JP2004285873A

JP2004285873A - フィルタ部材

Info

Publication number: JP2004285873A
Application number: JP2003077273A
Authority: JP
Inventors: Shogo Suzuki; 省伍鈴木
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】ＰＭを捕集するフィルタ部材において、無機繊維の表面にニッケルメッキ等の金属被膜を設けることにより、無機繊維と触媒との反応を防止して、無機繊維の劣化及び脆化と触媒の失活を防止して、フィルタの耐久性を向上できるフィルタ部材を提供する。
【解決手段】エンジンの粒子状物質を浄化する排気ガス浄化装置４０に使用するフィルタ部材２０であって、該フィルタ部材２０は、無機繊維１１と、該無機繊維１１の表面を覆う金属被膜１２と、該金属被膜１２の表面に担持された触媒１４，１５とを有する繊維体１０を積層して形成される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの粒子状物質を捕集して浄化する排気ガス浄化装置に使用するフィルタ部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート・マター：以下ＰＭとする）の排出量は、ＮＯｘ，ＣＯそしてＨＣ等と共に年々規制が強化されてきており、規制の強化に伴いエンジンの改良のみでは、対応できなくなってきている。そこで、エンジンから排出されるＰＭをディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ：以下ＤＰＦとする）と呼ばれるフィルタで捕集して、外部へ排出されるＰＭの量を低減する技術が開発されている。
【０００３】
直接、このＰＭを捕集するＤＰＦにはセラミック製のモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタや、セラミックや金属を繊維状にした繊維型タイプのフィルタ等があり、図７に示すように、これらのＤＰＦを用いた排気ガス浄化装置４０は、他の排気ガス浄化装置と同様に、エンジン４１の排気通路４２の途中に設置され、エンジンで発生する排気ガスＧを浄化している。
【０００４】
これらのＤＰＦのうちで、無機繊維で形成したフィルタは、ＰＭをフィルタの表面のみでなく、内部でも捕集できるため、コーディエライト等で作製したハニカム型のフィルタよりも小型化できるという利点がある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
【０００５】
そして、この無機繊維のフィルタにおいて、ＰＭの浄化のみならず、ＮＯｘの浄化も同時に行うために、無機繊維のフィルタに、ＮＯｘ還元用のバリウム複合化合物等のブラウンミラライト型構造を有する触媒等を担持することも提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００６】
また、一方で、ＰＭの酸化温度を下げ、外部からエネルギーを受けることなく、エンジンからの排気熱でＤＰＦで捕集したＰＭを酸化してＤＰＦを再生するために、ＰＭの燃焼温度を低下させる貴金属等の酸化触媒や酸化セリウム等のＰＭ酸化触媒を担持させることも提案されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０６−３０４４２３号公報
【特許文献２】
特開平０８−４９５２２号公報
【特許文献３】
特開平０８−３１２３２７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、無機繊維を用いたフィルタの場合には、コーディエライト等ののハニカム型のフィルタに比べ、ＰＭの粒子の大きいものから小さいものまで捕集できる利点があるが、無機繊維に触媒を担持した場合に、無機繊維が触媒と反応しガラス化し、劣化し易くなるという問題がある。
【０００９】
そのため、触媒が酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）等の他の物質で覆われ、ＰＭやＮＯｘとの接触が難しくなったり、貴金属触媒同士が凝集して、反応面積が極端に小さくなってＰＭやＮＯｘとの反応し難くなり、触媒機能が低下して失活するという耐久性の悪化の問題がある。
【００１０】
特に、触媒として、ＮＯｘの吸蔵及び放出還元のＮＯｘ吸蔵還元型触媒として使用される、塩基性金属を担持する場合には、これらの塩基性金属は、アルカリ金属、アルカリ土類金属の酸化物、炭酸化合物で構成されるので、アルカリ金属等が無機繊維と化学反応を起こし、無機繊維が劣化及び脆化し易くなるという問題がある。
【００１１】
本発明は、上述の問題を解決するべくなされたものであり、その目的は、ＰＭを捕集するフィルタ部材において、無機繊維の表面にニッケルメッキ等の金属被膜を設けることにより、無機繊維と触媒との反応を防止して、無機繊維の劣化及び脆化と触媒の失活を防止して、フィルタの耐久性を向上できるフィルタ部材を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するためのフィルタ部材は、エンジンの粒子状物質を浄化する排気ガス浄化装置に使用するフィルタ部材であって、該フィルタ部材は、無機繊維と、該無機繊維の表面を覆う金属被膜と、該金属被膜の表面に担持された触媒とを有する繊維体を積層して形成される。
【００１３】
また、上記のフィルタ部材において、金属被膜をニッケルメッキで行う。
【００１４】
この構成によれば、フィルタ部材を形成する繊維体の無機繊維を金属で被覆することにより、無機繊維が金属被膜で保護され、触媒と直接接触することが防止される。従って、触媒と無機繊維との反応による劣化や脆化が防止され、耐久性が著しく向上される。
【００１５】
そして、この触媒としては、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム等の貴金属触媒等があり、ＰＭの酸化触媒としての作用のみならず、ＮＯｘの還元触媒としての作用も発揮する。また、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化セリウム等の塩基性金属の酸化物や、炭酸カリウム等の炭酸化合物等の触媒を用いることもでき、貴金属触媒の酸化防止や活性化に役立つと考えられている。また、ＮＯｘ還元浄化用の触媒として、金属ナトリウム、カリウム、ジルコニウム、セリウム等のアルカリ系卑金属が用いられる。
【００１６】
また、無機繊維には、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、シリカ、ムライト等を用いることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態のフィルタ部材について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
本発明の第１の実施の形態のフィルタ部材２０は、図１に示すように、フェルト状に積層される無機繊維１１と、この無機繊維１１の表面を覆う金属被膜１２と、この金属被膜１２の表面に担持された触媒１４，１５を有する繊維体１０から構成される。
【００１９】
つまり、炭化ケイ素等を材料とする無機繊維１１にニッケル無電解メッキ等により金属１２を被覆し、更に、この金属被膜１２の表面に酸化触媒１４や助触媒１５を担持して構成される。
【００２０】
そして、図２に示すように、フィルタ部材２０は、この繊維体１０をランダムに積層して形成したフェルト部材２１を耐熱金属で形成された耐熱金網２２で挟んで形成される。
【００２１】
そして、この繊維体１０の無機繊維１１を金属１２で被覆することにより、無機繊維１１が金属被膜１２で保護され、触媒１４，１５と直接接触することが防止される。従って、触媒１４，１５による無機繊維１１の劣化や脆化が防止され、耐久性が著しく向上される。
【００２２】
そして、この無機繊維１１としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の繊維以外にも、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）のうちの少なくとも１種の無機繊維を使用することができる。
【００２３】
この貴金属触媒１４は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）等であり、ＰＭ酸化用（粒子状物質酸化用）の酸化触媒としての作用のみならず、ＮＯｘの還元触媒としての作用も発揮する。また、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化セリウム（ＣｅＯ）等の塩基性金属の酸化物や、炭酸カリウム等の炭酸化合物等の触媒を用いることもでき、貴金属触媒の酸化防止や活性化に役立つと考えられている。
【００２４】
そして、貴金属触媒１４の代り、又は、貴金属触媒１４に加えて、ＮＯｘ（窒素酸化物）還元浄化用の触媒１５として、卑金属酸化物の助触媒である、金属ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、セリウム（Ｃｅ）等のアルカリ系卑金属が用いられる。
【００２５】
つまり、ＰＭを燃焼させる酸化触媒を担持する代りに、あるいは、酸化触媒の担持と共に、ＮＯｘを吸収還元する触媒や、直接ＮＯｘを還元する触媒を担持する。
【００２６】
この構成のフィルタ部材２０によれば、無機繊維１２を覆う金属被膜１２で触媒１４，１５と無機繊維１１との反応を防ぐことができるので、耐久性を向上させることができ、また、繊維フィルタ独特のフィルタ構造を維持しているので、ＰＭをフィルタの表面のみでなく内部でも捕集でき、また、ＰＭの粒子の大きいものから小さいものまで捕集できるので、効率よくＰＭを除去できる。また、コーディエライト等で作製したハニカム型のフィルタよりも小型化できるという利点もある。
【００２７】
また、第２の実施の形態のフィルタ部材２０Ａでは、図３に示すように、フェルト状に積層される繊維体１０Ａは、無機繊維１１と、この無機繊維１１の表面を覆う金属被膜１２と、この金属被膜１２の表面に設けた多孔セラミックス層１３と、この多孔セラミックス層１３の表面に酸化触媒１４やＮＯｘ還元触媒としての助触媒１５を担持して構成される。
【００２８】
つまり、第１の実施の形態のフィルタ部材２０を形成する繊維体１０に対して、第２の実施の形態のフィルタ部材２０Ａを形成する繊維体１０Ａでは、金属被膜１１と触媒１４，１５の間にγアルミナの多孔セラミックス層１３を設けている。この多孔セラミックス層１３は、ウォシュコートとも呼ばれ、凹凸を形成して触媒１４，１５を担持し易くし、また、触媒活性を高める役割を果たす。
【００２９】
そして、本発明のフィルタ部材２０，２０Ａを使用したフィルタ構造体３０，３０Ａは、フェルト部材２１，２１Ａを金網２２で挟んで形成したフィルタ部材２０，２０Ａを、図５に示すように、蛇腹状に折り曲げて円筒駕籠状にし、長手方向における適当な箇所で内側保持部材２３と外側保持部材２４の間で挟持し、更に、外周保持部材２５を巻いて形成される。
【００３０】
また、本発明のフィルタ部材２０，２０Ａを使用した排気ガス浄化装置４０，４０Ａは、図６に示すように、上記のフィルタ構造体３０，３０Ａを、容器３１に納めて形成される。
【００３１】
次に、本発明の実施の形態のフィルタ部材２０，２０Ａの製造方法について説明する。
【００３２】
先ず、フェルト部材形成工程で、炭化ケイ素の無機繊維１１をランダムに積層してフェルト部材２１を形成する。このフェルト部材２１は、図２に示すように、例えば、繊維径９μの繊維１１ａを５０ｍｍに切断して、フェルト製造機で厚み３ｍｍ程度に形成した第１フェルト部材２１ａと、繊維径１４μの繊維１１ｂを５０ｍｍに切断して、フェルト製造機で厚み３ｍｍ程度に形成した第２フェルト部材２１ｂとを重ねて形成する。なお、この無機繊維１１ａ，１１ｂとしては、炭化ケイ素の繊維以外にも、窒化ケイ素、アルミナ、シリカ、ムライトのうちの少なくとも１種の無機繊維を使用することができる。
【００３３】
そして、フィルタ部材形成工程で、図４に示すように、このフェルト部材２１を耐熱金網２２で挟持して、一体構造の積層体としてフィルタ部材２０を形成する。
【００３４】
また、フィルタ構造体形成工程で、図５に示すように、このフィルタ部材２０を蛇腹状に折り曲げ、この積層体を円筒駕籠状にして、長手方向における適当な箇所で内側保持部材２３と外側保持部材２４の間で挟持し、更に、外周保持部材２５を巻き、フィルタ構造体３０とする。この時、繊維径１４μの第２フェルト部材２１ｂが排気ガスの流れに関して上流側になるようにする。この耐熱金網２２は、電源に接続して通電可能にし、フィルタ加熱用のヒータとして利用する。なお、フィルタ加熱用のヒータが不要の場合には、電源への接続を行わない。
【００３５】
次の金属被膜形成工程で、このフィルタ構造体３０を、硝酸ニッケルの水溶液の浸積液に還元剤ナトリウムボロハイドライド（ＮａＢＨ_４）を入れて、ニッケル無電解メッキを行って、炭化ケイ素の繊維１１ａ，１１ｂにニッケル金属の被膜１２を形成する。
【００３６】
この後、触媒担持工程で、周知の技術により金属被膜１２に貴金属触媒１４と卑金属酸化物の助触媒１５を担持する。これにより、本発明の第１の実施の形態のフィルタ部材２０、及び、フィルタ構造体３０が完成する。
【００３７】
あるいは、金属被膜形成工程の後に、中間層形成工程を行って、ニッケル被膜１２を形成したフィルタ構造体３０をアルミニウムを含むアルコキシドの液中に入れた後、取り出して乾燥し、ニッケル被膜１２の上層にγアルミナのウォッシュコート層、即ち、多孔セラミックス層１３を形成し、この後の第２触媒担持工程で、周知の技術により、γアルミナの多孔セラミック層１３に貴金属触媒１４と卑金属酸化物の助触媒１５を担持する。これにより、本発明の第２の実施の形態のフィルタ部材２０Ａ、及び、フィルタ構造体３０Ａが完成する。
【００３８】
そして、装置形成工程で、図６に示すように、触媒１４，１５を担持したフィルタ構造体３０，３０Ａを、遮熱構造を有する金属容器３１に納めて排気ガス浄化装置４０，４０Ａを構成する。これにより、本発明の排気ガス浄化装置４０，４０Ａが完成する。この完成した排気ガス浄化装置４０，４０Ａを図７に示すようにエンジン４１の排気通路４２に設置する。
【００３９】
つまり、この排気ガス浄化装置４０の製造方法は、無機繊維１１をランダムに積層してフェルト部材２１を形成するフェルト部材形成工程と、フェルト部材２１を耐熱金網２２で挟んでフィルタ部材２０を形成するフィルタ形成工程と、フィルタ部材２０を蛇腹状に折り曲げて円筒駕籠状にしてフィルタ構造体３０を形成するフィルタ構造体形成工程と、フィルタ構造体３０を、還元剤ナトリウムボロハイドライドを加えた、硝酸ニッケルの水溶液の浸積液に入れて、無機繊維１１の表面に金属被膜１２を形成する金属被膜形成工程と、金属被膜１２に触媒１４，１５を担持させる触媒担持工程と、フィルタ構造体３０を容器３１に納めて排気ガス浄化装置４０を形成する装置形成工程を有して構成される。
【００４０】
また、排気ガス浄化装置３０Ａの製造方法は、金属被膜形成工程の後で、フィルタ構造体３０Ａをアルミニウムを含むアルコキシドの液に漬けた後、取り出して乾燥し、金属被膜１２の表面にγアルミナの多孔セラミックス層１３を形成する中間層形成工程と、触媒担持工程の代りに、多孔セラミックス層１３に触媒１４，１５を担持させる第２触媒担持工程を有して構成される。
【００４１】
なお、上記の実施の形態では、フィルタ構造体３０にしてからニッケルメッキを施しているが、繊維１１の状態で１本、１本にメッキをしても良く、また、フィルタ部材２０の状態でメッキしても良い。
【００４２】
〔実施例〕
そして、実施例として、炭化ケイ素の繊維表面にニッケル金属被膜を設け、酸化触媒を担持したフィルタ部材を使用した排気ガス浄化装置と、比較例として、ニッケル金属被膜を設けずに、酸化触媒を担持した従来型の触媒付き繊維フィルタ部材を使用した排気ガス浄化装置とを準備して、図７に示すように、ディーゼルエンジン４１の排気ガス経路４２に排気ガス浄化装置４０を設置し、排気ガスＧのＰＭの捕集及び除去の耐久試験を行った。これらの結果を表１に示す。
【００４３】
なお、この実施例では、直接、炭化ケイ素繊維のニッケル被膜上に、熱膨張差を緩和する中間層を設けずに、触媒を担持させている。
【００４４】
【表１】

【００４５】
上記試験の結果により、実施例の方が比較例よりも耐久性が優れていることが分かる。これは、無機繊維の表面に施したニッケル金属被膜が無機繊維を保護して、無機繊維と触媒との反応が防止され、酸化触媒の効果が持続しているためと考えられる。
【００４６】
それに反してニッケル金属被膜が無いフィルタ部材を使用した比較例では、酸化触媒と繊維表面の炭化ケイ素とが反応してガラス化し、触媒を失活させていると考えられる。
【００４７】
【発明の効果】
以上に説明をしたように、本発明のフィルタ部材によれば、フィルタ部材を形成する無機繊維を金属で被覆しているので、無機繊維を金属被膜で保護して触媒と直接接触することを防止できる。そのため、触媒による無機繊維の劣化や脆化を防止することができ、耐久性を著しく向上できる。
【００４８】
そして、上記のフィルタ部材を使用して排気ガス浄化装置を構成することにより、小型で耐久性に富む排気ガス浄化装置を提供できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態のフィルタ部材に使用する繊維体の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係る第１の実施の形態のフィルタ部材の構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明に係る第２実施の形態のフィルタ部材に使用する繊維体の構成を模式的に示す図である。
【図４】フィルタ部材を耐熱金網で挟持した積層体の構成を模式的に示す図である。
【図５】フィルタ構造体の構成を模式的に示す図である。
【図６】排気ガス浄化装置の構成を模式的に示す図である。
【図７】排気ガス浄化装置をディーゼルエンジンの排気ガス経路に設定した場合の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ繊維体
１１無機繊維
１２金属被膜
１３多孔セラミックス層
１４貴金属触媒
１５助触媒
２０，２０Ａフィルタ部材
２１，２１Ａフェルト部材
２２金属金網
３０，３０Ａフィルタ構造体
４０，４０Ａ排気ガス浄化装置

Claims

エンジンの粒子状物質を浄化する排気ガス浄化装置に使用するフィルタ部材であって、該フィルタ部材は、無機繊維と、該無機繊維の表面を覆う金属被膜と、該金属被膜の表面に担持された触媒とを有する繊維体を積層して形成されることを特徴とするフィルタ部材。
前記金属被膜をニッケルメッキで行うことを特徴とする請求項１記載のフィルタ部材。