JP7419107B2

JP7419107B2 - 触媒用部材の製造方法

Info

Publication number: JP7419107B2
Application number: JP2020033043A
Authority: JP
Inventors: 謙治藤井; 鉄平大堀; 正人町田; 嘉志芳田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd; Kumamoto University NUC
Current assignee: Isuzu Motors Ltd; Kumamoto University NUC
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2024-01-22
Anticipated expiration: 2040-02-28
Also published as: JP2021133331A

Description

本開示は、触媒用部材の製造方法に関する。

従来、内燃機関から排出された排ガスを浄化する尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムでは、アンモニアを浄化するＡＳＣ（Ammonia Slip Catalyst）が用いられることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９－１９０３８１号公報

従来、ＡＳＣは湿式法により製造されているが、貴金属の使用量が多くなるという問題があった。

本開示の一態様の目的は、貴金属の使用量を削減することができる触媒用部材の製造方法を提供することである。

本開示の一態様に係る触媒用部材の製造方法は、排ガスを浄化する排ガス浄化システムに設けられる触媒に用いられる触媒用部材の製造方法であって、耐熱性、耐食性、耐酸化性、および導電性を有する金属製の材料で構成される基材の表面に対して、酸化物層による触媒活性の低下を抑制する抑制層を蒸着により形成する工程と、前記抑制層の表面に対して、アークプラズマ法により貴金属を蒸着させる工程と、を有する。

本開示の一態様によれば、貴金属の使用量を削減することができる。

本開示の実施の形態に係る尿素ＳＣＲシステムを示す模式図本開示の実施の形態に係るＡＳＣのハニカム構造体を示す模式図本開示の実施の形態に係る触媒用部材の製造方法を示すフローチャート図３のステップＳ１において製造される積層体を示す模式図図３のステップＳ２において製造される触媒用部材を示す模式図

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素については同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。

本開示の実施の形態に係る尿素ＳＣＲシステム１００の構成について、図１を用いて説明する。図１は、尿素ＳＣＲシステム１００を示す模式図である。

尿素ＳＣＲシステム１００は、例えば車両（図示略）に搭載され、内燃機関（図示略）から排出される排ガスを浄化する装置である。内燃機関は、圧縮着火エンジンであってもよいし、火花点火エンジンであってもよい。また、尿素ＳＣＲシステム１００は、車両の内燃機関に限らず、船舶や定置式の内燃機関に適用することも可能である。

図１に示すように、尿素ＳＣＲシステム１００は、排気管１に設けられた尿素水噴射装置３、触媒コンバータ２に収容されたＳＣＲ触媒４、ＡＳＣ５を有する。

排気管１の下流側（図中の右側）の端部は、触媒コンバータ２に接続されている。触媒コンバータ２は、排気管１に対して着脱可能な筐体であり、例えば触媒ケーシングとも呼ばれる。

一方、排気管１の上流側（図中の左側）の端部は、例えば、内燃機関の排気マニホールド（図示略）の下流端に接続されている。

排気マニホールドから排出された排ガスは、排気管１および触媒コンバータ２を、図中の左側から右側へ流れる。図１において、実線の矢印は、排ガスの流れ方向を示している。

尿素水噴射装置３は、還元剤としての尿素水を排気管１内に噴射する装置である。尿素水噴射装置３は、例えば、インジェクタまたはドージングモジュールなどとも呼ばれる。

尿素水噴射装置３により噴射された尿素水は、加水分解される。これにより発生したアンモニア（還元剤から発生する物質の一例）は、ＳＣＲ触媒４へ供給される。

尿素水噴射装置３における尿素水の噴射量および噴射タイミングは、図示しない制御装置によって制御される。制御装置としては、例えば、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）が挙げられる。

ＳＣＲ触媒４は、尿素水から発生したアンモニアにより、排ガス中のＮＯｘを窒素に還元する触媒である。

ＡＳＣ５は、ＳＣＲ触媒４の下流側に設けられ、ＳＣＲ触媒４で消費しきれなかったアンモニアを酸化、分解する触媒である。これにより、アンモニアが大気中に排出されることを防止できる。

ＡＳＣ５は、図２に示すハニカム構造体６を有する。図２は、ハニカム構造体６を示す模式図である。図２は、ハニカム構造体６を排ガスの流れ方向から見た状態を示している。

図２に示すように、ハニカム構造体６は、平面状の平板７と、波状の波板８とを有する。ハニカム構造体６は、１枚の平板７に１枚の波板８を接着し、それを巻回することによって作成される。

ＡＳＣ５は、「触媒」の一例に相当する。また、平板７および波板８は、「触媒用部材」の一例に相当する。また、尿素ＳＣＲシステム１００は、「排ガス浄化システム」の一例に相当する。

以上、尿素ＳＣＲシステム１００の構成について説明した。

次に、本実施の形態の触媒用部材の製造方法について、図３、図４、図５を用いて説明する。図３は、触媒用部材の製造方法の流れを示すフローチャートである。図４は、図３のステップＳ１において製造される積層体を示す模式図である。図５は、図３のステップＳ２において製造される触媒用部材を示す模式図である。

ステップＳ１では、基材９の両面に対してバッファ材１０を蒸着させる。これにより、図４に示す積層体１２が作製される。

ここで、基材９およびバッファ材１０について説明する。

基材９は、耐熱性、耐食性、耐酸化性、および導電性を有する金属製の材料で構成される。その材料は、ＳＵＳ（Steel Use Stainless）３０４以上の性質（例えば、耐熱性、耐食性、および耐酸化性）を有するステンレス鋼またはその他の金属である。

具体的には、基材９の材料として、アルミを含有したフェライト系ステンレス、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１６Ｓ、鉄クロム電熱線平織金網（ＦＣＨＷ２）、インコネル（登録商標）６００、またはインコネル６０１等のニッケル合金といった、耐熱温度が９００度を超える合金を用いることができる。

また、基材９は、平板であってもよいし、金網であってもよいし、複数の金網の積層体であってもよい。

バッファ材１０は、基材９の表面から出現する酸化物層による触媒活性の低下を抑制するために設けられる。

基材９が高温に晒されると、その表面に酸化物層が出現する。この酸化物層は、後述する貴金属を覆い、その活性を低下させる原因となる。そこで、バッファ材１０を基材９の表面に設けることにより、触媒活性の低下を抑制する。

バッファ材１０の材料としては、例えば、ジルコニウムを用いることができるが、これに限定されない。バッファ材１０の材料は、触媒活性に影響を与えず、かつ、酸化物層により貴金属が覆われない材料であればよい。

なお、蒸着されたバッファ材１０は、「抑制層」の一例に相当する。

以上、基材９およびバッファ材１０について説明した。以下、図３のフローの説明に戻る。

ステップＳ２では、ステップＳ１で作製された積層体１２の両面（具体的には、バッファ材１０の表面）に対して、アークプラズマ法により貴金属１１を蒸着させる。これにより、図５に示す触媒用部材１３が作製される。

ここで、アークプラズマ法および貴金属１１について説明する。

貴金属１１の蒸着には、図示しない装置を用いる。この装置は、例えば、高電位に印加した貴金属１１の材料にアークを発生させた後、コンデンサに蓄えた電荷をパルス的に瞬時に放電させ、貴金属１１の材料をプラズマ化し、積層体１２に対してイオン化された蒸着粒子を付着させる。

なお、アークプラズマ法による貴金属１１の蒸着方法は、上記に限定されない。

貴金属１１としては、例えば、白金、白金の合金、白金族（ロジウム、ルテニウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム）、または、遷移金属（金、銀、ニッケル、銅、コバルト、鉄、亜鉛）を用いることができる。

ただし、貴金属１１は、上記に限定されず、蒸着後に特定の結晶面（例えば、結晶面（１１１））が増加する元素で構成される貴金属であればよい。

以上、アークプラズマ法および貴金属１１について説明した。

上述した製造方法により、図５に示すように、基材９の表面にバッファ材１０および貴金属１１が積層された触媒用部材１３が製造される。この触媒用部材１３は、例えば、図２に示した平板７および波板８として用いられる。

なお、図５に示す触媒用部材１３において、貴金属１１の厚みは、例えば、０．１～１００ｎｍであり、より好ましくは、１～５０ｎｍである。また、基材９の厚みは、例えば、１～１０００μｍであり、より好ましくは、１０～１００μｍである。

以上説明した本実施の形態の触媒用部材１３と、従来の触媒用部材とを比較した。具体的には、ステンレス鋼により構成された基材に対してアークプラズマ法により白金を蒸着させた本実施の形態の触媒用部材１３と、担体としてのアルミナに対して湿式法により白金を担持させた触媒をコージェライト上にコーティングした従来の触媒用部材とを比較した。その結果、本実施の形態の触媒用部材１３は、従来の触媒用部材と同等のアンモニア酸化性能を得ることができた一方で、従来の触媒用部材よりも白金の使用量を大幅に削減することができた。

すなわち、本実施の形態の触媒用部材１３およびそれを用いたＡＳＣ５では、アンモニア酸化性能を確保しつつ、貴金属の使用量を削減することができる。

また、本実施の形態の触媒用部材１３およびそれを用いたＡＳＣ５は、主に金属で構成され、熱容量が低いため、アンモニア酸化の活性発現に掛かるまでの時間を短縮することができる。

また、本実施の形態の触媒用部材１３およびそれを用いたＡＳＣ５の熱容量が低いことから、仮に尿素ＳＣＲシステム１００の下流側に、排ガスの熱を回収する排熱回収装置が設置される場合では、排熱の回収効率を向上させることができる。

なお、本開示は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。以下、変形例について説明する。

［変形例１］
ＡＳＣ５は、ＳＣＲ触媒４の機能を備えてもよい。例えば、ＡＳＣ５の表面上にＳＣＲ触媒をコーティングしてもよい。

［変形例２］
実施の形態では、酸化物層による触媒活性の低下を抑制する方法として、基材９の両面にバッファ材１０を蒸着させる方法を用いる場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、想定される排ガスの最高温度以上の温度で基材９を加熱し、酸化物層（抑制層の一例に相当）を出現させ、その酸化物層の表面に対してアークプラズマ法により貴金属１１を蒸着させる方法を用いてもよい。これにより、酸化物層による触媒活性の低下を抑制することができる。

［変形例３］
実施の形態では、触媒用部材１３により構成される触媒がＡＳＣ５である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。触媒用部材１３により構成される触媒は、例えば、排ガス中の一酸化窒素や炭化水素を酸化させるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）であってもよい。

本開示の触媒用部材の製造方法は、内燃機関から排出された排ガスを浄化する技術に有用である。

１排気管
２触媒コンバータ
３尿素水噴射装置
４ＳＣＲ
５ＡＳＣ
６ハニカム構造体
７平板
８波板
９基材
１０バッファ材
１１貴金属
１２積層体
１３触媒用部材

Claims

排ガスを浄化する排ガス浄化システムに設けられる触媒に用いられる触媒用部材の製造方法であって、
耐熱性、耐食性、耐酸化性、および導電性を有する金属製の材料で構成される基材の表面に対して、酸化物層による触媒活性の低下を抑制する抑制層を蒸着により形成する工程と、
前記抑制層の表面に対して、アークプラズマ法により貴金属を蒸着させる工程と、を有する、
触媒用部材の製造方法。
前記基材の材料は、耐熱温度が９００度を超える合金である、
請求項１に記載の触媒用部材の製造方法。
前記貴金属は、蒸着後に特定の結晶面が増加する元素で構成される、
請求項１または２に記載の触媒用部材の製造方法。