パティキュレート燃焼触媒材の評価方法及び装置
【課題】酸素吸蔵材に吸蔵されていた酸素成分がＰＭ燃焼に対して寄与する度合いを評価し得るパティキュレート燃焼特性の評価方法を提供する。
【解決手段】酸素吸蔵放出能を備えた触媒材のパティキュレート燃焼触媒材の評価方法において、酸素同位体１８Ｏが吸蔵させられた触媒材とカーボン質粉末との混合物を１6Ｏ気流中で昇温させ少なくともＣＯ２を生成させ、上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定し、該生成量に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価する。
【解決手段】酸素吸蔵放出能を備えた触媒材のパティキュレート燃焼触媒材の評価方法において、酸素同位体１８Ｏが吸蔵させられた触媒材とカーボン質粉末との混合物を１6Ｏ気流中で昇温させ少なくともＣＯ２を生成させ、上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定し、該生成量に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パティキュレート燃焼触媒材の評価方法及び装置に、より詳しくは、酸素吸蔵放出能を備えた触媒材のパティキュレート燃焼に寄与する特性を評価するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれる未燃カーボン状物質（所謂パティキュレートマター：ＰＭ）は環境汚染に繋がる懸念があり、その排出が規制されている。このため、ディーゼルエンジン搭載車には、ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）が排ガス経路内に装着される。ＤＰＦは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）やコーディエライト等からなる耐熱性セラミック材が三次元網目状タイプもしくはウォールスルータイプと呼ばれる形状に成形されるもので、排ガス中のＰＭはＤＰＦを通過する過程で捕集されるようになっている。
【０００３】
ところで、捕集されたＰＭは運転時間に応じて次第にＤＰＦに堆積していくため、背圧が高まっていき、エンジン出力が低下して燃費が悪くなる等の問題があるが、これに対処して、従来では、例えば運転距離が所定の距離に達したらＤＰＦを交換するシステム、あるいは、背圧が高まってきたら、強制的にＰＭを燃焼させて排ガスを浄化するシステムが考えられている。後者のシステムとしては、バーナーを用いるものも知られているが、これは、ＤＰＦ本体の耐熱性を考慮すれば、あまり望ましくない。
【０００４】
これに対して、排気上流側からＨＣ成分（例えば燃料）を過剰に流し、ＤＰＦの上流側に配置される触媒でＨＣ成分を燃焼させ、その燃焼熱を利用してＤＰＦの温度を上げることで、ＰＭの着火燃焼を促進する方法が知られている。更に、近年では、ＰＭの着火燃焼を効果的に促進するために、ＤＰＦの排ガス通路面に酸素吸蔵材を含む触媒層を設けておき、その酸素吸蔵材に吸蔵される酸素成分を利用することが提案されている。
【０００５】
しかし、現状では、酸素吸蔵材に吸蔵される酸素成分がＰＭ燃焼にどのように寄与するかが具体的に解明されておらず、このため、どのような成分を含有する酸素吸蔵材をどのくらいの量だけＤＰＦ触媒層に含めばよいのかという点については手探りの状態にある。したがって、酸素吸蔵材に吸蔵される酸素成分がＰＭ燃焼に対して寄与する度合いを知ることは極めて重要であり、これが可能となれば、ディーゼルエンジンから排出されるＰＭを大幅に低減できる技術開発に役立つばかりでなく、その酸素吸蔵材を製造する上での品質管理にも利用することができると考えられる。
【０００６】
なお、酸素吸蔵材に吸蔵される酸素がどのように放出されるかという点に関しては、例えば特開２００５−９８８４号公報に、酸素同位体１８Ｏと１6Ｏを用いて酸素吸蔵材の酸素吸放出能（酸素拡散係数）を測定する方法，還元性ガスＣＯを供給して酸素放出速度および酸素吸放出量を測定する方法及びその装置が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−９８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１では、酸素吸蔵材に吸蔵される酸素成分がＰＭの燃焼に対して寄与する度合いに関してまで言及されていない。
【０００９】
本願発明は、上記のような技術的課題に鑑みてなされたもので、酸素吸蔵材に吸蔵されていた酸素成分がＰＭ燃焼に寄与する度合いを評価することができる方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本願の請求項１に係る発明は、酸素吸蔵放出能を備えた触媒材を含むパティキュレート燃焼触媒材の評価方法であって、酸素同位体１８Ｏが吸蔵させられた触媒材とカーボン質粉末との混合物を１6Ｏ気流中で昇温させ少なくともＣＯ２を生成させ、上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定し、該生成量に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価することを特徴としたものである。
【００１１】
また、本願の請求項２に係る発明は、上記請求項１に係る発明において、上記カーボン質粉末は、カーボンブラック粉末、若しくは、実機より採取したスート成分を含む粉末であることを特徴としたものである。
【００１２】
また、本願の請求項３に係る発明は、上記請求項１又は２に係る発明において、上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量と上記触媒材に対して設定された温度との関係に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価することを特徴としたものである。
【００１３】
また、本願の請求項４に係る発明は、酸素吸蔵放出能を備えた触媒材を含むパティキュレート燃焼触媒材の評価方法であって、（ａ）上記触媒材をガス流通装置内に設置するステップと、（ｂ）上記触媒材に酸素同位体１８Ｏを吸蔵させるために、上記ガス流通装置内に１８Ｏを流しつつ該ガス流通装置内温度を昇温させるステップと、（ｃ）上記ガス流通装置内温度を一旦降温させた後、カーボン質粉末と上記１８Ｏが吸蔵させられた触媒材とを混合するステップと、（ｄ）上記ガス流通装置内に酸素同位体１6Ｏを流しつつ該ガス流通装置内温度を昇温させつつ、昇温の間に上記触媒材から放出される上記１８Ｏにより上記カーボン質粉末が燃焼させられた結果として生成される上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定するステップと、（ｅ）所定温度域における上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価するステップと、を有していることを特徴としたものである。なお、ガス流通装置内温度の昇温は、例えば約６００℃程度が好ましい。
【００１４】
また、更に、本願の請求項５に係る発明は、上記請求項４に係る発明において、上記（ｅ）のステップが、上記ガス流通装置内温度の昇温の間における上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量とガス流通装置内温度との関係を表示するステップを含んでいることを特徴としたものである。
【００１５】
また、更に、本願の請求項６に係る発明は、酸素吸蔵放出能を備えたパティキュレート燃焼触媒材を評価する評価装置において、上記触媒材を設置させた上で、酸素同位体１８Ｏ及び１6Ｏを流し得るガス流通空間を有し、該ガス流通空間の温度調節機能を備えたガス流通装置と、該ガス流通装置での上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定するＣＯ２生成量測定手段と、所定温度域にて上記ＣＯ２生成量測定手段により測定される上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価する評価手段と、を有しており、上記ガス流通装置が、上記１８Ｏが触媒材に吸蔵されるように、酸素同位体１８Ｏを流しつつ該ガス流通装置のガス流通空間内温度を昇温させ、該ガス流通空間内温度を一旦降温させた後、カーボン質粉末と混合させられた触媒材から該カーボン質粉末の燃焼に用いられる１８Ｏが放出されるように、上記ガス流通装置内に酸素同位体１6Ｏを流しつつ該ガス流通装置内温度を昇温させ、上記ＣＯ２生成量測定手段が、上記触媒材から放出された１８Ｏが用いられる上記カーボン質粉末の燃焼に伴い生成される１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定することを特徴としたものである。なお、ガス流通装置内温度の昇温は、例えば約６００℃程度が好ましい。
【００１６】
また、更に、本願の請求項７に係る発明は、上記請求項６に係る発明において、上記評価手段が、上記ガス流通装置のガス流通空間内温度の昇温の間に生成される１８Ｏを含むＣＯ２の生成量と温度との関係を表示する表示手段を備えていることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本願の請求項１に係る発明によれば、酸素同位体１８Ｏが吸蔵させられた触媒材とカーボン質粉末とを混合した後、カーボン質粉末を燃焼させ、触媒材から放出された１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定するため、上記触媒材と、該触媒材から放出された酸素成分と、ＰＭ燃焼との関係を明確に評価することができ、これにより、研究開発の効率化やＰＭ燃焼触媒材としての酸素吸蔵材の品質管理の効率化を図ることができる。
【００１８】
また、本願の請求項２に係る発明によれば、カーボン質粉末として、カーボンブラック粉末を採用する場合には、評価が簡便に行える一方、実機より採取したスート成分を含む粉末を採用する場合には、より実機に近い評価が行える。
【００１９】
更に、本願の請求項３に係る発明によれば、触媒材のパティキュレート燃焼特性の評価が上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量と温度との関係に基づき行われるため、どの程度の温度域から触媒材より放出される１８Ｏがカーボン質粉末の燃焼に寄与しているのかを把握することができる。
【００２０】
また、更に、本願の請求項４に係る発明によれば、酸素同位体１８Ｏが吸蔵させられた触媒材とカーボン質粉末とを混合した後、カーボン質粉末を燃焼させ、触媒材から放出された１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定するため、上記触媒材と、該触媒材から放出された酸素成分と、ＰＭ燃焼との関係を明確に評価することができ、これにより、研究開発の効率化やＰＭ燃焼触媒材としての酸素吸蔵材の品質管理の効率化を図ることができる。
【００２１】
また、更に、本願の請求項５に係る発明によれば、上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量と温度との関係が視覚的に示されるため、触媒材のパティキュレート燃焼特性を容易に評価することが可能となる。
【００２２】
また、更に、本願の請求項６に係る発明によれば、酸素同位体１８Ｏが吸蔵させられた触媒材とカーボン質粉末とを混合した後、カーボン質粉末を燃焼させ、触媒材から放出された１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定するため、上記触媒材と、該触媒材から放出された酸素成分と、ＰＭ燃焼との関係を明確に評価することができ、これにより、研究開発の効率化やＰＭ燃焼触媒材としての酸素吸蔵材の品質管理の効率化を図ることができる。
【００２３】
また、更に、本願の請求項７に係る発明によれば、上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量と温度との関係が視覚的に示されるため、触媒材のパティキュレート燃焼特性を容易に評価することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態では、酸素吸蔵放出能を備えた各種触媒材（Ｃｅ系酸化物）のパテュキュレート燃焼特性を評価する評価装置を取り上げる。図１は、本発明の実施形態に係る評価装置１を概略的に示す図である。この評価装置１では、評価対象となる触媒材が設置されるサンプル設置部（ガス流通装置）１０と、サンプル設置部１０に対して酸素同位体１８Ｏ２ガス，１６Ｏ２ガス及びＨｅガスをそれぞれ供給するガス源Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３と、サンプル設置部１０から排出されてきたガスを分析し、ガス中の成分含有量を測定し得る四重極質量分析計２と、が設けられている。
【００２５】
ガス源Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３からサンプル設置部１０へのガス供給は、それぞれ、マスフローコントローラＭ１，Ｍ２，Ｍ３により制御され、更に、マスフローコントローラＭ１，Ｍ２，Ｍ３とサンプル設置部１０との間には、マスフローコントローラＭ１，Ｍ２，Ｍ３を経て供給されてきたガスの供給先を、バイパスＢとサンプル設置部１０との間で切り替える電磁弁Ｖ１が設けられている。
【００２６】
また、四重極質量分析計２の上流側には、四重極質量分析計２への分析用ガスの供給を制御するための制御弁Ｖ２が設けられている。更に、四重極質量分析計２によるガス分析は真空条件で実行されるために、ターボ分子ポンプ３及びロータリポンプ４が設けられている。
【００２７】
また、更に、この評価装置１では、四重極質量分析計２によるガス分析結果と、サンプル設置部１０に設置される触媒材の温度を検出するために設けられた温度センサ１５（図２参照）による温度情報とに基づき、ガス分析結果と温度情報との関係を例えばグラフ形式で表示する表示部５が設けられている。
【００２８】
図２は、評価装置１に含まれるサンプル設置部１０を詳細に示す図である。このサンプル設置部１０は、振動可能に設けられた基台１１と、基台１１上に設置され、温度調節可能なヒータ室１２と、ヒータ室１２内に配置され、評価対象となる触媒材Ｘが内部にセットされ得るサンプル管１３と、を有している。また、ヒータ室１２内には、サンプル管１３内にセットされた触媒材の温度に対応したヒータ室１２の温度を検出する温度センサ１５が設けられている。ここでは、温度センサ１５により検出されるヒータ室１２の温度と触媒材の温度との対応性を確保するために、温度センサ１５がサンプル管１３近傍に支持されている。
【００２９】
また、サンプル管１３の両端部は、触媒材Ｘが管内にセットされた上で各ガス源Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３から供給されるガスが流通させられるように、共にヒータ室１２の外部に突出させられ、それぞれ、ガス供給口１３ａ及びガス排出口１３ｂをなしている。本実施形態では、ガス供給口１３ａ及びガス排出口１３ｂの近傍に、それぞれ、フレキシブルチューブ１４が装着され、ガス供給口１３ａ側のフレキシブルチューブ１４には、管内の触媒材と混合させられるカーボン質粉末Ｙをサンプル管１３内に供給するためのカーボン供給管１６が取り付けられている。更に、カーボン質粉末Ｙの供給制御のため、カーボン供給管１６には制御弁Ｖ３が設けられ、カーボン質粉末Ｙは、制御弁Ｖ３が開いた状態で、エア供給に伴いサンプル管１３内に供給されるようになっている。なお、本実施形態では、カーボン質粉末Ｙとして、カーボンブラック粉末が用いられるが、これに限定されることなく、例えば、実機より採取したスート成分を含む粉末が用いられてもよい。
【００３０】
以下、前述した構成を備えた評価装置１を用いて行われる触媒材Ｘのパティキュレート燃焼特性の評価方法について説明する。図３は、触媒材Ｘのパティキュレート燃焼特性の評価方法の流れを示す図である。この方法では、まず、酸素吸蔵放出能を備えた粉末状の触媒材Ｘがサンプル設置部１０内に設置される（＃１１）。このステップ＃１１は、サンプル設置部１０において、自動的に行われても、若しくは、サンプル管１３を外部に取り出した上で設置されるようにして手作業で行われてもよい。
【００３１】
次に、サンプル設置部１０内に１８Ｏ２ガスを流通させつつサンプル設置部１０内の温度を例えば約６００℃まで一定速度で昇温させる（＃１２）。本実施形態では、サンプル設置部１０へのガス供給の前に、供給経路でのエア抜きやガス供給圧の安定化を目的として、バイパスＢ側にガスが流され、その上で、電磁弁Ｖ１が切り替えられて、サンプル設置部１０へガスが供給される。厳密には、１８Ｏ２ガスに加えて、不活性で熱伝導性の高いＨｅガスがキャリヤガスとして供給される。
【００３２】
また、ステップ＃１２の昇温の間には、四重極質量分析計２によりサンプル設置部１０から排出されるガスを分析し、ガス中の各Ｏ２（１８Ｏ２，１６Ｏ２，１６Ｏ１８Ｏ）の含有量を測定する（＃１３）。この測定結果は、基本的に、温度センサ１５により検出される温度が高くなるにつれ、１８Ｏ２が触媒材Ｘに吸蔵されることで減少する様子をあらわすものであるが、その詳細については、図４を参照しながら後述する。
【００３３】
続いて、サンプル設置部１０内の温度を降温させ（＃１４）、その降温後に、カーボン質粉末Ｙをサンプル設置部１０内に供給し、触媒材Ｘとカーボン質粉末Ｙとを混合する（＃１５）。前述した評価装置１では、このステップ＃１５が、制御弁Ｖ３が開いた状態で、エア供給によりサンプル管１３内にカーボン質粉末Ｙが供給され、触媒材とカーボン質粉末と均一に混ざり合うように基台１１が振動させられるようにして自動的に行われる。なお、これに限定されることなく、例えば、１８Ｏ２を吸蔵した触媒材を含むサンプル管１３を取り外し、その触媒材Ｘをサンプル管１３からビーカ（不図示）に移し、ビーカに対してカーボン質粉末Ｙを混ぜ、その後、サンプル管１３に戻し、サンプル設置部１０に対してサンプル管１３を取り付けるようにしてもよい。
【００３４】
次に、サンプル設置部１０内に１６Ｏ２ガスを流通させつつ、サンプル設置部１０内の温度を例えば約６００℃まで一定速度で昇温させる（＃１６）。この場合にも、１６Ｏ２ガスに加えて、不活性で熱伝導性の高いＨｅガスがキャリヤガスとして供給される。
【００３５】
また、ステップ＃１６の昇温の間には、四重極質量分析計２により、サンプル設置部１０から排出されるガスを分析し、カーボン質粉末Ｙの燃焼に伴いサンプル設置部１０内で生成された各種ＣＯ２（Ｃ１６Ｏ２，Ｃ１８Ｏ２，Ｃ１６Ｏ１８Ｏ）のガス中含有量を測定する（＃１７）。この測定結果の詳細については、図５を参照しながら後述する。なお、ステップ＃１７においては、触媒材Ｘのパティキュレート燃焼特性を評価する上では、少なくとも１８Ｏを含むＣＯ２（Ｃ１８Ｏ２，Ｃ１６Ｏ１８Ｏ）のガス中含有量が測定されればよい。また、この１８Ｏを含むＣＯ２量を明瞭に得るとともに、触媒材から放出されるＯ２による寄与を正確に判断するために、ステップ＃１２においては、触媒材内部に１８Ｏが十分に取り込まれるまで処理を行うことが好ましい。
【００３６】
続いて、四重極質量分析計２により測定された各種ＣＯ２のガス中含有量と温度センサ１５により検出された温度との関係を表示部５に表示する（＃１８）。その後、所定温度域における１８Ｏを含むＣＯ２のガス中含有量に基づき、触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価する（＃１９）。以上で、処理が終了される。
【００３７】
図４は、図３中のステップ＃１２に対応した条件下、すなわち、１８Ｏ２ガス及びＨｅガスが流通させられつつサンプル設置部１０が昇温させられる条件下で、四重極質量分析計２により測定される各種Ｏ２（１８Ｏ２，１６Ｏ２，１６Ｏ１８Ｏ）のガス中含有量（図中の「濃度」）と、温度センサ１５により検出される温度との関係をあらわす図である。なお、ここでは、評価対象とする触媒材ＸとしてＣｅＯ２を採用した例を取り上げる。
【００３８】
かかる条件下では、ＣｅＯ２による酸化雰囲気におけるＯ２の置換反応により、すなわち、ＣｅＯ２を構成する１６Ｏと、サンプル管１３内に供給されてきた１８Ｏ２ガス相を構成する１８Ｏとが置換されることにより、１８Ｏ２（実線で示す）が減少し、また、一方、１８Ｏと置換された１６Ｏが同じく１８Ｏと置換された１６Ｏ若しくは１８Ｏと結合することにより、１６Ｏ２（破線で示す）又は１６Ｏ１８Ｏ（一点鎖線で示す）が生成され増加することとなる。また、酸化物内部の酸素原子（１６Ｏ）のみで構成される１６Ｏ２の増加が気流中の酸素原子（１８Ｏ）を含む１６Ｏ１８Ｏより多い。よって、Ｏ２の置換反応においては、気流中の酸素原子は酸化物表面に吸着した後、一旦内部に取り込まれやすく、既に酸化物内部に存在していた酸素原子が優先的に放出される機構をとっていると考えることができる。
【００３９】
また、図５は、図３中のステップ＃１２に対応した条件下で、温度センサ１５により検出される温度の変化に伴い四重極質量分析計２により測定される１８Ｏ２のガス中含有量を、複数の触媒材（ＣｅＯ２，Ｃｅ０．７Ｚｒ０．３Ｏ２，Ｃｅ０．９Ｐｒ０．１Ｏ２）間で比較しつつあらわす図である。
【００４０】
この図５からは、Ｃｅ０．９Ｐｒ０．１Ｏ２（破線で示す），Ｃｅ０．７Ｚｒ０．３Ｏ２（一点鎖線で示す），ＣｅＯ２（実線で示す）の順で、より低温からかつより大きな割合で１８Ｏ２が減少する。また、図示しないが、１６Ｏ１８Ｏ及び１６Ｏ２についても同様な傾向が確認されることから、Ｃｅ０．９Ｐｒ０．１Ｏ２，Ｃｅ０．７Ｚｒ０．３Ｏ２，ＣｅＯ２の順で、低温からのＯ２の置換反応が大きいことが分かる。
【００４１】
更に、図６は、図３中のステップ＃１６に対応した条件下、すなわち、１６Ｏ２ガス及びＨｅガスが流通させられつつサンプル設置部１０が昇温させられる条件下で、四重極質量分析計２により測定される各種ＣＯ２（Ｃ１６Ｏ２，Ｃ１８Ｏ２，Ｃ１６Ｏ１８Ｏ）のガス中含有量と、温度センサ１５により検出される温度との関係をあらわす図である。なお、ここでは、また、評価対象とする触媒材としてＣｅＯ２を採用し、触媒材とカーボンブラックを重量比で４：１に混合し評価を行った例を取り上げる。
【００４２】
かかる条件下では、カーボン質粉末Ｙの燃焼に伴い、カーボン質粉末Ｙを構成する炭素（Ｃ）が、サンプル管１３内に供給されてきた１６Ｏ２ガス相を構成する１６Ｏと結合する、若しくは、ＣｅＯ２から放出された１８Ｏと結合する、あるいは、それら１６Ｏ及び１８Ｏと結合することで、それぞれ、Ｃ１６Ｏ２，Ｃ１８Ｏ２及びＣ１６Ｏ１８Ｏがそれぞれ生成され増加する。この図６によれば、各種ＣＯ２が、Ｃ１６Ｏ１８Ｏ（一点鎖線で示す），Ｃ１６Ｏ２（破線で示す），Ｃ１８Ｏ２（実線で示す）の順で、より低温から生成されている。既に酸化物内部に存在していた酸素原子（１８Ｏ）が触媒材から優先的に放出され反応に関わることを考慮すると、Ｃ１６Ｏ１８Ｏは酸化物内部に存在していた酸素原子によってカーボンが燃焼され生成したものと考えることができる。このことから、触媒材に吸蔵された１８Ｏが、１６Ｏ２ガス相を構成する１６Ｏよりも低温でカーボン質粉末Ｙの燃焼に寄与することが分かる。なお、特に図示しないが、サンプル管１３内に供給されてきた１６Ｏ２は昇温に伴い減少する。
【００４３】
図７及び図８は、それぞれ、図３中のステップ＃１６に対応した条件下で、温度センサ１５により検出される温度の変化に伴い四重極質量分析計２により測定される１８Ｏを含むＣＯ２（Ｃ１６Ｏ１８Ｏ，Ｃ１８Ｏ２）の各ガス中含有量を、複数の触媒材（ＣｅＯ２，Ｃｅ０．７Ｚｒ０．３Ｏ２，Ｃｅ０．９Ｐｒ０．１Ｏ２）間で比較しつつあらわす図である。
【００４４】
これらの図からは、Ｃｅ０．９Ｐｒ０．１Ｏ２（破線で示す），Ｃｅ０．７Ｚｒ０．３Ｏ２（一点鎖線で示す），ＣｅＯ２（実線で示す）の順で、Ｃ１６Ｏ１８Ｏ及びＣ１８Ｏ２が、共に、より低温からかつより大きな割合で生成され増加することが分かる。すなわち、各触媒材が、Ｃｅ０．９Ｐｒ０．１Ｏ２，Ｃｅ０．７Ｚｒ０．３Ｏ２，ＣｅＯ２の順で、一旦吸蔵した１８Ｏをより低温から且つ多量に放出して、それをカーボン質粉末Ｙの燃焼に用いる、つまり、より低温からカーボン質粉末Ｙの燃焼に寄与する特性を有することが分かる。更に、図５も考慮すれば、これら３種の触媒材については、低温からのＯ２の置換反応が起こりやすい触媒材ほど、より低温からカーボン質粉末Ｙの燃焼に寄与する特性を有することが分かる。
【００４５】
以上説明したように、上記評価装置１によれば、図４〜８に示したような結果に基づき、各種触媒材のパティキュレート燃焼特性を明確に評価することができる。また、これにより、研究開発の効率化やＰＭ燃焼に寄与する酸素吸蔵放出能を備えた触媒材の品質管理の効率化を促進することができる。更に、評価装置１では、図４〜８に示したような結果が表示部５を介して視覚的に示されるため、触媒材のパティキュレート燃焼特性を容易に評価することができる。
【００４６】
ところで、図３中のステップ＃１６に対応した条件下では、ＣＯ２以外に各種ＣＯ（Ｃ１６Ｏ，Ｃ１８Ｏ）も微量ながら生成する。図９は、温度センサ１５により検出される温度の変化に伴い四重極質量分析計２により測定されるＣ１８Ｏのガス中含有量を、複数の触媒材（ＣｅＯ２，Ｃｅ０．７Ｚｒ０．３Ｏ２，Ｃｅ０．９Ｐｒ０．１Ｏ２）間で比較しつつあらわす図である。この図からは、Ｃ１８Ｏが、図７でＣ１６Ｏ１８Ｏに関して示した結果と同様に、すなわち、Ｃｅ０．９Ｐｒ０．１Ｏ２（破線で示す），Ｃｅ０．７Ｚｒ０．３Ｏ２（一点鎖線で示す），ＣｅＯ２（実線で示す）の順で、より低温からかつより大きな割合で生成され増加することが分かる。
【００４７】
このように各種ＣＯが微量ながら生成するため、１８Ｏを含むＣＯ２のガス中含有量とＣ１８Ｏのガス中含有量との合計値に基づき、触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価するようにしてもよい。また、この場合には、両ガス中含有量の合計値と温度センサ１５により検出される温度との関係を表示部５にて表示するようにしてもよい。
【００４８】
なお、本発明は、例示された実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態に係る評価装置を概略的に示す図である。
【図２】上記評価装置に含まれるサンプル設置部（ガス流通装置）を示す図である
【図３】上記評価装置を用いた触媒材のパティキュレート燃焼特性の評価方法の流れをあらわすフローチャートである。
【図４】図３中のステップ＃１２に対応した条件下で測定される各種Ｏ２のガス中含有量と温度との関係をあらわす図である。
【図５】図３中のステップ＃１２に対応した条件下で温度変化に伴い測定される１８Ｏ２のガス中含有量を、複数の触媒材間で比較しつつあらわす図である。
【図６】図３中のステップ＃１６に対応した条件下で測定される各種ＣＯ２のガス中含有量と温度との関係をあらわす図である。
【図７】図３中のステップ＃１６に対応した条件下で温度変化に伴い測定されるＣ１６Ｏ１８Ｏのガス中含有量を、複数の触媒材間で比較しつつあらわす図である。
【図８】図３中のステップ＃１６に対応した条件下で温度変化に伴い測定されるＣ１８Ｏ２のガス中含有量を、複数の触媒材間で比較しつつあらわす図である。
【図９】図３中のステップ＃１６に対応した条件下で温度変化に伴い測定されるＣ１８Ｏのガス中含有量を、複数の触媒材間で比較しつつあらわす図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…パティキュレート燃焼特性評価装置，２…四重極質量分析計，３…ターボ分子ポンプ，４…ロータリポンプ，５…表示部，１０…サンプル設置部，１１…基台，１２…ヒータ室，１３…サンプル管，１５…温度センサ，Ｂ…バイパス，Ｇ１…１８Ｏ２ガス源，Ｇ２…１６Ｏ２ガス源，Ｇ３…Ｈｅガス源，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３…マスフローコントローラ，Ｖ１…電磁弁，Ｖ２…制御弁，Ｘ…触媒材，Ｙ…カーボン質粉末。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パティキュレート燃焼触媒材の評価方法及び装置に、より詳しくは、酸素吸蔵放出能を備えた触媒材のパティキュレート燃焼に寄与する特性を評価するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれる未燃カーボン状物質（所謂パティキュレートマター：ＰＭ）は環境汚染に繋がる懸念があり、その排出が規制されている。このため、ディーゼルエンジン搭載車には、ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）が排ガス経路内に装着される。ＤＰＦは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）やコーディエライト等からなる耐熱性セラミック材が三次元網目状タイプもしくはウォールスルータイプと呼ばれる形状に成形されるもので、排ガス中のＰＭはＤＰＦを通過する過程で捕集されるようになっている。
【０００３】
ところで、捕集されたＰＭは運転時間に応じて次第にＤＰＦに堆積していくため、背圧が高まっていき、エンジン出力が低下して燃費が悪くなる等の問題があるが、これに対処して、従来では、例えば運転距離が所定の距離に達したらＤＰＦを交換するシステム、あるいは、背圧が高まってきたら、強制的にＰＭを燃焼させて排ガスを浄化するシステムが考えられている。後者のシステムとしては、バーナーを用いるものも知られているが、これは、ＤＰＦ本体の耐熱性を考慮すれば、あまり望ましくない。
【０００４】
これに対して、排気上流側からＨＣ成分（例えば燃料）を過剰に流し、ＤＰＦの上流側に配置される触媒でＨＣ成分を燃焼させ、その燃焼熱を利用してＤＰＦの温度を上げることで、ＰＭの着火燃焼を促進する方法が知られている。更に、近年では、ＰＭの着火燃焼を効果的に促進するために、ＤＰＦの排ガス通路面に酸素吸蔵材を含む触媒層を設けておき、その酸素吸蔵材に吸蔵される酸素成分を利用することが提案されている。
【０００５】
しかし、現状では、酸素吸蔵材に吸蔵される酸素成分がＰＭ燃焼にどのように寄与するかが具体的に解明されておらず、このため、どのような成分を含有する酸素吸蔵材をどのくらいの量だけＤＰＦ触媒層に含めばよいのかという点については手探りの状態にある。したがって、酸素吸蔵材に吸蔵される酸素成分がＰＭ燃焼に対して寄与する度合いを知ることは極めて重要であり、これが可能となれば、ディーゼルエンジンから排出されるＰＭを大幅に低減できる技術開発に役立つばかりでなく、その酸素吸蔵材を製造する上での品質管理にも利用することができると考えられる。
【０００６】
なお、酸素吸蔵材に吸蔵される酸素がどのように放出されるかという点に関しては、例えば特開２００５−９８８４号公報に、酸素同位体１８Ｏと１6Ｏを用いて酸素吸蔵材の酸素吸放出能（酸素拡散係数）を測定する方法，還元性ガスＣＯを供給して酸素放出速度および酸素吸放出量を測定する方法及びその装置が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−９８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１では、酸素吸蔵材に吸蔵される酸素成分がＰＭの燃焼に対して寄与する度合いに関してまで言及されていない。
【０００９】
本願発明は、上記のような技術的課題に鑑みてなされたもので、酸素吸蔵材に吸蔵されていた酸素成分がＰＭ燃焼に寄与する度合いを評価することができる方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本願の請求項１に係る発明は、酸素吸蔵放出能を備えた触媒材を含むパティキュレート燃焼触媒材の評価方法であって、酸素同位体１８Ｏが吸蔵させられた触媒材とカーボン質粉末との混合物を１6Ｏ気流中で昇温させ少なくともＣＯ２を生成させ、上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定し、該生成量に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価することを特徴としたものである。
【００１１】
また、本願の請求項２に係る発明は、上記請求項１に係る発明において、上記カーボン質粉末は、カーボンブラック粉末、若しくは、実機より採取したスート成分を含む粉末であることを特徴としたものである。
【００１２】
また、本願の請求項３に係る発明は、上記請求項１又は２に係る発明において、上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量と上記触媒材に対して設定された温度との関係に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価することを特徴としたものである。
【００１３】
また、本願の請求項４に係る発明は、酸素吸蔵放出能を備えた触媒材を含むパティキュレート燃焼触媒材の評価方法であって、（ａ）上記触媒材をガス流通装置内に設置するステップと、（ｂ）上記触媒材に酸素同位体１８Ｏを吸蔵させるために、上記ガス流通装置内に１８Ｏを流しつつ該ガス流通装置内温度を昇温させるステップと、（ｃ）上記ガス流通装置内温度を一旦降温させた後、カーボン質粉末と上記１８Ｏが吸蔵させられた触媒材とを混合するステップと、（ｄ）上記ガス流通装置内に酸素同位体１6Ｏを流しつつ該ガス流通装置内温度を昇温させつつ、昇温の間に上記触媒材から放出される上記１８Ｏにより上記カーボン質粉末が燃焼させられた結果として生成される上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定するステップと、（ｅ）所定温度域における上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価するステップと、を有していることを特徴としたものである。なお、ガス流通装置内温度の昇温は、例えば約６００℃程度が好ましい。
【００１４】
また、更に、本願の請求項５に係る発明は、上記請求項４に係る発明において、上記（ｅ）のステップが、上記ガス流通装置内温度の昇温の間における上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量とガス流通装置内温度との関係を表示するステップを含んでいることを特徴としたものである。
【００１５】
また、更に、本願の請求項６に係る発明は、酸素吸蔵放出能を備えたパティキュレート燃焼触媒材を評価する評価装置において、上記触媒材を設置させた上で、酸素同位体１８Ｏ及び１6Ｏを流し得るガス流通空間を有し、該ガス流通空間の温度調節機能を備えたガス流通装置と、該ガス流通装置での上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定するＣＯ２生成量測定手段と、所定温度域にて上記ＣＯ２生成量測定手段により測定される上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価する評価手段と、を有しており、上記ガス流通装置が、上記１８Ｏが触媒材に吸蔵されるように、酸素同位体１８Ｏを流しつつ該ガス流通装置のガス流通空間内温度を昇温させ、該ガス流通空間内温度を一旦降温させた後、カーボン質粉末と混合させられた触媒材から該カーボン質粉末の燃焼に用いられる１８Ｏが放出されるように、上記ガス流通装置内に酸素同位体１6Ｏを流しつつ該ガス流通装置内温度を昇温させ、上記ＣＯ２生成量測定手段が、上記触媒材から放出された１８Ｏが用いられる上記カーボン質粉末の燃焼に伴い生成される１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定することを特徴としたものである。なお、ガス流通装置内温度の昇温は、例えば約６００℃程度が好ましい。
【００１６】
また、更に、本願の請求項７に係る発明は、上記請求項６に係る発明において、上記評価手段が、上記ガス流通装置のガス流通空間内温度の昇温の間に生成される１８Ｏを含むＣＯ２の生成量と温度との関係を表示する表示手段を備えていることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本願の請求項１に係る発明によれば、酸素同位体１８Ｏが吸蔵させられた触媒材とカーボン質粉末とを混合した後、カーボン質粉末を燃焼させ、触媒材から放出された１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定するため、上記触媒材と、該触媒材から放出された酸素成分と、ＰＭ燃焼との関係を明確に評価することができ、これにより、研究開発の効率化やＰＭ燃焼触媒材としての酸素吸蔵材の品質管理の効率化を図ることができる。
【００１８】
また、本願の請求項２に係る発明によれば、カーボン質粉末として、カーボンブラック粉末を採用する場合には、評価が簡便に行える一方、実機より採取したスート成分を含む粉末を採用する場合には、より実機に近い評価が行える。
【００１９】
更に、本願の請求項３に係る発明によれば、触媒材のパティキュレート燃焼特性の評価が上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量と温度との関係に基づき行われるため、どの程度の温度域から触媒材より放出される１８Ｏがカーボン質粉末の燃焼に寄与しているのかを把握することができる。
【００２０】
また、更に、本願の請求項４に係る発明によれば、酸素同位体１８Ｏが吸蔵させられた触媒材とカーボン質粉末とを混合した後、カーボン質粉末を燃焼させ、触媒材から放出された１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定するため、上記触媒材と、該触媒材から放出された酸素成分と、ＰＭ燃焼との関係を明確に評価することができ、これにより、研究開発の効率化やＰＭ燃焼触媒材としての酸素吸蔵材の品質管理の効率化を図ることができる。
【００２１】
また、更に、本願の請求項５に係る発明によれば、上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量と温度との関係が視覚的に示されるため、触媒材のパティキュレート燃焼特性を容易に評価することが可能となる。
【００２２】
また、更に、本願の請求項６に係る発明によれば、酸素同位体１８Ｏが吸蔵させられた触媒材とカーボン質粉末とを混合した後、カーボン質粉末を燃焼させ、触媒材から放出された１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定するため、上記触媒材と、該触媒材から放出された酸素成分と、ＰＭ燃焼との関係を明確に評価することができ、これにより、研究開発の効率化やＰＭ燃焼触媒材としての酸素吸蔵材の品質管理の効率化を図ることができる。
【００２３】
また、更に、本願の請求項７に係る発明によれば、上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量と温度との関係が視覚的に示されるため、触媒材のパティキュレート燃焼特性を容易に評価することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態では、酸素吸蔵放出能を備えた各種触媒材（Ｃｅ系酸化物）のパテュキュレート燃焼特性を評価する評価装置を取り上げる。図１は、本発明の実施形態に係る評価装置１を概略的に示す図である。この評価装置１では、評価対象となる触媒材が設置されるサンプル設置部（ガス流通装置）１０と、サンプル設置部１０に対して酸素同位体１８Ｏ２ガス，１６Ｏ２ガス及びＨｅガスをそれぞれ供給するガス源Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３と、サンプル設置部１０から排出されてきたガスを分析し、ガス中の成分含有量を測定し得る四重極質量分析計２と、が設けられている。
【００２５】
ガス源Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３からサンプル設置部１０へのガス供給は、それぞれ、マスフローコントローラＭ１，Ｍ２，Ｍ３により制御され、更に、マスフローコントローラＭ１，Ｍ２，Ｍ３とサンプル設置部１０との間には、マスフローコントローラＭ１，Ｍ２，Ｍ３を経て供給されてきたガスの供給先を、バイパスＢとサンプル設置部１０との間で切り替える電磁弁Ｖ１が設けられている。
【００２６】
また、四重極質量分析計２の上流側には、四重極質量分析計２への分析用ガスの供給を制御するための制御弁Ｖ２が設けられている。更に、四重極質量分析計２によるガス分析は真空条件で実行されるために、ターボ分子ポンプ３及びロータリポンプ４が設けられている。
【００２７】
また、更に、この評価装置１では、四重極質量分析計２によるガス分析結果と、サンプル設置部１０に設置される触媒材の温度を検出するために設けられた温度センサ１５（図２参照）による温度情報とに基づき、ガス分析結果と温度情報との関係を例えばグラフ形式で表示する表示部５が設けられている。
【００２８】
図２は、評価装置１に含まれるサンプル設置部１０を詳細に示す図である。このサンプル設置部１０は、振動可能に設けられた基台１１と、基台１１上に設置され、温度調節可能なヒータ室１２と、ヒータ室１２内に配置され、評価対象となる触媒材Ｘが内部にセットされ得るサンプル管１３と、を有している。また、ヒータ室１２内には、サンプル管１３内にセットされた触媒材の温度に対応したヒータ室１２の温度を検出する温度センサ１５が設けられている。ここでは、温度センサ１５により検出されるヒータ室１２の温度と触媒材の温度との対応性を確保するために、温度センサ１５がサンプル管１３近傍に支持されている。
【００２９】
また、サンプル管１３の両端部は、触媒材Ｘが管内にセットされた上で各ガス源Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３から供給されるガスが流通させられるように、共にヒータ室１２の外部に突出させられ、それぞれ、ガス供給口１３ａ及びガス排出口１３ｂをなしている。本実施形態では、ガス供給口１３ａ及びガス排出口１３ｂの近傍に、それぞれ、フレキシブルチューブ１４が装着され、ガス供給口１３ａ側のフレキシブルチューブ１４には、管内の触媒材と混合させられるカーボン質粉末Ｙをサンプル管１３内に供給するためのカーボン供給管１６が取り付けられている。更に、カーボン質粉末Ｙの供給制御のため、カーボン供給管１６には制御弁Ｖ３が設けられ、カーボン質粉末Ｙは、制御弁Ｖ３が開いた状態で、エア供給に伴いサンプル管１３内に供給されるようになっている。なお、本実施形態では、カーボン質粉末Ｙとして、カーボンブラック粉末が用いられるが、これに限定されることなく、例えば、実機より採取したスート成分を含む粉末が用いられてもよい。
【００３０】
以下、前述した構成を備えた評価装置１を用いて行われる触媒材Ｘのパティキュレート燃焼特性の評価方法について説明する。図３は、触媒材Ｘのパティキュレート燃焼特性の評価方法の流れを示す図である。この方法では、まず、酸素吸蔵放出能を備えた粉末状の触媒材Ｘがサンプル設置部１０内に設置される（＃１１）。このステップ＃１１は、サンプル設置部１０において、自動的に行われても、若しくは、サンプル管１３を外部に取り出した上で設置されるようにして手作業で行われてもよい。
【００３１】
次に、サンプル設置部１０内に１８Ｏ２ガスを流通させつつサンプル設置部１０内の温度を例えば約６００℃まで一定速度で昇温させる（＃１２）。本実施形態では、サンプル設置部１０へのガス供給の前に、供給経路でのエア抜きやガス供給圧の安定化を目的として、バイパスＢ側にガスが流され、その上で、電磁弁Ｖ１が切り替えられて、サンプル設置部１０へガスが供給される。厳密には、１８Ｏ２ガスに加えて、不活性で熱伝導性の高いＨｅガスがキャリヤガスとして供給される。
【００３２】
また、ステップ＃１２の昇温の間には、四重極質量分析計２によりサンプル設置部１０から排出されるガスを分析し、ガス中の各Ｏ２（１８Ｏ２，１６Ｏ２，１６Ｏ１８Ｏ）の含有量を測定する（＃１３）。この測定結果は、基本的に、温度センサ１５により検出される温度が高くなるにつれ、１８Ｏ２が触媒材Ｘに吸蔵されることで減少する様子をあらわすものであるが、その詳細については、図４を参照しながら後述する。
【００３３】
続いて、サンプル設置部１０内の温度を降温させ（＃１４）、その降温後に、カーボン質粉末Ｙをサンプル設置部１０内に供給し、触媒材Ｘとカーボン質粉末Ｙとを混合する（＃１５）。前述した評価装置１では、このステップ＃１５が、制御弁Ｖ３が開いた状態で、エア供給によりサンプル管１３内にカーボン質粉末Ｙが供給され、触媒材とカーボン質粉末と均一に混ざり合うように基台１１が振動させられるようにして自動的に行われる。なお、これに限定されることなく、例えば、１８Ｏ２を吸蔵した触媒材を含むサンプル管１３を取り外し、その触媒材Ｘをサンプル管１３からビーカ（不図示）に移し、ビーカに対してカーボン質粉末Ｙを混ぜ、その後、サンプル管１３に戻し、サンプル設置部１０に対してサンプル管１３を取り付けるようにしてもよい。
【００３４】
次に、サンプル設置部１０内に１６Ｏ２ガスを流通させつつ、サンプル設置部１０内の温度を例えば約６００℃まで一定速度で昇温させる（＃１６）。この場合にも、１６Ｏ２ガスに加えて、不活性で熱伝導性の高いＨｅガスがキャリヤガスとして供給される。
【００３５】
また、ステップ＃１６の昇温の間には、四重極質量分析計２により、サンプル設置部１０から排出されるガスを分析し、カーボン質粉末Ｙの燃焼に伴いサンプル設置部１０内で生成された各種ＣＯ２（Ｃ１６Ｏ２，Ｃ１８Ｏ２，Ｃ１６Ｏ１８Ｏ）のガス中含有量を測定する（＃１７）。この測定結果の詳細については、図５を参照しながら後述する。なお、ステップ＃１７においては、触媒材Ｘのパティキュレート燃焼特性を評価する上では、少なくとも１８Ｏを含むＣＯ２（Ｃ１８Ｏ２，Ｃ１６Ｏ１８Ｏ）のガス中含有量が測定されればよい。また、この１８Ｏを含むＣＯ２量を明瞭に得るとともに、触媒材から放出されるＯ２による寄与を正確に判断するために、ステップ＃１２においては、触媒材内部に１８Ｏが十分に取り込まれるまで処理を行うことが好ましい。
【００３６】
続いて、四重極質量分析計２により測定された各種ＣＯ２のガス中含有量と温度センサ１５により検出された温度との関係を表示部５に表示する（＃１８）。その後、所定温度域における１８Ｏを含むＣＯ２のガス中含有量に基づき、触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価する（＃１９）。以上で、処理が終了される。
【００３７】
図４は、図３中のステップ＃１２に対応した条件下、すなわち、１８Ｏ２ガス及びＨｅガスが流通させられつつサンプル設置部１０が昇温させられる条件下で、四重極質量分析計２により測定される各種Ｏ２（１８Ｏ２，１６Ｏ２，１６Ｏ１８Ｏ）のガス中含有量（図中の「濃度」）と、温度センサ１５により検出される温度との関係をあらわす図である。なお、ここでは、評価対象とする触媒材ＸとしてＣｅＯ２を採用した例を取り上げる。
【００３８】
かかる条件下では、ＣｅＯ２による酸化雰囲気におけるＯ２の置換反応により、すなわち、ＣｅＯ２を構成する１６Ｏと、サンプル管１３内に供給されてきた１８Ｏ２ガス相を構成する１８Ｏとが置換されることにより、１８Ｏ２（実線で示す）が減少し、また、一方、１８Ｏと置換された１６Ｏが同じく１８Ｏと置換された１６Ｏ若しくは１８Ｏと結合することにより、１６Ｏ２（破線で示す）又は１６Ｏ１８Ｏ（一点鎖線で示す）が生成され増加することとなる。また、酸化物内部の酸素原子（１６Ｏ）のみで構成される１６Ｏ２の増加が気流中の酸素原子（１８Ｏ）を含む１６Ｏ１８Ｏより多い。よって、Ｏ２の置換反応においては、気流中の酸素原子は酸化物表面に吸着した後、一旦内部に取り込まれやすく、既に酸化物内部に存在していた酸素原子が優先的に放出される機構をとっていると考えることができる。
【００３９】
また、図５は、図３中のステップ＃１２に対応した条件下で、温度センサ１５により検出される温度の変化に伴い四重極質量分析計２により測定される１８Ｏ２のガス中含有量を、複数の触媒材（ＣｅＯ２，Ｃｅ０．７Ｚｒ０．３Ｏ２，Ｃｅ０．９Ｐｒ０．１Ｏ２）間で比較しつつあらわす図である。
【００４０】
この図５からは、Ｃｅ０．９Ｐｒ０．１Ｏ２（破線で示す），Ｃｅ０．７Ｚｒ０．３Ｏ２（一点鎖線で示す），ＣｅＯ２（実線で示す）の順で、より低温からかつより大きな割合で１８Ｏ２が減少する。また、図示しないが、１６Ｏ１８Ｏ及び１６Ｏ２についても同様な傾向が確認されることから、Ｃｅ０．９Ｐｒ０．１Ｏ２，Ｃｅ０．７Ｚｒ０．３Ｏ２，ＣｅＯ２の順で、低温からのＯ２の置換反応が大きいことが分かる。
【００４１】
更に、図６は、図３中のステップ＃１６に対応した条件下、すなわち、１６Ｏ２ガス及びＨｅガスが流通させられつつサンプル設置部１０が昇温させられる条件下で、四重極質量分析計２により測定される各種ＣＯ２（Ｃ１６Ｏ２，Ｃ１８Ｏ２，Ｃ１６Ｏ１８Ｏ）のガス中含有量と、温度センサ１５により検出される温度との関係をあらわす図である。なお、ここでは、また、評価対象とする触媒材としてＣｅＯ２を採用し、触媒材とカーボンブラックを重量比で４：１に混合し評価を行った例を取り上げる。
【００４２】
かかる条件下では、カーボン質粉末Ｙの燃焼に伴い、カーボン質粉末Ｙを構成する炭素（Ｃ）が、サンプル管１３内に供給されてきた１６Ｏ２ガス相を構成する１６Ｏと結合する、若しくは、ＣｅＯ２から放出された１８Ｏと結合する、あるいは、それら１６Ｏ及び１８Ｏと結合することで、それぞれ、Ｃ１６Ｏ２，Ｃ１８Ｏ２及びＣ１６Ｏ１８Ｏがそれぞれ生成され増加する。この図６によれば、各種ＣＯ２が、Ｃ１６Ｏ１８Ｏ（一点鎖線で示す），Ｃ１６Ｏ２（破線で示す），Ｃ１８Ｏ２（実線で示す）の順で、より低温から生成されている。既に酸化物内部に存在していた酸素原子（１８Ｏ）が触媒材から優先的に放出され反応に関わることを考慮すると、Ｃ１６Ｏ１８Ｏは酸化物内部に存在していた酸素原子によってカーボンが燃焼され生成したものと考えることができる。このことから、触媒材に吸蔵された１８Ｏが、１６Ｏ２ガス相を構成する１６Ｏよりも低温でカーボン質粉末Ｙの燃焼に寄与することが分かる。なお、特に図示しないが、サンプル管１３内に供給されてきた１６Ｏ２は昇温に伴い減少する。
【００４３】
図７及び図８は、それぞれ、図３中のステップ＃１６に対応した条件下で、温度センサ１５により検出される温度の変化に伴い四重極質量分析計２により測定される１８Ｏを含むＣＯ２（Ｃ１６Ｏ１８Ｏ，Ｃ１８Ｏ２）の各ガス中含有量を、複数の触媒材（ＣｅＯ２，Ｃｅ０．７Ｚｒ０．３Ｏ２，Ｃｅ０．９Ｐｒ０．１Ｏ２）間で比較しつつあらわす図である。
【００４４】
これらの図からは、Ｃｅ０．９Ｐｒ０．１Ｏ２（破線で示す），Ｃｅ０．７Ｚｒ０．３Ｏ２（一点鎖線で示す），ＣｅＯ２（実線で示す）の順で、Ｃ１６Ｏ１８Ｏ及びＣ１８Ｏ２が、共に、より低温からかつより大きな割合で生成され増加することが分かる。すなわち、各触媒材が、Ｃｅ０．９Ｐｒ０．１Ｏ２，Ｃｅ０．７Ｚｒ０．３Ｏ２，ＣｅＯ２の順で、一旦吸蔵した１８Ｏをより低温から且つ多量に放出して、それをカーボン質粉末Ｙの燃焼に用いる、つまり、より低温からカーボン質粉末Ｙの燃焼に寄与する特性を有することが分かる。更に、図５も考慮すれば、これら３種の触媒材については、低温からのＯ２の置換反応が起こりやすい触媒材ほど、より低温からカーボン質粉末Ｙの燃焼に寄与する特性を有することが分かる。
【００４５】
以上説明したように、上記評価装置１によれば、図４〜８に示したような結果に基づき、各種触媒材のパティキュレート燃焼特性を明確に評価することができる。また、これにより、研究開発の効率化やＰＭ燃焼に寄与する酸素吸蔵放出能を備えた触媒材の品質管理の効率化を促進することができる。更に、評価装置１では、図４〜８に示したような結果が表示部５を介して視覚的に示されるため、触媒材のパティキュレート燃焼特性を容易に評価することができる。
【００４６】
ところで、図３中のステップ＃１６に対応した条件下では、ＣＯ２以外に各種ＣＯ（Ｃ１６Ｏ，Ｃ１８Ｏ）も微量ながら生成する。図９は、温度センサ１５により検出される温度の変化に伴い四重極質量分析計２により測定されるＣ１８Ｏのガス中含有量を、複数の触媒材（ＣｅＯ２，Ｃｅ０．７Ｚｒ０．３Ｏ２，Ｃｅ０．９Ｐｒ０．１Ｏ２）間で比較しつつあらわす図である。この図からは、Ｃ１８Ｏが、図７でＣ１６Ｏ１８Ｏに関して示した結果と同様に、すなわち、Ｃｅ０．９Ｐｒ０．１Ｏ２（破線で示す），Ｃｅ０．７Ｚｒ０．３Ｏ２（一点鎖線で示す），ＣｅＯ２（実線で示す）の順で、より低温からかつより大きな割合で生成され増加することが分かる。
【００４７】
このように各種ＣＯが微量ながら生成するため、１８Ｏを含むＣＯ２のガス中含有量とＣ１８Ｏのガス中含有量との合計値に基づき、触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価するようにしてもよい。また、この場合には、両ガス中含有量の合計値と温度センサ１５により検出される温度との関係を表示部５にて表示するようにしてもよい。
【００４８】
なお、本発明は、例示された実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態に係る評価装置を概略的に示す図である。
【図２】上記評価装置に含まれるサンプル設置部（ガス流通装置）を示す図である
【図３】上記評価装置を用いた触媒材のパティキュレート燃焼特性の評価方法の流れをあらわすフローチャートである。
【図４】図３中のステップ＃１２に対応した条件下で測定される各種Ｏ２のガス中含有量と温度との関係をあらわす図である。
【図５】図３中のステップ＃１２に対応した条件下で温度変化に伴い測定される１８Ｏ２のガス中含有量を、複数の触媒材間で比較しつつあらわす図である。
【図６】図３中のステップ＃１６に対応した条件下で測定される各種ＣＯ２のガス中含有量と温度との関係をあらわす図である。
【図７】図３中のステップ＃１６に対応した条件下で温度変化に伴い測定されるＣ１６Ｏ１８Ｏのガス中含有量を、複数の触媒材間で比較しつつあらわす図である。
【図８】図３中のステップ＃１６に対応した条件下で温度変化に伴い測定されるＣ１８Ｏ２のガス中含有量を、複数の触媒材間で比較しつつあらわす図である。
【図９】図３中のステップ＃１６に対応した条件下で温度変化に伴い測定されるＣ１８Ｏのガス中含有量を、複数の触媒材間で比較しつつあらわす図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…パティキュレート燃焼特性評価装置，２…四重極質量分析計，３…ターボ分子ポンプ，４…ロータリポンプ，５…表示部，１０…サンプル設置部，１１…基台，１２…ヒータ室，１３…サンプル管，１５…温度センサ，Ｂ…バイパス，Ｇ１…１８Ｏ２ガス源，Ｇ２…１６Ｏ２ガス源，Ｇ３…Ｈｅガス源，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３…マスフローコントローラ，Ｖ１…電磁弁，Ｖ２…制御弁，Ｘ…触媒材，Ｙ…カーボン質粉末。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素吸蔵放出能を備えた触媒材を含むパティキュレート燃焼触媒材の評価方法であって、
酸素同位体１８Ｏが吸蔵させられた触媒材とカーボン質粉末との混合物を１6Ｏ気流中で昇温させ少なくともＣＯ２を生成させ、上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定し、該生成量に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価することを特徴とするパティキュレート燃焼触媒材の評価方法。
【請求項２】
上記カーボン質粉末は、カーボンブラック粉末、若しくは、実機より採取したスート成分を含む粉末であることを特徴とする請求項１記載のパティキュレート燃焼触媒材の評価方法。
【請求項３】
上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量と上記触媒材に対して設定された温度との関係に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価することを特徴とする請求項１又は２に記載のパティキュレート燃焼触媒材の評価方法。
【請求項４】
酸素吸蔵放出能を備えた触媒材を含むパティキュレート燃焼触媒材の評価方法であって、
（ａ）上記触媒材をガス流通装置内に設置するステップと、
（ｂ）上記触媒材に酸素同位体１８Ｏを吸蔵させるために、上記ガス流通装置内に１８Ｏを流しつつ該ガス流通装置内温度を昇温させるステップと、
（ｃ）上記ガス流通装置内温度を一旦降温させた後、カーボン質粉末と上記１８Ｏが吸蔵させられた触媒材とを混合するステップと、
（ｄ）上記ガス流通装置内に酸素同位体１6Ｏを流しつつ該ガス流通装置内温度を昇温させつつ、昇温の間に上記触媒材から放出される上記１８Ｏにより上記カーボン質粉末が燃焼させられた結果として生成される上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定するステップと、
（ｅ）所定温度域における上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価するステップと、を有していることを特徴とするパティキュレート燃焼触媒材の評価方法。
【請求項５】
上記（ｅ）のステップが、上記ガス流通装置内温度の昇温の間における上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量とガス流通装置内温度との関係を表示するステップを含んでいることを特徴とする請求項４記載のパティキュレート燃焼触媒材の評価方法。
【請求項６】
酸素吸蔵放出能を備えたパティキュレート燃焼触媒材を評価する評価装置において、
上記触媒材を設置させた上で、酸素同位体１８Ｏ及び１6Ｏを流し得るガス流通空間を有し、該ガス流通空間の温度調節機能を備えたガス流通装置と、
上記ガス流通装置での上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定するＣＯ２生成量測定手段と、
所定温度域にて上記ＣＯ２生成量測定手段により測定される上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価する評価手段と、を有しており、
上記ガス流通装置が、
上記１８Ｏが触媒材に吸蔵されるように、酸素同位体１８Ｏを流しつつ該ガス流通装置のガス流通空間内温度を昇温させ、該ガス流通空間内温度を一旦降温させた後、カーボン質粉末と混合させられた触媒材から該カーボン質粉末の燃焼に用いられる１８Ｏが放出されるように、上記ガス流通装置内に酸素同位体１6Ｏを流しつつ該ガス流通装置内温度を昇温させ、
上記ＣＯ２生成量測定手段が、
上記触媒材から放出された１８Ｏが用いられる上記カーボン質粉末の燃焼に伴い生成される１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定することを特徴とするパティキュレート燃焼触媒材の評価装置。
【請求項７】
上記評価手段が、上記ガス流通装置のガス流通空間内温度の昇温の間に生成される１８Ｏを含むＣＯ２の生成量と温度との関係を表示する表示手段を備えていることを特徴とする請求項６記載のパティキュレート燃焼触媒材の評価装置。
【請求項１】
酸素吸蔵放出能を備えた触媒材を含むパティキュレート燃焼触媒材の評価方法であって、
酸素同位体１８Ｏが吸蔵させられた触媒材とカーボン質粉末との混合物を１6Ｏ気流中で昇温させ少なくともＣＯ２を生成させ、上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定し、該生成量に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価することを特徴とするパティキュレート燃焼触媒材の評価方法。
【請求項２】
上記カーボン質粉末は、カーボンブラック粉末、若しくは、実機より採取したスート成分を含む粉末であることを特徴とする請求項１記載のパティキュレート燃焼触媒材の評価方法。
【請求項３】
上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量と上記触媒材に対して設定された温度との関係に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価することを特徴とする請求項１又は２に記載のパティキュレート燃焼触媒材の評価方法。
【請求項４】
酸素吸蔵放出能を備えた触媒材を含むパティキュレート燃焼触媒材の評価方法であって、
（ａ）上記触媒材をガス流通装置内に設置するステップと、
（ｂ）上記触媒材に酸素同位体１８Ｏを吸蔵させるために、上記ガス流通装置内に１８Ｏを流しつつ該ガス流通装置内温度を昇温させるステップと、
（ｃ）上記ガス流通装置内温度を一旦降温させた後、カーボン質粉末と上記１８Ｏが吸蔵させられた触媒材とを混合するステップと、
（ｄ）上記ガス流通装置内に酸素同位体１6Ｏを流しつつ該ガス流通装置内温度を昇温させつつ、昇温の間に上記触媒材から放出される上記１８Ｏにより上記カーボン質粉末が燃焼させられた結果として生成される上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定するステップと、
（ｅ）所定温度域における上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価するステップと、を有していることを特徴とするパティキュレート燃焼触媒材の評価方法。
【請求項５】
上記（ｅ）のステップが、上記ガス流通装置内温度の昇温の間における上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量とガス流通装置内温度との関係を表示するステップを含んでいることを特徴とする請求項４記載のパティキュレート燃焼触媒材の評価方法。
【請求項６】
酸素吸蔵放出能を備えたパティキュレート燃焼触媒材を評価する評価装置において、
上記触媒材を設置させた上で、酸素同位体１８Ｏ及び１6Ｏを流し得るガス流通空間を有し、該ガス流通空間の温度調節機能を備えたガス流通装置と、
上記ガス流通装置での上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定するＣＯ２生成量測定手段と、
所定温度域にて上記ＣＯ２生成量測定手段により測定される上記１８Ｏを含むＣＯ２の生成量に基づき、上記触媒材のパティキュレート燃焼特性を評価する評価手段と、を有しており、
上記ガス流通装置が、
上記１８Ｏが触媒材に吸蔵されるように、酸素同位体１８Ｏを流しつつ該ガス流通装置のガス流通空間内温度を昇温させ、該ガス流通空間内温度を一旦降温させた後、カーボン質粉末と混合させられた触媒材から該カーボン質粉末の燃焼に用いられる１８Ｏが放出されるように、上記ガス流通装置内に酸素同位体１6Ｏを流しつつ該ガス流通装置内温度を昇温させ、
上記ＣＯ２生成量測定手段が、
上記触媒材から放出された１８Ｏが用いられる上記カーボン質粉末の燃焼に伴い生成される１８Ｏを含むＣＯ２の生成量を測定することを特徴とするパティキュレート燃焼触媒材の評価装置。
【請求項７】
上記評価手段が、上記ガス流通装置のガス流通空間内温度の昇温の間に生成される１８Ｏを含むＣＯ２の生成量と温度との関係を表示する表示手段を備えていることを特徴とする請求項６記載のパティキュレート燃焼触媒材の評価装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−１９０４６０（Ｐ２００７−１９０４６０Ａ）
【公開日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−８９１８（Ｐ２００６−８９１８）
【出願日】平成１８年１月１７日（２００６．１．１７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 触媒学会発行の「第９６回触媒討論会討論会Ａ予稿集」において平成１７年９月２０日に発表した。
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月１７日（２００６．１．１７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 触媒学会発行の「第９６回触媒討論会討論会Ａ予稿集」において平成１７年９月２０日に発表した。
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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