JP5804004B2 - 触媒コンバーター - Google Patents
触媒コンバーター Download PDFInfo
- Publication number
- JP5804004B2 JP5804004B2 JP2013172137A JP2013172137A JP5804004B2 JP 5804004 B2 JP5804004 B2 JP 5804004B2 JP 2013172137 A JP2013172137 A JP 2013172137A JP 2013172137 A JP2013172137 A JP 2013172137A JP 5804004 B2 JP5804004 B2 JP 5804004B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- catalyst layer
- base material
- exhaust gas
- catalytic converter
- catalyst
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 title claims description 38
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 196
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 50
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 claims description 25
- CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N ceric oxide Chemical compound O=[Ce]=O CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 229910000422 cerium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 24
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 18
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 17
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims description 11
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 210000002421 cell wall Anatomy 0.000 claims description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 48
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 30
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 21
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 11
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 10
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 10
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 7
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 6
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 4
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 4
- 229910021193 La 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 229910000420 cerium oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 229910052878 cordierite Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- JSKIRARMQDRGJZ-UHFFFAOYSA-N dimagnesium dioxido-bis[(1-oxido-3-oxo-2,4,6,8,9-pentaoxa-1,3-disila-5,7-dialuminabicyclo[3.3.1]nonan-7-yl)oxy]silane Chemical compound [Mg++].[Mg++].[O-][Si]([O-])(O[Al]1O[Al]2O[Si](=O)O[Si]([O-])(O1)O2)O[Al]1O[Al]2O[Si](=O)O[Si]([O-])(O1)O2 JSKIRARMQDRGJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoceriooxy)cerium Chemical compound [Ce]=O.O=[Ce]=O BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 239000011206 ternary composite Substances 0.000 description 3
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910017493 Nd 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 among them Substances 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 2
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 239000002562 thickening agent Substances 0.000 description 2
- 239000012855 volatile organic compound Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 239000011218 binary composite Substances 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000003203 everyday effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/10—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of rare earths
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
- B01J37/024—Multiple impregnation or coating
- B01J37/0244—Coatings comprising several layers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
- B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
- B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
- B01D53/9445—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC]
- B01D53/945—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC] characterised by a specific catalyst
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/002—Mixed oxides other than spinels, e.g. perovskite
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
- B01J23/54—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
- B01J23/56—Platinum group metals
- B01J23/63—Platinum group metals with rare earths or actinides
-
- B01J35/19—
-
- B01J35/56—
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/0009—Use of binding agents; Moulding; Pressing; Powdering; Granulating; Addition of materials ameliorating the mechanical properties of the product catalyst
- B01J37/0018—Addition of a binding agent or of material, later completely removed among others as result of heat treatment, leaching or washing,(e.g. forming of pores; protective layer, desintegrating by heat)
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
- B01J37/024—Multiple impregnation or coating
- B01J37/0248—Coatings comprising impregnated particles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2523/00—Constitutive chemical elements of heterogeneous catalysts
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
- Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
- Y02C20/10—Capture or disposal of greenhouse gases of nitrous oxide (N2O)
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Description
本発明は、排ガスの排気系統を構成する配管内に収容固定される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。このようなエコカーの開発に加えて、エンジンから排出される排ガスを浄化する排ガス浄化触媒に関する研究も盛んに行われている。この排ガス浄化触媒には、酸化触媒や三元触媒、NOx吸蔵還元触媒などが含まれており、この排ガス浄化触媒において触媒活性を発現するのは、白金（Pt）やパラジウム（Pd）、ロジウム（Rh）などの貴金属触媒であり、貴金属触媒はアルミナ（Al2O3）などの多孔質酸化物からなる担体に担持された状態で一般に用いられている。
車両エンジンとマフラーを繋ぐ排ガスの排気系統には、排ガスを浄化するための触媒コンバーターが一般に配設されている。エンジンはCOやNOx、未燃焼のHCやVOCなど、環境に有害な物質を排出することがあり、こうした有害物質を許容可能な物質に変換するべく、RhやPd、Ptのような貴金属触媒が担体に担持された触媒層が基材のセル壁面に配設されてなる触媒コンバーターに排ガスを通すことにより、COはCO2に転化され、NOxはN2とO2に転化され、VOCは燃焼してCO2とH2Oが生成されることになる。
貴金属触媒を担持する担体として、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り、この助触媒に必須の成分としてCeO2が挙げられる。この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。そして、この三元触媒の浄化ウィンドウを保持するべく、排ガスの雰囲気変動を吸収・緩和し、理論空燃比付近に保つことを可能としている。
ところで、レアメタル等の材料リスクの低減やコスト競争力の観点から、上記する三元触媒における貴金属触媒の使用量を如何にして低減するかが重要な要素となっている。しかしながら、三元触媒における貴金属触媒を大幅に低減すると触媒活性も大幅に低下し、上記するOSC能や低温活性、高温環境下におけるNOx浄化性能等が著しく低下してしまう。これは、貴金属触媒の大幅な低減によって活性点数も大幅に減少し、触媒反応サイトが大幅に減少することで浄化性能の低下が顕著になるというものである。
三元触媒で特に用いられるPtやPd、Rhといった貴金属触媒のうち、中でもRhはNOx浄化性能が最も優れている一方で単位重量当たりの市場価格が最も高くなっている。また、Rhが酸化セリウム（セリア）を含む担体上に担持されることで高いOSC能を発現することが分っているが、担体中の酸化セリウムが多くなるほどRhの特徴であるNOx浄化性能が逆に低下してしまうといった相反関係が存在することも分っている。したがって、三元触媒において貴金属触媒としてRhを使用するに当たり、OSC能とNOx浄化性能の双方の性能がともに最適なものとなる三元触媒製作上の設計指針が必要である。
最適な三元触媒の製作に関し、多様な触媒貴金属や担体が各成分によって性能が異なることに鑑み、各成分の性質を効果的に発揮できるように基材の上流側と下流側とで別個の成分を配置したゾーンコート触媒が鋭意研究されている。
このゾーンコート触媒に関し、特許文献１には、排ガスが流通するガス流路を形成する基材と、基材上に形成された触媒層とからなる排ガス浄化用触媒が開示されている。より具体的には、ここで適用される触媒層が、基材の表面に形成された下触媒層と、下触媒層の表面であってガス流れ方向の上流側を被覆する前段上触媒層と、下触媒層の表面であって前段上触媒層よりもガス流れ方向の下流側を被覆する後段上触媒層とから構成されており、下触媒層がPd及びPtの少なくとも一種を担持し、後段上触媒層がRhを担持し、前段上触媒層がPdを担持しており、前段上触媒層のPdを担持する担体がY2O3を含むZrO2複合酸化物となっている。この構成により、触媒貴金属の浄化特性を十分に発揮することができ、触媒の低温浄化性能を高めることができるとしている。また、低比熱で耐熱性に優れた、Y2O3を添加したZrO2複合材料を前段上触媒層の担体材料として使用することにより、触媒昇温性を向上させつつ耐熱性も確保することができ、耐久性を有する触媒暖機性を得ることができるとしている。
一方、特許文献２には、基材と、基材上に形成されてPd及びPtの少なくとも一種を含む下触媒層と、下触媒層上に形成されてRhを含む上触媒層を有する排ガス浄化用触媒であり、排ガス浄化用触媒の排ガス上流側に上触媒層を含まない領域が設けられ、下触媒層が排ガス上流側の前段下触媒層と排ガス下流側の後段下触媒層からなり、前段下触媒層が酸素吸放出材を含む排ガス浄化用触媒が開示されている。この構成により、各触媒層、特に排ガス下流側の後段下触媒層と上触媒層に担持された各触媒金属の粒成長を顕著に抑制することができ、さらには、排ガス上流側に上触媒層を含まない領域を設けることで、前段下触媒層内部へのHCの拡散性を高めることができ、前段下触媒層におけるHCの浄化が促進されて十分な触媒暖機性能を達成することができるとしている。
さらに、特許文献３には、排ガス浄化用触媒を構成する触媒層が、基材の表面に形成された下触媒層と、下触媒層の表面であってガス流れ方向の上流側を被覆する前段上触媒層と、下触媒層の表面であって前段上触媒層よりもガス流れ方向の下流側を被覆する後段上触媒層とから構成されている排ガス浄化用触媒が開示されている。ここで、下触媒層はPdおよびPtの少なくとも一種を担持しており、前段上触媒層はPdを担持しており、後段上触媒層はRhを担持していて、前段上触媒層のPd担持密度が4.5〜12質量％となっている。この構成により、触媒貴金属の浄化特性を十分に発揮でき、触媒の低温浄化性能を高めることができるとしている。
このように、ゾーンコート触媒に関する技術が多様に存在する中で、本発明者等はゾーンコート触媒の構成を見直し、OSC性能とNOx浄化性能に優れた触媒コンバーターの発案に至っている。
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、OSC 性能とNOx浄化性能に優れた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、排ガスが流通するセル構造の基材と、基材のセル壁面に形成されている触媒層とからなる触媒コンバーターであって、前記触媒層は、基材の表面において該基材の全長に亘って下触媒層を有し、下触媒層の表面において排ガスの流れ方向の上流側に第１の上触媒層を有し、排ガスの流れ方向の下流側に第２の上触媒層を有しており、下触媒層は担体と該担体に担持されたパラジウムとから形成されており、第１の上触媒層は、セリアを含むジルコニア系複合酸化物からなる担体と該担体に担持されたロジウムとから形成されており、第２の上触媒層は、セリアを含まないジルコニア系複合酸化物からなる担体と該担体に担持されたロジウムとから形成されており、第１の上触媒層は、基材の前記上流側の端部を起点として基材の全長のX%(30〜70%)の範囲に形成されており、第２の上触媒層は、基材の前記下流側の端部を起点として基材の全長の100-X%の範囲に形成されているものである。
本発明の触媒コンバーターは、セル構造の基材のセル壁に形成される触媒層としてゾーンコート触媒を適用するものにおいて、基材の表面には基材の全長に亘って下触媒層を有し、下触媒層の表面に上触媒層が積層された２層構造の触媒層を有するものであって、基材の排ガス流れ方向の上流側（Fr側）に第１の上触媒層、下流側（Rr側）に第２の上触媒層を有しており、したがって、２層構造の触媒層における上層の触媒層にゾーンコート触媒層を適用したものである。そして、第１の上触媒層がセリアを含むジルコニア系複合酸化物からなる担体を有し、第２の上触媒層がセリアを含まないジルコニア系複合酸化物からなる担体を有してともにロジウムを担持しており、さらに、第１の上触媒層が基材の全長のX%(30〜70%)の範囲に形成されていることにより、OSC 性能とNOx浄化性能に優れた触媒コンバーターとなっている。
ここで、セル構造の基材は、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムおよび二酸化珪素の複合酸化物からなるコージェライトや炭化ケイ素等のセラミックス素材からなるもののほか、メタル素材等のセラミックス素材以外の素材のものを使用してもよい。また、その構成は、四角形や六角形、八角形等の多数の格子輪郭のセルを具備するいわゆるハニカム構造体が適用できる。
また、基材のセル壁面に形成される下触媒層は、担体としてセリア（CeO2）、ジルコニア（ZrO2）およびアルミナ（Al2O3）のいずれか一種からなる酸化物や、二種以上からなる複合酸化物（いわゆるCZ材であるCeO2-ZrO2化合物、拡散障壁としてAl2O3が導入されたAl2O3-CeO2-ZrO2三元系複合酸化物（ACZ材）など）を挙げることができる。
一方、上触媒層のうち、上流側の第１の上触媒層に適用される担体として、セリア（CeO2）からなる酸化物や、セリア（CeO2）やジルコニア（ZrO2）等、二種以上からなる複合酸化物（いわゆるCZ材であるCeO2-ZrO2化合物、拡散障壁としてAl2O3が導入されたAl2O3-CeO2-ZrO2三元系複合酸化物（ACZ材）など）を挙げることができる。対して、下流側の第２の上触媒層に適用される担体としては、セリア（CeO2）以外の酸化物として、ジルコニア（ZrO2）およびアルミナ（Al2O3）のいずれか一種からなる酸化物や、Al2O3- ZrO2二元系複合酸化物（AZ材）などを挙げることができる。
本発明者等の検証によれば、貴金属触媒としてロジウムが適用された担体としてセリアを含む第１の上触媒層が基材の全長のX%(30〜70%)の範囲に形成され、セリアを含まない第２の上触媒層が残りの長さを有していることにより、相反関係にあるOSC 性能とNOx浄化性能がともに良好な触媒が得られることが特定されている。
本発明の触媒コンバーターは、好適には耐熱衝撃性に優れたコージェライトハニカム担体を有するものであるが、それ以外にも電気加熱式の触媒コンバーター（EHC: Electrically Heated Converter）であってもよい。この電気加熱式の触媒コンバーターは、たとえばハニカム触媒に一対の電極を取り付け、電極を通電することでハニカム触媒を加熱し、ハニカム触媒の活性を高めてこれを通過する排ガスを無害化するものであり、車両エンジンとマフラーを繋ぐ排ガスの排気系統に適用することで、常温時の排ガスを浄化することに加えて、冷間時には電気加熱によって触媒を活性化させて排ガスを浄化することができる。
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、基材の表面には基材の全長に亘って下触媒層を有し、下触媒層の表面に上触媒層が積層された２層構造の触媒層を有するものであって、基材の排ガス流れ方向の上流側に第１の上触媒層、下流側に第２の上触媒層を有しており、したがって、２層構造の触媒層における上層の触媒層にゾーンコート触媒層を適用したものにおいて、第１の上触媒層がセリアを含むジルコニア系複合酸化物からなる担体を有し、第２の上触媒層がセリアを含まないジルコニア系複合酸化物からなる担体を有してともにロジウムを担持しており、さらに、第１の上触媒層が基材の全長のX%(30〜70%)の範囲に形成されていることにより、OSC 性能とNOx浄化性能に優れた触媒コンバーターが提供できる。
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。
（排ガスの排気系統）
まず、本発明の触媒コンバーターが介在する排ガスの排気系統を概説する。本発明の触媒コンバーターが適用される排ガスの排気系統は、エンジン、触媒コンバーター、三元触媒コンバーター、サブマフラーおよびメインマフラーが配されて相互に系統管で繋がれ、エンジンで生成された排ガスが系統管を介して各部を流通し、排気されるようになっている。次に、以下、触媒コンバーターの実施の形態を説明する。
まず、本発明の触媒コンバーターが介在する排ガスの排気系統を概説する。本発明の触媒コンバーターが適用される排ガスの排気系統は、エンジン、触媒コンバーター、三元触媒コンバーター、サブマフラーおよびメインマフラーが配されて相互に系統管で繋がれ、エンジンで生成された排ガスが系統管を介して各部を流通し、排気されるようになっている。次に、以下、触媒コンバーターの実施の形態を説明する。
（触媒コンバーターの実施の形態）
図１ａは本発明の触媒コンバーターの模式図であり、図１ｂはセルの一部を拡大した図である。また、図２ａ，ｂはともに触媒層の実施の形態を説明した縦断面図である。
図１ａは本発明の触媒コンバーターの模式図であり、図１ｂはセルの一部を拡大した図である。また、図２ａ，ｂはともに触媒層の実施の形態を説明した縦断面図である。
図１で示す触媒コンバーター１０は、多数のセルを有する筒状の基材１と、セルを構成するセル壁２の表面に形成された触媒層３とから大略構成されている。
ここで、基材１の素材としては、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムおよび二酸化珪素の複合酸化物からなるコージェライトや炭化ケイ素等のセラミックス素材、メタル素材等のセラミックス素材以外の素材を挙げることができる。
基材１は、四角形や六角形、八角形等の多数の格子輪郭のセルを具備するハニカム構造体からなり、基材１において排ガスの流れ方向上流側（Fr側）の端部のセル内に流入した排ガスは、基材１の内部を流通し、この流通過程で浄化され、基材１において排ガスの流れ方向下流側（Rr側）の端部から浄化された排ガスが流出するようになっている（Ｘ方向）。
次に、図２ａ，ｂを参照して、触媒層の実施の形態を説明する。
図２ａで示す触媒層３は、基材１の表面に形成される下触媒層４と、下触媒層４の表面に形成される上触媒層５とから構成され、上触媒層５はさらに、排ガスの流れ方向の上流側の第１の上触媒層６と、排ガスの流れ方向の下流側の第２の上触媒層７とから構成され、したがって、上触媒層５がゾーンコート触媒層となっている。
図２ａで示す触媒層３は、基材１の表面に形成される下触媒層４と、下触媒層４の表面に形成される上触媒層５とから構成され、上触媒層５はさらに、排ガスの流れ方向の上流側の第１の上触媒層６と、排ガスの流れ方向の下流側の第２の上触媒層７とから構成され、したがって、上触媒層５がゾーンコート触媒層となっている。
下触媒層４は基材１の全長に亘る長さを有し、酸化物の担体に貴金属触媒であるパラジウムが担持されて形成されている。
ここで、下触媒層４を形成する酸化物の担体としては、セリア（CeO2）、ジルコニア（ZrO2）およびアルミナ（Al2O3）のいずれか一種からなる酸化物、二種以上からなる複合酸化物（いわゆるCZ材であるCeO2-ZrO2化合物、拡散障壁としてAl2O3が導入されたAl2O3-CeO2-ZrO2三元系複合酸化物（ACZ材）など）などが適用される。
一方、図２ａで示す形態の上触媒層５を構成する第１の上触媒層６は、基材１の全長の30%の長さを有しており、酸化物の担体に貴金属触媒であるロジウムが担持されて形成されている。また、第２の上触媒層７は、基材１の全長の70%の長さを有しており、酸化物の担体に貴金属触媒であるロジウムが担持されて形成されている。
ここで、第１の上触媒層６を形成する酸化物の担体は、少なくともセリア（CeO2）を含む担体であり、セリア（CeO2）からなる酸化物や、セリア（CeO2）やジルコニア（ZrO2）等、二種以上からなる複合酸化物（いわゆるCZ材であるCeO2-ZrO2化合物、拡散障壁としてAl2O3が導入されたAl2O3-CeO2-ZrO2三元系複合酸化物（ACZ材）など）などが適用される。
一方、第２の上触媒層７を形成する酸化物の担体は、セリアを含まない担体であり、ジルコニア（ZrO2）およびアルミナ（Al2O3）のいずれか一種からなる酸化物や、Al2O3- ZrO2二元系複合酸化物（AZ材）などが適用される。
ロジウムがセリアを含む担体上に担持されることで高いOSC能を発現する一方で、担体中のセリアが多くなるほどロジウムの特徴であるNOx浄化性能が逆に低下してしまうといった相反関係が存在する。このことに関し、図示する形態のようにセリアを含む触媒層と含まない触媒層でゾーンコートした構成を適用したことにより、OSC能とNOx浄化性能の双方の性能がともに良好な触媒層を形成することができる。
図２ｂで示す触媒層３Ａを構成する上触媒層５Ａは、第１の上触媒層６Ａと第２の上触媒層７Ａの長さがそれぞれ、基材１の全長の70%、30%であり、図２ａで示す形態と双方の長さが逆転したものである。
後述するように、本発明者等の検証により、第１の上触媒層の長さが基材１の全長の30〜70%の範囲（逆に第２の上触媒層の長さが70〜30%の範囲）にある場合に、OSC能とNOx浄化性能の双方の性能がともに良好な触媒層が形成されることが特定されている。
[本発明の触媒コンバーターの性能評価試験、および第１の上触媒層のコート幅の最適範囲を特定する試験とそれらの結果]
本発明者等は、以下の方法で触媒スラリーおよび触媒コンバーターを製作し、耐久試験とエンジンベンチ評価をおこなって、触媒コンバーターの性能評価をおこなうとともに、第１の上触媒層のコート幅の最適範囲を特定した。触媒層は以下の表１で示す実施例1〜3、比較例1〜4の7種作成し、各触媒層を備えた触媒コンバーターを製作して耐久試験を実施し、定常Rich状態でのNOx量を測定し、酸素吸放出量を測定した。
本発明者等は、以下の方法で触媒スラリーおよび触媒コンバーターを製作し、耐久試験とエンジンベンチ評価をおこなって、触媒コンバーターの性能評価をおこなうとともに、第１の上触媒層のコート幅の最適範囲を特定した。触媒層は以下の表１で示す実施例1〜3、比較例1〜4の7種作成し、各触媒層を備えた触媒コンバーターを製作して耐久試験を実施し、定常Rich状態でのNOx量を測定し、酸素吸放出量を測定した。
（触媒スラリーの作製方法について）
下触媒層（Pd触媒層）形成用のスラリーの作製に関し、Al2O3複合酸化物65g/Lに硝酸Pd溶液を担体中に含浸させ、1.0質量%の担持粉末を作製した。次いで、CeO2-ZrO2複合酸化物(CeO2/ZrO2/La2O3/Y2O3=30/60/5/5(質量%))を85g/Lと、酢酸Baを10g/L相当と水、Al2O3バインダー、酢酸、増粘剤等を所定量混合し、Pd触媒スラリーを得た。
下触媒層（Pd触媒層）形成用のスラリーの作製に関し、Al2O3複合酸化物65g/Lに硝酸Pd溶液を担体中に含浸させ、1.0質量%の担持粉末を作製した。次いで、CeO2-ZrO2複合酸化物(CeO2/ZrO2/La2O3/Y2O3=30/60/5/5(質量%))を85g/Lと、酢酸Baを10g/L相当と水、Al2O3バインダー、酢酸、増粘剤等を所定量混合し、Pd触媒スラリーを得た。
一方、上触媒層（Rh触媒層）形成用のスラリーの作製に関し、CeO2-ZrO2複合酸化物(Al2O3/CeO2/ZrO2/La2O3/Y2O3/Nd2O3=30/20/44/2/2/2(質量%))、ないしはZrO2複合酸化物(Al2O3/ ZrO2/La2O3/Nd2O3=50/46/2/2(質量%))を65g/Lとなるように調合し、Rhはそれぞれの担体に0.3質量%となるように担持した。さらに、La添加Al2O3を25g/Lと、酢酸Baを10g/L相当と水、Al2O3バインダー、酢酸、増粘剤等を所定量混合し、Rh触媒スラリーを得た。なお、比較例3の触媒層に関しては、CeO2-ZrO2複合酸化物とZrO2複合酸化物を1:1で配合し、トータル量を一定とした。
875ccのモノリス基材を用意し、上記する調整スラリーを吸引方式でコートした（Pd触媒層は基材長に対して100%、各Rh触媒層は以下の表1に示す通り）。
（耐久試験について）
実機エンジン直下に作製した触媒コンバーターをセットし、A/Fはサイクリックに変化する複合パターン下で床温1000℃で50時間の耐久試験を実施した。
実機エンジン直下に作製した触媒コンバーターをセットし、A/Fはサイクリックに変化する複合パターン下で床温1000℃で50時間の耐久試験を実施した。
（エンジンベンチ評価について）
別途の実機エンジンに耐久試験後の触媒コンバーターをセットし、A/Fをリッチ〜リーンに矩形状に変動させ、リッチ120秒保持した際の浄化性能をNOx平均排出量として算出した。試験結果を以下の表２と図３〜５に示す。
別途の実機エンジンに耐久試験後の触媒コンバーターをセットし、A/Fをリッチ〜リーンに矩形状に変動させ、リッチ120秒保持した際の浄化性能をNOx平均排出量として算出した。試験結果を以下の表２と図３〜５に示す。
図３において、比較例1〜3を通る一点鎖線は従来技術のトレードオフラインであり、たとえばNOx浄化率を高めると酸素吸放出量が低下する傾向を示している。
図３において、実施例1の結果はトレードオフラインよりも双方の性能が良好な領域にあり、上触媒層のゾーンコートによるものと考えられる。
また、図４，５では、ともに比較例1、2を通る実線ラインを閾ラインとし、この閾ラインに対して実施例1〜3がともに良好な性能を示していることが確認できる。
加えて、図４，５より、第１の上触媒層のコート幅が30〜70%の範囲でOSC 性能とNOx浄化性能がともに優れた触媒層となっていることが確認できる。
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、２…セル壁、３，３Ａ…触媒層、４…下触媒層、５，５Ａ…上触媒層、６，６Ａ…第１の触媒層、７，７Ａ…第２の触媒層、１０…触媒コンバーター、Ｆｒ…排ガスの流れ方向上流側、Ｒｒ…排ガスの流れ方向下流側
Claims (1)
- 排ガスが流通するセル構造の基材と、基材のセル壁面に形成されている触媒層とからなる触媒コンバーターであって、
前記触媒層は、基材の表面において該基材の全長に亘って下触媒層を有し、下触媒層の表面において排ガスの流れ方向の上流側に第１の上触媒層を有し、排ガスの流れ方向の下流側に第２の上触媒層を有しており、
下触媒層は担体と該担体に担持されたパラジウムとから形成されており、
第１の上触媒層は、セリアを含むジルコニア系複合酸化物からなる担体と該担体に担持されたロジウムとから形成されており、
第２の上触媒層は、セリアを含まないジルコニア系複合酸化物からなる担体と該担体に担持されたロジウムとから形成されており、
第１の上触媒層は、基材の前記上流側の端部を起点として基材の全長のX%(30〜70%)の範囲に形成されており、
第２の上触媒層は、基材の前記下流側の端部を起点として基材の全長の100-X%の範囲に形成されている触媒コンバーター。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013172137A JP5804004B2 (ja) | 2013-08-22 | 2013-08-22 | 触媒コンバーター |
| CN201480045854.XA CN105492107B (zh) | 2013-08-22 | 2014-08-12 | 催化转化器 |
| PCT/IB2014/001506 WO2015025200A1 (en) | 2013-08-22 | 2014-08-12 | Catalytic converter |
| DE112014003853.9T DE112014003853T5 (de) | 2013-08-22 | 2014-08-12 | Katalysator |
| US14/912,967 US9597660B2 (en) | 2013-08-22 | 2014-08-12 | Catalytic converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013172137A JP5804004B2 (ja) | 2013-08-22 | 2013-08-22 | 触媒コンバーター |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2015039667A JP2015039667A (ja) | 2015-03-02 |
| JP5804004B2 true JP5804004B2 (ja) | 2015-11-04 |
Family
ID=51626079
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2013172137A Active JP5804004B2 (ja) | 2013-08-22 | 2013-08-22 | 触媒コンバーター |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9597660B2 (ja) |
| JP (1) | JP5804004B2 (ja) |
| CN (1) | CN105492107B (ja) |
| DE (1) | DE112014003853T5 (ja) |
| WO (1) | WO2015025200A1 (ja) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5870981B2 (ja) | 2013-10-09 | 2016-03-01 | トヨタ自動車株式会社 | 触媒コンバーター |
| JP6460817B2 (ja) | 2015-02-04 | 2019-01-30 | 株式会社キャタラー | 排ガス浄化用触媒 |
| JP6504096B2 (ja) * | 2015-06-19 | 2019-04-24 | マツダ株式会社 | 排気ガス浄化用触媒 |
| JP6540534B2 (ja) | 2016-02-10 | 2019-07-10 | トヨタ自動車株式会社 | 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒 |
| JP6372513B2 (ja) * | 2016-04-13 | 2018-08-15 | トヨタ自動車株式会社 | 触媒コンバーター |
| JP6864677B2 (ja) * | 2016-05-24 | 2021-04-28 | 株式会社キャタラー | 排ガス浄化用触媒 |
| US10967362B2 (en) * | 2016-07-20 | 2021-04-06 | Umicore Shokubai Japan Co., Ltd. | Catalyst for purification of exhaust gas from internal combustion engine and method for purification of exhaust gas using the catalyst |
| US10650621B1 (en) | 2016-09-13 | 2020-05-12 | Iocurrents, Inc. | Interfacing with a vehicular controller area network |
| US11149603B2 (en) | 2017-04-28 | 2021-10-19 | Umicore Shokubai Japan Co., Ltd. | Exhaust gas purification catalyst and exhaust gas purification method using the same |
| CN109763878A (zh) * | 2019-01-28 | 2019-05-17 | 康子鑫 | 一种用于汽车控制排放量的催化转化器 |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3664019B2 (ja) * | 1999-12-27 | 2005-06-22 | 日産自動車株式会社 | 触媒コンバータ |
| JP3855266B2 (ja) * | 2001-11-01 | 2006-12-06 | 日産自動車株式会社 | 排気ガス浄化用触媒 |
| JP3965676B2 (ja) * | 2001-12-27 | 2007-08-29 | 日産自動車株式会社 | 排ガス浄化用触媒及び排ガス浄化システム |
| JP3795871B2 (ja) * | 2003-03-20 | 2006-07-12 | 株式会社キャタラー | 排ガス浄化用触媒システム |
| JP4682151B2 (ja) * | 2004-11-25 | 2011-05-11 | 株式会社キャタラー | 排ガス浄化用触媒 |
| JP4669322B2 (ja) * | 2005-05-24 | 2011-04-13 | 株式会社キャタラー | 排ガス浄化用触媒 |
| JP4826207B2 (ja) * | 2005-10-28 | 2011-11-30 | 日産自動車株式会社 | 排ガス浄化触媒及び排ガス浄化触媒の製造方法 |
| JP4935219B2 (ja) | 2006-07-20 | 2012-05-23 | トヨタ自動車株式会社 | 排ガス浄化用触媒 |
| JP5492448B2 (ja) * | 2009-04-28 | 2014-05-14 | 株式会社キャタラー | 排ガス浄化用触媒 |
| WO2011081219A2 (en) * | 2010-01-04 | 2011-07-07 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Catalyst for converting exhaust gases |
| JP5573710B2 (ja) | 2010-07-23 | 2014-08-20 | トヨタ自動車株式会社 | 排ガス浄化用触媒 |
| JP5287884B2 (ja) | 2011-01-27 | 2013-09-11 | トヨタ自動車株式会社 | 排ガス浄化用触媒 |
| JP5709005B2 (ja) | 2011-10-26 | 2015-04-30 | トヨタ自動車株式会社 | 排ガス浄化用触媒及びその製造方法 |
-
2013
- 2013-08-22 JP JP2013172137A patent/JP5804004B2/ja active Active
-
2014
- 2014-08-12 CN CN201480045854.XA patent/CN105492107B/zh active Active
- 2014-08-12 WO PCT/IB2014/001506 patent/WO2015025200A1/en active Application Filing
- 2014-08-12 DE DE112014003853.9T patent/DE112014003853T5/de not_active Ceased
- 2014-08-12 US US14/912,967 patent/US9597660B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2015039667A (ja) | 2015-03-02 |
| DE112014003853T5 (de) | 2016-05-19 |
| US20160199812A1 (en) | 2016-07-14 |
| CN105492107A (zh) | 2016-04-13 |
| CN105492107B (zh) | 2017-03-01 |
| WO2015025200A1 (en) | 2015-02-26 |
| US9597660B2 (en) | 2017-03-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5870981B2 (ja) | 触媒コンバーター | |
| JP5846137B2 (ja) | 触媒コンバーター | |
| JP5804004B2 (ja) | 触媒コンバーター | |
| JP6213508B2 (ja) | 触媒コンバーター | |
| JP6372513B2 (ja) | 触媒コンバーター | |
| JP4751917B2 (ja) | 排ガス浄化用触媒 | |
| JP6176278B2 (ja) | 触媒コンバーター | |
| JP6864677B2 (ja) | 排ガス浄化用触媒 | |
| JP4935219B2 (ja) | 排ガス浄化用触媒 | |
| JP2010029752A (ja) | 排気ガス浄化触媒装置、並びに排気ガス浄化方法 | |
| JP2017104825A (ja) | 触媒コンバーター | |
| JP2009273988A (ja) | 排ガス浄化用触媒 | |
| JP2009285605A (ja) | 排ガス浄化用触媒 | |
| JP6625920B2 (ja) | 触媒コンバーター | |
| JP2017104823A (ja) | 触媒コンバーター | |
| JP5757297B2 (ja) | 触媒コンバーター | |
| JP5328133B2 (ja) | 排ガス浄化用触媒 | |
| JP2006068679A (ja) | 排ガス浄化用触媒 | |
| JP6571570B2 (ja) | 自動車排ガス浄化用触媒 | |
| JP2019181339A (ja) | 排ガス浄化用触媒 | |
| JP2015071140A (ja) | 触媒コンバーター |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20150326 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20150731 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20150804 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20150817 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5804004 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |