(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気放出を制御するために使用される電気化学的触媒コンバータであって、
少なくとも１つの電池モジュールであって、カソードコンパートメント、アノードコンパートメント、膜電極アセンブリおよび加熱ユニットをさらに含み、前記膜電極アセンブリが前記カソードコンパートメントと前記アノードコンパートメントの間に配置され、前記加熱ユニットが前記電池モジュールの中に埋設され、前記カソードコンパートメントが酸化触媒を含んだ少なくとも１つの電池モジュールと、
それぞれ前記アノードコンパートメントの２つの面に結合されて、動作のために前記電池モジュールの還元ガス流入ターミナルおよび還元ガス流出ターミナルとして機能する還元ガス流入ユニットおよび還元ガス流出ユニットと、
前記還元ガス流入ユニットおよび前記還元ガス流出ユニットそれぞれに結合されて、還元ガスの閉循環を実施する還元ガス循環ポンプと、
それぞれ前記カソードコンパートメントの２つの面に結合されて、排気ガスを処理するための前記電池モジュールの排気ガス流入ターミナルおよび排気ガス流出ターミナルとして機能する排気ガス流入ユニットおよび排気ガス流出ユニットと
を備え、
前記膜電極アセンブリ内に起電力を生成するために前記加熱ユニットが前記膜電極アセンブリを動作温度まで加熱し、
前記排気ガス中の窒素酸化物が分解して前記膜電極アセンブリ内に窒素を形成し、
前記排気ガス中の一酸化炭素、炭化水素および粒子状物質が前記酸化触媒による触媒作用によって二酸化炭素および水を形成し、
それにより前記排気ガスが分解される
電気化学的触媒コンバータ。
【請求項２】
前記膜電極アセンブリが、カソード層、アノード層および電解質層をさらに備え、前記電解質層が前記カソード層と前記アノード層の間に配置され、前記カソード層および前記アノード層がそれぞれ前記カソードコンパートメントおよび前記アノードコンパートメントに結合され、前記カソードコンパートメントが、カソード通路および酸化触媒でできた酸化触媒層をさらに含み、前記アノードコンパートメントがアノード通路をさらに含み、前記加熱ユニットが前記アノード通路に配置され、前記排気ガス流入ユニットが前記カソード通路に結合され、前記排気ガスの酸化反応が前記カソードコンパートメントの中で生じ、前記排気ガスが前記カソード層に到達して分解を起こし、前記還元ガス流入ユニットが前記アノード通路に結合され、前記還元ガスが前記アノード層に到達して起電力を生成する、請求項１に記載の電気化学的触媒コンバータ。
【請求項３】
前記カソードコンパートメント、前記膜電極アセンブリ、前記加熱ユニットおよび前記アノードコンパートメントが１つずつ積み重ねられ、前記カソード通路、前記酸化触媒層、前記カソード層、前記電解質層、前記アノード層、前記加熱ユニットおよび前記アノード通路が順次積み重ねられた、請求項２に記載の電気化学的触媒コンバータ。
【請求項４】
前記アノードコンパートメント、前記加熱ユニット、前記膜電極アセンブリおよび前記カソードコンパートメントが管状構造で積み重ねられ、前記アノード通路が前記管状構造の中心に配置され、前記加熱ユニット、前記アノード層、前記電解質層、前記カソード層、前記酸化触媒層および前記カソード通路が積み重ねられ、かつ、前記アノード通路を順次取り囲んでいる、請求項２に記載の電気化学的触媒コンバータ。
【請求項５】
前記動作温度が４５０℃から６００℃までの間である、請求項２に記載の電気化学的触媒コンバータ。
【請求項６】
前記酸化触媒が、金属、合金、フルオライト型酸化物、ペロブスカイト型酸化物およびそれらの組合せからなるグループから選択された材料でできている、請求項２に記載の電気化学的触媒コンバータ。
【請求項７】
前記酸化触媒が微小粒子の形態で前記カソード通路を覆っている、請求項２に記載の電気化学的触媒コンバータ。
【請求項８】
前記酸化触媒が微小粒子の形態で前記カソード層を覆っている、請求項２に記載の電気化学的触媒コンバータ。
【請求項９】
前記電解質層が、フルオライト型酸化物、ペロブスカイト型酸化物およびそれらの組合せからなるグループから選択された材料でできている、請求項２に記載の電気化学的触媒コンバータ。
【請求項１０】
前記アノード層が、ニッケルおよびフルオライト型酸化物のサーメット、ペロブスカイト型酸化物、フルオライト型酸化物、金属添加ペロブスカイト型酸化物、金属添加フルオライト型酸化物およびそれらの組合せからなるグループから選択された材料でできている、請求項２に記載の電気化学的触媒コンバータ。
【請求項１１】
前記カソード層が、ペロブスカイト型酸化物、フルオライト型酸化物、金属添加ペロブスカイト型酸化物、金属添加フルオライト型酸化物およびそれらの組合せからなるグループから選択された材料でできている、請求項２に記載の電気化学的触媒コンバータ。
【請求項１２】
前記排気ガス流入ユニットが前記排気ガスに空気を追加するための空気追加ユニットを含む、請求項１に記載の電気化学的触媒コンバータ。
【請求項１３】
前記還元ガスが、水素（Ｈ２）、一酸化炭素と二酸化炭素の混合ガス、一酸化炭素と水素の混合ガス、天然ガスおよびそれらの組合せからなるグループから選択された材料でできている、請求項１に記載の電気化学的触媒コンバータ。
【請求項１４】
前記還元ガス循環ポンプが前記還元ガスの温度を調整するための少なくとも１つの熱交換ユニットを含む、請求項１に記載の電気化学的触媒コンバータ。
【請求項１５】
前記加熱ユニットが多孔性電気発熱体である、請求項１に記載の電気化学的触媒コンバータ。
【請求項１６】
前記加熱ユニットが多孔性熱伝導体である、請求項１に記載の電気化学的触媒コンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気化学的触媒コンバータに関し、詳細には排気放出を制御し、それにより排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）および粒子状物質（ＰＭ）を効果的に還元するための電気化学的触媒コンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気は、人間が生きていくために不可欠である。人の健康のためには新鮮で、かつ、きれいな空気が肝要である。科学および技術の著しい進歩は、経済面で富裕な発展をもたらした。しかしながら、自動車、工場および他の燃焼源の排気放出は、主要な空気汚染源になっており、空気の品質を著しく低下させている。
【０００３】
一例として自動車を取り挙げる。車両排気放出基準はますます厳格になっている。しかしながら車両による空気汚染は、日毎の車両数の増加のため、依然としてますます深刻になっている。通常、タイプが異なる燃料がシリンダの中で燃焼し、それにより熱エネルギーが開放され、自動車のエンジンを運転するための動的出力が生成される。しかしながら、燃料の燃焼により、同じく、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、粒子状物質（ＰＭ）、等々などの有害汚染物質を含んだ排気ガスが生成される。これらの汚染物質は、光化学スモッグを形成するだけでなく、オゾン層を破壊し、温室効果を一層悪化させ、酸性雨の原因になり、生態環境を損傷し、また、人間の健康に害を及ぼしている。
【０００４】
不完全燃焼によって、ヘモグロビンと結合して一酸化炭素ヘモグロビン（ＣＯＨｂ）を形成する一酸化炭素が生成される。一酸化炭素に対するヘモグロビンの結合親和性は、酸素に対するヘモグロビンの結合親和性より３００倍大きい。したがって空気中の一酸化炭素の濃度が高すぎると、ヘモグロビンの酸素供給能力に影響を及ぼすことになる。窒素酸化物は、窒素と酸素の化学的結合によって生じ、一般的には酸化窒素（ＮＯ）または二酸化窒素（ＮＯ２）の形で排気される。窒素酸化物は、紫外線（ＵＶ）によって照射されると、炭化水素と反応して特殊な臭気を有し、人の眼を刺激し、植物を痛め、また、大気中における可視性を低減する有毒光化学スモッグを形成する。また、窒素酸化物は、空気中の水分と反応して、酸性雨の構成要素である硝酸および亜硝酸を形成する。低濃度の炭化水素は呼吸器系を刺激することになる。炭化水素の濃度が高くなると、中枢神経系の機能に影響を及ぼすことになる。
【０００５】
したがって、欧州連合、米国、日本および中華人民共和国を始めとする多くの地域は、汚染ガスの放出を制御して少なくし、また、汚染防止技術を採用して最新の製品を製造し、開発し、かつ、導入するべく製造者を奨励するために、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）および粒子状物質（ＰＭ）の排気放出基準を規制しているＵＳ  Ｂｉｎ５およびＥｕｒｏ６などの厳格な排気放出基準を制定している。
【０００６】
不完全燃焼排気に対する従来の放出制御技術では、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）および粒子状物質（ＰＭ）を同時に変換することができる単一のデバイスまたはコンバータは存在していない。不完全燃焼排気のための自動車放出システムの触媒コンバータは、触媒作用によって一酸化炭素および炭化水素を酸化させることができる。触媒微粒フィルタは、粒子状物質をトラップして酸化させることができる。窒素酸化物を変換するためには別の補助デバイスまたはシステムが必要である。例えば、現在のディーゼル車両のほとんどのテールパイプは、一酸化炭素および炭化水素を酸化させるための酸化触媒コンバータに加えて、窒素酸化物の放出を制御するためのＥＧＲ（排気ガス再循環）システムを備えている。最新のディーゼル車両は、窒素酸化物を還元するためのＳＣＲ（選択的触媒還元）システムを備えることができる。
【０００７】
ＳＣＲシステムには、反応物としてアンモニア（ＮＨ３）または尿素（ＣＯ（ＮＨ２）２）の水溶液が採用されている。尿素の水溶液は、ノズルを介してテールパイプに注入され、水と反応してアンモニアを形成する。アンモニアは窒素酸化物と反応して窒素（Ｎ２）および水（Ｈ２Ｏ）を生成する。しかしながらアンモニアは有毒であり、貯蔵が困難で、場合によっては漏れる可能性がある。アンモニアの不完全反応は二次汚染の原因になる。さらに、ＳＣＲシステムはかさばり、また、補助制御を提供するためには精密センサを備えなければならない。
【０００８】
米国特許第５４０１３７２号に、窒素酸化物を除去するための専用デバイスであり、電気化学的触媒還元反応を利用し、かつ、窒素酸化物を窒素に変換するための触媒として五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）を採用している「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  Ｃｅｌｌ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ＮＯｘ  ｉｎ  ａｎ  Ｏ２−Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ」が開示されている。このデバイスは、その電気化学的電池を動作させるために電源を追加しなければならない。したがってこの従来技術によるデバイスは、エネルギーリソースを消費するだけでなく、有害な排気ガスを同時に除去することができない。
【０００９】
同じ発明者によって提案された、「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ−ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｗｉｔｈ  Ｐｏｗｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」という名称の米国出願第１２／７７４１８０号に、排気ガスを電気エネルギーに変換するためのコンバータであって、排気ガス中の有害な成分を無害の成分に変換することができるだけでなく、発電を達成することができるコンバータが開示されている。しかしながら、この従来技術によるコンバータは、コンバータ内の固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を動作させるために外部燃料が追加供給されており、したがって燃料が消費され、また、燃料処理システムを車両に設置しなければならない。したがって固定費および運転費が高く、また、燃料に起因する炭素の蓄積のため、デバイスの寿命が短い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５４０１３７２号
【特許文献２】米国出願第１２／７７４１８０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、排気放出を制御し、かつ、燃料を消費することなく排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素、炭化水素および粒子状物質を除去するための電気化学的触媒コンバータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、少なくとも１つの電池モジュールと、還元ガス流入ユニットと、還元ガス流出ユニットと、還元ガス循環ポンプと、排気ガス流入ユニットと、排気ガス流出ユニットとを備えた電気化学的触媒コンバータが提案される。電池モジュールには、カソードコンパートメント、アノードコンパートメント、膜電極アセンブリおよび１つずつ積み重ねられた加熱ユニットが含まれている。膜電極アセンブリは、カソードコンパートメントとアノードコンパートメントの間に配置されている。カソードコンパートメントには酸化触媒が含まれている。加熱ユニットは電池モジュールの中に埋め込まれている。還元ガス流入ユニットおよび還元ガス流出ユニットは、それぞれアノードコンパートメントの２つの面に結合されており、動作中、電池モジュールの還元ガス流入ターミナルおよび還元ガス流出ターミナルとして機能しており、また、還元ガス循環ポンプは、還元ガスの閉循環を実施するために使用されている。排気ガス流入ユニットおよび排気ガス流出ユニットは、必要に応じて処理するためにそれぞれカソードコンパートメントの２つの面に結合されており、電池モジュールの排気ガス流入ターミナルおよび排気ガス流出ターミナルとして機能している。
【００１３】
加熱ユニットは、還元ガスが膜電極アセンブリ内に起電力を生成するよう、膜電極アセンブリを動作温度まで加熱する。排気ガス中の窒素酸化物が分解し、膜電極アセンブリ内の起電力によって電気化学的に促進された窒素が形成される。排気ガス中の一酸化炭素、炭化水素および粒子状物質は、酸化触媒による触媒作用によって二酸化炭素および水を形成する。それにより排気ガスが浄化される。
【００１４】
以上の説明によれば、分解反応および触媒酸化反応を電気化学的に促進することによって排気ガス中の有害な成分を効果的に除去することができる。従来技術と比較すると、本発明は、従来技術に必要なＮＯｘ還元システムおよび酸化触媒コンバータを単一のユニットに統合し、それにより、より良好な排気ガス処理効率を有する、より良好な排気ガス処理機構を有している。さらに、従来技術による排気ガス変換および発電構造と比較すると、本発明によれば、低コストで、かつ、容易な製造利点を達成するための回路システムが単純化される。還元ガスは、本発明においては、還元ガス循環ポンプを介して繰り返し使用され、したがって還元ガスを生成するための燃料処理システムを設置する必要がなく、それにより固定費および運転費を低減することができ、また、還元ガスを選択することにより、アノード側に炭素が蓄積することなくデバイスの寿命を改善することができる。
【００１５】
以下、本発明の技術的な内容について、実施形態を使用して、添付の図面と協同して詳細に説明する。
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面に従って説明する。図１は、本発明の代表的な図面として割り当てられている。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による電気化学的触媒コンバータのシステムを概略的に示す線図である。
【図２】本発明の一実施形態による電気化学的触媒コンバータの電池モジュールの構造を概略的に示す線図である。
【図３】本発明の別の実施形態による電気化学的触媒コンバータのシステムを概略的に示す線図である。
【図４】本発明の別の実施形態による電気化学的触媒コンバータの電池モジュールの構造を概略的に示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明によれば、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）および粒子状物質（ＰＭ）を還元するための電気化学的触媒コンバータが提案される。本発明の電気化学的触媒コンバータは、工場の煙突などの様々な排気放出デバイス、および発電機、自動車およびボートの排気放出デバイスに適用することができる。本発明には排気放出デバイスに対する制限はない。本発明においては、「排気ガス」は、浄化すべきガスを意味しており、上で言及した有害な成分のうちの少なくとも１つが含まれている。したがって排気ガスには、上で言及した４つの有害な成分のすべてが必ずしも含まれているわけではない。以下、本発明の技術的な内容について、添付の図面と協同して詳細に説明する。
【００１９】
図１〜２を参照すると、それぞれ本発明によるコンバータシステムおよび電池モジュール構造が示されている。本発明の電気化学的触媒コンバータ１は、電池モジュール１０、加熱ユニット２０、排気ガス流入ユニット３０、排気ガス流出ユニット４０、還元ガス流入ユニット５０、還元ガス流出ユニット６０および還元ガス循環ポンプ９０を備えている。加熱ユニット２０は、電池モジュール１０を動作温度まで加熱するために使用されている。排気ガス流入ユニット３０および排気ガス流出ユニット４０は電池モジュール１０に結合されており、排気ガスを浄化するために電池モジュール１０の流入ターミナルおよび流出ターミナルとしてそれぞれ機能している。排気ガス流入ユニット３０は、ボイラ、発電機、煙突または車両エンジンなどの排気ガス源７０から排気ガスを受け取ることができる。排気ガス流入ユニット３０は、排気ガスに空気を加えるための空気追加ユニット８０を含むことができ、空気追加ユニット８０は空気ポンプであってもよい。還元ガス流入ユニット５０および還元ガス流出ユニット６０は、電池モジュール１０および還元ガス循環ポンプ９０に結合されており、動作するための電池モジュール１０の還元ガス流入ターミナルおよび還元ガス流出ターミナルとしてそれぞれ機能している。還元ガス流入ユニット５０は、還元ガスを貯蔵し、かつ、還元ガスを還元ガス流入ターミナルに引き渡すための還元ガスタンク（図面には示されていない）を含むことができる。還元ガスタンクは、還元ガスを加熱および冷却している間、その圧力を調整するための膨張−収縮機能を有している。還元ガス循環ポンプ９０は、還元ガスの温度を調整するための熱交換ユニット８１を含むことができる。
【００２０】
電池モジュール１０は、管状または平面状ＳＯＦＣスタック構造などのＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）スタック構造であってもよい。しかしながら、本発明によれば、電池モジュール１０はＳＯＦＣスタック構造に限定されない。電池モジュール１０は、さらに、カソードコンパートメント１１、アノードコンパートメント１２および膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１３を備えており、これらは１つずつ積み重ねられ、カソードコンパートメント１１とアノードコンパートメント１２の間に膜電極アセンブリ１３が配置されている。
【００２１】
膜電極アセンブリ１３は、さらに、カソード層１３１、アノード層１３２および電解質層１３３を備えており、電解質層１３３は、カソード層１３１とアノード層１３２の間に配置されている。本発明の起電力は、膜電極アセンブリ１３内で生成される。電解質層１３３は、それぞれカソード層１３１およびアノード層１３２の中に存在しているガスを分離している。
【００２２】
一実施形態では、電解質層１３３は、２つの面でガスを分離し、かつ、イオンを導くことができる非多孔性膜構造である固体電解質である。電解質層１３３は、フルオライト型酸化物、ペロブスカイト型酸化物およびそれらの組合せ、例えばフルオライト型ＹＳＺ（酸化イットリウム安定化ジルコニア）、安定化ジルコニア、フルオライト型ＧＤＣ（ガドリニアドープ酸化セリウム（ＩＶ））、ドープ酸化セリウム（ＩＶ）、ペロブスカイト型ＬＳＧＭ（ストロンチウム／マグネシウムドープランタンガレート）およびドープランタンガレートなどからなるグループから選択された材料でできている。
【００２３】
カソード層１３１およびアノード層１３２は、それぞれ多孔性材料でできている。一実施形態では、アノード層１３２は、ニッケルおよびフルオライト型酸化物のサーメット、ペロブスカイト型酸化物、フルオライト型酸化物、金属添加ペロブスカイト型酸化物、金属添加フルオライト型酸化物およびそれらの組合せ、例えばＮｉ−ＹＳＺ（ニッケル−酸化イットリウム安定化ジルコニア）サーメットおよびＮｉ−ＧＤＣ（ニッケル−ガドリニアドープ酸化セリウム（ＩＶ））サーメットなどからなるグループから選択された材料でできている。カソード層１３１は、ペロブスカイト型酸化物、フルオライト型酸化物、金属添加ペロブスカイト型酸化物、金属添加フルオライト型酸化物およびそれらの組合せ、例えばペロブスカイト型ランタンストロンチウムコバルト酸化物、ランタンストロンチウムマンガン酸化物、ランタンストロンチウムコバルト酸化物とガドリニアドープ酸化セリウム（ＩＶ）の組合せ、ランタンストロンチウムマンガン酸化物とガドリニアドープ酸化セリウム（ＩＶ）の組合せ、バナジウム添加ランタンストロンチウムコバルト酸化物、バナジウム添加ランタンストロンチウムマンガン酸化物、バナジウム添加ランタンストロンチウムコバルト酸化物とガドリニアドープ酸化セリウム（ＩＶ）の組合せ、およびバナジウム添加ランタンストロンチウムマンガン酸化物とガドリニアドープ酸化セリウム（ＩＶ）の組合せなどからなるグループから選択された材料でできている。
【００２４】
カソードコンパートメント１１の２つの末端は、それぞれ排気ガス流入ユニット３０および排気ガス流出ユニット４０に結合されている。カソードコンパートメント１１は、カソード通路１１１および酸化触媒でできた酸化触媒層１１２を有している。酸化触媒はカソード通路１１１の表面を覆うことができ、あるいは酸化触媒層１１２は、カソード層１３１とカソード通路１１１の間に配置された、触媒作用によってガスを酸化反応させるための多孔性の層である。カソード通路１１１の２つの面は、それぞれ排気ガス流入ユニット３０および排気ガス流出ユニット４０に結合されている。
【００２５】
アノードコンパートメント１２の２つの末端は、それぞれ還元ガス流入ユニット５０および還元ガス流出ユニット６０に結合されている。アノードコンパートメント１２はアノード通路１２１を有している。この実施形態では、加熱ユニット２０は、アノード通路１２１と膜電極アセンブリ１３の間に配置されている。アノード通路１２１の２つの面は、還元ガスの閉循環を実施するためにそれぞれ還元ガス流入ユニット５０および還元ガス流出ユニット６０ならびに還元ガス循環ポンプ９０に結合されている。
【００２６】
排気ガス流入ユニット３０により、浄化すべき排気ガスがカソードコンパートメント１１のカソード通路１１１に流入する。排気ガス中の窒素酸化物がカソード層１３１に引き渡され、そこで分解して窒素が形成される。排気ガス中の一酸化炭素、炭化水素および粒子状物質が酸化触媒層１１２を介して酸化され、それにより二酸化炭素および水が形成される。次に、未反応排気ガスおよび反応済みガスがカソード通路１１１から排気ガス流出ユニット４０へ移され、排気される。還元ガス流入ユニット５０は、還元ガスを還元ガス循環ポンプ９０からアノードコンパートメント１２のアノード通路１２１へ移動させる。アノード通路１２１内の還元ガスは、起電力を生成するためにアノード層１３２に引き渡される。次に、還元ガス流出ユニット６０を介して閉循環を実施するために還元ガスが還元ガス循環ポンプ９０へ移される。一実施形態では、還元ガスの温度を調整するために還元ガス循環ポンプ９０と還元ガス流入ユニット５０の間に熱交換ユニット８１が配置されているが、この熱交換ユニット８１は、還元ガス流出ユニット６０と還元ガス循環ポンプ９０の間に配置することも可能である。
【００２７】
本発明の電池モジュール１０の場合、排気ガス中の有害な成分は、膜電極アセンブリ１３内の起電力によって促進されたカソード層１３１の触媒分解反応、およびカソードコンパートメント１１内の触媒酸化反応を介して除去される。以下、それぞれカソード層１３１およびアノード層１３２内における触媒反応および電気化学的反応、ならびに上で言及した有害ガスの反応について詳細に説明する。
【００２８】
本発明の場合、還元ガスは、水素（Ｈ２）、一酸化炭素と二酸化炭素の混合ガス、一酸化炭素と水素の混合ガス（合成ガス）および天然ガス、等々であってもよい。還元ガスは、還元ガス流入ユニット５０によってアノードコンパートメント１２に流入する。アノード層１３２中の還元ガスは、膜電極アセンブリ１３内に起電力（ΔＥ）を生成する。この起電力は開放電圧（ＯＣＶ）であり、式（１）によって表すことができる。
ΔＥ（ＯＣＶ）＝［（ＲＴ）／（４Ｆ）］・ｌｎ［（Ｐ  Ｏ２｜Ｃａｔｈｏｄｅ）／（ＰＯ２｜Ａｎｏｄｅ）］        （１）
上式でＲは気体定数であり、Ｔは絶対温度、Ｆはファラデー定数、ＰＯ２は酸素分圧である。アノード側では、タイプが異なる還元ガスは値が異なる酸素分圧に対応しており、したがって異なる起電力を生成することができ、また、カソード側では、異なる酸素濃度が同じく値が異なる酸素分圧に対応しており、したがって同じく異なる起電力を生成することができる。言い換えると、カソード側の排気ガス中の酸素含有量が多いほど起電力が大きくなり、したがって本発明の場合、窒素に分解されている窒素酸化物の電気化学的促進能力がより高い。一実施形態では、排気ガス中の酸素濃度が起電力を効果的に生成するためには低すぎる場合、空気追加ユニット８０を使用して余分の空気を排気ガスに追加し、それにより酸素濃度を高くすることができるため、大きい起電力が生成される。還元ガス循環ポンプ９０は、アノード層１３２中への還元ガスの効果的な流入およびアノード層１３２中での一様な分布を促進するべく、還元ガスの循環を実施するために使用され、それにより起電力が効果的に、かつ、一様に生成され、したがって窒素に分解中の窒素酸化物の電気化学的促進能力が効果的に得られ、かつ、一様に分布する。
【００２９】
排気ガスの有害な成分は、カソードコンパートメント１１およびカソード層１３１中で無害ガスに変換される。有害窒素酸化物は、主として酸化窒素（ＮＯ）および二酸化窒素（ＮＯ２）である。酸化窒素（ＮＯ）は、カソード層１３１中で式（２）に従って窒素および酸素に分解される。
２ＮＯ→Ｎ２＋Ｏ２        （２）
【００３０】
二酸化窒素は、カソード層１３１中で式（３）に従って一酸化窒素に分解される。
２ＮＯ２→２ＮＯ＋Ｏ２        （３）
【００３１】
一酸化窒素（ＮＯ）は、カソード層１３１中で窒素および酸素にさらに分解される。
【００３２】
膜電極アセンブリ１３は、起電力を生成するために加熱ユニット２０によって加熱される。本発明のシステム構造を考慮し、また、加熱ユニット２０には正確な温度制御が必要であることを考慮すると、本発明の加熱ユニット２０は、多孔性電気発熱体を使用して実現することができる。一実施形態では、加熱ユニット２０は、電池モジュール１０のアノードコンパートメント１２と膜電極アセンブリ１３の間に埋設された、該膜電極アセンブリ１３を加熱するための多孔性中空電気発熱管であってもよい。別の実施形態では、還元ガスが熱交換ユニット８１内で加熱される場合、加熱ユニット２０は、有効な伝熱能力を備えた多孔性熱伝導体、または有効な伝熱および伝導能力を備えた多孔性電気発熱体のいずれかであってもよい。しかしながら、本発明はこれらの実施形態によって制限されない。一実施形態では、加熱ユニット２０は、起電力を生成するために膜電極アセンブリ１３を４５０〜６００℃の動作温度まで加熱することができる。動作温度は、電解質層１３３の材料の品質が改良されているか、あるいは排気処理の要求事項が緩和されている場合、適切に低くすることができる。また、動作温度は、排気処理の要求事項が厳しくなっている場合、適切に高くすることができる。
【００３３】
酸化触媒層１１２は、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）および粒子状物質（ＰＭ）の無害ガスへの変換反応を促進することができ、それぞれ式（４）、（５）および（６）に従って排気ガス中の一酸化炭素が酸化されて二酸化炭素になり、また、炭化水素および粒子状物質（Ｃを含有した物質）が酸化されて二酸化炭素および水になる。
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２            （４）
ＨＣ＋Ｏ２→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２        （５）
Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２                  （６）
【００３４】
一実施形態では、酸化触媒のエレメントは、金属、合金、フルオライト型酸化物、ペロブスカイト型酸化物および他の触媒担体からなるグループから選択された材料でできており、触媒担体は酸化アルミニウムであってもよい。
【００３５】
図３を参照すると、本発明の別の実施形態による電気化学的触媒コンバータのシステムが示されている。この実施形態は、この実施形態の電気化学的触媒コンバータ２が複数の電池モジュール１０および複数の加熱ユニット２０を備えている点で上記実施形態とは異なっている。電池モジュール１０は互いに積み重ねられている。加熱ユニット２０の数は、電池モジュール１０の数と同じであるか、あるいはそれとは異なっている。加熱ユニット２０の数が電池モジュール１０の数と同じであるか、あるいはそれとは異なっているかには無関係に、加熱ユニット２０は、電池モジュール１０を加熱して動作させることができる。排気ガス流入ユニット３０により、異なる通路すなわちパイプを介して排気ガスが電池モジュール１０に流入する。また、還元ガス流入ユニット５０により、異なる通路すなわちパイプを介して還元ガスが電池モジュール１０に流入する。電池モジュール１０は、異なる通路すなわちパイプを介してガスを排気ガス流出ユニット４０に排気し、そこで排気ガスが集められて排気される。また、電池モジュール１０は、異なる通路すなわちパイプを介して還元ガスを還元ガス流出ユニット６０に排気し、そこで還元ガスが集められて再循環される。したがって電気化学的触媒コンバータ２に流入する排気ガスをより多くの電池モジュール１０によって非汚染ガスに変換することができるため、より高い排気ガス処理効率を達成することができる。
【００３６】
本発明の場合、電気化学的触媒コンバータ１および２を直列に接続することができ、あるいは排気ガスをより効率的に処理し、あるいは熱をより効率的に利用するために並列に逆接続することができる。「並列に逆接続された」は、電池モジュール１０のスタック構造が平面状ＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）スタック構造であることを意味している。一例として２つの電池モジュール１０のスタック構造を取り挙げると、図２に示されている電池モジュール１０内の層は、一方の電池モジュール１０内の一方のアノード層１３２および別の電池モジュール１０内の別のアノード層１３２が同じ加熱ユニット２０に並列に結合されるよう、逆に配置されている。したがって加熱ユニット２０は２つの電池モジュール１０を同時に加熱することができ、延いては加熱ユニット２０の数を少なくすることができ、また、熱の利用効率を高くすることができる。
【００３７】
図４を参照すると、本発明の別の実施形態による電気化学的触媒コンバータの電池モジュール１０の構造が示されている。動作原理は上で説明した実施形態の動作原理と同じであるため、以下では構造の相違のみを説明する。上で言及した実施形態と比較すると、この実施形態の電池モジュール１０は、管状ＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）スタック構造である。図４に示されているように、電池モジュール１０は、中心の層から一番外側の層に向かって順に管状構造のアノード通路１２１、加熱ユニット２０、膜電極アセンブリ１３およびカソードコンパートメント１１を備えている。膜電極アセンブリ１３には、さらに、内側から外側に向かってアノード層１３２、電解質層１３３およびカソード層１３１が含まれている。カソードコンパートメント１１には、さらに、内側から外側に向かって酸化触媒層１１２およびカソード通路１１１が含まれている。加熱ユニット２０は、アノード通路１２１に埋設され、かつ、アノード層１３２と緊密に接触している、電池モジュール１０を動作温度まで加熱するための多孔性中空電気発熱管である。別の実施形態では、還元ガスが熱交換ユニット８１内で加熱される場合、加熱ユニット２０は、有効な伝熱能力を備えた多孔性熱伝導体、または有効な伝熱および伝導能力を備えた多孔性電気発熱体のいずれかであってもよい。一実施形態では、酸化触媒層１１２は、銀、パラジウムまたは白金などの金属で構築することができ、また、酸化触媒層１１２は、ガドリニアドープ酸化セリウム（ＩＶ）などのフルオライト型酸化物で構築することも可能である。本発明の場合、図４に示されている管状構造を備えた複数の電池モジュール１０を備えた電気化学的触媒コンバータ２を使用してすべての電池モジュール１０のカソード通路１１１が相互接続され、したがって排気ガスを排気ガス流入ユニット３０から電池モジュール１０へ流入させるために、あるいはガスを電池モジュール１０から排気ガス流出ユニット４０へ排気するために異なる通路すなわちパイプを使用する必要はない。
【００３８】
本発明は、分解反応および触媒酸化反応の電気化学的促進を介して排気ガス中の有害な成分を除去することができる。実際には排気ガス中の酸素濃度が高いほど、電気化学的触媒コンバータ１および２の動作効率を高くすることができる。したがって本発明は、ディーゼル車両の排気放出システムなどの不完全燃焼エンジンの排気ガス処理に適用するのにとりわけ適している。さらに、本発明は、その濃度に無関係にＮＯｘを処理することができ、したがって窒素酸化物の放出を制御するためのＥＧＲ（排気ガス再循環）システムをディーゼル車両に追加設置する必要はなく、また、エンジンの酸素含有量および温度を完全に高くすることも可能である。したがってエンジン内で生成される高濃度のＮＯｘを容易に除去することができ、また、エンジン内の粒子状物質の濃度を低くして微粒フィルタの必要性を除去することができ、酸化触媒によって残留粒子状物質を処理することができる。言い換えると、本発明には、従来の技術と比較してより良好な排気ガス処理機構を達成し、かつ、より高い排気ガス処理効率を達成するために、従来技術に必要なＮＯｘ還元システムと、酸化触媒コンバータとが統合されている。それと同時に、エンジンの酸素含有量および温度を高くして燃焼効率を改善することができ、ＥＧＲを採用している間、最初に粒子状物質を生成する燃料がエンジン内で燃焼され、したがって燃料を著しく節約することができる。
【００３９】
さらに、本発明によれば、従来技術における排気ガス変換と発電の統合構造と比較すると回路システムが単純化され、電流を集めるためのアノード側およびカソード側の集電体ならびにインターコネクタはもはや不要である。また、電流を集めるための材料で酸化触媒層１１２を構築する必要もなく、したがって一酸化炭素、炭化水素および／または粒子状物質に触媒作用を加えることができる任意の材料を利用して、低コスト、高効率および製造の容易性の利点を得ることができる。本発明によれば、還元ガスを循環させる概念に基づいて還元ガスが繰り返し使用され、したがって長期間にわたる内部使用のために還元ガスを外部から加える必要はない。
【００４０】
また、電気化学的触媒コンバータは、４５０〜６００℃の温度で動作させることができ、加熱ユニット２０を使用して、上記排気ガス変換と発電の統合構造の動作温度と同じ動作温度まで膜電極アセンブリ１３を速やかに加熱することも可能である。動作温度まで加熱された後は、排気ガスの分解および酸化によって開放される熱エネルギーによって動作温度を完全に、あるいは部分的に維持することができる。カソード側の酸化窒素の分解および一酸化炭素、炭化水素および粒子状物質の酸化は、すべて発熱反応であることに留意されたい。熱交換ユニット８１は還元ガスの温度を調整し、本発明がエンジンの動作の変化および外部環境条件の変化に応答して、加熱ユニットおよび還元ガスの循環による温度の調整機能を介して任意の温度の排気ガスを処理することができるよう、還元ガス循環ポンプ９０を介して膜電極アセンブリ１３の温度をさらに調整する。一実施形態では、自動車放出制御のために使用されている電気化学的触媒コンバータを使用して、エンジンシリンダヘッドの壁のマニホルド内などの熱交換ユニット８１内で還元ガスを加熱することができる。別の実施形態では、電気的に加熱される熱源と熱を交換する熱交換ユニット８１内で還元ガスを加熱することができる。さらに別の実施形態では、膜電極アセンブリ１３が有効な動作のためには熱くなりすぎると、周囲の空気に露出された熱交換ユニット８１を使用して還元ガスを冷却し、それにより膜電極アセンブリ１３をさらに冷却することができる。
【００４１】
上で説明した実施形態は、単に本発明を例示するためのものにすぎず、本発明の範囲を制限するものではない。本明細書において開示されている技術的内容および図面に基づくあらゆる等価変更態様あるいは変形形態は、同じく本発明の範囲内に包含されるものとする。
【符号の説明】
【００４２】
１、２  電気化学的触媒コンバータ
１０  電池モジュール
１１  カソードコンパートメント
１２  アノードコンパートメント
１３  膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）
２０  加熱ユニット
３０  排気ガス流入ユニット
４０  排気ガス流出ユニット
５０  還元ガス流入ユニット
６０  還元ガス流出ユニット
７０  排気ガス源
８０  空気追加ユニット
８１  熱交換ユニット
９０  還元ガス循環ポンプ
１１１  カソード通路
１１２  酸化触媒層
１２１  アノード通路
１３１  カソード層
１３２  アノード層
１３３  電解質層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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