JP2009162171A

JP2009162171A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP2009162171A
Application number: JP2008002096A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Hirata; 裕人平田; Masaru Kakihana; 大垣花; Masaya Ibe; 将也井部; Hiroyuki Matsubara; 宏幸松原; Jen Shin Chang; ジェン−シンチャン
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2009-07-23

Abstract

【課題】プラズマを安定して発生させることのできるプラズマ発生装置を備えた燃料改質装置を提供する。
【解決手段】燃料供給手段とプラズマ発生装置とを備え、該プラズマ発生装置が高電圧電極と接地電極を含む３つ以上の電極を具備し、これらの電極が同一平面上で対向して配置されたことを特徴とする、燃料改質装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料改質装置、より詳しくはプラズマ放電を利用した燃料改質装置に関する。

ディーゼルエンジンや希薄燃焼エンジン等の内燃機関から排出される排ガス中のＮＯ_xを浄化する技術として、排ガス中の成分や排気管内に供給される燃料をプラズマ放電によって改質し、改質された排ガス中の成分や燃料をＮＯ_x選択還元型触媒又はＮＯ_x吸蔵還元型触媒等の触媒上で反応させることによりＮＯ_xを還元浄化する技術が従来から提案されている（例えば、特許文献１〜３を参照）。
特開２００６−１６１７６８号公報特開２００１−１５９３０９号公報特開２００４−１６０２９７号公報

しかしながら、上記のような技術においてプラズマを発生させるのに用いられる従来のプラズマ発生装置では、プラズマを安定して発生させかつこのような安定なプラズマを広い領域において作り出すことが難しく、また、このようなプラズマを発生させるためには、一般にサイズの大きな電極が必要とされる。一方、電極のサイズが大きくなると、当然ながら電極において発生する熱量も大きくなるため、このような熱によって温度が上昇した電極表面をいかにして冷却するかという問題が生じる。例えば、特許文献１では、冷却水等を用いて電極を冷却することが記載されているが、自動車等で使用するプラズマ発生装置において、このような追加の冷却設備を設けることは好ましくない。

そこで、本発明は、プラズマを安定して発生させることのできるプラズマ発生装置を備えた燃料改質装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は下記にある。
（１）燃料供給手段とプラズマ発生装置とを備え、該プラズマ発生装置が高電圧電極と接地電極を含む３つ以上の電極を具備し、これらの電極が同一平面上で対向して配置されたことを特徴とする、燃料改質装置。
（２）前記高電圧電極と前記接地電極が円周上に交互に配置されていることを特徴とする、上記（１）に記載の燃料改質装置。
（３）前記プラズマ発生装置の電極からガスを流すことを特徴とする、上記（１）又は（２）に記載の燃料改質装置。
（４）排ガス流路外に配置されたことを特徴とする、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の燃料改質装置。

本発明の燃料改質装置によれば、プラズマを安定して発生させることができるので、燃料を効率よく反応性の高い成分に改質することができる。

本発明の燃料改質装置は、燃料供給手段とプラズマ発生装置とを備え、該プラズマ発生装置が高電圧電極と接地電極を含む３つ以上の電極を具備し、これらの電極が同一平面上で対向して配置されたことを特徴としている。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明におけるプラズマ発生装置の複数の態様を模式的に示す断面図である。また、理解を容易にするため、図２に本発明におけるプラズマ発生装置の横断面図を示す。

図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、プラズマ発生装置１は、内部にプラズマを形成するための中空部を有する絶縁性材料からなる支持体２に、高電圧電極３と接地電極４を含む導電性材料からなる複数の電極を、それらの先端が支持体２の内壁面から突き出るようにして配置された構成を有する。ここで、図１（ａ）は３つの高電圧電極と３つの接地電極を含むプラズマ発生装置を例示し、図１（ｂ）は２つの高電圧電極と２つの接地電極を含むプラズマ発生装置を例示し、図１（ｃ）は１つの高電圧電極と２つの接地電極を含むプラズマ発生装置を例示している。なお、各高電圧電極には直流やパルスの電源５が電気的に接続されている。

このように３つ以上の複数の電極を同一平面上で対向して配置することにより、２つの電極によって構成される従来のプラズマ発生装置、例えば、線状電極の周りに筒状電極を配置したものや、２枚の平行平板を電極として配置したものなどに比べて、各高電圧電極３に印加する電圧を小さくすることができる。したがって、電極において発生する熱量も同様に小さくすることができるので、支持体２の中空部にプラズマをより安定して発生させることが可能である。

上記のような安定なプラズマを発生させることのできるプラズマ発生装置を任意の適切な燃料供給手段と組み合わせて使用することにより、燃料をプラズマ発生装置における支持体２の中空部に通過させたときに燃料を効率よくプラズマと作用させることができる。したがって、このようなプラズマ発生装置を含む本発明の燃料改質装置によれば、プラズマによる燃料の改質、例えば、クラッキング、ラジカル化又は気化が促進され、燃料を効率よく反応性の高い成分に軽質化することができる。

本発明の燃料改質装置によって改質される燃料としては、特に限定されないが、一般に内燃機関等で用いられる任意の液体燃料を挙げることができる。例えば、燃料としては、ガソリン、軽油、アルコールなどの液体炭化水素を使用することができる。あるいはまた、このような内燃機関から排出される排ガス中の成分、例えば、未燃炭化水素やＮＯなどのガスを本発明の燃料改質装置によって改質することもできる。

本発明によれば、上記の燃料をプラズマ発生装置に供給するための燃料供給手段としては、特に限定されないが、一般に内燃機関等で用いられる任意の燃料供給手段を使用することができる。また、本発明の燃料改質装置を内燃機関等の排ガス流路内に直接設置する場合には、燃料供給手段としての内燃機関から排出される排ガスが本発明の燃料改質装置に供給される。

本発明によれば、上記のプラズマ発生装置において用いられる電極材料としては、例えば、ステンレス、銅、タングステン、鉄、アルミニウムなどの導電性材料が挙げられる。

また、電極の形状としては、安定にプラズマを発生させることができる形状であればよく、特に限定されるものではないが、一般的には直径０．１〜１０ｍｍ程度の棒状電極を使用することができる。電極の他の態様として、例えば、球状の導電性材料を上記棒状電極の先端に取り付けたものを挙げることができる。このように電極の端面を球状にすることで電極の先端に電界が集中するエッジがなくなるため、プラズマを空間に満遍なく発生させることができる。本発明においては、一般的に３〜５０ｋＶ（周波数１０〜１０００Ｈｚ）程度のパルス電圧を高電圧電極に印加することによりプラズマを発生させることができる。

上記のプラズマ発生装置における支持体としては、内部にプラズマを形成するための中空部を有するテフロン（登録商標）等の絶縁性材料を使用することができる。中空部の形状及びサイズは、処理すべき燃料の組成及び量に応じて適宜決定すればよい。一般的には、中空部の形状は円形であり、その径は２〜１０ｃｍの範囲とすることができる。

本発明の好ましい態様によれば、プラズマ発生装置における高電圧電極と接地電極は円周上に交互に配置される。

図３（ａ）〜（ｃ）は、３つの高電圧電極と３つの接地電極を含むプラズマ発生装置に関する電極配置の組み合わせの例を示す図である。図中の実線は高電圧電極を表し、点線は接地電極を表している。

図４は、図３（ａ）の電極配置を有するプラズマ発生装置においてプラズマを発生させた場合のプラズマ放電の様子を示す写真である。なお、プラズマ発生装置としては、テフロン（登録商標）製の支持体（中空部の径１０１．４ｍｍ）にステンレス製チューブ（外径３．２ｍｍ、内径１．７ｍｍ）からなる電極を配置したものを使用し、このプラズマ発生装置の高電圧電極にパルス電圧（３０ｋＶ、周波数２００Ｈｚ）を印加した。また、後で詳述するが、プラズマ発生装置の高電圧電極には乾燥空気を２．２Ｌ／分の流量で流している。図４の写真から明らかなように、図３（ａ）の高電圧電極と接地電極が円周上に交互に配置された構成を有するプラズマ発生装置において安定なプラズマ放電を得ることができた。

本発明の好ましい態様によれば、プラズマ発生装置の電極、特には高電圧電極からガスが流される。

図５は、プラズマ発生装置の高電圧電極に乾燥空気を７．２Ｌ／分の流量で流した場合のプラズマ放電の様子を示す写真である。なお、乾燥空気の流量以外の条件は、図４の場合と同じ条件としている。図４及び図５から明らかなように、プラズマ発生装置の電極に流すガス流量を２．２Ｌ／分から７．２Ｌ／分に増加することでプラズマが形成される領域が広くなることを確認した。

プラズマ発生装置の電極に導入されるガスとしては、特に限定されないが、例えば、空気、酸素、窒素、希ガス、二酸化炭素等の純ガス又はそれらの混合ガスを使用することができる。

何ら特定の理論に束縛されることを意図するものではないが、電極に空気等のガスを流すことでプラズマを構成するイオンや電子などがこのガスの流れによって運ばれ、プラズマの発生領域が広がるものと考えられる。このようにプラズマの発生領域を広げることで、燃料を通過させるときに燃料が満遍なくプラズマと作用することができるため、燃料の改質、特にはクラッキングがより一層促進されると考えられる。さらには、電極からガスを流すことで電極を冷却することができる。一般に、電極の温度が上昇すると、放電の特性が変化して放電を作るための運転条件が安定しないという問題がある。しかしながら、本発明の好ましい態様によれば、放電の際に常に電極からガスを流すことでこのような電極の温度上昇を確実に抑えることできる。したがって、本発明の好ましい態様によれば、従来のプラズマ発生装置のように冷却水等を用いた追加の冷却設備を設けることなく、放電のための安定な運転条件を確実に実現することができる。

さらに言えば、電極にガスを流すことで、このガス自体も放電によってイオン化されると考えられる。例えば、ガスとして空気を流すと、この空気中の成分、特には酸素や窒素がイオン化されてラジカルが生成する。このようなラジカルは、図４及び５においてプラズマが発生していない領域も含め、プラズマ発生装置の中空部分全体に存在していると考えられる。したがって、このようなプラズマ発生装置を本発明の燃料改質装置において使用することで、酸素ラジカル等のラジカルが燃料の炭化水素と満遍なく反応して炭化水素を部分的に酸化し、燃料の炭化水素をアルコールやケトンなど、より低沸点の成分に改質するという効果も得ることができると考えられる。

図６は、プラズマ発生装置の高電圧電極に流す空気の流量を変化させた場合のプラズマ発生装置の最大放電電流に関する印加電圧依存性を示すグラフである。図６は、横軸にプラズマ発生装置に印加するパルス電圧（Ｖｄ）の値（ｋＶ）を示し、縦軸に最大放電電流（Ｉｄ）の値（ｍＡ）を示している。図６を参照すると、空気の流量を０．４５Ｌ／分から２．２Ｌ／分に増やすことでプラズマ発生装置の最大放電電流が一旦減少したが、空気の流量をさらに４．５Ｌ／分に増やすことでその値が大きく増加した。このことから、プラズマ発生装置の電極にガスを流すことでプラズマ発生装置の消費電力（電圧値×電流値）が影響を受け、しかもそのガス流量に最適値が存在することがわかった。但し、ガス流量の最適値は、プラズマ発生装置のサイズやプラズマ発生装置において使用される電極の数及び配置、さらには導入されるガスの組成等、種々の因子によって影響を受けかつ変化することが考えられるため、電極に流すガスの流量は、実際に使用するプラズマ発生装置の構成や導入するガスの組成等に応じて適宜決定することが必要である。なお、図４〜６においては、すべてプラズマ発生装置の高電圧電極にガスを導入しているが、このようなガスの導入は、高電圧電極のみに限定されるものではなく、接地電極において行ってもよいし、あるいはまた、高電圧電極と接地電極の両方において行ってもよい。

上記のようにプラズマ発生装置の電極にガスを流す場合、電極としては、先に記載した導電性材料からなる中空形状の電極を使用することができ、例えば、内径０．１〜１ｍｍ程度の市販のステンレス鋼管や、好ましくはガスを通すための孔を設けた球状の導電性材料を上記中空電極の先端に取り付けたものを使用することができる。

本発明の燃料改質装置は、種々の用途において適用することができる。例えば、本発明の燃料改質装置は、内燃機関の排気系において燃料を改質するのに適用することができる。

図７（ａ）及び（ｂ）は、本発明の燃料改質装置を内燃機関の排気系において適用した場合の例を模式的に示している。

図７（ａ）は、本発明の燃料改質装置１０を内燃機関１１の排ガス流路１２内に設置した例を示している。本発明の燃料改質装置１０によって形成される安定なプラズマを内燃機関１１から排出される排ガスに照射することで、排ガス中の未燃炭化水素を効率よく反応性の高い低分子量の炭化水素や水素等に改質し、あるいは排ガス中のＮＯをＮＯ₂に酸化することができる。したがって、本発明の燃料改質装置によれば、当該燃料改質装置の下流に配置されるＮＯ_x選択還元型触媒やＮＯ_x吸蔵還元型触媒等の触媒（図示せず）の排ガス浄化性能を顕著に向上させることができる。

図７（ｂ）は、本発明の燃料改質装置１０を内燃機関１１の排ガス流路１２外に設置した例を示している。このように排ガス流路１２の外に本発明の燃料改質装置１０を設置することで、排ガス流路内に設置した場合と比べて高温の排ガスによる熱の影響を回避することができるので、より安定にプラズマを発生させることができる。さらには、排ガス流路外に本発明の燃料改質装置を設置することで、例えば、排ガス流路の下流に配置される触媒（図示せず）に還元剤として供給される燃料のみにプラズマを照射すればよいので、燃料改質装置を小型化することができ、プラズマ発生装置の消費電力も小さくすることができるので経済的である。

本明細書では、本発明の燃料改質装置は、特に内燃機関の排気系において適用した場合について具体的に説明された。しかしながら、本発明の燃料改質装置によれば、軽油やガソリンなどの炭化水素等からなる燃料をより反応性の高い低分子量成分に効率よく改質することができるので、本発明の燃料改質装置を内燃機関の燃焼室内への燃料供給に適用することで、燃料の燃焼効率を顕著に改善することが可能である。

本発明におけるプラズマ発生装置の複数の態様を模式的に示す断面図である。本発明におけるプラズマ発生装置の横断面図を示す。３つの高電圧電極と３つの接地電極を含むプラズマ発生装置に関する電極配置の組み合わせの例を示す図である。図３（ａ）の電極配置を有するプラズマ発生装置においてプラズマを発生させた場合のプラズマ放電の様子を示す写真である。プラズマ発生装置の高電圧電極に乾燥空気を７．２Ｌ／分の流量で流した場合のプラズマ放電の様子を示す写真である。プラズマ発生装置の高電圧電極に流す空気の流量を変化させた場合のプラズマ発生装置の最大放電電流に関する印加電圧依存性を示すグラフである。本発明の燃料改質装置を内燃機関の排気系において適用した場合の例を模式的に示す。

符号の説明

１プラズマ発生装置
２支持体
３高電圧電極
４接地電極
５電源
１０燃料改質装置
１１内燃機関
１２排ガス流路

Claims

燃料供給手段とプラズマ発生装置とを備え、該プラズマ発生装置が高電圧電極と接地電極を含む３つ以上の電極を具備し、これらの電極が同一平面上で対向して配置されたことを特徴とする、燃料改質装置。
前記高電圧電極と前記接地電極が円周上に交互に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料改質装置。
前記プラズマ発生装置の電極からガスを流すことを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料改質装置。
排ガス流路外に配置されたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料改質装置。