(57)【要約】【課題】担体基材に担持された触媒成分の組成や担持量が従来と同様であっても浄化効率を高めることができる新規な構成をもつ排ガス浄化用触媒を提供する。【解決手段】本発明の排ガス浄化用触媒は、隔壁１０で区画され所定の方向に貫通する複数のセル２を有する担体基材Ａと、隔壁１０の壁面１４に担持された触媒層３と、からなり、触媒層３は、壁面１４との間に所定の方向に貫通する空隙１３をもって担持されていることを特徴とする。  担体基材の壁面１４と触媒層３との間に、所定の方向に貫通する空隙１３をもつため、本発明の排ガス浄化用触媒を流れる排ガスは、触媒層３に取り囲まれた従来の流路３１だけでなく、空隙１３内にも流れ込む。その結果、排ガスと接触する触媒層３の表面積が増加し、浄化効率が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
隔壁で区画され所定の方向に貫通する複数のセルを有する担体基材と、該隔壁の壁面に担持された触媒層と、からなり、
前記触媒層は、前記壁面との間に前記所定の方向に貫通する空隙をもって担持されていることを特徴とする排ガス浄化用触媒。
【請求項２】
前記壁面は、前記隔壁に前記セルの内側に開口するとともに該セルの貫通する方向に延びる複数の溝が形成されてなる溝面を有し、
前記空隙は、前記触媒層と該溝面との間に位置する請求項１記載の排ガス浄化用触媒。
【請求項３】
前記溝は、隣接する前記壁面が交差してなる前記セルの角部に隣接する該壁面を跨ぐように形成される請求項２記載の排ガス浄化用触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の内燃機関から排出される排ガスを浄化する排ガス浄化用触媒に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関には、排出される排ガスを浄化するための排ガス浄化用触媒が搭載されている。たとえば、自動車などの排ガス中のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣを浄化する触媒として、三元触媒が広く用いられている。三元触媒は、多孔質酸化物担体基材に貴金属を担持してなるものであり、ＨＣおよびＣＯを酸化して浄化するとともに、ＮＯｘを還元して浄化する。そして、浄化効率を高めるために、貴金属の種類や担持量、担持位置、また、ＮＯｘ吸蔵材などと組み合わせて用いるなど、様々な形態の排ガス浄化用触媒が提案されている。
【０００３】
また、特許文献１では、ハニカム担体に施されるウォッシュコートの付着量を増大させてウォッシュコート層を厚く形成することにより、浄化性能を向上させている。具体的には、貫通孔の内壁に複数の凸部（７）を有するハニカム担体（１）に、スラリーを用いてウォッシュコート２を施す。凸部（７）により形成された角部（３）には、スラリーの表面張力によりウォッシュコート２が厚く形成される（特許文献１の図１参照）。
【特許文献１】特開平１１−３３３３０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
排ガス浄化用触媒では、排ガスは、触媒成分を含むウォッシュコート層の表層部で多く浄化される。そのため、単にウォッシュコート層を厚く形成しても、コート層の深部にまで排ガスが拡散されず、コート層全域を有効に活用できないという問題がある。そこで、本発明者は、従来の構成では排ガスと接触しなかった部分を活用することで、排ガスと触媒成分との接触領域を増加させて、浄化性能を向上させることに想到した。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑み、担体基材に担持された触媒成分の組成や担持量が従来と同様であっても浄化効率を高めることができる新規な構成をもつ排ガス浄化用触媒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】
【０００６】
本発明の排ガス浄化用触媒は、隔壁で区画され所定の方向に貫通する複数のセルを有する担体基材と、該隔壁の壁面に担持された触媒層と、からなり、前記触媒層は、前記壁面との間に前記所定の方向に貫通する空隙をもって担持されていることを特徴とする。
【０００７】
前記壁面は、前記隔壁に前記セルの内側に開口するとともに該セルの貫通する方向に延びる複数の溝が形成されてなる溝面を有し、前記空隙は、前記触媒層と該溝面との間に位置するのが好ましい。たとえば、前記溝は、隣接する前記壁面が交差してなる前記セルの角部に隣接する該壁面を跨ぐように形成されるとよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の排ガス浄化用触媒では、担体基材の壁面と触媒層との間に所定の方向に貫通する空隙をもつため、本発明の排ガス浄化用触媒に流れ込む排ガスは、触媒層に取り囲まれた従来の流路だけでなく、空隙にも流れ込む。その結果、排ガスと接触する触媒層の表面積が増加し、浄化効率が向上する。
【０００９】
また、担体基材の壁面に溝面を有し、触媒層と溝面との間に空隙が位置するのが好ましい。溝が形成される位置に特に限定はないが、たとえば、セルの角部に形成された溝であれば、スラリーの表面張力により触媒層が厚く形成されるセルの角部において、触媒層の表裏面が排ガスと効率よく接触するため、排ガスが触媒層の内部にまで効率よく拡散されるため、浄化効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の排ガス浄化用触媒をより詳細に説述するために、以下に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１１】
本発明の排ガス浄化用触媒は、主として、担体基材と、触媒層と、を有する。
【００１２】
担体基材は、隔壁で区画され所定の方向に貫通する複数のセルを有する、いわゆるハニカム状の構造体である。「所定の方向」とは、担体基材が円柱状や角柱状の柱状体であれば、担体基材の軸方向に相当し、通常、排ガスが流れる流路方向となる。図５は、一般的な排ガス浄化用触媒を模式的に示す図であって、担体基材Ａにおける「所定の方向」を矢印Ｘで示すことができる。
【００１３】
各セルの大きさや数に特に限定はなく、通常、排ガス浄化用触媒に用いられている仕様であれば、要求される性能に応じて適宜選択すればよい。たとえば、自動車用の排ガス浄化用触媒として用いるのであれば、セル密度が２００〜９００ｃｐｓｉの範囲にあるのが好ましく、隔壁の厚さが１〜６ミルであるのが好ましい。隔壁の厚さが上記範囲にあれば、強度と熱容量のバランスのとれた担体基材となる。
【００１４】
隔壁の材質は、セラミックス製または金属製が好ましい。担体基材がセラミックス製のセラミックス担体基材であれば、酸化物または非酸化物の各種セラミックスを用いることができる。具体的には、コージェライト、ムライト、アルミナ、スピネル、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア、リチウムアルミニウムシリケート、チタン酸アルミニウム、などが使用可能である。セラミックスを用いた担体基材は、軽量かつ高強度であり、耐熱性に優れる。また、担体基材が金属製のメタル担体基材であれば、耐熱性や耐食性に優れた、ステンレス鋼やＡｌ−Ｃｒ−Ｆｅ合金などの各種合金が使用可能である。金属製の担体基材は、熱伝導が良いため、メタル担体基材を用いた排ガス浄化用触媒は、低温特性に優れる。
【００１５】
セルの形状は、その断面（所定の方向に貫通するセルを所定の方向に対して垂直方向に切断したときの断面）の形状が三角形や四角形、六角形などの多角形であるものの他、平板と波板との積層体からなる担体基材であってもよい。
【００１６】
触媒層は、隔壁の壁面に担持される。この際、触媒層は、壁面の少なくとも一部と接触して担持されていればよい。触媒層の種類や担持量に特に限定はなく、目的に応じて適宜選択すればよい。触媒層の担持方法にも特に限定はなく、ウォッシュコート、ディップコート等、により触媒成分を含むスラリーをコート後、所定の温度で焼成を行う通常の各種担持方法を用いることができる。
【００１７】
本発明の排ガス浄化用触媒では、触媒層は、壁面との間にセルの貫通する方向（所定の方向）に貫通する空隙をもって担持されている。空隙は、所定の方向に貫通するため、排ガスの流路として活用できる。そのため、空隙は、セルの貫通する方向と平行に形成されるのが好ましい。そして、空隙は、排ガスの流路となって空隙で排ガスの浄化が行われるため、１つでも空隙が存在すれば浄化効率の向上効果が望めるが、複数の空隙が存在するのが好ましい。さらには、空隙を流れる排ガスと触媒層とが接触する面積が大きくなるように空隙を形成するとよい。ただし、空隙が多すぎたり、空隙を流れる排ガスと触媒層とが接触する面積が大きすぎたりすると、触媒層が担体基材に良好に保持されないことがある。そのため、１つのセルにおいて、「触媒層と接触する壁面の面積」：「触媒層と接触しない壁面の面積（担体基材の隔壁に後述の溝が形成されている場合には、溝の開口面積）」＝９：１〜５：５であるのが好ましい。
【００１８】
担体基材の壁面との間に空隙をもって触媒層を担持する方法としては、たとえば、所定の温度で焼失する焼失材を用いることにより空隙を容易に形成できる。具体的には、はじめに、担体基材の壁面のうち空隙を形成したい部分に、後の焼成工程での焼成温度以下で焼失する焼失材を配置する。焼失材を配置したままの担体基材に、スラリーをコートして焼成することで、焼失材は焼失するため、焼失材と同じ形状の空隙をもつ排ガス浄化用触媒を作製できる。焼失材としては、焼成温度以下で焼失する材料からなれば特に限定はない。したがって、樹脂のほか紙や木材であってもよく、その材質は問わない。
【００１９】
また、担体基材のセルの内側に開口する溝を隔壁に形成することにより、溝の内部空間を空隙とすることができる。すなわち、担体基材において、セルを区画する隔壁には、溝が形成されているのが好ましい。具体的には、隔壁に溝を形成することにより、セルの壁面としての溝面が形成され、この溝面との間に空隙をもって触媒層を担持させれば、溝の内部空間を空隙として利用できる。そして、セルの貫通する方向に延びる溝とすることで、空隙（溝の内部空間）を排ガスの流路として活用できる。
【００２０】
溝の形成位置に特に限定はなく、たとえば、複数本の溝をセルの平坦な面に形成（一例を図１に示す）する他、セルの断面形状が多角形であれば、隣接する壁面が交差してなるセルの角部に、隣接する壁面を跨ぐように形成（一例を図２に示す）してもよい。また、溝の断面形状にも特に限定はなく、断面コ字形状（図１参照）、半円形状、また、溝底部の断面をＶ字形状（図２ではＬ字形状）やＵ字形状とするのがよい。
【００２１】
ただし、壁面に溝を形成することで、溝の形成位置や寸法によっては、担体基材の強度が低下することがある。そのため、セルが貫通する所定の方向に対して垂直方向に切断したときの断面において、「担体基材の隔壁の断面積」：「担体基材に形成された溝の断面積」＝９：１〜５：５の範囲とすれば、担体基材の強度が大きく低下することがない。
【００２２】
隔壁に溝をもつ担体基材を形成する際には、担体基材がセラミックス担体基材であれば、所望の担体基材の断面形状に応じた金型を用いた押出成形など、従来の方法により製造可能である。すなわち、金型の形状を変更するのみで、隔壁に所望の溝を形成することができる。
【００２３】
担体基材の隔壁に溝がある場合に、担体基材の溝面との間に空隙をもって触媒層を担持する方法としては、前述の焼失材を用いることにより溝内に空隙を容易に形成できる。焼失材は、溝内に埋めればよく、焼成により焼失材が焼失した後には、触媒層と溝面との間（溝の内部空間）に空隙が形成される。
【００２４】
触媒層は、排ガスに含まれるＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ、Ｈ2 Ｓなどの各エミッション成分を浄化できればよい。したがって、アルミナ、セリア、ジルコニア、セリア−ジルコニア固溶体などの多孔質酸化物にＰｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）などの貴金属を担持した三元触媒や、アルカリ金属やアルカリ土類金属を含む複合酸化物を用いたＮＯｘ吸蔵触媒など、通常、排ガスを浄化する触媒として用いられている触媒成分を含む触媒層であればよい。
【００２５】
なお、本発明の排ガス浄化用触媒は、上記の実施の形態に限定されるものではない。たとえば、本発明の排ガス浄化用触媒の効果を損なわない程度であれば、他の機能を追加するために必要に応じて別の物質を添加してもよい。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明の排ガス浄化用触媒の実施例を、図１〜図５を用いて比較例とともに具体的に説明する。
【００２７】
［実施例１］
所定の形状を有する押出成形用金型を用い、成形体を得た。得られた成形体を乾燥後、所望の長さに切断し、図５に記載の担体基材と同様な全体形状をもつ担体基材を作製した。この担体基材を「担体基材Ａ−１」とする。担体基材Ａ−１は、直径１０３ｍｍ、長さ１０５ｍｍ、セル密度６００ｃｐｓｉ、隔壁の厚さ３ミル（最大厚さ）であった。担体基材Ａ−１を軸方向（図５の矢印Ｘ方向）に対して垂直に切断した断面の一部を図１に示す。担体基材Ａ−１は、隔壁１０で区画され軸方向に貫通する断面略正方形の複数のセル２を有する。セル２は、格子状に交差する隔壁１０により区画されている。隔壁１０は、各セル２の内側に開口する断面コ字形状の複数の溝１３をもつ。すなわち、各セル２の内面を構成する壁面１４には触媒層３が担持されるが、壁面１４は、触媒層３を直接担持する担持面１２の他、溝１３の溝面１１を含む。溝１３は、各セル２を区画する隔壁１０の４つの内面（壁面１４）に形成され、１つの面に対して４つの溝１３が形成されている。４つの溝１３は、互いに平行で、担体基材Ａ−１の一端面Ｅから他端面Ｅ’（図５参照）へと直線的に延びて貫通する。なお、「担体基材の隔壁１０の断面積」：「担体基材に形成された溝１３の断面積」＝８：２であった。
【００２８】
次いで、担体基材Ａ−１の溝１３の内部空間に、壁面１４の担持面１２と面一となるように、樹脂を埋め込んだ。全ての溝１３に樹脂を埋め込んだ状態で、担体基材Ａ−１に触媒層３を以下の手順で形成し、実施例１の排ガス浄化用触媒を作製した。
【００２９】
ＣｅＯ2 −ＺｒＯ2 粉末と蒸留水を混合・攪拌し、所定量の硝酸白金溶液と硝酸ロジウム溶液とを投入した。得られた混合液を蒸留・乾固し、５００℃で２時間焼成して、白金とロジウムを担持したＣｅＯ2 −ＺｒＯ2 粉末を得た。次に、得られたＰｔ−Ｒｈ／ＣｅＯ2 −ＺｒＯ2 粉末とアルミナゾルを所定量混合し、触媒スラリーＳを調製した。
【００３０】
得られた触媒スラリーＳを、樹脂を埋め込んだ担体基材Ａ−１に流し込んで吸引してコート層を形成した。その後、５５０℃で２時間焼成した。５５０℃で焼成することにより、あらかじめ溝１３に埋め込まれた樹脂は焼失し、壁面１４には、樹脂が焼失した部分に空隙１３をもって触媒層３が担持された。
【００３１】
なお、実施例１の排ガス浄化用触媒は、貴金属の担持量が、触媒１Ｌ当たり貴金属換算重量で、Ｐｔが１．５ｇ、Ｒｈが０．４ｇであった。また、「触媒層の担持面１２の面積」：「溝１３の開口面積）」＝８：２であった。
【００３２】
［実施例２］
担体基材として担体基材Ａ−２を用いた他は実施例１と同様にして、実施例２の排ガス浄化用触媒を作製した。以下に担体基材Ａ−２の形状を説明する。
【００３３】
担体基材Ａ−２は、直径１０３ｍｍ、長さ１０５ｍｍ、セル密度６００ｃｐｓｉ、隔壁の厚さ３ミル（最大厚さ）であった。担体基材Ａ−２を軸方向（図５の矢印Ｘ方向）に対して垂直に切断した断面の一部を図２に示す。担体基材Ａ−２は、溝１３’は、隣接する壁面１４が交差してなるセルの角部に、隣接する壁面１４を跨ぐように位置する他は、担体基材Ａ−１と同様である。なお、「担体基材の隔壁１０の断面積」：「担体基材に形成された溝１３’の断面積」＝９：１であった。
【００３４】
担体基材Ａ−２に対し、触媒スラリーＳを用い、実施例１と同様の手順で触媒層３を形成すると、壁面１４には、樹脂が焼失した部分に断面Ｌ字形状の空隙１３’をもって触媒層３が担持された。なお、「触媒層の担持面１２の面積」：「溝１３’の開口面積」＝９：１であった。
【００３５】
［比較例１］
担体基材として担体基材Ａ−３を用いた他は実施例１と同様にして、比較例１の排ガス浄化用触媒を作製した。以下に担体基材Ａ−３の形状を説明する。
【００３６】
担体基材Ａ−３は、断面が正方形の複数のセル２を有し、直径１０３ｍｍ、長さ１０５ｍｍ、セル密度６００ｃｐｓｉ、隔壁の厚さ３ミルであった。担体基材Ａ−３を軸方向（図５の矢印Ｘ方向）に対して垂直に切断した断面の一部を図３に示す。担体基材Ａ−３は、溝をもたない他は、担体基材Ａ−１と同様である。すなわち、触媒層３は、壁面１４全体に担持され、空隙は形成されなかった。
【００３７】
［触媒性能評価］
直列４気筒の２．５Ｌガソリンエンジンを搭載した車両の床下触媒として、実施例１、２および比較例１の各排ガス浄化用触媒をそれぞれ搭載し、理論空燃比で燃焼制御し、ガス空間速度を１０００００／Hrとし、２００℃から４５０℃まで１０℃／分の速度で昇温しながら、その間のＨＣ成分、ＣＯ成分、ＮＯｘ成分の浄化率を測定した。その結果から、各成分を５０％浄化できる温度を算出した。算出された温度を「５０％浄化温度」として、図４に示す。
【００３８】
触媒層が、壁面１２との間に空隙１３をもって担持されている実施例１および実施例２の排ガス浄化用触媒では、触媒層３に取り囲まれた従来の流路（３１）だけでなく、空隙１３にも排ガスが流れ込む。そのため、排ガスと接触する触媒層３の表面積が増加し、また、空隙１３でも排ガスの浄化が行われるため、比較例１の排ガス浄化用触媒に比べて浄化効率が向上した。
【００３９】
実施例１の排ガス浄化用触媒は、実施例２の排ガス浄化用触媒に比べて触媒層と排ガスとの接触面積や空隙の総断面積が大きいため、特に優れた浄化性能を示した。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施例１の排ガス浄化用触媒の径方向（セルの貫通する方向に対して垂直方向）断面図であって、複数のセルのうちの１つを模式的に示した拡大図である。
【図２】実施例２の排ガス浄化用触媒の径方向断面図であって、複数のセルのうちの１つを模式的に示した拡大図である。
【図３】比較例１の排ガス浄化用触媒の径方向断面図であって、複数のセルのうちの１つを模式的に示した拡大図である。
【図４】実施例１，２および比較例１の排ガス浄化用触媒について、各排ガス成分の５０％浄化温度を示すグラフである。
【図５】一般的な排ガス浄化用触媒の一例を模式的に示す図であって、排ガス浄化用触媒の全体図である。
【符号の説明】
【００４１】
Ａ：担体基材
２：セル
３：触媒層
１０：隔壁
１１：壁面（溝面）
１２：壁面（保持面）
１３：空隙（溝）
１４：壁面
【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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