專利名稱：廢氣凈化裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及廢氣凈化裝置。
背景技術：
一些分解由機動車內燃機等產生的廢氣中存在的有害成分的廢氣 凈化裝置設置有通過利用電解質提供的離子傳導性促進化學反應的電 化學裝置。這類電化學裝置也稱為電化學反應器。
電化學裝置具有在陽極和陰極之間的電解質，這些電化學裝置的性 能受這些電解質的傳導性性質的影響。用作電解質的材料的例子包括基
于固體氧化物的材料(例如氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ))和基于磷酸 的材料。
圖5顯示利用常規(guī)電化學裝置的廢氣凈化裝置的操作原理。碳和 H20在陽極反應，釋放電子并形成C02和質子。質子穿過由固體氧化 物構成的電解質導向陰極。在陰極處，NOx接收電子，并與質子反應以 形成]\2和H20。以該方式，碳和NOx被分解，并分別轉化成C02和 N2，由此凈化廢氣。
此外，盡管圖5顯示了使用質子傳導性電解質的電化學裝置，但是 氧離子傳導性電解質的使用適用于溫度較高的環(huán)境。這些電化學裝置的 凈化操作屬于同一類型，這在于它們使用氧化碳并還原NOx的化學反 應。
日本專利申請?zhí)亻_2003-265931公開了該類型電化學裝置的一個例 子。該裝置使用氧離子傳導性電解質作為電解質。
然而，利用常規(guī)電化學裝置的廢氣凈化裝置的問題在于它們能夠運 行的溫度范圍過高。
例如，在利用固體氧化物作為電解質的電化學裝置中，可操作溫度范圍是600。C附近，由此難以在例如約IOO'C的環(huán)境中運行。具體地， 來自柴油機動車的廢氣處于相對低的溫度，有時低于100'C，因此常規(guī) 的凈化裝置不適用于涉及這種廢氣凈化的應用。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，廢氣凈化裝置包括電化學裝置，并且利用 該電化學裝置凈化廢氣。在該廢氣凈化裝置中，電化學裝置包括陽極、 陰極和布置在該陽極和陰極之間的電解質層，并且該電解質層包含質子 傳導性聚合物電解質。


圖l是顯示根據(jù)第一實施方案的廢氣凈化裝置中包含的電化學裝置 結構的圖2是圖1的電化學裝置的沿線II-II截取的橫截面圖3是顯示其中布置有包括圖1的電化學裝置的廢氣凈化裝置的結
構的圖4是顯示在廢氣凈化期間圖1的電化學裝置的運行的圖；以及 圖5是顯示常規(guī)廢氣凈化裝置中包含的電化學裝置的運行原理的圖。
具體實施例方式
以下基于附圖提供本發(fā)明實施方案的說明。 第一實施方案
圖1~3是顯示根據(jù)第一實施方案的廢氣凈化裝置120及其外圍的 結構的圖。廢氣凈化裝置120包括電化學裝置10,電化學裝置10凈化 從柴油機動車內燃機排放的廢氣。而且，通過分解廢氣中所含的氮氧化 物(NOx)和顆粒物質(PM)來進行該凈化，如將在下文描述的。
如圖1所示，電化學裝置10電連接至外部電池30。電化學裝置IO 設置有陽極20和陰極22作為電極，陽極20連接至電池30的陰極，陰極22連接至電池30的陽極。
電化學裝置10設置有布置在陽極20和陰極22之間的含有電解質 的電解質層24。電解質層24允許離子在陽極20和陰極22之間移動。 這種離子移動的路徑作為電解質層24中的傳導通路。
圖2是沿圖1電化學裝置10的線II-II截取的橫截面視圖。該橫截 面是傳導通路的橫截面，即由與離子傳導穿過電解質層24的方向垂直 的平面形成的橫截面。
電解質層24包含聚合物膜26和支撐體40，該支撐體40具有蜂窩 狀結構并支撐聚合物膜26。聚合物膜26是對質子H+表現(xiàn)出傳導性的電 解質，由例如Nafion構成。
例如，以下文所述方式制造電解質層24。
首先，形成具有蜂窩狀結構的支撐體40。盡管支撐體40是由例如 堇青石構成的，但是它也可以由SiC構成。然后，將Nafion涂覆到支 撐體40的表面上，由此形成聚合物膜26。而且，將該涂覆進行到允許 在蜂窩狀結構內保留空隙28的程度。
盡管電化學裝置10的總厚度，即圖1中的尺寸A為例如lmm，但 是考慮到電化學裝置10的強度和聚合物膜26的電阻之間的平衡，該總 厚度可以適當?shù)馗淖儭?br> 然后，利用諸如絲網(wǎng)印刷的已知技術在電解質層24的相反表面， 即支撐體40的兩個端面上形成陽極20和陰極22。換言之，該結構使得 支撐體40的兩個端面都夾在陽極20和陰極22之間。由此形成電化學 裝置10。
通過涂覆鉑(Pt)并隨后燒制來形成陽極20。此外，涂覆材料可以 是其它物質，例如銠(Rh)，只要其具有高的催化活性即可。
通過將鋇(Ba)添加到含有氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)和BaCe03 的鎳(Ni)基材料中形成陰極22。此外，可以使用諸如鎂(Mg)基材 料的其它材料代替Ni基材料。此外，添加到陰極22的Ba可以是其它 物質，只要其具有包藏NOx的效果即可。注意，陽極20和陰極22是多孔電極，具有允許廢氣穿過其中的結構。
此外，陽極20和陰極22也可以由金屬網(wǎng)等構成。
圖3顯示布置在機動車排氣系統(tǒng)中的電化學裝置10的構造。
排氣管110作為用于將廢氣排放到外部的通路設置到內燃機100， 并且通過該排氣管排放所產生的廢氣。用于凈化廢氣的凈化裝置120設 置在排氣管110內，并且廢氣穿過凈化裝置120的內部。凈化裝置120 包括多個電化學裝置IO。注意，在圖3中未示出圖1的電池30。
多個電化學裝置10以相同的取向以固定間隔重疊布置在阻擋廢氣 流路的位置處。該取向例如使得電化學裝置10的電極表面垂直于廢氣 流動的方向。也就是說，某個電化學裝置10的陽極20和相鄰電化學裝 置10的陰極22布置為相互平行。因此，廢氣流過電化學裝置10的空 隙28 (見圖1)。
下面提供本實施方案中電化學裝置10和凈化裝置120的運行的說明。
在圖3中，由內燃機100的運行產生廢氣，并且該廢氣經(jīng)由排氣管 110到達凈化裝置120。該廢氣首先接觸最靠近內燃機100布置的電化 學裝置10的陽極20。由于陽極20是多孔電極，所以廢氣穿過其內部并 進入電解質層24的空隙28 (見圖1)。然后廢氣穿過空隙28到達陰極 22并與陰極22接觸。由于陰極22也是多孔電極，所以廢氣穿過陰極 22的內部排出到電化學裝置10之外。
以該方式，電化學裝置10構成了廢氣經(jīng)過的通路，廢氣依次穿過 陽極20、空隙28和陰極22，由此廢氣經(jīng)過該通路。隨后，廢氣到達相 鄰于其布置的電化學裝置10,其中廢氣以相同方式穿過該電化學裝置 10。
順便提及，可以以與上述方向相反的方向布置電化學裝置10。也就 是說，用于廢氣穿過的通路可以順序穿過陰極22、空隙28和陽極20。
此處進行電化學裝置IO對廢氣的凈化，即PM和NOx的分解。
6圖4顯示廢氣凈化期間電化學裝置10的運行。電荷的轉移主要經(jīng) 由聚合物膜26通過質子進行。
廢氣中的PM中所含的碳和廢氣中的1120在陽極20的表面上及其 外圍周圍反應，產生C02、質子和電子。電子被吸引到電池30的陰極 并遷移到電池30，同時質子被吸引到陰極22并在聚合物膜26內遷移。 C02經(jīng)排氣管110排放到外部空氣。以該方式，由于在陽極20的外圍 周圍分解PM，所以凈化了廢氣。
廢氣中存在的NOx和由聚合物膜26傳導的質子在陰極22的表面 上和其外圍周圍通過接收電池30所供給的電子而反應，從而產生]\2和 H20。所形成的&和H20經(jīng)過排氣管110排放到外部空氣。以該方式， 由于NOx在陰極22外圍周圍分解，所以凈化了廢氣。
在此處，由于聚合物膜26包含Nafion作為電解質，所以它在80'C 或更高的溫度下運行。
以該方式，由于根據(jù)本實施方案的廢氣凈化裝置120設置有具有由 聚合物膜26構成的傳導通路的電化學裝置10，所以它能夠在比較低的 溫度下運行。更具體地，它能夠在80。C或更高的環(huán)境下運行。
具體而言，柴油機排氣溫度的下限低，可以為約IOO'C或更低，但 是凈化裝置120能夠甚至在該溫度范圍內運行。因此，凈化裝置120能 夠更有效地凈化來自柴油機的廢氣。
此夕卜，聚合物膜26中包含的Nafion的電導率在約10" ~ l(T2的級別 上。例如，這與諸如固體氧化物的常規(guī)電解質的電導率相當。
在上述第一實施方案中，聚合物膜26由Nafion構成。作為其變化 方案，聚合物膜26還可以具有其它組成。作為其一個實例，由于具有 親水位點的聚合物(例如由磺酸基構成的聚合物)能夠使質子移動通過 親水性鏈，所以它可以用作質子傳導性電解質。
順便提及，聚合物膜一般在1001C附近用作電解質，由此它們能夠 有效凈化來自柴油機動車的廢氣。
由于聚合物膜作為電解質的性能在非水合狀態(tài)下一般迅速降低，所以有必要在燃料電池等中提供單獨的加濕器。然而，在本實施方案中，
由于支撐體40具有蜂窩狀結構，并且廢氣穿過其空隙28,所以涂覆在 支撐體40表面上的聚合物膜26與廢氣接觸。結果，聚合物膜26自發(fā) 地被廢氣中的1120水合。因此，不必加入7jC合構件來維持聚合物膜26 的性能。換言之，與用于其它應用(例如燃料電池)時相比，電化學裝 置10的構造可以簡化。
在上述第一實施方案中，凈化裝置120用于凈化來自機動車的廢氣。 作為其一個變化方案，廢氣凈化裝置120還可以用于凈化來自除機動車 之外的來源的廢氣。例如，凈化裝置120可以用于農用機器或發(fā)電廠。 凈化裝置120還可以用于其它廢氣，只要該廢氣含有碳和NOx即可。
盡管在第一實施方案中支撐體40由具有六邊形空隙的蜂窩狀結構 構成，但是空隙的形狀不限于六邊形，空隙也可以是例如網(wǎng)格形狀。
因此，本實施例和實施方案都應當視為舉例說明和非限制性的，本 發(fā)明不限于本文給出的細節(jié)，而是可以在所附權利要求的范圍內改變。
本申請要求2007年11月20日提交的日本專利申請2007-300626的外 國優(yōu)先權，該專利申請通過引用全文并入本文，與在本文中完全公開一樣。
權利要求
1. 一種廢氣凈化裝置(120)，包括電化學裝置(10)并利用所述電化學裝置(10)凈化廢氣，其特征在于所述電化學裝置(10)包括陽極(20)、陰極(22)和布置在所述陽極和所述陰極之間的電解質層(24)；和所述電解質層(24)包括質子傳導性聚合物電解質(26)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的廢氣凈化裝置(120),其特征在于所述陽極(20)和所述陰極(22)是多孔電極； 所述電解質層(24)包括具有蜂窩狀結構的支撐體(40); 所述支撐體(40 )的兩個端面都夾在所述陽極(20 )和所述陰極(22 ) 之間；所述質子傳導性聚合物電解質(26)涂覆在所述支撐體(40)上；和所述電化學裝置(10)構成用于廢氣通過的通路，其中所述廢氣順 序穿過所述電極(20、 22)中的一個、所述支撐體(40)的所述蜂窩狀 結構中的空隙(28)和所述電極(20、 22)中的另一個。
3. 根據(jù)權利要求1所述的廢氣凈化裝置(120)，其特征在于所述質子傳 導性聚合物電解質(26)在100'C下用作電解質。
全文摘要
一種凈化裝置120，包括多個電化學裝置10。每個電化學裝置10的陽極20連接到電池的陰極，電化學裝置10的陰極22連接到電池的陽極。包含電解質的電解質層24布置在陽極20和陰極22之間。電解質層24包含聚合物膜26和具有蜂窩狀結構并支撐聚合物膜26的支撐體40。該聚合物膜26是對質子H⁺表現(xiàn)出傳導性的電解質。
文檔編號B01D53/56GK101439257SQ20081017765
公開日2009年5月27日 申請日期2008年11月20日 優(yōu)先權日2007年11月20日
發(fā)明者加藤祥文, 小出直孝, 池田菜美, 河內浩康 申請人:株式會社豐田自動織機