JP2008194668A - ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定したガス処理能力と高いガス処理能力を得る。コストダウンを図る。
【解決手段】処理対象ガスＧＳの通過方向（ダクト１の入口から出口への方向）に沿ってハニカム構造体４を間隔を設けて配置する。このハニカム構造体４のうち最も上流に配置されるハニカム構造体４−１の上流側に上流側電極８を配置し、最も下流に配置されるハニカム構造体４−４の下流側に下流側電極９を配置し、上流側電極８と下流側電極９との間に高電圧を印加し、ハニカム構造体４の貫通孔（セル）４ａとハニカム構造体４間の空間ギャップ１２にプラズマを発生させる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、処理対象ガスに含まれる有害ガスを浄化するガス処理装置に関するものである。

従来より、排気ガス中で高電圧放電を行ってプラズマ状態を作ることで、排気ガスに含まれる有害ガスの浄化を行う技術が知られている。近年、この技術は、脱臭を目的として、工場の排気を浄化する浄化装置や室内の空気を浄化する空気清浄機に応用されつつある。

熱的に非平衡な状態、つまり気体の温度やイオン温度に比べ、電子温度が非常に高い状態のプラズマ（非平衡プラズマ（以下、単にプラズマと言う））は、電子衝突でつくられるイオンやラジカルが常温では起こらない化学反応を促進させるので、有害ガスを効率的に除去あるいは分解することが可能な媒体として有害ガス処理において有用であると考えられている。実用化で肝心なことは、処理時のエネルギーの効率の向上と、プラズマで処理した後に完全に安全な生成物質へと変換されることである。

一般に、大気圧でのプラズマは気体放電や電子ビームなどによって生成される。現在において、適用が考えられているものに、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、フロン、ＣＯ₂ ，揮発性有機溶剤（ＶＯＣ）などがある。中でもＮＯｘは車の排ガスなどに含まれているので早急な実用化が必要となっている。

ＮＯｘ除去における放電プラズマ（気体放電によって生成されたプラズマ）内の現象は、電子衝突によって１次的に生成されたイオンやラジカルが最初の反応を起こし、その後の反応を通してＮ₂ ，Ｈ₂ Ｏ，ＮＨ₄ ＮＯ₃ などの各粒子に変換されて行くものと考えられている。

また、有害ガスを例えばアセトアルデヒドやホルムアルデヒドとした場合、この有害ガスをプラズマを通すことによって、ＣＯ₂ とＨ₂ Ｏに変換される。この場合、副生成物として、オゾン（Ｏ₃ ）が発生する。

図４に放電プラズマを利用した従来のガス処理装置の要部を例示する（例えば、特許文献１参照）。同図において、１は処理対象ガス（有害ガスを含む空気）ＧＳが流れるダクト（通風路）であり、ダクト１内には、処理対象ガスＧＳの通過方向に沿って放電電極２とアース電極３とが交互に配置され、これら電極２，３間にセルと呼ばれる多数の貫通孔４ａを有するハニカム構造体４が配設されている。５は高電圧電源である。なお、ハニカム構造体４はセラミックス等の絶縁体で形成されており、特許文献２にもその使用例がある。

放電電極２は、金属製メッシュ、極細ワイヤ、または針状体等で形成されている。各放電電極２は、導線６によって高電圧電源５の＋極に接続されている。アース電極３は、金属性メッシュ等で形成されている。各アース電極３は、導線７によって高電圧電源５の−極に接続されている。

このガス処理装置では、処理対象ガスＧＳをダクト１に流し、放電電極２とアース電極３との間に高電圧電源５からの高電圧（数ｋＶ〜数１０ｋＶ）を印加する。これにより、各ハニカム構造体４の貫通孔４ａ内にプラズマが発生し、このプラズマ中に生成されるイオンやラジカルによって、処理対象ガスＧＳに含まれる有害ガスが無害な物質に分解される。

特開２０００−１４０５６２号公報 特開２００１−２７６５６１号公報

しかしながら、上述した従来のガス処理装置では、次の(１)〜（３）のような問題があった。

(１)多数のハニカム構造体４を有するが、ばらつきなく均一なプラズマを発生させる技術が確立されておらず、ハニカム構造体４の性能にばらつきが出てしまう。例えば、同じハニカム構造体４同士でもインピータンス値が異なることがあり、また１つのハニカム構造体４内でも例えばその上下でインピーダンス値が異なるというようなこともあり、全体として均一なプラズマが発生せず、ガス処理能力が不安定となる。また、貫通孔４ａだけでのプラズマ発生なので、プラズマの発生量が少なく、ガス処理能力が低い。

(２)ハニカム構造体４は吸湿すると低インピーダンスに、乾燥すると高インピーダンスになる特性を持っており、ハニカム構造体４が低インピーダンスになると、流れる電流が増大し放電電極２とアース電極３との間に印加される高電圧値が低下し、ハニカム構造体４が高インピーダンスになると、流れる電流が減少し放電電極２とアース電極３との間に印加される高電圧値が上昇する。このような高電圧値の変化に対し、所望のプラズマの発生量を確保し得る高電圧値を得ることのできる高電圧電源５は、その設計に要する工数も含めて非常に高価となる。

(３)ハニカム構造体４のぞれぞれに対して放電電極２とアース電極３を設けているため、部品点数が多く、構造も複雑となり、高価となる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、安定したガス処理能力と高いガス処理能力とを備えたガス処理装置を安価に提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、通風路の入口から出口への処理対象ガスの通過方向に沿って間隔を設けて配置され処理対象ガスが通過する多数の貫通孔を有する複数のハニカム構造体と、複数のハニカム構造体のうち処理対象ガスの通過方向の最も上流に配置されるハニカム構造体の上流側に配置される上流側電極と、複数のハニカム構造体のうち処理対象ガスの通過方向の最も下流に配置されるハニカム構造体の下流側に配置される下流側電極と、上流側電極と下流側電極との間に高電圧を印加しハニカム構造体の貫通孔およびハニカム構造体間の空間にプラズマを発生させる高電圧源とを設けたものである。

この発明によれば、処理対象ガスの通過方向（通風路の入口から出口への方向）に沿って複数のハニカム構造体が間隔を設けて配置され、この複数のハニカム構造体のうち最も上流に配置されるハニカム構造体の上流側に上流側電極が配置され、最も下流に配置されるハニカム構造体の下流側に下流側電極が配置され、上流側電極と下流側電極との間に高電圧が印加される。この高電圧の印加により、ハニカム構造体の貫通孔およびハニカム構造体間の空間にプラズマが発生し、このプラズマを通過する際に処理対象ガスに含まれる有害ガスが無害な物質に分解される。

この発明において、プラズマはハニカム構造体の貫通孔だけではなく、ハニカム構造体間の空間（空気層）にも発生する。このため、貫通孔内での有害ガスの分子分解効果に加え、ハニカム構造体間の空間での有害ガスの分子分解効果が加わり、さらにこの貫通孔内での分子分解効果とハニカム構造体間の空間での分子分解効果との相乗効果により、有害ガスの無害な物質への分解が促進される。また、ハニカム構造体間の空間には、均一なプラズマが大量に発生する。

また、この発明において、ハニカム構造体間には空気層が設けられるので、上流側電極と下流側電極との間のインピーダンスが安定し、ハニカム構造体の吸湿・乾燥によるインピーダンス変化に対して流れる電流の変化が小さくなり、専用に設計された特殊な高電圧電源を使用する必要がなくなる。
また、この発明において、電極は上流側電極と下流側電極の２個の電極のみでよく、ハニカム構造体毎に電極を配置する必要がなくなり、部品点数が削減され、構造が簡単となり、組立工数も少なくて済む。

本発明では、各ハニカム構造体の単位面積当たりの貫通孔の数を異なるようにしてもよく、ハニカム構造体間の間隔を異なるようにしてもよく、ハニカム構造体間の間隔を調整可能としてもよい。各ハニカム構造体の単位面積当たりの貫通孔の数を異ならせることにより、各ハニカム構造体で分解可能な有害ガスの種類を異ならせたり、副生成物として発生するオゾン量を異ならせたり、処理対象ガスに含まれる有害ガスが複数種類であっても対応することが可能となる。また、ハニカム構造体間の間隔を異ならせることにより、各ハニカム構造体の単位面積当たりの貫通孔の数を異ならせた場合と同様の作用・効果を得ることができる。この場合、単位面積当たりの貫通孔の数が等しい同一種類のハニカム構造体で構成することができるので、部品の種類を増やさずに済む。また、ハニカム構造体間の間隔を調整可能とすることにより、処理対象ガスに含まれる有害ガスの種類が運用途中で変わるような場合にも柔軟に対処することが可能となる。

また、本発明において、ハニカム構造体の下流位置で特定ガスのガス濃度を検出するようにし、この検出された特定ガスのガス濃度が予め定められた閾値を超えた場合に、その特定ガスのガス濃度が閾値内に収まるように、ハニカム構造体間の間隔を調整するようにしてもよい。このようにすると、例えば、副生成物として発生するオゾンを特定ガスとした場合、有害ガスの分解処理後の処理対象ガスに含まれるオゾンの濃度を閾値内に収めるようにすることが可能となる。

本発明によれば、処理対象ガスの通過方向（通風路の入口から出口への方向）に沿って複数のハニカム構造体を間隔を設けて配置し、この複数のハニカム構造体のうち最も上流に配置されるハニカム構造体の上流側に上流側電極を配置し、最も下流に配置されるハニカム構造体の下流側に下流側電極を配置し、上流側電極と下流側電極との間に高電圧を印加するようにしたので、ハニカム構造体の貫通孔だけではなく、ハニカム構造体間の空間にもプラズマが発生するものとなり、貫通孔内での有害ガスの分子分解効果に加え、ハニカム構造体間の空間での有害ガスの分子分解効果が加わり、さらにこの貫通孔内での分子分解効果とハニカム構造体間の空間での分子分解効果との相乗効果により、有害ガスの無害な物質への分解が促進され、ガス処理能力が高まる。また、ハニカム構造体間の空間には、均一なプラズマが大量に発生するので、ガス処理能力が安定する。

また、本発明によれば、ハニカム構造体間に空気層が設けられるので、上流側電極と下流側電極との間のインピーダンスが安定し、ハニカム構造体の吸湿・乾燥によるインピーダンス変化に対して流れる電流の変化が小さくなり、専用に設計された特殊な高電圧電源を使用する必要がなくなり、市販されている安価な高電圧電源を用いることができるようになる。
また、本発明によれば、上流側電極と下流側電極の２個の電極のみでよく、ハニカム構造体毎に電極を配置する必要がない。これにより、部品点数が削減され、構造が簡単となり、組立個数も少なくて済み、コストダウンが図られる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態１〕
図１はこの発明に係るガス処理装置の一実施の形態（実施の形態１）の要部を示す図である。同図において、図４と同一符号は図４を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。

この実施の形態では、ダクト１内に処理対象ガスＧＳの通過方向（ダクト１の入口から出口への方向）に沿って所定の間隔Ｇ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３）を設けてハニカム構造体４（４−１〜４−４）を配置し、このハニカム構造体４のうち最も上流に配置されるハニカム構造体４−１の上流側に上流側電極８を、最も下流に配置されるハニカム構造体４−４の下流側に下流側電極９を配置し、上流側電極８を導線１０によって高電圧電源（高電圧源）５の＋極に接続し、下流側電極９を導線１１によって高電圧電源５の−極に接続している。

ハニカム構造体４は、セラミックス等の絶縁体で形成されており、処理対象ガスＧＳが通過する多数の貫通孔（セル）４ａを有している。各ハニカム構造体４の単位面積当たりの貫通孔４ａの数は等しくされている。すなわち、本実施の形態では、単位面積当たりの貫通孔４ａの数が等しい同一種類のハニカム構造体４−１〜４−４を使用している。上流側電極８および下流側電極９は、処理対象ガスＧＳが通過するように、金属製メッシュとされている。

また、この実施の形態において、ハニカム構造体４−１と４−２との間の間隔Ｇ１と、ハニカム構造体４−２と４−３との間の間隔Ｇ２と、ハニカム構造体４−３と４−４との間の間隔Ｇ３とは等しく、例えば０．５ｍｍ〜数ｍｍとされている。これにより、ハニカム構造体４−１と４−２との間に空気層１２−１が形成され、ハニカム構造体４−２と４−３との間に空気層１２−２が形成され、ハニカム構造体４−３と４−４との間に空気層１２−３が形成されている。以下、空気層１２（１２−１〜１２−３）を空間ギャップと呼ぶ。

このガス処理装置では、処理対象ガスＧＳをダクト１内に流し、上流側電極８と下流側電極９との間に高電圧電源５からの高電圧（数ｋＶ〜数１０ｋＶ）を印加する。これにより、ハニカム構造体４の貫通孔４ａおよびハニカム構造体４間の空間ギャップ１２にプラズマが発生し、このプラズマ中に生成されるイオンやラジカルによって、処理対象ガスＧＳに含まれる有害ガスが無害な物質に分解される。

本実施の形態において、プラズマはハニカム構造体４の貫通孔４ａだけではなく、ハニカム構造体４間の空間ギャップ１２にも発生する。このため、貫通孔４ａ内での有害ガスの分子分解効果に加え、ハニカム構造体４間の空間ギャップ１２での有害ガスの分子分解効果が加わり、さらにこの貫通孔４ａ内での分子分解効果とハニカム構造体４間の空間ギャップ１２での分子分解効果との相乗効果により、有害ガスの無害な物質への分解が促進され、ガス処理能力が高まる。また、ハニカム構造体４間の空間ギャップ１２には、対向する貫通孔４ａの縁面から電界が広がって、均一なプラズマが大量に発生する。これにより、貫通孔４ａ内に発生するプラズマのばらつきによる影響が小さくなり、ガス処理能力が安定する。

また、この実施の形態において、ハニカム構造体４間には空気層である空間ギャップ１２が設けられるので、この空間ギャップ１２により上流側電極８と下流側電極９との間のインピーダンスが安定し、ハニカム構造体の吸湿・乾燥によるインピーダンス変化に対して流れる電流の変化が小さくなる。これにより、上流側電極８と下流側電極９との間に加わる高電圧値の変化が小さくなり、高電圧電源５として、専用に設計された特殊な高電圧電源ではなく、市販されている安価な高電圧電源を使用することができるようになる。

また、この実施の形態において、電極は上流側電極８と下流側電極９の２個の電極のみでよく、ハニカム構造体４毎に電極を配置する必要がない。これにより、部品点数が削減され、構造が簡単となり、組立工数も少なくて済み、コストダウンが図られる。

〔実施の形態２〕
実施の形態１では、ハニカム構造体４−１〜４−４の単位面積当たりの貫通孔４ａの数を等しくしたが、ハニカム構造体４−１〜４−４の単位面積当たりの貫通孔４ａの数を選択的に異ならせるようにしてもよい。例えば、ハニカム構造体４−１，４−２については単位面積当たりの貫通孔４ａの数を少なし、ハニカム構造体４−３，４−４については単位面積当たりの貫通孔４ａの数を多くするようにしたり、ハニカム構造体４−１，４−２，４−３，４−４の順で単位面積当たりの貫通孔４ａの数を多くするなどとしてもよい。

ハニカム構造体４−１，４−２，４−３，４−４の順で単位面積当たりの貫通孔４ａの数を多くすると、ハニカム構造体４−１，４−２，４−３，４−４の順でプラズマの発生量が大きくなり、各ハニカム構造体４で分解可能な有害ガスの種類を異ならせることが可能となる。

例えば、その分子が持つエネルギー準位が順に高い有害ガスＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄが処理対象ガスＧＳに含まれていたものとした場合、処理対象ガスＧＳに含まれる有害ガスＡをハニカム構造体４−１で分解し、処理対象ガスＧＳに含まれる有害ガスＢをハニカム構造体４−２で分解し、処理対象ガスＧＳに含まれる有害ガスＣをハニカム構造体４−３で分解し、処理対象ガスＧＳに含まれる有害ガスＤをハニカム構造体４−４で分解するなど、各ハニカム構造体４で分解可能な有害ガスの種類を異ならせることができる。

この場合、ハニカム構造体４−２での有害ガスＢの分解に際し、ハニカム構造体４−１によって分解しきれなかった有害ガスＡの分解が行われ、ハニカム構造体４−３での有害ガスＣの分解に際し、ハニカム構造体４−１，４−２で分解しきれなかった有害ガスＡ，Ｂの分解が行われ、ハニカム構造体４−４での有害ガスＤの分解に際し、ハニカム構造体４−１，４−２，４−３で分解しきれなかった有害ガスＡ，Ｂ，Ｃの分解が行われる。

このような方法とすると、１つのハニカム構造体４で全ての有害ガスＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの分解を行うようにした場合よりも、有害ガスの分解に際して発生する副生成物（例えば、オゾン）の発生量を少なくすることができる。

〔実施の形態３〕
実施の形態２では、ハニカム構造体４−１〜４−４の単位面積当たりの貫通孔４ａの数を選択的に異ならせるようにしたが、図２に示すように、ハニカム構造体４間の間隔Ｇ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３）を異ならせるようにしてもよい。

このようにすると、空間ギャップ１２（１２−１，１２−２，１２−３）でのプラズマの発生量が異なるものとなり、ハニカム構造体４−１〜４−４の単位面積当たりの貫通孔４ａの数を選択的に異ならせた場合と同様の作用・効果を得ることができる。この場合、ハニカム構造体４−１〜４−４を単位面積当たりの貫通孔４ａの数が等しい同一種類のハニカム構造体とすることができるので、部品の種類を増やさずに済む。

また、この実施の形態３において、ハニカム構造体４間の間隔Ｇを調整可能な構造とすれば、手動でハニカム構造体４間の間隔Ｇを調整したり、自動でハニカム構造体４間の間隔Ｇを調整したりして、空間ギャップ１２でのプラズマの発生量を変え、処理対象ガスＧＳに含まれる有害ガスの種類が運用途中で変わるような場合にも柔軟に対処することが可能となる。

〔実施の形態４〕
図３にハニカム構造体４間の間隔Ｇを自動で調整するようにした場合の応用例（実施の形態４）を示す。この実施の形態４では、ハニカム構造体４−４の下流位置にオゾンの濃度を検出するオゾン検出手段１３を設け、このオゾン検出手段１３が検出するオゾンの濃度をオゾンレベル判定手段１４へ与えるようにしている。

オゾンレベル判定手段１４は、オゾン検出手段１３からのオゾンの濃度Ｏｐｖと予め設定されている閾値Ｏｔｈとを比較し、オゾン検出手段１３からのオゾンの濃度Ｏｐｖが閾値Ｏｔｈを超えている場合、オゾンの濃度Ｏｐｖが閾値Ｏｔｈ内に収まるように、ハニカム間ギャップ調整手段１５に指令を送り、ハニカム構造体４間の間隔Ｇを自動調整する。

これにより、有害ガスの分解処理後の処理対象ガスＧＳに含まれるオゾンの濃度を閾値Ｏｔｈ以下とすることが可能となり、有害ガスの分解処理後の処理対象ガスＧＳが排出される環境へのオゾンの排出量を少なくすることができる。

なお、この実施の形態４では、ハニカム構造体４−４の下流位置でオゾンの濃度を検出するようにしたが、ハニカム構造体４間の空間ギャップ１２においてオゾンの濃度を検出するようにしてもよい。

また、この実施の形態４では、有害ガスの分解処理後の処理対象ガスＧＳに含まれるオゾン、すなわち副生成物として発生するオゾンを特定ガスとし、この特定ガスの濃度が閾値内に収まるようにハニカム構造体４間の間隔Ｇを調整するようにしたが、特定ガスはオゾンに限られるものではなく、有害ガスＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄなどを特定ガスとするようにしてもよい。

また、上述した実施の形態１〜４において、ハニカム構造体４はオゾンを分解する触媒機能を備えたものとしてもよく、ハニカム構造体４−４の下流位置にオゾンを分解する触媒を設けるようにしてもよい。
また、上述した実施の形態１〜４では、ハニカム構造体４の数を４つとしたが、ハニカム構造体４の数は２つ以上であれば幾つあってもよいことは言うまでもない。
また、上述した実施の形態１〜４では、高電圧電源５を直流としているが、交流としたり、パルス電源を用いるなどとしてもよい。
また、上述した実施の形態１〜４において、副生成物としてオゾンを大量に発生させ、オゾン発生器として転用するようにしてもよい。

なお、本ガス処理装置は、燃料電池等に用いられる水素を効率的に生成する目的で、炭化水素類等から水素含有ガスを生成する、いわゆる改質にも適用することができる。例えばオクタン（ガソリンの平均分子量に比較的近い物質）Ｃ₈Ｈ₁₈の場合は、本ガス処理装置に供給すると下記（１）式で示される化学反応が促進され、その結果水素ガスを効率よく生成することができる。Ｃ₈Ｈ₁₈＋８Ｈ₂Ｏ＋４（Ｏ₂＋４Ｎ₂）→８ＣＯ₂＋１７Ｈ₂＋１６Ｎ₂・・・・（１）

本発明に係るガス処理装置の一実施の形態（実施の形態１）の要部を示す図である。 ハニカム構造体間の間隔を異ならせるようにした例（実施の形態３）を示す図である。 ハニカム構造体間の間隔を自動で調整するようにした場合の応用例（実施の形態４）を示す図である。 放電プラズマを利用した従来のガス処理装置の要部を例示する図である。

符号の説明

１…ダクト（通風路）、４（４−１〜４−４）…ハニカム構造体、４ａ…貫通孔（セル）、５…高電圧電源、８…上流側電極、９…下流側電極、１２（１２−１〜１２−４）…空間ギャップ、Ｇ（Ｇ１〜Ｇ４）…間隔、ＧＳ…処理対象ガス、１３…オゾン検出手段、１４…オゾンレベル判定手段、１５…ハニカム間ギャップ調整手段。

Claims (5)

1. 通風路の入口から出口への処理対象ガスの通過方向に沿って間隔を設けて配置され前記処理対象ガスが通過する多数の貫通孔を有する複数のハニカム構造体と、
   前記複数のハニカム構造体のうち前記処理対象ガスの通過方向の最も上流に配置されるハニカム構造体の上流側に配置される上流側電極と、
   前記複数のハニカム構造体のうち前記処理対象ガスの通過方向の最も下流に配置されるハニカム構造体の下流側に配置される下流側電極と、
   前記上流側電極と前記下流側電極との間に高電圧を印加し前記ハニカム構造体の貫通孔および前記ハニカム構造体間の空間にプラズマを発生させる高電圧源と
   を備えることを特徴とするガス処理装置。
2. 請求項１に記載されたガス処理装置において、
   前記各ハニカム構造体の単位面積当たりの貫通孔の数が異なることを特徴とするガス処理装置。
3. 請求項１に記載されたガス処理装置において、
   前記ハニカム構造体間の間隔が異なることを特徴とするガス処理装置。
4. 請求項１に記載されたガス処理装置において、
   前記ハニカム構造体間の間隔が調整可能とされていることを特徴とするガス処理装置。
5. 請求項１に記載されたガス処理装置において、
   前記ハニカム構造体の下流位置で特定ガスのガス濃度を検出する特定ガス濃度検出手段と、
   この特定ガス濃度検出手段によって検出された特定ガスのガス濃度が予め定められた閾値を超えたか否かを判定する特定ガス濃度レベル判定手段と、
   この特定ガス濃度レベル判定手段によって前記特定ガスのガス濃度が前記閾値を超えたと判定された場合に、その特定ガスのガス濃度が前記閾値内に収まるように、前記ハニカム構造体間の間隔を調整するハニカム間隔調整手段と
   を備えることを特徴とするガス処理装置。

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