JP2011011196A

JP2011011196A - 排ガスフィルター

Info

Publication number: JP2011011196A
Application number: JP2009160239A
Authority: JP
Inventors: Junko Watanabe; 純子渡邊; Kuniaki Yoshikata; 邦聡芳片
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2009-07-06
Filing date: 2009-07-06
Publication date: 2011-01-20

Abstract

【課題】高いガス透過性を維持したまま排ガスを浄化することができる排ガスフィルターを提供する。
【解決手段】粒子状物質を含む排ガスを浄化する排ガスフィルター１であって、多孔質の固体電解質２と、固体電解質２の一方面に配置された多孔質のアノード３と、固体電解質２の他方面に配置された多孔質のカソード４とを備え、固体電解質２には、ガス通過空間１０が複数形成されている排ガスフィルター１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、粒子状物質を含む排ガスを浄化する排ガスフィルターに関する。

従来、粒子状物質（PM :Particulate Matter）を含有する排ガスを浄化する排ガスフィルターとして図４に示すものが知られていた（例えば、特許文献１参照）。

図４に示すように、この排ガスフィルター１０１は、固体電解質１０２と、固体電解質１０２の上面に積層配置されたアノード１０３と、固体電解質１０２の下面に積層配置されたカソード１０４とを備えている。固体電解質１０２、アノード１０３及びカソード１０４は、多孔質体から形成されており、ガス透過性を有している。カソード１０４には、窒素酸化物（NOx）を吸蔵するＮＯｘ吸蔵剤が担持されている。

このような構成を備える排ガスフィルター１０１により粒子状物質及び窒素酸化物を含有する排ガスを浄化するときは、排ガスを排ガスフィルター１０１に供給し、アノード１０３、固体電解質１０２及びカソード１０４を通過させる。このとき、排ガス中の粒子状物質ｍがアノード１０３にてフィルタリング捕集されることにより、排ガスから粒子状物質ｍが除去される。更にその後、排ガスが固体電解質１０２及びカソード１０４を通過するときに、排ガス中の窒素酸化物が、カソード１０４に担持されたＮＯｘ吸蔵剤に吸蔵されることにより、排ガスから窒素酸化物が除去される。この状態で、アノード１０３及びカソード１０４間に電圧を印加すると、アノード１０３では酸化反応が起こり、一方、カソード１０４では還元反応が起こり、排ガスが浄化される。

特開２００８−１１９６１８号公報

しかし、上記の排ガスフィルター１０１では、粒子状物質ｍがアノード１０３に捕集されるに従い、アノード１０３に粒子状物質ｍが堆積し、目詰まりが生じることにより、排ガスフィルター１０１のガス透過性が徐々に減少してゆき、浄化性能が低下するという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、高いガス透過性を維持したまま排ガスを浄化することができる排ガスフィルターの提供を目的とする。

本発明に係る排ガスフィルターは、上記課題を解決するためになされたものであり、粒子状物質を含む排ガスを浄化する排ガスフィルターであって、多孔質の固体電解質と、前記固体電解質の一方面に配置された多孔質のアノードと、前記固体電解質の他方面に配置された多孔質のカソードとを備え、前記固体電解質には、ガス通過空間が複数形成されている。

このような構成によれば、粒子状物質を含む排ガスが排ガスフィルターを通過するときにアノードにおいて粒子状物質が捕集されることにより、多孔性アノード電極内に粒子状物質が堆積する。この過程で、アノードと固体電解質の界面に粒子状物質が堆積してくると固体電解質を介して、カソード側へ排ガスが透過しづらくなるが、固体電解質にガス通過空間が複数形成されているので、これによりガス透過性の減少を補うことができる。したがって、高いガス透過性を維持したまま排ガスを浄化することができる。

また、上記排ガスフィルターにおける前記固体電解質は、貫通孔が複数形成された電解質用グリーンシートを複数積層し、積層された前記電解質用グリーンシートを焼結することにより形成されていてもよく、前記ガス通過空間が、前記貫通孔により形成されていてもよい。これにより、固体電解質中にガス通過空間が確実に形成されるので、排ガスフィルターのガス透過性を確実に維持することができる。

本発明の排ガスフィルターによれば、高いガス透過性を維持したまま排ガスを浄化することができる。

本発明の一実施形態に係る排ガスフィルターの縦断面図である。排ガスフィルターの製造方法を説明する図である。電解質用グリーンシートの平面図である。従来の排ガスフィルターの縦断面図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る排ガスフィルターの縦断面図である。図１に示すように、この排ガスフィルターは、固体電解質２と、固体電解質２の上面（一方面）に積層配置されたアノード３と、固体電解質２の下面（他方面）に積層配置されたカソード４とを備えている。固体電解質２、アノード３及びカソード４は、シート状の多孔質体から形成されており、ガス透過性を有している。

固体電解質２には、ガス通過空間１０が複数形成されている。これら複数のガス通過空間１０は、固体電解質２内において分散して形成されている。各ガス通過空間１０は、固体電解質２の厚さ方向（図１における上下方向）及び幅方向（図１における左右方向）に延びるように形成されている。このガス通過空間１０は、例えば、固体電解質２の上面から固体電解質２の内部まで延びるように形成することや、固体電解質２の内部において層厚方向に延びるように形成することができる。また、ガス通過空間１０の横幅ｗは、１５０μｍ〜５ｍｍが好ましい。また、ガス通過空間１０は、固体電解質２におけるガス透過性を向上させる観点から、固体電解質２の下面近傍（カソード４の近傍）よりも固体電解質２の上面近傍（アノード３の近傍）に多く形成されていることが好ましい。本実施形態では、後述のように、固体電解質２が複数の電解質用グリーンシートから作製されているので、この固体電解質２は、複数の層２ａ〜２ｄを備えるように構成されており、各層にガス通過空間１０が複数形成されている。これらのガス通過空間１０は、多孔質体における孔とは別に、人為的に形成した空間である。

アノード３及びカソード４には、電源５が接続されており、電源５によりアノード３とカソード４との間に電圧を印加できるように構成されている。

次に、上記の排ガスフィルター１の各構成要素の材質について説明する。固体電解質２の材質としては、従来より知られているイットリウム安定化ジルコニア（ジルコニア系電解質ＹＳＺ）、セリア系酸化物（ＧＤＣ，ＳＤＣ）、又は溶融炭酸塩型のものがある。ジルコニア系電解質の場合、３５０℃以上の高い温度下では十分な酸素イオン供給が可能になる、一方、２５０〜３５０℃の低温下では、後述するＰＭの酸化反応を促進させるために、固体電解質２の形状、厚さを調整することで、イオン導電性を向上させることができる。例えば、固体電解質２はその厚さが１μｍ以上で５ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは１０μｍ以上で５００μｍである。固体電解質２の厚さが厚すぎると、通過する排ガスの圧力損失が大きくなるおそれがある。多孔質である固体電解質２における孔の平均孔径は０．５μｍ以上１００μｍ以下とするのが良く、好ましくは１μｍ以上３０μｍである。また、気孔率は１０％以上８０％以下とするのがよく、好ましくは４０％以上６０％以下である。これらの値が小さくなると通過する排ガスの圧力損失が大きくなり、値が大きすぎると単位面積あたりのイオン導電率が小さくなるおそれがある。

アノード３及びカソード４の材質としては、銀粒子に固体電解質材料を混合し、これを焼成することにより形成される。この際、銀粒子の粒径および固体電解質粒子を０．０１μｍ以上１０μｍ以下とするのが好ましく、例えば１μｍの銀粒子と０．１μｍの固体電解質粒子とを混合することができる。また、銀と固体電解質材料の混合比率は、固体電解質材料を全体の６０vol％以下とするのが好ましく、より好ましくは固体電解質材料を全体において２０vol％以上４０vol％以下である。

カソード４には、ＮＯｘ吸蔵剤を含ませることができる。すなわち、アルカリ土類金属またはアルカリ金属などを含有させることができ、具体的にはカルシウム，ストロンチウム，バリウム，ラジウム，リチウム，ナトリウム，カリウム，ルビジウム，セシウム，フランシウムとすることができる。このうち、安定性等の性質やコスト面で好ましいのは、カルシウム，ストロンチウム，バリウム，カリウムである。

アノード３及びカソード４は、厚さが１μｍ以上５ｍｍ以下とするのがよく、好ましくは５μｍ以上５０μｍ以下である。この厚さが厚すぎると通過する排ガスの圧力損失が大きくなるおそれがある。また、多孔質であるアノード３における孔の平均孔径は０．５μｍ以上１００μｍ以下とするのがよく、好ましくは１μｍ以上３０μｍ以下である。気孔率は１０％以上８０％以下とするのがよく、好ましくは４０％以上６０％以下である。これらの値が小さくなると排ガスフィルターの圧力損失が大きくなるおそれがある。

次に、上記の排ガスフィルター１を製造する方法について説明する。図２は、排ガスフィルターの製造方法を説明する図である。排ガスフィルター１を製造するときは、まず、図２（ａ）に示すように、複数の電解質用グリーンシート１１、アノード用グリーンシート１２及びカソード用グリーンシート１３を準備する（準備ステップ）。アノード用グリーンシート１２及びカソード用グリーンシート１３は、例えば、ドクターブレード法により以下のように作製することができる。すなわち、上記アノードあるいはカソード粉末に、造孔剤を添加し、バインダー、分散剤および可塑剤を加え、エタノール、２−プロパノールといったアルコール系溶媒からなる分散媒体に分散されているスラリーを作製する。造孔剤の添加量は、５〜２０ｗ％が好ましい。添加されている造孔剤は、焼結の際に燃焼して分解消失するため、造孔剤が存在していた箇所には空孔が形成される。なお、造孔剤としては、カーボン系粉末や樹脂系粉末が挙げられるが、焼結の際に分解消失して空孔が形成可能な材料であれば、他の材料を用いるようにしてもよい。

また、上記スラリー組成物あるいは混練組成物を作製する際に用いられるバインダーの種類にも制限はなく、公知の有機質もしくは無機質のバインダーを使用することができる。有機質バインダーとしては、従来から知られたエチレン系共重合体、スチレン系共重合体、アクリレート系及びメタクリレート系共重合体、酢酸ビニル系共重合体、マレイン酸系共重合体、ビニルブチラール系樹脂、ビニルアセタール系樹脂、ビニルホルマール樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ビニルアルコール系樹脂、エチルセルロース等のセルロース類、ワックス類等が例示される。これらの中でも上記材料粉末との均一分散性や、高比表面積ナノ粒子への濡れ性、シート成形性やその熱分解性等の点から、メチルアクリレート、エチルアクリレート、プロピルアクリレート、ブチルアクリレート、イソブチルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、２−エチルヘキシルアクリレート等の炭素数１０以下のアルキル基を有するアルキルアクリレート類；メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレート、オクチルメタクリレート、２−エチルヘキシルメタクリレート、デシルメタクリレート、ドデシルメタクリレート、ラウリルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート等の炭素数２０以下のアルキル基を有するアルキルメタクリレート類；ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート等のヒドロキシアルキル基を有するヒドロキシアルキルアクリレートまたはヒドロキシアルキルメタクリレート類；ジメチルアミノエチルアクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート等のアミノアルキルアクリレートまたはアミノアルキルメタクリレート類；（メタ）アクリル酸、マレイン酸、モノイソプロピルマレートの如きマレイン酸半エステル等のカルボシキル基含有モノマー；などの少なくとも１種を重合または共重合させることによって得られる、数平均分子量が２０，０００〜２００，０００、より好ましくは５０，０００〜１００，０００の（メタ）アクリレート系共重合体が好ましいものとして推奨される。これらの有機質バインダーは、単独で使用し得る他、必要により２種以上を適宜組み合わせて使用することができる。

次に、作製したスラリーを公知のドクターブレード法により成形してポリエチレンテレフタレートなどのフィルム上にスラリーの層を形成し、このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥させ、アノードあるいはカソード用グリーンシートが形成された状態とする。分散媒体としては、アルコール系溶媒に限らず、トルエン，キシレン，及びケトン系などの他の有機溶媒を用いてもよい。また、有機溶媒に限らず、上記混合粉末が、水に分散されたスラリーを用いるようにしてもよい。例えば、所定の分散剤を用いることで、上記混合粉末が水に分散された状態とすることができる。

また、電解質用グリーンシート１１は以下の方法で作製することができる。すなわち、上記電解質極粉末に、バインダー及び分散剤および可塑剤を加え、有機溶媒からなる分散媒体に分散されているスラリーを作製する。作製したスラリーはアノードと同様にドクターブレード法にてポリエチレンテレフタレートなどのフィルム上にスラリー層を形成する。このスラリー層より分散媒体を除去することで乾燥させ、電解質用グリーンシート１１が形成された状態とする。

排ガスフィルター１の製造においては、次に、図２（ｂ）に示すように、電解質用グリーンシート１１に貫通孔１５を複数形成する（貫通ステップ）。貫通ステップでは、例えば、電解質用グリーンシート１１の主面側からマイクロドリル、パンチング等を用いて貫通孔１５を形成する。また、レーザを用いて貫通孔１５を形成してもよく、このときのレーザの種類としては、例えば、ＵＶ−ＹＡＧレーザ或いはエキシマレーザ等を使用することができる。特に、波長が４００ｎｍ以下のレーザを用いて、径が１００μｍ以下の貫通孔１５を精度良く形成するためには、ＵＶ−ＹＡＧレーザが好適である。複数の貫通孔１５は、最終的にガス通過空間１０を形成するものであり、電解質用グリーンシート１１に分散して形成されている。図３は、電解質用グリーンシート１１の平面図である。本実施形態では、形成する貫通孔１５の数により２パターンの電解質用グリーンシート１１ａ及び１１ｂを準備し、一方の電解質用グリーンシート１１ａに４つの貫通孔１５を形成し（図３（ａ））、他方の電解質用グリーンシート１１ｂに６つの貫通孔１５を形成した（図３（ｂ））。また、電解質用グリーンシート１１ａ、１１ｂの縦幅Ｌ１及び横幅Ｌ２は、いずれも５ｃｍとし、貫通孔１５の径ｄは、１ｍｍとした。これにより、一方の電解質用グリーンシート１１ａの面積に対する貫通孔１５の面積の割合は１.４％となる。また、他方の電解質用グリーンシート１１ｂの面積に対する貫通孔１５の面積の割合は２.３％となる。

続いて、図２（ｃ）に示すように、複数の電解質用グリーンシート１１を積層することによりグリーンシート積層体１４を形成する（積層ステップ）。積層ステップでは、グリーンシート積層体１４を熱プレスすることにより、複数の電解質用グリーンシート１１同士を融着することが好ましい。

次に、図２（ｄ）に示すように、グリーンシート積層体１４を焼結することにより電解質２を形成する。また、電解質２の形成と共に貫通孔１５からガス通過空間１０が形成される。このときの焼結温度は、１１００℃〜１５００℃が好ましい。

その後、図２（ｅ）に示すように、電解質２の上面にアノード用グリーンシート１２を積層配置し、下面にカソード用グリーンシート１３を積層配置する。このとき、熱プレスにより、アノード用グリーンシート１２及びカソード用グリーンシート１３を電解質２に融着させることが好ましい。その後、これを焼結することにより、アノード３及びカソード４を形成する。こうして排ガスフィルター１が製造される（図２（ｆ））。

次に、以上のように構成された排ガスフィルター１を用いて排ガスを浄化する方法について説明する。まず、排ガスフィルター１へ排ガスを供給する。この排ガスは、例えば、図示しないディーゼルエンジン等のガス排出装置から排出されるものであり、粒子状物質（PM :Particulate Matter）及び窒素酸化物（NOx）が含有されている。また、排ガスは、図１における排ガスフィルター１の上方からアノード３に向かって供給される。そして、この排ガスは、アノード３、固体電解質２及びカソード４がガス透過性を有するので、これらを順に通過してゆく。このとき、排ガス中に含まれるＰＭ（粒子状物質）は、アノード３の表面に捕捉されるため、排ガスは、ＰＭが除去された状態でカソード４側へ排出される。そして、カソード４にはＮＯｘ吸蔵剤が担持されているため、排ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）が捕捉される。こうして、排ガスフィルター１を通過した排ガスからはＰＭ及びＮＯｘが除去される。

こうして、排ガスの処理が行われている際には、アノード３及びカソード４の表面にＰＭ（粒子状物質）及びＮＯｘ（窒素酸化物）がそれぞれ堆積していく。これに対しては、電源５によりアノード３とカソード４との間に電圧を印加する。これにより、カソード４側に捕捉したＮＯｘをＮ_２へ還元することができるとともに、この化学反応で生じた酸素イオンをカソード４側からアノード３側へ供給することができる。その結果、固体電解質２のアノード３側に存在するＰＭを酸化して分解することができる。こうして、アノード３及びカソード４に堆積したＰＭ（粒子状物質）及びＮＯｘ（窒素酸化物）を除去することができるため、長期間に亘る排ガスフィルター１の使用が可能になる。

以上のような排ガスフィルター１によれば、粒子状物質（ＰＭ）を含む排ガスが排ガスフィルター１を通過するときにアノード３においてＰＭが捕集されることによりアノード３におけるガス透過性が徐々に減少してくるが、固体電解質２にガス通過空間１０が複数形成されているので、これによりガス透過性の減少を補うことができる。したがって、高いガス透過性を維持したまま排ガスを浄化することができる。

１排ガスフィルター
２固体電解質
３アノード
４カソード
１０ガス通過空間
１１電解質用グリーンシート
１２アノード用グリーンシート
１３カソード用グリーンシート
１５貫通孔

Claims

粒子状物質を含む排ガスを浄化する排ガスフィルターであって、
多孔質の固体電解質と、
前記固体電解質の一方面に配置された多孔質のアノードと、
前記固体電解質の他方面に配置された多孔質のカソードとを備え、
前記固体電解質には、ガス通過空間が複数形成されている排ガスフィルター。
前記固体電解質は、貫通孔が複数形成された電解質用グリーンシートを複数積層し、積層された前記電解質用グリーンシートを焼結することにより形成されており、
前記ガス通過空間は、前記貫通孔により形成される請求項１に記載の排ガスフィルター。