JP6888152B1 - 触媒担持用基材及び触媒コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失の増加抑制と、コールドスタートにおける浄化性能の向上とを両立する。【解決手段】金属製の平箔と波箔を巻き回し、あるいは積層してなるハニカム体とその外周面を囲む金属外筒との少なくとも一部を接合してなる触媒担持用基材において，前記平箔と波箔には、厚さ方向に貫通する複数の孔が互いに連接することなく離間して形成されており、前記複数の孔は,以下の条件式（１）を満足することを特徴とする触媒担持用基材。ｈ／ｐ＞１．０・・・・・・・・・（１）ただし、ｈは前記ハニカム体の軸方向における孔の配置間隔であり、ｐは前記軸方向に対して直交する方向であって、かつ、箔に沿う方向における孔の配置間隔である。【選択図】図４

Description

本発明は、触媒コンバータに関し、特に自動車などの内燃機関の排ガスを浄化する触媒コンバータに用いられる触媒担持用基材に関するものである。

自動車などの内燃機関の排ガス浄化用触媒担体として、耐熱合金製の外筒に同合金製のハニカム体を嵌入してなる触媒コンバータが、多用されるようになってきた。触媒コンバータのうち、特に金属製の箔から構成されるメタル担体においては、ハニカム体は厚さ５０μｍ程度の金属製の平箔と、該平箔をコルゲート加工した波箔とを、交互に積層したものや、帯状の平箔と波箔を重ねて渦巻状に巻き回したもの等が使用されている。

近年、自動車排ガス規制が非常に厳しくなる傾向にあり、特に排出ガス測定モードにおけるコールドスタート時の一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物などの有害物質の排出が総排出量のかなりの割合を占めており、触媒を早期に活性化してコールドスタート時の有害物質の排出を抑制する必要性から，触媒担体の熱容量を低減する技術が求められている。

そこでメタル担体を構成する平箔および波箔に孔開け加工を施して、メタル担体の熱容量を低減させることが有効であり、その具体的な方法が、例えば、特許文献１，特許文献２，特許文献３，特許文献４，特許文献５、特許文献６等に開示されている。

特許第５１９９２９１号公報 特許第４９７５９６９号公報 特許第３９３２７９８号公報 特許第４２２６８８４号公報 特許第５２７９２８４号公報 特許第６５０５３３６号公報

孔開け加工が施された金属箔から構成されるメタル担体は、熱容量が小さいため触媒が早期に活性化してコールドスタート時の排出が低減される。さらに孔領域では乱流が発生する。この乱流はガスの物質移動を促進するには極めて有効であり、乱流の発生もまた浄化性能の向上に寄与する。

しかしながら、特に排ガスが高流量のときには乱流の影響で圧力損失が高くなり、それが内燃機関の出力低下、燃費悪化を招くという問題があった。本発明は、圧力損失の上昇を抑制しつつも、コールドスタート時の浄化性能を損なわない触媒担持用基材とそれを用いた触媒コンバータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る触媒担持用基材は、（Ｉ）金属製の平箔と波箔を巻き回し、あるいは積層してなるハニカム体とその外周面を囲む金属外筒との少なくとも一部を接合してなる触媒担持用基材において，前記平箔と波箔には、厚さ方向に貫通する複数の孔が互いに連接することなく離間して形成されており、前記複数の孔は,以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
ｈ／ｐ＞１．０・・・・・・・・・（１）
ただし、ｈは前記ハニカム体の軸方向における孔の配置間隔であり、ｐは前記軸方向に対して直交する方向であって、かつ、箔に沿う方向における孔の配置間隔である。

（ＩＩ）前記ｈ／ｐの平均値が１．２以上であることを特徴とする上記（Ｉ）に記載の触媒担持用基材。

（ＩＩＩ）各孔の孔径が０．２ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下であることを特徴とする（Ｉ）又は（ＩＩ）に記載の触媒担持用基材。

（ＩＶ）各孔の孔径が０．２ｍｍ以上、４．０ｍｍ以下であることを特徴とする（Ｉ）又は（ＩＩ）に記載の触媒担持用基材。

（Ｖ）各孔の形状が円形であることを特徴とする上記（Ｉ）乃至（ＩＶ）のうちいずれか一つに記載の触媒担持用基材。

（ＶＩ）前記孔の開口率は、２０％以上であることを特徴とする上記（Ｉ）乃至（Ｖ）のうちいずれか一つに記載の触媒担持用基材。

上記（Ｉ）乃至（ＶＩ）のうちいずれか一つに記載の触媒担持用基材と、前記ハニカム体に担持される触媒と、を有することを特徴とする触媒コンバータ。

本発明によれば、圧力損失の増加抑制と、コールドスタートにおける浄化性能の向上とを両立することができる。

本実施形態に係る触媒担体の全体構成を示す斜視図である。 本実施形態に係るハニカム体と外筒との構成を示す部分斜視図である。 箔の孔の配置と孔同士の間隔の定義および開口率の定義を示す平面図である。 本実施形態に係る箔の孔の配置を示す平面図である。 本実施形態に係る箔の孔の配置を示す平面図である。 本実施形態に係る箔の孔の配置を示す平面図である。 本実施形態に係る箔の孔の配置を示す平面図である。 比較例に係る箔の孔の配置を示す平面図である。 本実施形態に係る箔の孔の配置を示す平面図である。 本実施形態に係る箔の孔の配置を示す平面図である。 厚さ５０μｍの箔、１平方インチ当たり３００セルからなる担体を用いたときの、圧力損失と浄化性能の関係を示す。 厚さ３０μｍの箔、１平方インチ当たり４００セルからなる担体を用いたときの、圧力損失と浄化性能の関係を示す。 本実施形態に係る箔の孔の配置を示す平面図である。 本実施形態に係る箔の孔の配置を示す平面図である。

従来のメタル担体は、前述したように、孔開き加工された平箔と波箔から形成されており、コールドスタート時の浄化性能を向上させる効果はあるものの、同時に圧力損失も増加してしまうという欠点を有していた。

本発明者らは、単に孔を開けただけでは、圧力損失の増加を防止することができず、孔の配置形態を限定することで、浄化性能を保持しながら圧力損失を低減できることを知見した。より具体的には、開口率が同じでも、ガス流れ方向の孔の間隔が大きいほど、圧力損失の上昇を抑制でき、かつ浄化性能を損なわないことを見出した。ここで開口率とは、図３に示すように三角形で囲まれる全体面積に対する、黒く塗りつぶされた孔部の面積の総和の比として算出される値をいう。すなわち、隣接する三つの孔の中心を線で結んで三角形を描くとともに、当該三角形の内側の面積を全体面積、当該三角形と孔とが重なる部分の面積を孔面積と定義したとき、全体面積に対する孔面積の比を開口率と定義する。本明細書におけるガス流れ方向とは、ハニカム体の軸方向を意味するものとする。

通常、孔の開いていない平箔と波箔から構成されるメタル担体においては、セル内のガス流れは層流である。しかしながら、箔に孔が開いていると、孔の部分では部分的にレイノルズ数が大きくなり乱流になりやすくなるため、圧力損失が大きくなる。すなわち、ガス流れ方向に見て孔数が多い場合は、ガス流れ方向に沿って乱流が発生するサイトの数が多くなるので、より圧力損失が大きくなる。しかしながら必要以上に乱流を発生させると浄化性能の向上を伴わずに圧力損失の上昇を招く。特に圧力損失の上昇は高流量のときに顕著であり、内燃機関の出力を低下させてしまう要因になる。

すなわち、メタル担体を構成するハニカム体において、後述するように、ガス流れ方向をｚ方向、金属製の平箔の面に沿うｚ方向に垂直な方向をθ方向と定義し、孔同士のθ方向の間隔（つまり、θ方向における孔の配置間隔）をｐ、ｚ方向の間隔（つまり、ｚ方向における孔の配置間隔）をｈとすると、ｐの値を小さくし、ｈの値を大きくすることにより、開口率を保ったまま、ガス流れ方向の孔間隔が大きくなる。浄化性能、特にコールドスタート時の浄化性能を低下させることなく、圧力損失を低減させることができ、高浄化性能と低圧力損失を両立させることが可能になる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
図１は触媒コンバータ１の斜視図である。触媒コンバータ１は、平箔２と波箔３を巻きまわしてなるハニカム体４と、当該ハニカム体４の外周面を囲む外筒５とを有する触媒担持用基材において、触媒をハニカム体４に担持させることによって構成されている。平箔２及び波箔３には、耐熱合金からなる金属箔を用いることができる。金属箔の膜厚は、好ましくは２０μｍから１００μｍである。波箔３は、金属製の平箔を例えばコルゲート加工することによって製造することができる。

ここで、耐熱合金として最も好適なものとしては、Ｆｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌ系ステンレス鋼およびこれを耐熱性の高いＮｉ基ろう材で接合したものが挙げられるが、Ｆｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌ系ステンレス鋼に限らず、合金組成にＡｌを含んだ耐熱性の各種ステンレス鋼を用いることができる。通常、メタル担体に用いられる金属箔は、Ｃｒを１５−２５質量％、Ａｌを２−８質量％含有する。例えば、Ｆｅ−１８Ｃｒ−３Ａｌ合金や、Ｆｅ−２０Ｃｒ−８Ａｌ合金なども耐熱合金として用いることができる。

触媒は、ハニカム体４の金属箔表面に所定のウォッシュコート液を塗布して、それを乾燥、焼成することによって、金属箔に担持させることができる。ウォッシュコート液には、例えば、γアルミナ粉末、ランタン酸化物、ジルコニウム酸化物、セリウム酸化物を硝酸パラジウムの水溶液内で撹拌してスラリー状にしたものを用いることができる。

外筒２には例えばステンレスを用いることができる。外筒２の肉厚は、好ましくは１〜２ｍｍである。ハニカム体４のセル密度は、好ましくは１平方インチあたり１００セルから６００セルである。

触媒コンバータ１は、入側端部１Ａから流入した排ガスが出側端部１Ｂへ排出され得るように、図示しない車両の排気管に連通される。この触媒と排ガスが反応することにより、触媒コンバータ１は、流入した排気ガスを浄化する。

図２は、触媒コンバータ１の一部における斜視図である。同図を参照して、平箔２と波箔３には、それぞれ厚さ方向に貫通する複数の孔８が形成されている。本発明においては、高浄化性能と低圧力損失を両立させることが目的であるため、この孔の配置形態が厳密に規定される。

図３は、平箔２の一部における展開図である。同図を参照して、孔８は千鳥状に配列されている。孔８は、ハニカム体４の入側端部を含む所定範囲及び出側端部を含む所定範囲を避けた領域に形成することが望ましい。これらの端部領域は排ガス浄化時に損傷を受けやすいため、孔８を形成することによって構造が脆弱となり、寿命が低下するおそれがある。入側端部を含む所定範囲は、好ましくは入側端部から１０ｍｍの範囲である。出側端部を含む所定範囲は、ｈの値により変動するが、好ましくは出側端部から約１０ｍｍの範囲である。

図３に示すように、ガス流れ方向をｚ方向と定義し、それに垂直な方向であって、かつ、箔に沿った方向をθ方向と定義する。ｚ方向における孔８の配置間隔ｈ（言い換えると、ｚ方向に隣接する孔８のｚ方向における孔中心間の距離）と、θ方向における孔の配置間隔ｐ（言い換えると、θ方向に隣接する孔８の孔中心間の距離）との比率であるｈ／ｐは、１．０超であり、好ましくは平均値が１．２以上である。この数値条件を満足することによって、高浄化性能と低圧力損失を両立させることができる。平箔２及び波箔３のそれぞれの金属箔における配置間隔ｐは、図２にも示している。なお、平均値が１．２以上であるため、１超１．２未満のものが含まれていてもよい。

上述の開口率の下限値は、好ましくは２０％である。開口率が２０％未満に低下すると、ハニカム体４の熱容量が過度に大きくなり、コールドスタート時の浄化性能を十分に発現させることができない。開口率の上限値は、好ましくは４０％である。開口率が４０％を超過すると、隣接する孔８同士が連接するおそれがある。

孔８の孔径（直径）は、好ましくは６．０ｍｍ以下であり、より好ましくは４．０ｍｍ以下である。孔径が６．０ｍｍを超えると、ｈ／ｐを増大させることによる圧力損失低減効果が小さくなるとともに、浄化性能が低下するおそれがある。また、孔８の孔径は、好ましくは０．２ｍｍ以上である。孔径が０．２ｍｍより小さくなると、孔８が触媒によって閉塞され、乱流を発生させることができなくなる。

次に、実施例を示しながら、本発明について具体的に説明する。ｈ／ｐ等が互いに異なる複数の触媒コンバータについて、浄化性能及び圧力損失を評価した。

平箔及び波箔に形成された各孔の直径は１．０ｍｍとした。孔の形成領域は、ハニカム体の入側端部から５ｍｍ、出側端部から約５ｍｍを避けた領域とした。孔の配置は、ｚ方向に向かって互い違いとなる千鳥配置とした。
金属箔の箔厚は５０μｍに設定した。外筒の肉厚は１．５ｍｍに設定した。平箔及び波箔を重ね合わせた状態で巻き回すことにより、直径５０ｍｍ、長さ８０ｍｍ、セル密度１インチあたり３００セルのハニカム体を得た。

セリア―ジルコニア―ランタナ−アルミナを主成分とし、１００ｇあたりパラジウムを１．２５ｇ含有するウォッシュコート液をハニカム体に通し、余分なウォッシュコート液を除去した後、１８０℃で１時間乾燥し、続いて５００℃で２時間焼成することにより、金属箔にウォッシュコート層をハニカム体の体積当たり乾燥後重量で２００ｇ／Ｌの量で担持させた。パラジウムの担持量は２．５ｇ／Ｌであった。

圧力損失は該触媒コンバータに所定流量に流量調整された常温の空気を流し、触媒コンバータ前後の圧力差を測定することにより評価した。本実施例においては、２．５Ｎｍ^３／分の流量の２０℃の空気を流すことにより、圧力損失を評価した。これは、流速に換算すると平均で約２１ｍ／ｓになる。

一方浄化性能は、３００℃に加熱したモデルガス（一酸化炭素、プロピレン、一酸化窒素、酸素、二酸化炭素、水蒸気、窒素からなる混合ガス）を常温の触媒コンバータに所定の流量流し、プロピレンの濃度が５０％低下するまでに要した時間を、コールドスタート時の浄化性能として評価した。モデルガスを構成する各ガスの濃度は、一酸化炭素：５０００ｐｐｍ、プロピレン：５００ｐｐｍ、一酸化窒素：５００ｐｐｍ、酸素：４５００ｐｐｍ、二酸化炭素：１４％、水蒸気：１０％とし、残部を窒素とした。標準状態で毎分３００リットルを流して浄化性能を評価した。

図３は比較例の配置であり、ｈとｐの長さの比であるｈ／ｐは１．０であり、開口率は２０％とした。

図４は実施例の配置であり、ｐの値を図３に示されているものに対して０．９１３倍、ｈの値を１．０６１倍にした。開口率は２０％を維持した。すなわち開口率を２０％に保った状態で、ｈ／ｐの値を１．２に増加させた。

図３に示したｈ／ｐが１．０の場合と、図４に示したｈ／ｐが１．２の場合を比較すると、開口率が２０％と同じ値で、浄化性能すなわちプロピレン濃度が５０％低下するまでの時間は、ほぼ同一であった。しかしながら、図４の例は図３に比べてｚ方向の孔の間隔が広がっている。そのためガス流れ方向（ｚ方向）における不要な乱流発生箇所が減少し、圧力損失が５％程度低下した。

図５、図６、図７は本発明の他の実施例であり、それぞれｐの値を図３に示されているものに対して小さくし、ｈの値を大きくすることによって、ｈ／ｐの値をそれぞれ１．５、２．０、３．０にした。開口率は同様に２０％を維持した。この場合は、図３に示したｈ／ｐ＝１．０のときと比較すると、コールドスタート時の浄化性能はほぼ変わらなかったが、圧力損失はそれぞれ９％程度、１５％程度、２０％程度低下させることができた。

このように、開口率を同一の値に保ったままで、ｈ／ｐの値を大きくしていくと、浄化性能を低下させることなく、圧力損失を減少できることがわかった。すなわち、コールドスタート時の高浄化性能と低圧力損失を両立できることがわかった。

もちろん、同一のｈ／ｐの値で比較した場合は、開口率が大きい担体の方が、開口率が小さい担体よりも圧力損失が大きくなる。したがって、本発明のｈとｐの関係を満たさない開口率の小さい触媒コンバータよりも、ｈとｐの関係を満たす開口率の大きい触媒コンバータの方が、圧力損失が大きくなる場合もあり得る。しかしながら、開口率の小さい担体は熱容量が大きくなるため、コールドスタート時の浄化性能が劣る場合もある。高浄化性能と低圧力損失との両立性という観点からは、本発明のｈ／ｐを満たす触媒コンバータの方が、トータルとしての性能に優れる。

本来触媒コンバータの浄化性能とは、エンジンから排出される規制対象物質の量、目標とするテールパイプからの排出量の値などから決定されるべきものであって、目標とする排出量が達成されるのであれば、必要以上に圧力損失の増大を招く開口率の大きな触媒を使用する必要はない。その場合は、開口率の小さな触媒コンバータを用い、本発明のｈ／ｐの値を満足すれば、従来技術の孔開き担体と比較して、さらに低圧力損失が得られる。

開口率を２０％から４０％に拡大して、同様の実験方法により、浄化性能及び圧力損失を評価した。開口率が２０％の場合と同様に孔径を１．０ｍｍに設定し、開口率以外の触媒コンバータの構成は開口率２０％の場合と同じにした。図８は比較例の配置であり、ｈとｐの長さの比であるｈ／ｐは１．０とした。ｈ／ｐ＝１．０の場合は、コールドスタート時の浄化性能すなわちプロピレン濃度が５０％になるまでの時間は図３に示す開口率２０％の場合と比較して約１７秒から１２秒に短縮された。しかしながら圧力損失は開口率が増加したため１５％程度増加した。

図８に示されている、開口率４０％の場合の従来技術の配置（ｈ／ｐ＝１．０）に対して、図９（実施例）のようにｐの値を約０．９１倍、ｈの値を約１．０６倍にしてｈ／ｐの値を１．２にした場合、圧力損失を５％程度減少させることができた。同様に図１０（実施例）に示すようにｐの値を０．８１６倍、ｈの値を１．１５５倍にして、ｈ／ｐの値を１．５にした場合、圧力損失を９％程度減少させることができた。

ただし開口率が４０％の場合は、ｈ／ｐの値をおよそ２．０以上にするとθ方向で隣り合う孔同士が連接される。孔同士が連接されると、開口率が減少するため、孔が連接するような配置は、本発明の概念からは除外する。

孔径を２．０ｍｍにして開口率を２０％と４０％にしたもの、孔径を４．０ｍｍにして開口率を２０％と４０％にしたもの、孔径を６．０ｍｍにして開口率を２０％にしたものについて、同様に圧力損失と浄化性能を調査した。なお、開口率以外の触媒コンバータの構成は同じとした。その結果を図１１に示した。圧力損失は、孔径が１．０ｍｍで開口率が２０％の場合のときの圧力損失を１としてその比で現わした。

同図のグラフから、開口率が高く、孔径が小さいものが、浄化性能は高いものの圧力損失が高くなることがわかった。図の最も右側の曲線が従来技術に相当するｈ／ｐ＝１．０の場合であって、ｈ／ｐの値が大きくなるほど、曲線は左側にシフトすることがわかった。すなわち開口率及び孔径が同一の場合、ｈ／ｐを大きくすることにより、浄化性能を維持しながら圧力損失が低下することがわかった。また孔径が小さいほど、同じ開口率でも浄化性能がよくなることから、乱流の発生が浄化性能向上に寄与しているものと推定される。

ただし孔径が６．０ｍｍになるとｈ／ｐの値を大きくすることによる圧力損失低減効果が小さくなるとともに、浄化性能も若干悪化することがわかった。したがって孔径は、６．０ｍｍ以下が好ましいことがわかった。

箔厚を５０μｍから３０μｍに変更するとともに、セル密度を１インチあたり３００セルから４００セルに変更し、孔径及びｈ／ｐを変えることによる圧力損失と浄化性能の関係について調査した。なお、箔厚及びセル密度以外の触媒コンバータの構成は同様とした。図１２のその結果を示した。図１１の５０μｍ／３００ｃｐｓｉの場合と比較して浄化性能が向上しているが、圧力損失と浄化性能の関係は、ほぼ同様の傾向を示すことを確認できた。

５０μｍの箔に比べて３０μｍの箔は薄く、箔自体の熱容量が小さいので温まりやすく、もともと暖機性能には優れるため、浄化性能は向上する。ただし、箔厚が薄いので当然高温環境や熱サイクル環境、排ガスの脈動に対する耐久性の面では厚い箔からなる担体よりも劣る。またセル密度を高くすると、エンジンの高速回転時における高流量下での浄化性能を向上させる効果があるが、その分圧力損失が高くなるので、箔厚、セル密度はそれぞれ使用される環境に応じて適宜選択することが望ましい。

本発明の変形例として、図１３に示されるように、孔８が格子状に配置される場合は、ｐとｈはそれぞれθ方向、ｚ方向の孔同士の距離であることは言うまでもない。図１４に示されている配置は、図１３に示す孔の位置から、θ方向に並ぶ孔列が、一列おきにθ方向にオフセットされている場合である。この場合においても、ｐとｈは図のように定義される。

上述の実施形態では、平箔及び波箔を重ね合わせた状態で巻き回した捲回体によってハニカム体を構成したが、本発明はこれに限るものではなく、平箔及び波箔を交互に積層したハニカム体にも適用することができる。

以上述べたように、本発明によれば、コールドスタート時の浄化性能を損ねることなく、圧力損失を低減できる触媒コンバータを提供する。

１ 触媒コンバータ
２ 平箔
３ 波箔
４ ハニカム体
５ 外筒

Claims (6)

1. 金属製の平箔と波箔を巻き回し、あるいは積層してなるハニカム体とその外周面を囲む金属外筒との少なくとも一部を接合してなる触媒担持用基材において，
   前記平箔と波箔には、厚さ方向に貫通する複数の円形の孔が互いに連接することなく離間して形成されており、前記複数の孔は,以下の条件式（１）を満足することを特徴とする触媒担持用基材。
   ｈ／ｐ＞１．０・・・・・・・・・（１）
   ただし、ｈは前記ハニカム体の軸方向における孔の配置間隔であり、ｐは前記軸方向に対して直交する方向であって、かつ、箔に沿う方向における孔の配置間隔であり、前記波箔におけるｈ及びｐは、前記波箔の母材である平箔の状態で計測したときの値である。
2. 前記ｈ／ｐの平均値が１．２以上であることを特徴とする請求項１に記載の触媒担持用基材。
3. 各孔の孔径が０．２ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の触媒担持用基材。
4. 各孔の孔径が０．２ｍｍ以上、４．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の触媒担持用基材。
5. 前記孔の開口率は、２０％以上であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の触媒担持用基材。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか一つに記載の触媒担持用基材と、
   前記ハニカム体に担持される触媒と、
   を有することを特徴とする触媒コンバータ。

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