JP4346068B2 - 触媒活性化装置 - Google Patents

Description

本願発明は、放電を利用して排ガスの浄化反応を促進させる排気浄化の技術に関し、特に排ガス中に含まれる燃料未燃焼物質およびガス状汚染物質を分解・除去するために用いられる触媒を、エンジン始動直後であっても極めて短時間に活性化させる技術に関する。

近年、放電による化学反応を利用して排ガスを浄化する新たな排ガス浄化技術が研究されている。例えば、特許文献１のような技術である。この技術は、排ガス浄化装置内に複数の電極を配置した積層構造の放電場を構成し、各電極間に交流電圧を印加することで排ガス中の有害成分である粒子状汚染物質（ＰＭ：Particulate Matter）、およびガス状汚染物質である窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」と記す）および燃料未燃焼物質（Total Hydrocarbon、以下「ＴＨＣ」と記す）等を浄化処理する技術が提案されている。

特開平８−４９５２５号公報

しかし、特開平８−４９５２５号公報に開示されている排気浄化装置は、放電部の電極間に常時通電することにより発生するプラズマに依存して、排ガス中の有害物質である粒子状汚染物質（ＰＭ）、ＴＨＣおよびＮＯｘ等のガス状汚染物質を浄化しているが、電力供給量が限られた車載バッテリーよりプラズマを得るための電力供給を受ける場合にあっては、電極間に供給できる電力量は限られる。また、消費される電力量が多いと、この消費された電力を補うように発電機により発電され、発電機を搭載した内燃機関の負荷が増加することから燃費を悪化させているという問題が残る。

上記のような問題点に取り組み、放電部での電力消費を抑え、かつ高効率に粒子状汚染物質（ＰＭ）、およびガス状汚染物質（ＮＯｘおよびＴＨＣ等）を浄化することが可能な内燃機関の排気浄化装置についての技術も、特許文献２などに開示されている。

特開２００２−２２１０２７号公報

しかし、特許文献２に開示された技術では、低温プラズマ（非平衡性プラズマ）により発生させたＮ０ｘおよびＴＨＣの活性種｛たとえば一酸化窒素ラジカル（ＮＯ・）や水酸基ラジカル（ＯＨ・）｝が触媒での反応を促進する機構であるが、触媒が機能する適正温度に達しない間は、未処理のままガス状汚染物質（ＮＯｘおよびＴＨＣ等）が排出される問題があった。例えば、ガソリンエンジンを用いた自動車がエンジン始動後に、排気ガスの有害物質を分解するために用いる触媒が機能する適正温度（およそ摂氏３８０度）に達するには、約１２０秒かかる。この間に発生する被処理ガスを半分にする旨の排出ガス規制が２００５年に開始されることが予定されている。すなわち、前述した１２０秒という時間を短縮することが求められている。

本発明が解決しようとする課題は、誘電体バリア放電のストリーマ発光領域内でカソードグローの発熱を利用して触媒を短時間に暖めて活性化することにより、触媒が機能しないために未処理のまま有害ガスが排出される時間をできる限り短縮する技術を提供することにある。

（請求項１）
請求項１記載の発明は、ガス処理用の触媒を短時間に活性化させるために被処理ガスの流通空間にて放電によって非平衡性プラズマを発生させ、カソードグローによる発熱をさせる放電手段と、その放電手段における放電場中または放電場の下流に配置された触媒手段とを備えた触媒活性化装置に係る。

前記の触媒手段は、 表面にカーボン系塗料または導電性塗料を塗布した触媒物質と、 触媒物質および放電手段との間に配置する金属メッシュとを備えて形成する。
前記の放電手段は、 前記の金属メッシュによる１次グランド側電極と、 前記の触媒物質による２次グランド側電極と、 バイポーラパルスを発生させるバイポーラ高周波パルス電源と、 金属および誘電体からなる印加側電極とを備えて形成する。
その印加側電極は、当該印加側電極からグランド側電極に放電されるストリーマが、被処理ガスの流れ方向に対して平行に放電される位置であって、触媒手段に対して被処理ガスの上流側に配置する。

また、前記のバイポーラ高周波パルス電源は、電力が定められた値を超えた際に電源出力回路を瞬停止させる過電流防止機構を備えるとともに、複数パルスを印加可能としたことを特徴とする。

（作用）
バイポーラ高周波パルス電源が複数パルスを印加する。印加側電極は、当該印加側電極からグランド側電極に放電されるストリーマが、被処理ガスの流れ方向に対して平行に放電される位置であって、触媒手段に対して被処理ガスの上流側に配置されているので、ストリーマ先端部が直接、触媒における入口側の表面に放電される。
ストリーマ先端部の電解強度は、ストリーマbodyの約10倍である。触媒反応を促進させる一酸化窒素ラジカル（NO・）や水酸基ラジカル（OH・）が発生するために必要な電解強度はストリーマ先端部で維持される。このストリーマ先端部が触媒入口表面に均一に放電されることにより、触媒の低温活性現象が起こる。これに加えて、１次グランド側電極として触媒入口表面に近接して金属メッシュグランド電極が配置されている。金属メッシュグランド電極に放電された、ストリーマ先端部の電解強度により金属メッシュグランド電極に電磁誘導が生じカソードグローが発生する。発生したカソードグローは、印加側電極および触媒物質による２次側グランド電極に放電を起こすことにより、通常、低温プラズマ放電では起こりえない、処理ガス温度の急上昇が発生する。
通常低温プラズマ放電のグランド側電極は、通過する処理ガスに対して垂直に設置されている。これは、グランド電極に発生したカソードグローを抑えるための配置である。空冷もしくは水冷でグランド電極を冷却することによりカソードグローの発生を抑え、アーク放電を起こさないようにしている。
上記、配列電極ではカソードグローが２方向に分散することにより、アーク放電が発生しづらい。くわえて、電力が定められた値を超えた際には、過電流防止機構が電源出力回路を瞬停止させる。そのため、カソードグローの印加側電極への放電が消え、アーク放電とはならない。したがって、アーク放電の原因となるカソードグローを利用した急激な温度上昇が可能となる。
以上のことから、放電手段が被処理ガスの流通空間にて放電によって低温プラズマ（非平衡性プラズマ）を発生させることにより、カソードグローによってガス処理用の触媒を短時間に発熱および低温活性させることができる。

（請求項２）
請求項２記載の発明は、請求項１記載の触媒活性化装置を限定したものである。
すなわち、バイポーラ高周波パルス電源が印加する複数のパルスは、パルス幅を12.5〜100μsecとし、周期を0.625〜5μsecとし、周波数を10〜80KHzとなるようにしたことを特徴とする。

本請求項にて限定する数値は、いずれも実験的に求めることができたものである。
パルス幅は、12.5μsecよりも小さくするとアーク放電となり、100μsecよりも大きくするとカソードグローが発生しなく（発熱しない）なってしまった。
また、周期は、0.625μsecよりも小さくするとアーク放電となり、5μsecよりも大きくするとカソードグローが発生しなく（発熱しない）なってしまった。
また、周波数は、10KHzよりも小さくするとカソードグローが発生せず、そのために発熱しなくなった。一方、80KHzよりも大きくするとアーク放電となってしまい、これまた発熱しなくなった。

（請求項３）
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の触媒活性化装置を限定したものである。
すなわち、金属メッシュが、その開口率を金属メッシュ外形寸法面積の50〜90％であることを特徴とする触媒活性化装置に係る。

ここで、前述の開口率は、金属メッシュ外形寸法面積の最適値としては65〜75％であった。この最適値の範囲が、被処理流体の流れと、反応時間の確保などの検知から最適となったと推測される。
なお、金属メッシュの材質は、SUS303,SUS304,SUS316などの鋼材、チタニウム、A5052等が好ましいことが、実験にて把握できた。

（請求項４）
請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の触媒活性化装置を限定したものである。
すなわち、印加側電極とグランド側電極との間隔を、1〜10ｍｍとなるように配置したことを特徴とする触媒活性化装置に係る。

ここで、印加側電極とグランド側電極との間隔の最適値は、2〜4ｍｍであった。この最適値の範囲では、発熱と触媒の低温活性を両立させるのに好ましいことが、実験にて把握できた。

（請求項５）
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の触媒活性化装置を限定したものである。
すなわち、印加側電極は、各電極間の間隔を3〜20ｍｍとするとともに、触媒手段との間隔を3〜12ｍｍ（最適値4〜6ｍｍ）としたことを特徴とする触媒活性化装置に係る。

ここで、印加側電極における各電極間の間隔の最適値は、6〜10ｍｍであった。また、触媒手段との間隔の最適値は、4〜6ｍｍであった。この最適値の範囲では、発熱と触媒の低温活性を両立させるのに好ましいことが、実験にて把握できた。

（請求項６）
請求項６記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の触媒活性化装置を限定したものである。
すなわち、触媒物質につき、白金、パラジウム、酸化マンガンのいずれかを主材とする。
また、処理ガス上流側端面から触媒内部方向に向かってカーボン系塗料または導電性塗料が0.1μｍ以上塗布し、ディプコートまたはスパッタリング蒸着を施す。そして、塗膜厚さが0.01〜250μmとなるように形成したことを特徴とする。

カーボン系塗料および導電性塗料の塗布厚さの最適値は、実験から10〜50μmであることが把握できた。
また、塗膜厚さは、塗膜形成方法による以下の数値が最適値であることが把握できた。すなわち、スパッタリング蒸着が0.01〜１μm、ディプコート0.1〜20μm、塗布1〜50μmであった。

（請求項７）
請求項７記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の触媒活性化装置を限定したものである。
すなわち、 バイポーラ高周波パルス電源の過電流防止機構は、当該バイポーラ高周波パルス電源から供給された電力が３ｋｗを瞬時に超えた場合には、電源出力回路を瞬時に停止させることとした触媒活性化装置に係る。

電力として３ｋｗを越えると、アーク放電となってしまうからである。換言すれば、過電流防止機構を備えたことによってアーク放電となることを最小限にくい止めることができる。

本願発明によれば、誘電体バリア放電のストリーマ発光領域内でカソードグローの発熱を利用して触媒を短時間に暖めて活性化することにより、触媒が機能しないために未処理のまま有害ガスが排出される時間をできる限り短縮する触媒活性化装置を提供することができた。

以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。本発明の実施形態では、ガソリンエンジンと、そのガソリンエンジンの被処理ガスを処理する排気ガス処理装置に組み込まれた触媒活性化装置について説明する。ここで使用する図面は図１乃至図４である。

図１には、本願発明に係る触媒活性化装置を、乗用車に組み込んだ様子を示している。図中には、乗用車の前方のエンジンルームに「Engine」＝エンジン、車内前方の床下付近に「Catalyst」＝触媒装置、車内後方の床下付近に「Muffler」＝マフラーを示す。更に、「Catalyst」には、組立斜視図として「Plasma electric discharge unit」＝プラズマ放電ユニットを示している。

プラズマ放電ユニットをマフラー側から説明する。マフラー側の出口に向かって先細りする筒状の金属製の触媒ハウジングと、その触媒ハウジングの筒状の入口に位置するセラミックスの触媒と、その触媒に対して所定距離となるようなパンチングメタル（金属メッシュ）と、リング状のセラミックハウジングとを備えている。
前記セラミックハウジングのリング内は、複数の内部電極棒を平行に渡し、その内部電極棒の両端部は、セラミックハウジングのリング外周へ突出するようにしている。更に、その内部電極棒と前記パンチングメタルとの間には高電圧をかけることとしている。

前記の触媒手段は、表面にカーボン系塗料または導電性塗料を塗布した触媒物質と、触媒物質および放電手段との間に配置する金属メッシュとを備えて形成する。
また、前記の放電手段は、前記のパンチングメタルによる１次グランド側電極と、前記の触媒物質による２次グランド側電極と、バイポーラパルスを発生させるバイポーラ高周波パルス電源と、金属および誘電体からなる印加側電極とを備えて形成する。触媒物質を２次グランド側電極とすることで、装置全体をコンパクト化する。

前記の電源は、バイポーラ高周波パルス電源とし、電力が定められた値を超えた際に電源出力回路を瞬停止させる過電流防止機構を備えるとともに、複数パルスを印加可能なものとしている。具体的には、電力として３ｋｗを瞬時に超えた場合には、電源出力回路を瞬時に停止させることとしている。
なお、自動車のバッテリーを電源とする本実施形態では、昇圧回路にて５０〜１２０ｋｖに昇圧し、その高電圧を用いて電極へ印加し、グランド電極を介してグランドへアースすることとしている。

バイポーラ高周波パルス電源が印加する複数のパルスは、パルス幅を12.5〜100μsecとし、周期を0.625〜5μsecとし、周波数を10〜80KHzとなるようにしている。
パルス幅については、12.5μsecよりも小さくするとアーク放電となり、100μsecよりも大きくするとカソードグローが発生せず、発熱しない。周期については、0.625μsecよりも小さくするとアーク放電となり、5μsecよりも大きくするとカソードグローが発生せず、発熱しない。周波数については、10KHzよりも小さくするとカソードグローが発生せず、そのために発熱しなくなった。一方、80KHzよりも大きくするとアーク放電となってしまい、これまた発熱しなくなった。

前記のパンチングメタルは、その開口率を金属メッシュ外形寸法面積の50〜90％であるようなものを採択した。
また、材質については、チタニウム、A5052なども用いることができることを実験にて確認したが、SUS303,SUS304,SUS316などの鋼材が比較的安価で、好ましい。

図２には、被処理ガスの上流側から、セラミック製の誘電体電極、絶縁体、炭素を塗布した触媒、および触媒が配置された様子を概念的に示している。
炭素を塗布した触媒とは、カーボン系塗料を塗布することで導電性をも確保できるように形成している。その塗布厚さは、10〜50μmである。

触媒は、一般の自動車エンジンに用いられるものと同じであり、ここでは白金を主材とする合金とした。
図２においては、矢印によって、誘電体電極から金属メッシュに向かってストリーマが発生し、金属メッシュから炭素を塗布した触媒に向かってストリーマが発生し、炭素を塗布した触媒から触媒に向かってストリーマが発生する様子を示す。
このストリーマは、被処理ガスの流れ方向と平行である。

図３では、どのような放電現象が起きているかを概念的に示している。誘電体電極は、針状ではなく丸筒状としている。
図３[A]では、誘電体電極についてプラスマイナスを交互に配置した場合を示している。この場合には、印加側誘電体電極（+）からグランド側誘電体電極（−）へ放電が起き、処理ガスの通過にともないストリーマが触媒へ放電される。この形態では金属メッシュ１次グランド電極および炭素塗布を施した２次グランド電極がなくても放電が可能である。
図３[B]では、誘電体とパンチングメタル（金属メッシュ）との放電現象を示す。この場合には、誘電体電極の各々からストリーマが釣鐘状の形態で金属メッシュ１次グランド電極に向けて放電されることにより金属メッシュ１次グランド電極全面に放電が起こり、その後、炭素塗布を施した２次グランド電極へ金属メッシュ電極より放電が発生する。
図３[C]では、誘電体電極についてプラスとし、格子状の金属メッシュをグランド側としてマイナスとし、誘電体電極に対してちどり状の配置をした場合の放電現象を示す。この場合には、印加側誘電体電極（+）からグランド側金属メッシュ電極にV字状のストリーマが放電される。処理ガスの通過にともV字状のストリーマが乱れ、直接触媒に放電される。炭素塗布を施した２次グランド電極がなくても放電が可能である。

印加側電極とグランド側電極との間隔を、２〜４ｍｍとなるように配置する。この範囲では、発熱と触媒の低温活性を両立させるのに好ましいことが、実験にて把握できたからである。

また、印加側電極における各電極間の間隔は、6〜10ｍｍとした。また、触媒手段との間隔の最適値は、4〜6ｍｍであった。これらの組み合わせによる範囲では、発熱と触媒の低温活性を両立させるのに好ましいことが実験にて把握できたからである。

図４では、排気ガス（被処理ガス）の温度に対して、本実施形態における触媒活性化装置を作動させた場合と作動させない場合とを比較した結果を示している。
排気ガスは、２０秒ほどで摂氏２００度に達する。そして、本実施形態における触媒活性化装置を作動させていない場合には、いずれの箇所も１００秒ほど経過しないと摂氏２００度には達しない。
しかし、本実施形態における触媒活性化装置を作動させると、触媒の手前側においては３５秒ほどで、触媒装置の内部は７０秒ほどで摂氏２００度に達している。すなわち、本実施形態における触媒活性化装置の作動によって、触媒が従来よりも素早く活性化するので、被処理ガスが未処理のまま排出される時間を短縮することに寄与することが確かめられた。

本願発明は、触媒を用いて被処理ガスの所定成分を分解する装置において、触媒の表面や内部温度を上昇させる必要があるような装置、具体的には自動車のエンジン、マイクロガスタービンなどに用いることができる技術である。

本願発明の実施形態を示すための全体図である。 本願発明の実施形態の主要部を示す概念図である。 本願発明の実施形態における放電現象を示す概念図である。 本願発明の実施形態による効果を示すグラフである。

Claims (7)

1. ガス処理用の触媒を短時間に活性化させるために被処理ガスの流通空間にて放電によって非平衡性プラズマを発生させ、カソードグローによる発熱をさせる放電手段と、その放電手段における放電場中または放電場の下流に配置された触媒手段とを備えたプラズマ触媒活性化装置であって、
   前記の触媒手段は、
   表面にカーボン系塗料または導電性塗料を塗布した触媒物質と、
   触媒物質および放電手段との間に配置する金属メッシュとを備えて形成し、
   前記の放電手段は、
   前記の金属メッシュによる１次グランド側電極と、
   前記の触媒物質による２次グランド側電極と、
   バイポーラパルスを発生させるバイポーラ高周波パルス電源と、
   金属および誘電体からなる印加側電極とを備えて形成し、
   その印加側電極は、当該印加側電極からグランド側電極に放電されるストリーマが、被処理ガスの流れ方向に対して平行に放電される位置であって、触媒手段に対して被処理ガスの上流側に配置し、
   前記のバイポーラ高周波パルス電源は、電力が定められた値を超えた際に電源出力回路を瞬停止させる過電流防止機構を備えるとともに、複数パルスを印加可能とした
   ことを特徴とする触媒活性化装置。
2. バイポーラ高周波パルス電源が印加する複数のパルスは、パルス幅を12.5〜100μsecとし、周期を0.625〜5μsecとし、周波数を10〜80KHzとなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の触媒活性化装置。
3. 金属メッシュは、その開口率を金属メッシュ外形寸法面積の50〜90％としたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の触媒活性化装置。
4. 印加側電極は、グランド側電極との間隔を、1〜10ｍｍとなるように配置したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の触媒活性化装置。
5. 印加側電極は、各電極間の間隔を3〜20ｍｍとするとともに、触媒手段との間隔を3〜12ｍｍとしたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の触媒活性化装置。
6. 触媒物質は、白金、パラジウム、酸化マンガンのいずれかを主材とし、処理ガス上流側端面から触媒内部方向に向かってカーボン系塗料または導電性塗料が0.1μm以上塗布、ディプコートまたはスパッタリング蒸着を施し、
   塗膜厚さが0.01〜250μmとなるように形成したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかの触媒活性化装置。
7. バイポーラ高周波パルス電源の過電流防止機構は、当該バイポーラ高周波パルス電源から供給された電力が定められた３ｋｗを瞬時に超えた場合には、電源出力回路を瞬時に停止させることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の触媒活性化装置。