(57)【要約】【課題】貴金属を担持することなく排ガスを浄化することができ、高温状態や時間が経過した場合でも排ガス浄化性能を維持することのできる排ガス浄化性能維持システム及び排ガス浄化性能維持方法を提供すること。【解決手段】排ガスを排出する内燃機関（１）の排ガス通路（２）に、白金属元素を除く遷移金属元素からなる金属からなる発泡金属触媒（３）を設け、当該発泡金属触媒（３）に触媒の表面の酸化被膜を除去するための還元ガスを供給する。【選択図】図１
2015212541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスを排出する熱機関と、
白金属元素を除く遷移金属元素の金属からなり、前記熱機関の排ガス通路に設けられる触媒と、
前記触媒の表面の酸化被膜を除去するための還元ガスを供給する還元ガス供給手段と、
を備える排ガス浄化性能維持システム。
【請求項２】
前記還元ガス供給手段は、２３０℃以上の排ガスが流通する前記熱機関の排ガス通路に、所定濃度以上の前記還元ガスを供給することで、前記触媒に還元ガスを供給する請求項１記載の排ガス浄化性能維持システム。
【請求項３】
前記触媒は、気孔率８０％以上の金属からなる請求項１又は２記載の排ガス浄化性能維持システム。
【請求項４】
前記還元ガス供給手段は、前記還元ガスを水素とし、前記熱機関から排出される排ガスの水素濃度を前記所定濃度以上に調整して前記触媒に送る水素濃度調整手段である請求項１から３のいずれか一項に記載の排ガス浄化性能維持システム。
【請求項５】
前記熱機関は、排ガス通路にタービンを有するターボチャージャと、前記タービンより排ガス下流側に配設された三元触媒と、を備えており、
前記触媒は、前記三元触媒より排ガス上流側に配設される請求項１から４のいずれか一項に記載の排ガス浄化性能維持システム。
【請求項６】
前記触媒の金属は発泡金属からなる請求項１から５のいずれか一項に記載の排ガス浄化性能維持システム。
【請求項７】
前記触媒の金属はメッシュ状の金属を積層させたものからなる請求項１から５のいずれか一項に記載の排ガス浄化性能維持システム。
【請求項８】
前記触媒の金属はニッケルである請求項１から７のいずれか一項に記載の排ガス浄化性能維持システム。
【請求項９】
前記触媒の金属はステンレス鋼である請求項１から７のいずれか一項に記載の排ガス浄化性能維持システム。
【請求項１０】
白金属元素を除く遷移金属元素の金属からなり、排ガスを排出する熱機関の排ガス通路に設けられた触媒に対して、
前記触媒の表面の酸化被膜を除去するための還元ガスを供給する
排ガス浄化性能維持方法。
【請求項１１】
前記還元ガスを２３０℃以上の排ガスが流通する熱機関の排ガス通路に、所定濃度以上の還元ガスを供給することで、前記触媒に還元ガスを供給する請求項１０記載の排ガス浄化性能維持方法。
【請求項１２】
前記触媒は、気孔率８０％以上の金属からなる請求項１０又は１１に記載の排ガス浄化性能維持方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱機関から排出される排ガスを浄化する排ガス浄化性能維持システム及び排ガス浄化性能維持方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保全の観点から、自動車のエンジン等の内燃機関や発電所等の外燃機関等の熱機関から排出される排ガス中の有害物質を低減させるべく、排ガス通路内に触媒等の排ガス浄化装置を設けて排ガスを浄化する排ガス浄化システムが知られている。
【０００３】
例えば、ガソリンや軽油等の石油系の燃料を燃焼させる自動車のエンジン等においては、排ガス中の有害物質として主に一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれている。これに対して、エンジンの排ガス通路に、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）及びセリア（ＣｅＯ２）を主成分とする耐熱性の酸化物を担体とし、当該担体の表面に白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の白金属元素からなる貴金属を担持した三元触媒を設けている。当該三元触媒は、各有害物質を水（Ｈ２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ２）又は窒素（Ｎ２）等の無害な物質に酸化又は還元することで排ガスの浄化を行っている。
【０００４】
さらにはリーンバーン（希薄燃焼）ガソリンエンジンやディーゼルエンジンでは比較的少ない燃料で高温、高圧の燃焼が行われるために、ＨＣやＣＯに比べてＮＯｘの排出割合が多くなる。そこでこのようなエンジンには、ＮＯｘを吸蔵するアルカリ性の物質（バリウム（Ｂａ）、カリウム（Ｋ）等）を担持することでＮＯｘを吸蔵しておき、その後に一時的に燃焼噴射量を増加させる等して還元雰囲気とすることで、吸蔵したＮＯｘを還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒や、尿素水等の還元剤を排ガス中に添加して加水分解したアンモニア（ＮＨ３）を用いて、吸蔵したＮＯｘを還元するいわゆるＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒等が排ガス通路に設けられている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】日本特許５３７６４５０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術を含め、上述の各種触媒には、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等の白金属元素からなる貴金属を担持する必要がある。これらの貴金属は希少且つ高価であるため、貴金属を極力必要することなく、排ガス浄化性能を発揮することのできる触媒が望まれている。
【０００７】
また、触媒に用いられる貴金属は担体上に粒子状に分散させて担持されており、高温になりすぎると貴金属が凝集し表面積が減少して、排ガス浄化性能が低下するという問題がある。
【０００８】
一方、白金属元素からなる貴金属以外の金属であっても、条件次第では排ガス浄化性能を発揮することもあるが、短時間で触媒金属表面が酸化被膜で覆われてしまい排ガス浄化性能を維持できなくなるという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、貴金属を担持することなく排ガスを浄化することができ、高温状態や時間が経過した場合でも排ガス浄化性能を維持することのできる排ガス浄化性能維持システム及び排ガス浄化性能維持方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した目的を達成するために、第１の発明に係る排ガス浄化性能維持システムは、排ガスを排出する熱機関と、白金属元素を除く遷移金属元素の金属からなり、前記熱機関の排ガス通路に設けられる触媒と、前記触媒の表面の酸化被膜を除去するための還元ガスを供給する還元ガス供給手段と、を備える。
【００１１】
第２の発明に係る排ガス浄化性能維持システムは、前記第１の発明において、前記還元ガス供給手段は、２３０℃以上の排ガスが流通する前記熱機関の排ガス通路に、所定濃度以上の前記還元ガスを供給することで、前記触媒に還元ガスを供給することとしている。
【００１２】
第３の発明に係る排ガス浄化性能維持システムは、前記第１又は第２の発明において、前記触媒は、気孔率８０％以上の金属からなることとしている。
【００１３】
第４の発明に係る排ガス浄化性能維持システムは、前記第１から第３のいずれかの発明において、前記還元ガス供給手段は、前記還元ガスを水素とし、前記熱機関から排出される排ガスの水素濃度を前記所定濃度以上に調整して前記触媒に送る水素濃度調整手段であることとしている。
【００１４】
第５の発明に係る排ガス浄化性能維持システムは、前記第１から第４のいずれかの発明において、前記熱機関は、排ガス通路にタービンを有するターボチャージャと、前記タービンより排ガス下流側に配設された三元触媒と、を備えており、前記触媒は、前記三元触媒より排ガス上流側に配設されることとしている。
【００１５】
第６の発明に係る排ガス浄化性能維持システムは、前記第１から第５のいずれかの発明において、前記触媒の金属は発泡金属からなることとしている。
【００１６】
第７の発明に係る排ガス浄化性能維持システムは、前記第１から第５のいずれかの発明において、前記触媒の金属はメッシュ状の金属を積層させたものからなることとしている。
【００１７】
第８の発明に係る排ガス浄化性能維持システムは、前記第１から第７のいずれかの発明において、前記触媒の金属はニッケルであることとしている。
【００１８】
第９の発明に係る排ガス浄化性能維持システムは、前記第１から第７のいずれかの発明において、前記触媒の金属はステンレス鋼であることとしている。
【００１９】
また、第１０の発明に係る排ガス浄化性能維持方法は、白金属元素を除く遷移金属元素の金属からなり、排ガスを排出する熱機関の排ガス通路に設けられた触媒に対して、前記触媒の表面の酸化被膜を除去するための還元ガスを供給する。
【００２０】
第１１の発明に係る排ガス浄化性能維持方法は、前記第１０の発明において、前記還元ガスを２３０℃以上の排ガスが流通する前記熱機関の排ガス通路に、所定濃度以上の還元ガスを供給することで、前記触媒に還元ガスを供給することとしている。
【００２１】
第１２の発明に係る排ガス浄化性能維持方法は、前記第１０又は第１１の発明において、前記触媒は、気孔率８０％以上の金属からなることとしている。
【発明の効果】
【００２２】
上記手段を用いる本発明によれば、貴金属を担持することなく排ガスを浄化することができ、高温状態や時間が経過した場合でも排ガス浄化性能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の排ガス浄化システムを内燃機関の排ガス通路に適用した（ａ）第１実施形態、（ｂ）第２実施形態、（ｃ）第３実施形態の概略構成図である。
【図２】発泡金属触媒の前後における排ガス中のＮＯｘ成分の変動を示すグラフである。
【図３】発泡金属触媒の前後における排ガス中のＣＯ成分の変動を示すグラフである。
【図４】経過時間に応じた排ガス中の各成分の増減率を示すグラフである。
【図５】還元ガスとして水素（Ｈ２）を用いた第１の試験の結果を示すグラフである。
【図６】還元ガスとして水素（Ｈ２）を用いた第２の試験の結果を示すグラフである。
【図７】還元ガスとして一酸化炭素（ＣＯ）を用いた第３の試験の結果を示すグラフである。
【図８】還元ガスとしてメタン（ＣＨ４）を用いた第４の試験の結果を示すグラフである。
【図９】還元ガスとしてプロパン（Ｃ３Ｈ８）を用いた第５の試験の結果を示すグラフである。
【図１０】還元ガスとしてブタン（Ｃ４Ｈ１０）を用いた第６の試験の結果を示すグラフである。
【図１１】ニッケル単体の発泡触媒金属に対し温度を変化させた場合の排気浄化性能を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２５】
図１には本発明の排ガス浄化システムを内燃機関の排ガス通路に適用した（ａ）第１実施形態、（ｂ）第２実施形態、及び（ｃ）第３実施形態のそれぞれの概略構成図が示されている。
【００２６】
まず第１実施形態の排ガス浄化システムは自動車に適用されており、図１Ａに示すように、内燃機関１（熱機関）の排ガス通路２に発泡金属触媒３が設けられている。
【００２７】
内燃機関１は例えばガソリンエンジンである。つまり、ガソリンを燃料に燃焼を行い、排ガスには主に一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害物質が含まれる。また、第１実施形態における内燃機関１は、排ガス中に還元ガスとして少なくとも水素濃度１．５％以上、好ましくは水素濃度２〜６％の水素（Ｈ２）が含まれ、且つ排ガス温度が少なくとも４００℃以上、好ましくは６００℃以上となる運転状態を有している（還元ガス供給手段）。還元ガスは発泡金属触媒３の表面の酸化被膜を除去可能な成分であればよいことから、水素に限られず、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、及びメタン（ＣＨ４）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の炭化水素（ＨＣ）であってもよい。
【００２８】
発泡金属触媒３は、例えばニッケル（Ｎｉ）単体やニッケル合金からなる連続気泡体の発泡金属から構成されている。つまり、当該発泡金属は白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属を担持していない。発泡金属触媒３の材料としては、ニッケル（Ｎｉ）が比較的低温（４００℃）から十分な排ガス浄化性能を発揮するので好ましいが、これに限られるものではない。発泡金属触媒３の材料としては、白金属元素を除く遷移金属元素であればよく、ニッケル（Ｎｉ）単体やニッケル合金の他には、ニッケルコバルト合金（ＮｉＣｏ）、鉄（Ｆｅ）を主成分としクロム（Ｃｒ）等を含んだステンレス鋼（ＳＵＳ）や、鉄（Ｆｅ）単体が望ましい。
【００２９】
また、当該発泡金属触媒３は、十分な比表面積を必要とし、気孔率が少なくとも８０％以上、特には９７％以上であることが好ましい。なお、本実施形態では触媒に発泡金属を用いた発泡金属触媒３を用いているが、気孔率が８０％以上となる金属からなる触媒であればよい。例えばメッシュ状とした金属を積層したメッシュ積層体の触媒や、多孔質金属体からなる触媒であってもよい。また、さらに比表面積を広く確保すべく、プラズマ処理等により金属表面にディンプルを形成したり、ナノ粒子化した金属触媒を触媒表面に付与してもよい。
【００３０】
このような構成の発泡金属触媒３は、排ガス中の還元ガス濃度が所定濃度（例えば水素１．５％）以上であり、且つ排ガス温度が２３０℃以上の雰囲気下にあることでＮＯｘ、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）の還元機能を発揮するとともに、触媒表面の酸化被膜が除去される。
【００３１】
例えば、第１実施形態の排ガス浄化システムでは、水素濃度が２％以上であり且つ排ガス温度が４００℃以上の排ガスが流通する排ガス通路２に発泡金属触媒３を設けている。そして、内燃機関１の運転状態が、水素濃度が２％以上であり且つ排ガス温度が４００℃以上の排ガスを排出する運転状態となったときには、水素によって発泡金属触媒３表面の酸化被膜は除去されるとともに、排ガスが発泡金属触媒３と接触して無害な物質に還元され、排ガスは浄化される。
【００３２】
次に第２実施形態の排ガス浄化システムは、図１Ｂに示すように、内燃機関１１の排ガス通路１２に、発泡金属触媒３に加えて水素濃度調整部４が設けられた自動車に適用されている。なお、発泡金属触媒３は第１実施形態と同様の構成であり詳しい説明は省略する。
【００３３】
第２実施形態における内燃機関１１は、排ガス中の水素濃度が所定濃度（１．５％）以上となる運転状態を有しておらず、その代わりに水素濃度調整部４（還元ガス供給手段、水素濃度調整手段）において排ガス中の水素濃度を所定濃度（１．５％）以上、好ましくは２〜６％に調整可能である。
【００３４】
水素濃度調整部４は、排ガス通路１２において内燃機関１１と発泡金属触媒３との間に設けられる。当該水素濃度調整部４は、例えば、炭化水素（ＨＣ）を水素（Ｈ２）と炭素（Ｃ）に改質する改質器である。または、比較的低温時に水素（Ｈ２）を吸蔵し、高温時にこの吸蔵した水素（Ｈ２）を排出する水素吸蔵器であってもよい。その他にも、外部から電気を与えると炭化水素を水素化する電気分解装置となるいわゆる電気化学リアクターであってもよい。
【００３５】
このように構成された第２実施形態の排ガス浄化システムでは、内燃機関１１から排出された排ガスが水素濃度調整部４に流入し、当該水素濃度調整部４により水素濃度が所定濃度（２％）以上に調整される。そして、調整後の排ガスであって４００℃以上である排ガスが発泡金属触媒３に送られることで、当該発泡金属触媒３表面の酸化被膜は除去されるとともに、当該発泡金属触媒３の排ガス浄化性能により排ガス中のＮＯｘが無害な物質に還元して浄化される。
【００３６】
最後に第３実施形態の排ガス浄化システムは、図１Ｃに示すように、内燃機関２１の排ガス通路２２に、発泡金属触媒３及び水素濃度調整部４に加えて、ターボチャージャ５と三元触媒６を備える自動車に適用されている。なお、発泡金属触媒３は第１実施形態と同様の構成であり、水素濃度調整部４は第２実施形態と同様の構成であることから、これらの詳しい説明は省略する。
【００３７】
第３実施形態における内燃機関２１はターボチャージャ５の図示しないコンプレッサにより圧縮され高温となった空気を吸気して燃焼を行う。従って、排ガスも高温となることから、当該内燃機関２１ではターボチャージャ５等の保護のために定期的に燃料をリッチにして排ガス温度を低下させる運転状態を有している。
【００３８】
ターボチャージャ５は、排ガス通路２２の水素濃度調整部４より排ガス下流側にタービンが配設されており、当該タービンが排ガス流により回転することで同軸上のコンプレッサを回転させ、当該コンプレッサの回転により吸気を圧縮する。
【００３９】
ターボチャージャ５のタービンより排ガス下流側の排ガス通路２２には発泡金属触媒３が設けられ、さらに当該発泡金属触媒３の排ガス下流側に三元触媒６が設けられている。当該三元触媒６は発泡金属触媒３により浄化しきれなかった有害物質の浄化を行う。なお、三元触媒６は、上記第１実施形態及び第２実施形態の発泡金属触媒３の排ガス下流に設けてもよい。また、発泡金属触媒３は三元触媒６より排ガス上流側に設けられればよく、例えばタービンより排ガス上流側に設けられてもよい。さらに、三元触媒６に限らず他の排ガス浄化装置を設けてもよい。
【００４０】
このように構成された第３実施形態の排ガス浄化システムでは、内燃機関２１はターボチャージャ５のコンプレッサにより圧縮され高温化した空気を吸気して燃焼を行い、４００℃以上の排ガスを排出する。高温な排ガスは水素濃度調整部４に流入し、当該水素濃度調整部４により水素濃度が所定濃度（２％）以上に調整される。特に燃料（ＨＣ）がリッチとなったときには水素濃度調整部４は良好に水素濃度を所定濃度以上に調整することが可能である。そして、調整後の排ガスであって４００℃以上である排ガスがターボチャージャ５のタービンを回転させた後に発泡金属触媒３に送られることで、水素により当該発泡金属触媒３表面の酸化被膜が除去されるとともに、当該発泡金属触媒３により排ガス中のＮＯｘが無害な物質に還元して浄化される。その後、排ガスは三元触媒６を流通することでさらに浄化される。
【００４１】
以下、実際のエンジン及び発泡金属触媒を用いた試験結果を示しつつ、本実施形態の作用、効果を説明する。
【００４２】
試験の仕様としては、上記第１実施形態の構成を基本として、内燃機関としては試験用の空冷４サイクル単気筒ガソリンエンジンを使用し、発泡金属触媒としてはニッケル（Ｎｉ）単体で気孔率９７％のものを使用した。
【００４３】
このような試験の仕様で、内燃機関の回転数を３５００ｒｐｍで運転した所定時期に発泡金属触媒３の入口部及び出口部における排ガス成分の割合を３回計測した。その結果を下記表１に示している。なお、各回の計測における排ガス温度は、発泡金属触媒の入口部でおよそ８００℃、出口部でおよそ６５０℃である。
【表１】
2015212541.tif 000003
【００４４】
また、図２には発泡金属触媒の前後における排ガス中のＮＯｘ成分の変動を示すグラフを、図３には排ガス中のＣＯ成分の変動を示すグラフを、図４には経過時間に応じた排ガス中の各成分の増減率を示すグラフをそれぞれ示している。
【００４５】
表１に示すように、本試験で使用した内燃機関は排ガス中に水素（Ｈ２）が２〜４％含まれており、このように水素濃度が所定濃度（２％）以上であり、排ガス温度が４００℃以上の状態で発泡金属触媒を通過することで、ＮＯｘはおよそ８０〜９０％削減されていることがわかる。また、表１からＣＯもおよそ３０〜４０％削減されていることがわかる。
【００４６】
次に図２を参照すると、エンジン始動直後から発泡金属触媒の入口部の温度（入口温度）は急激に上昇し、それに伴い発泡金属触媒の出口部の温度（出口温度）も上昇している。またＮＯｘ成分濃度は、エンジン始動直後から、入口ＮＯｘ濃度に対し出口ＮＯｘ濃度が２０〜３０ｐｐｍ程度低減され、入口温度及び出口温度が上昇するにつれて低減量が増加している。そして、出口温度が４００℃となるｔ１時点付近からは、出口ＮＯｘ濃度が２０ｐｐｍ以下まで安定的に低減されており、例え入口ＮＯｘ濃度が大きく変動したときでも出口ＮＯｘ濃度は２０ｐｐｍ以下に抑えられていることがわかる。
【００４７】
また、図３を参照すると、ＣＯ成分濃度は、発泡金属触媒の入口部で８〜１０％程度であったのが出口部で５〜７％まで低減されているのがわかる。
【００４８】
さらに、図４で示される排ガス中の各成分の増減率に示すように、ＣＯは０％〜−４０％の割合で低減されており、Ｈ２も０％〜−４０％の割合で低減されている。そして、ＮＯｘについては−７０％〜−９５％の割合で大幅に低減されていることがわかる。
【００４９】
以上のように表１及び図２〜４で示した試験結果から明らかなように、発泡金属触媒は水素濃度が２％以上であり、排ガス温度が４００℃以上の雰囲気下にあるときには、大幅なＮＯｘ還元性能と、ＣＯ還元性能を発揮し、良好な排ガス浄化性能を実現するものである。
【００５０】
また、上記試験ではニッケル単体の発泡金属を用いたが、下記表２に、ステンレス鋼からなる発泡金属触媒を使用した場合の入口部及び出口部における排ガス成分の割合を３回計測した結果を示す。なお、各計測における排ガス温度は、発泡金属触媒の入口部でおよそ８５０℃、出口部でおよそ６６０℃である。
【表２】
2015212541.tif 000004
【００５１】
表２に示す試験では、内燃機関からの排ガス中に水素（Ｈ２）が５〜６％含まれており、このように水素濃度が所定濃度（２％）以上であり、排ガス温度が４００℃以上の状態でステンレス鋼からなる発泡金属触媒を通過した場合も、ＮＯｘはおよそ５０〜６５％削減されていることがわかる。このように、発泡金属触媒の材料としてはニッケル（Ｎｉ）の他にもステンレス鋼も有効であることがわかる。
【００５２】
そして、発泡金属触媒３は、ニッケル（Ｎｉ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、鉄（Ｆｅ）等、白金属元素を除いた遷移金属元素からなる発泡金属のみで構成されていることで、白金属元素からなる貴金属を用いる触媒に比べて大幅にコストを低下させることができる。また、本実施形態における排ガス浄化システムによれば、触媒は発泡金属のみからなることから、従来の触媒のように担体に担持させた貴金属が高温により凝集して表面積が減少するようなこともない。また、図４のグラフで示される通り、排ガス浄化性能を長期間維持することができており、これは還元ガスが供給されることで発泡金属触媒表面の酸化被膜が除去されていると考えられる。
【００５３】
詳しくは、本実施形態における排ガス浄化システムでは、まず発泡金属触媒３のニッケル（Ｎｉ）成分がＮＯｘを分解することで酸化ニッケル（ＮｉＯ）と窒素（Ｎ２）が生じ（２ＮＯ＋２Ｎｉ→Ｎ２＋２ＮｉＯ）、その後、還元ガスとしての水素（Ｈ２）により酸化被膜が除去されてニッケル（Ｎｉ）に戻る（２ＮｉＯ＋２Ｈ２→２Ｎｉ＋２Ｈ２Ｏ）と考えられる。このような反応は、ＮＯｘを一時的に吸蔵する吸蔵材を必要とし、吸蔵と還元の２つのプロセスを必要とするＮＯｘ吸蔵触媒とは構成や浄化プロセスが異なっている。また、尿素タンクや尿素水を管理するシステムを必要とし、触媒金属でなく排気中に添加したアンモニア（ＮＨ３）による直接的な化学反応によりＮＯｘを還元させるＳＣＲ触媒とも、構成や浄化プロセスが異なっている。つまり、本実施形態における排ガス浄化システムは、従来の触媒システムよりも構成的が簡易でありながら、ＮＯｘを浄化することでき、且つ排ガス浄化性能を維持することができるものである。
【００５４】
さらに、図５から図１０に、還元ガスと排気浄化性能との関係を表す第１から第５の試験の結果を示している。当該第１から第５の試験は図１Ａの内燃機関の代わりに、擬似的な排ガス（以下、疑似ガスという）を発泡金属触媒に供給する疑似ガス供給装置を設け、発泡触媒金属を加熱する加熱装置を設けて行った。この疑似ガス供給装置から試験内容に応じた疑似ガスが発泡金属触媒に供給され、加熱装置により発泡金属触媒が試験内容に応じた温度に加熱される。第１から第５の試験で使用する発泡金属触媒は、ニッケル（Ｎｉ）単体で気孔率９７％のものを使用した。図５から図１０では当該発泡金属触媒に供給される疑似ガスの成分及び発泡金属触媒から排出されるガス成分の推移がそれぞれ示されている。
【００５５】
まず、図５に示す第１の試験及び図６に示す第２の試験では、ＮＯｘを多く含む疑似ガスに対し、還元ガスとして水素（Ｈ２）を供給した場合のＮＯｘ浄化性能を確認している。
【００５６】
図５に示す第１の試験では、加熱装置により発泡金属触媒内を５３５〜５４５℃に保ちつつ、疑似ガス供給装置から窒素（Ｎ２）を約２０００cc/min、一酸化窒素（ＮＯ）を約５cc/min含んだ疑似ガスを供給しつつ、一時的に水素（Ｈ２）を１．５Vol.％（３０cc/min）供給した。
【００５７】
そうすると、図５に示すように、水素（Ｈ２）を供給する前の段階においてＮＯｘ濃度は約２５００ppmであるのに対し、水素（Ｈ２）を供給し始めるとＮＯｘ濃度がほぼ０にまで急激に低下した。そして、水素（Ｈ２）の供給を止めた後も、ＮＯｘ濃度はほぼ０である状態が一定の期間維持され、その後徐々に上昇していった。
【００５８】
また、図６に示す第２の試験では、加熱装置により発泡金属触媒内を５３５〜５４５℃に保ちつつ、疑似ガス供給装置から窒素（Ｎ２）を約１４６０cc/min、空気を約５００cc/min、酸素（Ｏ２）を約５Vol.％（２cc/min）、一酸化窒素（ＮＯ）を２６００ppm含んだ疑似ガスを供給しつつ、段階的に水素（Ｈ２）を１〜１２％増減させた。
【００５９】
そうすると、図６に示すように、水素（Ｈ２）を段階的に増加させることで酸素（Ｏ２）濃度はそれに応じて減少した。そして酸素濃度がほぼ０となると、ＮＯｘ濃度もほぼ０になるまで急激に低下した。
【００６０】
これらの試験から、所定の温度以上の発泡金属触媒は、酸素濃度がほぼ０となった還元雰囲気下では、水素（Ｈ２）が還元ガスとして機能して触媒表面の酸化被膜は除去されてＮＯｘ浄化性能が発揮されることがわかる。
【００６１】
次に図７に示す第３の試験は、一酸化炭素（ＣＯ）を還元ガスとした場合の排気浄化性能について確認している。当該第３の試験では、加熱装置により発泡金属触媒内を５３５〜５４５℃に保ちつつ、疑似ガス供給装置から窒素（Ｎ２）を１４６０cc/min、空気を５００cc/min、酸素（Ｏ２）を約５Vol.％（２cc/min）、一酸化窒素（ＮＯ）を２６００ppm含んだ疑似ガスを供給しつつ、一定期間毎に一酸化炭素（ＣＯ）濃度を２００ppmずつ増加させている。
【００６２】
そうすると、図７に示すように、一酸化炭素（ＣＯ）が段階的に上昇する毎に酸素（Ｏ２）が減少して二酸化炭素（ＣＯ２）が上昇した。そして酸素（Ｏ２）が約０．５Vol.％以下まで低下するとＮＯｘが急激に低下し始め、ほぼ０となった。そして、一酸化炭素（ＣＯ）を低下させると、ＮＯｘ濃度が増加した。
【００６３】
このように発泡金属触媒は、酸素（Ｏ２）がなくなり還元雰囲気となると、水素（Ｈ２）に限らず一酸化炭素（ＣＯ）であっても還元ガスとして機能し、触媒表面の酸化被膜は除去されて、ＮＯｘが大幅に分解することがわかる。つまり、当該発泡金属触媒によればＮＯｘだけでなく一酸化炭素（ＣＯ）の浄化にも使用できる。
【００６４】
図８から図１０に示す第４から第６の試験は、炭化水素（ＨＣ）を還元ガスとした場合の排気浄化性能について確認している。これらの試験では、加熱装置により発泡金属触媒内を５３５〜５４５℃に保ちつつ、疑似ガス供給装置から窒素（Ｎ２）を１４６０cc/min、空気を５００cc/min、酸素（Ｏ２）を約５Vol.％（２cc/min）、一酸化窒素（ＮＯ）を２６００ppm含んだ疑似ガスを供給しつつ、一定期間毎に炭化水素（ＨＣ）を増加させている。
【００６５】
まず図８の第４の試験では、炭化水素（ＨＣ）のうちのメタン（ＣＨ４）を還元ガスとし、一定期間毎にメタン（ＣＨ４）濃度を１．５〜３％ずつ増加させ、約１０％に至ってからは１．５％ずつ減少させた。そうすると、図７に示すように、メタン（ＣＨ４）の濃度を段階的に上昇させ一定（９％）以上となるまで酸素（Ｏ２）が減少して二酸化炭素（ＣＯ２）が上昇した。そして酸素（Ｏ２）濃度がほぼ０となると、ＮＯｘ濃度が急激に低下し始め、ほぼ０となった。
【００６６】
また図９の第５の試験では、炭化水素（ＨＣ）のうちプロパン（Ｃ３Ｈ８）を還元ガスとし、一定期間毎にプロパン（Ｃ３Ｈ８）濃度を１％程度ずつ増加させ、２％に至ってから１％ずつ減少させた。そうすると、図８に示すように、プロパン（Ｃ３Ｈ８）が段階的に上昇すると酸素（Ｏ２）濃度が減少して二酸化炭素（ＣＯ２）濃度が上昇した。そして酸素（Ｏ２）濃度がほぼ０となると、ＮＯｘ濃度が急激に低下し始め、ほぼ０になるまで至った。
【００６７】
さらに図１０の第６の試験では、炭化水素（ＨＣ）のうちブタン（Ｃ４Ｈ１０）を還元ガスとし、一定期間毎にブタン（Ｃ４Ｈ１０）濃度を１％程度まで増加させた後、０．２％ずつ段階的に減少させた。そうすると、図１０に示すように、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）濃度が上昇すると酸素（Ｏ２）濃度が減少して二酸化炭素（ＣＯ２）濃度が上昇した。そして酸素（Ｏ２）濃度がほぼ０となると、ＮＯｘ濃度が急激に低下し始め、ほぼ０になるまで至った。
【００６８】
このように第４から第６の試験結果から、発泡金属触媒が還元雰囲気となると、メタン（ＣＨ４）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）のような炭化水素（ＨＣ）も還元ガスとなり、触媒表面の酸化被膜は除去されてＮＯｘが大幅に分解することがわかる。そして、炭化水素（ＨＣ）の中でも炭素数が多くなるほど少量でＮＯｘ浄化性能が発揮されることがわかる。
【００６９】
以上の第１から第６の試験結果から、発泡金属触媒が所定温度以上であって、還元雰囲気下で還元ガスが存在すれば触媒表面の酸化被膜は除去されてＮＯｘ浄化性能を発揮することがわかる。また、第１から第６の試験結果から、還元ガスの供給を止めたり、供給量を減少させたりした場合でも、ＮＯｘ浄化性能は一定期間維持されることがわかる。従って、再度触媒表面が酸化被膜で覆われる前に、間欠的に還元ガスを供給することでも、ＮＯｘ浄化性能を維持することが可能である。
【００７０】
また、ニッケル単体の発泡触媒金属に対し温度を変化させた場合の排気浄化性能について確認する試験を行った。図１１にはその試験結果を示すグラフが示されている。当該試験では、疑似ガス供給装置から一酸化窒素（ＮＯ）を約５cc/min、窒素（Ｎ２）を約２０００cc/min、水素（Ｈ２）を３０cc/min含んだ疑似ガスを供給しつつ、加熱装置により徐々に発泡触媒金属を加熱していった。
【００７１】
その結果、図１１に示すように、初めに２３００ppm程度であったＮＯｘ濃度が、約２３０℃から減少し始め、約３８０℃にて１０ppm以下となった。このことから発泡金属触媒は２３０℃から排気浄化性能を発揮し始め、特に３８０℃以上で触媒として十分に機能することがわかる。
【００７２】
以上のことから、本発明の実施形態によれば、貴金属を担持することなく排ガスを浄化することができ、高温状態や時間が経過した場合でも排ガス浄化性能を維持することができる。
【００７３】
以上で本発明に係る実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
【００７４】
上記実施形態では内燃機関１、１１、２１はガソリンエンジンとしているが、内燃機関はガソリンエンジンに限られず、例えばディーゼルエンジン等であってもよい。また、本発明に係る排ガス浄化システム、触媒、及び排ガス浄化方法は内燃機関への適用に限られるものでなく、炭化水素系燃料を利用するプラントや外燃機関も含めた熱機関に適用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１、１１、２１  内燃機関（還元ガス供給手段）
２、１２、２２  排ガス通路
３  発泡金属触媒（触媒）
４  水素濃度調整部（還元ガス供給手段、水素濃度調整手段）
５  ターボチャージャ
６  三元触媒
【図１】
2015212541.tif 000005
【図２】
2015212541.tif 000006
【図３】
2015212541.tif 000007
【図４】
2015212541.tif 000008
【図５】
2015212541.tif 000009
【図６】
2015212541.tif 000010
【図７】
2015212541.tif 000011
【図８】
2015212541.tif 000012
【図９】
2015212541.tif 000013
【図１０】
2015212541.tif 000014
【図１１】
2015212541.tif 000015