(57)【要約】【課題】ハニカム体を備える電気化学リアクタにおいて、ＮＯｘを適切に浄化することができるようにする。【解決手段】内燃機関１の排気通路に配置される電気化学リアクタ４５は、複数のセル７２が形成されたハニカム体７１を備え、ハニカム体は、上流側部分ハニカム体７１ａと下流側部分ハニカム体７１ｂとを備える。上流側部分ハニカム体は、複数の第１セル７２ａと、イオン伝導性の固体電解質を含む隔壁基材を介して第１セルに隣り合う複数の第２セル７２ｂとを備え、下流側部分ハニカム体は、複数の第３セル７２ｃと、隔壁基材を介して第３セルに隣り合う複数の第４セル７２ｄとを備える。第１セル及び第４セルはカソード層７７を有し、第２セル及び第３セルはアノード層７６を有する。第１セルを通って流れた排気ガス全ては第３セルに流入し、第２セルを通って流れた排気ガス全ては第４セルに流入する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置される電気化学リアクタであって、
複数のセルが形成されたハニカム体を備え、該ハニカム体は、上流側部分ハニカム体と該上流側部分ハニカム体よりも排気流れ方向下流側に配置された下流側部分ハニカム体とを備え、
前記上流側部分ハニカム体は、複数の第１セルと、イオン伝導性の固体電解質を含む隔壁基材を介して少なくとも部分的に該第１セルに隣り合うようにして配置された複数の第２セルとを備え、前記第１セルを画定する隔壁基材の表面上にはカソード層が設けられ、前記第２セルを画定する隔壁基材の表面上にはアノード層が設けられ、
前記下流側部分ハニカム体は、複数の第３セルと、イオン伝導性の固体電解質を含む隔壁基材を介して少なくとも部分的に該第３セルに隣り合うようにして配置された複数の第４セルとを備え、前記第３セルを画定する隔壁基材の表面上にはアノード層が設けられ、前記第４セルを画定する隔壁基材の表面上にはカソード層が設けられ、
前記第１セルを通って流れた排気ガス全てが前記第３セルに流入し、前記第２セルを通って流れた排気ガス全てが第４セルに流入するように構成される、電気化学リアクタ。
【請求項２】
前記上流側部分ハニカム体と前記下流側部分ハニカム体とは隔壁基材同士が互いに結合され、
前記第１セルのカソード層と前記第３セルのアノード層とは接触することのないように排気流れ方向に離間して配置され、前記第２セルのアノード層と前記第４セルのカソード層とは接触することのないように排気流れ方向に離間して配置される、請求項１に記載の電気化学リアクタ。
【請求項３】
前記ハニカム体は、前記上流側部分ハニカム体と前記下流側部分ハニカム体との間に前記固体電解質に比べてイオン伝導性の低い材料で形成されたスペーサを備える、請求項１又は２に記載の電気化学リアクタ。
【請求項４】
前記ハニカム体のセルは四角形の断面を有するように構成され、前記ハニカム体は、一つの前記第１セルが４つの第２セルと四方で隣接すると共に一つの前記第２セルが４つの第１セルと四方で隣接するように形成され、一つの前記第３セルが４つの第４セルと四方で隣接すると共に一つの前記第４セルが４つの前記第３セルと四方で隣接するように形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気化学リアクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路に配置される電気化学リアクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、イオン導電性の固体電解質と、固体電解質の表面上に設けられたアノード層及び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、２）。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して電流を流すことにより、カソード層上にて排気ガス中のＮＯｘを浄化することができる。
【０００３】
斯かる電気化学リアクタとしては、固体電解質を含むハニカム体を備え、ハニカム体の各セルにアノード層又はカソード層を設けるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１）。特に、特許文献１に記載の電気化学リアクタは、隣り合う二つのセルのうち一方のセルにアノード層が設けられ、他方のセルにカソード層が設けられるように構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−０７８４２１号公報
【特許文献２】特開２００３−０４７８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように排気ガス中のＮＯｘの浄化はカソード層上にて行われる。このため、上述したようにハニカム体を備えるように構成された電気化学リアクタでは、アノード層のみが設けられたセルを通って流れる排気ガス中のＮＯｘが浄化されず、よって排気ガス中のＮＯｘを適切に浄化することができない。
【０００６】
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、ハニカム体を備える電気化学リアクタにおいて、ＮＯｘを適切に浄化することができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
（１）内燃機関の排気通路に配置される電気化学リアクタであって、複数のセルが形成されたハニカム体を備え、該ハニカム体は、上流側部分ハニカム体と該上流側部分ハニカム体よりも排気流れ方向下流側に配置された下流側部分ハニカム体とを備え、前記上流側部分ハニカム体は、複数の第１セルと、イオン伝導性の固体電解質を含む隔壁基材を介して少なくとも部分的に該第１セルに隣り合うようにして配置された複数の第２セルとを備え、前記第１セルを画定する隔壁基材の表面上にはカソード層が設けられ、前記第２セルを画定する隔壁基材の表面上にはアノード層が設けられ、前記下流側部分ハニカム体は、複数の第３セルと、イオン伝導性の固体電解質を含む隔壁基材を介して少なくとも部分的に該第３セルに隣り合うようにして配置された複数の第４セルとを備え、前記第３セルを画定する隔壁基材の表面上にはアノード層が設けられ、前記第４セルを画定する隔壁基材の表面上にはカソード層が設けられ、前記第１セルを通って流れた排気ガス全てが前記第３セルに流入し、前記第２セルを通って流れた排気ガス全てが第４セルに流入するように構成される、電気化学リアクタ。
【０００９】
（２）前記上流側部分ハニカム体と前記下流側部分ハニカム体とは隔壁基材同士が互いに結合され、前記第１セルのカソード層と前記第３セルのアノード層とは接触することのないように排気流れ方向に離間して配置され、前記第２セルのアノード層と前記第４セルのカソード層とは接触することのないように排気流れ方向に離間して配置される、上記（１）に記載の電気化学リアクタ。
【００１０】
（３）前記ハニカム体は、前記上流側部分ハニカム体と前記下流側部分ハニカム体との間に前記固体電解質に比べてイオン伝導性の低い材料で形成されたスペーサを備える、上記（１）又は（２）に記載の電気化学リアクタ。
【００１１】
（４）前記ハニカム体のセルは四角形の断面を有するように構成され、前記ハニカム体は、一つの前記第１セルが４つの第２セルと四方で隣接すると共に一つの前記第２セルが４つの第１セルと四方で隣接するように形成され、一つの前記第３セルが４つの第４セルと四方で隣接すると共に一つの前記第４セルが４つの前記第３セルと四方で隣接するように形成される、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の電気化学リアクタ。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ハニカム体を備える電気化学リアクタにおいて、ＮＯｘを適切に浄化することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、内燃機関の概略的な構成図である。
【図２】図２は、リアクタの断面側面図である。
【図３】図３は、図２の破線で示した領域を模式的に示す拡大断面図である。
【図４】図４は、図３の線ＩＶ−ＩＶに沿って見た上流側部分ハニカム体の拡大断面図である。
【図５】図５は、ハニカム体の隔壁で生じる反応を概略的に示す図である。
【図６】図６は、第一実施形態とは異なる構成のハニカム体を備えたリアクタにおける排気ガスの流れを示す図である。
【図７】図７は、第一実施形態に係るハニカム体を備えたリアクタにおける排気ガスの流れを示す図である。
【図８】図８は、第二実施形態に係るリアクタの構成を模式的に示す、図３と同様な拡大断面図である。
【図９】図９は、第一実施形態に係るハニカム体を備えたリアクタを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
＜第一実施形態＞
≪内燃機関全体の説明≫
まず、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。なお、排気浄化触媒４４は、排気流れ方向においてリアクタ４５の下流側に設けられてもよい。
【００２０】
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。
【００２１】
≪電気化学リアクタの構成≫
次に、図２〜図４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、リアクタ４５の断面側面図である。図２に示したように、リアクタ４５は、複数のセル７２が形成されたハニカム体７１を備える。ハニカム体７１は、複数の隔壁７３を備え、隔壁７３によって複数のセル７２が画定される。各セル７２は、ハニカム体７１の軸線方向に（すなわちリアクタ４５を通って流れる排気ガスの流れ方向に）延びると共に、四角形の断面を有するように形成される。隔壁７３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。セル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。リアクタ４５に流入した排気ガスは複数のセル７２を通って流れる。
【００２２】
図３は、図２の破線で示した領域を模式的に示す拡大断面図である。図中の矢印は、リアクタ４５を通って流れる排気ガスの流れる方向を示している。図３に示したように、ハニカム体７１は、上流側部分ハニカム体７１ａと下流側部分ハニカム体７１ｂとを備える。下流側部分ハニカム体７１ｂは、排気ガスの流れ方向（図中の矢印の方向）において、上流側部分ハニカム体７１ａの下流側に配置される。
【００２３】
上流側部分ハニカム体７１ａの隔壁７３は、上流側部分ハニカム体７１ａに形成されたセルを画定する隔壁基材７５と、隔壁基材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隔壁基材７５の表面上に配置されたカソード層７７とを備える。
【００２４】
隔壁基材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）、金属ドープＳｎxＩｎ1-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。
【００２５】
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。
【００２６】
図４は、図３の線ＩＶ−ＩＶに沿って見た上流側部分ハニカム体７１ａの拡大断面図である。図３及び図４からわかるように、上流側部分ハニカム体７１ａのセル７２は、複数の第１セル７２ａと、隔壁７３（隔壁基材７５）を介して第１セル７２ａに隣り合うようにして配置された複数の第２セル７２ｂとを備える。
【００２７】
図４からわかるように、本実施形態では、上流側部分ハニカム体７１ａのセル７２は、正方形の断面を有するように形成される。上流側部分ハニカム体７１ａは、一つの第１セル７２ａが隔壁７３を介して４つの第２セル７２ｂと四方で隣接すると共に、一つの第２セル７２ｂが隔壁７３を介して４つの第１セル７２ａと四方で隣接するように形成される。すなわち、上流側部分ハニカム体７１ａは、第１セル７２ａと第２セル７２ｂとが交互に配置されるように形成される。
【００２８】
第１セル７２ａを画定する隔壁基材７５の表面上には、アノード層７６及びカソード層７７のうちカソード層７７のみが設けられる。図４からわかるように、断面が四角形の第１セル７２ａを画定する４つの辺を構成する隔壁基材７５の全ての表面上にカソード層７７が設けられる。したがって、第１セル７２ａは、カソード層７７に囲われるように形成される。
【００２９】
一方、第２セル７２ｂを画定する隔壁基材７５の表面上には、アノード層７６及びカソード層７７のうちアノード層７６のみが設けられる。図４からわかるように、断面が四角形の第２セル７２ｂを画定する４つの辺を構成する隔壁基材７５の全ての表面上にアノード層７６が設けられる。したがって、第２セル７２ｂは、アノード層７６に囲われるように形成される。
【００３０】
このように構成された上流側部分ハニカム体７１ａでは、隣り合う二つのセル７２のうち一方は第１セル７２ａであり、他方は第２セル７２ｂである。したがって、上流側部分ハニカム体７１ａの隣り合う二つのセル７２の間に設けられた隔壁７３は、アノード層７６、固体電解質を含む隔壁基材７５、カソード層７７の順に積層されることになる。
【００３１】
下流側部分ハニカム体７１ｂは、上流側部分ハニカム体７１ａと同様に構成される。したがって、下流側部分ハニカム体７１ｂの隔壁７３も、隔壁基材７５とアノード層７６とカソード層７７とを備える。また、図３からわかるように、下流側部分ハニカム体７１ｂのセル７２は、複数の第３セル７２ｃと、隔壁７３（隔壁基材７５）を介して第３セル７２ｃに隣り合うようにして配置された複数の第４セル７２ｄとを備える。
【００３２】
下流側部分ハニカム体７１ｂのセル７２も、上流側部分ハニカム体７１ａのセル７２と同様に、正方形の断面を有するように形成される。下流側部分ハニカム体７１ｂは、一つの第３セル７２ｃが隔壁７３を介して４つの第４セル７２ｄと四方で隣接すると共に、一つの第４セル７２ｄが隔壁７３を介して４つの第３セル７２ｃと四方で隣接するように形成される。すなわち、下流側部分ハニカム体７１ｂは、第３セル７２ｃと第４セル７２ｄとが交互に配置されるように形成される。
【００３３】
第３セル７２ｃを画定する隔壁基材７５の表面上には、アノード層７６及びカソード層７７のうち、アノード層７６のみが設けられる。したがって、断面が四角形の第３セル７２ｃを画定する４つの辺を構成する隔壁基材７５の全ての表面上にアノード層７６が設けられる。したがって、第３セル７２ｃは、アノード層７６に囲われるように形成される。
【００３４】
一方、第４セル７２ｄを画定する隔壁基材７５の表面上には、アノード層７６及びカソード層７７のうち、カソード層７７のみが設けられる。したがって、断面が四角形の第４セル７２ｄを画定する４つの辺を構成する隔壁基材７５の全ての表面上にカソード層７７が設けられる。したがって、第４セル７２ｄは、カソード層７７に囲われるように形成される。
【００３５】
このように構成された下流側部分ハニカム体７１ｂでは、隣り合う二つのセル７２のうち一方は第３セル７２ｃであり、他方は第４セル７２ｄである。したがって、下流側部分ハニカム体７１ｂの隣り合う二つのセル７２の間に設けられた隔壁は、アノード層７６、固体電解質を含む隔壁基材７５、カソード層７７の順に積層されることになる。
【００３６】
本実施形態では、上流側部分ハニカム体７１ａと下流側部分ハニカム体７１ｂとは、隔壁基材７５同士が互いに結合される。具体的には、上流側部分ハニカム体７１ａの隔壁基材７５の下流側端面と、下流側部分ハニカム体７１ｂの隔壁基材７５の上流側端面とが互いに結合される。特に、本実施形態では、ハニカム体７１の隔壁基材７５は、上流側部分と下流側部分とで分断されることなく一体として形成される。
【００３７】
また、上流側部分ハニカム体７１ａと下流側部分ハニカム体７１ｂとは、第１セル７２ａと第３セル７２ｃとが連通し、第２セル７２ｂと第４セル７２ｄとが連通するように互いに結合される。特に、本実施形態では、上流側部分ハニカム体７１ａと下流側部分ハニカム体７１ｂとは、アノード層７６及びカソード層７７の構成を除いて同様に形成される。このため、上流側部分ハニカム体７１ａと下流側部分ハニカム体７１ｂとは、一つの第１セル７２ａが一つの第３セル７２ｃに連通し、一つの第２セル７２ｂが一つの第４セル７２ｄに連通するように結合される。いずれにせよ、本実施形態のリアクタ４５では、第１セル７２ａを通って流れた排気ガスの全てが第３セル７２ｃに流入し、第２セル７２ｂを通って流れた排気ガスの全てが第４セル７２ｄに流入する。
【００３８】
また、リアクタ４５は、電源装置８１、電流計８２及び電流調整装置８３を備える。電源装置８１の正極はアノード層７６に接続され、電源装置８１の負極はカソード層７７に接続される。
【００３９】
電流調整装置８３は、アノード層７６から隔壁基材７５を通ってカソード層７７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。また、電流調整装置８３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。
【００４０】
電源装置８１は、電流計８２と直列に接続されている。また、電流計８２は、ＥＣＵ５１に接続され、検出された電流値をＥＣＵ５１に送信する。また、電流調整装置８３は、ＥＣＵ５１に接続され、ＥＣＵ５１によって制御される。本実施形態では、電流調整装置８３は、電流計８２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。
【００４１】
なお、図３に示した例では、上流側部分ハニカム体７１ａのアノード層７６及びカソード層７７と下流側部分ハニカム体７１ｂのアノード層７６及びカソード層７７とは、別々の電源装置８１、電流計８２及び電流調整装置８３に接続されている。しかしながら、上流側部分ハニカム体７１ａのアノード層７６及びカソード層７７と下流側部分ハニカム体７１ｂのアノード層７６及びカソード層７７とは、共通する一つの電源装置８１、電流計８２及び電流調整装置８３に接続されてもよい。
【００４２】
≪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。図５は、ハニカム体７１の隔壁７３で生じる反応を概略的に示す図である。リアクタ４５では、電源装置８１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：  Ｈ2Ｏ→２Ｈ+＋Ｏ2-      …（１）
２ＨＣ＋３Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2＋６ｅ      …（２）
ＣＯ＋Ｏ2-→ＣＯ2＋２ｅ      …（３）
カソード側：  ２ＮＯ＋４Ｈ+＋４ｅ→Ｎ2＋２Ｈ2Ｏ      …（４）
【００４３】
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イオンとプロトンとが生成される。生成された酸素イオンは排気ガス中に未燃のＨＣやＣＯ等が含まれる場合にはこれらＨＣやＣＯと反応して、二酸化炭素や水が生成される。一方、アノード層７６で生成されたプロトンは、プロトン伝導性の固体電解質を含む隔壁基材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。なお、アノード層７６の周りにＨＣやＣＯが存在しないときには、下記式（５）のような反応が生じて酸素が生成され、生成された酸素は排気ガス中に放出される。
２Ｈ2Ｏ→４Ｈ+＋Ｏ2＋４ｅ      …（５）
【００４４】
以上より、本実施形態によれば、リアクタ４５の電源装置８１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。加えて、本実施形態では、リアクタ４５の電源装置８１から電流を流すことにより、排気ガス中のＨＣ、ＣＯを酸化、浄化することができる。
【００４５】
なお、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と、水分子を保持可能な物質を含む水分子保持層との二つの層を含んでもよい。この場合、隔壁基材７５の表面上に導電層が配置され、隔壁基材７５側とは反対側の導電層の表面上に水分子保持層が配置される。
【００４６】
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んでもよい。この場合、隔壁基材７５の表面上に導電層が配置され、隔壁基材７５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。
【００４７】
また、本実施形態では、リアクタ４５の隔壁基材７５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、隔壁基材７５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。
【００４８】
さらに、上記実施形態では、各セル７２はその断面形状が四角形となるように形成される。しかしながら、各セル７２は、その断面形状が四角形とは異なる形状、例えば、六角形や八角形となるように形成されてもよい。ただし、この場合、隣り合うセル７２うち一部では、共にアノード層７６のみ又はカソード層７７のみを有することになる。このようにして隣り合うセル７２の間では隔壁基材７５を通るイオンの移動は生じず、よってＮＯｘ等の浄化を行うことができない。
【００４９】
なお、これらの態様を含めるように表現すると、上流側部分ハニカム体７１ａの第１セル７２ａと第２セル７２ｂとは、隔壁基材７５を介して少なくとも部分的に隣り合うようにして配置されているといえる。同様に、下流側部分ハニカム体７１ｂの第３セル７２ｃと第４セル７２ｄとは、隔壁基材７５を介して少なくとも部分的に隣り合うようにして配置されているといえる。
【００５０】
≪効果≫
次に、図６及び図７を参照して、第一実施形態に係るリアクタ４５による効果について説明する。図６は、上記実施形態とは異なる構成のハニカム体７１’を備えたリアクタ４５’における排気ガスの流れを示す図である。排気ガスは、図中に矢印で示した方向に流れる。図６に示したリアクタ４５’では、一つのセルが、ハニカム体７１’の上流端から下流端までアノード層及びカソード層のうちの一方のみを有するように構成される。
【００５１】
具体的には、図６に示したハニカム体７１’では、隣り合う二つのセルのうち一方が第１セル７２ａとして形成され、他方が第２セル７２ｂ’として形成される。そして、図６に示した例では、ハニカム体７１’の第１セル７２ａ’を画定する隔壁基材７５の表面上にはカソード層７７のみが設けられ、第２セル７２ｂ’を画定する隔壁基材７５の表面上にはアノード層７６のみが設けられている。
【００５２】
図６に示したように構成されたリアクタ４５’に図中に矢印で示したようにＨＣ、ＣＯやＮＯｘを含む排気ガスが流入すると、第１セル７２ａ’及び第２セル７２ｂ’それぞれにＨＣ、ＣＯやＮＯｘを含んだ排気ガスが流入する。第１セル７２ａ’はカソード層７７を有しているため、電源装置８１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、第１セル７２ａ’では上記式（４）で示した反応が進み、排気ガス中のＮＯｘが浄化される。しかしながら、第１セル７２ａ’はアノード層７６を有していないため、電源装置８１から電流が流されても、第１セル７２ａ’では上記式（１）〜（３）に示した反応は生じず、排気ガス中のＨＣやＣＯは浄化されない。すなわち、第１セル７２ａ’では、排気ガス中のＮＯｘは浄化されるものの、ＨＣやＣＯは浄化されずにそのまま第１セル７２ａ’から流出することになる。
【００５３】
一方、第２セル７２ｂ’はアノード層７６を有しているため、電源装置８１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、第２セル７２ｂ’では上記式（１）〜（３）で示した反応が進み、排気ガス中のＨＣやＣＯが浄化される。しかしながら、第２セル７２ｂ’はカソード層７７を有していないため、電源装置８１から電流が流されても、第２セル７２ｂ’では上記式（４）で示した反応は生じず、排気ガス中のＮＯｘは浄化されない。すなわち、第２セル７２ｂ’では、排気ガス中のＨＣやＣＯは浄化されるものの、ＮＯｘは浄化されずにそのまま第２セル７２ｂ’から流出することになる。このように、図６に上記実施形態とは異なり図６に示したように構成されたリアクタ４５’では、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを十分に浄化することができない。
【００５４】
図７は、上記実施形態に係るハニカム体７１を備えたリアクタ４５における排気ガスの流れを示す図である。排気ガスは、図中に矢印で示した方向に流れる。本実施形態の構成のリアクタ４５の第１セル７２ａにＨＣ、ＣＯやＮＯｘを含む排気ガスが流入すると、第１セル７２ａはカソード層７７を有しているため、排気ガス中のＮＯｘが浄化される。したがって、第１セル７２ａからはＨＣ及びＣＯとＮ2を含んだ排気ガスが流出する。この排気ガスが第３セル７２ｃに流入すると、第３セル７２ｃはアノード層７６を有しているため、排気ガス中のＨＣ、ＣＯが浄化される。この結果、第１セル７２ａ及び第３セル７２ｃを通って流れる排気ガスからはＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが全て浄化される。
【００５５】
同様に、第２セル７２ｂにＨＣ、ＣＯやＮＯｘを含む排気ガスが流入すると、第２セル７２ｂはアノード層７６を有しているため、排気ガス中のＨＣやＣＯが浄化される。したがって、第２セル７２ｂからはＣＯ2とＮＯを含んだ排気ガスが流出する。この排気ガスが第４セル７２ｄに流入すると、第４セル７２ｄはカソード層７７を有しているため、排気ガス中のＨＣ、ＣＯが浄化される。この結果、第２セル７２ｂ及び第４セル７２ｄを通って流れる排気ガスからはＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが全て浄化される。このように、本実施形態のリアクタ４５によれば、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯを全て浄化することができる。
【００５６】
また、本実施形態では、図４に示したように、第１セル７２ａ（及び第４セル７２ｄ）を画定する隔壁基材７５の全面にカソード層７７が設けられている。同様に、第２セル７２ｂ（及び第３セル７２ｃ）を画定する隔壁基材７５の全面にカソード層７７が設けられている。このため、カソード層７７がアノード層７６と不用意に短絡してしまうことが抑制される。
【００５７】
さらに、本実施形態では、隔壁がハニカム状に形成されている。このため、アノード層、隔壁基材及びカソード層を備える隔壁と、排気ガスとの接触面積をできる限り大きくすることができ、この結果、排気ガスの浄化率を高めることができる。
【００５８】
＜第二実施形態＞
次に、図８及び図９を参照して、第二実施形態に係る電気化学リアクタについて説明する。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。したがって、以下では、主に、第一実施形態に係る電気化学リアクタとは異なる部分について説明する。
【００５９】
図８は、第二実施形態に係るリアクタ４５の構成を模式的に示す、図３と同様な拡大断面図である。図８からわかるように、本実施形態では、上流側部分ハニカム体７１ａと下流側部分ハニカム体７１ｂとの間に、スペーサ９１が設けられる。具体的には、上流側部分ハニカム体７１ａの隔壁基材７５の下流側端面と、下流側部分ハニカム体７１ｂの上流側端面との間にスペーサ９１が設けられる。スペーサ９１は、ハニカム体７１の軸線に垂直な断面において、上流側部分ハニカム体７１ａ及び下流側部分ハニカム体７１ｂと同様な断面形状を有する。
【００６０】
また、スペーサ９１は、隔壁基材７５の固体電解質に比べてプロトン伝導性（又はイオン伝導性）の低い材料で形成される。例えば、スペーサ９１は、絶縁性の材料で形成される。具体的には、スペーサ９１は、例えば、アルミナやコージェライト等で形成される。
【００６１】
本実施形態では、このように絶縁性のスペーサ９１が設けられることにより、上流側部分ハニカム体７１ａのカソード層７７と下流側部分ハニカム体７１ｂのアノード層７６との間のプロトンの移動が抑制される。同様に、上流側部分ハニカム体７１ａのアノード層７６と下流側部分ハニカム体７１ｂのカソード層７７との間のプロトンの移動が抑制される。
【００６２】
ところで、第一実施形態に係るリアクタ４５では、第１セル７２ａにおいて、プロトンの一部がＮＯｘと反応せずに水素として排気ガス中に放出される可能性がある。この理由について図９を参照して以下に説明する。図９は、第一実施形態に係るハニカム体を備えたリアクタを概略的に示す図である。
【００６３】
第１セル７２ａでは、上記式（４）により排気ガス中のＮＯｘが浄化される。したがって、第１セル７２ａ内を流れる排気ガス中のＮＯｘ濃度は、第１セル７２ａの上流側の領域（図中のＡ）では高く、下流側に進むにつれて低下し、下流側の領域（図中のＢ）において最も低くなる。ここで、上記式（４）の反応の速度は、ＮＯｘの濃度が高いほど速い。したがって、第１セル７２ａの下流側の領域Ｂでは、式（４）の反応の速度は遅い。
【００６４】
一方、第３セル７２ｃでは、上記式（１）〜（３）及び（５）により、プロトンが生成される。したがって、第１セル７２ａを流れる排気ガス中の水蒸気濃度、ＨＣ濃度及びＣＯ濃度は、第３セル７２ｃの上流側の領域（図中のＣ）では高く、下流側に進むにつれて低下し、下流側の領域（図中のＤ）において最も低くなる。ここで、上記式（１）〜（３）及び（５）の反応の速度は、水蒸気濃度、ＨＣ濃度及びＣＯ濃度が高いほど速い。したがって、第３セル７２ｃの上流側の領域Ｃでは、式（４）の反応速度は速く、よって多量のプロトンが生成される。
【００６５】
スペーサ９１が設けられていない場合、第３セル７２ｃの上流側の領域Ｃで生成された多量のプロトンの一部は、固体電解質を含む隔壁基材７５の表面近傍を通って第１セル７２ａの下流側の領域Ｂに移動する。しかしながら、第１セル７２ａの下流側の領域Ｂでは上記式（４）の反応の速度が遅い。このため、第３セル７２ｃから第１セル７２ａに移動したプロトンの一部は、ＮＯｘと反応せずに水素として排気中に放出されることになる。したがって、第３セル７２ｃではＮＯｘと反応しないプロトンを生成するためにエネルギが消費されることになり、燃費の悪化を招く可能性がある。
【００６６】
これに対して本実施形態に係るリアクタ４５では、上流側部分ハニカム体７１ａと下流側部分ハニカム体７１ｂとの間に絶縁性のスペーサ９１が設けられる。これにより、第３セル７２ｃで生成されたプロトンが第１セル７２ａに移動することが抑制され、よって第１セル７２ａにてプロトンの一部がＮＯｘと反応せずに水素として排気ガス中に放出されるのが抑制される。この結果、燃費の悪化を抑制することができる。
【符号の説明】
【００６７】
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
７１    ハニカム体
７２    セル
７３    隔壁
７５    隔壁基材
７６    アノード層
７７    カソード層
８１    電源装置
【図１】
2019210863.tif 000003
【図２】
2019210863.tif 000004
【図３】
2019210863.tif 000005
【図４】
2019210863.tif 000006
【図５】
2019210863.tif 000007
【図６】
2019210863.tif 000008
【図７】
2019210863.tif 000009
【図８】
2019210863.tif 000010
【図９】
2019210863.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】令和1年5月9日(2019.5.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
同様に、第２セル７２ｂにＨＣ、ＣＯやＮＯｘを含む排気ガスが流入すると、第２セル７２ｂはアノード層７６を有しているため、排気ガス中のＨＣやＣＯが浄化される。したがって、第２セル７２ｂからはＣＯ2とＮＯを含んだ排気ガスが流出する。この排気ガスが第４セル７２ｄに流入すると、第４セル７２ｄはカソード層７７を有しているため、排気ガス中のＮＯｘが浄化される。この結果、第２セル７２ｂ及び第４セル７２ｄを通って流れる排気ガスからはＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘが全て浄化される。このように、本実施形態のリアクタ４５によれば、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯを全て浄化することができる。
【手続補正書】
【提出日】令和1年6月26日(2019.6.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
具体的には、図６に示したハニカム体７１’では、隣り合う二つのセルのうち一方が第１セル７２ａ’として形成され、他方が第２セル７２ｂ’として形成される。そして、図６に示した例では、ハニカム体７１’の第１セル７２ａ’を画定する隔壁基材７５の表面上にはカソード層７７のみが設けられ、第２セル７２ｂ’を画定する隔壁基材７５の表面上にはアノード層７６のみが設けられている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
また、本実施形態では、図４に示したように、第１セル７２ａ（及び第４セル７２ｄ）を画定する隔壁基材７５の全面にカソード層７７が設けられている。同様に、第２セル７２ｂ（及び第３セル７２ｃ）を画定する隔壁基材７５の全面にアノード層７６が設けられている。このため、カソード層７７がアノード層７６と不用意に短絡してしまうことが抑制される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
一方、第３セル７２ｃでは、上記式（１）〜（３）及び（５）により、プロトンが生成される。したがって、第３セル７２ｃを流れる排気ガス中の水蒸気濃度、ＨＣ濃度及びＣＯ濃度は、第３セル７２ｃの上流側の領域（図中のＣ）では高く、下流側に進むにつれて低下し、下流側の領域（図中のＤ）において最も低くなる。ここで、上記式（１）〜（３）及び（５）の反応の速度は、水蒸気濃度、ＨＣ濃度及びＣＯ濃度が高いほど速い。したがって、第３セル７２ｃの上流側の領域Ｃでは、式（４）の反応速度は速く、よって多量のプロトンが生成される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
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