JP4703157B2 - 燃料改質器 - Google Patents

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Description

本発明は、ＮＯx吸蔵還元触媒の還元や燃料電池に使用される水素等を生成するための燃料改質器に関するものである。
従来より、排気管の途中に装備された排気浄化用触媒により排気浄化を図ることが行われており、この種の排気浄化用触媒としては、排気空燃比がリーンの時に排出ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し、排出ガス中のＯ2濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒が知られている。
前記ＮＯx吸蔵還元触媒としては、白金・バリウム・アルミナ触媒や、白金・カリウム・アルミナ触媒等が前述の如き性質を有するものとして既に知られている。
そして、ＮＯx吸蔵還元触媒においては、ＮＯxの吸蔵量が増大して飽和量に達してしまうと、それ以上のＮＯxを吸蔵できなくなるため、定期的にＮＯx吸蔵還元触媒に流入する排出ガスのＯ2濃度を低下させてＮＯxを分解放出させる必要がある。
例えば、ガソリン機関に使用した場合であれば、機関の運転空燃比を低下（機関をリッチ空燃比で運転）させることにより、排出ガス中のＯ2濃度を低下させ且つ排出ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分を増加させてＮＯxの分解放出を促すことができるが、ＮＯx吸蔵還元触媒をディーゼル機関の排気浄化装置として使用した場合には機関をリッチ空燃比で運転することが困難である。
このため、ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で排出ガス中に軽油等の燃料（ＨＣ）を添加することにより、この添加燃料を還元剤としてＮＯx吸蔵還元触媒上でＯ2と反応させることで排出ガス中のＯ2濃度を低下させる必要がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３５６１２７号公報
しかしながら、このようにＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で燃料添加を行う方式では、その添加燃料が蒸発して生じたＨＣの一部がＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で排出ガス中のＯ2と反応（燃焼）し、ＮＯx吸蔵還元触媒の周囲の雰囲気中におけるＯ2濃度がほぼ零となってからＮＯxの分解放出が開始されることになるため、ＮＯx吸蔵還元触媒の表面上でＨＣがＯ2と反応（燃焼）するのに必要な燃焼温度（約２２０〜２５０［℃］）が得られない運転条件下（例えば渋滞の多い都市内での徐行運転等）では、ＮＯx吸蔵還元触媒からＮＯxを効率良く分解放出させることができず、ＮＯx吸蔵還元触媒の再生が効率良く進まないことで触媒の容積中に占めるＮＯx吸蔵サイトの回復割合が小さくなって吸蔵能力が落ちるという問題があった。
このため、最近、前述のような問題を解消すべく、エンジンの排気流路における燃料の添加位置とＮＯx吸蔵還元触媒との間に、燃料をＨ2とＣＯに分解するクラッキング触媒を設けることが提案されている。
この場合、還元剤として添加した燃料が前段のクラッキング触媒にてＨ2とＣＯに分解されるので、後段のＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で反応性の高いＨ2及びＣＯが従来のＨＣの燃焼温度より低い燃焼温度から排出ガス中のＯ2と反応（燃焼）し、これによりＮＯx吸蔵還元触媒の周囲の雰囲気中におけるＯ2濃度がほぼ零となってＮＯxの分解放出が開始され、そのままＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で反応性の高いＨ2及びＣＯによりＮＯxが効率良くＮ2に還元処理される結果、燃料から生成されたＨＣをそのままＮＯx吸蔵還元触媒上で反応させる場合よりも比較的低い温度領域から高いＮＯx低減率が得られることになる。
しかしながら、エンジンの排気流路における燃料の添加位置とＮＯx吸蔵還元触媒との間にクラッキング触媒を設けたとしても、排気温度がおよそ２００［℃］前後まで高くならないと、クラッキング触媒によって軽油等の燃料をＨ2とＣＯに分解することが困難となるため、クラッキング触媒を用いた場合より更に低い温度で、燃料をＨ2とＣＯ等に分解可能な装置の開発が望まれていた。
本発明は、斯かる実情に鑑み、燃料の改質を効率良く行うことができ、ＮＯx吸蔵還元触媒の還元や燃料電池等の分野に対し有効に活用し得る燃料改質器を提供しようとするものである。
本発明は、接地電極となる導電管と、
該導電管内に燃料と空気の混合ガスを導く混合ガス流路と、
前記接地電極としての導電管との間に高電圧を印加することでプラズマを発生させ前記混合ガス流路から導電管内へ導かれる燃料を改質するための高電圧電極と
を備え、
高電圧電極の先端部を誘電体で覆い、高電圧電極と導電管との間でバリア放電を行うよう構成し、
支持部材に対し高電圧電極を電極支持絶縁体を介して配置し、高電圧電極の先端部を覆う誘電体の基端を、電極支持絶縁体の端面から内側に入り込ませると共に、高電圧電極の先端から導電管までの距離を、高電圧電極と支持部材との距離よりも短くするよう構成したことを特徴とする燃料改質器にかかるものである。
上記手段によれば、以下のような作用が得られる。
高電圧電極と接地電極となる導電管との間に高電圧を印加すると、プラズマが発生し、混合ガス流路から導電管内へ導かれる燃料が効率良く改質される。
このため、本発明の燃料改質器を、例えば、エンジンの排気流路におけるＮＯx吸蔵還元触媒の上流側に配置して、改質されたＨ2やＣＯ等を供給するようにしてやれば、クラッキング触媒を用いた場合より更に低い温度で、軽油等の燃料をＨ2とＣＯ等に分解可能となり、より低い温度領域から高いＮＯx低減率が得られることとなる。尚、本発明の燃料改質器を燃料電池等に適用することも可能である。
前記燃料改質器においては、高電圧電極の先端部を誘電体で覆い、高電圧電極と導電管との間でバリア放電を行うよう構成しているため、バリア放電により低温プラズマが発生するため、消費電力を低減することが可能となる。
しかも、支持部材に対し高電圧電極を電極支持絶縁体を介して配置し、高電圧電極の先端部を覆う誘電体の基端を、電極支持絶縁体の端面から内側に入り込ませると共に、高電圧電極の先端から導電管までの距離を、高電圧電極と支持部材との距離よりも短くするよう構成しているため、支持部材が金属で形成されて接地電極となり得る状況であっても、誘電体の基端から電極支持絶縁体の端面を経由して支持部材の端面に沿うように放電が行われる、いわゆる沿面放電が避けられ、高電圧電極の先端から導電管へ向け確実にバリア放電を行わせて、低温プラズマを発生させることが可能となり、効率が良くなる。
又、前記電極支持絶縁体の端面を支持部材の端面から突出させるよう構成すると、たとえ、誘電体の基端が支持部材の端面と同じレベルに位置していたとしても、結果的に誘電体の基端が電極支持絶縁体の端面から内側に入り込む形となって、誘電体の基端から電極支持絶縁体の端面を経由した支持部材の端面までの距離が長くなり、前述と同様、沿面放電が避けられ、高電圧電極の先端から導電管へ向け確実にバリア放電を行わせて、低温プラズマを発生させることが可能となり、効率が良くなる。
更に又、前記高電圧電極と、該高電圧電極の先端部を覆う誘電体とを、隙間なく密着させるよう構成することが、低温プラズマをより効率良く発生させる上で好ましい。
加えて、前記高電圧電極の先端部を覆う誘電体の先端部に、混合ガスをプラズマ発生部分へ導くための円盤状の突起部を形成することもでき、このようにすると、混合ガスが円盤状の突起部に沿ってバリア放電によるプラズマ発生部分へ確実に導かれる形となるため、より効率良く燃料の改質を行うことが可能となる。
更に、前記燃料改質器においては、支持部材に対し導電管を導電管支持絶縁体を介して配置し、該導電管支持絶縁体に、高電圧電極と同芯状で且つ導電管の内部空間へ向け先細りとなる混合ガス流路としての円錐台状貫通孔部を穿設すると共に、該円錐台状貫通孔部の先端部からその内径が漸次拡張される湾曲面部を形成し、該湾曲面部に対し導電管の内面を滑らかに連続させるよう構成することが望ましく、このようにすると、導電管支持絶縁体と導電管との接合部が、混合ガス流路としての円錐台状貫通孔部の先端部から湾曲面部に移行する尖った部分よりずれて位置する形となるため、この尖った部分にプラズマが集中することが避けられ、広範囲にプラズマを発生させることが可能となり、燃料を効率良く改質する上で有効となる。
本発明の燃料改質器によれば、燃料の改質を効率良く行うことができ、ＮＯx吸蔵還元触媒の還元や燃料電池等の分野に対し有効に活用し得るという優れた効果を奏し得る。
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図１は本発明を実施する形態の一例であって、ディーゼルエンジン１から排気マニホールド２を介して排出される排出ガス３が流通する排気管４の途中に、フロースルー方式のハニカム構造を有するＮＯx吸蔵還元触媒５をケーシング６に抱持させて装備すると共に、該ケーシング６より上流側の排気管４に、燃料改質器７が接続された噴射ノズル８を貫通設置し、燃料改質器７で改質されたＨ2やＣＯ等を噴射ノズル８からケーシング６の入側に添加し得るようにしたものである。
尚、図１中、９はターボチャージャ、１０は吸気管、１１はインタークーラである。
前記燃料改質器７としては、例えば、図２に示す第一参考例の如く、接地電極となる導電管１２と、該導電管１２内に軽油等の燃料と空気の混合ガス１３を導く混合ガス流路１４と、前記接地電極としての導電管１２との間に高電圧を印加することでプラズマを発生させ前記混合ガス流路１４から導電管１２内へ導かれる燃料を改質するための高電圧電極１５とを備えたものを採用することができる。
図２に示す第一参考例における構造をより詳細に説明すると、円板状の支持部材１６に対し、その軸心部を貫通するよう高電圧電極１５を電極支持絶縁体１７を介して配置すると共に、前記支持部材１６の一方の端面に対し接地電極となる導電管１２を導電管支持絶縁体１８を介して配置し、前記支持部材１６と導電管支持絶縁体１８とを貫通して導電管１２の内部空間１２ａへ通じるように混合ガス流路１４を形成してある。
そして、前記電極支持絶縁体１７は、支持部材１６の軸心部に貫通配置される円柱状部１７ａと、該円柱状部１７ａの先端側に一体に形成され且つ導電管１２の内部空間１２ａ側へ向け先細りとなる円錐台部１７ｂとを有し、前記円柱状部１７ａと円錐台部１７ｂの軸心部に対し高電圧電極１５を、その先端部が円錐台部１７ｂから所要量だけ突出するよう貫通配置すると共に、前記電極支持絶縁体１７の円錐台部１７ｂより一回り大きな中空円錐台形状を有し且つその大径側を開放させた誘電体１９によって、高電圧電極１５の先端部と電極支持絶縁体１７の円錐台部１７ｂとを覆うようにしてある。
又、前記混合ガス流路１４は、燃料改質器７の外部から支持部材１６を貫通するように延びる管状部１４ａと、該管状部１４ａに接続されるよう導電管支持絶縁体１８の支持部材１６との接触面側に凹設され且つ誘電体１９と同芯状に配置される円形の凹溝部１４ｂと、該凹溝部１４ｂと同芯状に連なるよう導電管支持絶縁体１８の軸心部に沿って穿設され且つ導電管１２の内部空間１２ａへ向け先細りとなる円錐台状貫通孔部１４ｃとを備えている。
更に、前記導電管１２の内面は、前記導電管支持絶縁体１８の円錐台状貫通孔部１４ｃの先端部に接続される部分を、その内径が漸次拡張される湾曲面１２ｂとし、それより下流側の部分については一定の内径の流路が形成されるようにしてある。
尚、前記導電管１２の先端側にはフランジ部１２ｃを形成してあり、該導電管１２のフランジ部１２ｃを、図示していない絶縁体を介して前記噴射ノズル８の基端側に形成されたフランジ部８ａ（図１参照）に接続するようにしてある。因みに、前記導電管１２のフランジ部１２ｃと噴射ノズル８の基端側に形成されたフランジ部８ａとの間には、絶縁体を特に介在させなくても良い。
次に、上記図示例の作用を説明する。
図２に示す燃料改質器７においては、先端部が誘電体１９で覆われた高電圧電極１５と接地電極となる導電管１２との間に高電圧（交流高電圧、交流パルス高電圧、又は直流パルス高電圧等）を印加すると、バリア放電により低温プラズマが発生し、支持部材１６を貫通する管状の混合ガス流路１４から導電管支持絶縁体１８の凹溝部１４ｂと円錐台状貫通孔部１４ｃを通って導電管１２の内部空間１２ａへ導かれる軽油等の燃料が効率良く改質され、Ｈ2やＣＯ等が生成される。
このため、図２に示す燃料改質器７を、図１に示すディーゼルエンジン１の排気管４におけるＮＯx吸蔵還元触媒５の上流側に配置して、改質されたＨ2やＣＯ等を噴射ノズル８から供給すると、クラッキング触媒を用いた場合より更に低い温度で、軽油等の燃料をＨ2とＣＯ等に分解可能となり、より低い温度領域から高いＮＯx低減率が得られることとなる。
こうして、燃料の改質を効率良く行うことができ、ＮＯx吸蔵還元触媒５の還元に対し有効に活用し得る。
図３は燃料改質器７の第一例を示す側断面図であって、図３中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図２に示す第一参考例と同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図３に示す如く、前記支持部材１６に対し高電圧電極１５を電極支持絶縁体１７を介して配置し、高電圧電極１５の先端部を覆う誘電体１９の基端１９ａを、電極支持絶縁体１７の円柱状部１７ａの端面１７ｃから内側に入り込ませると共に、高電圧電極１５の先端から導電管１２までの距離を、高電圧電極１５と支持部材１６との距離よりも短くするよう構成した点にある。
図３に示す第一例のようにすると、支持部材１６がステンレス等の金属で形成されて接地電極となり得る状況であっても、誘電体１９の基端１９ａから電極支持絶縁体１７の円柱状部１７ａの端面１７ｃを経由して支持部材１６の端面１６ａに沿うように放電が行われる、いわゆる沿面放電が避けられ、高電圧電極１５の先端から導電管１２へ向け確実にバリア放電を行わせて、低温プラズマを発生させることが可能となり、効率が良くなる。
図４は燃料改質器７の第二例を示す側断面図であって、図４中、図３と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図３に示す第一例と同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図４に示す如く、前記電極支持絶縁体１７の端面１７ｃを支持部材１６の端面１６ａから突出させるよう構成した点にある。
図４に示す第二例のようにすると、たとえ、誘電体１９の基端１９ａが支持部材１６の端面１６ａと同じレベルに位置していたとしても、結果的に誘電体１９の基端１９ａが電極支持絶縁体１７の端面１７ｃから内側に入り込む形となって、誘電体１９の基端１９ａから電極支持絶縁体１７の端面１７ｃを経由した支持部材１６の端面１６ａまでの距離が長くなり、前述と同様、沿面放電が避けられ、高電圧電極１５の先端から導電管１２へ向け確実にバリア放電を行わせて、低温プラズマを発生させることが可能となり、効率が良くなる。
図５は燃料改質器７の第三例を示す側断面図であって、図５中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図２に示す第一参考例と同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図５に示す如く、前記高電圧電極１５及び電極支持絶縁体１７の円錐台部１７ｂと、該高電圧電極１５の先端部及び電極支持絶縁体１７の円錐台部１７ｂを覆う誘電体１９とを、隙間なく密着させると共に、誘電体１９の先端部に、混合ガス１３をプラズマ発生部分へ導くための円盤状の突起部１９ｂを形成し、更に、前記導電管支持絶縁体１８の幅を先端側に延長させるように広げ、該導電管支持絶縁体１８に、円錐台状貫通孔部１４ｃの先端とつながるようその内径が漸次拡張される湾曲面部１８ａを形成し、該湾曲面部１８ａに対し前記導電管１２の湾曲面１２ｂを滑らかに連続させるよう構成した点にある。
図５に示す第三例のようにすると、前記高電圧電極１５と、該高電圧電極１５の先端部を覆う誘電体１９とを、隙間なく密着させたことにより、低温プラズマをより効率良く発生させることが可能となり、加えて、前記高電圧電極１５の先端部を覆う誘電体１９の先端部に、混合ガス１３をプラズマ発生部分へ導くための円盤状の突起部１９ｂを形成したことにより、混合ガス１３が円盤状の突起部１９ｂに沿ってバリア放電によるプラズマ発生部分へ確実に導かれる形となるため、より効率良く燃料の改質を行うことが可能となる。
更に、前記導電管支持絶縁体１８の幅を先端側に延長させるように広げ、該導電管支持絶縁体１８に、円錐台状貫通孔部１４ｃの先端とつながるようその内径が漸次拡張される湾曲面部１８ａを形成し、該湾曲面部１８ａに対し前記導電管１２の湾曲面１２ｂを滑らかに連続させたことにより、導電管支持絶縁体１８と導電管１２との接合部が、混合ガス流路１４における円錐台状貫通孔部１４ｃの先端部から湾曲面部１８ａに移行する尖った部分よりずれて位置する形となるため、この尖った部分にプラズマが集中することが避けられ、広範囲にプラズマを発生させることが可能となり、燃料を効率良く改質する上で有効となる。
図６は燃料改質器７の第二参考例を示す側断面図であって、図６中、図５と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図５に示す第三例と同様であるが、本図示例の特徴とするところは、前記高電圧電極１５の先端部を誘電体１９で覆う代りに、図６に示す如く、前記導電管１２の内面のみを、その部分に埋め込むように設けた誘電体１９′で覆い、又、高電圧電極１５の先端部に、混合ガス１３をプラズマ発生部分へ導くための円盤状の突起部１５ａを形成するようにした点にある。
図６に示す第二参考例のようにすると、誘電体で覆われていない、即ちむき出しの高電圧電極１５と、誘電体１９′で覆われた導電管１２との間でバリア放電により低温プラズマが発生し、しかも、前述した図５に示す第三例と同様、混合ガス１３が円盤状の突起部１５ａに沿ってバリア放電によるプラズマ発生部分へ確実に導かれる形となるため、より効率良く燃料の改質を行うことが可能となる。
図７は燃料改質器７の第三参考例を示す側断面図であって、図７中、図６と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図６に示す第二参考例と同様であるが、本図示例の特徴とするところは、誘電体１９′を省略し、図７に示す如く、高電圧電極１５と導電管１２との間でアーク放電を行うよう構成した点にある。尚、この場合、高電圧電極１５と接地電極となる導電管１２との間に印加する高電圧として、交流高電圧、交流パルス高電圧、又は直流パルス高電圧等を採用する代りに、直流高電圧を採用することも可能である。
図７に示す第三参考例のようにすると、アーク放電により高温プラズマが発生するため、混合ガス１３の温度が高くなり、燃料の改質には有効となり、しかも、高電圧電極１５の先端部に、混合ガス１３をプラズマ発生部分へ導くための円盤状の突起部１５ａを形成したことにより、混合ガス１３が円盤状の突起部１５ａに沿ってアーク放電によるプラズマ発生部分へ確実に導かれる形となるため、より効率良く燃料の改質を行うことが可能となる。
尚、本発明の燃料改質器は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、ＮＯx吸蔵還元触媒の還元に限らず、燃料電池等の分野に対しても適用可能なこと等、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
本発明を実施する形態の一例を示す全体概要構成図である。 図１における燃料改質器の第一参考例を示す側断面図である。 図１における燃料改質器の第一例を示す側断面図である。 図１における燃料改質器の第二例を示す側断面図である。 図１における燃料改質器の第三例を示す側断面図である。 図１における燃料改質器の第二参考例を示す側断面図である。 図１における燃料改質器の第三参考例を示す側断面図である。
１ ディーゼルエンジン
３ 排出ガス
５ ＮＯx吸蔵還元触媒
７ 燃料改質器
８ 噴射ノズル
１２ 導電管
１２ｂ 湾曲面
１３ 混合ガス
１４ 混合ガス流路
１４ｃ 円錐台状貫通孔部
１５ 高電圧電極
１６ 支持部材
１６ａ 端面
１７ 電極支持絶縁体
１７ｃ 端面
１８ 導電管支持絶縁体
１８ａ 湾曲面部
１９ 誘電体
１９ａ 基端
１９ｂ 突起部

Claims (5)

  1. 接地電極となる導電管と、
    該導電管内に燃料と空気の混合ガスを導く混合ガス流路と、
    前記接地電極としての導電管との間に高電圧を印加することでプラズマを発生させ前記混合ガス流路から導電管内へ導かれる燃料を改質するための高電圧電極と
    を備え、
    高電圧電極の先端部を誘電体で覆い、高電圧電極と導電管との間でバリア放電を行うよう構成し、
    支持部材に対し高電圧電極を電極支持絶縁体を介して配置し、高電圧電極の先端部を覆う誘電体の基端を、電極支持絶縁体の端面から内側に入り込ませると共に、高電圧電極の先端から導電管までの距離を、高電圧電極と支持部材との距離よりも短くするよう構成したことを特徴とする燃料改質器。
  2. 電極支持絶縁体の端面を支持部材の端面から突出させるよう構成した請求項１記載の燃料改質器。
  3. 高電圧電極と、該高電圧電極の先端部を覆う誘電体とを、隙間なく密着させるよう構成した請求項１又は２記載の燃料改質器。
  4. 高電圧電極の先端部を覆う誘電体の先端部に、混合ガスをプラズマ発生部分へ導くための円盤状の突起部を形成した請求項１〜３いずれかに記載の燃料改質器。
  5. 支持部材に対し導電管を導電管支持絶縁体を介して配置し、該導電管支持絶縁体に、高電圧電極と同芯状で且つ導電管の内部空間へ向け先細りとなる混合ガス流路としての円錐台状貫通孔部を穿設すると共に、該円錐台状貫通孔部の先端部からその内径が漸次拡張される湾曲面部を形成し、該湾曲面部に対し導電管の内面を滑らかに連続させるよう構成した請求項１〜４いずれかに記載の燃料改質器。
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