排ガスフィルター及びこれを用いた排ガス処理システム
【課題】導入する排ガスの圧力損失を抑え、排出ガスの浄化性能を向上させる排ガスフィルター及びこれを用いた排ガス処理システムを提供する。
【解決手段】本発明は、排ガスを処理する排ガスフィルターであって、筒状に形成され、ガス透過性を有する固体電解質と、固体電解質の内周面に形成され、排ガス中の微粒子状物質が堆積されるガス透過性を有するアノードと、固体電解質の外周面に形成されたガス透過性を有するカソードと、を備え、固体電解質の軸方向の一端部が排ガス導入用に開放されるとともに、他端部が閉鎖されており、アノードの表面には、軸方向に延びる複数の溝が形成されている。
【解決手段】本発明は、排ガスを処理する排ガスフィルターであって、筒状に形成され、ガス透過性を有する固体電解質と、固体電解質の内周面に形成され、排ガス中の微粒子状物質が堆積されるガス透過性を有するアノードと、固体電解質の外周面に形成されたガス透過性を有するカソードと、を備え、固体電解質の軸方向の一端部が排ガス導入用に開放されるとともに、他端部が閉鎖されており、アノードの表面には、軸方向に延びる複数の溝が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンなどに用いられる排ガス浄化フィルターに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関の排ガス中には、微粒子物質（ＰＭ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）といった大気汚染物質が含まれており、これら排ガスを浄化する為の排気ガス浄化装置について多様な研究がなされている。一例としてＰＭ粒子を捕集するＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルター）やＮＯＸを浄化するＮＯＸ浄化触媒を搭載した排気ガス浄化装置が使用されている。このＮＯＸ浄化触媒としては、三元触媒、ＮＯＸ吸蔵還元型触媒、尿素を添加したＳＣＲ触媒（選択的接触触媒）、ＮＯＸ直接還元型触媒等がある。
【０００３】
これらのディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置では、ＤＰＦやＮＯＸ浄化触媒の上流側に酸化触媒を配置している。そして、排気ガスの温度が低い場合に、ポスト直射や排気管噴射によって、ＨＣ等の還元剤を排気ガス中に供給している。このように、還元剤を酸化触媒で酸化することにより、酸化触媒および酸化触媒の下流側の排気ガスを昇温している。そして、酸化触媒を活性温度以上に保ちながら、下流側のＤＰＦのＰＭ燃焼を促進したり、更に下流側のＮＯＸ浄化触媒を活性温度以上に保つことが行われている。
【０００４】
従来のディーゼルエンジンにおける排気ガスの浄化は、ＰＭ粒子を捕集するＤＰＦ、ＮＯＸを浄化するＮＯＸ浄化触媒を搭載した排気ガス浄化装置といった複数の装置により浄化処理が行われている。また、ＰＭ粒子の浄化方法に関しては、フィルターに堆積したＰＭ粒子をいかに除去して再生させるかが課題とされており、これに対して連続再生式ＤＰＦでは、排出ガス中のＮＯをＮＯ２に酸化させ、このＮＯ２によってフィルターに堆積したＰＭ粒子を酸化させている。しかし、排出ガス温度が２５０℃に達しない場合は、ＰＭ粒子の酸化が起こらないため、別途ＮＯの浄化装置が必要になってくる。
【０００５】
このほか、ＰＭ粒子を処理する方法として、ＤＰＮＲ（ディーゼル・パティキュレート・ＮＯＸ・リダクションシステム）が提案されている。このＤＰＮＲは、多孔質セラミックフィルターにＮＯＸ還元触媒を担持させ、ＮＯＸ吸蔵時に生成する酸素ラジカルによりＰＭ粒子を酸化させ、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を還元する方法である。しかし、この方法は正確な燃料噴射制御が求められ、耐久性悪化・コスト高・燃費悪化の問題点を有している。
【０００６】
これに対して、特許文献１には、排出ガスの複数工程化や、排出ガス温度の低温化といった課題を解決する浄化装置が提案されている。この浄化装置では、酸素イオン導電性を有する固体電解質の両面それぞれに、同じく酸素イオン導電性を有する電極材と浄化触媒とを混合させた電極を配置している。そして、両電極間に電圧を印加させることで、カソード側に捕捉したＮＯＸをＮ２へ還元し、この化学反応で生じた酸素イオンをカソード側からアノード側へ供給している。これにより、固体電解質のアノード側に存在するＰＭ粒子を酸化させることができるため、１工程でＰＭ粒子とＮＯＸの低減が可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２００５２０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記特許文献１には、処理能力を増大させるため、有底の筒型に形成した浄化装置を複数個設けた浄化構造体が開示されている。この構造体においては、浄化装置の一端部の開口から導入した排ガスを、その壁面を通過させることで浄化している(例えば、特許文献１の図１４)。しかしながら、この態様にすると、筒の開口径によっては、圧力損失が増大するおそれがあり、浄化性能が低下するという問題が生じ得る。
【０００９】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、導入する排ガスの圧力損失を抑え、排出ガスの浄化性能を向上させる排ガスフィルター及びこれを用いた排ガス処理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】
【００１０】
本発明は、排ガスを処理する排ガスフィルターであって、筒状に形成され、ガス透過性を有する固体電解質と、前記固体電解質の内周面に形成され、排ガス中の微粒子状物質が堆積されるガス透過性を有するアノードと、前記固体電解質の外周面に形成されたガス透過性を有するカソードと、を備え、前記固体電解質の軸方向の一端部が排ガス導入用に開放されるとともに、他端部が閉鎖されており、前記アノードの表面には、軸方向に延びる複数の溝が形成されている。
【００１１】
この構成によれば、ＰＭ粒子を含む排ガスを固体電解質の一端部から内部空間に導入すると、ＰＭ粒子を固体電解質の内壁面に形成されたアノードに捕集することができる。そして、ＰＭ粒子が捕集された後の排ガスは、固体電解質、カソードを通過し、外部へ排出されるため、排ガスを浄化することができる。また、アノードとカソードとの間に電圧を印加すると、固体電解質を介して、酸素イオンをカソード側からアノード側へ供給することができる。これにより、アノード側に堆積したＰＭ粒子を酸化させて炭素酸化物とすることができる。したがって、捕集されたＰＭ粒子を分解することができる。
【００１２】
また、固体電解質の他端部を閉鎖するとともに、アノードの表面に、軸方向に延びる複数の溝が形成されているため、排ガス導入の流れを一軸方向に固定することができる。したがって、排ガス導入時の慣性力を向上させることができ、導入される排ガスの圧力損失を抑制することができる。通常、圧力損失が高くなると、フィルターでフィルタリングされるもしくは通過する排ガス成分ＰＭおよびＮＯｘが電極上に吸着され難い為に、反応効率が落ちて浄化性能が落ちる。本発明は、排ガス導入の流れを一軸方向に固定することで、排ガス導入時の慣性力を向上させることができ、導入される排ガスの圧力損失を抑制するにより浄化性能が低下するのを防止することができる。また、アノードの表面に溝が形成されているため、アノードの表面積を増大させることができる。そのため、排ガスとの反応場を増大させることができ、高い浄化率を得ることができる。なお、溝は、排ガスフィルターの一端部から他端部まで連続して延びていることが好ましい。
【００１３】
なお、上記排ガスフィルターにおいては、固体電解質の外周面を平坦にし、アノードの表面にのみ溝を形成することもできるが、次のようにすることもできる。すなわち、固体電解質の内周面に、軸方向に延びる複数の溝を形成し、アノードを、固体電解質の内周面に沿って形成することで、アノードの表面に軸方向に延びる複数の溝を形成することができる。この構成により、アノード及び固体電解質の表面積を増大させることができ、浄化率をさらに向上することができる。
【００１４】
また、カソードの表面に溝を形成することもできる。この場合、固体電解質の内周面を平坦にし、カソードの表面にのみ溝を形成することもできるが、アノードと同様に、固体電解質の外周面に、軸方向に延びる複数の溝を形成し、カソードを、固体電解質の内周面に沿って形成することで、カソードの表面に軸方向に延びる複数の溝を形成することができる。この構成により、カソード及び固体電解質の表面積を増大させることができ、浄化率をさらに向上することができる。
【００１５】
また、アノード及びカソードには、酸化触媒として銀を用いることができる。このようにすると、銀が酸素吸着能を有するため、アノードにおいてはＰＭ粒子を酸化させることができる。したがって、アノードにはＰＭ粒子を酸化分解する活性点が多数存在するため、ＰＭ粒子の酸化に酸素イオンを効率よく用いることができる。その結果、高い排出ガス浄化率を得ることができる。
【００１６】
また、上記カソードには、ＮＯＸ吸蔵剤であるバリウムを担持させることができる。これにより、カソードでＮＯＸを捕集することができる。
【００１７】
また、本発明に係る排ガス処理システムは、上述した複数の排ガスフィルターと、前記複数の排ガスフィルターの一端部側を支持する支持部材と、前記複数の排ガスフィルターのアノード同士を接続する第１の集電部材と、前記複数の排ガスフィルターのカソード同士を接続する第２の集電部材と、を備えている。
【００１８】
この構成によれば、複数の排ガスフィルターが配置されているため、多量の排ガスを処理することができる。また、各排ガスフィルターのアノード同士、及びカソード同士が第１及び第２の集電部材で電気的に接続されているため、第１及び第２の集電部材間に電圧を印加すると、すべての排ガスフィルターで堆積したＰＭ粒子を同時に分解することができる。なお、集電部材は、アノード、カソードを電気的に接続できるのであれば、その形態は特には限定されず、導線、メッシュなどで構成できるほか、支持部材を集電部材とすることもできる。
【００１９】
また、上記排ガス処理システムにおいては、複数の排ガスフィルターにおけるカソードの表面に、軸方向に延びる溝を形成し、複数の排ガスフィルターの少なくとも一部を近接して配置することができる。これにより、近接する前記カソードの溝同士でガスの流路が形成される。その結果、排ガスフィルターの外側においては、一軸方向のガスの流れを促進することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、導入する排ガスの圧力損失を抑え、排出ガスの浄化性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態に係る排ガスフィルターの正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１の排ガスフィルターを用いた排ガス処理システムの側面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ線矢視図である。
【図５】図３の一部拡大断面図である。
【図６】図３の他の例を示す一部拡大断面図である。
【図７】比較例の断面図である。
【図８】ムーディ線図である。
【図９】図４の他の例を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る排ガスフィルターの一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本実施形態に係る排ガスフィルターの正面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。
【００２３】
図１及び図２に示すように、この排ガスフィルターは、扁平状の断面を有する筒状に形成されており、軸方向の一端部が開放されるとともに、他端部が閉鎖されている。そして、開放された端部からフィルター内部に、処理対象となる排ガスが導入される。この排ガスは、例えば、ディーゼル自動車から排出される排ガスなどであり、ＰＭ粒子が含有されているものを対象とすることができる。
【００２４】
図２に示すように、この排ガスフィルターは、筒状の固体電解質１の内壁面にアノード２が形成されるとともに、外面にカソード３が形成されることで、構成されている。固体電解質１、アノード２、及びカソード３は、いずれもガス透過性のある多孔質材料によって形成されているため、上述したように、固体電解質１の内部空間に排ガスを導入すると、排ガスは、アノード２、固体電解質１、及びカソード３を順に通過して外部へ排出される。
【００２５】
固体電解質１の内壁面及び外面には、軸方向に延びる複数の溝１１が形成されており、これらの溝１１は周方向に平行に配置されている。また、これらの溝１１は、固体電解質１の一端部から他端部まで連続して延びている。そして、アノード２及びカソード３は、溝１１が形成された固体電解質１の表面に沿って形成されているため、アノード２及びカソード３の表面にも同様の溝２１，３１が形成されている。また、固体電解質１に形成される溝１１は、溝１１の深度を１０μｍ以上４ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは２０μｍ以上で３ｍｍ以下である。溝１１の断面形状は、特には限定されないが、図２に示す断面三角形状のほか、例えば、波型、凹型などの形状にすることができる。このような溝は、押し出し成型により加工することができる。
【００２６】
続いて、固体電解質１、アノード２、及びカソード３を構成する材料について説明する。固体電解質１としては、従来より知られているイットリウム安定化ジルコニア（ジルコニア系電解質ＹＳＺ）、セリア系酸化物（ＧＤＣ，ＳＤＣ）、がある。ジルコニア系電解質の場合、３５０℃以上の高い排気温度下では十分な酸素イオン供給が可能になる、一方、２５０〜３５０℃の低温下では、後述するＰＭ粒子の酸化反応を促進させるために、固体電解質１の形状、厚さを調整することで、イオン導電性を向上させることができる。例えば、固体電解質１はその厚さが２００μｍ以上で４ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは５００μｍ以上で３ｍｍである。固体電解質１の厚さが厚すぎると、導入した排ガスの圧力損失が大きくなるおそれがある。多孔質である固体電解質１における孔の平均孔径は０．５μｍ以上１００μｍ以下とするのが良く、好ましくは１μm以上３０μｍである。また、気孔率は１０％以上８０％以下とするのがよく、好ましくは４０％以上６０％以下である。これらの値が小さくなると導入される圧力損失が大きくなり、値が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。
【００２７】
アノード２及びカソード３は、銀粒子に固体電解質材料を混合し、これを焼成することにより形成される。この際、銀粒子の粒径および固体電解質粒子を０．０１μｍ以上１０μｍ以下とするのが好ましく、例えば１μｍの銀粒子と０．１μｍの固体電解質粒子を混合することができる。また銀と固体電解質材料の混合比率は、固体電解質材料を全体の６０vol%以下とするのが好ましく、より好ましくは固体電解質材料を全体において２０vol％以上４０vol％以下である。
【００２８】
また、カソード３には、ＮＯＸ吸蔵剤を含ませることができる。すなわち、アルカリ土類金属またはアルカリ金属などを含有させることができ、具体的にはカルシウム，ストロンチウム，バリウム，ラジウム，リチウム，ナトリウム，カリウム，ルビジウム，セシウム，フランシウムとすることができる。このうち、安定性等の性質やコスト面で好ましいのは、カルシウム，ストロンチウム，バリウム，カリウムである。
【００２９】
アノード２は、厚さが１μｍ以上１ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは１０μｍ以上５０μｍ以下である。この厚さが厚すぎると排ガスの圧力損失が大きくなる恐れがある。また、多孔質であるアノード２における孔の平均孔径は０．５μｍ以上１００μｍ以下とするのがよく、好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下である。気孔率は１０％以上８０％以下とするのがよく、好ましくは４０％以上６０％以下である。これらの値が小さくなると導入される排ガスの圧力損失が大きくなるおそれがある。また、アノード２は固体電解質１に形成された溝に沿って形成されており、アノード２における溝２１は、溝の深度を１０μｍ以上４ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは２０μｍ以上３ｍｍ以下である。
【００３０】
カソード３は、厚さが１μｍ以上１ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは１０μｍ以上５０μｍ以下である。この厚さが厚すぎると排ガスの圧力損失が大きくなる恐れがある。また、多孔質であるカソード３における孔の平均孔径は０．５μｍ以上１００μｍ以下とするのがよく、好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下である。気孔率は１０％以上８０％以下とするのがよく、好ましくは４０％以上６０％以下である。これらの値が小さくなると導入される排ガスの圧力損失が大きくなるおそれがある。また、カソード３は固体電解質１に形成された溝に沿って形成されており、カソード３における溝３１は、溝の深度を１０μｍ以上４ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは２０μｍ以上３ｍｍ以下である。
【００３１】
次に、上記のように構成された排ガスフィルターの動作について説明する。まず、開放された端部からフィルター内部に、処理対象となる排ガスを導入する。アノード２、固体電解質１、及びカソード３はガス透過性であるため、排ガスは、これらを順に通過して外部へ排出される。この過程において、排ガス中に含まれるＰＭ粒子は、アノード２の表面に捕捉されるため、排ガスは、ＰＭ粒子が除去された状態でカソード３側へ排出される。そして、カソード３にはＮＯＸ吸蔵剤が担持されているため、排ガス中に含まれるＮＯＸが捕捉される。こうして、排ガスフィルターを通過した排ガスからはＰＭ粒子及びＮＯＸが除去されるため、排ガスを浄化することができる。
【００３２】
こうして、排ガスの処理が行われている際には、アノード２側にＰＭ粒子が堆積し、カソード３の表面ではカソード３に担持させたＮОｘ吸蔵剤のバリウムによりＮＯＸが吸着される。ここで、アノード２とカソード３との間に電圧を印加することにより、カソード３側に捕捉したＮＯＸをＮ２へ還元することができるとともに、この化学反応で生じた酸素イオンをカソード３側からアノード２側へ供給することができる。その結果、固体電解質のアノード２側に存在するＰＭ粒子を酸化して分解することができる。こうして、アノード２に堆積したＰＭ粒子及びカソード３に吸蔵されたＮＯＸを除去することができるため、長期間に亘る排ガスフィルターの使用が可能になる。
【００３３】
以上のように、本実施形態によれば、固体電解質１の他端部を閉鎖するとともに、アノード２の表面に、軸方向に延びる複数の溝が形成されているため、排ガス導入の流れを一軸方向に固定することができる。したがって、排ガス導入時の慣性力を向上させることができ、導入される排ガスの圧力損失を抑制することができる。その結果、浄化性能が低下するのを防止することができる。また、固体電解質１、アノード２、及びカソード３の表面に溝が形成されているため、これらの表面積を増大させることができる。そのため、排ガスとの反応場を増大させることができ、高い浄化率を得ることができる。
【００３４】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態で用いた排ガスフィルターを複数用い、図３及び図４に示すような排ガス処理システムを構築することができる。図３はこの排ガス処理システムの側面図であり、図４は図３のＢ−Ｂ線矢視図である。
【００３５】
図３及び図４に示すように、このシステムは、複数の排ガスフィルターFを所定間隔をおいて平行に延びるように配置する。そして、各排ガスフィルターの端部を板状の支持部材４によって支持する。この場合、排ガスフィルターＦの外周面に形成された溝は、このフィルターの一端から他端へ軸方向に延びている。支持部材４には、排ガスフィルターFを挿入可能な複数の貫通孔４１が形成されており、各貫通孔４１には、排ガスフィルターFの開口が形成されている側の端部が固定されている。また、各排ガスフィルターFのアノード２同士が電気的に接続されるとともに、カソード３同士も電気的に接続されている。
【００３６】
電気的な接続の方法は特には限定されないが、例えば、図５に示すように、支持部材４の貫通孔４１に筒状の突部４２を取り付け、この突部４２が各排ガスフィルターFのアノード２に接触するように、フィルター内に挿入する。そして、支持部材４及び突部４２を導電性材料で形成すれば、各排ガスフィルターFのアノード２は電気的に接続される。また、カソード３は外部に露出しているため、例えば、導線５で接続することができる。この導線５は、直接カソード３に取り付けることもできるが、図５に示すように、導電性のメッシュ５１を介してカソード３に接続することもできる。このようなシステムにおいては、図３において、支持部材４の左側から排ガスを供給すると、排ガスは支持部材４の貫通孔４１を介して各排ガスフィルターF内に導入される。その後、ＰＭ粒子及びＮＯＸが除去された排ガスが各排ガスフィルターの外面から排出される。また、導線と支持部材との間に電圧を印加すると、上述したように、排ガスフィルターの表面に堆積したＰＭ粒子及びＮＯＸが分解される。なお、ここでは、上記支持部材４及び突部４２が本発明の第１の集電部材を構成し、上記導線５及びメッシュ５１が本発明の第２の集電部材を構成する。
【００３７】
また、図５の例では、フィルターの内部に突部を取り付けることで、フィルターを支持部材に固定しているが、フィルターの外周面を支持部材に固定することもできる。例えば、図６に示すように、支持部材４の貫通孔４１にフィルターを差し込み、貫通孔４１とフィルターの外周面とが接触するように固定する。支持部材４は導電性材料で形成されているため、各フィルターのカソード３同士が電気的に接続されることになる。一方、各フィルターの内壁面、つまり、アノード１には、導線５が接続されており、貫通孔４１から外部に引き出されている。この導線５は、直接アノード１に取り付けることもできるが、図６に示すように、導電性のメッシュ５１を介してアノード１に接続することもできる。図示を省略するが、各導線５は接続されており、これによって各アノード１が電気的に接続される。そして、導線５と支持部材４との間に電圧を印加すると、上述したように、排ガスフィルターの表面に堆積したＰＭ粒子及びＮＯＸが分解される。なお、ここでは、上記導線５及びメッシュ５１が本発明の第１の集電部材を構成し、上記支持部材４が本発明の第２の集電部材を構成する。また、上述したメッシュ５１を用いる場合、集電効率の観点から、筒状のアノード１、カソード３のできるだけ広い面積に配置されることが好ましい。
【００３８】
また、図９に示すように、各排ガスフィルターを支持部材４上で近接させることができる。このようにすると、排ガスフィルターＦの外周面に形成された溝３１の先端が、隣接する排ガスフィルターの溝３１の先端と近接されるため、隣接する溝の間に流路Ｇが形成される。これが、電解質１を通過してカソード３へ流出してきた浄化ガスの流路となり、ガスの一軸方向への流れを促進する役割を果たす。このような流路Ｇを形成するには、例えば、隣接する排ガスフィルターＦ間の距離Ｌを２．２〜３．０ｍｍとすることが好ましい。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明に係る実施例について説明する。但し、本発明はこれら実施例に限定されない。
【００４０】
実施例として、図６に記載のような排ガスフィルターを準備した。図６に記載のスタックは、支持部材４が27cm×27cm、排ガスフィルターの断面は扁平楕円状であり排ガスフィルター内の長径が67.8mm，短径が37.8mmとなっており、軸方向の長さは、１００ｍｍである。また、固体電解質１の内壁面及び外面の上下には、底辺６ｍｍ、高さ１.５ｍｍの三角柱状の隆起部を８個ずつ隣接するように形成し、これによって各隆起部の間が溝を構成するようにした。そして、固体電解質１の溝１１の表面を被覆するように、アノード２及びカソード３が形成されている。固体電解質１としてはセリア系固体電解質を用いた。また、アノード２及びカソード３として、銀と固体電解質の混合体を用いた。アノード２及びカソード３の厚みは５０μｍ、平均孔径は3μｍ、気孔率は３０％である。固体電解質１は厚みが５００μmであり、平均孔径が５μm、気孔率が４０％である。また、カソード３にはＮＯＸ吸蔵剤としてバリウムを担持させた。より詳細には、カソード３の体積を１００％としてバリウムを36vol%担持させた。
【００４１】
アノード２及びカソード３の被覆後の高さは、固体電解質１の三角柱の底面から1.05ｍｍである。ここで、溝が形成されていない排ガスフィルターも準備し、これを比較例とした。比較例は、図７に示すように、三角柱が配置されていない形態である。そして、実施例及び比較例の表面積を測定したところ、比較例のアノードの表面積は162.124ｃｍ２、カソードの表面積は307.421cm2であった。一方、実施例のアノードの表面積は173.4552 cm2、カソードの表面積は318.7522 cm2であった。したがって、実施例は、比較例に対してアノードの表面積に関しては 107%、カソードの表面積に関しては 104％の表面積が増加している。
【００４２】
上記のような排ガスフィルターを用い、燃焼機から排出された排出ガスを浄化する試験を行った。この試験では、排出ガスに含有されるＰＭ粒子の減少率（浄化率）と浄化時間について検証を行った。固体電解質の温度を３５０℃とし、固体電解質へ流す電流値を０．３Aとし、排ガスフィルター内への排ガス導入流量を１l/minとした。また、排ガス中に含まれるＰＭ粒子の排出濃度を７５mg/m3とした。これにより、３０分間で排ガスフィルターに供給されるＰＭ粒子の量は２．２５gとなる。
【００４３】
この条件による浄化試験を行った結果、比較例では、浄化開始から２時間経過後で７０％のＰＭ粒子分解率を得た。さらに３時間後では７５％の分解率を確認した。一方、実施例では浄化開始から４時間経過後で８４％の高いＰＭ粒子分解率を得た。さらに７時間後では９０％の分解率を確認した。また、排ガス中に含まれるＮＯＸの浄化率についても実験を行った。排ガスフィルターへの排ガス導入流量を１l/minとし、ＮＯＸの濃度を４５０ｐｐｍとした。排ガスフィルターへ流す電流値を０．１Ａから０．３Ａまで増大させ、浄化開始１時間後におけるＮＯＸの減少率を測定したところ、０．１Ａ時で比較例では６７％の分解率を確認した。一方、実施例では８０％の分解率を確認した。
【００４４】
続いて、供給される排ガスの圧力損失を検討した。ここでは、上記実施例及び比較例を用いて溝の有無による効果を確認した。圧力損失値についてFanningの式から配管圧力損失を算出比較すると、以下のようになる。
【００４５】
ΔP＝λ・L/D・γV２/２ …(1)
但し、ΔP：圧力損失, λ：管摩擦係数, L：配管長, D：管内径,γ：管内ガス密度, V：管内流速である。
【００４６】
ここで、比較例の排ガスフィルター内に作用する慣性力は、以下のようになる。
【００４７】
IZ＝1/4( 67.82+ 37.82)M …(2)
一方、実施例の排ガス浄化装置内に作用する慣性力は、以下のようになる。
【００４８】
IZ＝1/4( 67.82+ 37.82)M+( 67.82/24+ 37.82/18) M …(3)
Mは、排ガスフィルターの質量である。上記式(1)の管摩擦係数λは、流れが層流の場合には、ハーゲン・ポアズイユ(Hagen Poiseulli Law)の法則に従い、次式で与えられる。λは実験結果ともよく一致する。
【００４９】
【数１】
【００５０】
ここで、Re=V・d/ν：円管の場合のレイノルズ数である。
【００５１】
乱流の場合には、λは一般にレイノルズ数Reと管壁の相対粗さ(relative roughness)ε/dの関数となり、これまで種々の実験公式が示されている。管壁が滑らかな円管の場合には、λはReのみの関数となり、次式のプラントル・カルマン公式は高いレイノルズ数の範囲まで実験値とよく一致することが知られている。
【００５２】
【数２】
【００５３】
また、Reが高い領域や、ε/ｄが大きい領域ではλはε/ｄのみの関数となり、実験値と合うように補正を加えることにより次式が得られている。
【００５４】
【数３】
【００５５】
各種材質の円管の管摩擦係数λは次のコールブルック(Colebrook)の式によってよい近似が得られる。
【００５６】
【数４】
【００５７】
このコールブルックの式を用いてムーディ(Moody)によって作成されたのが、ムーディ線図(Moody diagram)である。図８に、現在用いられているムーディ線図の例を示す。このほか、Re≦105の場合の滑らかな円管の管摩擦係数を与えるブラジウス(Blasius)の式がよく知られている。
【００５８】
【数５】
【００５９】
ここで、レイノルズ数Reは、Re＝慣性力／粘性力で表されることから、上記(2)(3)式より実施例，比較例の慣性力は各々1506.42M， 1777.335Mとなる。また、排ガスフィルターへ導入されるガス成分は、同一のものであるから粘性力は一定とみなすと、実施例，比較例のレイノルズ数Reの大小関係は、実施例＞比較例となる。
【００６０】
ここで、導入された排ガスが層流の場合には、管摩擦係数λは式(4)より、
比較例＞実施例 …(9)
の大小関係が明示される。また、乱流の場合も同様となる。
【００６１】
ここで、比較例の圧力損失を計算すると、以下のようになる。
【００６２】
ΔPE＝λ・10/9.27・2.25/92.7・1.02/2=0.013λ …(10)
一方、実施例の圧力損失PE値は相関式(9)より、式(10)の0.013λより低減することが証明された。
【００６３】
この点から、フィルターの表面に溝を形成することにより、圧力損失を低減させることに有効であることが分かる。
【符号の説明】
【００６４】
１ 固体電解質
１１ 溝
２ アノード
２１ 溝
３ カソード
３１ 溝
４ 支持部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンなどに用いられる排ガス浄化フィルターに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関の排ガス中には、微粒子物質（ＰＭ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）といった大気汚染物質が含まれており、これら排ガスを浄化する為の排気ガス浄化装置について多様な研究がなされている。一例としてＰＭ粒子を捕集するＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルター）やＮＯＸを浄化するＮＯＸ浄化触媒を搭載した排気ガス浄化装置が使用されている。このＮＯＸ浄化触媒としては、三元触媒、ＮＯＸ吸蔵還元型触媒、尿素を添加したＳＣＲ触媒（選択的接触触媒）、ＮＯＸ直接還元型触媒等がある。
【０００３】
これらのディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置では、ＤＰＦやＮＯＸ浄化触媒の上流側に酸化触媒を配置している。そして、排気ガスの温度が低い場合に、ポスト直射や排気管噴射によって、ＨＣ等の還元剤を排気ガス中に供給している。このように、還元剤を酸化触媒で酸化することにより、酸化触媒および酸化触媒の下流側の排気ガスを昇温している。そして、酸化触媒を活性温度以上に保ちながら、下流側のＤＰＦのＰＭ燃焼を促進したり、更に下流側のＮＯＸ浄化触媒を活性温度以上に保つことが行われている。
【０００４】
従来のディーゼルエンジンにおける排気ガスの浄化は、ＰＭ粒子を捕集するＤＰＦ、ＮＯＸを浄化するＮＯＸ浄化触媒を搭載した排気ガス浄化装置といった複数の装置により浄化処理が行われている。また、ＰＭ粒子の浄化方法に関しては、フィルターに堆積したＰＭ粒子をいかに除去して再生させるかが課題とされており、これに対して連続再生式ＤＰＦでは、排出ガス中のＮＯをＮＯ２に酸化させ、このＮＯ２によってフィルターに堆積したＰＭ粒子を酸化させている。しかし、排出ガス温度が２５０℃に達しない場合は、ＰＭ粒子の酸化が起こらないため、別途ＮＯの浄化装置が必要になってくる。
【０００５】
このほか、ＰＭ粒子を処理する方法として、ＤＰＮＲ（ディーゼル・パティキュレート・ＮＯＸ・リダクションシステム）が提案されている。このＤＰＮＲは、多孔質セラミックフィルターにＮＯＸ還元触媒を担持させ、ＮＯＸ吸蔵時に生成する酸素ラジカルによりＰＭ粒子を酸化させ、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を還元する方法である。しかし、この方法は正確な燃料噴射制御が求められ、耐久性悪化・コスト高・燃費悪化の問題点を有している。
【０００６】
これに対して、特許文献１には、排出ガスの複数工程化や、排出ガス温度の低温化といった課題を解決する浄化装置が提案されている。この浄化装置では、酸素イオン導電性を有する固体電解質の両面それぞれに、同じく酸素イオン導電性を有する電極材と浄化触媒とを混合させた電極を配置している。そして、両電極間に電圧を印加させることで、カソード側に捕捉したＮＯＸをＮ２へ還元し、この化学反応で生じた酸素イオンをカソード側からアノード側へ供給している。これにより、固体電解質のアノード側に存在するＰＭ粒子を酸化させることができるため、１工程でＰＭ粒子とＮＯＸの低減が可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２００５２０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記特許文献１には、処理能力を増大させるため、有底の筒型に形成した浄化装置を複数個設けた浄化構造体が開示されている。この構造体においては、浄化装置の一端部の開口から導入した排ガスを、その壁面を通過させることで浄化している(例えば、特許文献１の図１４)。しかしながら、この態様にすると、筒の開口径によっては、圧力損失が増大するおそれがあり、浄化性能が低下するという問題が生じ得る。
【０００９】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、導入する排ガスの圧力損失を抑え、排出ガスの浄化性能を向上させる排ガスフィルター及びこれを用いた排ガス処理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】
【００１０】
本発明は、排ガスを処理する排ガスフィルターであって、筒状に形成され、ガス透過性を有する固体電解質と、前記固体電解質の内周面に形成され、排ガス中の微粒子状物質が堆積されるガス透過性を有するアノードと、前記固体電解質の外周面に形成されたガス透過性を有するカソードと、を備え、前記固体電解質の軸方向の一端部が排ガス導入用に開放されるとともに、他端部が閉鎖されており、前記アノードの表面には、軸方向に延びる複数の溝が形成されている。
【００１１】
この構成によれば、ＰＭ粒子を含む排ガスを固体電解質の一端部から内部空間に導入すると、ＰＭ粒子を固体電解質の内壁面に形成されたアノードに捕集することができる。そして、ＰＭ粒子が捕集された後の排ガスは、固体電解質、カソードを通過し、外部へ排出されるため、排ガスを浄化することができる。また、アノードとカソードとの間に電圧を印加すると、固体電解質を介して、酸素イオンをカソード側からアノード側へ供給することができる。これにより、アノード側に堆積したＰＭ粒子を酸化させて炭素酸化物とすることができる。したがって、捕集されたＰＭ粒子を分解することができる。
【００１２】
また、固体電解質の他端部を閉鎖するとともに、アノードの表面に、軸方向に延びる複数の溝が形成されているため、排ガス導入の流れを一軸方向に固定することができる。したがって、排ガス導入時の慣性力を向上させることができ、導入される排ガスの圧力損失を抑制することができる。通常、圧力損失が高くなると、フィルターでフィルタリングされるもしくは通過する排ガス成分ＰＭおよびＮＯｘが電極上に吸着され難い為に、反応効率が落ちて浄化性能が落ちる。本発明は、排ガス導入の流れを一軸方向に固定することで、排ガス導入時の慣性力を向上させることができ、導入される排ガスの圧力損失を抑制するにより浄化性能が低下するのを防止することができる。また、アノードの表面に溝が形成されているため、アノードの表面積を増大させることができる。そのため、排ガスとの反応場を増大させることができ、高い浄化率を得ることができる。なお、溝は、排ガスフィルターの一端部から他端部まで連続して延びていることが好ましい。
【００１３】
なお、上記排ガスフィルターにおいては、固体電解質の外周面を平坦にし、アノードの表面にのみ溝を形成することもできるが、次のようにすることもできる。すなわち、固体電解質の内周面に、軸方向に延びる複数の溝を形成し、アノードを、固体電解質の内周面に沿って形成することで、アノードの表面に軸方向に延びる複数の溝を形成することができる。この構成により、アノード及び固体電解質の表面積を増大させることができ、浄化率をさらに向上することができる。
【００１４】
また、カソードの表面に溝を形成することもできる。この場合、固体電解質の内周面を平坦にし、カソードの表面にのみ溝を形成することもできるが、アノードと同様に、固体電解質の外周面に、軸方向に延びる複数の溝を形成し、カソードを、固体電解質の内周面に沿って形成することで、カソードの表面に軸方向に延びる複数の溝を形成することができる。この構成により、カソード及び固体電解質の表面積を増大させることができ、浄化率をさらに向上することができる。
【００１５】
また、アノード及びカソードには、酸化触媒として銀を用いることができる。このようにすると、銀が酸素吸着能を有するため、アノードにおいてはＰＭ粒子を酸化させることができる。したがって、アノードにはＰＭ粒子を酸化分解する活性点が多数存在するため、ＰＭ粒子の酸化に酸素イオンを効率よく用いることができる。その結果、高い排出ガス浄化率を得ることができる。
【００１６】
また、上記カソードには、ＮＯＸ吸蔵剤であるバリウムを担持させることができる。これにより、カソードでＮＯＸを捕集することができる。
【００１７】
また、本発明に係る排ガス処理システムは、上述した複数の排ガスフィルターと、前記複数の排ガスフィルターの一端部側を支持する支持部材と、前記複数の排ガスフィルターのアノード同士を接続する第１の集電部材と、前記複数の排ガスフィルターのカソード同士を接続する第２の集電部材と、を備えている。
【００１８】
この構成によれば、複数の排ガスフィルターが配置されているため、多量の排ガスを処理することができる。また、各排ガスフィルターのアノード同士、及びカソード同士が第１及び第２の集電部材で電気的に接続されているため、第１及び第２の集電部材間に電圧を印加すると、すべての排ガスフィルターで堆積したＰＭ粒子を同時に分解することができる。なお、集電部材は、アノード、カソードを電気的に接続できるのであれば、その形態は特には限定されず、導線、メッシュなどで構成できるほか、支持部材を集電部材とすることもできる。
【００１９】
また、上記排ガス処理システムにおいては、複数の排ガスフィルターにおけるカソードの表面に、軸方向に延びる溝を形成し、複数の排ガスフィルターの少なくとも一部を近接して配置することができる。これにより、近接する前記カソードの溝同士でガスの流路が形成される。その結果、排ガスフィルターの外側においては、一軸方向のガスの流れを促進することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、導入する排ガスの圧力損失を抑え、排出ガスの浄化性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態に係る排ガスフィルターの正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１の排ガスフィルターを用いた排ガス処理システムの側面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ線矢視図である。
【図５】図３の一部拡大断面図である。
【図６】図３の他の例を示す一部拡大断面図である。
【図７】比較例の断面図である。
【図８】ムーディ線図である。
【図９】図４の他の例を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る排ガスフィルターの一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本実施形態に係る排ガスフィルターの正面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。
【００２３】
図１及び図２に示すように、この排ガスフィルターは、扁平状の断面を有する筒状に形成されており、軸方向の一端部が開放されるとともに、他端部が閉鎖されている。そして、開放された端部からフィルター内部に、処理対象となる排ガスが導入される。この排ガスは、例えば、ディーゼル自動車から排出される排ガスなどであり、ＰＭ粒子が含有されているものを対象とすることができる。
【００２４】
図２に示すように、この排ガスフィルターは、筒状の固体電解質１の内壁面にアノード２が形成されるとともに、外面にカソード３が形成されることで、構成されている。固体電解質１、アノード２、及びカソード３は、いずれもガス透過性のある多孔質材料によって形成されているため、上述したように、固体電解質１の内部空間に排ガスを導入すると、排ガスは、アノード２、固体電解質１、及びカソード３を順に通過して外部へ排出される。
【００２５】
固体電解質１の内壁面及び外面には、軸方向に延びる複数の溝１１が形成されており、これらの溝１１は周方向に平行に配置されている。また、これらの溝１１は、固体電解質１の一端部から他端部まで連続して延びている。そして、アノード２及びカソード３は、溝１１が形成された固体電解質１の表面に沿って形成されているため、アノード２及びカソード３の表面にも同様の溝２１，３１が形成されている。また、固体電解質１に形成される溝１１は、溝１１の深度を１０μｍ以上４ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは２０μｍ以上で３ｍｍ以下である。溝１１の断面形状は、特には限定されないが、図２に示す断面三角形状のほか、例えば、波型、凹型などの形状にすることができる。このような溝は、押し出し成型により加工することができる。
【００２６】
続いて、固体電解質１、アノード２、及びカソード３を構成する材料について説明する。固体電解質１としては、従来より知られているイットリウム安定化ジルコニア（ジルコニア系電解質ＹＳＺ）、セリア系酸化物（ＧＤＣ，ＳＤＣ）、がある。ジルコニア系電解質の場合、３５０℃以上の高い排気温度下では十分な酸素イオン供給が可能になる、一方、２５０〜３５０℃の低温下では、後述するＰＭ粒子の酸化反応を促進させるために、固体電解質１の形状、厚さを調整することで、イオン導電性を向上させることができる。例えば、固体電解質１はその厚さが２００μｍ以上で４ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは５００μｍ以上で３ｍｍである。固体電解質１の厚さが厚すぎると、導入した排ガスの圧力損失が大きくなるおそれがある。多孔質である固体電解質１における孔の平均孔径は０．５μｍ以上１００μｍ以下とするのが良く、好ましくは１μm以上３０μｍである。また、気孔率は１０％以上８０％以下とするのがよく、好ましくは４０％以上６０％以下である。これらの値が小さくなると導入される圧力損失が大きくなり、値が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。
【００２７】
アノード２及びカソード３は、銀粒子に固体電解質材料を混合し、これを焼成することにより形成される。この際、銀粒子の粒径および固体電解質粒子を０．０１μｍ以上１０μｍ以下とするのが好ましく、例えば１μｍの銀粒子と０．１μｍの固体電解質粒子を混合することができる。また銀と固体電解質材料の混合比率は、固体電解質材料を全体の６０vol%以下とするのが好ましく、より好ましくは固体電解質材料を全体において２０vol％以上４０vol％以下である。
【００２８】
また、カソード３には、ＮＯＸ吸蔵剤を含ませることができる。すなわち、アルカリ土類金属またはアルカリ金属などを含有させることができ、具体的にはカルシウム，ストロンチウム，バリウム，ラジウム，リチウム，ナトリウム，カリウム，ルビジウム，セシウム，フランシウムとすることができる。このうち、安定性等の性質やコスト面で好ましいのは、カルシウム，ストロンチウム，バリウム，カリウムである。
【００２９】
アノード２は、厚さが１μｍ以上１ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは１０μｍ以上５０μｍ以下である。この厚さが厚すぎると排ガスの圧力損失が大きくなる恐れがある。また、多孔質であるアノード２における孔の平均孔径は０．５μｍ以上１００μｍ以下とするのがよく、好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下である。気孔率は１０％以上８０％以下とするのがよく、好ましくは４０％以上６０％以下である。これらの値が小さくなると導入される排ガスの圧力損失が大きくなるおそれがある。また、アノード２は固体電解質１に形成された溝に沿って形成されており、アノード２における溝２１は、溝の深度を１０μｍ以上４ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは２０μｍ以上３ｍｍ以下である。
【００３０】
カソード３は、厚さが１μｍ以上１ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは１０μｍ以上５０μｍ以下である。この厚さが厚すぎると排ガスの圧力損失が大きくなる恐れがある。また、多孔質であるカソード３における孔の平均孔径は０．５μｍ以上１００μｍ以下とするのがよく、好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下である。気孔率は１０％以上８０％以下とするのがよく、好ましくは４０％以上６０％以下である。これらの値が小さくなると導入される排ガスの圧力損失が大きくなるおそれがある。また、カソード３は固体電解質１に形成された溝に沿って形成されており、カソード３における溝３１は、溝の深度を１０μｍ以上４ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは２０μｍ以上３ｍｍ以下である。
【００３１】
次に、上記のように構成された排ガスフィルターの動作について説明する。まず、開放された端部からフィルター内部に、処理対象となる排ガスを導入する。アノード２、固体電解質１、及びカソード３はガス透過性であるため、排ガスは、これらを順に通過して外部へ排出される。この過程において、排ガス中に含まれるＰＭ粒子は、アノード２の表面に捕捉されるため、排ガスは、ＰＭ粒子が除去された状態でカソード３側へ排出される。そして、カソード３にはＮＯＸ吸蔵剤が担持されているため、排ガス中に含まれるＮＯＸが捕捉される。こうして、排ガスフィルターを通過した排ガスからはＰＭ粒子及びＮＯＸが除去されるため、排ガスを浄化することができる。
【００３２】
こうして、排ガスの処理が行われている際には、アノード２側にＰＭ粒子が堆積し、カソード３の表面ではカソード３に担持させたＮОｘ吸蔵剤のバリウムによりＮＯＸが吸着される。ここで、アノード２とカソード３との間に電圧を印加することにより、カソード３側に捕捉したＮＯＸをＮ２へ還元することができるとともに、この化学反応で生じた酸素イオンをカソード３側からアノード２側へ供給することができる。その結果、固体電解質のアノード２側に存在するＰＭ粒子を酸化して分解することができる。こうして、アノード２に堆積したＰＭ粒子及びカソード３に吸蔵されたＮＯＸを除去することができるため、長期間に亘る排ガスフィルターの使用が可能になる。
【００３３】
以上のように、本実施形態によれば、固体電解質１の他端部を閉鎖するとともに、アノード２の表面に、軸方向に延びる複数の溝が形成されているため、排ガス導入の流れを一軸方向に固定することができる。したがって、排ガス導入時の慣性力を向上させることができ、導入される排ガスの圧力損失を抑制することができる。その結果、浄化性能が低下するのを防止することができる。また、固体電解質１、アノード２、及びカソード３の表面に溝が形成されているため、これらの表面積を増大させることができる。そのため、排ガスとの反応場を増大させることができ、高い浄化率を得ることができる。
【００３４】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態で用いた排ガスフィルターを複数用い、図３及び図４に示すような排ガス処理システムを構築することができる。図３はこの排ガス処理システムの側面図であり、図４は図３のＢ−Ｂ線矢視図である。
【００３５】
図３及び図４に示すように、このシステムは、複数の排ガスフィルターFを所定間隔をおいて平行に延びるように配置する。そして、各排ガスフィルターの端部を板状の支持部材４によって支持する。この場合、排ガスフィルターＦの外周面に形成された溝は、このフィルターの一端から他端へ軸方向に延びている。支持部材４には、排ガスフィルターFを挿入可能な複数の貫通孔４１が形成されており、各貫通孔４１には、排ガスフィルターFの開口が形成されている側の端部が固定されている。また、各排ガスフィルターFのアノード２同士が電気的に接続されるとともに、カソード３同士も電気的に接続されている。
【００３６】
電気的な接続の方法は特には限定されないが、例えば、図５に示すように、支持部材４の貫通孔４１に筒状の突部４２を取り付け、この突部４２が各排ガスフィルターFのアノード２に接触するように、フィルター内に挿入する。そして、支持部材４及び突部４２を導電性材料で形成すれば、各排ガスフィルターFのアノード２は電気的に接続される。また、カソード３は外部に露出しているため、例えば、導線５で接続することができる。この導線５は、直接カソード３に取り付けることもできるが、図５に示すように、導電性のメッシュ５１を介してカソード３に接続することもできる。このようなシステムにおいては、図３において、支持部材４の左側から排ガスを供給すると、排ガスは支持部材４の貫通孔４１を介して各排ガスフィルターF内に導入される。その後、ＰＭ粒子及びＮＯＸが除去された排ガスが各排ガスフィルターの外面から排出される。また、導線と支持部材との間に電圧を印加すると、上述したように、排ガスフィルターの表面に堆積したＰＭ粒子及びＮＯＸが分解される。なお、ここでは、上記支持部材４及び突部４２が本発明の第１の集電部材を構成し、上記導線５及びメッシュ５１が本発明の第２の集電部材を構成する。
【００３７】
また、図５の例では、フィルターの内部に突部を取り付けることで、フィルターを支持部材に固定しているが、フィルターの外周面を支持部材に固定することもできる。例えば、図６に示すように、支持部材４の貫通孔４１にフィルターを差し込み、貫通孔４１とフィルターの外周面とが接触するように固定する。支持部材４は導電性材料で形成されているため、各フィルターのカソード３同士が電気的に接続されることになる。一方、各フィルターの内壁面、つまり、アノード１には、導線５が接続されており、貫通孔４１から外部に引き出されている。この導線５は、直接アノード１に取り付けることもできるが、図６に示すように、導電性のメッシュ５１を介してアノード１に接続することもできる。図示を省略するが、各導線５は接続されており、これによって各アノード１が電気的に接続される。そして、導線５と支持部材４との間に電圧を印加すると、上述したように、排ガスフィルターの表面に堆積したＰＭ粒子及びＮＯＸが分解される。なお、ここでは、上記導線５及びメッシュ５１が本発明の第１の集電部材を構成し、上記支持部材４が本発明の第２の集電部材を構成する。また、上述したメッシュ５１を用いる場合、集電効率の観点から、筒状のアノード１、カソード３のできるだけ広い面積に配置されることが好ましい。
【００３８】
また、図９に示すように、各排ガスフィルターを支持部材４上で近接させることができる。このようにすると、排ガスフィルターＦの外周面に形成された溝３１の先端が、隣接する排ガスフィルターの溝３１の先端と近接されるため、隣接する溝の間に流路Ｇが形成される。これが、電解質１を通過してカソード３へ流出してきた浄化ガスの流路となり、ガスの一軸方向への流れを促進する役割を果たす。このような流路Ｇを形成するには、例えば、隣接する排ガスフィルターＦ間の距離Ｌを２．２〜３．０ｍｍとすることが好ましい。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明に係る実施例について説明する。但し、本発明はこれら実施例に限定されない。
【００４０】
実施例として、図６に記載のような排ガスフィルターを準備した。図６に記載のスタックは、支持部材４が27cm×27cm、排ガスフィルターの断面は扁平楕円状であり排ガスフィルター内の長径が67.8mm，短径が37.8mmとなっており、軸方向の長さは、１００ｍｍである。また、固体電解質１の内壁面及び外面の上下には、底辺６ｍｍ、高さ１.５ｍｍの三角柱状の隆起部を８個ずつ隣接するように形成し、これによって各隆起部の間が溝を構成するようにした。そして、固体電解質１の溝１１の表面を被覆するように、アノード２及びカソード３が形成されている。固体電解質１としてはセリア系固体電解質を用いた。また、アノード２及びカソード３として、銀と固体電解質の混合体を用いた。アノード２及びカソード３の厚みは５０μｍ、平均孔径は3μｍ、気孔率は３０％である。固体電解質１は厚みが５００μmであり、平均孔径が５μm、気孔率が４０％である。また、カソード３にはＮＯＸ吸蔵剤としてバリウムを担持させた。より詳細には、カソード３の体積を１００％としてバリウムを36vol%担持させた。
【００４１】
アノード２及びカソード３の被覆後の高さは、固体電解質１の三角柱の底面から1.05ｍｍである。ここで、溝が形成されていない排ガスフィルターも準備し、これを比較例とした。比較例は、図７に示すように、三角柱が配置されていない形態である。そして、実施例及び比較例の表面積を測定したところ、比較例のアノードの表面積は162.124ｃｍ２、カソードの表面積は307.421cm2であった。一方、実施例のアノードの表面積は173.4552 cm2、カソードの表面積は318.7522 cm2であった。したがって、実施例は、比較例に対してアノードの表面積に関しては 107%、カソードの表面積に関しては 104％の表面積が増加している。
【００４２】
上記のような排ガスフィルターを用い、燃焼機から排出された排出ガスを浄化する試験を行った。この試験では、排出ガスに含有されるＰＭ粒子の減少率（浄化率）と浄化時間について検証を行った。固体電解質の温度を３５０℃とし、固体電解質へ流す電流値を０．３Aとし、排ガスフィルター内への排ガス導入流量を１l/minとした。また、排ガス中に含まれるＰＭ粒子の排出濃度を７５mg/m3とした。これにより、３０分間で排ガスフィルターに供給されるＰＭ粒子の量は２．２５gとなる。
【００４３】
この条件による浄化試験を行った結果、比較例では、浄化開始から２時間経過後で７０％のＰＭ粒子分解率を得た。さらに３時間後では７５％の分解率を確認した。一方、実施例では浄化開始から４時間経過後で８４％の高いＰＭ粒子分解率を得た。さらに７時間後では９０％の分解率を確認した。また、排ガス中に含まれるＮＯＸの浄化率についても実験を行った。排ガスフィルターへの排ガス導入流量を１l/minとし、ＮＯＸの濃度を４５０ｐｐｍとした。排ガスフィルターへ流す電流値を０．１Ａから０．３Ａまで増大させ、浄化開始１時間後におけるＮＯＸの減少率を測定したところ、０．１Ａ時で比較例では６７％の分解率を確認した。一方、実施例では８０％の分解率を確認した。
【００４４】
続いて、供給される排ガスの圧力損失を検討した。ここでは、上記実施例及び比較例を用いて溝の有無による効果を確認した。圧力損失値についてFanningの式から配管圧力損失を算出比較すると、以下のようになる。
【００４５】
ΔP＝λ・L/D・γV２/２ …(1)
但し、ΔP：圧力損失, λ：管摩擦係数, L：配管長, D：管内径,γ：管内ガス密度, V：管内流速である。
【００４６】
ここで、比較例の排ガスフィルター内に作用する慣性力は、以下のようになる。
【００４７】
IZ＝1/4( 67.82+ 37.82)M …(2)
一方、実施例の排ガス浄化装置内に作用する慣性力は、以下のようになる。
【００４８】
IZ＝1/4( 67.82+ 37.82)M+( 67.82/24+ 37.82/18) M …(3)
Mは、排ガスフィルターの質量である。上記式(1)の管摩擦係数λは、流れが層流の場合には、ハーゲン・ポアズイユ(Hagen Poiseulli Law)の法則に従い、次式で与えられる。λは実験結果ともよく一致する。
【００４９】
【数１】
【００５０】
ここで、Re=V・d/ν：円管の場合のレイノルズ数である。
【００５１】
乱流の場合には、λは一般にレイノルズ数Reと管壁の相対粗さ(relative roughness)ε/dの関数となり、これまで種々の実験公式が示されている。管壁が滑らかな円管の場合には、λはReのみの関数となり、次式のプラントル・カルマン公式は高いレイノルズ数の範囲まで実験値とよく一致することが知られている。
【００５２】
【数２】
【００５３】
また、Reが高い領域や、ε/ｄが大きい領域ではλはε/ｄのみの関数となり、実験値と合うように補正を加えることにより次式が得られている。
【００５４】
【数３】
【００５５】
各種材質の円管の管摩擦係数λは次のコールブルック(Colebrook)の式によってよい近似が得られる。
【００５６】
【数４】
【００５７】
このコールブルックの式を用いてムーディ(Moody)によって作成されたのが、ムーディ線図(Moody diagram)である。図８に、現在用いられているムーディ線図の例を示す。このほか、Re≦105の場合の滑らかな円管の管摩擦係数を与えるブラジウス(Blasius)の式がよく知られている。
【００５８】
【数５】
【００５９】
ここで、レイノルズ数Reは、Re＝慣性力／粘性力で表されることから、上記(2)(3)式より実施例，比較例の慣性力は各々1506.42M， 1777.335Mとなる。また、排ガスフィルターへ導入されるガス成分は、同一のものであるから粘性力は一定とみなすと、実施例，比較例のレイノルズ数Reの大小関係は、実施例＞比較例となる。
【００６０】
ここで、導入された排ガスが層流の場合には、管摩擦係数λは式(4)より、
比較例＞実施例 …(9)
の大小関係が明示される。また、乱流の場合も同様となる。
【００６１】
ここで、比較例の圧力損失を計算すると、以下のようになる。
【００６２】
ΔPE＝λ・10/9.27・2.25/92.7・1.02/2=0.013λ …(10)
一方、実施例の圧力損失PE値は相関式(9)より、式(10)の0.013λより低減することが証明された。
【００６３】
この点から、フィルターの表面に溝を形成することにより、圧力損失を低減させることに有効であることが分かる。
【符号の説明】
【００６４】
１ 固体電解質
１１ 溝
２ アノード
２１ 溝
３ カソード
３１ 溝
４ 支持部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスを処理する排ガスフィルターであって、
筒状に形成され、ガス透過性を有する固体電解質と、
前記固体電解質の内周面に形成され、排ガス中の微粒子状物質が堆積され、ガス透過性を有するアノードと、
前記固体電解質の外周面に形成されたガス透過性を有するカソードと、
を備え、
前記固体電解質の軸方向の一端部が排ガス導入用に開放されるとともに、他端部が閉鎖されており、
前記アノードの表面には、軸方向に延びる複数の溝が形成されている、排ガスフィルター。
【請求項２】
前記固体電解質の内周面には、軸方向に延びる複数の溝が形成されており、
前記アノードが、前記固体電解質の内周面に沿って形成されることで、当該アノードの表面に軸方向に延びる複数の溝が形成されている、請求項１に記載の排ガスフィルター。
【請求項３】
前記固体電解質の外周面には、軸方向に延びる複数の溝が形成されており、
前記カソードが、前記固体電解質の外周面に沿って形成されることで、当該カソードの表面に軸方向に延びる複数の溝が形成されている、請求項２に記載の排ガスフィルター。
【請求項４】
前記アノード及びカソードには、酸化触媒として銀が用いられている、請求項１から３のいずれかに記載の排ガスフィルター。
【請求項５】
前記カソードには、ＮＯＸ吸蔵剤であるバリウムが担持されている、請求項１から４のいずれかに記載の排ガスフィルター。
【請求項６】
複数の、請求項１から５のいずれかに記載の排ガスフィルターと、
前記複数の排ガスフィルターの一端部側を支持する支持部材と、
前記複数の排ガスフィルターのアノード同士を接続する第１の集電部材と、
前記複数の排ガスフィルターのカソード同士を接続する第２の集電部材と、
を備えている、排ガス処理システム。
【請求項７】
前記複数の排ガスフィルターにおけるカソードの表面には、軸方向に延びる溝が形成されており、
前記複数の排ガスフィルターの少なくとも一部は近接して配置され、近接する前記カソードの溝同士でガスの流路が形成される、請求項６に記載の排ガス処理システム。
【請求項１】
排ガスを処理する排ガスフィルターであって、
筒状に形成され、ガス透過性を有する固体電解質と、
前記固体電解質の内周面に形成され、排ガス中の微粒子状物質が堆積され、ガス透過性を有するアノードと、
前記固体電解質の外周面に形成されたガス透過性を有するカソードと、
を備え、
前記固体電解質の軸方向の一端部が排ガス導入用に開放されるとともに、他端部が閉鎖されており、
前記アノードの表面には、軸方向に延びる複数の溝が形成されている、排ガスフィルター。
【請求項２】
前記固体電解質の内周面には、軸方向に延びる複数の溝が形成されており、
前記アノードが、前記固体電解質の内周面に沿って形成されることで、当該アノードの表面に軸方向に延びる複数の溝が形成されている、請求項１に記載の排ガスフィルター。
【請求項３】
前記固体電解質の外周面には、軸方向に延びる複数の溝が形成されており、
前記カソードが、前記固体電解質の外周面に沿って形成されることで、当該カソードの表面に軸方向に延びる複数の溝が形成されている、請求項２に記載の排ガスフィルター。
【請求項４】
前記アノード及びカソードには、酸化触媒として銀が用いられている、請求項１から３のいずれかに記載の排ガスフィルター。
【請求項５】
前記カソードには、ＮＯＸ吸蔵剤であるバリウムが担持されている、請求項１から４のいずれかに記載の排ガスフィルター。
【請求項６】
複数の、請求項１から５のいずれかに記載の排ガスフィルターと、
前記複数の排ガスフィルターの一端部側を支持する支持部材と、
前記複数の排ガスフィルターのアノード同士を接続する第１の集電部材と、
前記複数の排ガスフィルターのカソード同士を接続する第２の集電部材と、
を備えている、排ガス処理システム。
【請求項７】
前記複数の排ガスフィルターにおけるカソードの表面には、軸方向に延びる溝が形成されており、
前記複数の排ガスフィルターの少なくとも一部は近接して配置され、近接する前記カソードの溝同士でガスの流路が形成される、請求項６に記載の排ガス処理システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−６９３２６（Ｐ２０１１−６９３２６Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２２７３４（Ｐ２００９−２２２７３４）
【出願日】平成２１年９月２８日（２００９．９．２８）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２８日（２００９．９．２８）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
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