JP2014100631A - 排気ガス浄化用連続触媒 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスを効率的に浄化することのできる排気ガス浄化用触媒を提供する。
【解決手段】複数のセルを有する第１のモノリス基材と、当該第１のモノリス基材のセルを構成するセル壁上に配置された、排気ガスを浄化する第１の触媒金属とを含む第１の排気ガス浄化用触媒５及び複数のセルを有する第２のモノリス基材と、当該第２のモノリス基材のセルを構成するセル壁上に配置された、排気ガスを浄化する第２の触媒金属とを含む第２の排気ガス浄化用触媒６を備え、排気ガスの流れ方向における上流側から下流側に向かって前記第１の排気ガス浄化用触媒及び前記第２の排気ガス浄化用触媒が順に配置されており、前記第１の排気ガス浄化用触媒の排気ガスの流れ方向における下流側の端面７から、前記第２の排気ガス浄化用触媒の排気ガスの流れ方向における上流側の端面８までの距離が１〜８ｃｍである、排気ガス浄化用連続触媒。
【選択図】図３

Description

本発明は排気ガス浄化用連続触媒に関する。

エンジン等の内燃機関から排出される排気ガスには、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害な物質が含まれている。これらの物質は大気汚染の原因となるため、排気ガスを浄化することが必要とされる。

排気ガスを浄化するために、複数のセルを有するモノリス基材と、当該モノリス基材のセルを構成するセル壁上に配置された、排気ガスを浄化する触媒金属とを含む排気ガス浄化用触媒が使用されている（例えば、特許文献１及び２）。例えば、図１及び図２に示すように、排気ガス浄化用触媒１を排気ガスの流路に配置することによって、排気ガスが当該触媒のセル２内を通過する。その際、排気ガスに含まれる有害な物質は、セル壁３上に配置された触媒金属４によって浄化されて無害な物質に変換される。

排気ガスを効率的に浄化するためには、触媒金属の近傍における酸素の量を一定の範囲に制御することが有効である。この目的のため、触媒金属を担持する担体として、セリウム−ジルコニウム複合酸化物等の酸素吸蔵放出能を有する材料（ＯＳＣ材料）が使用されている（例えば、特許文献３〜５）。

セリウム−ジルコニウム複合酸化物は、酸素過剰条件下においてセリウムが３価から４価へ酸化することによって酸素を吸蔵する。一方、酸素不足条件下ではセリウムが４価から３価へ還元することによって酸素を放出する。これにより、触媒金属の近傍における雰囲気変動を抑え、排気ガスを効率的に浄化することができる。

特開平７−１７１３９２号公報 特開２００５−３３４８０１号公報 特開平８−２１５５６９号公報 特開平１１−１６５０６７号公報 特開２００３−２６５９５８号公報

排気ガスは、排気ガス浄化用触媒の外周部のセルよりも中心部のセルを通過しやすい。そのため、排気ガスが流入しにくい外周部のセル内では、排気ガスの浄化に必要な酸素があまり消費されない。その結果、外周部のセル内にはＯＳＣ材料から放出された酸素が十分に存在している。

一方、排気ガスが多く流入する中心部のセル内では、初めにセルの入口部分において排気ガスが浄化される。しかし、入口部分での浄化に多くの酸素が使用されると、入口部分で浄化されなかった排気ガスを出口部分で浄化しようとする場合に、酸素が不足して浄化することができない。また、１つのセルに流入した排気ガスは、セル壁を介して別のセルに移動することができないため、外周部のセル内に存在する酸素を中心部のセル内に流入した排気ガスを浄化するために使用することはできない。

各セル内における酸素濃度の偏りと同様に、排気ガスに含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の濃度も各セル内で偏っている。このような濃度の偏りが生じると、排気ガスを触媒全体で均一に浄化することができなくなり、浄化率が低下するという問題が生じる。
そのため、本発明は排気ガスを効率的に浄化することのできる排気ガス浄化用触媒を提供することを目的とする。

本発明者らが鋭意検討した結果、排気ガスの流れ方向における上流側から下流側に向かって複数の排気ガス浄化用触媒を一定の間隔をあけながら配置することによって、排気ガスを効率的に浄化できることを見出した。触媒間に間隔（即ち、空間）を設けることによって、上流側に配置された排気ガス浄化用触媒の外周部及び中心部のセルを通過した異なる成分組成の排気ガスは当該空間において均一に混合される。その後、成分組成が均一となった排気ガスが、下流側に配置された排気ガス浄化用触媒に流入することによって、排気ガスが効率的に浄化される。

すなわち、本発明は以下を包含する。
［１］複数のセルを有する第１のモノリス基材と、当該第１のモノリス基材のセルを構成するセル壁上に配置された、排気ガスを浄化する第１の触媒金属とを含む第１の排気ガス浄化用触媒；及び
複数のセルを有する第２のモノリス基材と、当該第２のモノリス基材のセルを構成するセル壁上に配置された、排気ガスを浄化する第２の触媒金属とを含む第２の排気ガス浄化用触媒；
を備え、
排気ガスの流れ方向における上流側から下流側に向かって前記第１の排気ガス浄化用触媒及び前記第２の排気ガス浄化用触媒が順に配置されており、
前記第１の排気ガス浄化用触媒の排気ガスの流れ方向における下流側の端面から、前記第２の排気ガス浄化用触媒の排気ガスの流れ方向における上流側の端面までの距離が１〜８ｃｍである、排気ガス浄化用連続触媒。
［２］第１の触媒金属及び第２の触媒金属がパラジウム及び／又は白金と、ロジウムとを含み、
第１の触媒金属に含まれるパラジウム及び／又は白金と、第２の触媒金属に含まれるパラジウム及び／又は白金との重量比が０．５：１〜３：１である、［１］に記載の排気ガス浄化用連続触媒。

本発明によれば、排気ガスを効率的に浄化することのできる排気ガス浄化用触媒を提供することができる。

従来の排気ガス浄化用触媒の一例を示す。 従来の排気ガス浄化用触媒の断面図の一部を示す。 本発明に係る排気ガス浄化用連続触媒の一実施形態を示す。 触媒間の距離とＮＭＨＣ浄化率との関係を示す。 触媒間の距離とＮＯｘ浄化率との関係を示す。 触媒間の距離とＣＯ浄化率との関係を示す。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明に係る排気ガス浄化用連続触媒は：
複数のセルを有する第１のモノリス基材と、当該第１のモノリス基材のセルを構成するセル壁上に配置された、排気ガスを浄化する第１の触媒金属とを含む第１の排気ガス浄化用触媒；及び
複数のセルを有する第２のモノリス基材と、当該第２のモノリス基材のセルを構成するセル壁上に配置された、排気ガスを浄化する第２の触媒金属とを含む第２の排気ガス浄化用触媒；を備えており、
第１の排気ガス浄化用触媒及び第２の排気ガス浄化用触媒は、排気ガスの流れ方向における上流側から下流側に向かって順に配置されている。第１の排気ガス浄化用触媒及び第２の排気ガス浄化用触媒は互いに接触しておらず、一定の間隔をあけて配置されている。

例えば、本発明の一実施形態を示す図３のように、排気ガスの流れ方向における上流側から下流側に向かって第１の排気ガス浄化用触媒５及び第２の排気ガス浄化用触媒６が配置されている。また、第１の排気ガス浄化用触媒５の排気ガスの流れ方向における下流側の端面７と、第２の排気ガス浄化用触媒６の排気ガスの流れ方向における上流側の端面８との間に間隔（空間）が設けられている。

以下、第１の排気ガス浄化用触媒及び第２の排気ガス浄化用触媒をそれぞれ、「上流触媒」及び「下流触媒」とも称する。

上流触媒及び下流触媒が間隔をあけて配置されていることにより、上流触媒の複数のセルから排出された異なる成分組成を有する排気ガスが、下流触媒に流入する前に、触媒間に存在する空間において混合される。混合されて成分組成が均一となった排気ガスが下流触媒に流入することによって、排気ガスが効率的に浄化される。

具体的には、上流触媒の排気ガスの流れ方向における下流側の端面から、下流触媒の排気ガスの流れ方向における上流側の端面までの距離は１〜８ｃｍである。当該距離を１ｃｍ以上とすることによって、下流触媒に流入する前に排気ガスを十分に混合することができる。また、当該距離を８ｃｍ以下とすることによって、上流触媒から排出された排気ガスの温度を維持することができる。排気ガスの温度を維持することによって、排気ガスの浄化率の低下を防止することができる。特に限定するものではないが、当該距離は１〜５ｃｍであることが好ましい。この範囲内に調節することによって、排気ガスの混合及び温度維持をより適切に行うことができる。

触媒金属は雰囲気変動が大きくなると劣化しやすい傾向がある。しかし、下流触媒には均一に混合された排気ガスが流入するため、雰囲気変動が小さくなる。これにより、下流触媒における触媒金属の劣化を防止することができる。

排気ガスは排気ガス浄化用触媒の中心部のセルを通過しやすいため、中心部の温度は上昇しやすい。一方、排気ガスは外周部のセルを通過しにくいため、外周部の温度は上昇しにくい。そのため、エンジン始動時に外周部のセルを通過する排気ガスは浄化されにくい傾向がある。しかし、上流触媒と下流触媒とを併用することにより、単一の排気ガス浄化用触媒と比べて、上流触媒の容積を小さくすることができる。これにより、上流触媒の熱容量が小さくなり、上流触媒が温まりやすくなるため、外周部の温度も上昇しやすくなる。この結果、エンジン始動時においても排気ガスを効率的に浄化することができる。

本発明におけるモノリス基材としては特別なものを使用する必要はなく、本発明の属する技術分野において一般的に使用されているものを利用することができる。例えば、ストレートフロー型基材、ウォールフロー型基材等を挙げることができる。モノリス基材の材質も特に限定されない。例えば、セラミック、炭化ケイ素、金属等のモノリス基材を挙げることができる。第１のモノリス基材及び第２のモノリス基材として、同じ種類の基材を使用してもよいし、異なる種類の基材を使用してもよい。

モノリス基材の容積としては、例えば、０．３〜０．９Ｌ、０．４〜０．８Ｌ、０．５〜０．７Ｌ等を挙げることができる。モノリス基材の容積とは、基材の空隙部を含む嵩体積を意味する。第１のモノリス基材及び第２のモノリス基材として、同じ容積の基材を使用してもよいし、異なる容積の基材を使用してもよい。

本発明における触媒金属としては、排気ガスを浄化する機能を有するものであれば特に限定されない。例えば、貴金属、より具体的にはパラジウム、白金、ロジウム、イリジウム、ルテニウム等を挙げることができる。触媒金属は、１種を単独で使用してもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。

第１の触媒金属及び第２の触媒金属としては、同じ種類の金属を使用してもよいし、異なる種類の金属を使用してもよい。特に限定するものではないが、第１の触媒金属及び第２の触媒金属が共にパラジウム及び／又は白金を含んでいることが好ましい。また、第１の触媒金属及び第２の触媒金属が共にロジウムを更に含んでいることが好ましい。

第１の触媒金属及び第２の触媒金属がパラジウム及び／又は白金を含んでいる場合には、浄化率向上の観点から、第１の触媒金属に含まれるパラジウム及び／又は白金と、第２の触媒金属に含まれるパラジウム及び／又は白金との重量比が０．５：１〜３：１であることが好ましく、０．８：１〜２．５：１であることがより好ましく、１：１〜２：１であることが特に好ましい。

第１の触媒金属及び第２の触媒金属がロジウムを更に含んでいる場合には、第１の触媒金属に含まれるロジウムと、第２の触媒金属に含まれるロジウムとの重量比が０．５：１〜２：１であることが好ましく、０．８：１〜１．５：１であることがより好ましく、１：１であることが特に好ましい。

モノリス基材のセル壁上に配置された触媒金属は１層のみでもよいし、複数層（例えば２層）でもよい。複数層の場合には、各層に異なる種類の触媒金属が含まれていてもよいし、同じ種類の触媒金属が異なる比率で含まれていてもよい。第１の触媒金属及び第２の触媒金属は、同じ数の層でセル壁上に配置されていてもよいし、異なる数の層でセル壁上に配置されていてもよい。

本発明の一実施形態としては、第１のモノリス基材のセル壁上にパラジウムを含む触媒層とロジウムを含む触媒層とが任意の順番で配置されている上流触媒と、第２のモノリス基材のセル壁上にパラジウムを含む触媒層とロジウムを含む触媒層とが任意の順番で配置されている下流触媒とを含む、排気ガス浄化用連続触媒を挙げることができる。

触媒金属は担体に担持されていてもよい。担体としては、例えば、アルミナ、チタニア、セリア、ジルコニア、セリウム−ジルコニウム複合酸化物等を挙げることができる。

本発明の一実施形態としては、上流触媒と下流触媒との間に酸素センサーを配置した排気ガス浄化用連続触媒を挙げることができる。酸素センサーを用いることにより、触媒間における排気ガスの状態を確認することができる。

以下、実施例及び比較例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。

＜スラリー調製＞
硝酸パラジウム溶液（Ｐｄ：０．３８ｇ、０．６８ｇ、１．１３ｇ、１．７ｇ、２．２７ｇ、２．７２ｇ、又は３．０２ｇ）、θアルミナ（４０ｇ）、セリウム−ジルコニウム複合酸化物（１００ｇ）、及び硫酸バリウム（１０ｇ）を用いて、様々なパラジウム含有量のスラリーを調製した。

また、硝酸ロジウム溶液（Ｒｈ：０．１ｇ、０．１５ｇ、又は０．２ｇ）、θアルミナ（３０ｇ）、及びセリウム−ジルコニウム複合酸化物（５０ｇ）を用いて、様々なロジウム含有量のスラリーを調製した。

以下、パラジウムを含有するスラリー及びロジウムを含有するスラリーをそれぞれ、「スラリー［Ｐｄ：含有量］」及び「スラリー［Ｒｈ：含有量］」と表現する。

＜触媒調製＞
［実施例１］
スラリー［Ｐｄ：１．７ｇ］をモノリス基材（容積：０．６Ｌ）に塗布し、２５０℃で１時間以上乾燥させた後、５００℃で１時間以上焼成した。焼成した基材に更にスラリー［Ｒｈ：０．１５ｇ］を塗布し、２５０℃で１時間以上乾燥させた後、５００℃で１時間焼成した。これにより、上流触媒を得た。また、同様の工程により、下流触媒を得た。５ｃｍの間隔をあけて両触媒をマニバーターに配置した。

［実施例２］
スラリー［Ｐｄ：１．７ｇ］の代わりにスラリー［Ｐｄ：２．２７ｇ］を使用した以外は、実施例１と同様の手順により、上流触媒を得た。

スラリー［Ｐｄ：１．７ｇ］の代わりにスラリー［Ｐｄ：１．１３ｇ］を使用した以外は、実施例１と同様の手順により、下流触媒を得た。
５ｃｍの間隔をあけて両触媒をマニバーターに配置した。

［実施例３］
スラリー［Ｐｄ：１．７ｇ］の代わりにスラリー［Ｐｄ：１．１３ｇ］を使用した以外は、実施例１と同様の手順により、上流触媒を得た。

スラリー［Ｐｄ：１．７ｇ］の代わりにスラリー［Ｐｄ：２．２７ｇ］を使用した以外は、実施例１と同様の手順により、下流触媒を得た。
５ｃｍの間隔をあけて両触媒をマニバーターに配置した。

［実施例４］
スラリー［Ｐｄ：１．７ｇ］の代わりにスラリー［Ｐｄ：２．７２ｇ］を使用した以外は、実施例１と同様の手順により、上流触媒を得た。

スラリー［Ｐｄ：１．７ｇ］の代わりにスラリー［Ｐｄ：０．６８ｇ］を使用した以外は、実施例１と同様の手順により、下流触媒を得た。
５ｃｍの間隔をあけて両触媒をマニバーターに配置した。

［実施例５］
スラリー［Ｐｄ：１．７ｇ］の代わりにスラリー［Ｐｄ：３．０２ｇ］を使用した以外は、実施例１と同様の手順により、上流触媒を得た。

スラリー［Ｐｄ：１．７ｇ］の代わりにスラリー［Ｐｄ：０．３８ｇ］を使用した以外は、実施例１と同様の手順により、下流触媒を得た。
５ｃｍの間隔をあけて両触媒をマニバーターに配置した。

［実施例６］
スラリー［Ｐｄ：１．７ｇ］の代わりにスラリー［Ｐｄ：２．２７ｇ］を使用し、スラリー［Ｒｈ：０．１５ｇ］の代わりにスラリー［Ｒｈ：０．２ｇ］を使用した以外は、実施例１と同様の手順により、上流触媒を得た。

スラリー［Ｐｄ：１．７ｇ］の代わりにスラリー（Ｐｄ：１．１３ｇ）を使用し、スラリー［Ｒｈ：０．１５ｇ］の代わりにスラリー［Ｒｈ：０．１ｇ］を使用した以外は、実施例１と同様の手順により、下流触媒を得た。
５ｃｍの間隔をあけて両触媒をマニバーターに配置した。

［比較例１］
２倍量のスラリー［Ｐｄ：１．７ｇ］（合計Ｐｄ量：３．４ｇ）をモノリス基材（容積：１．２Ｌ）に塗布し、２５０℃で１時間以上乾燥させた後、５００℃で１時間以上焼成した。焼成した基材に更に２倍量のスラリー［Ｒｈ：０．１５ｇ］（合計Ｒｈ量：０．３ｇ）を塗布し、２５０℃で１時間以上乾燥させた後、５００℃で１時間焼成した。これにより得られた触媒をマニバーターに配置した。

［比較例２］
実施例１で得られた上流触媒及び下流触媒を０．５ｃｍの間隔をあけてマニバーターに配置した。

［比較例３］
実施例１で得られた上流触媒及び下流触媒を１０ｃｍの間隔をあけてマニバーターに配置した。

＜耐久試験＞
排気量４０００ｃｃのガソリンエンジンに触媒を取り付け、平均エンジン回転数３０００ｒｐｍ、及び触媒入り口排気ガス温度８５０℃の条件で、２５時間の耐久試験を行った。

排気量７００ｃｃの車両でＪＣ０８モードを走行し、テールパイプから排出されるＨＣ、ＣＯ、及びＮＯｘの排出量を測定した。

結果を表１に示す。

実施例１及び比較例１の結果から、間隔をあけて触媒を配置することによって浄化率が向上することが示された。また、実施例１並びに比較例２及び３の結果から、触媒間の距離を調節することによって浄化率が更に向上することが示された（図４〜６）。

１・・・排気ガス浄化用触媒、２・・・セル、３・・・セル壁、４・・・触媒金属、５・・・第１の排気ガス浄化用触媒、６・・・第２の排気ガス浄化用触媒、７・・・第１の排気ガス浄化用触媒の下流側の端面、８・・・第２の排気ガス浄化用触媒の上流側の端面

Claims (2)

1. 複数のセルを有する第１のモノリス基材と、当該第１のモノリス基材のセルを構成するセル壁上に配置された、排気ガスを浄化する第１の触媒金属とを含む第１の排気ガス浄化用触媒；及び
   複数のセルを有する第２のモノリス基材と、当該第２のモノリス基材のセルを構成するセル壁上に配置された、排気ガスを浄化する第２の触媒金属とを含む第２の排気ガス浄化用触媒；
   を備え、
   排気ガスの流れ方向における上流側から下流側に向かって前記第１の排気ガス浄化用触媒及び前記第２の排気ガス浄化用触媒が順に配置されており、
   前記第１の排気ガス浄化用触媒の排気ガスの流れ方向における下流側の端面から、前記第２の排気ガス浄化用触媒の排気ガスの流れ方向における上流側の端面までの距離が１〜８ｃｍである、排気ガス浄化用連続触媒。
2. 第１の触媒金属及び第２の触媒金属がパラジウム及び／又は白金と、ロジウムとを含み、
   第１の触媒金属に含まれるパラジウム及び／又は白金と、第２の触媒金属に含まれるパラジウム及び／又は白金との重量比が０．５：１〜３：１である、請求項１に記載の排気ガス浄化用連続触媒。

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