JP4639536B2

JP4639536B2 - 排気ガス浄化用触媒及びその製造方法

Info

Publication number: JP4639536B2
Application number: JP2001181470A
Authority: JP
Inventors: ルリ樋口
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2021-06-15
Also published as: JP2002370035A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二輪車、四輪車、又は特殊車等の種々の車両において発生する排気ガスを浄化するための排気ガス浄化装置、該装置に用いられる触媒、該触媒に用いられる担体及びそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、排気ガス浄化用触媒には、ペレットやハニカム等の担体にアルミナ等を主成分とするウォッシュコートを塗布し、このウォッシュコートの上から貴金属などの触媒成分や助触媒成分を担持したものが用いられている。
しかし、地球環境対策が益々重視されている近年において、自動車の排気ガスを浄化する効率を上げるため、ハニカムを用いた触媒の場合は、特に壁を薄くし、セルの数を多くしている。しかし、これでは排気ガスを排出する圧力の上昇を招く結果となってしまい、自動車などパワーを求められるものに使用するには、更なる工夫が必要であった。
【０００３】
さらに、前記以外の触媒として、特開２０００−２７１４７９号に示すようにウィスカなどを担体に混入するもの、特開平７−１８７８３２号に示すようにハニカム上にウィスカ層を気相成長させるものなどがあるが、本発明に係る触媒とは用途が異なる。また、ウィスカ層を形成する気相成長は成長速度が遅いため、実際の工業的生産には適さない。
【０００４】
そして、特開平６−１９２７６４号には、ピストン上面の強度を増加させるために、ウィスカで圧粉体を作って金属を鋳込む製造方法において、ウィスカの異方性を維持する方法が示されている。しかし、この方法は密度が高く、高い圧力を必要とするので、このままでは排気ガスのスムーズな流れは望むことができない。また、特開昭５８−３６４３号には、ウィスカに触媒成分を形成する方法が示されているが、ウィスカについての言及はない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記課題を解決し、コストが安価で、高い浄化率を有する排気ガス浄化用触媒及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る排気ガス浄化用触媒の担体の製造方法は、前記目的を達成するため、短繊維を分散させた短繊維スラリーを造粒することによって、前記短繊維によって外側が覆われその内部に中空部が形成された粉状体を作製するステップと、この粉状体を加圧成形することによって、中空部が維持された粉状体を含む圧粉体である担体を作製するステップとを含んだ方法である。
【０００７】
前記短繊維スラリー中には水分が含まれているため、この短繊維スラリーを例えばスプレードライヤーに噴射すると、表面張力によって内部に水分を包含して外部が短繊維スラリーによって覆われた状態の粒状体が形成される。こののち、スプレードライヤーの熱によって水分が蒸発すると、内部が中空に形成された粉状体が生成される。この粉状体は、ランダムな三次元方向に配列された短繊維によって外部が覆われている。そして、前記圧粉体を触媒成分を含んだ触媒スラリー等に浸漬させることによって、短繊維の表面に触媒成分を担持させた排気ガス浄化触媒を作製することができる。
【０００８】
また、粉状体が造粒粉である場合は、粉状体の粒径及び粉状体の中空部の大きさは、造粒条件によって所望の大きさに変えることができる。例えば、造粒時の温度、水分量、スプレードライヤーに短繊維スラリーを導入する際の導入速度やスプレードライヤーの回転子の回転速度などに応じて変えることができる。
さらに、前記圧粉体においても粉状体の中空部はそのまま維持されており、該中空部の大きさや圧粉体の強度を加圧条件によってコントロールすることができる。成形に用いる加圧力は５〜２０kgf／cm²が好ましく、繊維体積率は５〜４０％が好ましく、圧粉体の気孔率とハンドリングの兼ね合いに応じて適宜選択をする。そして、造粒後の平均粒子径が大きくなると、圧粉体の空隙も大きくなり、排気ガス浄化率も向上する。
【０００９】
また、本発明に係る排気ガス浄化用触媒の担体の製造方法の一態様では、前記短繊維としてホウ酸アルミニウムウィスカを用いることができる。
さらに、本発明に係る排気ガス浄化用触媒の担体の製造方法の別の態様では、前記粉状体を、短繊維スラリーを加熱状態のスプレードライヤー中に噴霧するスプレードライによって造粒することができる。
【００１０】
このスプレードライヤーに短繊維スラリーを導入する際の導入速度、及び回転子の回転速度を制御することによって、所望の粒径の造粒粉を得ることができる。スプレードライヤーの回転子の回転速度は、スプレードライヤーにおける加熱室の大きさなどによって変える必要があるが、５，０００〜２０，０００ｒｐｍとすることが好ましい。
そして、本発明に係る排気ガス浄化用触媒の担体の製造方法の更に別の態様では、大きさの異なる複数種類の造粒粉を混合し、加圧成形することによって前記担体を作製している。
【００１１】
また、本発明に係る排気ガス浄化用触媒の製造方法は、前記したいずれかの短繊維スラリーに、触媒成分を含む触媒スラリーを添加したのち造粒し、これによって得られる造粒粉を加圧成形する方法である。
【００１２】
さらに、本発明に係る排気ガス浄化用触媒の製造方法の一態様は、前述した方法によって作製された担体を、触媒成分を含む触媒スラリー中に浸漬し乾燥させる方法である。
これによって、担体中の短繊維の表面に触媒成分、例えば白金やロジウム等を効率的に担持することができる。これによって得られた触媒は、担体のランダムな中空により、多くの浄化に有効な触媒成分を担持しつつ、各内燃機関の特性に合わせた担体及び触媒を作製することが可能である。
【００１３】
また、短繊維の向きがランダムである異方性によって、触媒中に導入された排気ガスの流れを効率良く分散させることができる。このため、触媒中を通る排気ガスがランダムな方向に流れるようになり、排気ガスと触媒成分との接触時間が長くなって、浄化率の向上を図ることができる。
この中空部によって、より多くの反応の場を持つことができるため、同じ浄化率を得るにあたり、小型化及び軽量化を図ることができる。よって、コストを安価に抑えることができ、また、熱伝達が早くなるため、浄化効率も向上する。
【００１４】
そして、本発明に係る排気ガス浄化用触媒の担体として、前記した方法によって作製された圧粉体を用いることができる。
なお、本発明に係る排気ガス浄化用触媒として、前述した方法によって作製された排気ガス浄化用触媒を用いることができる。
この触媒は、外部がウィスカによって覆われた粉状体によって構成されているため、ウィスカ同士の間に形成された隙間を排気ガス分子が容易に通過することができ、触媒を通過する排気ガスの排出圧力を小さくしても、排気ガスの浄化効率を高めることができる。
さらに、本発明に係る排気ガス浄化装置は、前記触媒を用いて構成している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態に係る排気ガス浄化用触媒の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。
【００１６】
まず、短繊維としてウィスカを用い、該ウィスカをバインダ及び溶媒に添加したのち、撹拌又はボールミルなどにより均一に分散させてスラリー（以下、ウィスカスラリーという）を作製する。
次いで、このウィスカスラリーを加熱状態のスプレードライヤ中に噴霧して、いわゆるスプレードライを施すことにより、造粒粉を作製する。この場合、噴霧したウィスカスラリーの液滴は内部に水分が包含された状態で表面張力により球状になって飛散するが、瞬時に乾燥することにより造粒され、外側がウィスカによって覆われて内部に中空を有する造粒粉となる。
【００１７】
図１に示すように、この一つ一つの造粒粉１は、ランダムな三次元方向に延びるウィスカ３によって外側が覆われており、図２に示すように、その内側が中空部５に形成されている。このとき、ウィスカスラリーのスプレードライヤへの導入速度や回転子の回転数などの造粒条件に応じて、造粒粉１の粒径を変えることができる。例えば、その乾燥室の温度が２００℃まで加熱されて、１０，０００ｒｐｍの速度で回転しているスプレードライヤ中に、前記ウィスカスラリーを２５０ｇ／分の割合で噴霧してスプレードライヤを施すことによって、平均粒子径が１００μｍの大きさの造粒粉１を作製することができる。
【００１８】
さらに、この造粒粉１を型に入れ、加圧成形することによって、図３に示すような圧粉体７（担体）を作ることができる。図４に示すように、加圧成形したのちも、造粒粉１内の中空部５は維持されており、加圧成形の際の圧力や型内の雰囲気等の成形条件を制御することによって、前記中空部５の大きさを適宜変えることができ、気孔率が高くかつウィスカ３が三次元的な方向性を保った圧粉体７を作ることができる。図４に示すように、圧粉体７の全体において、造粒粉１内の中空部５の大きさはほぼ同じ大きさに形成されている。
【００１９】
そして、担体である前記圧粉体７を触媒スラリー中に浸漬したのち乾燥させることによって、造粒粉１を構成するウィスカ３の表面に触媒成分を担持することができる。この触媒スラリーには、例えば触媒成分である白金やロジウム及び、助触媒の成分、γ−アルミナなどが含有されている。
【００２０】
なお、これまでは、圧粉体７を成形したのちに触媒スラリーを塗布する実施の形態について説明をしたが、該触媒スラリーを予め添加して混合スラリーを作製してから、造粒するようにしても良い。
つまり、まず、ウィスカをバインダ、溶媒及び触媒スラリーに添加したのち、撹拌又はボールミルなどにより均一に分散させてスラリー（以下、混合スラリーという）を作製する。次いで、この混合スラリーにスプレードライを施すことにより、造粒粉を作製する。この造粒粉は外側がウィスカによって覆われて内部に中空を有する造粒粉であり、また、ウィスカの表面には触媒成分が担持されている。そして、前記造粒粉を加圧成形することによって、触媒である圧粉体を作製することができる。
【００２１】
以上説明した方法によって作製された触媒を構成するウィスカ３の表面には、図５に示すように、アルミナウォッシュコート９が塗布されており、該アルミナウォッシュコート９の外側に触媒成分１１及び助触媒成分１３がほぼ均等に担持されている。このように、均等に触媒成分１１及び助触媒成分１３が担持されることによって、触媒の排気ガスに対する浄化率を向上させることができる。なお、図６に示すように、中空部１５の大きさが触媒１７の全体に亘って様々に異なる場合も、高い浄化率が得られる。
【００２２】
前記構成を有する触媒による作用効果について簡単に説明をする。
図７に示すように、触媒２３を構成する造粒粉１は内部に中空部５を有するため、排気ガス２５を触媒２３に導入すると、造粒粉１の境界面の間を縫うようにランダムな方向に流れる。このため、排気ガス２５が触媒２３中を通り抜けるまでに長い距離を通ることになり、排気ガス２５が触媒成分１１及び助触媒成分１３（図５参照）と接触する時間も長くなる。よって、例えば、従来のハニカム形状の触媒等よりも排気ガスの浄化率を向上させることができる。
【００２３】
【実施例】
次いで、実施例によって本発明を具体的に説明する。
初めに、本発明例１の内容について、表１を参考にしながら説明をする。
【００２４】
【表１】

【００２５】
まず、ホウ酸アルミニウムウィスカ（９Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｂ₂Ｏ₃）、有機バインダとしてのＰＶＡ、分散剤及び添加剤を水と混合して撹拌し、ボールミルにて均一に分散させることによってウィスカスラリーを作製した。前記ホウ酸アルミニウムウィスカの寸法は、結晶径が０．５〜１μｍ、結晶長さが１０〜３０μｍであった。また、分散剤はシランカップリング剤を用い、添加剤は、無機バインダーを用いた。そして、混合比率は、ホウ酸アルミニウムウィスカ：ＰＶＡ：分散剤：添加剤：水をそれぞれ、５００：３：１：２．５：２３００とした。
【００２６】
次いで、その乾燥室の温度が２００℃まで加熱されて、１０，０００ｒｐｍの速度で回転しているスプレードライヤ中に、前記ウィスカスラリーを２５０ｇ／分の割合で噴霧してスプレードライヤを施すことによって、平均粒子径が１００μｍの造粒粉を作製した。この得られた造粒粉を１０ｋｇｆ／ｃｍ² の圧力によって加圧成形し、径がφ２８ｍｍ、高さが５ｍｍである円柱状の圧粉体（触媒の担体）を得た。この圧粉体を触媒スラリー（触媒成分、γ−アルミナ、助触媒成分を含む）に浸漬させ、ホウ酸アルミニウムウィスカの表面に触媒成分を担持させることによって、排気ガス浄化用触媒を得た。この触媒成分は、Ｐｔ（白金）とＲｈ（ロジウム）を、Ｐｔ／Ｒｈ＝５／１の割合でかつ１．０ｇ／Ｌ担持したものである。
【００２７】
この排気ガス浄化用触媒に、表２に示す性状の排気ガス（温度は４５０±５℃）を通して、排気ガスの浄化率を測定した。
【００２８】
【表２】

【００２９】
また、表１に示すように、本発明例１の浄化率を１００とした浄化率について相対評価を行った。そして、本発明例２〜７の各条件と結果をあわせて表１に示す。ここで、本発明例６は、予め、ウィスカスラリーに触媒スラリーを混合した後に造粒し、これによって得られた造粒粉を加圧成形して圧粉体（触媒）を作製したもの、本発明例７は異なる平均粒径（４０μｍ、１００μｍ）の造粒粉を混合したのち、加圧成形して圧粉体（担体）を作製し、この圧粉体を触媒スラリー中に浸漬したものである。
【００３０】
なお、造粒粉中における水分量は約４％、加圧成形後の焼成温度は、バインダ蒸発に必要な温度で、かつ触媒性能に影響を及ぼさないように５００℃とした。
表１の結果から、バインダ（ＰＶＡ）の量を多く、回転速度を遅く、成形圧力を低くすることで、浄化率を向上させることができることが判明した。また、本発明例６のように、ウィスカスラリーに触媒スラリーを混合し造粒した場合、浄化率は高くなった。これは、図５に示すように、ウィスカ３に均等に触媒成分１１及び助触媒成分１３が担持されたためと考えられる。また、造粒条件、加圧成形条件を変えることにより、任意の大きさの空隙をもつ担体及び触媒を成形することができることも確認された。
【００３１】
逆に、任意の大きさの中空を有する担体及び触媒を作るには、バインダの量はウィスカの０．０１〜０．５％、望ましくは０．０５〜０．１％、スプレードライヤーの回転子の回転速度は５，０００〜２０，０００ｒｐｍとすることが好ましいことが判明した。ただし、これらの条件はスプレードライヤーにおける加熱室の大きさなどによって選択する必要がある。さらに、成形に用いる加圧力は５〜２０kgf／cm²が好ましく、Ｖf（繊維体積率）は５〜４０％が好ましく、圧粉体の気孔率とハンドリングの兼ね合いに応じて適宜選択をする。そして、造粒後の平均粒子径が大きく（６０μｍ以上）なると、圧粉体の空隙も大きくなり、排気ガス浄化率も向上することが判明した。
【００３２】
なお、本発明は前述した発明の実施の形態に限定されることなく、本発明の技術思想に基づいて、種々の変更及び変形が可能である。
例えば、前記本発明の実施の形態においては、外側がウィスカで覆われ、内部に中空部を有する粉状体を作製する手段として造粒について説明をしたが、この造粒以外の半湿式などの手段によっても粉状体を作製することが可能である。ここで、半湿式とは、水分を少し多めにして撹拌を行うことによって粉状体が形成される作用を利用して粉状体を作製する方法である。
【００３３】
また、例えば、異なる大きさの中空部を有する造粒粉ａとｂを作製する際に、それぞれ別の触媒スラリーａ'とｂ'を混合して造粒粉ＡとＢを得、これらを混合して加圧成形することによって触媒を作製しても良く、触媒成分を塗布及び担持する時期は限定されない。また、圧粉体の形状は、前記本発明の実施の形態においては、円柱形としたが、その厚さ（軸方向の高さ寸法）は限定されるものではないが、圧損を考慮すると小さい方が望ましい。さらに、形状についても、凹凸を有する形状やレンズ型なども有効であり、特定の形状に限定されるものではない。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、造粒条件を制御することによって、触媒を構成する粉状体の中空部の大きさを変えることができるため、各内燃機関の特性に合わせた担体及び触媒を作製することが可能である。また、粉状体を構成する短繊維の異方性により、排気ガスが通過する流れを効率良く分散させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る担体を構成する造粒粉を示す斜視図である。
【図２】図１の断面図である。
【図３】本発明に係る担体を示す斜視図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線による断面図である。
【図５】ウィスカの近傍を示す拡大した概略図である。
【図６】本発明に係る触媒の断面図である。
【図７】本発明に係る触媒中における排気ガスの流れを示す断面図である。
【符号の説明】
１造粒粉
３ウィスカ
５，１５中空部
７圧粉体
９アルミナウォッシュコート
１１触媒成分
１３助触媒成分
１７，２３触媒
２５排気ガス

Claims

短繊維を分散させた短繊維スラリーを造粒することによって、前記短繊維によって外側が覆われその内部に中空部が形成された粉状体を作製するステップと、この粉状体を加圧成形することによって、中空部が維持された粉状体を含む圧粉体を作製するステップとを含むことを特徴とする排気ガス浄化用触媒の担体の製造方法。
前記短繊維がホウ酸アルミニウムウィスカであることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化用触媒の担体の製造方法。
前記粉状体を、短繊維スラリーを加熱したスプレードライヤー中に噴霧する造粒によって作製す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用触媒の担体の製造方法。
大きさの異なる複数種類の粉状体を混合し、加圧成形することによって前記担体を作製した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用触媒の担体の製造方法。
前記請求項１〜４のいずれかに記載の短繊維スラリーに、触媒成分を含む触媒スラリーを添加したのち造粒し、これによって得られる造粒粉を加圧成形することを特徴とする排気ガス浄化用触媒の製造方法。
前記請求項１〜４のいずれかの方法によって作製された圧粉体を、触媒成分を含む触媒スラリー中に浸漬し乾燥させることを特徴とする排気ガス浄化用触媒の製造方法。
前記請求項１〜４のいずれかに記載された方法によって作製されたことを特徴とする排気ガス浄化用触媒の担体。
前記請求項５又は６に記載された方法によって作製されたことを特徴とする排気ガス浄化用触媒。
前記請求項８に記載された触媒を用いたことを特徴とする排気ガス浄化装置。