(57)【要約】【課題】内燃機関を動力源として備えるシステムにおいて、エネルギ効率の低下や、システムの大型化を招くことなく、内燃機関から排気される窒素酸化物を含む排気ガスを浄化する。【解決手段】エンジン１０から排気される窒素酸化物を含む排気ガスを燃料電池２０のカソードに供給し、水素ガス生成装置３０によって生成された水素リッチガスを燃料電池２０のアノードに供給して、水素と窒素酸化物との電気化学反応によって発電するとともに、窒素酸化物を分解する。燃料電池２０には、エンジン１０から排気される排気ガスの温度とほぼ等しい温度で運転される水素分離型燃料電池を適用する。【選択図】図１
2007292010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排気される窒素酸化物を含む排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムであって、
前記排気ガスの温度を含む所定の温度範囲内で運転される燃料電池であって、所定の燃料ガスと、前記排気ガスに含まれる窒素酸化物との電気化学反応によって、前記窒素酸化物を分解するとともに、発電する燃料電池を備える排気ガス浄化システム。
【請求項２】
請求項１に記載の排気ガス浄化システムであって、
前記燃料電池は、前記燃料ガスとしての水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層とを積層させた電解質膜を備える、
排気ガス浄化システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の排気ガス浄化システムであって、
前記燃料電池のカソードは、前記電気化学反応を促進するための白金系の触媒を備える、
排気ガス浄化システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の排気ガス浄化システムであって、
さらに、前記燃料電池によって発電された電力を蓄電する二次電池を備える、
排気ガス浄化システム。
【請求項５】
内燃機関から排気される窒素酸化物を含む排気ガスの浄化方法であって、
前記排気ガスの温度を含む所定の温度範囲内で運転される燃料電池であって、所定の燃料ガスと、前記排気ガスに含まれる窒素酸化物との電気化学反応によって発電する燃料電池を用意する工程と、
前記燃料ガスを前記燃料電池のアノードに供給するとともに、前記排気ガスを前記燃料電池のカソードに供給し、前記電気化学反応によって、前記窒素酸化物を分解するとともに、発電する工程と、
を備える浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排気される窒素酸化物を含む排気ガスを浄化する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両等の移動体の動力源として、内燃機関が用いられている。この内燃機関では、燃料が燃焼され、排気ガスが排気される。そして、この排気ガスには、窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれる。この窒素酸化物は、大気汚染物質であるため、通常、吸着剤によって吸着除去されたり、ＮＯｘ吸蔵還元触媒等の触媒や、プラズマ照射によって分解されたりする。
【０００３】
近年では、窒素酸化物を電気化学的に分解する技術も提案されている。例えば、下記特許文献１には、溶融炭酸塩型燃料電池を用いて、燃焼プラントから排出される排出ガスに含まれる窒素酸化物を電気化学的に分解する技術が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−７０７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載された技術を、内燃機関を動力源として用いる車両等の移動体に適用することも可能ではある。しかし、溶融炭酸塩型燃料電池の運転温度は、６００〜７００（℃）と非常に高温であるため、上記特許文献１に記載された技術を、内燃機関を動力源として用いる車両等の移動体に適用する場合、内燃機関の排気ガスを溶融炭酸塩型燃料電池の運転温度付近まで予熱する必要があり、内燃機関の排気ガスを予熱するための予熱装置を併せて搭載する必要があった。これは、内燃機関を備えるシステムのエネルギ効率の低下や、システムの大型化を招く。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、内燃機関を動力源として備えるシステムにおいて、エネルギ効率の低下や、システムの大型化を招くことなく、内燃機関から排気される窒素酸化物を含む排気ガスを浄化する技術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】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の排気ガス浄化システムは、
内燃機関から排気される窒素酸化物を含む排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムであって、
前記排気ガスの温度を含む所定の温度範囲内で運転される燃料電池であって、所定の燃料ガスと、前記排気ガスに含まれる窒素酸化物との電気化学反応によって、前記窒素酸化物を分解するとともに、発電する燃料電池を備えることを要旨とする。
【０００８】
本発明では、燃料電池が、酸化剤ガスとして内燃機関から排気される排気ガスに含まれる窒素酸化物を利用し、燃料ガスとして水素を利用して、水素と窒素酸化物との電気化学反応によって発電する。この際、燃料電池のアノードでの反応は、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-で表され、カソードでの反応は、（２／Ｘ）ＮＯX＋２Ｈ+＋２ｅ-→（１／Ｘ）Ｎ2＋Ｈ2Ｏで表される。そして、窒素酸化物は、２ＮＯX＋ＸＨ2→Ｎ2＋ＸＨ2Ｏで表される反応によって分解される。また、本発明では、燃料電池は、内燃機関から排気される排気ガスの温度を含む所定の温度範囲内で運転される燃料電池であるので、内燃機関の排気ガスを予熱することなく、燃料電池のカソードに供給することができる。したがって、排気ガス浄化システムに、内燃機関の排気ガスを予熱するための予熱装置を設ける必要がなく、システムのエネルギ効率の向上、および、システムの小型化を図ることができる。つまり、本発明によって、エネルギ効率の低下や、システムの大型化を招くことなく、内燃機関から排気される窒素酸化物を含む排気ガスを浄化することができる。
【０００９】
上記排気ガス浄化システムにおいて、
前記燃料電池は、前記燃料ガスとしての水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層とを積層させた電解質膜を備えるものとしてもよい。
【００１０】
本発明では、燃料電池として、水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層とを積層させた電解質膜を備える燃料電池、すなわち、いわゆる水素分離膜型燃料電池を用いる。この水素分離膜型燃料電池の運転温度は、４００（℃）程度であり、一般的な内燃機関の排気ガスの温度と同程度であるので、本発明に適用するのに好適である。また、水素分離膜型燃料電池は、電解質膜が、比較的強度が高い水素透過性金属層を備えるため、電解質膜の強度を維持しつつ、プロトンが伝導する電解質層の厚さを比較的薄くすることができる。したがって、電解質層の膜抵抗を比較的低くすることができる。したがって、本発明に水素分離膜型燃料電池を適用することによって、効率よく窒素酸化物を分解しつつ、発電することができる。
【００１１】
なお、水素透過性金属層としては、パラジウム（Ｐｄ）、パラジウム合金などの貴金属や、ＶＡ族元素、例えば、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）などを用いることができる。電解質層としては、固体酸化物、例えば、ＢａＣｅＯ3、ＳｒＣｅＯ3系のセラミックスなど、種々の電解質を用いることができる。
【００１２】
上記いずれかの排気ガス浄化システムにおいて、
前記燃料電池のカソードは、前記電気化学反応を促進するための白金系の触媒を備えるようにすることが好ましい。
【００１３】
ここで、「白金系の触媒」としては、例えば、白金や、白金・ルテニウム合金等が挙げられる。
【００１４】
燃料電池のカソードに白金系の触媒を用いることによって、他の触媒を用いるよりも効率よく窒素酸化物を分解することができる。
【００１５】
上記いずれかの排気ガス浄化システムにおいて、
さらに、前記燃料電池によって発電された電力を蓄電する二次電池を備えるようにしてもよい。
【００１６】
こうすることによって、燃料電池によって発電された電力を、一時的に、二次電池に蓄電しておき、必要に応じて利用することができる。
【００１７】
本発明は、上述の排気ガス浄化システムとしての構成の他、排気ガスの浄化方法の発明として構成することもできる。また、本発明は、上述の排気ガス浄化システムを搭載した移動体の発明として構成することもできる。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．排気ガス浄化システムの構成：
Ｂ．燃料電池の構成：
Ｃ．変形例：
【００１９】
Ａ．排気ガス浄化システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての排気ガス浄化システム１００の概略構成を示す説明図である。本実施例の排気ガス浄化システム１００は、内燃機関を動力源とする車両等の移動体に搭載される。
【００２０】
図示するように、排気ガス浄化システム１００は、エンジン１０と、燃料電池２０と、水素ガス生成装置３０と、バッテリ４０とを備えている。
【００２１】
エンジン１０は、図示しないガソリンタンクから供給されたガソリンを燃焼し、排気ガスを排気する。なお、この排気ガスの温度は、約４００（℃）である。また、排気ガスには、窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれる。この窒素酸化物は、後述するように、燃料電池２０によって電気化学的に分解される。
【００２２】
水素ガス生成装置３０は、ガソリンと、水と、空気（酸素）を利用して、改質反応や、シフト反応等を行い、水素を主成分とする水素リッチガスを生成する。炭化水素の混合物であるガソリンの改質反応は、次式（１），（２）で表される。この改質反応では、ガソリンと水蒸気との反応によって、さらに、ガソリンと酸素との反応によって、水素と一酸化炭素とが生成される。また、シフト反応は、改質反応で生成された一酸化炭素を、水蒸気を利用して酸化させ、水素を生成する反応であり、次式（３）で表される。このシフト反応では、水素と、二酸化炭素とが生成される。なお、水素ガス生成装置３０によって生成される水素リッチガスの温度は、約４００（℃）である。
【００２３】
ＣnＨm＋ｎＨ2Ｏ      →ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ2  …（１）；
ＣnＨm＋ｎ／２Ｏ2    →ｎＣＯ＋ｍ／２Ｈ2          …（２）；
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2                            …（３）；
【００２４】
本実施例における燃料電池２０は、後述するように、水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層とを積層させた電解質膜を備える、いわゆる水素分離膜型燃料電池であり、アノードに供給された燃料ガスと、カソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する。なお、この水素分離膜型燃料電池の運転温度は、約４００（℃）である。燃料電池２０の構成については、後から詳述する。
【００２５】
燃料電池２０のカソードには、エンジン１０から排気された窒素酸化物を含む排気ガスが、配管５２を介して供給され、排気ガスに含まれる窒素酸化物が、酸化剤ガスとして利用される。燃料電池２０のカソードから排出されるカソードオフガスは、配管５４を介して外部に排気される。
【００２６】
燃料電池２０のアノードには、水素ガス生成装置３０によって生成された水素リッチガスが、配管５６を介して供給され、水素リッチガスに含まれる水素が、燃料ガスとして利用される。燃料電池２０のアノードから排出されるアノードオフガスは、配管５８を介して外部に排気される。アノードオフガスに含まれる発電で未消費の水素を配管５６に再循環させるようにしてもよい。
【００２７】
なお、燃料電池２０では、アノード、および、カソードにおいて、次式（４）、（５）で表される反応によって、発電が行われる。そして、この発電時には、次式（６）で表される反応によって、窒素酸化物（ＮＯｘ）が電気化学的に窒素と水に分解される。こうすることによって、エンジン１０から排気される窒素酸化物を含む排気ガスを、燃料電池２０によって浄化するとともに、発電することができる。
【００２８】
アノード：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                                    …（４）；
カソード：（２／Ｘ）ＮＯX＋２Ｈ+＋２ｅ-→（１／Ｘ）Ｎ2＋Ｈ2Ｏ  …（５）；
２ＮＯX＋ＸＨ2→Ｎ2＋ＸＨ2Ｏ                                  …（６）；
【００２９】
バッテリ４０は、燃料電池２０によって発電された電力を、一時的に蓄電する。こうすることによって、バッテリ４０に蓄電した電力を必要に応じて利用することができる。
【００３０】
Ｂ．燃料電池の構成：
図２は、燃料電池２０の概略構成を示す説明図である。ここでは、燃料電池２０を構成する単セル２００の断面構造を模式的に示した。この単セル２００は、膜電極接合体２１０の両面を、セパレータ２２０で挟持することによって構成されている。
【００３１】
セパレータ２２０は、図示するように、凹凸形状を有しており、膜電極接合体２１０のアノード側、および、カソード側に、それぞれ燃料ガスとしての水素、および、酸化ガスとしてのエンジン１０の排気ガスを流すための流路を形成する。セパレータ２２０の材料としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。
【００３２】
膜電極接合体２１０は、水素を選択的に透過する水素透過性金属層２１２と、プロトン伝導性を有する電解質層２１４と、カソード２１６とを、この順序で積層することによって構成されている。水素透過性金属層２１２は、アノードとしての機能も有している。これらの各層は、物理蒸着等、種々の手法によって、形成することができる。
【００３３】
本実施例では、水素透過性金属層２１２として、パラジウム膜を用いるものとした。また、電解質層２１４として、ペロブスカイト型の固体電解質を用いるものとした。また、カソード２１６として、電気化学反応を促進する触媒能を有する白金を用いるものとした。これらの材質および膜厚は、任意に選択、設定可能である。
【００３４】
なお、本実施例における燃料電池２０は、上述したように、いわゆる水素分離膜型燃料電池である。この水素分離膜型燃料電池は、膜電極接合体２１０が、比較的強度が高い水素透過性金属層２１２を備えるため、膜電極接合体２１０の強度を維持しつつ、プロトン伝導性を有する電解質層２１４の厚さを比較的薄くすることができる。したがって、電解質層２１４の膜抵抗を比較的低くすることができる。したがって、燃料電池２０として水素分離膜型燃料電池を用いることによって、効率よく窒素酸化物を分解しつつ、発電することができる。
【００３５】
以上説明した排気ガス浄化システム１００によれば、燃料電池２０が、酸化剤ガスとしてエンジン１０から排気される排気ガスに含まれる窒素酸化物を利用し、燃料ガスとして水素を利用して、水素と窒素酸化物との電気化学反応によって発電する。このとき、窒素酸化物は、先に示した式（６）で表される反応によって分解される。また、燃料電池２０は、エンジン１０から排気される排気ガスの温度とほぼ等しい温度で運転される水素分離型燃料電池であるので、エンジン１０の排気ガスを予熱することなく、燃料電池２０のカソードに供給することができる。したがって、排気ガス浄化システム１００に、エンジン１０の排気ガスを予熱するための予熱装置を設ける必要がなく、システムのエネルギ効率の向上、および、システムの小型化を図ることができる。つまり、本実施例の排気ガス浄化システム１００によって、エネルギ効率の低下や、システムの大型化を招くことなく、エンジン１０から排気される窒素酸化物を含む排気ガスを浄化することができる。
【００３６】
Ｃ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００３７】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、燃料電池２０のアノードに水素ガス生成装置３０によって生成された水素リッチガスを供給するものとしたが、これに限られない。例えば、水素ガス生成装置３０の代わりに水素タンクを備えるようにし、この水素タンクから水素を供給するようにしてもよい。
【００３８】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、排気ガス浄化システム１００は、バッテリ４０を備えるものとしたが、バッテリ４０を備えないようにしてもよい。この場合、燃料電池２０によって発電された電力を順次利用するようにすればよい。
【００３９】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、カソード２１６として、白金を用いるものとしたが、これに限られない。ただし、カソード２１６として白金系の触媒を用いることによって、他の触媒を用いるよりも効率よく窒素酸化物を分解するとともに、発電することができる。
【００４０】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、エンジン１０の排気ガスの温度が約４００（℃）であるから、燃料電池２０として、約４００（℃）で運転する、いわゆる水素分離膜型燃料電池を用いるものとしたが、これに限られない。一般に、内燃機関から排気される排気ガスの温度を含む所定の温度範囲内で運転される燃料電池を用いるようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施例としての排気ガス浄化システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池２０の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１００…排気ガス浄化システム
１０…エンジン
２０…燃料電池
２００…単セル
２１０…膜電極接合体
２１２…水素透過性金属層
２１４…電解質層
２１６…カソード
２２０…セパレータ
３０…水素ガス生成装置
４０…バッテリ
５２，５４，５６，５８…配管
【図１】
2007292010.tif 000003
【図２】
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