JP2007275874A - 触媒及びパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】無機質の長繊維及び短繊維を含む三次元網目状構造体に触媒成分を担持して成る触媒。長繊維及び分岐を有する短繊維を含有して成る三次元網目状構造を有し、触媒担体として用いられる繊維構造体と、触媒成分とを含む触媒。
セルを有する構造体と、無機質の長繊維及び短繊維を含む三次元網目状構造体に触媒成分を担持して成る触媒又は長繊維及び分岐を有する短繊維を含有して成る三次元網目状構造を有し、触媒担体として用いられる繊維構造体並びに触媒成分を含む触媒とを備え、触媒が構造体のセル内に配設されているパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒。
【選択図】なし
Description
そのために、DPFを自己再生する際に、燃料噴射によって600℃以上の過熱燃焼処理を定期的に行うシステムが提案されている(特許文献1及び2参照。)。
一方、特許文献3に記載のシステムにおいては、大掛かりな熱源とシステムが必要となり、小型化が困難であるという問題がある。また、無機繊維は単独では形状を維持することが困難であるという問題もある。
上述の如く、本発明の触媒は、無機質の長繊維及び短繊維を含む三次元網目状構造体に触媒成分を担持して成るものである。
このような構成とすることにより、これを用いて作製したパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒は、PM低減性能を向上させ得るものとなる。
触媒の密度が0.0005g/cm3未満である場合には、PMを捕集できないことがある。また、触媒の密度が0.5g/cm3を超える場合には、目詰まりが生じるおそれがある。更に、空隙率が90vol%以上とすると排ガスの圧力損失をより抑制し易い。
長繊維と短繊維の割合が2:8より多くなる(例えば長繊維と短繊維の割合が1:9)と、繊維間の閉塞を招くおそれがある。
一方、長繊維と短繊維の割合が5:5より少なくなる(例えば長繊維と短繊維の割合が6:4)と、PMを捕集できないことがある。
更に、本発明においては、長繊維の繊維径が5〜35μmであることが好ましく、7〜15μmであることが更に好ましい。
更に、本発明においては、短繊維の繊維径が1〜10μmであることが好ましく、3〜5μmであることが更に好ましい。
上述したような長繊維及び短繊維を含む三次元網目状構造体は、繊維が均一に分散され、触媒成分を担持した触媒において、PMと触媒成分との接触率をより向上させることができ、所望の空隙率が得られるようにもなる。但し、短繊維は長さが不均一であるためにこの限りではない。
アルミナとシリカを含有することにより、耐熱性と強度が優れたものとなり、かかる無機繊維はPMと触媒成分の接触率を向上させ得る構造を維持し易く、よりPM低減性能を向上させ得るものとなる。
また、アルミナの含有量が70%以上の場合には、触媒成分の担持性能が大幅に向上するため、PMと触媒成分の接触率をより向上させることができ、PM低減性能をより向上させ得るものとなる。
更にまた、本発明においては、備える触媒成分は、繊維自体に含有されていることが望ましい。
上述の如く、本発明の他の触媒は、長繊維及び分岐を有する短繊維を含有して成る三次元網目状構造を有し、触媒担体として用いられる繊維構造体と、触媒成分とを含むものである。
このような構成とすることによっても、これを用いて作製したパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒は、PM低減性能を向上させ得るものとなる。
また、希土類元素を含む酸化物の含有量は、1〜70%であることが好ましく、20〜50%であることがより好ましく、30〜45%であることが更に好ましい。
含有量が1%未満の場合には、触媒反応不足であり、含有量が70%を超える場合には、繊維構造が維持できないことがある。
なお、希土類元素としては、セリウム、イットリウム、プラセオジム、ランタン、ネオジム、マンガン、ジルコニウム、ガリウムなどを単独で又は複数組み合わせて用いることができる。
また、他の触媒成分として、白金やパラジウム、ロジウムなどの貴金属を含んでいてもよい。
このように触媒成分と一体化され、繊維中心部にまで触媒成分が含有された構成とすることによって、これを用いて作製したパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒は、PM低減性能を向上させ得るものとなる。また、衝撃を受けた際の触媒成分の脱落や、熱履歴による触媒性能の劣化を抑制できる。更に、触媒成型時の設計自由度も改善される。
なお、このような触媒成分と一体化された長繊維は、例えばアルミナとシリカと上述した触媒成分と分散剤の一例であるPVA溶液とを混合し、減圧濃縮し、ろ過・送液し、乾式紡糸し、焼成・結晶化して得られる。一方このような触媒成分と一体化された分岐を有する短繊維は、例えばアルミナとシリカと上述した触媒成分と分散剤の一例であるPVA溶液とを混合し、焼成し、射出成形して得られる。
触媒成分を後担持した場合には、無機質の短繊維や長繊維の一例であるアルミナシリカ系繊維において、アルミナはα−アルミナであり、触媒成分を一体化した場合には、無機質の短繊維や長繊維の一例であるアルミナシリカ系繊維において、アルミナはγ−アルミナである。
上述の如く、本発明の繊維構造体は、長繊維及び分岐を有する短繊維を含有して成る三次元網目状構造を有し、触媒担体として用いられるものである。
このような構成とすることによって、これを適用した触媒は、衝撃を受けた際の触媒成分の脱落や、熱履歴による触媒性能の劣化を抑制できる。また、触媒成型時の設計自由度も改善される。更に、これを用いて作製したパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒は、PM低減性能を向上させ得るものとなる。
繊維構造体の密度が0.0005g/cm3未満である場合には、PMを捕集できないことがある。また、繊維構造体の密度が0.5g/cm3を超える場合には、目詰まりが生じるおそれがある。
そして、本発明においては、繊維構造体の空隙率が60vol%以上であることが好ましい。更に、空隙率が90vol%以上とすると排ガスの圧力損失をより抑制し易い。
繊維径が5μm未満の長繊維や繊維径が30μm超の長繊維は、紡糸後に繊維を巻き取り成形するために作製することができず、繊維径が1μm未満の短繊維や繊維径が10μm超の短繊維は、紡糸後に射出成形するため作製することができない。
繊維長が100μm未満の長繊維や繊維長が100μm未満の短繊維、繊維長が40mm超の短繊維は、構造体を形成できなくなることがある。
長繊維は紡糸後に繊維を巻き取り成形するため、Al/Si比が85/15を超えると強度低下を招き作製できないことがある。一方、Al/Si比が70/30未満であると、耐熱性が低下する。
また、短繊維は紡糸後に射出成形するため、Al/Si比が99.9/0.1を超えるものは歩留まり良く作製できないことがある。一方、Al/Si比が80/20未満であると、耐熱性が低下する。
長繊維と短繊維の割合が2:8より多くなる(例えば長繊維と短繊維の割合が1:9)と、繊維間の閉塞を招くおそれがある。
一方、長繊維と短繊維の割合が5:5より少なくなる(例えば長繊維と短繊維の割合が6:4)と、PMを捕集できないことがある。
なお、長繊維を上記のより好ましい範囲にすると、触媒成分の分散性を向上させることができる。
上述の如く、本発明のパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒は、セルを有する構造体と、無機質の長繊維及び短繊維を含む三次元網目状構造体に触媒成分を担持して成る触媒と、を備える。
そして、かかる触媒が、かかる構造体のセル内に配設されている。
なお、備える触媒は、上述したようにその形態や構成物について適宜調整することができる。
このような構成とすることにより、例えば排ガス中に含まれるPMと触媒成分との接触率が優れたものとなり、PM低減性能を向上させ得るパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒となる。
また、連続的なPM低減を実現し得るため、従来のDPFにおいて、自己再生するために定期的に行っていた燃料噴射による600℃以上の過熱燃焼処理を必ずしも行う必要が無くなり、燃費を向上させることが可能となる。更に、システムを構築する場合に簡略化や小型化することができる。
更にまた、触媒成分の性能を十分に発揮し得るように適正配置することが可能となり、触媒成分の一例である貴金属の使用量を低減することができるという利点もある。
なお、触媒成分はセル内壁に担持されていてもよいことは言うまでもない。
また、本発明においては、備える構造体の材質としては、特に限定されるものではないが、コーディエライトなどのセラミックスやフェライト系ステンレスなどを挙げることができ、特に多孔質セラミックス製のものを好適に用いることができる。
このような構成とすることにより、PM低減性能を向上させ得るものとなる。
なお、このとき構造体は、ウォールフロー型、ストレートフロー型のいずれであってもよい。
このような構成とすることにより、PM低減性能を向上させ得ると共に、PMの除去性能がより優れたものとなる。
図1(a)は、従来のパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒の一実施形態の拡大断面図である。同図に示すように、ウォールフロー型ハニカム担体のような構造体であって、構造体10が有するセル12のセル壁12aに触媒成分30が担持されている。
このとき、セル壁12aに担持した触媒成分30とPMの接触率は、十分でなく、矢印Aで示す排ガス流れにおいて、排ガス中のPMはセル壁12aの表面に堆積する。
一方、同図(b)は、本発明のパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒の一実施形態の拡大断面図である。同図に示すように、ウォールフロー型ハニカム担体のような構造体であって、構造体10が有するセル12の内部に無機質の長繊維及び短繊維を含む三次元網目状構造体20が配設されており、三次元網目状構造体20には触媒成分30が担持されている。
このとき、セル12の内部の触媒成分30とPMの接触率は、十分なものとなり、矢印Aで示す排ガス流れにおいて、排ガス中のPMがセル壁12aの表面にあまり堆積しないうちにPMを低減することができる。
従来公知のDPFを用い、そのセル内に無機質の長繊維及び短繊維を含み触媒成分を担持した三次元網目状構造体から成る触媒を含むスラリーを投入し、乾燥・焼成し、触媒をセル内に配設して、パティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒が完成する。
例えば、従来公知のDPFを用い、そのセル内に無機質の長繊維及び短繊維を含む三次元網目状構造体を含むスラリーを投入し、乾燥・焼成し、三次元網目状構造体をセル内に配設して、パティキュレートフィルター型構造体を形成する。
しかる後、得られたパティキュレートフィルター型構造体のセル内に触媒成分を含む溶液ないしスラリーを投入し、乾燥・焼成し、触媒成分をセル内の三次元網目状構造体に担持して、パティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒が完成する。
例えば、従来公知のDPFを用い、そのセル内に触媒成分を担持した無機質の長繊維及び短繊維と、カーボンを含むスラリーを投入し、乾燥・焼成し、カーボンを焼失させ、無機繊維をセル内に配設して、パティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒が完成する。
上述の如く、本発明の他のパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒は、セルを有する構造体と、長繊維及び分岐を有する短繊維を含有して成る三次元網目状構造を有し、触媒担体として用いられる繊維構造体及び触媒成分を含む触媒とを備える。
そして、かかる触媒が、かかる構造体のセル内に配設されている。
なお、備える触媒や構造体は、上述したようにその形態や構成物について適宜調整することができる。
例えば、本発明においても、ガス流通可能な壁で形成され、一端が閉塞した複数個のセルを有し、これらセルの閉塞端と開放端とが交互に配置された端面を有する構造体と、長繊維及び分岐を有する短繊維を含有して成る三次元網目状構造を有し、触媒担体として用いられる繊維構造体及び触媒成分を含む触媒とを備え、触媒が、構造体のガス流れ方向に対して上流側に開放端を有するセル内に配設されているものとすることが可能である。
このような構成とすることにより、例えば排ガス中に含まれるPMと触媒成分との接触率が優れたものとなり、PM低減性能を向上させ得るパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒となる。また、備える触媒は、衝撃を受けた際の触媒成分の脱落や、熱履歴による触媒性能の劣化を抑制でき、更に、触媒成型時の設計自由度も改善されるため、これを備えたパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒も触媒成分の脱落や触媒性能の劣化が抑制され、パティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒成型時の設計自由度も改善される。
従来公知のDPFを用い、そのセル内に、触媒成分を含有する一体化された長繊維と、触媒成分を含有する一体化された分岐を有する短繊維とを含むスラリーを投入し、乾燥・焼成し、触媒をセル内に配設して、パティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒が完成する。かかる方法によると、後担持工程が不要となり、工程数を削減でき、また、その際に繊維細孔の閉塞を回避できるという利点がある。
例えば、従来公知のDPFを用い、そのセル内に、触媒成分を含有する一体化された長繊維と、触媒成分を含有する一体化された分岐を有する短繊維と、カーボン若しくは発泡剤又はコンジュゲート繊維とを含むスラリーを投入し、乾燥・焼成しカーボン等を焼失させ、触媒をセル内に配設して、パティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒が完成する。
なお、更に白金、ロジウム、パラジウムなどの貴金属を従来公知の方法により担持させてもよい。
アルミナ−シリカ繊維(Al/Si=80/20)の長繊維(繊維長さ:2〜4mm、繊維径:3〜10μm)及び短繊維(繊維長さ:0.1〜2mm、繊維径:3〜10μm)を用意した。これらを長繊維と短繊維とが質量比で1:9の割合となるように混合し、振動ミルに投入して、長繊維と短繊維の混合物を得た。
3%のPt溶液500mLに上記得られた混合物50gを浸漬し、次いで、100℃で1時間乾燥し、しかる後、400℃で1時間焼成して、55gのPt担持アルミナ−シリカ繊維を得た(Pt担持量は3%であった。)。
得られたPt担持アルミナ−シリカ繊維1160gをハニカム担体(容量1.0L、セル数:400Cpsi)のセル内に三次元網目状構造体を成すように配設して、本例のパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒を得た。
長繊維と短繊維とが質量比で2:8の割合となるように混合した以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、本例のパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒を得た。
長繊維と短繊維とが質量比で5:5の割合となるように混合した以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、本例のパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒を得た。
なお、図2は、本例において形成された触媒の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。
触媒成分であるPtが含まれている繊維を用い、Pt後担持をしなかったこと以外は、実施例2と同様の操作を繰り返し、本例のパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒を得た。
触媒成分であるPtが含まれている繊維を用い、Pt後担持をしなかったこと以外は、実施例3と同様の操作を繰り返し、本例のパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒を得た。
長繊維のみを用いた以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、本例のパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒を得た。
短繊維のみを用いた以外は、実施例1と同様の操作を繰り返し、本例のパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒を得た。
上記各例のパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒を評価装置に設置し、下記条件下でメタンの転化率を測定した。また、セル内に配設された触媒の密度を測定すると共に、状態を目視評価した。得られた結果を表1に示す。
・ガス組成 :メタン;4vol%、酸素;10vol%、残部;窒素
・ガス流速 :200cm3/min
・触媒温度 :500℃
これは、触媒成分とメタンの接触率が向上しているためと推測され、このようなパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒は、PM低減性能を向上させ得る。
また、実施例1〜3のパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒においては、繊維形成後に触媒成分を後担持しているので、触媒の脱落が5〜50%発生するが、実施例4及び5のパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒においては、繊維形成時に触媒成分を混合しているので、触媒の脱落が発生しない。
12 セル
12a セル壁
20 三次元網目状構造体
30 触媒成分
Claims (30)
- 無機質の長繊維及び短繊維を含む三次元網目状構造体に触媒成分を担持して成ることを特徴とする触媒。
- 当該触媒の密度が0.0005〜0.5g/cm3であるか又は空隙率が60vol%以上であることを特徴とする請求項1に記載の触媒。
- 上記長繊維と上記短繊維とが、質量比で2:8〜5:5の割合で含まれていることを特徴とする請求項1又は2に記載の触媒。
- 上記長繊維と上記短繊維とが、質量比で3:7〜4:6の割合で含まれていることを特徴とする請求項1又は2に記載の触媒。
- 上記長繊維及び上記短繊維の繊維径が60μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の触媒。
- 上記長繊維の繊維長さが2〜10mmであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の触媒。
- 上記長繊維の繊維径が5〜35μmであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の触媒。
- 上記長繊維の繊維径が7〜10μmであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の触媒。
- 上記短繊維の繊維長さが0.1〜50mmであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つの項に記載の触媒。
- 上記短繊維の繊維長さが0.1〜2mmであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つの項に記載の触媒。
- 上記短繊維の繊維径が1〜10μmであることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つの項に記載の触媒。
- 上記短繊維の繊維径が3〜5μmであることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つの項に記載の触媒。
- 当該触媒は、無機質の長繊維及び短繊維と、触媒成分と、カーボン及び/又は発泡剤を用いて得られるものであることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1つの項に記載の触媒。
- 当該触媒は、無機質の長繊維及び短繊維と、触媒成分と、コンジュゲート繊維を用いて得られるものであることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1つの項に記載の触媒。
- 上記触媒成分は、貴金属を含有することを特徴とする請求項1〜14のいずれか1つの項に記載の触媒。
- 上記触媒成分は、繊維自体に含有されることを特徴とする請求項1〜15のいずれか1つの項に記載の触媒。
- パティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒であって、セルを有する構造体と、無機質の長繊維及び短繊維を含む三次元網目状構造体に触媒成分を担持して成る触媒と、を備え、
上記触媒が、上記構造体のセル内に配設されていることを特徴とするパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒。 - パティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒であって、ガス流通可能な壁で形成され、一端が閉塞した複数個のセルを有し、これらセルの閉塞端と開放端とが交互に配置された端面を有する構造体と、無機質の長繊維及び短繊維を含む三次元網目状構造体に触媒成分を担持して成る触媒と、を備え、
上記触媒が、上記構造体のガス流れ方向に対して上流側に開放端を有するセル内に配設されていることを特徴とする請求項17に記載のパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒。 - 長繊維及び分岐を有する短繊維を含有して成る三次元網目状構造を有し、触媒担体として用いられることを特徴とする繊維構造体。
- 当該繊維構造体の密度が0.0005〜0.5g/cm3であり、且つ空隙率が60vol%以上であることを特徴とする請求項19に記載の繊維構造体。
- 上記長繊維及び上記短繊維の繊維径が60μm以下であることを特徴とする請求項19又は20に記載の繊維構造体。
- 上記長繊維の繊維径が5〜30μmであり、且つ上記短繊維の繊維径が1〜10μmであることを特徴とする請求項19〜21のいずれか1つの項に記載の繊維構造体。
- 上記長繊維の繊維長が100μm以上であり、且つ上記短繊維の繊維長が100μm〜40mmであることを特徴とする請求項19〜22のいずれか1つの項に記載の繊維構造体。
- 上記長繊維がアルミニウムとケイ素を含有し、そのAl/Si比が重量基準で70/30〜85/15であり、且つ上記短繊維がアルミニウムとケイ素を含有し、そのAl/Si比が重量基準で80/20〜99.9/0.1であることを特徴とする請求項19〜23のいずれか1つの項に記載の繊維構造体。
- 上記長繊維と上記短繊維とが、質量比で2:8〜5:5の割合で含まれていることを特徴とする請求項19〜24のいずれか1つの項に記載の繊維構造体。
- 上記長繊維と上記短繊維とが、質量比で3:7〜4:6の割合で含まれていることを特徴とする請求項19〜24のいずれか1つの項に記載の繊維構造体。
- 請求項19〜26のいずれか1つの項に記載の繊維構造体と、触媒成分とを含むことを特徴とする触媒。
- 上記触媒成分が、上記繊維構造体を構成する長繊維及び/又は分岐を有する短繊維に含まれていることを特徴とする請求項27に記載の触媒。
- パティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒であって、セルを有する構造体と、長繊維及び分岐を有する短繊維を含有して成る三次元網目状構造を有し、触媒担体として用いられる繊維構造体及び触媒成分を含む触媒と、を備え、
上記触媒が、上記構造体のセル内に配設されていることを特徴とするパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒。 - パティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒であって、ガス流通可能な壁で形成され、一端が閉塞した複数個のセルを有し、これらセルの閉塞端と開放端とが交互に配置された端面を有する構造体と、長繊維及び分岐を有する短繊維を含有して成る三次元網目状構造を有し、触媒担体として用いられる繊維構造体及び触媒成分を含む触媒と、を備え、
上記触媒が、上記構造体のガス流れ方向に対して上流側に開放端を有するセル内に配設されていることを特徴とする請求項29に記載のパティキュレートフィルター型排ガス浄化触媒。
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