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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-28
(45)【発行日】2022-12-06
(54)【発明の名称】電気化学リアクタ
(51)【国際特許分類】
F01N 3/08 20060101AFI20221129BHJP
B01D 53/92 20060101ALI20221129BHJP
【ＦＩ】
F01N3/08 C
B01D53/92 227
B01D53/92 ZAB
B01D53/92 300
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2019001197
(22)【出願日】2019-01-08
(65)【公開番号】P2020112038
(43)【公開日】2020-07-27
【審査請求日】2021-03-22
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100147555
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 公一
(74)【代理人】
【識別番号】100123593
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 宣夫
(72)【発明者】
【氏名】高田 圭
(72)【発明者】
【氏名】佐久間 哲哉
(72)【発明者】
【氏名】野竹 康正
【審査官】菅野 京一
(56)【参考文献】
【文献】特開２００６－１８９０２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２１７２０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－１８２６５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－１２５６２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００７／０１８６５４４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００９－１３８５２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭５８－１２４６１１（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開昭５６－０１２０１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１０４５３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－１４４５７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－２３８４２２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０１Ｎ ３／００
Ｂ０１Ｄ ５３／９２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
内燃機関の排気通路内に配置されると共に複数のセル群を備える電気化学リアクタであって、各セル群は、イオン伝導性の固体電解質層と、該固体電解質層の表面上に配置されたアノード層及びカソード層とを備えるセルを複数有し、
各セル群は、該セル群を構成するセルによって画定される通路に全ての排気ガスが流入するように且つ各通路に前記アノード層と前記カソード層との両方が曝されるように構成され、
前記複数のセル群は排気ガスの流れ方向に並んで配置されると共に、異なるセル群同士は互いに並列に電源に接続され、
各セル群を構成するセル同士は、少なくとも部分的に直列に接続され、
隣り合う前記セル群の対応するセル同士は、これらセルの固体電解質層同士がスペーサを介して互いに結合されるように構成される、電気化学リアクタ。
【請求項2】
内燃機関の排気通路内に配置されると共に複数のセル群を備える電気化学リアクタであって、各セル群は、イオン伝導性の固体電解質層と、該固体電解質層の表面上に配置されたアノード層及びカソード層とを備えるセルを複数有し、
各セル群は、該セル群を構成するセルによって画定される通路に全ての排気ガスが流入するように且つ各通路に前記アノード層と前記カソード層との両方が曝されるように構成され、
前記複数のセル群は排気ガスの流れ方向に並んで配置されると共に、異なるセル群同士は互いに並列に電源に接続され、
隣り合う前記セル群の対応するセル同士は、これらセルの固体電解質層同士がスペーサを介して互いに結合され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】
本開示は、電気化学リアクタに関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、イオン伝導性の固体電解質層と固体電解質層の表面上に配置されたアノード層及びカソード層とを有するセルを複数備える電気化学リアクタが排気通路内に設けられた内燃機関が知られている（例えば、特許文献１）。斯かる電気化学リアクタでは、アノード層から固体電解質層を介してカソード層に流れるように電気化学リアクタに電流を供給すると、カソード層上にてＮＯｘがＮ2に還元され、浄化される。
【0003】
特に、特許文献１に記載の電気化学リアクタでは、複数のセルは、互いに対して排気流れ方向に対して垂直な方向に並んで且つ互いに平行に配置される。排気ガスは二つのセルによって画定される通路を通って流れ、排気ガスがこの通路を流れている間に排気ガス中のＮＯｘが浄化される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００９－１３８５２２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、電気化学リアクタでは、断線等の故障によりセルが正常に作動しなくなることがあり、この場合、そのセルによっては排気ガス中のＮＯｘを浄化することができなくなる。特許文献１に記載の電気化学リアクタでは、一部のセルにこのような故障が発生すると、そのセルによって画定された通路を通って流れる排気ガス中のＮＯｘを浄化することができなくなる。この結果、電気化学リアクタによる排気ガスの浄化率が低下する。
【0006】
上記課題に鑑みて、本開示の目的は、複数のセルのうち一部のセルが故障しても電気化学リアクタによる排気ガスの浄化率の低下が抑制される電気化学リアクタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の要旨は以下のとおりである。
【0008】
（１）内燃機関の排気通路内に配置されると共に複数のセル群を備える電気化学リアクタであって、各セル群は、イオン伝導性の固体電解質層と、該固体電解質層の表面上に配置されたアノード層及びカソード層とを備えるセルを複数有し、各セル群は、該セル群を構成するセルによって画定される通路に全ての排気ガスが流入するように且つ各通路に前記アノード層と前記カソード層との両方が曝されるように構成され、前記複数のセル群は排気ガスの流れ方向に並んで配置されると共に、異なるセル群同士は互いに並列に電源に接続される、電気化学リアクタ。
【0009】
（２）各セル群を構成するセル同士は、少なくとも部分的に直列に接続される、上記（１）に記載の電気化学リアクタ。
【0010】
（３）隣り合う前記セル群の対応するセル同士は、これらセルの固体電解質層同士がスペーサを介して互いに結合されるように構成される、上記（１）又は（２）に記載の電気化学リアクタ。
【0011】
（４）隣り合う前記セル群の対応するセル同士は、一体な一つの固体電解質層を共有するように構成される、上記（３）に記載の電気化学リアクタ。
【発明の効果】
【0012】
本開示によれば、複数のセルのうち一部のセルが故障しても電気化学リアクタによる排気ガスの浄化率の低下が抑制される電気化学リアクタが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【0015】
＜内燃機関全体の説明＞
図１を参照して、一つの実施形態に係る電気化学リアクタが搭載された内燃機関１の構成について説明する。図１は、内燃機関１の概略的な構成図である。図１に示したように、内燃機関１は、機関本体１０、燃料供給装置２０、吸気系３０、排気系４０及び制御装置５０を備える。
図１を参照して、一つの実施形態に係る電気化学リアクタが搭載された内燃機関１の構成について説明する。図１は、内燃機関１の概略的な構成図である。図１に示したように、内燃機関１は、機関本体１０、燃料供給装置２０、吸気系３０、排気系４０及び制御装置５０を備える。
【0016】
機関本体１０は、複数の気筒１１が形成されたシリンダブロックと、吸気ポート及び排気ポートが形成されたシリンダヘッドと、クランクケースとを備える。各気筒１１内にはピストンが配置されると共に、各気筒１１は吸気ポート及び排気ポートに連通している。
【0017】
燃料供給装置２０は、燃料噴射弁２１、デリバリパイプ２２、燃料供給管２３、燃料ポンプ２４及び燃料タンク２５を備える。燃料噴射弁２１は、各気筒１１内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッドに配置されている。燃料ポンプ２４によって圧送された燃料は、燃料供給管２３を介してデリバリパイプ２２に供給され、燃料噴射弁２１から各気筒１１内に噴射される。
【0018】
吸気系３０は、吸気マニホルド３１、吸気管３２、エアクリーナ３３、過給機５のコンプレッサ３４、インタークーラ３５、及びスロットル弁３６を備える。各気筒１１の吸気ポートは、吸気マニホルド３１及び吸気管３２を介してエアクリーナ３３に連通している。吸気管３２内には、吸入空気を圧縮して吐出する過給機５のコンプレッサ３４と、コンプレッサ３４によって圧縮された空気を冷却するインタークーラ３５とが設けられている。スロットル弁３６は、スロットル弁駆動アクチュエータ３７によって開閉駆動される。
【0019】
排気系４０は、排気マニホルド４１、排気管４２、過給機５のタービン４３、排気浄化触媒４４及び電気化学リアクタ（以下、単に「リアクタ」という）４５を備える。各気筒１１の排気ポートは、排気マニホルド４１及び排気管４２を介して排気浄化触媒４４に連通し、排気浄化触媒４４は排気管４２を介してリアクタ４５に連通している。排気浄化触媒４４は、例えば、三元触媒やＮＯｘ吸蔵還元触媒であり、一定の活性温度以上になるとＮＯｘや未燃ＨＣ等の排気ガス中の成分を浄化する。排気管４２内には、排気ガスのエネルギによって回転駆動せしめられる過給機５のタービン４３が設けられている。排気ポート、排気マニホルド４１、排気管４２、排気浄化触媒４４及びリアクタ４５は排気通路を形成する。したがって、リアクタ４５は排気通路内に配置されている。なお、排気浄化触媒４４は、排気流れ方向においてリアクタ４５の下流側に設けられてもよい。
【0020】
制御装置５０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）５１及び各種センサを備える。各種センサとしては、例えば、吸気管３２内を流れる吸気ガスの流量を検出する流量センサ５２、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ５３、リアクタ４５に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ５４等が挙げられ、これらセンサはＥＣＵ５１に接続される。また、各種センサには、内燃機関１の負荷を検出する負荷センサ５５、機関回転速度を検出するのに用いられるクランク角センサ５６も含まれ、これらセンサもＥＣＵ５１に接続される。また、ＥＣＵ５１は、内燃機関１の運転を制御する各アクチュエータに接続される。図１に示した例では、ＥＣＵ５１は、燃料噴射弁２１、燃料ポンプ２４及びスロットル弁駆動アクチュエータ３７に接続され、これらアクチュエータを制御している。
【0021】
＜電気化学リアクタの構成＞
次に、図２～図４を参照して本実施形態に係るリアクタ４５の構成について説明する。図２は、リアクタ４５の断面側面図である。図２に示したように、リアクタ４５は、隔壁７１と、隔壁によって画定される通路７２とを備える。隔壁７１は、互いに平行に排気流れ方向（すなわち、リアクタ４５の軸線方向）に延びる複数の第１隔壁と、これら第１隔壁に対して垂直に且つ互いに平行に排気流れ方向に延びる複数の第２隔壁とを備える。通路７２は、これら第１隔壁及び第２隔壁によって画定され、互いに平行に排気流れ方向に延びる。したがって、本実施形態に係るリアクタ４５は、ハニカム構造を有する。リアクタ４５に流入した排気ガスは複数の通路７２を通って流れる。なお、隔壁７１は、互いに平行に延びる複数の隔壁のみから形成されて、これら複数の隔壁に対して垂直な隔壁は備えないように形成されてもよい。
次に、図２～図４を参照して本実施形態に係るリアクタ４５の構成について説明する。図２は、リアクタ４５の断面側面図である。図２に示したように、リアクタ４５は、隔壁７１と、隔壁によって画定される通路７２とを備える。隔壁７１は、互いに平行に排気流れ方向（すなわち、リアクタ４５の軸線方向）に延びる複数の第１隔壁と、これら第１隔壁に対して垂直に且つ互いに平行に排気流れ方向に延びる複数の第２隔壁とを備える。通路７２は、これら第１隔壁及び第２隔壁によって画定され、互いに平行に排気流れ方向に延びる。したがって、本実施形態に係るリアクタ４５は、ハニカム構造を有する。リアクタ４５に流入した排気ガスは複数の通路７２を通って流れる。なお、隔壁７１は、互いに平行に延びる複数の隔壁のみから形成されて、これら複数の隔壁に対して垂直な隔壁は備えないように形成されてもよい。
【0022】
図３は、図２の破線で示した領域を模式的に示す拡大断面図である。図中の矢印は、リアクタ４５を通って流れる排気ガスの流れる方向を示している。図３に示したように、隔壁７１は、排気流れ方向に並んで配置される複数のセル７３によって構成される。
【0023】
図３に示したように、各セル７３は、排気流れ方向（図３に矢印で示した方向）に延びるように配置される。また、セル７３は排気流れ方向に並んで複数配置される。本実施形態では、リアクタ４５の上流端から下流端までの間に３つのセルが排気流れ方向に並んで配置される。排気流れ方向に並んで配置された複数のセル７３は、共に同一平面上に配置される。なお、リアクタ４５の上流端から下流端までの間に排気流れ方向に並んで配置されるセルの数は２つ又は４つ以上であってもよい。
【0024】
また、図３に示したように、セル７３は、排気流れ方向に対して垂直な方向（以下、「排気垂直方向」ともいう）に並んで複数配置される。これら排気垂直方向に並んで配置される複数のセル７３のうち第１隔壁を構成するセル７３同士は互いに平行に等間隔で配置される。同様に、これら排気垂直方向に並んで配置される複数のセル７３のうち第２隔壁を構成するセル７３同士も互いに平行に等間隔で配置される。また、第１隔壁を構成するセル７３と第２隔壁を構成するセル７３とは互いに垂直に配置される。
【0025】
以下では、排気垂直方向に並んで複数配置された複数のセル７３をまとめてセル群７４と称する。各セル群７４に含まれる複数のセル７３の上流端はほぼ同一平面上（排気垂直方向に延びる平面）に位置し、各セル群７４に含まれる複数のセル７３の下流端はほぼ同一平面（排気垂直方向に延びる平面）上に位置する。各セル群７４を構成する複数のセル７３は、排気ガスが流れる複数の通路７２を画定する。特に、各セル群７４は、そのセル群７４を構成する全てのセル７３によって画定される通路に全ての排気ガスが流入するように構成される。
【0026】
上述したように、本実施形態では、セル７３は排気流れ方向に並んで複数配置される。したがって、セル群７４も排気流れ方向に並んで複数配置される。本実施形態では、排気流れ方向に３つのセル群が並んで配置される。なお、排気流れ方向に並んで配置されるセル群７４の数は２つ又は４つ以上であってもよい。
【0027】
なお、本実施形態では、各セル群７４を構成するセル７３同士は、排気垂直方向に並んで互いに平行に配置される。しかしながら、これら各セル群７４を構成するセル７３同士は、排気流れ方向に対して角度をもって配置されていれば、必ずしも排気垂直方向に並んで配置される必要はない。
【0028】
図４は、各セル７３の拡大断面図である。図４に示したように、各セル７３は、固体電解質層７５と、固体電解質層７５の一方の表面上に配置されたアノード層７６と、アノード層７６が配置された表面とは反対側の固体電解質層７５の表面上に配置されたカソード層７７とを備える。
【0029】
固体電解質層７５は、プロトン伝導性を有する多孔質の固体電解質を含む。固体電解質としては、例えば、ペロブスカイト型金属酸化物ＭＭ’1-xＲxＯ3-α（Ｍ＝Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍ’＝Ｃｅ，Ｚｒ、Ｒ＝Ｙ、Ｙｂであり、例えば、ＳｒＺｒxＹｂ1-xＯ3-α、ＳｒＣｅＯ3、ＢａＣｅＯ3、ＣａＺｒＯ3、ＳｒＺｒＯ3など）、リン酸塩（例えば、ＳｉＯ2－Ｐ2Ｏ5系ガラスなど）、金属ドープＳｎxＩｎ1-xＰ2Ｏ7（例えば、ＳｎＰ2Ｏ7など）又はゼオライト（例えば、ＺＳＭ－５）が使用される。
【0030】
アノード層７６及びカソード層７７は、共にＰｔ、Ｐｄ又はＲｈ等の貴金属を含む。また、アノード層７６は、水分子を保持可能（すなわち、吸着可能及び／又は吸収可能）な物質を含む。水分子を保持可能な物質としては、具体的には、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ等が挙げられる。一方、カソード層７７は、ＮＯｘを保持可能（すなわち、吸着可能及び／又は吸収可能）な物質を含む。ＮＯｘを保持可能な物質としては、具体的には、Ｋ、Ｎａ等のアルカリ金属、Ｂａ等のアルカリ土類金属、Ｌａ等の希土類等が挙げられる。
【0031】
図３から分かるように、本実施形態では、各セル群７４において、一つの通路７２を画定する複数のセル７３のうち、一部のセル７３はこの通路７２にアノード層７６が曝されると共に、他のセル７３はこの通路７２にカソード層７７が曝されるように構成される。したがって、各セル群７４は、各通路７２にアノード層７６とカソード層７７との両方が曝されるように構成される。
【0032】
なお、上記実施形態では、アノード層７６及びカソード層７７は固体電解質層７５の反対側の二つの表面上に配置されている。しかしながら、アノード層７６及びカソード層７７は、固体電解質層７５の同一の表面上に配置されてもよい。この場合、プロトンは、アノード層７６及びカソード層７７が配置された固体電解質層７５の表面近傍を移動することになる。
【0033】
また、アノード層７６は、電気伝導性を有する貴金属を含む導電層と、水分子を保持可能な物質を含む水分子保持層との二つの層を含んでもよい。この場合、固体電解質層７５の表面上に導電層が配置され、固体電解質層７５側とは反対側の導電層の表面上に水分子保持層が配置される。
【0034】
同様に、カソード層７７は、電気伝導性を有する貴金属を含む導電層と、ＮＯｘを保持可能な物質を含むＮＯｘ保持層との二つの層を含んでもよい。この場合、固体電解質層７５の表面上に導電層が配置され、固体電解質層７５側とは反対側の導電層の表面上にＮＯｘ保持層が配置される。
【0035】
＜電気化学リアクタの回路構成＞
また、リアクタ４５は、電源装置８１、電流計８２及び電圧調整装置８３を備える。
また、リアクタ４５は、電源装置８１、電流計８２及び電圧調整装置８３を備える。
【0036】
電源装置８１は、リアクタ４５のセル７３に接続されて、セル７３に電力を供給する。電源装置８１の正極はアノード層７６に接続され、電源装置８１の負極はカソード層７７に接続される。より具体的には、本実施形態では、各セル群７４の複数のセル７３が直列に接続される。したがって、各セル群７４の一つのセル７３のアノード層７６はそのセル群７４の別の一つのセル７３のカソード層７７に接続される。特に、本実施形態では、一つのセル群７４を構成する全てのセル７３が直列に接続される（図３では、各セル群７４の一部のセル７３のみが直列に接続されているが、図３に示されていない各セル群７４を構成する他のセル７３も直列に接続される）。このように直列に接続された複数のセル７３のうち一方の端のセル７３のアノード層７６と、他方の端のセル７３のカソード層７７が電源装置８１に接続される。
【0037】
しかしながら、一つのセル群７４を構成する全てのセル７３は必ずしも直列に接続されなくてもよい。したがって、一つのセル群７４を構成するセル７３のうち複数ずつを互いに直列に接続すると共に、直列に接続された複数のセル７３同士を互いに並列に接続してもよい。したがって、一つのセル群７４を構成するセル７４同士は少なくとも部分的に直列に接続される。なお、一つのセル群７４を構成する全てのセル７３を並列に電源装置８１に接続してもよい。
【0038】
一方、本実施形態では、排気ガスの流れ方向に並んで配置された異なるセル群７４同士は並列に電源装置８１に接続される。したがって、排気流れ方向に並んで配置されたセル７３同士は互いに並列に電源装置８１に接続される。
【0039】
電流計８２は、電源装置８１からリアクタ４５のセル７３に供給される電流を検出する。
【0040】
電圧調整装置８３は、アノード層７６とカソード層７７との間に印加される電圧を変化させることができるように構成される。また、電圧調整装置８３は、アノード層７６から固体電解質層７５を通ってカソード層７７に流れるようにリアクタ４５に供給される電流の大きさを変化させることができるように構成される。
【0041】
電源装置８１は、電流計８２と直列に接続されている。また、電流計８２は、ＥＣＵ５１に接続され、検出された電流値をＥＣＵ５１に送信する。さらに、電圧調整装置８３は、ＥＣＵ５１に接続され、ＥＣＵ５１によって制御される。本実施形態では、電圧調整装置８３は、例えば、電流計８２によって検出される電流値が目標値となるように電圧を制御する。
【0042】
≪リアクタによる浄化≫
図４を参照して、上述したように構成されたリアクタ４５において生じる反応について説明する。リアクタ４５では、電源装置８１からアノード層７６及びカソード層７７に電流が流されると、アノード層７６及びカソード層７７ではそれぞれ下記式のような反応が生じる。
アノード側 ２Ｈ2Ｏ→４Ｈ+＋Ｏ2＋４ｅ-
カソード側 ２ＮＯ＋４Ｈ+＋４ｅ-→Ｎ2＋２Ｈ2Ｏ
図４を参照して、上述したように構成されたリアクタ４５において生じる反応について説明する。リアクタ４５では、電源装置８１からアノード層７６及びカソード層７７に電流が流されると、アノード層７６及びカソード層７７ではそれぞれ下記式のような反応が生じる。
アノード側 ２Ｈ2Ｏ→４Ｈ+＋Ｏ2＋４ｅ-
カソード側 ２ＮＯ＋４Ｈ+＋４ｅ-→Ｎ2＋２Ｈ2Ｏ
【0043】
すなわち、アノード層７６では、アノード層７６に保持されている水分子が電気分解されて酸素とプロトンとが生成される。生成された酸素は排気ガス中に放出されると共に、生成されたプロトンは固体電解質層７５内をアノード層７６からカソード層７７へと移動する。カソード層７７では、カソード層７７に保持されているＮＯがプロトン及び電子と反応して窒素と水分子が生成される。
【0044】
したがって、本実施形態によれば、リアクタ４５の電源装置８１からアノード層７６及びカソード層７７に電流を流すことにより、排気ガス中のＮＯをＮ2に還元、浄化することができる。
【0045】
また、アノード層７６では、排気ガス中に未燃ＨＣやＣＯ等が含まれる場合には、下記式のような反応により、酸素イオンがこれらＨＣやＣＯと反応して、二酸化炭素や水が生成される。なお、未燃ＨＣは、様々な成分を含むため、下記反応式中においてはＣmＨnとして表されている。したがって、本実施形態によれば、リアクタ４５の電源装置８１からアノード層７６及びカソード層７７に電流を流すことにより、排気ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化、浄化することもできる。
ＣmＨn＋（２ｍ＋０．５ｎ）Ｏ2-→ｍＣＯ2＋０．５ｎＨ2Ｏ＋（４ｍ＋ｎ）ｅ-
ＣＯ＋Ｏ2-→ＣＯ2＋２ｅ-
ＣmＨn＋（２ｍ＋０．５ｎ）Ｏ2-→ｍＣＯ2＋０．５ｎＨ2Ｏ＋（４ｍ＋ｎ）ｅ-
ＣＯ＋Ｏ2-→ＣＯ2＋２ｅ-
【0046】
上述したように、本実施形態では、各セル群７４のセル７３は、各通路７２にアノード層７６とカソード層７７との両方が曝されるように配置される。したがって、各セル群７４のセル７３によって画定されるほとんどの通路７２では、電源装置８１から電流を流すことにより、排気ガス中のＮＯｘ及びＨＣやＣＯが浄化される。
【0047】
＜作用・効果＞
図５を参照して、本実施形態に係る電気化学リアクタ４５の作用及びこの電気化学リアクタによって得られる効果について説明する。図５は、リアクタ４５を構成するセル７３の一部に故障が生じている場合における、図３と同様なリアクタ４５の拡大断面図である。
図５を参照して、本実施形態に係る電気化学リアクタ４５の作用及びこの電気化学リアクタによって得られる効果について説明する。図５は、リアクタ４５を構成するセル７３の一部に故障が生じている場合における、図３と同様なリアクタ４５の拡大断面図である。
【0048】
図５に示した例でも、リアクタ４５は、排気流れ方向に並んだ三つのセル群７４を有する。以下の説明では、これらセル群７４のうち、排気流れ方向において最も上流側のセル群７４を第一セル群７４ａ、中央のセル群７４を第二セル群７４ｂ、最も下流側のセル群７４を第三セル群７４ｃと称する。
【0049】
図５に示した例では、第三セル群７４ｃを構成する一つのセル７３ｘに故障が生じている。このような故障としては、例えば、セル７３ｘのアノード層７６と配線との接続部や、カソード層７７と配線との接続部に断線が生じることが挙げられる。このような故障が生じると、このセル７３ｘを含むセル群７４（第三セル群７４ｃ）に電流が流れなくなる。したがって、第三セル群７４ｃに含まれるセル７３によって排気ガス中のＮＯｘ及びＨＣやＣＯを浄化することができなくなる。
【0050】
しかしながら、本実施形態では、第一セル群７４ａ及び第二セル群７４ｂは、第三セル群７４ｃと並列に電源装置８１に接続されている。したがって、第三セル群７４ｃのセル７３ｘが故障しても、第一セル群７４ａの各セル７３及び第二セル群７４ｂの各セル７３には電流が流れる（図中の回路の太線は電流が流れている配線を示している）。
【0051】
この結果、リアクタ４５の上流端から下流端まで延びる各通路７２を通って流れる排気ガスは、少なくとも第一セル群７４ａのセル７３及び第二セル群７４ｂのセル７３によって浄化される。したがって、リアクタ４５の一部のセル７３が故障してもリアクタ４５に流入する排気ガスを十分に浄化することができ、排気ガスの浄化率の低下を抑制することができる。
【0052】
特に、排気流れ方向に複数のセル群７４が設けられる場合、最初に排気ガスが流入するセル群７４において最も多くのＮＯｘ及びＨＣやＣＯが浄化される。したがって、一つのセル群７４のセル７３に故障があってこのセル群７４のセル７３で排気ガスの浄化ができなくても、残りのセル群７４のセル７３によって多くの排気ガスが浄化されることになるため、リアクタ４５の一部のセル７３が故障してもリアクタ４５による排気ガスの浄化率はそれほど低下しない。
【0053】
また、本実施形態では、各セル群７４を構成するセル７３同士は少なくとも部分的に直列に接続される。この結果、以下に説明するように、電源装置８１や電源装置８１とセル７３とを接続する配線の容量をそれほど大きくすることなく、排気ガス中のＮＯｘ及びＨＣやＣＯを浄化することができる。
【0054】
ここで、各セル７３によって単位時間当たりに浄化可能なＮＯｘ及びＨＣやＣＯの量はセル７３に流れる電流に応じて変化する。したがって、排気ガス中のＮＯｘ及びＨＣやＣＯを十分に浄化するためには、各セル７３に或る程度の大きさの電流を流すことが必要になる。このため、これらセル７３を全て並列に電源装置に接続すると、排気ガスの浄化に極めて大きな電流を流すことが必要になる。
【0055】
これに対して本実施形態では、各セル群７４を構成するセル７３同士は少なくとも部分的に直列に接続される。したがって、電源装置８１から大きな電流を流すことが必要なくなり、よって電源装置８１や配線の容量を小さくすることができる。
【0056】
＜変形例＞
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。
【0057】
図６は、第一変形例に係る電気化学リアクタ４５の構成を示す、図３と同様な拡大断面図である。図６からわかるように、本実施形態では、隣り合う二つのセル群７４の間にスペーサ９１が設けられ、これら二つのセル群７４はこのスペーサ９１によって互いに結合される。具体的には、第一セル群７４ａを構成するセル７３の固体電解質層７５の下流端と第二セル群７４ｂを構成する対応のセル７３の固体電解質層７５の上流端との間にスペーサ９１が設けられる。第二セル群７４ｂのセル７３の固体電解質層７５と第三セル群７４ｃの対応のセル７３の固体電解質層７５との間にも同様にスペーサ９１が設けられる。
【0058】
スペーサ９１は、排気流れ方向に対して垂直な断面において、セル群７４の断面形状（例えば、ハニカム形状）と同一の断面形状を有する。したがって、本変形例では、排気流れ方向に並んで配置された二つのセル７３（隣り合うセル群７４の対応するセル７３同士）では、これらセル７３の固体電解質層７５同士がスペーサ９１を介して互いに結合される。
【0059】
また、スペーサ９１は、セル７３の固体電解質層７５に比べてプロトン伝導性（又はイオン伝導性）の低い材料で形成される。例えば、スペーサ９１は、絶縁性の材料で形成される。具体的には、スペーサ９１は、例えば、アルミナやコージェライト等で形成される。
【0060】
本第一変形例では、第一セル群７４ａ、第二セル群７４ｂ及び第三セル群７４ｃがスペーサ９１により互いに結合される。このため、本変形例によれば、リアクタ４５の強度を高めることができる。
【0061】
図７は、第二変形例に係る電気化学リアクタ４５の構成を示す、図３と同様な拡大断面図である。図７からわかるように、本実施形態では、上述した第一変形例に係る電気化学リアクタ４５のスペーサに、セル７３の固体電解質層７５と同一の材料が用いられる。
【0062】
したがって、本第二変形例では、第一セル群７４ａ、第二セル群７４ｂ及び第三セル群７４ｃにおいて、共通の固体電解質層７５が用いられる。換言すると、本第二変形例では、排気流れ方向に並んで配置された複数のセル７３（隣り合うセル群７４の対応するセル７３同士）は、一体な一つの固体電解質層７５を共有するように構成される。したがって、リアクタ４５の上流端から下流端まで延びる固体電解質層７５上に、第一セル群７４ａを構成するセル７３のアノード層７６及びカソード層７７、第二セル群７４ｂを構成する対応するセル７３のアノード層７６及びカソード層７７、並びに第三セル群７４ｃを構成する対応するセル７３のアノード層７６及びカソード層７７が配置される。
【0063】
本第二変形例では、排気流れ方向に並んで配置された複数のセル７３は、一体な一つの固体電解質層７５を共有するように構成される。したがって、一つの固体電解質層７５に複数のアノード層７６及びカソード層７７を設けるだけで異なるセル群７４のセル７３を形成することができる。したがって、本変形例によれば、リアクタ４５の製造を容易にすることができる。
【符号の説明】
【0064】
１ 内燃機関
１０ 機関本体
２０ 燃料供給装置
３０ 吸気系
４０ 排気系
４４ 排気浄化触媒
４５ 電気化学リアクタ
５０ 制御装置
７１ 隔壁
７２ 通路
７３ セル
７４ セル群
７５ 固体電解質層
７６ アノード層
７７ カソード層
８１ 電源装置
１０ 機関本体
２０ 燃料供給装置
３０ 吸気系
４０ 排気系
４４ 排気浄化触媒
４５ 電気化学リアクタ
５０ 制御装置
７１ 隔壁
７２ 通路
７３ セル
７４ セル群
７５ 固体電解質層
７６ アノード層
７７ カソード層
８１ 電源装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】