(57)【要約】【課題】良好な排ガス浄化性能、特に低温域でも優れた浄化性能を発揮し得る排ガス浄化装置を提供すること。【解決手段】排ガス浄化装置は、排ガス流路３０の途中に配置され、排ガスの流れ方向Ｅにおいて、グライディングアークプラズマ発生装置１０と排ガス浄化触媒２０がこの順で直列に配置される。プラズマ発生装置１０は、一対の電極１１，１１と、これら電極１１間に電圧を印加する電圧印加手段１２と、作動ガス１３を供給する作動ガス供給管１４を備え、作動ガス１３はプラズマが発生するプラズマ発生域１５に供給される。発生したプラズマは、プラズマ放射部１６を介して後段の排ガス浄化触媒２０に放射される。  電極１１同士は、その間の距離が作動ガス１３の流れ方向に沿って増大する形状を有する電極対を形成している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを発生する少なくとも一対の電極と、該電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、プラズマが発生するプラズマ発生域に作動ガスを供給する作動ガス供給手段を有するプラズマ発生装置と、排ガス浄化触媒を備えた排ガス浄化装置において、
上記プラズマ発生装置と上記排ガス浄化触媒が、排ガスの流れ方向において、この順で直列に配置され、上記プラズマ発生域を通過した作動ガス及び／又は排ガスが上記排ガス浄化触媒に流入し、
上記プラズマ発生装置は、上記電極間の距離が上記作動ガスの流れ方向に沿って増大する電極対を有するグライディングアークプラズマ装置である、ことを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項２】
上記プラズマ発生装置のプラズマ放射部と上記排ガス浄化触媒の触媒入口とが、当接又は近接していることを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
上記プラズマ発生装置と上記排ガス浄化触媒が同一の筐体に収容されて触媒コンバータを形成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス浄化装置。
【請求項４】
上記プラズマ発生装置と上記排ガス浄化触媒が一体で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の排ガス浄化装置。
【請求項５】
上記作動ガスが、水素、炭化水素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、ＮＯｘ、アンモニア、水（水蒸気）、アルコール類及びアルコール類から成る群より選ばれた少なくとも１種のガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の排ガス浄化装置。
【請求項６】
上記作動ガスが排ガスであり、上記作動ガス供給手段が排ガス浄化の対象とする機関又は装置の排気系であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ発生装置を備えた排ガス浄化装置に係り、更に詳細には、グライディングアークプラズマを利用した排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、排ガス浄化にプラズマの応用が検討されており、排ガス触媒の上流側でプラズマを発生させ、生成したラジカル種によりガスを活性化し、より反応性の高い中間体を生成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２７５６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の方法にあっては、プラズマにより生成したラジカル種は専らガスの活性化にしか用いることができず、必ずしも良好な排ガス浄化性能が得られるわけではなく、特に低温域での浄化性能は不十分といわざるを得なかった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、良好な排ガス浄化性能、特に低温域でも優れた浄化性能を発揮し得る排ガス浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、プラズマにより生成したラジカル種をガスの活性化のみならず触媒成分の活性化にも用いることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明の排ガス浄化装置は、プラズマを発生する少なくとも一対の電極と、該電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、プラズマが発生するプラズマ発生域に作動ガスを供給する作動ガス供給手段を有するプラズマ発生装置と、排ガス浄化触媒を備えた排ガス浄化装置である。
この排ガス浄化装置では、上記プラズマ発生装置と上記排ガス浄化触媒が、排ガスの流れ方向において、この順で直列に配置され、上記プラズマ発生域を通過した作動ガス及び／又は排ガスが上記排ガス浄化触媒に流入し、
上記プラズマ発生装置は、上記電極間の距離が上記作動ガスの流れ方向に沿って増大する電極対を有するグライディングアークプラズマ装置である、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、プラズマにより生成したラジカル種をガスの活性化のみならず触媒成分の活性化にも用いることとしたため、良好な排ガス浄化性能、特に低温域でも優れた浄化性能を発揮し得る排ガス浄化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の排ガス浄化装置の一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】図１に示した排ガス浄化装置の内部構造の概略断面図である。
【図３】プラズマによりガスが活性化される様子を示す概念図である。
【図４】ラジカル反応により生成した電子が触媒成分を活性化する様子を示す概念図である。
【図５】活性化された触媒成分上でラジカルが反応する様子を示す概念図である。
【図６】本発明の排ガス浄化装置の他の実施形態を示す概略断面図である。
【図７】軸線方向に縦分割したメガホン形状の電極の概略断面図である。
【図８】ラジカル種の触媒内部への進入度合の測定装置を示す概略断面図である。
【図９】排ガス転化率を示すグラフである。
【図１０】電極を複数個並べた場合の（ａ）概略断面図、（ｂ）概略正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の排ガス浄化装置について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の排ガス浄化装置の一実施形態を示す概略断面図である。また、図２は、図１に示した排ガス浄化装置の内部構造の概略断面図である。
【００１１】
これらの図において、この排ガス浄化装置は、排ガス流路３０の途中に配置されており、グライディングアークプラズマ発生装置１０と排ガス浄化触媒２０を備え、排ガスの流れ方向Ｅにおいて、このプラズマ発生装置１０と排ガス浄化触媒２０がこの順で直列に配置されて構成されている。
なお、本実施形態においては、プラズマ発生装置１０と排ガス浄化触媒２０は金属製の筐体４０に収容されており、触媒コンバータを形成している。
【００１２】
図２に示すように、プラズマ発生装置１０は、一対の電極１１，１１と、これら電極１１間に電圧を印加する電圧印加手段１２と、作動ガス１３を供給する作動ガス供給管１４を備え、作動ガス１３はプラズマが発生するプラズマ発生域１５に供給される。
そして、発生したプラズマは、プラズマ放射部１６を介して後段（排ガス流路下流）の排ガス浄化触媒２０に放射される。
【００１３】
ここで、電極１１同士は、その間の距離が作動ガス１３の流れ方向に沿って増大する形状を有する電極対を形成している。
このような電極対によれば、発生するアークが電極間の拡開方向に移動する現象に起因するグライディングアークプラズマを発生させることができる。
【００１４】
上述のような構成を有する本実施形態の排ガス浄化装置においては、作動ガス１３を排ガスとすることができるが、排ガス以外のガスを用いることもできる。
このようなガス種としては、水素、炭化水素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、ＮＯｘ、アンモニア、水（水蒸気）、アルコール類及びアルデヒド類から成る群より選ばれた少なくとも１種のガスを挙げることができる。
【００１５】
なお、作動ガス１３として排ガスのみを用いる場合には、排ガス浄化の対象とする機関や装置の排気系がプラズマ発生域１５に排ガスを供給するので、作動ガス供給管１４を省略できる。
また、排ガス以外の作動ガスを用いる場合には、当該作動ガスを充填したボンベ（図示せず）などを設置すればよい。
【００１６】
一方、排ガス浄化触媒２０としては、排ガスの浄化機能を有するものであれば特に限定されるものではないが、具体的には、貴金属などの触媒成分をハニカム担体などの一体構造型担体に担持したものを使用することができる。
但し、ペレット型などの粒状触媒を金属製容器などに充填したものも排ガス浄化触媒２０として用いることが可能である。
【００１７】
ここで、触媒成分としては、特に限定されるものではないが、自動車排ガスの浄化用には、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）及びイリジウム（Ｉｒ）等の貴金属が好適である。
また、一体構造型担体としては、コーディエライトなどのセラミックス製のハニカム担体や、ステンレス製のメタルハニカム担体などを例示することができる。
【００１８】
なお、排ガス浄化触媒２０には、上記の触媒成分以外にも、アルミナなどの耐火性無機材料、セリアやジルコニアなどの助触媒成分、ゼオライトなどのＨＣ（炭化水素）吸蔵材、バリウム（Ｂａ）などのＮＯｘ吸蔵材など、従来公知の触媒材料を用いることができる。
【００１９】
以上のような構成を有する本実施形態の排ガス浄化装置よれば、プラズマ発生装置１０がグライディングアークプラズマを発生するが、このグライディングアークプラズマは、通常のアークプラズマに比し、ガス流の流れに沿ってプラズマを延伸する機能を発揮する。
よって、グライディングアークプラズマによって生じた活性なラジカル種を後段に配置した排ガス浄化触媒２０の内部にまで導入することができ、排ガスや作動ガスの活性化のみならず、触媒成分の活性化も実現することができる。
これにより、排ガスや作動ガスなどのガスの活性化と触媒成分の活性化との相乗効果が得られ、排ガス浄化性能が向上し、特に、従来は触媒成分が活性化しない低温域における排ガス浄化性能を著しく向上させることができる。
【００２０】
とりわけ、本発明で用いるグライディングアークプラズマは電極放電であり、従来と比較して電力が入力されやすいにもかかわらず、アーク状の熱プラズマになりづらく、半ば非平衡状態でラジカル種を電力に対して効率よく発生させることができることから、特に低温域でも優れた浄化性能を発揮し得る。
更に、本方式では、電源として高周波電源だけでなくパルス電源を用いることもでき、パルス電源は高周波電源よりも簡素な構成で低コストであり、高い電力変換効率を有するので、車載という意味でも優れた排ガス浄化触媒を提供できる。
【００２１】
これに対し、従来のプラズマ発生装置を用いる排ガス浄化方法においては、排ガス浄化触媒をプラズマ発生装置の後段に配置したとしても、プラズマにより生成するラジカル種の寿命が極めて短く、且つプラズマの延伸もないので、ラジカル種は触媒内部に到達するまでに他の成分と反応してしまい、触媒成分を活性化できない。
【００２２】
図３〜図５に、本発明の排ガス浄化装置におけるラジカル種の生成や触媒成分の活性化の一例を示す。
これらの図に示すように、この排ガス浄化装置においてグライディングアークプラズマが発生すると、まず、例えば、ＨＣと酸素が励起して各種のラジカルや電子が生成する（図３参照）。次に、生成したラジカル同士が反応するとともに、上記プラズマの延伸性から電子は触媒成分（図４では貴金属）上にまで供給されて触媒成分を活性化する（図４参照）。
さらに、活性化した触媒成分上でラジカルが反応し、例えば、ＨＣがＣＯ２に浄化されることになる（図５参照）。
【００２３】
本発明の排ガス浄化装置は、上述のような延伸性を有するプラズマを利用するものであるが、生成するラジカル種を排ガス浄化触媒の内部にまで有意に到達させるには、プラズマ発生装置１０のプラズマ放射部１６と排ガス浄化触媒２０の触媒入口２１とが当接ないし近接していることが好ましい。
近接の程度は、使用するグライディングアークプラズマ発生装置の出力やプラズマの延伸性、意図する排ガス浄化性能などに応じて適宜変更することができるが、代表的には、１〜２０ｍｍ程度とすることが好ましいが、条件によっては数ｃｍの範囲で離しても構わない。
【００２４】
本実施形態では、プラズマ発生装置１０と排ガス浄化触媒２０を同一の筐体４０に収容して触媒コンバーターとすることにより排ガス浄化装置を構成しているが、かかる構造とすることにより、上述のプラズマ発生装置と排ガス浄化触媒を当接又は近接を有意に実現することができる。
【００２５】
但し、本発明では、プラズマ発生装置１０が発生したグライディングアークプラズマが排ガス浄化触媒２０の内部に到達すれば十分であるので、このプラズマが触媒２０の内部に到達する限りにおいて、図６に示すように、プラズマ発生装置１０と排ガス浄化触媒２０を離隔することができる。
【００２６】
また、本発明においては、排ガス及び／又は作動ガスがプラズマ発生域を通過する構成を有すれば十分であるので、排ガス浄化装置を、図１や図６に示した別体構造のみならず、プラズマ発生装置と排ガス浄化触媒とが一体化した構造（図示せず）を採用することも可能である。
かかる一体構造によれば、上述のプラズマ発生装置と排ガス浄化触媒を当接又は近接を有意に実現することができる。
【００２７】
なお、本発明の排ガス浄化装置においては、電極ないし電極対の形状は、グライディングアークプラズマを発生すべく、上述のように電極間の空間がガス（作動ガス及び／又は排ガス）の進行方向に沿って拡開している形状であれば十分である。
よって、図１に示したように、側面形状が直角を有する台形をなす板状の電極同士のみならず、図７に示したように、軸線方向に縦分割したメガホン形状の電極であってもよく、グライディングアークプラズマを発生できれば、サイクロン形式を応用した電極も採用できる。また、板状の電極を厚み方向に多数並べ、面で処理する方式や、図１の電極を回転させることにより大面積化した方式も採用できる。更に、図１では触媒入口面に対し垂直にガスを当てているが、触媒入口面に斜めからガスを当てることも可能である。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２９】
（実施例１及び２、比較例１及び２）
＜排ガス浄化装置＞
図２に示す構造を有する排ガス浄化装置を作製した。電圧印加手段１２としてインバータ電源を使用し、印加電圧は１３ｋＶとし、消費電力は１８２Ｗである。
また、電極１１，１１としては、図２に示すような台形板形状の電極を対向させて配置した。両電極間の距離は最短部で１ｍｍ、最長部で１０ｍｍ程度とした。
【００３０】
排ガス浄化触媒２０のハニカム担体としては、６００セル、２０ｍｍφ×４０ｍｍの外形が円柱状で容量０．０１３Ｌのものを用いた。触媒成分としては、Ｐｄ、Ｒｈを用い、これをγ−アルミナ、セリア、ジルコニアに担持したものハニカム担体にコートし、排ガス浄化触媒２０とした。
なお、排気ガス浄化触媒２０の触媒入口２１とプラズマ放射部１６との間の距離を変化させ、以下のようにラジカル種の存在を測定し、ラジカル種が触媒２０内部に進入した距離によって、次のように実施例と比較例を区分した。
実施例１はラジカル種が触媒内部に３ｍｍ進入するケース、実施例２はラジカル種が触媒内部に２０ｍｍ進入するケース、比較例２はラジカル種が触媒内部に進入しないケース、比較例１はプラズマを発生させなかったケースとした。
【００３１】
［ラジカル種の存在］
図８に示すように、排ガス浄化触媒２０に分光器５０のプローブ５１，５１を挿入し、受光した光を分光分析した。主として、紫外可視領域におけるＮ２の励起光が観察されるか否かを基準として、ラジカル種が触媒内部に進入した距離を測定した。
【００３２】
＜性能評価＞
下記のガス組成を有するモデルガスを各例の排ガス浄化装置に流通し、ＨＣ（炭化水素）の５０％が転化される温度（Ｔ５０／℃）を測定した。得られた結果を表１及び図９に示す。
［ガス組成］
Ｃ３Ｈ８  ：０．１ｖｏｌ％
Ｏ２    ：１ｖｏｌ％
Ｎ２    ：残部
【００３３】
【表１】
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【００３４】
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、図１や図６に示した形態では、排ガス／作動ガスをプラズマ発生装置にて活性化し、それを全量触媒に導入する方式としているが、プラズマ発生装置と触媒との間から作動ガスを導入し、触媒上でラジカル種と作動ガスとを反応させる方式とすることも可能である。
また、上記の実施形態では、電極を１極のみ用いる形態としていたが、図１０（ａ）、（ｂ）に示したように、電極を複数個並べた形態とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の排ガス浄化装置は、自動車排ガスのみならず、工場、船舶などの排ガスの浄化、及び脱臭やガス分解、アンモニアからの水素生成やアンモニアガスやＮＯｘ等の材料合成にも応用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１０    グライディングアークプラズマ発生装置
１１    電極
１２    電圧印加手段
１３    作動ガス
１４    作動ガス供給管
１５    プラズマ発生域
１６    プラズマ放射部
２０    排ガス浄化触媒
２１    触媒入口
３０    排ガス流路
４０    筐体
５０    分光器
５１    プローブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2016055259.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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