JP5072340B2

JP5072340B2 - 排ガス浄化触媒用メタル担体

Info

Publication number: JP5072340B2
Application number: JP2006335885A
Authority: JP
Inventors: 潤也白畑
Original assignee: Cataler Corp
Current assignee: Cataler Corp
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2026-12-13
Also published as: JP2008142682A

Description

本発明は、排ガス浄化触媒用のメタル担体に関する。

自動車や自動二輪車等の内燃機関から排出される排ガスは、通常、触媒を用いた排ガス浄化装置において浄化される。このような排ガス浄化装置は、（１）エンジンモディフィケーション方式、（２）サーマルリアクタ方式、（３）酸化触媒方式等に分けられる。ここで、（３）の方式による排ガス浄化装置で用いられる触媒は、エンジンからエキゾーストパイプに排出された排ガスと接触すると、排ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害成分と酸化反応又は還元反応を起こして有害成分を浄化する。このような触媒は、触媒金属を担持する担体の形状により、ペレット触媒とモノリス触媒に大別されるが、１９８０年代前半以来、モノリス触媒が主流となっている。

モノリス触媒は、通常比表面積が大きいハニカム形状を有しており、自動二輪車ではセラミックス製のものよりも金属製の担体（メタルハニカム担体）が使用される傾向にある。その際、搭載される排ガス浄化装置は高温及び激しい振動に曝されるため、強度が高く、圧力損失が少ない触媒が要求される。このような要求に応えるべく、自動二輪車用排ガス浄化装置においては、耐熱性ステンレス等を材料としたメタルハニカム担体を用いた触媒が一般的に用いられている。

メタルハニカム担体は、一般的に、耐熱合金を用いた平箔と波箔とを交互に巻き回して円筒形のハニカム体とし、このハニカム体を円筒形の金属製の外筒に装入した後ロウ付け等の手段によってこれらを接合することにより製造される。この場合、メタルハニカム担体は、排ガス流れ方向において外筒の上流側から下流側まで一続きのハニカム構造を有することになる。

一方、排ガス浄化性能を向上させるために、外筒内の排ガス流れ方向における中央部にハニカム構造を欠いた空間を設け、ハニカム構造を二段型（又は多段型）となるように配置することで、排ガスの熱をメタルハニカム担体内で効率よく利用する態様も提唱されている（特開平６−９９０７６号公報）。

各国の排ガスに対する規制は年々強化される傾向にあり、例えば、ＥＵＲＯ３レベルからは冷間スタート時の触媒早期活性化能力が要求されている。このような厳しい基準をクリアするためには、従来のメタルハニカム体を有するメタル担体では十分でない。一方、触媒容量の大容量化により触媒性能の向上を図ることも可能であるが、自動二輪車の触媒は軽量且つコンパクトであることが要求されるため、このような大容量触媒は適していない。

特開平６−９９０７６号公報

上述の二段型のメタルハニカム担体は、ハニカムとハニカムの間の空間に何も配置しておらず、その空間を有効活用しているとは言い難く、また、通常の一続きのメタルハニカム担体と比較しても、二段型のメタルハニカム担体の排ガス浄化性能の向上は十分ではない。

従って、本発明の目的は、排ガス浄化性能に優れた排ガス浄化触媒用メタル担体を提供することにある。

上記のような従来の二段型のメタルハニカム担体でも、メタルハニカム体からメタルハニカム体を欠いた部分（以下、非メタルハニカム体部分と称する）に排ガスが移行する際に乱流が発生していた。しかし、本発明者が調べたところ、従来の担体では、非メタルハニカム体部分が空洞であったため大きな乱流が発生していなかった。そこで、本発明者らが鋭意検討を行った結果、上記空洞部分にチューブ形状体及び／又はプレート形状体を形成することで排ガス浄化触媒として使用した際に、大幅な圧損を生じさせることなく担体内に乱流を効率よく発生させることができ、排ガス浄化能の向上した排ガス浄化用メタルハニカム担体が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、金属製の平箔及び波箔から成るメタルハニカム体が金属製の外筒内に複数装入されて成る排ガス浄化触媒用メタル担体であって、当該メタルハニカム体間に１又は複数のチューブ形状体及び／又はプレート形状体が配置された部分が含まれている、排ガス浄化触媒用メタル担体、を提供する。

本発明のメタルハニカム担体を用いた触媒は、排ガス浄化性能に優れている。

本発明で使用するメタルハニカム体は、通常のメタルハニカム体と同様に、金属製の平箔及び波箔を用いて構成される。ここで、当該メタルハニカム体を構成する金属箔の性質は、熱容量が低く、且つ耐熱性、耐圧性等に優れているものが好ましい。従って、ステンレス鋼、耐熱鋼等が好ましいが、これらの材料に限定されない。ステンレス鋼の例としては、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス等の鋼材があり、本発明においてはこれらを箔状に圧延して用いることができる。

上記金属箔の厚さに関しては、熱容量を下げて最終的に製造される触媒の早期活性化能を向上させるため、原則として薄いほど好ましい。また、同様の目的から金属箔にパンチング穴を施してもよい。但し、金属箔の厚さ又はパンチング穴の数を決定する場合には強度面についても考慮されるべきである。

本発明のメタルハニカム体は金属製の平箔と波箔とを積層することによっても成形することができる。このようにして成形したメタルハニカム体を金属製の「外筒」に複数個、例えば２個、それぞれ間隔を空けて装入し、これらをロウ付け等の手段を用いて接合する。前記外筒の材質については、金属箔と同様に耐熱性、耐圧性等に優れているものが好ましい。限定しないが、上述した金属箔の材料と同様のものを使用することができる。

本発明においては、ハニカム体とハニカム体との間に金属製のチューブ（パイプ）形状の担体及び／又はプレート形状の担体を配置する（以下、それぞれチューブ形状体、プレート形状体と称する）。ハニカム体を３つ以上使用した場合、チューブ形状体及び／又はプレート形状体を配置可能な箇所が複数生じることとなるが、本発明はこれらの箇所全てにチューブ形状体及び／又はプレート形状体が配置される態様だけでなく、少なくともこれらの箇所のいずれかにチューブ形状体及び／又はプレート形状体が配置される態様も包含する。換言すると、ハニカム体間が複数個所存在する場合、チューブ形状体及び／又はプレート形状体が配置されない箇所があってもよい。

本発明において、チューブ形状体、プレート形状体は、それぞれ単独で配置してもよいし、両者を連結して配置してもよい。限定しないが、チューブ形状体及び／又はプレート形状体はハニカム体との間に隙間が生じないように配置するのが好ましい。しかし、排ガス浄化性能に影響を与えない範囲であれば多少の隙間があってもよい。尚、このような隙間はハニカム体の大きさによって変化するものであり、特に限定されない。

上述のように、メタルハニカム体間にチューブ形状体及び／又はプレート形状体を配したものを外筒で覆った構造を本明細書においては「メタル担体」と称する。チューブ形状体は１又は複数個、好ましくは３個以上、例えば３個又は５個外筒内に配置される。プレート形状体もチューブ形状体と同様に１又は複数のプレートを使用することができる。具体的には、プレート形状体は、単純な金属板の構造の他、種々の形状に成形したものを外筒内に設置することができ、例えば、排ガスの流れに対して垂直方向の面がＳ字型となるように成形してもよい。

上述のようなチューブ形状体及びプレート形状体は、ハニカム体よりも比表面積が小さい。比表面積の増大を増大させ、触媒活性温度への素早い到達を可能とするために、パンチングによる貫通孔をチューブ又はプレート全体に設けてもよい。パンチング穴の直径は特に限定されず、２ｍｍ〜５ｍｍ程度あればよい。パンチング穴のピッチも、限定しないが、上記パンチング穴の直径の１．１〜１．５倍程度が好ましい。より好ましくは、当該ピッチは上記パンチング穴の直径の１．１〜１．２５倍程度である。

チューブ形状体及び／又はプレート形状体の全長は、原則として、外筒の全長が一般的に使用されているものである場合、外筒の全長とは無関係に、１０〜１００ｍｍ、好ましくは１５〜５０ｍｍ、より好ましくは１５〜３５ｍｍの範囲内であることが好ましい。しかしながら、外筒の全長との関係で比較した場合、チューブ形状体及び／又はプレート形状体の全長は外筒の全長の０．３〜０．７程度であることが好ましい。また、チューブ形状体及び／又はプレート形状体の全長は、ハニカム体の全長に対し１〜５倍程度であることが好ましいが、これらの値に限定されない。

本発明のメタル担体の形状は概して円筒状である。この場合、排ガスの流れに対して垂直方向の断面（横断面）は円形であるが、直線部と円弧部とから構成される、いわゆるレーストラック形状のものでもよい。ハニカム体の横断面における平箔と波箔により形成されている箇所のセル数は特に限定されず、一般的なセル数（４０〜４００セル／平方インチ）のものが使用される。

本発明のメタル担体は、排ガス浄化用触媒の基材として、種々の触媒成分をその表面上にコーティングして担持させることができる。具体的には、触媒成分は、メタルハニカム体及び／又はチューブ形状体及び／又はプレート形状体の表面に担持させることができる。中でも、メタルハニカム体と上記形状体の両方の表面に触媒成分を担持させることで、乱流を効率よく利用して排ガス浄化能を更に向上させることができる。

尚、触媒成分である貴金属等についての使用の制限はなく、またそれらの担持方法についても制約はない。一般的には、活性アルミナ（γ−アルミナ）等のスラリーを用いてメタル担体表面に担持層を形成させた後、当該担持層表面に貴金属を含有する薬液を浸漬担持することで、排ガス浄化用触媒を製造することができる。

以下の実施例を用いて、本発明を更に具体的に説明する。尚、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
フェライト系ステンレスの平箔及び波箔を用い、直径３３ｍｍ×長さ２０ｍｍ、１００セル／平方インチのサイズを有するハニカム体を２つ作製し、そのうち１つをフェライト系ステンレスの外筒内（直径３５ｍｍ×長さ６０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ）に挿入して上流側に配置する。続いて、２０ｍｍの長さのパンチングチューブ形状体（パンチング穴の直径３ｍｍ、ピッチ５ｍｍ）を３本挿入して前記ハニカム体の後方に配置する。最後に、残りのハニカム体を前記パンチングチューブ形状体に続けて外筒内に配置する。

外筒の内面全体にニッケルロウを塗布し、真空炉にて１２００℃で１時間処理することでメタル担体を調製する。当該担体をアルミナコーティングし、そして白金、ロジウムを含む薬液を用いて浸漬担持することにより本発明のメタル担体触媒を作製した（担体の容量１Ｌ当たり白金＝１．５ｇ／Ｌ：ロジウム０．３ｇ／Ｌ）。当該触媒の縦断面図を図１に示す。

図１に示す通り、実施例１のメタル担体触媒１は、その周囲を構成する外筒２と、当該外筒２内に装入されている上流側のハニカム体３、中央部のパンチングチューブ形状体４及び下流側のハニカム体５とから成る。図２に、図１のＡ−Ａ線におけるパンチングチューブ形状体４の横断面図を示す。

（実施例２）
外筒長さを１４０ｍｍとし、パンチングチューブ形状体の長さを１００ｍｍとした点を除き、実施例１と同様の構成を有するメタル担体触媒を調製した。

（実施例３）
パンチングチューブ形状体の代わりにパンチングプレート形状体（パンチング穴の直径３ｍｍ、ピッチ５ｍｍ）を挿入した点を除き、実施例１と同様の構成を有するメタル担体触媒を調製した。図２に、図１のＡ−Ａ線に相当する箇所のパンチングプレート形状体の横断面図を示す。

（比較例１）
フェライト系ステンレスの平箔及び波箔を用い、直径３３ｍｍ×長さ４０ｍｍ、１００セル／平方インチのサイズを有するハニカム体を作製し、フェライト系ステンレスの外筒内（直径３５ｍｍ×長さ４０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ）に挿入することで、一続きのメタルハニカム体を有するメタルハニカム担体触媒を調製した。

（比較例２）
３本のパンチングチューブを挿入していない点を除き、実施例１と同様のサイズを有するメタルハニカム担体触媒を調製した。

（比較例３）
３本のパンチングチューブを挿入していない点を除き、実施例２と同様のサイズを有するメタルハニカム担体触媒を調製した。

（比較例４）
外筒の長さを４５ｍｍとし、パンチングチューブ形状体の長さを５ｍｍとしとした点を除き、実施例１と同様の構成を有するメタル担体触媒を調製した。

（比較例５）
上流側のメタルハニカム体の長さを１９０ｍｍとし、パンチングチューブ形状体の長さを１５０ｍｍとし、それに伴い外筒の長さを３６０ｍｍとした点を除き、実施例１と同様の構成を有するメタル担体触媒を調製した。

（排ガス浄化試験）
上記メタル担体触媒の排ガス浄化能について検討する。当該触媒の評価車両には４ストロークの１２３ｃｃスクーターを用い、ＥＣ−４０（ＩＳＯ６４６０）の評価モードで排ガス浄化試験を行った。ＣＯ浄化率についての結果を図４に示す。

図４に示した通り、実施例１〜３の触媒は、一般的なメタルハニカム担体触媒（比較例１）と比較して１０〜１７％浄化率が向上した。また、中央部に何も配置されていない比較例２及び３の触媒と比較した場合でも、５％以上浄化率が向上する結果となった。実施例１及び２の結果からは、パンチングチューブ形状体を配置したものがより好ましいことがわかる。また、パンチングチューブ形状体の全長が短い場合（比較例４）には二段型のメタルハニカム担体触媒（比較例３）と同程度の排ガス浄化能しか得られず、一方、全長が長い場合（比較例５）には逆にその性能が著しく低下した。尚、結果は示さないが、実施例１〜３の触媒は、ＣＯ浄化率だけでなく、ＮＯｘ及びＨＣについても同様に従来のものと比較して優れた浄化性能を示した。

本発明のメタル担体によれば、メタルハニカム体の途中にチューブ形状体及び／又はプレート形状体を介在させることで、触媒自体の容積を増大させることなく排ガス浄化性能を向上させることができる。その結果、従来よりも搭載性及び浄化性能が向上した排ガス浄化触媒用メタル担体を提供することができるため、本発明のメタル担体は、搭載性の観点から自動二輪車の排ガス浄化触媒用担体に好適である。

図１は、実施例１のメタル担体触媒の縦断面を表す。図２は、実施例１のメタル担体触媒のパンチングチューブ形状体部の横断面を表す（図１のＡ−Ａ線の横断面に相当）。図３は、実施例３のメタル担体触媒のパンチングプレート形状体部の横断面を表す。図４は、実施例１〜３の触媒と比較例１〜５の触媒の排ガス浄化性能を比較したグラフである。

符号の説明

１メタル担体触媒
２外筒
３ハニカム体
４パンチングチューブ形状体
５プレート形状体

Claims

金属製の平箔及び波箔から成るメタルハニカム体が金属製の外筒内に複数装入されて成る排ガス浄化触媒用メタル担体であって、当該外筒で覆われたメタルハニカム体間の空間内に全長が１０〜１００ｍｍの１又は複数のチューブ形状体及び／又は、排ガスの流れに対して垂直方向の面がＳ字型となるように成形されたプレート形状体が配置されている、排ガス浄化触媒用メタル担体。
複数のチューブ形状体及び／又はプレート形状体が同一空間内に配置されている、請求項１に記載の排ガス浄化触媒用メタル担体。