JP2018153722A - 排気ガス浄化触媒の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ウオッシュコート法により触媒成分を担持した排気ガス浄化触媒の製造方法で、ハニカム担体1の外周部をバルーン状支持体2を有する弾性把持治具3で把持固定後、ハニカム担体1の端面から触媒成分を含むスラリー液を供給し、ハニカム担体1を支持体2で把持した状態で、ハニカム担体1の端面から気流を当ててセル内に触媒成分を被覆し、触媒スラリーの浸みだしにより固着したハニカム担体の外皮部分から弾性把持治具3を分離する分離工程を経て分離したハニカム担体1を乾燥後、焼成して触媒成分を担持するが、分離工程で、弾性把持治具3のバルーン状支持体2から空気を吸引することで、ハニカム1外皮と支持体2との分離を促進する排気ガス浄化触媒の製造方法。
【選択図】図3
Description
DPFによって排ガス中から濾し取られたPMは、そのままであるとDPFに堆積し続けて目詰まりを起こしてしまうことから、排ガスの熱や、エンジンの燃焼室や排ガス中への燃料の噴射によってPMを燃焼させてPMの堆積したDPFを再生している。このような再生を促進する目的で、DPFのセルの隔壁に触媒成分を被覆することがあり、触媒成分を被覆したDPFをCSF(Catalyzed Soot Filter)ということがある。本出願人も、これらの触媒を組み込んだシステムを提案している(例えば、特許文献1参照)。
GPFであれば、高温になるガソリンエンジンの排ガス中のPMを除去することが可能である一方、触媒の製造工程において新たな課題が生じていた。
ウオッシュコートには多様な手法が提案・実施されているが、その一例としてはハニカム担体の中間位置をクランプで把持した後、下部の一部を液浴に浸漬して触媒成分含有液を含浸させ、該ハニカム担体をスラリーから引き上げて反転させ、次いで、該担持体にエアーブローして余剰スラリーを分離し、該担体全体に触媒成分含有液を含浸、付着させる方法がある(例えば特許文献5)。その基本原理は「ハニカムセル内部にスラリー化した触媒成分を供給する工程」、「供給されたセル内の触媒スラリーを空気圧で払い出す工程」からなる。「供給されたセル内の触媒スラリーを空気圧で払い出す工程」において、フロースルーハニカムであれば特段の支障なく余剰なスラリーの除去が可能である。また、従来のDPFにおいても緻密な外皮部分を有することから、この場合も余剰スラリーは支障なく除去可能である。
ここで、ウオッシュコート装置におけるハニカム担体のクランプは、バルーンのように柔らかく弾性を有する把持装置でクランプされて前記のウオッシュコートの各工程において処理される。このように柔らかく弾性を有する把持装置を使用する理由は、ハニカム担体の損傷を防ぐためである。特にGPFのような担体では後述するような高気孔率とその構成上の特徴から強度不足が懸念される。そのため、弾性を有する把持装置を使用して慎重に工程を進める必要がある。
このような触媒スラリーの浸み出しは、空気圧でスラリーを払い出す工程でのみ発生するものとは限らない。GPF用のハニカム担体が高気孔率であることは前記のとおりであるが、気孔率が著しく高かったり、触媒スラリーの粘度が低かったり、触媒スラリー中の無機微粒子の粒径が著しく小さいような場合、またこれらの条件の組合せによっては、ハニカム担体にスラリーを供給しただけで、外皮部分から触媒スラリーが浸み出してしまうことがある。このような場合、ウオッシュコートで空気圧による触媒スラリーの払い出し、塗伸ばし、セル壁への含浸などの処理を施した際には更に浸み出しが助長される。
このような高粘度の触媒スラリーがハニカム担体の外皮部分から浸出してしまうと、触媒スラリーが接着剤のように働き、ウオッシュコート装置におけるクランプ部位、すなわち弾性把持具のバルーンと固着してしまい、ハニカム担体がウオッシュコート装置から取り外せなくなってしまう事がある。
特にGPFではその脆弱性から、弾性把持治具はバルーンのような柔らかな部材による把持が望まれることから、ハニカム担体の外皮と弾性把持具が固着し易く、一度固着してしまうと分離することが困難であった。そのため、排気ガス浄化触媒を担持したハニカム担体を大量生産するために、ハニカム担体とバルーンの分離を容易にする方法が求められていた。
前記ウオッシュコート法に際して、ハニカム担体の外周部をバルーン状支持体を有する弾性把持治具をもって把持固定した後、
ハニカム担体の端面から触媒成分を含むスラリー液を供給し、触媒スラリーが供給されたハニカム担体を支持体で把持した状態で、触媒スラリーが供給されたハニカム担体の端面から気流を当ててセル内に触媒成分を被覆し、触媒スラリーの浸みだしにより固着したハニカム担体の外皮部分から弾性把持治具を分離する分離工程を経て分離されたハニカム担体を乾燥後、焼成して触媒成分を担持するが、 前記分離工程において、前記弾性把持治具のバルーン状支持体から空気を吸引することで、ハニカム外皮と支持体との分離を促進することを特徴とする排気ガス浄化触媒の製造方法が提供される。
本発明で用いられるハニカム担体(単にハニカムともいう)は、図2に示すように、複数のセルを形成する多孔質の隔壁と、気孔率が30%以上である多孔質の外皮部分からなり、上下に開口端部を有するハニカム状の基材1である。
ハニカム担体は、その構造の特徴から、フロースルー型(フロースルーハニカム)とウォールフロー型(ウォールフローハニカム)に大別されている。フロースルー型は、一方の開放端面から他方の開口端面に向けて開口する多数の通孔端部が封止されておらず、酸化触媒、還元触媒、三元触媒に広く用いられている。これに対し、ウォールフロー型は、通孔の一端が、互い違いに封止されているもので、排気ガス中の煤やSOF(Soluble Organic Fraction:可溶性有機成分)等、固形成分を濾し取ることができるため、DPFとして用いられている。本発明はそのどちらにも使用できるが、GPFのような多孔質の外皮を有し空気圧で払い出す際に障害にもなる前記封止部を有するハニカム状の基材では、製造時に触媒スラリーが外皮部分に浸出することを防止できることから、特にGPFに用いられるウォールフローハニカムに好適に使用できる。
また、隔壁と外皮部分とは、材質が同じであっても異なるものでもよい。GPFでは同質材料により形成されることが好ましい。同質材料とはサーマルショックによるクラック発生が防げる程度の熱膨張率や気孔率の差の範囲である材料のことを示す。さらに、同一材料による一体成型で製造されることが好ましい。効率的な製造が可能であり、材料の違いによる問題を回避できるためである。また、高温となるガソリンエンジン用触媒では熱膨張率の差によりクラックが生じるなどの問題も懸念される。このため、隔壁と外皮部分とは、熱膨張率の同じものであるか、一体成型のものが好ましい。
また、目封止部の材質は、ハニカム基材の材質と同様な材質が好ましい。目封止部の材質とハニカム基材の材質とは、同じ材質でも、異なる材質であってもよい。
本発明におけるハニカム構造体は、セルの隔壁、外皮の細孔容積は0.3〜1.6 ml/gである場合に有効であり、0.8〜1.6 ml/gであることが好ましく、1.0〜1.6 ml/gであるとより好ましい。また、ハニカム基材(隔壁及び外皮部分)の平均細孔径は10〜25μmである場合に有効であり、15〜25μmであることが好ましく、20〜25μmであるとより好ましい。
また、このような細孔の特性は、気孔率(細孔容積率)として表すこともできる。本発明におけるハニカム構造体の気孔率とは、セルの隔壁と外皮部分の厚みと長さ、セルの密度から求められる多孔質体の幾何学的な体積における細孔容積の占める割合を意味するものであり、本発明においては50〜80%であり、60〜80%が好ましく、60〜70%がより好ましい。
細孔容積、細孔系、気孔率が大きすぎるとハニカム担体の圧力損失が高くなりすぎて、GPFとして用いた場合に、エンジンの出力低下を招くことがある。また、細孔容積、細孔系、気孔率が小さすぎると十分な強度が得られないことがある。
ハニカム基材の外皮の厚さは、300〜1000μmであることが好ましく、500〜800μmであることが特に好ましい。外皮の厚さが300μm未満であると、十分な強度が得られないことがある。また、外皮の厚さが1000μmを超えると、ハニカム担体の圧力損失が高くなりすぎて、GPFとして用いた場合に、エンジンの出力低下を招くことがある。
セル密度が1200セル/inch2(186セル/cm2)を超えると、触媒成分や、排気ガス中の固形分で目詰まりが発生しやすく、圧力損失が高くなりすぎて、GPFとして用いた場合に、エンジンの出力低下を招くことがある。100セル/inch2(15.5セル/cm2)未満では幾何学的表面積が小さくなるため、触媒の有効使用率が低下してしまい排気ガス浄化触媒としての有用性がなくなるおそれがある。また、GPFとして用いた場合に、フィルターとしての有効面積が不足して、PM堆積後の圧力損失が高くなり、エンジンの出力低下を招くことがある。
また、セルのハニカム基材の長さ方向に対して垂直な断面における形状(以下、「セル形状」という。)も特に限定されないが、四角形、六角形、八角形等の多角形あるいはそれらを組み合わせたもの、例えば四角形、六角形、四角形と八角形を組み合わせたもの等が好ましい。
なお、ハニカム基材の大きさは、直径60mm程度かつ長さが70mmのように比較的小ぶりなものから、直径300mm程度かつ長さが200mmのように大型なものもあり、本発明は、これらサイズによって制限されない。
このように、ハニカム基材の各セルの一方の開口端部に目封止部を形成することにより、ハニカム担体は、高いPM捕集効率を持ったウォールフロー型フィルターとなる。このウォールフロー型フィルターにおいては、入口端面からセル内に流入した排ガスが、隔壁を透過した後、出口端面からセル外に流出する。そして、排ガスが隔壁を透過する際に、隔壁が濾過層として機能し、排ガス中に含まれるPMが捕集される。
尚、目封止部は、入口端面と出口端面とが、それぞれの開口端部が目封止されたセルと、目封止されていないセルとにより、互い違いの市松模様を呈する配置となるように形成されることが好ましい。しかし、本発明の実施形態は、このようなウォールフロー型フィルターに限られるものでは無い。
本発明の排気ガス浄化触媒の製造方法は、複数のセルを形成する多孔質の隔壁と、隔壁により構成されたセルの少なくとも一部が開口した端面を有し、気孔率が30%以上である多孔質の外皮部分からなるハニカム担体のセル内に、スラリー化した触媒成分を供給する工程と、供給されたセル内の触媒スラリーを空気圧で払い出す工程を含むウオッシュコート法により触媒成分を担持した排気ガス浄化触媒の製造方法であって、前記ウオッシュコート法に際して、ハニカム担体の外周部をバルーン状支持体を有する弾性把持治具をもって把持固定した後、ハニカム担体の端面から触媒成分を含むスラリー液を供給し、触媒スラリーが供給されたハニカム担体を支持体で把持した状態で、触媒スラリーが供給されたハニカム担体の端面から気流を当ててセル内に触媒成分を被覆し、触媒スラリーの浸みだしにより固着したハニカム担体の外皮部分から弾性把持治具を分離する分離工程を経て分離されたハニカム担体を乾燥後、焼成して触媒成分を担持するが、 前記分離工程において、前記弾性把持治具のバルーン状支持体から空気を吸引することで、ハニカム外皮と支持体との分離を促進することを特徴とする。
そのために、本発明で用いる弾性把持治具は、バルーン状支持体からの空気流通口が一つのものでも良いが、浸み出した触媒スラリーで固着したハニカム担体から引き離し易くするために、バルーン状支持体からの空気流通口を複数個有しているものが好ましい。これは空気を均等に抜きやすく、空気の吸引によってバルーンが流通口を塞いでしまった場合でも、バルーンを均等にハニカム担体から剥離できるからである。そのため該空気流通口はハニカム担体と同一の円周上に略等間隔で配置しているものがより好ましい。
また、別の態様では、弾性把持治具のバルーン内側にはハニカム担体の外周に沿って溝が設けられており、該溝がバルーン状支持体の空気流通口と連通しているものを使用するのがさらに好ましい。ハニカム担体の外周に沿って溝が設けられており、該溝がバルーン状支持体の空気流通口と連通していると、空気流通口から空気を抜いた際にバルーンが空気流通口に吸引されても孔を塞いでしまわないのでハニカム担体の外皮とバルーンの分離を容易に行うことが出来る。
また、スラリー液の供給手段も、下端からの吸引でも、上端からの重力にまかせた自然下降による供給でもよく、必要に応じてセル内へのスラリー液の充填を目的にした圧力を加えても良い。
なお、ハニカム担体外皮の気孔率が著しく高かったり、触媒スラリーの粘度が低かったり、触媒スラリー中の無機微粒子の粒径が著しく低いような場合、またこれらの条件の組合せによっては、この触媒スラリーを供給した段階で、外皮部分から触媒スラリーが浸み出してしまうことがある。
このようにバルーンとの固着が懸念される触媒スラリーとしては、B型粘度計による粘度が10〜200mPasのものが挙げられる。また、触媒スラリー粘度は、アルミナ等の無機微粒子の含有量にも影響され、このような無機微粒子の濃度としては5〜60質量%のような触媒スラリーが挙げられる。また、無機微粒子に由来する粘性については、無機微粒子の粒径の影響も無視できず、例えば0.1〜10μmの無機微粒子を含む触媒スラリーが挙げられる。
(1)ハニカム担体の把持
まず、図1のa)に示すように、ハニカム担体1の外周部にバルーン状支持体2を有する弾性把持治具3を当接させ、該バルーン状支持体の内部に空気を供給してバルーンでハニカム担体を把持する。
また、別の態様としては、図4の様に、弾性把持治具3のバルーン状支持体2内部にはハニカム担体の外周に沿って溝5が設けられており、該溝5がバルーン状支持体の空気流通口4と連通しているものを使用するのがより好ましい。ハニカム担体の外周に沿って溝5が設けられており、該溝5がバルーン状支持体2の空気流通口4と連通していると、空気流通口4から空気を抜いても、図4の(d−2)のように、バルーンが空気流通口に吸引されても口(孔)を塞ぎ難いので、ハニカム外皮とバルーンの分離が容易になる。
弾性把持治具のバルーンでハニカム担体を把持しながら、図1の中央に示すように、触媒成分を含むスラリーをハニカム担体に供給する。このような触媒スラリーの供給の仕方については、特に制限されるものではなく、図1においても矢印(1)で2方向に示したように、ハニカムの上端もしくは下端いずれから供給しても良い。
なお、エアーブロー前の触媒スラリーの供給においては、若干の圧力を加えても良い。供給圧力は、触媒スラリーをハニカム担体上端から供給する場合は、上端からの加圧もしくは下端からの吸引により、また触媒スラリーをハニカム担体下端から供給する場合は、上端からの吸引もしくは下端からの加圧によって加えることができる。
次に、図1の右側、すなわち矢印(2)のように、触媒スラリーが供給されたハニカム担体1は、必要によりバルーン2にフードを被せた後、担体1の一方の端面からエアーブローを加えて、余剰の触媒スラリーの除去、触媒スラリーのセル壁表面への塗り伸ばし、触媒スラリーのセル壁内部への充填が行われる。
エアーブローが適用され触媒スラリーが塗工されたハニカム担体は、続いて弾性把持具から分離されるが、図1の右側にも示されるように、ハニカム担体1の外皮が高気孔率の多孔質体である場合には、エアーブローの影響で触媒スラリーが浸み出した状態になっている。ここで、触媒スラリーは無機微粒子を多量に含むことから粘着性を有しており、外皮から浸み出した触媒スラリーが弾性把持治具3のバルーン2とハニカム担体1の外皮を固着させてしまう。このような固着状態は、従来のように単にバルブで空気流通口4を解放し、弾性把持具のバルーン状支持体内部の圧力を低下させて得られるバルーン2の自己収縮力だけでは容易に解消することができない。
該文献には、ハニカム担体内側から外皮に浸み出てバルーンと固着した状態に対処して固着を解くための具体的な手段は記載されていないものの、圧縮空気導入用のパイプが一か所あり、ここから圧縮空気が導入され、バルブを開けることで空気が抜けて大気圧となる。
ところが、このような装置だと、ハニカムとバルーンが図5(d−3)の状態になり、部分断面図である図6のような状態となることが想定される。すなわち、ハニカム1を把持し、触媒スラリーを吸引後、エアーブローすることで触媒スラリーが浸み出た場合に、バルーン2の加圧空気を解放しても、図5(d−3)および図6のように、触媒スラリーの粘性でバルーン2とハニカム担体1の外皮との接触面の固着が解消されず、ウオッシュコート装置からハニカム担体1を取り除くことが出来ない。特にGPF用の担体の製造においては、ハニカム担体の損壊を防ぐために使用するバルーンは塑性変形しやすい柔軟なゴムを使用することが望ましいことから、このような固着状態を起こし易い。
本発明では、最後に触媒スラリーの塗布されたハニカム担体を乾燥後、焼成して触媒成分を担持する。これにより触媒成分がハニカム担体に担持される。
ここで、乾燥、焼成の条件は特に制限されない。乾燥は例えば100〜200℃で0.1〜3時間かけて行い、焼成は例えば酸化性雰囲気下、400〜600℃で0.5〜5時間かけて行うことができる。
コージェライト製ウォールフローハニカム担体(直径120mm、長さ90mm)をGPF用のハニカム担体として用いて、図1のa)の要領で、ハニカム担体1の外周部において、上端部を弾性把持治具3のバルーン2に当接しハニカム担体を把持する場合である。
図1では、バルーン2が椀状に表記されているが、タイヤホース様であり、ハニカム担体の外周面に密着把持される。
バルーン2で把持されたハニカム担体には、図1のb1)またはb2)で示したように液槽6などから触媒スラリーが供給される。b1)では触媒スラリーはハニカム担体の上端から供給され、b2)ではハニカム担体の下端から供給される。なお、図1には示していないがバルーン状支持体2には減圧装置が接続されている。
図3(a−1)は、弾性把持具3のバルーン2内側に設けられた空気流通口4からバルーン2内部の空気を導入することで、ハニカム担体1がウオッシュコート装置に装着されている状態であり、図3(c−1)は触媒スラリーが供給されたハニカム担体1にエアーブローが加えられてハニカム1の外皮から触媒スラリーが浸み出した状態である。
外皮から触媒スラリーが浸み出した状態のハニカム1を把持した状態のバルーン2に対して、バルーン内側に設けられた空気流通口4からバルーン2内部の空気を吸引し、バルーン2とハニカム担体1の外皮との固着を解消した状態を表すのが図3(d−1)である。その下の断面図に、バルーンとハニカム担体の外皮との固着が解消されている状態を表している。
本発明の別の実施形態では、上記の実施態様1とハニカム担体の把持、触媒スラリーの供給、エアーブロー、乾燥・焼成は同様であるが、弾性把持具には空気流通口とそれに連通する周状の溝が設けられている点で実施態様1と異なる。以下、図4をもって詳述する。
外皮から触媒スラリーが浸み出した状態のハニカム1を把持したバルーン2に対して、バルーン2内側に設けられた空気流通口4からバルーン2内部の空気を吸引し、バルーン2とハニカム担体1の外皮との固着を解消した状態を表したのが図4(d−2)である。図4(d−2:A−A断面図)は、バルーン2とハニカム担体1の外皮との固着が解消されている状態を表している。
空気流通口が一つのバルーンを用いた他、上記の実施態様1におけるハニカム担体の把持、触媒スラリーの供給、エアーブロー、乾燥・焼成は同様である。以下、図5をもって詳述する。
外皮から触媒スラリーが浸み出した状態のハニカム1を把持したバルーン2に対して、バルーン2内側に設けられた空気流通口4からバルーン2内部の加圧状態の空気を解放すると、バルーン2とハニカム担体1の外皮とが図5(d−3)のようになりやすい。
この図5(d−3)におけるA−A断面図が図6であり、加圧状態の空気を単に解放しただけではバルーンとハニカム担体の外皮との固着が解消されにくい。この状態は従来のウオッシュコート法を適用した場合であり、本発明にとっては比較例に相当する。
なお、空気流通口4から空気を急激に吸引し、あるいはバルーン2の材質として極めて柔軟な材質を選択したような場合は、空気流通口4がバルーン2を吸着してしまう恐れがある。このような障害を防ぐため、空気流通口4からの吸引を穏やかな設定とするなど、適宜調整することが望ましい。
2:バルーン(支持体)
3:弾性把持治具
4:空気流通口
5:溝
6:触媒スラリー液槽
Claims (7)
- 複数のセルを形成する多孔質の隔壁と、隔壁により構成されたセルの少なくとも一部が開口した端面を有し、気孔率が30%以上である多孔質の外皮部分からなるハニカム担体のセル内に、スラリー化した触媒成分を供給する工程と、供給されたセル内の触媒スラリーを空気圧で払い出す工程を含むウオッシュコート法により触媒成分を担持した排気ガス浄化触媒の製造方法であって、
前記ウオッシュコート法に際して、ハニカム担体の外周部をバルーン状支持体を有する弾性把持治具をもって把持固定した後、
ハニカム担体の端面から触媒成分を含むスラリー液を供給し、触媒スラリーが供給されたハニカム担体を支持体で把持した状態で、触媒スラリーが供給されたハニカム担体の端面から気流を当ててセル内に触媒成分を被覆し、
触媒スラリーの浸みだしにより固着したハニカム担体の外皮部分から弾性把持治具を分離する分離工程を経て分離されたハニカム担体を乾燥後、焼成して触媒成分を担持するが、
前記分離工程において、前記弾性把持治具のバルーン状支持体から空気を吸引することで、ハニカム外皮と支持体との分離を促進することを特徴とする排気ガス浄化触媒の製造方法。 - 前記弾性把持治具は、バルーン状支持体からの空気流通口を複数個有しており、該空気流通口がハニカム担体と同一の円周上に略等間隔で配置していることを特徴とする請求項1に記載の排気ガス浄化触媒の製造方法。
- 前記弾性把持治具は、ハニカム担体の外周に沿って溝が設けられており、該溝がバルーン状支持体の空気流通口と連通していることを特徴とする請求項1又は2に記載の排気ガス浄化触媒の製造方法。
- 前記ハニカム担体は、外皮部分の気孔率が、50〜80%であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の排気ガス浄化触媒の製造方法。
- 前記ハニカム担体の外皮部分は、水銀ポロシメーターにより測定される平均細孔径が、10〜30μmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の排気ガス浄化触媒の製造方法。
- 前記ハニカム担体のセルは、入口端面側の開口端部及び出口端面側の開口端部に目封止部を有し、該目封止部が互い違いに配置されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の排気ガス浄化触媒の製造方法。
- 前記触媒組成物は、Pt、Pd、Rhから選ばれる1種以上の貴金属元素を含有することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の排気ガス浄化触媒の製造方法。
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