層７５の表面上に導電層７７ａが配置され、固体電解質層７５側とは反対側の導電層７７ａの表面上にＮＯｘ保持層７７ｂが配置される。
＜電気化学リアクタの性質＞
次に、図５を参照して、上述したように構成された電気化学リアクタ７０の性質について簡単に説明する。図５（Ａ）は、電源装置７３から流される電流が小さいときにおける隔壁７１周りで生じる反応を概略的に示す図である。図５（Ｂ）は、電源装置７３から流される電流が大きいときにおける隔壁７１周りで生じる反応を概略的に示す図である。
図５（Ａ）に示したように、電源装置７３から流される電流が小さいときには、固体電解質層７５内をアノード層７６からカソード層７７に移動したプロトンは少ない。このため、カソード層７７に移動したプロトンのほとんどは、カソード層７７に保持されているＮＯと反応し、Ｎ2が生成される。
一方、図５（Ｂ）に示したように、電源装置７３から流される電流が大きいときには、固体電解質層７５内をアノード層７６からカソード層７７に多くのプロトンが移動する。このため、カソード層７７でのＮＯの浄化率は電源装置７３から流される電流が小さいときに比べて多少高くなるものの、カソード層７７に移動したプロトンの一部は、カソード層７７に保持されているＮＯと反応せずに、水素分子として排気ガス中に放出される。したがって、電源装置７３から流される電流が大きいと、アノード層７６に保持されている水分子から必要以上にプロトンが生成されることになる。
ところで、排気ガス中に含まれる水分子の濃度は機関運転状態に応じて変化する。すなわち、機関本体１０の各気筒１１内で混合気が燃焼すると、この燃焼に伴って水分子が生成される。このため、機関運転状態が変化して燃料噴射弁２１からの燃料供給量が変化したりすると、排気ガス中に含まれる水分子の濃度が変化することになる。したがって、例えば、上述した燃料カット制御が行われているときには、排気ガス中には水分子がほとんど含まれていない。
また、各気筒１１内に供給される混合気の空燃比が高い（リーン側）ときには、低い（リッチ側）ときに比べて、供給された燃料に対する空気の比率が高い。したがって、このとき、各気筒１１内で混合気が燃焼した後には、排気ガス中の水分子に対する空気の比率が高く、よって排気ガス中の水分子の濃度が低い。したがって、各気筒１１内に供給される混合気の空燃比に応じて、排気ガス中の水分子の濃度が変化する。
排気ガス中の水分子の濃度が低いと、平衡状態におけるアノード層７６での水分子の保持量が少ない。したがって、排気ガス中の水分子の濃度が低下すると、これに伴ってアノード層７６での水分子の保持量が減少する。
このように平衡状態におけるアノード層７６での水分子の保持量が減少するときに、電源装置７３から大きな電流が流されると、アノード層７６に保持されている水分子の量は急激に減少する。その結果、アノード層７６に保持されている水分子の量が少なくなると、十分にプロトンを生成することができなくなり、ＮＯｘの浄化性能の低下を招く。
特に、図５（Ｂ）を参照して説明したように、電源装置７３から流される電流値が大きいときには、プロトンの一部はＮＯｘの浄化に寄与しない。したがって、アノード層７６での水分子の保持量が減少しつつあるにもかかわらず電源装置７３から流される電流値を大きくすると、ＮＯｘの浄化に寄与しないプロトンを大量に生成しつつアノード層での水分子の保持量の減少を促進してしまうことになる。このため、排気ガス中の水分子の濃度が低い場合には、電源装置７３から流される電流値を小さくして、過剰なプロトンの生成を抑制することが必要である。
＜電気化学リアクタの制御＞
そこで、本実施形態では、電源装置７３は、アノード層７６に保持される水分子が相対的に少ないときには、相対的に多いときに比べて、アノード層７６とカソード層７７とを通って流れる電流を小さくする。特に、本実施形態では、電源装置７３は、アノード層７６に保持される水分子が少なくなるほど、アノード層７６とカソード層７７とを通って流れる電流を小さくする。
図６は、各気筒１１内に供給される混合気の空燃比と、アノード層７６とカソード層７７とを通って流れる電流との関係を示す図である。
ここで、上述したように、各気筒１１内に供給される混合気の空燃比が高くなると（リーン側になると）、排気ガス中の水分子の濃度が低下し、結果的にアノード層７６に保持されている水分子が減少する傾向にある。このため、図６に示した例では、各気筒１１内に供給される混合気の空燃比が高くなるほど、すなわちアノード層７６に保持される水分子が少なくなるほど、アノード層７６とカソード層７７とを通って流れる電流を小さくするようにしている。なお、図６に示した例では、混合気の空燃比が高くなるのに比例して電流を小さくしているが、必ずしも混合気の空燃比に比例して電流を変化させる必要はない。
加えて、本実施形態では、電源装置７３は、燃料カット制御を行うことによって各気筒１１内に燃料が供給されずに空気が供給されるときには、アノード層７６とカソード層７７とを通って流れる電流を非常に小さくする。或いは、電源装置７３は、このときアノード層７６とカソード層７７とを通って流れる電流をほぼゼロとする。
したがって、見方を変えると、電源装置７３は、アノード層７６に保持された水分子が少なくなるように変化するときには、アノード層７６とカソード層７７とを通って流れる電流を小さくなるよう変化させているといえる。
アノード層７６に保持された水分子が少なくなるときとは、排気ガス中の水分子の濃度が低下するときを意味する。また、アノード層７６に保持された水分子が少なくなるときは、実際にアノード層７６に保持された水分子が少なくなるように変化しているときのみならず、内燃機関１の各種アクチュエータ（燃料噴射弁２１、スロットル弁３６等）を操作することによってアノード層７６に保持された水分子が少なくなると予想されるときを含む。したがって、アノード層７６に保持された水分子が少なくなるときは、例えば、各気筒１１内に供給される混合気の空燃比が高くなるように（リーン側へ）変化したときや、燃料カット制御が開始されたときを含む。
図７は、電源装置７３によって行われる電流制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔毎に行われる。
図７に示したように、まずステップＳ１１では、各サイクルにおける燃料噴射弁２１から各気筒１１への燃料噴射量Ｑが取得される。燃料噴射量Ｑは、例えば、ＥＣＵ５１において算出される各燃料噴射弁２１からの目標燃料噴射量に基づいて算出される。各燃料噴射弁２１は、その燃料噴射弁２１からの各サイクルにおける燃料噴射量が目標燃料噴射量となるように制御される。
次いで、ステップＳ１２では、ステップＳ１１で取得された各気筒１１への燃料噴射量Ｑが０よりも多いか否かが判定される。ステップＳ１２において、各気筒１１への燃料噴射量Ｑが０よりも多いと判定された場合、すなわち燃料カット制御の実行中ではないと判定された場合には、ステップＳ１３へと進む。
ステップＳ１３では、空燃比センサ６２により電気化学リアクタ７０に流入する排気ガスの空燃比が取得される。次いで、ステップＳ１４では、ステップＳ１３にて取得された排気ガスの空燃比に基づいて、図６に示したようなマップを用いて、目標電流値Ｉが算出される。電源装置７３は、アノード層７６とカソード層７７とを通って流れる電流が目標電流値Ｉとなるように制御され、制御ルーチンが終了せしめられる。
一方、ステップＳ１２において、各気筒１１への燃料噴射量Ｑが０であると判定された場合、すなわち燃料カットの実行中であると判定された場合には、ステップＳ１５へと進む。ステップＳ１５では、目標電流値Ｉがゼロに設定される。したがって、電源装置７３は、アノード層７６とカソード層７７とを通る電流を流さないように制御され、制御ルーチンが終了せしめられる。
＜作用・効果＞
本実施形態に係る内燃機関１では、排気ガス中の水分子の濃度が低いとき、すなわちアノード層７６に保持される水分子が相対的に少ないときに、アノード層７６とカソード層７７とを通って流れる電流が小さくされる。これにより、過剰なプロトンの生成が抑制され、アノード層７６に保持されている水分子の量が減少するのを抑制することができ、アノード層７６に保持されている水分子の量が減少することに伴うＮＯｘの浄化性能の低下を抑制することができる。
その一方で、本実施形態では、各気筒１１にて混合気の燃焼が行われて排気ガス中に水分子が含まれているときには、アノード層７６とカソード層７７とを通って電流が多少小さくされながらも流される。したがって、このときにはアノード層７６にてプロトンの生成が行われることから、カソード層７７に保持されたＮＯｘの浄化を維持することができる。
ところで、カソード層７７に保持されているＮＯｘとプロトンとの反応における反応速度ｖは下記式（１）で表される。
Figure 0006881279
 …（１）
式（１）において、Ａ、α、βは定数、ΔＥは活性化エネルギ、Ｒは気体定数、Ｔは温度をそれぞれ表している。また、［ＮＯｘ］はＮＯｘの濃度、［Ｈ+］はプロトンの濃度をそれぞれ表している。式（１）からわかるように、ＮＯｘとプロトンとの反応における反応速度ｖは、ＮＯｘの濃度［ＮＯｘ］が高いほど且つプロトンの濃度［Ｈ+］が高いほど速い。
ここで、排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合には、排気ガス中のＮＯｘは排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等と反応するため、排気ガス中のＮＯｘの濃度が低くなる。したがって、この場合、カソード層７７に保持されているＮＯｘの量が減少する傾向にある。このようにカソード層７７に保持されているＮＯｘの量が減少すると、式（１）中のＮＯｘの濃度［ＮＯｘ］が低下することから、ＮＯｘとプロトンとの反応における反応速度が遅くなる。
これに対して、本実施形態に係る内燃機関１では、各気筒１１内に供給される混合気の空燃比が高くなるほど、アノード層７６とカソード層７７とを通って流れる電流が小さくされる。逆に言うと、本実施形態に係る内燃機関１では、排気ガスの空燃比が低くなるほど（リッチ側の空燃比になるほど）、単位時間当たりにカソード層７７に供給されるプロトンの量が増大せしめられる。この結果、カソード層７７において、式（１）中のプロトンの濃度［Ｈ＋］が増大する。したがって、本実施形態によれば、排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合であっても、ＮＯｘとプロトンとの反応における反応速度を高く維持することができる。
＜変形例＞
次に、上記実施形態の変形例について説明する。上記実施形態では、各気筒１１内に供給される混合気の空燃比、及び燃料カット制御の実施の有無に応じて、アノード層７６とカソード層７７とを通って流れる電流を制御している。しかしながら、アノード層７６に保持されている水分子の量は、これら以外の要因に応じても変化する。
例えば、排気ガスの温度等が上昇することによって、電気化学リアクタ７０の温度、特にその隔壁７１の温度が上昇すると、水分子はアノード層７６に保持されにくくなる。したがって、電気化学リアクタ７０の温度が高くなるほど、アノード層７６に保持される水分子の量が減少する。したがって、電源装置７３は、電気化学リアクタ７０の温度が高くなるほど、アノード層７６とカソード層７７とを通って流れる電流を小さくするように制御されてもよい。
また、各気筒１１に供給される空気の湿度（すなわち、内燃機関１を搭載した車両周りの大気の湿度）が低いときには、各気筒１１から排出される排気ガスの湿度も低い。この結果、各気筒１１に供給される空気の湿度が低いときには、アノード層７６に保持される水分子の量が減少する。したがって、電源装置７３は、湿度センサ６３によって検出された湿度が低くなるほど、アノード層７６とカソード層７７とを通って流れる電流を小さくするように制御されてもよい。
加えて、上記実施形態では、燃料カット制御の実行中にはアノード層７６とカソード層７７とを通って流れる電流がゼロになるように電源装置７３が制御される。しかしながら、電源装置７３は、燃料カット制御の実行中であっても、アノード層７６とカソード層７７とを通って僅かながら電流が流れるように制御されてもよい。燃料カット制御中には電気化学リアクタ７０に流入するガス中の水分子の濃度は、各気筒１１に供給される空気の湿度に応じて変化することから、湿度センサ６３によって検出された湿度が低くなるほどアノード層７６とカソード層７７とを通って流れる電流を小さくすることが好ましい。
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
５０ 制御装置
７０ 電気化学リアクタ
７１ 隔壁
７２ 通路
７３ 電源装置
７５ 固体電解質層
７６ アノード層
７７ カソード層

Claims (2)

  1. 電気化学リアクタが排気通路内に設けられた内燃機関であって、
    前記電気化学リアクタは、プロト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ると共に水分子を保持可能なアノード層と、前記固体電解質層の表面上に配置されるカソード層と、前記アノード層と前記カソード層とを通って流れる電流を制御する電流制御装置とを備え、
    前記電流制御装置は、前記アノード層に保持された水分子が少なくなるときには、前記アノード層と前記カソード層とを通って流れる電流を小さくし、
    前記電気化学リアクタは、前記アノード層及び前記カソード層のいずれもが排気ガスに曝されるように排気通路内に配置され、
    当該内燃機関は、内燃機関の作動中に内燃機関への燃料の供給を停止する燃料カット制御を行うように構成され、
    前記電流制御装置は、前記燃料カット制御が開始されるときには、前記アノード層に保持された水分子が少なくなるとして、前記電流を小さくする、内燃機関。
  2. 当該内燃機関は内燃機関に供給される混合気の空燃比を変化させることができるように構成され、
    前記電流制御装置は、前記混合気の空燃比がリーン側に変化するときには、前記アノード層に保持された水分子が少なくなるとして、前記電流を小さくする、請求項１に記載の内燃機関。
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