(57)【要約】      （修正有）【課題】カーボンナノ構造体の形成における条件を緩和することができ、多方向に向かって電子が放出され、低い電圧で高強度のプラズマを均一に発生させることができるプラズマ発生用電極を提供する。【解決手段】電極は、電極基板３として多孔質のニッケルからなる金属板材を使用し、その多孔質の金属板材３の一方の表面を含んで、内部の孔４の周囲にある金属部分５の全ての表面にカーボンナノ構造体であるカーボンナノウォールを形成してある。金属部分５の全ての表面は、その表面のそれぞれの所定の領域の法線が無作為に不規則に様々な方向を向く。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極基板と、無作為な方向に向いて不規則に配列されて電極基板の少なくとも一方の表面に形成されるカーボンナノ構造体とからなるプラズマ発生用電極。
【請求項２】
電極基板が、多孔質の金属板材からなる請求項１記載のプラズマ発生用電極。
【請求項３】
金属板材は、カーボンナノ構造体に対して触媒となる金属から選択される請求項２記載のプラズマ発生用電極。
【請求項４】
カーボンナノ構造体が、カーボンナノチューブとカーボンナノウォールとの一方である請求項１、２又は３記載のプラズマ発生用電極。
【請求項５】
カーボンナノ構造体は、蒸着により形成される請求項１、２、３又は４記載のプラズマ発生用電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ発生用電極に関し、特には、工場、プラント、内燃機関などから排出される排煙に含まれて環境に悪影響を及ぼす成分を除去するための装置などに適用されるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば自動車のエンジン特にはディーゼルエンジンから排出される排気ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）、及びＰＭ（粒子状物質）の排出量を低減するために、触媒及びＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）が用いられている。しかしながら、ＤＰＦの場合、ＰＭを捕集することにより内部のＰＭが増加すると、排気ガスの流通が悪くなり、ディーゼルエンジンの排気抵抗が増加し、その結果、燃費と出力が低下することになる。
【０００３】
このような状況に鑑みて、近年では捕集したＰＭを酸化させてガス化（ＣＯ2）にして除去することや、排気ガスを改質してＰＭなどの排出量を低減することが試みられている。このような試みの一つとして、触媒を含む排出ガス浄化装置において、プラズマ反応器を用いるものが知られている。例えば、特許文献１に記載のものにあっては、２つの電極を備え、その一方が多孔質電極であり、電極に交流電圧を印加することにより電極間にプラズマを発生させ、そのプラズマに排ガスを接触させた後、多孔質電極を通過させて排ガス中の煤粒子を多孔質電極内に保留させ、プラズマによりオゾンなどの活性酸素と煤粒子とを反応させる構成である。
【０００４】
又、特許文献２のものにあっては、圧電体と電極とを備える圧電素子に、触媒成分を担持してなる触媒素子において、電極を多孔質のものにして、電極から交流電圧を印加して、圧電体の表面近傍にプラズマ類似状態を発生させるように構成している。
【０００５】
ところが、上記前者の電極では、加工性に問題があり、また後者の電極では、前者のものに比べて加工性は優れているものの、熱電子仕事関数が低いため、高い放電開始電圧を必要とし、結果として、自動車の電源であるバッテリでは不利な高電圧を用意しなければならない。このような現状に鑑みて、低い放電開始電圧にてプラズマを発生させることができる電極の材質が望まれている。
【０００６】
ところで、処理容器内でプラズマを発生させて発生させたプラズマの作用により所定の処理を行うプラズマ処理装置や、電子放出能力を高めるように構成された電子ビーム発生手段が知られている（特許文献３、特許文献４）。これら特許文献３及び特許文献４においては、電極からの電子の放出を高くするために、カーボンナノチューブを電極の表面に形成している。
【特許文献１】特表２００１−５２２３０２号公報
【特許文献２】特開２００４−２３７１３５号公報
【特許文献３】特開２００５−７２３４５号公報
【特許文献４】特許２００６−１７９８４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献３及び特許文献４に記載の電極はそれぞれ、平坦な金属板により構成している。このため、電極からの電子の放出を高め、プラズマを電極に対応してほぼ均一に発生させるためには、ほぼ均一にカーボンナノチューブを電極素材表面に形成する必要がある。
【０００８】
しかしながら、カーボンナノチューブを、その大きさに対比した場合に非常に大きな電極の表面全面にほぼ均一に形成することが困難を伴う。また、そのようにカーボンナノチューブを形成しようとすると、その形成時の工程における条件管理などが非常に精密になり、管理しきれない場合が生じる。そして、例えば、ほぼ均一なカーボンナノチューブの形成ではなくなると、電子の放出が電極全体でほぼ均一とはならず、プラズマの発生にむらが生じる結果となる。
【０００９】
そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本発明のプラズマ発生用電極は、電極基板と、無作為な方向に向いて不規則に配列されて電極基板の少なくとも一方の表面に形成されるカーボンナノ構造体とからなることを特徴とする。
【００１１】
電極基板としては、例えば金属のように、導電性を有する材料からなるものであれば、その材料自体及び形状は限定しない。具体的には、電極基板が、多孔質の金属板材からなるものが挙げられる。また、電極基板としては、金属平板で、かつその表面が平坦ではなく全面に連続する凹凸を有するもの、金属線素材からなる網状のものや金属線素材からなる籠状体が多数連結されたものなどであってもよい。
【００１２】
電極基板が、多孔質の金属材料のもの、網状のものや籠状体が多数連結されたものの場合には、孔開口の周囲の金属や、網や籠を形成する金属線素材それぞれの表面にカーボンナノ構造体を付着させる構成であってよい。したがって、このような電極基板の場合は、カーボンナノ構造体が電極基板の一方の表面のみならず、電極基板の内部における孔や空間を形成している金属線素材の表面に形成されるものである。
【００１３】
このような構成によれば、電極基板の少なくとも一方の表面にカーボンナノ構造体が、無作為な方向に向いて不規則に配列されて形成されるので、カーボンナノ構造体の形成における条件を厳格に管理する必要がない。また、カーボンナノ構造体が任意の方向に向いていることにより、電圧を印加した場合に、電極基板及びカーボンナノ構造体から一方の方向に電子が放出されるのではなく、多方向に向かって電子が放出される。このため、低い電圧で高強度のプラズマを、電極基板に対応してほぼ均一に発生させることが可能になる。
【００１４】
カーボンナノ構造体を電極基板に容易に付着させるためには、金属板材は、カーボンナノ構造体に対して触媒となる金属から選択されることが好適である。具体的には、金属板材は、ニッケル、コバルト、鉄、銅、貴金属、希土類などであり、これらの合金を含むものであってよい。
【００１５】
以上に説明したような電極基板に形成されるカーボンナノ構造体としては、少なくともカーボンナノチューブとカーボンナノウォールとが含まれ、実際に電極基板に形成する場合はそれらの一つを採用するものである。このようなカーボンナノ構造体は、蒸着により形成されるものが好ましい
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、以上説明したような構成であり、電極基板の少なくとも一方の表面にカーボンナノ構造体を、無作為な方向に向いて不規則に配列して形成するので、カーボンナノ構造体の形成における条件を緩和することができる。また、例えばプラズマ反応器のような装置で使用する場合に、カーボンナノ構造体が任意の方向に向いていることから、電極基板及びカーボンナノ構造体から一方の方向に電子が放出されるのではなく、多方向に向かって電子が放出され、低い電圧で高強度のプラズマを、電極基板に対応してほぼ均一に発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態をそれぞれ、図１〜４を参照して説明する。
【００１８】
この実施形態のプラズマ発生用電極（以下、電極と略称する）１は、ディーゼルエンジンから排出されるＰＭを含む排気ガスなどを処理するためのプラズマ反応器に組み込まれるものである。この場合、電極１は、図１に示すように、平板形状の誘電体２と組み合わせて使用するものである。
【００１９】
電極１は、電極基板３として、図２に拡大して示す、多孔質のニッケルからなる金属板材を使用し、その多孔質の金属板材３の一方の表面を含んで、内部の孔４の周囲にある金属部分５の全ての表面にカーボンナノ構造体であるカーボンナノウォール６（図３に拡大して示す）を形成してある。金属部分５の全ての表面は、その表面のそれぞれの所定の領域の法線が無作為に不規則に様々な方向を向くものである。
【００２０】
電極基板３は、それぞれの表面が平坦な部分がほぼ存在しない形状をしており、少なくとも一方の表面から他方の表面に貫通する多数の孔４、それぞれの表面において陥没する貫通していない多数の凹部、及び多数の凸部を有している。それぞれの表面は、そのほぼ全域にわたって凹凸形状をして高低差が形成されており、凸部は、電極基板３に電圧が印加された場合に、電荷が集中する部位となり、それ自体においてもプラズマ放電の効率を向上させるのに寄与する。なお、凹部は、凸部が形成されることにより凸部より低い部分として形成されるものである。
【００２１】
孔４は、必ずしも一方の表面から他方の表面に直接貫通している必要はない。プラズマ反応器に組み込まれた場合において、一方の表面側にある、例えばディーゼルエンジンから排出されるＰＭを含む排気ガス（図１においてその流れを矢印Ｇにより示す）などの処理する気体が、別の表面側まで通過することができるものであればよい。この場合、孔４は必ずしもまっすぐなものである必要はなく、電極基板３の内部において曲がっていたり二股や三ツ股などに分岐していてよい。言い換えれば、これらの孔４は、電極基板３の一方の表面から他方の表面に貫通するものや、電極基板３の内部において相互に連通しているもの、さらには、左右及び前後の側面に開口するものが含まれる。したがって、電極基板３は、スポンジ状の内部構造をしており、不規則な、無作為なあるいは任意な形状の網目状の金属部分５を有するものである。
【００２２】
また孔４は、その内部においても表面同様に凹凸形状を有しており、その凹部分において、あるいは内面間において、排気ガスに含まれるＰＭなどの物質を捕捉することができるものである。したがって、孔４の内径もしくは内側寸法は、ＰＭが捕捉しやすくして孔４を通り抜けにくい寸法に設定するものである。このような寸法により孔４を形成しておくことで、電極基板自体をＤＰＦのようにＰＭに対してフィルタとしても機能させることができる。しかしながら、ＤＰＦのように交互に閉鎖されてないため、圧力損失は低くなるものである。なお、電極基板３の表面にある凹部については、その大きさや形状は限定されるものではないが、比較的深く多数のＰＭを捕捉（捕集）できる大きさが好ましい。
【００２３】
カーボンナノウォール６はしたがって、多数の孔４の間に存在する金属部分５の表面に形成される。この場合に、それらの金属部分５は、上述したように、法線が無作為に、また不規則に様々な方向に向いているとともに、不規則にあるいは無作為に任意の方向に延びているので、形成されるカーボンナノウォール６の先端の方向は、多方向を向くものとなる。つまり、例えば、電極基板３をほぼ水平な状態に位置させた場合の上側の表面についてみると、カーボンナノウォール６がほぼ整然と形成されてその全てが同一上方向に向くのではなく、ある部分では斜め前方を向いており、その近傍の部分では右上方向に向き、また別の部分では斜め上後方を向くといったように、それらの先端の向いている方向が不規則に多方向に向くものである。
【００２４】
このようなカーボンナノウォール６は、蒸着、つまり例えばＣＶＤ（化学的気相成長法）により形成される。この実施形態では、電極基板３として多孔質のニッケルつまりカーボンナノウォール６を形成する場合の触媒となる金属を使用するので、電極基板３に別途に触媒となる金属を蒸着する必要がない。
【００２５】
このような構成において、二枚の電極１、１により誘電体２を挟む構造、言い換えれば板状の誘電体２の対向する両面に電極１、１を対向配置して、プラズマ反応器に使用するものである。プラズマ反応器において、電極１、１間に電圧を印加すると、電極１、１間及びそれぞれの電極１内の各孔４内にプラズマが発生する。このプラズマの発生と同時に、カーボンナノウォール６のそれぞれの鋭角部に電荷が集中する。これにより、それぞれの先端から電子がプラズマ内に放出されて、プラズマをより強いものとする。
【００２６】
言い換えれば、それぞれのカーボンナノウォール６の先端から電子が、プラズマの中に放出されることにより、プラズマ発光輝度が高くなるものである。プラズマ発光輝度は、図４に示すように、印加する最大電圧（ＭＡＸ電圧）にほぼ比例するものであり、電圧が高くなるほど輝度も高くなる。具体的には、放電条件として、１０ｋＶ、周波数２００Ｈｚの電圧を電極に印加した場合、カーボンナノウォール６を形成していない電極を使用するプラズマ反応器におけるプラズマ発光輝度に比較して、約１．７倍のプラズマ発光輝度を観測した。このことは、カーボンナノウォール６を形成していないものに印加する半分以下の電圧であっても、そのものと同等のプラズマ発光輝度を示すことができ、省電力化を推進することを可能にするものである。そしてこの場合に、そのプラズマの発生状態も、カーボンナノウォール６を形成していない電極のものでは発光が微弱な領域も存在するのに対して、この実施形態のものでは、電極１のほぼ全域に対してほぼ均一に発生することが確認された。
【００２７】
また、カーボンナノウォール６の先端から電子が放出されてより強いプラズマを発生させることが可能であるため、印加する電圧つまり放電開始電圧を下げた場合にあっても、同じ電圧であるならばカーボンナノウォール６を形成していない電極のものより強い（プラズマ発光輝度の高い）良好なプラズマを発生させることが可能である。この結果、プラズマを発生させるのに要する電圧を低くすることができ、しかも放電を持続するためのα作用を活発にさせることができ、プラズマの発生に要する全体の電力を低減することができる。
【００２８】
このように、プラズマを強く発生させることができるので、プラズマ反応器をディーゼルエンジンの排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置（もしくは排気ガス後処理装置）に適用すると、排気ガス中のＰＭは電極１の孔４に捕捉され、プラズマにより燃焼して排気ガス中から除去される。したがって、排気ガスの浄化能力を向上させることができる。
【００２９】
なお、上記実施形態においては、電極基板として多孔質の金属板材を説明したが、電極基板は、少なくともその一方の表面、つまりカーボンナノ構造体が形成される表面が、無作為に、不規則に多方向を向く多数の法線を含むものであればよい。具体的には、電極基板は、平板な金属板材において、そのカーボンナノ構造体を形成する表面に全面に連続する凹凸を形成したものであればよい。この場合、凹凸は、可能な限り微細で、上記実施形態において説明したのと同様に、カーボンナノ構造体が不規則に任意な方向に向くように、凹凸を形成する面の法線が様々な方向に向くものである。
【００３０】
同様にして、電極基板は、金属線素材からなる網状のもの、金属線素材を不規則に相互に離脱しないように重ね合わせ、金属線素材の間に空間を備えて板状にしたもの、金属線素材からなる籠状体が多数連結されたものなどであってもよい。これらの電極基板は、上記実施形態の多孔質の金属板材と同じに、その内部にもカーボンナノ構造体を形成し得るものであり、板形状をなして、かつその内部に空間を有し、カーボンナノ構造体が形成される面の法線が無作為なあるいは任意な方向を向くものであれば、内部の空間の形成方法などは限定されるものではない。
【００３１】
また、電極基板の金属は、上述の実施形態のように、カーボンナノ構造体を形成する際に触媒となる金属であれば、特には限定されない。つまり、電極基板としては、ニッケル、コバルト、鉄、銅、貴金属及び希土類、並びにそれらの合金から選択されればよい。合金の具体例としては、鉄−ニッケル、コバルト−ニッケル、ニッケル−イットリウム、ニッケル−ランタンなどである。この場合、加工が容易で耐久性の高い金属が好ましい。
【００３２】
カーボンナノ構造体としては、上述のカーボンナノウォールの代わりに、カーボンナノチューブを用いるものであってもよい。カーボンナノチューブは、カーボンナノチューブが形成される面が凹凸であるものに対しては、それらの面に対してほぼ垂直に配向するものであってよい。この場合には、カーボンナノチューブ自体は、面に対してほぼ垂直に形成されるが、面が一方向に向くものでないので、形成されたカーボンナノチューブはさまざまな方向を向くものとなる。
【００３３】
なお、表面が平坦な電極基板に、面に対してほぼ垂直に配向せず、様々な方向を向いて形成されるカーボンナノチューブであってもよい。この場合、電極基板自体は凹凸面を持たないが、カーボンナノチューブが無作為に、その先端が一方向に揃いがたいようにして形成されるものであってもよい。つまり、電極基板が凹凸を備える代わりに、カーボンナノチューブが不揃いであればよい。
【００３４】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の活用例として、自動車の排気ガス浄化装置、プラントなど煙を出す施設における排煙処理装置など、ＰＭを含んだ排煙を排出するものに対して設置される処理装置のプラズマ反応器が挙げられる。又、燃料電池において使用する水素を生成するための改質装置などに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態の使用状態を示す側面図。
【図２】同実施形態の電極基板の要部を拡大した写真。
【図３】同実施形態の電極基板に形成されたカーボンナノウォールを拡大して示す写真。
【図４】同実施形態の電極を使用したプラズマ反応器における印加電圧とプラズマ発光輝度との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３７】
１…プラズマ発生用電極
３…電極基板
４…孔
６…カーボンナノウォール
【図１】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
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