JP2014181638A - 触媒コンバーター - Google Patents
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Abstract
【課題】触媒層のコート量を低減しながらDPF基材の表面性質を親水性に維持することができ、もって冷間スタート時のPN捕集率を高めることのできる触媒コンバーターを提供する。
【解決手段】多孔質のセル壁２から構成されるセル３を有するハニカム構造のDPF基材１に触媒層５が形成されてなる触媒コンバーター１０であって、触媒層５には、比表面積20m2/g以下で、かつ120℃での保水量が0.53g/L以上のモンモリロナイトが3〜15g/L担持されている。
【選択図】図４
【解決手段】多孔質のセル壁２から構成されるセル３を有するハニカム構造のDPF基材１に触媒層５が形成されてなる触媒コンバーター１０であって、触媒層５には、比表面積20m2/g以下で、かつ120℃での保水量が0.53g/L以上のモンモリロナイトが3〜15g/L担持されている。
【選択図】図４
Description
本発明は、排ガス中のPMを捕捉可能な触媒コンバーターに関するものである。
各種産業界においては、環境影響負荷低減に向けた様々な取り組みが世界規模でおこなわれており、中でも、自動車産業においては、燃費性能に優れたガソリンエンジン車は勿論のこと、ハイブリッド車や電気自動車等のいわゆるエコカーの普及とそのさらなる性能向上に向けた開発が日々進められている。
ここで、ディーゼル車を取り挙げた場合に、ディーゼルエンジンはガソリンエンジンに比して燃焼効率が高く、CO2排出量が少ないことから地球温暖化の抑制に有効であるが、その一方で、ディーゼル車から発せられる排ガス中には多量の粒子状物質(PM: Particulate Matter)が含まれており、この種の排ガスを処理することが大きな課題となっている。なお、昨今、このPMの数（Number）であるPN（Particulate Number）を規制値とすることも一般的となっている。
上記するPMの低減に適用される触媒コンバーターとして、酸化触媒(DOC)とともにDPF触媒(Diesel Particulate Filter)を使用したものが一般に用いられている。
この触媒コンバーターとしては、SiC等のセラミックスからなる多孔質の隔壁から構成される多数のセルを有するハニカム構造の基材の表面に、貴金属触媒を有する触媒層が形成されたものが一般に用いられている。
触媒層は、RhやPd、Ptのような貴金属触媒の一種もしくは二種以上が担体に担持されて形成される。そして、この担体としては、CeO2、ZrO2、Al2O3の少なくとも一つを主成分とする酸化物や、CeO2-ZrO2固溶体（CZ材、酸化セリウム（セリア）−ジルコニア系複合酸化物などと称される）を挙げることができ、これは助触媒とも称され、排ガス中の有害成分であるCOやNOx、HCを同時除去する上記三元触媒に必須の成分である。たとえばCeO2は、その曝される排ガス中の酸素分圧に依拠してCe3+、Ce4+とその酸化数が変化し、電荷の過不足を補償するために酸素を吸放出する機能や酸素を貯蔵する機能(酸素吸放出能（OSC: Oxygen Storage Capacity）)を有する。
このようにSiC製のDPF基材において、圧損低減とサルフェート付着量低減のためには、触媒層のコート量を可及的に低減させることが好ましい。しかしながら、触媒層のコート量を低減すると、今度はPNエミッションが悪化してしまい、触媒層の低コート量とPNエミッション低減の両立が困難となっている。
触媒層のコート量を低減していくと、基材の表面において触媒層にて被覆されない領域が増加し易くなり、このことによってDPF基材の表面性質が親水性から疎水性に変化し、冷間スタート時のPNエミッションが大きく増加することになる。
ここで、特許文献１には、ZrO2、CeO2、Al2O3、SiO2、およびTiO2の少なくとも一種以上を含む担体と、合金化されたPdおよびHfを含んで担体に担持された触媒材料と、を有する排ガス浄化用触媒が開示されている。しかしながら、ここで開示される排ガス浄化用触媒を適用したとしても、上記する課題、すなわち、触媒層のコート量を低減していくと、基材の表面において触媒層にて被覆されない領域が増加し易くなり、このことによってDPF基材の表面性質が親水性から疎水性に変化し、冷間スタート時のPNエミッションが大きく増加するという課題を解消するには至らない。
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、触媒層のコート量を低減しながらDPF基材の表面性質を親水性に維持することができ、もって冷間スタート時のPN捕集率を高めることのできる触媒コンバーターを提供することを目的とする。
前記目的を達成すべく、本発明による触媒コンバーターは、多孔質のセル壁から構成されるセルを有するハニカム構造のDPF基材に触媒層が形成されてなる触媒コンバーターであって、前記触媒層には、比表面積20m2/g以下で、かつ120℃での保水量が0.53g/L以上のモンモリロナイトが3〜15g/L担持されているものである。
ここで、セルの形状は、正方形や長方形からなる四角形、それ以外の多角形のほか、円形、楕円形などの形状があり、たとえば四角形の輪郭のセルがセル壁（隔壁）によって画成されてDPF基材（ハニカム基材）が形成される。たとえば、ガスの流入端と流出端にはそれぞれ、市松模様状に目封止部が設けられるとともに、流入端と流出端で目封止部が互い違いとなるように形成され（相補的な位置に形成され）、流入端におけるセルの開口（目封止部を具備しないセルの開口）から排ガスが流入するようになっている。
セルを構成するセル壁は多孔質のセラミックスからなり、セルの開口から流入した排ガスは、このセル内を流通するとともに、セルの途中から隔壁に設けられた細孔を介して隣接するセルに進入して流出端の開口から排気される。この排ガスの流れは、流入端と流出端でセルに設けられた目封止部が互い違いとなるように形成されていることに依拠している。
DPF基材の素材であるセラミックスとしては、アルミナやコージェライト、炭化ケイ素(SiC)などが挙げられる。
触媒層にはPdやPtなどの貴金属触媒のほか、Ag、助触媒である金属酸化物などが担持されていてもよく、排ガスがセル表面の触媒層を通過し、隔壁の細孔を通過する過程で、PMが隔壁に堆積され、貴金属触媒にて燃焼されて無害化されることになる。
本発明者等の検証によれば、触媒コンバーターを構成するセル壁のたとえば細孔内に形成された触媒層に比表面積20m2/g以下のモンモリロナイトが3〜15g/L担持されていることにより、触媒層のコート量を低減しながらDPF基材の表面性質を親水性に維持することができ、冷間スタート時のPN捕集率を高めることができ、低比表面積のためにサルフェート付着量が少なく、サルフェート白煙も生じ難いことが分っている。
以上の説明から理解できるように、本発明の触媒コンバーターによれば、多孔質のセル壁から構成されるセルを有するハニカム構造のDPF基材に触媒層が形成されてなる触媒コンバーターに関し、触媒層において比表面積20m2/g以下のモンモリロナイトが3〜15g/L担持されていることによって、触媒層のコート量を低減しながらDPF基材の表面性質を親水性に維持することができ、もって冷間スタート時のPN捕集率を高めることのできる触媒コンバーターを得ることができる。
以下、図面を参照して本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明する。なお、図示する触媒コンバーターでは、セルの開口形状が長方形であるが、これ以外の正方形を含む多角形、円形、楕円形などの形状であってもよい。
（触媒コンバーターの実施の形態）
図１は本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明した模式図であり、図２は図１のII−II矢視図であって、ガスの流入端と流出端で目封止部が互い違いに設けられていること、および、排ガスの流れを説明した図であり、図３は図２のIII部の拡大図である。
図１は本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明した模式図であり、図２は図１のII−II矢視図であって、ガスの流入端と流出端で目封止部が互い違いに設けられていること、および、排ガスの流れを説明した図であり、図３は図２のIII部の拡大図である。
同図で示す触媒コンバーター１０は、多孔質で格子状のセル壁２から構成される多数のセル３を有するDPF基材１に触媒層５（図３参照）が形成されてその全体が大略構成されている。なお、この触媒コンバーター１０は触媒担持型DPFと称することもできる。
DPF基材１はアルミナやコージェライト、炭化ケイ素(SiC)などのセラミックスから形成された多孔質構造の基材である。また、触媒層５は、CeO2、ZrO2、Al2O3の少なくとも一つを主成分とする酸化物や、CeO2-ZrO2固溶体（CZ材、酸化セリウム（セリア）−ジルコニア系複合酸化物などと称される）などから選定された担体に、白金やパラジウム、ロジウムなどから選定された貴金属触媒の一種もしくは二種以上が分散担持されて形成されたものである。また、図示する触媒層５では、さらに比表面積20m2/g以下のモンモリロナイトが3〜15g/L担持されている。
排ガスが流入する（図１のＸ１方向）流入端と排ガスが流出する（図１のＸ５方向）流出端には、双方のセル３の開口が交互に目封止部４によって目封止されて市松模様状を呈した構成となっている（流出端の図示は省略）。なお、流入端と流出端で双方の市松模様は互い違いに目封止部４を有するものであり、このように目封止部４を相補的な位置に具備していることで、セル内の排ガスの流通を促進でき、かつ、セル内における触媒層に排ガスを効果的に通過させて、COをCO2に転化し、VOCを燃焼してCO2とH2Oを生成するとともに、PMの燃焼を促進することができる。
すなわち、図２で示すように流入端と流出端で双方の市松模様は互い違いに目封止部４を有することから、流入端で目封止部４を具備しないセル３の開口から流入した排ガス（Ｘ１方向）のうち、その一部はこのセル３に隣接する上下左右の別途のセル３に流入し（Ｘ２方向）、残部は当該セル３内を流通する（Ｘ３方向）。
そして、流出端に目封止部４を具備するセル内を流通する（Ｘ３方向）ガスは、流出端で目封止部４によってその上下左右のセル３に流され（Ｘ４方向）、目封止部４を具備しないセル３の端部開口を介して流出することになる（Ｘ５方向）。
なお、図３で示すように、セル３を画成する隔壁２は多数の細孔を有しており、この細孔を介して図２で示すような隔壁２を介した隣接するセル３，３間の排ガスの流れ（Ｘ２方向、Ｘ４方向）が保証されている。
ここで、図示する目封止部４の形成方法としては、板材に所定の間隔でピンが取付けられた治具を使用する方法があり、より具体的には、図１の端部のセルに形成された目封止部４のないそれぞれの開口に対応する位置に開口と同じ形状および寸法のピンを板材の表面に具備する治具を用意し、DPF基材１の端部を目封止部４形成用の調合剤内に浸漬して取り出した後、治具をDPF基材１の端部にピンが対応する位置に突き刺さるように押し付けることで、図１で示すような目封止部４と開口からなる市松模様を形成することができる。
DPF基材１を構成するセル壁２には、図３で示すようにその一部に触媒層５がコートされている。ここで、DPF基材１のセル壁２への触媒層５のコート方法は、触媒層５形成用のスラリーを製作し、このスラリー内にDPF基材１を浸漬し、取り出して乾燥させる（焼成も含む）方法である。
触媒層５を構成する担体に比表面積20m2/g以下のモンモリロナイトが3〜15g/L担持されていることによって、触媒層のコート量を低減しながらDPF基材の表面性質を親水性に維持することができ、もって冷間スタート時のPN捕集率を高めることが可能となる。
[PNエミッション低減効果を検証した実験とその結果]
本発明者等は、以下で示す実施例および比較例1〜4にかかる基材と触媒層を備えた触媒コンバーターを試作し、それぞれの触媒コンバーターにおけるPNエミッション量を測定する実験をおこなった。
本発明者等は、以下で示す実施例および比較例1〜4にかかる基材と触媒層を備えた触媒コンバーターを試作し、それぞれの触媒コンバーターにおけるPNエミッション量を測定する実験をおこなった。
（比較例1）
SiC素材、10.5ミル、300セルで気孔率41%、平均細孔径14μmのDPF基材に触媒容量2.7Lのものを使用した。
SiC素材、10.5ミル、300セルで気孔率41%、平均細孔径14μmのDPF基材に触媒容量2.7Lのものを使用した。
（比較例2）
比較例1に対し、貴金属触媒を担持したアルミナを15g/L、Pt/Pd=0.6/0.3g/Lでコートした、使用したアルミナの比表面積(SSA)は110m2/gである。
比較例1に対し、貴金属触媒を担持したアルミナを15g/L、Pt/Pd=0.6/0.3g/Lでコートした、使用したアルミナの比表面積(SSA)は110m2/gである。
（比較例3）
比較例1に対し、貴金属触媒を担持したアルミナを20g/L、Pt/Pd=0.6/0.3g/Lでコートした、使用したアルミナの比表面積(SSA)は110m2/gである。
比較例1に対し、貴金属触媒を担持したアルミナを20g/L、Pt/Pd=0.6/0.3g/Lでコートした、使用したアルミナの比表面積(SSA)は110m2/gである。
（比較例4）
比較例1の基材を吸引装置に設置し、空気を吸引している状態で基材のガス流れ上流側(Fr側)の端面の上方からNa型モンモリロナイトの粉末を5g(1.85g/L)振り掛け、DPF基材のセル壁表面に堆積層を形成した。ここで、使用したNa型モンモリロナイトの特性は比表面積(SSA)が13m2/gであり、モンモリロナイトの層間に吸水する水分量は120℃で乾燥した状態に対して17.6質量%であった。
比較例1の基材を吸引装置に設置し、空気を吸引している状態で基材のガス流れ上流側(Fr側)の端面の上方からNa型モンモリロナイトの粉末を5g(1.85g/L)振り掛け、DPF基材のセル壁表面に堆積層を形成した。ここで、使用したNa型モンモリロナイトの特性は比表面積(SSA)が13m2/gであり、モンモリロナイトの層間に吸水する水分量は120℃で乾燥した状態に対して17.6質量%であった。
（実施例）
比較例1の基材に対し、水に膨潤させたNa型モンモリロナイト（水200gに対して5gの割合）をDPF基材のFr側端面から吸水させ、余剰分を取り除いて乾燥させた。この乾燥を2回繰り返してDPF基材の細孔内へNa型モンモリロナイトを計10g(3.70g/L)担持させた。Na型モンモリロナイトの物性は比較例4と同様である。
比較例1の基材に対し、水に膨潤させたNa型モンモリロナイト（水200gに対して5gの割合）をDPF基材のFr側端面から吸水させ、余剰分を取り除いて乾燥させた。この乾燥を2回繰り返してDPF基材の細孔内へNa型モンモリロナイトを計10g(3.70g/L)担持させた。Na型モンモリロナイトの物性は比較例4と同様である。
（実験結果）
実験結果を図４に示す。同図より、実施例のPNエミッション量は、比較例1〜4に比して格段に低減されており、たとえば比較例1の4%程度、比較例3の25%程度のエミッション量となっている。
実験結果を図４に示す。同図より、実施例のPNエミッション量は、比較例1〜4に比して格段に低減されており、たとえば比較例1の4%程度、比較例3の25%程度のエミッション量となっている。
本実験により、比表面積20m2/g以下のモンモリロナイトを2g/L以上で望ましくは3g/L以上担持して触媒層を形成するのがよいことが実証されている。
一方、PM堆積圧損が過大にならない条件として、触媒層において、比表面積20m2/g以下のモンモリロナイトは15g/L以下の範囲で含有させるのがよく、上記下限値と合わせて、触媒層には、比表面積20m2/g以下のモンモリロナイトを3〜15g/L担持させることとした。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１…基材（DPF基材）、２…セル壁（隔壁）、３…セル、５…触媒層、１０…触媒コンバーター
Claims (1)
- 多孔質のセル壁から構成されるセルを有するハニカム構造のDPF基材に触媒層が形成されてなる触媒コンバーターであって、
前記触媒層には、比表面積20m2/g以下で、かつ120℃での保水量が0.53g/L以上のモンモリロナイトが3〜15g/L担持されている触媒コンバーター。
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