(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性のイオン伝導体層と、
前記イオン伝導体層の上に互いに離間して設けられたアノード電極体及びカソード電極体と、
前記イオン伝導体層の上において前記アノード電極体と前記カソード電極体との間に設けられるとともに前記アノード電極体及び前記カソード電極体よりも厚みが大きくなるように形成された排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するフィルタ体と、を有する電極構造体を備える排気ガス処理装置において、
前記電極構造体が重ねて配置されるとともに、
前記フィルタ体が前記重ねて配置された電極構造体を支持することで、前記重ねて配置された電極構造体の間に排気ガスが流通する経路を形成しており、
前記重ねて配置された電極構造体に供給される排気ガスが、前記アノード電極体に接触した後、前記フィルタ体を通過して、さらに前記カソード電極体に接触するように、前記アノード電極体、前記カソード電極体及び前記フィルタ体を配置した
ことを特徴とする排気ガス処理装置。
【請求項２】
前記フィルタ体は、連続する略Ｓ字状の帯状体を形成し、
前記フィルタ体を挟んで、
一方の側には、前記アノード電極体が設けられ、
他方の側には、前記カソード電極体が設けられる
ことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス処理装置。
【請求項３】
前記電極構造体は板状であり、
前記板状の電極構造体が渦巻き状に巻かれていることを特徴とする請求項１または２に記載の排気ガス処理装置。
【請求項４】
窒素酸化物を吸蔵するＮＯｘ吸蔵材を前記カソード電極体の表面に付着させたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は排気ガス処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のディーゼルエンジン等から大気に放出される有害ガス、粒子状物質、地球温暖化ガス（ＣＯ２）等の削減が、現在急務となっている。特に、ディーゼルエンジンは、ＣＯ２の排出量がガソリンエンジンに比べて少ないため最近注目されているが、粒子状物質や窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が多いため、これらの大気への放出量を低減する様々な技術が提案されている。
そこで、粒子状物質を捕捉し、その放出量を減少させるものとしてＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）装置が、ディーゼルエンジンを搭載する車両の排気通路に装着されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、パティキュレートフィルタが記載されており、このフィルタは、多孔質薄壁で製作されるとともに、その内部を隔壁によって格子状に仕切られており、隔壁によって形成された複数のセルを有する筒状のメッシュ体によって構成されている。このメッシュ体の各セルは、両端の開口部のいずれか一方が閉塞され、隣接するセル同士における閉じられた端部の配置は、それぞれ反対に、すなわち交互になっている。
【０００４】
このパティキュレートフィルタはウォールフローフィルタと称され、以下のようにして排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉する。
車両のエンジンから排出された排気ガスは、排気ガスの供給側に開口するセルに流入し、さらに、このセルの多孔質薄壁である隔壁を通過して、隣接するセルから排気ガスの供給側と反対側に排出される。なお、排気ガスに含まれる粒子状物質は、排気ガスが隔壁を通過する際に、隔壁によって捕捉される。
【特許文献１】実開平２−１０５５１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１におけるパティキュレートフィルタは、ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる粒子状物質の大気への放出量を低減することは可能であるが、窒素酸化物の大気への放出量の低減のためには、別の処理装置が必要となる。よって、排気ガスに含まれる粒子状物質及び窒素酸化物の放出量の低減には、少なくとも２つの処理装置が必要となるため、ディーゼルエンジンを搭載する車両においては、これらの装置の搭載スペースの確保のために、室内スペース等の他のスペースを削減しなければならないという問題点を有している。
【０００６】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、車両の排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉及び浄化するとともに、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化することのできる排気ガス処理装置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】
【０００７】
この発明に係る排気ガス処理装置は、プロトン伝導性のイオン伝導体層と、イオン伝導体層の上に互いに離間して設けられたアノード電極体及びカソード電極体と、イオン伝導体層の上においてアノード電極体とカソード電極体との間に設けられるとともにアノード電極体及びカソード電極体よりも厚みが大きくなるように形成された排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するフィルタ体と、を有する電極構造体を備える排気ガス処理装置において、電極構造体が重ねて配置されるとともに、フィルタ体が重ねて配置された電極構造体を支持することで、重ねて配置された電極構造体の間に排気ガスが流通する経路を形成しており、重ねて配置された電極構造体に供給される排気ガスが、アノード電極体に接触した後、フィルタ体を通過して、さらにカソード電極体に接触するように、アノード電極体、カソード電極体及びフィルタ体を配置したことを特徴とする。
【０００８】
この発明では、排気ガスを浄化する際に、アノード電極体とカソード電極体との間に電圧が印加され、重ねて配置された電極構造体に供給される排気ガスに含まれる水分が、アノード電極体によって、水素イオン（プロトン）と酸素イオンとに電気分解される。さらに、排気ガスに含まれるカーボン等の粒子状物質は、フィルタ体によって捕捉され、捕捉された粒子状物質は、アノード電極体において生成した酸素イオンによって二酸化炭素等に酸化浄化される。また、アノード電極体において生成した水素イオン（プロトン）は、プロトン伝導性のイオン伝導体層によってカソード電極体に伝導される。伝導された水素イオンによって、フィルタ体を通過した排気ガスに含まれる窒素酸化物は、カソード電極体上で窒素に還元浄化される。
従って、排気ガス処理装置は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉及び浄化するとともに、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化することを可能とする。
【０００９】
フィルタ体は、連続する略Ｓ字状の帯状体を形成し、フィルタ体を挟んで、一方の側には、アノード電極体が設けられ、他方の側には、カソード電極体が設けられてもよい。これにより、小さいスペースであっても、アノード電極体及びカソード電極体が排気ガスと接触する面積を増大させるとともに、フィルタ体がアノード電極体及びカソード電極体と対向する面積を増大することができるため、排気ガスに含まれる粒子状物質の捕捉能力、アノード電極体における粒子状物質の浄化能力、及びカソード電極体における窒素酸化物の浄化能力を向上させることが可能である。
【００１０】
電極構造体は板状であり、板状の電極構造体が渦巻き状に巻かれてもよい。
窒素酸化物を吸蔵するＮＯｘ吸蔵材をカソード電極体の表面に付着させてもよい。排気ガスに含まれる窒素酸化物をＮＯｘ吸蔵材に一時的に捕捉することによって、カソード電極体において還元される窒素酸化物量を増大することができるため、窒素酸化物の浄化能力を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、排気ガス処理装置は、車両の排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉及び浄化するとともに、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化することができるため、車両における搭載スペースを縮小することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、この発明の実施の形態について、添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
まず、この発明の実施の形態１に係る排気ガス処理装置１０１の構造について、図１〜４に基づいて説明する。なお、この実施の形態では、排気ガス処理装置１０１はディーゼルエンジンの排気ガスの浄化に用いられる。
図１を参照すると、排気ガス処理装置１０１は、矩形状の基板１（図２参照）を積み重ねて、形成されたものである。
【００１３】
ここで、図２を参照すると、基板１は以下のような構造となる。
矩形状の板材である支持体２の一方の面には、プロトン伝導性を有するイオン伝導体層であるイオン伝導体３が全面に形成されており、イオン伝導体３は、ペースト状態のイオン伝導体材料を、支持体２の一方の面に塗り、焼成することによって形成される。なお、支持体２には、絶縁処理された金属やセラミックなどの耐熱性及び絶縁性を有する材料が使用される。また、イオン伝導体３には、電位勾配や水素あるいは水の化学ポテンシャル勾配下におくと、内部をプロトンが移動する性質を有するプロトン伝導体が使用されている。プロトン伝導体の材料としては、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）等が使用される。
【００１４】
また、支持体２に形成されたイオン伝導体３の表面上には、アノード電極体４が、スクリーン印刷によって形成されており、アノード電極体４は櫛形状の形状を有している。さらに、アノード電極体４と同一面上において、櫛形状の形状をしたカソード電極体５が、スクリーン印刷により形成されている。アノード電極体４における櫛形の歯部とカソード電極体５における櫛形の歯部とは互いに対向し、アノード電極体４における櫛形の歯のそれぞれが、カソード電極体５における櫛形の歯間のそれぞれに噛み合うように配置され、且つ互いに接触せずに離間して配置されている。なお、アノード電極体４及びカソード電極体５は、Ｐｔ、Ｐｄ及びＲｈ等の貴金属の単体、合金、又は複合体などの材質によって形成され、アノード電極体４及びカソード電極体５の材質が同一であっても異なっていても構わない。
【００１５】
さらに、アノード電極体４における櫛形の歯部とカソード電極体５における櫛形の歯部との間に形成される間隙において、イオン伝導体３の表面上には、断面矩形状のフィルタ体である多孔質壁体６が形成されている。なお、多孔質壁体６は、多孔質物質により形成され、材料としてはセラミックなどが使用される。また、多孔質壁体６は、ペースト状態にした多孔質壁体材料が、後に設けられるアノード電極体４及びカソード電極体５の形状に対応した形になるように、イオン伝導体３の表面上に塗布され、焼成されることによって形成される。さらに、この多孔質壁体６には、触媒であるＰｔなどが坦持されている。
【００１６】
多孔質壁体６は、イオン伝導体３上において、アノード電極体４及びカソード電極体５を仕切っており、連続する略Ｓ字状をした帯状体を形成している。よって、多孔質壁体６がアノード電極体４及びカソード電極体５と対向する部位の面積は大きくなっている（図３参照）。また、図４に示すように、多孔質壁体６の高さ（厚み）ｈ６は、アノード電極体４の高さｈ４及びカソード電極体５の高さｈ５より大きくなるように形成され、また、多孔質壁体６の高さｈ６は均一になっている。
上述のように、基板１は、アノード電極体４、カソード電極体５、多孔質壁体６及びイオン伝導体３を備え、電極構造体を構成している、
【００１７】
図１に戻り、基板１が積み重ねられると、多孔質壁体６は、上方の基板１を支持するとともに、上方の基板１との間には隙間である空間１０１ａを形成する。また、空間１０１ａは、排気ガス処理装置１０１を流通する排気ガスの通路を形成している。さらに、多孔質壁体６は、連続する略Ｓ字状の帯状の形状を有するため、空間１０１ａの内部を格子状に仕切る隔壁のような構造を有している（図２参照）。なお、最上段の基板１の上部には、支持体２が積み重ねられている。
よって、基板１が重ねて配置されることによって、排気ガス処理装置１０１が形成され、排気ガス処理装置１０１は、内部を支持体２及び多孔質壁体６によって格子状に仕切られたハニカム構造となっている。
さらに、各基板１のアノード電極体４には直流電源１０の正極が接続されており、また、各基板１のカソード電極体５には、正極と同様にして、直流電源１０の負極が接続されている。
【００１８】
次に、この発明の実施の形態１に係る排気ガス処理装置１０１の動作について、図１〜４に基づいて説明する。
図１に示すように、排気ガス処理装置１０１には、図示しないディーゼルエンジンから排出された排気ガスが、方向Ａ１の方向で供給され、それぞれの空間１０１ａ内を通過する。なお、排気ガスは、アノード電極体４側より供給される。
【００１９】
ここで、図２を参照すると、基板１同士の間の空間１０１ａは、多孔質壁体６によって、アノード電極体４側のアノード電極空間４ａと、カソード電極体５側のカソード電極空間５ａとに分割されている。よって、アノード電極空間４ａ及びカソード電極空間５ａ内の気体は、多孔質壁体６を通過する、すなわちウォールフローによって互いに流通することができる。
従って、方向Ａ１の方向で空間１０１ａ内に供給された排気ガスの全ては、アノード電極空間４ａにおいてアノード電極体４と接触した後、多孔質壁体６をウォールフローしてカソード電極空間５ａに流通し、さらにカソード電極体５と接触して、空間１０１ａの外部、すなわち排気ガス処理装置１０１の外部に排出される（図３参照）。よって、空間１０１ａ内を通過する排気ガスは、アノード電極体４、多孔質壁体６、及びカソード電極体５によって以下のような作用を受ける。
【００２０】
図３を参照して、直流電源１０によって、アノード電極体４及びカソード電極体５の間に電圧を印加すると、アノード電極体４において、排気ガス中に含まれる水分は、下記のように水素イオンと酸素イオン（活性酸素という）とに電気分解される。
Ｈ２Ｏ→２Ｈ＋＋Ｏ２−
また、排気ガスが多孔質壁体６を通過する際に、排気ガスに含まれるカーボンなどの粒子状物質が、多孔質壁体６によって捕捉される。この捕捉された粒子状物質は、アノード電極体４において生成した酸素イオンによって酸化され、二酸化炭素等に変換される。なお、活性酸素である酸素イオンは通常の酸素に比べて反応性が高いため、この酸化反応は、排気ガス自体の温度によって十分発生することができる。また、多孔質壁体６には、触媒としてＰｔを付与しているため、この酸化反応温度はさらに低くなっている。
従って、アノード電極体４及び多孔質壁体６によって、排気ガス中の粒子状物質が捕捉されるとともに、二酸化炭素等に酸化浄化される。
【００２１】
次に、アノード電極体４において生成した水素イオンは、多孔質壁体６の下となるイオン伝導体３を移動して、カソード電極体５に伝導する。
また、多孔質壁体６を通過した排気ガスは、カソード電極体５において、アノード電極体４からイオン伝導体３により伝導された水素イオンによって還元され、例えば下記のように、窒素に変換される。
ＮＯ＋２Ｈ＋＋２ｅ→１／２Ｎ２＋Ｈ２Ｏ
従って、イオン伝導体３によって伝導された水素イオン及びカソード電極体５によって、排気ガス中の窒素酸化物が窒素に還元浄化される。
【００２２】
このように、実施の形態１に係る排気ガス処理装置１０１は、プロトン伝導性のイオン伝導体３と、イオン伝導体３の上において、互いに離間して設けられたアノード電極体４及びカソード電極体５と、これらの間に設けられた多孔質壁体６とを有する基板１を備えている。なお、多孔質壁体６は、その高さｈ６が、アノード電極体４の高さｈ４及びカソード電極体５の高さｈ５より大きく形成されている。また、基板１は重ねて配置され、多孔質壁体６が基板１を支持することで、基板１の間に排気ガス通路が形成されている。さらに、重ねて配置された基板１に供給される排気ガスが、アノード電極体４に接触した後、多孔質壁体６を通過して、カソード電極体５に接触するように、アノード電極体４、カソード電極体５及び多孔質壁体６が配置されている。
【００２３】
よって、排気ガス処理装置１０１では、排気ガスを浄化する際に、アノード電極体４とカソード電極体５との間に電圧が印加され、重ねて配置された基板１に供給された排気ガスは、含まれる水分が、アノード電極体４によって、水素イオン（プロトン）と酸素イオンとに電気分解される。さらに、排気ガスに含まれるカーボン等の粒子状物質が、多孔質壁体６によって捕捉され、捕捉された粒子状物質は、アノード電極体４において生成した酸素イオンによって二酸化炭素等に酸化浄化される。また、アノード電極体４において生成した水素イオン（プロトン）はプロトン伝導性のイオン伝導体３によってカソード電極体５に伝導される。伝導された水素イオンによって、多孔質壁体６を通過した排気ガスに含まれる窒素酸化物は、カソード電極体５上で窒素に還元浄化される。従って、排気ガス処理装置１０１は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉及び浄化するとともに、窒素酸化物を浄化することを可能とする。
【００２４】
また、多孔質壁体６は、略Ｓ字状の帯状の形状を有するため、小さい領域においてアノード電極体４及びカソード電極体５が排気ガスと接触する面積を増大させるとともに、アノード電極体４及びカソード電極体５と対向する面積を増大することができる。よって、排気ガスに含まれる粒子状物質の捕捉能力、アノード電極体４における粒子状物質の処理能力、及びカソード電極体５における窒素酸化物の処理能力を向上させることが可能となる。
【００２５】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る排気ガス処理装置１０２は、実施の形態１における板状の基板１を方向Ａ１と垂直な方向に延長し（図２参照）、この延長した基板１を円筒状の芯材１５の周りに渦巻き状に巻き付けて形成されたものである。
なお、以下の実施の形態において、図１〜４の参照符号と同一の符号は同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
【００２６】
図５を参照すると、排気ガス処理装置１０２は、基板１（図２参照）が、多孔質壁体６が形成された側の面を内側にして、端部１ａを始点に、芯材１５の周りに渦巻き状に巻き付けられることによって形成されている。芯材１５は、耐熱性及び絶縁性を有するものであればよく、絶縁処理された金属製の中空円筒管が使用されている。なお、芯材１５の両方の端部は、芯材１５の中空円筒部の内側への排気ガスの流通を防ぐために図示しない蓋によって塞がれている。なお、芯材１５に巻き付けられる基板１には可倒性が必要であるため、支持体２及び多孔質壁体６の材料には、セラミックは使用されずに金属が使用される。
また、排気ガス処理装置１０２における方向Ａ２と対向する側の端面１０２ｂにおいて、直流電源１０の正極がアノード電極体４に接続されている。さらに、排気ガス処理装置１０２における端面１０２ｂと反対側の端面１０２ｃにおいて、直流電源１０の負極が、正極と同様にして、カソード電極体５に接続されている。
【００２７】
図示しないディーゼルエンジンから排出された排気ガスは、方向Ａ２の方向で、排気ガス処理装置１０２の端面１０２ｂ側に供給され、供給された排気ガスは、重なっている基板１同士の間に形成された空間１０２ａ内を流通し、端面１０２ｃ側から排出される。また、アノード電極体４及びカソード電極体５には、直流電源１０によって電圧が印加され、実施の形態１と同様にして、空間１０２ａ内を流通する排気ガスに含まれる粒子状物質が捕捉及び浄化されるとともに、窒素酸化物が浄化される。
その他の構造及び動作については、実施の形態１に係る排気ガス処理装置１０１の構造及び動作と同様である。
【００２８】
このように、実施の形態２における排気ガス処理装置１０２においても、上記実施の形態１と同様な効果が得られる。
また、排気ガス処理装置１０２は、１つの基板１を芯材１５に巻き付けるだけで製作が可能であるため、基板１の切断作業が不要になり、実施の形態１に係る排気ガス処理装置１０１に比べ、製作における簡易化と効率の向上を図ることができる。
【００２９】
上記実施の形態１及び２において、排気ガス処理装置１０１，１０２は、複数の基板１を積み重ねる、または１つの基板１を渦巻き状に巻くことによって形成されていたが、これらに限定されるものでなく、基板１を折り重ねることによって形成されてもよい。
また、実施の形態１及び２において、多孔質壁体６は連続する略Ｓ字状をした帯状の形状を有していたが、図３に示す部位６ａを多孔質でない材料としてもよい。よって、方向Ａ１，Ａ２の方向でアノード電極空間４ａに流入し、多孔質壁体６を通過する排気ガスは、部位６ａに集中せずに分散され、多孔質壁体６の広範な部位を通過することができる。従って、排気ガスの集中による多孔質壁体６のフィルタ能力の低下を防ぐことができる。さらに、多孔質壁体６の近傍において、排気ガスがアノード電極体４及びカソード電極体５と接触する面積を増大させることができるため、排気ガスに含まれる粒子状物質及び窒素酸化物の処理量を増大させることができる。すなわち、排気ガス処理装置１０１，１０２の排気ガスの処理能力を向上させることが可能になる。
【００３０】
また、実施の形態１及び２において、カソード電極体５上には、窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵することのできるＮＯｘ吸蔵材７を設けてもよい。なお、ＮＯｘ吸蔵材としては、Ｂａなどが使用される。これにより、多孔質壁体６を通過した排気ガスに含まれる窒素酸化物をＮＯｘ吸蔵材７に一時的に捕捉することができる。
また、実施の形態１及び２において、イオン伝導体３は、支持体２の一方の面に形成されていたが、両方の面に形成されてもよい。アノード電極体４において発生した水素イオンは、空間１０１ａ，１０２ａの上下の面に形成されたイオン伝導体３によって、カソード電極体５に伝導されるため、カソード電極体５における窒素酸化物の還元能力が向上する。すなわち、排気ガス処理装置１０１，１０２の排気ガスの処理能力を向上させることが可能になる。
また、実施の形態１及び２において、支持体２のイオン伝導体３が形成されている面と反対側の面にフィルムヒータを設けてもよい。フィルムヒータが排気ガス処理装置１０１，１０２の内部を全体にわたって加熱することによって、アノード電極体４及びカソード電極体５における反応性が向上するとともに、イオン伝導体３における水素イオンの伝導性が向上する。すなわち、排気ガス処理装置１０１，１０２の排気ガスの処理能力を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る排気ガス処理装置を示す斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る排気ガス処理装置を構成する基板を示す斜視図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ方向の矢視平面の一部を示す模式図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ断面の一部を示す模式図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る排気ガス処理装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  基板（電極構造体）、３  イオン伝導体（イオン伝導体層）、４  アノード電極体、５  カソード電極体、６  多孔質壁体（フィルタ体）、１０１，１０２  排気ガス処理装置。
【図１】
0004525748.tif 000002
【図２】
0004525748.tif 000003
【図３】
0004525748.tif 000004
【図４】
0004525748.tif 000005
【図５】
0004525748.tif 000006