(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧印加により大気圧プラズマを発生する相対向する一対の第１の放電電極と、
前記一対の第１の放電電極間に配置され、ヒータ機能を有する第２の放電電極と、
前記第２の放電電極の外表面の全体に形成された触媒（光触媒を除く）とを具え、
前記大気圧プラズマ及び前記触媒との相乗効果によってガスを分解することを特徴とする、ガス浄化装置。
【請求項２】
前記第２の放電電極は電圧印加によって放電可能に構成され、前記大気圧プラズマを発生することを特徴とする、請求項１に記載のガス浄化装置。
【請求項３】
前記一対の第１の放電電極及び前記第２の放電電極を一組の放電電極として、複数の組の放電電極を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載のガス浄化装置。
【請求項４】
前記ガスが酸化エチレン及び笑気ガスの少なくとも一方であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のガス浄化装置。
【請求項５】
相対向する一対の第１の放電電極間に配置されてなる、ヒータ機能を有するとともに外表面の全体に亘って触媒（光触媒を除く）が形成されてなる第２の放電電極を、前記ヒータ機能を駆動させることによって所定の温度にまで加熱し、前記触媒を活性化させる工程と、
少なくとも前記一対の第１の放電電極間に電圧印加を行い、前記一対の第１の放電電極間及び前記一対の第１の放電電極と前記第２の放電電極との間に大気圧プラズマを生成する工程と、
前記一対の第１の放電電極間及び前記一対の第１の放電電極と前記第２の放電電極との間にガスを流し、前記ガスを前記大気圧プラズマ及び前記触媒の相乗効果によって分解し、浄化する工程と、
を具えることを特徴とする、ガス浄化方法。
【請求項６】
前記第２の放電電極に電圧印加を行い、前記大気圧プラズマを発生する工程を具えることを特徴とする、請求項５に記載のガス浄化方法。
【請求項７】
前記一対の第１の放電電極及び前記第２の放電電極を一組の放電電極として、複数の組の放電電極を含むことを特徴とする、請求項５又は６に記載のガス浄化方法。
【請求項８】
前記ガスが酸化エチレン及び笑気ガスの少なくとも一方であることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一に記載のガス浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス浄化装置、プラズマ生成用電極、及びガス浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プラズマを利用したガス浄化システムが存在する。このシステムは、プラズマ放電場中（プラズマ空間内）に処理対象ガスを導入し、その高いプラズマエネルギーにより処理対象ガス中の分子を分解することによって、ガスの浄化を図るものである。
【０００３】
しかしながら、前記プラズマを安定して放電させるには、電極間の距離をより狭く、かつ均一化する事が重要である。このため、処理すべきガスの風量も限られてしまうという問題がある。また、大気圧プラズマを発生させて処理しようとすると、このような大気圧プラズマを保持する観点から、ガスの処理量が限られてしまい、処理効率が劣化してしまうという問題が生じる。
【０００４】
上述した問題に鑑みて、電極長さ（面積）を大きくし、プラズマの生成空間を大きくしてガスの処理量を増大させ、処理効率を向上させる試みがなされているが、装置が膨大化し、コスト高となるなどの問題がある。また、電極間距離を大きくすることも考えられるが、生成したプラズマ放電を安定化させるために、電極間に印加する電圧を高くする必要があり消費電力が増大する問題がある。
【０００５】
このような状況に鑑み、特許文献１においては、相対向する一対の放電電極の、対向面上に光触媒層を形成し、一対の放電電極間で放電を生ぜしめてプラズマを生成し、このプラズマから発せられる光によって光触媒層を活性化させ、プラズマ及び光触媒作用によってガス中の分子を分解し、浄化する方法が開示されている。しかしながら、この方法では光触媒を用いているため、分解及び浄化に供することのできるガスの種類は限られてしまうという問題がある。
【０００６】
また、特許文献２においては、表面を触媒で被覆してなる複数の放電電極を準備し、相対向する放電電極を対として、この一対の放電電極間で放電を生ぜしめてプラズマを生成し、このプラズマから発せられる熱を利用して触媒を昇温して活性化させ、プラズマ及び触媒作用によってガス中の分子を分解し、浄化する方法が開示されている。
【０００７】
しかしながら、この方法では、例えば触媒としてＰｔなどの金属触媒を用いた場合、放電電極の表面を被覆することからその使用量が莫大となり、システム全体のコストが膨大な額に達するという問題がある。また、一旦、プラズマを発生させて所定の時間が経過しない内は、触媒を所定温度まで昇温することができず、この触媒を活性化することができないという問題がある。すなわち、特許文献２に記載の方法では、実際にその本来的な機能を奏するようになるためには、装置の駆動開始から所定時間が経過しなければならず、装置の立ち上げに時間を要し、結果としてガスの処理に要する総合的な時間が長時間化するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１８７３１９号
【特許文献２】特開２００２−２２１０２７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、低コストかつ短時間でガスの分解及び処理を実現可能とする新規な構成のガス浄化装置及びガス浄化方法、並びにこれに使用するプラズマ電極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】
【００１０】
上記目的を達成すべく、本発明は、
電圧印加により大気圧プラズマを発生する相対向する一対の第１の放電電極と、
前記一対の第１の放電電極間に配置され、ヒータ機能を有する第２の放電電極と、
前記第２の放電電極の外表面の全体に形成された触媒（光触媒を除く）とを具え、
前記大気圧プラズマ及び前記触媒との相乗効果によってガスを分解することを特徴とする、ガス浄化装置に関する。
【００１１】
また、本発明は、
相対向する一対の第１の放電電極間に配置されてなる、ヒータ機能を有するとともに外表面の全体に亘って触媒（光触媒を除く）が形成されてなる第２の放電電極を、前記ヒータ機能を駆動させることによって所定の温度にまで加熱し、前記触媒を活性化させる工程と、
少なくとも前記一対の第１の放電電極間に電圧印加を行い、前記一対の第１の放電電極間及び前記一対の第１の放電電極と前記第２の放電電極との間に大気圧プラズマを生成する工程と、
前記一対の第１の放電電極間及び前記一対の第１の放電電極と前記第２の放電電極との間にガスを流し、前記ガスを前記大気圧プラズマ及び前記触媒の相乗効果によって分解し、浄化する工程と、
を具えることを特徴とする、ガス浄化方法に関する。
【００１２】
さらに、本発明は、
ヒータ機能を有し、外表面の全体に亘って触媒（光触媒を除く）が形成されてなることを特徴とする、プラズマ生成用電極に関する。
【００１３】
本発明によれば、電圧印加によって主として大気圧プラズマを発生する相対向する一対の第１の放電電極間に、ヒータ機能を有し、放電面に触媒が形成されてなる第２の放電電極を配置するようにしている。したがって、第１の放電電極間に電圧を印加して大気圧プラズマを生成すると同時に、第２の放電電極を所定温度に加熱して触媒を活性化させることができるので、装置の駆動開始直後に、プラズマ及び触媒活性によるガス（分子）の分解及び浄化を行うことができる。したがって、装置が本来的な機能を奏するまでの時間の経過を考慮することがないので、ガスの処理に要する総合的な時間が長時間化することを抑制できる。
【００１４】
また、第２の放電電極は放電、すなわちプラズマ生成のための主電極ではないので、その大きさはある程度自由に設計することができる。したがって、第２の放電電極に触媒を形成する場合においても、その触媒量を適宜に設定することができ、例えばＰｔ等の金属触媒を用いる場合は、その使用量を低減することによって、装置全体のコストを低減することができるようになる。
【００１５】
さらに、触媒としては必要に応じて任意の触媒とすることができるので、分解及び浄化するガスの種類も特に制限されることがなく、広範囲の種類のガスを分解及び浄化することができる。
【００１６】
本発明の一態様においては、上記第２の放電電極に電圧印加を行い、前記大気圧プラズマを発生することができる。第２の放電電極には特に電圧印加を行わない場合においても、プラズマ中に配置するだけで帯電して放電に寄与し、上記大気圧プラズマの発生に寄与することができる。しかしながら、本態様のように、第２の放電電極自身にも電圧印加を行うことによって、いわば第２の放電電極が補助電極として作用し、上記大気圧プラズマのプラズマ密度を向上させることができる。この結果、ガスの分解及び浄化をより効果的に行うことができる。
【００１７】
また、本発明の一態様においては、前記第２の放電電極を円柱状とし、前記触媒を前記第２の放電電極の外表面の全体に亘って形成する。第２の放電電極はヒータとしての機能を有しているので、この電極が円柱状を呈することにより外方へ向けての熱の放散を均一かつ短時間で行うことができるようになる。したがって、第２の放電電極の外表面に形成した触媒を所定温度にまで瞬時に昇温させることが可能となり、瞬時に活性化させることが可能となる。この結果、ガスの処理に要する総合的な時間を短縮化することができる。
【００１８】
さらに、本発明の一態様においては、前記一対の第１の放電電極及び前記第２の放電電極を一組の放電電極として、複数の組の放電電極を含むようにする。この場合、前記複数の組の放電電極を、浄化すべきガスの入射方向に対して、電極の長さ方向が垂直となるように並列に配列する、又は鉛直に積層することによって、処理できるガス量が増し、短時間で多量のガスを分解及び浄化することができる。
【００１９】
なお、本発明の装置、方法及び電極は、好ましくは触媒として金属触媒を用い、炭化水素系ガスを分解及び浄化するのに適している。例えば、自動車の排気ガスに含まれるＮＯｘ系のガスの場合においては、プラズマ生成によって発生した酸素ラジカルをＮＯガスと反応させてＮＯ２ガスとした後、このＮＯ２ガスを金属触媒で分解して浄化するようにしている。すなわち、プラズマと触媒とを用いてはいるものの、それぞれは独自にガスの反応を生ぜしめ、分解及び浄化に寄与するものであって、両者が相乗的に作用してガスの分解及び浄化を行うものではない。
【００２０】
一方、本発明の装置等において、浄化する対象のガスとして炭化水素ガスとすれば、プラズマによる分解作用と、触媒による分解作用（例えば酸化分解作用）とを同時に行うことができる。結果として、ガスの分解及び浄化の効率を向上させることができるようになる。
【００２１】
なお、本発明においては、ガスの分解及び浄化に用いるプラズマを大気圧プラズマとしているが、その他の加圧状態のプラズマ又は減圧状態のプラズマを用いることもできる。但し、大気圧プラズマを用いることにより、本装置等を密閉容器内に配置する必要がなく、装置の全体構成が簡易化できるので好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、低コストかつ短時間でガスの分解及び処理を実現可能とする新規な構成のガス浄化装置及びガス浄化方法、並びにこれに使用するプラズマ電極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一例におけるガス浄化装置の斜視図である。
【図２】図１に示すガス浄化装置の側面図である。
【図３】図２に示すガス浄化装置を中心線Ｉ−Ｉに沿って切った場合の断面図である。
【図４】本発明の他の例におけるガス浄化装置の斜視図である。
【図５】本発明のその他の例におけるガス浄化装置の斜視図である。
【図６】実施例における処理時間と亜酸化窒素（笑気ガス）の濃度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、実施の形態に基づいて説明する。
【００２５】
（装置の基本構造及び方法の基本操作）
図１は、本発明の一例におけるガス浄化装置の斜視図であり、図２は、図１に示すガス浄化装置の側面図であり、図３は、図２に示すガス浄化装置を中心線Ｉ−Ｉに沿って切った場合の断面図である。
【００２６】
図１〜図３に示すガス浄化装置１０は、一対の第１の放電電極１１，１２と、これらの放電電極間に配置された円柱状の第２の放電電極１３とを有している。第１の放電電極１１及び１２は、金属電極１１１及び１２１の、相対向する側の面、すなわち放電面側において誘電体層１１２及び１２２が形成されている。なお、第１の放電電極１１及び１２には、図示しないプラズマ励起回路が接続されている。
【００２７】
また、第２の放電電極１３は、その外表面の全体に亘って触媒層１４が形成されている。なお、触媒層１４は必ずしも第２の放電電極１３の外表面の全体に亘って形成する必要はないが、この場合、導入したガスと触媒との接触面積が減少するため、ガスの分解浄化作用が低下する。
【００２８】
さらに、第２の放電電極１３は、ヒータ機能を有している。このヒータ機能は、第２の放電電極１３内部に直接内蔵させることもできるし、別途、電源を含む加熱昇温回路を接続し、第２の放電電極１３自体をヒータとすることもできる。また、第２の放電電極１３には、第１の放電電極１１，１２同様に、図示しないプラズマ励起回路が接続されている。
【００２９】
なお、第２の放電電極１３において、プラズマ励起回路を接続することは必須の要件ではないが、以下に説明するように、第２の放電電極に対してもプラズマ励起回路を接続し、プラズマ生成に寄与させることによって、第２の放電電極自身にも電圧印加を行うことによって、得られるプラズマのプラズマ密度を向上させることができる。この結果、ガスの分解及び浄化をより効果的に行うことができる。
【００３０】
プラズマ励起回路からは例えば数十ｋＨｚの高周波電圧を印加することが望ましい。
【００３１】
また、第１の放電電極１１及び１２間の距離は、例えば７．０ｍｍ〜８．５ｍｍとすることができる。さらに、第１の放電電極１１，１２及び第２の放電電極１３間の距離は、例えば０．５ｍｍ〜１．５ｍｍとすることができる。
【００３２】
各放電電極を構成する金属電極部１１１、１２１、１３は、Ｗ，Ｍｏなどの高融点金属から構成することができ、誘電体層１１２及び１２２は、アルミナ、窒化アルミニウムなどの耐高温性、耐腐食性のセラミック等から構成することができる。
【００３３】
触媒層１４は、必要に応じて任意の触媒から構成することができる。Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の金属触媒の場合は、その高い酸化作用によって高いガス分解能を奏するので好ましく用いることができる。本態様においては、触媒層１４として上述のような金属触媒を用いた場合においても、その形成箇所は第２の放電電極１３の外表面である。したがって、その使用量は限られるので、ガス浄化装置１０が高コスト化するということがない。
【００３４】
次に、図１〜図３に示す装置を用いた場合のガスの浄化方法について説明する。
最初に、上記プラズマ励起回路を駆動させ、所定の電圧を印加することにより、第１の放電電極１１及び１２間、並びに第１の放電電極１１，１２及び第２の放電電極１３間に放電を生ぜしめて、大気圧プラズマを生成する。なお、第２の放電電極１３には電圧印加を行わない場合においても、自ずから帯電し、上記放電、すなわちプラズマ生成に寄与するようになるが、電圧印加を行うことによりいわゆる補助電極として機能するようになるので、上記大気圧プラズマのプラズマ密度を向上させることができるようになる。
【００３５】
一方、上述のようなプラズマ生成と同時に、内蔵されたヒータを駆動させる、あるいは外部の加熱昇温回路を駆動させることによって、第２の放電電極１３を所定温度にまで加熱し、触媒層１４を活性化させる。なお、前記温度は、触媒層１４の種類及び分解及び浄化するガスの種類によって異なる。例えば、触媒層１４をＰｔから構成し、浄化に供するガスを炭化水素系ガスとした場合に、ガスの種類によって前記温度は以下のように設定することができる。
(1)メタノール              約１００℃以上
(2)ベンゼン、トルエン      約２００℃以上
(3)アセトアルデヒド        約２３０℃以上
(4)キシレン                約２５０℃以上
(5)酢酸エチル              約３１０℃以上
【００３６】
なお、本発明の浄化に供することができるガスとしては、上述のような炭化水素系ガスの他に、主として印刷・塗装業界で使用するトルエン類、主として分析関連業界で使用するホルムアルデヒド、主として滅菌処理業界で使用する酸化エチレンの他、麻酔処理に使用する亜酸化窒素（笑気ガス）等をも例示することができる。この中でも、本発明の浄化方法は亜酸化窒素（笑気ガス）の分解に対して特に有効に寄与する。
【００３７】
次いで、上述ように、第１の放電電極１１及び１２間、並びに第１の放電電極１１，１２及び第２の放電電極１３間に大気圧プラズマが生成し、触媒層１４が活性化温度以上に加熱された状態において、図１及び図３に示すような矢印の方向からこれら電極間に浄化すべきガスを導入する。これによって、前記ガスは、上述したプラズマに起因して発生したラジカル、例えば酸素ラジカルやオゾン等によって酸化分解し、触媒層１４の酸化分解作用によって酸化分解するようになる。すなわち、大気圧プラズマ及び触媒層１４の相乗作用によって前記ガスがより効率的に分解され、浄化されるようになる。
【００３９】
また、本発明によれば、放電電極１１，１２，１３間でのプラズマ発生と、触媒層１４との加熱を同時に行うことができるので、装置が本来的な機能を奏するまでの時間の経過を考慮することがなく、ガスの処理に要する総合的な時間が長時間化することを抑制できる。
【００４０】
なお、上述したように、ガスの分解浄化作用の過程でオゾン等が生成した場合は、図１~３に示す装置において、導入するガスの下流側において活性炭を担持させたフィルター等のオゾン除去手段を配置することにより、オゾンを装置外部に排出しないようにする必要がある。
【００４１】
また、分解及び浄化されなかったガスは、再度収集して図１〜図３に示す装置内に導入し、再度分解及び浄化を行うようにすることもできる。
【００４２】
（装置及び方法の応用例）
図４は、本発明の他の例におけるガス浄化装置の斜視図である。本例では、図１〜図３に示すガス浄化装置の第１の放電電極１１，１２及び第２の放電電極１３を複数組準備し、この複数組の放電電極を、浄化すべきガスの入射方向に対して、電極の長さが垂直となるように鉛直方向に配列したものである。換言すれば、図１〜図３に示すガス浄化装置をガスの導入方向に対して複数鉛直に配列したものである。
【００４３】
なお、第２の放電電極１３の構成は、図１〜図３に示すものと同一であるが、第１の放電電極１１及び１３は、金属電極１１１及び１２１に対して、放電面側に追加の誘電体層１１３及び１２３が設けられている点で相違する。
【００４４】
図４に示す装置を用いたガスの浄化方法は、図１〜図３に関連して説明したガスの浄化方法と同じであるが、ガスの導入方向に対して、図１〜図３に示すようなガス浄化装置が実質的に複数配列されたような構成を採っているので、分解及び除去できるガス量を増大させることができ、短時間で多量のガスを分解及び浄化することができる。
【００４５】
なお、配列すべき第１の放電電極及び第２の放電電極の数は、処理すべきガス量及び時間等に応じて任意に設定することができる。
【００４６】
図５は、本発明のその他の例におけるガス浄化装置の斜視図である。本例では、図１〜図３に示すガス浄化装置の第１の放電電極１１，１２及び第２の放電電極１３を複数組準備し、この複数組の放電電極を、浄化すべきガスの入射方向に対して、電極の長さが垂直となるように並列に配列したものである。すなわち、図１〜図３に示すガス浄化装置をガスの導入方向に対して、複数並列に配置したものである。
【００４７】
なお、本態様の場合、第１の放電電極１１，１２及び第２の放電電極１３の構成は、図１〜図３に示すものと同一である。
【００４８】
図５に示す装置を用いたガスの浄化方法は、図１〜図３に関連して説明したガスの浄化方法と同じであるが、ガスの導入方向に対して、図１〜図３に示すようなガス浄化装置が実質的に複数配列されたような構成を採っているので、分解及び除去できるガス量を増大させることができ、短時間で多量のガスを分解及び浄化することができる。
【００４９】
なお、配列すべき第１の放電電極及び第２の放電電極の数は、処理すべきガス量及び時間等に応じて任意に設定することができる。
【００５０】
また、本態様においては、一段目のガス浄化装置１０で分解及び浄化されなかったガスも、２段目及び３段目等のガス浄化装置１０において、再度分解及び浄化を行うようにすることもできるので、未浄化のガスの残留割合が極めて低くなる。
【実施例】
【００５１】
（実施例１）
本実施例では、図１〜３に示すようなガス浄化装置を用いて酸化エチレンの分解浄化を試みた。
【００５２】
具体的には、酸化エチレンを１００ｐｐｍ含んだ空気を上記ガス浄化装置内に供給して分解、浄化を実施した。なお、供給速度は２ｍ３／分とした。また、放電電極１１，１２，１３には２５ｋＨｚの高周波電圧を印加して大気圧プラズマを生ぜしめるとともに、第２の放電電極１３を加熱して、その外表面に形成したＰｔ触媒層１４を１２０℃に加熱した。
【００５３】
その結果、処理開始後１分経過した後、酸化エチレンの濃度は１００ｐｐｍから１ｐｐｍにまで減少しており、本実施例で使用したガス浄化装置が極めて高いガス浄化性能を有することが判明した。
【００５４】
（実施例２）
本実施例では、図１〜３に示すようなガス浄化装置を用いて亜酸化窒素（笑気ガス）の分解浄化を試みた。
【００５５】
具体的には、酸化エチレンを１０００ｐｐｍ含んだ空気を上記ガス浄化装置内に供給して分解、浄化を実施した。なお、供給速度は１ｍ３／分とした。また、放電電極１１，１２，１３には２５ｋＨｚの高周波電圧を印加して大気圧プラズマを生ぜしめるとともに、第２の放電電極１３を加熱して、その外表面に形成したＰｔ触媒層１４を１２０℃に加熱した。
【００５６】
その結果、処理開始後１分経過した後、亜酸化窒素（笑気ガス）の濃度は１０００ｐｐｍから１０ｐｐｍにまで減少しており、さらに処理開始後１００分経過した後、亜酸化窒素（笑気ガス）の濃度はほぼゼロとなって総ての亜酸化窒素（笑気ガス）が完全に分解されていることが判明した。すなわち、本実施例で使用したガス浄化装置が亜酸化窒素（笑気ガス）の濃度に対しても極めて高いガス浄化性能を有することが判明した。なお、処理時間と亜酸化窒素（笑気ガス）の濃度との関係を図６に示す。
【００５７】
（比較例）
第２の放電電極１３を加熱しなかった以外は、実施例と同様にして酸化エチレンを１００ｐｐｍ含む空気をガス浄化装置内に導入し、分解、浄化を実施した。その結果、酸化エチレンの濃度を１００ｐｐｍから１ｐｐｍまで減少させるのに５分以上の時間を要することが判明した。
【００５８】
したがって、以上実施例及び比較例から明らかなように、本発明に従って、大気圧プラズマと触媒活性との相乗効果を利用することにより、短時間でガスを分解浄化することができ、優れたガス浄化作用を呈することが判明した。
【００５９】
また、特に明記しないものの、その他の炭化水素系ガスやＮＯｘ系ガスに関しても、同様の作用効果を得ることができた。
【００６０】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００６１】
例えば、上記実施形態では、大気圧プラズマを用いているが、必要に応じて加圧状態のプラズマ又は減圧状態のプラズマを用いることもできる。
【符号の説明】
【００６２】
１０，１００  ガス浄化装置
１１，１２  第１の放電電極
１３  第２の放電電極
１４  触媒層
【図１】
0005479826.tif 000002
【図２】
0005479826.tif 000003
【図３】
0005479826.tif 000004
【図４】
0005479826.tif 000005
【図５】
0005479826.tif 000006
【図６】
0005479826.tif 000007