JP2006110431A - 浄化性能に優れた触媒担持用メタル担体 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失の増加を伴わずに，浄化方法に優れた触媒担持用メタル担体を提供する．
【解決手段】触媒担持用メタル担体のガス流路の壁に突起を設け，突起部分でのガスの物質交換，熱交換を促す効果を有するメタル担体において，突起の配置構造，すなわち突起の数，あるいは突起高さと突起間の距離の制御により，圧力損失の増加を抑制しつつ浄化性能の向上ができるメタル担体を提供する．ガス流れ方向への突起の投影断面積がガス流路断面積の３％〜５０％の範囲，好ましくは５〜２５％の範囲であり，突起高さｈと突起間隔ｐの関係がｐ／ｈ≧３０，好ましくはｐ／ｈ≧４５である．
【選択図】図４

Description

本発明は，触媒担持用メタル担体，特に，自動車排ガス浄化用途に代表される，ガス反応用触媒コンバータに用いられる触媒担持用メタル担体に関する．

自動車排ガス浄化装置に代表される，ガス反応用触媒コンバータに用いられる触媒担持用の担体としては，コーディエライト製に代表されるセラミック担体とステンレス製に代表されるメタル担体があるが，特に、耐熱合金製の外筒に同合金製のハニカム体を嵌入したメタル担体が、近年多用されるようになってきた。メタル担体を構成するハニカム体は厚さ５０μｍ程度の平箔と、該平箔をコルゲート加工した波箔とを交互に積層したものや、平箔と波箔を重ねて渦巻状に巻き回したもの等が使用されている。

自動車排ガス規制は非常に厳しくなる傾向にあり、特にコールドスタート時の浄化性能を向上させる必要性から，エンジン始動後，なるべく短時間で触媒をその活性温度まで上昇させる必要があるとともに，定常状態でも十分な浄化性能を有している必要がある．従来の担体では，セル密度を上げることによって，ガスが触媒に接触する表面積を増加させることにより，コールドスタート時あるいは定常状態における浄化性能向上が試みられてきた．

一般的には，これら触媒担体のガス流路（セル）の壁は平坦なものが多いが，触媒コンバータの反応効率を向上させるための手段として，例えば特許文献１に，セル壁にミクロ構造を備えたハニカム体が開示されている．また，特許文献２には，セル壁に凹凸部を備えたハニカム体が開示されている．これらは，いずれもセル内のガス流れを乱流化して，反応効率を向上させようとするものである．

特表平３−５０５７０１号公報 特開平９−２９１０４号公報

特許文献１および２の担体では，同一のサイズでセル壁が平坦な場合と比較すれば，浄化性能は向上する．しかしながら，触媒コンバータにおいては圧力損失と浄化性能の関係は，一般にはトレードオフの関係にあり，セル内にミクロ構造を設けることにより，浄化性能向上の効果は認められるものの，それに伴って圧力損失も増加してしまう．圧力損失の増加は，例えば，自動車用触媒コンバータに用いた場合には，燃費の悪化あるいは出力の低下といった問題点を生じる．このような問題点を解決するため，圧力損失の増加を伴わずに，浄化性能の向上を可能にする触媒担体が求められていた．

そこで，本発明は，上記課題を解決し，圧力損失の増加を伴わずに，浄化方法に優れた触媒担持用メタル担体を提供することを目的とする．

前記課題を解決する本発明は，金属箔の平箔と波箔から構成される，ガス流路となるセルを形成してなるハニカム体と該ハニカム体の外周面を囲む金属外筒とを少なくとも一部を接合してなるメタル担体であって，前記ハニカム体を構成する全てのセルに突起部を有するとともに，該突起部における投影断面積のセル断面積に対する割合が，３〜５０％であることを特徴とする．また，前記ハニカム体が，平箔と波箔を巻きまわしてなるハニカム体であることを特徴とする．また，前記突起部が，単一セルの流路方向に垂直な断面内に，１個あるいは２個形成されていることを特徴とする．

また，同一セル壁面に形成された突起部の間隔ｐと高さｈの関係がｐ／ｈ≧３０を満足することを特徴とする．また，同一セル壁面に形成された突起部の間隔ｐと高さｈの関係がｐ／ｈ≧４５を満足することを特徴とする．また，突起部の間隔ｐが，ｐ≧１０ｍｍであることを特徴とする．また，前記ハニカム体のセル密度が６２セル／ｃｍ²未満であることを特徴とする．

また，Ａｌ粒をセルの壁面に溶融接合してなる突起部を有することを特徴とする．また，箔表面をプレス加工して形成されてなる突起部を有することを特徴とする．

本発明は，触媒担持用メタル担体において，従来の技術では対応できなかった，圧力損失の増加を伴わずに浄化性能を向上することを可能にするものである．

一般的に，触媒コンバータのガス流路内の流れは，入口付近は乱流から層流に変化する発達段階にあり，流れは乱れているが，流れが発達してしまい層流になると，物質交換，熱交換を生じにくくなり，触媒反応あるいは触媒の昇温に寄与しにくくなる．

そこで従来の担体では，セル密度を上げることによって，ガスが触媒に接触する表面積を増加させることにより，コールドスタート時あるいは定常状態における浄化性能向上が試みられてきた．しかしながら，セル密度を増加することは，排ガスがハニカム体を通過する際に発生する圧力損失の増加を招いてしまう．

また，セル内に突起などのミクロ構造を施すことにより，発達し層流化した流れに対して，再び乱れを生じさせれば，当該部分では物質交換あるいは熱交換が促され，浄化性能の向上が可能になる．しかしながら，セル内に突起などのミクロ構造を設けた場合は，セル密度を増加させないにも拘らず，圧力損失が却って増加してしまう場合がある．逆に，圧力損失を低下させるためにセル密度を下げると，今度は浄化性能の低下を招く恐れがある．すなわち，ただ単にセルにミクロ構造を設けるだけでは，ミクロ構造を設けない場合と比較して，却って浄化性能向上の効果よりも，圧力損失増加の影響の方が大きくなってしまい，逆効果になる場合がある．

本発明は，このような問題を解決し，セル壁にミクロ構造を設けない場合と比較して，圧力損失の増加を伴わずに浄化性能が向上する触媒担体を提供するものである．

例えばミクロ構造が突起である場合においては，前述したように，ガス流路のセル壁にやみくもに突起を配置すると，圧力損失の増加を招いてしまう．そこで，突起を設けたことによる圧力損失の増加をセル密度の低減によって防止した上で，浄化性能の向上率が圧力損失の増加率を上回るような突起の配置構造が有効であるが，逆にセル密度を下げすぎると浄化性能も低下してしまうので，浄化性能を極力落とさずに，圧力損失を低減できる突起の配置構造，すなわち突起の数，突起の高さ，あるいは突起間の距離といったパラメータが，非常に重要になる．例えば，突起間の距離が短すぎると，圧力損失の増加は大きくなるが，それに見合った浄化性能の向上が得られない．

まず，突起の配置についてであるが，単一セルにおいて，流路方向に垂直な断面内に１個あるいは２個配置することが最も好ましい．例えば，図１に示すような平箔２と波箔３から構成されるメタル担体のガス流路４おいては，突起１を同一断面に３箇所設けることができるが，突起を３箇所設けた場合は，圧力損失の増加率に比べて浄化性能の向上率がさほど大きくなく，また特に平箔２と波箔３を巻き回して形成するメタル担体の場合，平箔２に突起１を設けた場合に，突起１の位置合わせが困難であるという欠点も有する．従い，製造上の容易さから，図１（ａ），（ｂ）に示すように，同一断面内の突起１の数が１個あるいは２個になるように，波箔３に突起１を形成しておくことが好ましい．

また，ガス流路方向から見た突起１の投影断面積は，１セル当たりのガス流路４の断面積の，３％以上５０％以下であることが好ましい．３％を下回ると流れを乱す効果がなく，５０％を超えると当該部分での圧力損失が大きくなりすぎるためである．さらに，その範囲が５％から２５％の間にあれば，圧力損失上昇を抑えつつ，顕著な浄化性能向上率が得られる．

また，突起間隔（ｐ）と突起高さ（ｈ）の比（ｐ／ｈ）は３０以上であることが必要である．ここで突起間隔とは，同一セル壁面内においてガス流方向隣接する突起間の距離のことである．３０より小さいと浄化性能向上率が，圧力損失の増加率を下回ってしまう恐れがある．また，突起間隔と突起高さの比が４５以上のときは，浄化性能向上率が圧力損失増加率を大きく上回り，好ましい結果が得られる．これは，ある程度流れが発達した段階で突起を設けておくことが好ましいことを示しており，突起間隔と突起高さの比が３０未満では，突起によって乱された流れが，まだ十分に発達しきらないうちに次の突起に遭遇するため，圧力損失の増加は大きくなってしまうが，それに見合った浄化性能の向上率が得られない可能性が高くなる．ただし，ｐ／ｈが２００を超えてしまうと，突起を形成しない場合と比較して効果がほとんど得られなくなる恐れがある．

また，突起間隔（ｐ）は１０ｍｍを超えていることが好ましく，またハニカム体のセル密度は６２セル／ｃｍ²未満であることが，圧力損失の増加を極力抑えるために好ましい．またハニカム体のセル密度の下限値は，十分な浄化性能を得るという観点から，１０セル／ｃｍ²以上形成しておくことが好ましい．

さて，突起１の形成方法としては，図２に示すようにアルミニウム粉末５を波箔３の壁面に付着させ，加熱処理して突起１を形成するという方法がある．例えば，直径３００μｍ程度のアルミニウム粉末５を所定の位置に配置しておき，加熱すると，アルミニウムが溶融し，箔の成分がアルミニウム中へ拡散し，融点が上昇することにより凝固する．凝固した後，当該位置は突起１となる．

また，突起１を形成する他の方法として，箔を波付け加工して波箔３を製造する際に，同時に箔をプレス加工することにより，波箔３の壁面に突起６を形成する方法がある．ただし，この場合は，波箔３に形成された突起（凸部）の裏側は凹部７となるので，例えば，図３に示すように波箔３の壁には凹凸両方設けておく必要がある．

（実施例１）
本発明に基づく実施例を説明する．幅１００ｍｍ，厚さ５０μｍのフェライト系ステンレスの平箔，および所定の大きさ，配置形状の突起を設けた波箔を重ねて巻いたハニカム体を外径１０３ｍｍ，厚さ１．５ｍｍ，長さ１００ｍｍのステンレス鋼外筒に収め，平箔と波箔の間はろう付けにより接合し，メタル担体を作製した．波箔の突起１は，図４に示すように波箔の両サイドに設けた．すなわちガス流路の同一断面内には突起１が２個存在する．また，各突起１は半球状であり，突起１の高さは，突起１の投影断面積が，ガス流路４の断面積の３％，５％，２０％，５０％になるように設定した．比較例として，１％，６０％のものも評価した．また，ハニカム体のセル密度は３１セル／ｃｍ²とした．ガス流路４は波箔３の波ピッチと波高さの比が２：１になるように設定した．

担持した触媒は，市販のγＡｌ₂Ｏ₃粉末７０質量％とＣｅＯ₂粉末が３０質量％の混合粉末に対して，水を質量で混合粉末の４倍になるように添加し，ボールミルで混練してスラリーを作製した．作製したスラリー中に，担持量が２００ｇ／ｌになるように複数回メタル担体をディップして粉末を担持し，乾燥させ，７００℃で１時間焼成した．さらに，６３．６３％ｃｉｓ［Ｐｔ（ＮＯ₂）₂（ＮＨ₃）₂］を硝酸で加熱溶解し，５％Ｒｈ（ＮＯ₃）₃，水を加え，γＡｌ₂Ｏ₃−ＣｅＯ₂混合粉末を担持したメタル担体を含浸させ，乾燥させた．このとき予め，γＡｌ₂Ｏ₃−ＣｅＯ₂混合粉末の吸水率を測定しておき，ＰｔとＲｈの比が質量比で５：１で，貴金属総質量が１０ｍｇになるように，貴金属水溶液の水の量を調節した．乾燥後，７００℃で１時間焼成した．

このようにして作製した触媒が担持されたメタル担体を，触媒評価装置に装着し，浄化性能を測定した．評価に用いたモデルガスの体積組成は，ＣＯ₂：１４％，Ｏ₂：１．０％，ＣＯ：１．０％，Ｈ₂：０．３５％，Ｃ₃Ｈ₈：２４００ｐｐｍ（炭素換算），ＮＯ：１０００ｐｐｍ，Ｎ₂は残部である．このモデルガスを２５０℃に加熱し，ＳＶ値を１０００００／Ｈｒとして触媒を担持したメタル担体中を通過させ，前後のガス成分を測定し，浄化性能を評価した．浄化性能は，Ｃ₃Ｈ₈とＮＯのクロスオーバー浄化率で評価した．またハニカム前後の圧力差を測定し，圧力損失も評価した．

評価は，浄化性能については，突起を設けない場合のセル密度が３１セル／ｃｍ²のメタル担体（２００セル／ｉｎ²）のＣ₃Ｈ₈とＮＯのクロスオーバー浄化率を１とした場合の浄化性能比を以って評価した．また圧力損失についても，突起を設けないメタル担体に対する圧力損失比として評価し，浄化性能比が圧力損失比を上回ったものを合格（○）とした．

表１に結果を示す．

突起投影断面積比が，３％未満の比較例の場合は，浄化性能比が圧力損失比を下回り，不合格であった．また突起投影断面積比が，５０％を超える比較例の場合も，浄化性能比が圧力損失比を下回り，不合格であった．一方突起投影断面積比が，３％以上，５０％以下の実施例の場合は，浄化性能比が圧力損失比を上回り，合格であった．

（実施例２）
さらに本発明に基づく実施例を説明する．幅１００ｍｍ，厚さ５０μｍのフェライト系ステンレスの平箔，および所定の大きさ，配置形状の突起を設けた波箔を重ねて巻いたハニカム体を外径１０３ｍｍ，厚さ１．５ｍｍ，長さ１００ｍｍのステンレス鋼外筒に収め，平箔と波箔の間はろう付けにより接合し，メタル担体を作製した．波箔の突起１は，図４に示すように波箔の両サイドに設けた．すなわちガス流路の同一断面内には突起１が２個存在する．また，各突起１は半球状であり，突起１の高さは，突起１の投影断面積が，ガス流路４の断面積の１８％になるように設定した．また，ハニカム体のセル密度は，３９セル／ｃｍ²〜６２セル／ｃｍ²とした．ガス流路４は波箔３の波ピッチと波高さの比が２：１になるように設定した．その後，触媒担持，浄化性能評価は，実施例１と同一の要領で行った．

評価は，浄化性能については，突起を設けない場合のメタル担体（セル密度が６２セル／ｃｍ²すなわち４００セル／ｉｎ²）のＣ₃Ｈ₈とＮＯのクロスオーバー浄化率を１とした場合の浄化性能比を以って評価した．また圧力損失についても，突起を設けないメタル担体に対する圧力損失比として評価し，浄化性能比が圧力損失比を同等か下回ったものの評価を△とし，浄化性能比が圧力損失比を上回ったものの評価を○とした．さらに浄化性能比が１以上で圧力損失比が１未満であった場合は評価を◎とした．

表２〜４に結果を示す．

突起間隔／突起高さが１５である場合は，いずれの場合においても，浄化性能比が圧力損失比を下回っていた．突起間隔／突起高さが３０である場合は，突起を設けない場合と同一のセル密度の場合においては，浄化性能比が圧力損失比を下回ったが，セル密度を低下させた場合は，浄化性能比が圧力損失比を上回り，評価は○であった．さらにセル密度を３９セル／ｃｍ²まで下げた場合には，浄化性能比が１を超え，圧力損失比が１を下回り，評価は◎であった．突起間隔／突起高さが４５である場合は，同一のセル密度の場合においても，浄化性能比が圧力損失比を上回った．さらに，セル密度を低下させた場合は，浄化性能比が１を超え，圧力損失比が１を下回り，評価が◎となり，良好な結果が得られた．

本発明の突起の配置形態を示すガス流路断面模式図である． 本発明の突起を形成する方法の一つを示す模式図である． 本発明の突起を形成する別の方法を示す模式図である． 本発明の実施例の一つを示す，断面模式図である．

符号の説明

１ 突起
２ 平箔
３ 波箔
４ ガス流路
５ アルミニウム粉末
６ 突起
７ 凹部

Claims (9)

1. 金属箔の平箔と波箔から構成される，ガス流路となるセルを形成してなるハニカム体と該ハニカム体の外周面を囲む金属外筒とを少なくとも一部を接合してなるメタル担体であって，前記ハニカム体を構成する全てのセルに突起部を有するとともに，該突起部における投影断面積のセル断面積に対する割合が，３％以上〜５０％以下であることを特徴とする触媒担持用メタル担体。
2. 前記ハニカム体が，平箔と波箔を巻きまわしてなるハニカム体である請求項１記載の触媒担持用メタル担体。
3. 前記突起部が，単一セルの流路方向に垂直な断面内に，１個あるいは２個形成されている請求項１または２に記載の触媒担持用メタル担体。
4. 同一セル壁面に形成された突起部の間隔ｐと高さｈの関係がｐ／ｈ≧３０を満足する請求項１〜３のいずれかに記載の触媒担持用メタル担体。
5. 同一セル壁面に形成された突起部の間隔ｐと高さｈの関係がｐ／ｈ≧４５を満足する請求項１〜３のいずれかに記載の触媒担持用メタル担体。
6. 突起部の間隔ｐが，ｐ≧１０ｍｍである請求項１〜５のいずれかに記載の触媒担持用メタル担体。
7. 前記ハニカム体のセル密度が６２セル／ｃｍ²未満である請求項１〜６のいずれかに記載の触媒担持用メタル担体。
8. Ａｌ粒をセルの壁面に溶融接合してなる突起部を有する請求項１〜７のいずれかに記載の触媒担持用メタル担体。
9. 箔表面をプレス加工して形成されてなる突起部を有する請求項１〜７のいずれかに記載の触媒担持用メタル担体。

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