JP2019181468A - ハニカム状反応容器 - Google Patents

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Abstract

【課題】高温に長時間曝された場合であっても、反応層の性能が低下しにくいハニカム状反応容器を提供すること。【解決手段】ハニカム状基材と、該ハニカム状基材のセルの内壁の少なくとも一部に、セルの内周に沿った方向に分離し、かつ、セルの長手方向に分離して配置されている反応層を備えていることを特徴とするハニカム状反応容器。【選択図】なし

Description

本発明は、ハニカム状反応容器に関し、より詳しくは、ハニカム状基材のセル内に反応層を備えるハニカム状反応容器に関する。
自動車等に用いられる排ガス浄化用触媒や、燃料電池等に用いられる固体酸化物形燃料電池(SOFC)、二次電池用セル、各種合成装置に用いられる反応容器等の、複数の貫通孔を有するハニカム状基材と、このハニカム状基材のセル内に塗布された触媒材料や活物質、電極材料、緩衝材、吸着材等の材料からなる反応層とを備える反応容器において、前記反応層として、従来は、1種類の材料を塗布して形成された単層の反応層が用いられていたが、近年、各種性能の向上のために、複数の材料を塗布して形成された、組成が異なる複数の反応層が反応流体の流れ方向に垂直な方向(セルの短手方向又は半径方向)に分布している多層型又は積層型の反応層が用いられるようになってきた(例えば、特開2007−268484号公報(特許文献1))。
しかしながら、多層型又は積層型の反応層を備えるハニカム状反応容器においては、複数の反応層の一方が他方の反応層の機能を阻害したり、両者が互いの機能を阻害したりするという問題があった。例えば、Pd触媒を含む反応層にRh触媒を含む反応層を積層したハニカム状反応容器においては、高温に長時間曝された場合や長期間使用した場合に、耐熱性が低いPd触媒は粒成長して大きなPd触媒粒子が生成しやすく、また、RhはPdと結晶構造が同じであり、Pd中に固溶しやすいため、Rh触媒の近傍に粒成長したPd触媒が存在すると、熱拡散により、粒成長したPd触媒粒子中にRh触媒が固溶し、Rh触媒のNO浄化性能が低下するという問題があった。さらに、Pd触媒がセリア−ジルコニア固溶体に担持されている場合には、セリア−ジルコニア固溶体にもRh触媒が固溶するため、Rh触媒のNO浄化性能が更に低下するという問題があった。
一方、特開2017−176939号公報(特許文献2)には、ハニカム状基材の各セルの内壁にセルの内周に沿った方向に分離して配置されている2種以上の触媒層を備えるハニカム状触媒が記載されており、このハニカム状触媒は、複数の触媒材料を混合して形成した従来の混合触媒層を備えるハニカム状触媒に比べて触媒性能が向上することも記載されている。しかしながら、特許文献2に記載のハニカム状触媒においては、触媒層が反応流体の流れ方向に同一組成となるように配置されているため、反応流体がセル内を層流で通過すると、反応流体が1種類の触媒層のみに接触し、他の触媒層に接触しないため、2種以上の触媒層を配置した効果を得るためには、反応流体の流れを制御する必要があった。
特開2007−268484号公報 特開2017−176939号公報
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、高温に長時間曝された場合であっても、反応層の性能が低下しにくいハニカム状反応容器を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、反応層を、ハニカム状基材のセルの内壁の少なくとも一部に、セルの内周に沿った方向に分離し、かつ、セルの長手方向に分離して配置することによって、高温に長時間曝された場合であっても、反応層の性能の低下が抑制されることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明のハニカム状反応容器は、ハニカム状基材と、該ハニカム状基材のセルの内壁の少なくとも一部に、セルの内周に沿った方向に分離し、かつ、セルの長手方向に分離して配置されている反応層を備えていることを特徴とするものである。
このようなハニカム状反応容器においては、前記ハニカム状基材のセルの内壁の少なくとも一部に、前記反応層がセルの長手方向に螺旋状に配置されていることが好ましい。
また、本発明のハニカム状反応容器においては、前記反応層が2種以上の反応層からなることが好ましく、前記ハニカム状基材のセルの内壁の少なくとも一部に、前記2種以上の反応層がセルの長手方向に多重螺旋状に配置されていることがより好ましい。
さらに、本発明のハニカム状反応容器においては、前記反応層の幅(前記反応層の表面におけるセルの長手方向の長さ)が0mm超過5mm以下であることが好ましく、また、前記反応層が2種以上の反応層からなり、隣接する反応層間のピッチ(隣接する反応層の表面におけるセルの長手方向の中心間距離)が0mm超過5mm以下であることが好ましい。
また、本発明のハニカム状反応容器においては、前記反応層が触媒材料からなるものであることが好ましい。
なお、本発明のハニカム状反応容器が高温に長時間曝された場合であっても、反応層の性能の低下が抑制される理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、本発明のハニカム状反応容器においては、反応層が、セルの内周に沿った方向とセルの長手方向の両方向において分離して配置されているため、例えば、前記反応層が2種以上の反応層からなる場合には、各反応層を構成する材料同士の反応が抑制されたり、一方の材料から他方の材料への熱拡散が抑制されたりするため、各反応層の性能の低下が抑制されると推察される。また、本発明のハニカム状反応容器においては、反応層が、セルの内周に沿った方向だけでなく、セルの長手方向においても分離して配置されているため、例えば、前記反応層が2種以上の反応層からなる場合には、反応基質ガス等の流体が層流のままであっても、少なくとも2種類の反応層と接触するため、2種以上の反応層を配置した効果が十分に発揮されると推察される。
本発明によれば、高温に長時間曝された場合であっても、反応層の性能が低下しにくいハニカム状反応容器を得ることが可能となる。
本発明のハニカム状反応容器のセルの好適な実施態様を模式的に示す斜視図である。 本発明のハニカム状反応容器を製造するために用いられるセル内塗布装置の一例を示す模式縦断面図である。 本発明のハニカム状反応容器を製造するために用いられるセル内塗布装置の他の例を示す模式縦断面図である。 比較例1で得られたハニカム状反応容器のセルを模式的に示す斜視図である。 比較例2で得られたハニカム状反応容器のセルを模式的に示す斜視図である。 耐久試験時間と昇温時のNOの50%浄化温度との関係を示すグラフである。 耐久試験時間とリッチガス定常時のNO浄化率との関係を示すグラフである。 反応層の幅(又は隣接する反応層間のピッチ)とCの50%浄化温度との関係を示すグラフである。
以下、本発明をその好適な実施態様に即して説明する。
本発明のハニカム状反応容器は、ハニカム状基材と、このハニカム状基材のセルの内壁の少なくとも一部に、セルの内周に沿った方向に分離し、かつ、セルの長手方向に分離して配置されている反応層を備えるものである。
(ハニカム状基材)
本発明に用いられるハニカム状基材としては、隔壁で区画された複数のセル(流体や気体の流通路)を有するものであれば特に制限はないが、ハニカム状基材の強度を十分に確保できるという観点から、一体成型された公知のハニカム状基材を使用することが好ましい。一方、一体成型されていないハニカム状基材を用いた場合、すなわち、複数の部材によって組立てられたハニカム状基材を用いた場合には、ハニカム状基材の強度が十分に確保できず、構造信頼性が低くなる傾向にあり、特に、反応層を形成したハニカム状部材をセルの長手方向に多段に配置して所望の長さのハニカム状反応容器を形成した場合には、隣接するハニカム状部材の間で連続性がなくなり、前記ハニカム状部材の継ぎ目で反応基質ガス等の流体の流れが乱流となり、圧力損失が上昇する傾向にある。
また、セルの長手方向(流体の流れ方向)に垂直な方向のセルの断面形状としては特に制限はなく、例えば、四角形状(好ましくは正四角形状)、六角形状(好ましくは正六角形状)等の多角形状(好ましくは正多角形状)、円形状、楕円形状等が挙げられる。
このようなハニカム状基材の材質としては特に制限はなく、例えば、コージェライト、炭化ケイ素、ムライト、アルミナ、チタン酸アルミニウム、窒化ケイ素、ステンレス鋼、20%Cr−5%Al合金ステンレス鋼等が挙げられる。特に、本発明のハニカム状反応容器を自動車用排ガス浄化触媒として使用する場合には、コージェライト製ハニカム状基材、ステンレス箔基材が好ましい。
(反応層)
本発明にかかる反応層を構成する材料としては特に制限はなく、例えば、触媒材料、活物質、電極材料、緩衝材、吸着材等が挙げられる。
前記触媒材料としては、例えば、貴金属(例えば、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、白金(Pt))、塩基性材料(例えば、バリウム(Ba))、酸化物担体(例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ、チタニア、希土類酸化物(セリア、酸化ランタン等)、遷移金属酸化物(酸化鉄等)、これらを2種以上含む複合酸化物(セリア−ジルコニア複合酸化物、ゼオライト等))等が挙げられるが、これらに制限されるものではない。前記電極材料としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、銀等の遷移金属粉末材料(ペースト)、カーボン等が挙げられるが、これらに制限されるものではない。前記緩衝材や吸着材としては、例えば、アルミナ、シリカ、ゼオライト、メソ多孔体、各種粘土鉱物等が挙げられるが、これらに制限されるものではない。
本発明のハニカム状反応容器においては、このような材料を使用して形成された反応層が、前記ハニカム状基材の各セルの内壁の少なくとも一部に、セルの内周に沿った方向(以下、「内周方向」ともいう)に分離し、かつ、セルの長手方向に分離した状態で配置されている。本発明のハニカム状反応容器において、このような反応層は1種の反応層からなるものであってもよいし、2種以上の反応層からなるものであってもよい。
例えば、前記反応層が2種以上の反応層からなる場合、前記2種以上の反応層をセルの内周方向に分離し、かつ、セルの長手方向に分離した状態で配置することによって、各反応層を構成する材料同士の反応が抑制されたり、一方の材料から他方の材料への熱拡散が抑制されたりするため、各反応層の性能の低下を抑制することができる。さらに、前記2種以上の反応層をそれぞれセルの長手方向の複数箇所に分離した状態で配置することによって、前記2種以上の反応層による相乗効果を得ることができる。
一方、2種以上の反応層が積層されている場合には、各反応層を構成する材料同士の反応が起こったり、一方の材料から他方の材料への熱拡散が起こったりするため、各反応層の性能が低下しやすく、反応層の性能が十分に発現しない。また、2種以上の反応層をセルの長手方向に分離した状態でそれぞれ1箇所ずつ配置した場合には、前記2種以上の反応層による相乗効果が十分に得られず、反応層の性能が十分に発現しない場合がある。
本発明にかかる2種以上の反応層がそれぞれ異なる触媒材料からなるものである場合の2種以上の触媒材料(触媒層)の組合せとしては特に制限はないが、触媒材料を混合した場合に酸化/還元の高温熱処理により触媒材料の拡散・固溶・反応・シンタリング(粒成長)等が起こり、活性点や比表面積の減少、融点の低下によって触媒性能が十分に発揮されない触媒材料(この触媒材料からなる触媒層)の組合せが好ましく、ロジウム(Rh)を含有する触媒材料(触媒層)とパラジウム(Pd)を含有する触媒材料(触媒層)の組合せ、ロジウム(Rh)を含有する触媒材料(触媒層)と白金(Pt)を含有する触媒材料(触媒層)の組合せ、ロジウム(Rh)を含有する触媒材料(触媒層)とセリアを含有する触媒材料(触媒層)の組合せ、ロジウム(Rh)を含有する触媒材料(触媒層)と酸化鉄を含有する触媒材料(触媒層)の組合せ、セリアを含有する触媒材料(触媒層)と酸化鉄を含有する触媒材料(触媒層)の組合せ、アルミナを含有する触媒材料(触媒層)と酸化鉄を含有する触媒材料(触媒層)の組合せ、チタニアを含有する触媒材料(触媒層)とアルミナを含有する触媒材料(触媒層)の組合せがより好ましい。これらの触媒材料(触媒層)の組合せは、それぞれ独立に使用してセルの内周方向に分離し、かつ、セルの長手方向に分離した状態の2種以上の触媒層を形成した場合に、酸化/還元の高温熱処理を施しても触媒材料の拡散・固溶・反応・シンタリング(粒成長)等が起こりにくくなり、活性点や比表面積の減少、融点の低下が抑制され、混合した場合に比べて優れた触媒性能が発現する。
また、本発明にかかる2種以上の触媒材料(触媒層)の組合せとしては、触媒材料を混合した場合にコーキングが起こりやすい触媒材料の組合せも好ましく、貴金属を含有する触媒材料(触媒層)とシリカを含有する触媒材料(触媒層)の組合せ、貴金属を含有する触媒材料(触媒層)とゼオライトを含有する触媒材料(触媒層)の組合せがより好ましい。これらの触媒材料の組合せは、それぞれ独立に使用してセルの内周方向に分離し、かつ、セルの長手方向に分離した状態の2種以上の触媒層を形成した場合に、コーキングが起こりにくくなり、混合した場合に比べて優れた触媒性能(例えば、炭化水素(HC)吸着能)が発現する。
さらに、本発明にかかる2種以上の触媒材料(触媒層)の組合せとしては、触媒材料を混合した場合に触媒材料の拡散や移動・反応が起こりやすい触媒材料の組合せも好ましく、塩基性材料を含有する触媒材料(触媒層)と貴金属を含有する触媒材料(触媒層)の組合せがより好ましい。これらの触媒材料の組合せは、それぞれ独立に使用してセルの内周方向に分離し、かつ、セルの長手方向に分離した状態の2種以上の触媒層を形成した場合に、触媒材料の拡散や移動・反応が起こりにくくなり、混合した場合に比べて優れた触媒性能(例えば、NOx吸着能やNOx浄化性能)が発現する。
また、本発明にかかる2種以上の反応層がそれぞれ異なる機能性材料からなるものである場合の2種以上の機能性材料の組合せとしては特に制限はないが、例えば、触媒材料(活性層)と吸着材(吸着材層)との組合せが挙げられ、貴金属とその担体とを含む活性層とゼオライトやモルデナイト等の吸着材層との組合せが好ましい。これらの機能性材料からなる2種以上の層は、それぞれセルの内周方向に分離し、かつ、セルの長手方向に分離した状態で配置される。
さらに、本発明にかかる2種以上の反応層がそれぞれ異なる電極材料からなるものである場合の2種以上の電極材料(導電層)の組合せとしては特に制限はないが、例えば、遷移金属材料とカーボンとの組合せが挙げられる。これらの電極材料をからなる2種以上の導電層は、それぞれセルの内周方向に分離し、かつ、セルの長手方向に分離した状態で配置される。
このような反応層の幅(反応層表面におけるセルの長手方向の長さ)の下限としては0mm超過が好ましく、0.5mm以上がより好ましく、1mm以上が更に好ましく、2mm以上が特に好ましく、また、上限としては20mm以下が好ましく、10mm以下がより好ましく、5mm以下が更に好ましく、4mm以下が特に好ましい。反応層の幅が前記下限未満になると、反応層の分離が十分ではなく、例えば、前記反応層が2種以上の反応層からなる場合には、各反応層を構成する材料同士の反応が起こったり、一方の材料から他方の材料への熱拡散が起こったりするため、各反応層の性能が低下しやすく、反応層の性能が十分に発現しない傾向にあり、他方、前記上限を超えると、前記2種以上の反応層による相乗効果(共存効果)が十分に得られず、反応層の性能が十分に発現しない傾向にある。
また、反応層が2種以上からなる場合、隣接する反応層間のピッチ(隣接する反応層の表面におけるセルの長手方向の中心間距離)の下限としては0mm超過が好ましく、0.5mm以上がより好ましく、1mm以上が更に好ましく、2mm以上が特に好ましく、また、上限としては20mm以下が好ましく、10mm以下がより好ましく、5mm以下が更に好ましく、4mm以下が特に好ましい。隣接する反応層間のピッチが前記下限未満になると、反応層の分離が十分ではなく、例えば、前記反応層が2種以上の反応層からなる場合には、各反応層を構成する材料同士の反応が起こったり、一方の材料から他方の材料への熱拡散が起こったりするため、各反応層の性能が低下しやすく、反応層の性能が十分に発現しない傾向にあり、他方、前記上限を超えると、前記2種以上の反応層による相乗効果(共存効果)が十分に得られず、反応層の性能が十分に発現しない傾向にある。
また、反応層の厚さとしては1〜500μmが好ましく、5〜100μmがより好ましい。反応層の厚さが前記下限未満になると、十分な量の反応層を形成できないため、反応層の性能が十分に発現しない傾向にあり、他方、前記上限を超えると、流体の流路が十分に確保できないため、セル内を流通する流体に対する圧力損失が増加し、例えば、排ガス浄化用触媒の場合には自動車の燃費が悪化する傾向にある。
(ハニカム状反応容器の構造)
本発明のハニカム状反応容器は、前記ハニカム状基材と、このハニカム状基材のセルの内壁の少なくとも一部に、セルの内周に沿った方向に分離し、かつ、セルの長手方向に分離して配置されている反応層を備えるものである。反応層をハニカム状基材のセルの内壁の少なくとも一部に、セルの内周に沿った方向に分離し、かつ、セルの長手方向に分離して配置することによって、高温に長時間曝された場合であっても、反応層の性能が低下しにくくなる。前記反応層が2種以上の反応層からなるものである場合、各反応層は全体及び/又は一部が隣の反応層と接触していてもよいし、離れていてもよい。
このようなハニカム状反応容器の構造としては、反応基質ガス等の流体の流れがスムーズとなるため、乱流の発生が抑制され、圧力損失の上昇を抑制することが可能となり、また、材料を連続的に塗布できるため、反応層を容易に形成することができ、製造コストを抑制することが可能となるという観点から、反応層がセルの長手方向に螺旋状に配置されている構造が好ましく、特に、前記反応層が2種以上の反応層からなるものである場合には、前記2種以上の反応層がセルの長手方向に多重螺旋状(例えば、2種類の反応層の場合には二重螺旋状、3種類の反応層の場合には三重螺旋状)に配置されている構造であることが好ましい。
図1は、このような本発明のハニカム状反応容器のセルの好適な実施態様を模式的に示す斜視図であり、このセル1aは、断面形状が正四角形であり、その内壁に2種類の反応層101A及び101Bがセルの長手方向に二重螺旋状に配置されているものである。
(ハニカム状反応容器の製造方法)
次に、本発明のハニカム状反応容器の製造方法を、図1に示すような、材料Aからなる反応層101A及び材料Bからなる反応層101Bを形成する場合を例として説明するが、本発明のハニカム状反応容器の製造方法はこれに限定されるものではない。図2は、本発明のハニカム状反応容器を製造するために用いられるセル内塗布装置の一例を示す模式縦断面図である。
図2に示すセル内塗布装置は、ハニカム状反応容器1の各セル1a内に材料を塗布するためのものであり、セル1a中に挿入可能な吐出管2と、吐出管2に材料を供給するための材料供給装置3を備えている。そして、吐出管2には、その先端近傍の側面に形成されている材料吐出口4と、材料吐出口4に連結している材料流路5とが形成されている。さらに、材料流路5には材料供給装置3が連結されている。これにより、材料を、材料供給装置3から材料流路5に供給して材料吐出口4から吐出させることが可能となる。
このセル内塗布装置においては、吐出管2をセル1aの長手方向に移動させることが可能である。これにより、ハニカム状反応容器1の隔壁1bの長手方向の所望の位置に材料を塗布することができる。さらに、前記セル内塗布装置においては、吐出管2が、ハニカム状反応容器1の吐出管2が挿入されるセル1aの長手方向の中心線を回転軸として(すなわち、セル1aの長手方向の中心軸に対して)相対的に回転可能なものであり、例えば、ハニカム状反応容器1が、吐出管2が挿入されるセル1aの長手方向の中心線を回転軸として回転可能なものが挙げられる。これにより、吐出管2をセル1a内に挿入した状態で、材料吐出口4をハニカム状反応容器1の隔壁1bの内周方向の所望の方向に向けることができ、ハニカム状反応容器1の隔壁1bの内周方向の所望の位置に材料を塗布することが可能となる。特に、吐出管2を、ハニカム状反応容器1の吐出管2が挿入されたセル1aの長手方向の中心線を回転軸として相対的に回転させるとともに、セル1aの長手方向に移動させながら、好ましくは、ハニカム状反応容器1を回転させ、吐出管2を回転させずにセル1aの長手方向に移動させながら、材料を吐出させることによって、セル1a内に螺旋状の材料を塗布することができ、内壁が滑らかな流路(セル)を有する、圧力損失が少ない反応容器を製造することが可能となる。
また、前記セル内塗布装置においては、ハニカム状反応容器1の代わりに、吐出管2が、挿入したセル1aの長手方向の中心線を回転軸として回転可能であってもよい。これによっても、吐出管2を、ハニカム状反応容器1の吐出管2が挿入されたセル1aの長手方向の中心線を回転軸として相対的に回転させることが可能となり、吐出管2をセル1a内に挿入した状態で、材料吐出口4をハニカム状反応容器1の隔壁1bの内周方向の所望の方向に向けることができ、ハニカム状反応容器1の隔壁1bの内周方向の所望の位置に材料を塗布することが可能となる。特に、ハニカム状反応容器1を回転させず、吐出管2を回転かつセル1aの長手方向に移動させながら、材料を吐出させることによって、セル1a内に螺旋状の材料を塗布することができ、内壁が滑らかな流路(セル)を有する、圧力損失が少ない反応容器を製造することが可能となる。
さらに、前記セル内塗布装置においては、吐出管2をハニカム状反応容器1の端面6上の任意の方向に自在に移動させることが可能である。これにより、ハニカム状反応容器1の任意のセル1a内に材料を塗布することができる。
また、前記セル内塗布装置においては、ハニカム状反応容器1の端面7からセル1a内を吸引するための吸引装置(図示なし)を更に備えていてもよい。セル1a内を吸引することによって、塗布された材料に含まれる水分が除去され、基材へ水分が浸透することを抑制することができる。また、余分な材料が除去されてセル内が平滑となり、圧力損失が少なく、内壁が滑らかな流路(セル)を有する反応容器を製造することが可能となる。さらに、吐出した材料中の水分による塗布中の反応容器の水分量変化を少なくすることができ、塗布された材料の垂れやひび割れを最適化することも可能となる。
前記セル内塗布装置を用いて本発明のハニカム状反応容器を製造する際に用いられる材料としては、前記セル内塗布装置を用いてハニカム状基材のセル内に塗布できるものであれば特に制限はなく、液状のものであってもスラリー状のものであってもよいが、材料供給装置や材料流路、吐出口において、材料(特に、スラリー材料)の目詰まりや沈降が起こらないように、材料の粘度や粒度・固形分の割合等を適宜調整する必要がある。
このようなセル内塗布装置を用いた本発明のハニカム状反応容器の製造方法においては、先ず、吐出管2をハニカム状反応容器1の端面6から挿入し、吐出管2の先端をハニカム状反応容器1の端面7まで到達させる(吐出管挿入工程)。次に、材料Aを材料供給装置3から材料流路5に供給して材料吐出口4から吐出させることにより、材料Aをハニカム状反応容器1のセル1a内に塗布し、ハニカム状反応容器1の隔壁1bに材料Aからなる反応層101Aを形成する(塗布工程)。このとき、ハニカム状反応容器1及び吐出管2の動きを制御することによって、セル内の長手方向及び内周方向の所望の位置に反応層101Aを形成することができる。
例えば、吐出管2を、ハニカム状反応容器1の吐出管2が挿入されたセル1aの長手方向の中心線を回転軸として相対的に回転させ、かつ、セル1aの長手方向に沿ってハニカム状反応容器1の端面7から端面6まで移動させながら、好ましくは、ハニカム状反応容器1を、吐出管2が挿入されたセル1aの長手方向の中心線を回転軸として回転させ、吐出管2を回転させずにセル1aの長手方向に沿ってハニカム状反応容器1の端面7から端面6まで移動させながら、材料Aを塗布することによって、ハニカム状反応容器1の隔壁1bに材料Aからなる反応層101Aをセルの長手方向に螺旋状に形成することができ、内壁が滑らかな流路(セル)を有する、圧力損失が少ない反応容器を製造することが可能となる。また、この操作を繰り返して複数の材料を塗布することによって、ハニカム状反応容器1の隔壁1bに複数の反応層がセルの長手方向に多重螺旋状に配置しているハニカム状反応容器を製造することができる。
また、前記セル内塗布装置においては、ハニカム状反応容器1を回転させず、吐出管2を、挿入したセル1aの長手方向の中心線を回転軸として回転させ、かつ、セル1aの長手方向に沿ってハニカム状反応容器1の端面7から端面6まで移動させながら、材料Aを塗布してもよい。これによっても、吐出管2を、ハニカム状反応容器1の吐出管2が挿入されたセル1aの長手方向の中心線を回転軸として相対的に回転させ、かつ、セル1aの長手方向に沿ってハニカム状反応容器1の端面7から端面6まで移動させることが可能となり、ハニカム状反応容器1の隔壁1bに材料Aからなる反応層101Aをセルの長手方向に螺旋状に形成することができ、内壁が滑らかな流路(セル)を有する、圧力損失が少ない反応容器を製造することが可能となる。また、この操作を繰り返して複数の材料を塗布することによって、ハニカム状反応容器1の隔壁1bに複数の反応層がセルの長手方向に多重螺旋状に配置している反応容器を製造することができる。
前記塗布工程において、材料は、材料供給装置から材料流路に、一定の流量で連続的に供給してもよいし、流量を変動させながら供給してもよいし、間欠的に供給してもよい。材料を一定の流量で連続的に供給することによって均一な厚さの反応層を形成することができる。また、材料の流量、吐出管2の長手方向の移動速度及び回転速度を適宜調整することによって、所望の幅やピッチの反応層を形成することができる。さらに、材料を、流量を変動させながら供給したり、間欠的に供給したりすることによって、反応層の厚さに分布を持たせることが可能となる。反応層の厚さに分布がある反応容器においては、反応基質ガス等の流体がセル内を乱流で流通するため、セル内での流体の混合効率が向上する。
また、前記塗布工程においては、吸引装置を用いてハニカム状反応容器1の端面7からセル1a内を吸引しながら、材料を塗布することが好ましい。これにより、塗布された材料に含まれる水分が除去され、基材へ水分が浸透することを抑制することができる。また、余分な材料が除去されてセルの内壁が平滑となり、圧力損失が少なく、内壁が滑らかな流路(セル)を有する反応容器を製造することが可能となる。
以上、本発明のハニカム状反応容器の製造方法について説明したが、本発明のハニカム状反応容器の製造方法は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明のハニカム状反応容器は、図3に示すセル内塗布装置を用いて製造することもできる。
図3に示すセル内塗布装置は、ハニカム状反応容器1の各セル1a内に2種類の材料A及び材料Bを塗布するためのものであり、セル1a中に挿入可能な吐出管2と、吐出管2に材料A及び材料Bをそれぞれ独立に供給するための材料供給装置3A及び材料供給装置3Bとを備えている。そして、吐出管2には、独立した材料吐出口4A及び材料吐出口4Bと、材料吐出口4Aに連結している材料流路5Aと、材料吐出口4Bに連結している材料流路5Bとが形成されている。さらに、材料流路5Aには材料供給装置3Aが、材料流路5Bには材料供給装置3Bがそれぞれ独立に連結されている。これにより、材料供給装置3Aから材料流路5Aに材料Aを、材料供給装置3Bから材料流路5Bに材料Bをそれぞれ独立に供給し、材料Aを材料吐出口4Aから、材料Bを材料吐出口4Bからそれぞれ独立に吐出させることができ、材料A及び材料Bをハニカム状反応容器1のセル1a内に混合させずに互いに分離した状態に塗布することが可能となる。
また、このセル内塗布装置においては、独立した3つ以上の材料吐出口と各材料吐出口にそれぞれ独立に連結されている3つ以上の材料流路とが形成されている吐出管、及び、各材料流路にそれぞれ独立に連結されている3つ以上の材料供給装置を用いることもできる。これにより、3種類以上の材料を、混合させずに分離した状態で、ハニカム状反応容器の各セル内に塗布することが可能となる。
前記セル内塗布装置においては、吐出管2を、ハニカム状反応容器1の端面6上の任意の方向に自在に移動させることが可能であるため、ハニカム状反応容器1の任意のセル1a内に材料を塗布することができる。また、吐出管2を、セル1aの長手方向及び短手方向(又は半径方向)に移動させることが可能である。さらに、吐出管2をハニカム状反応容器1の各セル1aの長手方向の中心軸に対して(すなわち、セル1aの長手方向の中心を回転軸として)相対的に回転させることも可能である。例えば、ハニカム状反応容器1を回転させずに吐出管2を回転(又は吐出管2に取り付けた回転軸4を回転)させたり、或いは、吐出管2を回転させずにハニカム状反応容器1を回転させたりすること等によって、吐出管2を相対的に回転させることができる。前記セル内塗布装置においては、吐出管をセル内の任意の方向に自在に移動させたり、各セルの長手方向の中心軸に対して相対的に回転させたりすることが可能であるため、複数の材料をセル内の任意の位置に互いに分離した状態に塗布することができる。特に、吐出管をセルの長手方向に移動させながら複数の材料を塗布することによって、セルの内周方向に複数の反応層が分布している反応容器を製造することが可能となる。また、吐出管をセル内でセルの長手方向の中心軸に対して相対的に回転かつセルの長手方向に移動させながら複数の材料を吐出させることによって、複数の材料をセル内に螺旋状に塗布するができ、内壁が滑らかな流路(セル)を有する、圧力損失が少ない反応容器を製造することが可能となる。
また、前記セル内塗布装置においては、ハニカム状反応容器1の、吐出管2が挿入される側の端面6とは反対側の端面7からセル1a内を吸引するための吸引装置(図示なし)を更に備えていることが好ましい。セル1a内を吸引することによって、余分な材料が除去されてセルの内壁が平滑となり、圧力損失が少なく、内壁が滑らかな流路(セル)を有する反応容器を製造することが可能となる。
前記セル内塗布装置を用いて本発明のハニカム状反応容器を製造する際に用いられる材料としては、前記セル内塗布装置を用いてハニカム状基材のセル内に塗布できるものであれば特に制限はなく、液状のものであってもスラリー状のものであってもよいが、材料供給装置や材料流路、材料吐出口において、材料(特に、スラリー状材料)の目詰まりや沈降が起こらないように、材料の粘度や粒度・固形分の割合等を適宜調整する必要がある。
このようなセル内塗布装置を用いた本発明のハニカム状反応容器の製造方法においては、先ず、吐出管2をハニカム状反応容器1の端面6から挿入し、吐出管2の先端部をハニカム状反応容器1の端面7まで到達させる(吐出管挿入工程)。次に、材料Aを材料供給装置3Aから材料流路5Aに、材料Bを材料供給装置3Bから材料流路5Bにそれぞれ独立に供給し、材料Aを材料吐出口4Aから、材料Bを材料吐出口4Bからそれぞれ独立に吐出させて、材料A及び材料Bをハニカム状反応容器1のセル1a内に混合させずに互いに分離した状態に塗布し、ハニカム状反応容器1の隔壁1bに材料Aからなる反応層101A及び材料Bからなる反応層101Bを互いに分離した状態で形成する(塗布工程)。このとき、吐出管2の動きを制御することによって、様々な構造の反応層を形成することができる。
例えば、吐出管2を、ハニカム状反応容器1の各セル1aの長手方向の中心軸に対して相対的に回転させ、かつ、セル1aの長手方向に沿ってハニカム状反応容器1の端面7から端面6まで移動させながら、材料Aと材料Bとを塗布することによって、ハニカム状反応容器1の隔壁1bに二重螺旋状に配置されている材料Aからなる反応層101Aと材料Bからなる反応層101Bとを形成することができる。
前記塗布工程において、各材料は、材料供給装置から材料流路に、一定の流量で連続的に供給してもよいし、流量を変動させながら供給してもよいし、間欠的に供給してもよい。各材料を一定の流量で連続的に供給することによって均一な厚さの反応層を形成することができる。また、各材料の流量、吐出管2の長手方向の移動速度及び回転速度を適宜調整することによって、所望の幅やピッチの反応層を形成することができる。さらに、各材料を、流量を変動させながら供給したり、間欠的に供給したりすることによって、反応層の厚さに分布を持たせることが可能となる。反応層の厚さに分布がある反応容器においては、反応基質ガス等の流体がセル内を乱流で流通するため、セル内での流体の混合効率が向上する。
また、前記塗布工程においては、空気等の気体を、気体供給装置から気体流路に供給し、気体吐出口から吹き付けながら、材料を塗布することが好ましい。これにより、材料をセルの内壁に確実に密着させることができ、さらに、余分な材料が除去されてセルの内壁が平滑となり、圧力損失が少なく、内壁が滑らかな流路(セル)を有する反応容器を製造することが可能となる。
さらに、前記塗布工程においては、吸引装置を用いてハニカム状反応容器1の端面7からセル1a内を吸引しながら、材料を塗布することが好ましい。これにより、余分な材料が除去されてセルの内壁が平滑となり、圧力損失が少なく、内壁が滑らかな流路(セル)を有する反応容器を製造することが可能となる。
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(調製例A1)
スラリー材料Aとして、パラジウムを固形分として1質量%担持したセリア−ジルコニア固溶体粉末(平均粒子径:7.5μm、篩分けによる最大粒径:25μm)1質量部と、La換算で4質量%のLaを含有するθ−アルミナ粉末(平均粒子径:約18μm、篩分けによる最大粒径:35μm、比表面積:100m/g)1質量部と、得られるスラリー材料A1中の固形分全体に対して10質量%となる量の酸性のアルミナゾル(酢酸を含有するもの)と、得られるスラリー材料A1中の固形分全体に対して3質量%以内となる量の酢酸と、得られるスラリー材料A1中の固形分全体に対して3質量%以内となる量のクエン酸とを混合して調製した、固形分の含有量が20〜35質量%のスラリー材料A1を使用した。このスラリー材料A1は、調製後1〜3日間経過後において、ずり速度D=3.83sec−1における粘度(25℃)が5000〜3000cPであり、ずり速度D=383sec−1における粘度(25℃):300〜10cPであった。
(調製例B1)
スラリー材料Bとして、ロジウムを固形分として0.15質量%担持した、La換算で4質量%のLaを含有するθ−アルミナ粉末(平均粒子径:約18μm、篩分けによる最大粒径:35μm、比表面積:100m/g)に10質量%となる量の酸性のアルミナゾル(酢酸を含有するもの)を加え、得られるスラリー材料B1中の固形分全体に対して3質量%以内となる量の酢酸と、得られるスラリー材料B1中の固形分全体に対して3質量%以内となる量のクエン酸とを混合して調製した、固形分の含有量が20〜35質量%のスラリー材料B1を使用した。このスラリー材料B1は、調製後1〜3日間経過後において、ずり速度D=3.83sec−1における粘度(25℃)が5000〜3000cPであり、ずり速度D=383sec−1における粘度(25℃)が300〜10cPであった。
(実施例1)
図2に示すセル内塗布装置を用いて、一体成型されたハニカム状反応容器(断面:13.5mm×13.5mm□、長さ:50mm、セル形状:四角セル、セル密度:250cpi、セル厚:6ミル、断面のセル数:8×8セルの四隅の4セルを切取った残りの60セル)の外周部の24セルを除く中央部の36セルにスラリー材料を塗布した。吐出管2としては、先端が半球状に封止され、先端から1mmの側面に直径0.45mmΦの材料吐出口4が形成され、先端から9mmまでの側面(全周)にテフロン(登録商標)被覆処理を施したステンレスパイプ(外径:0.89mm、内径:0.59mm)を使用した。
先ず、図2に示すセル内塗布装置において、吐出管2をハニカム状反応容器1の端面6から挿入し、吐出管2の先端をハニカム状反応容器1の端面7まで到達させた。次に、ハニカム状反応容器1を3回/10秒の速さで回転させ、吐出管2をセル1aの長手方向に沿って5mm/秒の速さで端面7から端面6の方向に移動させながら、スラリー材料Aとして調製例A1で調製したスラリー材料A1を材料供給装置3から材料流路5に3.78mg/秒の流量で10秒間連続的に供給し、スラリー材料A1を材料吐出口4から吐出させた。その後、0.5〜2秒間吸引して塗布されたスラリー材料A1中の水分を除去した。この一連の操作を全てのセルについて行なった後、風乾し、さらに、大気中、500℃で焼成して、ハニカム状反応容器1の隔壁1bに、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101A(Pd層)をセル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に3回転する螺旋状に形成した。
次に、この螺旋状の反応層101Aを形成したハニカム状反応容器1を上下反転させ、反転後の端面6から吐出管2挿入し、吐出管2の先端をハニカム状反応容器1の端面7まで到達させた。その後、ハニカム状反応容器1を3回/10秒の速さで回転させ、吐出管2をセル1aの長手方向に沿って5mm/秒の速さで端面7から端面6の方向に移動させながら、スラリー材料Bとして調製例B1で調製したスラリー材料B1を材料供給装置3から材料流路5に3.78mg/秒の流量で10秒間連続的に供給し、スラリー材料B1が螺旋状の反応層101Aに対面する位置に塗布されるように、スラリー材料B1を材料吐出口4から吐出させた。その後、0.5〜2秒間吸引して塗布されたスラリー材料B1中の水分を除去した。この一連の操作を全てのセルについて行なった後、風乾し、さらに、大気中、500℃で焼成して、ハニカム状反応容器1の隔壁1bの反応層101Aに対面する位置に、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101B(Rh層)をセル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に3回転する螺旋状に形成した。
このようにして反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とを形成したハニカム状反応容器1の外周部の24セルと、その内側の四隅の4セルとを切り取り、32セルの各セル1aの内壁に、図1に示すように、反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とがセル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に3回転する二重螺旋状に配置された、見かけ容積が約5mlのハニカム状反応容器を得た。
(比較例1)
先ず、実施例1と同様にして、ハニカム状反応容器1の隔壁1bに、調製例A1で調製したスラリー材料A1(Pdを含むスラリー材料)を吐出し、セル1aの長手方向に螺旋状のスラリー材料A1のコート層Aを形成した。その直後に、この螺旋状のコート層Aを形成したハニカム状反応容器1の端面6から別の吐出管を挿入し、ハニカム状反応容器1の端面7まで到達させた。この吐出管をそれぞれのセル内で回転させながら、端面6と端面7との間を上下させることによって、ハニカム状反応容器1の隔壁1bにPdを含む単層の全周コート層を形成した。その後、実施例1と同様にして、吸引、風乾、焼成を行い、ハニカム状反応容器1の隔壁1bの全面に、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101A(Pd層)を形成した。
次に、このハニカム状反応容器1の反応層101A上に、実施例1と同様にして、調製例B1で調製したスラリー材料B1(Rhを含むスラリー材料)を吐出し、セル1aの長手方向に螺旋状のスラリー材料B1のコート層Bを形成した。その直後に、この螺旋状のコート層Bを形成したハニカム状反応容器1の端面6から別の吐出管を挿入し、ハニカム状反応容器1の端面7まで到達させた。この別の吐出管をそれぞれのセル内で回転させながら、端面6と端面7との間を上下させることによって、反応層101A(Pd層)の全面にRhを含む単層の全周コート層を形成した。その後、実施例1と同様にして、吸引、風乾、焼成を行い、反応層101A(Pd層)の全面に、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101B(Rh層)を形成した。
このようにして反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とを形成したハニカム状反応容器1の外周部の24セルと、その内側の四隅の4セルとを切り取り、32セルの各セル1aの内壁の全面に、図4に示すように、反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とが順に積層された、見かけ容積が約5mlのハニカム状反応容器を得た。
(比較例2)
先ず、吐出管2及びハニカム状反応容器1を回転させずに、調製例A1で調製したスラリー材料A1を材料吐出口4から吐出させた以外は実施例1と同様にして、ハニカム状反応容器1の隔壁1bに、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101A(Pd層)をセル1aの内周方向の一部に、かつセル1aの長手方向に直線状に形成した。
次に、この直線状の反応層101Aを形成したハニカム状反応容器1を上下反転させた後、吐出管2及びハニカム状反応容器1を回転させず、スラリー材料B1が直線状の反応層101Aに対面する位置に塗布されるように、調製例B1で調製したスラリー材料B1を材料吐出口4から吐出させた以外は実施例1と同様にして、ハニカム状反応容器1の隔壁1bの反応層101Aに対面する位置に、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101B(Rh層)をセル1aの長手方向に直線状に形成した。
このようにして反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とを形成したハニカム状反応容器1の外周部の24セルと、その内側の四隅の4セルとを切り取り、32セルの各セル1aの内壁に、図5に示すように、反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とがセル1aの内周方向に分離して配置され、それぞれセル1aの長手方向に直線状に配置された、見かけ容積が約5mlのハニカム状反応容器を得た。
<耐久試験>
実施例1及び比較例1〜2で得られたハニカム状反応容器をそれぞれ電気炉に設置し、各触媒1個当たり500ml/minのガス流量で、リッチ雰囲気ガス〔H(2%)+CO(10%)+HO(3%、バブリングによる加湿)+N(残部)〕(5分間)とリーン雰囲気ガス〔O(1%)+CO(10%)+HO(3%、バブリングによる加湿)+N(残部)〕(5分間)とを交互に流通させながら、1050℃で5時間、更に15時間(耐久試験時間の合計:20時間)の耐久試験を行なった。
<昇温時のNOの50%浄化温度測定>
耐久試験前、5時間の耐久試験後、更に15時間の耐久試験後(すなわち、20時間の耐久試験後)のハニカム状反応容器に、15L/min(SV:18万h−1)のガス流量で、リッチ定常ガス〔NO(0.1%)+CO(0.5%)+HO(3%)+O+N(残部)〕を流通させながら、500℃から150℃まで降温させた後、150℃から600℃まで24℃/minで昇温させた。なお、リッチ定常ガス中のO濃度は、反応容器入口に設置したOセンサーのλが0.992となるように、フィードバック制御により酸素ガスを添加して調整した。昇温時のNOの50%浄化温度を測定した。その結果を表1及び図6に示す。
<リッチガス定常時のNO浄化率測定>
耐久試験前、5時間の耐久試験後、更に15時間の耐久試験後(すなわち、20時間の耐久試験後)のハニカム状反応容器に、500℃の温度下、15L/minのガス流量で、リッチガス〔CO(0.65%)+NO(0.15%)+HO(3%)+N(残部)〕(3分間)とリーンガス〔O(0.65%)+CO(0.65%)+NO(0.15%)+HO(3%)+N(残部)〕(3分間)とを交互に切替えて6分周期で流通させた。温度とガス濃度の変化が安定したことを確認した後、流通ガスをリッチガスからリーンガスに切替える直前の100秒間の反応容器の入口と出口の平均NO濃度を測定して平均NO浄化率を算出し、これをリッチガス定常時のNO浄化率とした。その結果を表1及び図7に示す。
表1及び図6〜図7に示したように、2種類の反応層を積層したハニカム状反応容器(比較例1)及び2種類の反応層を直線状で対面するように配置したハニカム状反応容器(比較例2)は、耐久試験時間が長くなると、昇温時のNOの50%浄化温度が大きく上昇し、また、リッチガス定常時のNO浄化率が大きく低下し、NO浄化性能が大きく低下することがわかった。一方、実施例1で得られたハニカム状反応容器は、比較例1〜2で得られたハニカム状反応容器に比べて、耐久試験による昇温時のNOの50%浄化温度の上昇が小さくなり、また、耐久試験によるリッチガス定常時のNO浄化率の低下が小さくなることがわかった。この結果から、2種類の反応層をハニカム状反応容器のセルの長手方向に二重螺旋状で対面するように配置することによって、耐久試験によるNO浄化性能の低下が抑制されることが確認された。
(調製例A2)
スラリー材料Aとして、パラジウム(Pd)を担持した、セリア−ジルコニア固溶体(CZ)粉末と硫酸バリウム(BaSO)粉末とアルミナ−セリア−ジルコニア複合酸化物(ACZ)粉末とアルミナ粉末(比表面積:100m/g)とアルミナゾルバインダーとの混合粉末スラリーを調製し、目開き250μmの篩を通過させた、固形分の含有量が28質量%のスラリー材料A2を使用した。このスラリー材料A2中のPd、CZ、BaSO、ACZ、アルミナ、アルミナゾルバインダーの各含有量は、形成する反応層(Pd層)において、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたりの含有量がPd:0.3g/L、CZ:5.5g/L、BaSO:3g/L、ACZ:26.5g/L、アルミナ:23g/L、アルミナゾルバインダー:1.7g/Lとなるように調整した。
(調製例B2)
スラリー材料Bとして、ロジウム(Rh)を担持したランタン安定化活性アルミナ(LSA)粉末(篩分けによる最大粒径:32μm、比表面積:100m/g)と、アルミナゾルバインダーとを混合して調製し、目開き250μmの篩を通過させた、固形分の含有量が21.8質量%のスラリー材料B2を使用した。このスラリー材料B2中のRh、LSA、アルミナゾルバインダーの各含有量は、形成する反応層(Rh層)において、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたりの含有量がRh:0.15g/L、LSA:54g/L、アルミナゾルバインダー:5.4g/Lとなるように調整した。
(実施例2−1)
図2に示すセル内塗布装置において、ハニカム状反応容器1として、一体成型されたハニカム状反応容器(断面:13.4mm×13.4mm□、長さ:50mm、セル形状:四角セル、セル密度:250cpi、セル厚:6ミル、断面のセル数:8×8セルの四隅の4セルを切取った残りの60セル)を用い、その外周部の24セルを除く中央部の36セルにスラリー材料を塗布した。吐出管2としては、先端が半球状に封止され、先端から1mmの側面に直径0.45mmΦの材料吐出口4が形成され、先端から9mmまでの側面(全周)にテフロン(登録商標)被覆処理を施したステンレスパイプ(外径:0.89mm、内径:0.59mm)を使用した。
反応層101A(Pd層)及び反応層101B(Rh層)の幅をいずれも12.5mmに設定し、隣接する反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)との間のピッチを12.5mmに設定した。先ず、スラリー材料Aとして調製例A2で調製したスラリー材料A2を用い、ハニカム状反応容器1の回転速さを2回/10秒に変更した以外は実施例1(吐出管2の移動速さ:5mm/秒、スラリー材料Aの流量:3.78mg/秒)と同様にして、ハニカム状反応容器1の隔壁1bに、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101A(Pd層)をセル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に2回転する螺旋状に形成した。
次に、スラリー材料Bとして調製例B2で調製したスラリー材料B2を用い、ハニカム状反応容器1の回転速さを2回/10秒に変更した以外は実施例1(吐出管2の移動速さ:5mm/秒、スラリー材料Bの流量:3.78mg/秒)と同様にして、ハニカム状反応容器1の隔壁1bの反応層101Aに対面する位置に、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101B(Rh層)をセル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に2回転する螺旋状に形成した。
このようにして形成した反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とを、X線CTを用いて観察したところ、反応層の幅(反応層の表面におけるセルの長手方向の長さ)はいずれも約12mmであり、隣接する反応層間のピッチ(隣接する反応層の表面におけるセルの長手方向の中心間距離)も約12mmであった。
(実施例2−2)
反応層101A(Pd層)及び反応層101B(Rh層)の幅をいずれも8.33mmに設定し、隣接する反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)との間のピッチを8.33mmに設定した。先ず、ハニカム状反応容器1の回転速さを3回/10秒に変更した以外は実施例2−1(吐出管2の移動速さ:5mm/秒、スラリー材料Aの流量:3.78mg/秒)と同様にして、ハニカム状反応容器1の隔壁1bに、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101A(Pd層)をセル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に3回転する螺旋状に形成した。
次に、ハニカム状反応容器1の回転速さを3回/10秒に変更した以外は実施例2−1(吐出管2の移動速さ:5mm/秒、スラリー材料Bの流量:3.78mg/秒)と同様にして、ハニカム状反応容器1の隔壁1bの反応層101Aに対面する位置に、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101B(Rh層)をセル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に3回転する螺旋状に形成した。
このようにして形成した反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とを、X線CTを用いて観察したところ、反応層の幅(反応層の表面におけるセルの長手方向の長さ)はいずれも約8mmであり、隣接する反応層間のピッチ(隣接する反応層の表面におけるセルの長手方向の中心間距離)も約8mmであった。
(実施例2−3)
反応層101A(Pd層)及び反応層101B(Rh層)の幅をいずれも6.25mmに設定し、隣接する反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)との間のピッチを6.25mmに設定した。先ず、ハニカム状反応容器1の回転速さを2回/10秒に、吐出管2の移動速さを2.5mm/秒に変更した以外は実施例2−1(スラリー材料Aの流量:3.78mg/秒)と同様にして、ハニカム状反応容器1の隔壁1bに、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101A(Pd層)をセル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に4回転する螺旋状に形成した。
次に、ハニカム状反応容器1の回転速さを2回/10秒に、吐出管2の移動速さを2.5mm/秒に変更した以外は実施例2−1(スラリー材料Bの流量:3.78mg/秒)と同様にして、ハニカム状反応容器1の隔壁1bの反応層101Aに対面する位置に、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101B(Rh層)をセル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に4回転する螺旋状に形成した。
このようにして形成した反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とを、X線CTを用いて観察したところ、反応層の幅(反応層の表面におけるセルの長手方向の長さ)はいずれも約6mmであり、隣接する反応層間のピッチ(隣接する反応層の表面におけるセルの長手方向の中心間距離)も約6mmであった。
(実施例2−4)
反応層101A(Pd層)及び反応層101B(Rh層)の幅をいずれも4.17mmに設定し、隣接する反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)との間のピッチを4.17mmに設定した。先ず、ハニカム状反応容器1の回転速さを3回/10秒に、吐出管2の移動速さを2.5mm/秒に変更した以外は実施例2−1(スラリー材料Aの流量:3.78mg/秒)と同様にして、ハニカム状反応容器1の隔壁1bに、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101A(Pd層)をセル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に6回転する螺旋状に形成した。
次に、ハニカム状反応容器1の回転速さを3回/10秒に、吐出管2の移動速さを2.5mm/秒に変更した以外は実施例2−1(スラリー材料Bの流量:3.78mg/秒)と同様にして、ハニカム状反応容器1の隔壁1bの反応層101Aに対面する位置に、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101B(Rh層)をセル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に6回転する螺旋状に形成した。
このようにして形成した反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とを、X線CTを用いて観察したところ、反応層の幅(反応層の表面におけるセルの長手方向の長さ)はいずれも約4mmであり、隣接する反応層間のピッチ(隣接する反応層の表面におけるセルの長手方向の中心間距離)も約4mmであった。
(実施例2−5)
反応層101A(Pd層)及び反応層101B(Rh層)の幅をいずれも3.13mmに設定し、隣接する反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)との間のピッチを3.13mmに設定した。先ず、ハニカム状反応容器1の回転速さを2回/10秒に、吐出管2の移動速さを1.25mm/秒に変更した以外は実施例2−1(スラリー材料Aの流量:3.78mg/秒)と同様にして、ハニカム状反応容器1の隔壁1bに、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101A(Pd層)をセル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に8回転する螺旋状に形成した。
次に、ハニカム状反応容器1の回転速さを2回/10秒に、吐出管2の移動速さを1.25mm/秒に変更した以外は実施例2−1(スラリー材料Bの流量:3.78mg/秒)と同様にして、ハニカム状反応容器1の隔壁1bの反応層101Aに対面する位置に、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101B(Rh層)をセル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に8回転する螺旋状に形成した。
このようにして形成した反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とを、X線CTを用いて観察したところ、反応層の幅(反応層の表面におけるセルの長手方向の長さ)はいずれも約3mmであり、隣接する反応層間のピッチ(隣接する反応層の表面におけるセルの長手方向の中心間距離)も約3mmであった。
(実施例2−6)
反応層101A(Pd層)及び反応層101B(Rh層)の幅をいずれも2.08mmに設定し、隣接する反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)との間のピッチを2.08mmに設定した。先ず、ハニカム状反応容器1の回転速さを3回/10秒に、吐出管2の移動速さを1.25mm/秒に変更した以外は実施例2−1(スラリー材料Aの流量:3.78mg/秒)と同様にして、ハニカム状反応容器1の隔壁1bに、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101A(Pd層)をセル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に12回転する螺旋状に形成した。
次に、ハニカム状反応容器1の回転速さを3回/10秒に、吐出管2の移動速さを1.25mm/秒に変更した以外は実施例2−1(スラリー材料Bの流量:3.78mg/秒)と同様にして、ハニカム状反応容器1の隔壁1bの反応層101Aに対面する位置に、ハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lの反応層101B(Rh層)をセル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に12回転する螺旋状に形成した。
このようにして形成した反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とを、X線CTを用いて観察したところ、反応層の幅(反応層の表面におけるセルの長手方向の長さ)はいずれも約2mmであり、隣接する反応層間のピッチ(隣接する反応層の表面におけるセルの長手方向の中心間距離)も約2mmであった。
(実施例3−1〜3−6)
図2に示すセル内塗布装置において、ハニカム状反応容器1として、一体成型されたハニカム状反応容器(断面:10.0mm×10.0mm□、長さ:50mm、セル形状:四角セル、セル密度:250cpi、セル厚:6ミル、断面のセル数:8×8セルの四隅の4セルを切取った残りの60セル)を用いた以外は実施例2−1〜2−6と同様にして、ハニカム状反応容器の外周部の24セルを除く中央部の36セルの各セルの内壁に、セル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に2回転(実施例3−1)、3回転(実施例3−2)、4回転(実施例3−3)、6回転(実施例3−4)、8回転(実施例3−5)、12回転(実施例3−6)する二重螺旋状の反応層(反応層101A(Pd層)及び反応層101B(Rh層))を、各反応層のコート量がハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lとなるように形成した。
このようにして反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とを形成したハニカム状反応容器1の外周部の24セルと、その内側の四隅の4セルとを切り取り、32セルの各セル1aの内壁に、反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とがセル1aの長手方向に、端面7から端面6の間に2〜12回転する二重螺旋状に配置されたハニカム状反応容器を得た。
(比較例3)
図2に示すセル内塗布装置において、ハニカム状反応容器1として、一体成型されたハニカム状反応容器(断面:10.0mm×10.0mm□、長さ:50mm、セル形状:四角セル、セル密度:250cpi、セル厚:6ミル、断面のセル数:8×8セルの四隅の4セルを切取った残りの60セル)を用い、調製例A1で調製したスラリー材料A1の代わりに調製例A2で調製したスラリー材料A2を用い、調製例B1で調製したスラリー材料B1の代わりに調製例B2で調製したスラリー材料B2を用いた以外は比較例1と同様にして、ハニカム状反応容器の外周部の24セルを除く中央部の36セルの各セル1aの内壁の全面に、図4に示すように、反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層))とが順に積層された積層二層反応層を、各反応層のコート量がハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lとなるように形成した。なお、この積層二層反応層における反応層の幅及び隣接する反応層間のピッチはともに便宜的に0mmとした。
このようにして反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とを形成したハニカム状反応容器1の外周部の24セルと、その内側の四隅の4セルとを切り取り、32セルの各セル1aの内壁の全面に、図4に示すように、反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とが順に積層された積層二層反応層を備えるハニカム状反応容器を得た。
(比較例4)
図2に示すセル内塗布装置において、ハニカム状反応容器1として、一体成型されたハニカム状反応容器(断面:10.0mm×10.0mm□、長さ:50mm、セル形状:四角セル、セル密度:250cpi、セル厚:6ミル、断面のセル数:8×8セルの四隅の4セルを切取った残りの60セル)を用い、調製例A1で調製したスラリー材料A1の代わりに調製例A2で調製したスラリー材料A2を用い、調製例B1で調製したスラリー材料B1の代わりに調製例B2で調製したスラリー材料B2を用いた以外は比較例2と同様にして、ハニカム状反応容器の外周部の24セルを除く中央部の36セルの各セル1aの内壁に、図5に示すように、反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層))とがセル1aの内周方向に分離して配置され、それぞれセル1aの長手方向に直線状に配置された対面二層反応層を、各反応層のコート量がハニカム状反応容器の見かけ容積1Lあたり約60g/Lとなるように形成した。なお、この対面二層反応層における反応層の幅及び隣接する反応層間のピッチはともに便宜的に50mmとした。
このようにして反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とを形成したハニカム状反応容器1の外周部の24セルと、その内側の四隅の4セルとを切り取り、32セルの各セル1aの内壁の全面に、図5に示すように、反応層101A(Pd層)と反応層101B(Rh層)とがセル1aの内周方向に分離して配置され、それぞれセル1aの長手方向に直線状に配置された対面二層反応層を備えるハニカム状反応容器を得た。
<耐久試験>
実施例3−1〜3−6及び比較例3〜4で得られたハニカム状反応容器をそれぞれ電気炉に設置し、各触媒1個当たり500ml/minのガス流量で、リッチ雰囲気ガス〔H(2%)+CO(10%)+HO(3%、バブリングによる加湿)+N(残部)〕(5分間)とリーン雰囲気ガス〔O(1%)+CO(10%)+HO(3%、バブリングによる加湿)+N(残部)〕(5分間)とを交互に流通させながら、1050℃で20時間の耐久試験を行なった。
<触媒性能評価試験>
20時間の耐久試験後のハニカム状反応容器に、22L/minのガス流量で、A/F=14.2のストイキガス〔CO(10%)+O(0.646%)+CO(0.933%)+NO(1200ppm)+C(1600ppmC)+HO(10%)+N(残部)〕を流通させながら、昇温速度50℃/分で触媒入りガス温度を100℃から500℃まで昇温させた。次に、500℃の温度下、22L/minのガス流量で、リッチガス〔CO(1.495%)+CO(10%)+O(0.646%)+CO(0.933%)+NO(1200ppm)+C(1600ppmC)+HO(10%)+N(残部)〕(5秒間)とリーンガス〔O(0.748%)+CO(10%)+O(0.646%)+CO(0.933%)+NO(1200ppm)+C(1600ppmC)+HO(10%)+N(残部)〕(5秒間)とを交互に切替えながら5分間流通させた。その後、22L/minのガス流量で前記ストイキガス(A/F=14.2)を流通させながら、触媒入りガス温度が100℃になるまで放冷した。
次に、22L/minのガス流量で前記ストイキガス(A/F=14.2)を流通させながら、触媒入りガス温度を100℃に5分間保持した。この間の3分から5分の間の触媒入りガス中のCO、C、NOの濃度を測定し、これらの濃度を浄化率を算出する際の基準とした。
次に、22L/minのガス流量で前記ストイキガス(A/F=14.2)を流通させながら、昇温速度25℃/分で触媒入りガス温度を100℃から600℃まで昇温させた。この間の触媒出ガス中のCO、C、NOの濃度を測定し、前記触媒入りガス中のCO、C、NOの濃度に基づいて、各触媒入りガス温度におけるCO、C、NOの浄化率を算出した。表2には、CO、C、NOの浄化率が50%となった時点の触媒入りガス温度(50%浄化温度)を示す。なお、表2には、実施例2−1〜2−6で得られた結果に基づいて、二重螺旋の各回転数に対する反応層の幅及び隣接する反応層間のピッチも示した。また、図8には、反応層の幅(又は隣接する反応層間のピッチ)に対してCの50%浄化温度をプロットした結果を示す。なお、積層二層反応層及び対面二層反応層については、便宜的に、それぞれ、反応層の幅(又は隣接する反応層間のピッチ)が0mm及び50mmとしてプロットした。
表2及び図8に示したように、幅(又はピッチ)が0mm超過12.5mm以下(好ましくは10mm以下)の二重螺旋状の反応層の場合には、対面二層反応層の場合に比べて、C及びNOの50%浄化温度が低くなり、耐久試験後も高い触媒性能を示すことがわかった。特に、幅(又はピッチ)が1mm以上5mm以下(好ましくは2mm以上4mm以下、特に好ましくは2.5mm以上3.5mm以下)の二重螺旋状の反応層の場合には、対面二層反応層及び積層二層反応層の場合に比べて、C及びNOの50%浄化温度(特に、Cの50%浄化温度)が極めて低くなり、耐久試験後も非常に優れた触媒性能を有していることがわかった。
以上説明したように、本発明によれば、高温に長時間曝された場合であっても、反応層の性能が低下しにくいハニカム状反応容器を得ることが可能となる。
したがって、本発明のハニカム状反応容器は、高温耐久性に優れるため、自動車等の排ガス浄化用触媒に用いられるハニカム状触媒装置や、燃料電池等に用いられる固体酸化物形燃料電池(SOFC)、二次電池用セル、各種合成装置に用いられる反応容器等として有用である。
1:ハニカム状反応容器
1a:ハニカム状反応容器1のセル
1b:ハニカム状反応容器1の隔壁
2:吐出管
3、3A、3B:材料供給装置
4、4A、AB:材料吐出口
5、5A、5B:材料流路
6:ハニカム状反応容器1の、吐出管2が挿入される側の端面
7:ハニカム状反応容器1の端面6とは反対側の端面
8:回転軸
101A:材料Aからなる反応層
101B:材料Bからなる反応層
102A:除去された余分な材料A
102B:除去された余分な材料B

Claims (7)

  1. ハニカム状基材と、該ハニカム状基材のセルの内壁の少なくとも一部に、セルの内周に沿った方向に分離し、かつ、セルの長手方向に分離して配置されている反応層を備えていることを特徴とするハニカム状反応容器。
  2. 前記ハニカム状基材のセルの内壁の少なくとも一部に、前記反応層がセルの長手方向に螺旋状に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のハニカム状反応容器。
  3. 前記反応層が2種以上の反応層からなることを特徴とする請求項1又は2に記載のハニカム状反応容器。
  4. 前記ハニカム状基材のセルの内壁の少なくとも一部に、前記2種以上の反応層がセルの長手方向に多重螺旋状に配置されていることを特徴とする請求項3に記載のハニカム状反応容器。
  5. 前記反応層の幅(前記反応層の表面におけるセルの長手方向の長さ)が0mm超過5mm以下であることを特徴とする請求項1〜4のうちのいずれか一項に記載のハニカム状反応容器。
  6. 前記反応層が2種以上の反応層からなり、隣接する反応層間のピッチ(隣接する反応層の表面におけるセルの長手方向の中心間距離)が0mm超過5mm以下であることを特徴とする請求項1〜5のうちのいずれか一項に記載のハニカム状反応容器。
  7. 前記反応層が触媒材料からなるものであることを特徴とする請求項1〜6のうちのいずれか一項に記載のハニカム状反応容器。
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