JP2010214249A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 プラズマおよび酸化触媒の併用によって効率よく、しかも低コストで、排気ガス中のPMを酸化させることができる排気ガス浄化装置を提供すること。
【解決手段】 排気ガスが通過するガス流路10と、ガス流路10に臨んで対向配置された誘電板8と、誘電板8間にプラズマを発生させるための電極9とを備える排気ガス浄化装置1において、下記一般式(1)で示される酸化触媒17を、ガス流路10に排気ガスと接触するように設ける。
A1 1−xA2 xBO3 (1)
(式中、A1は希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、A2はアルカリ金属から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、Bは周期表第4周期第3〜12族の元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、xは0<x<1の原子割合を示す。)
【選択図】図1
【解決手段】 排気ガスが通過するガス流路10と、ガス流路10に臨んで対向配置された誘電板8と、誘電板8間にプラズマを発生させるための電極9とを備える排気ガス浄化装置1において、下記一般式(1)で示される酸化触媒17を、ガス流路10に排気ガスと接触するように設ける。
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【選択図】図1
Description
本発明は、プラズマおよび酸化触媒の併用によって排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置に関する。
ディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出される排気ガスには、PM(粒子状物質)が含有されている。PMは、例えば、煤(Soot)、可溶性有機物(SOF:Soluble Organic Fraction)、サルフェートなどを含んでいる。
その種の排気ガスを浄化する装置として、プラズマ反応器が知られている。プラズマ反応器では、プラズマ中の活性種によってPMが酸化されて、排気ガスが浄化される。そして、近年では、排気ガスの浄化率をさらに向上させるために、プラズマによる浄化機能と酸化触媒による浄化機能とを併せ持つハイブリッド型の装置が提案されている。
その種の排気ガスを浄化する装置として、プラズマ反応器が知られている。プラズマ反応器では、プラズマ中の活性種によってPMが酸化されて、排気ガスが浄化される。そして、近年では、排気ガスの浄化率をさらに向上させるために、プラズマによる浄化機能と酸化触媒による浄化機能とを併せ持つハイブリッド型の装置が提案されている。
例えば、第1誘電体と、この第1誘電体に対向配置された第2誘電体と、第1および第2誘電体間に形成されたプラズマ領域と、第1および第2誘電体の互いに対向する面の各裏面に設けられた第1および第2電極部材とを備え、第1および第2誘電体におけるプラズマ領域に臨む面に、酸化触媒がコーティングされたプラズマ反応器が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、例えば、排気ガス管用管と、この排気ガス用管の上流側から下流側へ向かって順に設けられた、プラズマ反応器室と、銀含有活性化アルミナ体(還元触媒)を含む反応器室と、インジウム−含有ゼオライト材料体(還元触媒)を含む反応器とを備え、還元触媒を含む反応器室よりも上流側に、アルカリ金属ドープランタンオキシドなどの酸化触媒を配置し得る装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
また、例えば、排気ガスが流れる筒状の金属ケースと、金属ケースの中心軸上に設けられた針状放電負電極と、針状放電負電極を取り囲むドーナツ状のハニカム構造体と、ハニカム構造体よりも上流側において針状放電負電極を取り囲む接地電極とを備え、ハニカム構造体に、白金、パラジウムなどの貴金属、セリア、ジルコニア、イットリアなどの組み合わせで構成された触媒成分が担持されている排ガス浄化用触媒コンバータシステムが提案されている(例えば、特許文献3参照)。
上記のような装置では、プラズマによる浄化機能を損なわないように、酸化触媒をプラズマ反応器と共存させる必要があるので、酸化触媒の設置形態に制約が課される。
例えば、誘電体の表面に酸化触媒がコーティングされた特許文献1のような形態では、プラズマ領域の容積を確保すべく、コーティング量を増加させることが困難である。一方、少ないコーティング量の酸化触媒では、排気ガスに対して大きな接触面積を確保できないので、PMを効果的に酸化させることができないという不具合を生じる。
例えば、誘電体の表面に酸化触媒がコーティングされた特許文献1のような形態では、プラズマ領域の容積を確保すべく、コーティング量を増加させることが困難である。一方、少ないコーティング量の酸化触媒では、排気ガスに対して大きな接触面積を確保できないので、PMを効果的に酸化させることができないという不具合を生じる。
また、複数の触媒を別個の反応器室内で使用する特許文献2のような形態では、装置の構成が複雑化・大型化し、装置コストが増大するという不具合を生じる。
また、ハニカム構造体に触媒成分が担持された特許文献3のような形態では、プラズマによる浄化機能を維持しつつ、比較的大きな接触面積を触媒成分に確保できると考えられる。しかし、触媒成分の使用量が多くなるので、コストが増大するという不具合を生じる。
また、ハニカム構造体に触媒成分が担持された特許文献3のような形態では、プラズマによる浄化機能を維持しつつ、比較的大きな接触面積を触媒成分に確保できると考えられる。しかし、触媒成分の使用量が多くなるので、コストが増大するという不具合を生じる。
そこで、使用量に対するPMの酸化効率に優れる酸化触媒を設計する必要がある。
本発明の目的は、プラズマおよび酸化触媒の併用によって効率よく、しかも低コストで、排気ガス中のPMを酸化させることができる排気ガス浄化装置を提供することにある。
本発明の目的は、プラズマおよび酸化触媒の併用によって効率よく、しかも低コストで、排気ガス中のPMを酸化させることができる排気ガス浄化装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の排気ガス浄化装置は、排気ガスが通過できるように形成されたガス流路と、前記ガス流路に臨んで対向配置された誘電体と、前記誘電体間にプラズマを発生させるための電極と、前記ガス流路に排気ガスと接触するように設けられた酸化触媒とを備え、前記酸化触媒が、下記一般式(1)で示されることを特徴としている。
A1 1−xA2 xBO3 (1)
(式中、A1は希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、A2はアルカリ金属から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、Bは周期表第4周期第3〜12族の元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、xは0<x<1の原子割合を示す。)
この構成によれば、電極に電力が印加されることにより、誘電体間(ガス流路)にプラズマが発生する。そのため、誘電体間では、プラズマ中の荷電粒子(イオンや電子)や遊離基(ラジカル)などの活性種によって、通過する排気ガス中のPMを酸化させることができる。
(式中、A1は希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、A2はアルカリ金属から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、Bは周期表第4周期第3〜12族の元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、xは0<x<1の原子割合を示す。)
この構成によれば、電極に電力が印加されることにより、誘電体間(ガス流路)にプラズマが発生する。そのため、誘電体間では、プラズマ中の荷電粒子(イオンや電子)や遊離基(ラジカル)などの活性種によって、通過する排気ガス中のPMを酸化させることができる。
また、ガス流路に排気ガスと接触するように酸化触媒が設けられているので、プラズマによる酸化に加えて、酸化触媒の作用によっても排気ガス中のPMを酸化させることができる。しかも、酸化触媒が上記一般式(1)で示される組成であるため、酸化触媒の使用量に対するPMの酸化効率を向上させることができる。したがって、酸化触媒の使用量を低減することができ、コストの増大を抑制することができる。さらに、装置の複雑化・大型化を抑制することができるので、装置コストの増大を抑制することもできる。
また、本発明の排気ガス浄化装置では、前記酸化触媒が、前記誘電体間に設けられていることが好適である。
この構成では、プラズマが発生する誘電体間に酸化触媒が設けられているため、プラズマの発生によって、プラズマ中の活性種を酸化触媒に短時間で作用させることができる。活性種の作用によって酸化触媒を活性化できるので、温度による酸化触媒の活性化が困難な環境下においても効果的にPMを酸化させることができる。
この構成では、プラズマが発生する誘電体間に酸化触媒が設けられているため、プラズマの発生によって、プラズマ中の活性種を酸化触媒に短時間で作用させることができる。活性種の作用によって酸化触媒を活性化できるので、温度による酸化触媒の活性化が困難な環境下においても効果的にPMを酸化させることができる。
また、酸化触媒を誘電体間に設けても、少ない使用量でPMを十分に酸化させることができるので、誘電体間における排気ガスの通過スペースを十分に確保できる。その結果、排気ガスの圧力損失を低減することができる。
また、本発明の排気ガス浄化装置では、前記電極が、前記誘電体間に設けられており、前記酸化触媒が、前記電極に塗布されていることが好適である。
また、本発明の排気ガス浄化装置では、前記電極が、前記誘電体間に設けられており、前記酸化触媒が、前記電極に塗布されていることが好適である。
この構成では、電極が誘電体間に設けられているため、比較的強いプラズマを誘電体間に発生させることができる。また、酸化触媒および電極が、個別に設けられるのではなく、電極への酸化触媒の塗布によって一体的に設けられているため、誘電体間における排気ガスの通過スペースを大きくすることができる。それらの結果、排気ガスの圧力損失が少なく、高い活性度の活性種によって、PMを一層効果的に酸化させることができる。
また、本発明の排気ガス浄化装置では、前記電極が、前記酸化触媒が塗布されていない相対的に上流側のプラズマ発生領域と、前記酸化触媒が塗布された相対的に下流側の触媒領域とを有することが好適である。
この構成では、プラズマ発生領域におけるプラズマの発生によって、そのプラズマ中の活性種が、排気ガスとともに下流側の触媒領域へ流れる。そのため、その活性種によって、酸化触媒を活性化させることができる。すなわち、PMを酸化させるために上流側で発生するプラズマ中の活性種を、下流側の触媒領域において、酸化触媒を活性化させるために有効活用することができる。そして、触媒領域では、活性化した酸化触媒、当該領域に発生するプラズマ中の活性種および上流側から流れてくる活性種の作用によって、PMを酸化させることができる。
この構成では、プラズマ発生領域におけるプラズマの発生によって、そのプラズマ中の活性種が、排気ガスとともに下流側の触媒領域へ流れる。そのため、その活性種によって、酸化触媒を活性化させることができる。すなわち、PMを酸化させるために上流側で発生するプラズマ中の活性種を、下流側の触媒領域において、酸化触媒を活性化させるために有効活用することができる。そして、触媒領域では、活性化した酸化触媒、当該領域に発生するプラズマ中の活性種および上流側から流れてくる活性種の作用によって、PMを酸化させることができる。
さらに、本発明の排気ガス浄化装置では、前記電極が、排気ガスの流れ方向に波状に起伏し、上側の頂部と下側の頂部との間の部分に排気ガス中のPMを捕集するための捕集部を有することが好適である。
この構成では、排気ガス中のPMが捕集部で捕集されるので、捕集部にとどまった状態のPMに対して活性種を作用させることができる。そのため、プラズマによるPMの酸化効率を向上させることができる。
この構成では、排気ガス中のPMが捕集部で捕集されるので、捕集部にとどまった状態のPMに対して活性種を作用させることができる。そのため、プラズマによるPMの酸化効率を向上させることができる。
本発明の排気ガス浄化装置によれば、プラズマおよび酸化触媒の併用によって、通過する排気ガス中のPMを効率よく酸化させることができる。さらに、酸化触媒が特定の組成であるため、酸化触媒の使用量に対するPMの酸化効率を向上させることができる。したがって、酸化触媒の使用量を低減することができ、コストの増大を抑制することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の概略断面図である。図2は、図1に示す電極および誘電板の拡大斜視図である。
排気ガス浄化装置1は、例えば、自動車のディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出される、PM(Particulate Matter:粒子状物質)が含有される排気ガスを浄化する装置であって、エキゾーストパイプ(図示せず)などの排気流路の一部として設けられる。
排気ガス浄化装置1は、例えば、自動車のディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出される、PM(Particulate Matter:粒子状物質)が含有される排気ガスを浄化する装置であって、エキゾーストパイプ(図示せず)などの排気流路の一部として設けられる。
排気ガス浄化装置1は、排気流路の一部を形成する流路形成管2と、流路形成管2内に放電プラズマを発生させるプラズマ反応器3と、プラズマ反応器3に電力を供給する電源4とを備えている。
流路形成管2は、例えば、ステンレス鋼を用いて形成されており、略四角筒状の角管5と、角管5の長手方向両端部に接続され、当該両端部から角管5の長手方向外側に向かって窄む錐形の1対の錐管6とを有している。
流路形成管2は、例えば、ステンレス鋼を用いて形成されており、略四角筒状の角管5と、角管5の長手方向両端部に接続され、当該両端部から角管5の長手方向外側に向かって窄む錐形の1対の錐管6とを有している。
各錐管6は、互いに対称に形成されている。各錐管6における角管5の反対側には、流路形成管2をエキゾーストパイプ(図示せず)に接続するための略円筒状の円管7が接続されている。なお、各錐管6は、互いに対称でなくてもよい。
流路形成管2は、一方の円管7がエキゾーストパイプ(図示せず)における排気ガスの流れ方向上流側に接続され、他方の円管7がエキゾーストパイプ(図示せず)における同方向下流側に接続されることによって、上流側のエキゾーストパイプと下流側のエキゾーストパイプとの間に介在される。したがって、排気ガスは、上流側のエキゾーストパイプから一方の円管7に流入し、角管5の長手方向に沿って一方の錐管6、角管5および他方の錐管6を流れて、他方の円管7を介して下流側のエキゾーストパイプに流出することとなる。
流路形成管2は、一方の円管7がエキゾーストパイプ(図示せず)における排気ガスの流れ方向上流側に接続され、他方の円管7がエキゾーストパイプ(図示せず)における同方向下流側に接続されることによって、上流側のエキゾーストパイプと下流側のエキゾーストパイプとの間に介在される。したがって、排気ガスは、上流側のエキゾーストパイプから一方の円管7に流入し、角管5の長手方向に沿って一方の錐管6、角管5および他方の錐管6を流れて、他方の円管7を介して下流側のエキゾーストパイプに流出することとなる。
プラズマ反応器3は、流路形成管2内に設置されており、略四角板状の誘電板8と、誘電板8に挟まれ、プラズマを発生させるための電力が印加される電極9と、電極9への電力の印加によってプラズマが発生するガス流路10とを備えている。
誘電板8は、排気ガスの流れ方向と直交する上下方向において、互いに間隔を空けて、例えば、5枚積層され、角管5の互いに対向する1対の周壁間において、角管5の周壁に対して各板の表面11が平行に(角管5の長手方向に沿って)延びるように形成されている。これによって、角管5内には、互いに向き合う誘電板8間にガス流路10が形成されている。そのため、角管5内では、排気ガスは誘電板8の表面11に沿って各ガス流路10を流れることとなる。
誘電板8は、排気ガスの流れ方向と直交する上下方向において、互いに間隔を空けて、例えば、5枚積層され、角管5の互いに対向する1対の周壁間において、角管5の周壁に対して各板の表面11が平行に(角管5の長手方向に沿って)延びるように形成されている。これによって、角管5内には、互いに向き合う誘電板8間にガス流路10が形成されている。そのため、角管5内では、排気ガスは誘電板8の表面11に沿って各ガス流路10を流れることとなる。
誘電板8の厚さは、例えば、0.5〜3mmである。また、誘電板8を構成する材料としては、例えば、Al2O3(酸化アルミニウム)、ZrO2(酸化ジルコニウム)、AlN(窒化アルミニウム)、Si3N4(窒化珪素)などの低誘電率材料、例えば、BaTiO3(チタン酸バリウム)、SrTiO3(チタン酸ストロンチウム)、Ba(Sr)TiO3(チタン酸バリウムストロンチウム)などの高誘電率材料が挙げられる。
電極9は、平らな金属網からなり、仮想線12を高さの基準として、一定の振幅および一定の波長で上下に起伏する三角波状に形成されている。三角波状の電極9は、仮想線12から上下方向に一定の距離を隔てた位置において、上下交互に等間隔で配置される稜線13を有している。
このような電極9を形成するには、例えば、まず、複数の金属製の線材を一方向に間隔を空けて整列させ、整列した線材に対して、他の複数の線材を一方向に直交する他方向に編み込む。これにより、多数の網目14を全域にわたって有する略四角形の金属網を形成する。次いで、その金属網を、金属網の互いに対向する1対の辺に対して平行な稜線13が形成されるように、一定の間隔で複数回折り曲げる。以上のようにして、電極9を形成することができる。
このような電極9を形成するには、例えば、まず、複数の金属製の線材を一方向に間隔を空けて整列させ、整列した線材に対して、他の複数の線材を一方向に直交する他方向に編み込む。これにより、多数の網目14を全域にわたって有する略四角形の金属網を形成する。次いで、その金属網を、金属網の互いに対向する1対の辺に対して平行な稜線13が形成されるように、一定の間隔で複数回折り曲げる。以上のようにして、電極9を形成することができる。
電極9において、仮想線12よりも上側の稜線13U(上側の頂部)と下側の稜線13L(下側の頂部)との間の領域は、排気ガスの通過を網目14によって可能としつつ、排気ガス中のPMを捕集するための捕集部16である。
なお、線材を構成する金属としては、例えば、ステンレス鋼(SUS)、ニッケル、銅、タングステンなどが挙げられる。また、金属網は、一方向に整列した線材上において、複数の線材を他方向に間隔を空けて整列させることにより一方向および他方向の線材を交差させ、各交点を溶接や接着剤などにより固定することにより形成されてもよい。さらに、網目14の形状は、金属網の編み方を変えることにより、長方形、三角形、ひし形などであってもよい。
なお、線材を構成する金属としては、例えば、ステンレス鋼(SUS)、ニッケル、銅、タングステンなどが挙げられる。また、金属網は、一方向に整列した線材上において、複数の線材を他方向に間隔を空けて整列させることにより一方向および他方向の線材を交差させ、各交点を溶接や接着剤などにより固定することにより形成されてもよい。さらに、網目14の形状は、金属網の編み方を変えることにより、長方形、三角形、ひし形などであってもよい。
電極9には、下記一般式(1)で示される酸化触媒17が塗布されている。
A1 1−xA2 xBO3 (1)
(式中、A1は希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、A2はアルカリ金属から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、Bは周期表第4周期第3〜12族の元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、xは0<x<1の原子割合を示す。)
すなわち、酸化触媒17は、ペロブスカイト型構造であって、Aサイトには、A1として、希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素が配位されており、A2として、アルカリ金属から選ばれる少なくとも1種の元素が配位されている。また、Bサイトには、Bとして、周期表第4周期第3〜12族の元素から選ばれる少なくとも1種の元素が配位されている。
A1 1−xA2 xBO3 (1)
(式中、A1は希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、A2はアルカリ金属から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、Bは周期表第4周期第3〜12族の元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、xは0<x<1の原子割合を示す。)
すなわち、酸化触媒17は、ペロブスカイト型構造であって、Aサイトには、A1として、希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素が配位されており、A2として、アルカリ金属から選ばれる少なくとも1種の元素が配位されている。また、Bサイトには、Bとして、周期表第4周期第3〜12族の元素から選ばれる少なくとも1種の元素が配位されている。
一般式(1)において、A1で示される希土類元素としては、例えば、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Nd(ネオジム)、Pm(プロメチウム)、Gd(ガドリニウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Lu(ルテチウム)などの3価以外に価数変動しない希土類元素、例えば、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジム)、Tb(テルビウム)などの3価または4価に価数変動する希土類元素、例えば、Sm(サマリウム)、Eu(ユーロピウム)、Tm(ツリウム)、Yb(イッテルビウム)などの2価または3価に価数変動する希土類元素などが挙げられる。これらは、単独使用または2種以上併用することができる。また、これらのうち、好ましくは、3価以外に価数変動しない希土類元素が挙げられ、さらに好ましくは、Laが挙げられる。
一般式(1)において、A2で示されるアルカリ金属としては、例えば、Li(リチウム)、Na(ナトリウム)、K(カリウム)、Rb(ルビジウム)、Cs(セシウム)、Fr(フランシウム)などが挙げられる。これらは、単独使用または2種以上併用することができる。また、これらのうち、好ましくは、K、Li、Na、Rbが挙げられ、さらに好ましくは、Kが挙げられる。
一般式(1)において、Bで示される周期表第4周期第3〜12族の元素としては、Ti(チタン)、V(バナジウム)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)が挙げられる。これらは、単独使用または2種以上併用することができる。また、これらのうち、好ましくは、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znが挙げられ、さらに好ましくは、Mnが挙げられる。
一般式(1)において、Aサイトでは、xが0<x<1の数値範囲の原子割合、好ましくは、0.01≦x≦0.8の数値範囲の原子割合、さらに好ましくは、0.05≦x≦0.5の数値範囲の原子割合である。すなわち、Aサイトには、アルカリ金属が上記の原子割合で必ず含まれている。アルカリ金属の原子割合が上記した範囲であれば、排気ガスの浄化による酸化触媒17の比表面積の増大を抑制しながら、PMを効果的に酸化させることができる。
さらに、一般式(1)において、酸化触媒17には、貴金属が含まれない。貴金属としては、例えば、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)、Ag(銀)、Os(オスミウム)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)などが挙げられる。
上記のようなペロブスカイト型構造を有する酸化触媒17は、特に制限されることなく、複合酸化物を調製するための適宜の方法、例えば、共沈法、クエン酸錯体法、アルコキシド法などによって製造することができる。
上記のようなペロブスカイト型構造を有する酸化触媒17は、特に制限されることなく、複合酸化物を調製するための適宜の方法、例えば、共沈法、クエン酸錯体法、アルコキシド法などによって製造することができる。
上記の方法によって得られる酸化触媒17の比表面積は、例えば、高いほど好ましく、具体的には、2〜50m2/gであり、好ましくは、5〜50m2/gである。
そして、酸化触媒17を電極9に塗布するには、例えば、一般式(1)で示される酸化触媒のスラリーを、電極9の表面にコート層として形成するスラリーコート法が用いられる。
そして、酸化触媒17を電極9に塗布するには、例えば、一般式(1)で示される酸化触媒のスラリーを、電極9の表面にコート層として形成するスラリーコート法が用いられる。
スラリーコート法では、まず、一般式(1)で示される酸化触媒に、水を加えてスラリーを調製する。次いで、調製されたスラリーに電極9を浸漬することにより、電極9の表面をスラリーでコーティングする。次いで、乾燥し、さらに、所定の焼成温度(例えば、400〜800℃)および焼成時間(例えば、0.5〜5時間)で焼成する。そのようにして、酸化触媒17を形成することができる。
そして、酸化触媒17は、稜線13に直交する方向における電極9の一端18から同方向に沿って、電極9の面積の、例えば、30〜80%を被覆するように形成される。酸化触媒17による被覆によって、電極9には、酸化触媒17で被覆されていないプラズマ発生領域19と、酸化触媒17で被覆された触媒領域20とが形成される。
そして、酸化触媒17で被覆された電極9は、プラズマ発生領域19が上流側(触媒領域20が下流側)となるように、かつ、稜線13が誘電板8の表面11に当接するように、各ガス流路10に1つずつ合計4つ設けられる。稜線13が排気ガスの流れ方向に直交する結果、各電極9の捕集部16が誘電板8の表面11に対して傾斜して立ち上がることとなるので、ガス流路10を流れる排気ガスを捕集部16に衝突させることができる。 また、各電極9の長手方向の長さ(稜線13の長さ)は、角管5との通電を防止する観点から、誘電板8の一辺の長さよりもやや短い。
そして、酸化触媒17で被覆された電極9は、プラズマ発生領域19が上流側(触媒領域20が下流側)となるように、かつ、稜線13が誘電板8の表面11に当接するように、各ガス流路10に1つずつ合計4つ設けられる。稜線13が排気ガスの流れ方向に直交する結果、各電極9の捕集部16が誘電板8の表面11に対して傾斜して立ち上がることとなるので、ガス流路10を流れる排気ガスを捕集部16に衝突させることができる。 また、各電極9の長手方向の長さ(稜線13の長さ)は、角管5との通電を防止する観点から、誘電板8の一辺の長さよりもやや短い。
また、各電極9において、上側の稜線13Uと下側の稜線13Lとの距離(稜線高さH)は、電極9を三角波に見立てたときの振幅の約2倍の距離であり、例えば、0.5〜5mm、好ましくは、1〜3mmである。
また、仮想線12の上下各側において隣接する電極9の稜線13の間の距離(稜線距離D)は、電極9を三角波に見立てたときの波長の約1/2の距離であり、例えば、2〜15mm、好ましくは、3〜7mmである。
また、仮想線12の上下各側において隣接する電極9の稜線13の間の距離(稜線距離D)は、電極9を三角波に見立てたときの波長の約1/2の距離であり、例えば、2〜15mm、好ましくは、3〜7mmである。
電極9には、積層方向下側から順に高電圧配線21および接地配線22が交互に接続されている。電極9は、接続される配線の種類によって、高電圧極9Hと、接地極9Gとに区別される。
各高電圧配線21は、その一端が高電圧極9Hに電気的に接続され、その他端が1本に集約されて電源4に接続されている。一方、各接地配線22は、その一端が接地極9Gに電気的に接続され、その他端が1本に集約されて接地されている。
各高電圧配線21は、その一端が高電圧極9Hに電気的に接続され、その他端が1本に集約されて電源4に接続されている。一方、各接地配線22は、その一端が接地極9Gに電気的に接続され、その他端が1本に集約されて接地されている。
なお、図1では表れていないが、高電圧配線21は、流路形成管2を貫通する部分(流路形成管2と接触する部分)において、例えば、Al2O3などの絶縁体により被覆されている。これにより、高電圧配線21と流路形成管2とは互いに絶縁されている。
電源4は、例えば、内燃機関などの動作を制御する制御ユニット(図示せず)に電気的に接続されており、当該内燃機関の動作とリンクしてその動作が制御される。また、電源4としては、例えば、直流電源、交流電源、パルス電源などが挙げられ、好ましくは、パルス電源が挙げられる。
電源4は、例えば、内燃機関などの動作を制御する制御ユニット(図示せず)に電気的に接続されており、当該内燃機関の動作とリンクしてその動作が制御される。また、電源4としては、例えば、直流電源、交流電源、パルス電源などが挙げられ、好ましくは、パルス電源が挙げられる。
以上説明した排気ガス浄化装置1は、内燃機関などの稼動に伴なって発生する排気ガスを浄化処理する。
浄化処理される排気ガスの温度は、例えば、排気ガス浄化装置1流入前の温度が、最低(始動時など)80〜100℃、最大190〜210℃、平均115〜135℃である。
そして、内燃機関の稼働中、排気ガス浄化装置1では、高電圧配線21を介して電極9に電力が印加される。
浄化処理される排気ガスの温度は、例えば、排気ガス浄化装置1流入前の温度が、最低(始動時など)80〜100℃、最大190〜210℃、平均115〜135℃である。
そして、内燃機関の稼働中、排気ガス浄化装置1では、高電圧配線21を介して電極9に電力が印加される。
印加電力の条件は、排出される排気ガスの圧力などによって異なるが、例えば、ピーク電圧が、4〜20kVであり、例えば、パルス繰返し周波数が、10〜300Hzである。
電力の印加によって、各電極9の上側の稜線13Uおよび下側の稜線13L付近に電荷が集中する。そして、電荷の集中した部分から電子が排気ガス中に放出されて、荷電粒子(イオンや電子)や遊離基(ラジカル)などの活性種を含むプラズマがガス流路10内に発生する。
電力の印加によって、各電極9の上側の稜線13Uおよび下側の稜線13L付近に電荷が集中する。そして、電荷の集中した部分から電子が排気ガス中に放出されて、荷電粒子(イオンや電子)や遊離基(ラジカル)などの活性種を含むプラズマがガス流路10内に発生する。
発生した活性種は、上流側のプラズマ発生領域19において、電極9の捕集部16で捕集され、捕集部16にとどまった状態のPMに対して作用する。その結果、ガス流路10を通過する排気ガス中のPMを酸化させて除去することができる。
一方、活性種は、排気ガスとともにガス流路10を流れるので、プラズマ発生領域19よりも下流側に形成された触媒領域20には、上流側で発生した活性種が、排気ガスとともに流れてくる。そのため、下流側に到達した活性種の作用によって、酸化触媒17を活性化させることができる。そして、活性化した酸化触媒17がPMに対して作用するので、触媒領域20では、酸化触媒、当該領域で発生するプラズマ中の活性種および上流側から流れてくる活性種の作用によって、排気ガス中のPMを酸化させて除去することができる。
一方、活性種は、排気ガスとともにガス流路10を流れるので、プラズマ発生領域19よりも下流側に形成された触媒領域20には、上流側で発生した活性種が、排気ガスとともに流れてくる。そのため、下流側に到達した活性種の作用によって、酸化触媒17を活性化させることができる。そして、活性化した酸化触媒17がPMに対して作用するので、触媒領域20では、酸化触媒、当該領域で発生するプラズマ中の活性種および上流側から流れてくる活性種の作用によって、排気ガス中のPMを酸化させて除去することができる。
浄化処理に際して、プラズマ中の活性種を利用して酸化触媒17を活性化させるので、温度による酸化触媒17の活性化が困難な環境下(例えば、排気ガスが比較的低温な内燃機関の始動時など)においても、酸化触媒17を活性化させてPMを効果的に酸化させることができる。また、上流側で発生するプラズマ中の活性種を、下流側の触媒領域20において、酸化触媒17を活性化させるために有効活用することができる。
また、酸化触媒17が上記一般式(1)で示される組成であるため、触媒の使用量に対するPMの酸化効率を向上させることができる。したがって、少ない使用量でPMを十分に酸化させることができる。よって、酸化触媒17の使用量を低減することができ、コストの増大を抑制することができる。
また、電極9が誘電板8間に設けられているため、比較的強いプラズマを誘電板8間に発生させることができる。さらに、酸化触媒17および電極9が、個別に設けられるのではなく、電極9への酸化触媒17の塗布によって一体的に設けられている。そのため、誘電板8間に発生するプラズマ中の活性種によって、活性種を酸化触媒17に短時間で作用させることができる。また、装置の複雑化・大型化を抑制することができるので、装置コストの増大を抑制することもできる。
また、電極9が誘電板8間に設けられているため、比較的強いプラズマを誘電板8間に発生させることができる。さらに、酸化触媒17および電極9が、個別に設けられるのではなく、電極9への酸化触媒17の塗布によって一体的に設けられている。そのため、誘電板8間に発生するプラズマ中の活性種によって、活性種を酸化触媒17に短時間で作用させることができる。また、装置の複雑化・大型化を抑制することができるので、装置コストの増大を抑制することもできる。
さらに、酸化触媒17であれば、電極9の多数の網目14を目詰めするなどして排気ガスとの接触面積を確保しなくても、少ない使用量でPMを十分に酸化させることができる。そのため、誘電板8間では、排気ガスが通過可能な多数の網目14を有する金属網からなる電極9によって、大きい空間を確保することができる。その結果、排気ガスの圧力損失が少なく、高い活性度の活性種によって、PMを一層効果的に酸化させることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜設計を変形することができる。
例えば、プラズマ発生領域19および触媒領域20は、図3に示すように、排気ガスの流れ方向に沿って交互に複数設けられていてもよい。
また、酸化触媒17は、電極9に塗布される態様ではなく、例えば、ハニカム状もしくは多孔体の触媒担体(例えば、コージェライト、アルミナ、シリカ、チタン酸アルミニウムなどのセラミック材料)上にコート層として形成されてもよい。酸化触媒17が少ない使用量でPMを十分に酸化させることができるため、コート層の厚さを低減して酸化触媒の使用量を低減できる。そして、電極9および酸化触媒17は、図4に示すように、誘電板8間における排気ガスの上流側から下流側へ向かってこの順に配置されることが好ましい。
例えば、プラズマ発生領域19および触媒領域20は、図3に示すように、排気ガスの流れ方向に沿って交互に複数設けられていてもよい。
また、酸化触媒17は、電極9に塗布される態様ではなく、例えば、ハニカム状もしくは多孔体の触媒担体(例えば、コージェライト、アルミナ、シリカ、チタン酸アルミニウムなどのセラミック材料)上にコート層として形成されてもよい。酸化触媒17が少ない使用量でPMを十分に酸化させることができるため、コート層の厚さを低減して酸化触媒の使用量を低減できる。そして、電極9および酸化触媒17は、図4に示すように、誘電板8間における排気ガスの上流側から下流側へ向かってこの順に配置されることが好ましい。
また、電極9は、波状に起伏する形状である必要はなく、例えば、金属板状であってもよい。その場合、図5に示すように、誘電板8の内部に埋め込まれることによって、1枚の誘電板8を構成する誘電体に挟まれていてもよい。そして、酸化触媒17は、図5に示すように、誘電板8の表面11において、電極9と対向する部分に塗布されていてもよい。
また、電極9の形状は、三角波状でなく、正弦波状、余弦波状、のこぎり波状であってもよい。さらに、例えば、図6に示すように、金属網に規則的もしくは不規則的に凹部23および凸部24が設けられた三次元曲面状の電極であってもよい。この場合、電極9は、凸部24が誘電板8の表面11に当接するように、誘電板8間に配置される。
本発明の排気ガス浄化装置の用途としては、例えば、ディーゼル機関から排出される排気ガスの浄化、化学プラントから排出される排気ガスの浄化などが挙げられる。
本発明の排気ガス浄化装置の用途としては、例えば、ディーゼル機関から排出される排気ガスの浄化、化学プラントから排出される排気ガスの浄化などが挙げられる。
次に、本発明を実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明は下記の実施例によって限定されるものではない。
1.触媒の酸化特性評価
試験例1〜21
PMの代わりに酸化対象物として炭素粉末を使用し、炭素粉末に対する各触媒(下記表1参照)の酸化特性を評価する試験によって、各触媒のPMに対する酸化能力を比較した。試験は、以下の通り行なった。
1)触媒粉末の調製
表1に示す各触媒粉末を公知の方法によって調製した。
2)TG試験1
各触媒粉末6mgと、カーボン粉末3mgとを混合した。次いで、混合粉末を加熱し、加熱時における粉末の重量変化を、示差熱熱重量同時測定装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー社製)によって測定した。測定は、O2:10%、N2:バランス雰囲気中、流量100ml/min、昇温速度10℃/minの条件で行なった。
1.触媒の酸化特性評価
試験例1〜21
PMの代わりに酸化対象物として炭素粉末を使用し、炭素粉末に対する各触媒(下記表1参照)の酸化特性を評価する試験によって、各触媒のPMに対する酸化能力を比較した。試験は、以下の通り行なった。
1)触媒粉末の調製
表1に示す各触媒粉末を公知の方法によって調製した。
2)TG試験1
各触媒粉末6mgと、カーボン粉末3mgとを混合した。次いで、混合粉末を加熱し、加熱時における粉末の重量変化を、示差熱熱重量同時測定装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー社製)によって測定した。測定は、O2:10%、N2:バランス雰囲気中、流量100ml/min、昇温速度10℃/minの条件で行なった。
また、このTG試験1前後の各触媒粉末の比表面積を求めた。それらの比表面積を表1に示す。
3)TG試験2
各触媒粉末のみを加熱し、上記と同じ装置(同条件)によって、各触媒粉末の重量変化を測定した。この試験によって、加熱による触媒自身の重量変化が得られた。
4)TG試験3
カーボン粉末のみを加熱し、上記と同じ装置(同条件)によって、カーボン粉末の重量変化を測定した。この試験は、各試験例の共通の試験として1度だけ行なった。この試験によって、触媒の作用ではなく、加熱による酸化のみに起因するカーボン粉末自身の重量変化が得られた。
5)触媒の酸化特性の算出
(TG試験1による測定値)−(TG試験2による測定値)−(TG試験3による測定値)を計算することによって、触媒の作用による酸化のみによって変化したカーボン粉末の重量変化を求めた。
3)TG試験2
各触媒粉末のみを加熱し、上記と同じ装置(同条件)によって、各触媒粉末の重量変化を測定した。この試験によって、加熱による触媒自身の重量変化が得られた。
4)TG試験3
カーボン粉末のみを加熱し、上記と同じ装置(同条件)によって、カーボン粉末の重量変化を測定した。この試験は、各試験例の共通の試験として1度だけ行なった。この試験によって、触媒の作用ではなく、加熱による酸化のみに起因するカーボン粉末自身の重量変化が得られた。
5)触媒の酸化特性の算出
(TG試験1による測定値)−(TG試験2による測定値)−(TG試験3による測定値)を計算することによって、触媒の作用による酸化のみによって変化したカーボン粉末の重量変化を求めた。
TG試験1の測定値は、触媒の作用による酸化のみに起因するカーボンの重量変化だけではなく、TG試験2で得られた触媒自身の重量変化およびTG試験3で得られたカーボン粉末自身の重量変化を含んでいる。したがって、TG試験1の測定値と、TG試験2の測定値およびTG試験3の測定値との差を求めることによって、触媒の作用による酸化のみに起因するカーボン粉末の重量変化を得ることができる。得られた結果を表1に示す。
表1を参照すると、試験例1〜6におけるカーボン粉末の重量変化が、試験例5〜21におけるカーボン粉末の重量変化に比べて、はるかに大きいことが確認された。カーボン粉末の重量変化が大きいほど、触媒の作用によって酸化されたカーボン粉末が多いので、試験例1〜6の触媒のPMに対する酸化能力が、試験例7〜21の酸化能力よりもはるかに高いことがわかる。
実施例1
試験用エンジンベンチ(種類:2サイクルディーゼルエンジン 排気量:1200cc)を用意した。次いで、試験用エンジンベンチの排気パイプに、Pt担持ゼオライト(Pt/ゼオライト)でコートされたハニカム触媒、図1に示す構成のプラズマ反応器、ダイリューショントンネル(堀場製作所社製)を上流側から順に取り付けた。ダイリューショントンネルには、PMフィルタを取り付けた。なお、プラズマ反応器の条件は、以下の通りである。
実施例1
試験用エンジンベンチ(種類:2サイクルディーゼルエンジン 排気量:1200cc)を用意した。次いで、試験用エンジンベンチの排気パイプに、Pt担持ゼオライト(Pt/ゼオライト)でコートされたハニカム触媒、図1に示す構成のプラズマ反応器、ダイリューショントンネル(堀場製作所社製)を上流側から順に取り付けた。ダイリューショントンネルには、PMフィルタを取り付けた。なお、プラズマ反応器の条件は、以下の通りである。
酸化触媒の種類:La0.7K0.3MnO3(試験例5の触媒を使用し、電極に塗布)
酸化触媒の塗布面積:電極の約50%
そして、試験用エンジンベンチをJC08Hモード(道路運送車両の保安基準の細目を定める告示(平成14年国土交通省告示第619号)別添42に規定)で運転し、運転中、高電圧極にピーク電圧約8kV、パルス繰返し周波数約65Hzのパルス電力を印加した。
比較例1
プラズマ反応器の電極に酸化触媒を塗布しなかったこと以外は、実施例1と同じ条件(JC08Hモード)によって、試験用エンジンベンチを運転した。
比較例2
プラズマ反応器を設けなかったこと以外は、実施例1と同じ条件(JC08Hモード)によって、試験用エンジンベンチを運転した。
比較例3
ハニカム触媒およびプラズマ反応器を設けなかったこと以外は、実施例1と同じ条件(JC08Hモード)によって、試験用エンジンベンチを運転した。
PM除去性能評価試験
a.試験方法
試験用エンジンベンチの運転中、実施例1および比較例1〜3の試験用エンジンベンチの排気パイプから排出され、ダイリューショントンネルを通過するPMを、PMフィルタで捕集した。そして、捕集されたPMの重量に基づいて、JC08Hモードにおける単位走行距離当たりのPMエミッションを算出した。実施例1および比較例1〜3の相対的な比較結果を図7に示す。
b.評価
図7によると、排気ガスの浄化処理を全く行なっていない比較例3のPMエミッションが最も多く、0.043g/kmであり、酸化触媒のみによって浄化処理を行なった比較例2のPMエミッションが2番目に多く、0.018g/kmであった。そして、プラズマ反応器による浄化処理を行なった比較例1および実施例1では、比較例2よりもPMエミッションを50%以上低減された。
酸化触媒の塗布面積:電極の約50%
そして、試験用エンジンベンチをJC08Hモード(道路運送車両の保安基準の細目を定める告示(平成14年国土交通省告示第619号)別添42に規定)で運転し、運転中、高電圧極にピーク電圧約8kV、パルス繰返し周波数約65Hzのパルス電力を印加した。
比較例1
プラズマ反応器の電極に酸化触媒を塗布しなかったこと以外は、実施例1と同じ条件(JC08Hモード)によって、試験用エンジンベンチを運転した。
比較例2
プラズマ反応器を設けなかったこと以外は、実施例1と同じ条件(JC08Hモード)によって、試験用エンジンベンチを運転した。
比較例3
ハニカム触媒およびプラズマ反応器を設けなかったこと以外は、実施例1と同じ条件(JC08Hモード)によって、試験用エンジンベンチを運転した。
PM除去性能評価試験
a.試験方法
試験用エンジンベンチの運転中、実施例1および比較例1〜3の試験用エンジンベンチの排気パイプから排出され、ダイリューショントンネルを通過するPMを、PMフィルタで捕集した。そして、捕集されたPMの重量に基づいて、JC08Hモードにおける単位走行距離当たりのPMエミッションを算出した。実施例1および比較例1〜3の相対的な比較結果を図7に示す。
b.評価
図7によると、排気ガスの浄化処理を全く行なっていない比較例3のPMエミッションが最も多く、0.043g/kmであり、酸化触媒のみによって浄化処理を行なった比較例2のPMエミッションが2番目に多く、0.018g/kmであった。そして、プラズマ反応器による浄化処理を行なった比較例1および実施例1では、比較例2よりもPMエミッションを50%以上低減された。
また、比較例1と実施例1との比較では、電極に酸化触媒を塗布した実施例1のPMエミッションが0.004g/kmであり、酸化触媒を塗布しなかった比較例1のPMエミッション(0.007g/km)よりも一層低減された。また、SOF(可溶性有機物)が約45%、Soot(煤)が約20%低減された。
これらの結果、酸化触媒が塗布された電極を有するプラズマ反応器を使用した実施例1では、PMを効果的に酸化できることが確認できた。
これらの結果、酸化触媒が塗布された電極を有するプラズマ反応器を使用した実施例1では、PMを効果的に酸化できることが確認できた。
1 排気ガス浄化装置
8 誘電板
9 電極
10 ガス流路
13U 上側の稜線
13L 下側の稜線
16 捕集部
17 酸化触媒
19 プラズマ発生領域
20 触媒領域
8 誘電板
9 電極
10 ガス流路
13U 上側の稜線
13L 下側の稜線
16 捕集部
17 酸化触媒
19 プラズマ発生領域
20 触媒領域
Claims (5)
- 排気ガスが通過できるように形成されたガス流路と、
前記ガス流路に臨んで対向配置された誘電体と、
前記誘電体間にプラズマを発生させるための電極と、
前記ガス流路に排気ガスと接触するように設けられた酸化触媒とを備え、
前記酸化触媒が、下記一般式(1)で示されることを特徴とする、排気ガス浄化装置。
A1 1−xA2 xBO3 (1)
(式中、A1は希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、A2はアルカリ金属から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、Bは周期表第4周期第3〜12族の元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、xは0<x<1の原子割合を示す。) - 前記酸化触媒が、前記誘電体間に設けられていることを特徴とする、請求項1に記載の排気ガス浄化装置。
- 前記電極が、前記誘電体間に設けられており、
前記酸化触媒が、前記電極に塗布されていることを特徴とする、請求項1または2に記載の排気ガス浄化装置。 - 前記電極が、前記酸化触媒が塗布されていない相対的に上流側のプラズマ発生領域と、前記酸化触媒が塗布された相対的に下流側の触媒領域とを有することを特徴とする、請求項3に記載の排気ガス浄化装置。
- 前記電極が、排気ガスの流れ方向に波状に起伏し、上側の頂部と下側の頂部との間の部分に排気ガス中のPMを捕集するための捕集部を有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の排気ガス浄化装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009061477A JP2010214249A (ja) | 2009-03-13 | 2009-03-13 | 排気ガス浄化装置 |
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011012559A (ja) * | 2009-06-30 | 2011-01-20 | Acr Co Ltd | プラズマ放電を用いた排気ガス浄化装置 |
JP2015048773A (ja) * | 2013-09-02 | 2015-03-16 | 株式会社デンソー | ガス改質装置、排気浄化システム、空気清浄機 |
JP2018071404A (ja) * | 2016-10-27 | 2018-05-10 | ダイハツ工業株式会社 | 排気ガス浄化装置 |
JP2018200007A (ja) * | 2017-05-25 | 2018-12-20 | 富士通株式会社 | アンテナ、被覆部材、排気浄化装置 |
JP2019157716A (ja) * | 2018-03-09 | 2019-09-19 | ダイハツ工業株式会社 | プラズマリアクター |
-
2009
- 2009-03-13 JP JP2009061477A patent/JP2010214249A/ja active Pending
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JP2019157716A (ja) * | 2018-03-09 | 2019-09-19 | ダイハツ工業株式会社 | プラズマリアクター |
JP7055669B2 (ja) | 2018-03-09 | 2022-04-18 | ダイハツ工業株式会社 | プラズマリアクター |
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