JP4474685B2 - 触媒の製造方法、及びそれに用いる触媒製造用液面センサー - Google Patents

Description

本発明は、微細貫通孔を有する触媒基材に触媒成分を担持させる触媒の製造方法、並びにその方法に用いる触媒製造用液面センサーに関する。

従来、燃料電池等の燃料改質システムにおいて燃料となる水素を生成させるための水素生成反応用触媒や、自動車のような内燃機関から排出される有害成分を浄化するための排ガス浄化用触媒等として様々な触媒が開発されており、そのような触媒としてはハニカムフィルタ等の各種触媒基材にアルミナ等の金属酸化物と白金、ロジウム、パラジウム等の貴金属とを担持せしめたもの等が一般的に使用されている。なお、本明細書において、このような金属酸化物や貴金属等の触媒に担持されるべき成分を「触媒成分」と総称する。

このような触媒基材に触媒成分を担持させる方法としては、触媒成分を含有する溶液、分散液等の液状体（以下、「触媒成分含有液状体」と総称する）に触媒基材の一部を浸漬し、触媒基材の細孔内に触媒成分を担持させる方法が一般的に採用されているが、細孔の毛管現象等によって触媒成分を担持させる位置を正確に制御することは従前は困難であった。それに対して、近年、特に加熱・吸熱等の熱交換を伴う反応容器に用いる触媒においては触媒の担持位置の精度が熱交換効率に直接影響するため、触媒基材の細孔内に触媒成分を担持させる位置の制御についての精度向上に関する要求が高まっている。また、触媒によっては複数種類の触媒成分を細孔内に塗り分ける必要もあり、このような点からも細孔内の触媒成分担持位置を高精度に制御することが可能な技術の確立が切望されている。

このような観点から、例えば特開２００２−５９０１０号公報（特許文献１）には、触媒基材の上方に水分センサーを配置し、水分（ＯＨ基）が吸収する波長の光を発光してその反射光の強度低下により液面を検知する方法が開示されている。しかしながら、特許文献１に記載のように基材の外部から光等によって液面を検知する方法では、細孔が屈曲している基材に対して適用することが困難であり、また、細孔毎に触媒成分担持位置を制御することはできなかった。

一方、特開昭６３−１３４０６３号公報（特許文献２）には、ハニカム型触媒に電気誘導により触媒を担持させる際に、触媒濃度分布検出用触針プローブを細孔内に挿入して触媒成分の濃度分布を検出する方法が開示されている。しかしながら、特許文献２に記載のように触媒成分の濃度分布を検出する方法では、細孔内に形成される触媒層の厚みはある程度制御できるものの、細孔内における触媒成分が担持される領域と担持されない領域との境界線を高精度に制御することはできなかった。
特開２００２−５９０１０号公報 特開昭６３−１３４０６３号公報

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、触媒成分含有液状体に触媒基材の一部を浸漬して触媒基材の細孔内に触媒成分を担持させる方法において、細孔内における触媒成分が担持される領域と担持されない領域との境界線を高精度に制御することができ、しかもこのような触媒成分担持位置の制御を細孔が屈曲している基材においても細孔毎に高精度で実施することが可能な触媒の製造方法、並びにその方法に用いる触媒製造用液面センサーを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、少なくとも一対の極細電極と、触媒基材の貫通孔に挿入可能な太さを有し且つフレキシブルな絶縁材料からなり、前記極細電極の周囲を絶縁しつつ前記極細電極の先端部の外部との導通を可能とする開口部を有する絶縁スリーブとを備える液面センサーを開発し、その液面センサーを用いることによって前記目的が達成されることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の触媒の製造方法は、微細貫通孔を有する触媒基材に触媒成分を担持させる触媒の製造方法であって、
少なくとも一対の極細電極と、前記貫通孔に挿入可能な太さを有し且つフレキシブルな絶縁材料からなり、前記極細電極の周囲を絶縁しつつ前記極細電極の先端部の外部との導通を可能とする開口部を有する絶縁スリーブとを備える液面センサーの先端側を前記貫通孔の一端側から所定位置に挿入した状態で、前記貫通孔の他端側から触媒成分含有液状体を導入し、前記触媒成分含有液状体が前記開口部の位置に達して前記極細電極に接触した際に液面を検知することを特徴とする方法である。

また、本発明の触媒製造用液面センサーは、微細貫通孔を有する触媒基材に触媒成分を担持させる際に用いる液面センサーであって、
少なくとも一対の極細電極と、
前記貫通孔に挿入可能な太さを有し且つフレキシブルな絶縁材料からなり、前記極細電極の周囲を絶縁しつつ前記極細電極の先端部の外部との導通を可能とする開口部を有する絶縁スリーブと、
を備えることを特徴とするものである。

上記本発明にかかる液面センサーにおいては、前記絶縁スリーブは合成樹脂製薄膜の積層体であり、前記極細電極は前記積層体の間に形成された導電性薄膜であることが好ましい。

本発明の液面センサーを用いた本発明の触媒の製造方法においては、処理されるべき触媒基材の貫通孔に挿入可能な太さを有する絶縁スリーブによって開口部を除いて極細電極が絶縁されているため、極細電極と触媒基材内壁との接触に起因する誤検出を招くことなく液面センサーの先端側を貫通孔の一端側から所定位置に挿入することができる。また、本発明の液面センサーの絶縁スリーブはフレキシブルな絶縁材料によって構成されているため、細孔が屈曲している場合であっても容易に且つ確実に液面センサーの先端側を所定位置まで挿入することができる。

このように液面センサーの先端側を貫通孔の所定位置に挿入した状態で、触媒成分含有液状体に触媒基材の一部を浸漬して貫通孔の他端側から触媒成分含有液状体を導入すると、触媒成分含有液状体の液面が液面センサーの開口部の位置に到達する同時に触媒成分含有液状体が極細電極に接触し、接触前後の電気的状態（導通、抵抗、電圧等）の差異によって開口部の位置に液面が来たことが直ちに且つ正確に検知される。

そして、かかる液面の検知に基づいて触媒成分含有液状体の導入を停止することによって、その時の液面より上の領域に触媒成分が担持されることが確実に防止され、細孔内における触媒成分が担持される領域と担持されない領域との境界線が高精度に制御される。また、このような触媒成分担持位置の制御が必要な細孔毎に液面センサーを挿入すれば、細孔毎に触媒成分担持位置の制御を高精度で実施することが可能となる。

本発明によれば、触媒成分含有液状体に触媒基材の一部を浸漬して触媒基材の細孔内に触媒成分を担持させる方法において、細孔内における触媒成分が担持される領域と担持されない領域との境界線を高精度に制御することができ、しかもこのような触媒成分担持位置の制御を細孔が屈曲している基材においても細孔毎に高精度で実施することが可能な触媒の製造方法、並びにその方法に用いる触媒製造用液面センサーを提供することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明及び図面中、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

先ず、本発明の触媒製造用液面センサーについて説明する。図１は本発明の触媒製造用液面センサーの好適な一実施形態の正面図であり、図２は図１に示す触媒製造用液面センサーのＡ−Ａ断面図である。

図１及び図２に示す触媒製造用液面センサー１は、平行に整列された一対の極細電極２ａ、２ｂと、極細電極２ａ、２ｂを一体的に包み込んで周囲を絶縁している絶縁スリーブ３とを備えている。本発明にかかる極細電極２ａ、２ｂの材料は特に制限されず、触媒基材の貫通孔に挿入可能な極細加工が可能な導電性材料であればよく、銅、白金、金等の電子基板材料等が挙げられる。また、極細電極２ａ、２ｂの具体的な形状も特に制限されず、本実施形態においては導電性薄膜である銅箔によって極細電極２ａ、２ｂが形成されている。

また、絶縁スリーブ３の材料も特に制限されず、触媒成分含有液状体に対して耐久性があるフレキシブルな絶縁材料であればよく、ポリイミド、エポキシ等の合成樹脂が挙げられる。また、絶縁スリーブ３の具体的な形状も特に制限されず、本実施形態においてはポリイミドフィルムであるカプトン（登録商標）の積層体として絶縁スリーブ３が形成されている。さらに、絶縁スリーブ３の幅（又は厚み）は処理対象の触媒基材の貫通孔の大きさより小さければよく、特に限定されないが、一般的には１００〜１５０μｍ程度であることが好ましい。

そして、絶縁スリーブ３の先端部には開口部４が設けられており、極細電極２ａ、２ｂの先端部が開口部４を介して外部と導通可能となっている。また、極細電極２ａ、２ｂの他端にはリード線５が接合されており、リード線５を介して極細電極２ａ、２ｂが後述する検出器に電気的に接続されている。

次に、図１及び図２に示す触媒製造用液面センサー１を用いて本発明の触媒の製造方法を実施する好適な一実施形態について、図３及び図４を参照して説明する。

すなわち、先ず、処理対象の触媒基材１０の貫通孔１１の中に液面センサー１の先端側を挿入する。その際、絶縁スリーブ３の開口部４が、触媒成分含有液状体２０の液面を停止させるべき所定位置２１と一致するように液面センサー１の挿入位置を調節する。なお、絶縁スリーブ３によって開口部４を除いて極細電極２ａ、２ｂが絶縁されているため、液面センサー１を貫通孔１１に挿入する際に極細電極２ａ、２ｂと触媒基材１０内壁との接触に起因する誤検出の発生は完全に防止される。また、液面センサー１はフレキシブルであるため、図３及び図４に示す触媒基材１０のように細孔１１が屈曲している場合であっても、容易に且つ確実に液面センサー１の先端側を所定位置２１まで挿入することができる。

なお、本発明において処理対象となる触媒基材１０は、微細貫通孔を有する触媒基材であればよく、特に制限されず、例えば、ハニカムフィルタ、高密度ハニカム（例えば、１２００cell／inch^２以上のマイクロチャンネル）等のモノリス担体基材等が好適な処理対象として挙げられる。また、このような触媒基材１０の材質も特に制限されず、コージエライト、炭化ケイ素、ムライト等のセラミックスからなる基材や、クロム及びアルミニウムを含むステンレススチール等の金属からなる基材が好適な処理対象として挙げられる。

また、本発明において用いる触媒成分含有液状体２０も特に制限されず、目的とする触媒に応じて担持されるべき触媒成分（例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア、酸化鉄、希土類元素酸化物、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物等の金属酸化物や、白金、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、金等の貴金属）を含有し、電気伝導性を有する溶液や分散液（コロイド溶液、スラリー等）が適宜用いられる。また、このような液状体を調製するための溶媒も特に制限されず、水、アルコール（例えば、メタノール、エタノール、エチレングリコール等の単独又は混合系溶媒）等の各種溶媒が挙げられる。

次に、液面センサー１の先端側を貫通孔１１の所定位置２１に挿入し、さらにリード線５を介して電気的に接続されている電源３０によって極細電極２ａ、２ｂの間に電圧を印加した状態として、触媒成分含有液状体２０に触媒基材１０の一部を浸漬して貫通孔１１の他端側から触媒成分含有液状体２０を導入する（図３中の矢線で触媒成分含有液状体２０の導入方向を示す）。そして、図４に示すように触媒成分含有液状体２０の液面が液面センサー１の開口部４の位置（所定位置２１）に到達すると、直ちに触媒成分含有液状体２０が極細電極２ａ、２ｂに接触し、極細電極２ａ、２ｂとリード線５を介して電気的に接続されている検出器（例えば、電流計）３１によって接触前後の電気的状態（例えば、導通）の差異によって開口部４の位置に液面が来たことが直ちに且つ正確に検知される。

そして、このように触媒成分含有液状体２０の液面が所定位置２１に到達したことが検知されたと同時に触媒成分含有液状体２０の導入を停止することによって、その時の液面より上の領域には触媒成分が担持されることが確実に防止され、その時の液面より下の触媒成分が担持された領域との境界線（図４においては所定位置２１を示す一点鎖線と一致）が高精度に制御されることとなる。次いで、このようにして触媒成分を担持させた触媒基材を公知の方法及び条件下で乾燥し、さらに必要に応じて焼成することによって、触媒成分担持位置が高精度に制御された触媒が得られる。

以上、本発明の触媒製造用液面センサー及びそれを用いた本発明の触媒の製造方法の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては、平行に整列された一対の極細電極を絶縁スリーブによって一体的に包み込んでいるが、液面センサーの構成はこのような形態に限定されるものではなく、例えば、各極細電極をそれぞれ絶縁スリーブによって包み込んだものであってもよい。また、極細電極の数は２本に限定されるものではなく、極細電極を３本以上備えていてもよい。

また、上記実施形態においては、検出器として電流計を用いて液面と電極との接触前後の導通を測定して液面到達を検知しているが、このような形態に限定されるものではなく、例えば、電圧計を用いて電圧の変化を測定しても、電気抵抗を測定してもよい。

さらに、上記実施形態においては一つの貫通孔の中に液面センサーを挿入して液面を検知しているが、このような形態に限定されるものではなく、例えば、触媒成分担持位置の制御が必要な細孔毎に液面センサーを挿入してもよく、そのようにすることによって細孔毎に触媒成分担持位置の制御を高精度で実施することが可能となる。

以上説明したように、本発明の触媒製造用液面センサーを用いた本発明の触媒の製造方法によれば、触媒成分含有液状体に触媒基材の一部を浸漬して触媒基材の細孔内に触媒成分を担持させる方法において、細孔内における触媒成分が担持される領域と担持されない領域との境界線を高精度に制御することができ、しかもこのような触媒成分担持位置の制御を細孔が屈曲している基材においても細孔毎に高精度で実施することが可能となる。

したがって、本発明は、燃料電池等の分離膜電池システムにおいて燃料となる水素を生成させるための水素生成反応用触媒や、自動車のような内燃機関から排出される有害成分を浄化するための排ガス浄化用触媒等を得るための技術として非常に有用である。

本発明の触媒製造用液面センサーの好適な一実施形態の正面図である。 図１に示す触媒製造用液面センサーのＡ−Ａ断面図である。 本発明の触媒の製造方法の好適な一実施形態を実施している状態（触媒成分含有液状体を導入している状態）を示す模式図である。 本発明の触媒の製造方法の好適な一実施形態を実施している状態（液面を検知した状態）を示す模式図である。

符号の説明

１…触媒製造用液面センサー、２ａ、２ｂ…極細電極、３…絶縁スリーブ、４…開口部、５…リード線、１０…触媒基材、１１…貫通孔、２０…触媒成分含有液状体、２１…液面を停止させるべき所定位置、３０…電源、３１…検出器。

Claims (4)

1. 微細貫通孔を有する触媒基材に触媒成分を担持させる触媒の製造方法であって、
   少なくとも一対の極細電極と、前記貫通孔に挿入可能な太さを有し且つフレキシブルな絶縁材料からなり、前記極細電極の周囲を絶縁しつつ前記極細電極の先端部の外部との導通を可能とする開口部を有する絶縁スリーブとを備える液面センサーの先端側を前記貫通孔の一端側から所定位置に挿入した状態で、前記貫通孔の他端側から触媒成分含有液状体を導入し、前記触媒成分含有液状体が前記開口部の位置に達して前記極細電極に接触した際に液面を検知することを特徴とする触媒の製造方法。
2. 前記絶縁スリーブは合成樹脂製薄膜の積層体であり、前記極細電極は前記積層体の間に形成された導電性薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の触媒の製造方法。
3. 微細貫通孔を有する触媒基材に触媒成分を担持させる際に用いる液面センサーであって、
   少なくとも一対の極細電極と、
   前記貫通孔に挿入可能な太さを有し且つフレキシブルな絶縁材料からなり、前記極細電極の周囲を絶縁しつつ前記極細電極の先端部の外部との導通を可能とする開口部を有する絶縁スリーブと、
   を備えることを特徴とする触媒製造用液面センサー。
4. 前記絶縁スリーブは合成樹脂製薄膜の積層体であり、前記極細電極は前記積層体の間に形成された導電性薄膜であることを特徴とする請求項３に記載の触媒製造用液面センサー。

Images