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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022184451
(43)【公開日】2022-12-13
(54)【発明の名称】電気化学リアクタ
(51)【国際特許分類】
F01N 3/08 20060101AFI20221206BHJP
B01D 53/92 20060101ALI20221206BHJP
【ＦＩ】
F01N3/08 C
F01N3/08 A
B01D53/92 227
B01D53/92 ZAB
B01D53/92 223
B01D53/92 300
B01D53/92 352
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021092309
(22)【出願日】2021-06-01
(71)【出願人】
【識別番号】000003997
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002468
【氏名又は名称】特許業務法人後藤特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】福島 瑛介
【テーマコード（参考）】
3G091
4D002
【Ｆターム（参考）】
3G091AA02
3G091AA12
3G091AA18
3G091AB03
3G091AB09
3G091AB14
3G091BA14
3G091GB02Y
3G091GB03Y
3G091GB04Y
3G091HA07
3G091HA19
4D002AA12
4D002AC10
4D002BA04
4D002BA06
4D002BA08
4D002CA07
4D002DA02
4D002DA03
4D002DA04
4D002DA05
4D002DA06
4D002DA21
4D002EA01
4D002HA03
(57)【要約】
【課題】処理対象ガス中の還元対象成分に対するトータルの還元効率を向上させる。
【解決手段】
電気化学リアクタの積層構造体に、積層方向において隣接する膜電極接合体のそれぞれのアノード極層が相互に対向し、且つ積層方向において隣接する膜電極接合体のそれぞれのカソード極層が相互に対向する構造である同種電極対向構造と、対向するアノード極層の間に形成された処理対象ガスを流通させる流路であるアノード流路と、対向するカソード極層の間に形成された処理対象ガスを流通させる流路であるカソード流路と、アノード流路の流路断面積がカソード流路の流路断面積よりも小さい流路流調節構造と、を設ける。
【選択図】図２
【解決手段】
電気化学リアクタの積層構造体に、積層方向において隣接する膜電極接合体のそれぞれのアノード極層が相互に対向し、且つ積層方向において隣接する膜電極接合体のそれぞれのカソード極層が相互に対向する構造である同種電極対向構造と、対向するアノード極層の間に形成された処理対象ガスを流通させる流路であるアノード流路と、対向するカソード極層の間に形成された処理対象ガスを流通させる流路であるカソード流路と、アノード流路の流路断面積がカソード流路の流路断面積よりも小さい流路流調節構造と、を設ける。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アノード極層及びカソード極層の間にイオン伝導層が介在されて成る膜電極接合体が複数積層された積層構造体を有する電気化学リアクタであって、
前記積層構造体は、
積層方向において隣接する前記膜電極接合体のそれぞれの前記アノード極層が相互に対向し、且つ積層方向において隣接する前記膜電極接合体のそれぞれの前記カソード極層が相互に対向する構造である同種電極対向構造と、
対向する前記アノード極層の間に形成された処理対象ガスを流通させる流路であるアノード流路と、
対向する前記カソード極層の間に形成された前記処理対象ガスを流通させる流路であるカソード流路と、
前記アノード流路の流路断面積が前記カソード流路の前記流路断面積よりも小さい流路流調節構造と、を有する、
電気化学リアクタ。
前記積層構造体は、
積層方向において隣接する前記膜電極接合体のそれぞれの前記アノード極層が相互に対向し、且つ積層方向において隣接する前記膜電極接合体のそれぞれの前記カソード極層が相互に対向する構造である同種電極対向構造と、
対向する前記アノード極層の間に形成された処理対象ガスを流通させる流路であるアノード流路と、
対向する前記カソード極層の間に形成された前記処理対象ガスを流通させる流路であるカソード流路と、
前記アノード流路の流路断面積が前記カソード流路の前記流路断面積よりも小さい流路流調節構造と、を有する、
電気化学リアクタ。
【請求項2】
請求項１に記載の電気化学リアクタであって、
前記流路流調節構造は、
前記アノード流路が前記カソード流路よりも狭い構造、又は対向する前記アノード極層を相互に直接接続する構造を含む、
電気化学リアクタ。
前記流路流調節構造は、
前記アノード流路が前記カソード流路よりも狭い構造、又は対向する前記アノード極層を相互に直接接続する構造を含む、
電気化学リアクタ。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の電気化学リアクタであって、
前記流路流調節構造は、
前記アノード流路に配置される集電層であるアノード集電層を含む、
電気化学リアクタ。
前記流路流調節構造は、
前記アノード流路に配置される集電層であるアノード集電層を含む、
電気化学リアクタ。
【請求項4】
請求項３に記載の電気化学リアクタであって、
前記流路流調節構造は、
前記カソード流路に配置され、前記アノード集電層よりも多孔質の集電層であるカソード集電層を含む、
電気化学リアクタ。
前記流路流調節構造は、
前記カソード流路に配置され、前記アノード集電層よりも多孔質の集電層であるカソード集電層を含む、
電気化学リアクタ。
【請求項5】
請求項４に記載の電気化学リアクタであって、
前記カソード集電層には、前記処理対象ガスに含まれる還元対象成分を吸着する吸着材が含浸される、
電気化学リアクタ。
前記カソード集電層には、前記処理対象ガスに含まれる還元対象成分を吸着する吸着材が含浸される、
電気化学リアクタ。
【請求項6】
請求項１～５の何れか１項に記載の電気化学リアクタであって、
前記積層構造体は、
前記アノード極層の前記処理対象ガスの流れ方向における上流位置に設けられ、前記処理対象ガスの流れを阻害する緻密部をさらに含む、
電気化学リアクタ。
前記積層構造体は、
前記アノード極層の前記処理対象ガスの流れ方向における上流位置に設けられ、前記処理対象ガスの流れを阻害する緻密部をさらに含む、
電気化学リアクタ。
【請求項7】
請求項１～６の何れか１項に記載の電気化学リアクタであって、
前記積層構造体は、
前記アノード流路における前記処理対象ガスの流入口を塞ぐ絶縁性の閉塞部材をさらに含む、
電気化学リアクタ。
前記積層構造体は、
前記アノード流路における前記処理対象ガスの流入口を塞ぐ絶縁性の閉塞部材をさらに含む、
電気化学リアクタ。
【請求項8】
請求項１～７の何れか１項に記載の電気化学リアクタであって、
前記積層構造体を構成するそれぞれの前記膜電極接合体は、外部電源に対して相互に並列に接続される、
電気化学リアクタ。
前記積層構造体を構成するそれぞれの前記膜電極接合体は、外部電源に対して相互に並列に接続される、
電気化学リアクタ。
【請求項9】
請求項１～８の何れか１項に記載の電気化学リアクタであって、
前記積層構造体を収容する筐体をさらに含み、
前記積層構造体の端部膜電極接合体の前記カソード極層は前記筐体の内側面と対向し、
端部流路は前記カソード流路よりも狭く構成され、
前記端部膜電極接合体は、前記積層構造体の積層方向における端に位置する前記膜電極接合体であり、
前記端部流路は、前記端部膜電極接合体の前記カソード極層と前記内側面の間に形成される前記処理対象ガスが流通する流路である、
電気化学リアクタ。
前記積層構造体を収容する筐体をさらに含み、
前記積層構造体の端部膜電極接合体の前記カソード極層は前記筐体の内側面と対向し、
端部流路は前記カソード流路よりも狭く構成され、
前記端部膜電極接合体は、前記積層構造体の積層方向における端に位置する前記膜電極接合体であり、
前記端部流路は、前記端部膜電極接合体の前記カソード極層と前記内側面の間に形成される前記処理対象ガスが流通する流路である、
電気化学リアクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気化学リアクタに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１では、ＮＯｘなどの還元対象成分やＣＯなどの酸化対象成分を含むガス（処理対象ガス）を、電気化学反応（酸化・還元反応）を利用して分解するガス分解装置が提案されている。このガス分解装置は、電解質層を介してカソード極とアノード極を積層させてなるＭＥＡ（Membrane and Electrode Assembly:膜電極接合体）を、金属多孔体を介して複数積層させてなる積層構造体を有する。
【0003】
上記積層構造体に供給される処理対象ガスは、カソード極とアノード極の間に挟持されている金属多孔体を主な流路として流れる。このため、この積層構造体に電圧を印加しつつ処理対象ガスを供給すると、カソード極において処理対象ガス中の還元対象成分が還元される一方、アノード極において処理対象ガス中の酸化対象成分が酸化される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１０－２７０７２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
この種のガス分解装置に関しては、特に、還元対象成分に対する還元効率（ＮＯｘ成分の転化率など）を高めることがより優先される用途（車両の排気系統におけるＮＯｘ成分の分解など）への適用が想定されている。しかしながら、上記ガス分解装置の構成の場合、処理対象ガスが流路内を流れる過程においてカソード極上で還元対象成分に対する還元が進行する一方、アノード極上で生じる酸化により生成した酸素が流路内に流れ込む。
【0006】
すなわち、流路内では、処理対象ガスが流れる過程において還元により酸素含有量が減少する一方、アノード極からの酸素の流入により酸素含有量が増加する。このため、流路の入口から出口に亘って酸素濃度が減少しないところ、還元対象成分に対するトータルの還元効率が向上しないという問題がある。
【0007】
本発明は、上記課題に鑑みたものであり、処理対象ガス中の還元対象成分に対するトータルの還元効率を向上させることのできる電気化学リアクタ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】
【0008】
本発明のある態様によれば、アノード極層及びカソード極層の間にイオン伝導層が介在されて成る膜電極接合体が複数積層された積層構造体を有する電気化学リアクタが提供される。特に、積層構造体は、積層方向において隣接する膜電極接合体のそれぞれのアノード極層が相互に対向し、且つ積層方向において隣接する膜電極接合体のそれぞれのカソード極層が相互に対向する構造である同種電極対向構造と、対向するアノード極層の間に形成された処理対象ガスを流通させる流路であるアノード流路と、対向するカソード極層の間に形成された処理対象ガスを流通させる流路であるカソード流路と、アノード流路の流路断面積がカソード流路の流路断面積よりも小さい流路流調節構造と、を有する。
【発明の効果】
【0009】
これにより、処理対象ガス中の還元対象成分に対するトータルの還元効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面等を参照しながら、本発明の各実施形態について説明する。
【0012】
［各実施形態及び変形例の電気化学リアクタの適用例］
図１は、後述する各実施形態による電気化学リアクタ１が配置される内燃機関１１０の排気系統Ｅの概略構成を説明する図である。
図１は、後述する各実施形態による電気化学リアクタ１が配置される内燃機関１１０の排気系統Ｅの概略構成を説明する図である。
【0013】
図示のように、排気系統Ｅは、内燃機関１１０から排気流路１２０を介して排出される排気（処理対象ガス）を処理する要素として、排気の流れ方向に沿って順番に配置された三元触媒１３０及び後述する各実施形態の電気化学リアクタ１を備える。そして、三元触媒１３０及び電気化学リアクタ１で処理された排気はマフラ１４０を介して外気に放出される。
【0014】
内燃機関１１０は、例えば、炭化水素系の燃料（ガソリン又は軽油など）により動作する。内燃機関１１０は、車両に搭載される場合には車輪を直接駆動してもよいし、車両を駆動させるモータへの電力の発電源であってもよい。内燃機関１１０から排出される排気には、未燃燃料（ＨＣ）、炭素酸化物（ＣＯ）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）等が含まれる。特に、内燃機関１１０の具体例には、いわゆるディーゼルエンジン及びリーンバーンエンジンが含まれる。
【0015】
三元触媒１３０は、例えば白金材料により構成されており、内燃機関１１０からの排気に含まれる未燃燃料や炭素酸化物の還元を行う。
【0016】
電気化学リアクタ１は、主として、三元触媒１３０を経た排気に含まれる窒素酸化物を還元する。すなわち、電気化学リアクタ１は、排気に還元対象成分である窒素酸化物（ＮＯｘ）が多量に含まれるなどの要因で、三元触媒１３０による還元作用のみでは十分でないシーンにおいて、三元触媒１３０を経た排気をさらに還元することでＮＯｘを分解する。
【0017】
［各実施形態及び変形例の電気化学リアクタに共通する前提構成］
電気化学リアクタ１は、カソード極及びアノード極の間に電解質（特に固体電解質）が挟持されて構成される単一の燃料電池をＭＥＡ（Membrane and Electrode Assembly:膜電極接合体）を複数積層してなる積層構造体１００（図２等参照）により構成される。
電気化学リアクタ１は、カソード極及びアノード極の間に電解質（特に固体電解質）が挟持されて構成される単一の燃料電池をＭＥＡ（Membrane and Electrode Assembly:膜電極接合体）を複数積層してなる積層構造体１００（図２等参照）により構成される。
【0018】
このように構成される積層構造体１００に対して処理対象ガス（特に、ＮＯｘ成分を含有するガス）を流しつつ直流電圧を印加することで、アノード極、及びカソード極においては以下の反応が進行する。
【0019】
カソード極（還元反応）：２ＮＯ＋４ｅ-→Ｎ2＋２Ｏ2-・・・（１）
アノード極（酸化反応）：２Ｏ2-→Ｏ2＋４ｅ-・・・（２）
アノード極（酸化反応）：２Ｏ2-→Ｏ2＋４ｅ-・・・（２）
【0020】
以下では、上述の前提構成を共通に有する各実施形態の電気化学リアクタ１における固有の構成について詳細に説明する。
【0021】
［第１実施形態］
図２は、第１実施形態による積層構造体１００の構成を説明する図である。なお、以下では、説明の便宜のため、還元処理の対象となる処理対象ガス（特に、ＮＯｘ成分を含有するガス）が流れに沿った方向を「ガス流れ方向Ｘ」と定義し、積層構造体１００を構成するＭＥＡ１０が積層されている方向を「積層方向Ｙ」と定義して図中にも示す。
図２は、第１実施形態による積層構造体１００の構成を説明する図である。なお、以下では、説明の便宜のため、還元処理の対象となる処理対象ガス（特に、ＮＯｘ成分を含有するガス）が流れに沿った方向を「ガス流れ方向Ｘ」と定義し、積層構造体１００を構成するＭＥＡ１０が積層されている方向を「積層方向Ｙ」と定義して図中にも示す。
【0022】
図示のように、積層構造体１００は、２つのＭＥＡ１０を直接的に又は所定の介在層（集電層又は金属支持体）を介して組み合わせて構成されるユニット（以下、「ＭＥＡユニット２０」とも称する）が、積層方向Ｙにおいて相互に所定の空間（後述のカソード流路４２）を確保しつつ複数（図２では３つ）積層されることで構成される。
【0023】
特に、本実施形態のＭＥＡユニット２０は、２つのＭＥＡ１０が集電層（以下、「アノード集電層８０」とも称する）を介して積層方向Ｙにおいて結合されることで構成されている。
【0024】
ＭＥＡ１０は、主として、アノード極（酸化極）として機能するアノード極層５０、カソード極（還元極）として機能するカソード極層６０、及びそれらの間に介在されたイオン伝導層として機能する固体電解質層７０により構成されている。
【0025】
アノード極層５０は、例えば、ランタンストロンチウムコバルト複合酸化物（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物（ＬＳＣＦ）等により形成された板状部材である。特に、アノード極層５０は、上記酸化反応（式（２））で生成された酸素が内部を流通して電気化学リアクタ１の下流に流れ出す機能を確保できる多孔質に形成される。
【0026】
カソード極層６０は、例えばニッケル（Ｎｉ）等の金属及びイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の酸化物により形成された板状部材である。特に、カソード極層６０は、上記還元反応（式（１））の対象となるＮＯｘ成分を含有する処理対象ガスが内部を流通する多孔質に形成される。
【0027】
固体電解質層７０は、酸素イオン伝導性を備えた酸化物により形成された薄膜体である。なお、固体電解質層７０を構成する酸化物としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジウム安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、サマリウムドープトセリア（ＳＤＣ）、ガドリウムドープトセリア（ＧＤＣ）、又はランタンストロンチウムマグネシウムガレート（ＬＳＧＭ）を用いることができる。
【0028】
アノード集電層８０は、積層構造体１００（特に各ＭＥＡユニット２０）に直流電圧を印加するために、外部電源Ｖ（図２では不図示）との導電経路（特に、外部電極の正極端子との導電経路）として機能する板状部材である。アノード集電層８０は、一定の導電性を有する材料（特に金属材料）により構成される。例えば、アノード集電層８０は、鉄（Ｆｅ）及び／又はクロム（Ｃｒ）を含有する合金、特に、フェライト系の耐熱ステンレスにより構成しても良い。また、本実施形態のアノード集電層８０は、上記導電経路としての機能を発揮しつつ、処理対象ガスの流通を一定程度阻害できる程度に緻密な構造に構成される。
【0029】
さらに、本実施形態の積層構造体１００では、ＭＥＡユニット２０を構成する２つのＭＥＡ１０の間の部分（すなわち、アノード集電層８０）が処理対象ガスの流通する第１の流路（以下、「アノード流路４１」とも称する）として機能する。また、積層方向Ｙにおいて隣接するＭＥＡユニット２０の間の空間が処理対象ガスの流通する第２の流路（以下、「カソード流路４２」とも称する）として機能する。
【0030】
すなわち、本実施形態の積層構造体１００では、ＭＥＡユニット２０を構成する２つのＭＥＡ１０（積層方向Ｙにおいて相互に隣接するＭＥＡ１０）のそれぞれのアノード極層５０が相互に対向し、当該対向するアノード極層５０の間（すなわち、アノード集電層８０の部分）がアノード流路４１となる。
【0031】
一方、積層方向Ｙにおいて相互に隣接するＭＥＡユニット２０のそれぞれのカソード極層６０が相互に対向し、当該対向するカソード極層６０の間の空間がカソード流路４２となる。なお、以下では、説明の便宜のため、このように積層方向Ｙにおいて隣接するＭＥＡ１０のそれぞれのアノード極層５０が相互に対向し且つ積層方向Ｙにおいて隣接するＭＥＡ１０のそれぞれのカソード極層６０が相互に対向する構造を「同種電極対向構造」とも称する。
【0032】
また、本実施形態の積層構造体１００は、アノード流路４１の流路断面積Ｓaがカソード流路４２の流路断面積Ｓcよりも小さく構成される。ここで、本実施形態の流路断面積Ｓaとは、処理対象ガスの通過に実質的に寄与するアノード流路４１の断面領域の大きさを意味する。すなわち、流路断面積Ｓaは、アノード流路４１の断面領域が広がる全範囲の大きさ（流路自体の広狭）に加え、断面領域が広がる全範囲の大きさが同一であっても当該断面領域を通過する処理対象ガスの量に影響を与える断面形状（ハニカム形状、格子形状、及び弁体の有無など）も考慮された上で定まる値である。言い換えると、流路断面積Ｓaは、処理対象ガスが実質的に通過可能なアノード流路４１の断面の大きさに相当する値として定義される。カソード流路４２の流路断面積Ｓcの定義についても同様である。なお、以下では、説明の便宜のため、このアノード流路４１の流路断面積Ｓaがカソード流路４２の流路断面積Ｓcよりも小さい構造を「流路流調節構造」とも称する。
【0033】
そして、本実施形態の積層構造体１００においては、上記流路流調節構造が、アノード流路４１がカソード流路４２よりも狭い構造、より詳細にはアノード流路４１の流路径Ｒaがカソード流路４２の流路径Ｒcよりも小さくなる構造により実現されている。
【0034】
以下、上述した積層構造体１００の構成（特に同種電極対向構造及び流路流調節構造）による作用効果について、第１参考例及び第２参考例の構成を参照しつつ説明する。
【0035】
【0036】
なお、本実施形態の構成と各参考例の構成との間の対比における便宜のため、積層構造体２００又は積層構造体３００を構成する各要素とこれに対応する本実施形態の積層構造体１００を構成する各要素とについては同一の符号を用いる。しかしながら、このことは本実施形態の積層構造体１００の各要素と各参考例の積層構造体２００，３００の各要素が相互に同一の構造を持つことを要求する趣旨ではない。
【0037】
図１０に示すように、第１参考例の積層構造体２００では、積層方向Ｙにおいて隣接するＭＥＡ１０（図１０では積層方向Ｙの正側から順にＭＥＡ１０－１～１０―４）において、アノード極層５０とカソード極層６０が相互に対向してそれらの間に処理対象ガスを通す流路４３が形成される構造（既存の積層構造）をとっている。特に、図１０では、アノード極層５０－２とカソード極層６０－１、アノード極層５０－３とカソード極層６０－２、及びアノード極層５０－４とカソード極層６０－３がそれぞれ相互に対向している。
【0038】
第１参考例の積層構造体２００では、流入する処理対象ガスが流路４３（図１０では積層方向Ｙの正側から順に流路４３－１～４３―４）を流れる過程においてカソード極層６０と接触することで還元反応（式（１））が生じ、ＮＯｘ成分が還元される。一方で、第１参考例の積層構造体２００では、流路４３はアノード極層５０にも面している。このため、処理対象ガスがアノード極層５０に接触してもＮＯｘ成分は還元されず、所望の還元効率が得られない場合がある。
【0039】
また、積層構造体２００では、アノード極層５０で生じる酸化反応（式（２））によって生成された酸素が流路４３内に流入する。そのため、処理対象ガスが流路４３内を流れる過程においてＮＯｘ成分の還元の進行に応じて下流の位置であるほど酸素濃度が減少する一方、流路４３内の全域においてアノード極層５０から酸素が流入して処理対象ガスに合流する。すなわち、下流の位置であるほど実質的にアノード極層５０から流入する酸素の量が増えて酸素濃度が増加する。結果として、流路４３内では流出口ｘ１付近においても酸素濃度が低下せず、当該流路４３の流入口ｘ０から流出口ｘ１に亘る全領域において酸素濃度が減少しなくなる。
【0040】
図１０に示す例を用いてより具体的に説明する。例えば、処理対象ガスが流路４３－２に流入すると、当該流路４３－２を流れる過程においてＭＥＡ１０－２のカソード極層６０－２と接触することで下流の位置であるほどＮＯｘ成分が還元される（酸素成分が減少する）。すなわち、カソード極層６０－２における還元に着目すれば、流路４３－２の流出口ｘ１に近づくほどより還元が進行して酸素濃度が減少することとなる。
【0041】
一方で、流路４３－２には、ＭＥＡ１０－３のアノード極層５０－３で生成された酸素も流入する。酸素はアノード極層５０－３の略全面で生成されるので、流路４３－２の流出口ｘ１に近づくほど流路４３－２内の酸素量が増加する。すなわち、アノード極層５０－３における酸化反応に着目すれば、流路４３－２の流出口ｘ１に近づくほどより酸化が進行して酸素濃度が増加することとなる。
【0042】
したがって、カソード極層６０－２における還元に起因する酸素の減少分がアノード極層５０－３の酸化に起因する酸素の増加分に打ち消されることとなり、流路４３－２の流入口ｘ０から流出口ｘ１に亘る過程において酸素濃度がほぼ減少しない状態となる。
【0043】
さらに、ＭＥＡ１０－３のアノード極層５０－３には、当該ＭＥＡ１０－３のカソード極層６０－３における還元により生じた酸素イオンが固体電解質層７０－３を介して移動してくる。その結果、アノード極層５０－３における酸化反応がより活発化して生成される酸素が当該還元に相当する量の分だけ増大する。このため、流路４３－２では流入口ｘ０から流出口ｘ１に近づくにつれて、むしろ、酸素濃度が若干増加する傾向を示す。そして、この現象は、他の流路４３－１，４３－３についても同様に生じる。
【0044】
図１２は、第１参考例の積層構造体２００における流路４３の酸素濃度分布を説明する図である。図示のように、積層構造体２００では、流路４３の酸素濃度は流入口ｘ０から流出口ｘ１に至るまでに亘り減少することなく、むしろ流出口ｘ１に近づくにつれて微増する傾向を示す。したがって、第１参考例の積層構造体２００の構成では、そもそも、アノード極層５０が還元に寄与しないことで還元効率の向上を妨げていることに加え、流路４３の全領域において酸素濃度が減少しないことに起因して、より一層還元効率の向上が妨げられるという問題がある。
【0045】
これに対し、本発明者はより還元効率を向上させることのできる構造を模索して、図１１に示す第２参考例の積層構造体３００、すなわち同種電極対向構造を備える積層構造体３００を開発した。
【0046】
第２参考例の積層構造体３００の構成であれば、処理対象ガスが、積層方向Ｙにおいて相互に対向するカソード極層６０の間に形成されるカソード流路４２において両カソード極層６０と接触して還元される。すなわち、処理対象ガスは、カソード流路４２内を２つのカソード極層６０に接触しつつ流れるので、ＮＯｘ成分の還元効率を高めることができる。また、カソード流路４２がアノード極層５０に面していないため、アノード極層５０で生成された酸素のカソード流路４２への流入も抑制することができる。
【0047】
図１３は、第２参考例の積層構造体３００におけるカソード流路４２の酸素濃度分布を説明する図である。図示のように、積層構造体３００では、カソード流路４２へのアノード極層５０からの酸素の流入が抑制される上で、流出口ｘ１に近づくほど２つのカソード極層６０による還元が進むため、流入口ｘ０から流出口ｘ１に至る過程において酸素濃度が好適に減少することとなる。
【0048】
しかしながら、積層構造体３００における同種電極対向構造では空間又は所定の層を介して相互に対向するアノード極層５０が存在することとなり、これらアノード極層５０の間も処理対象ガスが流通する流路（アノード流路４１）として機能することとなる。そして、このアノード流路４１を流れる処理対象ガスはカソード極層６０に接触しないため、当該処理対象ガスに含まれるＮＯｘ成分はほぼそのまま電気化学リアクタ３から流出することとなる。このため、電気化学リアクタ３におけるトータルのＮＯｘ成分の還元効率が低下することが懸念される。
【0049】
上記事情を鑑み、本発明者は鋭意研鑽の結果、上述した本実施形態の電気化学リアクタ１に想到した。特に、電気化学リアクタ１の積層構造体１００では、同種電極対向構造に加えて、アノード流路４１の流路断面積Ｓaがカソード流路４２の流路断面積Ｓcよりも小さい流路流調節構造を備えることで、トータルのＮＯｘ成分の還元効率の向上を実現している。
【0050】
より具体的には、同種電極対向構造によってカソード流路４２における酸素濃度の減少を実現して当該カソード流路４２内の還元効率の低下を抑制しつつ、流路流調節構造によって処理対象ガスをカソード流路４２により流れやすくすることで電気化学リアクタ１の全体的な還元効率の向上を実現している。
【0051】
なお、本実施形態では、アノード流路４１にアノード集電層８０（特に緻密なアノード集電層８０）を配置することで、アノード流路４１への処理対象ガスの流入量を減少する効果をより高めることができる。すなわち、相対的にカソード流路４２への処理対象ガスの流入量をより増加させることができるので、電気化学リアクタ１におけるトータルのＮＯｘ成分の還元効率をさらに向上させることができる。
【0052】
以上説明した本実施形態の電気化学リアクタ１の作用効果についてまとめて説明する。
【0053】
本実施形態の電気化学リアクタ１は、アノード極層５０及びカソード極層６０の間にイオン伝導層（固体電解質層７０）が介在されて成る膜電極接合体（ＭＥＡ１０）が複数積層された積層構造体１００を有する。
【0054】
積層構造体１００は、積層方向Ｙにおいて隣接するＭＥＡ１０のそれぞれのアノード極層５０が相互に対向し、且つ積層方向Ｙにおいて隣接するＭＥＡ１０のそれぞれのカソード極層６０が相互に対向する構造である同種電極対向構造と、対向するアノード極層５０の間に形成された処理対象ガスを流通させる流路であるアノード流路４１と、対向するカソード極層６０の間に形成された処理対象ガスを流通させる流路であるカソード流路４２と、アノード流路４１の流路断面積Ｓaがカソード流路４２の流路断面積Ｓcよりも小さい流路流調節構造と、を有する。
【0055】
したがって、同種電極対向構造によって、アノード極層５０で生じた酸素が、還元対象成分（ＮＯｘ成分）の還元が行われるカソード流路４２へ流入することが抑制されるため、カソード流路４２内の酸素濃度を減少させることができる。特に、カソード流路４２内において流出口ｘ１に近づくほど酸素量が低下する好適な酸素濃度分布を実現することができ、カソード流路４２内におけるＮＯｘ成分の還元効率を向上させることができる。また、流路流調節構造によって、還元が行われるカソード流路４２へ処理対象ガスが流れやすく、且つ還元が行われないアノード流路４１へ流れにくくすることができる。結果として、電気化学リアクタ１から未処理のまま流出するＮＯｘ成分の量をより低減して、トータルのＮＯｘ還元効率を向上させることができる。
【0056】
特に、本実施形態の流路流調節構造は、アノード流路４１がカソード流路４２よりも狭い構造を含む。より具体的に、流路流調節構造は、アノード流路４１の流路径Ｒaがカソード流路４２の流路径Ｒcよりも小さい構造を含む。
【0057】
これにより、上述の流路流調節構造を、アノード流路４１の流路径Ｒa及び／又はカソード流路４２の流路径Ｒcを調節するという簡易な方法により実現することができる。
【0058】
さらに、本実施形態の流路流調節構造は、アノード流路４１に集電層であるアノード集電層８０が配置された構造を含む。
【0059】
このように、外部電源Ｖとの間の導電経路として用いるアノード集電層８０をアノード流路４１に配置するという簡易な構成によって、当該アノード集電層８０がアノード流路４１において処理対象ガスの実質的な流路を狭くする（流路断面積Ｓaを小さくする）ように機能することとなる。すなわち、追加部品又は流路構造の大幅な変更を要せずに、上記流路流調節構造を具体的に実現することができる。特に、本実施形態のように、流路流調節構造として、流路径Ｒaが流路径Ｒcよりも小さい構造及びアノード流路４１に配置されるアノード集電層８０の双方を採用することで、処理対象ガスがカソード流路４２へ流れやすく且つアノード流路４１へ流れにくくする効果をさらに高めることができる。
【0060】
［第２実施形態］
以下、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
以下、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0061】
図３は、本実施形態による電気化学リアクタ１の構成を説明する図である。図示のように、本実施形態の電気化学リアクタ１において、積層構造体１００には、カソード流路４２に外部電源Ｖとの導電経路（特に、外部電源Ｖの負極端子との導電経路）として機能する集電層であるカソード集電層８２が設けられる。
【0062】
カソード集電層８２は、アノード集電層８０と同様の材質で構成される一方、アノード集電層８０に対してより多孔質に（緻密度が低くなるように）形成される。これにより、処理対象ガスがアノード流路４１にさらに流れにくく、且つカソード流路４２にさらに流れやすくすることができる。
【0063】
すなわち、本実施形態による電気化学リアクタ１では、流路流調節構造は、アノード集電層８０、及びカソード流路４２に配置されアノード集電層８０よりも多孔質の集電層であるカソード集電層８２を含む。
【0064】
これにより、外部電極との導電経路として設けられるアノード集電層８０及びカソード集電層８２によって、追加部品又は流路構造の大幅な変更を要せずに、より好適な流路流調節構造を実現することができる。
【0065】
［第３実施形態］
以下、第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態又は第２実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
以下、第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態又は第２実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0066】
図４は、本実施形態による電気化学リアクタ１の構成を説明する図である。図示のように、本実施形態の電気化学リアクタ１では、第２実施形態で説明したカソード集電層８２に、ＮＯｘを吸着する吸着材８４が含浸される。
【0067】
具体的な吸着材８４の例には、カリウム（Ｋ）又はナトリウム（Ｎａ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、又はマグネシウム（Ｍｇ）等のアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ）等の希土類元素、及びこれらの１種又は２種以上の組み合わせから成る群から選択される材料が含まれる。
【0068】
以上説明したように、カソード集電層８２にＮＯｘを吸着する吸着材８４が含浸されることで、処理対象ガス中のＮＯｘ成分をカソード流路４２内により留めやすくなるので、当該ＮＯｘ成分が未処理のまま電気化学リアクタ１の外部に流出されることを抑制することができる。結果として、トータルのＮＯｘ還元効率をさらに向上させることができる。
【0069】
［第４実施形態］
以下、第４実施形態について説明する。なお、第１～第３実施形態の何れかと同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
以下、第４実施形態について説明する。なお、第１～第３実施形態の何れかと同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0070】
図５は、本実施形態による電気化学リアクタ１の構成を説明する図である。図示のように、本実施形態の電気化学リアクタ１は、第２実施形態の構成（図３に示す構成）をベースとして、アノード極層５０のガス流れ方向Ｘにおける上流位置に設けられる緻密部８６をさらに備える。
【0071】
なお、本実施形態において、ガス流れ方向Ｘにおける上流位置とは、アノード極層５０内を流れる処理対象ガスが流れ得るアノード極層５０内のガス流領域の全長に対して略半分以下となる領域を意味する。すなわち、ガス流れ方向Ｘにおける上流位置は、概ね、ＭＥＡ１０のガス流れ方向Ｘにおける全長に対して、ガス入口位置から略半分の長さ領域に相当する。
【0072】
また、緻密部８６は、アノード極層５０におけるにおいてガス流れ方向Ｘにおける一部分として、処理対象ガスの流れを一定程度阻害する程度に緻密に構成される。特に、緻密部８６は、アノード極層５０における他の部分と比較して緻密に（低い多孔度で）構成される。なお、緻密部８６を構成するアノード極層５０の一部分は、他の部分と同一の材質で形成されても良いし、異なる材質で形成されても良い。
【0073】
以上説明したように、アノード極層５０のガス流れ方向Ｘにおける上流位置に、処理対象ガスの流れを阻害する緻密部８６が設けられたことで、処理対象ガスのアノード極層５０内への流入を抑制することができる。特に、緻密部８６がアノード極層５０の上流位置に位置するので、処理対象ガスを当該緻密部８６により効果的に阻害してカソード流路４２に流入させ易くすることができる。さらに、緻密部８６が上流位置に存在することで、当該緻密部８６がアノード極層５０内において酸素濃度が相対的に高くなる下流位置において当該酸素の流通を阻害することを抑制することができる。すなわち、アノード極層５０内における酸素の流通を大きく阻害することなく、アノード極層５０内への処理対象ガスの流入を抑制しつつカソード流路４２へ誘導する効果を得ることができる。
【0074】
特に、本実施形態の緻密部８６は、アノード極層５０における処理対象ガスの入口の近傍に設けられている。これにより、処理対象ガスのアノード極層５０内への流入の抑制及び当該処理対象ガスのカソード流路４２への流入の促進効果をより向上させることができる。さらに、この構成であれば、処理対象ガスがアノード極層５０に接触することで生じ得る酸化反応も抑制されるので、アノード極層５０で生成されてカソード流路４２内に侵入する酸素の量も低減させることができる。すなわち、電気化学リアクタ１におけるトータルのＮＯｘ還元効率の向上効果をさらに高めることができる。
【0075】
［第５実施形態］
以下、第５実施形態について説明する。なお、第１～第４実施形態の何れかと同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
以下、第５実施形態について説明する。なお、第１～第４実施形態の何れかと同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0076】
図６は、本実施形態による電気化学リアクタ１の構成を説明する図である。図示のように、本実施形態の電気化学リアクタ１は、第２実施形態の構成（図３に示す構成）をベースとして、アノード流路４１における処理対象ガスの流入口ｘａ０を塞ぐ絶縁性の閉塞部材８８がさらに設けられている。
【0077】
これにより、実質的にＮＯｘ成分に対する還元が行われないアノード流路４１への処理対象ガスの流入を抑制することができる。特に、絶縁性の閉塞部材８８がアノード流路４１における処理対象ガスの流入口ｘａ０を塞ぐという簡易な構成によって、ＭＥＡ１０の端部に求められる短絡抑制機能、及び処理対象ガスがカソード流路４２へ流れやすく且つアノード流路４１へ流れにくくなる機能をまとめて実現することができる。
【0078】
特に、閉塞部材８８は、要求される絶縁性能を発揮しつつ、処理対象ガスの流通を一定程度阻害できる程度に緻密な構造に構成されることが好ましい。より詳細には、閉塞部材８８はカソード流路４２を構成するカソード集電層８２よりも緻密に構成されることが好ましく、特にアノード流路４１を構成するアノード集電層８０よりも緻密に構成されることがより好ましい。
【0079】
これにより、処理対象ガスがカソード流路４２へ流れやすく且つアノード流路４１へ流れにくくなる機能をさらに向上させることができる。
【0080】
［第６実施形態］
以下、第６実施形態について説明する。なお、第１～第５実施形態の何れかと同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、電気化学リアクタ１と外部電源Ｖとの接続構造の一態様が提供される。
以下、第６実施形態について説明する。なお、第１～第５実施形態の何れかと同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、電気化学リアクタ１と外部電源Ｖとの接続構造の一態様が提供される。
【0081】
図７は、本実施形態による電気化学リアクタ１と外部電源Ｖとの接続構造を説明する図である。特に、図７は、電気化学リアクタ１をガス流れ方向Ｘから視た構造を示している。なお、以下では説明の便宜のため、ガス流れ方向Ｘ及び積層方向Ｙの双方に対して直交する方向を「電極幅方向Ｚ」とも称する。
【0082】
図示のように、第２実施形態の構成（図３に示す構成）をベースとする電気化学リアクタ１では、各ＭＥＡ１０が外部電源Ｖに対して相互に並列に接続される。
【0083】
より詳細には、各ＭＥＡ１０のアノード集電層８０の端部（電極幅方向Ｚの正側の端部）がバスバー９０を介して外部電源Ｖの正極端子に接続されている。また、各ＭＥＡ１０のカソード集電層８２の端部（電極幅方向Ｚの負側の端部）がバスバー９２を介して外部電源Ｖの負極端子に接続されている。
【0084】
このように、積層構造体１００を構成する各ＭＥＡ１０（特に、各ＭＥＡユニット２０）が外部電源Ｖに対して相互に並列に接続される構造をとることで、これらを直列に接続する場合と比べて電気化学リアクタ１に印加する電圧の大きさ（合成電圧の大きさ）を低減することができる。すなわち、電気化学リアクタ１又はこれに付随する各構成を備えた装置全体を低電圧化することができる。
【0085】
特に、電気化学リアクタ１を排ガス処理の用途で車両に用いる場合において、当該電気化学リアクタ１が低電圧化されていることで、高電圧部品用の安全基準を実現するための種々の部品（絶縁コンバータ等）を要することなく車両に電気化学リアクタ１を搭載することが可能となる。結果として、電気化学リアクタ１を車両に搭載する際に付随する部品の点数を削減することができる。また、各ＭＥＡ１０が外部電源Ｖに対して相互に並列に接続されることで、各ＭＥＡ１０の一部が破損した場合であっても、残りのＭＥＡ１０により電気化学リアクタ１の動作を継続することができる。
【0086】
さらに、本実施形態では、電極幅方向ＺにおけるＭＥＡ１０の端部（電極幅方向Ｚの正側の端部）に絶縁部材９４が設けられている。特に、絶縁部材９４は、電極幅方向ＺにおいてＭＥＡ１０とバスバー９０の間に介在するとともに、積層方向Ｙにおいて相互に対向するアノード集電層８０のそれぞれの端部（電極幅方向Ｚの正側の端部）の間に介在するように設けられている。これにより、ＭＥＡ１０、アノード集電層８０、及びバスバー９０の間における意図しない導電による短絡を防止することができる。
【0087】
また、本実施形態では、電極幅方向ＺにおけるＭＥＡ１０の端部（電極幅方向Ｚの負側の端部）には絶縁部材９６が設けられている。特に、絶縁部材９６は、電極幅方向ＺにおいてＭＥＡ１０からバスバー９２の間に介在するとともに、積層方向Ｙにおいて相互に対向するカソード集電層８２のそれぞれの端部（電極幅方向Ｚの負側の端部）の間に介在するように設けられている。これにより、ＭＥＡ１０、カソード集電層８２、及びバスバー９２の間の意図しない導電による短絡を防止することができる。
【0088】
［第７実施形態］
以下、第７実施形態について説明する。なお、第１～第６実施形態の何れかと同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
以下、第７実施形態について説明する。なお、第１～第６実施形態の何れかと同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0089】
図８は、本実施形態による電気化学リアクタ１の構成を説明する図である。図示のように、本実施形態の電気化学リアクタ１は、第２実施形態の構成（図３に示す構成）をベースとして、積層構造体１００を収容する筐体９８をさらに備えている。筐体９８は、積層構造体１００の全体を収容可能な金属製の箱形状に形成される。
【0090】
特に、積層構造体１００は、積層方向Ｙにおいて当該積層構造体１００の端に位置するＭＥＡ１０（以下、「端部ＭＥＡ１０－０」とも称する）のカソード極層６０（以下、「端部カソード極層６０－０」とも称する）が、絶縁シール材９９を介して筐体９８の内側面９８ａと対向するように構成される。
【0091】
また、端部カソード極層６０－０と筐体９８の内側面９８ａ（より詳細には絶縁シール材９９）との間には、カソード集電層８２と同一構成の多孔質の集電層（以下、「端部集電層８２－０」とも称する）が設けられている。したがって、この端部集電層８２－０の部分も処理対象ガスが流通する流路（以下、「端部流路４２－０」とも称する）として機能する。特に、端部流路４２－０はカソード流路４２よりも狭く構成される。より詳細には、端部流路４２－０の流路径Ｒc0がカソード流路４２の流路径Ｒcよりも小さくなるように構成されている。
【0092】
以上説明したように、本実施形態の電気化学リアクタ１は、積層構造体１００を収容する筐体９８をさらに備える。また、積層構造体１００は、端部膜電極接合体である端部ＭＥＡ１０－０におけるカソード極層６０（端部カソード極層６０－０）が筐体９８の内側面９８ａと対向するように構成される。さらに、端部流路４２－０はカソード流路４２よりも狭く構成される。
【0093】
なお、端部ＭＥＡ１０－０は、積層構造体１００の積層方向Ｙにおける端に位置するＭＥＡ１０である。また、端部流路４２－０は、端部ＭＥＡ１０－０の端部カソード極層６０－０と内側面９８ａの間に形成され処理対象ガスが流通する流路である。
【0094】
これにより、ＮＯｘ成分の還元に寄与しない筐体９８の内側面９８ａに面することで還元効率が低い端部流路４２－０に対して、２つのカソード極層６０に面することことｆｒ還元効率が高いカソード流路４２により多くの処理対象ガスを流すことができる。したがって、電気化学リアクタ１におけるトータルのＮＯｘの還元効率をさらに向上させることができる。
【0095】
［変形例］
以下、第１実施形態の変形例について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
以下、第１実施形態の変形例について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0096】
図９は、変形例による電気化学リアクタ１の構成を説明する図である。変形例の電気化学リアクタ１は、流路流調節構造として、積層構造体１００の対向するアノード極層５０の間にアノード集電層８０を介在させずに、対向するアノード極層５０を相互に直接接続した構造をとる点において第１実施形態と異なる。
【0097】
この構造により、対向するアノード極層５０の間に形成されるアノード流路４１の流路径Ｒaをより小さく（特にほぼ０に）することができる。したがって、アノード流路４１の流路断面積Ｓaがより小さくなるので、処理対象ガスがアノード流路４１に流れにくく且つカソード流路４２に流れやすくなる効果をより高めることができる。
【0098】
なお、本変形例の積層構造体１００においては、アノード集電層８０に代えて当該外部電源Ｖの正極端子とアノード極層５０とを直接接続することで、所望の電圧を印加するための外部電源Ｖとの電気的接続を確保することができる。
【0099】
以上、本発明の実施形態及び変形例について説明したが、上記実施形態及び変形例は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【0100】
例えば、積層構造体１００の構成は、上記各実施形態又は変形例において意図される作用効果の発揮を阻害しない範囲で任意に変更することが可能である。より具体的には、上記各実施形態又は変形例において説明した積層構造体１００を構成する各層に加えて、当該積層構造体１００の層構造を支持するための補強層を追加しても良い。
【0101】
特に、対向するアノード極層５０の間、対向するカソード極層６０の間、又はこれらの双方にさらに金属製の支持体（支持層）を追加して強度を高めたセル構造（いわゆるメタルサポートセル）に対して、上記各実施形態又は変形例で説明した構成を適用しても良い。さらに、アノード極層５０及びカソード極層６０の何れか一方を他方と比べて厚く（積層方向Ｙにおける長さを長く）構成することで強度を高めたセル構造（いわゆるアノードサポートセル又はカソードサポートセル）に対して、上記各実施形態又は変形例で説明した構成を適用しても良い。
【0102】
特に、上記各実施形態又は変形例の積層構造体１００のＭＥＡユニット２０は２つのＭＥＡ１０により構成されているので、それぞれのＭＥＡ１０に上記サポート構造を設けることでこれらを組み合わせてなる当該ＭＥＡユニット２０の強度をより高めることができる。すなわち、積層構造体１００の実質的な単位ユニットである各ＭＥＡユニット２０の強度をより高めることができるので、層構造全体のさらなる強度の向上を実現することができる。
【0103】
また、図１で説明した各実施形態及び変形例の電気化学リアクタ１の適用例は一例であり、電気化学リアクタ１の適用例はこれに限定されるものではない。一方で、本実施形態の電気化学リアクタ１は、処理対象ガス中において、酸化対象成分よりも還元対象成分に対する処理が優先されるシーンに適用されることが特に好ましい。例えば、酸化対象成分であるＣＯなどを十分に酸化可能な構成（三元触媒や酸化触媒など）を備えているか或いは処理対象ガス中にこのような成分があまり含まれない一方、還元対象成分であるＮＯｘ成分を還元するための構成を十分に備えていないシステム（ディーゼルエンジンやリーンバーンエンジンの排気系統Ｅなど）において、電気化学リアクタ１を適用することが特に好ましい。
【0104】
なお、上記各実施形態及び変形例の構成は、矛盾しない範囲において相互に組み合わせが可能である。
【符号の説明】
【0105】
１ 電気化学リアクタ、１０ ＭＥＡ、２０ ＭＥＡユニット、４１ アノード流路、４２ カソード流路、４２ 端部流路、５０ アノード極層、６０ カソード極層、７０ 固体電解質層、８０ アノード集電層、８２ カソード集電層、８４ 吸着材、８６ 緻密部、８８ 閉塞部材、９８ 筐体、９８ａ 内側面、１００ 積層構造体
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】