JP2016055228A - 触媒構造体、触媒構造体の製造方法および製造装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】優れた触媒機能を有する触媒構造体および当該触媒構造体を製造する技術を提供する。【解決手段】粒状の触媒担体の表面に前記触媒担体よりも小径の触媒粒子を分散して担持させた複数の担持触媒がバインダーによって結合された触媒層を有する。このため、比表面積を大幅に向上させることができ、触媒機能を高めることができる。【選択図】図４

Description

本発明は、触媒層を有する触媒構造体およびその製造技術に関するものである。
化学工業においては、特定の化学反応の反応速度を速めるために、種々の触媒が用いられている。例えば特許文献１では、互いに異なる複数の触媒の活性種（触媒粒子）を含むゾルまたはペースト状の吐出液を調製しておき、各吐出液を順番にインクジェットノズルからガラス基板や金属基板の表面に吐出して活性種を積層させることで複数の活性サイトを形成している。
特開２００５−６６４６３号公報
化学工業で使用される触媒では、触媒粒子、たとえば金や白金などの金属、合金、金属酸化物あるいは金属水酸化物などが触媒担体に担持されている。この触媒担体は積極的に触媒反応に関与するものではないが、触媒担体と触媒粒子との界面が触媒反応の反応サイトあるいは活性サイトとして機能する。したがって、触媒機能を高めるためには、比表面積（＝単位質量あたりの表面積または単位体積あたりの表面積）を向上させる技術が望まれている。
しかしながら、上記特許文献１に記載の発明では、ガラス基板や金属基板が触媒担体として機能しており、当該触媒担体の表面に対して活性種（触媒粒子）を担持させることで触媒構造体を構成している。このため、特許文献１に記載の発明において比表面積を向上させるには一定の限界があった。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、優れた触媒機能を有する触媒構造体および当該触媒構造体を製造する技術を提供することを目的とする。
本発明の第１態様は、触媒構造体であって、粒状の触媒担体の表面に触媒担体よりも小径の触媒粒子を分散して担持させた複数の担持触媒がバインダーによって結合された触媒層を有することを特徴としている。
また、本発明の第２態様は、触媒層を有する触媒構造体を製造する触媒構造体の製造方法であって、粒状の触媒担体の表面に触媒担体よりも小径の触媒粒子を分散して担持させた担持触媒と、バインダーと、水または溶剤を含む液体とを混合して流動性材料を調製する調製工程と、流動性材料により触媒層を形成する触媒層形成工程とを備えることを特徴としている。
さらに、本発明の第３態様は、触媒層を有する触媒構造体を製造する触媒構造体の製造装置であって、粒状の触媒担体の表面に触媒担体よりも小径の触媒粒子を分散して担持させた担持触媒と、バインダーと、水または溶剤を含む液体である流動性材料を吐出する吐出ノズル部と、吐出ノズル部に対して基材または製造治具を相対的に移動させる移動機構と、備え、移動機構により吐出ノズル部に対して基材または製造治具を相対移動させつつ、基材の主面または製造治具の平面上に向けて吐出ノズル部から流動性材料を吐出して、基材の主面または製造治具の平面上に流動性材料を塗布することを特徴としている。
本発明にかかる触媒構造体、触媒構造体の製造方法および製造装置によれば、触媒構造体の構成要素たる触媒層は粒状の触媒担体の表面に触媒担体よりも小径の触媒粒子を分散して担持させた複数の担持触媒をバインダーによって結合したものである。このため、特許文献１に記載の触媒構造体、つまり触媒構造体の最終形状とほぼ等しい形状を有する触媒担体（基板）に対して微細ドメイン（触媒粒子で形成される領域）を形成してなるものに比べ、比表面積を大幅に向上させることができ、触媒機能を高めることができる。
本発明にかかる触媒構造体の第１実施形態を製造するのに適した触媒構造体の製造装置の一例を示す図である。 ヘッド部の構成をより詳細に示す拡大図である。 ヘッド部からの流動性材料の吐出の様子を模式的に示す図である。 本発明にかかる触媒構造体の第１実施形態を示す図である。 本発明にかかる触媒構造体の第１実施形態を製造する方法を示すフローチャートである。 本発明にかかる触媒構造体の第２実施形態を製造するのに適した触媒構造体の製造装置の一例を示す図である。 本発明にかかる触媒構造体の第３実施形態の内部構造を模式的に示す図である。 本発明にかかる触媒構造体の第４実施形態を製造するのに適した触媒構造体の製造装置の一例を示す図である。 ヘッド部の構成をより詳細に示す拡大図である。 ヘッド部からの流動性材料の吐出の様子を模式的に示す図である。 本発明にかかる触媒構造体の第４実施形態を示す図である。 本発明にかかる触媒構造体の第５実施形態を製造する方法を示す図である。 本発明にかかる触媒構造体の他の実施形態を示す図である。
＜第１実施形態＞
図１は本発明にかかる触媒構造体の第１実施形態を製造するのに適した触媒構造体の製造装置の一例を示す図である。この触媒構造体の製造装置（以下、単に「製造装置」という）ＭＡは、平板状の基材１１上に複数の棒状触媒部よりなる触媒層を形成した触媒構造体を製造するための装置である。この装置ＭＡは、例えば工業化学で用いられる工業触媒を形成するという用途に好適に使用することができる。
この製造装置ＭＡでは、基台Ｂ上にステージ移動機構２が設けられ、基材１１を保持するステージ３がステージ移動機構２により図１に示すＸ−Ｙ平面内で移動可能となっている。基台Ｂにはステージ３を跨ぐようにしてフレーム１２１が固定され、フレーム１２１にはヘッド部５が取り付けられる。
ステージ移動機構２は、下段からステージ３をＸ方向に移動させるＸ方向移動機構２１およびＹ方向に移動させるＹ方向移動機構２２を有する。Ｘ方向移動機構２１は、モータ２１１にボールねじ２１２が接続され、さらに、Ｙ方向移動機構２２に固定されたナット２１３がボールねじ２１２に取り付けられた構造となっている。ボールねじ２１２の上方にはガイドレール２１４が固定され、モータ２１１が回転すると、ナット２１３とともにＹ方向移動機構２２がガイドレール２１４に沿ってＸ方向に滑らかに移動する。
Ｙ方向移動機構２２もモータ２２１、ボールねじ機構（図示省略）およびガイドレール２２４を有し、モータ２２１が回転するとボールねじ機構によりステージ３がガイドレール２２４に沿ってＹ方向に移動する。以上の構成により、ヘッド部５の基材１１に対する相対的な移動方向が変更可能とされる。ステージ移動機構２の各モータは装置全体を制御する制御部４により制御される。
ヘッド部５では、ベース５１の下面に対し、予め調製された流動性材料（図３中の符号１０）を吐出する吐出ノズル部５２と、基材１１に向けてＵＶ光（紫外線）を照射する光照射部５３とが設けられている。また、吐出ノズル部５２には供給管５２２が取り付けられる。供給管５２２は、制御弁５２３、ポンプ５２４および流量計５２５を介して担持触媒を含む流動性材料を貯留するタンク５２６に接続される。そして、制御部４がポンプ５２４を駆動するとともに制御弁５２３の開閉を制御することにより、吐出ノズル部５２からの流動性材料吐出のオン・オフが制御される。
光照射部５３は、光ファイバ５３１を介して紫外線を発生する光源ユニット５３２に接続される。図示を省略しているが、光源ユニット５３２はその光出射部に開閉自在のシャッターを有しており、その開閉および開度によって出射光のオン・オフおよび光量を制御することができる。光源ユニット５３２は制御部４により制御される。
図２はヘッド部の構成をより詳細に示す拡大図であり、ヘッド部５を下方から見たときの吐出ノズル部５２先端付近を示す図である。吐出ノズル部５２は内部が筒状の空洞になったノズルベース５２０に、この空洞に連通された吐出口５２１ａを有する筒状の先端ノズル５２１が複数個（この例では４個であるがこれに限定されない）、Ｙ方向に等間隔に突設された構造となっている。タンク５２６から供給管５２２を経由して輸送されてくる流動性材料は、先端ノズル５２１下端の吐出口５２１ａから基材１１に向けて吐出される。図１および図２に示すように、先端ノズル５２１は、ノズルベース５２０から（−Ｚ）方向および（＋Ｘ）方向に延びている。
また、光照射部５３は、複数の吐出口５２１ａから吐出される流動性材料全体に光を照射するために、Ｙ方向サイズがノズルベース５２０とほぼ同じになっており、その下端は光を集光させるためのレンズ５３２となっている。
先端ノズル５２１の材質については特に限定されないが、吐出口５２１ａから吐出される流動性材料に対し汚染物質を混入させることがなく、微細加工ができるという点から、例えばシリコンやジルコニアの結晶を用いることができる。ただし、ヘッド部５に設けられた複数の先端ノズル５２１はいずれも同一形状とされる。このような微細な加工を要する先端ノズルの形状を全て同一とすることにより、先端ノズルの加工コスト、ひいては装置全体のコストを低減することができる。また、それぞれ１つの吐出口を有し同一形状の複数の先端ノズルをノズルベースに着脱可能に取り付けるようにすれば、例えばいずれかの吐出口が流動性材料によって目詰まりや損傷を起こした場合、当該先端ノズルのみを交換すればよいので、吐出ノズル部全体を交換するのに比べれば装置のランニングコストの点でも有利である。
図３はヘッド部からの流動性材料の吐出の様子を模式的に示す図である。後述するように、この実施形態では、ステージ３に載置された基材１１をステージ移動機構２によりＸ方向に移動させながら、先端ノズル５２１の吐出口５２１ａから流動性材料１０を吐出させる。したがって、基材１１に吐出された流動性材料１０は、最初に基材１１に接触する着液位置Ｐ1から、基材１１とともにＸ方向（図において右方）に移動してゆく。基材１１に対する走査移動という点では、基材１１を固定しヘッド部５を移動させるようにしても等価であるが、ヘッド部５には各種の配管が接続されており、またノズルの振動に起因する吐出量の変動を抑えるという点から、ヘッド部５を固定して基材１１を移動させるのが好ましい。
基材移動方向Ｘにおいて吐出ノズル部５２の下流側には光照射部５３が設けられており、基材１１に塗布された流動性材料１０に対して光Ｌ（例えば紫外線）を照射する。第１実施形態では、後述するように光硬化性のバインダー樹脂を本発明の「バインダー」として含んでいる。このため、基材１１上に光Ｌが照射される光照射位置Ｐ2では、光照射部５３からの光照射を受けて基材１１上の流動性材料１０の硬化が始まる。このようにして、この装置１は基材１１上に棒状の触媒部（図４中の符号１３）を形成し、その形状を維持させることができる。
図４は図１に示す製造装置によって製造される触媒構造体の一例を示す図であり、本発明にかかる触媒構造体の第１実施形態を示している。この触媒構造体１Ａは、基材１１と、基材１１の上面（一方主面）１１１に形成される触媒層１２とで構成される。基材１１を構成する材料は特に限定されるものではないが、金属材料、ガラス材料、セラミック材料や樹脂材料などを用いることができ、図１に示す製造装置ＭＡにより触媒構造体１Ａを製造する場合には、板状の基材１１が用いられる。
また、図１に示す製造装置ＭＡにより形成される触媒層１２は、図４に示すように、複数本の触媒部１３で構成されている。各触媒部１３は、図４（ａ）に示すように、Ｘ方向に延びる棒状またはライン形状を有しており、これら複数の触媒部１３はＹ方向において互いに一定間隔だけ離間しながら平行に設けられている、つまりストライプ状に設けられている。このため、基材１１の上面１１１のうち触媒部１３を形成していない領域は露出した領域となっている。また、各触媒部１３は触媒担体１４１の表面で当該触媒担体１４１よりも小径の触媒粒子１４２を担持している担持触媒１４を含有して触媒機能を発揮する。
なお、本実施形態では、次に詳述するように吐出ノズル部５２を用いた塗布技術を用いて触媒部１３を形成するため、粒径１ないし１００［μｍ］の粉末状のシリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）などを触媒担体１４１として用いている。また、担持触媒１４によって触媒機能を発揮させるために、本実施形態では、触媒担体１４１よりも小径の金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）などの単体元素、それらの酸化物あるいは水酸化物を触媒粒子１４２として用いている。
次に、前述した製造装置ＭＡにより、上記の触媒構造体１Ａを製造する方法について図４および図５を参照しつつ説明する。
図５は本発明にかかる触媒構造体の第１実施形態を製造する方法を示すフローチャートである。この第１実施形態では、担持触媒１４と、光硬化性を有するバインダー樹脂と、水や有機溶剤などの液体成分とを混合してペースト状の流動性材料１０を調製しておき（ステップＳ１）、当該流動性材料１０をタンク５２６の貯留しておく。当該流動性材料１０は非ニュートン流体であり、基材１１への吐出後における形状維持を考慮すると、せん断速度１［ｓ−１］において１００ないし１０００［パスカル秒］の粘度を有するものが望ましい。
そして、上記のようにして触媒構造体１Ａの製造準備を完了している装置ＭＡ内に基材１１を搬入し、ステージ３に載置する（ステップＳ２）。そして、ステージ移動機構２を動作させて、基材１１をその右端がヘッド部５の直下近傍位置に来るような所定の塗布開始位置（図１における基材１１の位置）へ移動させる（ステップＳ３）。
次いで、基材１１をＸ方向に移動させながら、ヘッド部５に設けた吐出ノズル部５２および光照射部５３からの流動性材料吐出および光照射をそれぞれ開始する（ステップＳ４）。先端ノズル５２１から流動性材料１０が連続的かつ棒状に吐出されることにより、基材１１上には互いに平行な複数（この例では４本）の棒状（例えば、Ｙ方向幅７０［μｍ］×Ｚ方向高さ１５０［μｍ］の断面形状を有し、Ｘ方向に延設された形状）で流動性材料１０が塗布されて触媒部１３がＸ方向に延設される。また、基材移動方向Ｘにおいて吐出ノズル部５２の下流側に設けた光照射部５３から紫外線を照射されることにより、触媒部１３は硬化してＹＺ平面において凸形状が維持される。さらに、触媒部１３の内部では、図４（ｂ）において模式的に示すように、バインダー樹脂１５によって担持触媒１４が相互に結合されるとともに、流動性材料吐出および光照射を行っている間に液体成分の一部が蒸発によって数多くの空隙１６が形成され、空隙１６の全容積は触媒部１３の体積に対して１０〜３０［％］程度に達する。なお、このように液体成分の一部を蒸発させる工程が本発明の「蒸発工程」の一例に相当するが、光照射前後で触媒部１３に熱を加え、液体成分の蒸発を促進させて空隙１６の量を増大させるように構成してもよい。
基材１１の一方端から他方端まで流動性材料１０の塗布（塗布工程）および光照射が終了すると、基材１１の全面に触媒部１３を形成し終えるまで、塗布開始位置に戻って上記動作を必要回数繰り返し行う（ステップＳ５）。このとき、１回の動作を終えるごとに基材１１の位置をＹ方向に所定量移動させることで、図４（ａ）に示すように基材１１の上面１１１全体に棒状の触媒部（以下「棒状触媒部」という）１３を形成することができる。こうして複数本の棒状触媒部１３からなる触媒層１２が基材１１の上面に形成されて触媒構造体１Ａが製造されると、当該触媒構造体１Ａを装置ＭＡの外へ搬出する（ステップＳ６）。そして、こうして製造された触媒構造体１Ａを種々の装置、例えば改質ガスを製造するための改質触媒として改質装置の反応容器に収容する。
以上のように、この実施形態では、担持触媒１４と、光硬化性を有するバインダー樹脂（バインダー）と、水や有機溶剤などの液体成分とを混合して調製された流動性材料１０を基材１１の上面１１１に棒状に塗布して複数の触媒部１３よりなる触媒層１２を形成している。こうして形成された触媒構造体１Ａの触媒層１２では、図４（ｂ）に示すように、粒状の触媒担体１４１の表面に触媒担体１４１よりも小径の触媒粒子１４２を分散して担持させた複数の担持触媒１４がバインダー樹脂１５によって結合されており、特許文献１に記載の製造方法により製造された触媒構造体に比べ、比表面積を大幅に向上させることができる。また、上記実施形態では、流動性材料１０の塗布後に、流動性材料１０中の液体成分を蒸発させて各触媒部１３内に空隙１６を形成しているため、比表面積をさらに向上させることができる。その結果、優れた触媒機能が得られる。
また、比表面積の向上は触媒層１２の内部においてのみならず、触媒層１２の外部においても行われている。つまり、各触媒部１３は図４（ａ）に示すように基材１１の上面１１１に自立した三次元形状を有しており、触媒部１３の天井面のみならず側面においても触媒反応を発揮する。このように棒状の触媒部１３により触媒層１２を形成したことで、比表面積をより一層向上させることができ、触媒機能をさらに高めることができる。
＜第２実施形態＞
上記第１実施形態では、光硬化性を有するバインダー樹脂１５を本発明の「バインダー」の一例として用いているが、熱硬化性を有するバインダー樹脂を用いてもよい。以下、図６を参照しつつ本発明にかかる触媒構造体の第２実施形態について説明する。
図６は本発明にかかる触媒構造体の第２実施形態を製造するのに適した触媒構造体の製造装置の一例を示す図である。この触媒構造体の製造装置ＭＢが製造装置ＭＡと大きく相違する点は、光照射部５３の代わりに、ステージ３を加熱する加熱手段が設けられている点である。この加熱手段は、ステージ３に設けられるヒータ（図示省略）と、制御部４からの加熱指令に応じてヒータを作動させてステージ３の温度を制御する加熱ユニット３１とを有している。なお、その他の構成は第１実施形態で使用した製造装置ＭＡと同一であるため、同一構成については同一符号を付して説明を省略する。
第２実施形態では、次のようにして触媒構造体を製造する。まず、流動性材料１０として、担持触媒１４と、熱硬化性を有するバインダー樹脂と、水や有機溶剤などの液体成分とを混合してペースト状の流動性材料１０を調製する。そして、当該流動性材料１０を予めタンク５２６の貯留しておき、触媒層を形成する前の基材１１が製造装置ＭＢのステージ３に載置されると、加熱ユニット３１によるステージ３の加熱を開始する。なお、ステージ３の加熱開始タイミングはこれに限定されるものではなく、例えば製造装置ＭＢへの基材１１の搬入前から加熱ユニット３１を作動させてステージ３の加熱を開始するように構成してもよい。
加熱されたステージ３によって基材１１を加熱した状態のまま、ステージ移動機構２を動作させて、基材１１をその右端がヘッド部５の直下近傍位置に来るような所定の塗布開始位置（図６における基材１１の位置）へ移動させる。次いで、基材１１をＸ方向に移動させながら、ヘッド部５に設けた吐出ノズル部５２からの流動性材料吐出を開始する。これによって、先端ノズル５２１から流動性材料１０が吐出されることにより、基材１１上には互いに平行な複数の棒状で流動性材料１０が塗布されて棒状触媒部１３がＸ方向に延設される。また、基材１１の上面１１１に塗布された棒状触媒部１３は直ちに加熱されることで硬化してＹＺ平面において凸形状が維持される。さらに、触媒部１３の内部では、第１実施形態と同様に、バインダー樹脂１５によって担持触媒１４が相互に結合されるとともに、流動性材料吐出を行っている間に液体成分の一部が蒸発して数多くの空隙１６が形成される。このようにヒータにより液体成分の一部を蒸発させる工程が本発明の「蒸発工程」の一例に相当している。
基材１１の一方端から他方端まで流動性材料１０の塗布（塗布工程）が終了すると、第１実施形態と同様に、基材１１の全面に触媒部１３を形成し終えるまで、塗布開始位置に戻って上記動作を必要回数繰り返し行う。このとき、１回の動作を終えるごとに基材１１の位置をＹ方向に所定量移動させることで、基材１１の上面１１１全体に棒状触媒部１３を形成することができる。こうして触媒構造体が製造されると、当該触媒構造体を装置ＭＢの外へ搬出し、例えば改質装置の反応容器に収容する。
以上のように、第２実施形態においても、第１実施形態と同様の理由から、優れた触媒機能を有する触媒構造体が得られる。
＜第３実施形態＞
上記第１実施形態および第２実施形態では、複数の担持触媒１４を相互に結合させるバインダーとしてバインダー樹脂を用いているが、触媒担体よりも微細な微粒子を用いてもよい。より具体的には、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）などの微粒子を用いることができる。この場合、第２実施形態と同様に、図６に示す製造装置ＭＢを用いて製造することができ、以下の手順で微粒子（以下「バインダー微粒子」という）を用いて触媒構造体を製造する方法について説明する。
この第３実施形態では、担持触媒１４と、バインダー微粒子と、水や有機溶剤などの液体成分とを混合してペースト状の流動性材料１０を調製する。そして、当該流動性材料１０を予めタンク５２６の貯留しておき、触媒層を形成する前の基材１１が製造装置ＭＢのステージ３に載置されると、第２実施形態と同様に、加熱ユニット３１によるステージ加熱、塗布開始位置への基材１１の移動、およびヘッド部５に対して基材１１を相対移動させながらの吐出ノズル部５２からの流動性材料吐出を行う。これによって、基材１１の上面１１１において互いに平行な複数の棒状で流動性材料１０が塗布されて棒状触媒部１３がＸ方向に延設される。また、触媒部１３の内部では、図７に示すように、担持触媒１４の間にバインダー微粒子１７が入り込み、担持触媒１４同士を結合するとともに、液体成分の一部が蒸発によって数多くの空隙１６が形成される。
基材１１の一方端から他方端まで流動性材料１０の塗布が終了すると、第１実施形態や第２実施形態と同様に、基材１１の全面に触媒部１３を形成し終えるまで、塗布開始位置に戻って上記動作を必要回数繰り返し行う。これによって、基材１１の上面１１１全体に棒状触媒部１３を形成することができる。こうして触媒構造体が製造されると、当該触媒構造体を装置ＭＢの外へ搬出し、例えば改質装置の反応容器に収容する。
以上のように、第３実施形態においても、第１実施形態や第２実施形態と同様の理由から、優れた触媒機能を有する触媒構造体が得られる。
＜第４実施形態＞
上記した第１実施形態ないし第３実施形態にかかる触媒構造体１Ａは、基材１１上において複数の触媒部１３をＹ方向において互いに一定間隔だけ離間しながら平行に形成した、いわゆるライン・アンド・スペース構造を有している。このため、互いに隣接する触媒部１３の間では基材１１の上面１１１が露出しており、当該露出部分では触媒反応は発生しない。これに対し、次に説明するように基材１１の上面１１１に平面形状の触媒部（以下「平面状触媒部」という）を形成するとともに当該平面状触媒部の上面に複数の棒状触媒部１３を形成してもよく、この場合、比表面積のさらなる増大を図ることができる。以下、図８ないし図１１を参照しつつ本発明の第４実施形態について説明する。
図８は本発明にかかる触媒構造体の第４実施形態を製造するのに適した触媒構造体の製造装置の一例を示す図である。この触媒構造体の製造装置ＭＣが製造装置ＭＡと大きく相違する点は、棒状触媒部を形成するためのヘッド部５（以下、「第１ヘッド部５」という）以外に、平面状触媒部を形成するための別のヘッド部７（以下、「第２ヘッド部７」という）を設けている点である。なお、その他の構成は基本的に製造装置ＭＡと同一である。そこで、以下においては、相違点を中心に説明し、同一構成については同一符号を付して説明を省略する。
この製造装置ＭＣでは、第２ヘッド部７を設けるために、ステージ３を跨ぐようにしてフレーム１２１とは別のフレーム１２２が基台Ｂに固定されている。そして、フレーム１２２に第２ヘッド部７が取り付けられている。なお、第２ヘッド部７による平面状触媒部の形成を第１ヘッド部５による棒状触媒部の形成に先立って行うために、第２ヘッド部７は第１ヘッド部５に対して（−Ｘ）方向に離隔配置されている。
この第２ヘッド部７には、第１ヘッド部５と同様に、ベース７１、吐出ノズル部７２、光照射部７３が設けられている。また、吐出ノズル部７２には、供給管７２２、制御弁７２３、ポンプ７２４および流量計７２５を介して担持触媒を含む流動性材料を貯留するタンク７２６が接続されている。そして、制御部４が制御弁７２３の開閉を制御することにより、吐出ノズル部７２からの流動性材料吐出のオン・オフが制御される。
図９はヘッド部の構成をより詳細に示す拡大図である。より詳しくは、図９（ａ）は第２ヘッド部７を下方から見たときの吐出ノズル部７２先端付近を示す図であり、図９（ｂ）は第１ヘッド部５を下方から見たときの吐出ノズル部５２先端付近を示す図である。これらの図面からわかるように、第２ヘッド部７も第１ヘッド部５と同様にノズルベース７２０および先端ノズル７２１を備えているが、第１ヘッド部５とは以下の点で相違している。すなわち、第２ヘッド部７では先端ノズル７２１に設けられる吐出口７２１ａは１個である。その吐出口７２１ａのＹ方向幅は各吐出口５２１ａよりも幅広であり、さらに詳しくは、最も（＋Ｙ）方向側の吐出口５２１ａの（＋Ｙ）方向端から最も（−Ｙ）方向側の吐出口５２１ａの（−Ｙ）方向端までの距離よりも若干幅広である。このため、後述するように吐出口７２１ａから吐出された流動性材料により形成される平面状触媒部の上面に対し、各吐出口５２１ａから吐出された流動性材料により棒状触媒部を形成することが可能となっている。なお、図９中の符号７３２は吐出口７２１ａから吐出される流動性材料全体に光を照射するためのレンズである。
第４実施形態では、このように構成された製造装置ＭＣを用いて図１１に示す触媒構造体１Ｂが製造される。まず、第１実施形態と同様に、担持触媒１４と、光硬化性を有するバインダー樹脂と、水や有機溶剤などの液体成分とを混合してペースト状の流動性材料１０を予め調製しておき、それらをタンク５２６、７２６の貯留しておく。なお、各タンク５２６、７２６に貯留される流動性材料１０は同一組成であるが、後述する動作説明の便宜からタンク５２６、７２６に貯留される流動性材料１０をそれぞれ「流動性材料１０Ｂ」および「流動性材料１０Ａ」と称する。
触媒層を形成する前の基材１１が製造装置ＭＣのステージ３に載置されると、ステージ移動機構２を動作させて、基材１１をその右端がヘッド部７の直下近傍位置に来るような所定の塗布開始位置（図８における基材１１の位置）へ移動させる。次いで、基材１１をＸ方向に移動させながら、２つのヘッド部のうち基材移動方向Ｘの上流側に位置するヘッド部７に設けた吐出ノズル部７２および光照射部７３からの流動性材料吐出および光照射をそれぞれ開始する。なお、この段階ではヘッド部５に設けた吐出ノズル部５２および光照射部５３からの流動性材料吐出および光照射をともに停止している。
先端ノズル７２１から流動性材料１０Ａが吐出されることにより、基材１１上でＹ方向幅広に流動性材料１０Ａが塗布されて平面状触媒部１８（図１０、図１１参照）が形成される。また、基材移動方向Ｘにおいて吐出ノズル部７２の下流側に設けた光照射部７３から紫外線を照射されることにより、触媒部１８は硬化して平面形状が維持される。そして、吐出ノズル部７２による流動性材料吐出および光照射部７３からの光照射を継続させながら基材１１をＸ方向に移動させることで平面状触媒部１８がＸ方向に延設されていき、やがて平面状触媒部１８の（＋Ｘ）方向側端部がヘッド部５の直下に移動してくる。すると、ヘッド部５による棒状触媒部１３の形成を開始し、図１０に示すように、平面状触媒部１８上に複数の棒状触媒部１３をＹ方向に離間しながら形成する。なお、棒状触媒部１３の形成は第１実施形態と同様にして行われる。これによって、図１１に示すように歯付ベルト形状の触媒層１２が基材１１上に形成され、その内部では、第１実施形態と同様に、バインダー樹脂１５によって担持触媒１４が相互に結合されるとともに、流動性材料吐出および光照射を行っている間に液体成分の一部が蒸発によって数多くの空隙１６が形成される（図４（ｂ）参照）。
基材１１の一方端から他方端まで平面状触媒部１８の形成が完了すると、流動性材料１０Ａの塗布および光照射を終了させる。それに続いて、基材１１の一方端から他方端まで棒状触媒部１３の形成が完了すると、流動性材料１０Ｂの塗布および光照射を終了させる。このような触媒部１８、１３の形成を基材１１の全面に対して実行し終えるまで、塗布開始位置に戻って上記動作を必要回数繰り返し行う。このとき、１回の動作を終えるごとに基材１１の位置をＹ方向に所定量移動させる。こうして基材１１の上面１１１全体に平面状触媒部１８および複数の棒状触媒部１３を積層してなる触媒層１２が基材１１の上面に形成されて触媒構造体１Ｂが製造される。その後、当該触媒構造体１Ｂを装置ＭＣの外へ搬出し、改質装置の反応容器に収容する。
以上のように、第４実施形態では、第１実施形態ないし第３実施形態と同様の理由から、優れた触媒機能を有する触媒構造体が得られるだけでなく、互いに隣接する棒状触媒部１３の間に平面状触媒部１８が露出している。したがって、第１実施形態ないし第３実施形態よりも比表面積を向上させることができる。
＜第５実施形態＞
ところで、上記第４実施形態では、基材１１の上面１１１に形成された平面状触媒部１８の上面に棒状触媒部１３を形成して触媒層１２を構成しており、触媒層１２では平面状触媒部１８と棒状触媒部１３とが一体化されている。そこで、図１２に示すように、製造治具１９の平面１９１上に平面状触媒部１８と棒状触媒部１３とで構成される触媒層１２を形成した後で当該触媒層１２を製造治具１９から分離し（分離工程）、この分離体（＝触媒層１２）を触媒構造体１Ｃとしてもよい。この場合、製造治具１９の平面１９１に対する触媒層１２の剥離性が基材１１の上面１１１のそれよりも優れている、例えば平面８１の表面張力が上面１１１の表面張力よりも大きい材料で構成するのが望ましい。
＜その他＞
以上説明したように、上記各実施形態においては、バインダー樹脂１５やバインダー微粒子１７を本発明の「バインダー」として用いているが、「バインダー」の具体例としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ：PolyVinylidene DiFluoride）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ：Styrene-Butadiene Rubber）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ：CarboxyMethyl Cellulose）、ナノシリカ、ナノアルミナ、ナノ酸化チタンなどを使用することができる。また、棒状触媒部１３および平面状触媒部１８がそれぞれ本発明の「第１形状触媒部」および「第２形状触媒部」の一例に相当している。
また、上記実施形態において、流動性材料を調整する工程（ステップＳ１など）が本発明の「調製工程」の一例に相当し、ヘッド部５、７からの流動性材料の吐出によって触媒部を形成する工程（ステップＳ４など）が本発明の「触媒層形成工程」の一例に相当している。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記第１実施形態ないし第４実施形態にかかる触媒構造体（＝基材１１＋触媒層１２）を複数個組み合わせてもよく、例えば図１３に示すように触媒構造体１Ａを複数個積層させたものを触媒構造体１Ｄとして用いてもよい。この点に関しては、触媒構造体１Ａ、１Ｂを組み合わせた場合、第５実施形態にかかる触媒構造体１Ｃ（＝触媒層１２）を複数個組み合わせた場合、あるいは触媒構造体１Ｃを触媒構造体１Ａ（１Ｂ）と組み合わせた場合も同様である。
また、上記実施形態では、本発明の「第１形状触媒部」としてＹ方向幅７０［μｍ］×Ｚ方向高さ１５０［μｍ］の断面形状を有する棒状触媒部１３を形成しているが、自立した三次元形状を有するものであればよく、例えばＹ方向幅３０〜３００［μｍ］、Ｚ方向高さがＹ方向幅の０．２〜３［倍］程度の直方体形状に形成したもの、触媒部１３を島状に形成したもの等が本発明の「第１形状触媒部」に含まれる。
また、上記実施形態では、図４、１１〜１３に示すように、複数の棒状触媒部１３が上方からの平面視でストライプ状に設けられているが、複数の棒状触媒部１３の配置形態はこれに限定されるものではなく、任意であり、例えば平面視で格子状に設けてもよい。
また、上記実施形態では、バインダーの光硬化性や熱硬化性を利用して触媒部１３，１８の形状維持を図っているが、流動性材料１０を比較的高粘度に調製したり、液体成分としてアセトン（acetone）やアルコール類のような即乾性溶剤を用いて塗布直後の触媒部の粘度を制御することで形状維持を図ってもよい。
また、上記した第１実施形態ないし第４実施形態では、基材１１の一方主面１１１にのみ触媒層１２を形成しているが、基材１１の他方主面にも触媒層を形成してもよい。
さらに、上記実施形態では、改質ガスを製造するための改質触媒として機能する触媒構造体に対して本発明を適用しているが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、化学工業を用いられる触媒全般に対して本発明を適用することができる。
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ…触媒構造体
１０、１０Ａ、１０Ｂ…流動性材料
１１…基材
１１１…上面（基材１１の一方主面）
１２…触媒層
１３…棒状触媒部（第１形状触媒部）
１４…担持触媒
１４１…触媒担体
１４２…触媒粒子
１５…バインダー樹脂（バインダー）
１６…空隙
１７…バインダー微粒子（バインダー）
１８…平面状触媒部（第２形状触媒部）
１９…製造治具
ＭＡ、ＭＢ、ＭＣ…触媒構造体の製造装置
Ｘ…基材移動方向

Claims (17)

  1. 粒状の触媒担体の表面に前記触媒担体よりも小径の触媒粒子を分散して担持させた複数の担持触媒がバインダーによって結合された触媒層を有することを特徴とする触媒構造体。
  2. 請求項１に記載の触媒構造体であって、
    基材を有し、
    前記触媒層は前記基材に形成される触媒構造体。
  3. 請求項２に記載の触媒構造体であって、
    前記触媒層は棒状または島状に形成される複数の第１形状触媒部を有し、
    前記複数の第１形状触媒部は、前記基材の一方主面が部分的に露出するように、互いに離間して配置される触媒構造体。
  4. 請求項２に記載の触媒構造体であって、
    前記触媒層は、棒状または島状に形成される第１形状触媒部と、平面形状に形成される第２形状触媒部とを有し、
    前記第２形状触媒部は前記基材の一方主面上に形成され、前記第１形状触媒部は前記第２形状触媒部上に形成される触媒構造体。
  5. 請求項１に記載の触媒構造体であって、
    前記触媒層は、棒状または島状に形成される第１形状触媒部と、平面形状に形成される第２形状触媒部とを有し、
    前記第１形状触媒部は前記第２形状触媒部上に形成される触媒構造体。
  6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の触媒構造体であって、
    前記触媒層の内部に複数の空隙が形成される触媒構造体。
  7. 請求項１に記載の触媒構造体であって、
    前記触媒層は、前記複数の担持触媒と、前記バインダーと、水または溶剤を含む液体とを混合して調製される流動性材料を用いて形成される触媒構造体。
  8. 請求項７に記載の触媒構造体であって、
    基材をさらに備え、
    前記触媒層は前記流動性材料を前記基材に塗布することで形成される触媒構造体。
  9. 請求項８に記載の触媒構造体であって、
    前記触媒層は前記基材の一方主面に対して前記流動性材料を棒状または島状に塗布してなる触媒構造体。
  10. 請求項８に記載の触媒構造体であって、
    前記触媒層は、前記基材の一方主面に対して前記流動性材料を平面状に塗布して平面状触媒部を形成するとともに前記平面状触媒部に対して前記流動性材料を棒状または島状に塗布してなる触媒構造体。
  11. 請求項７に記載の触媒構造体であって、
    製造治具に設けられる平面に対して前記流動性材料を平面状に塗布して平面状触媒部を形成するとともに前記平面状触媒部に対して前記流動性材料を棒状または島状に塗布して形成される、前記触媒層を前記製造治具から分離してなる触媒構造体。
  12. 請求項７ないし１１のいずれか一項に触媒構造体であって、
    前記触媒層は前記液体を蒸発させることで形成される空隙を有する触媒構造体。
  13. 触媒層を有する触媒構造体を製造する触媒構造体の製造方法であって、
    粒状の触媒担体の表面に前記触媒担体よりも小径の触媒粒子を分散して担持させた担持触媒と、バインダーと、水または溶剤を含む液体とを混合して流動性材料を調製する調製工程と、
    前記流動性材料により前記触媒層を形成する触媒層形成工程と
    を備えることを特徴とする触媒構造体の製造方法。
  14. 請求項１３に記載の触媒構造体の製造方法であって、
    前記触媒構造体は前記触媒層を支持する基材をさらに有し、
    前記触媒層形成工程は、前記流動性材料を前記基材上に塗布して前記触媒層を形成する塗布工程を有する触媒構造体の製造方法。
  15. 請求項１３に記載の触媒構造体の製造方法であって、
    前記触媒層形成工程は、製造治具に設けられる平面に対して前記流動性材料を平面状に塗布して平面部を形成するとともに前記平面部に対して前記流動性材料を棒状または島状に塗布して前記触媒層を形成する塗布工程と、前記塗布工程後に前記触媒層を前記製造治具から分離させる分離工程とを有する触媒構造体の製造方法。
  16. 請求項１４または１５に記載の触媒構造体の製造方法であって、
    前記触媒層形成工程は、前記塗布工程後に前記液体を蒸発させて前記触媒層に空隙を設ける蒸発工程をさらに有する触媒構造体の製造方法。
  17. 触媒層を有する触媒構造体を製造する触媒構造体の製造装置であって、
    粒状の触媒担体の表面に前記触媒担体よりも小径の触媒粒子を分散して担持させた担持触媒と、バインダーと、水または溶剤を含む液体である流動性材料を吐出する吐出ノズル部と、
    前記吐出ノズル部に対して基材または製造治具を相対的に移動させる移動機構と、
    を備え、
    前記移動機構により前記吐出ノズル部に対して前記基材または前記製造治具を相対移動させつつ、前記基材の主面または前記製造治具の平面上に向けて前記吐出ノズル部から前記流動性材料を吐出して、前記基材の前記主面または前記製造治具の前記平面上に前記流動性材料を塗布することを特徴とする触媒構造体の製造装置。
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