(57)【要約】【課題】本発明はコンパクトな排気ガス浄化装置を提供することを課題とする。【解決手段】ディーゼル微粒子捕集フィルター；当該フィルター上に配置された、アンモニアを酸化する機能を有する触媒を含む第２触媒層；及び当該第２触媒層上に配置された、アンモニアの存在下で窒素酸化物を還元する機能を有する触媒を含む第１触媒層；を含む、排気ガス浄化用フィルターにより、上記課題を解決するこができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼル微粒子捕集フィルター；
当該フィルター上に配置された、アンモニアを酸化する機能を有する触媒を含む第２触媒層；及び
当該第２触媒層上に配置された、アンモニアの存在下で窒素酸化物を還元する機能を有する触媒を含む第１触媒層；
を含む、排気ガス浄化用フィルター。
【請求項２】
第１触媒層の厚さが第２触媒層の厚さよりも厚い、請求項１に記載の排気ガス浄化用フィルター。
【請求項３】
第１触媒層の厚さと第２触媒層の厚さとの比が１．８：１〜２８：１である、請求項２に記載の排気ガス浄化用フィルター。
【請求項４】
第１触媒層及び第２触媒層の厚さの合計が１２０〜５１０μｍである、請求項１〜３のいずれかに記載の排気ガス浄化用フィルター。
【請求項５】
第１触媒層のコート量が第２触媒層のコート量よりも多い、請求項１に記載の排気ガス浄化用フィルター。
【請求項６】
第１触媒層のコート量と第２触媒層のコート量との比が１．３：１〜２５：１である、請求項５に記載の排気ガス浄化用フィルター。
【請求項７】
第１触媒層及び第２触媒層のコート量の合計が、ディーゼル微粒子捕集フィルター１Ｌ当たり、５０〜２４０ｇである、請求項１、５、及び６のいずれかに記載の排気ガス浄化用フィルター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス浄化用フィルター、特に尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）システムに使用するための排気ガス浄化用フィルターに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガスには、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ）等が含まれている。これらの物質は大気汚染の原因となるため、排気ガスには非常に厳しい規制が課されている。
【０００３】
このような規制をクリアするために、ディーゼル微粒子捕集フィルター（ＤＰＦ）や尿素ＳＣＲシステムが利用されている。例えば、特許文献１では、ＤＰＦを用いてＰＭを捕集することが開示されている。また、特許文献２では、尿素ＳＣＲシステムを用いてＮＯｘを窒素（Ｎ２）に還元することが開示されている。尿素ＳＣＲシステムでは、排気ガス中で尿素をアンモニアに変換し、これをＮＯｘに対する還元剤として使用するが、アンモニアが過剰に発生すると一部のアンモニアはＮＯｘと反応することなくそのまま大気中に放出されてしまう（アンモニアスリップ）。そのため、尿素ＳＣＲシステムを利用する場合には、未反応のアンモニアを酸化するための触媒（ＡＳＣ：Ａｍｍｏｎｉａ  Ｓｌｉｐ  Ｃａｔａｌｙｓｔ）を尿素ＳＣＲシステムの下流に設置する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２８９２０２号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４７１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
排気ガスを浄化するために、ＤＰＦ、尿素ＳＣＲシステム、及びＡＳＣを使用する場合、これらを設置するための大きな空間が必要となる。このような空間は、自動車をコンパクト化するうえで障害となる。
【０００６】
そのため、本発明では、これらを一体化することによって、コンパクトな排気ガス浄化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】
【０００７】
本発明者らが鋭意検討した結果、ＮＯｘを還元するための触媒、及びアンモニアを酸化するための触媒をＤＰＦ上に一定の順序で配置することによって、ＰＭ捕集、ＮＯｘ還元、及びアンモニア酸化を一度に実施できることを見出した。また、ＤＰＦを再生させるために当該ＤＰＦに含有させる貴金属の量を抑えることも可能である。
【０００８】
即ち、本発明は以下を包含する。
［１］ディーゼル微粒子捕集フィルター；
当該フィルター上に配置された、アンモニアを酸化する機能を有する触媒を含む第２触媒層；及び
当該第２触媒層上に配置された、アンモニアの存在下で窒素酸化物を還元する機能を有する触媒を含む第１触媒層；
を含む、排気ガス浄化用フィルター。
［２］第１触媒層の厚さが第２触媒層の厚さよりも厚い、［１］に記載の排気ガス浄化用フィルター。
［３］第１触媒層の厚さと第２触媒層の厚さとの比が１．８：１〜２８：１である、［２］に記載の排気ガス浄化用フィルター。
［４］第１触媒層及び第２触媒層の厚さの合計が１２０〜５１０μｍである、［１］〜［３］のいずれかに記載の排気ガス浄化用フィルター。
［５］第１触媒層のコート量が第２触媒層のコート量よりも多い、［１］に記載の排気ガス浄化用フィルター。
［６］第１触媒層のコート量と第２触媒層のコート量との比が１．３：１〜２５：１である、［５］に記載の排気ガス浄化用フィルター。
［７］第１触媒層及び第２触媒層のコート量の合計が、ディーゼル微粒子捕集フィルター１Ｌ当たり、５０〜２４０ｇである、［１］、［５］、及び［６］のいずれかに記載の排気ガス浄化用フィルター。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、排気ガスを浄化するために大きな空間を必要とせず、且つＰＭ捕集、ＮＯｘ還元、及びアンモニア酸化を一度に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る排気ガス浄化用システムの模式図を示す。
【図２】本発明に係る排気ガス浄化用フィルターの一部を示す。
【図３】実施例及び比較例において製造した排気ガス浄化用フィルターを用いたＮＯｘ浄化率を示す。
【図４】実施例及び比較例において製造した排気ガス浄化用フィルターを用いたＮＨ３スリップ量を示す。
【図５】第１触媒層のコート量とＮＯｘ浄化率との関係を示す。
【図６】第１触媒層のコート量とＮＨ３スリップ量との関係を示す。
【図７】第１触媒層のコート量と圧力損失上昇率との関係を示す。
【図８】触媒層全体のコート量とＮＯｘ浄化率との関係を示す。
【図９】触媒層全体のコート量とＮＨ３スリップ量との関係を示す。
【図１０】触媒層全体のコート量と圧力損失上昇率との関係を示す。
【図１１】各触媒層のコート量の比率とＮＯｘ浄化率との関係を示す。
【図１２】各触媒層のコート量の比率とＮＨ３スリップ量との関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１２】
本発明は、
ディーゼル微粒子捕集フィルター（ＤＰＦ）；
当該フィルター上に配置された、アンモニアを酸化する機能を有する触媒を含む第２触媒層（下層）；及び
当該第２触媒層上に配置された、アンモニアの存在下でＮＯｘを還元する機能を有する触媒を含む第１触媒層（上層）；
を含む、排気ガス浄化用フィルターに関する。
【００１３】
ここで、「ＤＰＦ上」とは、ＤＰＦの細孔内表面上も包含する。つまり、第２触媒層はＤＰＦの細孔内表面上に配置されていてもよい。
【００１４】
排気ガスが本発明に係る排気ガス浄化用フィルターを通過する場合、例えば図２に示すように、第１触媒層６、第２触媒層５の順に通過することになる。ここで、第１触媒層６は、還元剤であるアンモニアの存在下で、排気ガスに含まれるＮＯｘを還元する機能を有する。第２触媒層５は、第１触媒層６において消費しきれなかった過剰のアンモニアを酸化する機能を有する。ＤＰＦ４は排気ガスに含まれるＰＭを捕集する機能を有する。
【００１５】
第１触媒層は、アンモニアの存在下でＮＯｘを還元する機能を有する触媒（以下「ＮＯｘ還元触媒」という）を含む。このような触媒としては、例えば、ゼオライト触媒、複合金属酸化物等を挙げることができる。
【００１６】
ゼオライト触媒としては、例えば、フェリエライト型ゼオライト、ＺＳＭ−５型ゼオライト、β型ゼオライト、Ｙ型ゼオライト、モルデナイト型ゼオライト、チャバサイト型ゼオライト、ＳＡＰＯ型ゼオライト等を挙げることができる。また、Ｆｅ及び／又はＣｕでイオン交換したゼオライトを挙げることもできる。複合金属酸化物としては、例えば、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｗ、Ｙ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ及びＶの少なくとも１種を含む複合金属酸化物等、より具体的にはＣｅ−Ｚｒ複合酸化物等を挙げることができる。その他のＮＯｘ還元触媒として、Ｒｈ等を挙げることもできる。これらのＮＯｘ還元触媒は１種を単独で使用してもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。
【００１７】
第１触媒層はアンモニアの存在下でＮＯｘを還元する。そのため、第１触媒層にアンモニアを酸化する機能を有する触媒（以下「アンモニア酸化触媒」という）が含まれていると、アンモニアが酸化されてしまい、ＮＯｘを還元することが困難となる。従って、第１触媒層にはアンモニア酸化触媒が含まれていないことが好ましい。
【００１８】
第２触媒層はアンモニア酸化触媒を含む。このような触媒としては、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ等を挙げることができる。また、Ｐｔ／Ｐｄ合金を使用することも耐熱性の観点から好ましい。アンモニア酸化触媒は金属酸化物（例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＣｅＯ２、Ｃｅ−Ｚｒ複合酸化物等）、ゼオライト、Ｆｅイオン交換ゼオライト、Ｃｕイオン交換ゼオライト等に担持されていてもよい。これらのアンモニア酸化触媒は１種を単独で使用してもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。
【００１９】
ＤＰＦとしては、特別なものを使用する必要はなく、ＰＭ捕集のために一般的に使用されているものを使用することができる。例えば、セラミック、炭化ケイ素、金属等の材料からなるＤＰＦを使用することができる。
【００２０】
本発明に係る排気ガス浄化用フィルターは、第１触媒層、第２触媒層、及びＤＰＦから主に構成されているが、当該フィルターの効果を損なわない範囲において任意の層を含んでいてもよい。例えば、第１触媒層上、第１触媒層と第２触媒層との間、第２触媒層とＤＰＦとの間等に任意の層を含んでいてもよい。
【００２１】
第１触媒層及び第２触媒層の厚さは圧力損失に影響を与える。そのため、圧力損失を抑える観点から、第１触媒層及び第２触媒層の厚さの合計が１２０〜５１０μｍであることが好ましく、１７０〜４１０μｍであることがより好ましく、２２０〜３８０μｍであることが特に好ましい。各触媒層の厚さは電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて測定することができる。
【００２２】
触媒層の厚さはコート量として表現することもできる。本明細書中において「コート量」とは、触媒層を形成するために使用されるスラリーから溶媒等の揮発成分が除かれた後の量を意味する。すなわち、コート量はＤＰＦに塗布するスラリーの量ではなく、製造された排気ガス浄化用フィルターに含まれる触媒層の量である。
【００２３】
第１触媒層及び第２触媒層のコート量の合計は、圧力損失を抑える観点から、ＤＰＦ１Ｌ当たり、３０〜２４０ｇであることが好ましく、４０〜２２０ｇであることがより好ましく、５０〜２００ｇであることが特に好ましい。
【００２４】
第１触媒層はＮＯｘを還元する機能を有し、第２触媒層はアンモニアを酸化する機能を有する。第２触媒層の厚さはある程度薄くてもアンモニアを十分に酸化することができる。一方、第１触媒層の厚さはＮＯｘの還元率に与える影響が比較的大きいため、ＮＯｘを十分に還元できるように第１触媒層の厚さを設定することが好ましい。従って、第１触媒層の厚さは第２触媒層の厚さよりも厚いことが好ましい。同様に、第１触媒層のコート量は第２触媒層のコート量よりも多いことが好ましい。
【００２５】
例えば、第１触媒層の厚さと第２触媒層の厚さとの比が、１．８：１〜２８：１であることが好ましく、２：１〜２４：１であることがより好ましく、２．２：１〜２０：１であることが特に好ましい。
【００２６】
また、第１触媒層のコート量と第２触媒層のコート量との比が、１．３：１〜２５：１であることが好ましく、１．５：１〜２０：１であることがより好ましく、１．７：１〜１７：１であることが特に好ましい。
【００２７】
＜排気ガス浄化システム＞
本発明は更に、上記の排気ガス浄化用フィルターを備えた排気ガス浄化システムに関する。本発明に係る排気ガス浄化システムは、例えば図１に示すように、排気ガス浄化用フィルター１、及び尿素供給手段２から主に構成されている。尿素供給手段２は、排気ガス浄化用フィルター１にアンモニアを供給するために、排気ガス浄化用フィルター１の上流の排気ガス管３に配設されている。
【００２８】
排気ガス浄化用フィルターは、例えば図２に示すように、ＤＰＦ４上に第２触媒層５及び第１触媒層６が配置されている構成を有する。排気ガス浄化用フィルター１の上流で供給された尿素は高温の排気ガス中でアンモニアに変換され、排気ガス浄化用フィルター１に供給される。排気ガス浄化用フィルター１では、第１触媒層６が、アンモニアの存在下でＮＯｘを還元する。次に、第２触媒層５が、第１触媒層６において消費しきれなかったアンモニアを酸化する。そして、ＤＰＦ４が、排気ガスに含まれるＰＭを捕集する。
【００２９】
このように、本発明に係る排気ガス浄化用フィルターを使用することにより、ＮＯｘ還元、アンモニア酸化、及びＰＭ捕集を一度に実施することができる。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例及び比較例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。
【００３１】
＜排気ガス浄化用フィルターの製造＞
［実施例１］
（１）第１触媒層用スラリーの調製
Ｆｅイオン交換ＳＡＰＯ型ゼオライト（１００重量部）、純水（１００重量部）、及びアルミナゾル（５０重量部：アルミナ分１０％）をボールミルで５時間粉砕し、第１触媒層用スラリーを調製した。
【００３２】
（２）第２触媒層用スラリーの調製
γアルミナ（１００重量部）にジニトロジアミン白金溶液を添加し、攪拌及び焼成することにより、白金／アルミナ粉末を調製した。白金／アルミナ粉末（１００重量部）、シリカゾル（５０重量部：シリカ分３０％）、及びイオン交換水（５０重量部）をボールミルで５時間粉砕し、第２触媒層用スラリーを調製した。
【００３３】
（３）排気ガス浄化用フィルターの製造
第２触媒層用スラリーをＤＰＦに塗布し、２５０℃で乾燥させ、水分を除去した。次に、５００℃で１時間焼成し、ＤＰＦ１Ｌ当たり３０ｇの第２触媒層を形成した。白金の量はＤＰＦ１Ｌ当たり０．５ｇであった。
【００３４】
同様の方法により、第１触媒層用スラリーを用いて、第２触媒層上に第１触媒層を形成した。第１触媒層は、ＤＰＦ１Ｌ当たり７０ｇであった。
【００３５】
［実施例２］
Ｆｅイオン交換ＳＡＰＯ型ゼオライトの代わりにＣｕイオン交換ＳＡＰＯ型ゼオライトを使用した以外は、実施例１と同様に排気ガス浄化用フィルターを製造した。
【００３６】
［実施例３］
Ｆｅイオン交換ＳＡＰＯ型ゼオライトの代わりにＦｅイオン交換β型ゼオライト（シリカ／アルミナのモル比：３０）を使用した以外は、実施例１と同様に排気ガス浄化用フィルターを製造した。
【００３７】
［実施例４］
Ｆｅイオン交換ＳＡＰＯ型ゼオライトの代わりにＦｅイオン交換ＺＳＭ−５型ゼオライト（シリカ／アルミナのモル比：３０）を使用した以外は、実施例１と同様に排気ガス浄化用フィルターを製造した。
【００３８】
［実施例５］
Ｆｅイオン交換ＳＡＰＯ型ゼオライトの代わりにＣｕイオン交換β型ゼオライト（シリカ／アルミナのモル比：３０）を使用した以外は、実施例１と同様に排気ガス浄化用フィルターを製造した。
【００３９】
［実施例６］
Ｆｅイオン交換ＳＡＰＯ型ゼオライトの代わりにＣｕイオン交換ＺＳＭ−５型ゼオライト（シリカ／アルミナのモル比：３０）を使用した以外は、実施例１と同様に排気ガス浄化用フィルターを製造した。
【００４０】
［比較例１］
第１触媒層を形成しなかった（つまり、第２触媒層のみを形成した）以外は、実施例１と同様に排気ガス浄化用フィルターを製造した。
【００４１】
［比較例２］
第２触媒層を形成しなかった（つまり、第１触媒層のみを形成した）以外は、実施例１と同様に排気ガス浄化用フィルターを製造した。
【００４２】
［比較例３］
第１触媒層と第２触媒層とを逆に配置した（つまり、第１触媒層を下層とし、第２触媒層を上層とした）以外は、実施例１と同様に排気ガス浄化用フィルターを製造した。
【００４３】
＜排気ガス浄化試験＞
実施例及び比較例において製造した排気ガス浄化用フィルターに、ＮＯ、ＣＯ２、Ｏ２、及び水蒸気を含む模擬ガス、並びにＮＨ３ガスを流し、定常試験（２５０℃）でＮＯｘ浄化率及びＮＨ３スリップ量を測定した。結果を表１並びに図３及び４に示す。
【００４４】
【表１】
2014061456.tif 000002
【００４５】
実施例１〜６において製造した排気ガス浄化用フィルターを使用することにより、ＮＯｘを効率的に浄化することができ、且つＮＨ３スリップ量を抑えることができた。一方、第２触媒層のみを有する排気ガス浄化用フィルター（比較例１）、及び第１触媒層と第２触媒層とを逆に配置した排気ガス浄化用フィルター（比較例３）では、ＮＨ３スリップ量を抑えることはできたが、ＮＯｘを十分に浄化することはできなかった。また、第１触媒層のみを有する排気ガス浄化用フィルター（比較例２）では、ＮＨ３スリップ量を抑えることができず、また、ＮＯｘの浄化率も十分ではなかった。
【００４６】
＜触媒層の厚さの検討１＞
ＤＰＦ上に白金／アルミナを含む第２触媒層（下層）、及びＦｅイオン交換ＺＳＭ−５型ゼオライトを含む第１触媒層（上層）を様々な厚さで形成した（白金：０．５ｇ／Ｌ）。下層のコート量を１０ｇ／Ｌに固定し、上層のコート量を変化させた排気ガス浄化用フィルターを用い、ＮＯｘ浄化率、ＮＨ３スリップ量、及び圧力損失上昇率を測定した。結果を図５〜７に示す。
【００４７】
＜触媒層の厚さの検討２＞
ＤＰＦ上に白金／アルミナを含む第２触媒層（下層）、及びＦｅイオン交換ＺＳＭ−５型ゼオライトを含む第１触媒層（上層）を様々な厚さで形成した（白金：０．５ｇ／Ｌ）。下層のコート量と上層のコート量との比を１：６に固定した排気ガス浄化用フィルターを用い、ＮＯｘ浄化率、ＮＨ３スリップ量、及び圧力損失上昇率を測定した。結果を図８〜１０に示す。
【００４８】
＜触媒層の厚さの検討３＞
ＤＰＦ上に白金／アルミナを含む第２触媒層（下層）、及びＦｅイオン交換ＺＳＭ−５型ゼオライトを含む第１触媒層（上層）を様々な厚さで形成した（白金：０．５ｇ／Ｌ）。下層のコート量及び上層のコート量の合計を１８０ｇ／Ｌに固定し、下層のコート量と上層のコート量との比を変化させた排気ガス浄化用フィルターを用い、ＮＯｘ浄化率、及びＮＨ３スリップ量を測定した。結果を図１１及び１２に示す。
【符号の説明】
【００４９】
１・・排気ガス浄化用フィルター、２・・尿素供給手段、３・・排気ガス管、４・・ＤＰＦ、５・・第２触媒層、６・・第１触媒層
【図１】
2014061456.tif 000003
【図２】
2014061456.tif 000004
【図３】
2014061456.tif 000005
【図４】
2014061456.tif 000006
【図５】
2014061456.tif 000007
【図６】
2014061456.tif 000008
【図７】
2014061456.tif 000009
【図８】
2014061456.tif 000010
【図９】
2014061456.tif 000011
【図１０】
2014061456.tif 000012
【図１１】
2014061456.tif 000013
【図１２】
2014061456.tif 000014