JP2014001679A

JP2014001679A - 触媒コンバーター

Info

Publication number: JP2014001679A
Application number: JP2012137191A
Authority: JP
Inventors: Koji Senda; 幸二仙田; Seiji Ogawara; 誠治大河原; Toshiharu Tabata; 寿晴田端; Seiji Tanaka; 精二田中; Hiroto Yoshida; 浩人吉田
Original assignee: Cataler Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Cataler Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2014-01-09

Abstract

【課題】排ガス中の粒子状物質(PM)が堆積することによる圧損上昇を抑制することのできる触媒コンバーターを提供する。
【解決手段】多孔質の隔壁２から構成されるセル３を有するハニカム基材１に触媒層５が担持されてなる触媒コンバーター１０において、ガスの流入端と流出端には双方のセル３の開口が交互に目封止部４によって目封止されて市松模様状を呈しており、流入端側の領域１ａにおける触媒層５のコート占有率は触媒コンバーター１０の全体の触媒層５のコート占有率よりも10%以上少ない割合であり、流入端側の領域１ａにおける貴金属触媒の割合は該流入端側の領域１ａの全体の6%以下であり、流入端側の領域の１ａのインレット領域２Ａにおける貴金属触媒の割合は該流入端側の領域の１ａのインレット領域２Ａの全体の5%以下である。
【選択図】図３

Description

本発明は、排ガス中のPMを捕捉可能な触媒コンバーターに関するものである。

各種産業界においては、環境影響負荷低減に向けた様々な取り組みが世界規模でおこなわれており、中でも、自動車産業においては、燃費性能に優れたガソリンエンジン車は勿論のこと、ハイブリッド車や電気自動車等のいわゆるエコカーの普及とそのさらなる性能向上に向けた開発が日々進められている。

ここで、ディーゼル車を取り挙げた場合に、ディーゼル車から発せられる排ガス中には多量の粒子状物質(PM: Particulate Matter)が含まれており、この種の排ガスを処理する触媒コンバーターとして、酸化触媒(DOC)とともにDPF触媒(Diesel Particulate Filter)を使用したものが一般に用いられている。

この触媒コンバーターは、SiC等のセラミックスからなる多孔質の隔壁から構成される多数のセルを有するハニカム基材を担体とし、貴金属触媒を有する触媒層が担持されたものが一般に用いられている。そして、特許文献１には、複数のセルの一方の開口端部（ガス流入側の端部）と他方の開口端部（ガス流出側の端部）に互い違いに目封じされてなる目封止部が形成され、隔壁の上に隔壁の平均細孔径より小さい平均細孔径のPM捕集層が形成され、PM捕集層の表面を含む一部の領域に触媒をコートさせず、隔壁に触媒をコートさせている触媒担持フィルタが開示されている。

特許文献１で開示される触媒担持フィルタによれば、隔壁上に平均細孔径の小さいPM捕集層が形成され、隔壁に触媒をコートさせることによって圧損上昇の抑制効果が得られるとしているが、実際には、触媒担持フィルタのガス流入側における触媒層のコート率が高くなり過ぎると、セルを構成する隔壁の有する細孔が閉塞され、PMが堆積して圧損が上昇することになる。

特開２０１０−１１０７５０号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、排ガス中の粒子状物質(PM)が堆積することによる圧損上昇を抑制することのできる触媒コンバーターを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による触媒コンバーターは、多孔質の隔壁から構成されるセルを有するハニカム基材に触媒層が担持されてなる触媒コンバーターにおいて、ガスが流入する流入端とガスが流出する流出端には双方のセルの開口が交互に目封止部によって目封止されて市松模様状を呈し、双方の端部の目封止部が相補的な位置に配されており、ガスは、目封止部を具備しないセルの開口を介して進入し、該目封止部を具備しないセルを流通するとともに、該セルの隔壁のインレット領域を通り、さらにアウトレット領域を通って目封止部を具備するセル内に進入して目封止部を具備するセル内にも流通する触媒コンバーターであって、前記流入端側の領域における触媒層のコート占有率は触媒コンバーターの全体の触媒層のコート占有率よりも10%以上少ない割合であり、かつ、前記流入端側の領域における貴金属触媒の割合は該流入端側の領域の全体の6%以下であり、かつ、前記流入端側の領域の前記インレット領域における貴金属触媒の割合は該流入端側の領域の該インレット領域の全体の5%以下としたものである。

本発明の触媒コンバーターは、PMを捕捉可能な触媒層を具備する触媒コンバーターであり、PMが触媒層に堆積してガス流れに対する圧損が上昇するのを抑制するために、触媒コンバーターにおけるガスの流入端側における触媒層のコート占有率を規定したものである。

より具体的には、流入端側の領域における触媒層のコート占有率を触媒コンバーターの全体の触媒層のコート占有率よりも10%以上少ない割合とし、さらに、流入端側の領域における貴金属触媒の割合を流入端側の領域の全体（ここで、「流入端側の領域の全体」とは、流入端側の領域における基材、空隙、触媒コート層の全てを示称している）の6%以下とし、さらに、流入端側の領域のインレット領域における貴金属触媒の割合を該流入端側の領域のインレット領域の全体（ここで、「インレット領域の全体」とは、インレット領域における基材、空隙、触媒コート層の全てを示称している）の5%以下としたものであり、この三種の規定によって圧損上昇率を抑制できることが実証されている。

ここで、セルの形状は、正方形や長方形からなる四角形、それ以外の多角形のほか、円形、楕円形などの形状があり、たとえば四角形の輪郭のセルが隔壁によって画成されてハニカム基材が形成される。

そして、ガスの流入端と流出端にはそれぞれ、市松模様状に目封止部が設けられるとともに、流入端と流出端で目封止部が互い違いとなるように形成され（相補的な位置に形成され）、流入端におけるセルの開口（目封止部を具備しないセルの開口）から排ガスが流入するようになっている。

セルを構成する隔壁は多孔質のセラミックスからなり、セルの開口から流入した排ガスは、このセル内を流通するとともに、セルの途中から隔壁に設けられた細孔を介して隣接するセルに進入して流出端の開口から排気される。この排ガスの流れは、流入端と流出端でセルに設けられた目封止部が互い違いとなるように形成されていることに依拠している。ここで、セルの隔壁は、隣接する２つのセルに共通する隔壁となるが、一方のセルの隔壁の細孔を介して隣接する他方のセルに排ガスが流れる場合に、隔壁のうち、最初に排ガスが流れていたセル側の領域を「インレット領域」とし、排ガスが進入してきた下流のセル側の領域を「アウトレット領域」としている。

ハニカム基材の素材であるセラミックスとしては、アルミナやコージェライト、炭化ケイ素(SiC)などが挙げられる。

触媒層にはPdやPtなどの貴金属触媒のほか、Ag、助触媒である金属酸化物などが担持されていてもよく、排ガスがセル表面の触媒層を通過し、隔壁の細孔を通過する過程で、PMが隔壁に堆積され、貴金属触媒にて燃焼されて無害化されることになる。しかしながら、セルの隔壁にPMが徐々に堆積していくことは否めず、このPMの堆積によって隔壁の細孔が閉塞し、ガス流れに対する圧損が上昇する原因となる。

この問題に対し、本発明者等は、触媒コンバーターの中でも排ガスの流入端側の領域における触媒層のコート占有率がガス流れに対する圧損の上昇に大きな影響を及ぼすことに着目し、この領域における触媒層のコート占有率を所望範囲に規定するようにしたものである。

ここで、「流入端側の領域」とは、全長がLの触媒コンバーターにおいて、そのガスの流入端から0.1L〜0.33Lの範囲程度のことを意味している。たとえば、全長Lが150mmの場合に、流入端の0〜50mmの範囲が「流入端側の領域」であり、より具体的には、流入端の0〜5mmの範囲に目封止部が配され、この流入端側の領域における触媒層のコート占有率や貴金属触媒の割合が規定されることになる。

この「流入端側の領域」における触媒層のコート占有率を触媒コンバーターの全体の触媒層のコート占有率よりも10%以上少ない割合に規定することにより、PMの堆積に起因する圧損上昇の低減を図ることができる。

そして、このことに加えて、「流入端側の領域」内における貴金属触媒の割合をさらに規定し、これを「流入端側の領域」の全体の6%以下に規定するものであり、さらに加えて、「流入端側の領域」における「インレット領域」における貴金属触媒の割合をさらに規定し、これを「流入端側の領域」における「インレット領域」の全体の5%以下としたものである。

以上の説明から理解できるように、本発明の触媒コンバーターによれば、触媒コンバーターの全体に対するガスの流入端側の領域における触媒層のコート占有率を規定し、さらに、この流入端側の領域における貴金属触媒の割合を規定し、さらに、この流入端側の領域のインレット領域における貴金属触媒の割合を規定したことにより、PMの堆積によるセル隔壁の細孔閉塞を抑制し、もってこのことに起因する圧損の上昇を抑制することができる。

本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明した模式図である。図１のII−II矢視図であって、ガスの流入端と流出端で目封止部が互い違いに設けられていること、および、排ガスの流れを説明した図である。図２のIII部の拡大図である。圧損上昇率を検証した実験結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明する。なお、図示する触媒コンバーターでは、セルの開口形状が長方形であるが、これ以外の正方形を含む多角形、円形、楕円形などの形状であってもよい。

（触媒コンバーターの実施の形態）
図１は本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明した模式図であり、図２は図１のII−II矢視図であって、ガスの流入端と流出端で目封止部が互い違いに設けられていること、および、排ガスの流れを説明した図であり、図３は図２のIII部の拡大図である。

同図で示す触媒コンバーター１０は、多孔質で格子状の隔壁２から構成される多数のセル３を有するハニカム基材１に触媒層５（図３参照）が担持されてその全体が大略構成されている。なお、この触媒コンバーター１０は触媒担持型DPFと称することもできる。

ハニカム基材１はセラミックスから形成された多孔質構造の基材である。また、触媒層５は、アルミナやジルコニア、セリア、シリカなどから選定することができ、白金やパラジウム、ロジウムなどから選定された貴金属触媒が分散担持されてコート層を形成したものである。

排ガスが流入する（図１のＸ１方向）流入端と排ガスが流出する（図１のＸ５方向）流出端には、双方のセル３の開口が交互に目封止部４によって目封止されて市松模様状を呈した構成となっている（流出端の図示は省略）。なお、流入端と流出端で双方の市松模様は互い違いに目封止部４を有するものであり、このように目封止部４を相補的な位置に具備していることで、セル内の排ガスの流通を促進でき、かつ、セル内における触媒層に排ガスを効果的に通過させて、COをCO₂に転化し、VOCを燃焼してCO₂とH₂Oを生成するとともに、PMの燃焼を促進することができる。

すなわち、図２で示すように流入端と流出端で双方の市松模様は互い違いに目封止部４を有することから、流入端で目封止部４を具備しないセル３の開口から流入した排ガス（Ｘ１方向）のうち、その一部はこのセル３に隣接する上下左右の別途のセル３に流入し（Ｘ２方向）、残部は当該セル３内を流通する（Ｘ３方向）。

そして、流出端に目封止部４を具備するセル内を流通する（Ｘ３方向）ガスは、流出端で目封止部４によってその上下左右のセル３に流され（Ｘ４方向）、目封止部４を具備しないセル３の端部開口を介して流出することになる（Ｘ５方向）。

なお、図３で示すように、セル３を画成する隔壁２は多数の細孔を有しており、この細孔を介して図２で示すような隔壁２を介した隣接するセル３，３間の排ガスの流れ（Ｘ２方向、Ｘ４方向）が保証されている。

ここで、図示する目封止部４の形成方法としては、板材に所定の間隔でピンが取付けられた治具を使用する方法があり、より具体的には、図１の端部のセルに形成された目封止部４のないそれぞれの開口に対応する位置に開口と同じ形状および寸法のピンを板材の表面に具備する治具を用意し、ハニカム基材１の端部を目封止部４形成用の調合剤内に浸漬して取り出した後、治具をハニカム基材１の端部にピンが対応する位置に突き刺さるように押し付けることで、図１で示すような目封止部４と開口からなる市松模様を形成することができる。

触媒コンバーター１０において、その全長Lに対し、排ガスが流入する流入端から0.1L〜0.33L程度の範囲が流入端側の領域１ａとなる。

ハニカム基材１を構成する隔壁２には、図３で示すようにその一部に触媒層５がコートされている。ここで、ハニカム基材１の隔壁２への触媒層５のコート方法は、触媒層５形成用のスラリーを製作し、このスラリー内にハニカム基材１を浸漬し、取り出して乾燥させる（焼成も含む）方法である。

ここで、ハニカム基材１の隔壁２の全体に対する触媒層５のコート占有率（全体に対する触媒層がコートされた面積比率）をp%とした際に、流入端側の領域１ａにおける触媒層５のコート占有率はpよりも10%以上少ない割合、すなわち、0.9p未満のコート占有率となっている。たとえば、全体のコート占有率が20%であれば、流入端側の領域１ａにおける触媒層５のコート占有率は18%未満である。

このように、流入端側の領域１ａにおける触媒層５のコート占有率を規定したことに加えて、流入端側の領域１ａ内における貴金属触媒の割合に関し、これが流入端側の領域１ａの全体の6%以下となるように流入端側の領域１ａの全体における貴金属触媒の割合が規定されている。

そして、さらに流入端側の領域１ａのインレット領域２Ａにおける貴金属触媒の割合に関し、これを流入端側の領域１ａのインレット領域２Ａの全体の5%以下となるように当該領域の貴金属触媒の割合が規定されている。

このように、触媒コンバーター１０の全体に対する流入端側の領域１ａにおける触媒層５のコート占有率を規定し、さらに、流入端側の領域１ａの全体における貴金属触媒の割合を規定し、さらに、流入端側の領域１ａのインレット領域２Ａにおける貴金属触媒の割合を規定したことにより、触媒コンバーター１０の隔壁２におけるPMの堆積を抑制でき、もって、このPMの堆積に起因する排ガス流れに対する圧損の上昇を効果的に抑制することができる。

これは、触媒層のコート占有率が高くなることで隔壁の有する細孔の閉塞割合が高くなることのほかに、排ガス中のPM成分を多量に含む流入端側の領域において細孔がPMの堆積で閉塞され易いことに着目したものである。この流入端側の領域における隔壁細孔の触媒層による閉塞が防止されている（もしくは閉塞が低減されている）ことにより、PMの堆積によって隔壁の細孔が閉塞され、このことに起因して圧損が上昇するのが効果的に抑制されることになる。

なお、ハニカム基材１が上記するSiC素材の場合には、このSiCと触媒スラリーの親和性が低い傾向にあり、触媒スラリーが乾燥して移動しながらコート層を形成する過程でこの触媒層による細孔閉塞が生じ易い。

[圧損低減効果の確認実験とその結果]
本発明者等は、以下の方法で、比較例1〜3の触媒コンバーター、および実施例1〜3の触媒コンバーターを製作し、比較例1、3、実施例3に関しては、基準A(基材の隔壁の厚みが10ミルで触媒層のコートなし)の圧損上昇率に対するそれらの圧損上昇率を求めた。一方、比較例2、実施例1、2に関しては、基準B(基材の隔壁の厚みが12.5ミルで触媒層のコートなし)の圧損上昇率に対するそれらの圧損上昇率を求めた。

（比較例1）
SiC素材のDPF基材の全体にAl₂O₃粉末を含有したスラリーをウォッシュコートし、コート層の乾燥と焼成をおこなった。担持したコート量は触媒1リットル当たり20gであり、Ptは含浸法にて触媒1リットル当たり1g担持した。また、SiC素材のDPF基材は、φ160mm、150L、セルの隔壁の厚みは250μm、セル密度は300cpsi、気孔率は42%のものを使用した。

（比較例2）
比較例1に対し、セルの隔壁の厚みが300μmのものを使用し、その他の条件は比較例1と同様とした。

（比較例3）
比較例1に対し、コート量、コート回数、スラリーの浸漬部位、吸引条件（圧力、時間、回数）を調整し、所定領域に触媒コート層を形成した。具体的には、比較例1に対し、Al₂O₃粉末を含有したスラリーをウォッシュコートし、コート層の乾燥と焼成をおこない、コート量は25g/Lとした。また、基材の壁厚は10mmである。

（実施例1）
比較例3に対して触媒１リットル当たりのコート量を15gとし、SiC素材の基材の壁厚を12.5mmに変更し、流入端側のコート量を低減させるため、流入端側の領域とそれ以外の領域の2つに分けてスラリーの浸漬、吸引、乾燥および焼成をおこなった。Ptの担持は含浸法にておこない、3g/L担持させた。

（実施例2）
比較例3に対して触媒1リットル当たりのコート量を20gとし、SiC素材の基材の壁厚を12.5mmに変更し、流入端側のコート量を低減させるため、実施例1と同様に、流入端側の領域とそれ以外の領域の2つに分けてスラリーの浸漬、吸引、乾燥および焼成をおこなった。Ptの担持も実施例1と同様、含浸法にておこなった。

（実施例3）
比較例3に対して触媒1リットル当たりのコート量を16gとし、流入端側のコート量を低減させるため、実施例1と同様に、流入端側の領域とそれ以外の領域の2つに分けてスラリーの浸漬、吸引、乾燥および焼成をおこなった。Ptの担持も実施例1と同様、含浸法にておこなった。

各試験体の触媒コンバーターの仕様と基準A、Bに対する圧損上昇率の結果を以下の表１および図４に示す。なお、図４は、基準Aの結果に対する各試験体の結果の相対比率を示している。

[表１]

表１および図４より、実施例1、2はそれぞれ基準Bに対して圧損上昇率が24.4%、38.8%と、比較例2の基準Bに対する圧損上昇率65.2よりも格段に圧損上昇率が低減していることが実証されている。

同様に、実施例3は基準Aに対して圧損上昇率が38.8%であり、比較例1、3の基準Aに対する圧損上昇率71.2、64.4よりも格段に圧損上昇率が低減していることが実証されている。

この実験結果より、ハニカム基材を具備する触媒コンバーターに関し、排ガスの流入端側の領域における触媒層のコート占有率を触媒コンバーターの全体の触媒層のコート占有率よりも10%以上少ない割合とし、流入端側の領域における貴金属触媒の割合を該流入端側の領域の全体の6%以下とし、流入端側の領域のインレット領域における貴金属触媒の割合を該流入端側の領域の該インレット領域の全体の5%以下とした場合にPMの堆積を効果的に抑制でき、もってガス流れに対する圧損上昇を効果的に抑制できることが分かる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…ハニカム基材、１ａ…流入端側の領域、２…隔壁、２Ａ…インレット領域、２Ｂ…アウトレット領域、３…セル、４…目封止部、５…触媒層、１０…触媒コンバーター

Claims

多孔質の隔壁から構成されるセルを有するハニカム基材に触媒層が担持されてなる触媒コンバーターにおいて、ガスが流入する流入端とガスが流出する流出端には双方のセルの開口が交互に目封止部によって目封止されて市松模様状を呈し、双方の端部の目封止部が相補的な位置に配されており、ガスは、目封止部を具備しないセルの開口を介して進入し、該目封止部を具備しないセルを流通するとともに、該セルの隔壁のインレット領域を通り、さらにアウトレット領域を通って目封止部を具備するセル内に進入して目封止部を具備するセル内にも流通する触媒コンバーターであって、
前記流入端側の領域における触媒層のコート占有率は触媒コンバーターの全体の触媒層のコート占有率よりも10%以上少ない割合であり、
かつ、前記流入端側の領域における貴金属触媒の割合は該流入端側の領域の全体の6%以下であり、
かつ、前記流入端側の領域の前記インレット領域における貴金属触媒の割合は該流入端側の領域の該インレット領域の全体の5%以下である触媒コンバーター。