知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】P2022187845
(43)【公開日】2022-12-20
(54)【発明の名称】電気化学リアクタ
(51)【国際特許分類】
C25B 15/02 20210101AFI20221213BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20221213BHJP
C25B 9/77 20210101ALI20221213BHJP
C25B 1/02 20060101ALI20221213BHJP
C25B 1/01 20210101ALI20221213BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20221213BHJP
C25B 11/032 20210101ALI20221213BHJP
B01D 53/94 20060101ALI20221213BHJP
F01N 3/08 20060101ALI20221213BHJP
F01N 3/24 20060101ALI20221213BHJP
【ＦＩ】
C25B15/02
C25B9/23 ZAB
C25B9/77
C25B1/02
C25B1/01 Z
C25B9/00 Z
C25B11/032
B01D53/94 222
F01N3/08 C
F01N3/24 N
【審査請求】未請求
【請求項の数】18
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021096050
(22)【出願日】2021-06-08
(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】三浦 遥平
【テーマコード（参考）】
3G091
4D148
4K011
4K021
【Ｆターム（参考）】
3G091AB14
3G091BA14
3G091CA27
3G091HA46
4D148AA06
4D148AB02
4D148BA03Y
4D148BA17Y
4D148BA20Y
4D148BA23Y
4D148BA25Y
4D148BA26Y
4D148BA27Y
4D148BA28Y
4D148BA30Y
4D148BA31Y
4D148BA32Y
4D148BA33Y
4D148BA34Y
4D148BA35Y
4D148BA36Y
4D148BA37Y
4D148BA38Y
4D148EA02
4K011AA03
4K011AA12
4K011AA22
4K011AA30
4K011AA48
4K011BA07
4K011BA08
4K011DA11
4K021AA01
4K021AA09
4K021BC09
4K021CA13
4K021CA15
4K021DB16
4K021DB36
4K021DB43
4K021DB53
4K021DC01
4K021DC15
(57)【要約】
【課題】省スペース化及び低コスト化を実現しつつ、排気の浄化性能が高い電気化学リアクタを提供する。
【解決手段】電圧の印加に応じた電気化学反応により内燃機関から排出される排気を浄化する電気化学リアクタ１００が提供される。電気化学リアクタ１００は、排気に含まれる未酸化物質を酸化可能なアノード極層１０を構成するアノード側多孔質金属体１１と、排気に含まれる未還元物質を還元可能なカソード極層２０を構成するカソード側多孔質金属体２１と、アノード極層１０及びカソード極層２０に挟持される固体電解質層３０とを有するセルユニット１が複数積層されて構成される。カソード極層２０は、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一になるようにカソード極層２０を流れる排気の通気抵抗を制御可能な通気抵抗制御手段を有する。
【選択図】図１
【解決手段】電圧の印加に応じた電気化学反応により内燃機関から排出される排気を浄化する電気化学リアクタ１００が提供される。電気化学リアクタ１００は、排気に含まれる未酸化物質を酸化可能なアノード極層１０を構成するアノード側多孔質金属体１１と、排気に含まれる未還元物質を還元可能なカソード極層２０を構成するカソード側多孔質金属体２１と、アノード極層１０及びカソード極層２０に挟持される固体電解質層３０とを有するセルユニット１が複数積層されて構成される。カソード極層２０は、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一になるようにカソード極層２０を流れる排気の通気抵抗を制御可能な通気抵抗制御手段を有する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電圧の印加に応じた電気化学反応により内燃機関から排出される排気を浄化する電気化学リアクタであって、
前記電気化学リアクタは、前記排気に含まれる未酸化物質を酸化可能なアノード極層を構成するアノード側多孔質金属体と、前記排気に含まれる未還元物質を還元可能なカソード極層を構成するカソード側多孔質金属体と、前記アノード極層及び前記カソード極層に挟持される固体電解質層とを有するセルユニットが複数積層されて構成され、
前記カソード極層は、各カソード極層に流入する前記排気の流量が均一になるように前記カソード極層を流れる前記排気の通気抵抗を制御可能な通気抵抗制御手段を有する、
電気化学リアクタ。
前記電気化学リアクタは、前記排気に含まれる未酸化物質を酸化可能なアノード極層を構成するアノード側多孔質金属体と、前記排気に含まれる未還元物質を還元可能なカソード極層を構成するカソード側多孔質金属体と、前記アノード極層及び前記カソード極層に挟持される固体電解質層とを有するセルユニットが複数積層されて構成され、
前記カソード極層は、各カソード極層に流入する前記排気の流量が均一になるように前記カソード極層を流れる前記排気の通気抵抗を制御可能な通気抵抗制御手段を有する、
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、
前記通気抵抗制御手段は、前記カソード側多孔質金属体であり、前記通気抵抗は、前記カソード側多孔質金属体の気孔率により制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向端部近傍に位置するカソード極層と、積層方向中央部近傍に位置するカソード極層とで、前記気孔率が異なる、
電気化学リアクタ。
前記通気抵抗制御手段は、前記カソード側多孔質金属体であり、前記通気抵抗は、前記カソード側多孔質金属体の気孔率により制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向端部近傍に位置するカソード極層と、積層方向中央部近傍に位置するカソード極層とで、前記気孔率が異なる、
電気化学リアクタ。
【請求項3】
請求項１または２に記載の電気化学リアクタであって、
前記通気抵抗制御手段は、前記カソード側多孔質金属体であり、前記通気抵抗は、前記カソード側多孔質金属体の気孔率により制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、前記排気の流れ方向における前記カソード極層の上流側と下流側とで、前記気孔率が異なり、
前記気孔率は、前記カソード極層内における前記排気の流速が均一になるように決定される、
電気化学リアクタ。
前記通気抵抗制御手段は、前記カソード側多孔質金属体であり、前記通気抵抗は、前記カソード側多孔質金属体の気孔率により制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、前記排気の流れ方向における前記カソード極層の上流側と下流側とで、前記気孔率が異なり、
前記気孔率は、前記カソード極層内における前記排気の流速が均一になるように決定される、
電気化学リアクタ。
【請求項4】
請求項１から３のいずれか一つに記載の電気化学リアクタであって、
前記通気抵抗制御手段は、前記カソード側多孔質金属体であり、前記通気抵抗は、前記カソード側多孔質金属体の厚みにより制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向端部近傍に位置するカソード極層と、積層方向中央部近傍に位置するカソード極層とで、厚みが異なる、
電気化学リアクタ。
前記通気抵抗制御手段は、前記カソード側多孔質金属体であり、前記通気抵抗は、前記カソード側多孔質金属体の厚みにより制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向端部近傍に位置するカソード極層と、積層方向中央部近傍に位置するカソード極層とで、厚みが異なる、
電気化学リアクタ。
【請求項5】
請求項１から４のいずれか一つに記載の電気化学リアクタであって、
前記通気抵抗制御手段は、前記カソード側多孔質金属体であり、前記通気抵抗は、前記カソード側多孔質金属体の厚みにより制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、前記排気の流れ方向における前記カソード極層の上流側と下流側とで、厚みが異なり、
前記厚みは、前記カソード極層内における前記排気の流速が均一になるように決定される、
電気化学リアクタ。
前記通気抵抗制御手段は、前記カソード側多孔質金属体であり、前記通気抵抗は、前記カソード側多孔質金属体の厚みにより制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、前記排気の流れ方向における前記カソード極層の上流側と下流側とで、厚みが異なり、
前記厚みは、前記カソード極層内における前記排気の流速が均一になるように決定される、
電気化学リアクタ。
【請求項6】
請求項１から５のいずれか一つに記載の電気化学リアクタであって、
前記カソード側多孔質金属体には、溶接ビードが形成され、
前記通気抵抗制御手段は、前記溶接ビードであり、前記通気抵抗は、前記溶接ビードのビード容積により制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向端部近傍に位置するカソード極層と、積層方向中央部近傍に位置するカソード極層とで、形成される前記溶接ビードのビード容積が異なる、
電気化学リアクタ。
前記カソード側多孔質金属体には、溶接ビードが形成され、
前記通気抵抗制御手段は、前記溶接ビードであり、前記通気抵抗は、前記溶接ビードのビード容積により制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向端部近傍に位置するカソード極層と、積層方向中央部近傍に位置するカソード極層とで、形成される前記溶接ビードのビード容積が異なる、
電気化学リアクタ。
【請求項7】
請求項１から６のいずれか一つに記載の電気化学リアクタであって、
前記カソード側多孔質金属体には、溶接ビードが形成され、
前記通気抵抗制御手段は、前記溶接ビードであり、前記通気抵抗は、前記溶接ビードのビード容積により制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、前記排気の流れ方向における前記カソード極層の上流側と下流側とで、形成される前記溶接ビードのビード容積が異なり、
前記ビード容積は、前記カソード極層内における前記排気の流速が均一になるように決定される
電気化学リアクタ。
前記カソード側多孔質金属体には、溶接ビードが形成され、
前記通気抵抗制御手段は、前記溶接ビードであり、前記通気抵抗は、前記溶接ビードのビード容積により制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、前記排気の流れ方向における前記カソード極層の上流側と下流側とで、形成される前記溶接ビードのビード容積が異なり、
前記ビード容積は、前記カソード極層内における前記排気の流速が均一になるように決定される
電気化学リアクタ。
【請求項8】
請求項１から７のいずれか一つに記載の電気化学リアクタであって、
各前記セルユニット間には、前記排気が前記アノード極層及び前記カソード極層間を流通するのを阻害するセパレータをさらに備え、
前記排気の流れ方向における前記アノード極層の上流側は、前記排気が下流側へ流出するのが阻害されるように、前記アノード側多孔質金属体が密に構成される、
電気化学リアクタ。
各前記セルユニット間には、前記排気が前記アノード極層及び前記カソード極層間を流通するのを阻害するセパレータをさらに備え、
前記排気の流れ方向における前記アノード極層の上流側は、前記排気が下流側へ流出するのが阻害されるように、前記アノード側多孔質金属体が密に構成される、
電気化学リアクタ。
【請求項9】
請求項１から８のいずれか一つに記載の電気化学リアクタであって、
前記排気の流れ方向における前記電気化学リアクタの上流が、各前記セルユニットに流入する前記排気の流速が均一になるように構成されている場合、
前記通気抵抗制御手段は、積層方向中央部に近いカソード極層ほど通気抵抗が小さくなるように構成される、
電気化学リアクタ。
前記排気の流れ方向における前記電気化学リアクタの上流が、各前記セルユニットに流入する前記排気の流速が均一になるように構成されている場合、
前記通気抵抗制御手段は、積層方向中央部に近いカソード極層ほど通気抵抗が小さくなるように構成される、
電気化学リアクタ。
【請求項10】
請求項１から８のいずれか一つに記載の電気化学リアクタであって、
前記排気の流れ方向における前記電気化学リアクタの上流が、各前記セルユニットに流入する前記排気の流速が積層方向中央部に近いセルユニットほど大きくなるように構成されている場合、
前記通気抵抗制御手段は、積層方向中央部に近いカソード極層ほど通気抵抗が大きくなるように構成される、
電気化学リアクタ。
前記排気の流れ方向における前記電気化学リアクタの上流が、各前記セルユニットに流入する前記排気の流速が積層方向中央部に近いセルユニットほど大きくなるように構成されている場合、
前記通気抵抗制御手段は、積層方向中央部に近いカソード極層ほど通気抵抗が大きくなるように構成される、
電気化学リアクタ。
【請求項11】
請求項９に記載の電気化学リアクタであって、
前記通気抵抗制御手段は、前記カソード側多孔質金属体であり、前記通気抵抗は、前記カソード側多孔質金属体の気孔率の大きさにより制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向中央部に近いカソード極層ほど気孔率が大きい、
電気化学リアクタ。
前記通気抵抗制御手段は、前記カソード側多孔質金属体であり、前記通気抵抗は、前記カソード側多孔質金属体の気孔率の大きさにより制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向中央部に近いカソード極層ほど気孔率が大きい、
電気化学リアクタ。
【請求項12】
請求項９に記載の電気化学リアクタであって、
前記通気抵抗制御手段は、前記カソード側多孔質金属体であり、前記通気抵抗は、前記カソード側多孔質金属体の厚みにより制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向端部に近いカソード極層ほど厚い、
電気化学リアクタ。
前記通気抵抗制御手段は、前記カソード側多孔質金属体であり、前記通気抵抗は、前記カソード側多孔質金属体の厚みにより制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向端部に近いカソード極層ほど厚い、
電気化学リアクタ。
【請求項13】
請求項９に記載の電気化学リアクタであって、
前記カソード側多孔質金属体には、溶接ビードが形成され、
前記通気抵抗制御手段は、前記溶接ビードであり、前記通気抵抗は、前記溶接ビードのビード容積により制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向端部に近いカソード極層ほど、形成される前記溶接ビードのビード容積が大きい、
電気化学リアクタ。
前記カソード側多孔質金属体には、溶接ビードが形成され、
前記通気抵抗制御手段は、前記溶接ビードであり、前記通気抵抗は、前記溶接ビードのビード容積により制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向端部に近いカソード極層ほど、形成される前記溶接ビードのビード容積が大きい、
電気化学リアクタ。
【請求項14】
請求項１０に記載の電気化学リアクタであって、
前記通気抵抗制御手段は、前記カソード側多孔質金属体であり、前記通気抵抗は、前記カソード側多孔質金属体の気孔率の大きさにより制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向端部に近いカソード極層ほど気孔率が大きい、
電気化学リアクタ。
前記通気抵抗制御手段は、前記カソード側多孔質金属体であり、前記通気抵抗は、前記カソード側多孔質金属体の気孔率の大きさにより制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向端部に近いカソード極層ほど気孔率が大きい、
電気化学リアクタ。
【請求項15】
請求項１０に記載の電気化学リアクタであって、
前記通気抵抗制御手段は、前記カソード側多孔質金属体であり、前記通気抵抗は、前記カソード側多孔質金属体の厚みにより制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向中央部に近いカソード極層ほど厚い、
電気化学リアクタ。
前記通気抵抗制御手段は、前記カソード側多孔質金属体であり、前記通気抵抗は、前記カソード側多孔質金属体の厚みにより制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向中央部に近いカソード極層ほど厚い、
電気化学リアクタ。
【請求項16】
請求項１０に記載の電気化学リアクタであって、
前記カソード側多孔質金属体には、溶接ビードが形成され、
前記通気抵抗制御手段は、前記溶接ビードであり、前記通気抵抗は、前記溶接ビードのビード容積により制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向中央部に近いカソード極層ほど、形成される前記溶接ビードのビード容積が大きい、
電気化学リアクタ。
前記カソード側多孔質金属体には、溶接ビードが形成され、
前記通気抵抗制御手段は、前記溶接ビードであり、前記通気抵抗は、前記溶接ビードのビード容積により制御され、
前記カソード側多孔質金属体は、積層方向中央部に近いカソード極層ほど、形成される前記溶接ビードのビード容積が大きい、
電気化学リアクタ。
【請求項17】
請求項１から１６のいずれか一つに記載の電気化学リアクタであって、
前記排気の流れ方向における前記電気化学リアクタの上流が、各前記セルユニットの幅方向において、前記セルユニットに流入する前記排気の流速が均一になるように構成されている場合、
前記通気抵抗制御手段は、前記セルユニットの幅方向中央部に近いほど前記カソード極層内の通気抵抗が小さくなるように構成される、
電気化学リアクタ。
前記排気の流れ方向における前記電気化学リアクタの上流が、各前記セルユニットの幅方向において、前記セルユニットに流入する前記排気の流速が均一になるように構成されている場合、
前記通気抵抗制御手段は、前記セルユニットの幅方向中央部に近いほど前記カソード極層内の通気抵抗が小さくなるように構成される、
電気化学リアクタ。
【請求項18】
請求項１から１６のいずれか一つに記載の電気化学リアクタであって、
前記排気の流れ方向における前記電気化学リアクタの上流が、各前記セルユニットの幅方向において、幅方向中央部に近いほど前記セルユニットに流入する前記排気の流速が大きくなるように構成されている場合、
前記通気抵抗制御手段は、前記セルユニットの幅方向中央部に近いほど前記カソード極層内の通気抵抗が大きくなるように構成される、
電気化学リアクタ。
前記排気の流れ方向における前記電気化学リアクタの上流が、各前記セルユニットの幅方向において、幅方向中央部に近いほど前記セルユニットに流入する前記排気の流速が大きくなるように構成されている場合、
前記通気抵抗制御手段は、前記セルユニットの幅方向中央部に近いほど前記カソード極層内の通気抵抗が大きくなるように構成される、
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】
車両に搭載されるエンジンの排気には窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれるため、三元触媒等で還元して車外に排出する必要がある。しかしながら、例えばリーンバーンやディーゼル燃焼のように酸素が過剰な状況では三元触媒の還元力が低下するため、他の還元手段を検討する必要がある。
【0003】
特許文献１には、電気化学反応による還元手段として、カソード極の面とアノード極の面とを備えるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ:膜電極接合体）を金属多孔体を介して積層して構成した電気化学リアクタを用いる技術が開示されている。ＭＥＡにおいては、カソード極で窒素酸化物が還元されることにより酸素イオンが離脱して窒素ガスが生成される。そして、離脱した酸素イオンはＭＥＡ内部の電解質層を伝導してアノード極へと移動し、アノード極で酸化されて酸素ガスとして放出される。
【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】
ところで、ＭＥＡの積層体である電気化学リアクタにおいては、電気化学リアクタ内の温度分布や電気化学リアクタの上流側の排気流路の形状等の要因により、電気化学リアクタ内における排気の流れが偏ってしまうという問題がある。排気の流れが偏ると、排気の還元に偏りができてしまい、排気の浄化性能が低下する虞がある。
【0006】
これに対し、排気が電気化学リアクタ内に均一に流入するように、電気化学リアクタの上流にディフューザーを設けることが考えられるが、その分のスペースを設ける必要があり、車載することが難しくなる。また、複雑な形状を加工する必要があり、コストが上昇する。
【0007】
本発明は、上記課題に鑑みたものであり、省スペース化及び低コスト化を実現しつつ、排気の浄化性能が高い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】
本発明の一態様によれば、電圧の印加に応じた電気化学反応により内燃機関から排出される排気を浄化する電気化学リアクタが提供される。電気化学リアクタは、排気に含まれる未酸化物質を酸化可能なアノード極層を構成するアノード側多孔質金属体と、排気に含まれる未還元物質を還元可能なカソード極層を構成するカソード側多孔質金属体と、アノード極層及びカソード極層に挟持される固体電解質層とを有するセルユニットが複数積層されて構成される。カソード極層は、各カソード極層に流入する排気の流量が均一になるようにカソード極層を流れる排気の通気抵抗を制御可能な通気抵抗制御手段を有する。
【発明の効果】
【0009】
本発明の電気化学リアクタによれば、カソード極層は、各カソード極層に流入する排気の流量が均一になるようにカソード極層を流れる排気の通気抵抗を制御可能な通気抵抗制御手段を有する。これにより、各カソード極層に排気を均一に流入させることができ、排気の流れの偏りを抑制することができる。また、カソード極層が排気の流量を均一にする通気抵抗制御手段を有するため、ディフューザー等を別途設ける必要がない。従って、省スペース化及び低コスト化を実現しつつ、排気の浄化性能が高い電気化学リアクタを提供することができる。
【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、本発明の実施形態について説明する。
【0012】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による電気化学リアクタ１００の主要構成を示す概略構成図である。
図１は、第１実施形態による電気化学リアクタ１００の主要構成を示す概略構成図である。
【0013】
図１に示すように、電気化学リアクタ１００は、セルユニット１が複数積層されて構成される。セルユニット１の積層方向の最外部（両端部）には電極端子４０を備える。電気化学リアクタ１００は、例えば内燃機関の排気が流れる排気流路１０１内に設けられ、上流側（図１の左側）から電気化学リアクタ１００に流入する排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）等を還元して、電気化学リアクタ１００の下流側（図１の右側）に排出する。
【0014】
排気流路１０１は、内燃機関からの排気が流れる通路であり、ステンレス等の配管１０２により構成される。前述のとおり、排気流路１０１内には、電気化学リアクタ１００が設置される。なお、排気の流れ方向における電気化学リアクタ１００の上流の配管１０２は、積層された各セルユニット１に流入する排気の流速が均一となるように、内燃機関から電気化学リアクタ１００まで、管の断面積が均一になるように構成されている。
【0015】
セルユニット１は、排気に含まれる未酸化物質を酸化可能なアノード極層１０と、排気に含まれる未還元物質を還元可能なカソード極層２０と、アノード極層１０及びカソード極層２０に挟持される固体電解質層３０とを有する。セルユニット１の積層方向最外部の電極端子４０を介して電気化学リアクタ１００に電圧が印加されると、セルユニット１のアノード極層１０、カソード極層２０及び固体電解質層３０において以下の反応が進行する。これにより、排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）が還元される。
【0016】
カソード極（還元反応）：２ＮＯ＋４ｅ－→Ｎ２＋２Ｏ２－
電解質層 ：Ｏ２－の伝導
アノード極（酸化反応）：２Ｏ２－→Ｏ２＋４ｅ－
電解質層 ：Ｏ２－の伝導
アノード極（酸化反応）：２Ｏ２－→Ｏ２＋４ｅ－
【0017】
アノード極層１０は、多孔質金属体（アノード側多孔質金属体）１１に、アノード電極触媒を含浸して担持させることで構成される。アノード極層１０においては、カソード極層２０から固体電解質層３０により伝導された酸素イオン（Ｏ２－）が酸化され、酸素が生成される。多孔質金属体１１は、例えば、ステンレス鋼、鉄、ニッケル、銅、白金及び銀等から構成される板状の部材である。アノード電極触媒の材料は、酸素の生成に触媒作用を有するものであれば既知の如何なるものを使用してもよい。例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、銅、銀、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属及びこれらの合金等から選択しうる。
【0018】
カソード極層２０は、多孔質金属体（カソード側多孔質金属体）２１に、カソード電極触媒を含浸して担持させることで構成される。カソード極層２０においては、排気流路１０１を流れる排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）が窒素ガス（Ｎ２）と酸素イオン（Ｏ２－）に還元される。アノード側と同様に、多孔質金属体２１は、例えば、ステンレス鋼、鉄、ニッケル、銅、白金及び銀等から構成される板状の部材である。カソード電極触媒の材料は、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元に触媒作用を有するものであれば既知の如何なるものを使用してもよい。例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、銅、銀、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属及びこれらの合金等から選択しうる。
【0019】
固体電解質層３０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り、アノード極層１０とカソード極層２０とに挟持されている。当該酸化物としては、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）、ランタンストロンチウムマグネシウムガレート（ＬＳＧＭ）等を用いることができる。カソード極層２０において還元された窒素酸化物（ＮＯｘ）の酸素イオン（Ｏ２－）は、固体電解質層３０を伝導してアノード極層１０に運ばれる。
【0020】
電極端子４０は、セルユニット１の積層方向の最外部に設けられ、電気化学リアクタ１００外部の電源（図示しない）に電気的に接続されている。当該電源から電極端子４０を介して電気化学リアクタ１００に電圧が印加されると、セルユニット１において前述の酸化、還元反応が進行する。
【0021】
また、電極端子４０は、排気の流れ方向両端の表面が、例えばガスケット等の絶縁性のシール部材１０３を介して、排気流路１０１を構成するステンレス等の配管１０２に接触している。シール部材１０３を介することにより、排気流路１０１を構成する配管１０２と電極端子４０との間から排気が排気流路１０１の外部に漏れることが防止されるとともに、電極端子４０と配管１０２との電気的絶縁性が確保される。
【0022】
上記のように構成された電気化学リアクタ１００では、電源から電圧が印加されると、電気化学リアクタ１００に流入する排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）等がカソード極層２０において還元され、浄化される。
【0023】
ところで、セルユニットを積層した電気化学リアクタにおいては、電気化学リアクタ内の温度分布や電気化学リアクタの上流側の排気流路の形状等の要因により、電気化学リアクタ内における排気の流れが偏ってしまうという問題がある。排気の流れが偏ると、排気の還元に偏りができてしまい、排気の浄化性能が低下する虞がある。
【0024】
これに対し、排気が電気化学リアクタ内に均一に流入するように、電気化学リアクタの上流にディフューザーを設けることが考えられるが、その分のスペースを設ける必要があり、車載することが難しくなる。また、複雑な形状を加工する必要があり、コストが上昇する。
【0025】
そこで本実施形態では、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一になるようにカソード極層２０を流れる排気の通気抵抗を制御可能な通気抵抗制御手段を有するように電気化学リアクタ１００を構成した。これにより、各カソード極層に排気を均一に流入させることができ、排気の流れの偏りを抑制することができる。また、カソード極層２０が排気の流量を均一にする通気抵抗制御手段を有するため、ディフューザー等を別途設ける必要がない。従って、省スペース化及び低コスト化を実現しつつ、排気の浄化性能が高い電気化学リアクタ１００を提供することができる。
【0026】
具体的には、本実施形態では、カソード側多孔質金属体２１を通気抵抗制御手段として用い、カソード側多孔質金属体２１の気孔率により各カソード極層２０を流れる排気の通気抵抗を制御することとした。
【0027】
以下、本実施形態の通気抵抗制御手段２１を説明する。
【0028】
排気の流れ方向における電気化学リアクタ１００の上流が、各セルユニット１に流入する排気の流速が均一になるように排気流路１０１が構成されている本実施形態では、以下で説明するように、積層方向中央部に近いカソード極層２０ほど通気抵抗が小さくなるように通気抵抗制御手段２１を構成した。
【0029】
前述の通り、本実施形態においては、カソード側多孔質金属体２１が通気抵抗制御手段として用いられる。図１に示すように、本実施形態においては、カソード側多孔質金属体２１の気孔率は積層方向中央に近いカソード極層２０ほど大きい。従って、気孔率の大きい積層方向中央に近いカソード極層２０は、積層方向端部に近いカソード極層２０よりも通気抵抗が相対的に小さい。
【0030】
ここで、セルユニット１を積層した電気化学リアクタ１００においては、通電した際にジュール熱が発生するが、セルユニット１の積層方向中央ほど熱がこもり、積層方向の端部に近いほど外に熱が放熱され易い。このため、電気化学リアクタ１００には、セルユニット１の積層方向中央が高温、積層方向両端に近いほど低温になる温度分布ができる。
【0031】
電気化学リアクタ１００に不均一な温度分布ができると、温度が高い箇所ほどガスが膨張し、流速が高くなり、圧力損失が大きくなる。また、ガスの温度が高いほど、ガスの粘度が高くなるため、ガスがより温められる高温部ほど、ガスが流れにくくなる。即ち、セルユニット１の積層方向中央の高温部ほど、通気抵抗が大きくなる。従って、本実施形態のように、各セルユニット１に流入する排気の流速が均一となるように排気流路１０１が構成されている場合、低温の積層方向端部に排気が流れ易くなる。
【0032】
このように、電気化学リアクタ１００に上記のような不均一な温度分布ができると、相対的に通気抵抗の小さい低温の積層方向端部に排気の流れが偏る。排気の流れが偏ると、排気の還元に偏りができてしまい、排気の浄化性能が低下する虞がある。
【0033】
これに対し本実施形態においては、カソード側多孔質金属体２１の気孔率が積層方向中央に近いカソード極層２０ほど大きいため、温度分布が均一の場合、セルユニット１の積層方向中央に近いカソード極層２０ほど通気抵抗が小さい。一方、電気化学リアクタ１００が起動（電圧が印加）されると、上記のような温度分布が生じてセルユニット１の積層方向中央の通気抵抗が大きくなるが、積層方向中央ほどカソード側多孔質金属体２１の気孔率が大きいため、各カソード極層２０の通気抵抗は略均一となる。これにより、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一になる。即ち、電気化学リアクタ１００に流入する排気の流れの偏りが抑制される。
【0034】
以上のとおり、電気化学リアクタ１００の上流が、各セルユニット１に流入する排気の流速が均一になるように構成されている場合、積層方向中央部に近いカソード極層２０ほど通気抵抗が小さくなるように通気抵抗制御手段２１を構成することで、各カソード極層２０に流入する排気の流量を均一にできる。
【0035】
なお、各カソード側多孔質金属体２１の具体的な気孔率は、実験及び試験等により、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一になるように決定することができる。
【0036】
また、図１では、積層方向中央に近いカソード側多孔質金属体２１ほど気孔数を多くすることで気孔率を大きくしているが、これに限られず、例えば一つ一つの気孔を大きくすることで気孔率を大きくしてもよい。
【0037】
上記した第１実施形態の電気化学リアクタ１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【0038】
電気化学リアクタ１００は、排気に含まれる未酸化物質を酸化可能なアノード極層１０と、排気に含まれる未還元物質を還元可能なカソード極層２０と、アノード極層１０及びカソード極層２０に挟持される固体電解質層３０とを有するセルユニット１が複数積層されて構成される。カソード極層２０は、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一になるようにカソード極層２０を流れる排気の通気抵抗を制御可能な通気抵抗制御手段を有する。これにより、各カソード極層２０に排気を均一に流入させることができ、排気の流れの偏りを抑制することができる。また、カソード極層２０が排気の流量を均一にする通気抵抗制御手段を有するため、ディフューザー等を別途設ける必要がない。従って、省スペース化及び低コスト化を実現しつつ、排気の浄化性能が高い電気化学リアクタ１００を提供することができる。
【0039】
電気化学リアクタ１００は、通気抵抗制御手段としてのカソード側多孔質金属体２１によりカソード極層２０が構成される。カソード極層２０を流れる排気の通気抵抗は、カソード側多孔質金属体２１の気孔率により制御され、カソード側多孔質金属体２１は、積層方向端部近傍に位置するカソード極層２０と、積層方向中央部近傍に位置するカソード極層２０とで、気孔率が異なる。このように、積層方向における位置によってカソード側多孔質金属体２１の気孔率を変えることで、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一になるようにカソード極層２０を流れる排気の通気抵抗を制御している。従って、ディフューザー等を別途設けずに、各カソード極層２０に流入する排気の流量を均一にすることができる。即ち、省スペース化及び低コスト化を実現しつつ、排気の浄化性能が高い電気化学リアクタ１００を提供することができる。
【0040】
電気化学リアクタ１００は、排気の流れ方向における電気化学リアクタ１００の上流が、各セルユニット１に流入する排気の流速が均一になるように構成されている場合、通気抵抗制御手段２１が、積層方向中央部に近いカソード極層２０ほど通気抵抗が小さくなるように構成される。これにより、電気化学リアクタ１００が起動され、セルユニット１の積層方向中央が高温、積層方向両端に近いほど低温になる温度分布ができても、各カソード極層２０の通気抵抗は略均一に制御される。従って、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一となり、排気の流れの偏りを抑制することができる。
【0041】
電気化学リアクタ１００は、カソード極層２０を流れる排気の通気抵抗が、通気抵抗制御手段としてのカソード側多孔質金属体２１の気孔率により制御され、カソード側多孔質金属体２１は、積層方向中央部に近いカソード極層２０ほど気孔率が大きい。これにより、積層方向中央部に近いカソード極層２０ほど通気抵抗が小さくなるため、電気化学リアクタ１００が起動され、セルユニット１の積層方向中央が高温、積層方向両端に近いほど低温になる温度分布ができても、各カソード極層２０の通気抵抗は略均一に制御される。従って、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一となり、排気の流れの偏りを抑制することができる。
【0042】
なお、電気化学リアクタ１００においては、セルユニット１の幅方向（図１の矢印方向に向かって電気化学リアクタ１００を見た場合における左右方向）においても、通電した際に幅方向中央ほど熱がこもり易く、幅方向の端部に近いほど外に熱が放熱され易い。このため、排気の流れ方向における電気化学リアクタ１００の上流が、各セルユニット１の幅方向において、セルユニット１に流入する排気の流速が均一になるように構成されている場合、電気化学リアクタ１００には、セルユニット１の幅方向中央が高温、幅方向両端に近いほど低温になる温度分布ができる。即ち、セルユニット１の幅方向中央ほど、通気抵抗が大きくなる。従って、好ましくは、通気抵抗制御手段２１は、セルユニット１の幅方向中央部に近いほど各カソード極層２０内の通気抵抗が小さくなるように構成される。即ち、好ましくは、通気抵抗制御手段としてのカソード側多孔質金属体２１は、セルユニット１の幅方向中央部に近いほど気孔率が大きい。これにより、電気化学リアクタ１００が起動され、セルユニット１の幅方向中央が高温、幅方向両端に近いほど低温になる温度分布ができても、カソード極層２０内の通気抵抗は略均一に制御される。従って、カソード極層２０内において、流入する排気の流量が均一となり、排気の流れの偏りを抑制することができる。
【0043】
（第１実施形態の変形例）
図２を参照して、第１実施形態の変形例による電気化学リアクタ１００を説明する。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。
図２を参照して、第１実施形態の変形例による電気化学リアクタ１００を説明する。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。
【0044】
図２は、電気化学リアクタ１００を構成するセルユニット１のうちの１つの概略構成図である。本変形例においては、カソード側多孔質金属体２１を通気抵抗制御手段として用いる点は第１実施形態と同様であるが、排気の流れ方向におけるカソード極層２０の上流側と下流側とで、カソード側多孔質金属体２１の気孔率が異なる点が第１実施形態と異なる。
【0045】
図２に示すように、カソード側多孔質金属体２１は、排気の流れ方向におけるカソード極層２０の下流側ほど気孔率が大きい。従って、カソード極層２０の通気抵抗は下流側ほど小さくなる。
【0046】
カソード極層２０においては、排気の流れ方向上流側ほど、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元反応が起こり易い。窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元反応は吸熱反応であるため、カソード極層２０の上流側ほど温度が低くなり、相対的に下流側ほど通気抵抗が大きくなる。このため、カソード極層２０において排気の流速が不均一となり、排気の還元に偏りができてしまい、排気の浄化性能が低下する虞がある。
【0047】
これに対し、本変形例においては、カソード側多孔質金属体２１は、排気の流れ方向におけるカソード極層２０の下流側ほど気孔率が大きいため、カソード極層２０における排気の流れ方向の上流側と下流側の通気抵抗が均一となる。これにより、カソード極層２０内における排気の流速が均一となり、排気の還元の偏りが抑制される。
【0048】
なお、カソード側多孔質金属体２１の具体的な気孔率は、実験及び試験等により、カソード極層２０内における排気の流速が均一となるように決定することができる。
【0049】
また、本変形例では、排気の流れ方向におけるカソード極層２０の下流側ほど気孔率が大きい構成としたが、必ずしもこれに限られない。例えば、カソード電極触媒の量が下流側ほど大きい場合等、電気化学リアクタ１００の構成によっては、カソード極層２０の上流側の温度が相対的に高くなる場合もあり得る。このような場合には、排気の流れ方向におけるカソード極層２０の上流側ほどカソード側多孔質金属体２１の気孔率が大きくする。即ち、カソード側多孔質金属体２１内の具体的な気孔率は、実験及び試験等により、各カソード極層２０内における排気の流速が均一になるように決定することができる。
【0050】
（第２実施形態）
図３を参照して、第２実施形態による電気化学リアクタ１００を説明する。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。
図３を参照して、第２実施形態による電気化学リアクタ１００を説明する。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。
【0051】
図３は、第２実施形態による電気化学リアクタ１００の主要構成を示す概略構成図である。第２実施形態においては、カソード側多孔質金属体２１を通気抵抗制御手段として用いる点は第１実施形態と同様であるが、各カソード極層２０の通気抵抗をカソード側多孔質金属体２１の厚みにより制御する点が第１実施形態と異なる。
【0052】
第１実施形態と同様に、第２実施形態においても、排気の流れ方向における電気化学リアクタ１００の上流が、各セルユニット１に流入する排気の流速が均一になるように排気流路１０１が構成されている。第２実施形態では、以下で説明する構成により、積層方向中央部に近いカソード極層２０ほど通気抵抗が小さくなるようにした。
【0053】
図３に示すように、本実施形態においては、通気抵抗制御手段としてのカソード側多孔質金属体２１が積層方向端部に近いカソード極層２０ほど厚い。従って、カソード側多孔質金属体２１が厚いセルユニット１の積層方向端部に近いカソード極層２０ほど、積層方向中央に近いカソード極層２０よりも通気抵抗が大きい。
【0054】
前述の通り、セルユニット１を積層した電気化学リアクタ１００においては、通電した際にセルユニット１の積層方向中央が高温、積層方向両端に近いほど低温になる温度分布ができ、セルユニット１の積層方向中央ほど、通気抵抗が大きくなる。従って、排気の流れが偏り、排気の浄化性能が低下する虞がある。
【0055】
これに対し本実施形態においては、カソード側多孔質金属体２１が積層方向端部に近いカソード極層２０ほど厚いため、温度分布が均一の場合、セルユニット１の積層方向端部に近いカソード極層２０ほど通気抵抗が大きい。電気化学リアクタ１００が起動（電圧が印加）されると、温度分布が生じてセルユニット１の積層方向中央の通気抵抗が大きくなるが、積層方向中央ほどカソード側多孔質金属体２１が薄いため、各カソード極層２０の通気抵抗は略均一となる。これにより、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一になる。即ち、電気化学リアクタ１００に流入する排気の流れの偏りが抑制される。
【0056】
なお、各カソード側多孔質金属体２１の具体的な厚さは、実験及び試験等により、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一になるように決定することができる。
【0057】
上記した第２実施形態の電気化学リアクタ１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【0058】
電気化学リアクタ１００は、通気抵抗制御手段としてのカソード側多孔質金属体２１によりカソード極層２０が構成される。カソード極層２０を流れる排気の通気抵抗は、カソード側多孔質金属体２１の厚みにより制御され、カソード側多孔質金属体２１は、積層方向端部近傍に位置するカソード極層２０と、積層方向中央部近傍に位置するカソード極層２０とで、厚みが異なる。このように、積層方向における位置によってカソード側多孔質金属体２１の厚みを変えることで、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一になるようにカソード極層２０を流れる排気の通気抵抗を制御している。従って、ディフューザー等を別途設けずに、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一にすることができる。即ち、省スペース化及び低コスト化を実現しつつ、排気の浄化性能が高い電気化学リアクタ１００を提供することができる。
【0059】
電気化学リアクタ１００は、カソード極層２０を流れる排気の通気抵抗が、通気抵抗制御手段としてのカソード側多孔質金属体２１の厚みにより制御され、カソード側多孔質金属体２１は、積層方向端部に近いカソード極層２０ほどが厚い。これにより、積層方向端部に近いカソード極層２０ほど通気抵抗が大きくなるため、電気化学リアクタ１００が起動され、セルユニット１の積層方向中央が高温、積層方向両端に近いほど低温になる温度分布ができても、各カソード極層２０の通気抵抗は略均一に制御される。従って、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一となり、排気の流れの偏りを抑制することができる。
【0060】
（第２実施形態の変形例）
図４を参照して、第２実施形態の変形例による電気化学リアクタ１００を説明する。なお、他の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。
図４を参照して、第２実施形態の変形例による電気化学リアクタ１００を説明する。なお、他の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４は、電気化学リアクタ１００を構成するセルユニット１のうちの１つの概略構成図である。本変形例においては、カソード側多孔質金属体２１を通気抵抗制御手段として用いる点は第２実施形態と同様であるが、排気の流れ方向におけるカソード極層２０の上流側と下流側とで、カソード側多孔質金属体２１の厚みが異なる点が第２実施形態と異なる。
【0062】
図４に示すように、カソード側多孔質金属体２１は、排気の流れ方向におけるカソード極層２０の上流側ほど厚い。従って、カソード極層２０の通気抵抗は上流側ほど大きくなる。
【0063】
前述の通り、カソード極層２０においては、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元反応により、上流側ほど温度が低くなり、相対的に下流側ほど通気抵抗が大きくなることで、排気の流速が不均一となり、排気の還元に偏りができてしまい、排気の浄化性能が低下する虞がある。
【0064】
これに対し、本変形例においては、カソード側多孔質金属体２１は、排気の流れ方向におけるカソード極層２０の上流側ほど厚いため、カソード極層２０における排気の流れ方向の上流側と下流側の通気抵抗が均一となる。これにより、カソード極層２０内における排気の流速が均一となり、排気の還元の偏りが抑制される。
【0065】
なお、カソード側多孔質金属体２１の具体的な厚さは、実験及び試験等により、カソード極層２０内における排気の流速が均一となるように決定することができる。
【0066】
また、本変形例では、カソード側多孔質金属体２１は、排気の流れ方向におけるカソード極層２０の上流側ほど厚い構成としたが、必ずしもこれに限られない。例えば、カソード電極触媒の量が下流側ほど大きい場合等、電気化学リアクタ１００の構成によっては、カソード極層２０の上流側の温度が相対的に高くなる場合もあり得る。このような場合には、排気の流れ方向におけるカソード極層２０の下流側ほどカソード側多孔質金属体２１を厚くする。即ち、カソード側多孔質金属体２１内の具体的な厚さは、実験及び試験等により、各カソード極層２０内における排気の流速が均一になるように決定することができる。
【0067】
（第３実施形態）
図５を参照して、第３実施形態による電気化学リアクタ１００を説明する。なお、他の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。
図５を参照して、第３実施形態による電気化学リアクタ１００を説明する。なお、他の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。
【0068】
図５は、第３実施形態による電気化学リアクタ１００の主要構成を示す概略構成図である。第３実施形態においては、カソード側多孔質金属体２１に通気抵抗制御手段としての溶接ビード２２が形成されている点が他の実施形態と異なる。
【0069】
第１、第２実施形態と同様に、第３実施形態においても、排気の流れ方向における電気化学リアクタ１００の上流が、各セルユニット１に流入する排気の流速が均一になるように構成されている。第３実施形態では、以下で説明する構成により、積層方向中央部に近いカソード極層２０ほど通気抵抗が小さくなるようにした。
【0070】
図５に示すように、本実施形態においては、カソード側多孔質金属体２１の内部に、通気抵抗制御手段としての溶接ビード２２を形成させている。
【0071】
溶接ビード２２は、セルユニット１の積層方向端部に近いカソード側多孔質金属体２１ほどビード容積が大きくなるように形成される。これにより、積層方向端部に近いカソード側多孔質金属体２１ほど緻密になり、通気抵抗が大きくなる。
【0072】
前述の通り、セルユニット１を積層した電気化学リアクタ１００においては、通電した際にセルユニット１の積層方向中央が高温、積層方向両端に近いほど低温になる温度分布ができ、セルユニット１の積層方向中央ほど、通気抵抗が大きくなる。従って、排気の流れが偏り、排気の浄化性能が低下する虞がある。
【0073】
これに対し本実施形態においては、溶接ビード２２のビード容積が積層方向端部に近いカソード側多孔質金属体２１ほど大きいため、温度分布が均一の場合、セルユニット１の積層方向端部に近いカソード極層２０ほど通気抵抗が大きい。電気化学リアクタ１００が起動（電圧が印加）されると、温度分布が生じてセルユニット１の積層方向中央の通気抵抗が大きくなるが、積層方向中央ほど溶接ビード２２のビード容積が小さいため、各カソード極層２０の通気抵抗は略均一となる。これにより、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一になる。即ち、電気化学リアクタ１００に流入する排気の流れの偏りが抑制される。
【0074】
このように、カソード側多孔質金属体２１に溶接ビード２２を形成させて、カソード極層２０の通気抵抗を溶接ビード２２のビード容積により制御しているため、ディフューザー等を別途設けずに、各カソード極層２０に流入する排気の流量を均一に制御することができる。
【0075】
なお、各カソード側多孔質金属体２１内に形成させる溶接ビード２２の具体的なビード容積は、実験及び試験等により、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一になるように決定することができる。各カソード側多孔質金属体２１内に形成させる溶接ビード２２のビード容積の大きさは、各溶接ビード２２の長さや、ビードを打つ頻度等により制御することができる。
【0076】
上記した第３実施形態の電気化学リアクタ１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【0077】
電気化学リアクタ１００は、カソード側多孔質金属体２１に、通気抵抗制御手段としての溶接ビード２２が形成される。カソード極層２０を流れる排気の通気抵抗は、溶接ビード２２のビード容積により制御され、カソード側多孔質金属体２１は、積層方向端部近傍に位置するカソード極層２０と、積層方向中央部近傍に位置するカソード極層２０とで、溶接ビード２２のビード容積が異なる。このように、積層方向における位置によって、カソード側多孔質金属体２１に形成する溶接ビード２２のビード容積を変えることで、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一になるようにカソード極層２０を流れる排気の通気抵抗を制御している。従って、ディフューザー等を別途設けずに、各カソード極層２０に流入する排気の流量を均一にすることができる。即ち、省スペース化及び低コスト化を実現しつつ、排気の浄化性能が高い電気化学リアクタ１００を提供することができる。
【0078】
電気化学リアクタ１００は、カソード極層２０を流れる排気の通気抵抗が、通気抵抗制御手段としての溶接ビード２２のビード容積により制御され、カソード側多孔質金属体２１は、積層方向端部に近いカソード極層２０ほど形成される溶接ビード２２のビード容積が大きい。これにより、積層方向端部に近いカソード極層２０ほど通気抵抗が大きくなるため、電気化学リアクタ１００が起動され、セルユニット１の積層方向中央が高温、積層方向両端に近いほど低温になる温度分布ができても、各カソード極層２０の通気抵抗は略均一に制御される。従って、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一となり、排気の流れの偏りを抑制することができる。
【0079】
なお、前述の通り、排気の流れ方向における電気化学リアクタ１００の上流が、各セルユニット１の幅方向において、セルユニット１に流入する排気の流速が均一になるように構成されている場合、電気化学リアクタ１００には、セルユニット１の幅方向中央が高温、幅方向両端に近いほど低温になる温度分布ができる。即ち、セルユニット１の幅方向中央ほど、通気抵抗が大きくなる。従って、好ましくは、通気抵抗制御手段としての溶接ビード２２は、セルユニット１の幅方向端部に近いほどカソード側多孔質金属体２１に形成される溶接ビード２２のビード容積を大きくする。これにより、電気化学リアクタ１００が起動され、セルユニット１の幅方向中央が高温、幅方向両端に近いほど低温になる温度分布ができても、各カソード極層２０内の通気抵抗は略均一に制御される。従って、カソード極層２０内においても、流入する排気の流量が均一となり、排気の流れの偏りを抑制することができる。
【0080】
（第３実施形態の変形例）
図６を参照して、第３実施形態の変形例による電気化学リアクタ１００を説明する。なお、他の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。
図６を参照して、第３実施形態の変形例による電気化学リアクタ１００を説明する。なお、他の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。
【0081】
図６は、電気化学リアクタ１００を構成するセルユニット１のうちの１つの概略構成図である。本変形例においては、排気の流れ方向におけるカソード極層２０の上流側と下流側とで、カソード側多孔質金属体２１に形成される溶接ビード２２のビード容積が異なる点が第３実施形態と異なる。
【0082】
図６に示すように、カソード側多孔質金属体２１に形成させる溶接ビード２２のビード容積は、排気の流れ方向におけるカソード極層２０の上流側ほど容積が大きい。従って、カソード極層２０の通気抵抗は上流側ほど大きくなる。
【0083】
前述の通り、カソード極層２０においては、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元反応により、上流側ほど温度が低くなり、相対的に下流側ほど通気抵抗が大きくなるため、排気の流速が不均一となり、排気の還元に偏りができ、排気の浄化性能が低下する虞がある。
【0084】
これに対し、本変形例においては、カソード側多孔質金属体２１に形成される溶接ビード２２のビード容積が、排気の流れ方向におけるカソード極層２０の上流側ほど大きいため、カソード極層２０における排気の流れ方向の上流側と下流側の通気抵抗が均一となる。これにより、カソード極層２０内における排気の流速が均一となり、排気の還元の偏りが抑制される。
【0085】
なお、カソード側多孔質金属体２１に形成させる溶接ビード２２の具体的なビード容積は、実験及び試験等により、カソード極層２０内における排気の流速が均一となるように決定することができる。
【0086】
また、本変形例では、カソード側多孔質金属体２１に形成される溶接ビード２２のビード容積が、排気の流れ方向におけるカソード極層２０の上流側ほど大きい構成としたが、必ずしもこれに限られない。例えば、カソード電極触媒の量が下流側ほど大きい場合等、電気化学リアクタ１００の構成によっては、カソード極層２０の上流側の温度が相対的に高くなる場合もあり得る。このような場合には、排気の流れ方向におけるカソード極層２０の下流側ほどカソード側多孔質金属体２１を厚くする。即ち、カソード側多孔質金属体２１に形成する溶接ビード２２の具体的な容積は、実験及び試験等により、各カソード極層２０内における排気の流速が均一になるように決定することができる。
【0087】
（第４実施形態）
図７を参照して、第４実施形態による電気化学リアクタ１００を説明する。なお、他の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。
図７を参照して、第４実施形態による電気化学リアクタ１００を説明する。なお、他の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。
【0088】
図７は、第４実施形態による電気化学リアクタ１００の主要構成を示す概略構成図である。第４実施形態においては、各セルユニット１間にセパレータ５０を備える点、及びアノード極層１０内に緻密部１２が形成される点が他の実施形態と異なる。
【0089】
他の実施形態と同様に、第４実施形態においても、排気の流れ方向における電気化学リアクタ１００の上流が、各セルユニット１に流入する排気の流速が均一になるように構成され、積層方向中央部に近いカソード極層２０ほど通気抵抗が小さくなるように構成されている。なお、図７では、第１実施形態と同様に、積層方向中央部に近いカソード極層２０ほどカソード側多孔質金属体２１の気孔率を大きくすることでカソード極層２０の通気抵抗を制御しているが、これに限られない。即ち、第２実施形態のように、積層方向端部に近いカソード極層２０ほどカソード側多孔質金属体２１が厚くすることでカソード極層２０の通気抵抗を制御してもよく、また、第３実施形態のように、通気抵抗制御手段が溶接ビード２２であってもよい。
【0090】
図７に示すように、本実施形態の電気化学リアクタ１００は、各セルユニット１間にセパレータ５０を備える。セパレータ５０は、鉄またはクロム等の導電性金属材料により構成される金属板であり、電気化学リアクタ１００に流入した排気がアノード極層１０及びカソード極層２０間を流通するのを阻害する。
【0091】
このように、カソード極層２０の下面とアノード極層１０の上面との間（即ち、セルユニット１間）にセパレータ５０が設けられているため、カソード極層２０の下面とアノード極層１０の上面間における排気の流通は阻害される。また、アノード極層１０の下面とカソード極層２０の上面の間には固体電解質層３０が挟持されているため、アノード極層１０の下面とカソード極層２０の上面間における排気の流通も阻害されている。従って、本実施形態においては、カソード極層２０に流入した排気は、アノード極層１０に流通しない。
【0092】
一方、図７に示すように、排気の流れ方向におけるアノード極層１０の上流側は、アノード側多孔質金属体１１が密に構成された緻密部１２が形成されている。これにより、排気がアノード極層１０の下流側へ流出することが阻害される。即ち、排気はアノード極層１０を流通しない。なお、緻密部１２は、焼結助剤や溶接等により形成させることができる。
【0093】
以上のように、互いに接するアノード側多孔質金属体１１とカソード側多孔質金属体２１との間にセパレータ５０を介在させ、且つ、アノード極層１０の上流を密にしているため、排気は窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元するカソード極層２０にのみ流通する。これにより、窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化率が向上する。
【0094】
上記した第４実施形態の電気化学リアクタ１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【0095】
電気化学リアクタ１００は、各セルユニット１間に、排気がアノード極層１０及びカソード極層２０間を流通するのを阻害するセパレータ５０を備える。また、排気の流れ方向におけるアノード極層１０の上流側は、排気が下流側へ流出するのが阻害されるように、アノード側多孔質金属体１１が密に構成される。これにより、排気は窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元するカソード極層２０にのみ流通するため、排気の浄化性能が向上する。
【0096】
（第５実施形態）
図８を参照して、第５実施形態による電気化学リアクタ１００を説明する。なお、他の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。
図８を参照して、第５実施形態による電気化学リアクタ１００を説明する。なお、他の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。
【0097】
図８は、第５実施形態による電気化学リアクタ１００の主要構成を示す概略構成図である。第５実施形態においては、電気化学リアクタ１００の上流が、各セルユニット１に流入する排気の流速が積層方向中央部に近いセルユニット１ほど大きくなるように排気流路１０１が構成されている点が他の実施形態と異なる。
【0098】
図８に示すように、本実施形態では、電気化学リアクタ１００の上流の排気流路１０１が漏斗状に形成されている。これにより、セルユニット１に流入する排気の流速は、積層方向中央部に近いセルユニット１ほど大きくなる。即ち、積層方向中央部に排気の流れが偏る虞がある。
【0099】
そこで、本実施形態では、積層方向中央部に近いカソード極層２０ほど通気抵抗が大きくなるように通気抵抗制御手段を構成した。
【0100】
具体的には、カソード側多孔質金属体２１を通気抵抗制御手段として用い、カソード側多孔質金属体２１の気孔率を積層方向中央部に近いカソード極層２０ほど小さくした。これにより、積層方向中央部に近いカソード極層２０ほど相対的に通気抵抗が大きくなり、積層方向中央部に排気の流れが偏ることが抑制される。
【0101】
以上のとおり、電気化学リアクタ１００の上流が、各セルユニット１に流入する排気の流速が積層方向中央部に近いセルユニット１ほど大きくなるように構成されている場合、積層方向中央部に近いカソード極層２０ほど通気抵抗が大きくなるように通気抵抗制御手段を構成することで、各カソード極層２０に流入する排気の流量を均一にできる。
【0102】
なお、各カソード側多孔質金属体２１の具体的な気孔率は、実験及び試験等により、各カソード極層２０に流入する排気の流量が均一になるように決定することができる。
【0103】
上記した第５実施形態の電気化学リアクタ１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【0104】
電気化学リアクタ１００は、排気の流れ方向における電気化学リアクタ１００の上流が、各セルユニット１に流入する排気の流速が積層方向中央部に近いセルユニット１ほど大きくなるように構成されている場合、通気抵抗制御手段は、積層方向中央部に近いカソード極層２０ほど通気抵抗が大きくなるように構成される。これにより、各カソード極層２０に流入する排気の流量を均一にでき、排気の流れの偏りを抑制することができる。
【0105】
電気化学リアクタ１００は、通気抵抗制御手段としてのカソード側多孔質金属体２１を備える。そして、排気の流れ方向における電気化学リアクタ１００の上流が、各セルユニット１に流入する排気の流速が積層方向中央部に近いセルユニット１ほど大きくなるように構成されている場合、カソード側多孔質金属体２１は、積層方向端部に近いカソード極層２０ほど気孔率が大きい。これにより、積層方向中央部に近いカソード極層２０ほど相対的に通気抵抗が大きくなり、積層方向中央部に排気の流れが偏ることが抑制される。
【0106】
なお、本実施形態では、電気化学リアクタ１００の上流の排気流路１０１が漏斗状に形成されるものとしたが、各セルユニット１に流入する排気の流速が積層方向中央部に近いセルユニット１ほど大きくなるように構成されていれば、排気流路１０１の形状はこれに限られない。
【0107】
また、本実施形態では、カソード側多孔質金属体２１を通気抵抗制御手段として用い、カソード極層２０を流れる排気の通気抵抗をカソード側多孔質金属体２１の気孔率の大きさにより制御しているが必ずしもこれに限られない。例えば、第２実施形態のように、カソード極層２０を流れる排気の通気抵抗をカソード側多孔質金属体２１の厚みにより制御してもよい。排気の流れ方向における電気化学リアクタ１００の上流が、各セルユニット１に流入する排気の流速が積層方向中央部に近いセルユニット１ほど大きくなるように構成されている場合、カソード側多孔質金属体２１は、積層方向中央部に近いカソード極層２０ほど厚く構成される。また、例えば、第３実施形態のように、溶接ビード２２を通気抵抗制御手段として、カソード極層２０を流れる排気の通気抵抗をビード容積により制御してもよい。排気の流れ方向における電気化学リアクタ１００の上流が、各セルユニット１に流入する排気の流速が積層方向中央部に近いセルユニット１ほど大きくなるように構成されている場合、積層方向中央部に近いカソード極層２０ほど、カソード側多孔質金属体２１に形成される溶接ビード２２のビード容積は大きく構成される。
【0108】
また、排気の流れ方向における電気化学リアクタ１００の上流が、各セルユニット１の幅方向においても、幅方向中央部に近いほどセルユニット１に流入する排気の流速が大きくなるように構成されている場合には、セルユニット１の幅方向中央部に排気の流れが偏る虞がある。例えば、電気化学リアクタ１００の上流の排気流路１０１がセルユニット１の幅方向中央に向かって漏斗状に形成されている場合等には、セルユニット１の幅方向においても中央部に排気の流れが偏る虞がある。従って、このような場合、好ましくは、通気抵抗制御手段は、セルユニット１の幅方向中央部に近いほどカソード極層２０内の通気抵抗が大きくなるように構成される。即ち、好ましくは、通気抵抗制御手段としてのカソード側多孔質金属体２１は、セルユニット１の幅方向中央部に近いほど気孔率を小さく構成される。また、溶接ビード２２を通気抵抗制御手段として用いる場合は、セルユニット１の幅方向中央部に近いほどビード容積を大きくする。これにより、カソード極層２０内の通気抵抗は略均一に制御され、カソード極層２０内において、流入する排気の流量が均一となり、排気の流れの偏りを抑制することができる。
【0109】
また、いずれの実施形態においても、アノード極層１０を、アノード電極触媒を含浸したアノード側多孔質金属体１１により構成したが、必ずしもこれに限られない。アノード極層１０は、アノード電極とアノード電極を支持する多孔質金属体により構成してもよい。
【0110】
同様に、いずれの実施形態においても、カソード極層２０を、カソード電極触媒を含浸したカソード側多孔質金属体２１により構成したが、必ずしもこれに限られない。カソード極層２０は、カソード電極とカソード電極を支持する多孔質金属体により構成してもよい。
【0111】
また、アノード電極触媒及びカソード電極触媒の担持方法も、含浸に限られず、既知の如何なる方法を用いてもよい。
【0112】
また、いずれの実施形態の図においても、電気化学リアクタ１００は、セルユニット１が５層積層されて構成されているが、セルユニット１の積層数はこれに限られず、複数の層であれば何層であってもよい。
【0113】
また、各実施形態における各カソード極層２０を流れる排気の通気抵抗の大小関係は例示であり、通気抵抗制御手段は、予め実験及び試験等により、電気化学リアクタ１００の条件に合わせて各カソード極層２０の通気抵抗が均一になるように構成することができる。
【0114】
以上、本発明の各実施形態について説明したが、上記各実施形態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各実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【0115】
また、上記各実施形態及び各変形例は、相互に矛盾しない範囲で任意に組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【0116】
１、セルユニット，１０、アノード極層，１１、アノード側多孔質金属体，１２、緻密部，２０、カソード極層，２１、カソード側多孔質金属体，３０、固体電解質層，４０、電極端子，５０、セパレータ，１００、電気化学リアクタ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】