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JP7130622B2 - 排ガス浄化用触媒 - Google Patents

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Description

本発明は、排ガス浄化用触媒に関する。詳しくは、ウォールフロー型の排ガス浄化用触媒に関する。
なお、本出願は、２０１７年３月２７日に出願された日本国特許出願特願２０１７－０６１４２２号に基づく優先権を主張しており、その出願の全内容は本明細書中に参照として組み入れられている。
自動車エンジンなどの内燃機関から排出される排ガスには、粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）や、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）などの有害成分が含まれる。これらＰＭや有害成分を排ガス中から効率よく捕集・除去するために、従来から排ガス浄化用触媒が利用されている。
これに関連する従来技術文献として、特許文献１が挙げられる。特許文献１には、排ガス流入側の端部のみが開口した入側セルと、排ガス流出側の端部のみが開口した出側セルとが、多孔質な隔壁によって仕切られているウォールフロー構造の基材と、隔壁の内部であって入側セルと接する領域に設けられている第１触媒層と、隔壁の内部であって出側セルと接する領域に設けられている第２触媒層と、を備えたウォールフロー型の排ガス浄化用触媒が開示されている。
ウォールフロー型の排ガス浄化用触媒では、排ガスが隔壁を通過する間に、隔壁の表面あるいは隔壁の内部の細孔にＰＭが捕集される。また、排ガスが触媒層を通過する間に、有害成分が浄化される。特許文献１の排ガス浄化用触媒では、入側セルに接する隔壁の内部と出側セルに接する隔壁の内部とにそれぞれ触媒層を設けることで、圧損の低減と有害成分の浄化性能の向上とを実現している。
国際公開２０１６／１３３０８６号
しかしながら、本発明者らの検討によれば、ＰＭ捕集性能を向上する観点からは、上記排ガス浄化用触媒の構成に改善の余地が認められた。すなわち、上記排ガス浄化用触媒では、第１触媒層の設けられた隔壁部分でガス透過性が低くなる。そのため、入側セルに流入した排ガスが当該隔壁部分を流れ難くなる。言い換えれば、入側セルに流入した排ガスは、第１触媒層の設けられていない隔壁部分、すなわち、出側セルの開口に近い隔壁内部を優先的に流れるようになる。その結果、上記排ガス浄化用触媒では、入側セルの開口に近い隔壁部分において、隔壁の内部の細孔がＰＭの捕集に十分活用されていなかった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ウォールフロー型の排ガス浄化用触媒であって、ＰＭ捕集性能の優れた排ガス浄化用触媒を提供することにある。
本発明により、内燃機関の排気経路に配置され、該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が提供される。この排ガス浄化用触媒は、排ガス流入側の端部が開口し、排ガス流出側の端部が閉じられた入側セルと、排ガス流出側の端部が開口し、排ガス流入側の端部が閉じられた出側セルとが、多孔質な隔壁によって仕切られているウォールフロー構造の基材と、上記出側セルに接し、かつ、上記入側セルに接しないように上記隔壁の内部に配置され、金属触媒を含む第１触媒層と、を備え、上記入側セルと接する領域に触媒層を有しない。
上記排ガス浄化用触媒は、入側セルと接する領域、すなわち、入側セルと接する隔壁の表面や内部に、触媒層を有しない。このことにより、隔壁の延伸方向に対して排ガスの流入量の偏りを低減することができる。したがって、例えば入側セルの開口に近い部分の隔壁においても、隔壁の内部の細孔を有効に活用することができ、優れたＰＭ捕集性能を実現することができる。
好ましい一態様では、上記第１触媒層は、上記隔壁の延伸方向に沿って上記隔壁の全長と同じ長さで配置されている。このことにより、隔壁の延伸方向に対して排ガスがより均質に流入するようになり、上述した効果をより良く発揮することができる。
好ましい一態様では、上記出側セルに接する上記隔壁の表面に配置され、金属触媒を含む第２触媒層をさらに備える。このことにより、隔壁を吹き抜けた未浄化のＰＭや有害成分を効果的に捕集・除去することができる。したがって、ＰＭ捕集性能および排ガス浄化性能のうちの少なくとも一方をより良く向上することができる。
好ましい一態様では、上記第２触媒層は、上記隔壁の延伸方向の全長を１００％としたときに、上記排ガス流出側の端部から上記隔壁の延伸方向に沿って、上記隔壁の全長の４５％以上６０％以下の長さで配置されている。このような長さの範囲内であると、排ガス浄化性能をより良く向上することができる。したがって、ＰＭ捕集性能と排ガス浄化性能とをより高いレベルで両立することができる。
好ましい一態様では、上記内燃機関が、ガソリンエンジンである。ガソリンエンジンでは、例えばディーゼルエンジンと比べて排ガスの温度が高い。そのため、排出されるＰＭの粒径が相対的に小さく、排ガス浄化用触媒の隔壁表面よりも隔壁内部でＰＭが捕集され易い傾向にある。したがって、内燃機関がガソリンエンジンである場合、上述した効果がより効果的に発揮される。
図１は、一実施形態に係る排ガス浄化装置とその周辺の構造を示す模式図である。 図２は、一実施形態に係る排ガス浄化用触媒を模式的に示す斜視図である。 図３は、一実施形態に係る排ガス浄化用触媒を模式的に示す部分断面図である。 図４は、比較例１と例１のＰＭ排出割合を比較したグラフである。 図５は、第２触媒層のコート長さと触媒性能との関係を示すグラフである。
以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化することがある。各図における寸法関係（長さ、幅、厚みなど）は、実際の寸法関係を必ずしも反映するものではない。なお、本明細書において数値範囲をＡ～Ｂ（ここでＡ，Ｂは任意の数値）と記載している場合は、Ａ以上Ｂ以下を意味するものである。
図１は、排ガス浄化装置１とその周辺の構造を示す模式図である。排ガス浄化装置１は、内燃機関（エンジン）２の排気系に設けられている。内燃機関２には、酸素と燃料ガスとを含む混合気が供給される。内燃機関２は、この混合気を燃焼させ、燃焼エネルギーを力学的エネルギーへと変換する。このとき、燃焼された混合気は排ガスとなって排気系に排出される。本実施形態の内燃機関２は、自動車のガソリンエンジンを主体として構成されている。ただし、内燃機関２は、ガソリンエンジン以外のエンジン（例えばディーゼルエンジンなど）であってもよい。
排ガス浄化装置１は、内燃機関２から排出される排ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するとともに、排ガスに含まれる有害成分、例えば、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する。排ガス浄化装置１は、内燃機関２と排気系とを連通する排気経路と、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）５と、上流側触媒９と、ガソリンパティキュレートフィルタ（ＧＰＦ）１０と、を備えている。
本実施形態の排気経路はエキゾーストマニホールド３と排気管４とで構成されている。すなわち、内燃機関２の排気系と連通する排気ポート（図示せず）には、エキゾーストマニホールド３の一端が接続されている。エキゾーストマニホールド３の他端は、排気管４に接続されている。なお、図中の矢印は、排ガスの流通方向を示している。
排気管４の途中には、上流側触媒９とＧＰＦ１０とが配置されている。なお、ＧＰＦ１０は、ここに開示される排ガス浄化用触媒の一例である。上流側触媒９の構成については従来と同様でよく、特に限定されない。上流側触媒９は、例えば、担体と、該担体に担持された貴金属、例えば、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）などを備えていてもよい。上流側触媒９は、例えば、従来公知の酸化触媒（ＤＯＣ）、３元触媒、ＮＯｘ吸着還元触媒（ＬＮＴ）などであってもよい。上流側触媒９は、例えば、ＧＰＦ１０の再生時に、ＧＰＦ１０に流入する排ガスの温度を上昇させる機能を有していてもよい。なお、上流側触媒９は必ずしも必要ではなく、省略することもできる。また、ＧＰＦ１０の下流側には、下流側触媒を配置することもできる。
ＥＣＵ５は、排ガス浄化装置１と内燃機関２とを制御する。ＥＣＵ５の構成については従来と同様でよく、特に限定されない。ＥＣＵ５は、例えば、デジタルコンピュータである。ＥＣＵ５には、入力ポート（図示せず）が設けられている。ＥＣＵ５は、排ガス浄化装置１や内燃機関２の各部位に設置されているセンサ（例えば圧力センサ８）と電気的に接続されている。これにより、各々のセンサで検知した情報が、上記入力ポートを介して、電気信号としてＥＣＵ５に伝達される。また、ＥＣＵ５には、出力ポート（図示せず）が設けられている。ＥＣＵ５は、出力ポートを介して制御信号を送信する。ＥＣＵ５は、例えば内燃機関２から排出される排ガスの量などに応じて、排ガス浄化装置１の起動と停止とを制御するように構成されている。
図２は、ＧＰＦ１０の斜視図である。図３は、ＧＰＦ１０を筒軸方向に切断した断面の一部を拡大した部分断面図である。なお、図２，３では、排ガスの流動方向を矢印方向で描いている。すなわち、図２，３の左側が排気管４の上流側であり、右側が排気管４の下流側である。ＧＰＦ１０は、排ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集したり、排ガスに含まれる有害成分を浄化したりする機能を有する。ＧＰＦ１０は、ウォールフロー構造の基材１１と、第１触媒層２０と、第２触媒層３０と、を備えている。
基材１１は、ＧＰＦ１０の骨組みを構成するものである。基材１１としては、従来この種の用途に用いられている種々の素材及び形態のものを適宜採用することができる。例えば、コージェライト、チタン酸アルミニウム、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのセラミックや、ステンレス鋼などの合金に代表されるような高耐熱性の素材からなるものを好適に採用することができる。本実施形態では、基材１１の全体外形が円筒形である。ただし、基材１１の全体外形は特に限定されず、例えば、楕円筒形、多角筒形などとすることもできる。
基材１１は、入側セル１２と、出側セル１４と、入側セル１２と出側セル１４とを仕切る隔壁１６と、を有している。入側セル１２は、排ガス流入側の端部が開口している。入側セル１２の排ガス流出側の端部には、封止部１２ａが配置されている。これにより、入側セル１２は、排ガス流出側の端部が目封じされている。出側セル１４は、排ガス流出側の端部が開口している。出側セル１４の排ガス流入側の端部には、封止部１４ａが配置されている。これにより、出側セル１４は、排ガス流入側の端部が目封じされている。入側セル１２および出側セル１４の形状は特に限定されない。入側セル１２および出側セル１４は、例えば、正方形、平行四辺形、長方形、台形などの矩形状、三角形状、その他の多角形状（例えば、六角形、八角形）、円形など種々の幾何学形状とすることができる。
隔壁１６は、入側セル１２と出側セル１４とを仕切っている。隔壁１６は、排ガスが通過可能な多孔質構造を有する。隔壁１６の気孔率は特に限定されないが、ＰＭ捕集性能の向上や圧損を低減する観点などから、概ね２０～７０体積％、例えば５０～６０体積％であるとよい。隔壁１６の平均細孔径は特に限定されないが、ＰＭ捕集性能の向上や圧損を低減する観点などから、概ね５～３０μｍ、例えば１０～２０μｍであるとよい。隔壁１６の厚み、すなわち隔壁１６の延伸方向に直交する方向の長さＴｗは特に限定されないが、ＰＭ捕集性能の向上や圧損を低減する観点などから、概ね１～３０ミル（１ミルは約２５．４μｍ）程度であるとよい。
第１触媒層２０は、出側セル１４に接する隔壁１６の内部に配置されている。第１触媒層２０は、金属触媒を含んでいる。金属触媒は、典型的には担体に担持されている。
第１触媒層２０の担体としては、従来この種の用途に用いられている種々の材質のものを適宜採用することができる。例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、セリア（ＣｅＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、シリカ（ＳｉＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）などの金属酸化物や、これらの固溶体（例えば、ジルコニア－セリア複合酸化物（ＺＣ複合酸化物；ＺｒＯ２－ＣｅＯ２））からなるものを好適に採用することができる。なかでも、アルミナやＺＣ複合酸化物からなるものが好ましい。
第１触媒層２０の金属触媒は、例えば、第１触媒層２０に捕集されたＰＭを燃焼・除去したり、排ガス中の有害成分を浄化（無害化）したりするための反応触媒である。金属触媒を、出側セル１４と接する隔壁１６の内部に配置することで、ＧＰＦ１０の隔壁１６全体で優れた触媒活性を発現させることができる。そのため、排ガス中の有害成分を効率的に浄化することができる。
第１触媒層２０の金属触媒としては、種々の酸化触媒や還元触媒として機能し得る金属種を適宜採用することができる。例えば、白金族であるロジウム、パラジウム、白金などの貴金属を好適に採用することができる。あるいは、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などであってもよい。好適な一態様では、第１触媒層２０に、酸化活性の高い触媒金属、例えば、パラジウムおよび白金のうちの少なくとも一方を含む。このことにより、排ガス中のＨＣやＣＯをとりわけ良好に浄化することができる。また、他の好適な一態様では、第１触媒層２０に、還元活性の高いロジウムを含む。このことにより、排ガス中のＮＯｘをとりわけ良好に浄化することができる。
第１触媒層２０には、金属触媒や該金属触媒が担持されている担体の他に、適宜に任意成分を含んでもよい。かかる任意成分としては、例えば、金属触媒が担持されていない助触媒、酸素吸蔵能を有するＯＳＣ（oxygen storage capacity）材、ＮＯｘ吸蔵能を有するＮＯｘ吸着剤、安定化剤などが挙げられる。助触媒としては、例えば、アルミナやシリカが挙げられる。安定化剤としては、例えば、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）などの希土類元素、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）などのアルカリ土類元素、その他遷移金属元素などが挙げられる。なかでも、バリウムを含むことが好ましい。第１触媒層２０に安定化剤を含むことにより、金属触媒の被毒が抑えられ、触媒活性を好適に向上することができる。また、金属触媒の分散性が高められ、金属触媒の粒成長に伴うシンタリングを抑制することができる。
第１触媒層２０のコート量は特に限定されないが、隔壁１６の細孔を有効に活用して、ＰＭ捕集性能をより良く向上する観点からは、基材の体積（セルの容積を含めた全体の嵩容積）１Ｌ当たりについて、概ね１００ｇ／Ｌ以下、好ましくは８０ｇ／Ｌ以下、例えば５０ｇ／Ｌ以下であるとよい。一方、ＰＭの燃焼反応性や排ガス浄化性能をより良く向上する観点からは、基材の体積１Ｌ当たりについて、概ね５ｇ／Ｌ以上、好ましくは１０ｇ／Ｌ以上、例えば２０ｇ／Ｌ以上であるとよい。
第１触媒層２０は、典型的には排ガス流出側の端部から隔壁１６の延伸方向に沿って配置される。第１触媒層２０の延伸方向の長さＬ１は特に限定されないが、隔壁１６の延伸方向の全長をＬｗとしたときに、概ね０．５Ｌｗ以上、好ましくは０．８Ｌｗ以上、より好ましくは０．９Ｌｗ以上であるとよい。言い換えれば、隔壁１６の全長Ｌｗの概ね５０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上であるとよい。特には、Ｌ１≒Ｌｗ、すなわち、隔壁１６の延伸方向に沿って第１触媒層２０が隔壁１６の全長Ｌｗと同じ長さで配置されているとよい。このことにより、隔壁１６の延伸方向に対する排ガスの流量を、より良く均質化することができる。したがって、隔壁１６の細孔を一層効率的に活用して、ＰＭ捕集性能をより良く向上することができる。
本実施形態において、第１触媒層２０は、出側セル１４に接し、かつ、入側セル１２に接しないように配置される。言い換えれば、第１触媒層２０の厚み（すなわち、出側セル１４に接する隔壁１６の表面から入側セル１２に向かう方向の長さ）Ｔ１は、隔壁１６の全体の厚みＴｗよりも短い。つまり、Ｔ１とＴｗとは、Ｔ１＜Ｔｗを満たしている。第１触媒層２０の厚みＴ１は、隔壁１６の厚みをＴｗとしたときに、概ね０．９Ｔｗ以下、典型的には０．８Ｔｗ以下、例えば０．６Ｔｗ以下であるとよい。また、第１触媒層２０の厚みＴ１は、概ね０．２Ｔｗ以上、典型的には０．３Ｔｗ以上、例えば０．４Ｔｗ以上であるとよい。このことにより、ＰＭと金属触媒との接触性を高めて、ＰＭの燃焼反応性（再生率）をより良く向上することができる。また、排ガス中の有害成分と金属触媒との接触性を高めて、排ガス浄化性能をより良く向上することができる。
なお、本明細書において、「触媒層が隔壁の内部に配置されている」とは、触媒層が、主として隔壁の内部に存在することをいう。言い換えれば、触媒層が隔壁の内部側に偏って存在する（偏在する）ことをいう。より具体的には、例えば、第１触媒層２０の断面を電子顕微鏡で観察したときに、排ガス流出側の端部から隔壁１６の延伸方向に沿って０．１Ｌｗの長さの範囲における金属触媒の全量を１００質量％とする。このとき、隔壁１６の内部に存在する金属触媒の割合が、典型的には８０質量％以上、例えば９０質量％以上、好ましくは９５質量％以上であることをいう。したがって、例えば隔壁１６の外部（典型的には表面）に触媒層を配置しようとした結果、当該触媒層の一部が非意図的に隔壁１６の内部へ侵食するような場合とは明確に区別されるものである。
第２触媒層３０は、出側セル１４に接する隔壁１６の表面に配置されている。第２触媒層３０は、第１触媒層２０の出側セル１４の側の表面の一部または全部を覆っている。言い換えれば、第２触媒層３０は、第１触媒層２０の上に積層されている。すなわち、隔壁１６の延伸方向の一部において、第１触媒層２０と第２触媒層３０とが２層構造になっている。第２触媒層３０は、金属触媒を含んでいる。金属触媒は、典型的には担体に担持されている。なお、第２触媒層３０の担体としては、例えば、第１触媒層２０の担体として例示したものの中から適宜採用することができる。また、第２触媒層３０には、金属触媒や該金属触媒が担持されている担体の他に、第１触媒層２０と同様、適宜に任意成分を含んでもよい。
第２触媒層３０の金属触媒は、第２触媒層３０に捕集されたＰＭを燃焼・除去したり、排ガス中の有害成分を浄化（無害化）したりするための反応触媒である。金属触媒を出側セル１４と接する隔壁１６の表面に配置することで、たとえＰＭや未浄化の有害成分が隔壁１６を吹き抜けたとしても、これらを有効に捕集したり浄化したりすることができる。
第２触媒層３０の金属触媒としては、例えば、第１触媒層２０の金属触媒として例示した金属種の中から適宜採用することができる。第２触媒層３０の金属触媒は、第１触媒層２０の金属触媒と同じ金属種であってもよく、異なる金属種であってもよい。金属触媒のシンタリングを抑制してＧＰＦ１０の耐久性を高める観点からは、第１触媒層２０と第２触媒層３０とに異なる金属種を分離して担持してもよい。好適な一態様では、第２触媒層３０に、還元活性の高いロジウムを含む。このことにより、排ガス中のＮＯｘをとりわけ良好に浄化することができる。また、他の好適な一態様では、第２触媒層３０に、酸化活性の高い触媒金属、例えば、パラジウムおよび白金のうちの少なくとも一方を含む。このことにより、排ガス中のＨＣやＣＯをとりわけ良好に浄化することができる。
第２触媒層３０のコート量は特に限定されないが、圧損を低減する観点からは、第１触媒層２０のコート量よりも少ないことが好ましい。具体的には、基材の体積１Ｌ当たりについて、概ね８０ｇ／Ｌ以下、好ましくは５０ｇ／Ｌ以下、例えば３０ｇ／Ｌ以下であるとよい。一方、排ガス浄化性能をより良く向上する観点からは、基材の体積１Ｌ当たりについて、概ね５ｇ／Ｌ以上、好ましくは１０ｇ／Ｌ以上、例えば１５ｇ／Ｌ以上であるとよい。このことにより、圧損の低減と浄化性能の向上とを高いレベルでバランスすることができる。
第２触媒層３０は、第１触媒層２０と同様に、典型的には排ガス流出側の端部から隔壁１６の延伸方向に沿って配置される。第２触媒層３０の延伸方向の長さＬ２は特に限定されない。好適な一態様では、隔壁１６の延伸方向に対する排ガス流量を均質化して、ＰＭ捕集性能をより良く向上する観点から、第２触媒層３０の延伸方向の長さＬ２が、隔壁１６の延伸方向の全長をＬｗとしたときに、概ね０．６Ｌｗ以上、好ましくは０．８Ｌｗ以上、より好ましくは０．９Ｌｗ以上であるとよい。言い換えれば、隔壁１６の全長Ｌｗの概ね６０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上であるとよい。例えば、Ｌ２≒Ｌｗ、すなわち、第２触媒層３０が隔壁１６の延伸方向に沿って隔壁１６の全長Ｌｗと同じ長さで配置されていてもよい。
他の好適な一態様では、排ガス浄化性能をより良く向上する観点から、第２触媒層３０の延伸方向の長さＬ２が、隔壁１６の延伸方向の全長をＬｗとしたときに、概ね０．３Ｌｗ～０．８Ｌｗ、好ましくは０．３Ｌｗ～０．６Ｌｗ、より好ましくは０．４５Ｌｗ～０．６Ｌｗであるとよい。言い換えれば、隔壁１６の全長Ｌｗの概ね３０～８０％、好ましくは３０～６０％、より好ましくは４５～６０％であるとよい。
第２触媒層３０は、出側セル１４の表面に配置される。第２触媒層３０の厚みＴ２は、第１触媒層２０の厚みＴ１と同じであってもよく、異なっていてもよい。圧損をより良く低減する観点からは、第２触媒層３０の厚みＴ２が、第１触媒層２０の厚みＴ１よりも小さいことが好ましい。具体的には、第２触媒層３０の厚みＴ２は、隔壁１６の厚みをＴｗとしたときに、概ね０．８Ｔｗ以下、典型的には０．６Ｔｗ以下、例えば０．５Ｔｗ以下であるとよい。また、第２触媒層３０の厚みＴ２は、概ね０．１Ｔｗ以上、典型的には０．２Ｔｗ以上、例えば０．３Ｔｗ以上であるとよい。このことにより、圧損の低減と、触媒性能（すなわちＰＭ捕集性能や排ガス浄化性能）とを、より良くバランスすることができる。
ＧＰＦ１０では、第１触媒層２０および第２触媒層３０のうちの少なくとも一方が、隔壁１６の全長Ｌｗと同じ長さで配置されているとよい。このことにより、排ガス中からＰＭや有害成分を、より高い確率で取り除くことができる。言い換えれば、排ガスが触媒層の配置されていない部分をすり抜けて未浄化のまま排出されることをより良く抑制することができる。
ＧＰＦ１０では、隔壁１６の全長Ｌｗと、第１触媒層２０の長さＬ１と、第２触媒層３０の長さＬ２とが、次式：Ｌｗ＜（Ｌ１＋Ｌ２）≦２Ｌｗ；を満たしているとよい。言い換えれば、隔壁１６の延伸方向において、第１触媒層２０と第２触媒層３０とが相互に重なり合っているとよい。このことにより、ＰＭ捕集性能と排ガス浄化性能とをより高いレベルで兼ね備えることができる。第１触媒層２０と第２触媒層３０とが延伸方向に重なり合う長さは特に限定されないが、隔壁１６の全長Ｌｗの概ね５０％以上、好ましくは８０％以上、例えば９０％以上であるとよい。
本実施形態のＧＰＦ１０は、入側セル１２と接する領域に、触媒層を有しない。言い換えれば、ＧＰＦ１０は、入側セル１２と接する隔壁１６の表面や入側セル１２と接する隔壁１６の内部に、触媒層を有しない。ＧＰＦ１０は、入側セル１２と接する領域に実質的に金属触媒を有しない。このことにより、隔壁１６の延伸方向において、排ガスの流量を均一化することができる。
なお、本明細書において「入側セル１２と接する領域に触媒層を有しない」とは、入側セル１２と接する領域に積極的に触媒層を形成しないことをいう。言い換えれば、入側セル１２と接する領域に積極的に金属触媒を配置しないことをいう。例えば、ＧＰＦ１０の触媒層（例えば第１触媒層２０および第２触媒層３０）の全体を１００質量％としたときに、概ね９５質量％以上、例えば９８質量％以上、好ましくは９９．５質量％以上が、入側セル１２と接しない領域に配置されていることをいう。したがって、例えば製造工程などに起因して、入側セル１２と接しない領域に配置されるはずの触媒層の一部が、不可避的にあるいは非意図的に、入側セル１２と接する領域へ侵食するような場合を許容し得る。
以上のような構成のＧＰＦ１０では、内燃機関２から排出された排ガスが、排ガス流入側の開口から入側セル１２に流入する。入側セル１２に流入した排ガスは、多孔質構造の隔壁１６を通過して、出側セル１４に到達する。このとき、排ガス中のＰＭは、隔壁１６の入側セル１２の表面や隔壁１６の内部の細孔で主に捕集される。本実施形態のＧＰＦ１０は、入側セル１２と接する領域に触媒層を有しない。そのため、隔壁１６の延伸方向に排ガスが均等に行き渡る。言い換えれば、隔壁１６の延伸方向においてガス流れの偏りが少ない。このことにより、隔壁１６の内部の細孔を有効に活用して、効率よくＰＭを捕集することができる。
また、ＧＰＦ１０の出側セル１４と接する領域では、隔壁１６の内部に第１触媒層２０が配置され、隔壁１６の表面に第２触媒層３０が配置されている。排ガス中の有害成分は、排ガスが第１触媒層２０および／または第２触媒層３０を通過する間に浄化される。隔壁１６を通過して出側セル１４に到達した排ガスは、ＰＭや有害成分が取り除かれた状態で排ガス流出側の開口からＧＰＦ１０の外部へと排出される。
以下、本発明に関する試験例を説明するが、本発明を以下の試験例に示すものに限定することを意図したものではない。
≪試験例Ｉ：入側触媒層の有無についての検討≫
比較例１として、入側セルと接する隔壁内部に入側触媒層を備え、かつ出側セルと接する隔壁内部に出側触媒層を備えた排ガス浄化用触媒を作製した。
具体的には、先ず、硝酸パラジウムと、アルミナ粉末（γ－Ａｌ２Ｏ３）と、ＺＣ複合酸化物（ＺｒＯ２－ＣｅＯ２）粉末と、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）と、Ａｌ２Ｏ３系バインダーとをイオン交換水中で混合して、スラリーＡを調製した。なお、スラリーＡは、基材の容量に対して、Ｐｄが０．５９ｇ／Ｌ、Ａｌ２Ｏ３が１２．２５ｇ／Ｌ、ＺｒＯ２－ＣｅＯ２が３１．８５ｇ／Ｌ、ＢａＳＯ４が１．８ｇ／Ｌとなるよう調製した。
次に、硝酸ロジウムと、アルミナ粉末と、ＺＣ複合酸化物粉末と、Ａｌ２Ｏ３系バインダーとをイオン交換水中で混合して、スラリーＢを調製した。なお、スラリーＢは、基材の容量に対して、Ｒｈが０．１５ｇ／Ｌ、Ａｌ２Ｏ３が６．５３ｇ／Ｌ、ＺｒＯ２－ＣｅＯ２が１１．２５ｇ／Ｌとなるよう調製した。
次に、図２，３に示すようなウォールフロー型のコージェライト基材を用意した。次に、上記調製したスラリーＡを、減圧吸引によって、コージェライト基材の排ガス流入側の端部から、隔壁の延伸方向に沿って、基材の全長Ｌｗの４５％（０．４５Ｌｗ）にあたる部分の隔壁内部にコートし、乾燥および焼成した。これにより、入側セルに接する隔壁内部に入側触媒層を形成した。なお、基材の単位体積あたりの入側触媒層のコート量は、４６．５ｇ／Ｌとした。次に、上記調製したスラリーＢを、減圧吸引によって、コージェライト基材の排ガス流出側の端部から、隔壁の延伸方向に沿って、基材の全長Ｌｗの７０％（０．７Ｌｗ）にあたる部分の隔壁内部にコートし、乾燥および焼成した。これにより、出側セルに接する隔壁内部に出側触媒層を形成した。なお、基材の単位体積あたりの出側触媒層のコート量は、１７．９ｇ／Ｌとした。
このようにして、比較例１の排ガス浄化用触媒を作製した。
また、例１として、図３に示すような構成の触媒層を形成した。言い換えれば、入側セルと接する領域には触媒層を有さず、出側セルと接する隔壁内部と隔壁表面とにそれぞれ触媒層を備えた排ガス浄化用触媒を作製した。具体的には、上記調製したスラリーＡを、減圧吸引によって、コージェライト基材の排ガス流出側の端部から、隔壁の延伸方向に沿って、隔壁１６の厚みＴｗよりも小さくなるように、基材の全長Ｌｗの１００％（全体）にあたる部分の隔壁内部にコートし、乾燥および焼成した。これにより、出側セルに接する隔壁内部に第１触媒層を形成した。次に、上記調製したスラリーＢを、減圧吸引によって、コージェライト基材の排ガス流出側の端部から、隔壁の延伸方向に沿って、基材の全長Ｌｗの９０％（０．９Ｌｗ）にあたる部分の隔壁表面にコートし、乾燥および焼成した。これにより、出側セルに接する隔壁表面に第２触媒層を形成した。
（ＰＭ捕集性能の評価）
上記作製した排ガス浄化用触媒について、ＰＭ捕集性能を評価した。具体的には、先ず、ガソリン直噴車両を所定のモードで走行させ、エンジンから排出されるＰＭ粒子数ａ（個／ｋｍ）を測定した。また、各例の排ガス浄化用触媒を、６００℃以上で熱処理した。次に、各例の排ガス浄化用触媒を上記車両の排気経路に設置して、上記と同じモードで走行させた。このときに、排ガス浄化用触媒の下流に配置されたテールパイプから排出されるＰＭ粒子数ｂ（個／ｋｍ）を測定した。そして、以下の式：ＰＭ排出割合（％）＝（ｂ／ａ）×１００；からＰＭ排出割合を算出した。結果を図４に示す。
図４は、比較例１と例１のＰＭ排出割合を比較したグラフである。図４では、比較例１のＰＭ排出割合を１００％（基準）として、相対値を表している。図４に示すように、例１のＰＭ排出割合は、比較例１のおよそ半分にまで低減されていた。すなわち、例１では、比較例１に比べて相対的にＰＭ捕集性能が向上していた。この理由としては、以下のことが考えられる。
すなわち、比較例１では、入側セルと接する隔壁内部であって排ガス流入側の端部から基材の全長Ｌｗの４５％にあたる隔壁部分に、入側触媒層が形成されている。このことにより、入側触媒層の形成された隔壁部分では、隔壁内部の細孔が狭小化されている。そのため、排ガスは、入側触媒層の形成されていない隔壁部分、すなわち、排ガス流出側の端部に近い隔壁部分を優先的に流れるようになる。その結果、排ガス流入側の端部に近い隔壁部分では、隔壁内部の細孔が有効に活用されずに、排ガスと隔壁との接触頻度が低下したことが考えられる。一方、入側セルと接する領域に触媒層を有しない例１では、隔壁の延伸方向において排ガス流れの片寄りが生じ難い。その結果、隔壁全体をＰＭの捕集にフルに活用することができ、排ガスと隔壁との接触頻度が向上したと考えられる。
≪試験例ＩＩ：第２触媒層の長さについての検討≫
スラリーＢを、排ガス流出側の端部から、隔壁の延伸方向に沿って、基材の全長Ｌｗの３０～８０％（０．３Ｌｗ～０．８Ｌｗ）の部分にコートしたこと以外は例１と同様に、例２～５の排ガス浄化用触媒を作製した。
（排ガス浄化性能評価）
上記作製した排ガス浄化用触媒について、車両評価で浄化性能を評価した。具体的には、先ず、各排ガス浄化用触媒をガソリン直噴車両の排気経路に設置し、熱交換器を用いて触媒入ガス温度を１００℃から５２０℃まで昇温速度１０℃／ｍｉｎで昇温させた。このときの入ガス濃度と出ガス濃度との比からＮＯｘ成分の浄化率を連続的に測定して、ＮＯｘ成分の浄化率が５０％に達したときの触媒入ガス温度（Ｔ５０／ＮＯｘ）を評価した。結果を表１および図５に示す。なお、Ｔ５０／ＮＯｘは、数値が小さいほど浄化性能が良好なことを表している。
また、上記した試験例Ｉ．と同様にして、例２～例４の排ガス浄化用触媒についてもＰＭ捕集性能の評価を行った。評価結果（ＰＭ排出割合）を表１および図５に示す。
Figure 0007130622000001
図５は、第２触媒層のコート長さと触媒性能との関係を示すグラフである。表１および図５に示すように、例１～５は、いずれも比較例１に比べて相対的にＰＭ排出割合が低く、ＰＭ捕集性能に優れていた。なかでも、第２触媒層の延伸方向の長さＬ２の長いものほどＰＭ排出割合が低減されており、ＰＭ捕集性能に優れていた。したがって、ＰＭ捕集性能の観点からは、隔壁の延伸方向の全長Ｌｗを１００％としたときに、第２触媒層の延伸方向の長さＬ２が、概ね４５％以上、好ましくは６０％以上、より好ましくは８０％以上、特には９０％以上であるとよいといえる。
一方、例１～５の排ガス浄化性能を比較すると、第２触媒層の延伸方向の長さＬ２が９０％の場合にはＴ５０／ＮＯｘがやや高くなった。このため、ＮＯｘ浄化性能の観点からは、隔壁の延伸方向の全長Ｌｗを１００％としたときに、第２触媒層の延伸方向の長さＬ２が、３０～８０％、３０～６０％であるとよいといえる。以上の検討から、ＰＭ捕集性能と排ガス浄化性能とをバランスする観点からは、第２触媒層の延伸方向の長さＬ２が、概ね４５～８０％、特には４５～６０％であるとよいといえる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上述した実施形態では、ＧＰＦ１０が第１触媒層２０と第２触媒層３０とを備えていたが、これには限定されない。ＧＰＦ１０は、第２触媒層３０を有していなくてもよい。また、第１触媒層２０と第２触媒層３０とに加えて、さらに他の触媒層を備えていてもよい。
例えば、上述した実施形態では、排ガス浄化用触媒がＧＰＦ１０であったが、これには限定されない。例えば内燃機関２がディーゼルエンジンである場合、排ガス浄化用触媒は、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）であり得る。
１ 排ガス浄化装置
２ 内燃機関
１０ ＧＰＦ（排ガス浄化用触媒）
１１ 基材
１２ 入側セル
１４ 出側セル
１６ 隔壁
２０ 第１触媒層
３０ 第２触媒層

Claims (2)

  1. 内燃機関の排気経路に配置され、該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であって、
    排ガス流入側の端部が開口し、排ガス流出側の端部が閉じられた入側セルと、排ガス流出側の端部が開口し、排ガス流入側の端部が閉じられた出側セルとが、多孔質な隔壁によって仕切られているウォールフロー構造の基材と、
    前記出側セルに接し、かつ、前記入側セルに接しないように前記隔壁の内部に配置され、金属触媒としてパラジウムおよび白金のうちの少なくとも一方を含む第１触媒層と、
    前記出側セルに接する前記隔壁の表面に配置され、金属触媒としてロジウムを含む第２触媒層と、
    を備え、
    前記第１触媒層は、前記隔壁の延伸方向に沿って前記隔壁の全長と同じ長さで配置され、
    前記第２触媒層は、前記隔壁の延伸方向の全長を１００％としたときに、前記排ガス流出側の端部から前記隔壁の延伸方向に沿って前記隔壁の全長の４５％以上６０％以下の長さで配置され、
    前記入側セルと接する領域に触媒層を有しない、排ガス浄化用触媒。
  2. 前記内燃機関が、ガソリンエンジンである、請求項１に記載の排ガス浄化用触媒。
JP2019509283A 2017-03-27 2018-03-16 排ガス浄化用触媒 Active JP7130622B2 (ja)

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