ガス浄化システムおよびガス浄化方法
【課題】リーン燃焼によって生じ、酸素が共存する排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素類（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等の各種有害物質を、より高効率に分解処理することが可能なガス浄化システムおよびガス浄化方法である。
【解決手段】ガス浄化システム１０は、酸素が共存するガスＸが流れるガス排出路１１上に設けられ、ガスＸに対して放電処理を行って触媒反応活性種を生成する放電反応部１２と、触媒反応活性種によりそれぞれ活性化され、窒素酸化物を還元分解する第１の触媒１３Ａ並びに炭化水素類および一酸化炭素を酸化分解する第２の触媒１３Ｂを有する触媒反応部１３とを備える。
【解決手段】ガス浄化システム１０は、酸素が共存するガスＸが流れるガス排出路１１上に設けられ、ガスＸに対して放電処理を行って触媒反応活性種を生成する放電反応部１２と、触媒反応活性種によりそれぞれ活性化され、窒素酸化物を還元分解する第１の触媒１３Ａ並びに炭化水素類および一酸化炭素を酸化分解する第２の触媒１３Ｂを有する触媒反応部１３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電プラズマの作用によりガス中の有害物質に対して浄化処理を施すガス浄化システムおよびガス浄化方法に係り、特にリーン燃焼排ガス、ディーゼル車排ガス、リーン燃焼ガソリン車排ガス等の酸素共存下のガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素類（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等の各種有害物質を分解処理するガス浄化システムおよびガス浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車の排ガス等のガスに含まれるＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等の有害物質を分解除去するガス浄化システムとして、主として２つのタイプのものが提案されている。
【０００３】
一方のタイプのものは、ガソリン車から排出される燃焼排ガスのガス排出路に三元触媒を設け、当該三元触媒によって燃焼排ガスに含まれるＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを分解除去するガス浄化システムである（例えば非特許文献１参照）。
【０００４】
現状のガソリン車から排出される排ガスの浄化においては、三元触媒によって燃焼排ガスに含まれるＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを分解除去するガス浄化システムが実際に用いられている。しかし、排ガス中に酸素が共存すると、三元触媒によってＨＣ、ＣＯを酸化分解することはできるものの、ＮＯｘの還元分解が困難となる。
【０００５】
そこで、ガソリン車から排出される排ガスの浄化の場合には、エンジン燃焼条件として燃費悪化を甘受しつつ、空燃比（エンジンに供給される空気と燃料の重量比）を理論空燃比（ガソリン車の場合１４．７前後）の近傍に制御し、排ガス中のＯ２の濃度を極力抑えて還元雰囲気にされる。そしてＨＣ、ＣＯによるＮＯｘの還元を行うことにより、ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯの３つの成分が同時に分解処理される。
【０００６】
また、他方のタイプのものは、排ガスに酸素が共存することとなるリーン燃焼によって生じた自動車から排出される排ガスのガス排出路に放電を行う放電反応部とＮＯｘ還元触媒を設けた触媒反応部とを設け、放電およびＮＯｘ還元触媒の作用によりＮＯｘを還元分解処理するガス浄化システムである（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
このガス浄化システムでは、放電によって、排ガス中のＮＯｘのうち、ＮＯがＮＯ２に効率良く酸化される。尚、排ガス中のＮＯｘは、ＮＯとＮＯ２で構成され、９割以上がＮＯである。また、排ガス中の炭化水素（ＨＣ）の一部は部分酸化されて［ＨＣＯ］となり、別の一部は完全酸化されてＣＯ２となる。これらの反応は、電気エネルギを利用したものであるため、触媒のみでは不可能な約２５０℃以下の低温域でも行うことが可能である。
【０００８】
次に、放電で生成されたＮＯ２、［ＨＣＯ］は触媒反応部に導かれるが、これらはＮＯｘ還元触媒上の触媒反応活性種となる。このため、触媒反応部では、ＮＯｘ還元反応が律速反応となり、ＮＯｘ還元触媒のみでは不可能な低負荷時の低温域であってＮＯｘの還元分解が可能となる。
【特許文献１】特開２００２−２３３７３３号公報
【非特許文献１】「日本エネルギー学会誌」第７７巻 第５号（1998年）ｐ382−389
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、エンジン燃焼条件として空燃比を理論空燃比より大きくし、燃費に優れたリーン燃焼がしばしば採用される。これに伴い、定置型ディーゼルエンジン排ガス等のリーン燃焼排ガス、ディーゼル車排ガスおよびリーン燃焼ガソリン車排ガス等の酸素共存下の排ガスに含まれるＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等の各種有害物質の排出規制が次第に強化されている。
【００１０】
しかしながら、リーン燃焼により生じた排ガスは、Ｏ２が共存する酸化雰囲気となる。このため、従来の三元触媒を用いたガス浄化システムでは、ＨＣおよびＣＯの酸化分解を行うことが可能ではあるが、ＮＯｘの還元分解をすることが困難であるという問題がある。この結果、エンジン燃焼条件をリーン燃焼とすることが困難となり、ガソリン車の燃費悪化に繋がっている。
【００１１】
一方、従来の放電およびＮＯｘ還元触媒を利用したガス浄化システムでは、ＮＯｘの還元剤となるＨＣやＣＯのうち、未反応のＨＣやＣＯがＮＯｘ還元触媒の下流側に残存してしまい、ＨＣやＣＯの浄化が十分できないという課題がある。
【００１２】
本発明はかかる従来の事情に対処するためになされたものであり、酸素が共存するガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素類（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等の各種有害物質を、より高効率に分解処理することが可能なガス浄化システムおよびガス浄化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るガス浄化システムは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、酸素が共存するガスが流れるガス排出路上に設けられ、前記ガスに対して放電処理を行って触媒反応活性種を生成する放電反応部と、前記触媒反応活性種によりそれぞれ活性化され、窒素酸化物を還元分解する第１の触媒並びに炭化水素類および一酸化炭素を酸化分解する第２の触媒を有する触媒反応部とを備えることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明に係るガス浄化方法は、上述の目的を達成するために、請求項４記載したように、酸素が共存するガスに対して放電処理を行って触媒反応活性種を生成するステップと、窒素酸化物を還元分解する第１の触媒並びに炭化水素類および一酸化炭素を酸化分解する第２の触媒を前記触媒反応活性種によりそれぞれ活性化して前記ガス中の窒素酸化物の還元分解反応並びに炭化水素類および一酸化炭素の酸化分解反応を行うステップとを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るガス浄化システムおよびガス浄化方法においては、酸素が共存するガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素類（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等の各種有害物質を、より高効率に分解処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係るガス浄化システムおよびガス浄化方法の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は本発明に係るガス浄化システムの第１の実施形態を示す構成図である。
【００１８】
ガス浄化システム１０は窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素類（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等の各種有害物質を含む排ガスＸが流れるガス排出路１１上に設けられる。ガス浄化システム１０はガス排出路１１の上流側から放電反応部１２および触媒反応部１３を備え、放電反応部１２には電力を供給するための放電用電源１４がリード線１５を介して接続される。
【００１９】
放電反応部１２は、ガス排出路１１を流れる排ガスＸに対して放電処理を行うことにより触媒反応活性種を生成する機能を有する。また、放電用電源１４は、パルス状電圧や交流電圧を放電反応部１２にリード線１５を介して印加することにより、放電反応部１２が放電処理を行う際の電力供給を行う機能を有する。
【００２０】
図２は、図１に示すガス浄化システム１０の放電反応部１２の一例を示す詳細構成図である。
【００２１】
放電反応部１２は、導体電極２０を対向電極２１に対向配置して構成される。対向電極２１は、板状あるいは箔状とすることができる。また、好適には、少なくとも対向電極２１側が誘電体２２により覆われて導体電極２０と対向電極２１とが誘電体２２を介さずに直接対向する部位が存在しないように構成される。例えば、対向電極２１は薄板状とされ、補強材を兼ねる２枚の板状の誘電体２２に挟持される。
【００２２】
一方、導体電極２０は、複数の棒状の電極である棒状電極２０ａを固定用電極２０ｂに固定して構成される。棒状電極２０ａは丸棒や角材で構成することができる。そして、２つの固定用電極２０ｂと誘電体２２とで仕切られた空間が排ガスＸの流路とされる。
【００２３】
さらに、このように構成された導体電極２０の固定用電極２０ｂと対向電極２１とは、それぞれリード線１５を介して放電用電源１４と接続され、放電用電源１４から導体電極２０と対向電極２１との間に所要の電圧を印加して放電を行うことができるように構成される。
【００２４】
一方、ガス排出路１１の放電反応部１２に対して下流側には、触媒反応部１３が設けられる。触媒反応部１３には、第１の触媒１３Ａおよび第２の触媒１３Ｂとが設けられる。第１の触媒１３Ａおよび第２の触媒１３Ｂの配置順序は任意であり、混在していてもよい。
【００２５】
第１の触媒１３Ａは、放電反応部１２において生成された触媒反応活性種により活性化され、放電反応部１２を経由した排ガスＸに含まれるＮＯｘを還元分解する還元触媒である。還元触媒は、酸素雰囲気下でＨＣおよびＣＯの一方あるいは双方を還元剤とするＮＯｘ選択還元触媒であることが反応効率上望ましい。還元触媒の例としては、ＨＣを還元剤とするアルミナ系、ゼオライト系、貴金属系等のＮＯｘ還元触媒が挙げられる。但し、ＨＣまたはＣＯを還元剤としないアンモニア等の還元触媒を用いることも可能である。
【００２６】
また第２の触媒１３Ｂは、放電反応部１２において生成された触媒反応活性種により活性化され、放電反応部１２を経由した排ガスＸに含まれるＨＣおよびＣＯを酸化分解する酸化触媒である。酸化触媒の例としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の貴金属担持の酸化触媒が挙げられる。
【００２７】
次にガス浄化システム１０の作用について説明する。
【００２８】
例えば、エンジン燃焼条件をリーン燃焼とするガソリン車から排ガスＸが生成され、ガス排出路１１上の放電反応部１２の上流側に導かれる。この排ガスＸは、リーン燃焼により生じたものであるため、排ガスＸには、酸素共存下でＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等の各種有害物質が含まれることとなる。
【００２９】
ガス排出路１１内に導かれた有害物質を含む排ガスＸは、放電反応部１２内に導かれる。このとき、放電用電源１４から放電反応部１２の各棒状電極２０ａと対向電極２１との間にパルス状電圧や交流電圧が印加される。このため、各棒状電極２０ａと対向電極２１との間に放電が起こり、放電に伴って排ガスＸの流路には放電プラズマが生成される。ここで、対向電極２１は誘電体２２によって覆われているため、誘電体２２と導体電極２０とで挟まれた放電空間には、誘電体２２が介在することとなり、放電は大気圧放電をアーク放電に至らしめず安定に維持することが可能な誘電体バリア放電となる。
【００３０】
また、導体電極２０の放電発生部分の形状が棒状構造とされる一方、対向電極２１は平面状とされるため、放電発生部分である各棒状電極２０ａでは電気力線がより密となるように電界が形成される。このため、より低い電圧印加で高エネルギの放電を開始させることができる。
【００３１】
そして、放電の電気エネルギにより、排ガスＸからオゾンＯ３、ＯＨ、ＨＯ２ラジカル等の化学的活性種が効率良く生成される。すなわち、放電空間に導かれた排ガスＸが、誘電体バリア放電によって生成される高速電子（ｅ）と反応し、化学的活性種が生成される。
【００３２】
図３は、図１に示すガス浄化システム１０の放電反応部１２における化学的活性種の生成反応式を示す図である。
【００３３】
図３に示すように、放電反応部１２では、排ガスＸ中の母ガス成分であるＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２ガス分子等の分子に高速電子（ｅ）が衝突し、高速電子衝突作用によって、オゾンＯ３、ＯＨ、ＨＯ２ラジカル等の化学的活性種（ラジカル）が生成される。これらの化学的活性種は、放電反応部１２にてＮＯをＮＯ２に酸化処理すると共に、炭化水素類（ＨＣ）の一部を部分酸化して［ＨＣＯ］を生成し、また別の一部を完全に酸化分解してＣＯ２等の物質を生成する。
【００３４】
図４は、図１に示すガス浄化システム１０の放電反応部１２におけるＮＯおよびＨＣの酸化反応式を示す図である。
【００３５】
図４に示すように放電反応部１２において、排ガスＸ中のＮＯおよびＨＣは、それぞれ化学的活性種の作用により酸化される。
【００３６】
ただし、図４に示すように、ＯラジカルとＮＯ２との逆反応により、ＮＯ２からＮＯが生成され、ＮＯの酸化効率の低下要因となる。このため、この逆反応を抑制する観点から、放電反応部１２における排ガスＸの滞留時間をＯラジカルとＮＯ２との反応を十分に抑制することが可能となるような所要時間以下とすることが望ましい。また、逆に、放電反応部１２と触媒反応部１３との間のガス排出路１１における排ガスＸの滞留時間は、ＮＯおよびＨＣの酸化反応並びにオゾン（Ｏ３）の生成反応が十分に行われるように所用時間以上とすることが望ましい。
【００３７】
そして、化学的活性種の作用により酸化されずに残留したＮＯおよびＨＣ並びに［ＨＣＯ］、ＮＯ２を含んだ状態で排ガスＸは、放電反応部１２の下流側のガス排出路１１に排出される。ここで、化学的活性種であるオゾン（Ｏ３）は長寿命であるため、未反応のオゾン（Ｏ３）も排ガスＸに含まれて放電反応部１２の下流側のガス排出路１１に排出されることとなる。
【００３８】
次に、放電反応部１２から排出された排ガスＸは、オゾン（Ｏ３）を含んだ状態で触媒反応部１３の内部に導かれる。触媒反応部１３では、第１の触媒１３Ａおよび第２の触媒１３Ｂによる触媒反応により排ガスＸ中のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯが還元分解および酸化分解されて除去され、３成分が順次あるいは同時に浄化される。
【００３９】
図５は、図１に示すガス浄化システム１０の触媒反応部１３における第１の触媒１３ＡによるＮＯｘの還元反応プロセスを示す図である。
【００４０】
図５に示すように放電反応部１２において放電の作用により生成される［ＨＣＯ］、ＮＯ２は、触媒反応部１３における第１の触媒１３Ａの触媒反応活性種となる。このため、ＮＯｘ還元反応は、律速反応となり、第１の触媒１３Ａ単独では不可能な約２５０℃以下の低温域であっても高率良くＮＯｘを還元分解することができる。さらに、図５に示すように、Ｏ３も第１の触媒１３ＡにおいてＮＯをＮＯ２に酸化する作用を有する。このため、Ｏ３もＮＯｘ還元分解に寄与する。
【００４１】
図６は、図１に示すガス浄化システム１０の触媒反応部１３における第２の触媒１３ＢによるＨＣおよびＣＯの酸化反応プロセスを示す図である。
【００４２】
図６に示すように放電反応部１２において放電の作用により生成される［ＨＣＯ］、Ｏ３は、触媒反応部１３における第２の触媒１３Ｂの触媒反応活性種となる。このため、ＨＣおよびＣＯの酸化反応は、律速反応となり、第２の触媒１３Ｂ単独では不可能な約２５０℃以下の低温域であっても高率良くＨＣおよびＣＯを酸化分解することができる。
【００４３】
そして、触媒反応部１３において、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯが還元分解および酸化分解されて除去され、三成分が同時に浄化された排ガスＸは、触媒反応部１３の下流側のガス排出路１１に排出される。
【００４４】
以上のガス浄化システム１０によれば、放電を行う放電反応部１２の下流側にＮＯｘを還元分解する第１の触媒１３ＡおよびＨＣおよびＣＯを酸化分解する第２の触媒１３Ｂを設け、放電反応により得られた触媒反応活性種を利用して第１の触媒１３Ａおよび第２の触媒１３Ｂの双方を活性化するように構成したため、第１の触媒１３Ａによる還元反応および第２の触媒１３Ｂによる酸化反応をそれぞれ促進して酸素が共存する排ガスＸ中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素類（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）の３成分を極めて高効率に順次あるいは同時に分解処理することができる。特に、第１の触媒１３Ａあるいは第２の触媒１３Ｂ単独では活性化が困難な低温域においても第１の触媒１３Ａおよび第２の触媒１３Ｂを十分に活性化して、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを高効率に浄化することができる。
【００４５】
図７は、図１に示すガス浄化システム１０の触媒反応部１３における第１の触媒１３ＡによるＮＯｘの低減量の向上効果を示す図である。
【００４６】
図７において横軸は、ＮＯｘを含む排ガスＸの温度℃を示し、縦軸はＮＯｘの低減量（ｐｐｍ）を示す。また図７中の点線および白丸印は、放電を伴わずにＮＯｘ還元触媒のみの作用により排ガスＸ中のＮＯｘを還元分解した場合のＮＯｘ低減量を示すデータＤ１であり、実線および黒丸印は放電により生じた触媒反応活性種により第１の触媒１３ＡであるＮＯｘ還元触媒を活性化させて排ガスＸ中のＮＯｘを還元分解した場合のＮＯｘ低減量を示すデータＤ２である。尚、排ガスＸ中の酸素濃度は１５ｖｏｌ％とした。
【００４７】
図７によれば、放電を伴わずにＮＯｘ還元触媒のみの作用により排ガスＸ中のＮＯｘを還元分解した場合には、排ガスＸの温度が約４００℃以上の高温域ではＮＯｘ低減量が多くＮＯｘの低減効果が確認できるものの、排ガスＸの温度が約２５０℃以下の低温域ではＮＯｘ低減量が少なく、ＮＯｘの低減効果が十分に得られない恐れがあることが分かる。
【００４８】
これに対して、放電により生じた触媒反応活性種によりＮＯｘ還元触媒を活性化させて排ガスＸ中のＮＯｘを還元分解した場合には、排ガスＸの温度が約４００℃以上の高温域のみならず、約２５０℃以下の低温域を含めて全ての温度領域に亘ってＮＯｘ低減量が多くＮＯｘの低減効果が確認できる。このため、ガス浄化システム１０により排ガスＸ中のＮＯｘを還元分解すれば、ＮＯｘ還元触媒のみを用いて排ガスＸの浄化を行った場合に比べて、特に約２５０℃以下の低温域において分解効率が格段に向上していることが分かる。
【００４９】
図８は、図１に示すガス浄化システム１０の触媒反応部１３における第２の触媒１３ＢによるＨＣの低減量の向上効果を示す図である。
【００５０】
図８において横軸は、ＨＣを含む排ガスＸの温度℃を示し、縦軸はＨＣの低減量（ｐｐｍ）を示す。また図８中の点線および白丸印は、放電を伴わずにＨＣ酸化触媒のみの作用により排ガスＸ中のＨＣを酸化分解した場合のＨＣ低減量を示すデータＤ３であり、実線および黒丸印は放電により生じた触媒反応活性種により第２の触媒１３ＢであるＨＣ酸化触媒を活性化させて排ガスＸ中のＨＣを酸化分解した場合のＨＣ低減量を示すデータＤ４である。尚、排ガスＸ中のＨＣはプロピレンＣ３Ｈ６とし、酸素濃度は１５ｖｏｌ％とした。
【００５１】
図８によれば、放電を伴わずにＨＣ酸化触媒のみの作用により排ガスＸ中のＨＣを酸化分解した場合には、排ガスＸの温度が約４００℃以上の高温域ではＨＣ低減量が多くＨＣの低減効果が確認できるものの、排ガスＸの温度が約３５０℃以下の低温域ではＨＣ低減量が著しく低下し、ＨＣの低減効果が十分に得られない恐れがあることが分かる。
【００５２】
これに対して、放電により生じた触媒反応活性種によりＨＣ酸化触媒を活性化させて排ガスＸ中のＨＣを酸化分解した場合には、排ガスＸの温度が約４００℃以上の高温域のみならず、約３５０℃以下の低温域を含めて全ての温度領域に亘ってＨＣ低減量が多くＨＣの低減効果が確認できる。このため、ガス浄化システム１０により排ガスＸ中のＨＣを酸化分解すれば、ＨＣ酸化触媒のみを用いて排ガスＸの浄化を行った場合に比べて、特に約３５０℃以下の低温域において分解効率が格段に向上していることが分かる。
【００５３】
図９は、図１に示すガス浄化システム１０の触媒反応部１３における第２の触媒１３ＢによるＣＯの低減量の向上効果を示す図である。
【００５４】
図９において縦軸は、縦軸はＣＯの低減率（％）を示す。また、図９において左側の棒グラフは、放電を伴わずにＣＯ酸化触媒のみの作用により排ガスＸ中のＣＯを酸化分解した場合のＣＯ低減率を示すデータＤ５であり、右側の棒グラフは放電により生じた触媒反応活性種により第２の触媒１３ＢであるＣＯ酸化触媒を活性化させて排ガスＸ中のＣＯを酸化分解した場合のＣＯ低減率を示すデータＤ６である。尚、ＣＯ酸化触媒としてＰｔ担持の酸化触媒を用い、排ガスＸ中の酸素濃度は２１ｖｏｌ％とした。
【００５５】
図９によれば、放電を伴わずにＣＯ酸化触媒のみの作用により排ガスＸ中のＣＯを酸化分解した場合に比べ、放電により生じた触媒反応活性種によりＣＯ酸化触媒を活性化させて排ガスＸ中のＣＯを酸化分解した場合の方が、ＣＯ低減率が大きいことが分かる。これは、放電により触媒反応活性種であるオゾン（Ｏ３）が生成され、ＣＯ酸化触媒が活性化されたためであると考えられる。
【００５６】
このため、ガス浄化システム１０により排ガスＸ中のＣＯを酸化分解すれば、ＣＯ酸化触媒のみを用いて排ガスＸの浄化を行った場合に比べて、分解効率が格段に向上していることが分かる。
【００５７】
図１０は、図１に示すガス浄化システム１０の触媒反応部１３における第１の触媒１３Ａおよび第２の触媒１３ＢによるＮＯｘ，ＨＣ，ＣＯの低減量の向上効果を概念的に説明する図である。
【００５８】
図１０（ａ）は放電により生じた触媒反応活性種によりＮＯｘ還元触媒を活性化させて排ガスＸ中のＮＯｘを還元分解した場合とＮＯｘ還元触媒のみでＮＯｘを還元分解した場合のそれぞれにおける排ガスＸの温度とＮＯｘの分解率との関係を概念的に比較した図である。図１０（ａ）の横軸は排ガスＸの温度℃を示し、縦軸はＮＯｘ分解率（％）を示す。また図１０（ａ）中の点線は、放電を伴わずにＮＯｘ還元触媒のみの作用により排ガスＸ中のＮＯｘを還元分解した場合のＮＯｘ低減率を示すデータＤ７であり、実線は放電により生じた触媒反応活性種により第１の触媒１３ＡであるＮＯｘ還元触媒を活性化させて排ガスＸ中のＮＯｘを還元分解した場合のＮＯｘ低減率を示すデータＤ８である。
【００５９】
図７に示す実験結果から図１０（ａ）に示すように、放電により生じた触媒反応活性種によって第１の触媒１３ＡであるＮＯｘ還元触媒を活性化させることにより、排ガスＸの温度が低温域になる程、ＮＯｘ低減率が向上することが期待される。
【００６０】
図１０（ｂ）は放電により生じた触媒反応活性種により酸化触媒を活性化させて排ガスＸ中のＨＣおよびＣＯを酸化分解した場合と酸化触媒のみでＨＣおよびＣＯを酸化分解した場合のそれぞれにおける排ガスＸの温度とＨＣおよびＣＯの分解率との関係を概念的に比較した図である。図１０（ｂ）の横軸は排ガスＸの温度℃を示し、縦軸はＨＣおよびＣＯの分解率（％）を示す。また図１０（ｂ）中の点線は、放電を伴わずに酸化触媒のみの作用により排ガスＸ中のＨＣおよびＣＯを酸化分解した場合のＨＣおよびＣＯの分解率を示すデータＤ９であり、実線は放電により生じた触媒反応活性種により第２の触媒１３Ｂである酸化触媒を活性化させて排ガスＸ中のＨＣおよびＣＯを酸化分解した場合のＨＣおよびＣＯの分解率を示すデータＤ１０である。
【００６１】
図８および図９に示す実験結果から図１０（ｂ）に示すように、放電により生じた触媒反応活性種によって第２の触媒１３Ｂである酸化触媒を活性化させることにより、排ガスＸの温度が低温域になる程、ＨＣおよびＣＯの分解率が向上することが期待される。
【００６２】
図１０（ｃ）は放電により生じた触媒反応活性種によりＮＯｘ還元触媒および酸化触媒の双方を活性化させて排ガスＸ中のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを還元分解ないし酸化分解した場合とＮＯｘ還元触媒および酸化触媒のみでＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを還元分解ないし酸化分解した場合のそれぞれにおける排ガスＸの温度とＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの分解率との関係を概念的に比較した図である。図１０（ｃ）の横軸は排ガスＸの温度℃を示し、縦軸はＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの分解率（％）を示す。また図１０（ｃ）中の点線は、放電を伴わずに還元触媒および酸化触媒のみの作用により排ガスＸ中のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを還元分解ないし酸化分解した場合のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの分解率を示すデータＤ１１であり、実線は放電により生じた触媒反応活性種により第１の触媒１３ＡであるＮＯｘ還元触媒および第２の触媒１３Ｂである酸化触媒をそれぞれ活性化させて排ガスＸ中のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを還元分解ないし酸化分解した場合のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの分解率を示すデータＤ１２である。
【００６３】
ガス浄化システム１０の触媒反応部１３には第１の触媒１３ＡであるＮＯｘ還元触媒および第２の触媒１３Ｂである酸化触媒の双方が設けられ、かつ触媒反応部１３の上流側において放電反応部１２における放電により触媒反応活性種が生成されるため、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示す結果から図１０（ｃ）に示すような効果が期待される。すなわち、図１０（ａ）に示すＮＯｘの分解率の向上効果および図１０（ｂ）に示すＨＣおよびＣＯの分解率の向上効果の和として図１０（ｃ）に示すようにＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの３成分に対する分解率の向上効果を期待することができる。そして、ガス浄化システム１０によれば、放電により生じた触媒反応活性種によって第１の触媒１３ＡであるＮＯｘ還元触媒および第２の触媒１３Ｂである酸化触媒の双方を活性化させることにより、排ガスＸの温度が低温域になる程、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの３成分に対する分解率が向上することが期待される。
【００６４】
図１１は本発明に係るガス浄化システムの第２の実施形態を示す構成図である。
【００６５】
図１１に示された、ガス浄化システム１０Ａでは、放電反応部１２、触媒反応部１３および放電用電源１４によりガス浄化ユニット３０を形成し、複数のガス浄化ユニット３０をガス排出路１１上に設けた構成が図１に示すガス浄化システム１０と相違する。他の構成および作用については図１に示すガス浄化システム１０と実質的に異ならないため同一の構成については同符号を付して説明を省略する。
【００６６】
すなわちガス浄化システム１０Ａでは、放電反応部１２、触媒反応部１３および放電用電源１４によりガス浄化ユニット３０が形成される。そして、ガス浄化ユニット３０が所要の数だけ複数個ガス排出路１１上に設けられる。図１１は、２つのガス浄化ユニット３０をガス排出路１１上に設けた例を示す。尚、放電反応部１２および触媒反応部１３のみでガス浄化ユニット３０を形成し、放電用電源１４を各ガス浄化ユニット３０の一部あるいは全部に共通に構成することもできる。
【００６７】
さらに、各ガス浄化ユニット３０におけるＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの少なくとも１つの分解量は、ガス排出路１１の上流側に設けられたガス浄化ユニット３０における分解量程、大きくなるように構成される。すなわち、各ガス浄化ユニット３０におけるＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの少なくとも１つの分解量をガス排出路１１の上流側からη１、η２、・・・、ηｎとするとη１≧η２≧・・・≧ηｎの関係となるように各ガス浄化ユニット３０が構成される。つまり、各ガス浄化ユニット３０の放電反応部１２における消費電力や第１の触媒１３Ａおよび第２の触媒１３Ｂの量あるいは材質が適宜調整されて、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの少なくとも１つの分解量が設定される。
【００６８】
このため、ガス浄化システム１０Ａによれば、図１に示すガス浄化システム１０と同等な効果に加え、ガス排出路１１の上流側のガス浄化ユニット３０において分解されずに残留したＮＯｘ、ＨＣまたはＣＯが排ガスＸ中に存在したとしても、後段のガス浄化ユニット３０により更に分解処理することができる。このため、より一層排ガスＸ中のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを高効率に分解処理することが可能となる。さらに、このとき各ガス浄化ユニット３０におけるＮＯｘ、ＨＣまたはＣＯの分解量がガス排出路１１の下流側になるにつれて小さくなるように勾配が設けられているため、消費電力や第１の触媒１３Ａおよび第２の触媒１３Ｂの量を節約してエネルギ効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に係るガス浄化システムの第１の実施形態を示す構成図。
【図２】図１に示すガス浄化システムの放電反応部の一例を示す詳細構成図。
【図３】図１に示すガス浄化システムの放電反応部における化学的活性種の生成反応式を示す図。
【図４】図１に示すガス浄化システムの放電反応部におけるＮＯおよびＨＣの酸化反応式を示す図。
【図５】図１に示すガス浄化システムの触媒反応部における第１の触媒によるＮＯｘの還元反応プロセスを示す図。
【図６】図１に示すガス浄化システムの触媒反応部における第２の触媒によるＨＣおよびＣＯの酸化反応プロセスを示す図。
【図７】図１に示すガス浄化システムの触媒反応部における第１の触媒によるＮＯｘの低減量の向上効果を示す図。
【図８】図１に示すガス浄化システムの触媒反応部における第２の触媒によるＨＣの低減量の向上効果を示す図。
【図９】図１に示すガス浄化システムの触媒反応部における第２の触媒によるＣＯの低減量の向上効果を示す図。
【図１０】図１に示すガス浄化システムの触媒反応部における第１の触媒および第２の触媒によるＮＯｘ，ＨＣ，ＣＯの低減量の向上効果を概念的に説明する図。
【図１１】本発明に係るガス浄化システムの第２の実施形態を示す構成図。
【符号の説明】
【００７０】
１０，１０Ａ ガス浄化システム
１１ ガス排出路
１２ 放電反応部
１３ 触媒反応部
１３Ａ 第１の触媒
１３Ｂ 第２の触媒
１４ 放電用電源
１５ リード線
２０ 導体電極
２０ａ 棒状電極
２０ｂ 固定用電極
２１ 対向電極
２２ 誘電体
３０ ガス浄化ユニット
Ｘ 排ガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電プラズマの作用によりガス中の有害物質に対して浄化処理を施すガス浄化システムおよびガス浄化方法に係り、特にリーン燃焼排ガス、ディーゼル車排ガス、リーン燃焼ガソリン車排ガス等の酸素共存下のガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素類（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等の各種有害物質を分解処理するガス浄化システムおよびガス浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車の排ガス等のガスに含まれるＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等の有害物質を分解除去するガス浄化システムとして、主として２つのタイプのものが提案されている。
【０００３】
一方のタイプのものは、ガソリン車から排出される燃焼排ガスのガス排出路に三元触媒を設け、当該三元触媒によって燃焼排ガスに含まれるＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを分解除去するガス浄化システムである（例えば非特許文献１参照）。
【０００４】
現状のガソリン車から排出される排ガスの浄化においては、三元触媒によって燃焼排ガスに含まれるＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを分解除去するガス浄化システムが実際に用いられている。しかし、排ガス中に酸素が共存すると、三元触媒によってＨＣ、ＣＯを酸化分解することはできるものの、ＮＯｘの還元分解が困難となる。
【０００５】
そこで、ガソリン車から排出される排ガスの浄化の場合には、エンジン燃焼条件として燃費悪化を甘受しつつ、空燃比（エンジンに供給される空気と燃料の重量比）を理論空燃比（ガソリン車の場合１４．７前後）の近傍に制御し、排ガス中のＯ２の濃度を極力抑えて還元雰囲気にされる。そしてＨＣ、ＣＯによるＮＯｘの還元を行うことにより、ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯの３つの成分が同時に分解処理される。
【０００６】
また、他方のタイプのものは、排ガスに酸素が共存することとなるリーン燃焼によって生じた自動車から排出される排ガスのガス排出路に放電を行う放電反応部とＮＯｘ還元触媒を設けた触媒反応部とを設け、放電およびＮＯｘ還元触媒の作用によりＮＯｘを還元分解処理するガス浄化システムである（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
このガス浄化システムでは、放電によって、排ガス中のＮＯｘのうち、ＮＯがＮＯ２に効率良く酸化される。尚、排ガス中のＮＯｘは、ＮＯとＮＯ２で構成され、９割以上がＮＯである。また、排ガス中の炭化水素（ＨＣ）の一部は部分酸化されて［ＨＣＯ］となり、別の一部は完全酸化されてＣＯ２となる。これらの反応は、電気エネルギを利用したものであるため、触媒のみでは不可能な約２５０℃以下の低温域でも行うことが可能である。
【０００８】
次に、放電で生成されたＮＯ２、［ＨＣＯ］は触媒反応部に導かれるが、これらはＮＯｘ還元触媒上の触媒反応活性種となる。このため、触媒反応部では、ＮＯｘ還元反応が律速反応となり、ＮＯｘ還元触媒のみでは不可能な低負荷時の低温域であってＮＯｘの還元分解が可能となる。
【特許文献１】特開２００２−２３３７３３号公報
【非特許文献１】「日本エネルギー学会誌」第７７巻 第５号（1998年）ｐ382−389
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、エンジン燃焼条件として空燃比を理論空燃比より大きくし、燃費に優れたリーン燃焼がしばしば採用される。これに伴い、定置型ディーゼルエンジン排ガス等のリーン燃焼排ガス、ディーゼル車排ガスおよびリーン燃焼ガソリン車排ガス等の酸素共存下の排ガスに含まれるＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等の各種有害物質の排出規制が次第に強化されている。
【００１０】
しかしながら、リーン燃焼により生じた排ガスは、Ｏ２が共存する酸化雰囲気となる。このため、従来の三元触媒を用いたガス浄化システムでは、ＨＣおよびＣＯの酸化分解を行うことが可能ではあるが、ＮＯｘの還元分解をすることが困難であるという問題がある。この結果、エンジン燃焼条件をリーン燃焼とすることが困難となり、ガソリン車の燃費悪化に繋がっている。
【００１１】
一方、従来の放電およびＮＯｘ還元触媒を利用したガス浄化システムでは、ＮＯｘの還元剤となるＨＣやＣＯのうち、未反応のＨＣやＣＯがＮＯｘ還元触媒の下流側に残存してしまい、ＨＣやＣＯの浄化が十分できないという課題がある。
【００１２】
本発明はかかる従来の事情に対処するためになされたものであり、酸素が共存するガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素類（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等の各種有害物質を、より高効率に分解処理することが可能なガス浄化システムおよびガス浄化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るガス浄化システムは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、酸素が共存するガスが流れるガス排出路上に設けられ、前記ガスに対して放電処理を行って触媒反応活性種を生成する放電反応部と、前記触媒反応活性種によりそれぞれ活性化され、窒素酸化物を還元分解する第１の触媒並びに炭化水素類および一酸化炭素を酸化分解する第２の触媒を有する触媒反応部とを備えることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明に係るガス浄化方法は、上述の目的を達成するために、請求項４記載したように、酸素が共存するガスに対して放電処理を行って触媒反応活性種を生成するステップと、窒素酸化物を還元分解する第１の触媒並びに炭化水素類および一酸化炭素を酸化分解する第２の触媒を前記触媒反応活性種によりそれぞれ活性化して前記ガス中の窒素酸化物の還元分解反応並びに炭化水素類および一酸化炭素の酸化分解反応を行うステップとを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るガス浄化システムおよびガス浄化方法においては、酸素が共存するガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素類（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等の各種有害物質を、より高効率に分解処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係るガス浄化システムおよびガス浄化方法の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は本発明に係るガス浄化システムの第１の実施形態を示す構成図である。
【００１８】
ガス浄化システム１０は窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素類（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等の各種有害物質を含む排ガスＸが流れるガス排出路１１上に設けられる。ガス浄化システム１０はガス排出路１１の上流側から放電反応部１２および触媒反応部１３を備え、放電反応部１２には電力を供給するための放電用電源１４がリード線１５を介して接続される。
【００１９】
放電反応部１２は、ガス排出路１１を流れる排ガスＸに対して放電処理を行うことにより触媒反応活性種を生成する機能を有する。また、放電用電源１４は、パルス状電圧や交流電圧を放電反応部１２にリード線１５を介して印加することにより、放電反応部１２が放電処理を行う際の電力供給を行う機能を有する。
【００２０】
図２は、図１に示すガス浄化システム１０の放電反応部１２の一例を示す詳細構成図である。
【００２１】
放電反応部１２は、導体電極２０を対向電極２１に対向配置して構成される。対向電極２１は、板状あるいは箔状とすることができる。また、好適には、少なくとも対向電極２１側が誘電体２２により覆われて導体電極２０と対向電極２１とが誘電体２２を介さずに直接対向する部位が存在しないように構成される。例えば、対向電極２１は薄板状とされ、補強材を兼ねる２枚の板状の誘電体２２に挟持される。
【００２２】
一方、導体電極２０は、複数の棒状の電極である棒状電極２０ａを固定用電極２０ｂに固定して構成される。棒状電極２０ａは丸棒や角材で構成することができる。そして、２つの固定用電極２０ｂと誘電体２２とで仕切られた空間が排ガスＸの流路とされる。
【００２３】
さらに、このように構成された導体電極２０の固定用電極２０ｂと対向電極２１とは、それぞれリード線１５を介して放電用電源１４と接続され、放電用電源１４から導体電極２０と対向電極２１との間に所要の電圧を印加して放電を行うことができるように構成される。
【００２４】
一方、ガス排出路１１の放電反応部１２に対して下流側には、触媒反応部１３が設けられる。触媒反応部１３には、第１の触媒１３Ａおよび第２の触媒１３Ｂとが設けられる。第１の触媒１３Ａおよび第２の触媒１３Ｂの配置順序は任意であり、混在していてもよい。
【００２５】
第１の触媒１３Ａは、放電反応部１２において生成された触媒反応活性種により活性化され、放電反応部１２を経由した排ガスＸに含まれるＮＯｘを還元分解する還元触媒である。還元触媒は、酸素雰囲気下でＨＣおよびＣＯの一方あるいは双方を還元剤とするＮＯｘ選択還元触媒であることが反応効率上望ましい。還元触媒の例としては、ＨＣを還元剤とするアルミナ系、ゼオライト系、貴金属系等のＮＯｘ還元触媒が挙げられる。但し、ＨＣまたはＣＯを還元剤としないアンモニア等の還元触媒を用いることも可能である。
【００２６】
また第２の触媒１３Ｂは、放電反応部１２において生成された触媒反応活性種により活性化され、放電反応部１２を経由した排ガスＸに含まれるＨＣおよびＣＯを酸化分解する酸化触媒である。酸化触媒の例としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の貴金属担持の酸化触媒が挙げられる。
【００２７】
次にガス浄化システム１０の作用について説明する。
【００２８】
例えば、エンジン燃焼条件をリーン燃焼とするガソリン車から排ガスＸが生成され、ガス排出路１１上の放電反応部１２の上流側に導かれる。この排ガスＸは、リーン燃焼により生じたものであるため、排ガスＸには、酸素共存下でＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等の各種有害物質が含まれることとなる。
【００２９】
ガス排出路１１内に導かれた有害物質を含む排ガスＸは、放電反応部１２内に導かれる。このとき、放電用電源１４から放電反応部１２の各棒状電極２０ａと対向電極２１との間にパルス状電圧や交流電圧が印加される。このため、各棒状電極２０ａと対向電極２１との間に放電が起こり、放電に伴って排ガスＸの流路には放電プラズマが生成される。ここで、対向電極２１は誘電体２２によって覆われているため、誘電体２２と導体電極２０とで挟まれた放電空間には、誘電体２２が介在することとなり、放電は大気圧放電をアーク放電に至らしめず安定に維持することが可能な誘電体バリア放電となる。
【００３０】
また、導体電極２０の放電発生部分の形状が棒状構造とされる一方、対向電極２１は平面状とされるため、放電発生部分である各棒状電極２０ａでは電気力線がより密となるように電界が形成される。このため、より低い電圧印加で高エネルギの放電を開始させることができる。
【００３１】
そして、放電の電気エネルギにより、排ガスＸからオゾンＯ３、ＯＨ、ＨＯ２ラジカル等の化学的活性種が効率良く生成される。すなわち、放電空間に導かれた排ガスＸが、誘電体バリア放電によって生成される高速電子（ｅ）と反応し、化学的活性種が生成される。
【００３２】
図３は、図１に示すガス浄化システム１０の放電反応部１２における化学的活性種の生成反応式を示す図である。
【００３３】
図３に示すように、放電反応部１２では、排ガスＸ中の母ガス成分であるＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２ガス分子等の分子に高速電子（ｅ）が衝突し、高速電子衝突作用によって、オゾンＯ３、ＯＨ、ＨＯ２ラジカル等の化学的活性種（ラジカル）が生成される。これらの化学的活性種は、放電反応部１２にてＮＯをＮＯ２に酸化処理すると共に、炭化水素類（ＨＣ）の一部を部分酸化して［ＨＣＯ］を生成し、また別の一部を完全に酸化分解してＣＯ２等の物質を生成する。
【００３４】
図４は、図１に示すガス浄化システム１０の放電反応部１２におけるＮＯおよびＨＣの酸化反応式を示す図である。
【００３５】
図４に示すように放電反応部１２において、排ガスＸ中のＮＯおよびＨＣは、それぞれ化学的活性種の作用により酸化される。
【００３６】
ただし、図４に示すように、ＯラジカルとＮＯ２との逆反応により、ＮＯ２からＮＯが生成され、ＮＯの酸化効率の低下要因となる。このため、この逆反応を抑制する観点から、放電反応部１２における排ガスＸの滞留時間をＯラジカルとＮＯ２との反応を十分に抑制することが可能となるような所要時間以下とすることが望ましい。また、逆に、放電反応部１２と触媒反応部１３との間のガス排出路１１における排ガスＸの滞留時間は、ＮＯおよびＨＣの酸化反応並びにオゾン（Ｏ３）の生成反応が十分に行われるように所用時間以上とすることが望ましい。
【００３７】
そして、化学的活性種の作用により酸化されずに残留したＮＯおよびＨＣ並びに［ＨＣＯ］、ＮＯ２を含んだ状態で排ガスＸは、放電反応部１２の下流側のガス排出路１１に排出される。ここで、化学的活性種であるオゾン（Ｏ３）は長寿命であるため、未反応のオゾン（Ｏ３）も排ガスＸに含まれて放電反応部１２の下流側のガス排出路１１に排出されることとなる。
【００３８】
次に、放電反応部１２から排出された排ガスＸは、オゾン（Ｏ３）を含んだ状態で触媒反応部１３の内部に導かれる。触媒反応部１３では、第１の触媒１３Ａおよび第２の触媒１３Ｂによる触媒反応により排ガスＸ中のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯが還元分解および酸化分解されて除去され、３成分が順次あるいは同時に浄化される。
【００３９】
図５は、図１に示すガス浄化システム１０の触媒反応部１３における第１の触媒１３ＡによるＮＯｘの還元反応プロセスを示す図である。
【００４０】
図５に示すように放電反応部１２において放電の作用により生成される［ＨＣＯ］、ＮＯ２は、触媒反応部１３における第１の触媒１３Ａの触媒反応活性種となる。このため、ＮＯｘ還元反応は、律速反応となり、第１の触媒１３Ａ単独では不可能な約２５０℃以下の低温域であっても高率良くＮＯｘを還元分解することができる。さらに、図５に示すように、Ｏ３も第１の触媒１３ＡにおいてＮＯをＮＯ２に酸化する作用を有する。このため、Ｏ３もＮＯｘ還元分解に寄与する。
【００４１】
図６は、図１に示すガス浄化システム１０の触媒反応部１３における第２の触媒１３ＢによるＨＣおよびＣＯの酸化反応プロセスを示す図である。
【００４２】
図６に示すように放電反応部１２において放電の作用により生成される［ＨＣＯ］、Ｏ３は、触媒反応部１３における第２の触媒１３Ｂの触媒反応活性種となる。このため、ＨＣおよびＣＯの酸化反応は、律速反応となり、第２の触媒１３Ｂ単独では不可能な約２５０℃以下の低温域であっても高率良くＨＣおよびＣＯを酸化分解することができる。
【００４３】
そして、触媒反応部１３において、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯが還元分解および酸化分解されて除去され、三成分が同時に浄化された排ガスＸは、触媒反応部１３の下流側のガス排出路１１に排出される。
【００４４】
以上のガス浄化システム１０によれば、放電を行う放電反応部１２の下流側にＮＯｘを還元分解する第１の触媒１３ＡおよびＨＣおよびＣＯを酸化分解する第２の触媒１３Ｂを設け、放電反応により得られた触媒反応活性種を利用して第１の触媒１３Ａおよび第２の触媒１３Ｂの双方を活性化するように構成したため、第１の触媒１３Ａによる還元反応および第２の触媒１３Ｂによる酸化反応をそれぞれ促進して酸素が共存する排ガスＸ中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素類（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）の３成分を極めて高効率に順次あるいは同時に分解処理することができる。特に、第１の触媒１３Ａあるいは第２の触媒１３Ｂ単独では活性化が困難な低温域においても第１の触媒１３Ａおよび第２の触媒１３Ｂを十分に活性化して、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを高効率に浄化することができる。
【００４５】
図７は、図１に示すガス浄化システム１０の触媒反応部１３における第１の触媒１３ＡによるＮＯｘの低減量の向上効果を示す図である。
【００４６】
図７において横軸は、ＮＯｘを含む排ガスＸの温度℃を示し、縦軸はＮＯｘの低減量（ｐｐｍ）を示す。また図７中の点線および白丸印は、放電を伴わずにＮＯｘ還元触媒のみの作用により排ガスＸ中のＮＯｘを還元分解した場合のＮＯｘ低減量を示すデータＤ１であり、実線および黒丸印は放電により生じた触媒反応活性種により第１の触媒１３ＡであるＮＯｘ還元触媒を活性化させて排ガスＸ中のＮＯｘを還元分解した場合のＮＯｘ低減量を示すデータＤ２である。尚、排ガスＸ中の酸素濃度は１５ｖｏｌ％とした。
【００４７】
図７によれば、放電を伴わずにＮＯｘ還元触媒のみの作用により排ガスＸ中のＮＯｘを還元分解した場合には、排ガスＸの温度が約４００℃以上の高温域ではＮＯｘ低減量が多くＮＯｘの低減効果が確認できるものの、排ガスＸの温度が約２５０℃以下の低温域ではＮＯｘ低減量が少なく、ＮＯｘの低減効果が十分に得られない恐れがあることが分かる。
【００４８】
これに対して、放電により生じた触媒反応活性種によりＮＯｘ還元触媒を活性化させて排ガスＸ中のＮＯｘを還元分解した場合には、排ガスＸの温度が約４００℃以上の高温域のみならず、約２５０℃以下の低温域を含めて全ての温度領域に亘ってＮＯｘ低減量が多くＮＯｘの低減効果が確認できる。このため、ガス浄化システム１０により排ガスＸ中のＮＯｘを還元分解すれば、ＮＯｘ還元触媒のみを用いて排ガスＸの浄化を行った場合に比べて、特に約２５０℃以下の低温域において分解効率が格段に向上していることが分かる。
【００４９】
図８は、図１に示すガス浄化システム１０の触媒反応部１３における第２の触媒１３ＢによるＨＣの低減量の向上効果を示す図である。
【００５０】
図８において横軸は、ＨＣを含む排ガスＸの温度℃を示し、縦軸はＨＣの低減量（ｐｐｍ）を示す。また図８中の点線および白丸印は、放電を伴わずにＨＣ酸化触媒のみの作用により排ガスＸ中のＨＣを酸化分解した場合のＨＣ低減量を示すデータＤ３であり、実線および黒丸印は放電により生じた触媒反応活性種により第２の触媒１３ＢであるＨＣ酸化触媒を活性化させて排ガスＸ中のＨＣを酸化分解した場合のＨＣ低減量を示すデータＤ４である。尚、排ガスＸ中のＨＣはプロピレンＣ３Ｈ６とし、酸素濃度は１５ｖｏｌ％とした。
【００５１】
図８によれば、放電を伴わずにＨＣ酸化触媒のみの作用により排ガスＸ中のＨＣを酸化分解した場合には、排ガスＸの温度が約４００℃以上の高温域ではＨＣ低減量が多くＨＣの低減効果が確認できるものの、排ガスＸの温度が約３５０℃以下の低温域ではＨＣ低減量が著しく低下し、ＨＣの低減効果が十分に得られない恐れがあることが分かる。
【００５２】
これに対して、放電により生じた触媒反応活性種によりＨＣ酸化触媒を活性化させて排ガスＸ中のＨＣを酸化分解した場合には、排ガスＸの温度が約４００℃以上の高温域のみならず、約３５０℃以下の低温域を含めて全ての温度領域に亘ってＨＣ低減量が多くＨＣの低減効果が確認できる。このため、ガス浄化システム１０により排ガスＸ中のＨＣを酸化分解すれば、ＨＣ酸化触媒のみを用いて排ガスＸの浄化を行った場合に比べて、特に約３５０℃以下の低温域において分解効率が格段に向上していることが分かる。
【００５３】
図９は、図１に示すガス浄化システム１０の触媒反応部１３における第２の触媒１３ＢによるＣＯの低減量の向上効果を示す図である。
【００５４】
図９において縦軸は、縦軸はＣＯの低減率（％）を示す。また、図９において左側の棒グラフは、放電を伴わずにＣＯ酸化触媒のみの作用により排ガスＸ中のＣＯを酸化分解した場合のＣＯ低減率を示すデータＤ５であり、右側の棒グラフは放電により生じた触媒反応活性種により第２の触媒１３ＢであるＣＯ酸化触媒を活性化させて排ガスＸ中のＣＯを酸化分解した場合のＣＯ低減率を示すデータＤ６である。尚、ＣＯ酸化触媒としてＰｔ担持の酸化触媒を用い、排ガスＸ中の酸素濃度は２１ｖｏｌ％とした。
【００５５】
図９によれば、放電を伴わずにＣＯ酸化触媒のみの作用により排ガスＸ中のＣＯを酸化分解した場合に比べ、放電により生じた触媒反応活性種によりＣＯ酸化触媒を活性化させて排ガスＸ中のＣＯを酸化分解した場合の方が、ＣＯ低減率が大きいことが分かる。これは、放電により触媒反応活性種であるオゾン（Ｏ３）が生成され、ＣＯ酸化触媒が活性化されたためであると考えられる。
【００５６】
このため、ガス浄化システム１０により排ガスＸ中のＣＯを酸化分解すれば、ＣＯ酸化触媒のみを用いて排ガスＸの浄化を行った場合に比べて、分解効率が格段に向上していることが分かる。
【００５７】
図１０は、図１に示すガス浄化システム１０の触媒反応部１３における第１の触媒１３Ａおよび第２の触媒１３ＢによるＮＯｘ，ＨＣ，ＣＯの低減量の向上効果を概念的に説明する図である。
【００５８】
図１０（ａ）は放電により生じた触媒反応活性種によりＮＯｘ還元触媒を活性化させて排ガスＸ中のＮＯｘを還元分解した場合とＮＯｘ還元触媒のみでＮＯｘを還元分解した場合のそれぞれにおける排ガスＸの温度とＮＯｘの分解率との関係を概念的に比較した図である。図１０（ａ）の横軸は排ガスＸの温度℃を示し、縦軸はＮＯｘ分解率（％）を示す。また図１０（ａ）中の点線は、放電を伴わずにＮＯｘ還元触媒のみの作用により排ガスＸ中のＮＯｘを還元分解した場合のＮＯｘ低減率を示すデータＤ７であり、実線は放電により生じた触媒反応活性種により第１の触媒１３ＡであるＮＯｘ還元触媒を活性化させて排ガスＸ中のＮＯｘを還元分解した場合のＮＯｘ低減率を示すデータＤ８である。
【００５９】
図７に示す実験結果から図１０（ａ）に示すように、放電により生じた触媒反応活性種によって第１の触媒１３ＡであるＮＯｘ還元触媒を活性化させることにより、排ガスＸの温度が低温域になる程、ＮＯｘ低減率が向上することが期待される。
【００６０】
図１０（ｂ）は放電により生じた触媒反応活性種により酸化触媒を活性化させて排ガスＸ中のＨＣおよびＣＯを酸化分解した場合と酸化触媒のみでＨＣおよびＣＯを酸化分解した場合のそれぞれにおける排ガスＸの温度とＨＣおよびＣＯの分解率との関係を概念的に比較した図である。図１０（ｂ）の横軸は排ガスＸの温度℃を示し、縦軸はＨＣおよびＣＯの分解率（％）を示す。また図１０（ｂ）中の点線は、放電を伴わずに酸化触媒のみの作用により排ガスＸ中のＨＣおよびＣＯを酸化分解した場合のＨＣおよびＣＯの分解率を示すデータＤ９であり、実線は放電により生じた触媒反応活性種により第２の触媒１３Ｂである酸化触媒を活性化させて排ガスＸ中のＨＣおよびＣＯを酸化分解した場合のＨＣおよびＣＯの分解率を示すデータＤ１０である。
【００６１】
図８および図９に示す実験結果から図１０（ｂ）に示すように、放電により生じた触媒反応活性種によって第２の触媒１３Ｂである酸化触媒を活性化させることにより、排ガスＸの温度が低温域になる程、ＨＣおよびＣＯの分解率が向上することが期待される。
【００６２】
図１０（ｃ）は放電により生じた触媒反応活性種によりＮＯｘ還元触媒および酸化触媒の双方を活性化させて排ガスＸ中のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを還元分解ないし酸化分解した場合とＮＯｘ還元触媒および酸化触媒のみでＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを還元分解ないし酸化分解した場合のそれぞれにおける排ガスＸの温度とＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの分解率との関係を概念的に比較した図である。図１０（ｃ）の横軸は排ガスＸの温度℃を示し、縦軸はＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの分解率（％）を示す。また図１０（ｃ）中の点線は、放電を伴わずに還元触媒および酸化触媒のみの作用により排ガスＸ中のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを還元分解ないし酸化分解した場合のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの分解率を示すデータＤ１１であり、実線は放電により生じた触媒反応活性種により第１の触媒１３ＡであるＮＯｘ還元触媒および第２の触媒１３Ｂである酸化触媒をそれぞれ活性化させて排ガスＸ中のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを還元分解ないし酸化分解した場合のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの分解率を示すデータＤ１２である。
【００６３】
ガス浄化システム１０の触媒反応部１３には第１の触媒１３ＡであるＮＯｘ還元触媒および第２の触媒１３Ｂである酸化触媒の双方が設けられ、かつ触媒反応部１３の上流側において放電反応部１２における放電により触媒反応活性種が生成されるため、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示す結果から図１０（ｃ）に示すような効果が期待される。すなわち、図１０（ａ）に示すＮＯｘの分解率の向上効果および図１０（ｂ）に示すＨＣおよびＣＯの分解率の向上効果の和として図１０（ｃ）に示すようにＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの３成分に対する分解率の向上効果を期待することができる。そして、ガス浄化システム１０によれば、放電により生じた触媒反応活性種によって第１の触媒１３ＡであるＮＯｘ還元触媒および第２の触媒１３Ｂである酸化触媒の双方を活性化させることにより、排ガスＸの温度が低温域になる程、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの３成分に対する分解率が向上することが期待される。
【００６４】
図１１は本発明に係るガス浄化システムの第２の実施形態を示す構成図である。
【００６５】
図１１に示された、ガス浄化システム１０Ａでは、放電反応部１２、触媒反応部１３および放電用電源１４によりガス浄化ユニット３０を形成し、複数のガス浄化ユニット３０をガス排出路１１上に設けた構成が図１に示すガス浄化システム１０と相違する。他の構成および作用については図１に示すガス浄化システム１０と実質的に異ならないため同一の構成については同符号を付して説明を省略する。
【００６６】
すなわちガス浄化システム１０Ａでは、放電反応部１２、触媒反応部１３および放電用電源１４によりガス浄化ユニット３０が形成される。そして、ガス浄化ユニット３０が所要の数だけ複数個ガス排出路１１上に設けられる。図１１は、２つのガス浄化ユニット３０をガス排出路１１上に設けた例を示す。尚、放電反応部１２および触媒反応部１３のみでガス浄化ユニット３０を形成し、放電用電源１４を各ガス浄化ユニット３０の一部あるいは全部に共通に構成することもできる。
【００６７】
さらに、各ガス浄化ユニット３０におけるＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの少なくとも１つの分解量は、ガス排出路１１の上流側に設けられたガス浄化ユニット３０における分解量程、大きくなるように構成される。すなわち、各ガス浄化ユニット３０におけるＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの少なくとも１つの分解量をガス排出路１１の上流側からη１、η２、・・・、ηｎとするとη１≧η２≧・・・≧ηｎの関係となるように各ガス浄化ユニット３０が構成される。つまり、各ガス浄化ユニット３０の放電反応部１２における消費電力や第１の触媒１３Ａおよび第２の触媒１３Ｂの量あるいは材質が適宜調整されて、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの少なくとも１つの分解量が設定される。
【００６８】
このため、ガス浄化システム１０Ａによれば、図１に示すガス浄化システム１０と同等な効果に加え、ガス排出路１１の上流側のガス浄化ユニット３０において分解されずに残留したＮＯｘ、ＨＣまたはＣＯが排ガスＸ中に存在したとしても、後段のガス浄化ユニット３０により更に分解処理することができる。このため、より一層排ガスＸ中のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを高効率に分解処理することが可能となる。さらに、このとき各ガス浄化ユニット３０におけるＮＯｘ、ＨＣまたはＣＯの分解量がガス排出路１１の下流側になるにつれて小さくなるように勾配が設けられているため、消費電力や第１の触媒１３Ａおよび第２の触媒１３Ｂの量を節約してエネルギ効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に係るガス浄化システムの第１の実施形態を示す構成図。
【図２】図１に示すガス浄化システムの放電反応部の一例を示す詳細構成図。
【図３】図１に示すガス浄化システムの放電反応部における化学的活性種の生成反応式を示す図。
【図４】図１に示すガス浄化システムの放電反応部におけるＮＯおよびＨＣの酸化反応式を示す図。
【図５】図１に示すガス浄化システムの触媒反応部における第１の触媒によるＮＯｘの還元反応プロセスを示す図。
【図６】図１に示すガス浄化システムの触媒反応部における第２の触媒によるＨＣおよびＣＯの酸化反応プロセスを示す図。
【図７】図１に示すガス浄化システムの触媒反応部における第１の触媒によるＮＯｘの低減量の向上効果を示す図。
【図８】図１に示すガス浄化システムの触媒反応部における第２の触媒によるＨＣの低減量の向上効果を示す図。
【図９】図１に示すガス浄化システムの触媒反応部における第２の触媒によるＣＯの低減量の向上効果を示す図。
【図１０】図１に示すガス浄化システムの触媒反応部における第１の触媒および第２の触媒によるＮＯｘ，ＨＣ，ＣＯの低減量の向上効果を概念的に説明する図。
【図１１】本発明に係るガス浄化システムの第２の実施形態を示す構成図。
【符号の説明】
【００７０】
１０，１０Ａ ガス浄化システム
１１ ガス排出路
１２ 放電反応部
１３ 触媒反応部
１３Ａ 第１の触媒
１３Ｂ 第２の触媒
１４ 放電用電源
１５ リード線
２０ 導体電極
２０ａ 棒状電極
２０ｂ 固定用電極
２１ 対向電極
２２ 誘電体
３０ ガス浄化ユニット
Ｘ 排ガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素が共存するガスが流れるガス排出路上に設けられ、前記ガスに対して放電処理を行って触媒反応活性種を生成する放電反応部と、前記触媒反応活性種によりそれぞれ活性化され、窒素酸化物を還元分解する第１の触媒並びに炭化水素類および一酸化炭素を酸化分解する第２の触媒を有する触媒反応部とを備えることを特徴とするガス浄化システム。
【請求項２】
前記第１の触媒を、酸素雰囲気下において炭化水素類および一酸化炭素の少なくとも一方を還元剤とする窒素酸化物選択還元触媒により構成したことを特徴とする請求項１記載のガス浄化システム。
【請求項３】
前記放電反応部および前記触媒反応部により形成されたガス浄化ユニットを前記ガス排出路上に複数設け、かつ前記各ガス浄化ユニットの窒素酸化物、炭化水素類および一酸化炭素の少なくとも１つの分解量が、前記ガス排出路に設けられた前記ガス浄化ユニットにおいて上流側程大きくなるように構成したことを特徴とする請求項１記載のガス浄化システム。
【請求項４】
酸素が共存するガスに対して放電処理を行って触媒反応活性種を生成するステップと、窒素酸化物を還元分解する第１の触媒並びに炭化水素類および一酸化炭素を酸化分解する第２の触媒を前記触媒反応活性種によりそれぞれ活性化して前記ガス中の窒素酸化物の還元分解反応並びに炭化水素類および一酸化炭素の酸化分解反応を行うステップとを有することを特徴とするガス浄化方法。
【請求項１】
酸素が共存するガスが流れるガス排出路上に設けられ、前記ガスに対して放電処理を行って触媒反応活性種を生成する放電反応部と、前記触媒反応活性種によりそれぞれ活性化され、窒素酸化物を還元分解する第１の触媒並びに炭化水素類および一酸化炭素を酸化分解する第２の触媒を有する触媒反応部とを備えることを特徴とするガス浄化システム。
【請求項２】
前記第１の触媒を、酸素雰囲気下において炭化水素類および一酸化炭素の少なくとも一方を還元剤とする窒素酸化物選択還元触媒により構成したことを特徴とする請求項１記載のガス浄化システム。
【請求項３】
前記放電反応部および前記触媒反応部により形成されたガス浄化ユニットを前記ガス排出路上に複数設け、かつ前記各ガス浄化ユニットの窒素酸化物、炭化水素類および一酸化炭素の少なくとも１つの分解量が、前記ガス排出路に設けられた前記ガス浄化ユニットにおいて上流側程大きくなるように構成したことを特徴とする請求項１記載のガス浄化システム。
【請求項４】
酸素が共存するガスに対して放電処理を行って触媒反応活性種を生成するステップと、窒素酸化物を還元分解する第１の触媒並びに炭化水素類および一酸化炭素を酸化分解する第２の触媒を前記触媒反応活性種によりそれぞれ活性化して前記ガス中の窒素酸化物の還元分解反応並びに炭化水素類および一酸化炭素の酸化分解反応を行うステップとを有することを特徴とするガス浄化方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−１２２８５０（Ｐ２００６−１２２８５０Ａ）
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３１７２６３（Ｐ２００４−３１７２６３）
【出願日】平成１６年１０月２９日（２００４．１０．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月２９日（２００４．１０．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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