(57)【要約】【課題】排出ガスに含まれるディーゼル微粒子の浄化が可能であり、その浄化を効率良く行わせることのできる浄化装置を提供することを目的とする。【解決手段】酸素イオン導電性を有する固体電解質１と、固体電解質１の両面間に電圧を印加させる印加手段２とを備えている。印加手段２は、ディーゼル微粒子が堆積される固体電解質１の一面１０側がアノード側となるよう電圧を印加させる。【選択図】      図１
2006200520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン導電性を有する固体電解質と、この固体電解質のうちディーゼル微粒子が堆積される一面側がアノード側となるよう当該固体電解質の両面間に電圧を印加させる印加手段と、を備えたことを特徴とする浄化装置。
【請求項２】
前記固体電解質は他面側にカソード側とされる電極が設けられ、前記固体電解質の一面側にディーゼル微粒子が堆積すると当該ディーゼル微粒子に前記印加手段により通電がされて当該ディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子自体をアノードとさせる請求項１に記載の浄化装置。
【請求項３】
酸素イオン導電性を有する固体電解質と、この固体電解質のうちディーゼル微粒子が堆積される一面側がアノード側となるよう当該固体電解質の両面間に電圧を印加させる印加手段と、前記固体電解質の一面側に設けられて窒素酸化物を吸着させる吸着材と、前記固体電解質の一面側に設けられた酸化触媒と、を備えたことを特徴とする浄化装置。
【請求項４】
前記印加手段は、印加電圧の極性を周期的に反転させる切り換え手段を有している請求項３に記載の浄化装置。
【請求項５】
酸素イオン導電性を有する固体電解質と、この固体電解質のうち、燃焼器から排出される未燃焼微粒子が堆積される一面側がアノード側となるよう当該固体電解質の両面間に電圧を印加させる印加手段と、を備えたことを特徴とする浄化装置。
【請求項６】
イオン導電性を有して一面側に酸素イオンを与え得る固体電解質と、この固体電解質の一面側と他面側にそれぞれ設けられた第１電極と第２電極と、を有する浄化構造体を備え、この浄化構造体は、燃焼器から排出される未燃焼微粒子を含む排出ガスを前記第１電極側から前記第２電極側へ通すことによって当該微粒子を当該第１電極側に捕集することができる多孔質とされ、前記第１電極側は、捕集した前記微粒子を、前記固体電解質によって当該第１電極側へ与えられた酸素イオンにより酸化させる酸化部とされていることを特徴とする浄化装置。
【請求項７】
前記浄化構造体の前記第２電極側は、当該浄化構造体を透過した排出ガスに含まれる窒素酸化物を還元する還元部とされている請求項６に記載の浄化装置。
【請求項８】
前記浄化構造体の第２電極側に、前記窒素酸化物を吸着させる吸着材が設けられている請求項７に記載の浄化装置。
【請求項９】
前記浄化構造体の第２電極側に、セリア又はセリア酸化物が設けられている請求項７に記載の浄化装置。
【請求項１０】
前記浄化構造体は、前記第１電極側がアノード側となるよう両電極間に電圧を印加させている状態と、両電極間において印加を止めて閉回路を構成している状態とに切り換え可能な制御手段と接続されている請求項６〜９のいずれか一項に記載の浄化装置。
【請求項１１】
酸素イオン導電性を有する固体電解質の両面間に電圧を印加させ、カソード側からアノード側へ酸素イオンを供給し、この酸素イオンにより前記固体電解質のアノード側に存在するディーゼル微粒子を酸化させることを特徴とする浄化方法。
【請求項１２】
酸素イオン導電性を有する固体電解質の両面間に電圧を印加させ、カソード側からアノード側へ酸素イオンを供給し、この酸化イオンにより前記固体電解質のアノード側に存在するディーゼル微粒子を酸化させて一酸化炭素を含む炭素酸化物とし、前記ディーゼル微粒子と共に排出ガス中に存在していた一酸化窒素を前記固体電解質のアノード側において酸化触媒を用いて酸化させて二酸化窒素とし、この二酸化窒素を前記アノード側において吸着させ、吸着させた二酸化窒素を前記一酸化炭素によって還元することを特徴とする浄化方法。
【請求項１３】
イオン導電性を有して一面側に酸素イオンを与え得る多孔質からなる固体電解質の当該一面側から他面側へ未燃焼微粒子を含む排出ガスを通すことにより、当該微粒子を当該一面側に捕集し、捕集したこの微粒子を、前記固体電解質によって前記一面側に与えられた前記酸素イオンにより酸化させることを特徴とする浄化方法。
【請求項１４】
前記固体電解質の他面側に透過した排出ガスに含まれる窒素酸化物を、当該他面側で還元する請求項１３に記載の浄化方法。
【請求項１５】
ディーゼル微粒子及び窒素酸化物を含む排出ガスを通過させる排気流路と、この排気流路の一部に設けられている排出ガス浄化装置と、を備えた排出ガス浄化システムであって、前記排出ガス浄化装置は、一面側が前記排気流路からの排出ガスと接触するよう設けられかつ他面側が大気中に設けられると共に酸素イオン導電性を有する固体電解質と、この固定電解質の前記一面側に設けられて窒素酸化物を吸着させる吸着材と、前記固体電解質の一面側に設けられた酸化触媒と、前記固体電解質の前記一面側をアノード側としてかつ前記他面側をカソード側とさせるよう当該固体電解質の両面間に電圧を印加させる印加手段と、を備えたことを特徴とする排出ガス浄化システム。
【請求項１６】
燃焼器から排出される未燃焼微粒子及び窒素酸化物を含む排出ガスを通過させる排気流路と、この排気流路の一部に設けられている排出ガス浄化装置と、を備えた排出ガス浄化システムであって、前記排出ガス浄化装置は、イオン導電性を有して一面側に酸素イオンを与え得る固体電解質と、この固体電解質の一面側と他面側にそれぞれ設けられた第１電極と第２電極と、を有する浄化構造体を備え、この浄化構造体は、前記排気流路からの排出ガスを前記第１電極側から前記第２電極側へ通すことによって前記微粒子を当該第１電極側に捕集することができる多孔質とされ、前記第１電極側は、捕集された当該微粒子を、前記固体電解質によって当該第１電極側へ与えられた酸素イオンにより酸化させる酸化部とされ、かつ、前記第２電極側は、前記浄化構造体を透過した排出ガスに含まれる窒素酸化物を還元する還元部とされていることを特徴とする排出ガス浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃焼器から排出される未燃焼微粒子（ディーゼル微粒子）や窒素酸化物の浄化を行う浄化装置、浄化方法、及び、ディーゼル微粒子及び窒素酸化物を含む排出ガスを浄化する排出ガス浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、国民の生活や企業活動を支えている物流の主役は、トラックによる輸送とされており、トラックは経済活動にとって不可欠なものとなっている。トラックの動力となるディーゼルエンジンは他の熱機関に比べて熱効率が高く、省エネルギーや地球温暖化に有効である。しかしディーゼルエンジンは窒素酸化物（ＮＯｘ）や微粒子状物質（ＰＭ）といった大気汚染物質を大量に排出しており、環境問題においてトラックが少なからず影響を与えている。そこで、環境負荷の小さいディーゼルエンジン及びその周辺機器を普及させ、経済活動を維持し、さらに発展させていく取り組みが必要とされている。
【０００３】
現在、ディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘやＰＭを浄化させる浄化方法として知られるものに、フィルターを用いるＰＭ浄化方法や触媒によるＮＯｘ浄化方法がある。
また、固体電解質を用いた排出ガス浄化システムとして、固体電解質の両面に触媒を含む電極を積層させ、その固体電解質のカソード側に窒素酸化物を含む燃焼ガスを供給し、窒素酸化物の分解過程で生じる活性酸素を、固体電解質を通して強制的に排除することにより、窒素酸化物の分解除去を可能とする方法がある。しかし、これはＰＭを浄化するものではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のＰＭ浄化方法はフィルターに堆積した微粒子をいかにして除去し、再生させるかが課題とされている。連続再生型システムの１つである連続再生式トラップは排出ガス中のＮＯをＮＯ２に酸化させ、このＮＯ２によりフィルターに捕集した微粒子を酸化させるものがある。しかし、排出ガス温度が２５０℃に達しない場合は微粒子の酸化が起こらないほか、別途ＮＯの浄化装置が必要となる。また、ＤＰＮＲ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ‐ＮＯｘ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）は多孔質セラミックフィルターにＮＯｘ吸蔵還元触媒を担持させたものであり、ＮＯｘ吸蔵時に生成する酸素ラジカルによりＰＭを酸化させ、定期的かつ瞬間的に燃料噴射量を増加させ、その際に排出されるＣＯ、ＨＣにより吸着させたＮＯｘを還元する方法がある。しかし、この方法は繊細かつ正確な燃料噴射制御が求められ、耐久性悪化、コスト高、燃費の悪化等の問題点を有している。
さらに、今後制定されるディーゼルエンジンの排出ガス基準を満たすためには、従来知られている浄化方法では不十分である。
【０００５】
この発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、排出ガスに含まれる微粒子状物質、窒素酸化物の浄化が可能であり、効率良く浄化が行われる浄化装置、浄化方法を提供し、さらに、排出ガス中の微粒子状物質及び窒素酸化物の両者の浄化を可能とする排出ガス浄化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するためのこの発明の浄化装置は、酸素イオン導電性を有する固体電解質と、この固体電解質のうちディーゼル微粒子が堆積される一面側がアノード側となるよう当該固体電解質の両面間に電圧を印加させる印加手段とを備えたことを特徴としている。このような構成の浄化装置によれば、固体電解質の両面間に印加手段により電圧を印加させることにより、酸素イオンをカソード側からアノード側へ固体電解質を通して供給させることができ、アノード側に堆積させたディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子を酸化させて炭素酸化物とすることができる。例えば、固体電解質のカソード側の面を大気側（大気開放側）とさせ、アノード側の固体電解質の面をディーゼル微粒子を含む排出ガス側とさせることにより排出ガスの浄化を行うことができる。
【０００７】
また、前記固体電解質は他面側にカソード側とされる電極が設けられ、前記固体電解質の一面側にディーゼル微粒子が堆積すると当該ディーゼル微粒子に前記印加手段により通電がされて当該ディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子自体をアノードとさせるのが好ましい。この構成によれば、固体電解質の一面側に一定量のディーゼル微粒子が堆積すると、ディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子は導電性を有するため、通電が開始されてカソード側から酸素イオンの供給が開始される。これにより、固体電解質の一面側の固形炭素質微粒子を含むディーゼル微粒子の浄化が自動的に開始される。従って、固体電解質のアノード側とされる面に電極を不要とできコストダウンが可能となる。さらに、ディーゼル微粒子が一定量堆積した状態となって浄化が必要な際に自動的に通電がされるためランニングコストの低減が図れる。
【０００８】
さらにこの発明の浄化装置は、酸素イオン導電性を有する固体電解質と、この固体電解質のうちディーゼル微粒子が堆積される一面側がアノード側となるよう当該固体電解質の両面間に電圧を印加させる印加手段と、前記固体電解質の一面側に設けられて窒素酸化物を吸着させる吸着材と、前記固体電解質の一面側に設けられた酸化触媒とを備えたものである。
このような構成の浄化装置によれば、固体電解質の両面間に印加手段により電圧を印加させることにより、酸素イオンをカソード側からアノード側へ固体電解質を通して供給させることができ、アノード側に堆積させたディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子を酸化させ、一酸化炭素を含む炭素酸化物とすることができる。さらに、酸化触媒により排出ガスに含まれる一酸化窒素を酸化させて二酸化窒素とすることができ、さらに、この二酸化窒素を吸着材に吸着させることができる。そして、吸着材に吸着された二酸化窒素を前記ディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子を酸化させて得た一酸化炭素により還元させて窒素ガスとし、その一酸化炭素を二酸化炭素とすることができる。従って、ディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子と窒素酸化物との両者を同時に浄化させることが可能となる。例えば、固体電解質のカソード側の面を大気側（大気開放側）とさせ、アノード側の固体電解質の面をディーゼル微粒子を含む排出ガス側とさせることにより排出ガスの浄化を行うことができる。
【０００９】
さらにこの場合において、前記印加手段は、印加電圧の極性を周期的に反転させる切り換え手段を有しているのが好ましい。この構成によれば、極性を反転させて固体電解質の他面側（大気側）をアノード側とさせることにより、排出ガスに含まれる一酸化窒素を吸着材に吸着させる際に生ずる活性酸素のうち過剰な活性酸素をカソード側へ移動させることができる。これにより、浄化を意図する側となる固体電解質の一面側において、吸着材に吸着させた二酸化窒素を還元させて得た前記窒素ガスを、再度活性酸素により窒素酸化物とさせるのを抑えることが可能となる。
【００１０】
また、本発明の浄化装置は、酸素イオン導電性を有する固体電解質と、この固体電解質のうち、燃焼器から排出される未燃焼微粒子が堆積される一面側がアノード側となるよう当該固体電解質の両面間に電圧を印加させる印加手段とを備えたことを特徴としている。
このような構成の浄化装置によれば、固体電解質の両面間に印加手段により電圧を印加させることにより、酸素イオンをカソード側からアノード側へ固体電解質を通して供給させることができ、アノード側に堆積させた微粒子中の固形炭素質微粒子を酸化させて炭素酸化物とすることができる。例えば、固体電解質のカソード側の面を大気側（大気開放側）とさせ、アノード側の固体電解質の面を微粒子を含む排出ガス側とさせることにより排出ガスの浄化を行うことができる。なお、燃焼器から排出される未燃焼微粒子は、例えば、ディーゼル機関、ガソリン機関（直噴式のガソリン機関）、ボイラーや工業炉から排出されるものがある。
【００１１】
また、本発明の浄化装置は、イオン導電性を有して一面側に酸素イオンを与え得る固体電解質と、この固体電解質の一面側と他面側にそれぞれ設けられた第１電極と第２電極とを有する浄化構造体を備え、この浄化構造体は、燃焼器から排出される未燃焼微粒子を含む排出ガスを前記第１電極側から前記第２電極側へ通すことによって当該微粒子を当該第１電極側に捕集することができる多孔質とされ、前記第１電極側は、捕集した前記微粒子を、前記固体電解質によって当該第１電極側へ与えられた酸素イオンにより酸化させる酸化部とされていることを特徴としている。
この構成によれば、浄化構造体が多孔質とされているため、未燃焼微粒子を含む排出ガスをこの浄化構造体に通すことによって、当該微粒子を第１電極側に捕集することができる（フィルタリングすることができる）。そして、第１電極側において、捕集された前記微粒子中の固形炭素質微粒子を、固体電解質によって与えられた酸素イオンにより酸化させて炭素酸化物とすることができる。
【００１２】
また、この浄化装置において、前記浄化構造体の前記第２電極側は、当該浄化構造体を透過した排出ガスに含まれる窒素酸化物を還元する還元部とされている。これにより、固体電解質中においてイオンを移動させることにより、前記第１電極側である酸化部においては、未燃焼微粒子中の固形炭素質微粒子を酸化させて炭素酸化物とすることができると同時に、この還元部において、排出ガスに含まれる窒素酸化物を還元して窒素ガスとすることができる。このように、排出ガス中の固形炭素質微粒子と窒素酸化物の同時浄化（同時分解）が可能となる。
【００１３】
さらに、前記浄化構造体の第２電極側に、前記窒素酸化物を吸着させる吸着材が設けられているのが好ましい。これにより、浄化構造体を通過した排出ガスに含まれる窒素酸化物が第２電極側に吸着される。そして、固体電解質によりイオンを第２電極側から第１電極側へ移動させることによって、この窒素酸化物を還元することができる。
【００１４】
または、前記浄化構造体の第２電極側に、セリア又はセリア酸化物が設けられているのが好ましい。これにより、浄化構造体を通過した排出ガスに含まれる窒素酸化物を、第２電極側において還元することができる。
【００１５】
また、前記浄化構造体は、前記第１電極側がアノード側となるよう両電極間に電圧を印加させている状態と、両電極間において印加を止めて閉回路を構成している状態とに切り換え可能な制御手段と接続されているのが好ましい。
この構成によれば、排出ガスの温度が高い場合、第１電極側において捕集された固形炭素質微粒子が燃焼されることによって、浄化構造体（固体電解質）を燃料電池として動作させることができる。このため、両電極間において印加を止めて閉回路を構成する状態とすることにより、電気エネルギーを浄化構造体に供給することなく、イオンの移動が可能となり、固形炭素質微粒子及び窒素酸化物の浄化処理を行わせることができる。そして、排出ガスの温度が低い場合、両電極間に電圧を印加してイオンを移動させることで、第１電極側では酸素イオンが与えられて固形炭素質微粒子の酸化が行われ、第２電極側では窒素酸化物の還元が行われる。
【００１６】
さらにこの発明の浄化方法は、酸素イオン導電性を有する固体電解質の両面間に電圧を印加させ、カソード側からアノード側へ酸素イオンを供給し、この酸素イオンにより前記固体電解質のアノード側に存在するディーゼル微粒子を酸化させることを特徴としている。このような構成の浄化方法によれば、固体電解質の両面間に電圧を印加させることにより、アノード側に堆積するディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子を酸化させて炭素酸化物とすることができる。例えば、固体電解質のカソード側の面を大気側（大気開放側）とさせ、アノード側の固体電解質の面をディーゼル微粒子を含む排出ガス側とさせることにより排出ガスの浄化を行うことができる。
【００１７】
さらにこの発明の浄化方法は、酸素イオン導電性を有する固体電解質の両面間に電圧を印加させ、カソード側からアノード側へ酸素イオンを供給し、この酸化イオンにより前記固体電解質のアノード側に存在するディーゼル微粒子を酸化させて一酸化炭素を含む炭素酸化物とし、前記ディーゼル微粒子と共に排出ガス中に存在していた一酸化窒素を前記固体電解質のアノード側において酸化触媒を用いて酸化させて二酸化窒素とし、この二酸化窒素を前記アノード側において吸着させ、吸着させた二酸化窒素を前記一酸化炭素によって還元することを特徴としている。
【００１８】
このような構成の浄化方法によれば、固体電解質の両面間電圧を印加させることにより、アノード側に堆積させたディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子を酸化させて炭素酸化物とすることができる。つまり例えば一酸化炭素とすることができる。さらに、排出ガス中に含まれる一酸化窒素と酸素とにより酸化触媒がその一酸化窒素の酸化を促進させ、得られた二酸化窒素を吸着させることができる。そして、ディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子を酸化させて得た前記一酸化炭素により、吸着させた窒素酸化物を還元させて窒素ガスとすることができる。従って、ディーゼル微粒子と窒素酸化物との両者を同時に浄化させることが可能となる。
【００１９】
また、この発明の浄化方法は、イオン導電性を有して一面側に酸素イオンを与え得る多孔質からなる固体電解質の当該一面側から他面側へ未燃焼微粒子を含む排出ガスを通すことにより、当該微粒子を当該一面側に捕集し、捕集したこの微粒子を、前記固体電解質によって前記一面側に与えられた前記酸素イオンにより酸化させることを特徴としている。
この方法によれば、未燃焼微粒子を含む排出ガスを、多孔質とされている固体電解質に通すことによって、当該微粒子をその一面側に捕集することができる。そして、捕集された微粒子中の固形炭素質微粒子を一面側において酸化させて炭素酸化物とすることができる。
【００２０】
また、この場合において、前記固体電解質の他面側に透過した排出ガスに含まれる窒素酸化物を、当該他面側で還元することができる。従って、固体電解質中においてイオンを移動させることにより、固体電解質の一面側で未燃焼微粒子中の固形炭素質微粒子を酸化させて炭素酸化物とすることができると同時に、他面側では、排出ガスに含まれる窒素酸化物を還元して窒素ガスとすることができる。つまり、排出ガス中の固形炭素質微粒子と窒素酸化物の同時浄化が行われる。
【００２１】
さらにこの発明の排出ガス浄化システムは、ディーゼル微粒子及び窒素酸化物を含む排出ガスを通過させる排気流路と、この排気流路の一部に設けられている排出ガス浄化装置とを備えた排出ガス浄化システムであって、前記排出ガス浄化装置は、一面側が前記排気流路からの排出ガスと接触するよう設けられかつ他面側が大気中に設けられると共に酸素イオン導電性を有する固体電解質と、この固定電解質の前記一面側に設けられて窒素酸化物を吸着させる吸着材と、前記固体電解質の一面側に設けられた酸化触媒と、前記固体電解質の前記一面側をアノード側としてかつ前記他面側をカソード側とさせるよう当該固体電解質の両面間に電圧を印加させる印加手段とを備えたことを特徴としている。
【００２２】
このような構成の排出ガス浄化システムによれば、排気流路を流れる排出ガス中に含まれるディーゼル微粒子と窒素酸化物との両者を同時に浄化させ、これらの低減が可能となる。つまり、排出ガス浄化装置において、固体電解質の両面間に電圧を印加させることにより、アノード側に堆積させたディーゼル微粒子中に含まれる固形炭素質微粒子を酸化させ一酸化炭素を含む炭素酸化物とすることができる。さらに、排出ガス中に含まれる一酸化窒素と酸素とにより酸化触媒が一酸化窒素の酸化を促進させ、得られた二酸化窒素を吸着させることができる。そして、ディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子を酸化させて得た前記一酸化炭素により、吸着させた窒素酸化物を還元させて窒素ガスとすることができる。
【００２３】
また、この発明の排出ガス浄化システムは、燃焼器から排出される未燃焼微粒子及び窒素酸化物を含む排出ガスを通過させる排気流路と、この排気流路の一部に設けられている排出ガス浄化装置と、を備えた排出ガス浄化システムであって、前記排出ガス浄化装置は、イオン導電性を有して一面側に酸素イオンを与え得る固体電解質と、この固体電解質の一面側と他面側にそれぞれ設けられた第１電極と第２電極と、を有する浄化構造体を備え、この浄化構造体は、前記排気流路からの排出ガスを前記第１電極側から前記第２電極側へ通すことによって前記微粒子を当該第１電極側に捕集することができる多孔質とされ、前記第１電極側は、捕集された当該微粒子を、前記固体電解質によって当該第１電極側へ与えられた酸素イオンにより酸化させる酸化部とされ、かつ、前記第２電極側は、前記浄化構造体を透過した排出ガスに含まれる窒素酸化物を還元する還元部とされていることを特徴としている。
【００２４】
この構成によれば、排気流路を流れる排出ガス中に含まれる未燃焼微粒子と窒素酸化物との両者をそれぞれ浄化構造体の一面側と他面側とにおいて同時に浄化させることができ、これらの低減が可能となる。排出ガス浄化装置に流れてくる排出ガスを、多孔質からなる浄化構造体を通すことで、未燃焼微粒子を浄化構造体の第１電極側において自動的に捕集することができる。つまり、流れてくる排出ガスを浄化構造体においてフィルタリングすることで未燃焼微粒子を捕集できるため、当該微粒子を捕集するための別のエネルギー源を不要とできる。そして、浄化構造体の第１電極側において、捕集した未燃焼微粒子中に含まれる固形炭素質微粒子を酸化させ二酸化炭素とすることができる。さらに、第２電極側において、浄化構造体を透過した排出ガス中に含まれる窒素酸化物を窒素ガスに還元できる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、極めて微小なエネルギーの注入により効率的にディーゼル微粒子の酸化、窒素酸化物の還元、これら同時の処理を行うことが可能であり、高いレベルでの排出ガスの浄化を達成できる。従って、この浄化装置、浄化方法、排出ガス浄化システムをディーゼル機関の排出ガスの浄化に適用すれば、ディーゼル機関の高い熱効率を維持させたまま排気の浄化が可能となり、環境保護に役立つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、この発明の実施の形態について添付図面を参照しながら詳述する。
図１はこの発明の実施の一形態に係る浄化装置を示すモデル図である。この浄化装置は、例えば排出ガスに含まれるディーゼル微粒子を浄化するためのものであり、ディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子（微粒子状物質：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ）Ｍを浄化することができ、固形炭素質微粒子Ｍに含まれる炭素を酸化させて浄化を行う装置である。さらにこの装置は、このディーゼル微粒子中の炭化水素質微粒子の処理も行える。
図１に示している装置は、酸素イオン導電性を有する固体電解質１と、この固体電解質１の両面間に電圧を印加させる印加手段２とを備えている。
【００２７】
図１に示す固体電解質１はパネル状とされており、その一面１０に第１電極３を積層させ、その他面１１に第２電極４を積層させている。固体電解質１は例えば燃料電池に用いられているものが適用でき、固体電解質１の両端側に電位差を与えることで酸素イオンを移動させることができる。また、第１電極３、第２電極４は通常電極として用いられる材質により板状とされているが、第１電極３、および第２の電極４のいずれも酸素の透過性を有するよう多孔質電極とされている。
【００２８】
印加手段２は通常用いられている直流電源とすることができ、電圧を可変とするものが好ましい。印加手段２は、固体電解質１の一面１０側に設けた第１電極３がアノードとなり、他面１１側に設けた第２電極４がカソードとなるよう固体電解質１の両面間に電圧を印加させる。印加手段２により印加される電圧は固体電解質１の電気特性、及び雰囲気温度による。例えばイットリウム安定化ジルコニアの場合、雰囲気温度３５０℃のもと１０ボルト以下である。
【００２９】
この浄化装置は例えばディーゼル機関から排出される排出ガスを流すための排気流路（図示せず）に設けることができ、固体電解質１の一面１０側がこの排気流路内に面するよう設けられてこの一面１０側が排出ガス側Ｇとされる。そして、固体電解質１の他面１１側が大気側（大気開放側）Ａに面するよう固体電解質１は設けられる。
そして、固体電解質１のアノード側となる一面１０側にはディーゼル微粒子を堆積させる堆積面１２が形成されており、図１においては第１電極３の外面が堆積面１２とされている。なお、第１電極３の外面とは固体電解質１との接面の反対側の面である。
【００３０】
そして、この浄化装置による浄化方法は、固体電解質１の一面１０側の堆積面１２にディーゼル微粒子を堆積させ、印加手段２により所定の電圧を固体電解質１の両面間に印加させることにより、カソード側からアノード側へ酸素イオンを供給させる。そして、この酸素イオンによりアノード側の堆積面１２に存在するディーゼル微粒子を酸化させることにより行われる。つまり、カソード側である大気側Ａに含まれる酸素をアノード側である排出ガス側Ｇへ酸素イオンとして供給する。これにより、ディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子Ｍに含まれる炭素が一酸化炭素、二酸化炭素に連続的に酸化（Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２、２Ｃ＋Ｏ２→２ＣＯ）され、固形炭素質微粒子Ｍが浄化（分解）される。なお、固体電解質１中の矢印は酸素イオンの移動方向を示している。
【００３１】
図２に示す浄化装置は、図１の浄化装置の第１電極３を省略したものであり、その他の構成は同様である。つまり、固体電解質１の他面１１側にのみカソード側とされる電極４が設けられている。この浄化装置はディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子Ｍが導電性を有することを利用したものであり、固体電解質１の一面１０を直接、ディーゼル微粒子に含まれる固形炭素質微粒子Ｍの堆積面１２としたものであり、一定量のディーゼル微粒子（固形炭素質微粒子Ｍ）が固体電解質１の一面１０に堆積し印加手段２により通電が開始されることにより、大気側Ａのカソード側から排出ガス側Ｇのアノード側へ酸素イオンの供給が行われる。
【００３２】
つまり、この浄化装置は、印加手段２と接続されるリード線１３が固体電解質１の一面１０側に接続されている。そして、固体電解質１の一面１０側にディーゼル微粒子が堆積し、堆積したディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子Ｍとリード線１３とが接触すると、印加手段２により電圧の印加が開始されて通電がされ固形炭素質微粒子Ｍ自体をアノードとさせる。これにより固体電解質１の両面間に所定の電位差を生じさせ酸素イオンの供給が行われる。つまり、一定量のディーゼル微粒子が堆積面１２に堆積すると、その浄化が自動的に開始される。そして、リード線１３は固体電解質１の一面１０側にリング状や網目状等に設けられ、これにより固体電解質１の一面１０側の堆積面１２に部分的に堆積したディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子Ｍをこのリード線１３に接触させて浄化が行われるようできる。
【００３３】
図３に示す浄化装置は、図１（図２）に示す浄化装置によるディーゼル微粒子の処理と、酸化触媒を用いた窒素酸化物の処理とを同時に連続して行うものである。処理する窒素酸化物はディーゼル微粒子と共に排出ガスに含まれている。この浄化装置は、図１に示す浄化装置の固体電解質１の一面１０側に吸着材５と酸化触媒６とを設けたものである。つまり、この装置は、酸素イオン導電性を有する固体電解質１と、固体電解質１の両面間に電圧を印加させる印加手段２と、固体電解質１の一面１０側に設けられて窒素酸化物を吸着させる吸着材５と、固体電解質１の一面１０側に設けられる酸化触媒６とを備えている。
【００３４】
固体電解質１は図１に示すものと同様であり、印加手段２は、固体電解質１のうちディーゼル微粒子が堆積される一面１０側がアノード側となるよう電圧を印加させるものである。この装置においては、固体電解質１の一面１０側に設けられる第１電極３を、酸化触媒６を含む多孔質電極により構成させるのがよい。例えば第１電極３を多孔質にされた白金とすることができる。つまり、第１電極３を酸化触媒６として併用している。そして、図３において、この第１電極３（酸化触媒６）の上に網状に窒素化合物の吸着材５を積層させている。なお、吸着材５としてはバリウムを含むものとできる。図３に示す吸着材５は層状に形成されている。
【００３５】
図３に示すこの浄化装置による浄化方法は次のとおりである。まず、図１（図２）と同様に、固体電解質１の両面間に印加手段２により電圧を印加させ、カソード側からアノード側へ酸素イオンを供給する。そして、この酸化イオンにより固体電解質１のアノード側の堆積面１２に存在するディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子Ｍを酸化（２Ｃ＋Ｏ２→２ＣＯ）させて一酸化炭素を含む炭素酸化物とする（矢印ａ）。この固形炭素質微粒子Ｍを有するディーゼル微粒子は排出ガス中に含まれるものであり、固体電解質１の一面１０側の堆積面１２に堆積される。なお、この堆積面１２は酸化触媒６を有する第１電極３の外面及び吸着材５の外面となる。
【００３６】
そして、ディーゼル微粒子と共に排出ガス中に含まれる一酸化窒素を固体電解質１のアノード側において酸化触媒６により酸化（ＮＯ＋Ｏ２→ＮＯ２＋Ｏ*）させて二酸化窒素とする（矢印ｂ‐１と矢印ｂ‐２）。この酸化の際に利用される酸素は主に排出ガス中に含まれる酸素である。そして、この二酸化窒素を吸着材５に吸着させる。さらに、吸着させた二酸化窒素を、固形炭素質微粒子Ｍを酸化させて得た一酸化炭素によって還元（２ＮＯ２＋４ＣＯ→Ｎ２＋４ＣＯ２）して、二酸化窒素を窒素としかつ一酸化炭素を二酸化炭素とさせる（矢印ｃ）。以上のように、排出ガス中に含まれるディーゼル微粒子（固形炭素質微粒子Ｍ）と窒素酸化物（一酸化窒素）が窒素と二酸化炭素とに連続的に浄化される。
【００３７】
また、ディーゼル微粒子の堆積面１２に存在する酸化触媒６によりディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子Ｍの酸化が促進される。また、一酸化窒素が二酸化窒素へ酸化（ＮＯ＋Ｏ２→ＮＯ２＋Ｏ*）される際に（矢印ｂ‐１）生成される活性酸素（Ｏ*）により固形炭素質微粒子Ｍの酸化が促進される。
【００３８】
さらに、この浄化装置の印加手段２は、印加電圧の極性を周期的に反転させる切り換え手段を有している。つまり、アノード側であった第１電極３をカソード側とし、カソード側であった第２電極４をアノード側に切り換え、この切り換えを連続して行わせている。図４は第１電極３がカソード側とされ第２電極４がアノード側とされた状態であり、これにより、排出ガス側Ｇである固体電解質１の一面１０側で発生した活性酸素（Ｏ*）を強制的に大気側Ａである固体電解質１の他面１１側へ戻すよう作用させている。
【００３９】
これは、活性酸素により窒素、一酸化窒素が再合成（Ｎ２＋２Ｏ*→２ＮＯ、ＮＯ＋Ｏ*→ＮＯ２）されるのを抑制するためであり、これによりディーゼル微粒子と一酸化窒素の同時浄化をバランスよく行わせることができる。つまり、ディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子Ｍを酸素イオンにより酸化させて得た一酸化炭素により、吸着材５に吸着させた二酸化窒素を還元させて窒素に生成したにもかかわらず、生成した窒素を再度活性酸素により酸化させて窒素酸化物とさせることを抑制している。この印加手段２が有する切り換え手段は電気的な手段により構成させることができ、排出ガス側Ｇの活性酸素量に応じてその周波数及び切り換え時間を変更可能とさせることができる。
【００４０】
次に、図５はディーゼル機関からの排出ガスの浄化を行う浄化システムを示す模式図であり、この排出ガスにはディーゼル微粒子（固形炭素質微粒子Ｍ）及び窒素酸化物（一酸化窒素）が含まれる。この浄化システムは、ディーゼル機関（ディーゼルエンジン）１５の排気口と接続されて排出ガスを排出させる排気流路７と、この排気流路７の一部に設けられる排出ガス浄化装置８とを備えている。また図５に示す排気流路７は排気管により構成されており、この排気管の途中に排出ガス浄化装置８が有する排出ガス浄化室１６が設けられている。そして、この排出ガス浄化室１６の内部に複数の固体電解質１が設けられている。固体電解質１は図３に示すものと同様とされる。
【００４１】
排出ガス浄化装置８は制御装置１７と接続され、制御装置１７は印加手段２及び印加手段２の印加電圧の極性を周期的に反転させる前記切り換え手段が設けられており、浄化装置８の動作を制御している。さらに浄化装置８は帯電装置１８を有しており、帯電装置１８は排出ガス中に含まれるディーゼル微粒子を帯電させ、ディーゼル微粒子を固体電解質１の堆積面１２（図３参照）に堆積させる。
【００４２】
この排出ガス浄化装置８は、複数の固体電解質１を備えており、各固体電解質１において、図３に示す浄化装置と同様に、固定電解質１の一面１０側に設けられて窒素酸化物を吸着させる吸着材５と、固体電解質１の一面１０側に設けられた酸化触媒６と、固体電解質１の両面間に電圧を印加させる印加手段２とを備えている。なお、印加手段２は複数の固体電解質１に対して共通化させている。各固体電解質１は酸素イオン導電性を有しており、一面１０側が排気流路７からの排出ガスと接触するよう設けられかつ他面１１側が大気中の酸素と接触するよう設けられる。印加手段２は、固体電解質１の一面１０側に設けた第１電極３をアノード側としてかつ他面１１側に設けた第２電極４をカソード側とさせるよう固体電解質１の両面間に電圧を印加させている。なお、排出ガス浄化装置８が有する固体電解質１、吸着材５、酸化触媒６、印加手段２は図１〜図４により説明したものと同様であり、例えば、印加手段２は印加電圧の極性を周期的に反転させる切り換え手段を有している。
【００４３】
図６は図５の浄化システムが備えている排出ガス浄化装置８の要部構成図であり、この浄化装置８は複数の固体電解質１を有する。図５と図６において、排気流路７に接続させた排出ガス浄化室１６内に、複数枚（図６では７枚）の平板パネル状の固体電解質１が相互隙間を持って対面状となるよう重ねられて配設される。なお、固体電解質１は交互に裏返されて積層状とされ、隣り合う固体電解質１，１の一面１０，１０同士又は他面１１，１１同士が対面するよう配設される。そして、各隙間には棒状のスペーサ部材１９が設けられており、これら複数枚の固体電解質１により固体電解質層２０が形成されている。この固体電解質層２０が排出ガス浄化室１６内に設けられている。
【００４４】
そして複数枚の固体電解質２０の各隙間においてスペーサ部材１９，１９間に排出ガス用流路２１又は空気用流路２２が形成される。つまり、固体電解質層２０の積層方向の一方側（図６の下部）から順に、排出ガス用流路２１と、空気用流路２２とが交互に形成される。なお、隣り合う固体電解質１，１の一面１０，１０間が排出ガス用流路２１とされ、隣り合う固体電解質１，１の他面１１，１１間が空気用流路２２とされる。
また、排出ガス用流路２１を構成する隙間のスペーサ部材１９の向きと、空気用流路２２を構成する隙間のスペーサ部材１９の向きとは、同方向としたり（図示せず）又は所定の角度で向きを変えることができ、図６においては、空気用流路２２を構成する隙間のスペーサ部材１９が排出ガス用流路２１のスペーサ部材１９に対して９０°向きを変えて設けられており、排出ガスの流れ方向（矢印ｇ方向）に貫通する排出ガス用流路２１と、排出ガスの流れ方向に直交する方向（矢印ａ方向）に貫通する空気用流路２２とが交互に形成されている。そして、排気流路７から流れてきた排出ガスはそのまま直線的に排出ガス用流路２１に送られ、空気用流路２２を排出ガス浄化室１６の外部の大気側Ａと連通させ、空気が空気用流路２２に送られる。これにより、排出ガス用流路２１を排出ガスが通過することにより、排出ガス中に含まれるディーゼル微粒子が排出ガス用流路２１に面する固体電解質１の一面１０側の堆積面１２に堆積されて酸化され、かつ排出ガス中の窒素酸化物が還元される。
【００４５】
図７は排出ガス浄化装置８の変形例であり、排気流路７内を流れてきた排出ガスの流れ方向（矢印ｇ方向）に貫通する断面矩形の筒状の排出ガス浄化室１６内に、筒状とされた固体電解質１が複数設けられている。固体電解質１は大気側Ａとなる他面１１側が内側面となるよう筒状として構成され、筒状とされた固体電解質１の外周面が排出ガス側Ｇとされる一面１０側となり、かつ、堆積面１２となる。そして、筒状の固体電解質１の軸方向が排出ガスの流れ方向（矢印ｇ方向）に直交する方向（矢印ａ方向）とされ、これら固体電解質１は相互隙間を有するよう排出ガス浄化室１６内に設けられている。
これにより、筒状の固体電解質１の内部が大気側Ａと連通し、筒状の固体電解質１の内部に空気が通過可能となる。そして、排気流路７から流れてきた排出ガスが筒状の固体電解質１，１間の隙間を流れ、この隙間を通過する排出ガスに含まれるディーゼル微粒子が、筒状の固体電解質１の外周面側の堆積面１２に堆積されて酸化され、かつ排出ガス中の窒素酸化物が還元される。
【００４６】
図６と図７に示す排出ガス浄化装置８において、排出ガス浄化室１６内に導入された排出ガス中のディーゼル微粒子を帯電装置１８（図５参照）により帯電させ、固体電解質１の堆積面１２にディーゼル微粒子を積極的に捕集させている。つまり、排出ガスが排出ガス浄化装置８に流入する上流部に帯電電極を設け、固体電解質１の堆積面１２側の電極３（図３参照）をグランドレベルとさせることにより電界が形成されてディーゼル微粒子を帯電させ、帯電させたディーゼル微粒子を効率よく固体電解質１の堆積面１２に集塵させている。
【００４７】
また、図７に示す排出ガス浄化装置８は、筒状の固体電解質１の堆積面１２となる外周面が
排出ガスを部分的に遮断するよう配設されているため、外周面に排出ガスが直接的に吹き付けられるため、排出ガス中のディーゼル微粒子はその慣性力により固体電解質１の外周面に効率よく捕集される。さらに、排出ガス浄化室１６内に排出ガスを浄化可能とさせる固体電解質１しか存在しないため、ディーゼル微粒子が他の部分に堆積して流路を塞ぐおそれがなく、排出ガス中のディーゼル微粒子の濃度が高い場合に効果的である。
【００４８】
図８と図９は排出ガス浄化装置８のさらに別の変形例であり、この浄化装置８の固体電解質１は断面Ｕ字形に成形され、固体電解質１は開口部から奥部へ伸びる側壁２３と奥部の突き当たり状の奥壁２４とから構成されている。そして、側壁２３が排気流路７から流れてきた排出ガスの流れ方向（矢印ｇ方向）と平行となる向きとされて、奥壁２４が排出ガスの流れ方向に直交する面を有するよう、複数の固体電解質１が排出ガス浄化室１６内に設けられている。そして、断面Ｕ字形とされた固体電解質１はその内側面が図３に示した一面１０側の堆積面１２とされ、固体電解質１の外側面が大気側Ａとなる。なお、断面Ｕ字形の固体電解質１は周状の側壁２３と奥壁２４とを有する有底円筒状に形成したものとできる。さらに、断面Ｕ字形とされた固体電解質１は隣り合う固体電解質１と連結壁部材２５により連結されており、連結された固体電解質１により排出ガス浄化室１６が排出ガス側Ｇの空間と大気側Ａの空間とに区画されている。
【００４９】
さらに、断面Ｕ字形とされた固体電解質１の内側にパイプ状の排気導管２６が固体電解質１の内側面と隙間をもって挿入され、排気流路７から流れてきた排出ガスは排気導管２６により固体電解質１の奥壁２４側へ誘導される。誘導された排出ガスは固体電解質１の奥壁２４に衝突し、その後、排気導管２６の外周面と固体電解質１の側壁２３内面との間を流れ、固体電解質１により浄化された排出ガスは排出ガス浄化室１６の外部へと排出される。なお、連結された複数の固体電解質１により区画された排出ガス浄化室１６の大気側Ａの部分に、空気の吸入口２７及びその排出口２８が設けられている。
【００５０】
さらにこの排出ガス浄化装置８においても図８に示すように、帯電装置１８によりディーゼル微粒子を帯電させ、固体電解質１の堆積面１２にディーゼル微粒子を捕集させている。この場合前記排気導管２６を帯電電極とし、固体電解質１の堆積面１２側の電極３（図３参照）をグランドレベルとすることにより、排気導管２６の外周面と固体電解質１の内側面との間に電解を形成し、この間を排出ガスが通過する際に、排出ガス中のディーゼル微粒子が帯電され、帯電されたディーゼル微粒子は効率よく固体電解質１の堆積面１２に集塵される。そして、堆積面１２に堆積したディーゼル微粒子が浄化される。
【００５１】
図９に示す排出ガス浄化装置８による浄化方法について説明すると、排気流路７から流れてきた排出ガスはまず排気導管２６内を流れる。排気導管２６を通過した排出ガス中のディーゼル微粒子はその慣性力により固体電解質１の奥壁２４における堆積面１２に捕捉される。排出ガスはさらに排出導管２６と固体電解質１との間を流れ、これらの間において帯電装置１８により帯電されたディーゼル微粒子は、同じく帯電装置１８により形成された電界により、固体電解質１の側壁２３における堆積面１２に捕集される。つまり、この排出ガス浄化装置８は、排出ガスの慣性力による固体電解質１の奥壁２４における慣性捕集作用と、帯電装置１８による電気捕集作用とを有している。そして、粒子径の大きなディーゼル微粒子は慣性捕集が効果的であり、粒子径が小さいものに対しては電気捕集が効果的となり、この２つの作用により様々な粒子径のディーゼル微粒子を効率よく捕集することができる。
【００５２】
次に、本発明に係る浄化装置のさらに別の実施形態について、図１０により説明する。この浄化装置は図１〜図４に示した浄化装置の変形例である。
図１０は浄化装置を示すモデル図であり、この装置においてもディーゼルエンジンから排出された排出ガスを浄化することができるものであり、排出ガスに含まれるディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子Ｍ、及び、窒素酸化物を浄化することができる。
この浄化装置は、イオン導電性を有して一面側に酸素イオンを与え得る固体電解質１と、この固体電解質１の一面１０側と他面１１側にそれぞれ設けられた第１電極３と第２電極４とを有する浄化構造体３０を備えている。
【００５３】
固体電解質１はパネル状とされており、その一面１０に第１電極３を積層させ、他面１１に第２電極４を積層させて、浄化構造体３０が構成されている。固体電解質１は例えば燃料電池に用いられているものが適用でき、固体電解質１の両端側に電位差が生じることによってイオンを移動させることができる。なお、この固体電解質１は、結果として第１電極３側へ酸素イオンを与えることができるものであれば、固体電解質１中を移動するイオンは酸素イオンに限らない。
【００５４】
そして、この浄化構造体３０は、浄化を行う排出ガスのうちディーゼル微粒子（固形炭素質微粒子Ｍ）を除き窒素酸化物を含むガスを透過させることができるように多孔質とされている。つまり、浄化構造体３０のうちの固体電解質１が多孔質とされており、かつ、第１電極３と第２の電極４が多孔質電極とされている。浄化構造体３０を多孔質とすることにより、ディーゼル微粒子を含む排出ガスを第１電極３側から第２電極４側へ通す（矢印Ｆ）ことによって、ディーゼル微粒子を第１電極３側に捕集する（フィルタリングする）ことができる。
【００５５】
そして、図１に示した浄化装置と同様に、電位差が生じている固体電解質１によって第１電極３側へ与えられた酸素イオンにより、捕集されたディーゼル微粒子の固形炭素質微粒子Ｍを酸化させることができる。
また、浄化構造体３０を透過した排出ガスには窒素酸化物が含まれており、この窒素酸化物は後述するが第２電極４側において還元されることとなる。つまり、この浄化構造体３０において、第１電極３側が、固形炭素質微粒子Ｍを酸化させる酸化部とされており、固体電解質１を挟んで反対側（裏面側）である第２電極４側が、窒素酸化物を還元する還元部とされている。つまりこの浄化装置は、浄化構造体３０の一面側において固形炭素質微粒子Ｍの浄化が可能であり、同時に他面側において窒素酸化物の浄化が可能となる。
【００５６】
浄化構造体３０には、このような浄化処理を行わせるために設けられている制御手段３１が接続されており、制御手段３１は、図１の浄化装置に示したものと同様である印加手段２を有している。さらに説明すると、この制御手段３１は、第１電極３側がアノード側となるよう電圧を印加させることができる前記印加手段２と、これと並列となるように抵抗器が設けられて全体として閉回路を構成することができるバイパス回路部３４を備えている。さらに、制御手段３１は、印加手段２により両電極３，４間に電圧を印加させている状態と、両電極３，４間において印加を止めて前記閉回路を構成している状態とに切り換え可能とする切換制御部３５とを備えている。
つまり、ディーゼルエンジンの運転条件によって排出ガスの温度が異なるが、排出ガス温度が低い場合、印加手段２により第１電極３側がアノード側となるよう両電極３，４間に電圧を印加させることで、固体電解質１中においてイオンの移動が可能となり、前記同時浄化が可能である。
しかし、エンジンの負荷などが大きくなって排出ガス温度が高くなる場合、浄化構造体３０の第１電極３側において固形炭素質微粒子Ｍの酸化が行われやすくなり、固体電解質１を燃料電池として動作させることができる。これにより、外部から（印加手段２により）電気エネルギーを供給することなく、固体電解質１内においてイオンの移動が可能となって前記同時浄化が行われる。つまり、排出ガス温度が高くなって固体電解質１内のイオン導電率が高い場合、前記切換制御部３５が両電極３，４間をバイパス回路部３４でつないだ状態として、固体電解質１を含み外部電圧を作用させていない閉回路を構成させることで、固体電解質１内においてイオンの移動を可能としている。
【００５７】
そして制御手段３１は、排出ガスの温度を測定する温度センサ（図示せず）と接続されており、温度センサの出力に応じて切換制御部３５が切り換え動作するよう構成されている。つまり、排出ガスの温度が低い場合に両電極３，４間に電圧を印加させている状態とし、温度が高い場合に閉回路を構成している状態となるように自動的に切り換えている。これにより電力消費を抑えエネルギー効率を高めることができる。また、これら状態の切り換えは、温度センサによって排出ガスの温度を検出する手段によるもの以外であってもよく、固体電解質１が前記同時浄化を行わせることができる程度にイオン導電機能を有する燃料電池として作動できるか否かの検出によって行えばよい。
【００５８】
そして、この浄化装置により行われる排出ガスの浄化方法は、多孔質からなる固体電解質１の一面１０側から他面１１側へディーゼル微粒子を含む排出ガスを通すことにより、ディーゼル微粒子をその一面１０側に捕集させる。そして、固体電解質１の両面間に所定の電位差が生じることによって、一面１０側に酸素イオンを与えるように固体電解質１の他面１１側から一面１０側へイオンを移動させ、一面１０側において捕集したディーゼル微粒子を、酸素イオンにより酸化させることにより行われる。図１０においては、固体電解質１の他面１１側に存在する酸素あるいは窒素酸化物中の酸素原子を、酸素イオンとして固体電解質１内で移動させ、その酸素イオンを一面１０側である第１電極３側に供給している。これにより、捕集されたディーゼル微粒子中の固形炭素質微粒子Ｍに含まれる炭素が二酸化炭素に連続的に酸化（Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２）され、固形炭素質微粒子Ｍが浄化（分解）される。そして、得られた二酸化炭素は、上流側から流れてくる排出ガスと共に浄化構造体３０を透過して、下流側である第２電極４側へ流れ、浄化構造体３０よりもさらに下流側へと排出される。
【００５９】
さらに、浄化構造体３０を透過した排出ガスに含まれている窒素酸化物は、第２電極４側（還元部）において浄化処理される。
図１１は、第２電極４側において窒素酸化物が浄化されるメカニズムを説明する図であり、浄化構造体３０の第２電極４側（カソード側）にセリア又はセリア酸化物が担持されている。
この還元部において行われる浄化方法は次のとおりである。セリア（セリア酸化物）は希薄運転状態ではＣｅＯ２が安定した状態となる（Ｃｅ２Ｏ３＋１／２Ｏ２→２ＣｅＯ２：セリアによる酸素吸蔵効果）。しかし、印加手段２によって電圧を印加させることにより、第２電極４側では酸素を放出し希薄運転状態でＣｅ２Ｏ３を安定状態で保つことができる（２ＣｅＯ２＋２ｅ−→Ｃｅ２Ｏ３＋Ｏ２−）。この際に酸素イオンが発生しており、この酸素イオンを固体電解質１によって第１電極３側へ移動させ、この酸素イオンは固形炭素質微粒子Ｍの酸化に用いられる。そして、セリアがこの状態で窒素酸化物（ＮＯ）を還元することができる（Ｃｅ２Ｏ３＋ＮＯ→２ＣｅＯ２＋１／２Ｎ２）。
【００６０】
図１２は、第２電極４側において窒素酸化物が浄化される別のメカニズムを説明する図であり、浄化構造体３０の第２電極４（カソード側）に、窒素酸化物を吸着させる吸着材５が担持されている。吸着材５は図３の浄化装置におけるものと同様でありアルカリ金属とされ、例えばカリウムやバリウムなどがある。さらに、第２電極４には、図３と同様に酸化触媒６が担持されている。酸化触媒６としては白金があり、また、多孔質からなる第２電極４自身を酸化触媒６とすることができる。
そして、吸着材５としての酸化バリウムは第２電極４側にある二酸化炭素との反応により安定した状態（炭酸バリウム）とされている（ＢａＯ＋ＣＯ２→ＢａＣＯ３）。
【００６１】
この還元部において行われる浄化方法は次のとおりである。浄化構造体３０を透過した排出ガスには一酸化窒素と酸素が含まれており、第２電極４側において、一酸化窒素は酸化触媒６により酸化（ＮＯ＋Ｏ２→ＮＯ２＋Ｏ２−）されて二酸化窒素となる。この際に酸素イオンが発生しており、この酸素イオンを固体電解質１によって第１電極３側へ移動させ、この酸素イオンは固形炭素質微粒子Ｍの酸化に用いられる。
そして、この二酸化窒素及び排出ガス中に含まれていた二酸化窒素を吸着材５に吸着させ（ＢａＣＯ３＋２ＮＯ２＋Ｏ→Ｂａ（ＮＯ３）２＋ＣＯ２）、印加手段２によって電圧を印加させることにより、二酸化窒素の還元が行われる（Ｂａ（ＮＯ３）２＋２ｅ−→ＢａＯ＋Ｎ２＋２Ｏ２＋Ｏ２−）。
なお、図１１と図１２の形態において、第２電極４側で生じた酸素イオンを固体電解質１によって第１電極３側へ強制的に移動させることができるため、還元して得た窒素が窒素酸化物へ再合成されるのを抑制することができる。
この浄化方法は、一酸化炭素などの還元物質を用いる方法ではなく、電気化学的に還元する方法である。
【００６２】
また、それぞれの実施形態において、印加手段２による電圧の印加を常時一定電圧として作用させてもよいが、制御手段３１の働きによって、電圧の印加状態を周期的に変化又は変動させてもよい。例えば、電圧を印加させている状態と印加させていない状態とに周期的に変化させることができる。つまり、浄化構造体３０の第１電極側３にある程度の量の固形炭素質微粒子Ｍが堆積してから、所定時間だけ電圧を印加させて前記浄化処理を間欠的に行わせるようにしてもよい。
【００６３】
以上のような本発明の浄化装置によれば、排出ガスの圧力により排出ガスを強制的に第１電極３側から流入させ第２電極４側へ排出させる。浄化構造体３０は多孔質とされているために排出ガス中のディーゼル微粒子などの粒子状物質（固形炭素質微粒子Ｍ）は第１電極３側に捕集される。つまり、浄化構造体３０のフィルタリング効果によって排出ガス中の微粒子は第１電極３側に自動的に捕集される。これにより、電気集塵機を用いて電極表面にディーゼル微粒子を集塵させる必要がなくなり、装置の低コスト化、小型化が図れる。そして、第１電極３側において微粒子が捕集除去された排出ガスは、浄化構造体３０を透過し第２電極４側へ流出するが、例えば図１２に示したようにアルカリ土類金属による窒素酸化物の吸蔵および、第２電極４での反応による窒素酸化物還元作用によって、排出ガスに含まれている窒素酸化物は吸蔵されて分解される。
この際に生じた酸素イオン（活性酸素）は、電圧が印加された固体電解質１を介して第１電極３側へ強制的に排除される。これにより、第２電極４側においてＮＯｘの再合成が抑制されると共に、第１電極３側に捕集された微粒子の酸化を促進させ、窒素酸化物と固形炭素質微粒子Ｍの同時浄化が可能となる。
【００６４】
なお、従来浄化装置として知られているＤＰＮＲは、セラミックフィルターにＮＯｘ吸蔵還元触媒を担持させたものであるが、通常ＮＯｘの排出量に対して固形炭素質微粒子Ｍの排出量が多くなる。そのため、還元剤を排出ガス中に添加させる必要があり、その添加装置を排気系に設けるなどの構成が別途必要となる。しかし、本発明の浄化装置によれば、固形炭素質微粒子ＭとＮＯｘの浄化は、浄化構造体３０の一面と他面のそれぞれにおいて独立して行わせるため、排出ガス中の固形炭素質微粒子ＭとＮＯｘのバランスに依存せず、両者独立して処理することが可能であり、還元剤の添加は不要となる。従って、本発明の浄化装置は構成を簡素化かつコンパクトにできるため、既存の自動車への後付けも可能となる。
【００６５】
さらに、排出ガス中には硫黄が含まれているが、この硫黄は窒素酸化物の還元処理において悪影響を及ばすおそれがある。しかし、ディーゼル微粒子中にこの硫黄が含まれている場合、本発明の浄化装置は、硫黄を含んだディーゼル微粒子を浄化構造体３０の第１電極３側に捕集し、その裏面側である第２電極４側において窒素酸化物の還元が行われるため、窒素酸化物の還元電極上には硫黄を含んだ微粒子が堆積することがなく、そのため硫黄による影響を抑えることができる。
【００６６】
以上図１〜図４に示した浄化装置に用いられている固体電解質１、及び、図１０に示した浄化装置に用いられている多孔質からなる浄化構造体３０についてさらに説明すると、使用される固体電解質１としては、従来知られているイットリウム安定化ジルコニア、セリア系固体電解質、又は溶融炭酸塩型のもの等があり、ジルコニアの場合３５０℃以上の高い排気温度においては十分な酸素イオンの供給が可能となる。そして、排気温度が高温（例えば３５０℃）の場合だけではなく、低い場合（例えば２５０℃〜３００℃）や、２５０℃以下においても効果的に酸素イオンの供給によるディーゼル微粒子の酸化（燃焼）を行わせるために、固体電解質１の形状、厚さを変更することでイオン伝導度を向上させることができる。
なお、以上において説明した酸素イオン導電性を有する固体電解質１は、一般に高温で酸素イオン伝導度が高くなり酸素イオンの移動が容易となるが、逆に低温では困難となる。仮に低温の固体電解質１に強制的に高い印加電圧をかけると、固体電解質１中を構成する酸素が強制的に移動するため電解質１の劣化が生じてしまう。
そこで、固体電解質１を加熱して固体電解質１の温度を３３０℃〜３７０℃程度に保つよう構成したり、又は排出ガス側Ｇのガス温度を３３０℃〜３７０℃程度に保つよう構成してもよい。そして、本発明において印加手段２による印加電圧を１ボルト〜１０ボルトと低くすることにより固体電解質１が劣化するのを防ぎ、かつ効率良く十分な速度で酸素イオンの供給を行う。
【００６７】
次に、図１０で示した浄化構造体３０の具体的な仕様について説明すると、浄化構造体３０は全体として、ディーゼル微粒子（固形炭素質微粒子Ｍ）を通さないでその一面側に捕集させる（フィルタリングする）ことができ、かつ、これを除く排出ガスを一面側から他面側へ透過させることができるように連続状の無数の孔からなる網目状組織の多孔質とされている。
ディーゼル微粒子の分解極となる第１電極３は、その厚さが１μｍ以上で５ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは５μｍ以上で５０μｍである。この厚さが薄すぎるとディーゼル微粒子の捕集率が低下するおそれがあり、また、厚すぎると圧力損失が大きくなるおそれがある。多孔質とされている第１電極３における孔（空洞）の平均孔径は０．５μｍ以上で１００μｍ以下とするのがよく、好ましくは１μｍ以上で１０μｍであり、気孔率は１０％以上で８０％以下とするのがよく、好ましくは４０％以上で６０％以下である。これらの値が小さすぎると圧力損失が大きくなるおそれがあり、大きすぎるとディーゼル微粒子の捕集率が低下するおそれがある。
固体電解質１は、その厚さが１μｍ以上で５ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは１０μｍ以上で５００μｍである。この厚さが厚すぎると圧力損失が大きくなるおそれがある。多孔質とされている固体電解質１における孔（空洞）の平均孔径は０．５μｍ以上で１００μｍ以下とするのがよく、好ましくは１μｍ以上で３０μｍであり、気孔率は１０％以上で８０％以下とするのがよく、好ましくは４０％以上で６０％以下である。これらの値が小さすぎると圧力損失が大きくなるおそれがあり、大きすぎると単位面積あたりのイオン導電率が小さくなるおそれがある。
窒素酸化物の分解極となる第２電極４は、その厚さが１μｍ以上で５ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは５μｍ以上で５０μｍである。この厚さが厚すぎると圧力損失が大きくなるおそれがある。多孔質とされている第２電極４における孔（空洞）の平均孔径は０．５μｍ以上で１００μｍ以下とするのがよく、好ましくは１μｍ以上で３０μｍであり、気孔率は１０％以上で８０％以下とするのがよく、好ましくは４０％以上で６０％以下である。これらの値が小さすぎると圧力損失が大きくなるおそれがある。
また、第１電極３における平均孔径と気孔率の双方又は一方は、固体電解質１及び第２電極４よりも小さくなるようにしてもよい。つまり、第１電極３におけるディーゼル微粒子の捕集率を維持しつつ、固体電解質１と第２電極２において流れる排出ガスの圧力損失を小さくしている。
【００６８】
浄化構造体３０において、第１電極３側でディーゼル微粒子が捕集された排出ガスを効率よく透過させるために、当該浄化構造体３０における圧力損失を小さくするのが好ましい。これは、圧力損失が大きいとエンジン出力の低下や燃費の悪化の原因となるからである。そして、本発明における浄化構造体３０における圧力損失の適正値は、前記厚さ、平均孔径及び気孔率に依存する他、ディーゼル微粒子の堆積状態及び排出ガスの流量によって異なるが、ディーゼル微粒子が堆積していない状態（新品の状態）で２０ｋＰａ以下であるのが好ましい。また、圧力損失を小さくするために前記気孔率等を大きくしすぎて第１電極３側でのディーゼル微粒子の捕集率を低下させることのない程度の多孔質とする必要があり、第１電極３側におけるディーゼル微粒子の捕集率は９０％以上とすることができる多孔質とするのが好ましい。
【００６９】
この多孔質からなる浄化構造体３０の製法について説明すると、固体電解質１及び電極を多孔質とする方法は従来知られている方法が適用でき、例えば、焼成の際に含有させておいた微小溶融材料（ペレット）を飛散させる方法や、発泡剤を用いる方法などがある。これにより得られる多孔質は、ディーゼル微粒子を除く排出ガスに対して透過性を有するように一面側から他面側へ連続している無数の孔（空洞）によって形成されている。
【００７０】
図１３は、ディーゼル機関からの排出ガスの浄化を行う浄化システムを示す模式図であり、図５に示した浄化システムと同様に、この浄化システムは、ディーゼル機関（ディーゼルエンジン）１５の排気口と接続されて排出ガスを排出させる排気流路７と、この排気流路７の一部に設けられる排出ガス浄化装置８とを備えている。排気流路７は排気管により構成されており、この排気管の途中に排出ガス浄化装置８が有する筒状の排出ガス浄化室１６が設けられている。この排出ガス浄化室１６の内部に前記浄化構造体３０が設けられている。
【００７１】
この排出ガス浄化装置８は図１０に示した浄化装置とされており、この装置８が備えている浄化構造体３０は、イオン導電性を有して一面１０側に酸素イオンを与え得る固体電解質１と、この固体電解質１の一面１０側と他面１１側にそれぞれ設けられた第１電極３と第２電極４とを有している。浄化構造体３０は、排気流路７からの排出ガスを第１電極３側から第２電極４側へ通すことによって排出ガス中のディーゼル微粒子を当該第１電極３側に捕集することができる多孔質とされている。浄化構造体３０には、前記制御手段３１が接続されている。
そして、前記説明したように、第１電極３側において捕集されたディーゼル微粒子を酸化させ、かつ、第２電極４側において浄化構造体３０を透過した排出ガスに含まれる窒素酸化物を還元する。
【００７２】
浄化構造体３０は、図１４に示しているように、有底筒状に形成されている複数本の筒状部３２と、この筒状部３２の開口部を相互連結している板状部３３とを有する構成とされている。板状部３３は、排気流路７を流れてきた排出ガスに対して対面状となるように排出ガス浄化室１６の内周面に壁状として取り付けられており、筒状部３２は、パイプ状の排出ガス浄化室１６の軸方向（排出ガスの流れ方向）が軸方向とされている。そして、筒状部３２の内面（内周面と底面）と、この内面と連続している板状部３３の表面とが第１電極３側とされており、その反対側の面である筒状部３２の外面（外周面と端面）とこの外面と連続している板状部３３の裏面とが第２電極４側とされている。これにより、排出ガス浄化室１６に流入した排出ガスは、板状部３３の表面及び筒状部３２の内面からその反対側の面へ透過し、第１電極３側においてディーゼル微粒子が捕集されて固形炭素質微粒子Ｍの酸化が行われ、第２電極４側において窒素酸化物の還元が行われ、処理された排出ガスは、排出ガス浄化室１６の下流側へ排出される。
【００７３】
また、以上の浄化装置によれば、排出ガス中のディーゼル微粒子にはハイドロカーボン（ＨＣ）も含まれており、このハイドロカーボンは固体電解質１による酸素の供給により水と二酸化炭素に酸化（ＣｍＨｎ＋（ｍ＋ｎ／４）Ｏ２→ｍＣＯ２＋ｎ／２Ｈ２Ｏ）させることができる。
さらに、本発明における浄化装置、浄化方法及び浄化システムは、ディーゼル機関から排出される排出ガスの浄化に留まらず化学合成や燃焼システム等広範囲にわたって適用することができる。また、本発明は図示する形態に限らずこの発明の範囲内において他の形態のものであっても良く、固体電解質１をパネル形状とする以外にも設置する部位に応じて円筒形状や波型等とすることができる。
【００７４】
そして、図１〜図４及び図１０に示す浄化装置はこれ単独により機能させることはもちろん、従来知られている窒素酸化物の浄化装置や、微粒子浄化装置に追加的に付与することもできる。つまり、本発明の浄化システムは構造が簡単で装置をコンパクトにすることができるため、従来の装置ではディーゼル微粒子の酸化が不十分である場合に補助酸化システムとして付加することができる。
さらに、図１〜図４に示した前記浄化装置において、コロナ放電等による電気集塵機となる前記帯電装置を設け、排出ガス中に含まれるディーゼル微粒子を固体電解質１の堆積面１２に効率よく堆積させるようしてもよい。
【００７５】
以上の浄化装置、浄化方法、及び、排出ガス浄化システムは、ディーゼルエンジンから排出された排出ガスを浄化するものとして説明したが、排出ガスはディーゼルエンジンから排出されたものに限らず、ガソリン機関（直噴式ガソリン機関）、ボイラーや工業炉から排出されたものについても、本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の実施の一形態に係る浄化装置を示すモデル図である。
【図２】浄化装置の他の実施の形態を示すモデル図である。
【図３】浄化装置の別の実施の形態を示すモデル図である。
【図４】印加手段が有する印加電圧の極性を反転させる切り換え手段の作用を説明するモデル図である。
【図５】本発明の実施の一形態に係る排出ガス浄化システムの概略を示す模式図である。
【図６】排出ガス浄化装置の要部構成図である。
【図７】排出ガス浄化装置の変形例を示す要部構成図である。
【図８】本発明の他の実施の形態に係る排出ガス浄化システムの概略を示す模式図である。
【図９】図８の浄化システムが有する排出ガス浄化装置を示す要部構成図である。
【図１０】浄化装置のさらに別の実施の形態を示すモデル図である。
【図１１】窒素酸化物の還元のメカニズムを説明する説明図である。
【図１２】窒素酸化物の還元の他のメカニズムを説明する説明図である。
【図１３】排出ガス浄化システムの他の実施形態の概略を示す模式図である。
【図１４】図１３の浄化システムが有する排出ガス浄化装置を示す要部構成図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  固体電解質
２  印加手段
３  第１電極
４  第２電極
５  吸着材
６  酸化触媒
７  排気流路
８  排出ガス浄化装置
１０  一面
１１  他面
３０  浄化構造体
３１  制御手段
Ａ  大気側
Ｇ  排出ガス側
Ｍ  固形炭素質微粒子
【図１】
2006200520.tif 000003
【図２】
2006200520.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006200520.tif 000007
【図６】
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【図７】
2006200520.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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