JP7120959B2 - 構造体 - Google Patents

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Description

本発明は、排ガス浄化用の構造体に関する。
自動車等の内燃機関から排出される排ガスには、大気汚染の原因となる炭素を主成分とする粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）、不燃成分からなるアッシュ等が含まれ、これらは大気汚染の原因となることが知られている。粒子状物質及びアッシュを排ガスから捕集して除去するためのフィルタとして、ウォールフロー構造のフィルタが広く用いられている。ディーゼルエンジン用のディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）や、ディーゼルエンジンよりは少ないものの一定量の粒子状物質を排ガスとともに排出するガソリンエンジン用のガソリンパティキュレートフィルタ（ＧＰＦ）等が開発されている。
ここで、排ガスには、粒子状物質の他にも、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害成分が含まれている。これらの有害成分は、貴金属触媒等の触媒を塗布したフィルタによって排ガスから除去することができる。
特許文献１において、排ガス中のＮＯｘとＰＭを除去するディーゼルエンジンの排気浄化装置が提案されている。排気浄化装置中のＤＰＦは、多孔質部材からなる隔壁により画成された排気流と略平行な多数のセルを有する。各セルの入り口と出口は、目封材により互い違いに千鳥格子状に目封じされている。ＤＰＦの排気流入面には、窒素酸化物を選択還元浄化する触媒と、窒素酸化物の通過を許容する一方で粒子状物質の通過を阻止する大きさの細孔が形成された薄膜とが、この順でコーティングされている。
特許文献２において、触媒を担持したパティキュレートフィルタが提案されている。この触媒を担持したパティキュレートフィルタは、入側セルと出側セルを仕切る多孔質の隔壁を有するウォールフロー構造の基材と、隔壁の入側セルの側の表面に、排ガス流入側の端部からセルの延伸方向に沿って所定の長さで形成されている第１触媒層と、隔壁の内部であって少なくとも出側セルに面する領域の少なくとも一部に、排ガス流出側の端部からセルの延伸方向に沿って形成されている第２触媒層とを備える。
特開２０１０－６５５５４号公報 特許第６３８６６９７号公報
排ガス浄化に用いられるフィルタは、排ガスの圧力損失を生じさせ、その結果エンジン性能を低下させることがある。そのため、排ガス浄化用フィルタによる圧力損失を低減することが求められている。そこで本発明は、排ガスの圧力損失が低減された排ガス浄化用フィルタとして用いることができる構造体を提供することを目的とする。
本発明の一態様に従えば、第一端面及び第二端面を有する基材、第一触媒、及び第二触媒を有する構造体であって、
前記基材が、前記第一端面と前記第二端面の間で延伸する複数のセルを画成する多孔質の隔壁を有し、
前記複数のセルが、
前記第一端面において開口し、前記第二端面において封止された第一セルと、
前記第一セルに前記隔壁を挟んで隣接し、前記第一端面において封止され、前記第二端面において開口する第二セルと、を含み、
前記構造体が、
前記第一端面と前記第一端面から前記複数のセルの延伸方向に沿って第一距離を隔てた第一位置との間の第一領域と、
前記第一位置と前記第一位置から前記第二端面に向かって前記複数のセルの延伸方向に沿って第二距離を隔てた第二位置との間の第二領域と、
前記第二位置と前記第二端面との間の第三領域と、を含み、
前記第一領域において、前記第一触媒が前記隔壁の前記第一セル側の表面に配置され、前記第一触媒が配置された前記隔壁がガス非透過性であり、
前記第二領域において、前記第一触媒が配置されず、前記第二触媒が前記隔壁の内部の前記第一セルに面する部分を少なくとも含む領域に配置され、前記第二触媒が配置された前記隔壁がガス透過性であり、
前記第三領域において、前記第一触媒と前記第二触媒のいずれも配置されず、前記隔壁がガス透過性である構造体が提供される。
本発明の構造体を用いた排ガス浄化用フィルタは、圧力損失が小さい。
図１は、実施形態に係る構造体を模式的に示す斜視図である。 図２は、一実施形態に係る構造体をセルの延伸方向に平行な面で切断した要部拡大端面図であり、隔壁近傍の構成を模式的に示している。
実施形態に係る構造体１を、図１、２を参照しながら説明する。実施形態に係る構造体１は、基材１０、第一触媒３０、及び第二触媒５０を有する。
（１）基材１０
基材１０は、円筒状の枠部１１と、枠部の内側の空間をハニカム状に仕切る隔壁１２から構成される。枠部１１と隔壁１２は一体的に形成されていてよい。図１の枠部１１は、円筒状であるが、これに限定されず、楕円筒状、多角筒状等の任意の形状であってよい。隔壁１２は、基材１０の第一端面Ｉと第二端面Ｊの間に延設され、第一端面Ｉと第二端面Ｊの間で延伸する複数のセルを画成する。複数のセルは、第一セル１４及び第二セル１６から構成される。第一セル１４は、第一端面Ｉにおいて開口し、第二端面Ｊにおいて封止部７０により目封じ（封止）されている。第二セル１６は第一端面Ｉにおいて封止部７０により目封じされ、第二端面Ｊにおいて開口している。第一セル１４と第二セル１６は、隔壁１２を挟んで互いに隣接するように配置される。第一セル１４と第二セル１６の延伸方向に直交する面で切断した断面形状は、正方形であってよいが、それに限定されず、それぞれ、平行四辺形、長方形、台形などの矩形、三角形、その他の多角形（例えば、六角形、八角形）、円形等の種々の幾何学形状であってよい。
隔壁１２は、排ガスが通過可能な多孔質材料から形成される。例えば、コージェライト、アルミニウムチタネート、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ムライト等のセラミックス、合金（ステンレス等）から形成されてよい。多孔質材料である隔壁１２は、排ガスが通過可能な細孔を含む。枠部１１の材料は特に限定されないが、例えば、隔壁１２と同様の材料から形成されてよい。
図１中の白抜き矢印は、構造体１に導入され、構造体１から排出される排ガスの向きを示している。排ガスは、第一端面Ｉから構造体１に流入し、第二端面Ｊを通って構造体１から排出される。そのため、以降、適宜、第一端面を入口端面、第二端面を出口端面とも呼ぶ。また、排ガスは、図２中の破線矢印で示すように、入口端面Ｉで第一セル１４に流入し、第一セル１４とそれに隣接する第二セル１６とを仕切る多孔質の隔壁１２を通過して第二セル１６に流入し、出口端面Ｊで第二セル１６から排出される。そのため、第一セルを入側セル、第二セルを出側セルとも呼ぶ。
また、構造体１は、入側セル１４及び出側セル１６の延伸方向（すなわち、隔壁１２の延設方向、以下適宜「延伸方向」と称する）に沿って、３個の領域、すなわち、第一領域Ｘ、第二領域Ｙ及び第三領域Ｚを含む。第一領域Ｘは、入口端面Ｉと入口端面Ｉから延伸方向に沿って第一距離ＤＸを隔てた第一位置Ｋとの間の領域である。第二領域Ｙは、第一位置Ｋと第一位置Ｋから出口端面Ｊに向かって延伸方向に沿って第二距離ＤＹを隔てた第二位置Ｌとの間の領域である。第三領域Ｚは、第二位置Ｌと出口端面Ｊの間の領域である。なお、第一距離ＤＸ、第二距離ＤＹ、及び第二位置Ｌと出口端面Ｊの間の第三距離ＤＺの合計は、隔壁１２の全長と等しい。また、第一距離ＤＸと第二距離ＤＹの合計は、入側セル１４の全長よりも短い。
（２）第一触媒３０
第一触媒３０は、第一領域Ｘにおいて、隔壁１２の入側セル１４側の表面１２ａに配置される。図２に示す実施形態では、第一領域Ｘにおいて、隔壁１２の入側セル１４側の表面１２ａに、第一触媒３０を含む層（第一触媒層）３２が設けられている。
第一領域Ｘにおいて、第一触媒３０が配置された隔壁１２はガス非透過性である。図２に示す構造体１では、第一領域Ｘにおいて、第一触媒層３２が隔壁１２の細孔を閉鎖しており、そのため、第一領域Ｘにおいて隔壁１２はガス非透過性である。なお、第一触媒３０の配置は図２に示す配置には限定されない。例えば、図２に示す第一触媒層３２に加えて又はこれに代えて、第一触媒３０を含む材料が、隔壁１２の入側セル１４側の表面１２ａから隔壁１２の細孔に入り込んで細孔を塞ぐように配置されていてもよい。また、隔壁１２の入側セル１４側の表面１２ａに、第一触媒３０を含まない隔壁１２の細孔を閉鎖する層が形成され、該層の上に第一触媒３０が配置されていてもよい。なお、「ガス非透過性」とは、実質的にガスが透過しないことを意味し、具体的には、第三領域Ｚにおける隔壁１２のガス透過率の０．１倍以下のガス透過率を有することを意味する。
図２に示す実施形態では、第二領域Ｙにおいて第一触媒３０は配置されない。なお、「第二領域Ｙにおいて第一触媒３０が配置されない」とは、第二領域Ｙにおいて第一触媒３０が実質的に配置されないことを意味し、具体的には、第二領域Ｙ中の第一領域Ｘに近接する領域において、隔壁１２がガス非透過性とならない程度の量の第一触媒３０が配置されている場合も包含する。第三領域Ｚにおいても第一触媒３０は配置されない。なお、「第三領域Ｚにおいて第一触媒３０が配置されない」とは、第三領域Ｚに第一触媒３０が実質的に配置されないことを意味し、具体的には、第三領域Ｚにおいて隔壁１２のガス透過性に影響を及ぼさない程度の量の第一触媒３０が配置されている場合も包含する。
第一触媒３０としては、ＨＣを酸化させるための触媒を用いてよい。例えば、白金族であるロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）などの貴金属、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などの金属を用いることができる。これらのうち２種以上の合金を用いてもよい。アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属など、他の金属を用いてもよい。
第一触媒３０は担体に担持されていてよい。担体としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、セリア（ＣｅＯ２）、シリカ（ＳｉＯ２）、マグネシア（ＭｇＯ）、酸化チタン（チタニア：ＴｉＯ２）等の金属酸化物、及びこれらの固溶体（例えばセリア－ジルコニア（ＣｅＯ２－ＺｒＯ２）複合酸化物）が挙げられる。これらの二種以上を併用してもよい。
第一触媒３０は、例えば以下のようにして、第一領域Ｘにおいて隔壁１２の入側セル１４側の表面１２ａに配置することができる。まず、第一触媒３０を含むスラリーを用意する。スラリー中の第一触媒３０は担体粉末に担持されていてよい。また、スラリーはさらにバインダ、添加物等を含んでよい。用意したスラリーを、第一領域Ｘ内の隔壁１２の入側セル１４側の表面１２ａに塗布する。例えば、基材１０を入口端面Ｉ側からスラリーに浸漬し、所定の時間が経過した後、該スラリーから基材１０を取り出すことにより、スラリーを隔壁１２の表面１２ａに塗布できる。あるいは、基材１０の入口端面Ｉ側から入側セル１４にスラリーを流し込み、入口端面Ｉにブロアーで風を吹きつけてスラリーを出口端面Ｊに向かって塗り広げることにより、スラリーを隔壁１２の表面１２ａに塗布してもよい。次に、所定の温度および時間でスラリーを乾燥、焼成することにより、隔壁１２の入側セル１４側の表面１２ａに第一触媒３０を固定できる。
なお、第一領域Ｘにおいて、隔壁１２の細孔が塞がれて隔壁１２がガス非透過性となるとともに、隔壁１２の入側セル１４側の表面１２ａに第一触媒３０が配置されるように、第一触媒３０を含むスラリーの性状、例えば、粘性、固形成分の粒子径等を適宜調整してよい。例えばスラリー中の固形成分の粒径を大きくすることにより、隔壁１２の入側セル１４側の表面１２ａに第一触媒層３２を形成することができる。それにより、第一領域Ｘにおいて、隔壁１２の入側セル１４側の表面１２ａに第一触媒３０が配置されるとともにガスが隔壁１２を透過しなくなる。
（３）第二触媒５０
図２に示す実施形態では、第二触媒５０は、第一領域Ｘ及び第二領域Ｙにおいて、隔壁１２の内部に配置される。なお、第一領域Ｘに配置される第二触媒５０は必須ではない。第二触媒５０は、隔壁１２の、入側セル１４に面する部分を少なくとも含む領域に配置される。なお、図２において、隔壁１２の入側セル１４側の表面１２ａの近傍の領域のみに第二触媒５０が配置されているが、それに限定されず、出側セル１６側の表面１２ｂの近傍の領域にも第二触媒５０が配置されてもよい。第二触媒５０は、隔壁１２の内部の細孔の全てを閉塞することなく、細孔を取り囲む隔壁１２の表面（内表面）に配置される。そのため、第二領域Ｙにおいて、隔壁１２はガス透過性である。
第三領域Ｚにおいて、第二触媒５０は配置されない。なお、「第三領域Ｚにおいて第二触媒５０が配置されない」とは、第三領域Ｚに第二触媒５０が実質的に配置されないことを意味し、具体的には、第三領域Ｚにおいて隔壁１２のガス透過性に影響を及ぼさない程度の量の第二触媒５０が配置されている場合も包含する。
第二触媒５０としては、ＮＯｘを還元するための触媒を用いてよい。例えば、白金族であるロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）などの貴金属、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などの金属を用いることができる。これらのうち２種以上の合金を用いてもよい。アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属など、他の金属を用いてもよい。
第二触媒５０は、隔壁１２の細孔内において、担体に担持されていてよい。担体としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、セリア（ＣｅＯ２）、シリカ（ＳｉＯ２）、マグネシア（ＭｇＯ）、酸化チタン（チタニア：ＴｉＯ２）等の金属酸化物、及びこれらの固溶体（例えばセリア－ジルコニア（ＣｅＯ２－ＺｒＯ２）複合酸化物）が挙げられる。これらの二種以上を併用してもよい。
第二触媒５０は、例えば以下のようにして、第一領域Ｘ及び第二領域Ｙにおいて隔壁１２の内部に配置することができる。まず、第二触媒５０を含むスラリーを用意する。スラリー中の第二触媒５０は担体粉末に担持されていてよい。また、スラリーはさらにバインダ、添加物等を含んでよい。用意したスラリーを第一領域Ｘ及び第二領域Ｙ内の隔壁１２に浸透させる。例えば、基材１０を入口端面Ｉ側からスラリーに浸漬し、所定の時間が経過した後、該スラリーから基材１０を取り出すことにより、スラリーを隔壁１２に浸透させることができる。あるいは、基材１０の入口端面Ｉ側から入側セル１４にスラリーを流し込み、入口端面Ｉにブロアーで風を吹きつけてスラリーを出口端面Ｊに向かって塗り広げることにより、スラリーを隔壁１２に浸透させることができる。次に、所定の温度および時間でスラリーを乾燥、焼成することにより、隔壁１２の内部に第二触媒５０を固定できる。なお、第二触媒５０を隔壁１２の内部に固定した後に、第一触媒３０を隔壁１２の入側セル１４側の表面１２ａに配置してよい。
なお、第一領域Ｘ及び第二領域Ｙにおいて、第二触媒５０を含むスラリーが、隔壁１２の内部に浸透するとともに、隔壁１２の細孔の全てを閉塞することなく細孔を取り囲む隔壁１２の表面（内表面）に配置されるように、第二触媒５０を含むスラリーの性状、例えば、粘性、固形成分の粒子径等を適宜調整してよい。例えばスラリー中の固形成分の粒径を小さくすることにより、隔壁１２の細孔が閉塞されることなく、第二触媒５０を隔壁１２の内部に浸透させることができる。
図２に示す構造体１の第一領域Ｘ、第二領域Ｙ、第三領域Ｚにおける隔壁１２のガス透過性は、それぞれ以下のとおりである。
上述のように、第一領域Ｘにおいて、第一触媒３０が配置された隔壁１２はガス非透過性である。
第二領域Ｙにおいては、第一触媒３０は配置されていないが、第二触媒５０が配置されている。第二触媒５０は隔壁１２の細孔の全てを閉塞することなく、細孔を取り囲む隔壁１２の表面（内表面）に配置される。そのため、第二領域Ｙにおいて、隔壁１２はガス透過性である。しかし、第二触媒５０により、細孔の一部が閉塞したり、細孔が狭まったりするため、触媒が配置されていない隔壁１２と比べるとガス透過性は低い。
第三領域Ｚには、第一触媒３０及び第二触媒５０のいずれも配置されない。そのため、第三領域Ｚにおける隔壁１２のガス透過性は、第一領域Ｘと第二領域Ｙのいずれにおける隔壁１２のガス透過性よりも高い。
このようなガス透過性を有する構造体１の排ガス浄化性能について説明する。
構造体１に排ガスを導入すると、図２において破線矢印で示すように、基材１０の入口端面Ｉから入側セル１４内に排ガスが流入する。第一領域Ｘにおいて排ガスは隔壁１２内に侵入できないため、排ガスは入側セル１４内を第一触媒層３２に沿って第二領域Ｙに向かって移動、拡散する。このとき、排ガスが第一触媒３０と接触する。そのため、排ガス中のＨＣを酸化して排ガスを浄化することができる。
次いで、第二領域Ｙにおいて、排ガスの一部が隔壁１２内を通過して出側セル１６に流入する。このとき、排ガス中のＰＭ及びアッシュが、隔壁１２の表面及び細孔内に捕集される。また、排ガスが隔壁１２内の第二触媒５０と接触するため、排ガス中のＮＯｘを還元して排ガスを浄化することができる。
一方、第二領域Ｙで隔壁１２内を通過しない残りの排ガスは、第二領域Ｙにおいて、入側セル１４内を隔壁１２に沿って第三領域Ｚに向かって移動、拡散する。このとき、排ガスが隔壁１２の入側セル１４側の表面１２ａ近傍の第二触媒５０と接触する。そのため、排ガス中のＮＯｘを還元して排ガスを浄化することができる。この排ガスは、第三領域Ｚにおいて、隔壁１２内を通過して出側セル１６に流入する。このとき、排ガス中のＰＭ及びアッシュが、隔壁１２の表面及び細孔内に捕集される。
第二領域Ｙ又は第三領域Ｚにおいて出側セル１６に流入した排ガスは、出側セル１６内を隔壁１２に沿って出口端面Ｊに向かって移動、拡散し、出口端面Ｊから構造体１の外へ排出される。
上述のように第三領域Ｚには、第一触媒３０及び第二触媒５０のいずれも配置されていない。そのため、第三領域Ｚにおける隔壁１２のガス透過性は、第一触媒３０及び／又は第二触媒５０が配置されている第一領域Ｘと第二領域Ｙのいずれにおける隔壁１２のガス透過性よりも高い。それゆえ、排ガスの多くは触媒が配置されていない第三領域Ｚにおいて隔壁１２を通過する。一方、従来のウォールフロー型排ガス浄化フィルタでは、隔壁全体に触媒が配置されている。そのため、フィルタに流入した排ガスは、触媒が配置された隔壁を通過する。触媒が配置された隔壁は、実施形態に係る構造体１の第三領域Ｚにおける隔壁１２よりもガス透過性が低い（すなわち、抵抗が大きい）。そのため、従来のフィルタの隔壁を通過することによる圧力損失は、実施形態に係る構造体１の第三領域Ｚにおける隔壁１２を通過することによる圧力損失よりも大きい。したがって、実施形態に係る構造体１を通過する排ガスの圧力損失は、従来のウォールフロー型排ガス浄化フィルタを通過する排ガスの圧力損失よりも小さい。
また、構造体１に導入された排ガスは、所定の時間、所定の順序で確実に第一触媒３０及び第二触媒５０と接触するため、効率よく浄化される。また、入口端面Ｉ近傍の第一領域Ｘにおいて、排ガスが隔壁１２を通過しないため排ガス中のＰＭ及びアッシュが隔壁１２の入側セル１４側の表面１２ａ上に堆積することが抑制される。それにより高い排ガス浄化性能を維持できる。
実施形態に係る構造体は、排ガス浄化装置において排ガス浄化用フィルタとして用いることができる。この排ガス浄化装置は、内燃機関を備える種々の車両に適用され得る。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができる。
１：構造体、１０：基材、１１：枠部、１２：隔壁、１４：第一セル（入側セル）、１６：第二セル（出側セル）、３０：第一触媒、３２：第一触媒層、５０：第二触媒、７０：封止部、Ｉ：第一端面（入口端面）、Ｊ：第二端面（出口端面）、Ｋ：第一位置、Ｌ：第二位置、Ｘ：第一領域、Ｙ：第二領域、Ｚ：第三領域

Claims (3)

  1. 第一端面及び第二端面を有する基材、第一触媒、及び第二触媒を有する構造体であって、
    前記基材が、前記第一端面と前記第二端面の間で延伸する複数のセルを画成する多孔質の隔壁を有し、
    前記複数のセルが、
    前記第一端面において開口し、前記第二端面において封止された第一セルと、
    前記第一セルに前記隔壁を挟んで隣接し、前記第一端面において封止され、前記第二端面において開口する第二セルと、を含み、
    前記構造体が、
    前記第一端面と前記第一端面から前記複数のセルの延伸方向に沿って第一距離を隔てた第一位置との間の第一領域と、
    前記第一位置と前記第一位置から前記第二端面に向かって前記複数のセルの延伸方向に沿って第二距離を隔てた第二位置との間の第二領域と、
    前記第二位置と前記第二端面との間の第三領域と、を含み、
    前記第一領域において、前記第一触媒が前記隔壁の前記第一セル側の表面に配置され、前記第一触媒が配置された前記隔壁がガス非透過性であり、
    前記第二領域において、前記第一触媒が配置されず、前記第二触媒が前記隔壁の内部の前記第一セルに面する部分を少なくとも含む領域に配置され、前記第二触媒が配置された前記隔壁がガス透過性であり、
    前記第三領域において、前記第一触媒と前記第二触媒のいずれも配置されず、前記隔壁がガス透過性である、構造体。
  2. 前記第一領域において、前記第二触媒が前記隔壁の内部の前記第一セルに面する部分を少なくとも含む領域に配置される、請求項１に記載の構造体。
  3. 請求項１又は２に記載の構造体を備える排ガス浄化装置。
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