JP2011041946A - 排ガス浄化用ハニカム構造体及び排ガス浄化用ハニカム触媒体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セル隔壁が、材料特性及びセル構造に関し、下記式(1)に示す関係を満たすことを特徴とする排ガス浄化用ハニカム構造体。
σ/E≧0.0161・α・(GSA)/{HD・(ρC・C・λC)0.5} …(1)
(式(1)中、σ[MPa]は材料強度、E[MPa]は材料ヤング率、α[1/K]は貫流方向に対して垂直な方向の熱膨張係数:ただし、α≧1×10-6、GSA[m2/m3]はハニカム体積当たり幾何学的表面積、HD[m]はハニカムセル水力直径、ρC[kg/m3]はハニカム構造かさ密度、C[J/kgK]は材料比熱、λC[W/mK]はハニカムセル熱伝導率=λ・b/p(ここで、λは材料熱伝導率[W/mK]、bはリブ厚[m]、pはセルピッチ[m])をそれぞれ示す。)。
【選択図】図26
Description
(式(11)中、σ[MPa]は材料強度(リブ1枚の曲げ強度を意味し、具体的には、梁の高さを除き、JIS R1601に準拠した方法にて、4点曲げにより測定された材料強度、又は他の方法での試験結果を有効体積により本方法に換算した材料強度を意味する)、E[MPa]は材料ヤング率(リブ1枚曲げ)、α[1/K]は貫流方向に対して垂直な方向のハニカム熱膨張係数、GSA[m2/m3]はハニカム体積当たり幾何学的表面積、HD[m]はハニカムセル水力直径、ρC[kg/m3]はハニカム構造かさ密度、C[J/kgK]は材料比熱、λC[W/mK]はハニカムセル熱伝導率=λ・b/p(ここで、λは材料熱伝導率[W/mK]、bはリブ厚[m]、pはセルピッチ(リブの間隔)[m])をそれぞれ示す。)
また、スリットは、図2(a)〜(d)のように排ガスの貫流方向(中心軸方向)に形成すること以外に、特に図示しないが、排ガスの貫流方向(中心軸方向)に対して垂直な方向に形成してもよい。さらに、構造体としての強度に差し支えない範囲で、両方向に形成することも可能である。
例えば、担体に触媒を担持する前に、予めアンカー物質を含浸又はコーティング等の手法によって担持しておき、その後に触媒を担持することにより、担体と触媒層との間にアンカー物質を介在させることができ、最も効果的に担体と触媒層中のアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属との反応を抑止することができる。
セル隔壁の材料として、アルミナB原料粉、水、バインダーの混練原料を用い、押出成形してから焼成して、四角セル構造で、直径が40mm、長さが40mm、セル隔壁(リブ)厚さが4mil(0.102mm)、セル密度が600cpsi、セルピッチが1.037mmのハニカム構造体(構造体1)を作製した。アルミナBは、材料特性として、貫流方向に対して垂直な方向のハニカム熱膨張係数(α):8.40×10-6[1/K]、材料比熱(C):820[J/kgK]、材料密度(ρ):1900[kg/m3]、材料熱伝導率(λ):14[W/mK]、材料ヤング率(リブ1枚曲げ)(E):40×103[MPa]、を有するものである。以上の材料特性及びセル構造データをまとめて表1に示す。
セル隔壁の材料及びセル構造を表1に示すものに変えたこと以外は実施例1と同様にして、構造体2〜24を作製した。得られた構造体2〜24の、表1に示すデータを用い構造体2〜24について前記式(11)の右辺の各変数の算出結果を表2に示す。さらに、表2の数値を用いて前記式(11)の右辺を計算した結果、材料強度の実測値、材料強度の実測値を材料ヤング率(リブ1枚曲げ)で割った左辺の値、左辺の値が前記式(11)を満たすか否か及びガスバーナーの熱サイクル試験におけるサンプルのクラックや割れの発生の有無の観察結果をまとめて表3に示す。
セル外形(直径が100mm、長さが100mm、隔壁の厚さが101.6μm)、セル密度が400(cpsi)の、アルミナCを用いた構造体25を、実施例1と同様にして作製した。この構造体25には、図2(d)に示すような形状でスリット4を入れた構造のものとした。なお、図2(d)におけるスリット4の形状は、ハニカム構造体10の上端面14に露出するスリット4の長さをハニカム構造体10の直径の3/10(具体的には30mm)、また、スリット4のハニカム外壁上に露出した中心軸方向の長さを、ハニカム外壁の全長に亘る100mmとした。得られた構造体25の体積は785cm3、重量は、270gであった。また、この構造体25を、電気炉による耐熱衝撃性試験を行ったところ、破壊温度は、800℃(750℃まではクラック発生が認められなかった)と極めて良好であった。以上の結果をまとめて表4に示す。
室温の試料を400℃に保持された電気炉に入れ、20分間経過後、試料を取り出して室温まで冷却した後、クラックの発生の有無を目視で確認した。クラックの発生がなければ、電気炉の温度を50℃ずつ上昇させ、同様な試験を繰り返した。最終的に、クラックが発生した温度を「破壊温度」とした。
参考例10において、セル外形、セル密度、スリットの形状を表4に示すように変えたこと以外は参考例10と同様にして構造体26〜28を作製した。その結果及び耐熱衝撃性試験の結果をまとめて表4に示す。
セル外形(直径が100mm、長さが100mm、隔壁の厚さが101.6μm)、セル密度が400(cpsi)の、アルミナCを用いた構造体29を、実施例1と同様にして作製した。この構造体29は、図13(c)に示すような形状で一辺の長さが35mmの正方形で、長さが100mmの第1のセグメント13を4個と周囲の異形(断面の長辺が35mm、長さが100mm)の第1のセグメント8個とを抱き合わせてセメントで接合した構造のものとした。得られた構造体29の体積は785cm3、重量は、270g(セメント分は除く)であった。また、第1のセグメント13のアスペクト比((L1)/(P1))は、100/35=2.86であった。この構造体29を、電気炉による耐熱衝撃性試験を行ったところ、破壊温度は、800℃と極めて良好であった。以上の結果をまとめて表5に示す。
参考例14において、材料、セル外形、セル密度、第1のセグメントの構造を表5に示すように変えたこと以外は参考例14と同様にして構造体30〜31を作製した。その結果及び耐熱衝撃性試験の結果をまとめて表5に示す。
セル外形(直径が100mm、長さが120mm(間隔も含む)、隔壁の厚さが101.6μm)、セル密度が400(cpsi)の、アルミナCを用いた第2のハニカムセグメントを三段に分割した形状に構成してなる構造体32を、実施例1と同様にして作製した。この構造体32は、図17に示すような形状で長さが33.3mmの第2のセグメント15を3段に積層した構造のものとした。得られた構造体32の体積は785cm3、重量は、270gであった。また、第2のセグメント15のアスペクト比[(P2)/(L2)]は、100/33.3=3.0であった。この構造体32を、電気炉による耐熱衝撃性試験を行ったところ、破壊温度は、800℃と極めて良好であった。以上の結果をまとめて表6に示す。
参考例17において、材料、セル外形、セル密度、第2のセグメントの構造を表6に示すように変えたこと以外は参考例17と同様にして構造体33〜34を作製した。その結果及び耐熱衝撃性試験の結果をまとめて表6に示す。
セル外形(直径が100mm、長さが100mm、隔壁の厚さが101.6μm)、セル密度が400(cpsi)の、アルミナCを用いたセル隔壁の、排ガスの貫流方向(中心軸方向)に配設した一以上の切り欠き部を備えた構造体35を、実施例1と同様にして作製した。この構造体35は、図18に示すような形状で一以上の切り欠き部16を備えた構造のものとした。得られた構造体35の体積は785cm3、重量は、270gであった。この構造体35を、電気炉による耐熱衝撃性試験を行ったところ、破壊温度は、750℃と極めて良好であった。以上の結果をまとめて表7に示す。
参考例20において、材料、セル外形、セル密度を表7に示すように変えたこと以外は参考例20と同様にして構造体36を作製した。その結果及び耐熱衝撃性試験の結果をまとめて表7に示す。
熱応力緩和手段(参考例10におけるスリットの形成、参考例14における第1のセグメントへの分割、参考例17における第2のセグメント構造の形成及び参考例20における切り欠き部の形成)を施さなかったこと、並びに材料、セル外形、セル密度、体積、重量を表8に示すように変えたこと以外は実施例1と同様にして構造体37〜40を作製した。その結果及び耐熱衝撃性試験の結果をまとめて表8に示す。
Claims (5)
- 複数のそれぞれ隣接したセルの複合体を形成するセル隔壁(リブ)と、このセルの複合体を囲繞して保持するハニカム外壁とから構成され、前記セル隔壁上に担持される触媒層又は前記セル隔壁中に含有される触媒によってセル内を貫流する排ガスを浄化する排ガス浄化用ハニカム構造体であって、
前記セル隔壁が、アルミナまたはチタニアであって、材料特性及びセル構造に関し、下記式(1)に示す関係を満たすことを特徴とする排ガス浄化用ハニカム構造体。
σ/E≧0.0161・α・(GSA)/{HD・(ρC・C・λC)0.5} …(1)
(式(1)中、σ[MPa]は材料強度(リブ1枚曲げ)、E[MPa]は材料ヤング率(リブ1枚曲げ)、α[1/K]は貫流方向に対して垂直な方向のハニカム熱膨張係数:ただし、α≧1×10-6、GSA[m2/m3]はハニカム体積当たり幾何学的表面積、HD[m]はハニカムセル水力直径、ρC[kg/m3]はハニカム構造かさ密度、C[J/kgK]は材料比熱、λC[W/mK]はハニカムセル熱伝導率=λ・b/p(ここで、λは材料熱伝導率[W/mK]、bはリブ厚[m]、pはセルピッチ(リブの間隔)[m])をそれぞれ示す。) - 請求項1に記載の排ガス浄化用ハニカム構造体の、前記セル隔壁上に触媒層が担持されてなる又は前記セル隔壁中に触媒が含有されてなることを特徴とする排ガス浄化用ハニカム触媒体。
- 前記触媒層又は触媒が、アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属を含有するものである請求項2に記載の排ガス浄化用ハニカム触媒体。
- 前記触媒層又は触媒が、SCR(Selective Catalytic Reduction)反応の主触媒及び助触媒又はそのいずれかの作用を有するSCR触媒材料である請求項2に記載の排ガス浄化用ハニカム触媒体。
- 前記SCR触媒材料が、貴金属;V、VI、VII、VIII族遷移金属;希土類酸化物;これらの二種以上の複合酸化物又はこれらの少なくとも一種とZrとの複合酸化物;アルカリ金属酸化物;及びアルカリ土類酸化物からなる群から選ばれる少なくとも一種を含有するものである請求項4に記載の排ガス浄化用ハニカム触媒体。
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