排気の排出を制御する電気化学及び触媒コンバーター
【課題】排気の排出を制御する電気化学及び触媒コンバーターの提供。
【解決手段】電気化学及び触媒コンバーター１、２は、排気中の窒素酸化物(NOX)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HCS)、粒子状物質(PM)を除去し、同時に発電でき、電気化学及び触媒コンバーター１、２は、電池モジュール１０を備え、窒素酸化物は、電気化学反応を経て窒素を形成し、一酸化炭素、炭化水素、粒子状物質は、酸化触媒により二酸化炭素と水を形成する。
【解決手段】電気化学及び触媒コンバーター１、２は、排気中の窒素酸化物(NOX)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HCS)、粒子状物質(PM)を除去し、同時に発電でき、電気化学及び触媒コンバーター１、２は、電池モジュール１０を備え、窒素酸化物は、電気化学反応を経て窒素を形成し、一酸化炭素、炭化水素、粒子状物質は、酸化触媒により二酸化炭素と水を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気化学及び触媒コンバーターに関し、特に排気中の窒素酸化物(NOX)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HCS)の含有量を効果的に低減可能で、これにより排気の排出を制御し、しかも同時に発電が可能な電気化学及び触媒コンバーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
清浄な空気は、人類の生活にとって基本要件の一つである。
清潔で汚染されていない空気を呼吸することで、人類は健康に生存していくことができる。
科学技術の発展は、経済の急激な発達を牽引して来たが、その一方、交通機関、工場などから排出される排気は、空気を汚染し、人類の生活の質に大きな影響を及ぼしている。
【０００３】
中でも、重工業とエンジン車が、汚染物質の主要な出所である。
エンジン車を例とすると、エンジン車の排ガス排出規制は、年々引き上げられ続けているが、台数も増加の一途をたどっているため、車両が排出する排気ガスがもたらす空気汚染問題は日に日に深刻になっている。
エンジン車のエンジンは、さまざまな形式の燃料を気圧シリンダー内で燃焼させ熱エネルギーを生み出し、動力に転化するものである。
しかし、燃焼の過程において発生する排気ガスは、通常は、窒素酸化物(NOX)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(hydrocarbons、HCS)、粒子状物質(particulate matter、PM)などの有害汚染物質を含んでいる。
それら物質は、光化学スモッグ(photochemical smog)を形成するだけでなく、オゾン層を破壊し、温室効果の悪化を招き、酸性雨の原因となっており、生態環境を破壊し、生物の健康に危害を及ぼしている。
【０００４】
内、一酸化炭素は、エンジンの不完全燃焼から生まれ、それが赤血球と結合して一酸化炭素ヘモグロビン(COHb)となる能力は、赤血球と酸素が結合して酸素ヘモグロビン(HbO2)となる能力の300倍である。
そのため、空気中の一酸化炭素濃度が高くなり過ぎると、赤血球の酸素輸送機能に影響を及ぼす。
窒素酸化物は、窒素と酸素の化合により生まれ、主に、一酸化窒素(NO)、或いは二酸化窒素(NO2)の形で排出され、紫外線の照射を受けると炭化水素と反応を生じ、有毒な光化学スモッグを形成する。
光化学スモッグは特殊な臭気を持ち、目を刺激し、植物に対して有害で、大気の透明度を低下させ、しかも窒素酸化物と空気中の水が反応すると、酸性雨の成分である硝酸と亜硝酸を形成する。
炭化水素は、低濃度では呼吸システムを刺激し、濃度が高いと中枢神経に影響を及ぼす。
【０００５】
台湾を始め、EU、日本、米国などの先進国では、厳しい排ガス排出標準(米国規格BIN5及び欧州規格EURO6)を制定し、窒素化合物、一酸化炭素、炭化水素、粒子状物質などの排出基準を定め、これにより、有害ガスの排出を制御、及び減少させ、また業界には、最新の低汚染技術を備える製品の研究開発、製造、導入を奨励している。
【０００６】
希薄燃焼(lean burn)により排ガスを制御する従来の技術は、窒素酸化物(NOX)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HCS)、粒子状物質を分解する単一の装置、或いはコンバーターを備えていない。
希薄燃焼エンジン車の排気システムの触媒コンバーターのほとんどは、一酸化炭素と炭化水素に対して触媒作用を行うだけである。
一方、触媒微粒子フィルター(catalytic particulate filter)は、酸化粒子状物質を収集し、窒素酸化物に対しては、他の収集装置或いはシステムに頼り、分解を行う必要がある。
例えば、現在のディーゼルエンジン車の排気管には、酸化触媒コンバーターを設置し、一酸化炭素と炭化水素の酸化を触媒するが、多くはそれ以外に排気再循環システム(exhaust gas recirculation、EGR)などを組合せて、窒素酸化物の排出を制御しなければならない。
【０００７】
比較的新しいものでは、選択性触媒還元(selective catalytic reduction、SCR)システムを設置し、窒素酸化物を還元する。
選択性触媒還元システムは、アンモニア(NH3)、或いは尿素(urea、CO(NH2)2)水溶液を利用し反応物とする。
尿素水溶液は、ジェットノズルにより排気管中に注入され、水と反応してアンモニアガスを形成し、窒素酸化物と逐次反応し、窒素ガス(N2)と水(H2O)に転化する。
しかし、毒性を備えるアンモニアガスは、貯蔵が容易でなく、外に漏れるリスクがある他、反応が不完全である時には、二次汚染を引き起こす。
さらに、選択性触媒還元システムは、体積が大きく、しかも多くは精密センサーを設置して制御を補助する必要がある。
【０００８】
特許文献１の「Electrochemical catalytic cell for the reduction of NOX in an O2-containing exhaust emission」は、単独で窒素酸化物を除去する装置を開示する。
それは、電気化学触媒還元反応を利用し、五酸化バナジウム(vanadium pentaoxide、V205)触媒転化を合わせて、窒素酸化物の窒素ガスへの転化を補助するものである。
しかしこの装置は、電源供給が必要で、装置中の電気化学電池を作動させてしまい、エネルギーを消費するばかりか、排気中の有害ガスを同時に除去するという目標を達成することはできない。
本発明は、従来の排ガスフィルターの上記した欠点に鑑みてなされたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第5401372号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、排気中の有害ガスの排出を制御し、同時に発電が可能で、これにより排気中の窒素酸化物、炭化水素、一酸化炭素、粒子状物質を除去することができ、並びに電源の消耗を回避できる排気の排出を制御する電気化学及び触媒コンバーターを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明は下記の電気化学及び触媒コンバーターを提供する。
電気化学及び触媒コンバーターは、少なくとも１個の電池モジュール、加熱ユニット、燃料インプットユニット、燃料アウトプットユニット、排気インプットユニット、排気アウトプットユニットを備え、
該電池モジュールは、層状に排列する陰極部、陽極部、膜電極組を備え、
該膜電極組は、陰極部と陽極部との間に位置し、
該陰極部は、酸化触媒を含み、
該燃料インプットユニットと該燃料アウトプットユニットとは、該陽極部の両側にそれぞれ連接し、該電池モジュール作動時の燃料のインプット端とアウトプット端とし、
該排気インプットユニットと該排気アウトプットユニットとは、該陰極部の両側にそれぞれ連接し、該電池モジュールが処理しようとする排気のインプット端とアウトプット端とし、
該加熱ユニットは、該電池モジュールに嵌合し、該膜電極組を作動温度まで加熱し、これにより該膜電極組において該燃料は電気化学反応を生じて発電し、該排気中の窒素酸化物は、該膜電極組において電気化学反応を生じて窒素を形成し、該排気中の一酸化炭素、炭化水素、粒子状物質は、該酸化触媒により、触媒されて二酸化炭素と水を形成し、こうして該排気を浄化する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電気化学及び触媒コンバーターは、排気中の有害ガスの排出を制御し、同時に発電が可能で、これにより排気中の窒素酸化物、炭化水素、一酸化炭素、粒子状物質を除去することができ、並びに電源の消耗を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明第一実施例システムの表示図である。
【図２】本発明電池モジュール第一実施例の構造表示図である。
【図３】本発明第二実施例システムの表示図である。
【図４】本発明電池モジュール第二実施例の構造表示図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の電気化学及び触媒コンバーターは、排気中の窒素酸化物(NOX)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HCS)、粒子状物質(PM)を減少させられ、同時に発電することができる。
本発明の電気化学及び触媒コンバーターは、工場の煙突、発電機、各種車両、交通機関、船舶などのあらゆる排気の排出装置に適用可能で、特別に限定するものではない。
本発明がいう「排気」とは、浄化処理の対象である気体で、上記した４種の有害成分、或いはその内の１種、或いは２種を含む。
よって、本発明でいう「排気」とは、上記した４種の有害成分により組成したものである必要はない。
以下に図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００１５】
本発明システムの表示図、及び電池モジュール実施例の構造表示図である図１、２に示すように、本発明の電気化学及び触媒コンバーター１は、電池モジュール１０、加熱ユニット２０、排気インプットユニット３０、排気アウトプットユニット４０、燃料インプットユニット５０、燃料アウトプットユニット６０を備える。
【００１６】
加熱ユニット２０は、電池モジュール１０を、その作動温度まで加熱する。
排気インプットユニット３０と排気アウトプットユニット４０とは、電池モジュール１０にそれぞれ連接し、電池モジュール１０の、浄化排気のインプット及びアウトプット端とする。
排気インプットユニット３０は、排気源７０から排気をインプットされる。
排気源７０は、溶解炉、煙突、発電機、エンジン車のエンジンなどの排気の発生源である。
排気インプットユニット３０はさらに、空気加入ユニット８０を備える。
空気加入ユニット８０は、空気を排気中に加える。
空気加入ユニット８０は、空気ポンプである。
【００１７】
燃料インプットユニット５０と燃料アウトプットユニット６０は、電池モジュール１０にそれぞれ連接し、電池モジュール１０作動のための燃料のインプット及びアウトプット端とする。
燃料インプットユニット５０は、燃料貯蔵タンクを備え、その中に貯蔵する燃料を、燃料アウトプットユニット６０へと送る。
【００１８】
電池モジュール１０のスタッグ構造は、固体酸化物燃料電池(solid oxide fuel cell、SOFC)のスタッグ構造で、管状物(tubular)と平面物(planar)を含むが、これに限定するものではない。
電池モジュール１０は、さらに細かく区分すると、陰極部(cathode compartment)１１、陽極部(anode compartment)１２、膜電極組(membrane-electrode assembly、MEA)１３を備える。
陰極部１１、陽極部１２、膜電極組１３は、相互に層状に排列し、しかも膜電極組１３は、陰極部１１と陽極部１２の間に位置する。
【００１９】
膜電極組１３は、陰極層(cathode)１３１、陽極層(anode)１３２、電解質層(electrolyte)１３３を備える。
電解質層１３３は、陰極層１３１と陽極層１３２の間に位置する。
膜電極組１３において、本発明の電気化学反応が発生する。
電解質層１３３は、イオンを伝導し、陰極層１３１と陽極層１３２に位置する反応気体を区画する。
【００２０】
上記した実施例において、電解質層１３３は、固体電解質で、該固体電解質は、無孔膜構造に属し、薄膜方式により、両側の気体を区画し、イオンを伝導する。
その材質は、フルオライト構造の金属酸化物(fluorite metal oxides)、及びペロブスカイト構造の金属酸化物(perovskite metal oxides)により組成するグループの１種或いはその組合せである。
例えば、フルオライト構造の酸化イットリア安定化ジルコニア(yttria-stabilized zirconia、YSZ)、安定化ジルコニア、フルオライト構造の酸化ガドリニア添加セリア(gadolinia-doped ceria、GDC)、ガドリニア添加セリア、ペロブスカイト構造のストロンチウムマグネシウム添加ランタンガレート（strontium/magnesium-doped lanthanum gallate、LSGM)、添加ランタンガレートである。
【００２１】
陽極層１３２と陰極層１３１は、多孔性材質を選択する。
一実施例中では、陽極層１３２の材質は、ニッケルとフルオライト構造の金属酸化物セラミック（cermet of nickel and fluorite metal oxides)、ペロブスカイト構造の金属酸化物、フルオライト構造の金属酸化物、金属を加えたペロブスカイト構造の金属酸化物、金属を加えたフルオライト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せである。
例えば、ニッケル酸化イットリア安定化ジルコニアセラミック(Ni-YSZ cermet)、ニッケル酸化イットリア酸化ガドリニア添加セリアセラミック(Ni-DGC cermet)である。
【００２２】
陰極層１３１の材質は、ペロブスカイト構造の金属酸化物、フルオライト構造の金属酸化物、金属を加えたペロブスカイト構造の金属酸化物、金属を加えたフルオライト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せである。
例えば、ペロブスカイト構造のランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物、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鉄酸化物と酸化ガドリニア添加酸化セリアの組合せ、ランタンストロンチウムマンガン酸化物と酸化ガドリニア転化酸化セリアの組合せ、バナジウムを加えたランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物、バナジウムを加えたランタンストロンチウムマンガン酸化物、バナジウムを加えたランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物と酸化ガドリニア添加酸化セリアの組合せ、バナジウムを加えたランタンストロンチウムマンガン酸化物と酸化ガドリニア添加酸化セリアの組合せである。
【００２３】
本発明の排気インプットユニット３０と排気アウトプットユニット４０は、陰極部１１の両端に連接する。
陰極部１１はさらに、陰極チャネル(cathode channel)１１１、陰極電流収集層(current collect layer)１１２を備える。
陰極電流収集層１１２、或いは陰極チャネル１１１は、酸化触媒(oxidation catalyst)(図示なし)を備える。
該酸化触媒は、微粒子形で、陰極電流収集層１１２、或いは陰極チャネル１１１の表面を覆い、或いは陰極電流収集層１１２と陰極チャネル１１１との間の多孔層(porous layer)(図示なし)に接続し、気体の酸化反応を触媒する。
陰極チャネル１１１両側には、排気インプットユニット３０と排気アウトプットユニット４０をそれぞれ連接する。
【００２４】
陽極部１２両端には、燃料インプットユニット５０と燃料アウトプットユニット６０をそれぞれ連接し、さらに陽極チャネル(anode channel)１２１、陽極電流収集層(anode collect layer)１２２を備える。
陽極チャネル１２１両側には、燃料インプットユニット５０と燃料アウトプットユニット６０をそれぞれ連接する。
陰極電流収集層１１２と陽極電流収集層１２２とは同時に、膜電極組１３が派生した電流を収集することができる。
【００２５】
これにより、汚染処理を行う排気は、排気インプットユニット３０から、陰極部１１の陰極チャネル１１１に送られる。
さらに、排気中の窒素酸化物は、陰極層１３１に送られ、電気化学反応が発生し、窒素ガスとなる。
排気中の一酸化炭素、炭化水素、粒子状物質は、陰極部１１中の酸化触媒により酸化され、二酸化炭素と水になる。
最後に、反応が起きなかった排気と反応後の気体は、陰極チャネル１１１を経て排気アウトプットユニット４０に送られ排出される。
【００２６】
これに類似し、陽極部１２においては、反応させたい燃料は、燃料インプットユニット５０より陽極部１２の陽極チャネル１２１に送られ、陽極チャネル１２１に位置する燃料は、さらに陽極層１３２に送られ、電気化学反応を発生して発電する。
未反応の燃料と反応後の産物は、陽極チャネル１２１を再び通り、燃料アウトプットユニット６０へと送られ排出される。
【００２７】
本発明は、膜電極組１３の電気化学反応と陰極部１１の触媒反応により、電池モジュール１０中において、排気中の有害成分を除去しながら、同時に発電することができる。
以下に、有害成分の反応原理について、それぞれ説明する。
【００２８】
先ず、本発明に使用する燃料は、水素(H2)、メタノール、エタノール、ガソリン、ディーゼルオイル、天然ガス、液化石油などである。
これら燃料は、燃料インプットユニット５０から陽極部１２に送られ、陽極部１２中で気化し、燃料リフォーミング(fuel reforming)を行い、水素(H2)及び一酸化炭素(CO)を豊富に含む燃料に転化する。
陽極層１３２に入った燃料は、陽極層１３２において、酸素イオン(O2-)と反応を生じ、同時に電子を発生して発電する。
水素と一酸化炭素の化学反応式は、以下の、(２)に示す。
H2+O2- → H20+2e- (１)
CO+O2- → CO2+2e- (２)
【００２９】
反応に加わる酸素イオンは、陰極層１３１において発生し、電解質層１３３の伝送を経て、陽極層１３２に進入する。
酸素イオンの出所は、排気中の酸素で、陰極層１３１において、以下の式(３)を経て発生し、或いは陰極層１３１が窒素酸化物を除去(nitrogen oxide abatement、DeNOXと略称)した反応産物である。
詳細は後述する。
O2+4e- →2O2- (３)
【００３０】
未反応の燃料と反応後の産物は、燃料アウトプットユニット６０から排出される。
実際の応用においては、燃料アウトプットユニット６０から出された後の産物は回収され、排気を発生する炉(furnace)或いはエンジンに入り、これら炉或いはエンジンの燃料として再利用される。
例えば、もし本発明の電気化学及び触媒コンバーター１を、自動車の排気処理システムに使用するなら、燃料アウトプットユニット６０から送り出される気体は、自動車エンジンのキャブレーター(carburetor)に導入され、再利用される。
【００３１】
排気中の有害成分は、陰極部１１と陰極層１３１の反応により、無害の気体となる。
内、有害な窒素酸化物は、主に、一酸化窒素(NO)と二酸化窒素(NO2)で、それは、陰極層１３１において、電気化学反応を生じ、窒素となる。
その反応式は、式(４)、(５)の通りである。
反応産物中の酸素原子は、酸素イオンを形成する。
その式は、式(６)に示す。
これら酸素イオンは、電解質層１３３を通り抜け陽極層１３２に至り反応する。
2NO → N2+2O (４)
2NO2 →N2+4O (５)
O+2e-→O2- (６)
【００３２】
反応の初め、本発明の電気化学反応は、加熱ユニット２０により、熱エネルギーを提供し、陰極層１３１の酸素イオンを駆動し、電解質層１３３を通り抜けさせ、陽極層１３２において反応を発生させる。
また、陽極層１３２は、電子を発生し発電することができる。
本発明のシステム構造と加熱ユニット２０の温度制御の正確性を考慮し、本発明の加熱ユニット２０は、電熱ユニット(electrical heating element)とすることができる。
上記した一実施例において、加熱ユニット２０は、カバー式電熱コイル方式により、電池モジュール１０の陽極部１２に嵌合(embedded)することができ、陽極部１２の陽極チャネル１２１、或いは陽極電流収集層１２２に嵌合し、膜電極組１３に対して加熱を行うが、これに限定するものではない。
【００３３】
上記した別種の実施例において、加熱ユニット２０は、膜電極組１３を４５０〜８００℃の作動温度まで加熱することができる。
これにより、酸素イオンは、電解質層１３３の伝達が効率良く行えるようになる。
電解質層１３３材料の改善、及び比較的低い窒素酸化物転化のニーズを考慮して、上記した作業温度は、適度に下げることができる。
【００３４】
排気中の一酸化炭素(CO)、炭化水素(HCS)、粒子状物質(PM)を除去する反応においては、陰極部１１の酸化触媒反応により、無害の気体を生成する。
配意中の一酸化炭素は、二酸化炭素になり、炭化水素と粒子状物質(炭素Cを含む物質)は、二酸化炭素と水になる。
その反応式は、以下の式(７)、(８)、(９)である。
2CO+O2 → 2CO2 (７)
HCS+O2 → H2O+CO2 (８)
Ｃ＋O2→CO2 (９)
【００３５】
上記した一実施例において、酸化触媒の材質は、金属、合金、フルオライト構造の金属酸化物、ペロブスカイト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せである。
【００３６】
本発明電気化学及び触媒コンバーターの第二実施例のシステム表示図である図３に示すように、本実施例と上記した第一実施例との異なる点は、本実施例では、電気化学及び触媒コンバーター２は、複数の電池モジュール１０と複数の加熱ユニット２０を含む点である。
しかも、各電池モジュール１０は、相互に重ねて設置する。
各加熱ユニット２０の個数と、電池モジュール１０の個数は、相当、或いは不相当であるが、各電池モジュール１０は、各加熱ユニット２０の過熱を受けて作動する。
排気インプットユニット３０と燃料インプットユニット５０は、分管、分流型式とすることができ、排気或いは燃料を、各電池モジュール１０に送ることができる。
これに対応して、電池モジュール１０が最後に排出する排気と燃料は、分管或いは分流型式により収集され、排気アウトプットユニット４０と燃料アウトプットユニット６０に集中して排出される。
これにより、電気化学及び触媒コンバーター２に進入する排気は、より多くの電池モジュール１０により無害な気体に転化されるため、排気処理の効率を向上させることができる。
【００３７】
本発明の電気化学及び触媒コンバーター１、２は、直列、或いは反対方向並列で使用することができ、これにより排気処理、或いは熱エネルギー使用の効率を向上させることができる。
反対方向並列は、電池モジュール１０のスタッグ構造に基づき、平面の固体酸化物燃料電池(planar SOFC)のスタッグ構造である。
２個の電池モジュール１０のスタッグを例とすると、その電池モジュール１０の各層は、図２に示すように反対方向に排列する。
これにより、電池モジュール１０の陽極電流収集層１２２ともう一つの電池モジュール１０の陽極電流収集層１２２とは、同一の加熱ユニット２０に接続される。
こうして、加熱ユニット２０は、この２個の電池モジュール１０を加熱可能となり、加熱ユニット２０の個数を減らし、熱エネルギーの使用効率を向上させられる。
【００３８】
本発明電池モジュール１０第二実施例の構造表示図である図４に示すように、その作動原理は上記と同様であるため、以下では構造の相違点についてのみ説明する。
上記した実施例に比べ、本実施例では、電池モジュール１０を、管状固体酸化物燃料電池(tubular SOFC)のスタッグ構造に、重ねる。
図に示すように、電池モジュール１０は、管状構造の中心から外層へと順番に、加熱ユニット２０、陽極部１２、膜電極組１３、陰極部１１を備える。
陽極部１２は、内から外へと、陽極チャネル１２１と陽極電流収集層１２２を備える。
膜電極組１３は、内から外へと、陽極層１３２、電解質層１３３、陰極層１３１を備える。
陰極部１１は、内から外へと、陰極電流収集層１１２、陰極チャネル１１１を備える。
加熱ユニット２０は、陽極チャネル１２１中に嵌合し、電池モジュール１０を加熱し、作業温度を達成する。
陰極電流収集層１１２は、酸化触媒(図示なし)を含む。
酸化触媒は、微粒型式で、陰極電流収集層１１２の表面を覆い、気体の酸化反応を触媒する。
【００３９】
一実施例中では、陽極電流収集層１２２の材質は、金属及び合金で、銀ニッケル、鉄とニッケルの合金である。
陰極電流収集層１１２の材質は、銀、金、プラチナ、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物、ランタンストロンチウムマンガン酸化物などの金属及びペロブスカイト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せである。
本発明の電気化学及び触媒コンバーター２が、複数の図４に示す管状構造の電池モジュール１０を含む時には、そのすべての陰極チャネル１１１は相互に接続するため、分管、分流型式を採用する必要がなく、排気インプットユニット３０から排気を電池モジュール１０に送り、或いは電池モジュール１０から排気を排気アウトプットユニット４０に送り出すことができる。
【００４０】
本発明は、電気化学及び触媒反応を通して、排気中の有害成分を効果的に除去でき、同時に発電を行うこともできる。
実施においては、発電により生じる電圧は、０．６ボルトの水準に達し、しかも陰極層１３１の窒素酸化物電気化学反応の変動を受けにくいため、非常に暗転した電力供給源とすることができる。
加熱ユニット２０は、膜電極組１３を作業温度まで加熱した後、陽極層１３２における電気化学酸化の放熱反応、及び陰極部１１における触媒酸化の放熱反応により、熱を持続的に提供するため、電池モジュール１０作動の電気消費を減らすことができ、さらには、作業温度維持を超過した余分な熱を発生して、別の用途に用いることもできる。
【００４１】
排気中の酸素含有量が高いほど、電気化学及び触媒コンバーター１、２の作動効率は向上するため、ディーゼル車両の排気システムに装置するなど、本発明は希薄燃焼(lean burn)エンジンの排気処理に適している。
また、本発明は、どんなに高い濃度の窒素酸化物(NOX)でも処理することができるため、窒素酸化物(NOX)と粒子状物質(PM)交換(NOX-particulate matter trade-off)の生成メカニズムを十分に利用し、粒子状物質の濃度を、それ以上のフィルターが不要なまでに低下させることができ、生み出された微量の粒子状物質は、酸化触媒処理に用いることができる。
【００４２】
上記したように、本発明は、従来の技術に比べ、より優れた排気処理メカニズムを備え、従来の技術では必要だったNOX還元システムと酸化触媒コンバーターを一体に合わせ、より優れた排気処理効率を達成することができる。
また、本発明は、電気エネルギーを提供する補助電力装置とすることができ、排気処理時、或いは排気の処理を行わない時にも発電することができる。
【００４３】
上記の本発明名称と内容は、本発明技術内容の説明に用いたのみで、本発明を限定するものではない。本発明の精神に基づく等価応用或いは部品（構造）の転換、置換、数量の増減はすべて、本発明の保護範囲に含むものとする。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は特許の要件である新規性を備え、従来の同類製品に比べ十分な進歩を有し、実用性が高く、社会のニーズに合致しており、産業上の利用価値は非常に大きい。
【符号の説明】
【００４５】
１、２ 電気化学及び触媒コンバーター
１０ 電池モジュール
１１ 陰極部(cathode compartment)
１２ 陽極部(anode compartment)
１３ 膜電極組(membrane-electrode assembly、MEA)
２０ 加熱ユニット
３０ 排気インプットユニット
４０ 排気アウトプットユニット
５０ 燃料インプットユニット
６０ 燃料アウトプットユニット
７０ 排気源
８０ 空気加入ユニット
１１１ 陰極チャネル(cathode channel)
１１２ 陰極電流収集層(current collect layer)
１２１ 陽極チャネル(anode channel)
１２２ 陽極電流収集層(anode collect layer)
１３１ 陰極層(cathode)
１３２ 陽極層(anode)
１３３ 電解質層(electrolyte)
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気化学及び触媒コンバーターに関し、特に排気中の窒素酸化物(NOX)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HCS)の含有量を効果的に低減可能で、これにより排気の排出を制御し、しかも同時に発電が可能な電気化学及び触媒コンバーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
清浄な空気は、人類の生活にとって基本要件の一つである。
清潔で汚染されていない空気を呼吸することで、人類は健康に生存していくことができる。
科学技術の発展は、経済の急激な発達を牽引して来たが、その一方、交通機関、工場などから排出される排気は、空気を汚染し、人類の生活の質に大きな影響を及ぼしている。
【０００３】
中でも、重工業とエンジン車が、汚染物質の主要な出所である。
エンジン車を例とすると、エンジン車の排ガス排出規制は、年々引き上げられ続けているが、台数も増加の一途をたどっているため、車両が排出する排気ガスがもたらす空気汚染問題は日に日に深刻になっている。
エンジン車のエンジンは、さまざまな形式の燃料を気圧シリンダー内で燃焼させ熱エネルギーを生み出し、動力に転化するものである。
しかし、燃焼の過程において発生する排気ガスは、通常は、窒素酸化物(NOX)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(hydrocarbons、HCS)、粒子状物質(particulate matter、PM)などの有害汚染物質を含んでいる。
それら物質は、光化学スモッグ(photochemical smog)を形成するだけでなく、オゾン層を破壊し、温室効果の悪化を招き、酸性雨の原因となっており、生態環境を破壊し、生物の健康に危害を及ぼしている。
【０００４】
内、一酸化炭素は、エンジンの不完全燃焼から生まれ、それが赤血球と結合して一酸化炭素ヘモグロビン(COHb)となる能力は、赤血球と酸素が結合して酸素ヘモグロビン(HbO2)となる能力の300倍である。
そのため、空気中の一酸化炭素濃度が高くなり過ぎると、赤血球の酸素輸送機能に影響を及ぼす。
窒素酸化物は、窒素と酸素の化合により生まれ、主に、一酸化窒素(NO)、或いは二酸化窒素(NO2)の形で排出され、紫外線の照射を受けると炭化水素と反応を生じ、有毒な光化学スモッグを形成する。
光化学スモッグは特殊な臭気を持ち、目を刺激し、植物に対して有害で、大気の透明度を低下させ、しかも窒素酸化物と空気中の水が反応すると、酸性雨の成分である硝酸と亜硝酸を形成する。
炭化水素は、低濃度では呼吸システムを刺激し、濃度が高いと中枢神経に影響を及ぼす。
【０００５】
台湾を始め、EU、日本、米国などの先進国では、厳しい排ガス排出標準(米国規格BIN5及び欧州規格EURO6)を制定し、窒素化合物、一酸化炭素、炭化水素、粒子状物質などの排出基準を定め、これにより、有害ガスの排出を制御、及び減少させ、また業界には、最新の低汚染技術を備える製品の研究開発、製造、導入を奨励している。
【０００６】
希薄燃焼(lean burn)により排ガスを制御する従来の技術は、窒素酸化物(NOX)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HCS)、粒子状物質を分解する単一の装置、或いはコンバーターを備えていない。
希薄燃焼エンジン車の排気システムの触媒コンバーターのほとんどは、一酸化炭素と炭化水素に対して触媒作用を行うだけである。
一方、触媒微粒子フィルター(catalytic particulate filter)は、酸化粒子状物質を収集し、窒素酸化物に対しては、他の収集装置或いはシステムに頼り、分解を行う必要がある。
例えば、現在のディーゼルエンジン車の排気管には、酸化触媒コンバーターを設置し、一酸化炭素と炭化水素の酸化を触媒するが、多くはそれ以外に排気再循環システム(exhaust gas recirculation、EGR)などを組合せて、窒素酸化物の排出を制御しなければならない。
【０００７】
比較的新しいものでは、選択性触媒還元(selective catalytic reduction、SCR)システムを設置し、窒素酸化物を還元する。
選択性触媒還元システムは、アンモニア(NH3)、或いは尿素(urea、CO(NH2)2)水溶液を利用し反応物とする。
尿素水溶液は、ジェットノズルにより排気管中に注入され、水と反応してアンモニアガスを形成し、窒素酸化物と逐次反応し、窒素ガス(N2)と水(H2O)に転化する。
しかし、毒性を備えるアンモニアガスは、貯蔵が容易でなく、外に漏れるリスクがある他、反応が不完全である時には、二次汚染を引き起こす。
さらに、選択性触媒還元システムは、体積が大きく、しかも多くは精密センサーを設置して制御を補助する必要がある。
【０００８】
特許文献１の「Electrochemical catalytic cell for the reduction of NOX in an O2-containing exhaust emission」は、単独で窒素酸化物を除去する装置を開示する。
それは、電気化学触媒還元反応を利用し、五酸化バナジウム(vanadium pentaoxide、V205)触媒転化を合わせて、窒素酸化物の窒素ガスへの転化を補助するものである。
しかしこの装置は、電源供給が必要で、装置中の電気化学電池を作動させてしまい、エネルギーを消費するばかりか、排気中の有害ガスを同時に除去するという目標を達成することはできない。
本発明は、従来の排ガスフィルターの上記した欠点に鑑みてなされたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第5401372号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、排気中の有害ガスの排出を制御し、同時に発電が可能で、これにより排気中の窒素酸化物、炭化水素、一酸化炭素、粒子状物質を除去することができ、並びに電源の消耗を回避できる排気の排出を制御する電気化学及び触媒コンバーターを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明は下記の電気化学及び触媒コンバーターを提供する。
電気化学及び触媒コンバーターは、少なくとも１個の電池モジュール、加熱ユニット、燃料インプットユニット、燃料アウトプットユニット、排気インプットユニット、排気アウトプットユニットを備え、
該電池モジュールは、層状に排列する陰極部、陽極部、膜電極組を備え、
該膜電極組は、陰極部と陽極部との間に位置し、
該陰極部は、酸化触媒を含み、
該燃料インプットユニットと該燃料アウトプットユニットとは、該陽極部の両側にそれぞれ連接し、該電池モジュール作動時の燃料のインプット端とアウトプット端とし、
該排気インプットユニットと該排気アウトプットユニットとは、該陰極部の両側にそれぞれ連接し、該電池モジュールが処理しようとする排気のインプット端とアウトプット端とし、
該加熱ユニットは、該電池モジュールに嵌合し、該膜電極組を作動温度まで加熱し、これにより該膜電極組において該燃料は電気化学反応を生じて発電し、該排気中の窒素酸化物は、該膜電極組において電気化学反応を生じて窒素を形成し、該排気中の一酸化炭素、炭化水素、粒子状物質は、該酸化触媒により、触媒されて二酸化炭素と水を形成し、こうして該排気を浄化する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電気化学及び触媒コンバーターは、排気中の有害ガスの排出を制御し、同時に発電が可能で、これにより排気中の窒素酸化物、炭化水素、一酸化炭素、粒子状物質を除去することができ、並びに電源の消耗を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明第一実施例システムの表示図である。
【図２】本発明電池モジュール第一実施例の構造表示図である。
【図３】本発明第二実施例システムの表示図である。
【図４】本発明電池モジュール第二実施例の構造表示図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の電気化学及び触媒コンバーターは、排気中の窒素酸化物(NOX)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HCS)、粒子状物質(PM)を減少させられ、同時に発電することができる。
本発明の電気化学及び触媒コンバーターは、工場の煙突、発電機、各種車両、交通機関、船舶などのあらゆる排気の排出装置に適用可能で、特別に限定するものではない。
本発明がいう「排気」とは、浄化処理の対象である気体で、上記した４種の有害成分、或いはその内の１種、或いは２種を含む。
よって、本発明でいう「排気」とは、上記した４種の有害成分により組成したものである必要はない。
以下に図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００１５】
本発明システムの表示図、及び電池モジュール実施例の構造表示図である図１、２に示すように、本発明の電気化学及び触媒コンバーター１は、電池モジュール１０、加熱ユニット２０、排気インプットユニット３０、排気アウトプットユニット４０、燃料インプットユニット５０、燃料アウトプットユニット６０を備える。
【００１６】
加熱ユニット２０は、電池モジュール１０を、その作動温度まで加熱する。
排気インプットユニット３０と排気アウトプットユニット４０とは、電池モジュール１０にそれぞれ連接し、電池モジュール１０の、浄化排気のインプット及びアウトプット端とする。
排気インプットユニット３０は、排気源７０から排気をインプットされる。
排気源７０は、溶解炉、煙突、発電機、エンジン車のエンジンなどの排気の発生源である。
排気インプットユニット３０はさらに、空気加入ユニット８０を備える。
空気加入ユニット８０は、空気を排気中に加える。
空気加入ユニット８０は、空気ポンプである。
【００１７】
燃料インプットユニット５０と燃料アウトプットユニット６０は、電池モジュール１０にそれぞれ連接し、電池モジュール１０作動のための燃料のインプット及びアウトプット端とする。
燃料インプットユニット５０は、燃料貯蔵タンクを備え、その中に貯蔵する燃料を、燃料アウトプットユニット６０へと送る。
【００１８】
電池モジュール１０のスタッグ構造は、固体酸化物燃料電池(solid oxide fuel cell、SOFC)のスタッグ構造で、管状物(tubular)と平面物(planar)を含むが、これに限定するものではない。
電池モジュール１０は、さらに細かく区分すると、陰極部(cathode compartment)１１、陽極部(anode compartment)１２、膜電極組(membrane-electrode assembly、MEA)１３を備える。
陰極部１１、陽極部１２、膜電極組１３は、相互に層状に排列し、しかも膜電極組１３は、陰極部１１と陽極部１２の間に位置する。
【００１９】
膜電極組１３は、陰極層(cathode)１３１、陽極層(anode)１３２、電解質層(electrolyte)１３３を備える。
電解質層１３３は、陰極層１３１と陽極層１３２の間に位置する。
膜電極組１３において、本発明の電気化学反応が発生する。
電解質層１３３は、イオンを伝導し、陰極層１３１と陽極層１３２に位置する反応気体を区画する。
【００２０】
上記した実施例において、電解質層１３３は、固体電解質で、該固体電解質は、無孔膜構造に属し、薄膜方式により、両側の気体を区画し、イオンを伝導する。
その材質は、フルオライト構造の金属酸化物(fluorite metal oxides)、及びペロブスカイト構造の金属酸化物(perovskite metal oxides)により組成するグループの１種或いはその組合せである。
例えば、フルオライト構造の酸化イットリア安定化ジルコニア(yttria-stabilized zirconia、YSZ)、安定化ジルコニア、フルオライト構造の酸化ガドリニア添加セリア(gadolinia-doped ceria、GDC)、ガドリニア添加セリア、ペロブスカイト構造のストロンチウムマグネシウム添加ランタンガレート（strontium/magnesium-doped lanthanum gallate、LSGM)、添加ランタンガレートである。
【００２１】
陽極層１３２と陰極層１３１は、多孔性材質を選択する。
一実施例中では、陽極層１３２の材質は、ニッケルとフルオライト構造の金属酸化物セラミック（cermet of nickel and fluorite metal oxides)、ペロブスカイト構造の金属酸化物、フルオライト構造の金属酸化物、金属を加えたペロブスカイト構造の金属酸化物、金属を加えたフルオライト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せである。
例えば、ニッケル酸化イットリア安定化ジルコニアセラミック(Ni-YSZ cermet)、ニッケル酸化イットリア酸化ガドリニア添加セリアセラミック(Ni-DGC cermet)である。
【００２２】
陰極層１３１の材質は、ペロブスカイト構造の金属酸化物、フルオライト構造の金属酸化物、金属を加えたペロブスカイト構造の金属酸化物、金属を加えたフルオライト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せである。
例えば、ペロブスカイト構造のランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物、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鉄酸化物と酸化ガドリニア添加酸化セリアの組合せ、ランタンストロンチウムマンガン酸化物と酸化ガドリニア転化酸化セリアの組合せ、バナジウムを加えたランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物、バナジウムを加えたランタンストロンチウムマンガン酸化物、バナジウムを加えたランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物と酸化ガドリニア添加酸化セリアの組合せ、バナジウムを加えたランタンストロンチウムマンガン酸化物と酸化ガドリニア添加酸化セリアの組合せである。
【００２３】
本発明の排気インプットユニット３０と排気アウトプットユニット４０は、陰極部１１の両端に連接する。
陰極部１１はさらに、陰極チャネル(cathode channel)１１１、陰極電流収集層(current collect layer)１１２を備える。
陰極電流収集層１１２、或いは陰極チャネル１１１は、酸化触媒(oxidation catalyst)(図示なし)を備える。
該酸化触媒は、微粒子形で、陰極電流収集層１１２、或いは陰極チャネル１１１の表面を覆い、或いは陰極電流収集層１１２と陰極チャネル１１１との間の多孔層(porous layer)(図示なし)に接続し、気体の酸化反応を触媒する。
陰極チャネル１１１両側には、排気インプットユニット３０と排気アウトプットユニット４０をそれぞれ連接する。
【００２４】
陽極部１２両端には、燃料インプットユニット５０と燃料アウトプットユニット６０をそれぞれ連接し、さらに陽極チャネル(anode channel)１２１、陽極電流収集層(anode collect layer)１２２を備える。
陽極チャネル１２１両側には、燃料インプットユニット５０と燃料アウトプットユニット６０をそれぞれ連接する。
陰極電流収集層１１２と陽極電流収集層１２２とは同時に、膜電極組１３が派生した電流を収集することができる。
【００２５】
これにより、汚染処理を行う排気は、排気インプットユニット３０から、陰極部１１の陰極チャネル１１１に送られる。
さらに、排気中の窒素酸化物は、陰極層１３１に送られ、電気化学反応が発生し、窒素ガスとなる。
排気中の一酸化炭素、炭化水素、粒子状物質は、陰極部１１中の酸化触媒により酸化され、二酸化炭素と水になる。
最後に、反応が起きなかった排気と反応後の気体は、陰極チャネル１１１を経て排気アウトプットユニット４０に送られ排出される。
【００２６】
これに類似し、陽極部１２においては、反応させたい燃料は、燃料インプットユニット５０より陽極部１２の陽極チャネル１２１に送られ、陽極チャネル１２１に位置する燃料は、さらに陽極層１３２に送られ、電気化学反応を発生して発電する。
未反応の燃料と反応後の産物は、陽極チャネル１２１を再び通り、燃料アウトプットユニット６０へと送られ排出される。
【００２７】
本発明は、膜電極組１３の電気化学反応と陰極部１１の触媒反応により、電池モジュール１０中において、排気中の有害成分を除去しながら、同時に発電することができる。
以下に、有害成分の反応原理について、それぞれ説明する。
【００２８】
先ず、本発明に使用する燃料は、水素(H2)、メタノール、エタノール、ガソリン、ディーゼルオイル、天然ガス、液化石油などである。
これら燃料は、燃料インプットユニット５０から陽極部１２に送られ、陽極部１２中で気化し、燃料リフォーミング(fuel reforming)を行い、水素(H2)及び一酸化炭素(CO)を豊富に含む燃料に転化する。
陽極層１３２に入った燃料は、陽極層１３２において、酸素イオン(O2-)と反応を生じ、同時に電子を発生して発電する。
水素と一酸化炭素の化学反応式は、以下の、(２)に示す。
H2+O2- → H20+2e- (１)
CO+O2- → CO2+2e- (２)
【００２９】
反応に加わる酸素イオンは、陰極層１３１において発生し、電解質層１３３の伝送を経て、陽極層１３２に進入する。
酸素イオンの出所は、排気中の酸素で、陰極層１３１において、以下の式(３)を経て発生し、或いは陰極層１３１が窒素酸化物を除去(nitrogen oxide abatement、DeNOXと略称)した反応産物である。
詳細は後述する。
O2+4e- →2O2- (３)
【００３０】
未反応の燃料と反応後の産物は、燃料アウトプットユニット６０から排出される。
実際の応用においては、燃料アウトプットユニット６０から出された後の産物は回収され、排気を発生する炉(furnace)或いはエンジンに入り、これら炉或いはエンジンの燃料として再利用される。
例えば、もし本発明の電気化学及び触媒コンバーター１を、自動車の排気処理システムに使用するなら、燃料アウトプットユニット６０から送り出される気体は、自動車エンジンのキャブレーター(carburetor)に導入され、再利用される。
【００３１】
排気中の有害成分は、陰極部１１と陰極層１３１の反応により、無害の気体となる。
内、有害な窒素酸化物は、主に、一酸化窒素(NO)と二酸化窒素(NO2)で、それは、陰極層１３１において、電気化学反応を生じ、窒素となる。
その反応式は、式(４)、(５)の通りである。
反応産物中の酸素原子は、酸素イオンを形成する。
その式は、式(６)に示す。
これら酸素イオンは、電解質層１３３を通り抜け陽極層１３２に至り反応する。
2NO → N2+2O (４)
2NO2 →N2+4O (５)
O+2e-→O2- (６)
【００３２】
反応の初め、本発明の電気化学反応は、加熱ユニット２０により、熱エネルギーを提供し、陰極層１３１の酸素イオンを駆動し、電解質層１３３を通り抜けさせ、陽極層１３２において反応を発生させる。
また、陽極層１３２は、電子を発生し発電することができる。
本発明のシステム構造と加熱ユニット２０の温度制御の正確性を考慮し、本発明の加熱ユニット２０は、電熱ユニット(electrical heating element)とすることができる。
上記した一実施例において、加熱ユニット２０は、カバー式電熱コイル方式により、電池モジュール１０の陽極部１２に嵌合(embedded)することができ、陽極部１２の陽極チャネル１２１、或いは陽極電流収集層１２２に嵌合し、膜電極組１３に対して加熱を行うが、これに限定するものではない。
【００３３】
上記した別種の実施例において、加熱ユニット２０は、膜電極組１３を４５０〜８００℃の作動温度まで加熱することができる。
これにより、酸素イオンは、電解質層１３３の伝達が効率良く行えるようになる。
電解質層１３３材料の改善、及び比較的低い窒素酸化物転化のニーズを考慮して、上記した作業温度は、適度に下げることができる。
【００３４】
排気中の一酸化炭素(CO)、炭化水素(HCS)、粒子状物質(PM)を除去する反応においては、陰極部１１の酸化触媒反応により、無害の気体を生成する。
配意中の一酸化炭素は、二酸化炭素になり、炭化水素と粒子状物質(炭素Cを含む物質)は、二酸化炭素と水になる。
その反応式は、以下の式(７)、(８)、(９)である。
2CO+O2 → 2CO2 (７)
HCS+O2 → H2O+CO2 (８)
Ｃ＋O2→CO2 (９)
【００３５】
上記した一実施例において、酸化触媒の材質は、金属、合金、フルオライト構造の金属酸化物、ペロブスカイト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せである。
【００３６】
本発明電気化学及び触媒コンバーターの第二実施例のシステム表示図である図３に示すように、本実施例と上記した第一実施例との異なる点は、本実施例では、電気化学及び触媒コンバーター２は、複数の電池モジュール１０と複数の加熱ユニット２０を含む点である。
しかも、各電池モジュール１０は、相互に重ねて設置する。
各加熱ユニット２０の個数と、電池モジュール１０の個数は、相当、或いは不相当であるが、各電池モジュール１０は、各加熱ユニット２０の過熱を受けて作動する。
排気インプットユニット３０と燃料インプットユニット５０は、分管、分流型式とすることができ、排気或いは燃料を、各電池モジュール１０に送ることができる。
これに対応して、電池モジュール１０が最後に排出する排気と燃料は、分管或いは分流型式により収集され、排気アウトプットユニット４０と燃料アウトプットユニット６０に集中して排出される。
これにより、電気化学及び触媒コンバーター２に進入する排気は、より多くの電池モジュール１０により無害な気体に転化されるため、排気処理の効率を向上させることができる。
【００３７】
本発明の電気化学及び触媒コンバーター１、２は、直列、或いは反対方向並列で使用することができ、これにより排気処理、或いは熱エネルギー使用の効率を向上させることができる。
反対方向並列は、電池モジュール１０のスタッグ構造に基づき、平面の固体酸化物燃料電池(planar SOFC)のスタッグ構造である。
２個の電池モジュール１０のスタッグを例とすると、その電池モジュール１０の各層は、図２に示すように反対方向に排列する。
これにより、電池モジュール１０の陽極電流収集層１２２ともう一つの電池モジュール１０の陽極電流収集層１２２とは、同一の加熱ユニット２０に接続される。
こうして、加熱ユニット２０は、この２個の電池モジュール１０を加熱可能となり、加熱ユニット２０の個数を減らし、熱エネルギーの使用効率を向上させられる。
【００３８】
本発明電池モジュール１０第二実施例の構造表示図である図４に示すように、その作動原理は上記と同様であるため、以下では構造の相違点についてのみ説明する。
上記した実施例に比べ、本実施例では、電池モジュール１０を、管状固体酸化物燃料電池(tubular SOFC)のスタッグ構造に、重ねる。
図に示すように、電池モジュール１０は、管状構造の中心から外層へと順番に、加熱ユニット２０、陽極部１２、膜電極組１３、陰極部１１を備える。
陽極部１２は、内から外へと、陽極チャネル１２１と陽極電流収集層１２２を備える。
膜電極組１３は、内から外へと、陽極層１３２、電解質層１３３、陰極層１３１を備える。
陰極部１１は、内から外へと、陰極電流収集層１１２、陰極チャネル１１１を備える。
加熱ユニット２０は、陽極チャネル１２１中に嵌合し、電池モジュール１０を加熱し、作業温度を達成する。
陰極電流収集層１１２は、酸化触媒(図示なし)を含む。
酸化触媒は、微粒型式で、陰極電流収集層１１２の表面を覆い、気体の酸化反応を触媒する。
【００３９】
一実施例中では、陽極電流収集層１２２の材質は、金属及び合金で、銀ニッケル、鉄とニッケルの合金である。
陰極電流収集層１１２の材質は、銀、金、プラチナ、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物、ランタンストロンチウムマンガン酸化物などの金属及びペロブスカイト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せである。
本発明の電気化学及び触媒コンバーター２が、複数の図４に示す管状構造の電池モジュール１０を含む時には、そのすべての陰極チャネル１１１は相互に接続するため、分管、分流型式を採用する必要がなく、排気インプットユニット３０から排気を電池モジュール１０に送り、或いは電池モジュール１０から排気を排気アウトプットユニット４０に送り出すことができる。
【００４０】
本発明は、電気化学及び触媒反応を通して、排気中の有害成分を効果的に除去でき、同時に発電を行うこともできる。
実施においては、発電により生じる電圧は、０．６ボルトの水準に達し、しかも陰極層１３１の窒素酸化物電気化学反応の変動を受けにくいため、非常に暗転した電力供給源とすることができる。
加熱ユニット２０は、膜電極組１３を作業温度まで加熱した後、陽極層１３２における電気化学酸化の放熱反応、及び陰極部１１における触媒酸化の放熱反応により、熱を持続的に提供するため、電池モジュール１０作動の電気消費を減らすことができ、さらには、作業温度維持を超過した余分な熱を発生して、別の用途に用いることもできる。
【００４１】
排気中の酸素含有量が高いほど、電気化学及び触媒コンバーター１、２の作動効率は向上するため、ディーゼル車両の排気システムに装置するなど、本発明は希薄燃焼(lean burn)エンジンの排気処理に適している。
また、本発明は、どんなに高い濃度の窒素酸化物(NOX)でも処理することができるため、窒素酸化物(NOX)と粒子状物質(PM)交換(NOX-particulate matter trade-off)の生成メカニズムを十分に利用し、粒子状物質の濃度を、それ以上のフィルターが不要なまでに低下させることができ、生み出された微量の粒子状物質は、酸化触媒処理に用いることができる。
【００４２】
上記したように、本発明は、従来の技術に比べ、より優れた排気処理メカニズムを備え、従来の技術では必要だったNOX還元システムと酸化触媒コンバーターを一体に合わせ、より優れた排気処理効率を達成することができる。
また、本発明は、電気エネルギーを提供する補助電力装置とすることができ、排気処理時、或いは排気の処理を行わない時にも発電することができる。
【００４３】
上記の本発明名称と内容は、本発明技術内容の説明に用いたのみで、本発明を限定するものではない。本発明の精神に基づく等価応用或いは部品（構造）の転換、置換、数量の増減はすべて、本発明の保護範囲に含むものとする。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は特許の要件である新規性を備え、従来の同類製品に比べ十分な進歩を有し、実用性が高く、社会のニーズに合致しており、産業上の利用価値は非常に大きい。
【符号の説明】
【００４５】
１、２ 電気化学及び触媒コンバーター
１０ 電池モジュール
１１ 陰極部(cathode compartment)
１２ 陽極部(anode compartment)
１３ 膜電極組(membrane-electrode assembly、MEA)
２０ 加熱ユニット
３０ 排気インプットユニット
４０ 排気アウトプットユニット
５０ 燃料インプットユニット
６０ 燃料アウトプットユニット
７０ 排気源
８０ 空気加入ユニット
１１１ 陰極チャネル(cathode channel)
１１２ 陰極電流収集層(current collect layer)
１２１ 陽極チャネル(anode channel)
１２２ 陽極電流収集層(anode collect layer)
１３１ 陰極層(cathode)
１３２ 陽極層(anode)
１３３ 電解質層(electrolyte)
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気の排出を制御し発電することができ、少なくとも１個の電池モジュール、加熱ユニット、燃料インプットユニット、燃料アウトプットユニット、排気インプットユニット、排気アウトプットユニットを備え、
前記電池モジュールは、陰極部、陽極部、膜電極組を備え、
前記膜電極組は、陰極部と陽極部との間に位置し、
前記陰極部は、酸化触媒を含み、
前記加熱ユニットは、前記電池モジュールに嵌合し、
前記燃料インプットユニットと前記燃料アウトプットユニットとは、前記陽極部の両側にそれぞれ連接し、前記電池モジュール作動時の燃料のインプット端とアウトプット端とし、
前記排気インプットユニットと前記排気アウトプットユニットとは、前記陰極部の両側にそれぞれ連接し、前記電池モジュールが処理しようとする排気のインプット端とアウトプット端とし、
前記加熱ユニットは、前記膜電極組を作動温度まで加熱し、これにより前記膜電極組において前記燃料は電気化学反応を生じて発電し、前記排気中の窒素酸化物は、前記膜電極組において電気化学反応を生じて窒素を形成し、前記排気中の一酸化炭素、炭化水素、粒子状物質は、前記酸化触媒により、触媒されて二酸化炭素と水を形成し、こうして前記排気を浄化することを特徴とする電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項２】
前記膜電極組は、電解質層、陰極層、陽極層を備え、
前記電解質層は、前記陰極層と前記陽極層との間に位置し、
前記陰極層と前記陽極層とは、前記陰極部と前記陽極部にそれぞれ連接し、
前記陰極部は、陰極チャネル、陰極電極収集層を備え、
前記陽極部は、陽極チャネル、陽極伝習収集層を備え、
前記排気インプットユニットは、前記陰極チャネルに通じ、これにより前記排気は前記陰極部において酸化反応を行い、前記陰極部は、電気化学反応を行い、
前記燃料インプットユニットは、前記陽極チャネルに通じ、これにより前記燃料は、前記陽極層において電気化学反応を行うことを特徴とする請求項１に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項３】
前記排気インプットユニットは、空気加入ユニットを備え、これにより空気を排気中に加えることを特徴とする請求項１に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項４】
前記陰極部、前記膜電極組、前記陽極部は、層状に排列し、
これにより前記陰極電流収集層、前記陰極チャネル、前記陰極層、前記電解質層、前記陽極層、前記陽極チャネル、前記陽極電流収集層は、相互に順番に層状に重なることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項５】
前記陰極部、前記膜電極組、前記陽極部は、層状に排列し、
これにより前記陰極チャネル、前記陰極電流収集層、前記陰極層、前記電解質層、前記陽極層、前記陽極チャネル、前記陽極電流収集層は、相互に順番に層状に重なることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項６】
前記陰極部、前記膜電極組、前記陽極部は、層状に排列し、
これにより前記陰極チャネル、前記陰極電流収集層、前記陰極層、前記電解質層、前記陽極層、前記陽極電流収集層、前記陽極チャネルは、相互に順番に層状に重なることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項７】
前記加熱ユニット、前記陽極部、前記膜電極組、前記陰極部は、順番に重なり管状構造を形成し、
これにより、前記加熱ユニットは、前記管状構造の中心に位置し、前記陽極チャネル、前記陽極電流収集層、前記陽極層、前記電解質層、前記陰極層、前記陰極電流収集層、前記陰極チャネルは、順番に、前記加熱ユニット２０を取り囲んで層状に重なることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項８】
前記作業温度は、４５０〜９００℃であることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項９】
前記加熱ユニットは、電熱パーツであることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１０】
前記加熱ユニットは、前記陽極部に嵌合することを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１１】
前記酸化触媒の材質は、金属、合金、フルオライト構造の金属酸化物、ペロブスカイト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せであることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１２】
前記酸化触媒は、微粒型式で、前記陰極電流収集層を覆うことを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１３】
前記陰極電流収集層の材質は、金属、合金、及びペロブスカイト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せであることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１４】
前記酸化触媒は、前記陰極電流収集層と前記陰極チャネルとの間の多孔層に位置することを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１５】
前記酸化触媒は、微粒型式で、前記陰極チャネルを覆うことを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１６】
前記電解質層の材質は、フルオライト構造の金属酸化物、及びペロブスカイト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せであることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１７】
前記陽極層の材質は、ニッケルとフルオライト構造の金属酸化物セラミック、ペロブスカイト構造の金属酸化物、フルオライト構造の金属酸化物、金属を加えたペロブスカイト構造の金属酸化物、金属を加えたフルオライト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せであることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１８】
前記陰極層の材質は、ペロブスカイト構造の金属酸化物、フルオライト構造の金属酸化物、金属を加えたペロブスカイト構造の金属酸化物、金属を加えたフルオライト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せであることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１９】
排気の排出を制御し発電することができ、少なくとも１個の電池モジュール、加熱ユニット、燃料インプットユニット、燃料アウトプットユニット、排気インプットユニット、排気アウトプットユニットを備え、
前記電池モジュールは、陰極部、陽極部、膜電極組を備え、
前記膜電極組は、陰極部と陽極部との間に位置し、
前記膜電極組は、電解質層、陰極層、陽極層を備え、
前記電解質層は、前記陰極層と前記陽極層との間に位置し、
前記陰極層と前記陽極層とは、前記陰極部と前記陽極部にそれぞれ連接し、
前記加熱ユニットは、前記電池モジュールに嵌合し、
前記燃料インプットユニットと前記燃料アウトプットユニットとは、前記陽極部の両側にそれぞれ連接し、前記電池モジュール作動時の燃料のインプット端とアウトプット端とし、
前記排気インプットユニットと前記排気アウトプットユニットとは、前記陰極部の両側にそれぞれ連接し、前記電池モジュールが処理しようとする排気のインプット端とアウトプット端とし、
前記加熱ユニットは、前記膜電極組を作動温度まで加熱し、これにより前記陽極層において前記燃料は電気化学反応を生じて発電し、前記排気中の窒素酸化物は、前記陰極層において電気化学反応を生じて窒素を形成し、前記排気中の一酸化炭素、炭化水素、粒子状物質は、前記陰極層において、酸化反応を生じ、二酸化炭素と水を形成し、こうして前記排気を浄化することを特徴とする電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項２０】
前記陰極層は、酸化触媒を含むことを特徴とする請求項１９に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項２１】
前記酸化触媒は、微粒型式で、前記陰極層を覆うことを特徴とする請求項２０に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１】
排気の排出を制御し発電することができ、少なくとも１個の電池モジュール、加熱ユニット、燃料インプットユニット、燃料アウトプットユニット、排気インプットユニット、排気アウトプットユニットを備え、
前記電池モジュールは、陰極部、陽極部、膜電極組を備え、
前記膜電極組は、陰極部と陽極部との間に位置し、
前記陰極部は、酸化触媒を含み、
前記加熱ユニットは、前記電池モジュールに嵌合し、
前記燃料インプットユニットと前記燃料アウトプットユニットとは、前記陽極部の両側にそれぞれ連接し、前記電池モジュール作動時の燃料のインプット端とアウトプット端とし、
前記排気インプットユニットと前記排気アウトプットユニットとは、前記陰極部の両側にそれぞれ連接し、前記電池モジュールが処理しようとする排気のインプット端とアウトプット端とし、
前記加熱ユニットは、前記膜電極組を作動温度まで加熱し、これにより前記膜電極組において前記燃料は電気化学反応を生じて発電し、前記排気中の窒素酸化物は、前記膜電極組において電気化学反応を生じて窒素を形成し、前記排気中の一酸化炭素、炭化水素、粒子状物質は、前記酸化触媒により、触媒されて二酸化炭素と水を形成し、こうして前記排気を浄化することを特徴とする電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項２】
前記膜電極組は、電解質層、陰極層、陽極層を備え、
前記電解質層は、前記陰極層と前記陽極層との間に位置し、
前記陰極層と前記陽極層とは、前記陰極部と前記陽極部にそれぞれ連接し、
前記陰極部は、陰極チャネル、陰極電極収集層を備え、
前記陽極部は、陽極チャネル、陽極伝習収集層を備え、
前記排気インプットユニットは、前記陰極チャネルに通じ、これにより前記排気は前記陰極部において酸化反応を行い、前記陰極部は、電気化学反応を行い、
前記燃料インプットユニットは、前記陽極チャネルに通じ、これにより前記燃料は、前記陽極層において電気化学反応を行うことを特徴とする請求項１に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項３】
前記排気インプットユニットは、空気加入ユニットを備え、これにより空気を排気中に加えることを特徴とする請求項１に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項４】
前記陰極部、前記膜電極組、前記陽極部は、層状に排列し、
これにより前記陰極電流収集層、前記陰極チャネル、前記陰極層、前記電解質層、前記陽極層、前記陽極チャネル、前記陽極電流収集層は、相互に順番に層状に重なることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項５】
前記陰極部、前記膜電極組、前記陽極部は、層状に排列し、
これにより前記陰極チャネル、前記陰極電流収集層、前記陰極層、前記電解質層、前記陽極層、前記陽極チャネル、前記陽極電流収集層は、相互に順番に層状に重なることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項６】
前記陰極部、前記膜電極組、前記陽極部は、層状に排列し、
これにより前記陰極チャネル、前記陰極電流収集層、前記陰極層、前記電解質層、前記陽極層、前記陽極電流収集層、前記陽極チャネルは、相互に順番に層状に重なることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項７】
前記加熱ユニット、前記陽極部、前記膜電極組、前記陰極部は、順番に重なり管状構造を形成し、
これにより、前記加熱ユニットは、前記管状構造の中心に位置し、前記陽極チャネル、前記陽極電流収集層、前記陽極層、前記電解質層、前記陰極層、前記陰極電流収集層、前記陰極チャネルは、順番に、前記加熱ユニット２０を取り囲んで層状に重なることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項８】
前記作業温度は、４５０〜９００℃であることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項９】
前記加熱ユニットは、電熱パーツであることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１０】
前記加熱ユニットは、前記陽極部に嵌合することを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１１】
前記酸化触媒の材質は、金属、合金、フルオライト構造の金属酸化物、ペロブスカイト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せであることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１２】
前記酸化触媒は、微粒型式で、前記陰極電流収集層を覆うことを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１３】
前記陰極電流収集層の材質は、金属、合金、及びペロブスカイト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せであることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１４】
前記酸化触媒は、前記陰極電流収集層と前記陰極チャネルとの間の多孔層に位置することを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１５】
前記酸化触媒は、微粒型式で、前記陰極チャネルを覆うことを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１６】
前記電解質層の材質は、フルオライト構造の金属酸化物、及びペロブスカイト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せであることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１７】
前記陽極層の材質は、ニッケルとフルオライト構造の金属酸化物セラミック、ペロブスカイト構造の金属酸化物、フルオライト構造の金属酸化物、金属を加えたペロブスカイト構造の金属酸化物、金属を加えたフルオライト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せであることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１８】
前記陰極層の材質は、ペロブスカイト構造の金属酸化物、フルオライト構造の金属酸化物、金属を加えたペロブスカイト構造の金属酸化物、金属を加えたフルオライト構造の金属酸化物により組成するグループの１種或いはその組合せであることを特徴とする請求項２に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項１９】
排気の排出を制御し発電することができ、少なくとも１個の電池モジュール、加熱ユニット、燃料インプットユニット、燃料アウトプットユニット、排気インプットユニット、排気アウトプットユニットを備え、
前記電池モジュールは、陰極部、陽極部、膜電極組を備え、
前記膜電極組は、陰極部と陽極部との間に位置し、
前記膜電極組は、電解質層、陰極層、陽極層を備え、
前記電解質層は、前記陰極層と前記陽極層との間に位置し、
前記陰極層と前記陽極層とは、前記陰極部と前記陽極部にそれぞれ連接し、
前記加熱ユニットは、前記電池モジュールに嵌合し、
前記燃料インプットユニットと前記燃料アウトプットユニットとは、前記陽極部の両側にそれぞれ連接し、前記電池モジュール作動時の燃料のインプット端とアウトプット端とし、
前記排気インプットユニットと前記排気アウトプットユニットとは、前記陰極部の両側にそれぞれ連接し、前記電池モジュールが処理しようとする排気のインプット端とアウトプット端とし、
前記加熱ユニットは、前記膜電極組を作動温度まで加熱し、これにより前記陽極層において前記燃料は電気化学反応を生じて発電し、前記排気中の窒素酸化物は、前記陰極層において電気化学反応を生じて窒素を形成し、前記排気中の一酸化炭素、炭化水素、粒子状物質は、前記陰極層において、酸化反応を生じ、二酸化炭素と水を形成し、こうして前記排気を浄化することを特徴とする電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項２０】
前記陰極層は、酸化触媒を含むことを特徴とする請求項１９に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【請求項２１】
前記酸化触媒は、微粒型式で、前記陰極層を覆うことを特徴とする請求項２０に記載の電気化学及び触媒コンバーター。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１８５２６１（Ｐ２０１１−１８５２６１Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７９１６３（Ｐ２０１０−１７９１６３）
【出願日】平成２２年８月１０日（２０１０．８．１０）
【出願人】（５９５０６４０５０）國立清華大學 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１０日（２０１０．８．１０）
【出願人】（５９５０６４０５０）國立清華大學 (6)
【Ｆターム（参考）】
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