JP5288342B2 - プラズマ反応器用電極 - Google Patents

Description

本発明は、工場、プラント、内燃機関などから排出される排煙に含まれて環境に悪影響を与える成分を除去するための装置などに用いられるプラズマ反応器用電極に関するものである。

従来、例えば自動車のエンジン特にはディーゼルエンジンから排出される排気ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）、及びＰＭ（粒子状物質）の排出量を低減するために、触媒及びＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）が用いられている。しかしながら、ＤＰＦの場合、ＰＭを捕集することにより内部のＰＭが増加すると、排気ガスの流通が悪くなり、ディーゼルエンジンの排気抵抗が増加し、その結果、燃費と出力が低下することになる。

このような状況に鑑みて、近年では捕集したＰＭを酸化させてガス化（ＣＯ₂）にして除去することや、排気ガスを改質してＰＭなどの排出量を低減することが試みられている。このような試みの一つとして、触媒を含む排出ガス浄化装置において、プラズマ反応器を用いるものが知られている。例えば、特許文献１に記載のものにあっては、２つの電極を備え、その一方が多孔質電極であり、電極に交流電圧を印加することにより電極間にプラズマを発生させ、そのプラズマに排ガスを接触させた後、多孔質電極を通過させて排ガス中の煤粒子を多孔質電極内に保留させ、プラズマによりオゾンなどの活性酸素と煤粒子とを反応させる構成である。

又、特許文献２のものにあっては、圧電体と電極とを備える圧電素子に、触媒成分を担持してなる触媒素子において、電極を多孔質のものにして、電極から交流電圧を印加して、圧電体の表面近傍にプラズマ類似状態を発生させるように構成している。
特表２００１−５２２３０２号公報 特開２００４−２３７１３５号公報

ところで、特許文献１に記載のものでは、多孔質の電極を、ＳｉＣ（炭化珪素）により形成している。ところがＳｉＣは、機械的安定性も良好なことから、加工が必ずしも容易ではない。このため、プラズマ反応器の形状に合わせて電極を形成する場合、例えば特許文献１の図２に示されるような円筒形状に形成する場合、平板の金属板素材を円筒に加工するような方法で形成することが難しかった。

また、特許文献２に記載のものでは、ステンレスを使用した電極が示されている。ステンレスは、主として鉄とクロムとの合金であり、ＳｉＣに比較して加工性には優れているものの、プラズマを発生させるためには高い放電開始電圧を必要とした。このため、例えば１２ボルトのバッテリを電源とする自動車では、高電圧を発生させることが不利であり、低い放電開始電圧にてプラズマを発生させることができる材質が望まれていた。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明は、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を浄化するためのプラズマ反応器用電極であって、排気ガスが流通する経路上におけるプラズマ放電を行う空間に配置され、ＰＭを含む排気ガスを通過させる孔を有した多孔質のニッケル又は銅からなり、２枚の当該電極を誘電体を挟んで対向配置する場合において、前記誘電体により２枚の当該電極間の距離がプラズマを発生させるのに十分な大きさに保たれるとともに、排気ガスは誘電体の内部を通過せず、当該電極が有している前記孔は、その内壁間において、またはその内壁に有する凹凸形状の凹部分において、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するが、排気ガス自体は当該電極における前記誘電体とは反対の面側から誘電体に臨む面側まで通過させることができるものであり、排気ガスが当該電極を通過し当該電極と前記誘電体との隙間を介して下流側へと移動することを特徴とする。

多孔質とは、少なくとも多数の貫通している孔を備えている構成のものを指すもので、多数の貫通していない穴を備えている構成のものをも含むものである。貫通しているとは、孔の一方の開口から流入した気体が孔内部を通過して、他方の開口から流出することを指す。そして貫通する孔は、気体の流入する開口と流出する開口とが異なる面側に位置するものが好ましい。また、貫通する孔は例えば、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスに含まれるＰＭのような微粒子状の物質を捕捉し得るに十分な内側断面寸法であるものが望ましい。このような貫通する孔及び貫通していない穴は、無作為又は任意に形成されるもの、及び規則的に所定の間隔をあけて形成されるもののいずれであってもよい。

このような構成であれば、低い放電開始電圧にてプラズマを発生させることが可能になる。この結果、消費電力についても低くすることが可能になる。加えて、多孔質であるために例えば、ＰＭを含む排気ガスを処理用のプラズマ反応器においては、ＰＭを捕集し、かつ優れた熱電子仕事係数を示す捕集したＰＭを電極材料として積極的に利用することが可能になる。このため、排気ガスの浄化能力を向上させることが可能になる。ニッケル又は銅は熱電子仕事関数が優れている上、容易に加工することが可能で、平板以外の形状例えば波板状、筒形状など、所望の形状に加工することができる。

均一なプラズマ放電を効率よくするには、少なくとも一方の表面に誘電体を備えてなるものが好ましい。誘電体は、多孔質のニッケル又は銅が板状である場合には、平板状にすればよい。また、誘電体は、コーティングにより多孔質のニッケル又は銅に一体的に設けるものであってよい。誘電体のコーティングは、当該電極における前記孔の開口が閉塞されないように、また前記孔が粒子状物質を捕捉するのに十分な内部寸法を確保できるように施す。対をなす当該電極はプラズマ放電を開始し得る距離をあけて配置され、プラズマが発生するその電極間の空間に排気ガスが流入する。コーティングによる誘電体の多孔質のニッケル又は銅への付与は、ニッケル又は銅からなる電極の形状が板状であっても、あるいは円筒形状などの複雑な形状であっても確実に付与することが可能になる。

本発明は、以上説明したような構成であり、低い放電開始電圧にてプラズマを発生させることができ、消費電力を低く押さえることができる。加えて、多孔質であるために例えば、ＰＭを含む排気ガスを処理用のプラズマ反応器においては、ＰＭを捕集し、かつ優れた熱電子仕事係数を示す捕集したＰＭを電極材料として積極的に利用することができ、排気ガスの浄化能力を向上させることができる。また、ニッケル又は銅であるため、容易に加工することが可能で、平板以外の形状例えば波板状、筒形状など、所望の形状に加工することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜２を参照して説明する。

この実施形態のプラズマ反応器用電極
（以下、電極と称する）１００は、図１に示すように、多孔質のニッケルからなる板状の電極板１と、電極板１の一方の表面に設けられる平板形状の誘電体２とからなるものである。

電極板１は、それぞれの表面が平坦な部分がほぼ存在しない形状をしており、少なくとも一方の表面から他方の表面に貫通する多数の貫通孔３と、それぞれの表面において陥没する貫通していない多数の凹部４と、多数の凸部５を有している。それぞれの表面は、そのほぼ全域にわたって凹凸形状をして高低差が形成されており、凸部５は、電極板１に電圧が印加された場合に、電位が集中する部位となり、プラズマ放電の効率を向上させるのに寄与する。なお、凹部４は必ずしも必要ではなく、凸部５が形成されることにより凸部５より低い部分として形成されるものであってよい。

貫通孔３は、必ずしも一方の表面から他方の表面に直接貫通している必要はない。プラズマ反応器に組み込まれた場合において、一方の表面側にある例えば、ディーゼルエンジンから排出されるＰＭを含む排気ガスなどの処理する気体が、他方の表面側まで通過することができるものであればよい。この場合、貫通孔３は必ずしもまっすぐなものである必要はなく、曲がっていたり二股や三ツ股などに分岐していてよい。また貫通孔３は、その内壁においても表面同様に凹凸形状を有しており、その凹部分において、あるいは内壁間において、排気ガスに含まれるＰＭなどの物質を捕捉することができるものである。したがって、貫通孔３の内径もしくは内側寸法は、ＰＭが捕捉しやすくして貫通孔３を通り抜けにくい寸法に設定するものである。このような寸法により貫通孔３を形成しておくことで、電極板１自体をＤＰＦのようにＰＭに対してフィルタとしても機能させることができる。しかしながら、ＤＰＦのように交互に閉鎖されてないため、圧力損失は低くなるものである。

凹部４については、その大きさや形状は限定されるものではないが、比較的深く多数のＰＭを捕捉（捕集）できる大きさが好ましい。

誘電体２は、電極板２枚を対向配置してプラズマ反応器において使用する場合、所定の電圧を電極板３に印加した時にプラズマが発生するのに十分な距離に等しい厚みに設定するものである。この誘電体２自体は多孔質ではなく、プラズマ反応器において処理するその内部を気体が通過し得るものではない。

このような構成において、図２に示すように、電極１００と電極板１のみからなる電極２００とを誘電体２を挟む状態で、言い換えれば板状に誘電体２の対向する両面に電極板１を対向配置してプラズマ反応器に使用するものである。この場合に、例えばディーゼルエンジンの排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置（もしくは排気ガス後処理装置）を構成するプラズマ反応器において、排気ガスは例えば、電極１００、２００の外側、つまり誘電体２を挟んでいない側の表面より電極板１の貫通孔３に流入し、電極板１を通過して電極板１と誘電体２との隙間を介して排気ガス浄化装置の下流側に移動して行くものである（図２において、矢印にて排気ガスの移動方向を示す）。

排気ガスが電極板１を通過する場合に、排気ガスに含まれるほぼ全てのＰＭは、それぞれの電極板１の貫通孔３内に捕捉される。つまり、それぞれの電極板１は、ＰＭに対してフィルタとして機能するものである。ＰＭの主元素は炭素粒子であるので、捕捉されたＰＭは電極板１の一部として機能する。このため、電極板１に電圧が印加された場合に、電極板１自体から電子が放出されるとともに捕捉されたＰＭからも電子１が放出されてプラズマ放電が開始される。したがって、効率よくプラズマを発生することができる。

しかも電極板１間にプラズマが発生することにより、捕捉されたＰＭは順次燃焼して除去されるので、電極板１の貫通孔３が目詰まりすることがなく、連続して排気ガスがプラズマ反応器に供給されても電極板１のフィルタとしての機能が低下することがない。したがって、反応器開口率の低下を防止することができ、ディーゼルエンジンの燃費と出力の低下を防止することができる。

このように、熱電子仕事関数の高いニッケルを多孔質の構造にして形成される電極板１は、凹凸に富んだその表面及び貫通孔３の内面形状とＰＭに対してフィルタとして機能して捕捉したＰＭが電極板１の一部として機能することとにより、プラズマ放電を効率よく開始し得るものとなる。このため、電極板１に印加する放電開始電圧を低くすることができ、消費電力を低減することができる。加えて、電極板１のほぼ全面にわたって凹凸形状になっているため、プラズマをほぼ均等に電極板１間に発生させることができ、排気ガスの浄化能力を向上させることができる。

排気ガスの浄化能力、特にはＰＭの除去率は、図３に示すように、既存のプラズマ反応器と比較した場合に、大きく向上していることが確認された。比較に用いた既存のプラズマ反応器は、表裏面に溝が形成されたステンレス電極板とアルミナ板とを組み合わせた電極を使用し、その溝内を排気ガスが通過する構成のものである。このような既存のプラズマ反応器に対して、この実施形態の電極１００と電極２００とを組み合わせて使用したプラズマ反応器は、既存のプラズマ反応器に比較して反応器開口率を約３倍程度高くすることができたとともに、ＰＭ除去率を約７倍にまで高くすることができた。これにより例えば、ディーゼルエンジンと組み合わされる排気ガス浄化装置に組み込まれるプラズマ反応器では、反応器開口率を高くすることができることにより、ディーゼルエンジンの排気抵抗が高くならず、燃費と出力の低下を防止することができる。

なお、上記実施形態では、平板形状の誘電体２を説明したが、誘電体は多孔質のニッケルからなる電極板にコーティング（塗布）することによって設けるものであってもよい。誘電体をコーティングする電極板自体は、上述の板状のものや、あるいはそれ以外の波板形状、円筒形状、巻回構造のものなどで、種々の形状、構造のものであってよい。誘電体は、電極板の表面つまり電極板が板形状のものにおいては対向する表裏の表面、巻回される構造のものでは内側と外側と表面、さらには木口に相当する端面コーティングするものと、電極板の少なくとも一方の表面及び貫通の内側表面にコーティングするものとのいずれであってもよい。誘電体をコーティングするに際して、電極板の貫通孔は、気体を通過させるとともに、ＰＭを捕捉しなければならない。したがって、貫通孔の開口が閉塞されないように、また貫通孔がＰＭを捕捉するのに十分な内部寸法を確保して誘電体をコーティングするものである。

このように電極板に誘電体をコーティングする電極にあっては、プラズマ反応器に設置する場合、対をなす電極をプラズマ放電が開始し得る距離をあけて配置する。そして、プラズマが発生するその電極間の空間に排気ガスなどが通過するように、プラズマ反応器を構成するものである。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、自動車の排気ガス浄化装置、プラントなど煙を出す施設における排煙処理装置など、ＰＭを含んだ排煙を排出するものに対して設置される処理装置のプラズマ反応器が挙げられる。

本発明の実施形態の要部を拡大して示す断面図。 同実施形態の電極をプラズマ反応器に使用する際の組み合わせを示す側面図。 同実施形態の電極をプラズマ反応器に使用した場合のＰＭ除去率を示すグラフ。

符号の説明

１…電極板
２…誘電体
３…貫通孔
４…凹部
１００…プラズマ反応器用電極
２００…プラズマ反応器用電極

Claims (2)

1. 排気ガス中の粒子状物質を浄化するためのプラズマ反応器用電極であって、
   排気ガスが流通する経路上におけるプラズマ放電を行う空間に配置され、粒子状物質を含む排気ガスを通過させる孔を有した多孔質のニッケル又は銅からなり、
   ２枚の当該電極を誘電体を挟んで対向配置する場合において、
   前記誘電体により２枚の当該電極間の距離がプラズマを発生させるのに十分な大きさに保たれるとともに、排気ガスは誘電体の内部を通過せず、
   当該電極が有している前記孔は、その内壁間において、またはその内壁に有する凹凸形状の凹部分において、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するが、排気ガス自体は当該電極における前記誘電体とは反対の面側から誘電体の方を向く面側まで通過させることができるものであり、
   排気ガスが当該電極を通過し当該電極と前記誘電体との隙間を介して下流側へと移動するプラズマ反応器用電極。
2. 排気ガス中の粒子状物質を浄化するためのプラズマ反応器用電極であって、
   排気ガスが流通する経路上におけるプラズマ放電を行う空間に配置され、粒子状物質を含む排気ガスを通過させる孔を有した多孔質のニッケル又は銅からなり、
   前記孔は、その内壁間において、またはその内壁に有する凹凸形状の凹部分において、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するが、排気ガス自体は通過させることができるものであり、
   前記孔の開口が閉塞されないように、また前記孔が粒子状物質を捕捉するのに十分な内部寸法を確保して、誘電体をコーティングしてあり、
   対をなす当該電極がプラズマ放電を開始し得る距離をあけて配置され、プラズマが発生するその電極間の空間に排気ガスが流入するプラズマ反応器用電極。

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