JP4619976B2

JP4619976B2 - プラズマリアクタ

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Publication number: JP4619976B2
Application number: JP2006094337A
Authority: JP
Inventors: 昌明桝田; 道夫高橋; 健佐久間
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: US7863540B2; US20080072574A1; JP2007270649A; EP1840938A1

Description

本発明は、プラズマリアクタに関する。さらに詳しくは、排気ガスをプラズマ発生空間に流したときに、プラズマにより活性化された成分（活性成分）の失活を抑制し、その活性成分と粒子状物質とを効率的に反応させることができ、効率的に粒子状物質を反応処理することが可能なプラズマリアクタに関する。

二枚の電極間に誘電体を配置し高電圧の交流、あるいは周期パルス電圧をかけることにより、無声放電が発生し、これによりできるプラズマ場では活性種、ラジカル、イオンが生成され、気体の反応、分解を促進することが知られている。そして、これをエンジン排気ガス等に含まれる有害成分の除去に利用できることが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

上記特許文献１，２に記載の発明は、いずれもプラズマによるラジカル等の発生を効率的に行おうとするものであるが、排気ガス中に含有される粒子状物質（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：ＰＭ）を処理するという観点からは、未だ十分ではなかった。

これに対し、プラズマリアクタ本体と、その下流側に配置されたディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）とを備えたプラズマ反応装置が開示されている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３に記載のプラズマ反応装置によれば、プラズマリアクタ本体で排気ガスを活性化し、ＤＰＦで、ＰＭを捕集しながらその活性化された成分でＰＭを酸化処理することができる。
特開２００４−２７９８２号公報特開２００３−３４０２７２号公報特開２００４−１１５９２号公報

特許文献３に記載の発明は、ＤＰＦにおいてＰＭを捕集し酸化処理することが可能であるが、プラズマリアクタ本体で活性化された成分は、プラズマリアクタ本体から外部に流出した後は、経時的に失活していくものである。そのため、ＤＰＦにおいてＰＭを処理するときには、活性化された成分は一定割合で失活した状態となっている。従って、ＤＰＦにおいてＰＭを十分に処理するためには、プラズマリアクタ本体において、失活分を加味した、余分なプラズマを発生させ、余分な活性成分を発生させる必要があった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、排気ガスをプラズマ発生空間に流したときに、プラズマにより活性化された成分（活性成分）の失活を抑制し、その活性成分と粒子状物質とを効率的に反応させることができ、効率的に粒子状物質を反応処理することが可能なプラズマリアクタを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、以下のプラズマリアクタを提供するものである。

［１］筒状に形成され、一方の端部（入口側端部）から他方の端部（出口側端部）まで、内部をガスが通過することが可能な絶縁性のプラズマリアクタ本体と、前記プラズマリアクタ本体の入口側端部に配置される正電極と、ガスの流路となる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁を備え、一方の端部（フィルタ入口端部）が開口され且つ他方の端部（フィルタ出口端部）が目封じされた所定のセル（入口開放セル）と、前記フィルタ入口端部が目封じされ且つ前記フィルタ出口端部が開口された残余のセル（出口開放セル）とが交互に配設されてなり、前記フィルタ入口端部と前記プラズマリアクタ本体の出口側端部とが対向するように配置される導電性のハニカムフィルタと、前記正電極と前記ハニカムフィルタとに接続され、前記正電極と前記ハニカムフィルタとをプラズマ発生電極として、これら２つの電極の間にパルス電圧を印加してプラズマを発生させることが可能なパルス電源とを備えるプラズマリアクタ。

［２］前記プラズマリアクタ本体が、ガスの流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を備えるハニカム構造体である［１］に記載のプラズマリアクタ。

［３］前記プラズマ発生電極を構成する前記正電極が、網目構造を有し、それぞれの網目間隔が、前記プラズマリアクタ本体の前記ガスの流れ方向に垂直な断面におけるセルピッチの２〜２０倍である［２］に記載のプラズマリアクタ。

［４］前記プラズマ発生電極を構成する前記正電極が、並行に配列された複数の帯状の導電性部材から構成され、前記導電性部材のそれぞれの配列間隔が、前記プラズマリアクタ本体の前記ガスの流れ方向に垂直な断面におけるセルピッチの２〜２０倍である［２］に記載のプラズマリアクタ。

［５］前記プラズマリアクタ本体に触媒が担持されている［１］〜［４］のいずれかに記載のプラズマリアクタ。

［６］前記触媒が、貴金属、アルミニウム、ニッケル、ジルコニウム、チタン、セリウム、コバルト、マンガン、亜鉛、及びバリウムからなる群から選択された少なくとも一種を含有する［５］に記載のプラズマリアクタ。

［７］前記貴金属が白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、銀、及び金からなる群から選択された少なくとも一種である［６］に記載のプラズマリアクタ。

［８］前記プラズマリアクタ本体がアルミナ、ジルコニア、窒化珪素、窒化アルミニウム、サイアロン、ムライト、シリカ、及びコーディエライトからなる群から選択された少なくとも一種を含有する［１］〜［７］のいずれかに記載のプラズマリアクタ。

［９］前記ハニカムフィルタに触媒が担持されている［１］〜［８］のいずれかに記載のプラズマリアクタ。

［１０］前記触媒が、アルミニウム、シリカ、チタニア、ジルコニウム、及びセリアからなる群から選択された少なくとも一種を含有する［９］に記載のプラズマリアクタ。

［１１］前記ハニカムフィルタが導電性セラミックスにより形成されている［１］〜［１０］のいずれかに記載のプラズマリアクタ。

［１２］前記導電性セラミックスが、炭化珪素を含有するものである［１１］に記載のプラズマリアクタ。

［１３］前記ハニカムフィルタのセル密度が、４〜１８６セル／ｃｍ^２である［１］〜［１２］のいずれかに記載のプラズマリアクタ。

［１４］前記ハニカムフィルタの、前記ガスの流れ方向における長さが、５ｍｍ〜２００ｍｍである［１］〜［１３］のいずれかに記載のプラズマリアクタ。

［１５］前記プラズマリアクタ本体がハニカム構造体である場合のセル密度が、４〜１８６セル／ｃｍ^２である［２］〜［１４］のいずれかに記載のプラズマリアクタ。

［１６］前記プラズマリアクタ本体の、前記ガスの流れ方向における長さが、５〜４０ｍｍである［１］〜［１５］のいずれかに記載のプラズマリアクタ。

［１７］前記正電極と前記プラズマリアクタ本体の間隔が、０．０５〜１０ｍｍである［１］〜［１６］のいずれかに記載のプラズマリアクタ。

［１８］前記正電極の表面が、絶縁体によって覆われている［１］〜［１７］のいずれかに記載のプラズマリアクタ。

［１９］前記正電極の表面が、耐腐食性金属によって覆われている［１］〜［１８］のいずれかに記載のプラズマリアクタ。

［２０］前記パルス電源から供給される電圧波形が、ピーク電圧が１ｋＶ以上かつ１秒あたりのパルス数が１以上であるパルス波形、ピーク電圧が１ｋＶ以上かつ周波数が１以上である交流電圧波形、電圧が１ｋＶ以上の直流波形、又は、これらのいずれかを重畳してなる電圧波形である［１］〜［１９］のいずれかに記載のプラズマリアクタ。

［２１］ディーゼルエンジンの燃焼ガスの排気中に設置された［１］〜［２０］のいずれかに記載のプラズマリアクタ。

本発明のプラズマリアクタによれば、プラズマリアクタ本体を挟むようにして正電極と、導電性のハニカムフィルタとが配設され、これら正電極とハニカムフィルタとにパルス電源が接続されているため、正電極とハニカムフィルタとの間にパルス電圧を印加することが可能となり、プラズマリアクタ本体で活性化された成分がハニカムフィルタ内に移動した後も失活し難くなる。これは、導電性のハニカムフィルタを電極とすることにより、ハニカムフィルタ内にもプラズマが発生するため、活性化された成分の失活を抑えることができるからである。これにより、排気ガスをプラズマ発生空間に流したときに、プラズマにより活性化された成分（活性成分）の失活を抑制し、その活性成分と粒子状物質とを効率的に反応させることができ、効率的に粒子状物質を反応処理することが可能となる。

次に本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

図１は、本発明のプラズマリアクタの一の実施形態を示す模式図である。本実施形態のプラズマリアクタ１００は、図１に示すように、プラズマリアクタ本体１と、正電極１１と、導電性のハニカムフィルタ２１と、パルス電源３１とを備えるものであり、パルス電源３１は、正電極１１と導電性のハニカムフィルタ２１とに接続されている。図１においては、プラズマリアクタ本体１、正電極１１、及びハニカムフィルタ２１は離間した状態で配置されているが、プラズマリアクタ本体１内部でプラズマを効率的に発生させ、プラズマによって活性化された成分の失活を抑制するためには、正電極１１とプラズマリアクタ本体１との間隔を下記所定の間隔とし、ハニカムフィルタ２１とプラズマリアクタ本体１の出口側端部３とを接触させた状態とすることが好ましい。

本実施形態のプラズマリアクタ１００は、このように導電性のハニカムフィルタ２１が一方の電極として使用されているため、正電極１１と導電性のハニカムフィルタ２１とをプラズマ発生電極とし、これらの間にパルス電圧が印加されると、プラズマリアクタ本体１内にプラズマが発生すると共に、ハニカムフィルタ２１のセル内にもプラズマが発生する。そのため、プラズマリアクタ本体１の入口側端部２から排気ガスｇを流入させると、プラズマリアクタ本体１内のプラズマにより、活性酸素、オゾン、ＮＯ_ｘ、酸素ラジカル、ＮＯ_ｘラジカル等の活性成分が発生し、これら活性成分がハニカムフィルタ内に移動しても、ハニカムフィルタ内のプラズマにより失活せずに、捕集された粒子状物質の処理に効率的に利用することが可能となる。

本実施形態のプラズマリアクタ１００を構成するプラズマリアクタ本体１は、絶縁性であり、筒状に形成され、一方の端部（入口側端部２）から他方の端部（出口側端部３）まで、内部をガスが通過することが可能に形成されている。プラズマリアクタ本体１の絶縁性は、ガスが流れる方向で長さ３．３ｃｍ、断面積１．１ｃｍ^２（ガスの流れ方向に垂直な断面の断面積）の直方体を切出し、直流電源による定電流４端子法にて電圧端子間２．５ｃｍで測定（１０００℃）した際に、抵抗率として１×１０^４Ω・ｃｍ以上が好ましく、更に抵抗率として１×１０^５Ω・ｃｍ以上がより好ましい。プラズマリアクタ本体１は、内部をガスが通過できる構造体であれば使用可能であるが、多層構造、ハニカム構造等が好ましく、特にハニカム構造を有することが好ましい。本実施形態においては、プラズマリアクタ本体１は、円筒状のハニカム構造体であるが、形状としてはこれに限定されるものではなく、四角柱状等の他の形状のハニカム構造体であってもよい。ここで、ハニカム構造体とは、ガスの流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を備えた構造体である。ハニカム構造体である場合には、そのセル形状も本実施形態のように四角形に限定されるものではなく、円形、楕円形、三角形、略三角形、その他の多角形等であってもよい。

プラズマリアクタ本体１がハニカム構造体である場合には、そのセル密度が、４〜１８６セル／ｃｍ^２であることが好ましい。４セル／ｃｍ^２より低いと、各セルの隔壁の表面において沿面放電するプラズマの発生領域が疎らとなり、排気ガスを活性化する効率が低下することがあり、１８６セル／ｃｍ^２より高いと、ハニカム構造体の背圧抵抗が増加することがある。また、プラズマリアクタ本体１の、ガスの流れ方向における長さは、５〜４０ｍｍであることが好ましく、１０〜３０ｍｍであることが更に好ましい。５ｍｍより短いと、沿面放電によるプラズマの発生領域が狭すぎて、例えば、排ガスに含まれる対象物質の大部分が活性化、又は酸化されないままプラズマリアクタ本体１から流出することがあり、４０ｍｍより長いと、プラズマを発生させるための電力が大量に必要となることや、プラズマリアクタ本体１自体が大型となり自動車等の排気系中に設置することが困難となることがある。

プラズマリアクタ本体１は、絶縁材料で形成されているが、特にセラミックスにより形成されていることが好ましい。セラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、窒化アルミニウム、サイアロン、ムライト、シリカ、コーディエライト等を好適に使用することができる。これらは、一種単独で使用しても良いし、複数種を組み合わせて使用しても良い。

プラズマリアクタ本体１は、プラズマにより酸化力の強い活性酸素等の活性成分を効率的に発生させるために触媒を担持することが好ましい。触媒を担持することにより、効率的に活性成分を発生させることが可能になるため、プラズマ発生のための投入エネルギーを低減することも可能になる。担持する触媒としては、プラズマにより排気ガスから活性酸素等の活性成分を効率的に発生させることができるものであれば特に限定されず、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、銀、金等の貴金属や、アルミニウム、ニッケル、ジルコニウム、チタン、セリウム、コバルト、マンガン、亜鉛、バリウム等を好適に用いることができる。また、これら金属触媒成分を担持するコート層成分としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＣｅＯ_２等を挙げることができる。

本実施形態に使用する正電極１１は、導電性の高い金属、又は導電性の高いセラミックス製が好ましい。導電性の高い金属としては、例えば、鉄、金、銀、銅、チタン、アルミニウム、ニッケル、クロム、タングステン、モリブデン、からなる群から選ばれる少なくとも一種の成分を含む金属、又は合金を好適例に挙げることができる。導電性の高いセラミックスとしては、例えば、炭化珪素が挙げられる。その場合、炭化珪素担体であるか、又は成分の一部に炭化珪素が含まれていれば良い。また、正電極１１は、腐食を防止するために、耐腐食性金属で覆われていることが好ましい。耐腐食性金属としては、例えば、金、白金、銀等を挙げることができる。また、正電極１１は、その表面が絶縁体によって覆われていることが好ましい。絶縁体で覆われることにより、電極全体から均一にプラズマを発生させ易くなる。絶縁体としては、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、窒化アルミニウム、サイアロン、ムライト、シリカ、コーディエライト等のセラミック等を挙げることができる。正電極１１の構造としては、網目構造が挙げられ、その場合は網目が四角形に限定されることはなく、円、楕円、三角、略三角、又はその他の多角形であっても良い。網目構造のそれぞれの網目間隔は、プラズマリアクタ本体１がハニカム構造である場合には、そのガスの流れ方向に垂直な断面におけるセルピッチの２〜２０倍であることが好ましい。また、正電極１１が、複数の帯状の導電性部材が並行に配列された構造であっても良い。また、正電極１１の大きさはプラズマリアクタ本体１の入口側端部２の大きさに合わせて形成すればよいが、導電性部材のそれぞれの配列間隔が、プラズマリアクタ本体１の前記ガスの流れ方向に垂直な断面におけるセルピッチの２〜２０倍であることが好ましい。また、正電極１１の厚さは、１〜２ｍｍとすることが好ましい。

正電極１１とプラズマリアクタ本体１との間隔は、０．０５〜１０ｍｍであることが好ましく、０．１〜５ｍｍであることが更に好ましい。０．０５ｍｍより短いと、電界集中が起こり易く、これを起点として短絡し易くなることがあり、１０ｍｍより長いとプラズマの発生効率が低下することがある。

本実施形態に使用するハニカムフィルタ２１は、ガスの流路となる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁を備え、一方の端部（フィルタ入口端部）２２が開口され且つ他方の端部（フィルタ出口端部）２３が目封じされた所定のセル（入口開放セル）と、フィルタ入口端部２２が目封じされ且つフィルタ出口端部２３が開口された残余のセル（出口開放セル）とが交互に配設されてなるものである。このような構造のハニカムフィルタは、エンジン排ガス等に含有される粒子状物質を捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルター（ＤＰＦ）として好適に使用されるものである。ハニカムフィルタ２１は、パルス電源３１により電圧を印加されたときには、上記セルの内部にもプラズマが発生し、プラズマリアクタ本体で発生した活性成分が失活することを抑制することが可能となる。これにより、本実施形態のプラズマリアクタ１００は、活性成分と粒子状物質とを効率的に反応させることができ、効率的に粒子状物質を反応処理することが可能となる。

ハニカムフィルタ２１は、プラズマを発生させる電極として使用するため、導電性である。その材質としては、絶縁物でなければ特に限定されるものではないが、電気抵抗が低ければ低いほど好ましい。ハニカムフィルタ２１の電気抵抗は、ガスが流れる方向で長さ３．３ｃｍ、断面積１．１ｃｍ^２（ガスの流れ方向に垂直な断面の断面積）の直方体を切出し、直流電源による定電流４端子法にて電圧端子間２．３ｃｍで測定（１０００℃）した際に、抵抗率として１×１０^３Ω・ｃｍ以下が好ましく、更に抵抗率として１×１０^２Ω・ｃｍ以下がより好ましい。例えば、導電性セラミックスであることが好ましく、特に成分として炭化珪素（ＳｉＣ）が含まれていることが好ましい。

ハニカムフィルタ２１の隔壁により形成されるセルのセル密度は特に限定されるものではないが、粒子状物質を効率良く除去する観点より、４〜１８６セル／ｃｍ^２が好ましい。また、隔壁厚さは特に限定されるものではないが、隔壁厚さが薄くなるほどハニカムフィルタ２１の機械的強度が低下して衝撃や温度変化による熱応力によって破損することがあり、逆に隔壁厚さが厚くなるほどハニカムフィルタ２１に占めるセルの体積の割合が低くなり、ハニカムフィルタ２１の背圧抵抗が増加することがあるとの観点より、０．０５〜２ｍｍであることが好ましい。また、ハニカムフィルタ２１のガスの流れ方向における長さが、５ｍｍ〜２００ｍｍであることが好ましい。

ハニカムフィルタ２１は、排ガス中に含有される粒子状物質と、プラズマリアクタ本体で発生した活性成分とが流入し、粒子状物質を隔壁で捕集し、捕集された粒子状物質を活性成分で酸化処理するものである。このとき、粒子状物質の酸化処理（燃焼）を促進させるために、排ガスと接触するＤＰＦの排ガス流路表面（隔壁表面）に触媒作用を有する物質をコートする（触媒を担持する）ことが好ましい。具体的には、金属酸化物、特にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、セリア（ＣｅＯ_２）等から選択でき、特に好ましくはＣｅＯ_２である。これらを単独、又は複数を組み合わせて使用することができる。コートされる金属酸化物量は、担持体に対して、０．１〜２０質量％であることが好ましく、１〜１０質量％であることが更に好ましい。更に、遷移金属及び／又は貴金属を担持することもできる。具体的にはＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ等の遷移金属、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ａｇ等の貴金属が挙げられる。担持させる金属量は、金属酸化物に対して０．１〜２０質量％であり、特に好ましくは１〜１０質量％である。これらの金属は単独、又は組み合わせて使用できる。一方、担持体としては、ＨＹ型ゼオライト、ＨＸ型ゼオライト、Ｈ型モルデナイト、シリカアルミナ、金属シリケート、シリカアルミナ、ゼオライト、シリカゲル、ジルコニア、チタニアアルミナ、コージェライト、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎ等を例示でき、これらの担持体をＤＰＦにコートして使用することができる。

本実施形態に使用するパルス電源３１は、パルス電源から供給される電圧波形が、ピーク電圧が１ｋＶ以上かつ１秒あたりのパルス数が１以上であるパルス波形、ピーク電圧が１ｋＶ以上かつ周波数が１以上である交流電圧波形、電圧が１ｋＶ以上の直流波形、又は、これらのいずれかを重畳してなる電圧波形であればとくに好ましいが、正電極１１とハニカムフィルタ２１とをプラズマ電極として、これらにパルス電圧を印加してプラズマリアクタ本体１内にプラズマを発生させることができればとくに限定されるものではない。パルス電圧を印加するときの、ピーク電圧としては、１〜２０（ｋＶ）であることが好ましく、５〜１０（ｋＶ）であることが更に好ましい。パルス数としては、０．５〜５（ｋＨｚ）であることが好ましく、１〜４（ｋＨｚ）であることが更に好ましい。

本実施形態のプラズマリアクタ１００は、上述のように、効率的にＰＭを反応処理することが可能であるため、特にディーゼルエンジンの燃焼ガスの排気中に設置された状態で使用されることが好ましい。

次に、本発明のプラズマリアクタの一の実施形態の製造方法について説明する。本実施形態のプラズマリアクタを構成する正電極は、導電性の高い金属、又は導電性の高いセラミックスを、図１に示す正電極１１のように網目状、又は帯状に成形することが好ましい。成形方法は、特に限定されず、通常のセラミックスの成形方法や金属の成形方法を使用することができる。

本実施形態のプラズマリアクタを構成するプラズマリアクタ本体１の製造方法は、特に限定されるものではなく、例えば、セラミック製のハニカム構造体の場合には、通常のセラミックハニカム構造体の製法によって製造することができる。例えば、所定の成形原料を混練して坏土を調製し、調製された坏土を成形してハニカム状の成形体を作製する。そして、それを乾燥させてハニカム成形体を作製し、得られたハニカム成形体を焼成してセラミックハニカム構造体を得ることができる。プラズマリアクタ本体１に触媒を担持する方法も特に限定されるものではなく、プラズマリアクタ本体を触媒が分散された溶液に浸漬する等の方法により担持することができる。

本実施形態のプラズマリアクタを構成するハニカムフィルタ２１の製造方法は、特に限定されるものではなく、通常のＤＰＦの製法によって製造することができる。例えば、上記プラズマリアクタ本体１の製造方法のようにして、セラミックハニカム構造体を作成して、各セルの両端部に互い違いに目封じを施して、入口開放セルと出口開放セルとが交互に配設されるように形成してハニカムフィルタ２１とすることができる。ハニカムフィルタ２１に触媒を担持する場合にも、上記プラズマリアクタ本体１に触媒を担持する場合と同様にすることができる。

本実施形態のプラズマリアクタを構成するパルス電源３１としては、ＳＩサイリスタを用いた高電圧パルス電源（日本ガイシ株式会社製）等を使用することができる。

上記方法により製造した、プラズマリアクタ本体１、正電極１１、ハニカムフィルタ２１及びパルス電源３１を、図１に示すように配置し、パルス電源３１を正電極１１及びハニカムフィルタ２１に導電線により電気的に接続する。正電極１１は、プラズマリアクタ本体１の入口側端部２に接触させて配設することが好ましい。また、ハニカムフィルタ２１は、そのフィルタ入口端部２２を、プラズマリアクタ本体１の出口側端部３に接触させた状態で配設することが好ましい。これらのプラズマリアクタ本体１、正電極１１、及びハニカムフィルタ２１は、ガスの入口と出口とを有するケーシング（図示せず）内に入れて使用することが好ましい。

以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
プラズマリアクタ本体（ハニカム構造体）：
コージェライトを原料とし、排ガスの流れ方向の長さが５ｍｍ、端面の直径が９３ｍｍ、セルピッチが２．５ｍｍ、隔壁の厚さが０．４３ｍｍとなるように、金属製の口金を用いて押し出し成形して形成し、それらを焼成したものを用いた。

正電極：正電極としては、網目状の電極を使用した。プラズマリアクタ本体のセルピッチの２倍の間隔（５．０ｍｍ）で、縦、横それぞれ平行に配列された導電性部材から構成されたものとし、全て正電極は、ステンレス製の板材を打ち抜き加工することにより形成した。

ハニカムフィルタ（ＤＰＦ）：
ＳｉＣ−ＤＰＦ（日本ガイシ株式会社製、排ガスの流れ方向の長さ１００ｍｍ、端面の直径９３ｍｍ、セルピッチが２．５ｍｍ）の端面（フィルタ出口端部）に銀ペーストを塗布・焼付けを行い、通電箇所を作製し、ハニカムフィルタを得た。

パルス電源：
スイッチング素子としてＳＩサイリスタを用いた高電圧パルス電源（日本ガイシ株式会社製）を使用した。

プラズマリアクタ：
上記方法により作製した、プラズマリアクタ本体、正電極、ハニカムフィルタ、及びパルス電源を図１に示すように配置し、パルス電源を、正電極及びハニカムフィルタに、導電線により電気的に接続した。この場合、ハニカムフィルタは負電極となる。正電極は、プラズマリアクタ本体の入口側端部に配設した。また、ハニカムフィルタは、そのフィルタ入口端部を、プラズマリアクタ本体の出口側端部に接触させた状態で配設した。パルス電源からのパルス電圧の印加においては、ピーク電圧１０（ｋＶ）、パルス数１（ｋＨｚ）とした。

排ガス処理試験：
排気量１４００ｃｃの直噴−ディーゼルエンジンの、回転数２０００ｒｐｍの運転条件下で発生した排ガスを、パルス電圧を印加しているプラズマリアクタに３０分間流通させて処理した。下記方法により、ＮＯ_ｘ濃度及び粒子状物質（ＰＭ）堆積量を測定した。結果を表１に示す。

ＮＯ_ｘ濃度の測定：
ＮＯ_ｘ濃度は、排ガス流通開始から１分後において、プラズマリアクタから流出した排ガスを採取して測定した。ＮＯ_ｘ濃度の測定は、堀場製作所製、商品名：ＳＩＧＵ−８３７のガス分析装置を使用して行った。尚、プラズマリアクタを流通させる前の排ガス中のＮＯ_ｘ濃度は１１５０ｐｐｍであった。

ＰＭ堆積量の測定：
ＰＭ堆積量の測定は、排ガス処理試験前後のハニカムフィルタの質量を測定して行い、その差をとってＰＭ堆積量とした。尚、プラズマリアクタを流通させる前のＰＭ排出量は３０（ｍｇ／ｍｉｎ）であった。

（実施例２）
プラズマリアクタ本体に触媒（Ｐｔ／Ａｌ_２Ｏ_３）を担持した以外は、実施例１と同様にして、プラズマリアクタを作製した。プラズマリアクタ本体への触媒担持は以下の方法で行った。そして、実施例１の場合と同様に、排ガス処理試験を行い、ＮＯ_ｘ濃度及びＰＭ堆積量を測定した。結果を表１に示す。

プラズマリアクタ本体への触媒担持：
ジニトロジアミンＰｔ水溶液に微粉アルミナ（比表面積１００ｍ^２／ｇ）を含浸させ、１２０℃で乾燥後、５５０℃で３時間焼成して、アルミナに対してＰｔを１０質量％含有するＰｔ／アルミナ粉末を得た。これにアルミナゾルと水を加えてスラリーを得た。上記プラズマリアクタ本体をスラリーに浸漬させて、乾燥、焼成行程を経てプラズマリアクタ本体の排ガスが流れる壁面に触媒を担持させた。

（実施例３）
ハニカムフィルタ（ＤＰＦ）にも触媒（Ｐｔ／Ａｌ_２Ｏ_３）を担持した以外は、実施例２と同様にして、プラズマリアクタを作製した。ハニカムフィルタへの触媒担持は上記「プラズマリアクタ本体への触媒担持」と同様の方法で行った。そして、実施例１の場合と同様に、排ガス処理試験を行い、ＮＯ_ｘ濃度及びＰＭ堆積量を測定した。結果を表１に示す。

（実施例４）
プラズマリアクタ本体の材質をＳｉＣとした以外は、実施例３と同様にして、プラズマリアクタを作製した。そして、実施例１の場合と同様に、排ガス処理試験を行い、ＮＯ_ｘ濃度及びＰＭ堆積量を測定した。結果を表１に示す。

（実施例５）
プラズマリアクタ本体に触媒（Ｃｏ／Ａｌ_２Ｏ_３）を担持した以外は、実施例１と同様にして、プラズマリアクタを作製した。プラズマリアクタ本体への触媒担持は、上記「プラズマリアクタ本体への触媒担持」の方法において、「ジニトロジアミンＰｔ水溶液」の代わりに「硝酸コバルト水溶液」を使用することによって行った。そして、実施例１の場合と同様に、排ガス処理試験を行い、ＮＯ_ｘ濃度及びＰＭ堆積量を測定した。結果を表１に示す。

（実施例６）
ハニカムフィルタ（ＤＰＦ）にも触媒（Ｐｔ／Ａｌ_２Ｏ_３）を担持した以外は、実施例５と同様にして、プラズマリアクタを作製した。ハニカムフィルタへの触媒担持は上記「プラズマリアクタ本体への触媒担持」と同様の方法で行った。そして、実施例１の場合と同様に、排ガス処理試験を行い、ＮＯ_ｘ濃度及びＰＭ堆積量を測定した。結果を表１に示す。

（比較例１）
正電極と同様の網目状の電極を、負電極としてプラズマリアクタ本体の出口側端部に配設し、パルス電源を、プラズマリアクタ本体の入口側端部に配設した正電極と、プラズマリアクタ本体の出口側端部に配設した負電極（網目状の電極）とに接続して、この２つの電極間にパルス電圧を印加するようにした以外は、実施例１と同様にしてプラズマリアクタを作製した（ハニカムフィルタ（ＤＰＦ）にはパルス電圧を印加しないようにした）。そして、実施例１の場合と同様に、排ガス処理試験を行い、ＮＯ_ｘ濃度及びＰＭ堆積量を測定した。結果を表１に示す。

（比較例２）
プラズマリアクタ本体に触媒（Ｐｔ／Ａｌ_２Ｏ_３）を担持した以外は、比較例１と同様にして、プラズマリアクタを作製した。プラズマリアクタ本体への触媒担持は上記「プラズマリアクタ本体への触媒担持」の方法で行った。そして、実施例１の場合と同様に、排ガス処理試験を行い、ＮＯ_ｘ濃度及びＰＭ堆積量を測定した。結果を表１に示す。

（比較例３）
ハニカムフィルタ（ＤＰＦ）にも触媒（Ｐｔ／Ａｌ_２Ｏ_３）を担持した以外は、比較例２と同様にして、プラズマリアクタを作製した。ハニカムフィルタへの触媒担持は上記「プラズマリアクタ本体への触媒担持」と同様の方法で行った。そして、実施例１の場合と同様に、排ガス処理試験を行い、ＮＯ_ｘ濃度及びＰＭ堆積量を測定した。結果を表１に示す。

（比較例４）
プラズマリアクタ本体に触媒（Ｃｏ／Ａｌ_２Ｏ_３）を担持した以外は、比較例１と同様にして、プラズマリアクタを作製した。プラズマリアクタ本体への触媒担持は、上記「プラズマリアクタ本体への触媒担持」の方法において、「ジニトロジアミンＰｔ水溶液」の代わりに「硝酸コバルト水溶液」を使用することによって行った。そして、実施例１の場合と同様に、排ガス処理試験を行い、ＮＯ_ｘ濃度及びＰＭ堆積量を測定した。結果を表１に示す。

表１より、実施例１〜６のプラズマリアクタは、ハニカムフィルタ（ＤＰＦ）をプラズマ発生電極として使用しているため、比較例１〜４と比較すると、粒子状物質（ＰＭ）の堆積量が少なく、ＰＭが効率的に処理されていることが分かる。

また、実施例１〜６より、プラズマリアクタ本体及びハニカムフィルタには、触媒を担持することが、ＮＯ_ｘ濃度低減、及びＤＰＦ中のＰＭ量低減という観点から、好ましいことが分かる。特に、プラズマリアクタ本体に触媒を担持体することで、プラズマリアクタ本体中に発生するプラズマと触媒とが相互作用し、ＮＯ_ｘ濃度低減、及びＤＰＦ中のＰＭ量低減に対して大きな効果をもたらしていると考えられる。

エンジン排気ガス等に含まれる有害成分の除去に利用することができる。特に、排ガス中の粒子状物質を効率的に除去するためのプラズマリアクタとして好適に利用することができる。

本発明のプラズマリアクタの一の実施形態を示す模式図である。

符号の説明

１：プラズマリアクタ本体、２：入口側端部、３：出口側端部、１１：正電極、２１：ハニカムフィルタ、２２：フィルタ入口端部、２３：フィルタ出口端部、３１：パルス電源、１００：プラズマリアクタ、ｇ：排気ガス。

Claims

筒状に形成され、一方の端部（入口側端部）から他方の端部（出口側端部）まで、内部をガスが通過することが可能な絶縁性のプラズマリアクタ本体と、
前記プラズマリアクタ本体の入口側端部に配置される正電極と、
ガスの流路となる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁を備え、一方の端部（フィルタ入口端部）が開口され且つ他方の端部（フィルタ出口端部）が目封じされた所定のセル（入口開放セル）と、前記フィルタ入口端部が目封じされ且つ前記フィルタ出口端部が開口された残余のセル（出口開放セル）とが交互に配設されてなり、前記フィルタ入口端部と前記プラズマリアクタ本体の出口側端部とが対向するように配置される導電性のハニカムフィルタと、
前記正電極と前記ハニカムフィルタとに接続され、前記正電極と前記ハニカムフィルタとをプラズマ発生電極として、これら２つの電極の間にパルス電圧を印加してプラズマを発生させることが可能なパルス電源とを備えるプラズマリアクタ。
前記プラズマリアクタ本体が、ガスの流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を備えるハニカム構造体である請求項１に記載のプラズマリアクタ。
前記プラズマ発生電極を構成する前記正電極が、網目構造を有し、それぞれの網目間隔が、前記プラズマリアクタ本体の前記ガスの流れ方向に垂直な断面におけるセルピッチの２〜２０倍である請求項２に記載のプラズマリアクタ。
前記プラズマ発生電極を構成する前記正電極が、並行に配列された複数の帯状の導電性部材から構成され、前記導電性部材のそれぞれの配列間隔が、前記プラズマリアクタ本体の前記ガスの流れ方向に垂直な断面におけるセルピッチの２〜２０倍である請求項２に記載のプラズマリアクタ。
前記プラズマリアクタ本体に触媒が担持されている請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマリアクタ。
前記触媒が、貴金属、アルミニウム、ニッケル、ジルコニウム、チタン、セリウム、コバルト、マンガン、亜鉛、及びバリウムからなる群から選択された少なくとも一種を含有する請求項５に記載のプラズマリアクタ。
前記貴金属が白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、銀、及び金からなる群から選択された少なくとも一種である請求項６に記載のプラズマリアクタ。
前記プラズマリアクタ本体がアルミナ、ジルコニア、窒化珪素、窒化アルミニウム、サイアロン、ムライト、シリカ、及びコーディエライトからなる群から選択された少なくとも一種を含有する請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマリアクタ。
前記ハニカムフィルタに触媒が担持されている請求項１〜８のいずれかに記載のプラズマリアクタ。
前記触媒が、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、及びセリアからなる群から選択された少なくとも一種を含有する請求項９に記載のプラズマリアクタ。
前記ハニカムフィルタが導電性セラミックスにより形成されている請求項１〜１０のいずれかに記載のプラズマリアクタ。
前記導電性セラミックスが、炭化珪素を含有するものである請求項１１に記載のプラズマリアクタ。
前記ハニカムフィルタのセル密度が、４〜１８６セル／ｃｍ^２である請求項１〜１２のいずれかに記載のプラズマリアクタ。
前記ハニカムフィルタの、前記ガスの流れ方向における長さが、５ｍｍ〜２００ｍｍである請求項１〜１３のいずれかに記載のプラズマリアクタ。
前記プラズマリアクタ本体がハニカム構造体である場合のセル密度が、４〜１８６セル／ｃｍ^２である請求項２〜１４のいずれかに記載のプラズマリアクタ。
前記プラズマリアクタ本体の、前記ガスの流れ方向における長さが、５〜４０ｍｍである請求項１〜１５のいずれかに記載のプラズマリアクタ。
前記正電極と前記プラズマリアクタ本体の間隔が、０．０５〜１０ｍｍである請求項１〜１６のいずれかに記載のプラズマリアクタ。
前記正電極の表面が、絶縁体によって覆われている請求項１〜１７のいずれかに記載のプラズマリアクタ。
前記正電極の表面が、耐腐食性金属によって覆われている請求項１〜１８のいずれかに記載のプラズマリアクタ。
前記パルス電源から供給される電圧波形が、ピーク電圧が１ｋＶ以上かつ１秒あたりのパルス数が１以上であるパルス波形、ピーク電圧が１ｋＶ以上かつ周波数が１以上である交流電圧波形、電圧が１ｋＶ以上の直流波形、又は、これらのいずれかを重畳してなる電圧波形である請求項１〜１９のいずれかに記載のプラズマリアクタ。
ディーゼルエンジンの燃焼ガスの排気中に設置された請求項１〜２０のいずれかに記載のプラズマリアクタ。