JP7381372B2 - 排ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ウォールフロー構造のフィルタに触媒が設けられた排ガス浄化装置に関する。
自動車等における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、以下では「ＰＭ」と略すことがある。）や不燃成分であるアッシュ等が含まれている。ＰＭ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。
ウォールフロー構造のフィルタは、通常、ハニカム基材を備え、ハニカム基材が流入側端面から流出側端面まで延びる複数のセルを画成する多孔質の隔壁を有し、複数のセルが隔壁を挟んで隣接する流入セル及び流出セルを含んでいる。そして、流入セルは、流入側端が開口し、流出側端が封止され、流出セルは、流入側端が封止され、流出側端が開口している。このため、流入セルに流入側端から流入した排ガスは隔壁を透過することで流出セルに流入し、流出セルの流出側端から排出される。そして、排ガスが隔壁を透過する時に、ＰＭが隔壁の気孔内に捕集される。ウォールフロー構造のフィルタとしては、例えば、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、以下では「ＧＰＦ」と略すことがある。）等が知られている。
一方、排ガスには、ＰＭの他に、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の有害成分が含まれている。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できる。このため、近年、ＰＭ及び有害成分の両方を排ガスから除去するために、ウォールフロー構造のフィルタに触媒が設けられた排ガス浄化装置が用いられている。
ウォールフロー構造のフィルタに触媒が設けられた排ガス浄化装置としては、例えば、隔壁の流入セル側の表面上に排ガスの流入側端から隔壁の延伸方向に沿って隔壁の全長より短い長さで設けられている第１触媒層と、隔壁の内部であって流出セルに面する領域の少なくとも一部に、排ガスの流出側端から隔壁の延伸方向に沿って設けられている第２触媒層と、を備える排ガス浄化装置が知られている（特許文献１）。
しかしながら、特許文献１に記載されている排ガス浄化装置では、浄化性能を向上するために、隔壁の流入セル側の表面上に設けられている第１触媒層の密度を大きくした場合には、流入側端から流入セルに流入した排ガスが、隔壁及び第１触媒層を含む流入側隔壁部を透過する速度が低下し過ぎ、排ガスが隔壁の第１触媒層に沿って流れる速度が上昇し過ぎることにより、排ガスを効率良く浄化されるように第１触媒層に接触させることが困難となり、圧力損失が増大することがある。一方、隔壁の内部であって流出セルに面する領域の少なくとも一部に設けられている第２触媒層の密度を大きくした場合には、隔壁及び第１触媒層を含む流入側隔壁部を透過する速度が上昇し過ぎ、排ガスが隔壁の第１触媒層に沿って流れる速度が低下し過ぎることにより、排ガスを効率良く浄化されるように第１触媒層に接触させることが困難となることがある。
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、浄化性能を向上することができ、かつ圧力損失を抑制することができる排ガス浄化装置を提供することにある。
上記課題を解決すべく、本発明の排ガス浄化装置は、ハニカム基材と流入セル側触媒層とを備える排ガス浄化装置であって、上記ハニカム基材は、流入側端面から流出側端面まで延びる複数のセルを画成する多孔質の隔壁を有し、上記複数のセルは、上記隔壁を挟んで隣接する流入セル及び流出セルを含み、上記流入セルは、流入側端が開口し、流出側端が封止され、上記流出セルは、流入側端が封止され、流出側端が開口し、上記流入セル側触媒層は、上記隔壁の流入側端から流出側の所定位置までの流入側領域における上記流入セル側の表面上に設けられ、上記隔壁の上記流入側領域及び上記流入セル側触媒層を含む流入側隔壁部のガス透過係数をＫａとし、少なくとも上記隔壁の上記所定位置から流出側端までの流出側領域を含む流出側隔壁部のガス透過係数をＫｂとした場合に、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂは０．４以上０．８以下の範囲内であることを特徴とする。
本発明によれば、浄化性能を向上することができ、かつ圧力損失を抑制することができる。
本発明の排ガス浄化装置に係る実施形態は、ハニカム基材と流入セル側触媒層とを備える排ガス浄化装置であって、上記ハニカム基材は、流入側端面から流出側端面まで延びる複数のセルを画成する多孔質の隔壁を有し、上記複数のセルは、上記隔壁を挟んで隣接する流入セル及び流出セルを含み、上記流入セルは、流入側端が開口し、流出側端が封止され、上記流出セルは、流入側端が封止され、流出側端が開口し、上記流入セル側触媒層は、上記隔壁の流入側端から流出側の所定位置までの流入側領域における上記流入セル側の表面上に設けられ、上記隔壁の上記流入側領域及び上記流入セル側触媒層を含む流入側隔壁部のガス透過係数をＫａとし、少なくとも上記隔壁の上記所定位置から流出側端までの流出側領域を含む流出側隔壁部のガス透過係数をＫｂとした場合に、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂは０．４以上０．８以下の範囲内であることを特徴とする。ここで、「流入側」とは、排ガス浄化装置において排ガスが流入する側を指し、「流出側」とは、排ガス浄化装置において排ガスが流出する側を指す。
実施形態において、隔壁の延伸方向は、特に限定されないが、通常、ハニカム基材の軸方向と略同一であり、セルの延伸方向は、特に限定されないが、通常、隔壁の延伸方向と略同一である。以下の説明では、「延伸方向」とは、隔壁及びセルの延伸方向、すなわち流入側及び流出側が対向する方向であって、ハニカム基材の軸方向と略同一の方向を指す。以下、実施形態として、第１実施形態及び第２実施形態を説明する。
Ｉ．第１実施形態
第１実施形態の排ガス浄化装置は、上記隔壁の上記流出側領域における上記流出セル側の内部領域に流出セル側触媒層が設けられ、上記流出側隔壁部は上記隔壁の上記流出側領域及び上記流出セル側触媒層を含むことを特徴とする。
第１実施形態の排ガス浄化装置は、上記隔壁の上記流出側領域における上記流出セル側の内部領域に流出セル側触媒層が設けられ、上記流出側隔壁部は上記隔壁の上記流出側領域及び上記流出セル側触媒層を含むことを特徴とする。
最初に、第１実施形態の排ガス浄化装置の概略について、例示して説明する。
ここで、図１は、実施形態に係る第１例の排ガス浄化装置を概略的に示す斜視図である。図２は、実施形態に係る第１例の排ガス浄化装置におけるセルの延伸方向に平行な断面の要部を概略的に示す断面図である。
ここで、図１は、実施形態に係る第１例の排ガス浄化装置を概略的に示す斜視図である。図２は、実施形態に係る第１例の排ガス浄化装置におけるセルの延伸方向に平行な断面の要部を概略的に示す断面図である。
図１及び図２に示されるように、第１例の排ガス浄化装置１は、ハニカム基材１０と封止部１６と流入セル側触媒層２０と流出セル側触媒層３０とを備えている。ハニカム基材１０は、円筒状の枠部１１と枠部１１の内側の空間をハニカム状に仕切る隔壁１４とが一体形成された基材である。隔壁１４は、ハニカム基材１０の流入側端面１０Ｓａから流出側端面１０Ｓｂまで延びる複数のセル１２を画成する多孔質体である。隔壁１４の形状は、複数のセル１２の延伸方向に垂直な断面が正方形になるように、互いに離間して平行に配置される複数の壁部１４Ｌと、これらの複数の壁部１４Ｌと直行しかつ互いに離間して平行に配置される複数の壁部１４Ｓとを含み、延伸方向に垂直な断面が格子状となっている。
複数のセル１２は、隔壁１４を挟んで隣接する流入セル１２Ａ及び流出セル１２Ｂを含んでいる。流入セル１２Ａは、流入側端１２Ａａが開口し、流出側端１２Ａｂが封止部１６により封止されており、流出セル１２Ｂは、流入側端１２Ｂａが封止部１６により封止され、流出側端１２Ｂｂが開口している。
流入セル側触媒層２０は、隔壁１４の流入側端１４ａから流出側の所定位置１４ｍまでの流入側領域１４Ｒａにおける流入セル側の表面１４ＳＡに設けられている。流入セル側触媒層２０は、Ｐｔ（白金）から構成される触媒金属粒子（図示せず）とそれを担持する担体（図示せず）とを含んでいる。流入セル側触媒層２０は、必要な浄化性能が得られるように触媒金属の含有量等が調整され、かつ後述するガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂが０．４以上０．８以下の範囲内となるようにその密度、厚さ、担体や助触媒の平均粒径、及び気孔率等の性状等が調整されている。
流出セル側触媒層３０は、隔壁１４の所定位置１４ｍから流出側端１４ｂまでの流出側領域１４Ｒｂ及び所定位置１４ｍから流入側に延在し流入側領域１４Ｒａと重複する重複領域１４Ｒｒにおける流出セル側の内部領域１４ＮＢに設けられている。流出セル側触媒層３０は、Ｒｈ（ロジウム）から構成される触媒金属粒子（図示せず）とそれを担持する担体（図示せず）とを含んでいる。流出セル側触媒層３０は、必要な浄化性能が得られるように触媒金属の含有量等が調整され、かつ後述するガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂが０．４以上０．８以下の範囲内となるようにその密度、厚さ、担体や助触媒の平均粒径、及び気孔率等の性状等が調整されている。
隔壁１４の流入側領域１４Ｒａ及び流入セル側触媒層２０を含む流入側隔壁部のガス透過係数をＫａとし、隔壁１４の流出側領域１４Ｒｂ及び流出セル側触媒層３０を含む流出側隔壁部のガス透過係数をＫｂとした場合に、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂは０．４以上０．８以下の範囲内となっている。
浄化性能を向上するために、流入セル側触媒層２０の密度を増加させることで、ガス透過係数Ｋａを低下させてガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂを０．４より小さくした場合には、流入側端１４ａから流入セル１２Ａに流入した排ガスが流入側隔壁部を透過する速度が低下し過ぎ、排ガスが流入セル側触媒層２０に沿って流れる速度が上昇し過ぎることになる。これにより、排ガスを効率良く浄化されるように流入セル側触媒層２０に接触させることが困難となり、圧力損失が増大する。さらに、排ガスが流出側隔壁部を透過する速度が上昇し過ぎることにより、排ガスを効率良く浄化されるように流出セル側触媒層３０に接触させることが困難となるおそれがある。一方、流出セル側触媒層３０の密度を増加させることで、ガス透過係数Ｋｂを低下させてガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂを０．８より大きくした場合には、ガス透過係数Ｋａがガス透過係数Ｋｂを超えない範囲であったとしても、流入側端１４ａから流入セル１２Ａに流入した排ガスが流入側隔壁部を透過する速度が上昇し過ぎ、排ガスが流入セル側触媒層２０に沿って流れる速度が低下し過ぎることになる。これにより、排ガスを効率良く浄化されるように流入セル側触媒層２０に接触させることが困難となる。さらに、排ガスが流出側隔壁部を透過する速度が低下し過ぎることにより、圧力損失が増大するおそれがあり、排ガスを効率良く浄化されるように流出セル側触媒層３０に接触させることが困難となるおそれがある。
これに対し、第１例の排ガス浄化装置１では、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂを０．４以上０．８以下の範囲内とすることで、流入側端１４ａから流入セル１２Ａに流入した排ガスが流入側隔壁部を透過する速度及び排ガスが流入セル側触媒層２０に沿って流れる速度、並びに排ガスが流出側隔壁部を透過する速度を所望の範囲内に調整することにより、排ガスを効率良く浄化されるように流入セル側触媒層２０及び流出セル側触媒層３０に接触させることができ、かつ圧力損失を抑制することができる。
従って、第１実施形態の排ガス浄化装置では、第１例のように、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂを０．４以上０．８以下の範囲内とすることで、排ガスの排ガス浄化装置内での流れを調整することにより、浄化性能を向上することができ、かつ圧力損失を抑制することができる。
続いて、第１実施形態の排ガス浄化装置の各構成を詳細に説明する。
１．ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂ
上記隔壁の上記流入側領域及び上記流入セル側触媒層を含む流入側隔壁部のガス透過係数をＫａとし、上記隔壁の上記流出側領域及び上記流出セル側触媒層を含む流出側隔壁部のガス透過係数をＫｂとした場合に、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂは０．４以上０．８以下の範囲内である。
上記隔壁の上記流入側領域及び上記流入セル側触媒層を含む流入側隔壁部のガス透過係数をＫａとし、上記隔壁の上記流出側領域及び上記流出セル側触媒層を含む流出側隔壁部のガス透過係数をＫｂとした場合に、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂは０．４以上０．８以下の範囲内である。
ここで、「ガス透過係数」とは、ダルシーの透過係数を意味し、下記式で算出されるものを指す。
［数１］
Ｋ＝ＱＶＴ／ＡＭ
（但し、Ｋ＝ガス透過係数（ｍ２）、Ｑ＝ガスの流量（単位：ｍ３／ｓｅｃ）、Ｖ＝ガスの粘度（単位：Ｐａ・ｓｅｃ）、Ｔ＝隔壁部の厚さ（単位：ｍ）、Ａ＝隔壁部におけるガスを透過させる部分のガス透過方向に垂直な断面積（単位：ｍ２）、Ｍ＝隔壁部にガスを流量Ｑで透過させる時の隔壁部のガスが流入する側と流出する側の差圧（単位：Ｐａ））
Ｋ＝ＱＶＴ／ＡＭ
（但し、Ｋ＝ガス透過係数（ｍ２）、Ｑ＝ガスの流量（単位：ｍ３／ｓｅｃ）、Ｖ＝ガスの粘度（単位：Ｐａ・ｓｅｃ）、Ｔ＝隔壁部の厚さ（単位：ｍ）、Ａ＝隔壁部におけるガスを透過させる部分のガス透過方向に垂直な断面積（単位：ｍ２）、Ｍ＝隔壁部にガスを流量Ｑで透過させる時の隔壁部のガスが流入する側と流出する側の差圧（単位：Ｐａ））
ガス透過係数の測定方法は、特に限定されないが、例えば、市販のパームポロメータ（例えば、ＰＭＩ社（Porous Materials Inc.）製パームポロメータ）を用いて、ガス圧を変化させながら、２５℃の空気を１Ｌ／ｍｉｎ～２００Ｌ／ｍｉｎの流量で隔壁部の１０ｍｍ角の部分（隔壁部におけるガスを透過させる部分）を透過させる場合において、隔壁部のガスが流入する側と流出する側の差圧が１０ｋＰａとなる時の空気の流量を測定し、測定した空気の流量を用いて上記式から算出する方法等が挙げられる。
ガス透過係数Ｋａは、流入側隔壁部にガスを透過させる場合におけるガスの流量及び流入側隔壁部のガスが流入する側と流出する側の差圧から求められるものを指す。ガス透過係数Ｋｂは、流出側隔壁部にガスを透過させる場合におけるガスの流量及び流出側隔壁部のガスが流入する側と流出する側の差圧から求められるものを指す。
ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂは、０．４以上０．８以下の範囲内であれば特に限定されないが、中でも０．５以上０．７以下の範囲内が好ましい。ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂがこれらの範囲の下限以上であることにより、排ガスが流入側隔壁部を透過する速度の過度の低下及び排ガスが流出側隔壁部を透過する速度の過度の上昇を抑制し、排ガスの排ガス浄化装置内での流れを効果的に調整できるからである。ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂがこれらの範囲の上限以下であることにより、排ガスが流入側隔壁部を透過する速度の過度の上昇及び排ガスが流出側隔壁部を透過する速度の過度の低下を抑制し、排ガスの排ガス浄化装置内での流れを効果的に調整できるからである。
ガス透過係数Ｋａは、特に限定されないが、例えば、１．０Ｅ－１６ｍ２以上１．０Ｅ－１３ｍ２以下の範囲内が好ましく、中でも１．０Ｅ－１５ｍ２以上５．０Ｅ－１４ｍ２以下の範囲内が好ましい。ガス透過係数Ｋａがこれらの範囲の下限以上であることにより、排ガスが流入側隔壁部を透過する速度の過度の低下を抑制できるからである。ガス透過係数Ｋａがこれらの範囲の上限以下であることにより、排ガスが流入側隔壁部を透過する速度の過度の上昇を抑制できるからである。
ガス透過係数Ｋａの調整方法は、特に限定されず、一般的な方法を用いることができるが、例えば、流入セル側触媒層の密度、厚さ、担体や助触媒の平均粒径、及び気孔率等の性状等を調製することで流入セル側触媒層のガス透過係数を調整する方法、隔壁の流入側領域における流入セル側の表面に隔壁の気孔を閉塞する層を設ける方法、並びに隔壁の気孔率等の性状等を調製することで隔壁の流入側領域のガス透過係数を調整する方法等が挙げられる。
ガス透過係数Ｋｂは、特に限定されないが、例えば、２．０Ｅ－１６ｍ２以上２．０Ｅ－１３ｍ２以下の範囲内が好ましく、中でも２．０Ｅ－１５ｍ２以上１．０Ｅ－１３ｍ２以下の範囲内が好ましい。ガス透過係数Ｋｂがこれらの範囲の下限以上であることにより、排ガスが流出側隔壁部を透過する速度の過度の低下を抑制できるからである。ガス透過係数Ｋｂがこれらの範囲の上限以下であることにより、排ガスが流出側隔壁部を透過する速度の過度の上昇を抑制できるからである。
ガス透過係数Ｋｂの調整方法は、特に限定されず、一般的な方法を用いることができるが、例えば、流出セル側触媒層の密度、厚さ、担体や助触媒の平均粒径、及び気孔率等の性状等を調製することで流出セル側触媒層のガス透過係数を調整する方法、並びに隔壁の気孔率等の性状等を調製することで隔壁の流出側領域のガス透過係数を調整する方法等が挙げられる。
流入側隔壁部の延伸方向の長さは、隔壁の流入側領域の延伸方向の長さ、すなわち隔壁の流入側端から流出側の所定位置までの延伸方向の長さ、及び流入セル側触媒層の延伸方向の長さと一致する。また、流出側隔壁部の延伸方向の長さは、隔壁の延伸方向の全長から流入側隔壁部の延伸方向の長さを差し引いた長さである。なお、流出側隔壁部の延伸方向の長さは、隔壁の流出側領域の延伸方向の長さと一致する。
流入側隔壁部の延伸方向の長さは、特に限定されないが、例えば、隔壁の延伸方向の全長の１／１００以上９０／１００以下の範囲内が好ましく、中でも隔壁の延伸方向の全長の１／１００以上２０／１００以下の範囲内が好ましい。長さがこれらの範囲の下限以上であることにより、高負荷の運転条件で排ガスの流量が大きい状況でも排ガスの流入セル側触媒層への接触時間を十分に長くすることで浄化性能の向上を図ることができるからである。長さがこれらの範囲の上限以下であることにより、圧力損失を効果的に抑制できる上に、隔壁における流入セル側触媒層が配置されない領域の延伸方向の長さとして、想定されるアッシュの堆積厚さを超える長さを確保できるからである。
２．流入セル側触媒層
上記流入セル側触媒層は、上記隔壁の流入側端から流出側の所定位置までの流入側領域における上記流入セル側の表面上に設けられている。これにより、隔壁の流入側領域の流入セルに面する気孔が流入セル側触媒層により閉塞され、隔壁の流入側領域及び流入セル側触媒層を含む流入側隔壁部のガス透過係数が、隔壁の流出側領域及び流出セル側触媒層を含む流出側隔壁部より低くなる。
上記流入セル側触媒層は、上記隔壁の流入側端から流出側の所定位置までの流入側領域における上記流入セル側の表面上に設けられている。これにより、隔壁の流入側領域の流入セルに面する気孔が流入セル側触媒層により閉塞され、隔壁の流入側領域及び流入セル側触媒層を含む流入側隔壁部のガス透過係数が、隔壁の流出側領域及び流出セル側触媒層を含む流出側隔壁部より低くなる。
ここで、「隔壁の流出側の所定位置」とは、隔壁の流入側端よりも流出側端に近い位置を指す。また、「上記隔壁の流入側端から流出側の所定位置までの流入側領域における上記流入セル側の表面上に設けられている」とは、隔壁の外部において、隔壁の流入側領域における流入セル側の表面に接するように設けられていることを指す。
隔壁の流入側領域の延伸方向の長さ、すなわち隔壁の流入側端から上記所定位置までの延伸方向の長さ、及び流入セル側触媒層の延伸方向の長さは、流入側隔壁部の延伸方向の長さと一致する。
流入セル側触媒層の密度は、特に限定されず、一般的な密度を用いることができるが、例えば、３０ｇ／Ｌ以上３５０ｇ／Ｌ以下の範囲内が好ましく、中でも５０ｇ／Ｌ以上３００ｇ／Ｌ以下の範囲内、特に５０ｇ／Ｌ以上２５０ｇ／Ｌ以下の範囲内が好ましい。密度がこの範囲の下限以上であることにより、浄化性能を向上することが容易となるからである。密度がこの範囲の上限以下であることにより、圧力損失を抑制することが容易となるからである。なお、「流入セル側触媒層の密度」とは、流入セル側触媒層の質量を、流入セル側触媒層の延伸方向の長さと軸方向の長さが同一である、ハニカム基材の軸方向の一部の体積で割った値を指す。
流入セル側触媒層の厚さは、特に限定されず、一般的な厚さを用いることができるが、例えば、隔壁の厚さの５％以上１００％以下の範囲内が好ましく、中でも１０％以上４０％以下の範囲内が好ましい。厚さがこの範囲の下限以上であることにより、排ガスが流入側隔壁部を透過する速度の過度の上昇を抑制することが容易となるからである。厚さがこの範囲の上限以下であることにより、排ガスが流入側隔壁部を透過する速度の過度の低下を抑制することが容易となるからである。
流入セル側触媒層は、触媒金属を含むものであれば特に限定されないが、通常、触媒金属粒子と触媒金属粒子を担持する担体とを含む。流入セル側触媒層は、例えば、触媒金属粒子を担持した触媒付担体の多孔質焼結体である。
触媒金属の材料は、特に限定されず、一般的な材料を用いることができるが、例えば、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）等の貴金属等が挙げられる。触媒金属の材料は、１種の金属又は２種以上の金属でもよいし、２種以上の金属を含有する合金でもよい。触媒金属の材料としては、Ｐｔ及びＰｄ等の少なくとも１種が好ましく、中でもＰｔが好ましい。
触媒金属粒子の平均粒径は、特に限定されず、一般的な平均粒径を用いることができるが、例えば、０．１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内が好ましい。平均粒径がこの範囲の上限以下であることにより、排ガスとの接触面積を大きくできるからである。なお、触媒金属粒子の平均粒径は、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により測定される粒径から求められる平均値を指す。
触媒金属の基材の体積１Ｌ当たりの含有量は、特に限定されず、一般的な含有量を用いることができるが、触媒金属の材料によって異なり、例えば、材料がＰｄ、Ｐｔ、又はＲｈである場合には、０．０５ｇ以上５ｇ以下の範囲内が好ましい。含有量がこの範囲の下限以上であることにより、十分な触媒作用が得られるからであり、含有量がこの範囲の上限以下であることにより、触媒金属の粒成長を抑制できると同時にコスト面で有利になるからである。ここで、「触媒金属の基材の体積１Ｌ当たりの含有量」とは、流入セル側触媒層に含有される触媒金属の質量を、流入セル側触媒層の延伸方向の長さと軸方向の長さが同一である、ハニカム基材の軸方向の一部の体積で割った値を指す。
担体の材料は、特に限定されず、一般的な材料を用いることができるが、例えば、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（ＴｉＯ２）等の金属酸化物、又は例えば、セリア－ジルコニア（ＣｅＯ２－ＺｒＯ２）複合酸化物等のようなこれらの固溶体等が挙げられる。担体の材料としては、これらのうちの１種でも２種以上でもよい。担体の材料としては、アルミナ及びセリア－ジルコニア複合酸化物等の少なくとも１種が好ましい。担体の形状は、特に限定されず、一般的な形状を用いることができるが、粉末状が好ましい。より大きい比表面積を確保できるからである。
粉末状の担体の平均粒径は、特に限定されないが、例えば、０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内であり、中でも１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内が好ましい。平均粒径がこの範囲の下限以上であることにより、十分な耐熱特性を得ることができ、かつ流入セル側触媒層を形成するために粉末状の担体を含むスラリーを隔壁の表面に供給する時にスラリーが隔壁の内部領域に浸透することを抑制できる上に、排ガスが流入側隔壁部を透過する速度の過度の低下を抑制することが容易となるからである。平均粒径がこの範囲の上限以下であることにより、触媒金属粒子の分散性を十分に確保することで浄化性能を向上できる上に、排ガスが流入側隔壁部を透過する速度の過度の上昇を抑制することが容易となるからである。なお、「粉末状の担体の平均粒径」は、例えば、レーザ回折・散乱法により求められる平均粒径を指す。
触媒金属粒子及び担体の合計の質量に対する触媒金属粒子の質量比は、特に限定されず、一般的な質量比を用いることができるが、例えば、０．０１質量％以上１０質量％以下の範囲内が好ましい。質量比がこの範囲の下限以上であることにより、十分な触媒作用が得られるからであり、質量比がこの範囲の上限以下であることにより、触媒金属粒子の粒成長を抑制できると同時にコスト面で有利になるからである。
触媒金属粒子を担体に担持させる方法は、特に限定されず、一般的な方法を用いることができるが、例えば、触媒金属塩（例えば、硝酸塩等）又は触媒金属錯体（例えば、テトラアンミン錯体等）を含有する水溶液に担体を含浸させた後、乾燥して焼成する方法等が挙げられる。
流入セル側触媒層は、触媒金属粒子及び担体の他に、触媒金属粒子を担持していない助触媒を含んでもよい。助触媒の材料は、特に限定されず、一般的な材料を用いることができるが、例えば、アルミナ、シリカ、セリア－ジルコニア複合酸化物等が挙げられる。助触媒の形状は、特に限定されず、一般的な形状を用いることができるが、粉末状が好ましい。触媒金属粒子、担体、及び助触媒の合計の質量に対する助触媒の質量比は、特に限定されず、一般的な質量比を用いることができるが、例えば、３０質量％以上８０質量％以下の範囲内が好ましい。粉末状の助触媒の平均粒径については、粉末状の担体の平均粒径と同様であるため、ここでの説明を省略する。
流入セル側触媒層の形成方法は、特に限定されず、一般的な方法を用いることができるが、例えば、スラリーを隔壁の流入側領域における流入セル側の表面に供給した後に、乾燥して焼成する方法が挙げられる。
スラリーは、溶媒の他に触媒金属を含むものであれば特に限定されないが、通常、触媒金属粒子及び担体を含む。溶媒は、特に限定されず、一般的な溶媒を用いることができるが、例えば、イオン交換水等の水、水溶性有機溶媒、又は水及び水溶性有機溶媒の混合物等が挙げられる。スラリーは、さらに助触媒、酸素吸放出材、バインダ、及び添加剤等の任意の成分を適宜含んでもよい。
スラリーに含まれる粉末状の担体や助触媒の平均粒径等、並びにスラリーの固形分濃度及び粘度等の性状等は、スラリーが隔壁の内部領域に浸透しないように、かつ流入側隔壁部のガス透過係数Ｋａが所望の範囲内になるように適宜調整することができる。
スラリーを隔壁の流入側領域における流入セル側の表面に供給する方法は、特に限定されず、一般的な方法を用いることができるが、例えば、スラリー中にハニカム基材を流入側端面側から浸漬し、所定の時間が経過した後、スラリーから取り出す方法等が挙げられる。この方法では、スラリーが隔壁の内部領域に浸透しないように、流出セルを流出側端側から加圧して流出セル及び流入セルの間に圧力差を生じさせてもよい。
スラリーを隔壁の流入側領域における流入セル側の表面に供給した後に、乾燥して焼成する方法において、乾燥条件は、特に限定されないが、ハニカム基材又は担体の形状及び寸法により左右されるが、例えば、８０℃以上３００℃以下の範囲内の温度で１時間以上１０時間以下の範囲内の時間乾燥する条件が好ましい。焼成条件は、特に限定されないが、例えば、４００℃以上１０００℃以下の範囲内の温度で１時間以上４時間以下の範囲内の時間焼成する条件が好ましい。
なお、流入セル側触媒層の密度、厚さ、及び気孔率等の性状等は、スラリーの供給量、スラリーに含まれる触媒金属粒子、担体、及び助触媒等の各成分の形状、平均粒径、及び含有量、スラリーの性状、乾燥条件、並びに焼成条件等により調製できる。
３．流出セル側触媒層
上記流出セル側触媒層は、上記隔壁の上記流出側領域における上記流出セル側の内部領域に設けられている。
上記流出セル側触媒層は、上記隔壁の上記流出側領域における上記流出セル側の内部領域に設けられている。
ここで、「上記隔壁の上記流出側領域における上記流出セル側の内部領域に設けられている」とは、隔壁の流出側領域の内部において、流出セルに面する領域に設けられていることを指す。
流出セル側触媒層は、隔壁の流出側領域における流出セル側の内部領域に設けられているものであれば特に限定されないが、通常は、例えば、図２に示される流出セル側触媒層３０のように、隔壁の流出側領域及び上記所定位置から流入側に延在し流入側領域と重複する重複領域における流出セル側の内部領域に設けられているものとなる。排ガスが触媒層の形成されていない部分を透過して未浄化のまま排出されることを抑制できるからである。
隔壁の流出側領域の延伸方向の長さ、すなわち隔壁の上記所定位置から流出側端までの延伸方向の長さは、流出側隔壁部の延伸方向の長さと一致する。流出セル側触媒層の延伸方向の長さは、流出セル側触媒層が隔壁の流出側領域のみに設けられている場合には、流出側領域の延伸方向の長さと一致するが、流出セル側触媒層が隔壁の流出側領域及び重複領域に設けられている場合には、隔壁の流出側領域及び重複領域の延伸方向の合計の長さとなる。
この場合の隔壁の重複領域の延伸方向の長さは、特に限定されないが、例えば、隔壁の延伸方向の全長の２／１００以上６０／１００以下の範囲内であり、中でも隔壁の延伸方向の全長の５／１００以上５０／１００以下の範囲内、特に隔壁の延伸方向の全長の５／１００以上２０／１００以下の範囲内が好ましい。長さがこれらの範囲の下限以上であることにより、排ガスが触媒層の形成されていない部分を透過することを効果的に抑制できるからである。長さがこれらの範囲の上限以下であることにより、排ガスが隔壁の重複領域を透過する速度が低下することで浄化性能の低下及び圧力損失の増大を招くことを抑制できるからである。
流出セル側触媒層の密度は、特に限定されず、一般的な密度を用いることができるが、例えば、２０ｇ／Ｌ以上３００ｇ／Ｌ以下の範囲内が好ましく、中でも４０ｇ／Ｌ以上２５０ｇ／Ｌ以下の範囲内、特に６０ｇ／Ｌ以上２００ｇ／Ｌ以下の範囲内が好ましい。密度がこの範囲の下限以上であることにより、浄化性能を向上することが容易となるからである。密度がこの範囲の上限以下であることにより、圧力損失を抑制することが容易となるからである。なお、「流出セル側触媒層の密度」とは、流出セル側触媒層の質量を、流出セル側触媒層の延伸方向の長さと軸方向の長さが同一である、ハニカム基材の軸方向の一部の体積で割った値を指す。また、流出セル側触媒層の密度としては、流入セル側触媒層の密度より小さいものが好ましい。排ガスの流入セルから流出セルへの流れが円滑になるため、浄化性能を向上することが容易となり、圧力損失を抑制することが容易となるからである。
流出セル側触媒層の厚さは、特に限定されず、一般的な厚さを用いることができるが、例えば、隔壁の厚さの１％以上１００％以下の範囲内が好ましく、中でも１％以上２０％以下の範囲内が好ましい。厚さがこの範囲の下限以上であることにより、排ガスが流出側隔壁部を通過する時に排ガス及び触媒の接触頻度を確保できる上に、排ガスが流出側隔壁部を透過する速度の過度の上昇を抑制することが容易となるからである。厚さがこの範囲の上限以下であることにより、排ガスが流出側隔壁部を透過する速度の過度の低下を抑制することが容易となるからである。
流出セル側触媒層は、触媒金属を含むものであれば特に限定されないが、通常、触媒金属粒子と触媒金属粒子を担持する担体とを含む。流出セル側触媒層は、例えば、触媒金属粒子を担持した触媒付担体が隔壁の内部領域の気孔内に配置されることで構成されたものである。
触媒金属の材料は、Ｒｈ（ロジウム）等が好ましい点を除いて、流入セル側触媒層に含まれる触媒金属と同様であるため、ここでの説明は省略する。触媒金属粒子の平均粒径は、流入セル側触媒層に含まれる触媒金属粒子と同様であるため、ここでの説明は省略する。
触媒金属の基材の体積１Ｌ当たりの含有量は、特に限定されず、一般的な含有量を用いることができるが、触媒金属の材料によって異なり、例えば、材料がＲｈ、Ｐｄ、又はＰｔである場合には、０．０１ｇ以上２ｇ以下の範囲内が好ましい。含有量がこの範囲の下限以上であることにより、十分な触媒作用が得られるからであり、含有量がこの範囲の上限以下であることにより、触媒金属の粒成長を抑制できると同時にコスト面で有利になるからである。ここで、触媒金属の基材の体積１Ｌ当たりの含有量とは、流出セル側触媒層に含有される触媒金属の質量を、流出セル側触媒層の延伸方向の長さと軸方向の長さが同一である、ハニカム基材の軸方向の一部の体積で割った値を指す。
担体の材料及び形状は、流入セル側触媒層に含まれる担体と同様であるため、ここでの説明は省略する。
粉末状の担体の平均粒径は、特に限定されないが、例えば、０．０１μｍ以上５μｍ以下の範囲内であり、中でも０．１μｍ以上１μｍ以下の範囲内が好ましい。平均粒径がこの範囲の下限以上であることにより、十分な耐熱特性を得ることができる上に、排ガスが流出側隔壁部を透過する速度の過度の低下を抑制することが容易となるからである。平均粒径がこの範囲の上限以下であることにより、流出セル側触媒層を形成するために粉末状の担体を含むスラリーを隔壁の内部領域に供給する時にスラリーを隔壁の内部領域に浸透させることができる上に、排ガスが流出側隔壁部を透過する速度の過度の上昇を抑制することが容易となるからである。
触媒金属粒子及び担体の合計の質量に対する触媒金属粒子の質量比は、流入セル側触媒層における触媒金属粒子の質量比と同様であるため、ここでの説明は省略する。触媒金属粒子を担体に担持させる方法は、流入セル側触媒層における触媒金属粒子を担体に担持させる方法と同様であるため、ここでの説明は省略する。流出セル側触媒層は、触媒金属粒子及び担体の他に、触媒金属粒子を担持していない助触媒を含んでもよい。助触媒の材料、形状、及び質量比は、流入セル側触媒層に含まれる助触媒と同様であるため、ここでの説明は省略する。粉末状の助触媒の平均粒径については、粉末状の担体の平均粒径と同様であるため、ここでの説明を省略する。
流出セル側触媒層の形成方法は、特に限定されず、一般的な方法を用いることができるが、例えば、スラリーを隔壁の流出側領域における流出セル側の内部領域に供給した後に、乾燥して焼成する方法が挙げられる。
スラリーは、溶媒の他に触媒金属を含むものであれば特に限定されないが、通常、触媒金属粒子及び担体を含む。溶媒については、流入セル側触媒層の形成に用いるスラリーと同様であるため、ここでの説明は省略する。スラリーは、さらに助触媒、酸素吸放出材、バインダ、及び添加剤等の任意の成分を適宜含んでもよい。
スラリーに含まれる粉末状の担体や助触媒の平均粒径等、並びにスラリーの固形分濃度及び粘度等の性状等は、スラリーが隔壁の内部領域に浸透するように、かつ流出側隔壁部のガス透過係数Ｋｂが所望の範囲内になるように適宜調整することができる。
スラリーを隔壁の流出側領域における流出セル側の内部領域に供給する方法は、特に限定されず、一般的な方法を用いることができるが、例えば、スラリー中にハニカム基材を流出側端面側から浸漬し、所定の時間が経過した後、スラリーから取り出す方法等が挙げられる。
スラリーを隔壁の流出側領域における流出セル側の内部領域に供給した後に、乾燥して焼成する方法における、乾燥条件及び焼成条件は、流入セル側触媒層の形成方法における乾燥条件及び焼成条件と同様であるため、ここでの説明は省略する。
なお、流出セル側触媒層の密度、厚さ、及び気孔率等の性状等は、スラリーの供給量、スラリーに含まれる触媒金属粒子、担体、及び助触媒等の各成分の形状、平均粒径、及び含有量、スラリーの性状、乾燥条件、並びに焼成条件等により調製できる。
４．ハニカム基材
上記ハニカム基材は、流入側端面から流出側端面まで延びる複数のセルを画成する多孔質の隔壁を有する。そして、上記複数のセルは、上記隔壁を挟んで隣接する流入セル及び流出セルを含み、上記流入セルは、流入側端が開口し、流出側端が封止され、上記流出セルは、流入側端が封止され、流出側端が開口している。ハニカム基材は、いわゆるウォールフロー型のハニカム基材である。
上記ハニカム基材は、流入側端面から流出側端面まで延びる複数のセルを画成する多孔質の隔壁を有する。そして、上記複数のセルは、上記隔壁を挟んで隣接する流入セル及び流出セルを含み、上記流入セルは、流入側端が開口し、流出側端が封止され、上記流出セルは、流入側端が封止され、流出側端が開口している。ハニカム基材は、いわゆるウォールフロー型のハニカム基材である。
ハニカム基材は、枠部と枠部の内側の空間をハニカム状に区切る隔壁とが一体形成された基材である。
ハニカム基材の軸方向の長さは、特に限定されず、一般的な長さを用いることができるが、例えば、１０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の範囲内が好ましく、中でも５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲内が好ましい。ハニカム基材の容量、すなわち、セルの総体積は、特に限定されず、一般的な容量を用いることができるが、例えば、０．１Ｌ以上５Ｌ以下の範囲内が好ましい。
ハニカム基材の材料は、特に限定されず、一般的な材料を用いることができるが、例えば、コージェライト、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、チタン酸アルミニウム等のセラミックス、ステンレス等の合金等が挙げられる。
枠部の形状は、特に限定されず、一般的な形状を用いることができるが、例えば、円筒形の他、楕円筒形、多角筒形等の筒形が挙げられる。枠部の他の構成は、特に限定されず、一般的な構成を用いることができる。
隔壁の形状は、特に限定されず、一般的な形状を用いることができる。隔壁の延伸方向の全長は、特に限定されないが、通常、ハニカム基材の軸方向の長さと略同一となる。隔壁の厚さは、特に限定されず、一般的な厚さを用いることができるが、例えば、５０μｍ以上２０００μｍ以下の範囲内が好ましく、中でも１００μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内が好ましい。隔壁の厚さがこれらの範囲内であることにより、基材の強度を確保しつつ、十分なＰＭの捕集性能を得ることができ、圧力損失を十分に抑制できるからである。
隔壁は排ガスが透過可能な多孔質構造を有する。隔壁の気孔率は、特に限定されず、一般的な気孔率を用いることができるが、例えば、４０％以上７０％以下の範囲内が好ましく、中でも５０％以上７０％以下の範囲内が好ましい。気孔率がこれらの範囲の下限以上であることにより、圧力損失を効果的に抑制できるからであり、気孔率がこれらの範囲の上限以下であることにより、十分な機械的強度を確保できるからである。隔壁の気孔の平均細孔径は、特に限定されず、一般的な平均細孔径を用いることができるが、例えば、１μｍ以上６０μｍ以下の範囲内が好ましく、中でも５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内が好ましい。気孔の平均細孔径がこれらの範囲内であることにより、十分なＰＭの捕集性能を得ることができ、圧力損失を十分に抑制できるからである。なお、「隔壁の気孔の平均細孔径」は、例えば、パームポロメータを用いたバブルポイント法により測定されたものを指す。
流入セル及び流出セルは、枠部の内側の空間を隔壁が区切ることで形成されたものであり、隔壁を挟んで隣接する。流入セル及び流出セルは、通常、延伸方向に垂直な方向が隔壁で囲まれている。
流入セルは、通常、流出側端が封止部により封止されている。流出セルは、通常、流入側端が封止部により封止されている。封止部の延伸方向の長さは、特に限定されず、一般的な長さでよいが、例えば、２ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内が好ましい。封止部の材料は、特に限定されず、一般的な材料でよい。
流入セル及び流出セルの延伸方向に垂直な断面形状は、特に限定されず、一般的な形状を用いることができ、排ガス浄化装置を透過する排ガスの流量及び成分等を考慮して適宜設定することができる。断面形状としては、例えば、正方形等の矩形、六角形等を含む多角形、円形等が挙げられる。流入セル及び流出セルの延伸方向に垂直な断面積は、特に限定されず、一般的な断面積を用いることができるが、例えば、１ｍｍ２以上７ｍｍ２以下の範囲内である。流入セル及び流出セルの延伸方向の長さは、特に限定されないが、通常、ハニカム基材の軸方向の長さから封止部の延伸方向の長さを差し引いた長さと略同一となる。流入セル及び流出セルの配置態様は、第１例及び第２例における配置態様のように、流入セル及び流出セルを交互に配置する市松模様のような態様等が挙げられる。
５．排ガス浄化装置
第１実施形態の排ガス浄化装置は、ハニカム基材と流入セル側触媒層と流出セル側触媒層とを備える。排ガス浄化装置は、通常、流入セルの流出端及び流出セルの流入側端を封止する封止部をさらに備える。本実施形態の排ガス浄化装置は、第２実施形態と比較して、流出セル側触媒層をさらに備えることで浄化性能をさらに向上することができる。
第１実施形態の排ガス浄化装置は、ハニカム基材と流入セル側触媒層と流出セル側触媒層とを備える。排ガス浄化装置は、通常、流入セルの流出端及び流出セルの流入側端を封止する封止部をさらに備える。本実施形態の排ガス浄化装置は、第２実施形態と比較して、流出セル側触媒層をさらに備えることで浄化性能をさらに向上することができる。
排ガス浄化装置としては、ハニカム基材と流入セル側触媒層と流出セル側触媒層とを備えるものであれば特に限定されないが、上記流入セル側触媒層はＰｔ（白金）及びＰｄ（パラジウム）の少なくとも１種を含有する触媒金属を含み、上記流出セル側触媒層はＲｈ（ロジウム）を含有する触媒金属を含むものが好ましい。リッチ雰囲気の排ガスのＨＣ（炭化水素）を流入セル側触媒層に含まれるＰｔ及びＰｄの少なくとも１種で効率的に酸化できるので、流出セル側触媒層がＣｅを起点としてＨＣで被毒されることを、抑制できるからである。また、そのＨＣをＰｔ及びＰｄの少なくとも１種で酸化する場合には、Ｒｈで酸化する場合よりも発熱が大きくかつＨ２Ｏの生成量が多いのに加え、Ｒｈの水蒸気改質能はＰｔ及びＰｄよりも高いので、そのＨＣを流出セル側触媒層で効率的に改質できるからである。該排ガス浄化装置としては、中でも、上記流入セル側触媒層がＰｔを含有する触媒金属を含むものが好ましい。より効果的に浄化性能を向上できるからである。
ＩＩ．第２実施形態
第２実施形態の排ガス浄化装置は、上記隔壁の上記流出側領域における上記流出セル側の内部領域に触媒層が設けられておらず、上記流出側隔壁部は上記隔壁の上記流出側領域を含むことを特徴とする。
第２実施形態の排ガス浄化装置は、上記隔壁の上記流出側領域における上記流出セル側の内部領域に触媒層が設けられておらず、上記流出側隔壁部は上記隔壁の上記流出側領域を含むことを特徴とする。
最初に、第２実施形態の排ガス浄化装置の概略について、例示して説明する。
ここで、図３は、実施形態に係る第２例の排ガス浄化装置におけるセルの延伸方向に平行な断面の要部を概略的に示す断面図である。なお、第２例の排ガス浄化装置は、第１例と同様に図１の斜視図に概略的に示される。
ここで、図３は、実施形態に係る第２例の排ガス浄化装置におけるセルの延伸方向に平行な断面の要部を概略的に示す断面図である。なお、第２例の排ガス浄化装置は、第１例と同様に図１の斜視図に概略的に示される。
図１及び図３に示されるように、第２例の排ガス浄化装置１は、ハニカム基材１０と封止部１６と流入セル側触媒層２０とを備えている。ハニカム基材１０及び封止部１６の構成は第１例と同様である。
流入セル側触媒層２０は、隔壁１４の流入側端１４ａから流出側の所定位置１４ｍまでの流入側領域１４Ｒａにおける流入セル側の表面１４ＳＡに設けられている。流入セル側触媒層２０は、Ｐｔ（白金）から構成される触媒金属粒子（図示せず）とそれを担持する担体（図示せず）とを含んでいる。流入セル側触媒層２０は、必要な浄化性能が得られるように触媒金属の含有量等が調整され、かつ後述するガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂが０．４以上０．８以下の範囲内となるようにその密度、厚さ、担体や助触媒の平均粒径、及び気孔率等の性状等が調整されている。隔壁１４の所定位置１４ｍから流出側端１４ｂまでの流出側領域１４Ｒｂにおける流出セル側の内部領域１４ＮＢに触媒層は設けられていない。
隔壁１４の流入側領域１４Ｒａ及び流入セル側触媒層２０を含む流入側隔壁部のガス透過係数をＫａとし、隔壁１４の流出側領域１４Ｒｂのみを含む流出側隔壁部のガス透過係数をＫｂとした場合に、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂは０．４以上０．８以下の範囲内となっている。
浄化性能を向上するために、流入セル側触媒層２０の密度を増加させることで、ガス透過係数Ｋａを低下させてガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂを０．４より小さくした場合には、流入側端１４ａから流入セル１２Ａに流入した排ガスが流入側隔壁部を透過する速度が低下し過ぎ、排ガスが流入セル側触媒層２０に沿って流れる速度が上昇し過ぎることになる。これにより、排ガスを効率良く浄化されるように流入セル側触媒層２０に接触させることが困難となり、圧力損失が増大する。一方、流入セル側触媒層２０の密度を低下させることで、ガス透過係数Ｋａを上昇させてガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂを０．８より大きくした場合には、流入側端１４ａから流入セル１２Ａに流入した排ガスが流入側隔壁部を透過する速度が上昇し過ぎ、排ガスが流入セル側触媒層２０に沿って流れる速度が低下し過ぎることになる。これにより、やはり排ガスを効率良く浄化されるように流入セル側触媒層２０に接触させることが困難となる。
これに対し、第２例の排ガス浄化装置１では、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂが０．４以上０．８以下の範囲内とすることで、流入側端１４ａから流入セル１２Ａに流入した排ガスが流入側隔壁部を透過する速度及び排ガスが流入セル側触媒層２０に沿って流れる速度を所望の範囲内に調整することにより、排ガスを効率良く浄化されるように流入セル側触媒層２０に接触させることができ、かつ圧力損失を抑制することができる。
従って、第２実施形態の排ガス浄化装置では、第２例のように、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂを０．４以上０．８以下の範囲内とすることで、排ガスの排ガス浄化装置内での流れを調整することにより、浄化性能を向上することができ、かつ圧力損失を抑制することができる。
続いて、第２実施形態の排ガス浄化装置の各構成を詳細に説明する。
１．ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂ
上記隔壁の上記流入側領域及び上記流入セル側触媒層を含む流入側隔壁部のガス透過係数をＫａとし、上記隔壁の上記流出側領域を含む流出側隔壁部のガス透過係数をＫｂとした場合に、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂは０．４以上０．８以下の範囲内である
上記隔壁の上記流入側領域及び上記流入セル側触媒層を含む流入側隔壁部のガス透過係数をＫａとし、上記隔壁の上記流出側領域を含む流出側隔壁部のガス透過係数をＫｂとした場合に、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂは０．４以上０．８以下の範囲内である
ここで、「ガス透過係数」の定義及びガス透過係数の測定方法については、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。
ガス透過係数Ｋａは、第１実施形態と同様のものを指す。ガス透過係数Ｋｂは、ガスを流出側隔壁部に含まれる隔壁の流出側領域を透過させる場合におけるガスの流量及び流出側隔壁部の流入側と流出側の差圧から求められるものを指す。
ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂについては、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。
ガス透過係数Ｋａは、特に限定されないが、例えば、第１実施形態におけるガス透過係数Ｋａと同様の範囲が好ましい。第１実施形態と同様の理由からである。ガス透過係数Ｋａの調整方法については、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。
ガス透過係数Ｋｂは、特に限定されないが、例えば、第１実施形態におけるガス透過係数Ｋｂと同様の範囲が好ましい。第１実施形態と同様の理由からである。
流入側隔壁部の延伸方向の長さは、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。流出側隔壁部の延伸方向の長さは、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。
２．流入セル側触媒層
上記流入セル側触媒層は、上記隔壁の流入側端から流出側の所定位置までの流入側領域における上記流入セル側の表面上に設けられている。これにより、隔壁の流入側領域の流入セルに面する気孔が流入セル側触媒層により閉塞され、隔壁の流入側領域及び流入セル側触媒層を含む流入側隔壁部のガス透過係数が、隔壁の流出側領域を含む流出側隔壁部より低くなる。
上記流入セル側触媒層は、上記隔壁の流入側端から流出側の所定位置までの流入側領域における上記流入セル側の表面上に設けられている。これにより、隔壁の流入側領域の流入セルに面する気孔が流入セル側触媒層により閉塞され、隔壁の流入側領域及び流入セル側触媒層を含む流入側隔壁部のガス透過係数が、隔壁の流出側領域を含む流出側隔壁部より低くなる。
ここで、「隔壁の流出側の所定位置」及び「上記隔壁の流入側端から流出側の所定位置までの流入側領域における上記流入セル側の表面上に設けられている」の定義については、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。
流入セル側触媒層の密度は、特に限定されず、一般的な密度を用いることができるが、例えば、第１実施形態における流入セル側触媒層の密度と同様の範囲が好ましい。第１実施形態と同様の理由からである。
流入セル側触媒層の厚さは、特に限定されず、一般的な厚さを用いることができるが、例えば、第１実施形態における流入セル側触媒層の厚さと同様の範囲が好ましい。第１実施形態と同様の理由からである。
流入セル側触媒層は、触媒金属を含むものであれば特に限定されないが、通常、触媒金属粒子と触媒金属粒子を担持する担体とを含む。流入セル側触媒層は、例えば、触媒金属粒子を担持した触媒付担体の多孔質焼結体である。
触媒金属の材料及び触媒金属粒子の平均粒径については、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。触媒金属の基材の体積１Ｌ当たりの含有量については、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。
担体の材料及び形状については、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。粉末状の担体の平均粒径については、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。
触媒金属粒子及び担体の合計の質量に対する触媒金属粒子の質量比、並びに触媒金属粒子を担体に担持させる方法については、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。
流入セル側触媒層は、触媒金属粒子及び担体の他に、触媒金属粒子を担持していない助触媒を含んでもよい。助触媒については、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。
流入セル側触媒層の形成方法及びスラリーについては、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。なお、流入セル側触媒層の密度、厚さ、及び気孔率等の性状等の調整方法については、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。
３．その他
第２実施形態の排ガス浄化装置は、ハニカム基材と流入セル側触媒層とを備える。ハニカム基材については、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。排ガス浄化装置は、通常、流入セルの流出端及び流出セルの流入側端を封止する封止部をさらに備える。
第２実施形態の排ガス浄化装置は、ハニカム基材と流入セル側触媒層とを備える。ハニカム基材については、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。排ガス浄化装置は、通常、流入セルの流出端及び流出セルの流入側端を封止する封止部をさらに備える。
以下、実施例、比較例、及び参考例を挙げて、実施形態の排ガス浄化装置をさらに具体的に説明する。
１．圧力損失に対する２０％ＮＯｘ浄化温度の変化
排ガス浄化装置を、実施例、比較例１、及び比較例２でそれぞれ作製し、それらの排ガス浄化装置について圧力損失に対する２０％ＮＯｘ浄化温度の変化を評価した。ここで、図４（ａ）～図４（ｃ）は、実施例、比較例１、及び比較例２で作製した排ガス浄化装置におけるセルの延伸方向に平行な断面の要部をそれぞれ概略的に示す断面図である。
排ガス浄化装置を、実施例、比較例１、及び比較例２でそれぞれ作製し、それらの排ガス浄化装置について圧力損失に対する２０％ＮＯｘ浄化温度の変化を評価した。ここで、図４（ａ）～図４（ｃ）は、実施例、比較例１、及び比較例２で作製した排ガス浄化装置におけるセルの延伸方向に平行な断面の要部をそれぞれ概略的に示す断面図である。
［実施例］
図４（ａ）に示す排ガス浄化装置１を作製した。排ガス浄化装置１では、流入セル側触媒層２０が、隔壁１４の流入側端１４ａから流出側の所定位置１４ｍまでの流入側領域１４Ｒａにおける流入セル側の表面１４ＳＡに設けられている。また、流出セル側触媒層３０が、隔壁１４の所定位置１４ｍから流出側端１４ｂまでの流出側領域１４Ｒｂ及び所定位置１４ｍから流入側に延在し流入側領域１４Ｒａと重複する重複領域１４Ｒｒにおける流出セル側の内部領域１４ＮＢに設けられている。
図４（ａ）に示す排ガス浄化装置１を作製した。排ガス浄化装置１では、流入セル側触媒層２０が、隔壁１４の流入側端１４ａから流出側の所定位置１４ｍまでの流入側領域１４Ｒａにおける流入セル側の表面１４ＳＡに設けられている。また、流出セル側触媒層３０が、隔壁１４の所定位置１４ｍから流出側端１４ｂまでの流出側領域１４Ｒｂ及び所定位置１４ｍから流入側に延在し流入側領域１４Ｒａと重複する重複領域１４Ｒｒにおける流出セル側の内部領域１４ＮＢに設けられている。
隔壁１４の流入側領域１４Ｒａの延伸方向の長さは、隔壁１４の延伸方向の長さの４０％である。隔壁１４の流出側領域１４Ｒｂの延伸方向の長さは、隔壁１４の延伸方向の長さの６０％である。隔壁１４の重複領域１４Ｒｒの延伸方向の長さは、隔壁１４の延伸方向の長さの２０％である。
流入セル側触媒層２０は、Ｐｄから構成される触媒金属粒子とそれを担持するアルミナ及びＯＳＣ材から構成される粉末状の担体とを含んでいる。流入セル側触媒層２０の密度は４９ｇ／Ｌであり、流入セル側触媒層２０の厚さは隔壁の１０％であり、Ｐｄの含有量は０．６ｇ／Ｌである。流出セル側触媒層３０は、Ｒｈから構成される触媒金属粒子とそれを担持するアルミナ及びＯＳＣ材から構成される粉末状の担体とを含んでいる。流出セル側触媒層３０の密度は１００ｇ／Ｌであり、Ｒｈの含有量は０．３ｇ／Ｌである。
排ガス浄化装置１の作製時には、まず、コージェライト製ハニカム基材１０と封止部１６とを備え、触媒がコートされていないＧＰＦを準備した。ハニカム基材１０は、円筒状の枠部（図示せず）と枠部の内側の空間をハニカム状に仕切る隔壁１４とが一体形成されたものである。隔壁１４は、ハニカム基材１０の流入側端面１０Ｓａから流出側端面１０Ｓｂまで延びる複数のセル１２を画成する多孔質体である。複数のセル１２は、隔壁１４を挟んで隣接する流入セル１２Ａ及び流出セル１２Ｂを含んでいる。流入セル１２Ａは、流入側端１２Ａａが開口し、流出側端１２Ａｂが封止部１６により封止されており、流出セル１２Ｂは、流入側端１２Ｂａが封止部１６により封止され、流出側端１２Ｂｂが開口している。ＧＰＦのハニカム基材１０のサイズ及び構造並びに封止部１６の延伸方向の長さは、下記の通りである。
（ＧＰＦのハニカム基材及び封止部の構成）
ハニカム基材のサイズ：外径×軸方向の長さ＝１１７ｍｍ×１２２ｍｍ
隔壁の厚さ：２００μｍ
セル密度：１平方インチ当たり３００個
封止部の延伸方向の長さ：４ｍｍ
ハニカム基材のサイズ：外径×軸方向の長さ＝１１７ｍｍ×１２２ｍｍ
隔壁の厚さ：２００μｍ
セル密度：１平方インチ当たり３００個
封止部の延伸方向の長さ：４ｍｍ
次に、粉末状の担体にＰｄから構成される触媒金属粒子を担持させた触媒付担体と溶媒とを混合することで、流入セル側触媒層用スラリーを準備した。次に、流入セル側触媒層用スラリーを隔壁１４の流入側領域１４Ｒａにおける流入セル側の表面１４ＳＡに供給した後に、乾燥して焼成した。これにより、流入セル側触媒層２０を形成した。
次に、粉末状の担体にＲｈから構成される触媒金属粒子を担持させた触媒付担体と溶媒とを混合することで、流出セル側触媒層用スラリーを準備した。次に、流出セル側触媒層用スラリーを隔壁１４の流出側領域１４Ｒｂ及び重複領域１４Ｒｒにおける流出セル側の内部領域１４ＮＢに供給した後に、乾燥して焼成した。これにより、流出セル側触媒層３０を形成した。以上により、排ガス浄化装置１を作製した。
［比較例１］
図４（ｂ）に示す排ガス浄化装置１を作製した。排ガス浄化装置１では、流入セル側触媒層２０は、隔壁１４の流入側領域１４Ｒａにおける流入セル側の内部領域１４ＮＡに設けられている。排ガス浄化装置１は、この点、流入セル側触媒層２０に含まれる粉末状の担体の平均粒径及び流入セル側触媒層２０の厚さを除いて、実施例と同一である。
図４（ｂ）に示す排ガス浄化装置１を作製した。排ガス浄化装置１では、流入セル側触媒層２０は、隔壁１４の流入側領域１４Ｒａにおける流入セル側の内部領域１４ＮＡに設けられている。排ガス浄化装置１は、この点、流入セル側触媒層２０に含まれる粉末状の担体の平均粒径及び流入セル側触媒層２０の厚さを除いて、実施例と同一である。
排ガス浄化装置１の作製方法は、流入セル側触媒層用スラリーを隔壁１４の流入側領域１４Ｒａにおける流入セル側の内部領域１４ＮＡに供給した後に、乾燥して焼成することにより、流入セル側触媒層２０を形成した点を除いて、実施例と同一である。
［比較例２］
図４（ｃ）に示す排ガス浄化装置１を作製した。排ガス浄化装置１では、前処理層２２が、隔壁１４の流入側領域１４Ｒａにおける流入セル１２Ａ側の表面１４ＳＡに隔壁の気孔を閉塞するように設けられている。そして、流入セル側触媒層２０は、前処理層２２の表面２２Ｓ上に設けられている。排ガス浄化装置１は、これらの点を除いて、実施例と同一である。
図４（ｃ）に示す排ガス浄化装置１を作製した。排ガス浄化装置１では、前処理層２２が、隔壁１４の流入側領域１４Ｒａにおける流入セル１２Ａ側の表面１４ＳＡに隔壁の気孔を閉塞するように設けられている。そして、流入セル側触媒層２０は、前処理層２２の表面２２Ｓ上に設けられている。排ガス浄化装置１は、これらの点を除いて、実施例と同一である。
排ガス浄化装置１の作製方法では、流入セル側触媒層２０を形成する前に、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）及び溶媒が混合され触媒金属を含まない前処理用スラリーを、隔壁１４の流入側領域１４Ｒａにおける流入セル１２Ａ側の表面１４ＳＡに薄く塗布することにより前処理層２２を形成した。続いて、流出セル側触媒層用スラリーを前処理層２２の表面２２Ｓに供給した後に、乾燥して焼成することにより、流入セル側触媒層２０を形成した。排ガス浄化装置１の作製方法は、これらの点を除いて、実施例と同一である。
［評価］
実施例、比較例１、及び比較例２の排ガス浄化装置について、耐久試験を行った後に、ＮＯｘ２０％浄化温度を測定し、圧力損失を測定した。
実施例、比較例１、及び比較例２の排ガス浄化装置について、耐久試験を行った後に、ＮＯｘ２０％浄化温度を測定し、圧力損失を測定した。
〈耐久試験〉
耐久試験は、排ガス浄化装置をガソリンエンジンベンチの排気系に設置し、触媒床温９５０℃で５０時間にわたり、リッチ、ストイキ、及びリーンの雰囲気の排ガスを交互に一定時間ずつ繰り返して流すことにより行った。
耐久試験は、排ガス浄化装置をガソリンエンジンベンチの排気系に設置し、触媒床温９５０℃で５０時間にわたり、リッチ、ストイキ、及びリーンの雰囲気の排ガスを交互に一定時間ずつ繰り返して流すことにより行った。
〈ＮＯｘ２０％浄化温度の測定〉
ガソリンエンジンベンチの排気系に設置した排ガス浄化触媒装置に対して、空燃比（Ａ／Ｆ）が１４．４の雰囲気の排ガスを３５ｇ／ｓｅｃの流量で流しながら、排ガス浄化装置の上流に取り付けた熱交換器を用いることで、入りガス温度を２００℃から６００℃まで徐々に上昇させた。各入りガス温度で入りガス及び出ガスのＮＯｘ濃度を測定してＮＯｘ浄化率を算出し、ＮＯｘが２０％浄化された時点の入りガスの温度を２０％ＮＯｘ浄化温度として測定した。
ガソリンエンジンベンチの排気系に設置した排ガス浄化触媒装置に対して、空燃比（Ａ／Ｆ）が１４．４の雰囲気の排ガスを３５ｇ／ｓｅｃの流量で流しながら、排ガス浄化装置の上流に取り付けた熱交換器を用いることで、入りガス温度を２００℃から６００℃まで徐々に上昇させた。各入りガス温度で入りガス及び出ガスのＮＯｘ濃度を測定してＮＯｘ浄化率を算出し、ＮＯｘが２０％浄化された時点の入りガスの温度を２０％ＮＯｘ浄化温度として測定した。
〈圧力損失の測定〉
上記のように排気系に設置した排ガス浄化触媒装置に対して排ガスを３５ｇ／ｓｅｃの流量で流した時の入りガス及び出ガスの圧力の差を圧力損失として測定した。
上記のように排気系に設置した排ガス浄化触媒装置に対して排ガスを３５ｇ／ｓｅｃの流量で流した時の入りガス及び出ガスの圧力の差を圧力損失として測定した。
ＮＯｘ２０％浄化温度及び圧力損失の測定結果を下記表１に示す。そして、図５は、実施例、比較例１、及び比較例２の排ガス浄化装置における圧力損失に対する２０％ＮＯｘ浄化温度の変化を示すグラフである。表１及び図５に示すように、比較例１と比較して、実施例では２０％ＮＯｘ浄化温度が低下した。これは、比較例１では流入セル側触媒層２０が隔壁１４の流入側領域１４Ｒａにおける流入セル側の内部領域１４ＮＡに設けられているのに対し、実施例では流入セル側触媒層２０が隔壁１４の流入側領域１４Ｒａにおける流入セル側の表面１４ＳＡ上に設けられていることで、排ガスが流入側隔壁部を透過する速度が低下した結果、排ガスを効率良く浄化されるように触媒層に接触させることができたためと考えられる。また、実施例と比較して、比較例２では２０％ＮＯｘ浄化温度が上昇し、圧力損失が増大した。これは、比較例２では前処理層２２が隔壁１４の流入側領域１４Ｒａにおける流入セル側の表面１４ＳＡに隔壁の気孔を閉塞するように設けられていることで、排ガスが流入側隔壁部を透過する速度が低下し過ぎた結果、排ガスを効率良く浄化されるように触媒層に接触させることができなくなり、かつ圧力損失を抑制することができなくなったためと考えられる。
２．ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂに対する圧力損失の変化
排ガス浄化装置解析用のシミュレーションソフトウェア（Exothermia S.A.社製axisuite（登録商標））を使用することにより、実施例、比較例１、及び比較例２の排ガス浄化装置の解析モデルを作製し、その解析モデルにおいて隔壁の流入側隔壁部（ガス透過係数：Ｋａ）及び隔壁の流出側隔壁部（ガス透過係数：Ｋｂ）のガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂに対する圧力損失の変化を求めた。具体的には、まず、上記シミュレーションソフトウェアを使用することで、下記の構成の排ガス浄化装置の解析モデルを作製した。
排ガス浄化装置解析用のシミュレーションソフトウェア（Exothermia S.A.社製axisuite（登録商標））を使用することにより、実施例、比較例１、及び比較例２の排ガス浄化装置の解析モデルを作製し、その解析モデルにおいて隔壁の流入側隔壁部（ガス透過係数：Ｋａ）及び隔壁の流出側隔壁部（ガス透過係数：Ｋｂ）のガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂに対する圧力損失の変化を求めた。具体的には、まず、上記シミュレーションソフトウェアを使用することで、下記の構成の排ガス浄化装置の解析モデルを作製した。
（解析モデルの構成）
ハニカム基材の形状：円筒形
ハニカム基材のサイズ：外径×軸方向の長さ＝１１７ｍｍ×１２２ｍｍ
隔壁の厚さ：２００μｍ
セル密度：１平方インチ当たり３００個
封止部の延伸方向の長さ：４ｍｍ
流入側隔壁部の延伸方向の長さ：隔壁の延伸方向の全長の４０％
流出側隔壁部の延伸方向の長さ：隔壁の延伸方向の全長の６０％
ハニカム基材の形状：円筒形
ハニカム基材のサイズ：外径×軸方向の長さ＝１１７ｍｍ×１２２ｍｍ
隔壁の厚さ：２００μｍ
セル密度：１平方インチ当たり３００個
封止部の延伸方向の長さ：４ｍｍ
流入側隔壁部の延伸方向の長さ：隔壁の延伸方向の全長の４０％
流出側隔壁部の延伸方向の長さ：隔壁の延伸方向の全長の６０％
続いて、上記シミュレーションソフトウェアを使用することで、流入側隔壁部のガス透過係数Ｋａ及び流出側隔壁部のガス透過係数Ｋｂを下記表２に示す各条件の値に設定した場合において、空気を２５℃で７ｍ３／ｍｉｎの流量において排ガス浄化装置の流入側端面から流入させ流出側端面から外部に流出させるシミュレーション条件で、排ガス浄化装置の流入側及び流出側の圧力損失を計算した。圧力損失の計算結果を下記表２に示す。そして、図６は、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂに対する圧力損失の計算結果の変化を示すグラフである。
なお、上記表２に示す各条件のガス透過係数Ｋａ及びガス透過係数Ｋｂの値は、上記シミュレーション条件と同一の実際の条件（空気流量７ｍ３／ｍｉｎ＠２５℃）下における下記構成のＧＰＦでの圧力損失の実測値（３．２７８ｋＰａ）から同定した。この際には、具体的には、上記表２に示す条件１のガス透過係数Ｋａ及びガス透過係数Ｋｂの値は、同一であることを前提とした。その上で、条件１のガス透過係数Ｋａ及びガス透過係数Ｋｂの値は、上記シミュレーションソフトウェアを使用することにより、上記解析モデルにおいて上記シミュレーション条件（空気流量７ｍ３／ｍｉｎ＠２５℃）で上記圧力損失の実測値（３．２７８ｋＰａ）が算出される値に設定した。その上で、上記表２に示す条件２～７のガス透過係数Ｋｂは条件１のガス透過係数Ｋｂと同一値に設定し、条件２～７のガス透過係数Ｋａは条件１のガス透過係数Ｋａを低下させた値に設定した。
（ＧＰＦの構成）
ハニカム基材：コージェライト製ハニカム基材
ハニカム基材の形状：円筒形
ハニカム基材のサイズ：外径×軸方向の長さ＝１１７ｍｍ×１２２ｍｍ
隔壁の厚さ：２００μｍ
セル密度：１平方インチ当たり３００個
封止部の延伸方向の長さ：４ｍｍ
流入側隔壁部の延伸方向の長さ：隔壁の延伸方向の全長の４０％
流出側隔壁部の延伸方向の長さ：隔壁の延伸方向の全長の６０％
触媒層１：隔壁の流入側領域における流入セル側の内部領域に設けられた触媒層
触媒層１の密度：１００ｇ／Ｌ
触媒層２：隔壁の流出側領域における流出セル側の内部領域に設けられた触媒層
触媒層２の密度：１００ｇ／Ｌ
※ここで、触媒層１の密度とは、触媒層１の質量を、触媒層１の延伸方向の長さと軸方向の長さが同一である、ハニカム基材の軸方向の一部の体積で割った値を指し、触媒層２の密度とは、触媒層２の質量を、触媒層２の延伸方向の長さと軸方向の長さが同一である、ハニカム基材の軸方向の一部の体積で割った値を指す。
ハニカム基材：コージェライト製ハニカム基材
ハニカム基材の形状：円筒形
ハニカム基材のサイズ：外径×軸方向の長さ＝１１７ｍｍ×１２２ｍｍ
隔壁の厚さ：２００μｍ
セル密度：１平方インチ当たり３００個
封止部の延伸方向の長さ：４ｍｍ
流入側隔壁部の延伸方向の長さ：隔壁の延伸方向の全長の４０％
流出側隔壁部の延伸方向の長さ：隔壁の延伸方向の全長の６０％
触媒層１：隔壁の流入側領域における流入セル側の内部領域に設けられた触媒層
触媒層１の密度：１００ｇ／Ｌ
触媒層２：隔壁の流出側領域における流出セル側の内部領域に設けられた触媒層
触媒層２の密度：１００ｇ／Ｌ
※ここで、触媒層１の密度とは、触媒層１の質量を、触媒層１の延伸方向の長さと軸方向の長さが同一である、ハニカム基材の軸方向の一部の体積で割った値を指し、触媒層２の密度とは、触媒層２の質量を、触媒層２の延伸方向の長さと軸方向の長さが同一である、ハニカム基材の軸方向の一部の体積で割った値を指す。
上記表２及び図６に示されるように、流出側隔壁部のガス透過係数Ｋｂを一定としたままで流入側隔壁部のガス透過係数Ｋａを低下させることでガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂを低下させた場合、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂが低下するに従って圧力損失が増加した。
〔総合評価〕
以上の圧力損失に対する２０％ＮＯｘ浄化温度の変化及びガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂに対する圧力損失の変化の評価の結果から、排ガス浄化装置で２０％ＮＯｘ浄化温度が最小となる圧力損失は３．７ｋＰａ程度であり、２０％ＮＯｘ浄化温度が小さくなる圧力損失が得られるガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂの範囲は０．４以上０．８以下の範囲である考えられる。さらに、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂがこの範囲の上限より大きくなると、圧力損失は低下するものの２０％ＮＯｘ浄化温度が上昇し、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂがこの範囲の下限より小さくなると圧力損失が増大し、２０％ＮＯｘ浄化温度が上昇すると考えられる。
以上の圧力損失に対する２０％ＮＯｘ浄化温度の変化及びガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂに対する圧力損失の変化の評価の結果から、排ガス浄化装置で２０％ＮＯｘ浄化温度が最小となる圧力損失は３．７ｋＰａ程度であり、２０％ＮＯｘ浄化温度が小さくなる圧力損失が得られるガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂの範囲は０．４以上０．８以下の範囲である考えられる。さらに、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂがこの範囲の上限より大きくなると、圧力損失は低下するものの２０％ＮＯｘ浄化温度が上昇し、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂがこの範囲の下限より小さくなると圧力損失が増大し、２０％ＮＯｘ浄化温度が上昇すると考えられる。
従って、排ガス浄化装置では、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂを０．４以上０．８以下の範囲内とすることで、排ガスを効率良く浄化されるように流入セル側触媒層２０及び流出セル側触媒層３０に接触させることができ、かつ圧力損失を抑制することができると考えられる。
３．参考：触媒金属の配置
実施形態の排ガス浄化装置の中では、流入セル側触媒層がパラジウム（Ｐｄ）及び白金（Ｐｔ）の少なくとも１種を含有する触媒金属を含み、流出セル側触媒層がロジウム（Ｒｈ）を含有する触媒金属を含むものが好ましい。その理由は参考文献（R. Horn et al. / Journal of Catalysis 249 (2007) 380-393）に開示された参考例から説明可能である。以下、参考文献に開示された参考例からその理由を説明する。
実施形態の排ガス浄化装置の中では、流入セル側触媒層がパラジウム（Ｐｄ）及び白金（Ｐｔ）の少なくとも１種を含有する触媒金属を含み、流出セル側触媒層がロジウム（Ｒｈ）を含有する触媒金属を含むものが好ましい。その理由は参考文献（R. Horn et al. / Journal of Catalysis 249 (2007) 380-393）に開示された参考例から説明可能である。以下、参考文献に開示された参考例からその理由を説明する。
［参考例１］
参考文献では、Ｐｔ含有触媒及びＲｈ含有触媒を配置した反応器それぞれについて、ＣＨ４（メタン）及びＯ２（酸素）の混合ガスを供給した場合において、供給ガスのＣ／Ｏ比率（酸素原子数に対する炭素原子数の比率∝Ａ／Ｆ）に対する、各触媒のＯ２転化率、ＣＨ４転化率、及び出ガス温度、並びにＨ２選択率、ＣＯ選択率、ＣＯ２選択率、及びＨ２Ｏ選択率の変化を測定している。なお、この場合のＰｔ含有触媒及びＲｈ含有触媒並びに供給ガスの概要は下記の通りである。
参考文献では、Ｐｔ含有触媒及びＲｈ含有触媒を配置した反応器それぞれについて、ＣＨ４（メタン）及びＯ２（酸素）の混合ガスを供給した場合において、供給ガスのＣ／Ｏ比率（酸素原子数に対する炭素原子数の比率∝Ａ／Ｆ）に対する、各触媒のＯ２転化率、ＣＨ４転化率、及び出ガス温度、並びにＨ２選択率、ＣＯ選択率、ＣＯ２選択率、及びＨ２Ｏ選択率の変化を測定している。なお、この場合のＰｔ含有触媒及びＲｈ含有触媒並びに供給ガスの概要は下記の通りである。
（Ｐｔ含有触媒）
・α‐Ａｌ２Ｏ３からなる担体にＰｔを５±１質量％担持する。
・α‐Ａｌ２Ｏ３からなる担体にＰｔを５質量％含浸させた後に、Ｈ２（水素）を１０体積％含有するＨ２及びＮ２（窒素）の混合ガス中において５００℃で５時間焼成することにより作製される。
・α‐Ａｌ２Ｏ３からなる担体にＰｔを５±１質量％担持する。
・α‐Ａｌ２Ｏ３からなる担体にＰｔを５質量％含浸させた後に、Ｈ２（水素）を１０体積％含有するＨ２及びＮ２（窒素）の混合ガス中において５００℃で５時間焼成することにより作製される。
（Ｒｈ含有触媒）
・α‐Ａｌ２Ｏ３からなる担体にＲｈを５±１質量％担持する。
・α‐Ａｌ２Ｏ３からなる担体にＲｈを５質量％含浸させた後に、大気中において６００℃で６時間焼成することにより作製される。
・α‐Ａｌ２Ｏ３からなる担体にＲｈを５±１質量％担持する。
・α‐Ａｌ２Ｏ３からなる担体にＲｈを５質量％含浸させた後に、大気中において６００℃で６時間焼成することにより作製される。
（供給ガス）
組成：ＣＨ４及びＯ２の混合ガス（Ｃ／Ｏ比率＝０．６～２．６）
流量：４．７Ｌ／ｍｉｎ
圧力：１ａｔｍ
温度：４００℃
組成：ＣＨ４及びＯ２の混合ガス（Ｃ／Ｏ比率＝０．６～２．６）
流量：４．７Ｌ／ｍｉｎ
圧力：１ａｔｍ
温度：４００℃
図７は、参考文献のＦｉｇ．２に相当する図面であって、上段が、供給ガスのＣ／Ｏ比率に対する各触媒のＯ２転化率、ＣＨ４転化率、及び出ガス温度の変化を示したグラフであり、下段が、供給ガスのＣ／Ｏ比率に対する各触媒のＨ２選択率、ＣＯ選択率、ＣＯ２選択率、及びＨ２Ｏ選択率の変化を示したグラフである。
［参考例２］
また、参考文献では、Ｐｔ含有触媒及びＲｈ含有触媒を配置した反応器それぞれについて、ＣＨ４（メタン）及びＯ２（酸素）の混合ガスを供給した場合において、反応器の供給ガスの流れ方向の各位置における各成分の流量及び床温を測定している。なお、この場合のＰｔ含有触媒及びＲｈ含有触媒は、上記と同様であり、供給ガスの概要は下記の通りである。
また、参考文献では、Ｐｔ含有触媒及びＲｈ含有触媒を配置した反応器それぞれについて、ＣＨ４（メタン）及びＯ２（酸素）の混合ガスを供給した場合において、反応器の供給ガスの流れ方向の各位置における各成分の流量及び床温を測定している。なお、この場合のＰｔ含有触媒及びＲｈ含有触媒は、上記と同様であり、供給ガスの概要は下記の通りである。
（供給ガス）
組成：ＣＨ４及びＯ２の混合ガス（Ｃ／Ｏ比率＝１．０（ストイキ））
流量：４．７Ｌ／ｍｉｎ
圧力：１ａｔｍ
温度：４００℃
組成：ＣＨ４及びＯ２の混合ガス（Ｃ／Ｏ比率＝１．０（ストイキ））
流量：４．７Ｌ／ｍｉｎ
圧力：１ａｔｍ
温度：４００℃
図８は、参考文献のＦｉｇ．３に相当する図面であって、左側の上段が、Ｒｈ含有触媒を配置した反応器の供給ガスの流れ方向の各位置におけるＣＨ４及びＯ２の流量並びに床温を示したグラフであり、左側の中段が、Ｒｈ含有触媒を配置した反応器の供給ガスの流れ方向の各位置におけるＨ２及びＣＯの流量を示したグラフであり、左側の下段が、Ｒｈ含有触媒を配置した反応器の供給ガスの流れ方向の各位置におけるＨ２Ｏ及びＣＯ２の流量を示したグラフである。また、図８は、右側の上段が、Ｐｔ含有触媒を配置した反応器の供給ガスの流れ方向の各位置におけるＣＨ４及びＯ２の流量並びに床温を示したグラフであり、左側の中段が、Ｐｔ含有触媒を配置した反応器の供給ガスの流れ方向の各位置におけるＨ２及びＣＯの流量を示したグラフであり、左側の下段が、Ｐｔ含有触媒を配置した反応器の供給ガスの流れ方向の各位置におけるＨ２Ｏ及びＣＯ２の流量を示したグラフである。
［評価］
参考例１の図７及び参考例２の図８に示す測定結果から、Ｐｔ含有触媒は、Ｒｈ含有触媒と比較して、全てのＣ／Ｏ比率の範囲で触媒床温が高いため、部分酸化による発熱が大きく、かつＨ２Ｏの選択率が高く、さらに発熱を伴いＣＨ４をＣＯ２まで酸化し易いことがわかる。一方、Ｒｈ含有触媒は、部分酸化による発熱は小さいが、水蒸気改質能が高く、Ｈ２の選択率が高いことがわかる。
参考例１の図７及び参考例２の図８に示す測定結果から、Ｐｔ含有触媒は、Ｒｈ含有触媒と比較して、全てのＣ／Ｏ比率の範囲で触媒床温が高いため、部分酸化による発熱が大きく、かつＨ２Ｏの選択率が高く、さらに発熱を伴いＣＨ４をＣＯ２まで酸化し易いことがわかる。一方、Ｒｈ含有触媒は、部分酸化による発熱は小さいが、水蒸気改質能が高く、Ｈ２の選択率が高いことがわかる。
従って、流入セル側触媒層がＰｔを含み、流出セル側触媒層がＲｈを含む排ガス浄化装置では、リッチ雰囲気の排ガスのＨＣ（炭化水素）を流入セル側触媒層に含まれるＰｔで効率的に酸化できるので、流出セル側触媒層がＣｅを起点としてＨＣで被毒されることを、抑制できると考えられる。また、そのＨＣをＰｔで酸化する場合には、Ｒｈで酸化する場合よりも発熱が大きくかつＨ２Ｏの生成量が多いのに加え、Ｒｈの水蒸気改質能はＰｔよりも高いので、そのＨＣを流出セル側触媒層で効率的に改質できると考えられる。
以上、本発明の排ガス浄化装置の実施形態について詳述したが、本発明は、上記の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ものである。
１ 排ガス浄化装置
１０ ハニカム基材
１０Ｓａ ハニカム基材の流入側端面
１０Ｓｂ ハニカム基材の流出側端面
１２ セル
１２Ａ 流入セル
１２Ａａ 流入セルの流入側端
１２Ａｂ 流入セルの流出側端
１２Ｂ 流出セル
１２Ｂａ 流出セルの流入側端
１２Ｂｂ 流出セルの流出側端
１４ 隔壁
１４ａ 隔壁の流入側端
１４ｍ 隔壁の所定位置
１４ｂ 隔壁の流出側端
１４Ｒａ 隔壁の流入側領域
１４Ｒｂ 隔壁の流出側領域
１４Ｒｒ 隔壁の重複領域
１４ＳＡ 隔壁の流入セル側の表面
１４ＮＡ 隔壁の流入セル側の内部領域
１４ＮＢ 隔壁の流出セル側の内部領域
１６ 封止部
２０ 流入セル側触媒層
３０ 流出セル側触媒層
１０ ハニカム基材
１０Ｓａ ハニカム基材の流入側端面
１０Ｓｂ ハニカム基材の流出側端面
１２ セル
１２Ａ 流入セル
１２Ａａ 流入セルの流入側端
１２Ａｂ 流入セルの流出側端
１２Ｂ 流出セル
１２Ｂａ 流出セルの流入側端
１２Ｂｂ 流出セルの流出側端
１４ 隔壁
１４ａ 隔壁の流入側端
１４ｍ 隔壁の所定位置
１４ｂ 隔壁の流出側端
１４Ｒａ 隔壁の流入側領域
１４Ｒｂ 隔壁の流出側領域
１４Ｒｒ 隔壁の重複領域
１４ＳＡ 隔壁の流入セル側の表面
１４ＮＡ 隔壁の流入セル側の内部領域
１４ＮＢ 隔壁の流出セル側の内部領域
１６ 封止部
２０ 流入セル側触媒層
３０ 流出セル側触媒層
Claims (2)
- ハニカム基材と流入セル側触媒層と流出セル側触媒層とを備える排ガス浄化装置であって、
前記ハニカム基材は、流入側端面から流出側端面まで延びる複数のセルを画成する多孔質の隔壁を有し、
前記複数のセルは、前記隔壁を挟んで隣接する流入セル及び流出セルを含み、
前記流入セルは、流入側端が開口し、流出側端が封止され、
前記流出セルは、流入側端が封止され、流出側端が開口し、
前記流入セル側触媒層は、前記隔壁の流入側端から流出側の所定位置までの流入側領域における前記流入セル側の表面上に設けられ、
前記流出セル側触媒層は、前記隔壁の前記所定位置から流出側端までの流出側領域における前記流出セル側の内部領域に設けられ、
前記流出セル側触媒層の厚さは、前記隔壁の厚さの１％以上２０％以下の範囲内であり、
前記隔壁の前記流入側領域及び前記流入セル側触媒層を含む流入側隔壁部のガス透過係数をＫａとし、前記隔壁の前記流出側領域及び前記流出セル側触媒層を含む流出側隔壁部のガス透過係数をＫｂとした場合に、ガス透過係数Ｋｂは２．０Ｅ－１６ｍ２以上２．０Ｅ－１３ｍ２以下の範囲内であり、ガス透過係数の比率Ｋａ／Ｋｂは０．４以上０．８以下の範囲内であることを特徴とする排ガス浄化装置。 - 前記流入セル側触媒層はＰｔ（白金）及びＰｄ（パラジウム）の少なくとも１種を含有する触媒金属を含み、前記流出セル側触媒層はＲｈ（ロジウム）を含有する触媒金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置。
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