排気ガス浄化システム
【課題】処理中に電極に電圧を印加することなく排気ガス中に含まれる粒子状物質を処理する排気ガス浄化システムを提供することであり、また、固体炭素を燃料として発電しつつ、排気ガス中に含まれる固体炭素を処理する排気ガス浄化システムを提供すること。
【解決手段】内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するサイクロン捕集器を備える排気ガス浄化システムであって、前記サイクロン捕集器により捕集した粒子状物質をサイクロン捕集器に併設された隔室にある電気化学リアクターに供給し、前記電気化学リアクターが、供給された粒子状物質を電気化学的に除去することを特徴とする排気ガス浄化システム。
【解決手段】内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するサイクロン捕集器を備える排気ガス浄化システムであって、前記サイクロン捕集器により捕集した粒子状物質をサイクロン捕集器に併設された隔室にある電気化学リアクターに供給し、前記電気化学リアクターが、供給された粒子状物質を電気化学的に除去することを特徴とする排気ガス浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は排気ガス浄化システムに関し、更に詳しくは、排気ガス中の固体炭素をアノード側に供給して電気化学的に処理する排気ガス浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン伝導性を有する固体電解質を用い、アノード材料にディーゼル微粒子等の未燃焼微粒子を堆積させ、両電極間に外部から電圧を印加して、未燃焼微粒子中に含まれる固体炭素を電気化学的に除去する浄化装置が知られている（特許文献１〜５）。かかる浄化装置は、外部から電圧を印加することによって、酸素イオン等をアノード側に移動させ、アノード材料の上に堆積されている固体炭素と電気化学的に反応させ、固体炭素を酸化させて除去するというものであり、固体電解質としては、ジルコニア、セリア等の金属酸化物が用いられている。
【０００３】
しかしながら、これらの浄化装置には、外部から常に電圧を印加する必要があり、装置自体が発電する可能性は全くなく、むしろ電気エネルギーを消費するものであった。また、固体炭素をアノード材料に接触させるようにアノードに堆積させ、固体炭素と共にアノードを形成させ、そこに電圧を印加させることが必須であった。従って、上記文献に記載の技術では、微粒子はアノード材料に直接堆積させる必要があるので、一旦捕捉した微粒子をアノード側に移動させる手段については勿論のこと、捕捉した微粒子を浄化装置に移動させる手段について検討されたものはなかった。
【０００４】
一方、特許文献６には、メタン、プロパン等の有機化合物をアノードに導入し、該有機化合物の熱分解反応によって、アノード材料に固体炭素を担持させ、かかる「アノード材料に担持された固体炭素」を二酸化炭素と反応させて気体の一酸化炭素に変換し、当該気体の一酸化炭素を酸化することにより発電することを特徴とする固体酸化物型電池の発電方法が記載されている。
【０００５】
この技術は、通常の燃料電池が燃料としてメタンや水素を使用するのに対し、固体炭素を燃料として使用することが特徴であり、アノードに担持された固体炭素が電気化学的に反応して発電するものである。
【０００６】
しかしながら、かかる発電方法は、有機化合物を導入し熱分解反応を進行させて、一旦固体炭素をアノードに担持させる賦活工程等を必須工程として含み、あらかじめ燃料となる固体炭素をアノードに担持させておくことが必要であり、発電途中で固体炭素を補充することができないため、連続的に燃料電池反応を継続することができず、連続的な作動が求められる発電システムや電気化学リアクターにはそのまま適用することは難しく、実用化の観点からするとその技術価値を十分に発揮させることができなかった。
【０００７】
しかも、特許文献６記載の技術においては、そもそも、燃料として用いる固体炭素は、排気ガス中の粒子状物質に含まれるものではなく、賦活工程でアノードに導入された有機化合物ガスの熱分解により生じさせたものであり、排気ガスを浄化させるものではなかった。また、アノード材料に固体炭素を直接担持させるので、捕捉された微粒子（固体炭素）をアノード側に移動させる手段については勿論のこと、捕捉された微粒子（固体炭素）を装置（固体酸化物型電池等の電気化学リアクター）に移動させる手段についても、その必要がないので検討されていなかった。
【０００８】
近年、環境問題が深刻化しており、内燃機関から排出される排気ガスの優れた浄化システムの開発が望まれている。また、有機資源の枯渇も深刻化しており、効率的な発電システムの開発も望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１９８５６３号公報
【特許文献２】特開２００６−２００５２０号公報
【特許文献３】特開２００６−２９９８５７号公報
【特許文献４】特開２００８−１１９６１８号公報
【特許文献５】特開２００８−２３７９６９号公報
【特許文献６】特開２００８−１９８５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記背景技術に鑑みてなされたものであり、その課題は、処理中に電極に電圧を印加することなく排気ガス中に含まれる粒子状物質を処理する排気ガス浄化システムを提供することであり、また、固体炭素を燃料として発電しつつ、排気ガス中に含まれる固体炭素を処理する排気ガス浄化システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、装置構成として少なくとも固体炭素を格納するための隔室を設け、該隔室に存在する固体炭素を二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、当該一酸化炭素を酸化することにより発電させる処理方法を採れば、該固体炭素が燃料として消費され、結果として連続的な発電が可能であると共に、連続的な粒子状物質の電気化学的除去が可能であることを見出した。また、固体炭素がアノードに直接担持されておらず、アノードから離れていても、アノード側に設けられた隔室に格納されてさえいれば、発電と粒子状物質の電気化学的除去が可能であることを見出した。
【００１２】
そして、更に、かかる電気化学リアクターにおいては、上記したように固体炭素をアノード材料に直接担持させておく必要がないので、サイクロン捕集器で捕集された「固体炭素を含む粒子状物質」を、途切れることなく電気化学リアクターのアノード側に供給しさえすれば、定常的に処理（発電及び／又は粒子状物質の除去）ができることを見出して本発明に到った。
【００１３】
すなわち、本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するサイクロン捕集器を備える排気ガス浄化システムであって、前記サイクロン捕集器により捕集した粒子状物質をサイクロン捕集器に併設された隔室にある電気化学リアクターに供給し、前記電気化学リアクターが、供給された粒子状物質を電気化学的に除去することを特徴とする排気ガス浄化システムを提供するものである。
【００１４】
また、本発明は、上記電気化学リアクターが上記粒子状物質を燃料とする固体酸化物型燃料電池であって、該固体酸化物型燃料電池が、複合金属酸化物を含むアノード材料を有するアノード、カソード材料を有するカソード、及びアノードとカソードとの間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物を含む電解質を少なくとも有し、該粒子状物質中の固体炭素を、発電によって発生した二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、当該一酸化炭素を酸化することにより発電するものであることを特徴とする上記の排気ガス浄化システムを提供するものである。以下、この発明を「態様１」とする。
【００１５】
また、本発明は、上記電気化学リアクターが固体酸化物型処理装置であって、該固体酸化物型処理装置が、アノード材料を有するアノード、カソード材料を有するカソード、及びアノードとカソードとの間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物を含む電解質を少なくとも有し、該アノードと該カソードの間に電圧を印加することにより酸素イオンをアノードに移行させ、アノード上で該酸素イオンと上記粒子状物質中の固体炭素とを電気化学的に反応させるものであることを特徴とする上記の排気ガス浄化システムを提供するものである。以下、この発明を「態様２」とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、粒子状物質の捕集部と電気化学リアクターとが独立して配置されており、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を、効率よく簡便に途切れることなく電気化学リアクターのアノード側に供給することが可能である。特に、処理中（システム稼働中）に電極に電圧を印加することなく、排気ガス中に含まれる粒子状物質を処理する排気ガス浄化システムを提供することができる。
【００１７】
また、態様１においては、燃料として、従来の燃料電池のように水素や有機物気体ではなく固体炭素を使用できるので、排気ガス中の粒子状物質に含まれる固体炭素を使用でき、結果として、発電しつつ排気ガス中の粒子状物質に含まれる固体炭素を処理できる。また、連続的に燃料電池反応を継続させて、連続的に排気ガスを浄化することができる。
【００１８】
また、本発明における固体酸化物型燃料電池では、アノードに固体炭素を直接担持しなくても、固体炭素を電気化学的に除去したり、固体炭素を燃料として用いて発電させたりできるので、その特長を生かし、排気ガス中の粒子状物質をサイクロン捕集器で捕集した後、隔室中に存在する固体酸化物型燃料電池のアノードの上（アノード集電体の上でも、アノード材料の上でもよい）に供給することによって、効率よく簡便に途切れることなく電気化学リアクターを稼働させることができ、排気ガスを浄化できる。
【００１９】
また、処理中に電極に電圧を印加することなく、排気ガス中に含まれる粒子状物質を処理する排気ガス浄化システムを提供することができる。すなわち、外部電源等を必要としない自己完結型であり、連続的な粒子状物質除去が可能な電気化学的排気ガス浄化システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の排気ガス浄化システムの基本構成の一例を示す縦断面概念図である。
【図２】本発明の排気ガス浄化システムの基本構成の一例を示す斜視図である。
【図３】本発明に用いられる電気集塵機の一例の断面図である。
【図４】本発明の排気ガス浄化システムの車載配置の一例を示す図である。
【図５】本発明の排気ガス浄化システムに用いられる電気化学リアクターの基本構成の一例を示す模式縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々変形することができる。
【００２２】
［排気ガス浄化システム］
図１は、本発明の排気ガス浄化システムの基本構成の一例を示す縦断面概念図である。また、図２は、本発明の排気ガス浄化システムの基本構成の一例を示す斜視図である。
【００２３】
＜サイクロン捕集器＞
本発明の排気ガス浄化システムは、内燃機関Ｅから排出される排気ガスＨ中に含まれる粒子状物質を捕集するサイクロン捕集器２を備えていることを特徴とする。内燃機関Ｅから排出された排気ガスＨは、吸気管１を通じて該サイクロン捕集器２に送られる。そして、サイクロン捕集器２で捕集された排気ガスＨ中の該粒子状物質は、該サイクロン捕集器２に併設された隔室５にある電気化学リアクター１４に供給されて、該粒子状物質は電気化学的に除去される。粒子状物質が電気化学的に除去された排気ガスＨは、排気管１１を通って大気中に放出される。
【００２４】
本発明においては、上記サイクロン捕集器２と上記隔室５との間に仕切板３が備えられており、該仕切板３のサイクロン捕集器２側に、サイクロン捕集器２で捕集した粒子状物質を一旦貯蔵できるようになっていることが好ましい。サイクロン捕集器２自体の下部等に、直接、電気化学リアクター１４のアノード１１１を設置すると、電気化学リアクター１４（のアノード１１１）の損傷が起き易いが、サイクロン捕集器２と上記隔室５との間に仕切板３が備えられていれば、損傷を防ぐことが可能である。また、本固体酸化物型燃料電池で高い発電特性を得るためには、生成したＣＯやＣＯ２をアノード１１１中に長く滞留させることが重要であり、かつ系外からの空気つまりは酸素の漏れこみを極力少なくする必要がある。従って、サイクロン捕集器２と上記隔室５との間に仕切板３が備えられていれば、シール性能が向上するため、高い発電効率が得られる。
【００２５】
本発明の排気ガス浄化システムでは、特許文献１〜５に記載の公知技術のように、アノード１１１又はアノード材料１１１ｂに直接固体炭素１０２を担持又は堆積させなくても反応が進行するので、一旦仕切板３のサイクロン捕集器２側に貯蔵し、間欠的にまとめて電気化学リアクター１４のアノード１１１上に載せるだけでよい。すなわち、固体炭素１０２は、アノード材料１１１ｂ又はアノード集電体１１１ａの上に、一定の厚さをもって積み重ねられても、その厚さ方向全体にわたって反応が進行するので（固体炭素１０２が処理できるので）、そのことにより初めて、「サイクロン捕集」とそれに次ぐ「アノード１１１に供給」という方式の使用が可能になった。
【００２６】
本発明の排気ガス浄化システムにおける電気化学リアクター１４において、アノード１１１（アノード材料１１１ｂ）に直接固体炭素１０２を担持又は堆積させなくても反応が進行し、また、固体炭素１０２の電気化学的除去のみならず、その固体炭素１０２を燃料として発電が可能である（電気化学リアクター１４の）構成や原理は後述する。
【００２７】
「アノード１１１にまとめて供給」に関しては、仕切板３のサイクロン捕集器２側から電気化学リアクター１４に供給する供給時期を判断する制御部（図示せず）を備えていて、粒子状物質中の固体炭素１０２を適量ずつ電気化学リアクター１４のアノード１１１側に供給できるようになっていることが好ましい。仕切板３に対するサイクロン捕集器２の側に一旦貯蔵された粒子状物質の電気化学リアクター１４への供給時期の判断基準は特に限定はなく、内燃機関の運転経過時間、仕切板３のサイクロン捕集器２側に集積した（図１及び図２では仕切板３の上に乗った）粒子状物質の重さ若しくは高さ、発生ガス（ＣＯ、ＣＯ２）濃度等が挙げられる。また、常に一定時間ごとに供給する方式でもよい。
【００２８】
中でも、上記サイクロン捕集器２と上記隔室５との間に仕切板３を備えており、捕集した粒子状物質が一定の重さになると、該仕切板３が開口してサイクロン捕集器２の底部から上記電気化学リアクター１４のアノード１１１に該粒子状物質が供給されるようになっていることが、制御が容易であること、定常的な電気化学リアクター１４の運転が可能であること等の点で好ましい。
【００２９】
隔室５にある電気化学リアクター１４への供給は、仕切板３が開口することによりなされる。ここで「開口する」とは、粒子状物質が供給される動作であれば特に限定はないが、具体的には、例えば、該仕切板３が、除かれる、傾斜する、カメラの絞りのように開く、中心付近で観音開きに開く、回転する等が挙げられる。
【００３０】
サイクロン捕集器２の構造、種類、大きさ等は、内燃機関から排出される排気ガスＨ中に含まれる粒子状物質を捕集し易いものであれば特に限定はない。図１及び図２では、サイクロン捕集器２の壁面を粒子状物質が渦を巻きながら落ちて行き、サイクロン捕集器２の中心軸部分を、粒子状物質が捕集されたガスが上に向かって流出されるようになっている。流出された排気ガスＨは、排気管１１を通って排気される。
【００３１】
電気化学リアクター１４の下面に位置するカソード１３１には、空気等の酸素を含有する気体を供給するための酸素供給管１３が配置されている。酸素供給管１３は、電気化学リアクター１４のカソード１３１に、空気等の酸素含有気体を供給できるようになっている。
【００３２】
更に、隔室５にある電気化学リアクター１４のアノード１１１側には、電気化学反応により生成したＣＯ２を排出するための二酸化炭素（ＣＯ２）排出口１０３が設置されている。
【００３３】
隔室５、仕切板３、酸素供給管１３等の素材は、耐熱性や耐食性がある材料であれば特に限定されるものではない。好ましくは、鉄、ステンレス、インコネル、ハステロイ、炭素モリブデン鋼、炭素バナジウム鋼、クロムモリブデン鋼等が挙げられる。なお、電気化学リアクター１４の、アノード、カソード、電解質等を構成する各部の材料、構造等は後述する。
【００３４】
本発明の態様１では、上記電気化学リアクター１４は、粒子状物質中の固体炭素１０２を燃料とする固体酸化物型燃料電池である。該固体酸化物型燃料電池１４の構成は後述するが、粒子状物質中の固体炭素１０２を、発電によって発生した二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、当該一酸化炭素を酸化することにより発電する。態様１では、電気化学リアクター１４である固体酸化物型燃料電池１４から得られた電力は、リード線１５を通じて外部に得られる。また、リード線１５（出力用のリード線とは異なる場合がある）を介して外部電子回路により制御される。
【００３５】
本発明の態様２では、上記電気化学リアクター１４は、固体酸化物型処理装置である。固体酸化物型処理装置１４のアノード１１１とカソード１３１の間に電圧を印加することにより、酸素イオンをアノード１１１に移行させ、アノード１１１上で該酸素イオンと上記粒子状物質中の固体炭素１０２とを電気化学的に反応させ、粒子状物質を除去する。態様２では、電気化学リアクターである固体酸化物型処理装置１４のアノード１１１とカソード１３１の間に、リード線１５を通じて電圧を外部から印加できるようになっている。外部から印加する電圧は、リード線１５を介して外部電子回路により制御される。
【００３６】
＜電気集塵機＞
更に、本発明の排気ガス浄化システムには、一例を図３に示したような電気集塵機Ｄが、サイクロン捕集器２と内燃機関Ｅの間に備えられていることも好ましい。電気集塵機Ｄのスイッチ１９を切ることによって、そこに捕集されている粒子状物質をサイクロン捕集器２にまとめて移送することもできる。それによって、サイクロン捕集器２による直接捕集と、電気集塵機Ｄによる捕集を併用することができる。電気集塵機Ｄを組み合わせることによって、サイクロン捕集器２による粒子状物質の捕集効率を上げたり、排気ガスＨ中に含まれる粒子状物質の種類によって使い分けたりすることができる。
【００３７】
図３は、本発明における電気集塵機Ｄの一例の断面図である。電気集塵機Ｄは、両端面に開口部を有する略筒状体であり、該開口部の一端は内燃機関Ｅに、他端は吸気管１に連結される。電気集塵機Ｄには、内燃機関Ｅから排出される排気ガスＨａが、内燃機関の燃焼排圧によって送り込まれ、該排気ガスＨａを電気的に集塵して排気ガスＨｂとして排出する。集塵機構については、一般的な放電による電気集塵機構が好適に用いられ、図３に示すように、放電電極１６と該放電電極１６を筒状体に配置した集塵電極１７により構成され、直流電源１８及びスイッチ１９等の電気回路により作動するようになっていることが好ましい。
【００３８】
＜配置例＞
図４は、本発明の排気ガス浄化システムを車載配置したときの一例を示す説明図である。一般的なフロントエンジンレイアウトの自動車Ｃであれば、図４に示すように、内燃機関Ｅの後方に、（要すれば前記電気集塵機Ｄを配置し、）排気ガス浄化システム１００を配置する。ＦＲ車であればセンタートンネル内に配置し、ＦＦ車であればエンジンルーム内又は消音器直前に配置すること等が考えられる。レイアウト自体は、特に限定されるものではなく、排気ガス浄化システム１００から排出された排気ガスＨｂが、マフラーパイプ等を通じて消音器で減圧されて、排気ガスＨｃを大気中に放出する構成であればよい。
【００３９】
また、更に、従来の化学触媒を併用することもできる。また、図１に示したように、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｆｉｌｔｅｒ）４を設けることも好ましい。
【００４０】
＜電気化学リアクター＞
本発明の排気ガス浄化システムにおいては、上記したように、サイクロン捕集器２で捕集した粒子状物質を、併設された隔室５にある電気化学リアクター１４に供給して、電気化学的に除去することを特徴とする。本発明における電気化学リアクター１４は、態様１では固体酸化物型燃料電池であり、態様２では固体酸化物型処理装置である。
【００４１】
以下、本発明における電気化学リアクター１４について、態様１の固体酸化物型燃料電池１４を例にとって説明する。
【００４２】
態様２の固体酸化物型処理装置１４であっても、アノード１１１、カソード１３１、電解質等の好ましい材料（物質）や構造（形態）は、下記する態様１の固体酸化物型燃料電池１４の場合と同様であり、主にアノード１１１とカソード１３１の間に電圧を印加することにより酸素イオンをアノード１１１に移行させること、発電しないこと等が、態様１の固体酸化物型燃料電池１４とは異なるだけである。
【００４３】
＜固体酸化物型燃料電池の形態＞
図５は、本発明の排気ガス浄化システムに用いる固体酸化物型燃料電池１４の好適な一実施形態の基本構成を示す模式断面図である。図５には、固体酸化物型燃料電池１４の他に、少なくとも、固体酸化物型燃料電池１４が内に設置されている隔室５、及び酸素供給管１３が示されている。そして、固体酸化物型燃料電池１４は、主として、アノード１１１、カソード１３１、及び、アノード１１１とカソード１３１との間に配置された電解質１２１とから構成されている。図５に示すように、更に、アノード１１１はアノード材料１１１ｂ及びアノード集電体１１１ａを有している。また、図５に示すように、カソード１３１はカソード材料１３１ｂ及びカソード集電体１３１ａを有している。
【００４４】
隔室５の内には固体酸化物型燃料電池１４があり、隔室５は、内燃機関から排出される排気ガスＨ中に含まれる粒子状物質中の固体炭素１０２を格納できるようになっている。ここで隔室５は、固体酸化物型燃料電池１４から見ると、アノード１１１側に設けられた、発電のための固体炭素１０２を格納する空間である。そこに格納される固体炭素１０２はアノード１１１に接している必要はないが、該固体炭素１０２の少なくとも一部は、アノード１１１に接していることも好ましい。より具体的には、固体炭素１０２が、アノード集電体１１１ａやアノード材料１１１ｂと接触するようになっている必要はないが、一部の固体炭素１０２が接触するようになっていることも好ましい。
【００４５】
限定はされないが、例えば、図５においては、隔室５のうち下約４０％に、粒子状物質（固体炭素１０２）が格納されている。発電中でも、隔室５に、燃料である固体炭素１０２が、サイクロン捕集器２に隣接された仕切板３から追加されることによって、発電を継続させることができる。
【００４６】
アノード１１１側への酸素の混入は、発電効率の観点からできるだけ軽減した方が好ましい。酸素除去のために、窒素（Ｎ２）や二酸化炭素（ＣＯ２）等の不活性ガスで、隔室５内を置換することも好ましい。
【００４７】
隔室５に固体炭素１０２があり、発電により生じたＣＯ２が、例えば５００〜１０００℃で存在すれば、ＣＯ生成反応が進行し、固体酸化物型燃料電池１４により発電が継続される。本発明は、この意外な事実の新しい発見に基づいてなされたものである。かかる現象があるために、排気ガスＨ中に含まれる粒子状物質をサイクロン捕集器２で捕集し、併設された隔室５にある固体酸化物型燃料電池１４に該粒子状物質を供給して発電しつつ排気ガスＨを浄化するシステムが完成した。
【００４８】
更に、図５に示す固体酸化物型燃料電池１４は、アノード１１１側に、ＣＯ２を排出するための二酸化炭素（ＣＯ２）排出口１０３、カソード１３１側に酸素（Ｏ２）等の酸化剤を供給するための酸素供給管１３を併設している。
【００４９】
図５に示した基本構成に加えて、発電開始時に発電開始剤を供給するための発電開始剤導入管（図示せず）の先端がアノード１１１側に配置されていることが好ましい。発電開始剤導入管の先端の配置はアノード１１１側ならば特に限定はない。発電開始剤導入管の先端がアノード１１１側に配置されていることによって、発電開始剤がアノード材料１１１ｂの近傍に供給され、その結果、初期の発電特性が安定し易く、排気ガス浄化システムにおける電気化学リアクター１４が安定して初期稼働する。
【００５０】
態様１においても、図５に示した固体酸化物型燃料電池１４の基本構成に加えて、アノード１１１へ電気化学的に酸素源を注入するための電気回路（図示せず）を有していることが好ましい。態様１においても、排気ガス浄化システム開始時、すなわち発電開始時に、アノード１１１へ電気化学的に酸素源を注入することが、初期の発電特性を安定化させる点で好ましい。酸素源は特に限定はないが、具体的には、例えば、空気や酸素等が挙げられる。
【００５１】
酸素源の電気化学的な注入方法については特に限定はされないが、具体的には、例えば、アノード１１１とカソード１３１との間に、電池セルの持つネルンスト電位を利用し、電流密度０．０１ｍＡ／ｃｍ２〜５ｍＡ／ｃｍ２で流し、カソード１３１で酸素が電子を取り込んで酸化物イオン（Ｏ２−）となり、このＯ２−が電解質１２１を移動してアノード１１１で燃料と反応して電子を放出させ、電極反応を開始させることが好ましい。発電開始時に、アノード１１１へ電気化学的に酸素源を注入しないと、発電の初期段階で安定した発電が得られず、排気ガス浄化システムが安定して開始しない場合がある。
【００５２】
＜＜アノード＞＞
アノード１１１のアノード材料１１１ｂは複合金属酸化物を含む。すなわち、アノード材料１１１ｂは、複合金属酸化物を含むものであってもよいし、サーメットを含むものであってもよい。ここで「サーメット」とは、金属と金属酸化物粉末が混合され焼結されたものをいう。複合金属酸化物又はサーメットは多孔質であることが好ましい。複合金属酸化物又はサーメットとしては、公知の固体酸化物型燃料電池１４にアノード活物質として一般に用いられているものが好適に使用できる。
【００５３】
［複合金属酸化物］
自身がアノード材料１１１ｂの成分として、また、アノード材料１１１ｂの成分であるサーメットの原料としても用いられる複合金属酸化物としては、固体酸化物型燃料電池１４にアノード活物質として一般に用いられているものであれば特に限定はない。発電の際に、十分な出力特性、耐久性等を確実に得る点からは、イットリアが配合された安定化ジルコニア（Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２）（以下、「ＹＳＺ」と略記する）；Ｇｄ、Ｌａ、Ｙ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｄｙ及びＹｂからなる群より選ばれる少なくとも１種がドープされたＣｅＯ２［このうち特に、ＧｄがドープされたＣｅＯ２（以下、「ＧＤＣ」と略記する）、ＳｍがドープされたＣｅＯ２が好ましい］；Ｓｃ２Ｏ３−ＺｒＯ２（以下、「ＳｃＳＺ」と略記する）；Ｓｍ２Ｏ３−ＣｅＯ２（以下、「ＳＤＣ」と略記する）等が特に好ましい。
【００５４】
ここで、上記ＹＳＺの場合、Ｙ２Ｏ３の割合（Ｙ２Ｏ３の含有量）は、Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２に対して８〜１０モル％であることが好ましい。また、上記ＧＤＣの場合、Ｇｄの割合（Ｇｄの含有量）は、ドープされたＣｅＯ２に対して３〜４０モル％が好ましく、８〜４０モル％がより好ましく、１０〜４０モル％が更に好ましく、１５〜４０モル％であることが特に好ましい。更に、上記ＳｍがドープされたＣｅＯ２の場合、Ｓｍの割合（Ｓｍの含有量）は、ドープされたＣｅＯ２に対して１５〜４０モル％であることが好ましい。また、特に好ましいセリア系固溶体としては、Ｃｅ０．８Ｇｄ０．２Ｏ２−δ（式中、δは酸素欠損量を示す）、Ｃｅ０．６７Ｇｄ０．３３Ｏ２−δ（式中、δは酸素欠損量を示す）等が挙げられる。
【００５５】
また、発電の際に、十分な出力特性を得る観点からは、電気伝導性を有する複合金属酸化物を用いることが好ましい。複合金属酸化物の導電率は、１０００℃において、０．０１〜１０Ｓｃｍ−１であることが特に好ましい。
【００５６】
[[サーメット]]
電池としての優れた出力特性をより確実に得る観点から、アノード材料１１１ｂはサーメットであることが好ましい。サーメットとしては、固体酸化物型燃料電池１４にアノード活物質として一般に用いられているものであれば特に限定はないが、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｗ及びＴａからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属と複合金属酸化物（特に上記複合金属酸化物）とのサーメットが好ましい。発電の際に、十分な出力特性を確実に得る点等からは、ニッケルと複合金属酸化物のサーメット等が好ましいものとして挙げられ、特に、ニッケルと上記した複合金属酸化物とのサーメット等が好ましいものとして挙げられる。
【００５７】
特に好ましくは、出力特性の点で、ニッケルとＹＳＺとのサーメット（以下、「Ｎｉ／ＹＳＺ」と略記する）、ニッケルとＧＤＣとのサーメット（以下、「Ｎｉ／ＧＤＣ」と略記する）、ニッケルとＳｃＳＺとのサーメット（以下、「Ｎｉ／ＳｃＳＺ」と略記する）又はニッケルとＳＤＣとのサーメット（以下、「Ｎｉ／ＳＤＣ」と略記する）である。
【００５８】
また、サーメットにおける金属の体積分率Ｖ１と、複合金属酸化物の体積分率Ｖ２とが下記式で表される条件を満たしていることが、電子伝導性確保の点で好ましい。
０．２≦［Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）］≦０．８
【００５９】
ここで、［Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）］が０．２未満となると、アノード材料１１１ｂ中の電子伝導性が十分に確保できなくなり、固体酸化物型燃料電池１４の出力特性が不十分となる場合がある。また、［Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）］が０．８を超えると、アノード材料１１１ｂ中のイオン伝導性が十分に確保できなくなり、固体酸化物型燃料電池１４の出力特性が不十分となる場合がある。アノード材料１１１ｂ中の電子伝導性とイオン伝導性を共に十分に確保する観点から、［Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）］は０．２〜０．８であることが好ましく、０．３〜０．７であることが特に好ましく、０．４〜０．６が更に好ましい。
【００６０】
具体的には、Ｎｉ／ＹＳＺ、Ｎｉ／ＧＤＣ、Ｎｉ／ＳｃＳＺ、又はＮｉ／ＳＤＣにおいて、体積分率の比としてＮｉ／（かかる複合金属酸化物＋Ｎｉ）の値が、上記値の範囲に入っているものが好ましい。
【００６１】
[[電気伝導性を有する複合金属酸化物]]
ここで、アノード材料１１１ｂがサーメットのような金属粒子若しくは合金粒子を含む材料であると、アノード１１１中の金属が、カーバイドやカーボンウィスカーを生成させる原因になり、長期的な電極劣化の要因となる場合がある。すなわち、金属に溶解した炭素が析出して成長する際に金属粒子を電極のフレーム構造から脱落させてしまい、それが電極劣化の要因となる場合がある。また、酸化還元サイクル時の金属粒子の体積膨張・収縮により、それが電極劣化の要因となる場合がある。したがって、アノード材料１１１ｂとして、上記サーメットに代えて、電気伝導性を有する複合金属酸化物を用いることも好ましい。
【００６２】
電極劣化の原因となる金属粒子若しくは合金粒子を含むサーメットに代えて、アノード材料１１１ｂのうちの少なくとも１種のアノード材料に電気伝導性を有する複合金属酸化物を用いることによって、上記電極劣化の要因が解消され、ＲＤＣＦＣの運転時にアノード１１１の劣化を抑制し、酸化還元サイクル特性を向上させ、高出力を安定的に維持させることができる。アノード材料１１１ｂに電気伝導性を有する複合金属酸化物を含むことが好ましい。ここで、「電気伝導性を有する」とは、運転温度において電気伝導度が１０−４Ｓｃｍ−１以上であることを意味する。
【００６３】
ここで、前記した電極劣化を生じない範囲においては金属を含有していてもよく、本発明は、アノード材料１１１ｂの組成から、少量の「金属粒子若しくは合金粒子」の含有を排除するものではない。アノード材料１１１ｂ全体中に含有される「金属粒子若しくは合金粒子」は合計で１０質量％以下が好ましく、５質量％以下がより好ましく、２質量％以下が特に好ましく、金属粒子も合金粒子も含まれていないことが更に好ましい。
【００６４】
上記の「電気伝導性を有する複合金属酸化物」の電気伝導度は、運転温度において１０−２Ｓｃｍ−１以上であることが好ましく、１０−１Ｓｃｍ−１以上であることが特に好ましい。ここで、「電気伝導」とは、電子伝導、ホール伝導、酸化物イオン伝導及びプロトン伝導のうちの少なくとも１つからなる電気伝導、すなわち、それらのうちの１つ又は２つ以上が組み合わされた電気伝導を意味する。電気伝導度が低過ぎると、十分な出力特性が得られない場合がある。
【００６５】
アノード１１１は、金属粒子も合金粒子も含有していないか、又は、それらによる３次元的ネットワークが形成されない範囲を上限として金属粒子若しくは合金粒子を含有していることが好ましい。「３次元的ネットワーク」とは、アノード１１１の厚さ方向にそれのみを通して電気伝導が可能の状態（通じる状態）をいう。金属粒子若しくは合金粒子による３次元的ネットワークが形成されていると、酸化と還元の繰り返しで、アノード材料１１１ｂが体積膨張と体積収縮を繰り返す結果、アノード１１１が劣化する場合がある。
【００６６】
また、アノード材料１１１ｂに用いられる電気伝導性を有する複合金属酸化物は、それ自体で、３次元的ネットワークを形成していること、すなわち複合金属酸化物自体で、電子伝導可能な３次元的ネットワークを形成していることが、良好な電気伝導性を実現し、結果として十分な出力特性が得られる点で好ましい。
【００６７】
アノード材料１１１ｂに用いられる電気伝導性を有する複合金属酸化物は、少なくともそのうちの１種は、ペロブスカイト型結晶構造、パイロクロア型結晶構造又はフルオライト型結晶構造を有する複合金属酸化物よりなることが好ましい。
【００６８】
ペロブスカイト型結晶構造を有する複合金属酸化物とは、いわゆるペロブスカイト型の結晶構造をとる複合金属酸化物をいい、下記一般式（Ｇ）で表わされる複合金属酸化物が好ましい。
Ａ１±ａＢ１±ｂＯ３−δ （Ｇ）
［組成式（Ｇ）中、Ａは、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｙ、Ｂａ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｋ、Ｎａ、Ｓｍ、Ｐｂ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｓ、Ｒｂ、Ｔｌ、Ｃｄ、Ｅｕ、Ｍｇ、Ｄｙ、Ｌｉ及びＨｏからなる群より選ばれる少なくとも１種を示し、Ｂは、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｙｂ、Ｙ、Ｎｂ、Ｉ、Ｎｉ、Ｓｒ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃａ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｈ、Ｕ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｌｕ、Ｔｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｔｒ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｐａ、Ｉｎ、Ｒｅ及びＥｒからなる群より選ばれる少なくとも１種を示し、０≦ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．２であり、δは酸素欠損量である。］
【００６９】
このうち、ＬａＭｎＯ３、ＬａＣｏＯ３、ＬａＣｒＯ３等を母体とする物質がより好ましく、例えば、（ＬａＳｒ）ＭｎＯ３系の複合金属酸化物（本発明では、これを「ＬＳＭ」と略記する）、（ＬａＳｒ）ＣｏＯ３系の複合金属酸化物（本発明では、これを「ＬＳＣ」と略記する）が特に好ましいものとして挙げられる。
【００７０】
また、組成式（Ｇ）において、Ｂが、ＭｎをＢ全体に対して５０モル％以上含有するものであることが、前記効果をより奏するために好ましい。また、組成式（Ｇ）において、Ｂが、ＣｏをＢ全体に対して５０モル％以上含有するものであること、又は、Ｂが、ＣｏとＦｅを、それらの合計でＢ全体に対して５０モル％以上含有するものであることが、前記効果を奏するために好ましい。
【００７１】
そのほかのペロブスカイト型結晶構造を有する複合金属酸化物は、一般式、Ａ（Ｂ１−ｘＭｘ）１±ａＯ３−δ［式中、０≦ｘ≦０．８、０≦ａ≦０．２である］において、ＡはＢａ、Ｓｒ、Ｃａ等の２価のカチオンから少なくとも１種が選ばれ、ＢはＣｅ、Ｚｒ、Ｔｉ等の４価のカチオンから少なくとも１種が選ばれ、Ｍは３価の希土類、Ｙ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙｂ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ａｌ、Ｇａ等から少なくとも１種が選ばれる。
【００７２】
例えば、Ｂａ（Ｃｅ１−ｘＧｄｘ）１±ａＯ３［式中、０≦ｘ≦０．８、０≦ａ≦０．２である］、Ｃａ（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）１±ａＯ３［式中、０≦ｘ≦０．８、０≦ａ≦０．２である］、Ｓｒ（Ｃｅ１−ｘＹｂｘ）１±ａＯ３（式中、０≦ｘ≦０．８、０≦ａ≦０．２である）、Ｓｒ（Ｚｒ１−ｘＹｘ）１±ａＯ３（式中、０≦ｘ≦０．８、０≦ａ≦０．２である）、Ｓｒ（Ｚｒ１−ｘＳｃｘ）１±ａＯ３（式中、０≦ｘ≦０．８、０≦ａ≦０．２である）等で表されるものも好ましい。具体的には、ＢａＣｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ３、ＣａＡｌ０．７Ｔｉ０．３Ｏ３、ＳｒＣｅ０．９５Ｙｂ０．０５Ｏ３、ＳｒＺｒ０．９５Ｙ０．０５Ｏ３、ＳｒＺｒ０．９Ｓｃ０．１Ｏ３等が挙げられる。
【００７３】
一般式、Ｌａ１−ｘＳｒｘＧａ１−ｙ−ｚＭｇｙＭｚＯ３［式中、Ｍは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ又はＣｕの何れか１種以上の元素を示し、ｘ＝０．０５〜０．３、ｙ＝０〜０．２９、ｚ＝０．０１〜０．３、ｙ＋ｚ＝０．０２５〜０．３の範囲である。］で表されるランタンガレートも好ましい。具体的には、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．１５Ｃｏ０．０５Ｏ３−δ（式中、δは酸素欠損量を示す）等が挙げられる。
【００７４】
好ましい電気伝導性を有する複合金属酸化物としては、具体的には、例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３、Ｌａ０．８５Ｓｒ０．１５ＭｎＯ３、Ｌａ０．９５Ｓｒ０．０５ＭｎＯ３等の、Ｌａ１−ｂＳｒｂＭｎＯ［ｂは、０≦ｂ≦０．５］で表わされる化合物；Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＣｏＯ３、Ｌａ０．８５Ｓｒ０．１５ＣｏＯ３、Ｌａ０．９５Ｓｒ０．０５ＣｏＯ３等の、Ｌａ１−ｄＳｒｄＭｎＯ３［ｄは、０≦ｄ≦０．５］で表わされる化合物；Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．２Ｃｏ０．８Ｏ３等のＬａ１−ｅＳｒｅＦｅｆＣｏ１−ｆＯ３［ｅは０≦ｅ≦０．５、ｆは０≦ｆ≦１］で表わされる化合物；Ｌａ０．７５Ｓｒ０．２Ｃｒ０．５Ｍｎ０．５Ｏ３等のＬａ１−ｇＳｒｇＣｒ１−ｈＭｎｈＯ３［ｇは０≦ｇ≦０．５、ｈは０≦ｈ≦１］で表わされる化合物；等が挙げられる。
【００７５】
パイロクロア型結晶構造を有する複合金属酸化物とは、いわゆるパイロクロア型の結晶構造をとる複合金属酸化物をいい、Ｌｎ２（（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）２）１±ａＯ７（式中、ＬｎはＳｃ、Ｙ、Ｌａ及び他のランタノイドからなる群より選ばれた１種以上の元素を示し、０≦ｘ≦０．５、０≦ａ≦０．２である）が好ましいものとして挙げられる。具体的には例えば、Ｇｄ２（（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）２）１±ａＯ７（式中、０≦ｘ≦０．５、０≦ａ≦０．２である）、Ｙ２（（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）２）１±ａＯ７（式中、０≦ｘ≦０．５、０≦ａ≦０．２である）等が挙げられる。
【００７６】
フルオライト型結晶構造を有する複合金属酸化物とは、いわゆるフルオライト型の結晶構造をとる複合金属酸化物をいい、その中で好ましいものはセリア系複合金属酸化物で、Ｃｅ１−ｘＭｘＯ２（式中、ＭはＧｄ、Ｌａ、Ｙ、Ｓｃ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｔｂ及び他の２価または３価のランタノイドからなる群から選ばれた1種以上の元素を示し、０≦ｘ≦０．５である）で表されるものである。特に好ましいセリア系複合金属酸化物として、Ｃｅ０．８Ｇｄ０．２Ｏ２−δ（式中、δは酸素欠損量を示す）等が挙げられる。
【００７７】
アノード材料１１１ｂに用いられる電気伝導性を有する複合金属酸化物としては、ペロブスカイト型結晶構造を有する複合金属酸化物が、金属粒子若しくは合金粒子を含有しなくても高い電気伝導性を有し、前記した本発明の効果をより奏する点で特に好ましい。
【００７８】
上記アノード材料１１１ｂが２種以上のアノード材料よりなる複合材料である場合には、上記以外のアノード材料も複合金属酸化物であることが好ましい。更に、アノード１１１においては、少なくとも電子伝導性とホール伝導性のどちらかを有する複合金属酸化物、及び、少なくとも酸化物イオン伝導性とプロトン伝導性のどちらかを有する複合金属酸化物の２種類以上のアノード材料を含有することが好ましい。ここで、「少なくとも電子伝導性とホール伝導性のどちらかを有する」とは、その両方を合わせた電気伝導度が１０−４Ｓｃｍ−１以上であることをいい、「少なくとも酸化物イオン伝導性とプロトン伝導性のどちらかを有する」とは、その両方を合わせた電気伝導度が１０−４Ｓｃｍ−１以上であることをいう。
【００７９】
本発明における好ましいアノード材料１１１ｂとしては、比較的高い電子伝導性と酸化物イオン伝導性の両方を有するという点で、ＬＳＭとＧＤＣの複合材料であるＬＳＭ／ＧＤＣ、ＬＳＣ単独、ＬＳＣとＧＤＣの複合材料であるＬＳＣ／ＧＤＣ等が挙げられる。また、電子伝導性とプロトン伝導性の両方を有するという点で、ＬＳＭとＳｒＣｅ１−ｉＹｂｉＯ３（ｉは、０≦ｉ≦１）（以下、「ＳＣＹｂ」と略記する）の複合材料であるＬＳＭ／ＳＣＹｂ、ＬＳＣとＳＣＹｂの複合材料であるＬＳＣ／ＳＣＹｂ等が挙げられる。また、電子伝導性と酸化物イオン伝導性に加えてプロトン伝導性を有するという点で、（ＬＳＭ若しくはＬＳＣ）とＧＤＣとＳＣＹｂの複合材料である（ＬＳＭ若しくはＬＳＣ）／ＧＤＣ／ＳＣＹｂ等が挙げられる。
【００８０】
［膜厚］
アノード材料１１１ｂの膜厚は特に限定はないが、通常１０μｍ〜５ｍｍであり、好ましくは２０μｍ〜１ｍｍ、より好ましくは３０μｍ〜７００μｍ、更に好ましくは４０μｍ〜４００μｍ、最も好ましくは５０μｍ〜１５０μｍである。膜厚は、触針タイプの表面粗さ計、又はＳＥＭによる断面観察で測定してもよい。
【００８１】
なお、ここで言及したアノード１１１（燃料極）の最適な厚さは、空孔度によって変わる。すなわち、空孔度はアノード１１１への気体の拡散のしやすさや、発生した一酸化炭素（ＣＯ）ガスの実効反応サイトへの移動しやすさに影響するため、空孔度が変わると厚さの最適条件は変わることがある。したがって、得られたアノード１１１の空孔度に合わせて適宜アノード１１１の膜厚は決定することが好ましい。
【００８２】
［発電開始剤］
本発明の排気ガス浄化システムには電気化学リアクター１４が必須であるが、そこから発生する電気を使用するか否かにかかわらず、電気化学リアクター１４は発電する場合がある。従って、その場合には、電気化学リアクター１４の運転を開始することを、「電気化学リアクター１４の発電を開始する」という場合がある。本発明の排気ガス浄化システムにおいては、燃料として供給した粒子状物質中の固体炭素に、一酸化炭素又は二酸化炭素である「発電開始剤」を供給することで、電気化学リアクターの運転を開始させることが好ましい。本発明の排気ガス浄化システムの使用に際しては、アノード１１１に発電開始剤を供給することで発電を開始、すなわち排気ガス浄化システムの稼働を開始させることが、初期の特性が安定し易い点で好ましい。ここで、「発電開始剤」とは、一酸化炭素又は二酸化炭素をいう。発電開始剤導入工程においては、発電開始剤を供給し、一酸化炭素又は二酸化炭素である発電開始剤を、隔室５に存在する固体炭素１０２に接触させる。
【００８３】
発電開始剤の導入手段については特に限定はなく、発電開始剤導入管の先端が、発電開始剤がアノード１１１に到達するような位置に配置されていれば、アノード１１１側のどの位置に配置されていてもよい。
【００８４】
［アノードの機構、構造、物性等］
本発明の排気ガス浄化システム稼働時、態様１においては発電時には、サイクロン捕集器２から隔室５に供給された固体炭素１０２を使用し、少なくとも後記する反応式（１）及び反応式（２）により電子を発生させる。また同時に、カソード１３１では、酸化性ガスに電子を供与し、イオン化した酸化物イオン（Ｏ２−）を電解質１２１に注入する。
【００８５】
本発明における電気化学リアクター１４（本発明の態様１における固体酸化物型燃料電池、及び本発明の態様２における固体酸化物型処理装置）の大きさは特に限定はないが、１ｃｍ３〜５００ｍ３であることが好ましく、１０００ｃｍ３〜５００００ｃｍ３であることが特に好ましい。
【００８６】
本発明の態様１における固体酸化物型燃料電池１４の発電時の出力は特に限定はないが、０．００１ｋＷ〜５００ｋＷが好ましく、０．０１ｋＷ〜１００ｋＷであることが特に好ましく、０．０１ｋＷ〜１０ｋＷであることが更に好ましい。上記大きさの場合に上記出力を発生できる。
【００８７】
アノード１１１のアノード集電体１１１ａの構成材料は電子伝導性を有し、かつ固体酸化物型燃料電池１４の作動温度領域において化学的及び物理的に安定であるものであればその形状及び構成材料は特に限定されず、公知の固体酸化物型燃料電池１４に備えられているものと同様のものを使用することができる。６００℃〜１２００℃で化学的及び物理的に安定であるものが好ましい。
【００８８】
このアノード集電体１１１ａは、電気化学リアクター１４を複数積層して使用する場合には、各単位セル間に配置されるセパレータとしての機能をも果たすものである。
【００８９】
また、アノード１１１には、ガスの供給口（図示せず）及び放出口（図示せず）、並びに、これらの供給口と放出口とに接続されたガスの内部流路（図示せず）が設けられていてもよい。本発明における電気化学リアクター１４は、一般の公知の燃料電池とは燃料の種類、使用方法、原理等は異なるが、ガスの供給口及び放出口並びにこれらの供給口と放出口とに接続されたガスの内部流路等の機械的外部構造については、一般の公知の燃料電池の構造と同様のものが使用できる。
【００９０】
本発明における電気化学リアクター１４では、アノード１１１に対し反応生成ガスを外部に放出させるためのキャリアガスを実質的に導入しないことが好ましい。後述するように、キャリアガスを実質的に導入しないと、アノード１１１において反応式（１）で示される反応がより効率的に起こるので好ましい。またこれにより、装置構成をより極めてコンパクトにできる。
【００９１】
＜＜カソード＞＞
発電時には、カソード１３１には、「酸化剤（例えば酸素）を含むガス」（例えば空気）が供給され、カソード材料１３１ｂは、酸化剤の還元反応が進行する反応場となるものである。カソード材料１３１ｂの組成や形状については特に限定されず、公知の固体酸化物型燃料電池１４に備えられているカソード１３１に一般に使用されているものと同様のものを使用することができる。例えば、（ＬａＳｒ）ＭｎＯ３系、（ＬａＳｒ）ＣｏＯ３系の複合金属酸化物からなる材料等を好ましく使用することができる。特に好ましくは、例えば、Ｌａ０．８５Ｓｒ０．１５ＭｎＯ３ 等が挙げられる。
【００９２】
カソード１３１のカソード集電体１３１ａの構成は、先に述べたアノード１１１のアノード集電体１１１ａと同様であり、構成材料及び形状については特に限定されず、公知の固体酸化物型燃料電池１４に備えられているものと同様のものを使用することができる。なお、カソード集電体１３１ａには、空気等の酸化剤を含むガスをカソード材料１３１ｂに供給するためのガス流路（図示せず）が形成されている。また、このカソード集電体１３１ａは、固体酸化物型燃料電池１４を複数積層して使用する場合には、各単位セル間に配置されるセパレータとしての機能をも果たすものである。
【００９３】
＜＜電解質＞＞
電解質１２１は、イオン伝導性の固体酸化物を含む。電解質１２１は、酸化物イオン（Ｏ２−）の移動媒体であると同時に、還元剤（先に述べた固体炭素１０２）と酸化剤を含むガス（例えば空気）を直接接触させないための隔壁としても機能し、ガス不透過性の緻密な構造を有している。この電解質１２１の構成材料は特に限定されず、公知の固体酸化物型燃料電池１４に用いられる材料を使用することができるが、酸化物イオンの伝導性が高く、カソード１３１側の酸化性雰囲気からアノード１１１側の還元性雰囲気までの条件下で、化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成することが好ましい。
【００９４】
かかる要件を満たす材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、
スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等の安定化ジルコニア；ランタンガレート；セリア系固溶体等が好ましいものとして挙げられる。
【００９５】
安定化ジルコニアは特に限定はないが、下記一般式
（ＺｒＯ２）１−ｘ（Ｍ２Ｏ３）ｘ
［式中、ＭはＹ、Ｓｃ、Ｓｍ、Ａｌ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｙｂ及びＣｅからなる群より選ばれた１種以上の元素を示す。ただしここで、ＭがＣｅの場合はＭ２Ｏ３の代わりにＣｅＯ２である。］、又は、下記一般式
（ＺｒＯ２）１−ｘ（ＭＯ）ｘ
［式中、ＭはＣａ及びＭｇからなる群より選ばれた１種以上の元素を示す］における、ｘが０＜ｘ≦０．３である固溶体が好ましい。特に好ましいものとしては、例えば、（ＺｒＯ２）１−ｘ（Ｙ２Ｏ３）ｘ（式中、０＜ｘ≦０．３）等が挙げられ、より好ましくは、式中、０．０８≦ｘ≦０．１である。また、更に好ましいものとしては（ＺｒＯ２）０．９２（Ｙ２Ｏ３）０．０８等が挙げられる。
【００９６】
なお、例えば「式中、Ａは、Ｑ、Ｒ及びＴからなる群から選ばれた１種以上の元素を示す」という表現は、式中、ＡがＱである固溶体とＡがＲである固溶体の混合でもよいことを示すだけではなく、ＡとしてＱとＲとを同時に結晶サイトに有する固溶体をも示すものとする。以下、同様である。
【００９７】
ランタンガレートは特に限定はないが、一般式、Ｌａ１−ｘＳｒｘＧａ１−ｙ−ｚＭｇｙＡｚＯ３（式中、ＡはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ又はＣｕの何れか１種以上の元素を示し、ｘ＝０．０５〜０．３、ｙ＝０〜０．２９、ｚ＝０．０１〜０．３、ｙ＋ｚ＝０．０２５〜０．３の範囲である）で表される固溶体が好ましい。具体的には、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．１５Ｃｏ０．０５Ｏ３−δ（式中、δは酸素欠損量を示す）等が挙げられる。
【００９８】
セリア系固溶体は特に限定はないが、Ｃｅ１−ｘＭｘＯ２（式中、ＭはＧｄ、Ｌａ、Ｙ、Ｓｃ、Ｓｍ、Ａｌ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｔｂ、及び他の２価又は３価のランタノイドからなる群から選ばれた１種以上の元素を示す）における、ｘが０＜ｘ≦０．５である固溶体が好ましい。中でも、ＭがＧｄであるＣｅ１−ｘＧｄｘＯ２（式中、０＜ｘ≦０．５）、又は、ＭがＳｍであるＣｅ１−ｘＳｍｘＯ２（式中、０＜ｘ≦０．５）がより好ましく、何れの式においても、式中、０．０３≦ｘ≦０．４が特に好ましく、０．０８≦ｘ≦０．４が更に好ましく、０．１≦ｘ≦０．４が最も好ましい。また、特に好ましいセリア系固溶体としては、Ｃｅ０．８Ｇｄ０．２Ｏ２−δ（式中、δは酸素欠損量を示す）、Ｃｅ０．６７Ｇｄ０．３３Ｏ２−δ（式中、δは酸素欠損量を示す）、Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ２−δ（式中、δは酸素欠損量を示す）等が挙げられる。特に、ＧＤＣを電解質１２１の材料として用いると、発電時の温度が７５０℃以下であっても、出力密度を充分大きくできるので好ましい。
【００９９】
また、排気ガス浄化システムの稼働の際に、十分な出力特性を得る観点からは、かかる複合金属酸化物の導電率は、１０００℃において、０．０１〜１０Ｓｃｍ−１であることが好ましい。
【０１００】
＜電気化学リアクターの製造方法＞
本発明における電気化学リアクター１４の製造方法は特に限定されず、公知の固体酸化物燃料電池の製造に適用されている公知の薄膜製造技術等を使用することができる。例えば、スキージ法、スクリーンプリンティング法、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等のＰＶＤ法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、レーザーＣＶＤ法等のＣＶＤ法、溶射法等が挙げられる。
【０１０１】
例えば、電解質１２１を形成する方法としては、例えば、公知のセラミックプロセスであるシート成形焼結法を例示することができる。より具体的には、原料及び溶媒を混合することによって得たスラリーをシート状に延ばし、乾燥させた後に、必要に応じてカッターナイフ等を用いて成形し焼成する。スラリーには、必要に応じて、バインダー、可塑剤、分散剤等の公知の添加剤を配合させてもよい。成形、焼成等の条件は、原料の組成に応じて適宜設定することができる。また、先に述べたＰＶＤ法、ＣＶＤ法、溶射法等の薄膜形成法により、例えば、アノード１１１又はカソード１３１上に電解質１２１の層を形成することもできる。
【０１０２】
＜運転方法＞
本発明の排気ガス浄化システムの運転方法は、要すれば前記した一酸化炭素等の発電開始剤を隔室５の固体炭素１０２に供給して電池反応を開始させる工程後、カソード１３１に空気等の酸化剤を含むガスを供給し、サイクロン捕集器２から供給される固体炭素１０２を還元剤として発電（固体炭素１０２を除去）する工程とを少なくとも含む方法であれば特に限定されない。通常、発電開始剤を導入して電池反応が開始され、固体炭素１０２がサイクロン捕集器２から供給され続ける限り、連続的な運転が可能である。
【０１０３】
発電開始剤導入方法については、特に限定されるものではなく、隔室５の固体炭素１０２へ極少量の一酸化炭素又は二酸化炭素を瞬間的に流せばよい。反応開始剤の流入量は、電池反応が開始するのに十分量であればよく特に限定されない。
【０１０４】
固体炭素１０２は炭素を含有するものをいい、ここで「炭素」とは無定形炭素、グラファイト等の単体炭素をいう。固体炭素１０２は、内燃機関から排出される排気ガスＨ中に含まれる粒子状物質に含有されるものであれば具体的には特に限定はない。
【０１０５】
本発明の排気ガス浄化システムの態様１における固体酸化物型燃料電池１４の発電方法においては、発電開始直後、電流密度をその初期値から増加させながら運転させることが、安定した発電と排気ガス浄化のために好ましい。発電開始直後、徐々に電流密度を上げることが特に好ましい。「徐々に電流密度を上げる」とは、通常、毎分当り０．００８ｍＡ／ｃｍ２〜２ｍＡ／ｃｍ２で増加させることをいい、特に好ましくは、毎分当り０．０１６ｍＡ／ｃｍ２〜１ｍＡ／ｃｍ２である。かかる範囲を外れると、初期の発電特性が安定しない場合がある。
【０１０６】
以上、本発明における電気化学リアクター１４の好適な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い。
【０１０７】
本発明の態様１においては、隔室５中に移動してきた固体炭素１０２を、発電によって発生した二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、当該一酸化炭素を酸化することにより発電する。特に、発電時にアノード１１１において、少なくとも、下記の反応式（１）及び（２）を利用して発電を行う。
ＣＯ２＋Ｃ → ２ＣＯ （１）
ＣＯ＋Ｏ２− → ＣＯ２＋２ｅ− （２）
【０１０８】
反応式（１）を利用することで、アノード１１１の近傍に供給される固体炭素１０２を、気体のＣＯに変換して燃料として消費するので、発電時において固体炭素１０２の存在位置の影響を極めて小さくすることが可能になる。つまり、公知の固体酸化物型燃料電池１４では、一般的に電解質１２１の表面に近いところでの電極反応ほど発電への寄与が大きいので、電解質１２１の表面から遠いところに分布する固体炭素１０２は消費され難い。そのため、本発明においては、反応式（１）で示される反応が起きない場合と比べて、高い燃料利用率が得られ、アノード１１１から離れた位置に固体炭素１０２が供給されても発電が可能になる。
【０１０９】
「アノード１１１の上に積み重ねられた固体炭素」のように、アノード１１１から離れた位置に固体炭素１０２が存在していても発電及び該固体炭素１０２の除去が可能になったために、サイクロン捕集器２で捕集された粒子状物質を一旦仕切板３で仕切られた側に保持し、間欠的に、併設された電気化学リアクター１４の隔室５に該粒子状物質を供給して電気化学的に除去するという、簡便で連続的な排気ガスＨの浄化が可能になった。
【０１１０】
加えて、反応式（２）によるＣＯの酸化反応は、下記反応式（３）又は反応式（４）による固体炭素１０２の酸化反応よりも反応速度が大きいため、高い出力密度が得られる。反応式（２）を支配的に起こすには、例えば、反応生成ガスによる圧力上昇分以上はアノード１１１外部に反応生成ガスを放出させないようにして、反応式（１）や反応式（３）で生成した一酸化炭素（ＣＯ）をアノード１１１に滞留する時間を長くすることや、系外から流入する酸素によって起こる一酸化炭素（ＣＯ）の酸化による消費を抑えること等が挙げられる。
Ｃ＋Ｏ２− → ＣＯ＋２ｅ− （３）
Ｃ＋２Ｏ２− → ＣＯ２＋４ｅ− （４）
【０１１１】
本発明においては、反応式（２）で消費される一酸化炭素（ＣＯ）の５０モル％以上が反応式（１）で生成されることが好ましい。すなわち、発電時に消費される一酸化炭素の５０モル％以上が、固体炭素１０２と二酸化炭素との反応により生じた一酸化炭素であることが好ましい。特に好ましくは６０モル％以上、更に好ましくは７０モル％以上である。
【０１１２】
また、本発明においては、電荷移動量の５０％以上が、固体炭素１０２と二酸化炭素との反応により得られた一酸化炭素の酸化に起因することが好ましい。
【０１１３】
反応式（２）を支配的に起こす手段としては、反応式（１）や反応式（３）で生成したＣＯをアノード１１１に滞留する時間を長くさせることや、系外から流入する酸素によって起こるＣＯの酸化による消費を抑えるために、酸素の流入を遮断すること等が挙げられる。常法のようにアノード１１１にキャリアガスを流すと、反応式（２）は殆ど起こらない。
【０１１４】
アノード１１１において反応式（１）で示される反応を起こすためには、電極反応（２）及び／又は（４）で生成したＣＯ２をアノード１１１中に長く滞留させることが大事であり、そのために発電時のキャリアガスの導入をなくすことが好ましい。キャリアガスの導入をなくすためには、系外からの空気つまりは酸素の漏れこみを、シール性能を向上する等して、極力少なくし、酸素分圧の上昇による電圧低下を防ぐことが好ましい。
【０１１５】
カソード１３１に供給する酸化剤を含むガスは、入手容易性から空気であることが好ましい。また、同様の観点から、酸化剤は酸素であることが好ましい。また、態様１で発電時における固体酸化物型燃料電池１４の電荷移動量や出力密度を向上させる観点から、アノード１１１に、該アノード１１１における反応生成ガスを外部に放出させるためのキャリアガスを供給しないことが好ましい。
【０１１６】
本発明の排気ガス浄化システム稼働時の温度は４００〜１０００℃が好ましく、４５０〜９００℃がより好ましく、５００〜７５０℃が特に好ましい。温度が低すぎると反応式（１）が進行しにくくなることや、セル（電極及び電解質）の抵抗が大きくなるために、出力密度が低下する場合がある。一方、高すぎると、セルや周辺部材の劣化が早まる場合がある。
【０１１７】
本発明の態様１では、発電時の温度７５０℃以下で、出力密度が５０（ｍＷ／ｃｍ２）以上にすることができる。また、出力密度が５０（ｍＷ／ｃｍ２）以上になるように、組成、構造、設定等が調整された固体酸化物型燃料電池１４が好ましい。特に、電解質１２１としてＧＤＣを用いることによって、発電時の温度が７５０℃以下であっても、出力密度を５０（ｍＷ／ｃｍ２）以上にすることができる。
【０１１８】
また、本発明の態様１では、電流密度９．３ｍＡ／ｃｍ２で発電したときの燃料利用効率を６０％以上にできる。また、燃料利用効率６０％以上になるように、組成、構造、設定等が調整された固体酸化物型燃料電池１４が好ましい。ここで「燃料利用効率」とは、アノード材料１１１ｂ近傍に供給した固体炭素１０２中の炭素に対する、反応式（４）を仮定し電荷移動量から計算した消費炭素量の割合である。
【０１１９】
また、本発明の態様１では、電流密度８０ｍＡ／ｃｍ２で発電したときの燃料利用効率を２０％以上にできる。また、燃料利用効率２０％以上になるように、組成、構造、設定等が調整された固体酸化物型燃料電池１４が好ましい。特に好ましくは３０％以上、更に好ましくは４０％以上である。
【０１２０】
具体的には、上記したように、系外からの空気すなわち酸素の漏れこみを、シール性能を向上する等して極力少なくしたり、アノード１１１の大気への開口径を小さくしたりして大気からアノード１１１への酸素の流入を抑制して、反応式（１）及び／又は反応式（２）における一酸化炭素（ＣＯ）について損失を軽減することによって実現される。
【実施例】
【０１２１】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【０１２２】
実施例１
電解質として、厚さ０．３ｍｍのＳｃＳＺ（１０モル％のＳｃ２Ｏ３と１モル％のＣｅＯ２がドープされたＺｒＯ２）ディスクを使用し、アノード材料には、Ｎｉ／ＧＤＣ（ＧｄがドープされたＣｅＯ２）多孔質サーメットを、カソード材料にはＬａ０．８５Ｓｒ０．１５ＭｎＯ３多孔質膜を用いた。アノードの厚さは５０μｍであった。なお、構成と製造方法は、一般的な固体酸化物型燃料電池の構成と製造方法に従った。すなわち、アノード材料及びカソード材料の粉体を溶媒に分散し、有機バインダー等を添加してスラリーを調製した。次いで、当該スラリーをドクターブレード法でディスクに塗布し、焼成して固体酸化物型燃料電池を作成した。
【０１２３】
このようにして、図５に示したような固体酸化物型燃料電池を作製した。排気ガス中に含まれる粒子状物質を燃料として消費（除去）して発電することを確認するため、排気ガス中に含まれる粒子状物質の擬似物質としてカーボンブラック（三菱化学社製「ＭＡ７」）（以下、「ＣＢ」と略記する）を用い、燃料室に２８．３ｍｇのＣＢを充填した。
【０１２４】
本実施例では、燃料室にＣＢを直接供給したが、上記で得られた固体酸化物型燃料電池を電気化学リアクターとして用いれば、サイクロン捕集器で捕集した内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質に含有される固体炭素を燃料として稼働し、かつ該粒子状物質を処理（除去）できる。
【０１２５】
その後、アノードに純アルゴン（Ａｒ）を、２０２ＳＴＰｍＬ／分で約１時間供給し、Ｏ２等の残留ガスを十分排気した。処理中は、カソード側に純酸素を酸化剤として供給した。セルのシールを確実にし、アノードから３．５ｍの１／８インチステンレス管をつなぎ、ガスクロマトグラフ装置を挟んで５ｍのビニルチューブ（内径８ｍｍ）で外に排気した。
【０１２６】
９００℃で、電流をある一定電流密度に調整した場合の発電をおこない、それぞれの電量密度における端子電圧の経時変化をモニターした。電流密度３３．０ｍＡ／ｃｍ２の時に最大出力密度２０．３ｍＷ／ｃｍ２が得られた。従って、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質中の固体炭素でも同様に消費して発電できることが示された。また、排気ガス中に含まれる粒子状物質中の固体炭素が除去され、排気ガスを浄化できることが示された。
【０１２７】
上記と同様の固体酸化物型燃料電池を電気化学リアクターとして用い、更に電気集塵機を備えた装置を用い、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を処理すると、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質中の固体炭素を消費して発電できる。また、排気ガス中に含まれる粒子状物質中の固体炭素が除去され、排気ガスを浄化できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明は、内燃機関から排出される排ガス中に含まれる粒子状物質の除去が可能であるので、ディーゼルエンジン、ガスタービンエンジン等の内燃機関を用いる分野に、広く利用されるものである。
【符号の説明】
【０１２９】
１ 吸気管
２ サイクロン捕集器
３ 仕切板
４ ＤＰＦ（Diesel particulate filter）
５ 隔室
１１ 排気管
１３ 酸素供給管
１４ 電気化学リアクター
（態様１では固体酸化物型燃料電池、態様２では固体酸化物型処理装置）
１５ リード線
１６ 放電電極
１７ 集塵電極
１８ 直流電源
１９ スイッチ
１００ 排気ガス浄化システム
１０２ 固体炭素
１０３ 二酸化炭素（ＣＯ２）排出口
１１１ アノード
１１１ａ アノード集電体
１１１ｂ アノード材料
１２１ 電解質
１２２ 外部制御回路
１２３ 電気回路
１３１ カソード
１３１ａ カソード集電体
１３１ｂ カソード材料
Ｈ 排気ガス
Ｅ 内燃機関
Ｄ 電気集塵機
Ｃ 自動車
【技術分野】
【０００１】
本発明は排気ガス浄化システムに関し、更に詳しくは、排気ガス中の固体炭素をアノード側に供給して電気化学的に処理する排気ガス浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン伝導性を有する固体電解質を用い、アノード材料にディーゼル微粒子等の未燃焼微粒子を堆積させ、両電極間に外部から電圧を印加して、未燃焼微粒子中に含まれる固体炭素を電気化学的に除去する浄化装置が知られている（特許文献１〜５）。かかる浄化装置は、外部から電圧を印加することによって、酸素イオン等をアノード側に移動させ、アノード材料の上に堆積されている固体炭素と電気化学的に反応させ、固体炭素を酸化させて除去するというものであり、固体電解質としては、ジルコニア、セリア等の金属酸化物が用いられている。
【０００３】
しかしながら、これらの浄化装置には、外部から常に電圧を印加する必要があり、装置自体が発電する可能性は全くなく、むしろ電気エネルギーを消費するものであった。また、固体炭素をアノード材料に接触させるようにアノードに堆積させ、固体炭素と共にアノードを形成させ、そこに電圧を印加させることが必須であった。従って、上記文献に記載の技術では、微粒子はアノード材料に直接堆積させる必要があるので、一旦捕捉した微粒子をアノード側に移動させる手段については勿論のこと、捕捉した微粒子を浄化装置に移動させる手段について検討されたものはなかった。
【０００４】
一方、特許文献６には、メタン、プロパン等の有機化合物をアノードに導入し、該有機化合物の熱分解反応によって、アノード材料に固体炭素を担持させ、かかる「アノード材料に担持された固体炭素」を二酸化炭素と反応させて気体の一酸化炭素に変換し、当該気体の一酸化炭素を酸化することにより発電することを特徴とする固体酸化物型電池の発電方法が記載されている。
【０００５】
この技術は、通常の燃料電池が燃料としてメタンや水素を使用するのに対し、固体炭素を燃料として使用することが特徴であり、アノードに担持された固体炭素が電気化学的に反応して発電するものである。
【０００６】
しかしながら、かかる発電方法は、有機化合物を導入し熱分解反応を進行させて、一旦固体炭素をアノードに担持させる賦活工程等を必須工程として含み、あらかじめ燃料となる固体炭素をアノードに担持させておくことが必要であり、発電途中で固体炭素を補充することができないため、連続的に燃料電池反応を継続することができず、連続的な作動が求められる発電システムや電気化学リアクターにはそのまま適用することは難しく、実用化の観点からするとその技術価値を十分に発揮させることができなかった。
【０００７】
しかも、特許文献６記載の技術においては、そもそも、燃料として用いる固体炭素は、排気ガス中の粒子状物質に含まれるものではなく、賦活工程でアノードに導入された有機化合物ガスの熱分解により生じさせたものであり、排気ガスを浄化させるものではなかった。また、アノード材料に固体炭素を直接担持させるので、捕捉された微粒子（固体炭素）をアノード側に移動させる手段については勿論のこと、捕捉された微粒子（固体炭素）を装置（固体酸化物型電池等の電気化学リアクター）に移動させる手段についても、その必要がないので検討されていなかった。
【０００８】
近年、環境問題が深刻化しており、内燃機関から排出される排気ガスの優れた浄化システムの開発が望まれている。また、有機資源の枯渇も深刻化しており、効率的な発電システムの開発も望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１９８５６３号公報
【特許文献２】特開２００６−２００５２０号公報
【特許文献３】特開２００６−２９９８５７号公報
【特許文献４】特開２００８−１１９６１８号公報
【特許文献５】特開２００８−２３７９６９号公報
【特許文献６】特開２００８−１９８５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記背景技術に鑑みてなされたものであり、その課題は、処理中に電極に電圧を印加することなく排気ガス中に含まれる粒子状物質を処理する排気ガス浄化システムを提供することであり、また、固体炭素を燃料として発電しつつ、排気ガス中に含まれる固体炭素を処理する排気ガス浄化システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、装置構成として少なくとも固体炭素を格納するための隔室を設け、該隔室に存在する固体炭素を二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、当該一酸化炭素を酸化することにより発電させる処理方法を採れば、該固体炭素が燃料として消費され、結果として連続的な発電が可能であると共に、連続的な粒子状物質の電気化学的除去が可能であることを見出した。また、固体炭素がアノードに直接担持されておらず、アノードから離れていても、アノード側に設けられた隔室に格納されてさえいれば、発電と粒子状物質の電気化学的除去が可能であることを見出した。
【００１２】
そして、更に、かかる電気化学リアクターにおいては、上記したように固体炭素をアノード材料に直接担持させておく必要がないので、サイクロン捕集器で捕集された「固体炭素を含む粒子状物質」を、途切れることなく電気化学リアクターのアノード側に供給しさえすれば、定常的に処理（発電及び／又は粒子状物質の除去）ができることを見出して本発明に到った。
【００１３】
すなわち、本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するサイクロン捕集器を備える排気ガス浄化システムであって、前記サイクロン捕集器により捕集した粒子状物質をサイクロン捕集器に併設された隔室にある電気化学リアクターに供給し、前記電気化学リアクターが、供給された粒子状物質を電気化学的に除去することを特徴とする排気ガス浄化システムを提供するものである。
【００１４】
また、本発明は、上記電気化学リアクターが上記粒子状物質を燃料とする固体酸化物型燃料電池であって、該固体酸化物型燃料電池が、複合金属酸化物を含むアノード材料を有するアノード、カソード材料を有するカソード、及びアノードとカソードとの間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物を含む電解質を少なくとも有し、該粒子状物質中の固体炭素を、発電によって発生した二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、当該一酸化炭素を酸化することにより発電するものであることを特徴とする上記の排気ガス浄化システムを提供するものである。以下、この発明を「態様１」とする。
【００１５】
また、本発明は、上記電気化学リアクターが固体酸化物型処理装置であって、該固体酸化物型処理装置が、アノード材料を有するアノード、カソード材料を有するカソード、及びアノードとカソードとの間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物を含む電解質を少なくとも有し、該アノードと該カソードの間に電圧を印加することにより酸素イオンをアノードに移行させ、アノード上で該酸素イオンと上記粒子状物質中の固体炭素とを電気化学的に反応させるものであることを特徴とする上記の排気ガス浄化システムを提供するものである。以下、この発明を「態様２」とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、粒子状物質の捕集部と電気化学リアクターとが独立して配置されており、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を、効率よく簡便に途切れることなく電気化学リアクターのアノード側に供給することが可能である。特に、処理中（システム稼働中）に電極に電圧を印加することなく、排気ガス中に含まれる粒子状物質を処理する排気ガス浄化システムを提供することができる。
【００１７】
また、態様１においては、燃料として、従来の燃料電池のように水素や有機物気体ではなく固体炭素を使用できるので、排気ガス中の粒子状物質に含まれる固体炭素を使用でき、結果として、発電しつつ排気ガス中の粒子状物質に含まれる固体炭素を処理できる。また、連続的に燃料電池反応を継続させて、連続的に排気ガスを浄化することができる。
【００１８】
また、本発明における固体酸化物型燃料電池では、アノードに固体炭素を直接担持しなくても、固体炭素を電気化学的に除去したり、固体炭素を燃料として用いて発電させたりできるので、その特長を生かし、排気ガス中の粒子状物質をサイクロン捕集器で捕集した後、隔室中に存在する固体酸化物型燃料電池のアノードの上（アノード集電体の上でも、アノード材料の上でもよい）に供給することによって、効率よく簡便に途切れることなく電気化学リアクターを稼働させることができ、排気ガスを浄化できる。
【００１９】
また、処理中に電極に電圧を印加することなく、排気ガス中に含まれる粒子状物質を処理する排気ガス浄化システムを提供することができる。すなわち、外部電源等を必要としない自己完結型であり、連続的な粒子状物質除去が可能な電気化学的排気ガス浄化システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の排気ガス浄化システムの基本構成の一例を示す縦断面概念図である。
【図２】本発明の排気ガス浄化システムの基本構成の一例を示す斜視図である。
【図３】本発明に用いられる電気集塵機の一例の断面図である。
【図４】本発明の排気ガス浄化システムの車載配置の一例を示す図である。
【図５】本発明の排気ガス浄化システムに用いられる電気化学リアクターの基本構成の一例を示す模式縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々変形することができる。
【００２２】
［排気ガス浄化システム］
図１は、本発明の排気ガス浄化システムの基本構成の一例を示す縦断面概念図である。また、図２は、本発明の排気ガス浄化システムの基本構成の一例を示す斜視図である。
【００２３】
＜サイクロン捕集器＞
本発明の排気ガス浄化システムは、内燃機関Ｅから排出される排気ガスＨ中に含まれる粒子状物質を捕集するサイクロン捕集器２を備えていることを特徴とする。内燃機関Ｅから排出された排気ガスＨは、吸気管１を通じて該サイクロン捕集器２に送られる。そして、サイクロン捕集器２で捕集された排気ガスＨ中の該粒子状物質は、該サイクロン捕集器２に併設された隔室５にある電気化学リアクター１４に供給されて、該粒子状物質は電気化学的に除去される。粒子状物質が電気化学的に除去された排気ガスＨは、排気管１１を通って大気中に放出される。
【００２４】
本発明においては、上記サイクロン捕集器２と上記隔室５との間に仕切板３が備えられており、該仕切板３のサイクロン捕集器２側に、サイクロン捕集器２で捕集した粒子状物質を一旦貯蔵できるようになっていることが好ましい。サイクロン捕集器２自体の下部等に、直接、電気化学リアクター１４のアノード１１１を設置すると、電気化学リアクター１４（のアノード１１１）の損傷が起き易いが、サイクロン捕集器２と上記隔室５との間に仕切板３が備えられていれば、損傷を防ぐことが可能である。また、本固体酸化物型燃料電池で高い発電特性を得るためには、生成したＣＯやＣＯ２をアノード１１１中に長く滞留させることが重要であり、かつ系外からの空気つまりは酸素の漏れこみを極力少なくする必要がある。従って、サイクロン捕集器２と上記隔室５との間に仕切板３が備えられていれば、シール性能が向上するため、高い発電効率が得られる。
【００２５】
本発明の排気ガス浄化システムでは、特許文献１〜５に記載の公知技術のように、アノード１１１又はアノード材料１１１ｂに直接固体炭素１０２を担持又は堆積させなくても反応が進行するので、一旦仕切板３のサイクロン捕集器２側に貯蔵し、間欠的にまとめて電気化学リアクター１４のアノード１１１上に載せるだけでよい。すなわち、固体炭素１０２は、アノード材料１１１ｂ又はアノード集電体１１１ａの上に、一定の厚さをもって積み重ねられても、その厚さ方向全体にわたって反応が進行するので（固体炭素１０２が処理できるので）、そのことにより初めて、「サイクロン捕集」とそれに次ぐ「アノード１１１に供給」という方式の使用が可能になった。
【００２６】
本発明の排気ガス浄化システムにおける電気化学リアクター１４において、アノード１１１（アノード材料１１１ｂ）に直接固体炭素１０２を担持又は堆積させなくても反応が進行し、また、固体炭素１０２の電気化学的除去のみならず、その固体炭素１０２を燃料として発電が可能である（電気化学リアクター１４の）構成や原理は後述する。
【００２７】
「アノード１１１にまとめて供給」に関しては、仕切板３のサイクロン捕集器２側から電気化学リアクター１４に供給する供給時期を判断する制御部（図示せず）を備えていて、粒子状物質中の固体炭素１０２を適量ずつ電気化学リアクター１４のアノード１１１側に供給できるようになっていることが好ましい。仕切板３に対するサイクロン捕集器２の側に一旦貯蔵された粒子状物質の電気化学リアクター１４への供給時期の判断基準は特に限定はなく、内燃機関の運転経過時間、仕切板３のサイクロン捕集器２側に集積した（図１及び図２では仕切板３の上に乗った）粒子状物質の重さ若しくは高さ、発生ガス（ＣＯ、ＣＯ２）濃度等が挙げられる。また、常に一定時間ごとに供給する方式でもよい。
【００２８】
中でも、上記サイクロン捕集器２と上記隔室５との間に仕切板３を備えており、捕集した粒子状物質が一定の重さになると、該仕切板３が開口してサイクロン捕集器２の底部から上記電気化学リアクター１４のアノード１１１に該粒子状物質が供給されるようになっていることが、制御が容易であること、定常的な電気化学リアクター１４の運転が可能であること等の点で好ましい。
【００２９】
隔室５にある電気化学リアクター１４への供給は、仕切板３が開口することによりなされる。ここで「開口する」とは、粒子状物質が供給される動作であれば特に限定はないが、具体的には、例えば、該仕切板３が、除かれる、傾斜する、カメラの絞りのように開く、中心付近で観音開きに開く、回転する等が挙げられる。
【００３０】
サイクロン捕集器２の構造、種類、大きさ等は、内燃機関から排出される排気ガスＨ中に含まれる粒子状物質を捕集し易いものであれば特に限定はない。図１及び図２では、サイクロン捕集器２の壁面を粒子状物質が渦を巻きながら落ちて行き、サイクロン捕集器２の中心軸部分を、粒子状物質が捕集されたガスが上に向かって流出されるようになっている。流出された排気ガスＨは、排気管１１を通って排気される。
【００３１】
電気化学リアクター１４の下面に位置するカソード１３１には、空気等の酸素を含有する気体を供給するための酸素供給管１３が配置されている。酸素供給管１３は、電気化学リアクター１４のカソード１３１に、空気等の酸素含有気体を供給できるようになっている。
【００３２】
更に、隔室５にある電気化学リアクター１４のアノード１１１側には、電気化学反応により生成したＣＯ２を排出するための二酸化炭素（ＣＯ２）排出口１０３が設置されている。
【００３３】
隔室５、仕切板３、酸素供給管１３等の素材は、耐熱性や耐食性がある材料であれば特に限定されるものではない。好ましくは、鉄、ステンレス、インコネル、ハステロイ、炭素モリブデン鋼、炭素バナジウム鋼、クロムモリブデン鋼等が挙げられる。なお、電気化学リアクター１４の、アノード、カソード、電解質等を構成する各部の材料、構造等は後述する。
【００３４】
本発明の態様１では、上記電気化学リアクター１４は、粒子状物質中の固体炭素１０２を燃料とする固体酸化物型燃料電池である。該固体酸化物型燃料電池１４の構成は後述するが、粒子状物質中の固体炭素１０２を、発電によって発生した二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、当該一酸化炭素を酸化することにより発電する。態様１では、電気化学リアクター１４である固体酸化物型燃料電池１４から得られた電力は、リード線１５を通じて外部に得られる。また、リード線１５（出力用のリード線とは異なる場合がある）を介して外部電子回路により制御される。
【００３５】
本発明の態様２では、上記電気化学リアクター１４は、固体酸化物型処理装置である。固体酸化物型処理装置１４のアノード１１１とカソード１３１の間に電圧を印加することにより、酸素イオンをアノード１１１に移行させ、アノード１１１上で該酸素イオンと上記粒子状物質中の固体炭素１０２とを電気化学的に反応させ、粒子状物質を除去する。態様２では、電気化学リアクターである固体酸化物型処理装置１４のアノード１１１とカソード１３１の間に、リード線１５を通じて電圧を外部から印加できるようになっている。外部から印加する電圧は、リード線１５を介して外部電子回路により制御される。
【００３６】
＜電気集塵機＞
更に、本発明の排気ガス浄化システムには、一例を図３に示したような電気集塵機Ｄが、サイクロン捕集器２と内燃機関Ｅの間に備えられていることも好ましい。電気集塵機Ｄのスイッチ１９を切ることによって、そこに捕集されている粒子状物質をサイクロン捕集器２にまとめて移送することもできる。それによって、サイクロン捕集器２による直接捕集と、電気集塵機Ｄによる捕集を併用することができる。電気集塵機Ｄを組み合わせることによって、サイクロン捕集器２による粒子状物質の捕集効率を上げたり、排気ガスＨ中に含まれる粒子状物質の種類によって使い分けたりすることができる。
【００３７】
図３は、本発明における電気集塵機Ｄの一例の断面図である。電気集塵機Ｄは、両端面に開口部を有する略筒状体であり、該開口部の一端は内燃機関Ｅに、他端は吸気管１に連結される。電気集塵機Ｄには、内燃機関Ｅから排出される排気ガスＨａが、内燃機関の燃焼排圧によって送り込まれ、該排気ガスＨａを電気的に集塵して排気ガスＨｂとして排出する。集塵機構については、一般的な放電による電気集塵機構が好適に用いられ、図３に示すように、放電電極１６と該放電電極１６を筒状体に配置した集塵電極１７により構成され、直流電源１８及びスイッチ１９等の電気回路により作動するようになっていることが好ましい。
【００３８】
＜配置例＞
図４は、本発明の排気ガス浄化システムを車載配置したときの一例を示す説明図である。一般的なフロントエンジンレイアウトの自動車Ｃであれば、図４に示すように、内燃機関Ｅの後方に、（要すれば前記電気集塵機Ｄを配置し、）排気ガス浄化システム１００を配置する。ＦＲ車であればセンタートンネル内に配置し、ＦＦ車であればエンジンルーム内又は消音器直前に配置すること等が考えられる。レイアウト自体は、特に限定されるものではなく、排気ガス浄化システム１００から排出された排気ガスＨｂが、マフラーパイプ等を通じて消音器で減圧されて、排気ガスＨｃを大気中に放出する構成であればよい。
【００３９】
また、更に、従来の化学触媒を併用することもできる。また、図１に示したように、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｆｉｌｔｅｒ）４を設けることも好ましい。
【００４０】
＜電気化学リアクター＞
本発明の排気ガス浄化システムにおいては、上記したように、サイクロン捕集器２で捕集した粒子状物質を、併設された隔室５にある電気化学リアクター１４に供給して、電気化学的に除去することを特徴とする。本発明における電気化学リアクター１４は、態様１では固体酸化物型燃料電池であり、態様２では固体酸化物型処理装置である。
【００４１】
以下、本発明における電気化学リアクター１４について、態様１の固体酸化物型燃料電池１４を例にとって説明する。
【００４２】
態様２の固体酸化物型処理装置１４であっても、アノード１１１、カソード１３１、電解質等の好ましい材料（物質）や構造（形態）は、下記する態様１の固体酸化物型燃料電池１４の場合と同様であり、主にアノード１１１とカソード１３１の間に電圧を印加することにより酸素イオンをアノード１１１に移行させること、発電しないこと等が、態様１の固体酸化物型燃料電池１４とは異なるだけである。
【００４３】
＜固体酸化物型燃料電池の形態＞
図５は、本発明の排気ガス浄化システムに用いる固体酸化物型燃料電池１４の好適な一実施形態の基本構成を示す模式断面図である。図５には、固体酸化物型燃料電池１４の他に、少なくとも、固体酸化物型燃料電池１４が内に設置されている隔室５、及び酸素供給管１３が示されている。そして、固体酸化物型燃料電池１４は、主として、アノード１１１、カソード１３１、及び、アノード１１１とカソード１３１との間に配置された電解質１２１とから構成されている。図５に示すように、更に、アノード１１１はアノード材料１１１ｂ及びアノード集電体１１１ａを有している。また、図５に示すように、カソード１３１はカソード材料１３１ｂ及びカソード集電体１３１ａを有している。
【００４４】
隔室５の内には固体酸化物型燃料電池１４があり、隔室５は、内燃機関から排出される排気ガスＨ中に含まれる粒子状物質中の固体炭素１０２を格納できるようになっている。ここで隔室５は、固体酸化物型燃料電池１４から見ると、アノード１１１側に設けられた、発電のための固体炭素１０２を格納する空間である。そこに格納される固体炭素１０２はアノード１１１に接している必要はないが、該固体炭素１０２の少なくとも一部は、アノード１１１に接していることも好ましい。より具体的には、固体炭素１０２が、アノード集電体１１１ａやアノード材料１１１ｂと接触するようになっている必要はないが、一部の固体炭素１０２が接触するようになっていることも好ましい。
【００４５】
限定はされないが、例えば、図５においては、隔室５のうち下約４０％に、粒子状物質（固体炭素１０２）が格納されている。発電中でも、隔室５に、燃料である固体炭素１０２が、サイクロン捕集器２に隣接された仕切板３から追加されることによって、発電を継続させることができる。
【００４６】
アノード１１１側への酸素の混入は、発電効率の観点からできるだけ軽減した方が好ましい。酸素除去のために、窒素（Ｎ２）や二酸化炭素（ＣＯ２）等の不活性ガスで、隔室５内を置換することも好ましい。
【００４７】
隔室５に固体炭素１０２があり、発電により生じたＣＯ２が、例えば５００〜１０００℃で存在すれば、ＣＯ生成反応が進行し、固体酸化物型燃料電池１４により発電が継続される。本発明は、この意外な事実の新しい発見に基づいてなされたものである。かかる現象があるために、排気ガスＨ中に含まれる粒子状物質をサイクロン捕集器２で捕集し、併設された隔室５にある固体酸化物型燃料電池１４に該粒子状物質を供給して発電しつつ排気ガスＨを浄化するシステムが完成した。
【００４８】
更に、図５に示す固体酸化物型燃料電池１４は、アノード１１１側に、ＣＯ２を排出するための二酸化炭素（ＣＯ２）排出口１０３、カソード１３１側に酸素（Ｏ２）等の酸化剤を供給するための酸素供給管１３を併設している。
【００４９】
図５に示した基本構成に加えて、発電開始時に発電開始剤を供給するための発電開始剤導入管（図示せず）の先端がアノード１１１側に配置されていることが好ましい。発電開始剤導入管の先端の配置はアノード１１１側ならば特に限定はない。発電開始剤導入管の先端がアノード１１１側に配置されていることによって、発電開始剤がアノード材料１１１ｂの近傍に供給され、その結果、初期の発電特性が安定し易く、排気ガス浄化システムにおける電気化学リアクター１４が安定して初期稼働する。
【００５０】
態様１においても、図５に示した固体酸化物型燃料電池１４の基本構成に加えて、アノード１１１へ電気化学的に酸素源を注入するための電気回路（図示せず）を有していることが好ましい。態様１においても、排気ガス浄化システム開始時、すなわち発電開始時に、アノード１１１へ電気化学的に酸素源を注入することが、初期の発電特性を安定化させる点で好ましい。酸素源は特に限定はないが、具体的には、例えば、空気や酸素等が挙げられる。
【００５１】
酸素源の電気化学的な注入方法については特に限定はされないが、具体的には、例えば、アノード１１１とカソード１３１との間に、電池セルの持つネルンスト電位を利用し、電流密度０．０１ｍＡ／ｃｍ２〜５ｍＡ／ｃｍ２で流し、カソード１３１で酸素が電子を取り込んで酸化物イオン（Ｏ２−）となり、このＯ２−が電解質１２１を移動してアノード１１１で燃料と反応して電子を放出させ、電極反応を開始させることが好ましい。発電開始時に、アノード１１１へ電気化学的に酸素源を注入しないと、発電の初期段階で安定した発電が得られず、排気ガス浄化システムが安定して開始しない場合がある。
【００５２】
＜＜アノード＞＞
アノード１１１のアノード材料１１１ｂは複合金属酸化物を含む。すなわち、アノード材料１１１ｂは、複合金属酸化物を含むものであってもよいし、サーメットを含むものであってもよい。ここで「サーメット」とは、金属と金属酸化物粉末が混合され焼結されたものをいう。複合金属酸化物又はサーメットは多孔質であることが好ましい。複合金属酸化物又はサーメットとしては、公知の固体酸化物型燃料電池１４にアノード活物質として一般に用いられているものが好適に使用できる。
【００５３】
［複合金属酸化物］
自身がアノード材料１１１ｂの成分として、また、アノード材料１１１ｂの成分であるサーメットの原料としても用いられる複合金属酸化物としては、固体酸化物型燃料電池１４にアノード活物質として一般に用いられているものであれば特に限定はない。発電の際に、十分な出力特性、耐久性等を確実に得る点からは、イットリアが配合された安定化ジルコニア（Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２）（以下、「ＹＳＺ」と略記する）；Ｇｄ、Ｌａ、Ｙ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｄｙ及びＹｂからなる群より選ばれる少なくとも１種がドープされたＣｅＯ２［このうち特に、ＧｄがドープされたＣｅＯ２（以下、「ＧＤＣ」と略記する）、ＳｍがドープされたＣｅＯ２が好ましい］；Ｓｃ２Ｏ３−ＺｒＯ２（以下、「ＳｃＳＺ」と略記する）；Ｓｍ２Ｏ３−ＣｅＯ２（以下、「ＳＤＣ」と略記する）等が特に好ましい。
【００５４】
ここで、上記ＹＳＺの場合、Ｙ２Ｏ３の割合（Ｙ２Ｏ３の含有量）は、Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２に対して８〜１０モル％であることが好ましい。また、上記ＧＤＣの場合、Ｇｄの割合（Ｇｄの含有量）は、ドープされたＣｅＯ２に対して３〜４０モル％が好ましく、８〜４０モル％がより好ましく、１０〜４０モル％が更に好ましく、１５〜４０モル％であることが特に好ましい。更に、上記ＳｍがドープされたＣｅＯ２の場合、Ｓｍの割合（Ｓｍの含有量）は、ドープされたＣｅＯ２に対して１５〜４０モル％であることが好ましい。また、特に好ましいセリア系固溶体としては、Ｃｅ０．８Ｇｄ０．２Ｏ２−δ（式中、δは酸素欠損量を示す）、Ｃｅ０．６７Ｇｄ０．３３Ｏ２−δ（式中、δは酸素欠損量を示す）等が挙げられる。
【００５５】
また、発電の際に、十分な出力特性を得る観点からは、電気伝導性を有する複合金属酸化物を用いることが好ましい。複合金属酸化物の導電率は、１０００℃において、０．０１〜１０Ｓｃｍ−１であることが特に好ましい。
【００５６】
[[サーメット]]
電池としての優れた出力特性をより確実に得る観点から、アノード材料１１１ｂはサーメットであることが好ましい。サーメットとしては、固体酸化物型燃料電池１４にアノード活物質として一般に用いられているものであれば特に限定はないが、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｗ及びＴａからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属と複合金属酸化物（特に上記複合金属酸化物）とのサーメットが好ましい。発電の際に、十分な出力特性を確実に得る点等からは、ニッケルと複合金属酸化物のサーメット等が好ましいものとして挙げられ、特に、ニッケルと上記した複合金属酸化物とのサーメット等が好ましいものとして挙げられる。
【００５７】
特に好ましくは、出力特性の点で、ニッケルとＹＳＺとのサーメット（以下、「Ｎｉ／ＹＳＺ」と略記する）、ニッケルとＧＤＣとのサーメット（以下、「Ｎｉ／ＧＤＣ」と略記する）、ニッケルとＳｃＳＺとのサーメット（以下、「Ｎｉ／ＳｃＳＺ」と略記する）又はニッケルとＳＤＣとのサーメット（以下、「Ｎｉ／ＳＤＣ」と略記する）である。
【００５８】
また、サーメットにおける金属の体積分率Ｖ１と、複合金属酸化物の体積分率Ｖ２とが下記式で表される条件を満たしていることが、電子伝導性確保の点で好ましい。
０．２≦［Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）］≦０．８
【００５９】
ここで、［Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）］が０．２未満となると、アノード材料１１１ｂ中の電子伝導性が十分に確保できなくなり、固体酸化物型燃料電池１４の出力特性が不十分となる場合がある。また、［Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）］が０．８を超えると、アノード材料１１１ｂ中のイオン伝導性が十分に確保できなくなり、固体酸化物型燃料電池１４の出力特性が不十分となる場合がある。アノード材料１１１ｂ中の電子伝導性とイオン伝導性を共に十分に確保する観点から、［Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）］は０．２〜０．８であることが好ましく、０．３〜０．７であることが特に好ましく、０．４〜０．６が更に好ましい。
【００６０】
具体的には、Ｎｉ／ＹＳＺ、Ｎｉ／ＧＤＣ、Ｎｉ／ＳｃＳＺ、又はＮｉ／ＳＤＣにおいて、体積分率の比としてＮｉ／（かかる複合金属酸化物＋Ｎｉ）の値が、上記値の範囲に入っているものが好ましい。
【００６１】
[[電気伝導性を有する複合金属酸化物]]
ここで、アノード材料１１１ｂがサーメットのような金属粒子若しくは合金粒子を含む材料であると、アノード１１１中の金属が、カーバイドやカーボンウィスカーを生成させる原因になり、長期的な電極劣化の要因となる場合がある。すなわち、金属に溶解した炭素が析出して成長する際に金属粒子を電極のフレーム構造から脱落させてしまい、それが電極劣化の要因となる場合がある。また、酸化還元サイクル時の金属粒子の体積膨張・収縮により、それが電極劣化の要因となる場合がある。したがって、アノード材料１１１ｂとして、上記サーメットに代えて、電気伝導性を有する複合金属酸化物を用いることも好ましい。
【００６２】
電極劣化の原因となる金属粒子若しくは合金粒子を含むサーメットに代えて、アノード材料１１１ｂのうちの少なくとも１種のアノード材料に電気伝導性を有する複合金属酸化物を用いることによって、上記電極劣化の要因が解消され、ＲＤＣＦＣの運転時にアノード１１１の劣化を抑制し、酸化還元サイクル特性を向上させ、高出力を安定的に維持させることができる。アノード材料１１１ｂに電気伝導性を有する複合金属酸化物を含むことが好ましい。ここで、「電気伝導性を有する」とは、運転温度において電気伝導度が１０−４Ｓｃｍ−１以上であることを意味する。
【００６３】
ここで、前記した電極劣化を生じない範囲においては金属を含有していてもよく、本発明は、アノード材料１１１ｂの組成から、少量の「金属粒子若しくは合金粒子」の含有を排除するものではない。アノード材料１１１ｂ全体中に含有される「金属粒子若しくは合金粒子」は合計で１０質量％以下が好ましく、５質量％以下がより好ましく、２質量％以下が特に好ましく、金属粒子も合金粒子も含まれていないことが更に好ましい。
【００６４】
上記の「電気伝導性を有する複合金属酸化物」の電気伝導度は、運転温度において１０−２Ｓｃｍ−１以上であることが好ましく、１０−１Ｓｃｍ−１以上であることが特に好ましい。ここで、「電気伝導」とは、電子伝導、ホール伝導、酸化物イオン伝導及びプロトン伝導のうちの少なくとも１つからなる電気伝導、すなわち、それらのうちの１つ又は２つ以上が組み合わされた電気伝導を意味する。電気伝導度が低過ぎると、十分な出力特性が得られない場合がある。
【００６５】
アノード１１１は、金属粒子も合金粒子も含有していないか、又は、それらによる３次元的ネットワークが形成されない範囲を上限として金属粒子若しくは合金粒子を含有していることが好ましい。「３次元的ネットワーク」とは、アノード１１１の厚さ方向にそれのみを通して電気伝導が可能の状態（通じる状態）をいう。金属粒子若しくは合金粒子による３次元的ネットワークが形成されていると、酸化と還元の繰り返しで、アノード材料１１１ｂが体積膨張と体積収縮を繰り返す結果、アノード１１１が劣化する場合がある。
【００６６】
また、アノード材料１１１ｂに用いられる電気伝導性を有する複合金属酸化物は、それ自体で、３次元的ネットワークを形成していること、すなわち複合金属酸化物自体で、電子伝導可能な３次元的ネットワークを形成していることが、良好な電気伝導性を実現し、結果として十分な出力特性が得られる点で好ましい。
【００６７】
アノード材料１１１ｂに用いられる電気伝導性を有する複合金属酸化物は、少なくともそのうちの１種は、ペロブスカイト型結晶構造、パイロクロア型結晶構造又はフルオライト型結晶構造を有する複合金属酸化物よりなることが好ましい。
【００６８】
ペロブスカイト型結晶構造を有する複合金属酸化物とは、いわゆるペロブスカイト型の結晶構造をとる複合金属酸化物をいい、下記一般式（Ｇ）で表わされる複合金属酸化物が好ましい。
Ａ１±ａＢ１±ｂＯ３−δ （Ｇ）
［組成式（Ｇ）中、Ａは、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｙ、Ｂａ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｋ、Ｎａ、Ｓｍ、Ｐｂ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｓ、Ｒｂ、Ｔｌ、Ｃｄ、Ｅｕ、Ｍｇ、Ｄｙ、Ｌｉ及びＨｏからなる群より選ばれる少なくとも１種を示し、Ｂは、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｙｂ、Ｙ、Ｎｂ、Ｉ、Ｎｉ、Ｓｒ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃａ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｈ、Ｕ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｌｕ、Ｔｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｔｒ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｐａ、Ｉｎ、Ｒｅ及びＥｒからなる群より選ばれる少なくとも１種を示し、０≦ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．２であり、δは酸素欠損量である。］
【００６９】
このうち、ＬａＭｎＯ３、ＬａＣｏＯ３、ＬａＣｒＯ３等を母体とする物質がより好ましく、例えば、（ＬａＳｒ）ＭｎＯ３系の複合金属酸化物（本発明では、これを「ＬＳＭ」と略記する）、（ＬａＳｒ）ＣｏＯ３系の複合金属酸化物（本発明では、これを「ＬＳＣ」と略記する）が特に好ましいものとして挙げられる。
【００７０】
また、組成式（Ｇ）において、Ｂが、ＭｎをＢ全体に対して５０モル％以上含有するものであることが、前記効果をより奏するために好ましい。また、組成式（Ｇ）において、Ｂが、ＣｏをＢ全体に対して５０モル％以上含有するものであること、又は、Ｂが、ＣｏとＦｅを、それらの合計でＢ全体に対して５０モル％以上含有するものであることが、前記効果を奏するために好ましい。
【００７１】
そのほかのペロブスカイト型結晶構造を有する複合金属酸化物は、一般式、Ａ（Ｂ１−ｘＭｘ）１±ａＯ３−δ［式中、０≦ｘ≦０．８、０≦ａ≦０．２である］において、ＡはＢａ、Ｓｒ、Ｃａ等の２価のカチオンから少なくとも１種が選ばれ、ＢはＣｅ、Ｚｒ、Ｔｉ等の４価のカチオンから少なくとも１種が選ばれ、Ｍは３価の希土類、Ｙ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙｂ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ａｌ、Ｇａ等から少なくとも１種が選ばれる。
【００７２】
例えば、Ｂａ（Ｃｅ１−ｘＧｄｘ）１±ａＯ３［式中、０≦ｘ≦０．８、０≦ａ≦０．２である］、Ｃａ（Ａｌ１−ｘＴｉｘ）１±ａＯ３［式中、０≦ｘ≦０．８、０≦ａ≦０．２である］、Ｓｒ（Ｃｅ１−ｘＹｂｘ）１±ａＯ３（式中、０≦ｘ≦０．８、０≦ａ≦０．２である）、Ｓｒ（Ｚｒ１−ｘＹｘ）１±ａＯ３（式中、０≦ｘ≦０．８、０≦ａ≦０．２である）、Ｓｒ（Ｚｒ１−ｘＳｃｘ）１±ａＯ３（式中、０≦ｘ≦０．８、０≦ａ≦０．２である）等で表されるものも好ましい。具体的には、ＢａＣｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ３、ＣａＡｌ０．７Ｔｉ０．３Ｏ３、ＳｒＣｅ０．９５Ｙｂ０．０５Ｏ３、ＳｒＺｒ０．９５Ｙ０．０５Ｏ３、ＳｒＺｒ０．９Ｓｃ０．１Ｏ３等が挙げられる。
【００７３】
一般式、Ｌａ１−ｘＳｒｘＧａ１−ｙ−ｚＭｇｙＭｚＯ３［式中、Ｍは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ又はＣｕの何れか１種以上の元素を示し、ｘ＝０．０５〜０．３、ｙ＝０〜０．２９、ｚ＝０．０１〜０．３、ｙ＋ｚ＝０．０２５〜０．３の範囲である。］で表されるランタンガレートも好ましい。具体的には、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．１５Ｃｏ０．０５Ｏ３−δ（式中、δは酸素欠損量を示す）等が挙げられる。
【００７４】
好ましい電気伝導性を有する複合金属酸化物としては、具体的には、例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３、Ｌａ０．８５Ｓｒ０．１５ＭｎＯ３、Ｌａ０．９５Ｓｒ０．０５ＭｎＯ３等の、Ｌａ１−ｂＳｒｂＭｎＯ［ｂは、０≦ｂ≦０．５］で表わされる化合物；Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＣｏＯ３、Ｌａ０．８５Ｓｒ０．１５ＣｏＯ３、Ｌａ０．９５Ｓｒ０．０５ＣｏＯ３等の、Ｌａ１−ｄＳｒｄＭｎＯ３［ｄは、０≦ｄ≦０．５］で表わされる化合物；Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．２Ｃｏ０．８Ｏ３等のＬａ１−ｅＳｒｅＦｅｆＣｏ１−ｆＯ３［ｅは０≦ｅ≦０．５、ｆは０≦ｆ≦１］で表わされる化合物；Ｌａ０．７５Ｓｒ０．２Ｃｒ０．５Ｍｎ０．５Ｏ３等のＬａ１−ｇＳｒｇＣｒ１−ｈＭｎｈＯ３［ｇは０≦ｇ≦０．５、ｈは０≦ｈ≦１］で表わされる化合物；等が挙げられる。
【００７５】
パイロクロア型結晶構造を有する複合金属酸化物とは、いわゆるパイロクロア型の結晶構造をとる複合金属酸化物をいい、Ｌｎ２（（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）２）１±ａＯ７（式中、ＬｎはＳｃ、Ｙ、Ｌａ及び他のランタノイドからなる群より選ばれた１種以上の元素を示し、０≦ｘ≦０．５、０≦ａ≦０．２である）が好ましいものとして挙げられる。具体的には例えば、Ｇｄ２（（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）２）１±ａＯ７（式中、０≦ｘ≦０．５、０≦ａ≦０．２である）、Ｙ２（（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）２）１±ａＯ７（式中、０≦ｘ≦０．５、０≦ａ≦０．２である）等が挙げられる。
【００７６】
フルオライト型結晶構造を有する複合金属酸化物とは、いわゆるフルオライト型の結晶構造をとる複合金属酸化物をいい、その中で好ましいものはセリア系複合金属酸化物で、Ｃｅ１−ｘＭｘＯ２（式中、ＭはＧｄ、Ｌａ、Ｙ、Ｓｃ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｔｂ及び他の２価または３価のランタノイドからなる群から選ばれた1種以上の元素を示し、０≦ｘ≦０．５である）で表されるものである。特に好ましいセリア系複合金属酸化物として、Ｃｅ０．８Ｇｄ０．２Ｏ２−δ（式中、δは酸素欠損量を示す）等が挙げられる。
【００７７】
アノード材料１１１ｂに用いられる電気伝導性を有する複合金属酸化物としては、ペロブスカイト型結晶構造を有する複合金属酸化物が、金属粒子若しくは合金粒子を含有しなくても高い電気伝導性を有し、前記した本発明の効果をより奏する点で特に好ましい。
【００７８】
上記アノード材料１１１ｂが２種以上のアノード材料よりなる複合材料である場合には、上記以外のアノード材料も複合金属酸化物であることが好ましい。更に、アノード１１１においては、少なくとも電子伝導性とホール伝導性のどちらかを有する複合金属酸化物、及び、少なくとも酸化物イオン伝導性とプロトン伝導性のどちらかを有する複合金属酸化物の２種類以上のアノード材料を含有することが好ましい。ここで、「少なくとも電子伝導性とホール伝導性のどちらかを有する」とは、その両方を合わせた電気伝導度が１０−４Ｓｃｍ−１以上であることをいい、「少なくとも酸化物イオン伝導性とプロトン伝導性のどちらかを有する」とは、その両方を合わせた電気伝導度が１０−４Ｓｃｍ−１以上であることをいう。
【００７９】
本発明における好ましいアノード材料１１１ｂとしては、比較的高い電子伝導性と酸化物イオン伝導性の両方を有するという点で、ＬＳＭとＧＤＣの複合材料であるＬＳＭ／ＧＤＣ、ＬＳＣ単独、ＬＳＣとＧＤＣの複合材料であるＬＳＣ／ＧＤＣ等が挙げられる。また、電子伝導性とプロトン伝導性の両方を有するという点で、ＬＳＭとＳｒＣｅ１−ｉＹｂｉＯ３（ｉは、０≦ｉ≦１）（以下、「ＳＣＹｂ」と略記する）の複合材料であるＬＳＭ／ＳＣＹｂ、ＬＳＣとＳＣＹｂの複合材料であるＬＳＣ／ＳＣＹｂ等が挙げられる。また、電子伝導性と酸化物イオン伝導性に加えてプロトン伝導性を有するという点で、（ＬＳＭ若しくはＬＳＣ）とＧＤＣとＳＣＹｂの複合材料である（ＬＳＭ若しくはＬＳＣ）／ＧＤＣ／ＳＣＹｂ等が挙げられる。
【００８０】
［膜厚］
アノード材料１１１ｂの膜厚は特に限定はないが、通常１０μｍ〜５ｍｍであり、好ましくは２０μｍ〜１ｍｍ、より好ましくは３０μｍ〜７００μｍ、更に好ましくは４０μｍ〜４００μｍ、最も好ましくは５０μｍ〜１５０μｍである。膜厚は、触針タイプの表面粗さ計、又はＳＥＭによる断面観察で測定してもよい。
【００８１】
なお、ここで言及したアノード１１１（燃料極）の最適な厚さは、空孔度によって変わる。すなわち、空孔度はアノード１１１への気体の拡散のしやすさや、発生した一酸化炭素（ＣＯ）ガスの実効反応サイトへの移動しやすさに影響するため、空孔度が変わると厚さの最適条件は変わることがある。したがって、得られたアノード１１１の空孔度に合わせて適宜アノード１１１の膜厚は決定することが好ましい。
【００８２】
［発電開始剤］
本発明の排気ガス浄化システムには電気化学リアクター１４が必須であるが、そこから発生する電気を使用するか否かにかかわらず、電気化学リアクター１４は発電する場合がある。従って、その場合には、電気化学リアクター１４の運転を開始することを、「電気化学リアクター１４の発電を開始する」という場合がある。本発明の排気ガス浄化システムにおいては、燃料として供給した粒子状物質中の固体炭素に、一酸化炭素又は二酸化炭素である「発電開始剤」を供給することで、電気化学リアクターの運転を開始させることが好ましい。本発明の排気ガス浄化システムの使用に際しては、アノード１１１に発電開始剤を供給することで発電を開始、すなわち排気ガス浄化システムの稼働を開始させることが、初期の特性が安定し易い点で好ましい。ここで、「発電開始剤」とは、一酸化炭素又は二酸化炭素をいう。発電開始剤導入工程においては、発電開始剤を供給し、一酸化炭素又は二酸化炭素である発電開始剤を、隔室５に存在する固体炭素１０２に接触させる。
【００８３】
発電開始剤の導入手段については特に限定はなく、発電開始剤導入管の先端が、発電開始剤がアノード１１１に到達するような位置に配置されていれば、アノード１１１側のどの位置に配置されていてもよい。
【００８４】
［アノードの機構、構造、物性等］
本発明の排気ガス浄化システム稼働時、態様１においては発電時には、サイクロン捕集器２から隔室５に供給された固体炭素１０２を使用し、少なくとも後記する反応式（１）及び反応式（２）により電子を発生させる。また同時に、カソード１３１では、酸化性ガスに電子を供与し、イオン化した酸化物イオン（Ｏ２−）を電解質１２１に注入する。
【００８５】
本発明における電気化学リアクター１４（本発明の態様１における固体酸化物型燃料電池、及び本発明の態様２における固体酸化物型処理装置）の大きさは特に限定はないが、１ｃｍ３〜５００ｍ３であることが好ましく、１０００ｃｍ３〜５００００ｃｍ３であることが特に好ましい。
【００８６】
本発明の態様１における固体酸化物型燃料電池１４の発電時の出力は特に限定はないが、０．００１ｋＷ〜５００ｋＷが好ましく、０．０１ｋＷ〜１００ｋＷであることが特に好ましく、０．０１ｋＷ〜１０ｋＷであることが更に好ましい。上記大きさの場合に上記出力を発生できる。
【００８７】
アノード１１１のアノード集電体１１１ａの構成材料は電子伝導性を有し、かつ固体酸化物型燃料電池１４の作動温度領域において化学的及び物理的に安定であるものであればその形状及び構成材料は特に限定されず、公知の固体酸化物型燃料電池１４に備えられているものと同様のものを使用することができる。６００℃〜１２００℃で化学的及び物理的に安定であるものが好ましい。
【００８８】
このアノード集電体１１１ａは、電気化学リアクター１４を複数積層して使用する場合には、各単位セル間に配置されるセパレータとしての機能をも果たすものである。
【００８９】
また、アノード１１１には、ガスの供給口（図示せず）及び放出口（図示せず）、並びに、これらの供給口と放出口とに接続されたガスの内部流路（図示せず）が設けられていてもよい。本発明における電気化学リアクター１４は、一般の公知の燃料電池とは燃料の種類、使用方法、原理等は異なるが、ガスの供給口及び放出口並びにこれらの供給口と放出口とに接続されたガスの内部流路等の機械的外部構造については、一般の公知の燃料電池の構造と同様のものが使用できる。
【００９０】
本発明における電気化学リアクター１４では、アノード１１１に対し反応生成ガスを外部に放出させるためのキャリアガスを実質的に導入しないことが好ましい。後述するように、キャリアガスを実質的に導入しないと、アノード１１１において反応式（１）で示される反応がより効率的に起こるので好ましい。またこれにより、装置構成をより極めてコンパクトにできる。
【００９１】
＜＜カソード＞＞
発電時には、カソード１３１には、「酸化剤（例えば酸素）を含むガス」（例えば空気）が供給され、カソード材料１３１ｂは、酸化剤の還元反応が進行する反応場となるものである。カソード材料１３１ｂの組成や形状については特に限定されず、公知の固体酸化物型燃料電池１４に備えられているカソード１３１に一般に使用されているものと同様のものを使用することができる。例えば、（ＬａＳｒ）ＭｎＯ３系、（ＬａＳｒ）ＣｏＯ３系の複合金属酸化物からなる材料等を好ましく使用することができる。特に好ましくは、例えば、Ｌａ０．８５Ｓｒ０．１５ＭｎＯ３ 等が挙げられる。
【００９２】
カソード１３１のカソード集電体１３１ａの構成は、先に述べたアノード１１１のアノード集電体１１１ａと同様であり、構成材料及び形状については特に限定されず、公知の固体酸化物型燃料電池１４に備えられているものと同様のものを使用することができる。なお、カソード集電体１３１ａには、空気等の酸化剤を含むガスをカソード材料１３１ｂに供給するためのガス流路（図示せず）が形成されている。また、このカソード集電体１３１ａは、固体酸化物型燃料電池１４を複数積層して使用する場合には、各単位セル間に配置されるセパレータとしての機能をも果たすものである。
【００９３】
＜＜電解質＞＞
電解質１２１は、イオン伝導性の固体酸化物を含む。電解質１２１は、酸化物イオン（Ｏ２−）の移動媒体であると同時に、還元剤（先に述べた固体炭素１０２）と酸化剤を含むガス（例えば空気）を直接接触させないための隔壁としても機能し、ガス不透過性の緻密な構造を有している。この電解質１２１の構成材料は特に限定されず、公知の固体酸化物型燃料電池１４に用いられる材料を使用することができるが、酸化物イオンの伝導性が高く、カソード１３１側の酸化性雰囲気からアノード１１１側の還元性雰囲気までの条件下で、化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成することが好ましい。
【００９４】
かかる要件を満たす材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、
スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等の安定化ジルコニア；ランタンガレート；セリア系固溶体等が好ましいものとして挙げられる。
【００９５】
安定化ジルコニアは特に限定はないが、下記一般式
（ＺｒＯ２）１−ｘ（Ｍ２Ｏ３）ｘ
［式中、ＭはＹ、Ｓｃ、Ｓｍ、Ａｌ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｙｂ及びＣｅからなる群より選ばれた１種以上の元素を示す。ただしここで、ＭがＣｅの場合はＭ２Ｏ３の代わりにＣｅＯ２である。］、又は、下記一般式
（ＺｒＯ２）１−ｘ（ＭＯ）ｘ
［式中、ＭはＣａ及びＭｇからなる群より選ばれた１種以上の元素を示す］における、ｘが０＜ｘ≦０．３である固溶体が好ましい。特に好ましいものとしては、例えば、（ＺｒＯ２）１−ｘ（Ｙ２Ｏ３）ｘ（式中、０＜ｘ≦０．３）等が挙げられ、より好ましくは、式中、０．０８≦ｘ≦０．１である。また、更に好ましいものとしては（ＺｒＯ２）０．９２（Ｙ２Ｏ３）０．０８等が挙げられる。
【００９６】
なお、例えば「式中、Ａは、Ｑ、Ｒ及びＴからなる群から選ばれた１種以上の元素を示す」という表現は、式中、ＡがＱである固溶体とＡがＲである固溶体の混合でもよいことを示すだけではなく、ＡとしてＱとＲとを同時に結晶サイトに有する固溶体をも示すものとする。以下、同様である。
【００９７】
ランタンガレートは特に限定はないが、一般式、Ｌａ１−ｘＳｒｘＧａ１−ｙ−ｚＭｇｙＡｚＯ３（式中、ＡはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ又はＣｕの何れか１種以上の元素を示し、ｘ＝０．０５〜０．３、ｙ＝０〜０．２９、ｚ＝０．０１〜０．３、ｙ＋ｚ＝０．０２５〜０．３の範囲である）で表される固溶体が好ましい。具体的には、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．１５Ｃｏ０．０５Ｏ３−δ（式中、δは酸素欠損量を示す）等が挙げられる。
【００９８】
セリア系固溶体は特に限定はないが、Ｃｅ１−ｘＭｘＯ２（式中、ＭはＧｄ、Ｌａ、Ｙ、Ｓｃ、Ｓｍ、Ａｌ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｔｂ、及び他の２価又は３価のランタノイドからなる群から選ばれた１種以上の元素を示す）における、ｘが０＜ｘ≦０．５である固溶体が好ましい。中でも、ＭがＧｄであるＣｅ１−ｘＧｄｘＯ２（式中、０＜ｘ≦０．５）、又は、ＭがＳｍであるＣｅ１−ｘＳｍｘＯ２（式中、０＜ｘ≦０．５）がより好ましく、何れの式においても、式中、０．０３≦ｘ≦０．４が特に好ましく、０．０８≦ｘ≦０．４が更に好ましく、０．１≦ｘ≦０．４が最も好ましい。また、特に好ましいセリア系固溶体としては、Ｃｅ０．８Ｇｄ０．２Ｏ２−δ（式中、δは酸素欠損量を示す）、Ｃｅ０．６７Ｇｄ０．３３Ｏ２−δ（式中、δは酸素欠損量を示す）、Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ２−δ（式中、δは酸素欠損量を示す）等が挙げられる。特に、ＧＤＣを電解質１２１の材料として用いると、発電時の温度が７５０℃以下であっても、出力密度を充分大きくできるので好ましい。
【００９９】
また、排気ガス浄化システムの稼働の際に、十分な出力特性を得る観点からは、かかる複合金属酸化物の導電率は、１０００℃において、０．０１〜１０Ｓｃｍ−１であることが好ましい。
【０１００】
＜電気化学リアクターの製造方法＞
本発明における電気化学リアクター１４の製造方法は特に限定されず、公知の固体酸化物燃料電池の製造に適用されている公知の薄膜製造技術等を使用することができる。例えば、スキージ法、スクリーンプリンティング法、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等のＰＶＤ法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、レーザーＣＶＤ法等のＣＶＤ法、溶射法等が挙げられる。
【０１０１】
例えば、電解質１２１を形成する方法としては、例えば、公知のセラミックプロセスであるシート成形焼結法を例示することができる。より具体的には、原料及び溶媒を混合することによって得たスラリーをシート状に延ばし、乾燥させた後に、必要に応じてカッターナイフ等を用いて成形し焼成する。スラリーには、必要に応じて、バインダー、可塑剤、分散剤等の公知の添加剤を配合させてもよい。成形、焼成等の条件は、原料の組成に応じて適宜設定することができる。また、先に述べたＰＶＤ法、ＣＶＤ法、溶射法等の薄膜形成法により、例えば、アノード１１１又はカソード１３１上に電解質１２１の層を形成することもできる。
【０１０２】
＜運転方法＞
本発明の排気ガス浄化システムの運転方法は、要すれば前記した一酸化炭素等の発電開始剤を隔室５の固体炭素１０２に供給して電池反応を開始させる工程後、カソード１３１に空気等の酸化剤を含むガスを供給し、サイクロン捕集器２から供給される固体炭素１０２を還元剤として発電（固体炭素１０２を除去）する工程とを少なくとも含む方法であれば特に限定されない。通常、発電開始剤を導入して電池反応が開始され、固体炭素１０２がサイクロン捕集器２から供給され続ける限り、連続的な運転が可能である。
【０１０３】
発電開始剤導入方法については、特に限定されるものではなく、隔室５の固体炭素１０２へ極少量の一酸化炭素又は二酸化炭素を瞬間的に流せばよい。反応開始剤の流入量は、電池反応が開始するのに十分量であればよく特に限定されない。
【０１０４】
固体炭素１０２は炭素を含有するものをいい、ここで「炭素」とは無定形炭素、グラファイト等の単体炭素をいう。固体炭素１０２は、内燃機関から排出される排気ガスＨ中に含まれる粒子状物質に含有されるものであれば具体的には特に限定はない。
【０１０５】
本発明の排気ガス浄化システムの態様１における固体酸化物型燃料電池１４の発電方法においては、発電開始直後、電流密度をその初期値から増加させながら運転させることが、安定した発電と排気ガス浄化のために好ましい。発電開始直後、徐々に電流密度を上げることが特に好ましい。「徐々に電流密度を上げる」とは、通常、毎分当り０．００８ｍＡ／ｃｍ２〜２ｍＡ／ｃｍ２で増加させることをいい、特に好ましくは、毎分当り０．０１６ｍＡ／ｃｍ２〜１ｍＡ／ｃｍ２である。かかる範囲を外れると、初期の発電特性が安定しない場合がある。
【０１０６】
以上、本発明における電気化学リアクター１４の好適な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い。
【０１０７】
本発明の態様１においては、隔室５中に移動してきた固体炭素１０２を、発電によって発生した二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、当該一酸化炭素を酸化することにより発電する。特に、発電時にアノード１１１において、少なくとも、下記の反応式（１）及び（２）を利用して発電を行う。
ＣＯ２＋Ｃ → ２ＣＯ （１）
ＣＯ＋Ｏ２− → ＣＯ２＋２ｅ− （２）
【０１０８】
反応式（１）を利用することで、アノード１１１の近傍に供給される固体炭素１０２を、気体のＣＯに変換して燃料として消費するので、発電時において固体炭素１０２の存在位置の影響を極めて小さくすることが可能になる。つまり、公知の固体酸化物型燃料電池１４では、一般的に電解質１２１の表面に近いところでの電極反応ほど発電への寄与が大きいので、電解質１２１の表面から遠いところに分布する固体炭素１０２は消費され難い。そのため、本発明においては、反応式（１）で示される反応が起きない場合と比べて、高い燃料利用率が得られ、アノード１１１から離れた位置に固体炭素１０２が供給されても発電が可能になる。
【０１０９】
「アノード１１１の上に積み重ねられた固体炭素」のように、アノード１１１から離れた位置に固体炭素１０２が存在していても発電及び該固体炭素１０２の除去が可能になったために、サイクロン捕集器２で捕集された粒子状物質を一旦仕切板３で仕切られた側に保持し、間欠的に、併設された電気化学リアクター１４の隔室５に該粒子状物質を供給して電気化学的に除去するという、簡便で連続的な排気ガスＨの浄化が可能になった。
【０１１０】
加えて、反応式（２）によるＣＯの酸化反応は、下記反応式（３）又は反応式（４）による固体炭素１０２の酸化反応よりも反応速度が大きいため、高い出力密度が得られる。反応式（２）を支配的に起こすには、例えば、反応生成ガスによる圧力上昇分以上はアノード１１１外部に反応生成ガスを放出させないようにして、反応式（１）や反応式（３）で生成した一酸化炭素（ＣＯ）をアノード１１１に滞留する時間を長くすることや、系外から流入する酸素によって起こる一酸化炭素（ＣＯ）の酸化による消費を抑えること等が挙げられる。
Ｃ＋Ｏ２− → ＣＯ＋２ｅ− （３）
Ｃ＋２Ｏ２− → ＣＯ２＋４ｅ− （４）
【０１１１】
本発明においては、反応式（２）で消費される一酸化炭素（ＣＯ）の５０モル％以上が反応式（１）で生成されることが好ましい。すなわち、発電時に消費される一酸化炭素の５０モル％以上が、固体炭素１０２と二酸化炭素との反応により生じた一酸化炭素であることが好ましい。特に好ましくは６０モル％以上、更に好ましくは７０モル％以上である。
【０１１２】
また、本発明においては、電荷移動量の５０％以上が、固体炭素１０２と二酸化炭素との反応により得られた一酸化炭素の酸化に起因することが好ましい。
【０１１３】
反応式（２）を支配的に起こす手段としては、反応式（１）や反応式（３）で生成したＣＯをアノード１１１に滞留する時間を長くさせることや、系外から流入する酸素によって起こるＣＯの酸化による消費を抑えるために、酸素の流入を遮断すること等が挙げられる。常法のようにアノード１１１にキャリアガスを流すと、反応式（２）は殆ど起こらない。
【０１１４】
アノード１１１において反応式（１）で示される反応を起こすためには、電極反応（２）及び／又は（４）で生成したＣＯ２をアノード１１１中に長く滞留させることが大事であり、そのために発電時のキャリアガスの導入をなくすことが好ましい。キャリアガスの導入をなくすためには、系外からの空気つまりは酸素の漏れこみを、シール性能を向上する等して、極力少なくし、酸素分圧の上昇による電圧低下を防ぐことが好ましい。
【０１１５】
カソード１３１に供給する酸化剤を含むガスは、入手容易性から空気であることが好ましい。また、同様の観点から、酸化剤は酸素であることが好ましい。また、態様１で発電時における固体酸化物型燃料電池１４の電荷移動量や出力密度を向上させる観点から、アノード１１１に、該アノード１１１における反応生成ガスを外部に放出させるためのキャリアガスを供給しないことが好ましい。
【０１１６】
本発明の排気ガス浄化システム稼働時の温度は４００〜１０００℃が好ましく、４５０〜９００℃がより好ましく、５００〜７５０℃が特に好ましい。温度が低すぎると反応式（１）が進行しにくくなることや、セル（電極及び電解質）の抵抗が大きくなるために、出力密度が低下する場合がある。一方、高すぎると、セルや周辺部材の劣化が早まる場合がある。
【０１１７】
本発明の態様１では、発電時の温度７５０℃以下で、出力密度が５０（ｍＷ／ｃｍ２）以上にすることができる。また、出力密度が５０（ｍＷ／ｃｍ２）以上になるように、組成、構造、設定等が調整された固体酸化物型燃料電池１４が好ましい。特に、電解質１２１としてＧＤＣを用いることによって、発電時の温度が７５０℃以下であっても、出力密度を５０（ｍＷ／ｃｍ２）以上にすることができる。
【０１１８】
また、本発明の態様１では、電流密度９．３ｍＡ／ｃｍ２で発電したときの燃料利用効率を６０％以上にできる。また、燃料利用効率６０％以上になるように、組成、構造、設定等が調整された固体酸化物型燃料電池１４が好ましい。ここで「燃料利用効率」とは、アノード材料１１１ｂ近傍に供給した固体炭素１０２中の炭素に対する、反応式（４）を仮定し電荷移動量から計算した消費炭素量の割合である。
【０１１９】
また、本発明の態様１では、電流密度８０ｍＡ／ｃｍ２で発電したときの燃料利用効率を２０％以上にできる。また、燃料利用効率２０％以上になるように、組成、構造、設定等が調整された固体酸化物型燃料電池１４が好ましい。特に好ましくは３０％以上、更に好ましくは４０％以上である。
【０１２０】
具体的には、上記したように、系外からの空気すなわち酸素の漏れこみを、シール性能を向上する等して極力少なくしたり、アノード１１１の大気への開口径を小さくしたりして大気からアノード１１１への酸素の流入を抑制して、反応式（１）及び／又は反応式（２）における一酸化炭素（ＣＯ）について損失を軽減することによって実現される。
【実施例】
【０１２１】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【０１２２】
実施例１
電解質として、厚さ０．３ｍｍのＳｃＳＺ（１０モル％のＳｃ２Ｏ３と１モル％のＣｅＯ２がドープされたＺｒＯ２）ディスクを使用し、アノード材料には、Ｎｉ／ＧＤＣ（ＧｄがドープされたＣｅＯ２）多孔質サーメットを、カソード材料にはＬａ０．８５Ｓｒ０．１５ＭｎＯ３多孔質膜を用いた。アノードの厚さは５０μｍであった。なお、構成と製造方法は、一般的な固体酸化物型燃料電池の構成と製造方法に従った。すなわち、アノード材料及びカソード材料の粉体を溶媒に分散し、有機バインダー等を添加してスラリーを調製した。次いで、当該スラリーをドクターブレード法でディスクに塗布し、焼成して固体酸化物型燃料電池を作成した。
【０１２３】
このようにして、図５に示したような固体酸化物型燃料電池を作製した。排気ガス中に含まれる粒子状物質を燃料として消費（除去）して発電することを確認するため、排気ガス中に含まれる粒子状物質の擬似物質としてカーボンブラック（三菱化学社製「ＭＡ７」）（以下、「ＣＢ」と略記する）を用い、燃料室に２８．３ｍｇのＣＢを充填した。
【０１２４】
本実施例では、燃料室にＣＢを直接供給したが、上記で得られた固体酸化物型燃料電池を電気化学リアクターとして用いれば、サイクロン捕集器で捕集した内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質に含有される固体炭素を燃料として稼働し、かつ該粒子状物質を処理（除去）できる。
【０１２５】
その後、アノードに純アルゴン（Ａｒ）を、２０２ＳＴＰｍＬ／分で約１時間供給し、Ｏ２等の残留ガスを十分排気した。処理中は、カソード側に純酸素を酸化剤として供給した。セルのシールを確実にし、アノードから３．５ｍの１／８インチステンレス管をつなぎ、ガスクロマトグラフ装置を挟んで５ｍのビニルチューブ（内径８ｍｍ）で外に排気した。
【０１２６】
９００℃で、電流をある一定電流密度に調整した場合の発電をおこない、それぞれの電量密度における端子電圧の経時変化をモニターした。電流密度３３．０ｍＡ／ｃｍ２の時に最大出力密度２０．３ｍＷ／ｃｍ２が得られた。従って、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質中の固体炭素でも同様に消費して発電できることが示された。また、排気ガス中に含まれる粒子状物質中の固体炭素が除去され、排気ガスを浄化できることが示された。
【０１２７】
上記と同様の固体酸化物型燃料電池を電気化学リアクターとして用い、更に電気集塵機を備えた装置を用い、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を処理すると、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質中の固体炭素を消費して発電できる。また、排気ガス中に含まれる粒子状物質中の固体炭素が除去され、排気ガスを浄化できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明は、内燃機関から排出される排ガス中に含まれる粒子状物質の除去が可能であるので、ディーゼルエンジン、ガスタービンエンジン等の内燃機関を用いる分野に、広く利用されるものである。
【符号の説明】
【０１２９】
１ 吸気管
２ サイクロン捕集器
３ 仕切板
４ ＤＰＦ（Diesel particulate filter）
５ 隔室
１１ 排気管
１３ 酸素供給管
１４ 電気化学リアクター
（態様１では固体酸化物型燃料電池、態様２では固体酸化物型処理装置）
１５ リード線
１６ 放電電極
１７ 集塵電極
１８ 直流電源
１９ スイッチ
１００ 排気ガス浄化システム
１０２ 固体炭素
１０３ 二酸化炭素（ＣＯ２）排出口
１１１ アノード
１１１ａ アノード集電体
１１１ｂ アノード材料
１２１ 電解質
１２２ 外部制御回路
１２３ 電気回路
１３１ カソード
１３１ａ カソード集電体
１３１ｂ カソード材料
Ｈ 排気ガス
Ｅ 内燃機関
Ｄ 電気集塵機
Ｃ 自動車
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するサイクロン捕集器を備える排気ガス浄化システムであって、前記サイクロン捕集器により捕集した粒子状物質をサイクロン捕集器に併設された隔室にある電気化学リアクターに供給し、前記電気化学リアクターが、供給された粒子状物質を電気化学的に除去することを特徴とする排気ガス浄化システム。
【請求項２】
上記電気化学リアクターが上記粒子状物質を燃料とする固体酸化物型燃料電池であって、該固体酸化物型燃料電池が、複合金属酸化物を含むアノード材料を有するアノード、カソード材料を有するカソード、及びアノードとカソードとの間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物を含む電解質を少なくとも有し、該粒子状物質中の固体炭素を、発電によって発生した二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、当該一酸化炭素を酸化することにより発電するものであることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３】
上記電気化学リアクターが固体酸化物型処理装置であって、該固体酸化物型処理装置が、アノード材料を有するアノード、カソード材料を有するカソード、及びアノードとカソードとの間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物を含む電解質を少なくとも有し、該アノードと該カソードの間に電圧を印加することにより酸素イオンをアノードに移行させ、アノード上で該酸素イオンと上記粒子状物質中の固体炭素とを電気化学的に反応させるものであることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４】
上記サイクロン捕集器と上記隔室との間に仕切板を備えており、上記サイクロン捕集器で捕集した粒子状物質を該仕切板のサイクロン捕集器側から電気化学リアクターに供給する供給時期を判断する制御部を備えている請求項１ないし請求項３の何れかの請求項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項５】
上記サイクロン捕集器と上記隔室との間に仕切板を備えており、捕集した粒子状物質が一定の重さになると該仕切板が開口してサイクロン捕集器の底部から上記電気化学リアクターのアノードに該粒子状物質が供給される請求項１ないし請求項４の何れかの請求項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項６】
更に、上記サイクロン捕集器と上記内燃機関の間に電気集塵機を備えている請求項１ないし請求項５の何れかの請求項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項７】
燃料として供給した粒子状物質中の固体炭素に、一酸化炭素又は二酸化炭素を供給することで電気化学リアクターの運転を開始させる請求項１ないし請求項６の何れかの請求項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項８】
発電開始時に発電開始剤を供給するための発電開始剤導入管の先端がアノード側に配置されている請求項２または請求項４ないし請求項７の何れかの請求項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項９】
固体酸化物型燃料電池の発電開始直後、電流密度をその初期値から増加させながら運転させることを特徴とする請求項２または請求項４ないし請求項８の何れかの請求項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項１０】
発電開始時に、アノードへ電気化学的に酸素源を注入することを特徴とする請求項２または請求項４ないし請求項９の何れかの請求項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項１１】
上記固体酸化物型燃料電池が、発電時に下記反応式（１）及び（２）を利用して発電することを特徴とする請求項２または請求項４ないし請求項１０の何れかの請求項に記載の排気ガス浄化システム。
ＣＯ２＋Ｃ → ２ＣＯ （１）
ＣＯ＋Ｏ２− → ＣＯ２＋２ｅ− （２）
【請求項１】
内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するサイクロン捕集器を備える排気ガス浄化システムであって、前記サイクロン捕集器により捕集した粒子状物質をサイクロン捕集器に併設された隔室にある電気化学リアクターに供給し、前記電気化学リアクターが、供給された粒子状物質を電気化学的に除去することを特徴とする排気ガス浄化システム。
【請求項２】
上記電気化学リアクターが上記粒子状物質を燃料とする固体酸化物型燃料電池であって、該固体酸化物型燃料電池が、複合金属酸化物を含むアノード材料を有するアノード、カソード材料を有するカソード、及びアノードとカソードとの間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物を含む電解質を少なくとも有し、該粒子状物質中の固体炭素を、発電によって発生した二酸化炭素と反応させて一酸化炭素に変換し、当該一酸化炭素を酸化することにより発電するものであることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３】
上記電気化学リアクターが固体酸化物型処理装置であって、該固体酸化物型処理装置が、アノード材料を有するアノード、カソード材料を有するカソード、及びアノードとカソードとの間に配置されたイオン伝導性の固体酸化物を含む電解質を少なくとも有し、該アノードと該カソードの間に電圧を印加することにより酸素イオンをアノードに移行させ、アノード上で該酸素イオンと上記粒子状物質中の固体炭素とを電気化学的に反応させるものであることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４】
上記サイクロン捕集器と上記隔室との間に仕切板を備えており、上記サイクロン捕集器で捕集した粒子状物質を該仕切板のサイクロン捕集器側から電気化学リアクターに供給する供給時期を判断する制御部を備えている請求項１ないし請求項３の何れかの請求項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項５】
上記サイクロン捕集器と上記隔室との間に仕切板を備えており、捕集した粒子状物質が一定の重さになると該仕切板が開口してサイクロン捕集器の底部から上記電気化学リアクターのアノードに該粒子状物質が供給される請求項１ないし請求項４の何れかの請求項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項６】
更に、上記サイクロン捕集器と上記内燃機関の間に電気集塵機を備えている請求項１ないし請求項５の何れかの請求項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項７】
燃料として供給した粒子状物質中の固体炭素に、一酸化炭素又は二酸化炭素を供給することで電気化学リアクターの運転を開始させる請求項１ないし請求項６の何れかの請求項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項８】
発電開始時に発電開始剤を供給するための発電開始剤導入管の先端がアノード側に配置されている請求項２または請求項４ないし請求項７の何れかの請求項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項９】
固体酸化物型燃料電池の発電開始直後、電流密度をその初期値から増加させながら運転させることを特徴とする請求項２または請求項４ないし請求項８の何れかの請求項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項１０】
発電開始時に、アノードへ電気化学的に酸素源を注入することを特徴とする請求項２または請求項４ないし請求項９の何れかの請求項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項１１】
上記固体酸化物型燃料電池が、発電時に下記反応式（１）及び（２）を利用して発電することを特徴とする請求項２または請求項４ないし請求項１０の何れかの請求項に記載の排気ガス浄化システム。
ＣＯ２＋Ｃ → ２ＣＯ （１）
ＣＯ＋Ｏ２− → ＣＯ２＋２ｅ− （２）
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１６９１７６（Ｐ２０１１−１６９１７６Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３１８５６（Ｐ２０１０−３１８５６）
【出願日】平成２２年２月１６日（２０１０．２．１６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り （１）２００９年化学工学会第４１回秋季大会講演要旨集 分類番号Ｓ−４、講演番号ＡＤ１０８（発行日：平成２１年８月１６日） （２）第１８回ＳＯＦＣ研究発表会講演要旨集 講演番号１６７Ｃ及び２０５Ｂ（発行日：平成２１年１２月１７日）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】（０００００５９６８）三菱化学株式会社 (4,356)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１６日（２０１０．２．１６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り （１）２００９年化学工学会第４１回秋季大会講演要旨集 分類番号Ｓ−４、講演番号ＡＤ１０８（発行日：平成２１年８月１６日） （２）第１８回ＳＯＦＣ研究発表会講演要旨集 講演番号１６７Ｃ及び２０５Ｂ（発行日：平成２１年１２月１７日）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】（０００００５９６８）三菱化学株式会社 (4,356)
【Ｆターム（参考）】
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