JP4036600B2

JP4036600B2 - プラズマ分解装置及びガスプラズマ分解方法

Info

Publication number: JP4036600B2
Application number: JP2000140294A
Authority: JP
Inventors: 剛弥延; 秀行藤代; 健児堂坂; 稔鳥居; 和夫安藤; 耕爾小谷
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Synztec Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Synztec Co Ltd
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2000-05-12
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2020-05-12
Also published as: JP2001314753A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス合成或いはガス分解に用いるガス改質反応器に関し、詳しくはプラズマ発生を利用したＣＯ₂、ＮＯ_X等の有害ガスを改質するプラズマ分解装置及びガスプラズマ分解方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の高度に工業化された社会では、様々な汚染物質が人体の健康に害を及ぼしており、例えば汚染物質として自動車等のエンジンより排出されるＮＯ_X、ＣＯ_X、ＳＯ_X等の汚染ガスが特に問題とされている。
【０００３】
このようなガスを大気中に放出される前に無害なガスに分解する必要があり、この有害ガスを分解する方法として、従来においては、例えばプラズマ放電等により分解し、ガスを改質している。
【０００４】
この改質のために、例えばプラズマ発生を利用してガスを改質するプラズマリアクターであるガス改質器が提案されている。
【０００５】
従来のガス改質方法としては、電極間に発生させるプラズマの性質により主に下記（１）及び（２）の方法が一般的に提案されている。
（１）対向する平行金属電極間に電圧を印加して発生させるコロナ放電、グロー放電、アーク放電等の雷状局所集中放電によるガス改質方法。
（２）対向する平行金属電極の少なくとも一方の表面上に誘電体を被覆した後、電圧を印加して発生させる霧状バリア放電によるガス改質方法。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の方法においては、以下のような問題がある。
【０００７】
先ず、前者の局所集中放電方法では、プラズマエネルギー密度は高いが、プラズマと反応ガスとの接触確率が低いという問題がある。この結果、反応ガスがプラズマと接触せずに放電部を通過してしまい、改質効率の飛躍的な向上が困難である。
【０００８】
また、後者のバリア放電方法では、逆に反応ガスとの接触確率は高いものの、プラズマエネルギー密度が低いという問題がある。
【０００９】
この結果、オゾン生成等の比較的改質に要するエネルギーが低い反応ガス等を改質するには有効であるものの、分解エネルギーの高い安定なガスを改質するには、そのプラズマ密度が低いので困難である。
【００１０】
このように、従来法においては、比較的分解エネルギーの高い一般的に安定しているＮＯ₂、ＣＯ₂等のガスの改質においては、高効率に改質するプラズマ改質手段が提案されておらず、高効率的なガス改質手法の出現が望まれている。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑み、ガス改質効率の向上可能なプラズマ分解装置及びガスプラズマ分解方法を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明の第１の態様は、相対向する第１の平板型電極及び第２の平板型電極と、これら両電極の間に介装される誘電体と、前記両電極の間に電位差を付与する電位差付与手段とを備え、前記第１の電極の表面に、当該表面を２０％〜６０％の表面被覆率で覆う金属微粒子を分散析出してなり、高電圧を印加し、複合バリア放電を発生させることを特徴とするプラズマ分解装置にある。
【００１３】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記第２の電極の表面に前記誘電体を積層してなることを特徴とするプラズマ分解装置にある。
【００１４】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記金属微粒子が熱電子放出性の高い金属微粒子であることを特徴とするプラズマ分解装置にある。
【００１５】
本発明の第４の態様は、第３の態様において前記金属微粒子がタングステン、白金、タリウム、ニオブ、ニッケル、ジルコニウム、セシウム、バリウムからなる群から選択される少なくとも一つであることを特徴とするプラズマ分解装置にある。
【００１６】
本発明の第５の態様は、第１又は２の態様において、前記金属微粒子が二次電子放出性の高い金属微粒子であることを特徴とするプラズマ分解装置にある。
【００１７】
本発明の第６の態様は、第１又は２の態様において、前記金属微粒子がグロー陰極降下電圧が低く電子放出性の高い金属微粒子であることを特徴とするプラズマ分解装置にある。
【００１８】
本発明の第７の態様は、第５又は６の態様において、前記金属微粒子がマグネシウム酸化物、セシウム複合物、銅ベリリウム、銀マグネシウム、ルビジウム複合物、カルシウム酸化物からなる群から選択される少なくとも一つであることを特徴とするプラズマ分解装置にある。
【００１９】
本発明の第８の態様は、第１〜７の何れかの態様において前記金属微粒子の分散形態が均一分散又は集中分散であることを特徴とするプラズマ分解装置にある。
【００２１】
本発明の第９の態様は、相対向する電極の間に電位差を付与し、プラズマを発生させてなり、ガスを分解するガスプラズマ分解方法において、一方の電極の表面に、当該表面を２０％〜６０％の表面被覆率で覆う金属微粒子を分散析出させ、高電圧を印加し、複合バリア放電を発生させつつガスを分解することを特徴とするガスプラズマ分解方法にある。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１に本実施の形態にかかるガス改質器の概略図を示す。図２は金属微粒子を表面に分散析出させた金属電極の斜視図である。
【００２４】
これらの図面に示すように、本実施の形態にかかるガス分解装置は、ガス１１を導入し、該ガス１１を所定方向に流すセラミックス製の分解容器１２と、該分解容器１２内に配され、表面に熱電子放出性の高い金属微粒子１３を分散析出してなる第１の電極である金属製平板型電極１４と、該金属製平板型電極１４と所定間隔を有して対向してなり第２の電極である金属製平板型電極１５と、該金属製平板型電極１５の表面を被覆してなる誘電体１６と、金属製平板型電極１４と誘電体１６との間に交流電圧を印加することでプラズマ放電を生成する電源ユニット１７とから構成してなるものである。
【００２５】
ここで、金属製平板型電極１４の表面に析出分散してなる金属微粒子１３は、熱電子放出性の高い金属微粒子であり、例えばタングステン、白金、タリウム、ニオブ、ニッケル、ジルコニウム、セシウム、バリウム等を例示することができる。
【００２６】
また、これらの材料を複数用いるようにしてもよい。
【００２７】
金属微粒子１３の粒径は、５００μｍ以下であれば特に限定されるものではないが、より好適には１０μｍ以下の極微粒子とするのが良い。
【００２８】
また、金属製平板型電極１４の表面に分散析出する割合としては、６０％以下の表面被覆率とするのが好適であり、特に２０〜６５％の被覆率では改質効率の向上を図ることができ、好ましい。
【００２９】
これは、６５％を超える場合には、後述する実施例に示すようにプラズマエネルギー密度が偏りすぎるために放電形態が一か所の局所集中放電のみに移行し、ガスとの接触確率が著しく低下し、好ましくなく、一方２０％未満では金属微粒子の分散析出割合が低く、本発明の効果を発揮できないからである。
【００３０】
このように熱電子放出性の高い金属微粒子１３を分散析出した金属製平板型電極１４を用い、プラズマ放電をなすことで、金属製平板型電極１４の電荷チャージを不均一にさせ、金属微粒子１３の分散箇所から局所集中放電に似た放電柱を発生させ、これにより霧状バリア放電と雷状局所集中放電とのシナジー効果に基づいた複合バリア放電を発生させ、プラズマエネルギーレベルの向上を図ることとなる。
【００３１】
この結果、比較的分解エネルギーの高い一般的に安定なＮＯ₂、ＣＯ₂等の排ガス中に含有する有害ガスのプラズマによる改質反応においては、該ガスと発生するプラズマの接触頻度をバリア放電と同レベルの高確率に維持しつつ、しかも発生するプラズマの電流密度に代表されるエネルギー指標を局所集中放電と同様に高レベルに保持することが可能となる。
【００３２】
また、本実施の形態のように、対向する一方の電極である第２の金属製平板型電極１５の表面に誘電体１６を一様に被覆することで、より安定した一様なバリア放電を容易に維持することができるとともに、熱電子放出性の高い金属微粒子１３を表面に分散析出させた金属製平板型電極１４では、該金属微粒子１３の分散箇所から対向する誘電体１６に向かって局所流量柱放電に似た複数の電流密度の高い放電柱が発生され、複合バリア放電が可能となる。
【００３３】
（第２の実施の形態）
また、金属微粒子１３として、二次電子放出性の高い金属微粒子を分散析出させることによっても、上述した第１の実施の形態にかかる熱電子放出性の高い金属微粒子を分散析出させた場合と同様の効果を奏することができる。
【００３４】
すなわち、金属微粒子１３として、二次電子放出性の高い金属微粒子を分散析出させることにより、バリア放電中に局所集中放電に似た複数の電流密度の高い放電柱が発生され、複合バリア放電が実現されることになる。
【００３５】
ここで、二次電子放出性の高い金属微粒子としては、例えばマグネシウム酸化物、セシウム複合物、銅ベリリウム、銀マグネシウム、ルビジウム複合物、カルシウム酸化物等の材料が好ましい。
【００３６】
また、これらの材料を複数用いるようにしてもよい。
【００３７】
（第３の実施の形態）
また、ガス改質反応器においては、グロー陰極降下電圧が低く電子放出性の高い金属微粒子を金属製平板型電極表面上に分散析出させることによっても、熱電子放出性の高い金属微粒子を分散させた場合と同様の効果を奏することができる。
【００３８】
すなわち、金属微粒子１３として、グロー陰極降下電圧が低く電子放出性の高い金属微粒子を分散析出させることにより、バリア放電中に局所集中放電に似た複数の電流密度の高い放電柱が発生され、複合バリア放電が実現できる。
【００３９】
ここで、グロー陰極降下電圧が低く電子放出性の高い金属微粒子としては、例えばマグネシウム酸化物、セシウム複合物、銅ベリリウム、銀マグネシウム、ルビジウム複合物、カルシウム酸化物等の材料が好ましい。
【００４０】
また、これらの材料を複数用いるようにしてもよい。
【００４１】
このようにバリア放電中に光量の強い局所集中放電に似た複数の放電柱が混在する複合バリア放電においては、複数の放電柱に接した反応ガスは高いプラズマエネルギーのために高効率で反応が進行し、またバリア放電に接した反応ガスもその一部は反応し、それ以外のガスも予備励起されてより反応しやすい状態となる。
【００４２】
また、金属表面に分散析出させた金属微粒子の粒径、分散密度を制御することでバリア放電中に発生する複数の放電柱の大きさ、数量、すなわち、放電部のプラズマエネルギー密度を制御でき、これを改質目的の反応ガス系に合わせたプラズマエネルギー密度に適宜設置することで、低電力でしかも高効率なプラズマ改質反応を実現することができる。
【００４３】
以下、本発明の好適な実施例について説明するが、本発明は何らこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４４】
（実施例１）
図１に示すような装置を用い、表面に熱電子放出性の高い金属微粒子を分散析出させる比率を変化させ、熱電子放出性の高い金属微粒子の被覆率による複合バリア放電の相違によるＮＯ_Xガスの分解試験を行った。
【００４５】
なお、ここでは、表面に熱電子放出性の高い金属微粒子としては金属粒径５μｍのタングステンを用いた。
【００４６】
熱電子放出性の高い金属微粒子の表面被覆率とＮＯ_Xガス分解率との関係を図３に示す。
【００４７】
なお、金属微粒子の粒径は５μｍとし、被覆率０％の場合は従来の装置のものである。
【００４８】
図３に示すように、表面被覆率が２０〜６５％の範囲であれば、ＮＯ_Xの分解効率が良好であることが判明した。
【００４９】
（実施例２）
実施例１におけるＮＯ_Xのガスの代わりに、分解対象のガスとしてＣＯ₂を用いて同様に測定した。
【００５０】
その結果を図４に示す。
【００５１】
図４に示すように、表面被覆率が２０〜６５％の範囲であれば、ＣＯ₂の分解効率が良好であることが判明した。
【００５２】
（実施例３）
実施例２におけるＣＯ₂の分解の際に、金属微粒子の粒径を種々変化させてガス改質率を測定した。
【００５３】
なお、表面被覆率を６０％とした。
【００５４】
その結果を図５に示す。
【００５５】
図５に示すように、表面被覆率が一定のもとでは、金属粒径が小さいほど発生する雷状放電の数量も増加し、ＣＯ₂ガスとの接触確率が増加するので、ガス改質効率は向上することが判明した。
【００５６】
（実施例４）
次に、実施例２におけるＣＯ₂の分解の際に、金属微粒子の分散の形態の相違によるガス改質率を測定した。
【００５７】
分散の形態としては、金属製平板型電極１４の表面に金属微粒子１３を集中的に分散させた場合と、均一に分散させた場合とで実施した。
【００５８】
なお、金属微粒子を表面に分散析出させた金属電極の分散状態図を図６に示す。
【００５９】
なお、金属微粒子の粒径は５μｍとした。
【００６０】
その結果を図７に示す。
【００６１】
図７に示すように、金属微粒子を集中分散させた場合（図６（Ａ）参照）及び金属微粒子を均一分散させた場合（図６（Ｂ）参照）共に、放電状態が局所集中放電に移行するまでは被覆率の増加と共に、ＣＯ₂改質率が増加することが判明した。
【００６２】
金属微粒子の分散状態の差は、局所集中放電に移行する表面被覆率の差として現れ、集中分散の場合では３５％、均一分散の場合では６５％を境として局所集中放電に移行することが判明した。
【００６３】
なお、被覆率が低い場合２０〜２５程度では、集中分散の形態のほうが分解率が高いが、その後の２５％以上では均一分散のほうが良好であるので、全体としては均一分散とするのが好ましいことが判明した。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、対向する電極の一方の電極表面に金属微粒子を分散析出してなるので、高電圧を印加すると複合バリア放電が発生し、ＣＯ₂、ＮＯ_X等のガスを高効率で分解することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス改質器の概略図である。
【図２】金属微粒子を表面に分散析出させた金属電極の斜視図である。
【図３】熱電子放出性の高い金属微粒子の表面被覆率とＮＯ_Xガス分解率との関係図である。
【図４】熱電子放出性の高い金属微粒子の表面被覆率とＣＯ₂ガス分解率との関係図である。
【図５】熱電子放出性の高い金属微粒子の粒径とＣＯ₂ガス分解率との関係図である。
【図６】金属微粒子を表面に分散析出させた金属電極の分散状態図である。
【図７】熱電子放出性の高い金属微粒子の表面分散状態とＣＯ₂ガス分解率との関係図である。
【符号の説明】
１１ガス
１２分解容器
１３金属微粒子
１４金属製平板型電極
１５金属製平板型電極
１６誘電体
１７電源ユニット

Claims

相対向する第１の平板型電極及び第２の平板型電極と、これら両電極の間に介装される誘電体と、前記両電極の間に電位差を付与する電位差付与手段とを備え、
前記第１の電極の表面に、当該表面を２０％〜６０％の表面被覆率で覆う金属微粒子を分散析出してなり、高電圧を印加し、複合バリア放電を発生させることを特徴とするプラズマ分解装置。
請求項１において、前記第２の電極の表面に前記誘電体を積層してなることを特徴とするプラズマ分解装置。
請求項１又は２において、前記金属微粒子が熱電子放出性の高い金属微粒子であることを特徴とするプラズマ分解装置。
請求項３において、前記金属微粒子がタングステン、白金、タリウム、ニオブ、ニッケル、ジルコニウム、セシウム、バリウムからなる群から選択される少なくとも一つであることを特徴とするプラズマ分解装置。
請求項１又は２において、前記金属微粒子が二次電子放出性の高い金属微粒子であることを特徴とするプラズマ分解装置。
請求項１又は２において、前記金属微粒子がグロー陰極降下電圧が低く電子放出性の高い金属微粒子であることを特徴とするプラズマ分解装置。
請求項５又は６において、前記金属微粒子がマグネシウム酸化物、セシウム複合物、銅ベリリウム、銀マグネシウム、ルビジウム複合物、カルシウム酸化物からなる群から選択される少なくとも一つであることを特徴とするプラズマ分解装置。
請求項１〜７の何れかにおいて、前記金属微粒子の分散形態が均一分散又は集中分散であることを特徴とするプラズマ分解装置。
相対向する電極の間に電位差を付与し、プラズマを発生させてなり、ガスを分解するガスプラズマ分解方法において、
一方の電極の表面に、当該表面を２０％〜６０％の表面被覆率で覆う金属微粒子を分散析出させ、高電圧を印加し、複合バリア放電を発生させつつガスを分解することを特徴とするガスプラズマ分解方法。