(57)【要約】【課題】触媒コンバーターを構成する触媒全体を有効活用して高い酸素吸放出能を有する触媒コンバーターを提供する。【解決手段】排ガスが流通するセル構造の基材１と、基材１のセル壁面に形成されている触媒層３Ａ，３Ｂとからなる触媒コンバーター１０であって、基材１は、中央領域１Ａと周辺領域１Ｂとから構成され、中央領域１Ａは基材１の直径の50〜90%の範囲にあり、中央領域１Ａの触媒層３Ａを形成する担体にはセリア−ジルコニア固溶体が適用され、周辺領域１Ｂの触媒層３Ｂを形成する担体にはアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体が適用されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスが流通するセル構造の基材と、基材のセル壁面に形成されている触媒層とからなる触媒コンバーターであって、
基材は、中央領域と周辺領域とから構成され、
中央領域は基材の直径の50〜90%の範囲にあり、
中央領域の触媒層を形成する担体にはセリア−ジルコニア固溶体が適用され、周辺領域の触媒層を形成する担体にはアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体が適用されている触媒コンバーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガスの排気系統を構成する配管内に収容固定される触媒コンバーターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種産業界においては、環境影響負荷低減に向けた様々な取り組みが世界規模でおこなわれており、中でも、自動車産業においては、燃費性能に優れたガソリンエンジン車は勿論のこと、ハイブリッド車や電気自動車等のいわゆるエコカーの普及とそのさらなる性能向上に向けた開発が日々進められている。このようなエコカーの開発に加えて、エンジンから排出される排ガスを浄化する排ガス浄化触媒に関する研究も盛んに行われている。この排ガス浄化触媒には、酸化触媒や三元触媒、NOx吸蔵還元触媒などが含まれており、この排ガス浄化触媒において触媒活性を発現するのは、白金（Pt）やパラジウム（Pd）、ロジウム（Rh）などの貴金属触媒であり、貴金属触媒はアルミナなどの多孔質酸化物からなる担体に担持された状態で一般に用いられている。
【０００３】
車両エンジンとマフラーを繋ぐ排ガスの排気系統には、排ガスを浄化するための触媒コンバーターが一般に配設されている。エンジンはCOやNOx、未燃焼のHCやVOCなど、環境に有害な物質を排出することがあり、こうした有害物質を許容可能な物質に変換するべく、RhやPd、Ptのような貴金属触媒が担体に担持された触媒層が基材のセル壁面に配設されてなる触媒コンバーターに排ガスを通すことにより、COはCO2に転化され、NOxはN2とO2に転化され、VOCは燃焼してCO2とH2Oが生成されることになる。
【０００４】
貴金属触媒を担持する担体として、CeO2-ZrO2固溶体（CZ材、酸化セリウム（セリア）−ジルコニア系複合酸化物などと称される）を挙げることができ、これは助触媒とも称され、排ガス中の有害成分であるCOやNOx、HCを同時除去する上記三元触媒に必須の成分であり、この助触媒に必須の成分としてCeO2が挙げられる。このCeO2はその曝される排ガス中の酸素分圧に依拠してCe3+、Ce4+とその酸化数が変化し、電荷の過不足を補償するために酸素を吸放出する機能や酸素を貯蔵する機能(酸素吸放出能（OSC: Oxygen Storage Capacity）)を有する。そして、この三元触媒の浄化ウィンドウを保持するべく、排ガスの雰囲気変動を吸収・緩和し、理論空燃比付近に保つことを可能としている。
【０００５】
ところで、たとえばハニカム構造のセルを具備する基材においては、基材の断面中央領域における排ガスの流速分布が周辺領域に比して高くなることから、基材全体の触媒層を十分に活用できていないという課題がある。そこで、このような排ガスの流速分布を勘案して、基材の周辺領域に比して中央領域のセル密度が高い触媒コンバーターとすることにより、基材断面内における流速分布差を可及的に低減することができ、触媒コンバーター全体の触媒層を有効に活用した排ガス浄化をおこなうことが可能となる。
【０００６】
ここで、特許文献１には、触媒コンバーター（ここでは触媒体）の全体としてセル密度が一様なたとえばハニカム構造の基材に対して、その中央領域（ここでは中心部）と周辺領域（ここでは外周部）で担持される貴金属触媒の量を変化させることによって排ガス浄化性能を向上させる技術が開示されている。より具体的には、触媒体のうち、ガス流れの多い中心部に担持される単位体積当たりの触媒量を外周部の1.1倍以上としたものである。
【０００７】
しかしながら基材の中央領域と周辺領域で触媒量を単に変化させるだけでは、基材における触媒全体を有効活用しながら酸素吸放出能に優れた触媒コンバーターを得るには不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１７７７９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、触媒コンバーターを構成する触媒全体を有効活用して高い酸素吸放出能を有する触媒コンバーター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】
前記目的を達成すべく、本発明による触媒コンバーターは、排ガスが流通するセル構造の基材と、基材のセル壁面に形成されている触媒層とからなる触媒コンバーターであって、基材は、中央領域と周辺領域とから構成され、中央領域は基材の直径の50〜90%の範囲にあり、中央領域の触媒層を形成する担体にはセリア−ジルコニア固溶体が適用され、周辺領域の触媒層を形成する担体にはアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体が適用されているものである。
【００１１】
本発明の触媒コンバーターは、たとえば多数のセルを具備する基材を異種の触媒層を備えた中央領域と周辺領域から構成し、排ガスの流速分布が相対的に高い中央領域にはセリア−ジルコニア固溶体を担体とした触媒層を配すことで十分な酸素吸放出量を確保し、排ガスの流速分布が相対的に低い周辺領域には酸素吸放出能の高いアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体を担体とした触媒層を配すことで効率的な酸素吸放出を実現し、もって触媒全体の有効活用を図ることのできる触媒コンバーターである。
【００１２】
中央領域に比して周辺領域は排ガスの流速分布が相対的に低いことから流通する排ガス量は少なくなり、触媒による浄化反応は起こり難い。そこで、この周辺領域には酸素吸放出反応性（OSC反応性）の高いアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体を担体とした触媒層を配すことにより、周辺領域における触媒を無駄なく使用して効率的な酸素吸放出反応を実現することができ、これまで十分な反応がおこなわれずに周辺領域の触媒が無駄になっていたという課題を解消することができる。
【００１３】
一方、仮に基材の全領域の触媒層の担体にアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体を適用した場合には、高い酸素吸放出量を得られ難い。また、仮に基材の全領域の触媒層の担体にセリア−ジルコニア固溶体を適用した場合には、このOSC反応性がアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体に比して低いことから排ガス量の少ない周辺領域における効率的なOSC反応が実現し難い。
【００１４】
以上のことから、周辺領域に比して排ガスの流速分布が相対的に高く、流通する排ガス量が多い中央領域の触媒層を形成する担体には、アルミナ−セリア−ジルコニア固溶体に比してOSC反応性は低いものの酸素吸放出能量（OSCキャパシティー）の多いセリア−ジルコニア固溶体を適用することにより、十分な酸素吸放出量を確保しながら触媒コンバーターを構成する触媒全体を有効活用することが可能となり、高い酸素吸放出能を実現することができる。
【００１５】
また、中央領域の範囲として、基材径の50〜90%の範囲を規定する。これは排ガスの流速分布を勘案して、酸素吸放出能が最も高くなるように中央領域と周辺領域の断面積割合を規定したものである。
【００１６】
セル壁面に形成される触媒層のそれぞれの担体に対し、貴金属触媒であるPd、Pt、Rhのいずれか一種もしくは二種以上が担持されて中央領域および周辺領域の触媒層が形成される。
【００１７】
ここで、使用されるセル構造の基材としては、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムおよび二酸化珪素の複合酸化物からなるコージェライトや炭化ケイ素等のセラミックス素材からなるもののほか、メタル素材等のセラミックス素材以外の素材のものを使用してもよい。また、その構成は、四角形や六角形、八角形等の多数の格子輪郭のセルを具備するいわゆるハニカム構造体が適用できる。
【００１８】
本発明の触媒コンバーターは、好適には耐熱衝撃性に優れたコージェライトハニカム担体を有するものであるが、それ以外にも電気加熱式の触媒コンバーター（EHC:Electrically Heated Converter）であってもよい。この電気加熱式の触媒コンバーターは、たとえばハニカム触媒に一対の電極を取り付け、電極を通電することでハニカム触媒を加熱し、ハニカム触媒の活性を高めてこれを通過する排ガスを無害化するものであり、車両エンジンとマフラーを繋ぐ排ガスの排気系統に適用することで、常温時の排ガスを浄化することに加えて、冷間時には電気加熱によって触媒を活性化させて排ガスを浄化することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上の説明から理解できるように、本発明の触媒コンバーターによれば、その構成要素である基材が中央領域と周辺領域とから構成され、中央領域は基材径の50〜90%の範囲にあり、中央領域の触媒層を形成する担体にはセリア−ジルコニア固溶体が適用され、周辺領域の触媒層を形成する担体にはアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体が適用されていることにより、触媒全体を有効活用しながら酸素吸放出能に優れた触媒コンバーターを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明した模式図である。
【図２】（ａ）は基材の中央領域のセル壁面を拡大した縦断面図であり、（ｂ）は基材の周辺領域のセル壁面を拡大した縦断面図である。
【図３】基材における排ガスの流速分布を説明した図である。
【図４】OSC性能を検証した実験結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明する。
【００２２】
（排ガスの排気系統）
まず、本発明の触媒コンバーターが介在する排ガスの排気系統を概説する。本発明の触媒コンバーターが適用される排ガスの排気系統は、エンジン、触媒コンバーター、三元触媒コンバーター、サブマフラーおよびメインマフラーが配されて相互に系統管で繋がれ、エンジンで生成された排ガスが系統管を介して各部を流通し、排気されるようになっている。次に、以下、触媒コンバーターの実施の形態を説明する。
【００２３】
（触媒コンバーターの実施の形態）
図１は本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明した模式図であり、図２ａは基材の中央領域のセル壁面を拡大した縦断面図であり、図２ｂは基材の周辺領域のセル壁面を拡大した縦断面図である。また、図３は基材における排ガスの流速分布を説明した図である。
【００２４】
図１で示す触媒コンバーター１０は、多数のセルを有する筒状の基材１と、基材１のセル２を構成するセル壁面に形成された触媒層３Ａ，３Ｂとから大略構成されている。
【００２５】
ここで、基材１の素材としては、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムおよび二酸化珪素の複合酸化物からなるコージェライトや炭化ケイ素等のセラミックス素材、メタル素材等のセラミックス素材以外の素材を挙げることができる。
【００２６】
基材１は、四角形や六角形、八角形等の多数の格子輪郭のセルを具備するハニカム構造体からなり、各セル内を排ガスが流通するようになっている（Ｘ１方向）。
【００２７】
さらに基材１は、異種の触媒層３Ａ，３Ｂを有する中央領域１Ａと周辺領域１Ｂの２つの領域から構成されており、基材１の直径d(半径rの2倍)に対し、中央領域１Ａの範囲は0.5d〜0.9dの範囲であり、周辺領域１Ｂの範囲は残りの0.05d〜0.25dの範囲である。
【００２８】
中央領域１Ａの触媒層３Ａは、担体としてセリア−ジルコニア固溶体（いわゆるCZ材であるCeO2-ZrO2化合物）が適用され、この担体に貴金属触媒であるPd、Pt、Rhのいずれか一種もしくは二種以上が担持されている。
【００２９】
一方、周辺領域１Ｂの触媒層３Ｂは、担体としてアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体（拡散障壁としてAl2O3が導入されたAl2O3-CeO2-ZrO2三元系複合酸化物（ACZ材））が適用され、この担体に貴金属触媒であるPd、Pt、Rhのいずれか一種もしくは二種以上が担持されている。
【００３０】
このように中央領域１Ａと周辺領域１Ｂで異種の触媒層３Ａ，３Ｂを適用することによる効果を基材における排ガスの流速分布を示した図３を参照して説明する。なお、図３で示す流速分布は、断面円形の基材の中心０を中心に直径の２つの端点を−1、1とし、その途中位置を半径に対する比率で示し、各位置における排ガスの流速を基材のセル密度が一様な触媒コンバーターの基材中心の流速に対する比率で示したものである。
【００３１】
基材１のセル密度が一様な触媒コンバーター１０では、図３の実線ラインで示すように基材１の中央領域における排ガスの流速分布が周辺領域に比して格段に高くなる。なお、同図で示すように、流速分布は中心から半径の70%程度で変曲点を迎え、最外周では中心の流速の30%程度の流速になる。このように基材の部位によって排ガスの流速に大きな差異があることから、基材全体の触媒層を十分に活用し難いという課題があった。これは、周辺領域は流速が相対的に遅く、したがって流通する排ガス量が少ないために触媒反応が起こり難いことに起因する。
【００３２】
ここで、触媒層を形成する各種担体の中でも、OSC性能に優れた担体として、多孔質酸化物であるセリア(CeO2)やジルコニア(ZrO2)、アルミナ(Al2O3)のほか、これらの複合酸化物として、セリア−ジルコニア固溶体（CeO2-ZrO2化合物）やアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体（Al2O3-CeO2-ZrO2三元系複合酸化物）などが適用される。
【００３３】
この中で、OSC反応性の高い担体としてアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体が挙げられ、OSC反応性はアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体に比して低いものの酸素吸放出能量（OSCキャパシティー）の多い担体としてセリア−ジルコニア固溶体が挙げられる。
【００３４】
本発明者等は、以下で示す実験により、基材の全ての触媒層の担体にアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体を適用した場合（ケース１）と、基材の全ての触媒層の担体にセリア−ジルコニア固溶体を適用した場合（ケース２）と、基材の中央領域の触媒層の担体にセリア−ジルコニア固溶体を適用し、周辺領域の触媒層の担体にアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体を適用した場合（ケース３）と、この逆で基材の中央領域の触媒層の担体にアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体を適用し、周辺領域の触媒層の担体にセリア−ジルコニア固溶体を適用した場合（ケース４）とでOSC性能を測定し、比較する実験をおこなった。その結果、ケース３の場合に最も優れたOSC性能が得られることが実証されており、この実験結果に基づいてケース３の担体の組み合わせを中央領域と周辺領域に適用したものである。
【００３５】
基材１の中央領域１Ａの触媒層３Ａの担体にセリア−ジルコニア固溶体を適用し、周辺領域１Ｂの触媒層３Ｂの担体にアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体を適用することにより、排ガス量が少ない周辺領域１Ｂでは高いOSC反応性の下で触媒を無駄なく利用して効率的にOSC反応がおこなわれ、排ガス量の多い中央領域１Ａでは十分な酸素吸放出能量を確保し、結果として触媒コンバーター１０の有する触媒全体を有効に活用して高いOSC性能の下で排ガス浄化をおこなうことが可能となる。
【００３６】
なお、図１において、基材１の長さt1は基材１の半径rの2倍以上で6倍以下の範囲に設定されるのが好ましい。
【００３７】
[OSC性能を検証した実験とその結果]
本発明者等は、以下で示す実施例と比較例1〜3のハニカム構造基材を製作して、中央領域と周辺領域の触媒層を構成する担体を変化させた際のOSC量を測定する実験をおこなった。
【００３８】
（実施例）
押出成形によってコージェライト製のハニカム構造基材を作製し、実施例と比較例3では中央領域と周辺領域で触媒層を構成する担体を相違させた。ハニカム構造体のサイズは排ガスの流れ方向に直交する円形断面の直径がφ103mmで長手方向の長さt1が105mmであり、セル密度は600cpsi(93個/cm2)であり、中央領域と周辺領域の切替ラインはφ70mmの位置であり、セルの格子形状は四角形である。この触媒層において、周辺領域の触媒層の担体にはアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体を適用し、中央領域の触媒層の担体にはセリア−ジルコニア固溶体を適用し、それぞれ総コート量は120g/個であり、貴金属触媒としてPdを担持量1g/個とした。
【００３９】
（比較例1）
基材全ての触媒層の担体にセリア−ジルコニア固溶体を適用した以外は実施例と同様である。
【００４０】
（比較例2）
基材全ての触媒層の担体にアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体を適用した以外は実施例と同様である。
【００４１】
（比較例3）
実施例とは逆で、周辺領域の触媒層の担体にセリア−ジルコニア固溶体を適用し、中央領域の触媒層の担体にアルミナ−セリア−ジルコニア固溶体を適用した以外は実施例1と同様である。
【００４２】
（実験方法）
浄化性能評価試験では、実機エンジンを使用し、触媒床温を950℃とし、1分間にフィードバック、フュエールカット、リッチ−リーンを含むサイクルで50時間駆動させ、アクティブ制御時のOSC量を測定した。
【００４３】
（実験結果）
実験結果を図４に示す。同図より、実施例は、比較例1に対してOSC量が2割程度増加し、比較例2に対して3割程度増加し、比較例3に対して8割程度増加する結果が得られており、実施例における２つの領域の触媒層（の担体）の組み合わせにより、高いOSC性能が期待できることが実証されている。
【００４４】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４５】
１…基材、１Ａ…中央領域、１Ｂ…周辺領域、２…セル、３Ａ…触媒層（中央領域の触媒層）、３Ｂ…触媒層（周辺領域の触媒層）、１０…触媒コンバーター
【図１】
2015071140.tif 000003
【図２】
2015071140.tif 000004
【図３】
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【図４】
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