説明

排ガス浄化用触媒

【課題】可逆的な酸化還元反応によって発熱と吸熱とを選択可能な化学蓄熱剤を利用して触媒の早期活性化を図る排ガス浄化触媒において、圧力損失が低く、かつ、効率的に化学蓄熱剤によって発生する熱を利用して触媒の早期活性化が可能な排ガス浄化触媒を提供する。
【解決手段】セラミック触媒担体10が、セラミック材料からなる多孔質のセル壁WCにより区画されるガス流れに平行な多数のセルCを有するハニカム構造又はモノリス構造を有し、排ガス中に含まれる水蒸気又は二酸化炭素との可逆的な化学反応を起こす化学蓄熱剤11を用いてセル壁Wの表面に所定の幾何学的表面積GSAと膜厚tと重量Wとを有する被覆層を形成すると共に、該被覆層に所定の温度以上で活性化され排ガスを浄化する触媒12を担持せしめる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、自動車エンジン等の内燃機関の排気ガスを浄化する排ガス浄化用触媒、詳しくは、リーンバーンエンジンやディーゼルエンジンのNOx浄化用触媒、DPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)、ガソリンエンジンの三元触媒に好適な排ガス浄化用触媒に関する。
【背景技術】
【0002】
排ガス浄化用触媒としては、従来、コーディエライト等の高耐熱衝撃性材料からなるセラミックハニカム構造体を担体とし、その表面に比表面積を大きくするためにγ−アルミナ等の被覆層を形成した後、貴金属触媒を担持させたものが広く用いられている(特許文献1、特許文献2等参照)。
【0003】
ところが、このような排ガス浄化用触媒が清浄機能を発揮するためには、触媒を所定の温度以上に加熱して活性化する必要があり、熱源として内燃機関の排ガスを利用した場合、冷間始動時には排ガスの温度が低く、触媒の活性化に時間が掛かり、未浄化の排ガスが排出される虞がある。
【0004】
かかる問題に対して、触媒の早期活性化上図るべく、特許文献3には、内燃機関から排出される排気ガスの特に前記内燃機関の起動直後に排出される排気ガスの浄化を触媒により行うにあたり、化学反応を利用して蓄熱する蓄熱剤で発生させた熱を排気ガスと触媒の双方に伝達して触媒反応温度をあげることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献3にあるような従来の排気ガス浄化方法では、粒状又はペレット状の蓄熱剤層と同じく粒状又はペレット状の触媒層とを触媒反応容器に充填して蓄熱剤層と触媒層との混層を形成したり、蓄熱剤層を触媒層の上流側に設けたりして、排気ガスと蓄熱剤層との化学反応によって発生した熱を触媒層に伝達させている。
ところが、粒状又はペレット状の蓄熱剤層との同じく粒状又はペレット状の触媒層とを触媒反応容器に充填した場合には、流路抵抗が大きくなり、内燃機関の燃焼に影響を及ぼす虞がある。
また、蓄熱剤層を触媒層の上流に設けた場合には、蓄熱剤層で発生した熱が一旦排気ガスに伝達され、これによって触媒層が加熱されることになるので、蓄熱剤層で発生した熱が触媒層に伝達されるまでの時間が掛かり、触媒を早期に活性化することができない虞がある。
【0006】
そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、可逆的な酸化還元反応によって発熱と吸熱とを選択可能な化学蓄熱剤を利用して触媒の早期活性化を図る排ガス浄化触媒において、圧力損失が低く、かつ、効率的に化学蓄熱剤によって発生する熱を利用して触媒の早期活性化が可能な排ガス浄化触媒を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
第1の発明では、セラミック触媒担体に担持された触媒によって内燃機関の排ガスを浄化する排ガス浄化触媒であって、上記セラミック触媒担体が、セラミック材料からなる多孔質のセル壁により区画されるガス流れに平行な多数のセルを有するハニカム構造又はモノリス構造を有し、上記排ガス中に含まれる水蒸気又は二酸化炭素との可逆的な化学反応を起こす化学蓄熱剤を用いて上記セル壁の表面に所定の幾何学的表面積と所定の膜厚と所定の重量とを有する被覆層を形成すると共に、該被覆層に所定の温度以上で活性化され排ガスを浄化する触媒を担持せしめる(請求項1)。
【0008】
第1の発明によれば、上記排ガスの温度が低い場合であっても、上記被覆層を構成する上記化学蓄熱剤と排ガス中に含まれる水蒸気又は二酸化炭素との反応によって発生する反応熱によって上記被覆層に担持された上記触媒が直接的に加熱されて早期に活性化できる。
【0009】
第2の発明では、上記被覆層の幾何学的表面積をGSAとし、上記被覆層の膜厚をtとし、上記被覆層を構成する基材重量と上記化学蓄熱剤重量との和を被覆重量Wとしたとき、GSA/(t・W)で定義する蓄熱剤有効化係数Kが100以上となるように上記被覆層を形成する(請求項2)。
【0010】
本発明者の鋭意試験により、上記蓄熱剤有効係数Kが本発明の範囲となるように上記被覆層を形成すると、上記蓄熱剤と反応ガスとの接触が十分良好となり、発熱反応が速やかに完了し、発生した熱を上記触媒の早期活性化に利用可能となり、本発明の範囲を外れ、上記蓄熱剤有効化係数Kが100より小さくなった場合には、上記ハニカム構造体の表面積が小さく、上記蓄熱剤を含む上記被覆層の膜厚が大きくなるため、ガスの拡散性が低下し、上記蓄熱剤との十分な接触を図ることが困難となり、触媒の早期活性化に利用できるだけの発熱反応を起こし難くなることが判明した。
上記蓄熱剤有効化係数Kが第2の発明の範囲となるように上記被覆層を形成することにより、圧損を抑制しつつ、上記蓄熱剤で発生した熱を効果的に触媒の早期活性化に利用できるのである。
【0011】
第3の発明のように、上記化学蓄熱剤の比表面積が100m/g以上のアルカリ土類金属酸化物を用いるのが望ましい(請求項3)。
【0012】
本発明者の鋭意試験により、上記蓄熱剤の比表面積が第3の発明の範囲となるものを用いることにより、圧損を抑制しつつ、上記蓄熱剤で発生した熱を効果的に触媒の早期活性化に利用できることが判明した。
【0013】
具体的には、第4の発明のように、上記セラミック触媒担体が、コーディエライト、ゼオライト、ペロブスカイト、チタニア、シリカ、セリア、ジルコニア、アルミナ、マグネシア、スピネル、ムライト、チタン酸アルミニウム、リン酸ジルコニウム、炭化硅素、窒化珪素、アルミノシリケートの一から選択したセラミック材料によって形成することができる(請求項4)。
【0014】
さらに、第5の発明のように、上記触媒が、Pt、Ag、Rh、Pd、Ce、Cu、Fe、Co、Mn、Znの遷移金属のうちから選択される1種の金属、又は、上記遷移金属のうちから選択された複数種の混合体若しくは固溶体からなる金属、又は、これらの金属の酸化物のいずれかであって、200℃以上で触媒活性を示すものによって、本発明の排ガス浄化触媒を実現することができる(請求項5)。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の第1の実施形態における排ガス浄化触媒の概要を示し、(a)は、排ガス浄化触媒全体を示す斜視図、(b)は、本図(a)中A部における拡大斜視図、(c)は、本図(b)中B部における拡大断面図。
【図2】本発明の排ガス浄化触媒に設けた化学蓄熱層の触媒早期昇温効果を示す説明図であって、(a)は、始動初期の様子を示す模式図、(b)は、始動時のエネルギ状態を示す特性図、(c)は早期活性化の原理を示す模式図。
【図3】本発明の排ガス浄化触媒に設けた化学蓄熱層の再生方法を示す説明図であって、(a)は、再生時の様子を示す模式図、(b)は、再生時のエネルギ状態を示す特性図、(c)は化学蓄熱剤再生方法の原理を示す模式図。
【図4】(a)は、比較例として示す従来の排ガス浄化触媒の機能発揮条件を示す特性図、(b)は、比較例と共に触媒早期活性化に対する本発明の効果を示す特性図。
【図5】比較例と共に本発明の排ガス浄化能力向上に対する効果を示す特性図。
【発明を実施するための形態】
【0016】
図1を参照して、本発明の排ガス触媒1の概要について説明する。排ガス浄化触媒1は、自動車エンジン等の内燃機関の排気ガスを浄化する排ガス浄化用触媒に用いられ、詳しくは、リーンバーンエンジンやディーゼルエンジンのNO x 浄化用触媒、D P F ( ディーゼルパティキュレートフィルタ) 、ガソリンエンジンの三元触媒として好適なものである。
本実施形態においては、セラミック触媒担体10として、広く一般に用いられているコーディエライトハニカム構造体を用い、触媒12としてPt、Rh、Pd等の貴金属触媒を用い、本発明の要部であり、化学蓄熱剤11からなる所定の幾何学的表面積GSAと膜厚tと重量Wとを有する被覆層を形成して、所定の温度以上で活性化する触媒12を担持した排ガス浄化触媒1を例として説明する。
セラミック触媒担体10は、図1(a)に示すように、コーディエライトからなるセラミック材料を用い、押出成形等の方法により多孔質の壁Wにより区画されるガス流れに平行な多数のセルCを有するハニカム構造又はモノリス構造に形成されている。
コーディエライト化原料としては、アルミナ、水酸化アルミニウム、シリカ、ムライト、カオリン、タルク等から選択される公知のセラミック原料が用いられている。
セラミク触媒担体10のセル壁Wは、例えば50μm〜100μm、に形成され、セル密度400cpsi〜1000cpsi(1平方インチ当たりのセル個数)に形成されている。
【0017】
セラミック触媒担体10のセル壁Wの表面には、図1(b)に示すように、ウオッシュコート法等の公知の方法により化学蓄熱剤11を用いて被覆層が形成され、これに触媒12が担持されている。
本実施形態において、化学蓄熱剤11には、例えば、高純度であり、超微粉状、又は、サブミクロン級から数ミクロン級の粒径で無数の細孔を有するなどにより、比表面積が100m/g以上の酸化マグネシウムが用いられている。
化学蓄熱剤11を、適宜、分散剤を添加した水などの分散媒に分散させ、スラリー状に調整し、ハニカム構造体の壁面への固定手段として、シリカゾル、アルミナゾル等の無機バインダを基材として用い、必要に応じてメチルセルロース等の有機バインダを結合剤として用いている。
また、本発明者の鋭意試験により、化学蓄熱剤11によって形成される被覆層の膜厚tとし、被覆層を構成する基材の重量と化学蓄熱剤11の重量との総和をwとし、被覆層の内周壁の幾何学的表面積GSAとしたとき、GSA/(t・w)で定義する蓄熱剤有効係数Kが、100以上となるように、被覆層を形成するのが望ましいことが判明した。より好ましくは、蓄熱剤有効係数Kが100以上180以下となるように被覆層を形成するのが良い。
なお、蓄熱剤11の量は、少なくとも触媒の暖機期間中に発生する排ガス中に含まれる水および二酸化炭素総量と過不足無く反応可能な量であることを要する。
また、発熱反応時の化学蓄熱剤1gあたりの昇温レベルを考慮すると、表1に示すように、アルカリ土類金属酸化物において、酸化マグネシウムを用いた場合が最も低くなる。
したがって、蓄熱剤有効化係数Kが100以上となるように被覆層を形成すれば、化学蓄熱剤11として、他のアルカリ土類酸化物を用いた場合には、さらに昇温レベルが高くなるので、発熱反応時に発生したエネルギを触媒の早期活性化に利用できる。
なお、表1において、各材料の昇温レベルは、水酸化反応時、又は、炭酸化反応時における、酸化マグネシウム1g当たりの昇温温度をそれぞれ1としたときの相対値で表している。
【表1】

化学蓄熱剤11は、アルカリ土類金属酸化物(MO)からなり、排ガス中に含まれる水蒸気(HO)、又は、二酸化炭素(CO)との可逆的な反応により、水酸化物(M(OH))、又は、炭酸化物(MCO)を生成可能なものであれば酸化マグネシウムに限らず、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウムでも良い。
MO+HO⇔M(OH)
MO+CO⇔M(CO
触媒12には、例えば、Pt、Ag、Rh、Pd、Ce、Cu、Fe、Co、Mn、Znの遷移金属のうちから選択される1種の金属、又は、上記遷移金属のうちから選択された複数種の混合体若しくは固溶体からなる金属、又は、これらの金属の酸化物のいずれかであって、200℃以上で触媒活性を示すものを用いることができる。
また、触媒12は、化学蓄熱剤11に対し、重量比0.1%〜5%の範囲で混合され、図1(c)に示すように、化学蓄熱剤11と互いに接触した状態で担持されている。さらに、触媒12は、粒径が1nm〜30nmのものが用いられている。
なお、本実施形態においては、セラミック触媒担体10として、コーディエライトを用いた例を示したが、本発明においては、セラミック触媒担体10に直接触媒を担持させるものではなく、化学蓄熱剤11を用いて形成した被覆層に触媒12を担持させるものであるので、基材となるセラミック触媒担体10は、コーディエライトに限らず、ゼオライト、ペロブスカイト、チタニア、シリカ、セリア、ジルコニア、アルミナ、マグネシア、スピネル、ムライト、チタン酸アルミニウム、リン酸ジルコニウム、炭化硅素、窒化珪素、アルミノシリケート等、触媒担体として利用可能なセラミック材料を適宜用いることができる。
また、本実施形態においては、排ガス浄化触媒の両端が開放され、セル壁の表層に担持された触媒との接触により排ガスが浄化されるいわゆるウオールフロータイプのものを例示したが、本発明は、隣合うセルの一方の開口を交互に目封止し、排ガスがセル壁を透過する間に浄化される、いわゆるウオールスルータイプの排ガス浄化触媒にも適用可能である。
【0018】
図2を参照して、本発明の排ガス浄化触媒1の触媒活性早期化に対する効果について説明する。
本図(a)に示すように、図略の内燃機関2の始動初期等においては、内燃機関2から排出される排気ガスの温度が比較的低く、排ガス浄化触媒1では、化学蓄熱剤11と排ガスとの間で発熱反応が起こり、この時発生した反応熱によって、触媒12が活性化される。
より、具体的には、本図(b)に示すように、アルカリ土類金属酸化物MOと排ガス中に含まれる水蒸気HO又は二酸化炭素COとの化学反応を起こすための活性化エネルギEa、Eaを排ガスの持つ比較的低い熱エネルギΔLOによって与えられ、アルカリ土類金属水酸化物M(OH)又はアルカリ土類金属炭酸化物MCOが生成される。
アルカリ土類金属酸化物MOとアルカリ土類金属水酸化物M(OH)又はアルカリ土類金属担酸化物MCOとのエンタルピーの差(ΔH(1)、ΔH(2))によって発熱反応を起こし、反応の前後における自由エネルギーの差ΔG、ΔGを触媒12の活性化に利用できる。
このとき、本図(c)に示すように、化学蓄熱剤11と触媒12とが直接接触しているので、この反応熱ΔG、ΔGが触媒12に直接的に伝達され、触媒12の温度が上昇し、早期に活性化され、排ガス中に含まれる、窒素酸化物NOx、炭化水素HC、一酸化炭素CO等が触媒反応により、無害の窒素N、水HO、二酸化炭素COとなって排出される。
【0019】
図3を参照して、本発明の排ガス浄化触媒1の再生時における反応について説明する。
本図(a)に示すように、走行時や、DPF再生時等の内燃機関2から排出される排気ガスの温度が比較的高い状態においては、図2(b)に示すように、アルカリ土類金属水酸化物M(OH)及びアルカリ土類金属炭酸化物MCOが分解反応を起こすための活性化エネルギEa1R、Ea2R及び自由エネルギΔG1R、ΔG2Rを比較的高い熱エネルギΔHIが超えるので、アルカリ土類金属酸化物MOが生成され、化学蓄熱剤11は再生され、アルカリ土類金属Mと水酸化物、又は、炭酸化物を形成していたHO、又は、COは系外に排出される。
また、排ガスの比較的高い熱エネルギΔHIが十分に高く、触媒12は既に活性化されているので、本図(c)に示すように、排ガス中に含まれる、窒素酸化物NOx、炭化水素HC、一酸化炭素CO等が触媒反応により、無害の窒素N、水HO、二酸化炭素COとなって排出される。
【0020】
図4を参照して、本発明の効果の具体例について説明する。
本図(a)は、従来の排ガス浄化触媒の活性化を示す特性図である。
左側の縦軸は、THC浄化率RTHC(%)を示し、右側の縦軸は、触媒温度TCAT(℃)を示し、横軸は時間(sec)を示す。
本図(a)に示すように、従来の排ガス浄化触媒では、触媒温度TCATが200℃以下では、排ガス浄化作用を示さず、触媒温度TCATが200℃以上で排ガスの浄化が開始され、触媒温度TCATが380℃程度まで上昇すると、THC浄化率RTHC(%)が85%を超える。
また、従来の排ガス浄化触媒では、触媒温度TCATが380℃に到達するまでに。約16秒かかっている。
本図(b)は、化学蓄熱剤11として比表面積SSAが30m/g、100m/g、150m/gの酸化マグネシウムを用いて、蓄熱剤有効化係数Kの条件を変えて被覆層を形成し、THC浄化率が85%に達成するまでの触媒活性化時間T85を測定した結果について、従来の排ガス浄化触媒のTHC浄化率が85%に達成するまでの触媒活性化時間T85を1として、従来比として相対的触媒活性化時間RT85で表した。
本図(b)に示すように、被表面積SSAが30m/gの場合、蓄熱剤有効化係数Kが90以上では従来よりも早期に触媒を活性化でき、被表面積SSAが100m/g及び150m/gの場合、蓄熱剤有効化係数Kが70以上で従来よりも早期に触媒を活性化でき、100以上にすることによって、従来の半分の時間で触媒を活性化できることが判明した。
但し、蓄熱剤有効化係数Kが180以上では圧損が大きくなるため、内燃機関2の燃焼に影響を及ぼす虞がある。
以上の試験結果から、比表面積SSAが100m/g以上の化学蓄熱剤11を用いて、蓄熱剤有効化係数Kが70以上となるように被覆層を形成して、触媒12を担持すれば、従来に比べ早期に触媒を活性化でき、蓄熱剤有効化係数Kが100以上となるように被覆層を形成して、触媒12を担持すれば、従来の半分以下の時間で触媒を活性化できるとの知見が得られた。
【0021】
図5を参照して、本発明のNMHCエミッション(mg/mile)低減効果について説明する。図5は、始動から140SECにおける非メタン炭化水素NMHCの排出量を比較した結果である。
比較例1は、従来の排ガス浄化触媒を用いた場合を示し、実施例1は、蓄熱剤有効化係数Kが120、比表面積SSAが150m/gのNMHC排出量を示し、実施例2は、蓄熱剤有効化係数Kが100、比表面積SSAが100m/gのNMHC排出量を示し、実施例3は、蓄熱剤有効化係数Kが70、比表面積SSAが100m/gのNMHC排出量を示し、実施例4は、蓄熱剤有効化係数Kが70、比表面積SSAが30m/gのNMHC排出量を示す。
蓄熱剤有効化係数Kを100以上、比表面積SSAを100m/g以上とすることによって、NMHC排出量を従来の半分以下にすることができることが判明した。
【符号の説明】
【0022】
1 排ガス浄化触媒
10 セラミック触媒担体
11 化学蓄熱剤(被覆層)
12 触媒
GSA 幾何学的表面積
被覆層膜厚
被覆層重量
K 蓄熱剤有効化係数
【先行技術文献】
【特許文献】
【0023】
【特許文献1】特開平4−54211号公報
【特許文献2】特開2001−149794号公報
【特許文献3】特開平5−141228号公報

【特許請求の範囲】
【請求項1】
セラミック触媒担体に担持された触媒によって内燃機関の排ガスを浄化する排ガス浄化触媒であって、
上記セラミック触媒担体が、セラミック材料からなる多孔質のセル壁により区画されるガス流れに平行な多数のセルを有するハニカム構造又はモノリス構造を有し、
上記排ガス中に含まれる水蒸気又は二酸化炭素との可逆的な化学反応を起こす化学蓄熱剤を用いて上記セル壁の表面に所定の幾何学的表面積と所定の膜厚と所定の重量とを有する被覆層を形成すると共に、
該被覆層に所定の温度以上で活性化され排ガスを浄化する触媒を担持せしめたことを特徴とする排ガス浄化触媒。
【請求項2】
上記被覆層の幾何学的表面積をGSAとし、上記被覆層の膜厚をtとし、上記被覆層を構成する基材重量と上記化学蓄熱剤重量との和を被覆重量Wとしたとき、GSA/(t・W)で定義する蓄熱剤有効化係数Kが100以上となるように上記被覆層を形成した請求項1に記載の排ガス浄化触媒。
【請求項3】
上記化学蓄熱剤の比表面積が100m/g以上のアルカリ土類金属酸化物である請求項1又は2に記載の排ガス浄化触媒。
【請求項4】
上記セラミック触媒担体が、コーディエライト、ゼオライト、ペロブスカイト、チタニア、シリカ、セリア、ジルコニア、アルミナ、マグネシア、スピネル、ムライト、チタン酸アルミニウム、リン酸ジルコニウム、炭化硅素、窒化珪素、アルミノシリケートの一から選択したセラミック材料によって形成した請求項1ないし3のいずれか1項に記載の排ガス浄化触媒。
【請求項5】
上記触媒が、Pt、Ag、Rh、Pd、Ce、Cu、Fe、Co、Mn、Znの遷移金属のうちから選択される1種の金属、又は、上記遷移金属のうちから選択された複数種の混合体若しくは固溶体からなる金属、又は、これらの金属の酸化物のいずれかであって、200℃以上で触媒活性を示すものである請求項1ないし4のいずれか1項に記載の排ガス浄化触媒。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2011−218302(P2011−218302A)
【公開日】平成23年11月4日(2011.11.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−90872(P2010−90872)
【出願日】平成22年4月9日(2010.4.9)
【出願人】(000004260)株式会社デンソー (27,639)
【Fターム(参考)】