JP2002530181A - 気相反応の速度及び効率を高める方法及び装置 - Google Patents

気相反応の速度及び効率を高める方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】 ガス流内の化学反応率を向上させる方法および装置である。この装置は、上流端および下流端を有する少なくとも１つの不均一系触媒と、複数の触媒的にアクティブな部位を有する少なくとも１つの表面とを包含する。そこにおいて、触媒は、ガス流の少なくとも一部が、触媒的にアクティブな部位の少なくとも一部と接触するように設置される。水蒸気または他の気体化学種の少なくとも１つからイオン基または他のアクティブ化学種を生成するための少なくとも１つの装置、たとえば、コロナ放電装置または紫外線源を用いて、イオン基または他のアクティブ化学種を生成し、それを触媒の下流端の上流側の位置でガス流に導入する。イオン基または他のアクティブな化学種は、触媒毒、たとえば、硫黄、硫黄含有化合物、燐、燐含有化合物および炭素による触媒の毒性化を減らすか排除するに充分な量で導入される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （関連出願の相互参照） 本出願は、１９９６年１２月１８日に出願した米国特許出願第０８／７６８，
８３３号の一部継続出願である１９９７年１０月７日に出願した継続中の米国特
許出願第０８／９４７，２８７号の一部継続出願であり、その教示内容の全ては
参照として本明細書に結合される。
【０００２】 （発明の分野） 本発明は、触媒反応器及び触媒変換機、特に電気を発生する燃料電池に用いら
れる触媒反応器及び汚染物質の放出を低減するのに用いられる車両用触媒変換機
の性能を改善し維持する方法及び装置に関する。一層特に、本発明は、当該技術
において公知の任意の手段であるが好ましくはコロナ放電により、ヒドロキシル
ラジカルＯＨ、ヒドロぺロキシルラジカルＨＯ2、水素原子Ｈ及び酸素原子Ｏ、
のような高度に酸化したフリーラジカル、及び過酸化水素Ｈ2Ｏ2、二酸化窒素Ｎ
Ｏ2及びオゾンＯ3のような関連した酸化気体種を含む他の活性種を生成し、そし
てこれらの活性種を、燃料電池において使用する炭化水素燃料から水素ガスを生
成するのに用いられる触媒反応器燃料改質器、触媒燃焼器、又は内燃エンジンと
組合った触媒変換機のような、触媒中に流れる気体流に導入することによって、
触媒の改善した性能を達成する方法及び装置に関する。
【０００３】 （発明の背景） 不均質触媒は多数の応用において気相反応の速度及び（又は）効率を高めるの
に有用であることが示された。これらの応用は、触媒反応器又はガソリン、天然
ガス及びアルコールのような炭化水素燃料から水素ガスＨ２を生成するのに用い
られる燃料改質器のような発生技術、及び自動車及びトラックエンジンからの汚
染物質の放出を低減するのに使用した触媒変換器のような相対的に熟成技術を含
んでいる。不均質触媒の性能は、ガソリンのような自動車燃料において変化する
量で見出される硫黄や燐混合物のような触媒の有害物質に晒されることにより過
酷に低下され得る。ガソリンは、燃料電池の自動車応用において少なくとも最初
に使用することが期待されるので、燃料電池触媒反応器、自動車用触媒変換機、
及びその他の触媒燃焼器の燃料汚染物による可能な有害物質はこれらの装置の有
効性に関して大きく影響する。
【０００４】 燃料電池は、燃料の化学的エネルギーを直接電気的及び熱的エネルギーに変換
する電気化学装置であり、電力を発生するために水素と酸素を結合するスペース
シャトルのような宇宙応用において幾年も間にわたって使用されてきた。一般的
な燃料電池では、気体燃料例えば水素Ｈ２はアノードすなわち負極コンパートメ
ントに連続して供給され、また酸化体例えば酸素又は酸素含有ガス、代表的には
空気はカソードすなわち陽極コンパートメントに連続して供給される。水素と酸
素は電極で結合されて水と電流を生成する。水に加えて、炭化水素燃料から水素
ガスを発生するのに触媒反応器を利用する燃料電池は二酸化炭素を放出し、そし
てごく少量の一酸化炭素も放出し得る。
【０００５】 理論的には、燃料電池は、燃料及び酸化体が電極に供給されている限り、電気
エネルギーを発生できる。しかしながら、純水素は特に車両においては貯蔵する
のが困難であり、そしてその使用は多くの応用において実用的でない。これらの
場合、炭化水素燃料から水素ガスを発生するのに触媒燃料改質器が用いられ得、
従って、燃料電池の寿命及び性能は触媒反応器の性能及び効率で制限される。上
述のように、触媒燃料改質器において水素を発生するのに使用した燃料に一つ以
上の触媒有害物が存在すると、改質器の性能は低下し、それにより燃料電池の性
能を低減させる。
【０００６】 さらに、燃料電池は一酸化炭素に感応し、従って一酸化炭素の量は、普通、燃
料電池の最適効率を達成するために触媒反応器で除去することによって燃料ガス
において最少化される。しかしながら、触媒が汚染されたり害される場合には、
一酸化炭素は触媒反応器を通過した後に燃料ガス中に残る。従って、燃料電池を
有効に機能させるためには、触媒は、燃料ガスから一酸化炭素の除去を妨げる有
害物が実質的にないことが必要である。
【０００７】 同様に、自動車や軽トラックのような車両に用いられたほとんど全ての現代の
ガソリンエンジンでは、燃料の燃焼中に発生した排気ガスは排気管を通って触媒
反応器に移送され、触媒反応器は、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）及び
窒素酸化物（ＮＯｘ）のような汚染物質を非汚染種に実質的に変換し、従って排
気ガスから除去する。さらに、触媒反応器はディーゼルエンジンで使用するため
にまもなく開発されることが期待される。ごく最近のエンジンは三路触媒変換機
（“ＴＷＣ”）を使用しており、ＣＯ及びＨＣをＣＯ2及びＨ2０に同時に酸化四
、そしてＮＯ及びＮＯ2をＮ2に還元する。ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ及び生成された他
の汚染物質の量は、エンジンの構造及び動作条件、及び使用した燃料及び空気で
変化する。特に、燃料電池触媒反応器の場合のように、燃料中の触媒有害物質の
存在は触媒反応器の性能を低下させ、従って空気中に放出される汚染物質の量を
増加させることになる。
【０００８】 一般的には、内燃及び外燃エンジンに使用される触媒変換機は、熱を発生する
ように燃料の酸化を強めるのに一般に使用される精巧な触媒燃焼器であると考え
られ得る。触媒燃焼器における不均質触媒は、燃料と酸化剤が反応する表面を形
成する。典型的な触媒燃焼器では、気化燃料及び空気は触媒の表面に通される。
燃料と酸化剤の反応用の触媒部位を設けることによって、触媒は反応の活性化エ
ネルギーを下げ、比較的大きな効率で比較的低温で反応が起こり得る。しかしな
がら、燃料、酸化剤、又は反応生成物のいずれかにおいて触媒表面に吸収され得
る触媒有害物の存在は、触媒表面における活性部位を占めることにより触媒燃焼
器の性能及び効率を低下させる。これにより、燃料及び酸化剤に利用できる部位
の数が低減し、反応速度を低下させる。
【０００９】 一般に、燃料電池触媒燃料改質器又は反応器、車両用触媒変換機、及び触媒燃
焼器に使用した不均質触媒は、種々の気相反応の反応速度及び効率を高める触媒
表面を提供する。多数の種々の不均質触媒が公知であるが、触媒反応器及び触媒
変換機に使用した不均質触媒は通常貴金属触媒を利用している。触媒支持体の構
造は応用に応じて変化し、例えば触媒材料で被覆されるセラミックビーズが使用
され得る。しかしながら、大量のガスの処理が要求される場合には、貴金属触媒
は、好ましくは物理的かつ熱的衝撃のもとで卓越した強さ及び亀裂抵抗をもつ蜂
の巣状のモノリシック構造体に保持される。選択した蜂の巣状の構造及び形状は
、燃料電池の燃料を生成し又はエンジンの排気から汚染物質を除去する大量移送
制御反応を高める比較的低い圧力降下及び大きな総表面積をもたらす。蜂の巣状
の構造はしばしばは鋼容器にセットされ、そして必要ならば弾性マットによって
振動から保護される。単一触媒が使用できるが、一般的な最近の三路触媒変換機
は少なくとも二つの蜂の巣状触媒“ブリック”すなわち上述のように貴金属触媒
を保持する蜂の巣状のモノリシック構造体を収容する外方鋼殻を備え、ブリック
の一つは触媒変換機の上流の入口端に装着され、別のブリックは触媒変換機の下
流の出口端に装着される。
【００１０】 安定化ガンマアルミナ又は触媒構成成分を結合するコーディライトからしばし
ば成る粘着性薄膜は蜂の巣状部材の壁に沈着される。三つの全ての汚染物質を同
時に変換する最新の三路触媒変換機は代表的には貴金属プラチナ（Ｐｔ）及びロ
ジウム（Ｒｈ）を利用し、ロジウム（Ｒｈ）は、Ｐｔによって主として行われる
ＣＯ酸化に寄与しながらＮＯｘを低減するために最も感応し得る。最近では、Ｐ
ｔ及びＰｈに代えて又はＰｔ及びＰｈと組み合わせて、安価なパラジウムＰｄが
使用されている。活性触媒は一般にこれら金属の約０．１〜０．１５％を備えて
いる。ＮＯｘの還元が必要とされず、ＣＯ又はＨＣの酸化だけが要求されるよう
な他の応用では、触媒中にはロジウムは通常存在しない。代わりに、触媒はプラ
チナ、パラジウム又はプラチナとパラジウムの組合わせである。
【００１１】 ごく最近の自動車用ガソリンエンジンにおける燃焼プロセスの排気ガスはわず
かにリッチからわずかにリーンに変動する傾向があるので、サイクルのリーン部
分中には薄膜の表面に酸素を吸収しまたサイクルのリッチ部分中には過剰のＣＯ
及びＨＣと反応させるために酸素を放出するように車両の触媒変換機の薄膜に酸
素貯蔵媒体が取付けられる。この目的で所望の還元−酸化応答性をもつために酸
化セリウム（ＣｅＯ2）がしばしば使用される。気相反応不均質触媒の変換効率
は、特定の構成成分の大量変換又は除去の速度と触媒へのこの構成成分の大量流
量との比で測定される。触媒の変換効率は、エージング、温度、化学量論、鉛、
硫黄、炭素及び燐のような触媒有害物の存在、触媒の形式、及び触媒にガスが存
在している時間量のような多くのパラメーターの関数である。
【００１２】 上記で述べたように、硫黄や燐のような触媒有害物は触媒の性能を低下させる
。触媒変換機、触媒燃料改質器又は反応器、種々の形式の触媒燃焼器及び不均質
触媒の性能は、一般にそのような有害物によって影響を受ける。有害物質は濃度
が低くても触媒の表面上の触媒部位に強く結合し、触媒が行なおうとする化学プ
ロセスの完了を阻止する。ガソリン中の硫黄による車両の触媒変換機の害は問題
であり、必要な水素ガスが恐らく最初にガソリンから生じる自動車の応用につい
て提案される燃料電池触媒反応器において過酷な問題であると予想される。
【００１３】 触媒を害するものの発生は新しいことではない。例えば、自動車用の触媒変換
機の有効性はガソリン中の鉛の存在により過酷に低下する。その結果、１９７０
年代の中期には自動車の製造時の触媒変換機の導入は燃料におけるオクタン価向
上剤としてのテトラエチル鉛を除去する必要があった。鉛に基づくオクタン価向
上剤の除去は代わりのオクタン価向上剤の研究が必要であったが、燃料自体を精
製する仕方において大きな変化を必要とせず、従ってガソリンからテトラエチル
鉛を除去するコストは法外ではなかった。しかしながら、燃料から硫黄、原油中
の自然に生じる元素を除去することは非常に高価となり得る。
【００１４】 今日では米国では自動車燃料から鉛は本質的に除去されており、触媒の害する
原因となっているガソリンにおけるかぎとなる成分は硫黄である。一般には硫黄
酸化物の形態で吸着される硫黄は、触媒燃焼器、触媒変換機及び触媒燃料改質器
又は反応器に使用されたもののような触媒の表面における触媒的に活性の領域に
付着又は結合する。硫黄及び硫黄配合物の少なくとも一つの吸着は、自動車用触
媒変換機におけるＨＣ及びＣＯの酸化及びＮＯｘの還元のような気相反応におい
て結果として害された領域が関与することを阻止四、それにより触媒の有効性を
低下させる。その結果、内燃エンジンの触媒変換機に触媒が使用される場合に、
汚染物質の放出が増加する。同様に、ガソリンにおける硫黄の存在は燃料電池に
おける燃料として用いられることになるガソリンから水素を生成するのに使用し
た触媒反応器の性能を低下させると予想される。
【００１５】 ガソリンの硫黄含有率は現在、州及び精製所によって異なっている。カリフォ
ルニア州ではガソリンの硫黄含有量は重量でほぼ３０ｐｐｍに制限しており、他
の州では硫黄の制限はそれより遥かに高く、その結果、燃料中の硫黄のレベルは
９００ｐｐｍを越え得る。その結果、環境保全機関（“ＥＰＡ”）ではガソリン
の硫黄含有量の国際規格を設定するように推進してきた。しかしながら、８０ｐ
ｐｍの提案されたレベルでさえも、そのレベルの硫黄を含有する燃料を使用した
触媒変換機及び触媒反応器の性能及び効率の低下が予想される。
【００１６】 不均質触媒の硫黄による害を低減する代わりの方法が利用できる。例えば、触
媒はある一定の有害物を分解及び（又は）除去するため通常の動作温度より相当
に高い温度まで加熱され得、それにより害された触媒を回復させている。しかし
ながら、要求された高温は触媒の寿命を相当に短縮し得、そしてしばしば通常の
動作中には不可能である。
【００１７】 触媒的に酸素の存在すなわちリーン状態においてか又はプラズマ放電において
直接フィルタリングによって又はＳＯ2をＳＯ3に酸化させることによって触媒を
害することが生じる前にガス又は排気流から触媒を害する硫黄配合物を除去する
試みは、大部分は成功しなかった。これらの各方法は自動車への応用において探
られてきたが、それらの方法はしばしばし実質的な量の硫黄又は硫黄酸化物を除
去することができず、しかも相当な電力量を必要とする。さらに、これらの方法
は燃料電池触媒燃料改質器には全く適さない。
【００１８】 従って、自動車用触媒変換機、燃料電池触媒反応器及び触媒燃焼器に使用され
るもののような気相不均質触媒の効率を維持する簡単で安価な手段に対する要求
が存在している。本発明はそのような手段を提供する。
【００１９】 （発明の概要） 本発明は、気体流における化学反応の速度を高める装置にある。本装置は、上
下流端部及び多数の触媒的に活性な部位をもつ少なくとも一つの表面を備えた少
なくとも一つの不均質触媒と、水蒸気及び（又は）他の気体種からラジカル又は
他の活性種を生成する、気体流にラジカル又は他の活性種を生成する紫外線源、
コロナ放電装置又は当該技術分野で公知の任意の他の手段のような少なくとも一
つの装置とを有している。触媒は、気体流の少なくとも一部が表面上の触媒的に
活性な部位の少なくとも一部に接触するように位置決めされ、また、ラジカル又
は他の活性種は触媒下流端部の上流位置で気体流に導入される。水蒸気及び（又
は）他の気体種からラジカル又は他の活性種を生成する少なくとも一つの装置は
、ラジカルが直接気体流において生成されるように、気体流内に位置決めされ得
る。又は装置は、遠隔装置にそらされた気体流の一部からか又はある他のガス源
からラジカル又は他の活性種を生成するように遠隔に位置決めされ得る。
【００２０】 好ましくは、ラジカル又は他の活性種は硫黄、硫黄含有配合物、燐、燐含有配
合物、又は炭素触媒有害物により触媒が害されるのを低減又は除去するのに十分
な量導入される。
【００２１】 代表的には、触媒は、燃料電池触媒反応器、自動車用触媒変換機、又は触媒燃
焼器の一部である。その場合、気体流は内燃エンジンからの排気流である。内燃
エンジンは理論エンジン、希薄燃焼エンジン、ディーゼルエンジン又は任意の他
の公知型のエンジンであり得る。
【００２２】 内燃エンジンに使用する場合、本発明の装置はさらに、入口と出口を備え、し
かも少なくとも一つの触媒を備えた触媒変換機を有し、触媒変換機は、エンジン
からの排気流の少なくとも一部が触媒変換機を通過するように位置決めされる。
典型的には、排気管は、排気ガス流の少なくとも一部を、排気管を介して触媒変
換機及び少なくとも一つの触媒に流るように、触媒変換機の入口に取付けられ、
触媒変換機又は排気管の少なくとも一つは、触媒変換機における少なくとも一つ
の触媒の下流端部の上流の排気流にラジカル又は他の活性種を生成するように、
排気流又はその一部にラジカル又は他の活性種を生成する装置を位置決めする取
付け部を備えている。冷却中に水が凝集し得るのを避けるために、ラジカル又は
他の活性種を生成する少なくとも一つの装置は排気管又は触媒変換機の頂部に位
置決めされ得る。
【００２３】 ラジカル又は他の活性種を生成する少なくとも一つの装置は好ましくは電源を
備えたコロナ放電装置である。好ましくはコロナ放電装置及び電源は各々、内燃
エンジンによって生じる機械的な固有共振振動数より相当に高い機械的な固有共
振周波数をもつように設計される。好ましくは、電源は、典型的には約２００ワ
ットに過ぎない電力を発生する、好ましくは約１００ワットに過ぎない電力を発
生する、最も好ましくは約３０ワットに過ぎない電力を発生する低出力電源であ
る。
【００２４】 コロナ放電装置は、排気流中に自然に生じる圧力変動が排気ガスをコロナ放電
装置内へ強制しかつコロナ放電装置からのコロナ放電によって生じた気体含有ラ
ジカルを除去するポンピング作用をもたらすように、位置決めされ得る。これら
の圧力変動から得られる利点を増大するために、排気ガスが排気管からコロナ放
電を通して流入し、そして排気管へ戻すように、コロナ放電装置に隣接して充気
室が位置決めされ得る。
【００２５】 本発明の装置はまた、コロナ放電により排気流中の残留燃料を燃焼させるよう
に、燃料リッチ冷間始動状態中に排気流に空気を注入する装置を有し得る。
【００２６】 本発明の装置はまた、ラジカル又は他の活性種を生成する遠隔装置を利用し得
る。内燃エンジンでは、この実施の形態はさらに、触媒変換機の入口に取付けら
れた排気管と、排気流の少なくとも一部が排気管から触媒変換機を通って流入す
るように触媒変換機の出口に取付けられた後尾管とを有する。後尾管は、排気流
の一部を遠隔ラジカル発生器に移送する排気ガス引取り装置を備え、遠隔ラジカ
ル発生器に移送された排気流の部分における排気ガス中にラジカル又は他の活性
種を生成する少なくとも一つの装置を備えている。遠隔ラジカル発生器からの出
力は、遠隔ラジカル発生器から、ラジカルを含んだ排気ガスを排気流に注入する
触媒変換機における少なくとも一つの触媒の下流端部の上流点における排気流へ
、ラジカル又は他の活性種を含んだ排気ガスを戻す。
【００２７】 別の実施の形態では、本発明は、予燃焼気体流と排気ガス流とを含む燃焼ガス
における燃料の燃焼により生じた排気ガスを含む排気ガス流中の少なくとも一つ
の汚染物質を低減する装置にある。燃焼ガス流は、触媒燃焼器、燃料電池触媒燃
料改質器、電力発生器又は触媒で汚染物質の放出を低減するようにされ得る燃料
の燃焼でエネルギーを得る任意の他の装置の燃焼ガス流である。
【００２８】 本装置は、上下流端部を備え、排気ガス流の少なくとも一部を通すように位置
決めされた少なくとも一つの触媒と、燃焼ガス流中に位置した水蒸気又は他の気
体種からラジカル又は他の活性種を生成する少なくとも一つの装置とを有し、ラ
ジカルは少なくとも一つの触媒の下流端部の上流の燃焼ガス流に導入される。好
ましくは、ラジカル又は他の活性種を生成する装置はコロナ放電装置である。
【００２９】 さらに別の実施の形態では、本装置は燃料電池触媒改質器であり、触媒改質器
は、部分酸化段と、触媒反応段と、優先酸化段とを備え、部分酸化段、触媒反応
段及び優先酸化段の少なくとも一つにラジカル又は他の活性種が導入され、触媒
を備えている。上記の複数の実施の形態において、ラジカル又は他の活性種を生
成する装置は好ましくはコロナ放電装置である。ラジカル又は他の活性種を生成
する装置は気体流内に位置決めされ、又は遠隔に位置決めされ得る。
【００３０】 本発明はまた、気体流における気相化学反応を高める方法にある。本方法は、
上下流端部及び多数の触媒的に活性な部位をもつ少なくとも一つの表面を備えた
少なくとも一つの不均質触媒と気体流を接触させて、気体流の少なくとも一部分
が触媒的に活性な部位の少なくとも一部分と接触するようにし、気体流中に直接
か又は遠隔発生器にラジカル又は他の活性種を生成し、そしてラジカル又は他の
活性種を触媒の下流端部の上流の位置で気体流に導入することを含む。好ましく
は、気体流が触媒と接触している時に、ラジカル又は他の活性種が気体流に導入
され、すなわち、ラジカル又は他の活性種は触媒の初期使用で始動するように導
入される。これは、タイムゼロインジェクションとして公知である。
【００３１】 （好適な実施例の説明） ここで用いる「ガス流」という用語は、物品または装置への、そこからの、そ
れを通しての、あるいは、それを越えての任意のガス流をいう。「上流」という
用語は、ガス流に逆らう方向（すなわち、ガス流の源の方向）においてガス流の
第２位置に対して位置するガス流の位置をいう。そして、「下流」という用語は
、ガス流の方向においてガス流の第２位置に対して位置するガス流の位置をいう
。したがって、或るポイントが、たとえば、触媒または触媒の一部の上流側に位
置するという場合、このポイントが、触媒または触媒の一部とガス源との間でガ
ス流内に位置するということであり、そして、或るポイントが、たとえば、触媒
または触媒の一部の下流側に位置するという場合、触媒または触媒の一部が、ガ
ス源とこのポイントの間でガス流内に位置するということである。
【００３２】 ここで使用している「燃焼前ガス流」という用語は、燃焼室に向かう空気また
は空気・燃料混合気の流れをいう。ここで使用する「燃焼後ガス流」および「排
ガス流」という用語は、空気・燃料混合気またはオキシダント・燃料混合気の燃
焼あるいは酸化に続いて燃焼室から出てくる排ガスの流れをいう。燃焼前および
燃焼後のガス流は、ひとまとめにして「燃焼ガス流」という。
【００３３】 ここで使用して「触媒燃焼器」という用語は、不均一性触媒の表面で燃料を燃
焼または酸化させる任意の装置をいう。すなわち、燃料と酸化剤の反応が不均一
性触媒との接触によって向上させる任意の装置をいう。
【００３４】 さらに、「イオン基（単数または複数）」および「遊離基（単数または複数）
」という用語は、少なくとも１つの不対電子を持ち、正味電荷を持たない任意の
原子または原子団をいう。すなわち、ここで使用するとき、これらの用語は、そ
れぞれ、水酸基（ＯＨ）、水素原子および酸素原子（ＨおよびＯ）のような等し
い数の電子、陽子を有する電気的に中性の化学種をいう。これらは、ＯＨ・、Ｈ・ 、Ｏ・で表すこともできる。「・」は不対電子を表している。
【００３５】 ここで使用している「気相不均一性触媒」および「不均一性触媒」という用語
は、気相反応（すなわち、少なくとも１つの気体化学種の化学構造を変える化学
反応）の率または効率を向上させる表面を有する任意の非気体触媒材料をいう。
【００３６】 ここで使用している「自動車用触媒コンバータ」および「車両用触媒コンバー
タ」という用語は、自動車、トラックまたはオートバイあるいは動力源として内
燃機関あるいは外燃機関を有する任意タイプの車両もしくは装置のエンジンにお
ける燃料の燃焼によって生成される汚染物質の放出量を減らすのに用いることが
できる任意の触媒装置をいう。
【００３７】 ここで使用している「ガス流へのイオン基の導入」という用語は、遠隔イオン
基発生器において生成されたイオン基および／または関連した酸化用化学種の導
入およびガス流内での直接的なイオン基および／または酸化用化学種の現場生成
をいう。
【００３８】 本発明は、ガス流内での気相反応の率および効率を向上させ、また、このよう
な気相反応の率を向上させるのに用いられる不均一性触媒の効率および性能を維
持、向上させる装置および方法に向けたものである。代表的には、不均一性触媒
とは、触媒燃焼器、燃料電池接触改質装置および自動車用触媒コンバータに見出
されるタイプの触媒である。
【００３９】 本発明においては、関連した酸化用気体化学種、たとえば、過酸化水素（Ｈ2
Ｏ2）、二窒素酸化物（NＯ2）およびオゾン（Ｏ3）を含めて、ヒドロキシル基（
ＯＨ）、ヒドロペルオキシル基（ＨＯ2）、原子水素（Ｈ）、原子酸素（Ｏ）そ
の他のアクティブ化学種のような高度酸化用遊離基を、ガス流、触媒燃焼器ある
いは触媒コンバータを備える内燃機関の燃焼ガス流あるいは燃料電池接触改質装
置のガス流で生成するか、もしくは、ガス流に添加する。この場合、ガス流は、
ガス流の少なく一部を触媒の少なくとも一部と接触させるように不均一性触媒を
通り抜ける。イオン基および酸化用化学種は、いずれも、遠隔の発生器で生成さ
れてからガス流に導入される。あるいは、ガス流が、適切な条件の下で所望のイ
オン基または酸化用化学種に変換され得る化学種を含んでいる場合には、イオン
基および酸化用化学種は、ガス流内で直接形成され得る。イオン基は、触媒の下
流端（すなわち、ガス流の源に最も遠い触媒部分）の上流にある、ガス流内の任
意のポイントで導入あるいは生成されてもよい。
【００４０】 ガス流へのイオン基の導入は、以下のことのうち少なくとも１つを生じさせる
。 １．ガス流内での或る種の化学種の触媒除去あるいは変換（触媒コンバータに
よる排気流からの汚染物質の除去あるいは燃料電池触媒リアクタにおける炭化水
素燃料の水素ガスへの変換を含む）の率の増大。 ２．触媒表面上のアクティブ部位からの触媒毒の除去あるいは触媒表面上への
触媒毒の吸着の防止。これは、触媒の効率を向上させ、維持する。 ３．触媒との接触前のガス流内での酸化反応の率および効率の増大。
【００４１】 これに加えて、触媒の効率を維持することは、信頼性を向上させ、触媒設備能
力過剰の必要性をなくし、それによって、体積および重量を減らす。触媒の下流
端の上流側のどこかにイオン基および／または酸化用化学種を導入することによ
って良い結果が得られた。
【００４２】 イオン基および関連した気体酸化用化学種は、触媒コンバータまたは燃焼器に
おいてＣＯ、ＨＣの、二酸化炭素（ＣＯ2）と水（Ｈ2Ｏ）への酸化を向上させ、
燃料電池接触改質装置においては、第１ステップにおける燃料の、一酸化炭素お
よび気体水素（Ｈ2）への変換、次いで、第１ステップにおいて形成された一酸
化炭素の二酸化炭素への変換を向上させる。それに加えて、触媒コンバータを備
えた内燃機関においては、イオン基および／またはアクティブ気体化学種の導入
は、NＯxの、分子窒素（N2）への還元も向上させる。
【００４３】 特に、水酸基（ＯＨ）がＣＯと急速に反応してＣＯ2を生成することができる
ことが観察された。また、酸素の存在下で、ＯＨが炭化水素（ＨＣ）と急速に反
応してホルムアルデヒドまたは他の類似した中間生成物を生成し、この中間生成
物が、次に、ＯＨとさらに反応してＨ2Ｏ、ＣＯ2を形成し、ＯＨを再生すること
も観察された。したがって、これらの反応が必ずしもＯＨを消費せず、代わりに
、ＯＨを再生し、このＯＨが均質性触媒として作用するように思える。
【００４４】 一実施例において、本発明は、燃料の高温燃焼によって生成した排ガス流内の
汚染物質、たとえば、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）および窒素酸化物
（NＯx）の量を低減する方法および装置に向けられる。本発明の方法および装置
は、排気系内に少なくとも１つの触媒コンバータを備える内燃機関で有用である
。好ましくは、本発明の方法および装置は、さらに触媒コンバータの上流側に少
なくとも１つの酸素センサを包含する内燃機関で使用される。酸素センサは、エ
ンジンの燃料噴射システムにデータを与え、燃料噴射システムが化学量論的空燃
比を維持できるようにする。
【００４５】 必要な酸素の存在の下に、内燃機関の排ガス内に、Ｏ、Ｈ、NＯ2、Ｈ2Ｏ2、Ｈ
Ｏ2およびＯ3を含めて、ＯＨならびに他のアクティブあるいは反応性化学種（た
とえば、他の遊離基、気体分子中間生成物および酸化剤）が存在することで、Ｃ
Ｏおよび炭化水素の、非汚染性気体化学種（すなわち、ＣＯ2および水蒸気）へ
の非常に効率の良い触媒変換を行えることが発見された。ＯＨおよび排気流にお
けるＯＨの気体化学種との反応によって生じた他の関連した遊離基および気体分
子酸化剤は、触媒コンバータの通常の触媒作用から独立して、あるいはそれと一
緒に触媒として作用する。
【００４６】 したがって、本発明は、水酸基のようなイオン基およびＯ、Ｈ、NＯ2、Ｈ2Ｏ2 、ＨＯ2およびＯ3のようなアクティブまたは反応性の化学種を使用して、エンジ
ンのＣＯ、ＨＣ出力量を減らすための触媒サイクルを与え、現在および将来の超
低排出車両「ＵＬＥＶ」、低排出車両「ＬＥＶ」基準を満たすことができる。Ｏ
Ｈおよび他の遊離基およびアクティブ気体分子酸化用化学種が触媒として作用す
るため、排ガス流内の酸素の存在の下に、より多くのＣＯおよび炭化水素をＣＯ 2 、Ｈ2Ｏに還元するのに、数桁の範囲で比較的少量のイオン基を注入するだけで
よい。
【００４７】 触媒コンバータにおける触媒の下流端の上流側で燃焼ガス流へイオン基および
関連した気体酸化用化学種を導入する結果、排ガス流内にＣＯ、ＨＣの酸化触媒
作用が生じ、それらの汚染物質の迅速な除去が可能となる。排気流の気相に記載
のウェルとして、これらの酸化用化学種による、ＣＯのＣＯ2への触媒変換、炭
化水素のＣＯ2、Ｈ2Ｏへの触媒変換が、触媒コンバータの大きい表面上、ならび
に、排気流内の気相において生じる。イオン基および他のアクティブ化学種によ
るＣＯおよびＨＣのＣＯ2およびＨ2Ｏへの変換を向上させると、貴金属触媒作用
面の大半をこれらの競合する反応に関係することから解放することができる。コ
ンバータの貴金属部位は、もはや、メタン、エタン、エテン、ベンゼン、ホルム
アルデヒドのような反応性の低い炭化水素化学種を触媒反応させる強い役割を演
ずる必要がなくなり、その結果、貴金属部位での触媒活動を、窒素酸化物を窒素
および他の無公害気体化学種へ還元することに向けることができる。
【００４８】 イオン基および関連した気体酸化用化学種（たとえば、水酸基）の触媒作用が
排ガスの全体積にわたって生じ、また、触媒コンバータの表面上で生じるため、
本発明は、汚染物質の放出量を減らす際に普通の方法で作動する触媒コンバータ
よりもかなり効果的である。貴金属部位がＣＯおよびＨＣの変換から解放される
ため、またかなり触媒コンバータの下流端の上流側に気体化学種を酸化させるた
めにこれらのイオン基を導入することで、普通の方法で得られるレベルより下に
窒素酸化物の放出量をかなり減らすことができ、したがって、また、従来方法で
得られるNＯxの低減効果を維持しながら、触媒コンバータにおける貴金属の量を
減らしたり、低コストの金属またはその酸化物を使用したりすることも可能にな
る。
【００４９】 さらに、イオン基および関連した気体酸化用化学種の生成および触媒コンバー
タ内の触媒の下流端の上流側での排気流内への導入で、触媒コンバータ表面のア
クティブ部位上の触媒毒と反応し、それを除去し、それと共に、触媒のアクティ
ブ部位上への触媒毒の吸着または蒸着を防ぐことによって、触媒コンバータを浄
化することが発見された。これらの遊離基および関連した気体酸化用化学種の酸
化作用が除去したり、吸着を防いだりする触媒毒としては、限定するつもりはな
いが、触媒内の貴金属の硫酸塩および硫化物のような硫黄化合物、ならびに、表
面に結合してコーティングを形成する可能性のあるＳＯおよび元素硫黄、貴金属
の燐化物およびリン酸塩のような燐酸化合物、ならびに、触媒の表面に結合して
コーティングを形成する可能性のあるＰＯ2、Ｐ2Ｏ3および元素燐および表面に
吸着し、酸素、炭素の原子に解離し、その結果、炭化を生じさせる可能性のある
一酸化炭素のような炭素化合物がある。
【００５０】 触媒の効率を向上させ、代表的な触媒コンバータにおいて今日使用されている
ものよりも体積の小さい触媒ベッドを効果的に使用することができるように、触
媒コンバータの表面からの触媒毒の酸化で触媒表面から触媒毒を除去する。した
がって、遊離基および関連した気体酸化用化学種の導入は、汚染物質の放出量を
減らす２つの独立した効果を有する。第１に、イオン基および関連した気体酸化
用化学種の触媒作用が排ガス流から直接的に汚染物質を除去する。それに加えて
、触媒ベッド面、特に、貴金属の表面上にある触媒毒のすべてあるいはいくつか
の除去が、触媒コンバータによる汚染物質、特に、NＯxの除去効率を向上させる
。
【００５１】 図１を参照して、ここには、触媒コンバータ１３を有する現代の自動車エンジ
ン１１についての代表的な構成が示してある。触媒コンバータ１３は、自動車（
図示せず）の下部に配置されており、排気マニホルド１５からマフラー１７の前
までの排気管１２内下流側で、エンジンからの排ガス流１８内に位置している。
これは今日普通に使用されている構成であるが、図１に示すよりもエンジンに接
近して位置した密接接続の触媒コンバータを持つ自動車が数多く生産されており
、触媒コンバータがエンジンの排気マニホルドに隣接あるいはその一部に隣接し
ているということにも留意されたい。今日生産されている大部分の自動車におい
ては、酸素センサ１４が、触媒コンバータ１３の上流側で排気系内に設置されて
いる。酸素センサ１４からのデータが、燃料噴射システムの電子コントローラに
よって使用され、化学量論的空燃比を維持する。しばしば、第２の酸素センサ１
６が、触媒コンバータの直ぐ下流側に設置されていて、燃料噴射コントローラお
よび車両のオンボード診断のための付加的なデータを提供する。
【００５２】 本発明で使用することを意図しているような触媒コンバータ１３は、燃料（た
とえば、ガソリン、ガソリン・ベース調合物、ディーゼル燃料、アルコール、天
然ガスその他任意の燃料）の燃焼による排ガスを処理するように設けた任意の装
置を包含する。この場合、触媒コンバータは、ＣＯ、ＨＣおよび／またはNＯｘ
のような燃焼物からの少なくとも１つの汚染物質を減らすのに使用され得る。限
定するつもりはないが、今日の自動車エンジンでは、代表的には、三元触媒が使
用されている。
【００５３】 したがって、触媒コンバータ１３は、燃料を燃やすことによって発生した排気
流から少なくとも１つの汚染物質を触媒作用で除去したり、除去に関係したりす
る任意の装置を包含する。限定するつもりはないが、モノリシックまたは粒状セ
ラミック基体、金属基体または任意タイプの基体、ならびに、貴金属あるいは任
意他のタイプの触媒材料を持つ装置も含む。限定するつもりはないが、遷移元素
の酸化物あるいは硫化物のような半導体触媒を有する装置および、アルミナ、シ
リカアルミナおよびゼオライトのようなセラミックタイプ触媒を、個々に、互い
に組み合わせて、酸化セリウムのような酸素貯蔵媒質あるいは金属触媒と組み合
わせて有する装置も包含することになろう。
【００５４】 本発明の一実施例においては、酸化用イオン基および関連した気体酸化用化学
種を触媒コンバータ１３の上流側、好ましくは、大部分の現代の車および小型ト
ラックに据え付けてある酸素センサ１４の上流側で排気流内へ導入する。しかし
ながら、酸化用イオン基および関連した気体酸化用化学種は、触媒コンバータの
触媒の下流端の上流側の、排気流内の任意のポイントで導入してもよい。この場
合、触媒材料を収容している触媒コンバータの任意の部分の下流端から上流側の
ポイントで、触媒コンバータ１３の本体に直接的なイオン基および関連した気体
酸化用化学種の導入または生成も含む。イオン基を生成するための公知の手段（
たとえば、紫外線）を利用するイオン基発生器によって、好ましくは、電気コロ
ナ放電によってエンジンからの排ガス内の水蒸気から水酸基（ＯＨ）および原子
水素（Ｈ）を生成してもよい。同様に、イオン基発生器は、排ガス内の残余酸素
（Ｏ2）から原子酸素（Ｏ）を生成することもできる。代表的には、これらのイ
オン基化学種は、排気流内の他の気体化学種と反応して他の酸化用化学種（たと
えば、NＯ2、Ｈ2Ｏ2、ＨＯ2およびＯ3）を形成する。
【００５５】 遊離基を生成するのに用いる排ガスは、図２に概略的に示すように、下流排気
の一部をイオン基発生器に逸らし、イオン基発生器の出力を触媒コンバータの上
流で排気に導入することによって触媒コンバータの下流端から取り出すことがで
きる。触媒コンバータの下流端から取り出した排ガス内でイオン基発生器を作動
させることによって、このイオン基発生器は、触媒コンバータの作用によって除
去された汚染物質、放電によって生成され、触媒コンバータの下流端の上流側で
導入される酸化用イオン基およびアクティブ気体化学種からほぼ自由に、よりき
れいな環境で作動する。これは、放電装置の寿命を改善し、イオン基発生器が触
媒コンバータの上流側に位置するときに生じる可能性のある汚れ問題をほぼ除く
ことができる。しかしながら、コロナ放電装置が上流側で使用されるとき、コロ
ナ放電それ自体は、当然、それ自体の潜在的な汚染を減らすか排除するかしなけ
ればならない。
【００５６】 図２に示すように、触媒コンバータ１３を通過した浄化された排ガス流２１の
一部は、後部排気管２２から取り出され、遠隔のイオン基発生器２３に送られる
。遠隔のイオン基発生器２３の出力２４は、排ガス２１に対する、たとえば、紫
外線またはコロナ放電の作用の結果として、イオン基が豊富であり、触媒コンバ
ータ１３の下流端の上流側でテールパイプ１２内の排ガスに導入される。好まし
くは、大部分の現代の車および小型トラックに見出されるような酸素センサ１４
を、触媒コンバータ１３の上流側で排気流１８内に設置するが、酸化用化学種を
排気流に導入するポイント２５の下流側とする。しかしながら、排気系内の圧力
がより高いために、排ガス流への遠隔発生器の出力の直接的な注入を行うには、
ベンチュリ（図示せず）でのようなポンピングが必要である。したがって、排気
流内の水蒸気および残留酸素へのコロナ放電の作用による遊離基の直接的な現場
生成が最も好ましい方法である。
【００５７】 好ましくは、イオン基および関連した気体酸化用化学種は、図３に示すように
、主排気管または主排ガス流と並列な分路経路のいずれかに設置したコロナ放電
装置によって触媒コンバータの下流端の上流側において排気内で生成される。図
３に示すように、コロナ放電装置３０は、マウント３２内の排気分路３１に装着
されている。排気分路３１によって、排ガス流１８の一部が、代表的には触媒コ
ンバータ１３の上流側において第１ポイント３５のところで排気管１２を出るこ
とによって、排気管１２の一部をバイパスすることができる。そして、第２ポイ
ント３６（これも触媒コンバータ１３の上流側にある）で排気管に再び入る。排
気分路は、排ガス流量を調整または制御するのに、排気管内に絞りオリフィス３
３または他の装置を必要とするかも知れない。コロナ放電装置を排ガス流の温度
より低い温度環境で作動させ得るという点で、このような分路経路は有用である
。好ましくは、分路経路の熱損失は、たとえば、冷却フィン３４または類似した
装置を持つ拡大した表面積を設けることによって改善される。
【００５８】 低温度環境は、特に高温動作中の装置の電気特性およびその熱設計に関して、
コロナ放電装置についての設計および材料の選択を簡単にする。これは、抵抗率
、接触する損失およびコロナ放電装置における抵抗率、損失係数および誘電定数
が温度の上昇と共に変化するので、特に重要である。高温で生じるこれらの特性
の変化は、コロナ放電装置の効率をひどく低下させ、遊離基の生成量を減少させ
、したがって、汚染物質の放出量を増大させる可能性がある。コロナ放電装置が
高温環境において作動する場合、材料の選択は、温度の上昇と共に電気特性も限
られた範囲で変化するものに限られる。しかしながら、コロナ放電装置が、低温
環境、たとえば、分路経路の環境で作動する場合には、低温で所望の電気特性を
所有するが、高温では所望の特性を欠く他の安価な材料を使用し得る。
【００５９】 低温での動作は、コロナ放電装置、その支持体および排気管における材料の熱
膨張係数の不一致に関連した問題も減らすかあるいは排除することができる。こ
れは、ひずみ誘発の材料およびシールの破損ならびにコロナ放電装置がエンジン
の寿命中に経験することになる多数の熱サイクルによって生じる破損を減らすか
または排除する。
【００６０】 遊離基または他のアクティブ化学種は、また、触媒コンバータ１３内に装着さ
れたコロナ放電装置３０によっても生成することができる。図１３に示すように
、代表的な三元触媒コンバータは、外側鋼シェルまたは容器１３１と、複数（こ
の場合、２つ）のハニカム触媒「ブリック」１３２とを包含する。図１３に示す
ように、コロナ放電装置３０は、２つのハニカム触媒「ブリック」１３２の間、
あるいは、２つの触媒ブリック１３２のうちの少なくとも１つにおける下流端の
上流側のポイントでイオン基を導入する任意他の位置に装着することができる。
それに加えて、イオン基は、図２に示すような遠隔イオン基発生器で生成し、触
媒コンバータの触媒の下流端の上流側における触媒コンバータ内の任意のポイン
トで導入してもよい。
【００６１】 遊離基および他のアクティブ化学種は、空気がエンジンに入るポイントの上流
側でコロナ放電によって燃焼前ガス流内に生成することもできる。吸気マニホル
ド内での酸化用化学種の生成あるいは注入の欠点は、非常に化学的にアクティブ
な化学種のかなりの部分が、燃焼プロセスにおいて破壊される可能性があり、そ
して、間隙領域に、ならびに、燃焼室の壁面のところに存在するアクティブ化学
種しか有効に残存し、排気流内に入ることができないということである。それと
対照的に、排ガス流（燃焼後ガス流）に直接的に遊離基および気体分子酸化剤を
注入するか、あるいは、これらの化学種を排ガス流に創り出す発生器は、ＣＯお
よびＨＣを酸化させる必要がある排気流にアクティブ化学種をより効果的に給送
することができる。したがって、アクティブ化学種を排ガス流に生成するかまた
はそこに導入するとき、触媒コンバータのところで所与量のイオン基を与えるよ
うに生成されなければならイオン基の相対量は、他の方法で必要とする量よりも
かなり少ない。これは、イオン基発生器についての比例して低い電気入力需要に
直接影響する。
【００６２】 さらに別の実施例において、本発明は、燃料電池で使用するための燃料として
の液体または気体の炭化水素から気体の水素を生成するための方法および装置に
向けられる。炭化水素燃料を燃料電池で使用するためのＨ2に変換する代表的な
燃料電池接触改質装置１４０が、図１４に概略的に示してある。液体または気体
の炭化水素燃料１２０（たとえば、ガソリン、メタン、メタノールまたはエタノ
ール）は、燃料タンク１２１に格納される。必要に応じて、タンク１２１からの
燃料１２０を蒸発させてガス流を形成し、代表的には、接続パイプ１２２を通し
て部分酸化リアクタ１２３に導入する。この場合、燃料は、少量の空気で部分的
に燃焼させられてＨ2およびＣＯを生成する。部分酸化リアクタ１２３における
燃料の部分酸化は、触媒の存在下で実施してもよい。
【００６３】 こうしてできたガス流は、窒素、N2、ＣＯおよびＨ2の混合物からなり、次い
で、触媒リアクタ１２４に通す。ここにおいて、触媒の存在の下に蒸気を加え、
以下の反応によって、ＣＯを除去し、付加的なＨ2を生成する。
【００６４】 ＣＯ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋Ｈ2 残っているＣＯは、優先的な酸化触媒１２５の存在の下に、優先的に酸化させら
れ、Ｈ2、ＣＯ2、Ｈ2ＯおよびN2の混合物を生じさせ、これは、燃料電池１２６
に送られる。そこにおいて、Ｈ2は、Ｏ2と結合して水と電気を形成する。接触改
質器のガス流のいかなるものにもNＯxが存在しないので、酸化触媒だけが必要で
あり、したがって、還元触媒（たとえば、ロジウム）を使用する必要がない。
【００６５】 自動車触媒コンバータの場合と同様に、改質器のガス流内のＯＨの存在、なら
びに、他の遊離基および気体分子中間生成物およびアクティブ化学種（たとえば
、Ｏ、Ｈ、NＯ2、Ｈ2Ｏ2、ＨＯ2およびＯ3）の存在で、ＣＯのかなり効果的な触
媒変換が行われると共に、ガス流内あるいは改質器内の触媒表面上の触媒毒を除
去あるいはかなり減らすことができる。本発明の利点は、燃料電池接触改質装置
（単数または複数）で使用される触媒のうち任意の触媒の下流端の上流側におけ
る任意のポイントで改質装置内ガス流内にイオン基を導入することによって得る
ことができる。
【００６６】 触媒リアクタ・ステージ１２４へのイオン基の導入は、２つの機能を果す。第
１に、水酸基が、ＣＯと反応して、以下の反応によって二酸化炭素および付加的
な水素ガスを形成することができるのである。
【００６７】 ２ＣＯ＋２ＯＨ → ２ＣＯ2＋Ｈ2 さらに、イオン基および他の酸化用化学種の存在で、吸着した触媒毒を除去し、
触媒表面上への触媒毒の吸着を防ぎ、ＣＯからＣＯ2への変換を向上させること
になる。イオン基の優勢な酸化触媒への追加で、ＣＯをＣＯ2およびＨ2に変換し
、同じ要領で触媒毒を除去し、触媒毒の吸着を防ぐことになる。
【００６８】 しかしながら、イオン基および他のアクティブ気体化学種の炭化水素燃料との
高い反応性のために、炭化水素燃料が存在しない場合にのみ、イオン基を部分酸
化リアクタに導入するとよい。燃料が存在するときに非常に反応性の高いイオン
基を部分酸化リアクタに導入した場合には、大部分のイオン基が燃料との反応に
よって消費され、したがって、接触改質装置のこのステージでは、イオン基の触
媒毒への効果はほとんどないであろう。したがって、イオン基は、接触改質装置
内の触媒、特に、部分酸化リアクタで使用される任意の触媒上へ吸着した任意の
触媒毒を酸化させ、除去して触媒を浄化、回復させ得る「クリーンアップ」また
は「回復」サイクル中にのみ部分酸化リアクタ内に導入すると好ましい。「クリ
ーンアップ」または「回復」サイクルまたはモードが必要な場合、実質的に連続
的に使用されることになる燃料電池のために並列に一対の接触改質装置を設ける
と望ましいかも知れない。このようにして、１つの接触改質装置を用いて燃料電
池のための水素燃料を提供する間、第２改質装置を回復モードに置く。このよう
にして改質装置間で循環することによって、各改質装置は、常に、触媒上へ吸着
した触媒毒を最小限に抑えながら作動することができる。
【００６９】 しかしながら、イオン基および関連したアクティブ気体化学種の生成ならびに
接触改質装置の作動中に触媒リアクタ内触媒あるいは優先酸化触媒の下流端の上
流側で接触改質装置内のガス流へそれらを導入することで、触媒コンバータのア
クティブ表面部位上の触媒毒と反応してそれを除去すると共に触媒のアクティブ
部位上への触媒毒の吸着または蒸着を防ぐことによってこれらのステージにおい
て触媒を浄化できることも発見された。
【００７０】 本発明の自動車用途の場合と同様に、水酸基（ＯＨ）および原子水素（Ｈ）は
、接触改質装置のガス流内の水蒸気から生成される。イオン基は、イオン基を生
成するためのこの技術分野では公知の任意の手段（たとえば、紫外線光）を利用
しているイオン基発生器によって形成してもよいが、電気コロナ放電によって形
成すると好ましい。同様に、イオン基発生器は、排ガス内の残留酸素（Ｏ2）か
ら原子酸素（Ｏ）を生成することもできる。代表的には、次に、これらのイオン
基化学種が排気流内の他の気体化学種と反応し、他の酸化用化学種（たとえば、
NＯ2、Ｈ2Ｏ2、ＨＯ2およびＯ3）を形成する。イオン基が接触改質装置の動作中
に生成される場合、イオン基を、触媒リアクタ、優先酸化リアクタあるいは触媒
リアクタまたは優先酸化リアクタのうちの少なくとも１つに空気または水蒸気を
供給するガス流内の少なくとも１つで生成すると好ましい。自動車用途と同様に
、イオン基を、後述するタイプのコロナ放電装置で生成すると好ましい。
【００７１】 本発明と一緒に使用するためのコロナ放電装置は、好ましくは、交換が必要と
なる前、内燃機関の排気流の高温環境で少なくとも約３，０００〜約４，０００
時間にわたって機能することができなければならない。現代の自動車および燃料
電池を使用する用途におけるスペース制限のため、コロナ放電装置は、物理的な
体積が小さく、すなわち、代表的な点火プラグの寸法のオーダーにあり、約３０
０〜約４００立方ｃｍ以下の電源で良いと好ましい。或る種の実施例においては
、約８００℃のオーダーの温度で作動することに加えて、コロナ放電装置は、自
動車電磁干渉（EMI）要件を満たさなければならず、交換容易であり、約８００
℃の温度変化に数千回も耐えることができなければならない。たとえば、エンジ
ンの始動、クールダウン中に生じる温度変化ならびに温度変化が約２００℃のオ
ーダーにあり得る数百万回にも及ぶより小さい温度変化に耐えることができなけ
ればならない。好ましいコロナ放電装置においては、約２０〜約５０Wの高周波
数・高電圧の電力が必要である。すなわち、約１，０００〜約２５０，０００Ｈ
z、そして、約５，０００〜約２０，０００ＶＡＣが必要である。しかしながら
、遷移動作状態では、たとえば、エンジンが冷機あるいは暖機始動する場合には
、イオン基をより多く生成することが望ましいかも知れない。この場合、コロナ
装置は、最高２００〜３００ワットのより高いパワー・レベルで作動する必要が
あるであろう。この遷移パワー状態は、このような期間について５〜１０の因数
だけコロナ装置への周波数電圧積を増大させることによって対処することができ
る。普通、この期間は、約３０〜約１００秒の範囲である。これは、高電圧パワ
ー・システム設計の適切なコロナ・ユニットを介して、そして、エンジン・コン
トローラからの制御信号あるいは局所的なスタートアップ温度読取値を使用する
ことによって達成することができる。
【００７２】 本発明で有用な電源用の回路の１例が、図１５に示してある。図１５に示す回
路は、１２ＶＤＣ公称入力電圧を約１０ｋＶＡＣ正弦波出力に変換して、本発明
のコロナ放電装置のような容量型「無音放電」装置を駆動することのできる共振
スイッチ・モード・インバータを提供する。
【００７３】 本発明で有用なコロナ放電装置は、限定するつもりはないが、ほぼ円筒状対称
を有し、ほとんどの場合、少なくとも２つの同心電極を包含する。ほぼ円筒状の
対称を有するコロナ放電装置については少なくとも３つの一般的な設計代替案が
存在する。これら３つの一般的な設計代替案が、図４、５、６に示してある。図
４は、内側電極４１および外側電極４２からなる同心円筒状電極を有する円筒状
のコロナ放電装置４０の横断面である。この装置４０は、代表的には、ベース４
７内のフェルール４４（ガス・シールとなる）と、排気管１２または分路３１内
に装置４０を装着するためのねじ山４６または他の手段とを包含する。内側電極
４１は、誘電層４３によって取り囲まれており、この誘電層が、破壊を防ぎ、コ
ロナ放電を維持する。装置の全体的な効率が、装置の「エア」ギャップ４５を横
切って優勢電圧を有することが重要である。図４に示すコロナ放電装置の誘電層
４３が高電界が生じる領域内に位置するので、大部分の電圧は、コロナ放電装置
の「エア」ギャップを横切り、そして、装置の効率が維持される。
【００７４】 しかしながら、コロナ放電装置の設計に依存して、誘電体は、その伝導率によ
り、コロナ放電に対する電流を効果的に減らすように、分路導電性アース経路と
して作用することができる。コロナ放電装置が、誘電定数の増加に比例して増加
するベース４７の領域における分路容量性損失を受けやすい場合、誘電体を横切
る電圧低下とベース領域における分路容量性損失の相対的な重要性に関して、こ
のタイプのコロナ放電装置の設計中に、しばしば決定しなければならない。実際
には、コロナ放電装置の慎重な設計で、分路キャパシタンスの有効エリアを最小
限に抑え、誘電定数を低くすることができる。
【００７５】 抵抗損失も高温で誘電体に生じる。したがって、誘電材料は、抵抗損失が許容
可能に低いように選定しなければならず、あるいは、コロナ放電装置は、排気系
から分離したチャンバまたは分路経路において作動し、低温で作動できるように
しなければならない。他の設計問題としては、ＥＭI、腐食性高温環境における
耐腐食性、エンジン・クールダウン中の水の凝縮、振動がある。EＭIの場合、コ
ロナ放電装置およびその電源およびリード線は、自動車システムEMI要件を満た
すに充分なシールディングを持たなければならない。
【００７６】 材料選択は、高温動作、装置の設計寿命または性能を制限する可能性のある腐
食環境に耐える能力、たとえば、最大効率のために必要な値より低いレベルまで
誘電体の抵抗率を低下させ、それにより、おそらくは、装置における部分的ある
いは完全な短絡を生じさせる可能性のある誘電体への異物の高温拡散に基づくも
のでなければならない。しかしながら、コロナ放電それ自体は、当然、装置の汚
染を除去あるいは低減しなければならない。
【００７７】 高い誘電定数の必要性は、外側電極４２の内面に誘電層４３を配置することに
よって縮小あるいは除去することができる。このような装置５０が図５に示して
ある。外側電極４２の領域で生じる電界が中心電極４１の領域のそれらと比較し
て比較的低いので、より低い誘電定数を有する誘電材料を誘電層のために使用す
ることができる。これは、誘電層を横切る限られた電圧低下を維持しながら分路
容量性損失を減らす。
【００７８】 また、たとえば、コロナ放電装置のための遠いアースとして排気管１２または
排気分路３１を使用し、外側電極の必要性をなくすことも可能である。このよう
な遠いアース式コロナ放電装置６０が、図６に示してあり、これは、好ましくは
、破壊を促進する鋭いまたは小さい半径の先端を持つ内側電極４１、誘電絶縁体
４３およびベース４７（代表的には、必要なシールおよびひずみ逃がしを与える
フェルール４４を包含する）のみを必要とする。遠いアース式の装置はベース損
失考慮のみを受けるので、このような装置は、また、低誘電率を有する誘電材料
の使用を可能にする。
【００７９】 或る種の用途では、コロナ放電装置の設計に１つまたはそれ以上のフレーム・
アレスタを包含することが望ましいかも知れない。このような装置が、図７に示
してある。ここでは、誘電層４３で被覆した外側電極４２を有するコロナ放電装
置５０が、ワイヤ・スクリーンの形をしたフレーム・アレスタ４８で覆われてい
る。このようなフレーム・アレスタは、エンジン始動時にミスファイアがあった
ときに燃料および酸素を含む排ガスの着火を防ぐことになる。
【００８０】 しかしながら、或る種の内燃機関あるいは外燃機関の用途では、排ガス内の残
留燃料の部分燃焼あるいは完全燃焼を開始させる排ガスの着火が望ましい。それ
によって、たとえば、エンジン動作のコールド・スタート相で、あるいは、エン
ジン・ミスファイア時の状態の下で、有害な放出を低減することができる。この
ような残留燃料および炭化水素のコロナ支援燃焼は、排気流における燃焼プロセ
スの低温による付加的なNＯxの生成なしに可能である。
【００８１】 エンジン・ミスファイアの状態の下では、燃料空気混合気は実質的に化学量論
的となり、その結果生じた排ガスの燃焼を開始させるのに付加的な空気をなんら
必要としない。しかしながら、コールド・スタート中に排気内の残留燃料の燃焼
を開始させるには、このような状態では排ガス中の燃料が豊富なので、コロナ放
電装置の上流側で排ガス流に付加的な空気を加えなければならない。燃焼に必要
な酸素は、自動ポンピング（たとえば、排気管におけるベンチュリ部分のポンピ
ング作用）あるいは上流側空気ポンプによって、制御した空気噴射で得ることが
できる。ベンチュリの場合、コールド・スタート期間が完了した後に空気噴射を
終了させるために、急速作用弁、たとえば、電気機械式弁またはMEMS（Micro Me
chanical-Electronic Systems）テクノロジに基づいた弁が必要となろう。空気
噴射率は、ベンチュリで制限される。したがって、ベンチュリ・ポンピングでは
、残留燃料の部分燃焼のみが可能である。しかしながら、空気ポンプは、このよ
うな制限を受けず、排ガス流内での任意の残留燃料の完全燃焼のために充分な空
気を提供できる。
【００８２】 コロナ放電による排ガスの着火が望まれる場合、コロナ放電装置の上流側、装
置の下流側、装置の上流、下流側両方、あるいは、コロナ放電装置内およびその
まわりの限られた体積部内のいずれかでコロナ支援燃焼が生じる可能性のある排
気流の領域を制御または制限するフレーム・アレスタ、たとえば、ワイヤ・スク
リーンを使用することも望ましいかも知れない。
【００８３】 本発明において有用なコロナ放電装置は、有効量のアクティブ化学の化学種（
たとえば、水酸基）を形成するに充分なコロナを発生するタイプであるならばど
れでもよい。たとえば、代表的なコロナ放電装置（たとえば、図４および図５に
示すもの）は、約０．１〜約０．３ｃｍの直径を持つ小さい中心電極４１を有す
る改造点火プラグ状な装置であってもよい。内側電極４１は、ベース４７の誘電
層４３にある穴に挿入され、所定位置に保持される。誘電層４３が外側電極４２
の内面に配置されている装置においては、誘電層４３は、基本的には、内側電極
を位置決めするようにベースに設けた穴を有するカップを形成する。外側電極は
、約１〜約２ｃｍの内径および約１．５〜３ｃｍの長さを有する。誘電層は、ベ
ースと、約１〜約３mmの壁厚を有する。これは、コロナ放電装置の作動電圧で所
望の誘電強さを得るように選ばれている。
【００８４】 外側電極の内壁面に隣接した誘電層および誘電層、内側電極間の「エアギャッ
プ」は、本質的に２つの直列キャパシタンスである。それらが直列であるため、
この領域におけるエアギャップおよび誘電体を通る電流は等しくなり、したがっ
て、円筒状電極についての瞬間的なコロナ・パワー消散は、次のように表すこと
ができる。 それ故、平均パワー消散は次のように表される。 ここで、Ｃdは、固体誘電キャパシタンスであり、Ｃgは、エアギャップ・キャパ
シタンスであり、Ｖ3は、火花破壊電位であり、Ｖoは、印加電圧であり、ｆ＝ω
／２πである。
【００８５】 このことは、「点火プラグ」テクノロジを用いて、非常にコンパクトで交換可
能なコロナ放電ユニットを、必要なパワー・レベルを持って、製造することがで
きる。
【００８６】 外側電極の外面を使用して、排気管または排気マニホルド、排気分路経路、排
気管前室、これらの装置の１つの上あるいは中にある取り付けプレートあるいは
良好な排ガスシールを与える、コロナ放電装置を取り付ける任意他の簡単な手段
にコロナ放電装置を取り付けることができる。この簡単な取り付け手段により、
排気系におけるコロナ放電装置の取り外し、据え付けが容易になり、そして、排
気系にある分路経路またはわずかなくぼみによる主排気流に対する干渉を少なく
したり、なくしたりすることができる。いずれにしても、コロナ放電装置は、エ
ンジンの排ガス内に設置され、その結果、所望の遊離基を、排ガスの水蒸気、残
留酸素および他の成分から直接に生成することができる。
【００８７】 クールダウン中の水の凝縮は、コロナ放電装置のショートアウトを生じさせる
可能性があり、したがって、装置は、排気管の頂部に装着すると好ましい。その
とき、電極を下に向けるとよい。そうすれば、水を追い払うには温度が低すぎる
ときに水への露出を最小限に抑えることができる。これに加えて、振動問題は、
自動車振動数よりも充分に上の自然共振振動数を持つように装置およびその電源
、配線を設計することによって避けることができる。
【００８８】 上記のように、コロナ放電装置の２本の電極間に絶縁支持体を設けるのに用い
る誘電層の抵抗性、容量性の分路損失は、このような装置の設計では重要な考慮
点である。分路キャパシタンスを低減すれば、所与の容量性パワー損失でより高
い周波数の放電動作が可能になり、そして、印加電圧の周波数に比例するパワー
出力を有するコロナ装置のための基本的な設計原理により、よりコンパクトな設
計が可能となる。よりコンパクトな設計は、より小さいコロナ・ギャップの使用
を可能とし、これが、順次、ギャップを横切る破壊電圧を低くし、より低い作動
電圧の使用を可能にするという点で有利である。作動電圧が低いということは、
抵抗性、容量性の損失を低くし、コロナ放電装置の効率を向上させることになる
。したがって、より小さくて、より効率的なコロナ放電装置の電源は小さくても
よいことになり、これは、スペースがプレミアムである現代の車両においては主
要な利点である。
【００８９】 このようなコンパクトなコロナ放電装置のための代表的な設計が図８に示して
ある。図８は、効率的でコンパクトなコロナ放電装置８０の物理的な構成要素を
示すと共に、重要な装置作動、装置設計領域も示している。以下の説明及び寸法
は、単に一般的な設計を表しているに過ぎず、当業者であれば、ここに図示し、
説明した一般的な設計原理の範囲内にある多くの変形例が可能であることは明ら
かであろう。
【００９０】 図８の図示実施例の重要な特徴は、長くて薄壁の誘電絶縁体８１を包含すると
いうことであり、この誘電絶縁体は、材料の適切な選択と共に、この絶縁体８１
によって支持される内側電極８２、外側電極８３間の高抵抗路となる。薄い金属
キャップ８４が、ガス・シールとして設けてある。内側電極８２は、外側電極８
３よりもかなり長くてもよい。このような実施例の１つにおいては、内側電極８
２は、代表的には、外側電極８３の長さの少なくとも２倍の長さを有し、好まし
くは、外側電極８３の長さの少なくとも約４倍であり、また、内側電極８２の長
さは、代表的には、誘電絶縁体８１の直径から決定されるような、コロナ放電装
置８０の直径の少なくとも約４倍、好ましくは、少なくとも約６倍である。外側
電極８３は、コンパクトなコロナ放電装置８０のベース８５に機械的、電気的に
接続される。この場合、ベースは、装置８０を装着されるためのねじ山８６また
は他の類似した取り付け手段を包含し、その結果、排ガスはエアギャップ８９に
入ることができる。内外の電極８２、８３の長さの差の結果として、エアギャッ
プ８９は、コロナ放電領域８７、すなわち、内外の電極がオーバーラップするエ
アギャップ８９の部分と、アレージ体積部８８、すなわち、外側電極８３から金
属キャップ８４まで延びるエアギャップ８９の部分とに分割される。
【００９１】 代表的なコンパクトな放電装置８０は、約１〜約２ｃｍ、好ましくは約１．５
ｃｍの長さを有する外側電極８３と、約４〜約８ｃｍ、好ましくは約５〜約７ｃ
ｍ、最も好ましくは約６ｃｍの長さを有する内側電極８２とを有し得る。このよ
うな装置の誘電絶縁体８１は、セラミック材料（たとえば、Fosterite）から構
成することができ、約０．７〜約１．３ｃｍ、好ましくは約１ｃｍの直径、約３
〜約５ｃｍ、好ましくは約４ｃｍの長さ、そして、約０．１〜約０．２ｃｍ、好
ましくは約０．１５ｃｍの厚さを有することになり、少なくとも約５，０００Ｖ
の最大作動電圧で約１０％より少ない抵抗性パワー損失をもって約９００℃まで
の温度で使用することができる。比較的低い温度環境（たとえば、排気分路の環
境）においては、セラミックの誘電絶縁体８１に沿った温度変化のために、許容
パワー損失を維持しながら、さらにより高い作動電圧が可能となる。この設計の
コロナ放電装置は、約１００kＨzの周波数で約３０〜約５０Wのパワー作動を行
うことになる。しかしながら、或る種の遷移作動条件の下（たとえば、エンジン
の冷機あるいは暖機始動時）では、より多くのイオン基を生成するのが望ましい
かも知れない。この場合、コロナ装置は、最高２００〜３００ワットのより高い
パワー・レベルで作動する必要があろう。この遷移パワー状態は、代表的には約
３０から１００秒の範囲に入るこのような期間にわたって５〜１０の因数だけコ
ロナ装置への周波数電圧積を増大させることによって対処することができる。こ
れは、適切なコロナ・ユニット高電圧パワー・システム設計によって、また、エ
ンジン・コントローラからの制御信号または局所的スタートアップ温度読取値を
用いることによって達成することができる。約１００kＨzのオーダーの作動周波
数で１０より大きい誘電定数を有する絶縁体についてさえ、絶縁体８１の長い絶
縁経路および薄い壁が、容量性分路損失を約１０％未満に抑えることができる。
このような高作動周波数により、非常にコンパクトな高電圧電源を使用すること
ができる。
【００９２】 上記のように、コロナにおけるパワー消散についての式は、次の通りである。
【００９３】 ここで、ＣdおよびＣgは、それぞれ、コロナ領域における誘電体およびギャップ
のキャパシタンスであり、ＶsおよびＶoは、それぞれ、ギャップの火花破壊電圧
、コロナ装置への印加電圧であり、ｆは、装置に印加される電圧の周波数である
。Ｖｏ＝５，０００Ｖ、Ｖs＝３，０００Ｖ、Ｃd＝６×１０-12ファラド、Ｃg＝
１×１０-12ファラドのような量の値を採用した場合、３×１０5Ｈｚの周波数で
は、コロナのパワーは、約２７Wである。出力は、周波数、印加電圧またはキャ
パシタンス（主として、コロナ放電領域の長さ）に依存し得る。出力は、コロナ
装置電源の周波数および／または電圧によって制御することができる。
【００９４】 火花破壊電圧は、コロナ・ギャップ領域における排ガスの密度にほぼ正比例し
、排ガス密度は、ギャップ領域の温度にほぼ正比例する。この破壊電圧は、コロ
ナ・ユニットにおけるガスの温度、したがって、その動作温度に比例して変化す
ることになる。たとえば、コロナ・ユニット内のガス温度が排気温度の半分であ
るように設計した場合、より低い破壊電圧は６，０００ｖまで増大することにな
ろう。
【００９５】 図９および図１０は、上記の設計についての２つの設計変形例を示している。
図９において、スカート部分９１が、長くなっており、拡張表面９２が周囲環境
に対する熱交換を増大させるのに使用される。熱交換器と共に長くなった伝導経
路により、特に誘電材料８１のより冷えた動作が可能となり、したがって、材料
の選択範囲が広がり、または、結果として生じた動作温度での満足できる抵抗、
キャパシタンスでのこの用途についての性能が向上する。たとえば、エンジン側
酸素センサの上流に空気を注入することによって、触媒の作動を可能にするエン
ジン化学量論を改造するように少量の空気（＜１０ｃｃ／秒）の注入で、エンジ
ン性能あるいはエンジン／触媒排出性能になんら影響がないことがテストで観察
された。図１０において、ポンピング作用が、排気系９６に加えたベンチュリ部
分９５に低圧を生じさせることによって行われている。コンパクトなコロナ放電
装置８０の金属キャップ８４にあるオリフィス９７と関連したこの低圧は、約１
０ｃｃ／秒よりも少ない空気流量を与え、これが、温度を制限し、コロナ装置の
セラミック誘電部分を冷却し、コロナ放電で発生したイオン基の注入を支援する
。通常の作動状態の下では、エンジンは、排気系の位置に依存して、約３０〜約
１００Ｈzの周波数、約２０〜約８０％のピーク間変化を有する排ガス圧力変動
を生じさせる。アレージ体積部８８と関連したこれらの圧力変動は、コロナ放電
で発生したイオン基および他の化学種の、排気流内への効果的な連続ポンピング
を行う。上記のコロナ放電装置のいずれかについての排ガス・ポンピング変動の
ポンピング効果により、放電装置１１０を、図１１に示す要領で、変動が生じる
排気管１１２のポイントに据え付けることができ、このとき、放電装置１１０は
、排気管１１２の側面から離して、単純な「Ｔ」１１３に装着される。ポンピン
グ効果および全ガス運動は、図１２ａ、１２ｂに示すようなプレナム１１４で増
大させられ得る。図１２ａに示すように、プレナム１１４は、コロナ放電装置に
隣接している排気管の別個の延長部であってもよい。あるいは、図１２bに示す
ように、プレナム１１４は、コロナ放電装置に組み込んでもよい。この場合、排
気内の高圧変動が、排ガスの一部をコロナ放電を通してプレナム内に押し込み、
排気内の低圧変動が、排気を押し、プレナム内の排ガスをイオン基および他のア
クティブ化学種の豊富な主排ガス流に戻すことになる。それに加えて、冷却フィ
ン１１６を設けて、放電装置１１０の動作温度を下げることができる。上記した
ように、より冷たい作動環境は、コロナ放電の効率を向上させる。
【００９６】 本発明の先の実施例の唯一の要件が、遊離基あるいは気体およびアクティブ酸
化用化学種、特に、水酸基を、触媒コンバータのところあるいはその上流側のポ
イント、たとえば、気化器に通じる吸気ダクトあるいは燃焼室の燃料噴射システ
ム、燃焼室に通じる混合気吸気マニホルド、燃焼室の排気マニホルドの直ぐそば
の燃焼室あるいは排気管のところで燃焼ガス流に添加するということであること
に留意されたい。
【００９７】 さらに、本発明を触媒コンバータに関連して一実施例として説明してきたが、
水酸基および他のアクティブ化学種の導入と関連してこれらの触媒によって提供
される大きい表面積のみを、燃焼エンジンの排ガス内の汚染物質を減らすのに必
要とすることも考えられる。
【００９８】 本発明を特にその好ましい実施例に関連して説明してきたが、当業者にとって
多くの変更、修正が今や明らかであり、したがって、発明の範囲が、この特別な
開示内容によって限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定さ
れるべきであることは了解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 触媒変換機を備えた内燃エンジンの側部斜視図。
【図２】 化学的に活性の種の遠隔コロナ放電発生装置を組込んだ排気系の概略図。
【図３】 排気枝路に装着したコロナ放電装置を示す図。
【図４】 同軸電極及び誘電体で被覆した内部電極を備えたコロナ放電装置を示す図。
【図５】 同軸電極及び誘電体で被覆した外部電極を備えたコロナ放電装置を示す図。
【図６】 遠方接地コロナ放電装置を示す図。
【図７】 フレームアレスターを備えた図５示す形式のコロナ放電装置を示す図。
【図８】 小型コロナ放電装置を示す図。
【図９】 伸張型スカートを備えた小型コロナ放電装置を示す図。
【図１０】 空気を注入するオリフィスを備えた小型コロナ放電装置を示す図。
【図１１】 排気ガス流における圧力変動のポンピング作用を利点を取り入れるようにして
装着したコロナ放電装置を示す図。
【図１２ａ】 排気ガス流における圧力変動のポンピング作用を強める充気室と共に装着した
又は充気室を結合したコロナ放電装置を示す図。
【図１２ｂ】 排気ガス流における圧力変動のポンピング作用を強める充気室と共に装着した
又は充気室を結合したコロナ放電装置を示す図。
【図１３】 触媒変換機を備えたコロナ放電装置の使用を示す図。
【図１４】 燃料電池触媒改質器和示す概略図。
【図１５】 コロナ放電装置と共に使用する電源回路の例を示す概略図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０１Ｎ 3/02 ３２１ Ｆ０１Ｎ 3/08 Ｂ 3/08 Ｃ 3/22 ３０１Ａ 3/22 ３０１ 3/24 Ａ 3/24 3/28 ３０１Ｑ 3/28 ３０１ Ｂ０１Ｄ 53/36 Ｂ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，Ｚ Ｗ (72)発明者 エキチャン ジャック エー アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 02178 ベルモント ワトソン ロード 116 Ｆターム(参考） 3G090 AA03 AA06 BA01 CB18 DA10 DB01 DB02 EA01 3G091 AA02 AA12 AA17 AA18 AA19 AA20 AA28 AB01 AB02 AB03 AB14 BA03 BA11 BA13 BA14 BA15 BA19 BA20 BA37 CA13 CA15 CA22 CB02 DA01 DA02 DB10 DC01 EA34 FA02 FA04 FB02 FB10 FB11 FB12 FC02 FC07 GA01 GA06 GA18 GB01W GB01X GB04Y GB05W GB07X GB10W GB10X GB17X HA08 HA36 HA47 HB03 HB07 4D048 AA06 AA13 AA18 AB05 AC06 AC07 AC08 BA03X BA19X BA30X BA31X BA33X BA41X BB02 BC01 BC02 CC38 CC61 DA01 DA09 DA20 EA03 4G040 EA03 EA06 EB14 EB23 EB27 EB41 4G075 AA03 AA37 BA05 BA06 BD01 BD14 CA18 CA25 CA51 CA54 DA02 EB09 EC06 EC21 FB04 FC15

Claims (46)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 気体流における化学反応の速度を高める装置において、 上下流端部及び多数の触媒的に活性な部位をもつ少なくとも一つの表面を備え
    、気体流の少なくとも一部分が表面上の触媒的に活性な部位の少なくとも一部分
    と接触するように位置決めされた少なくとも一つの不均質触媒と； 水蒸気又は他の気体種の少なくとも一つからラジカル又は他の活性種を生成し
    、ラジカル又は他の活性種を触媒の下流端部の上流位置で気体流に導入するよう
    にした少なくとも一つの装置と； を有することを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 ラジカル又は他の活性種を生成する少なくとも一つの装置が
    気体流内に位置決めされ、ラジカルが直接気体流内の水蒸気又は他の気体種の少
    なくとも一つから生成されるように、ラジカル又は他の活性種を生成する少なく
    とも一つの装置が気体流内に位置決めされる請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 ラジカル又は他の活性種が、触媒に有害なものによって触媒
    が害されるのを低減又は除去するのに十分な量導入される請求項１に記載の装置
    。
  4. 【請求項４】 触媒に有害なものが硫黄、硫黄含有配合物、燐、燐含有配合
    物、又は炭素である請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 触媒が、燃料電池触媒反応器、自動車用触媒変換機、又は触
    媒燃焼器の一部である請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】 気体流が、内燃エンジンからの排気流である請求項１に記載
    の装置。
  7. 【請求項７】 内燃エンジンが理論エンジンである請求項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】 内燃エンジンが希薄燃焼エンジンである請求項６に記載の装
    置。
  9. 【請求項９】 内燃エンジンがディーゼルエンジンである請求項６に記載の
    装置。
  10. 【請求項１０】 入口と出口を備え、しかも少なくとも一つの触媒を備えた
    触媒変換機をさらに有し、エンジンからの排気流の少なくとも一部が触媒変換機
    を通過するように触媒変換機が位置決めされている請求項６に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 排気ガス流の少なくとも一部を触媒変換機及び少なくとも
    一つの触媒に流れるように、触媒変換機の入口に取付けられた排気管をさらに有
    し、触媒変換機又は排気管の少なくとも一つが、触媒変換機における少なくとも
    一つの触媒の下流端部の上流の排気流にラジカル又は他の活性種を生成するよう
    に、排気流又はその一部にラジカル又は他の活性種を生成する装置を位置決めす
    る取付け部を備えている請求項１０に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 ラジカル又は他の活性種を生成する少なくとも一つの装置
    が排気管又は触媒変換機の頂部に位置決めされる請求項１０に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 ラジカル又は他の活性種を生成する少なくとも一つの装置
    がコロナ放電装置である請求項１０に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 電源をさらに有し、コロナ放電装置及び電源が各々、内燃
    エンジンによって生じる機械的な固有共振振動数より相当に高い機械的な固有共
    振周波数をもつ請求項１３に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 排気流中に自然に生じる圧力変動が排気ガスをコロナ放電
    装置内へ強制しかつコロナ放電装置からのコロナ放電によって生じた気体含有ラ
    ジカルを除去するポンピング作用をもたらすように、コロナ放電装置が位置決め
    されている請求項１０に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 排気ガスが排気管からコロナ放電を通して流入し、そして
    排気管へ戻すように、コロナ放電装置に隣接して位置決めされた充気室をさらに
    有する請求項１５に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 コロナ放電により排気流中の残留燃料を燃焼させるように
    、燃料リッチ冷間始動状態中に排気流に空気を注入する装置をさらに有する請求
    項１０に記載の装置。
  18. 【請求項１８】 コロナ放電装置が低出力コロナ放電装置である請求項１３
    に記載の装置。
  19. 【請求項１９】 約２００ワットに過ぎない電力を発生する電源をさらに有
    している請求項１８に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 約１００ワットに過ぎない電力を発生する電源をさらに有
    している請求項１８に記載の装置。
  21. 【請求項２１】 約３０ワットに過ぎない電力を発生する電源をさらに有し
    ている請求項１８に記載の装置。
  22. 【請求項２２】 触媒変換機の入口に取付けられた排気管と、 排気流の少なくとも一部が排気管から触媒変換機を通って流入するように触媒
    変換機の出口に取付けられ、排気流の一部を遠隔ラジカル発生器に移送する排気
    ガス引取り装置を備え、遠隔ラジカル発生器に移送された排気流の部分における
    排気ガス中にラジカル又は他の活性種を生成する少なくとも一つの装置を備えた
    後尾管と、 遠隔ラジカル発生器から、ラジカルを含んだ排気ガスを排気流に注入する触媒
    変換機における少なくとも一つの触媒の下流端部の上流点における排気流へ、ラ
    ジカル又は他の活性種を含んだ排気ガスを戻す遠隔ラジカル発生器出力と、 をさらに有する請求項１０に記載の装置。
  23. 【請求項２３】 ラジカル又は他の活性種を生成する少なくとも一つの装置
    がコロナ放電装置である請求項２２に記載の装置。
  24. 【請求項２４】 予燃焼気体流と排気ガス流とを含む燃焼ガスにおける燃料
    の燃焼により生じた排気ガスを含む排気ガス流中の少なくとも一つの汚染物質を
    低減する装置において、 上下流端部を備え、排気ガス流の少なくとも一部を通すように位置決めされた
    少なくとも一つの触媒と； 燃焼ガス流中に位置した水蒸気又は他の気体種の少なくとも一つからラジカル
    又は他の活性種を生成し、ラジカルを少なくとも一つの触媒の下流端部の上流の
    燃焼ガス流に導入するようにした少なくとも一つの装置と； を有することを特徴とする装置。
  25. 【請求項２５】 ラジカル又は他の活性種を生成する少なくとも一つの装置
    がコロナ放電装置である請求項２４に記載の装置。
  26. 【請求項２６】 装置が燃料電池触媒改質器であり、触媒改質器が、部分酸
    化段と、触媒反応段と、優先酸化段とを備え、部分酸化段、触媒反応段及び優先
    酸化段の少なくとも一つが触媒である請求項１に記載の装置。
  27. 【請求項２７】 ラジカル又は他の活性種を生成する少なくとも一つの装置
    がコロナ放電装置である請求項２６に記載の装置。
  28. 【請求項２８】 ラジカル又は他の活性種を生成する装置が気体流内に位置
    決めされる請求項２６に記載の装置。
  29. 【請求項２９】 気体流における気相化学反応を高める方法において、 上下流端部及び多数の触媒的に活性な部位をもつ少なくとも一つの表面を備え
    た少なくとも一つの不均質触媒と気体流を接触させて、気体流の少なくとも一部
    分が触媒的に活性な部位の少なくとも一部分と接触するようにし； ラジカル又は他の活性種を生成し；そして ラジカル又は他の活性種を触媒の下流端部の上流位置で気体流に導入すること
    ； を含むことを特徴とする方法。
  30. 【請求項３０】 気体流が触媒と接触している時に、ラジカル又は他の活性
    種を気体流に導入することをさらに含む請求項２９に記載の方法。
  31. 【請求項３１】 コロナ放電装置でラジカルを形成することをさらに含む請
    求項２９に記載の方法。
  32. 【請求項３２】 低出力電源によりコロナ放電装置に電力を供給することを
    さらに含む請求項３１に記載の方法。
  33. 【請求項３３】 始動中にコロナ放電装置への電力を増加することをさらに
    含む請求項３２に記載の方法。
  34. 【請求項３４】 気体流における水蒸気又は気体種の少なくとも一つからラ
    ジカル又は他の活性種を生成することをさらに含む請求項２９に記載の方法。
  35. 【請求項３５】 遠隔発生器においてラジカル又は他の活性種を生成するこ
    とをさらに含む請求項２９に記載の方法。
  36. 【請求項３６】 触媒に有害なものによって触媒が害されるのを低減又は除
    去するのに十分な量ラジカル又は他の活性種を生成することをさらに含む請求項
    ２９に記載の方法。
  37. 【請求項３７】 触媒に有害なものが硫黄、硫黄含有配合物、燐、燐含有配
    合物、又は炭素である請求項２９に記載の方法。
  38. 【請求項３８】 ラジカル又は他の活性種を、燃料電池触媒反応器、自動車
    用触媒変換機、又は触媒燃焼器の気体流に導入することをさらに含む請求項２９
    に記載の方法。
  39. 【請求項３９】 ラジカル又は他の活性種を、燃料電池部分酸化段、触媒反
    応段又は優先酸化段に導入することをさらに含む請求項２９に記載の方法。
  40. 【請求項４０】 気体流が、内燃エンジンからの排気流である請求項２９に
    記載の方法。
  41. 【請求項４１】 排気流を触媒変換機の入口に取付けられた排気管に流すこ
    とをさらに含み、触媒変換機が少なくとも一つの触媒を備えている請求項４０に
    記載の方法。
  42. 【請求項４２】 触媒に有害なものによって触媒が害されるのを低減又は除
    去するのに十分な量ラジカル又は他の活性種を生成することをさらに含む請求項
    ４０に記載の方法。
  43. 【請求項４３】 触媒に有害なものが硫黄、硫黄含有配合物、燐、燐含有配
    合物、又は炭素である請求項４２に記載の方法。
  44. 【請求項４４】 触媒から触媒に有害なもを除去するのに十分な量ラジカル
    又は他の活性種を生成することをさらに含む請求項４０に記載の方法。
  45. 【請求項４５】 コロナ放電装置でラジカル又は他の活性種を形成すること
    をさらに含む請求項４０に記載の方法。
  46. 【請求項４６】 排気ガス流の少なくとも一部をそらせ、そらせた排気ガス
    流を遠隔発生器に移送し、そらせた排気ガス流中にラジカル又は他の活性種を形
    成し、そしてラジカル又は他の活性種を排気ガス流中に導入することをさらに含
    む請求項４０に記載の方法。
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