(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
稜線方向が相互に平行な複数の屈曲箇所を有する板材からなる熱交換部材と、該熱交換部材に配置された触媒とを備え、該熱交換部材の複数の屈曲箇所の稜線方向にそって供給ガス及び前記排出ガスが流通し、前記触媒が配置される領域の上流の供給ガスと触媒が配置される領域の下流の排出ガスを熱交換するように構成された排ガス浄化装置であって、前記触媒は、前記熱交換部材の表面に設けられた支持体に担持されており、該触媒は、イリジウムを含む触媒成分と、酸化タングステンとシリカを含む複合酸化物からなる担体を含んでなり、該複合酸化物は、タングステン酸アンモニウム溶液とシリカゾルの混合液を前記支持体に含浸した後、アンモニア蒸気に暴露し、次いで該混合液と該支持体を一体に焼成して得られたものであることを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項２】
該熱交換部材の一端部又は両端部には、該供給ガスが前記触媒に接触した後に流れの向きを変えるための回り込み部が設けられている請求項１記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記供給ガス中にＣＯが５００ｐｐｍ以上含まれる請求項１又は２に記載の排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記供給ガスの温度が３００℃以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
【請求項５】
前記触媒が配置される領域の前記稜線方向の距離が、該稜線に垂直な方向の距離よりも長い請求項１〜４のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
【請求項６】
相対する前記熱交換部材の触媒担持側の空間にガス透過性材料が介在する請求項１〜５のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
【請求項７】
前記回り込み部に、前記供給ガスに燃料を吹き込むための燃料注入ノズルが設けられた請求項２〜６に記載の排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス浄化装置に関し、とりわけ、ディーゼルエンジン等の希薄内燃機関の排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＯｘは、地域及び地球環境保護の面からその排出量の低減が要請されている。ディーゼルエンジン等の希薄内燃機関の排ガスは、一般に、ＮＯｘを含むと同時に余剰の酸素（Ｏ２）を含む。
一方、地球温暖化防止等の観点から、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量の低減、即ち、燃費の向上もまた要請されているが、この燃費が向上されるにつれ、エンジン排ガスの温度は必然的に低下する。ＮＯｘは、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素類のような還元性成分の存在下での触媒作用により浄化され得ることが知られているが、燃費の向上に伴い、かかる触媒作用による浄化は、より低温でも行われることが必要である。
【０００３】
また、エンジンの空燃比制御や燃料後噴射の技術の向上により、燃費をそれ程低下させることなく、Ｏ２の存在下で排ガス中に、例えば数１０００ｐｐｍ程度のＣＯを含ませることが、可能となっている。こうした余剰酸素の存在下でＣＯ等の還元性成分を利用したＮＯｘ浄化の先行技術として、イリジウムを触媒成分とする排ガス浄化触媒（特許文献１）等、ロジウムを触媒成分とする触媒（特許文献２）等が提案されている。
【０００４】
かかる先行技術におけるイリジウムを触媒成分とする触媒は、イリジウムの微粒子を酸化タングステン（非特許文献１）、酸化亜鉛（非特許文献２）、シリカライト（非特許文献３）等の金属酸化物に担持して構成される。しかしながら、これらの金属酸化物に担持されたイリジウム触媒を用い、排ガス中に含まれるＣＯをＮＯｘの還元剤として排ガスの浄化を行う場合、排ガスの温度が３００℃以下であると、かかる触媒による浄化は十分に行われないという問題がある。
【０００５】
また一方、触媒による排ガス浄化作用を改良されたエンジン熱効率の下で発現させるため、熱交換器を備えた排ガス浄化用の装置又はデバイスが提案されている（特許文献３、特許文献４、特許文献５）。特に特許文献４には、熱交換部材の表面に触媒材料をコーティングすることが記載されているものの、排ガス浄化触媒については具体的な記載はない。同様に、特許文献５にも、熱交換部材に触媒を担持させることが記載されているもの、排ガス中のＮＯｘを浄化する触媒については言及されていない。
【０００６】
このように、従来の酸素を含む排ガス中のＮＯｘを浄化するため排ガス浄化装置において、より低温からより高い浄化作用を発現することができる装置はまだ見いだされていないのが現状である。
【特許文献１】特開２００１−２８６７５９号公報
【特許文献２】特開２００３−３３６５４号公報
【特許文献３】特開２０００−１８９７５７号公報
【特許文献４】特表２００３−５２４７２８号公報
【特許文献５】特開２００４−６９２９３号公報
【非特許文献１】“Promotional effect of SO2 on the activity of Ir/SiO2for NO reduction with CO under oxygen-rich conditions”, M. Haneda, Pursparatu,Y. Kintaichi, I. Nakamura, M. Sasaki, T. Fujitani and H. Hamada, J. Catal., 229, 197-205(2005)
【非特許文献２】“Selective Catalytic Reduction of NO by CO over Supported Iridium andRhodium Catalysts”, Masahide Shimokawabe, Noriyoshi Umeda, Chem. Lett., 33,534-535 (2004)
【非特許文献３】“Catalytic Activity of Ir for NO-CO Reaction in the Presence of SO2and Excess Oxygen”, Masaru Ogura, Aya Kawamura, Masahiko Matsukata, EiichiKikuchi, Chem. Lett., 146-147 (2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、酸素を含む排ガス中のＮＯｘを浄化するための、より低温からより高い浄化作用を発現することができる排ガス浄化装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、触媒と熱交換部材を備えた排ガス浄化装置であって、該触媒は、イリジウムを含む触媒成分と、酸化タングステンとシリカを含む複合酸化物からなる担体を含んでなり、該触媒は、該熱交換部材上に配置され、該熱交換部材は、該触媒の配置領域上流の供給ガスと該触媒の配置領域下流の排出ガスを熱交換することを特徴とする排ガス浄化装置である。
本発明の排ガス浄化装置において、触媒成分として該複合酸化物上に担持されたイリジウムの作用により、比較的低温からでもＮＯｘが効率的に反応浄化され、かつ熱交換部材の作用により、反応領域が効率的に、当該反応にとって最適な温度に維持される。これら双方の作用により、比較的低温の酸素含有排ガスであっても、含まれるＮＯｘを効率的に還元浄化することができる。
【０００９】
また、本発明の排ガス浄化装置においては、前記熱交換部材は、前記供給ガスと前記排出ガスを隔てる隔壁を形成し、該熱交換部材の一端部又は両端部には、該供給ガスが前記触媒に接触した後に流れの向きを変えるための回り込み部が設けられていることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の装置における熱交換部材は、複数の屈曲箇所を有する板材であって、該複数の屈曲箇所の稜線方向は実質的に相互に平行であり、該複数の屈曲箇所の稜線方向にそって該供給ガス及び該排出ガスが流通するように構成されるのが好ましい。こうした熱交換部材の構成により、熱交換と排ガス流路を簡便に提供することができる。
【００１１】
また、本発明の装置における供給ガス中には、ＣＯが５００〜５０００ｐｐｍ含まれるのが好ましい。なお、排ガス中に含まれるＣＯはＮＯｘの還元剤として作用し、イリジウムの触媒作用によるＮＯｘの浄化反応は、全体としては次式（１）のように進行する発熱反応である。
ＮＯｘ  ＋  ＣＯ  →  Ｎ２  ＋  ＣＯ２    ・・  式（１）
【００１２】
また、本発明の排ガス浄化装置は、供給ガスの温度が３００℃以下であるような、低い温度の排ガスを浄化するのに適する装置である。
【００１３】
また、本発明の装置においては、触媒が熱交換部材上に配置される領域が、該領域の前記稜線方向の距離が、該稜線に垂直な方向の距離よりも長くなるように構成されることが好ましい。かかる構成により、触媒が存在する領域の温度範囲を拡げることができ、したがって、広い温度範囲にわたる排ガスに対して、最適な触媒作用温度を提供することができる。
【００１４】
また、本発明の装置において、触媒が、熱交換部材の表面に稜線を跨って設けられた支持体に担持され、かつ相対する該熱交換部材の触媒担持側の間にガス透過性材料が介在するのが好ましい。これにより、触媒が、熱交換部材を利用して安定に固定され、かつ排ガスが触媒と適切に接触しながら流通することができる。
【００１５】
また、本発明の装置における前記複合酸化物は、タングステン酸アンモニウム溶液とシリカゾルの混合液を支持体に含浸した後、アンモニア蒸気に暴露し、次いで該混合液と該支持体を一体に焼成して得るのが好ましい。この方法によれば、該混合液をアンモニア蒸気に暴露することで混合液がゲル化するため、焼成までの過程でタングステン成分とシリカ成分が良好に支持体に固定され、それにより、該複合酸化物が該支持体上に均一に形成されることができる。
【００１６】
さらに、本発明の装置において、好ましくは、熱交換された該供給ガスに燃料を吹き込むための燃料注入ノズルが、該供給ガスの回り込み部に設けられる。これにより、エンジンの運転状態等により供給ガスの温度が十分に高くない場合に、必要により補助的に燃料を用い排ガスの温度を高めることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の排ガス浄化装置における触媒は、比較的低い温度でも高いＮＯｘ浄化性能を発揮することができ、また、本発明の排ガス浄化装置における熱交換部材により、排ガスの熱量を利用して、反応領域の温度を効率的に高めることができる。したがって、これらの触媒と熱交換部材を備えた本発明の排ガス浄化装置は、燃費が向上して温度が低下したＮＯｘを含むディーゼルエンジン排ガスの浄化に好適に使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
図１は、熱交換部材１１と、触媒成分を含む触媒１２を備える本発明の排ガス浄化装置１００の全体的な構成の好ましい１つを例示するものである。排ガスは、ガス入口１３を通って供給ガスＡとして触媒１２と接触した後、回り込み部１９としての空間で、熱交換部材１１の一端を回り込んで流れの向きを変え、ガス出口１４から排出ガスＢとして系外に排出される。熱交換部材１１は、複数の屈曲箇所を有する板材であり、その稜線１５の方向は、実質的に相互に平行である。供給ガスＡと排出ガスＢは、この稜線１５の方向に沿って流れる。
【００１９】
排ガスが触媒１２と接触すると、上記の式（１）の反応により発熱が生じ、その反応熱は熱交換部材１１を介して、触媒１２に接触する前の排ガス、即ち供給ガスＡに伝熱される。それにより、反応領域の温度をさらに高めることができ、したがって、排出ガスＢの温度をさらに高めることができ、それにより、熱交換部材１１を介して、供給ガスＡの温度をさらに高めることができる。
【００２０】
したがって、こうした反応熱を反応領域に戻す方式の排ガス浄化装置は、いわゆる自己熱交換型反応器として機能することができ、効率的に反応領域の温度を著しく高めることができる。例えば、排ガスが２０℃の温度上昇に相当する熱量のＣＯ等の可燃成分を含み、熱交換部材による熱交換率が８０％とすると、反応領域の温度を１００℃上昇させることができる。ここで、この熱交換率８０％は、図１に示した構造の向流方式のフィン型熱交換部材においては、十分に達成可能なレベルである。
【００２１】
図２は、本発明の別な態様の排ガス浄化装置１００を例示するものである。排ガスは、供給ガスＡとして中央のガス入口１３を通って二方に分かれ、それぞれが、排出ガスＢから伝熱されて昇温し、触媒１２と接触して発熱した後、回り込み部１９としての空間で流れの向きを変え、下流にて供給ガスＡに伝熱し、そして排出ガスＢとしてガス出口１４から系外に排出される。
【００２２】
本発明において、熱交換部材の材質は、特に限定する必要はなく、反応領域の最高温度や排ガス組成に基づいて適切に選択することができる。例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０等の各種ステンレス板が屈曲加工の容易性等から好適に使用できる。また、かかる屈曲加工を焼成前に行うことにより、コージェライト、アルミナ等のセラミック材料も使用可能である。
【００２３】
また、熱交換部材のサイズも、特に限定する必要はなく、排ガスの流量や温度によって適切に選択することができる。例えば、板状の熱交換部材のサイズとして、厚みは２０mｍ〜１ｍｍ、排ガスの流れ方向の長さは１００ｍｍ〜５００ｍｍ、排ガスの流れ方向に垂直な方向の長さは５０ｍｍ〜３００ｍｍが一応の目安である。また、板材としての熱交換部材の枚数は、１０〜２００枚が一応の目安である。
【００２４】
本発明において、触媒成分であるイリジウムは、酸化タングステン及びシリカを含む複合酸化物に担持される。該複合酸化物中には、酸化タングステンが、好ましくは１〜４０重量％、より好ましくは５〜３０重量％含まれる。かかる範囲において、式（１）の反応の活性がより高いためである。
また、イリジウムは、かかる複合酸化物との合計重量を基準に、好ましくは０．１〜２重量％、より好ましくは０．３〜１．０重量％含まれる。同様に、かかる範囲において、式（１）の反応の活性がより高いためである。
【００２５】
図３は、本発明の触媒が、熱交換部材上に配置される好ましい様態を示すものであって、複数の矩形の屈曲箇所を有する板材からなる熱交換部材における１つの屈曲部だけを示す斜視図である。図３に示すように、本発明のイリジウムと複合酸化物を含む触媒が配置される領域は、該領域の稜線方向の距離Ｌ１が、該領域の稜線１５に垂直な方向の距離Ｌ２よりも長い状態で、熱交換部材１１の上に配置されるのが好ましい。このようにＬ２と比較してＬ１をより長くすると、触媒担持部において、発熱反応と熱交換作用により、ガス流にそって下流ほど温度が上昇する。このような温度分布をとることにより、流入ガス温度が変動しても、触媒層の中でＮＯｘ除去に最適な温度が常に存在する効果がある。
【００２６】
図４は、本発明の触媒が熱交換部材上に配置されるより好ましい様態を示すものであって、複数の矩形の屈曲箇所を有する板材からなる熱交換部材の１部を示す横断面図である。図４に示すように、本発明のイリジウムと複合酸化物を含む触媒は、熱交換部材１１の表面に稜線を跨って設けられた支持体１６に担持され、かつ相対する熱交換部材１１の触媒担持側の空間には、ガス透過材料１７が介在するのが好ましい。ここでガス透過材料１７は、スペーサーとして機能するものである。図４に示すような構成を採用することにより、支持体の使用によって流路のすきま間隔が均一に保たれるとともに触媒が担持された支持体が熱交換部材に密着して配置されるため、最も高い熱回収効果を得ることができる。また、構造的強度の弱い材料であっても熱交換部材として使用することができる等々の効果が得られる。このような支持体１６としては、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０等の各種ステンレス線材からなる金網が好適に使用でき、平織、綾織、朱子織等に織られた金網が例示される。また、アルミナ、ムライト、シリカ等の各種セラミック繊維を平織、綾織、朱子織等により織物にしたものも支持体１６として好適に使用可能である。また、ガス透過材料１７としては、上記の平織、綾織、朱子織等に織られた金網そのものが例示される。
【００２７】
本発明において、複合酸化物を上記支持体に担持させる方法としては、複合酸化物の液状前駆体を支持体に含浸させ、次いで、この液状前駆体を乾燥・焼成して複合酸化物とする方法が好ましい。この方法によれば、支持体上に複合酸化物を均一に担持させることができる。
【００２８】
より好ましくは、複合酸化物の液状前駆体を支持体に含浸させ、この液状前駆体をゲル化等させて流動性を失わせることにより、以降の乾燥・焼成での担持量の不均一化を防止する。具体的には、複合酸化物の前駆体としてのタングステン酸アンモニウム溶液とシリカゾルの混合液を支持体に含浸した後、この混合液をアンモニア蒸気に暴露してゲル化させ、しかる後に乾燥・焼成する方法が例示される。この方法により、複合酸化物前駆体の支持体からの分離や偏在が顕著に軽減され、焼成までの過程でタングステン成分とシリカ成分が良好に支持体に固定され、支持体上に複合酸化物を均一に担持することができる。
【００２９】
触媒成分のイリジウムは、このようにして形成された複合酸化物にＩｒ(ＮＨ３)６(ＯＨ)３、Ｈ２ＩｒＣｌ６・６Ｈ２Ｏ、Ｉｒ(ＮＯ３)３等の可溶性イリジウム化合物の溶液を含浸させた後、乾燥・焼成することにより担持することができる。
このようにして得られたIｒ／ＷＯ３-ＳｉＯ２触媒は、好ましくは、水素（Ｈ２）ガスが含まれる４００℃以上の雰囲気中で還元処理される。これにより、触媒活性をさらに高めることができる。
【００３０】
本発明の排ガス浄化装置には、必要に応じて、前記回り込み部１９に、供給ガスに燃料を吹き込むための燃料注入ノズル１８が設けられ、これにより、反応領域に流入する排ガスの発熱量が適宜調節される。かかる排ガスの発熱量は、エンジンにおける燃料の後噴射と組み合わされて、最適な燃料効率が達成されるように調節することができる。図５（A）,(B)は、この燃料注入ノズル１８の構造の一例を示すものであり、複数の小孔２０から燃料が吐出される構造のノズルを示す。図５（A）は、燃料注入ノズル１８の全体的な構造を示し、図５(B)は、燃料注入ノズル１８の小孔部分を拡大した図である。こうした燃料注入ノズルが、排ガス浄化装置のサイズや排ガス量等に応じて、適切な本数で配置されることができる。
【実施例】
【００３１】
−複合酸化物の組成の効果−
金属状態のＷ粉末１１ｇを入れた２Ｌビーカーに１５％Ｈ２Ｏ２を７０ｍＬ加えることにより、ＷとＨ２Ｏ２が激しく反応し、Ｗが酸化されるとともに溶解して、過酸化ポリタングステン酸溶液が得られた。次いで、この溶液に対して１／１０容積の濃ＮＨ３水を加えることにより、過酸化ポリタングステン酸アンモニウム溶液を得た。次いで、この溶液に、ＷＯ３とＳｉＯ２重量比が１：９となるように分量を調節してコロイダルシリカ（触媒化成、Catalloid S-20L）を混合した。その後、この混合溶液を９５℃で蒸発乾固させ、５００℃の空気中で４時間焼成した。得られたＷＯ３-ＳｉＯ２複合体に対して、Ｉｒの重量が０．５重量％になるように分量を調節したＩｒ(ＮＨ３)６(ＯＨ)３水溶液を含浸させ、１１０℃の空気中で１２時間乾燥後、５００℃の空気中で４時間焼成して、ＷＯ３とＳｉＯ２の重量比が１：９の複合酸化物に０．５重量％のイリジウムが担持されたIｒ／ＷＯ３-ＳｉＯ２を得た。
【００３２】
過酸化ポリタングステン酸アンモニウム溶液とコロイダルシリカの混合比を可変にした以外は同様にして、種々の組成の複合酸化物を調製し、また、ＷＯ３のみとＳｉＯ２のみの酸化物も併せて調製した。得られた種々の複合酸化物と酸化物に、同様にして、０．５重量％のイリジウムを担持し、乾燥・焼成して種々の触媒粉末を得た。
【００３３】
得られた各触媒粉末を粒径０．２５ｍｍ以下に粉砕し、それらの各０．１ｇを粒径０．３７〜０．６ｍｍに整粒した炭化珪素粒子と混合した後、内径８ｍｍの石英ガラス管に触媒床の高さが８ｍｍになるように充填した。各触媒は、それぞれの反応前に１０％Ｈ２／Ｈｅ気流中の６００℃で１時間の還元処理を施した。
【００３４】
次いで、１０００ｐｐｍＮＯ、５０００ｐｐｍＣＯ、１０％Ｏ２、１％Ｈ２Ｏを含むＨｅ希釈混合ガスを反応ガスとし、流量２２５ｍＬ／分で触媒床に流通し、その出口ガスを、ガスセルを設置したＦＴ−ＩＲ（ＮＯ、ＮＯ２分析）およびマイクロガスクロマトグラフ（ＣＯ、ＣＯ２、Ｎ２分析）で分析した。触媒活性の評価は、次式に示すＮＯｘ（＝ＮＯ＋ＮＯ２）転化率およびＮ２選択率により行った。
ＮＯｘ転化率＝［（ＮＯｘ入口濃度−ＮＯｘ出口濃度）／ＮＯｘ入口濃度］×１００（                ％）
Ｎ２選択率＝［Ｎ２出口濃度／（Ｎ２＋Ｎ２Ｏ出口濃度）］×１００（％）
【００３５】
図６、７は、これら触媒活性の評価結果をまとめて示す。図６は、ＷＯ３とＳｉＯ２の重量比が１：９の複合酸化物に０．５重量％のイリジウムが担持された触媒についてのＮ２選択率とＮOｘ転化率の温度依存性を、担体がＷＯ３とＳｉＯ２のみの触媒での結果と併せて示す。
図６に示された結果から、イリジウムの担体をＷＯ３とＳｉＯ２の複合酸化物にすることにより、Ｎ２選択率とＮOｘ転化率が顕著に向上し、それらの最適温度は約２６０℃といった割合に低い温度であることが分かる。
図７は、触媒温度が２６０℃における、ＷＯ３とＳｉＯ２の種々の重量比がＮ２選択率とＮＯｘ転化率に及ぼす効果を示す。図７に示された結果から、ＷＯ３の量が複合酸化物中で５〜３０重量％のときに良好な結果が得られることが分かる。
【００３６】
−支持体への複合酸化物の担持−
タングステン酸アンモニウム３３ｇに、１５％ＤＬ-リンゴ酸水溶液を７ｇ加え、タングステン酸アンモニウム溶液を得た。この溶液に２９ｇのシリカゾルを加え、流動性のある混合液を得た。この混合液を、セラミック繊維の織物であるムライトクロス（Ｐ−２６２６、三井鉱山マテリアル）に含浸させた後、垂直に吊して余剰の混合液を滴下させた。次いで、この含浸されたムライトクロスをデシケータに納め、併せて２００ｃｃのシャーレに入れた３０％アンモニア水溶液１００ｃｃをデシケータに納めることにより、室温で混合液をアンモニウム蒸気に暴露した。
【００３７】
この状態で１５時間放置したて後取り出したところ、混合液は流動性を失ったものと観察された。その後、１２０℃で蒸発乾固させ、５００℃の空気中で４時間焼成し、ムライトクロスに担持された状態の複合酸化物を得た。目視観察によると、複合酸化物は、ムライトクロスの全体に、顕著なムラを発生させることなく、実質的に均一に担持されていた。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の排ガス浄化装置の構成を例示する斜視図である。
【図２】本発明の排ガス浄化装置の別な態様の構成を例示する平面図である。
【図３】触媒成分が熱交換部材上に配置された状態を例示する斜視図である。
【図４】複合酸化物と触媒成分が熱交換部材に担持された状態を例示する横断面図である。
【図５】供給ガスに燃料を吹き込むための燃料注入ノズルを例示する図である。
【図６】触媒活性の温度依存性を示すグラフである。
【図７】触媒活性と複合酸化物組成の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１００  排ガス浄化装置
１１    熱交換部材
１２    触媒
１３    ガス入口
１４    ガス出口
１５    稜線
１６    支持体
１７    ガス透過材料
１８    注入ノズル
１９    回り込み部
２０    小孔
Ａ    供給ガス
Ｂ    排出ガス
【図１】
0004639381.tif 000002
【図２】
0004639381.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004639381.tif 000008