JP2003522623A - 触媒コンバータの製造方法 - Google Patents

触媒コンバータの製造方法

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JP2003522623A
JP2003522623A JP2000606346A JP2000606346A JP2003522623A JP 2003522623 A JP2003522623 A JP 2003522623A JP 2000606346 A JP2000606346 A JP 2000606346A JP 2000606346 A JP2000606346 A JP 2000606346A JP 2003522623 A JP2003522623 A JP 2003522623A
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ダールホフ,エレン
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シュナイダー,マルティン
シュテープ,ガブリーレ
ウルバーン,ペーター
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、触媒コンバータの製造方法に関し、触媒活性材料を含有する電解液中に基板を浸し、基板と対向電極との間に電圧を印加することによって、触媒活性材料が基板上に電気化学的に堆積され、被覆すべき基板が所定の振幅および/または周波数の電流または電圧のパルスの作用を受ける結果として、触媒活性材料が金属基板上に堆積され、触媒活性材料が基板上に直接に確実に接合されるものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、触媒コンバータの製造方法に関する。
【0002】 JP−A−08 134 682の開示は、金属基板をなめらかな貴金属層で
被覆する電気めっき方法を記載し、その方法において、鉄を含む基板が白金被覆
を備える。DE 197 32 170 C2の特許は、局所的に選択的な方法
で、セラミックSiC基板を白金被覆で被う方法を開示し、直流電圧が基板と対
向電極との間に印加される結果として、白金被覆の表面が粗いセラミック表面と
対応する。その後、被覆された基板は、400℃を越える高温で処理される。
【0003】 本発明の目的は、基板に対する大きな表面積と良好な付着性を有する貴金属の
堆積を可能にする、金属基板を被覆する方法を提供することである。
【0004】 この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。
【0005】 本発明によれば、触媒活性金属材料の層が、電気化学的な堆積によって金属基
板上に堆積され、触媒活性金属材料を含有する電解液に浸され、基板と対向電極
との間に電圧が印加され、交流電圧が重畳される直流電圧が、基板と対向電極と
の間に印加され、触媒活性金属材料が、多孔性または非接合性の層として基板上
に堆積される。
【0006】 被覆すべき基板の表面上に、堆積前に所定の表面粗さを設けることは特に有利
であり、その表面粗さは、好ましくは0.3μmから10μmの範囲内にある。
表面粗さのさらに好ましい範囲は、0.3μmから3μmの間である。表面粗さ
は、好都合には、熱的および/または機械的および/または化学的な処理によっ
て生成される。
【0007】 触媒活性金属材料は、2nmから1μmの間の直径、好ましくは2nmから3
00nmの間の直径を有する、金属クラスタから形成されることが好ましい。
【0008】 本方法の特定の利点は、非常に大きい表面積、および触媒活性材料の比較的低
いレベルで、触媒活性材料を堆積することができることである。層は、良好な付
着性を示し、延長された使用の後でも高い温度で安定である。
【0009】 好ましい触媒活性材料は、貴金属である。1つの適した触媒活性材料は白金で
ある。好ましい対向電極は、白金で被覆されたチタン・シートによって形成され
る。さらに好ましい対向電極は、白金で被覆されたニッケルからなる。
【0010】 本発明の特に好ましい改善において、白金は、異なる形態で堆積される。これ
は、物質の転化に対して異なる選択性を有する触媒コンバータを提供する。例え
ば、H/COの混合物内の高い一酸化炭素濃度にもかかわらず、動作において
水素転化に関する連続的な高い活性度を有する、改良リアクタのための好ましい
白金の触媒コンバータを製造することを可能にする。
【0011】 本発明のさらなる利点および構成は、さらなる請求項および説明から明らかに
なろう。本発明について、以下で図面を参照しながら詳細に説明する。
【0012】 図1に、本発明による方法を実行するための構成を示す。関数発生器1は、増
幅器2によって増幅され、アノード3と堆積バス5内で被覆すべき基板4との間
に印加される変調された電圧を生成する。直流電圧Vdcは、好ましくは交流電
圧Vacで重畳される。直流電圧Vdcと交流電圧Vacとの合計の電圧は、ま
た変調された電圧Vとして以下に参照される。交流電圧は、好都合には正弦波
であるが、例えば鋸歯または方形の形態などの、他の形態を呈することができる
【0013】 触媒活性材料6は、クラスタの形態で基板4上に堆積される。本発明によれば
、クラスタは、堆積パラメータによって事前決定され得る、異なる形態を有する
ことができる。そして触媒活性材料6で被覆されるべき基板4が、触媒コンバー
タを形成する。
【0014】 直流電圧Vdcは、好ましくは、基板4上の触媒活性材料6の堆積電位と少な
くとも同じ大きさであり、特に好ましくは多くとも50%よりも高い。直流電圧
dcの正確なレベルは、用いられる構造およびプロセス条件によって決まり、
例えば、異なって事前処理された基板について異なる値を採用することができる
が、通常これらの値は互いにあまり異ならない。触媒活性材料として混合された
系を堆積するとき、好ましい直流電圧Vdcがこの堆積電位よりも低いことも可
能である。
【0015】 ステンレス鋼、特にCr−Ni鋼1.4541、またはCr−Ni鋼1.45
71、またはCr−Al鋼1.4767が、特に適した基板として使用される。
基板が、被覆前に、サンドブラスト、または例えば化学的に何か他の方法で粗さ
れ、アルカリで脱油脂されることが好都合である。これは、触媒活性材料6の基
板4への付着性を改善する。
【0016】 好ましい実施形態において、交流電圧Vacは、最小値と、直流電圧Vdc
りも低い最大値との間の最大電圧振幅Vppを有し、その結果、基板4と対向電
圧3との間の合計電圧の符号は変化しない。
【0017】 堆積の間カソードとして作用する基板4と、アノード3との間の電流が記録さ
れ、ファラデーの法則に従って、堆積される触媒活性材料6の量を決定するため
の基準として使用され、この材料は堆積バス(bath)内に含まれ、変調のた
めに電解二重層を作りおよび壊す目的で流れる電流の寄与が、好都合に除去され
る。なぜなら、それらはカチオンまたはアニオンの還元または酸化から発生する
のではないからである。
【0018】 触媒コンバータを製造するために、貴金属を堆積することが好ましい。しかし
ながら、貴金属の混合物を堆積することも可能である。好都合な安価なアノード
は、固体の白金から作られる標準的な犠牲アノードの代わりに、白金を被覆した
チタンであり、その標準的な犠牲アノードは、白金が触媒活性材料として堆積さ
れる場合には、特に良好に作用するために用いられることができる。しかしなが
ら、他の貴金属または他の金属も、この進歩的な方法によって堆積されることが
できる。
【0019】 変調された電圧の周波数、および/または振幅Vpp、および/または電圧オ
フセットVdcは、特定の系のための堆積パラメータを最適化するために調整さ
れることができる。その値は、金属カソード上に堆積されるクラスタのサイズと
、その形態との両方に影響を与える。全体として、基板4上のクラスタは、触媒
作用のための大きな活性表面積を構成する。最適なクラスタ・サイズは、堆積パ
ラメータおよび被覆期間の適した選択を行うことによって、異なる適用例に対し
て各場合において設定されることができる。
【0020】 被覆すべき基板4の表面を、例えば希薄酸で洗浄するまたはサンドブラストす
ることによって、被覆される前に粗されることは特に有利である。表面粗さを増
加させる他の方法も可能である。これは、被覆された表面の概略的な側面図を参
照する図2に示されている。基板4は、粗くされた表面4.1を有し、その表面
上で、球状の金属クラスタ6.1が凹部内に配置される。金属クラスタ6.1は
、粗くされた領域の頂部または側面上に堆積されることもできる。
【0021】 増加された表面粗さは、堆積されたクラスタ6.1が、基板表面により都合良
く接着し、クラスタ6.1の望ましくない接合が抑制される利点を有する。個々
のクラスタ6.1の触媒活性材料層が形成され、その層は、好ましくは連続的で
はなく、むしろ分離したクラスタ6.1から形成される。
【0022】 表面粗さは、好ましくは0.3μmから10μmの間であり、特に好ましくは
0.3μmから3μmの間である。大きな活性表面積が、細かく分散されたクラ
スタ6.1から形成される。さらなる利点は、増加された表面粗さが、基板4の
表面積を増加させることにも寄与し、したがって化学的な活性表面積も増加させ
ることである。同時に、クラスタ6.1は非常に小さいものであることができ、
その結果、全体として、少ない量の高価な触媒活性材料6だけが堆積されればよ
く、それでも同時に、触媒コンバータは高い触媒活性度により特徴付けられる。
【0023】 金属クラスタ6.1の基板表面4.1への接着性は、非常に良好である。この
ことが、触媒層に腐食に対するより強い耐性を持たせる。
【0024】 従来の触媒層に対する特定の利点は、本発明によれば、金属クラスタ6.1が
金属基板4に接合されているので、触媒層から基板4への良好な熱伝達が可能で
あることである。対照的に、知られている従来の触媒層は、例えば、セラミック
支持体粒子が貴金属で被覆される支持された触媒材料で製造される。この場合、
触媒活性貴金属と基板との間に配置されたセラミック粒子が、低い熱伝達率しか
有していないので、触媒活性貴金属と基板との間の熱伝達はかなり悪い。さらに
、本発明により製造される触媒コンバータにおいては、触媒活性材料6、6.1
と基板4との間の熱伝達特性に追加の悪い影響を有する標準的な接着増進層を不
要にすることも可能である。
【0025】 したがって、本発明によって被覆すべき基板4は、燃料電池装置の排気ガスを
処理するための酸化触媒コンバータとしての使用に特に適している。さらに好都
合な適用例は、様々な異種の触媒作用を及ぼす方法に関する。本発明による触媒
コンバータおよび本発明による方法は、車両のための排気ガス触媒コンバータに
、特に有利である。
【0026】 図3は、樹枝状の白金クラスタ(図3a、3b)、および実質的に樹枝状の形
態であるロジウム・クラスタを有する、好ましい触媒コンバータの走査電子顕微
鏡像を示す。
【0027】 樹枝状の白金クラスタは、好ましくは、Vpp=0.75ボルト(ピーク・ピ
ーク電圧振幅)を有する交流電圧Vacで重畳された1.4ボルトの直流電圧V dc 、および変調された電圧が、ステンレス鋼基板と対向電極との間に印加され
た結果として、ステンレス鋼基板上に堆積される。交流電圧Vacの周波数は1
0Hzである。用いられる電解液は、0.1g/lの白金含有量を有する、白金
酸、特にヘキサクロロ白金酸である。好ましくは、堆積は室温で行われる。
【0028】 白金クラスタは、樹枝状の成長を示し、球状の白金クラスタは観察されなかっ
た。好ましい白金クラスタは、一酸化炭素が存在しても高いレベルの水素転化の
活性度を有し、一酸化炭素も同時に高い収率で転化される。
【0029】 選択された系において、樹枝状の白金クラスタは、5〜15Hzの間の周波数
、および0.3〜1ボルトの電圧振幅Vppを有する交流電圧Vacで堆積され
る。
【0030】 さらに好ましい触媒コンバータは、好ましくはステンレス鋼シート1.454
1、または1.4571、または1.4767からなる、ステンレス鋼上にロジ
ウムを堆積することによって製造される。白金の混合された触媒を、このように
堆積させる、または例えばPtRh、PtRu、PdPtなどの、貴金属および
/または触媒活性材料の混合物からなる触媒を堆積させることも可能である。
【0031】 1.4〜1.6ボルトの直流電圧Vdcと、Vpp=1ボルト(ピーク・ピー
ク振幅)を有する重畳された交流電圧Vac、および10Hzの周波数で、室温
で0.1MのHSO内の0.2g/lのロジウム溶液から、堆積が行われる
。クラスタの樹枝状の成長の形成は、電圧パラメータを変化させることによって
さらにまだ改善されることができる。
【0032】 このタイプの触媒コンバータは、メタノールに対して良好な活性度を有する。
したがって、このタイプの触媒コンバータは、メタノールで作動する燃料電池車
において、特に好ましくは触媒バーナーにおいて使用するのに特に適している。
【0033】 図4は、球状の白金クラスタを有する、さらに好ましい触媒コンバータの走査
電子顕微鏡像を示す。堆積は、1.2〜1.4ボルトの直流電圧Vdcと、V =0.4ボルトを有する交流電圧Vac、および100Hzを用いて行われ、
堆積バスは、その他の点では、図3で使用される堆積バスに対応する。
【0034】 この系において、50Hzよりも高い周波数、好ましくは最大150Hzまで
の周波数を有する交流電圧Vacが、球状の白金クラスタの堆積に好ましく使用
される。印加される直流電圧Vdcは、基板事前処理によって変化し、球状のク
ラスタの堆積について、樹枝状のクラスタの堆積に対して用いられる直流電圧に
実質的に等しいか、またはわずかに低い傾向がある。
【0035】 図5は、樹枝状の白金クラスタを有する触媒コンバータの、長期間テスト前(
図5a)と長期間テスト後(図5b)との走査電子顕微鏡像の比較を示し、その
長期間テストにおいて、触媒コンバータは、200時間以上について高温でH /COに曝された。600℃までの高温に曝されたが、触媒として多孔性または
非接着性の白金層は、安定したままであり、クラスタは所定の位置に固定された
ままであり、集まらない。本発明によって堆積された層は、クラスタが長期間テ
ストの前と後とで変化しないことを示している。
【0036】 図6は、白金の堆積に使用された、鋼基板の粗い表面特性(図6a)と、鋼基
板の滑らかな表面特性(図6b)との比較を示す。白金クラスタの粗くされた基
板への接着性は、滑らかな表面に対する接着性よりかなり良く、層はワイプ・レ
ジスタント(wipe−resistant)であり、一方、処理されていない
滑らかな表面上の層は、ワイプ・レジスタントではない。表面粗さは、好ましく
は0.3μmから10μmの間であり、特に好ましくは0.3μmから3μmの
間である。
【0037】 触媒作用活性度および/または触媒コンバータの選択性は、クラスタの特定の
形態に依存して異なる。球状の白金クラスタを有する好ましい触媒コンバータは
、実質的に選択的方法で水素を転化する。触媒コンバータは害され、一酸化炭素
の存在において非常に低減された活性度を有する。このタイプの触媒コンバータ
は、一酸化炭素のない条件の下で使用されるのが好ましい。
【0038】 対照的に、樹枝状の白金クラスタを有する好ましい触媒コンバータは、第1に
、水素転化の間、一酸化炭素に対する高い許容度を有し、第2に、水素転化およ
び一酸化炭素転化の両方に対して、高い選択性と高い活性度とを有する。
【0039】 図7は、球状の白金クラスタを有する好ましい触媒コンバータによって達成さ
れた水素転化を示す測定曲線を示す。触媒コンバータは、標準動作条件の下でH /COの混合物に曝される。数分後でも、COの存在における水素転化は、低
いレベルに落ちる。
【0040】 図8は、樹枝状の白金クラスタを有する好ましい触媒コンバータによって達成
された水素転化を示す測定曲線を示す。この場合も、触媒コンバータは、標準動
作条件の下でH/COの混合物に曝される。しかしながら、測定曲線は、水素
の転化および一酸化炭素に対する転化が、200時間を超えても実質的に一定の
高いレベルに維持されることを示す。動作条件が最適化されていないため、転化
は、各場合においてさらに改善されることができる。
【0041】 本発明によって製造された触媒コンバータは、特に腐食に対する耐性を有し、
その製造はうまく再現されることができる。基板上への触媒活性材料の堆積パラ
メータは、直流電圧Vdc、交流電圧振幅Vpp、および/または周波数を適切
に選択することによって堆積される、異なる材料に対して容易に最適化されるこ
とができる。プロセス制御は簡単であり、触媒コンバータ特性は、堆積方法を単
に修正することによって再現可能に設定されることができる。材料の収率は良好
であり、その結果、例えば高い活性の白金触媒コンバータについて、比較的少な
い量の貴金属が使用される。
【0042】 本発明により製造される触媒コンバータに対する好ましい使用は、COに富む
環境において、特に自動車両の排気ガス浄化装置において使用される。本発明に
よる触媒コンバータのさらに好ましい使用は、燃料電池装置においての使用であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による方法を実行するための構造の概観図を示す。
【図2】 被覆された表面を通る断面を概略的に示す。
【図3】 a、bは樹枝状の白金クラスタを有する2つの触媒コンバータ表面の走査電子
【図4】 球状の白金クラスタを有する触媒コンバータ表面の走査電子顕微鏡画像を示す
【図5】 a、bは長期間テスト前(図5a)および後(図5b)の樹枝状の白金クラス
タを有する触媒コンバータ表面の2つの走査電子顕微鏡画像を示す。
【図6】 a、bは触媒物質で被覆する前のスチール基板の粗い(図6a)および滑らか
な(図6b)表面特性の比較を示す。
【図7】 COを含む雰囲気内の球状の白金クラスタを有する触媒コンバータによって達
成された水素転化を示す測定曲線を示す。
【図8】 COを含む雰囲気内の樹枝状の白金クラスタを有する触媒コンバータによって
達成された水素転化を示す測定曲線を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C25D 5/18 C25D 5/26 A 5/26 Q 7/00 Z 7/00 F01N 3/10 A F01N 3/10 3/28 301P 3/28 301 H01M 8/06 S H01M 8/06 B01D 53/36 B (72)発明者 ダールホフ,エレン ドイツ国 D−89134 ブラオシュタイン マルティンシュトラーセ 18 (72)発明者 ヘルダーリッヒ,ウォルフガンク ドイツ国 D−67227 フランケントハー ル マンハイマー シュトラーセ 18C (72)発明者 シュナイダー,マルティン ドイツ国 D−73275 オームデン ツェ ーラーシュトラーセ 10 (72)発明者 シュテープ,ガブリーレ ドイツ国 D−71067 ジンデルフィンゲ ン ワッツマンシュトラーセ 20 (72)発明者 ウルバーン,ペーター ドイツ国 D−92224 アンベルク ツェ ッペリーンシュトラーセ 5 Fターム(参考) 3G091 AA02 AB02 BA19 BA39 GB01X GB05W GB06W 4D048 AA13 AA21 AB01 BA30X BA33X BA39X BB17 BB18 4G069 AA03 AA08 BA17 BA18 BB02A BB02B BC71A BC71B BC75A BC75B CA02 CA03 CA07 CA14 EB05 FA04 FA05 FB11 FB21 FB58 FB73 4K024 AA24 AB01 AB19 BA04 BB28 BC10 CA07 CA16 CB06 GA16 5H027 AA02

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 触媒活性材料(6)を含有する電解液(5)中に基板(4)
    を浸し、基板(4)と対向電極(3)との間に電圧を印加することによって、触
    媒活性材料が基板(4)上に電気化学的に堆積される、触媒コンバータの製造方
    法であって、被覆すべき基板(4)が所定の振幅および/または周波数の電流ま
    たは電圧のパルスの作用を受ける結果として、触媒活性材料(6、6.1)が金
    属基板(4)上に堆積され、触媒活性材料(6、6.1)が基板(4)上に直接
    に確実に接合されることを特徴とする前記方法。
  2. 【請求項2】 触媒活性材料(6、6.1)が、金属基板(4)上に堆積さ
    れ、交流電圧(Vac)が重畳される直流電圧(Vdc)が、基板(4)と対向
    電極(3)との間に印加され、触媒活性材料(6、6.1)が、多孔性または非
    接着性の層として、基板(4)上に堆積されることを特徴とする請求項1に記載
    の方法。
  3. 【請求項3】 直流電圧(Vdc)が、少なくとも触媒活性材料(6、6.
    1)の堆積電位に対応することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. 【請求項4】 交流電圧(Vac)の電圧振幅(Vpp)が、直流電圧(V dc )よりも低いことを特徴とする請求項2に記載の方法。
  5. 【請求項5】 基板(4)が、被覆されるべきその表面(4.1)に、堆積
    の前に所定の表面粗さが与えられることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 【請求項6】 表面粗さが、0.3μmから10μmの範囲内にあることを
    特徴とする請求項5に記載の方法。
  7. 【請求項7】 交流電圧成分(Vac)が50Hzを超える周波数で印加さ
    れる結果として、触媒活性材料(6)が、実質的に球状の金属クラスタ(6.1
    )として堆積されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  8. 【請求項8】 交流電圧成分(Vac)が5〜50Hzの間の周波数で印加
    される結果として、触媒活性材料(6)が、実質的に樹枝状の金属クラスタ(6
    .1)として堆積されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  9. 【請求項9】 使用される触媒活性材料(6)が、貴金属、または、貴金属
    および/または触媒活性材料の混合物であることを特徴とする請求項1に記載の
    方法。
  10. 【請求項10】 0.3〜1ボルトの電圧振幅(Vpp)および50〜10
    0Hzの周波数を有する交流電圧(Vac)が重畳された約1.3ボルトの直流
    電圧(Vdc)からなる変調された電圧が、ステンレス鋼基板(4)と対向電極
    (3)との間に印加される結果として、約0.1g/lの白金含有量を有する0
    .1MのHSOの白金化合物の溶液から、実質的に球状の白金クラスタがス
    テンレス鋼基板上に堆積されることを特徴とする請求項1または2に記載の方法
  11. 【請求項11】 0.3〜1ボルトの電圧振幅(Vpp)および5〜15H
    zの周波数を有する交流電圧(Vac)が重畳された約1.3ボルトの直流電圧
    (Vdc)からなる変調された電圧が、ステンレス鋼基板(4)と対向電極(3
    )との間に印加される結果として、約0.1g/lの白金含有量を有する0.1
    MのHSOの白金化合物の溶液から、実質的に樹枝状の白金クラスタがステ
    ンレス鋼基板上に堆積されることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
  12. 【請求項12】 1.4〜1.6ボルトの直流電圧(Vdc)、および重畳
    される0.3〜1.5ボルトの電圧振幅(Vpp)および5〜15Hzの周波数
    を有する交流電圧(Vac)が、ステンレス鋼基板と対向電極(3)との間に印
    加される結果として、約0.2g/lのロジウム含有量を有する0.1MのH SOのロジウム化合物の溶液から、実質的に樹枝状のロジウム・クラスタがス
    テンレス鋼基板(4)上に堆積されることを特徴とする請求項1または2に記載
    の方法。
  13. 【請求項13】 白金クラスタのサイズが、2nmから1μmの間であるこ
    とを特徴とする請求項9または10に記載の方法。
  14. 【請求項14】 対向電極(3)が、白金を被覆したチタンで形成されるこ
    とを特徴とする請求項1に記載の方法。
  15. 【請求項15】 請求項1〜14のいずれかに記載のように製造される、燃
    料電池装置における触媒コンバータ。
  16. 【請求項16】 請求項1〜14のいずれかに記載のように製造される、自
    動車両の排気ガス浄化装置における触媒コンバータ。
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