JP2011104498A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温活性に優れると共にＮ_２Ｏの副生成を抑制することのできる排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジン１は、生成された排気ガスが流通する排気管２を備えている。排気管２には、高温活性触媒３と、これよりも下流側に設けられた低温活性触媒４とが設けられている。高温活性触媒３は、担体Ａｌ_２Ｏ_３にＡｇを担持した触媒であり、低温活性触媒４は、Ａｌ_２Ｏ_３にＴｉＯ_２を混合した担体にＰｔを担持した触媒である。尚、低温活性触媒４の担体には、Ａｌ_２Ｏ_３及びＴｉＯ_２の他に、不可避的不純物のみが含まれている。
【選択図】図１

Description

この発明は、排気ガス浄化装置に関する。

自動車の排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）は、水素（Ｈ_２）を還元剤として用いることで、酸素共存下、低温であっても効率良く還元浄化できる。還元触媒としては白金（Ｐｔ） がもっともよく知られており、１００℃程度の低温でもＮＯｘを効率よく還元することができるが、活性温度域が極端に狭く、一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ) を副生成するといった問題が指摘されている。特許文献１では、活性温度域の狭さを改善するために、活性温度域の異なる２種の触媒を組み合わせる方法が提案されている。

特開２００７−３３２８８５号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、ＮＯｘ還元温度域の拡張だけに留まり、同時にＮ_２Ｏの副生成を抑制することはできないといった問題点があった。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、低温活性に優れると共にＮ_２Ｏの副生成を抑制することのできる排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

この発明に係る排気ガス浄化装置は、排気ガス中に含まれるＨ_２を還元剤としてＮＯｘを還元する排気ガス浄化装置であって、担体と、担体に担持された白金（Ｐｔ）とからなる触媒を備え、担体は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）と、チタニア（ＴｉＯ_２）及びジルコニア（ＺｒＯ_２）の少なくとも一方と、不可避的不純物とからなる。
担体は、Ａｌ_２Ｏ_３と、ＴｉＯ_２と、不可避的不純物とから構成されてもよい。
担体は、Ａｌ_２Ｏ_３を１０〜９０質量％含んでもよい。
担体は、Ａｌ_２Ｏ_３を３０〜７０質量％含んでもよい。
触媒よりも上流側に、該触媒よりも活性温度の高い高温活性触媒を備えてもよい。
高温活性触媒は銀（Ａｇ）及びＡｌ_２Ｏ_３を含んでもよい。

この発明によれば、Ｈ_２を還元剤としてＮＯｘを還元する触媒が、Ａｌ_２Ｏ_３と、ＴｉＯ_２及びＺｒＯ_２の少なくとも一方と、不可避的不純物とからなる担体と、この担体に担持されたＰｔとを含むことにより、触媒が低温活性に優れると共にＮ_２Ｏの副生成を抑制することができる。

この発明の実施の形態に係る排気ガス浄化装置の構成模式図である。 この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の高温活性触媒及び低温活性触媒の、温度とＮＯｘ転化率との関係を示すグラフである。 各種触媒の温度と窒素（Ｎ_２）生成率との関係を示すグラフである。 この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の低温活性触媒において、担体中のＡｌ_２Ｏ_３含有率と各種触媒性能との関係を示すグラフである。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
この発明の排気ガス浄化装置の構成を図１に示す。内燃機関であるディーゼルエンジン１は、生成された排気ガスが流通する排気管２を備えている。排気管２には、高温活性触媒３と、これよりも下流側に設けられた低温活性触媒４とが設けられている。高温活性触媒３は、担体Ａｌ_２Ｏ_３にＡｇを担持した触媒であり、低温活性触媒４は、Ａｌ_２Ｏ_３にＴｉＯ_２を混合した担体にＰｔを担持した触媒である。尚、低温活性触媒４の担体には、Ａｌ_２Ｏ_３及びＴｉＯ_２の他に、不可避的不純物のみが含まれている。図２に示されるように、高温活性触媒３は、２００℃以上の高温でＮＯｘの還元反応が起こり、低温活性触媒４は、１００℃〜２００℃の低温の範囲で、ＮＯｘの還元反応が起こる。また、ディーゼルエンジン１においては、燃料である軽油を、公知の技術で改質してＨ_２を生成し、このＨ_２を、図１に図示しない水素供給装置により、排気ガス中に還元剤として導入している。

次に、この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の動作について説明する。
ディーゼルエンジン１が起動した直後は、一般的に、排気管２を流通する排気ガスの温度が低い。排気ガスの温度が上昇して１００℃〜２００℃の範囲に達すると、高温活性触媒３ではほとんど何の反応も起こらないが、低温活性触媒４において、Ｈ_２の存在下、排気ガス中のＮＯｘの還元反応が起こる。後述するように、この低温活性触媒４は、Ｎ_２Ｏの副生成が抑制されているので、この排気ガス浄化装置によって浄化された排気ガス中のＮ_２Ｏの濃度を低く抑えることができる。

ディーゼルエンジン１の稼働が継続し、ディーゼルエンジン１が暖機されて、排気ガス温度が２００℃以上に上昇すると、高温活性触媒３においてＮＯｘの還元反応が起こるようになり、低温活性触媒４ではほとんどＮＯｘの還元反応が起こらなくなる。この高温活性触媒３は、Ｎ_２Ｏの副生成がないことが知られているので、この排気ガス浄化装置によって浄化された排気ガス中のＮ_２Ｏの濃度を低く抑えることができる。

次に、この実施の形態に係る排気ガス浄化装置がＮ_２Ｏの副生成を抑制することについて説明する。
図３に、Ｐｔを担持する担体の成分を変更した触媒について、温度とＮ_２生成率との関係を示す。この実施の形態の低温活性触媒４として使用した、Ａｌ_２Ｏ_３にＴｉＯ_２を混合した担体にＰｔを担持した触媒（以下、「触媒Ｉ」と称する）は、１００℃〜２００℃の範囲において、Ａｌ_２Ｏ_３からなる担体にＰｔを担持した触媒（以下、「触媒ＩＩＩ」と称する）に比べて、Ｎ_２生成率が大きくなった。ＮＯｘの還元反応において、生成される物質は主に、Ｎ_２及びＮ_２Ｏであることから、Ｎ_２生成率が大きいということは、すなわちＮ_２Ｏの生成が抑制されていることを意味している。従って、触媒Ｉを使用することにより、低温活性に優れると共にＮ_２Ｏの副生成を抑制することのできる排気ガス浄化装置が実現される。

図３には、触媒Ｉ及び触媒ＩＩＩに加え、Ａｌ_２Ｏ_３にＺｒＯ_２を混合した担体にＰｔを担持した触媒（以下、「触媒ＩＩ」と称する）についても、温度とＮ_２生成率との関係を示している。尚、触媒Ｉ及びＩＩにおいて、担体中のＡｌ_２Ｏ_３含有量は同じ条件にしている。触媒ＩＩは、触媒Ｉに比べればＮ_２生成率が劣るものの、触媒ＩＩＩに比べればＮ_２生成率が大きい。このことから、触媒ＩＩを使用しても、低温活性に優れると共にＮ_２Ｏの副生成を抑制することのできる排気ガス浄化装置が実現されると言える。図３には示されていないが、Ａｌ_２Ｏ_３にＴｉＯ_２及びＺｒＯ_２の両方を混合した担体にＰｔを担持した触媒は、温度とＮ_２生成率との関係が触媒Ｉと触媒ＩＩとの間になる。ＺｒＯ_２よりもＴｉＯ_２の割合が大きくなれば触媒Ｉに近づき、ＴｉＯ_２よりもＺｒＯ_２の割合が大きくなれば触媒ＩＩに近づく。従って、Ａｌ_２Ｏ_３にＴｉＯ_２及びＺｒＯ_２の少なくとも一方を混合した担体にＰｔを担持した触媒を使用することにより、低温活性に優れると共にＮ_２Ｏの副生成を抑制することのできる排気ガス浄化装置が実現される。また、触媒Ｉは触媒ＩＩに比べ特に１００℃前後におけるＮ_２生成率が大きく、触媒Ｉが最適な触媒であることが分かる。

Ａｌ_２Ｏ_３にＴｉＯ_２またはＺｒＯ_２を混合することにより、Ｎ_２Ｏの副生成を抑制できる理由としては、ＴｉＯ_２及びＺｒＯ_２の比表面積及び酸性度（等電点）が起因しているものと考えられる。Ａｌ_２Ｏ_３と、ＴｉＯ_２及びＺｒＯ_２と、その他の化合物、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、三酸化二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）とについて、化学便覧等から得られる比表面積及び等電点を、表１に示す。

表１によると、ＴｉＯ_２及びＺｒＯ_２は、その他の４つの化合物に比して、比表面積が大きいと共に酸性が強い（等電点が低い）。図３には図示していないが、これら４つの化合物については、Ｎ_２生成率が触媒ＩＩＩと同等もしくは低くなっている。従って、ＴｉＯ_２及びＺｒＯ_２は比表面積が大きいと共に酸性が強い（等電点が低い）ことからＮ_２Ｏの副生成を抑制できるのだと推測される。

図４には、触媒Ｉにおいて、担体中のＡｌ_２Ｏ_３とＴｉＯ_２との比率（担体中のＡｌ_２Ｏ_３含有量をデータとして使用）と、触媒ＩのＮＯｘ転化率、Ｎ_２生成率、Ｎ_２選択性との関係を示す。尚、図４は、温度１２５℃の条件下で測定した結果である。担体中のＡｌ_２Ｏ_３またはＴｉＯ_２のいずれかの含有量が多い場合、すなわち、図４において、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が９０〜１００質量％の場合または０〜１０質量％の場合は、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が１０〜９０質量％の場合に比べて、Ｎ_２選択性が低下している。これは、Ｎ_２Ｏの副生成が上昇していることを意味しており、担体中のＡｌ_２Ｏ_３及びＴｉＯ_２の比率がどちらか一方に偏りすぎると、Ｎ_２Ｏの副生成が上昇することになる。従って、担体中のＡｌ_２Ｏ_３含有量は、１０〜９０質量％が好ましく、３０〜７０質量％がさらに好ましい。尚、図４には示されていないが、ＺｒＯ_２についてもほぼ同様の結果が得られる。

このように、低温活性触媒４を用いることにより、１００℃〜２００℃の範囲でＮＯｘの還元反応が生じるようになるので、この実施の形態に係る排気ガス浄化装置は、低温活性に優れ、また、低温活性触媒４は、Ｎ_２Ｏの副生成を抑制するので、この実施の形態に係る排気ガス浄化装置は、Ｎ_２Ｏの副生成を抑制することができる。
また、低温活性触媒４よりも上流側に、低温活性触媒４よりも高温で触媒活性を示すと共にＮ_２Ｏを副生成しない高温活性触媒３（担体Ａｌ_２Ｏ_３にＡｇを担持したもの）を設けることにより、排気ガス温度が２００℃以上の高温になったとしても、ＮＯｘを還元浄化することができる。

この実施の形態に係る排気ガス浄化装置は、高温活性触媒３及び低温活性触媒４を備えていたが、この形態に限定するものではない。低温活性触媒４のみを備えた形態であってもよい。また、高温活性触媒３と低温活性触媒４との間、または、高温活性触媒３よりも上流側に、活性温度の異なる触媒をさらに設けてもよい。

３ 高温活性触媒、４ 低温活性触媒（触媒）。

Claims (6)

1. 排気ガス中に含まれるＨ_２を還元剤としてＮＯｘを還元する排気ガス浄化装置であって、
   担体と、
   該担体に担持されたＰｔと
   からなる触媒を備え、
   前記担体は、
   Ａｌ_２Ｏ_３と、
   ＴｉＯ_２及びＺｒＯ_２の少なくとも一方と、
   不可避的不純物と
   からなる排気ガス浄化装置。
2. 前記担体は、Ａｌ_２Ｏ_３と、ＴｉＯ_２と、不可避的不純物とからなる、請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記担体は、Ａｌ_２Ｏ_３を１０〜９０質量％含む、請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置。
4. 前記担体は、Ａｌ_２Ｏ_３を３０〜７０質量％含む、請求項３に記載の排気ガス浄化装置。
5. 前記触媒よりも上流側に、該触媒よりも活性温度の高い高温活性触媒を備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
6. 前記高温活性触媒はＡｇ及びＡｌ_２Ｏ_３を含む、請求項５に記載の排気ガス浄化装置。

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