JP2016195960A - 排ガス浄化装置及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い排ガス浄化性能を長時間維持し得る排ガス浄化装置及びプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】排ガス浄化装置は、排ガス浄化触媒と、プラズマ電極を備えたプラズマ処理装置とを具備している。プラズマ電極は、排ガス流れ方向に対して排ガス浄化触媒より上流側に配設されるとともに、間隔を開けて互いに平行に配設される複数の板状電極から構成されている。板状電極は、開口形状が円形である複数の貫通孔を有するとともに、金属基板と、金属基板の表面に形成された誘電体からなる誘電体層とを含んでいる。複数の貫通孔は、板状電極の外周端と間隔を開けて形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス浄化装置及びプラズマ処理装置に関する。さらに詳細には、本発明は、排ガス浄化触媒と所定のプラズマ処理装置とを具備した排ガス浄化装置及び排ガス浄化装置に用いられる所定のプラズマ処理装置に関する。

従来、触媒を用いずに、電極間のギャップをμｍオーダーとして大気圧中でのパッシェンミニマム付近で作動することで、活性力が大きい低温プラズマを発生させ流体の浄化を向上させることができるプラズマを用いた流体浄化装置が提案されている。この流体浄化装置は、複数の貫通孔を有する金属基板２枚を、貫通孔同士の位置が一致するように平行に配設し、金属基板間に電圧を印加して放電を発生させるとともに、貫通孔に流体を通過させて流体を浄化する装置であって、金属基板の対向する少なくとも一方の表面にはポーラスな誘電体膜が露出して形成されている（特許文献１参照。）。

特開２００９−７８２６６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された流体浄化装置においては、短時間のプラズマ処理では均一なバリア放電を維持することができるものの、比較的長時間のプラズマ処理では均一なバリア放電を維持することができず、火花放電や雷放電に移行してしまい、排ガス浄化性能が著しく低下してしまうという問題点があった。

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る。そして、本発明は、高い排ガス浄化性能を長時間維持し得る排ガス浄化装置及びプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、開口形状が円形である複数の貫通孔を有するとともに、金属基板と、金属基板の表面に形成された誘電体からなる誘電体層とを含む板状電極であって、複数の貫通孔が板状電極の外周端と間隔を開けて形成されているものを用いることなどにより、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。

すなわち、本発明の排ガス浄化装置は、排ガス浄化触媒と、プラズマ電極を備えたプラズマ処理装置とを具備したものである。そして、プラズマ電極は、排ガス流れ方向に対して排ガス浄化触媒より上流側に配設されるとともに、間隔を開けて互いに平行に配設される複数の板状電極から構成されている。また、板状電極は、開口形状が円形である複数の貫通孔を有するとともに、金属基板と、金属基板の表面に形成された誘電体からなる誘電体層とを含んでいる。さらに、複数の貫通孔は、板状電極の外周端と間隔を開けて形成されている。

また、本発明のプラズマ処理装置は、排ガス浄化装置に用いられるプラズマ処理装置であって、排ガス流れ方向に対して排ガス浄化装置の排ガス浄化触媒より上流側に配設されるとともに、間隔を開けて互いに平行に配設される複数の板状電極から構成されるプラズマ電極を備えたものである。そして、板状電極は、開口形状が円形である複数の貫通孔を有するとともに、金属基板と、金属基板の表面に形成された誘電体からなる誘電体層とを含んでいる。また、複数の貫通孔は、板状電極の外周端と間隔を開けて形成されている。

本発明によれば、排ガス浄化触媒と、プラズマ電極を備えたプラズマ処理装置とを具備し、プラズマ電極が、排ガス流れ方向に対して排ガス浄化触媒より上流側に配設されるとともに、間隔を開けて互いに平行に配設される複数の板状電極から構成され、板状電極が、開口形状が円形である複数の貫通孔を有するとともに、金属基板と、金属基板の表面に形成された誘電体からなる誘電体層とを含み、複数の貫通孔が、板状電極の外周端と間隔を開けて形成されている構成とした。そのため、高い排ガス浄化性能を長時間維持し得る排ガス浄化装置を提供することができる。

また、本発明によれば、排ガス浄化装置に用いられ、排ガス流れ方向に対して排ガス浄化装置の排ガス浄化触媒より上流側に配設されるとともに、間隔を開けて互いに平行に配設される複数の板状電極から構成されるプラズマ電極を備え、板状電極が、開口形状が円形である複数の貫通孔を有するとともに、金属基板と、金属基板の表面に形成された誘電体からなる誘電体層とを含み、複数の貫通孔が、板状電極の外周端と間隔を開けて形成されている構成とした。そのため、高い排ガス浄化性能を長時間維持し得るプラズマ処理装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置の概略図である。 図２（Ａ）は、図１に示すプラズマ電極の構成の一例を模式的に示す平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った模式的な断面図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置に用いられるプラズマ電極の構成の他の一例を示す模式的に平面図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置に用いられるプラズマ電極の構成のさらに他の一例を模式的に示す平面図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置に用いられるプラズマ電極の構成のさらに他の一例を模式的に示す平面図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置に用いられるプラズマ電極の構成のさらに他の一例を模式的に示す平面図である。 図７（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置に用いられるプラズマ電極の構成のさらに他の一例を模式的に示す平面図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った模式的な断面図である。 図８（Ａ）は、従来の排ガス浄化装置に用いられるプラズマ電極の構成の一例を模式的に示す平面図である。 各例の炭化水素（ＨＣ）転化率の経時変化を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置及びプラズマ処理装置について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置の概略図である。また、図２（Ａ）は、図１に示すプラズマ電極の構成の一例を模式的に示す平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った模式的な断面図である。

図１に示すように、本実施形態の排ガス浄化装置１は、排ガス浄化触媒１０と、プラズマ電極２２を備えたプラズマ処理装置２０とを具備している。そして、プラズマ電極２２は、図１中矢印Ｆで示す排ガス流れ方向に対して排ガス浄化触媒１０より上流側に配設されている。なお、プラズマ処理装置２０においては、プラズマ電極２２に電圧印加装置２１が接続されている。また、図１中の符号３０は、排ガス流路を示す。

また、図２に示すように、プラズマ電極２２は、間隔を開けて互いに平行に配設される複数の円形の板状電極２２Ａからなる。なお、本例においては、複数の円形の板状電極２２Ａの間には、間隔を維持するための円環状の絶縁性スペーサ２２Ｂが配設されている。また、本例においては、円形の板状電極２２Ａが、その厚み方向を排ガス流れ方向に沿わせて配設されている。さらに、本例においては、貫通孔ａが、その軸方向を円形の板状電極の厚み方向に沿わせて形成されている。また、本例においては、貫通孔ａの位置が一致するように配設されている。

さらに、円形の板状電極２２Ａは、開口形状が円形である複数の貫通孔ａ（ａ１〜ａ９）を有するとともに、円形の金属基板２２ａと、円形の金属基板２２ａの表面に形成された誘電体層２２ｂとを含んでいる。また、複数の貫通孔ａ（ａ１〜ａ９）は、円形の板状電極２２Ａの外周端ｂと間隔を開けて形成されている。

このように、排ガス浄化触媒と、プラズマ電極を備えたプラズマ処理装置とを具備し、プラズマ電極が、排ガス流れ方向に対して排ガス浄化触媒より上流側に配設されるとともに、間隔を開けて互いに平行に配設された複数の板状電極から構成され、板状電極が、開口形状が円形である複数の貫通孔を有するとともに、金属基板と、金属基板の表面に形成された誘電体からなる誘電体層とを含み、複数の貫通孔が、板状電極の外周端と間隔を開けて形成されている構成を有する排ガス浄化装置としたことにより、板状電極に尖った部位、換言すればエッジ部位が存在しないため、プラズマ処理の際に、電界集中が起こりにくくなる。そのため、火花放電や雷放電への移行が抑制されて、比較的長時間均一なバリア放電を維持することができる。その結果、高い排ガス浄化性能を長時間維持することができる。

また、このように、排ガス流れ方向に対して排ガス浄化装置の排ガス浄化触媒より上流側に配設されるとともに、間隔を開けて互いに平行に配設された複数の板状電極から構成されるプラズマ電極を備え、板状電極が、開口形状が円形である複数の貫通孔を有するとともに、金属基板と、金属基板の表面に形成された誘電体からなる誘電体層とを含み、複数の貫通孔が、板状電極の外周端と間隔を開けて形成されている構成を有するプラズマ処理装置を排ガス浄化装置に用いることにより、板状電極に尖った部位が存在しないため、プラズマ処理の際に、電界集中が起こりにくくなる。そのため、火花放電や雷放電への移行が抑制されて、比較的長時間均一なバリア放電を維持することができる。その結果、高い排ガス浄化性能を長時間維持することができる。

［排ガス浄化触媒］
上記排ガス浄化触媒１０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。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適用することができる。ただし、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として適用することができる。

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）、イリジウム（Ｉｒ）など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。

なお、排ガス浄化触媒１０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、ゼオライトなどの炭化水素（ＨＣ）吸蔵材、バリウム（Ｂａ）などの窒素酸化物（ＮＯｘ）吸蔵材など、従来公知の触媒材料を適用することができる。

［プラズマ処理装置］
上記プラズマ処理装置２０としては、排ガス流れ方向に対して排ガス浄化装置の排ガス浄化触媒より上流側に配設されるとともに、間隔を開けて互いに平行に配設される複数の板状電極から構成されるプラズマ電極を備え、板状電極が、開口形状が円形である複数の貫通孔を有するとともに、金属基板と、金属基板の表面に形成された誘電体からなる誘電体層とを含み、複数の貫通孔が、板状電極の外周端と間隔を開けて形成されているものであれば、特に限定されるものではない。

ここで、板状電極を構成する金属基板としては、導電性を有する材料であれば、特に限定されるものではない。例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）や銅などを使用することができる。また、板状電極を構成する誘電体層に用いられる誘電体としては、例えば、排ガス雰囲気下で使用することから耐久性を要するため、酸化物セラミックからなる誘電体を使用することが好ましい。このような誘電体としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やジルコニア（ＺｒＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）等の単純酸化物や複合酸化物など種々の酸化物を使用することが可能である。また、特に限定されるものではないが、金属基板の露出をなくし、火花放電や雷放電への移行を抑制するため、酸化物セラミックを溶射することによって誘電体層を形成することが好ましい。さらに、絶縁性スペーサとしては、板状電極間の間隔を確保することができれば、特に限定されるものではなく、例えば、板状電極間に柱状の絶縁性スペーサを複数配設してもよい。板状電極間の間隔を確保できるとともに、板状電極間外（放電空間外）への排ガスの流出を抑制できるという観点から、円環状の絶縁性スペーサを適用することが好ましい。板状電極間の間隔は、排ガスが放電空間を通り抜ければ、特に限定されるものではないが、例えば、５００μｍ〜３ｍｍ程度とすることが好ましい。

なお、プラズマ電極には、プラズマを発生させるため、複数の板状電極間に電圧を印加する電圧印加装置が接続される。プラズマ電極は表面に誘電体層を有するため、金属基板間に直流的な電流は流れない。そのため、電圧印加装置としては、例えば、プラズマ電極を構成する複数の板状電極間に相対的に交流となる電圧を印加するものを適用することができる。電源としては、高周波電源だけでなく、パルス電源を用いることもできる。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装置となる。

上述のように、間隔を開けて互いに平行に配設され、プラズマ電極を構成する複数の板状電極に開口形状が円形である複数の貫通孔を設けることにより、貫通孔を通り抜けた排ガスを浄化することができる。しかしながら、この貫通孔が円周などの外周端にかかってしまうと、そのエッジ部位に電界が集中し易くなる。そのため、バリア放電を維持することができず、火花放電や雷放電へ移行してしまう。その結果、排ガス浄化性能も低下してしまう。また、貫通孔の開口率は高い方が圧力損失を抑制することができるという観点から好ましいが、一方で放電体積が小さくなるので、一概に開口率を高くすればよいというものではない。

なお、本例においては、圧力損失を抑制することを考慮して、板状電極の厚み方向を排ガス流れ方向に沿わせて配設し、貫通孔の軸方向を板状電極の厚み方向に沿わせて形成し、複数の板状電極に形成された貫通孔の位置を互いに一致させて配設しているが、これに限定されるものでもない。また、特に限定されるものではないが、板状電極の平面形状や開口率は、一体構造型の排ガス浄化触媒の平面形状や開口率と合わせることが好ましい。

また、本例においては、図２に示すように、金属基板における電流の流れやすさを均一にすることができ、電界の集中をより抑制することができるという観点から、例えば、複数の貫通孔のうちの最近接貫通孔同士の離間距離が全て等しいなど規則性を持たせて貫通孔を配設することが好ましい。

ここで、図２における「最近接貫通孔」とは、例えば、貫通孔ａ１に対して貫通孔ａ２，ａ３、貫通孔ａ２に対して貫通孔ａ１，ａ５，ａ６、貫通孔ａ３に対して貫通孔ａ１，ａ４，ａ５、貫通孔ａ４に対して貫通孔ａ３，ａ７、貫通孔ａ５に対して貫通孔ａ２，ａ３，ａ７，ａ９をいう。

さらに、図３は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置に用いられるプラズマ電極の構成の他の一例を示す模式的に平面図である。なお、上記の例と同一の構成については、同一の符号を付すことにより重複する説明を省略する。

図３に示すように、複数の貫通孔のうちの最近接貫通孔同士の離間距離が全て等しいなど規則性を持たせて貫通孔を配設するものの、上述の一例とは異なり、異なる位置に貫通孔を形成してもよい。ここで、図３における「最近接貫通孔」とは、例えば、貫通孔ａ１５に対して貫通孔ａ１０〜ａ１４，ａ１６、貫通孔ａ１０に対して貫通孔ａ１１，ａ１５，ａ１６をいう。

また、図４は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置に用いられるプラズマ電極の構成のさらに他の一例を模式的に示す平面図である。なお、上記の例と同一の構成については、同一の符号を付すことにより重複する説明を省略する。

図４に示すように、複数の貫通孔のうちの最近接貫通孔同士の離間距離が全て等しいなど規則性を持たせて貫通孔を配設するものの、上述の例とは異なり、異なる孔径の貫通孔を形成してもよい。ここで、図４における「最近接貫通孔」とは、例えば、貫通孔ａ１７に対して貫通孔ａ１８，ａ１９，ａ２０、貫通孔ａ１９に対して貫通孔ａ１７，ａ２１，ａ３５，ａ３７、貫通孔ａ３５に対して貫通孔ａ１９，ａ２２，ａ２８，ａ３２をいう。

さらに、図５は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置に用いられるプラズマ電極の構成のさらに他の一例を模式的に示す平面図である。図５に示すように、上述の例とは異なり、規則性を持たせることなく、貫通孔をランダムに配設してもよい。

また、図６は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置に用いられるプラズマ電極の構成のさらに他の一例を模式的に示す平面図である。なお、上記の例と同一の構成については、同一の符号を付すことにより重複する説明を省略する。

図６に示すように、複数の貫通孔のうちの最近接貫通孔同士の離間距離が全て等しいなど規則性を持たせて貫通孔を配設するものの、上述の例とは異なり、複数の貫通孔の孔径を、貫通孔の存在位置が板状電極の中心から外周端へ移行するにしたがって小さくすることが好ましい。図６において、例えば、中心ｃに位置する貫通孔ａ６９から貫通孔ａ５６，貫通孔ａ５５、外周端ｂへと移行するにしたがって、貫通孔の孔径が小さくなっている。

一般的に、排ガス流路の中心ほど排ガスが多く流れることから、このような構成とすることにより、開口率を維持しつつ、圧力損失を抑制することができ、排ガスの拡散性を向上することもできる。なお、図示しないが、中心に位置する貫通孔の孔径を一番大きくし、その周囲に位置する貫通孔の孔径を全て同じとした構成でもよい。

さらに、図７（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置に用いられるプラズマ電極の構成のさらに他の一例を模式的に示す平面図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った模式的な断面図である。なお、上記の例と同一の構成については、同一の符号を付すことにより重複する説明を省略する。

図７に示すように、上述の例とは異なり、３つ以上の複数の板状電極からプラズマ電極が構成されている。このとき、例えば、中央の板状電極２７Ａが高電位側で両端の板状電極２７Ａ，２７Ａが低電位側であるとき、それぞれの間でバリア放電を行わせることができるため、プラズマ電極の小型化を図ることができる、また、放電体積を大きく取ることができるため、排ガス浄化性能をさらに向上できる、という利点がある。

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。

（実施例１）
図１及び図２に示すような、本例の排ガス浄化装置を構築した。なお、排ガス浄化触媒としては、通常の三元触媒（触媒容量：０．１１９Ｌ）を用い、プラズマ電極としては、ステンレス鋼からなる金属基板の表面にイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）からなる誘電体層を形成したものを用いた。

（比較例１）
図２に示すプラズマ電極を図８に示すプラズマ電極に代えたこと以外は、実施例１と同様にして、本例の排ガス浄化装置を構築した。

［性能評価］
（排ガス浄化性能評価）
ガス組成（Ｃ_３Ｈ_８：１５００ｐｐｍＣ、Ｏ_２：０．２５％、Ｎ_２：バランス）のガスをガス流量１Ｌ／分で流通させながら、１００℃まで昇温させた。１００℃に到達した後、温度及びガスが安定するまで流通を維持した。温度及びガスが安定した後、電圧印加装置をオンとした（このときの時間を０秒とした。）。電圧印加装置をオンとした後、ＨＣの濃度を１分間測定した。１分間経過後、電圧印加装置をオフとした。得られた結果から炭化水素（ＨＣ）転化率を算出した。得られた結果を図９に示す。

図９より、本発明の範囲に属する実施例１においては、紫がかった均一なバリア放電が１分間経過後も維持され、高いＨＣ転化率を長時間維持することができた。一方、本発明外の比較例１においては、電圧印加装置をオンとしてから１２秒後、火花放電に移行し、ＨＣ転化率が低下した。

比較例１において、排ガス浄化性能が低下したのは、図８に示す板状電極２８Ａに形成した貫通孔ａ９２〜ａ９５が外周端と間隔を開けて形成されておらず、外周端にかかっているため、例えば、図８中の符号ｅで示すようなエッジ部位において、電界集中が生じ、火花放電に移行したためと考えられる。

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。

１ 排ガス浄化装置
１０ 排ガス浄化触媒
２０ プラズマ処理装置
２１ 電圧印加装置
２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８ プラズマ電極
２２Ａ，２３Ａ，２４Ａ，２５Ａ，２６Ａ，２７Ａ，２８Ａ 板状電極
２２ａ，２７ａ 金属基板
２２ｂ，２７ｂ 誘電体層
２２Ｂ，２３Ｂ，２４Ｂ，２５Ｂ，２６Ｂ，２７Ｂ，２８Ｂ 絶縁性スペーサ
３０ 排ガス流路
ａ，ａ１〜ａ９５ 貫通孔
ｂ 外周端
ｃ 中心
ｅ エッジ部位
Ｆ 排ガス流れ方向

Claims (5)

1. 排ガス浄化触媒と、プラズマ電極を備えたプラズマ処理装置と、を具備し、
   上記プラズマ電極は、排ガス流れ方向に対して上記排ガス浄化触媒より上流側に配設されるとともに、間隔を開けて互いに平行に配設される複数の板状電極から構成され、
   上記板状電極は、開口形状が円形である複数の貫通孔を有するとともに、金属基板と、該金属基板の表面に形成された誘電体からなる誘電体層と、を含み、
   上記複数の貫通孔は、該板状電極の外周端と間隔を開けて形成されている
   ことを特徴とする排ガス浄化装置。
2. 上記複数の貫通孔のうちの最近接貫通孔同士の離間距離が全て等しいことを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置。
3. 上記複数の貫通孔の孔径が、該貫通孔の存在位置が上記板状電極の中心から外周端へ移行するにしたがって小さくなっ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。
4. 上記誘電体が酸化物セラミックスであ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。
5. 排ガス浄化装置に用いられるプラズマ処理装置であって、
   排ガス流れ方向に対して上記排ガス浄化装置の排ガス浄化触媒より上流側に配設されるとともに、間隔を開けて互いに平行に配設される複数の板状電極から構成されるプラズマ電極を備え、
   上記板状電極は、開口形状が円形である複数の貫通孔を有するとともに、金属基板と、該金属基板の表面に形成された誘電体からなる誘電体層と、を含み、
   上記複数の貫通孔は、該板状電極の外周端と間隔を開けて形成されている
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。

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