JPH06190287A

JPH06190287A - 通電型発熱式触媒コンバータ

Info

Publication number: JPH06190287A
Application number: JP4345662A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Tominaga; 成冨永; Ikuhisa Hamada; 幾久浜田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1992-12-25
Filing date: 1992-12-25
Publication date: 1994-07-12

Abstract

(57)【要約】【目的】絶縁層として機能するだけでなく、活性、強
度、生産性などが優れたメタル型ハニカム構造の燃焼触
媒を備えた通電型発熱式触媒コンバータを提供するこ
と。【構成】通電部のコルゲートメタル薄板２の絶縁に無
機微粒子を無機繊維に担持させ、網状無機繊維織物３に
したものをメタル薄板２と一緒に巻き込んでハニカム担
体を形成し、触媒化する。セラミック微粒子等を担持し
た網状無機繊維織物３は自由に変形でき、ハンドリング
が容易で、しかも、強度を有している。ガラス繊維、シ
リカアルミナなどの無機繊維に１μｍ以下の酸化チタン
微粒子をシリカゾルなどとともに担持、強化することに
より、無機繊維の長所を損なわずに保形性および剛性を
上げることができるほか、繊維の目ズレを防止し、繊維
の強度および耐久性を繊維単味よりさらに増大できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車エンジンの排気
ガスをはじめ、各種産業・化学プラントから発生する排
ガス中の各種炭化水素、一酸化炭素など、燃焼可能な有
害物質を除去するための触媒およびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】接触燃焼によって排ガスを浄化する触媒
は、通常２００〜３００℃で着火し、５００℃前後また
はこれを越える温度で燃え切るような仕様とされてお
り、これに対応した装置設計条件や運転条件が適用され
る。一般の産業プラントの排ガスの浄化に対して触媒燃
焼法を適用する場合、こうした条件設定は通常行われる
仕様であり、運転開始時または運転中に触媒の温度が着
火温度以下となる場合は、通常は助燃という手段が取ら
れ、装置運用あるいは環境汚染にかかわる問題点は特に
見あたらない。

【０００３】しかしながら、燃焼エネルギーを動力源と
する自動車や発電機のように、コールドスタートを避け
得ない装置の排ガス浄化用に触媒燃焼法を適用する場合
は、運転開始後から触媒が着火温度に達するまでの時間
内に触媒を通過する排ガスは、実質的に処理されずに大
気中に放出されることになる。特にコールドスタート時
は完全燃焼が起きにくいので、多量の有害ガスが排出さ
れる。特に、熱伝導率が低いセラミックハニカム触媒を
用いた場合のコールドスタート時に未処理排ガスが多く
排出する。こうした問題を解決する一つの手段は、熱伝
導率が高く、運転開始初期に温度が容易に上昇するメタ
ル型ハニカム触媒を用い、さらにこのメタル型ハニカム
触媒に電極を配置して通電により自己発熱させること
で、触媒活性を短時間の内に発現させる、いわゆる電気
触媒が開発されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のバルク
メタル型ハニカム触媒においては、ハニカム触媒の基材
としてステンレス鋼薄板を使用する場合には、本質的に
電気抵抗値が数ｍΩ〜数十ｍΩと低いので、通電すると
大電流が流れ、電力消費量が極めて大きくなるという問
題点がある。十分容量の大きい電源がある場合には、こ
の大電流、大電力発生は問題にならないが、自動車など
の電源が制限されるものに対しては、実際問題として実
用化できるものではない。このため自動車のような移動
可能な排ガス発生源では大容量のバッテリが必要になる
など、実際に適用する上では多く問題がある。

【０００５】電力消費量が極めて大きくなるという問題
はメタル間に絶縁を施し、メタル両端に電極を設けてメ
タルの一端からもう一端に対し、一方向に電流を流すこ
とにより解決できる。このようにすれば、バルクメタル
型ハニカム触媒担体／触媒と同等の容積の場合で、約５
〜２０倍大きい抵抗値となるので、同じ電圧を負荷した
時の電流は１／５〜１／２０小さくなる。電流が十分小
さくなると、配線容量、電源容量を小さくでき、実用上
通電可能にすることができる。逆に通電による発熱量は
小さくなるが、これは必要に応じ通電時間を長くするこ
とまたは発熱部分を小さくし、熱容量を小さくすること
などで補える事柄である。しかし、実際上はメタル間の
絶縁を維持するのは極めて難しい。メタル薄板表面に酸
化膜などにより絶縁被膜を設けて絶縁を維持する方法が
あるが、製造時には絶縁性を保っても、発熱して高温に
なると熱膨張により金属間の接触度が増し、抵抗が安定
しないという問題がある。時には一部で導電して局部発
熱などにより被損することがある。

【０００６】また、絶縁を確実に保持する方法として
は、メタル間に雲母のような絶縁薄板を挟み込んで巻い
てゆく方法がある。しかし、この方法も、メタル部分
に比べて熱容量が大きく、メタル型ハニカムの特徴であ
る速熱性が失われる、絶縁膜は緻密質なので、この面
に担体や触媒を担持するのが難しく、触媒活性が半減す
る、雲母のような無機質の薄板は本質的に脆く、割れ
や剥離の問題があって、製造時にメタル薄板と一緒に巻
き込むときに、損傷することから、量産には向いていな
い、など活性、製造、使用時の耐久性や信頼性に問題が
ある。そこで、本発明の目的は絶縁層として機能するだ
けでなく、活性、強度、生産性などが優れたメタル型ハ
ニカム構造の燃焼触媒を備えた通電型発熱式触媒コンバ
ータを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は次の
構成によって達成される。すなわち、コルゲート加工し
た（波状の凹凸をつけた）メタル薄板と無機微粒子を担
持して強化した網状無機繊維織物とを重ね合わせ、円柱
状に巻き込んでハニカム構造体を形成し、これに触媒担
体並びに触媒成分を担持させ、かつ通電用電極を取り付
けて自己発熱可能とした通電発熱式触媒コンバータであ
る。ここで、網状無機繊維織物はセラミック繊維または
ガラス繊維を用いるか、または、セラミック繊維または
ガラス繊維に酸化チタン微粒子およびシリカゾルの少な
くともいずれかを担持させたもの用いることができる。

【０００８】

【作用】本発明において、ハニカム担体の絶縁層材とし
てセラミック微粒子等を担持した網状無機繊維織物を用
いるのは以下の理由による。まず、材質に無機繊維を用
いるのは、自由に変形でき、ハンドリングが容易で、し
かも、強度を有しているためであるが、一方、絶縁層材
のメタル層間に挟み込まれた時には容易に変形（つぶれ
る）する欠点を有することから、このままでは絶縁層と
して使用することができない。そこで、本発明者らはガ
ラス繊維、シリカアルミナなどの無機繊維に１μｍ以下
の酸化チタン微粒子をシリカゾルなどとともに担持、強
化することにより、上記した無機繊維の長所を損なわず
に保形性および剛性を上げることができるほか、繊維の
目ズレを防止し、繊維の強度および耐久性を繊維単味よ
りさらに増大できることを見いだした。この微粒子担持
により、絶縁層材のメタル層間の一定間隔を保持でき、
確実な絶縁が可能となるほか、絶縁層材が適当な剛性、
強度および可とう性を有することができ、メタル型ハニ
カムへの巻き付け時の作業性は極めて良好で、量産性に
優れたものとなる。また、微粒子担持繊維に活性成分を
担持することも可能であり、活性担持としての機能も合
わせ持たせることができる。

【０００９】一方、無機繊維を網状にするのは、メタル
触媒の速熱性の特長を損なわせないようにし、また、活
性的にも優れたものにするためである。網状にすれば、
繊維の熱容量を小さくすることができる。また、図４に
本発明の触媒コンバータの部分拡大図を示すが、コルゲ
ート状のメタル薄板２と網状無機繊維織物（スクリー
ン）３が層状に積層され触媒コンバータにおいて、網状
無機繊維織物（スクリーン）３の周りが空間となってお
り、当該スクリーン３周りに排ガス９の回り込みなどが
生じて、メタル薄板２表面に担持された触媒と排ガス９
との接触効率が上昇することから、触媒の排ガス浄化効
果はバルクメタル型の場合よりも顕著になる。

【００１０】さらに、図５に本発明の触媒コンバータ
（図５（ａ））と従来の触媒コンバータ（図５（ｂ））
を比較して示すが、図５（ｂ）の従来の触媒コンバータ
は目開きのない織物や通常の絶縁薄板１０を使用してい
るため、コルゲート状のメタル薄板２との接触部で、ウ
ォシュコート時に触媒成分５と担体４がたまる部分１１
が生じて高価な触媒成分５が無駄になる。ところが、本
発明の網状織物３を用いれば図５（ａ）に示すように、
メタル薄板部２との接触領域が小さくて、触媒成分５の
無駄になる部分がなくなり、有効に活用されることにな
る。つまり、微粒子担持網状無機繊維をメタル層間に介
在させることにより、網状織物３を単なる絶縁層として
の役目だけでなく、触媒コンバータの活性、強度、生産
性などの向上に著しい効果を発揮させることができる。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明に関わる通電発熱式触媒コン
バータの望ましい実施例を図面を参照して説明する。図
１（ａ）に本実施例の通電発熱式触媒コンバータの断面
図を示す。触媒コンバータ１はコルゲート加工したメタ
ル薄板２とセラミック微粒子で強化したスクリーン３と
からなる２層の帯状体を、中央部から巻き付けて円柱状
の構造としており、図１（ｂ）の部分拡大図に示すよう
に、メタル薄板２の表面には高比表面積担体４および触
媒成分である貴金属触媒５が担持されている。また、メ
タル薄板２の中央芯部と外周端部に電極６、７を設置し
てあり、図２に示すように、電極６、７は導線を介して
電圧電源８（バッテリ）から通電可能となっている。そ
して、排ガス９の流路を横切るように触媒コンバータ１
が配置される。

【００１２】本実施例ではコルゲート加工したメタル薄
板２としては、厚さ０．２ｍｍ、幅５００ｍｍのＳＵＳ
４３０をエキスパンド加工し、これにアーク溶射法でア
ルミニウムを溶射した（溶射量：約５０ｇ／ｍ²）もの
を幅１００ｍｍに切断し、約高さ５ｍｍ、ピッチ５ｍｍ
のコルゲートロールに通して、山谷高さが約３ｍｍの波
板を形成して用いた。

【００１３】一方、触媒コンバータ１の絶縁層となるセ
ラミック微粒子を担持した網状無機繊維織物（スクリー
ン）３は市販の網状ガラス繊維（ガラスファイバーを束
ねて糸として、これを網状に織ったもの：Ｅガラス繊
維、１０本／インチ）を酸化チタンの微粒子とシリカゾ
ルおよびポリビニールアルコールからなる水溶液中に浸
漬することにより得た。本処理によりガラス繊維にハン
ドリング可能な剛性と強度を持たせることができ、ガラ
ス繊維の断面形状を保持できるので絶縁性を保つことが
できる。

【００１４】なお、本実施例による無機繊維織物（スク
リーン）３に関しては、網状とすることを特徴とする
が、絶縁性を保持するためには少なくとも繊維の厚みを
０．１ｍｍ以上にする必要がある。一方、熱容量を小さ
くし、メタル薄板２と無機繊維織物（スクリーン）３の
接触点を少なくして排ガスの繊維回りの回り込みを良く
するためには、目開きはできるだけ大きい方が良い。但
し、あまり大きすぎると、巻き付け時に目が崩れたりし
て生産性が悪くなるので、目開きは１．５ｍｍ〜５ｍｍ
にすべきである。

【００１５】上記実施例では、無機繊維織物（スクリー
ン）３として安価なガラス繊維を用いているが、耐熱性
を考慮して、ガラス繊維を塩酸処理して使用しても良い
し、シリカアルミナファイバ、シリカファイバなどの繊
維を使用しても良く、材質に影響されるものでない。ま
た、酸化チタン微粒無機粒子などを無機繊維に担持する
のは、繊維の強度、剛性および耐熱性を上げるために大
きな効果があり、さらに可とう性があるのでハンドリン
グ性が良好である。

【００１６】メタル薄板２および網状無機繊維織物（ス
クリーン）３からなるモノリス触媒（触媒コンバータ）
１の製作方法は、メタル波板２と網状織物３を合わせて
直径１２ｍｍ、肉厚０．５ｍｍのＳＵＳ３０４製パイプ
を芯金として巻き込み、直径約８５ｍｍ、長さ７０ｍｍ
のモノリス構造体を得た（見かけ容積：４００ｃｃ）。
当該ハニカム触媒コンバータ１の最外周部に電極７をロ
ー付けし、中心部の芯金からなる電極６との間で通電で
きるようにした。

【００１７】次に、当該モノリス触媒（触媒コンバー
タ）１をランタンアルミナを約２０％含有するランタン
−アルミナ焼成物−水スラリ（濃度２０％）に浸漬し、
余剰液を除去して乾燥し、５５０℃で焼成した。次いで
この金属ハニカム構造体（触媒コンバータ）１を０．２
％のパラジウム（Ｐｄ）を含む硝酸パラジウム水溶液に
１０〜２０秒浸漬し、１００℃で十分に乾燥後、最終的
に５５０℃で焼成して、Ｐｄの含有量がほぼ１ｇ／Ｌで
ある触媒を得た。

【００１８】本実施例によるモノリス触媒（触媒コンバ
ータ）１の通電加熱試験結果を図３に示す。比較例とし
て、絶縁材に０．１３ｍｍのマイカ（雲母）製テープを
用いた以外は全く同じ方法で製作したモノリス触媒の結
果を示した。実験における負荷電圧は１２Ｖで、このと
きの電流はいずれも約３０Ａであった。本実施例による
触媒は絶縁体にマイカ板を使用したものに比べて、熱容
量が小さく温度上昇は比較例より早いことが明らかとな
った。また、本実施例の触媒コンバータ１は電気抵抗が
安定し、触媒性能が優れていることが分かった。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、従来のバルクメタル型
ハニカム触媒において問題となっていた数々の技術的課
題が、極めて実用的な方法で解決され、特に自動車など
燃焼ガスを動力源とするものにあっては、運転初期の排
ガスの浄化を確実に行わせることが可能となり、環境保
全に対して大きな寄与が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の触媒コンバータの断面図
である。

【図２】本発明の一実施例の触媒コンバータを排ガス
路に配置した図である。

【図３】本発明の一実施例の効果を示すグラフの図で
ある。

【図４】本発明の作用を説明するための想定図であ
る。

【図５】本発明の作用を従来技術と比較して説明する
ための図である。

【符号の説明】

１…触媒コンバータ、２…メタル薄板、３…網状無機繊
維織物（スクリーン）、４…担体、５…触媒成分、９…
排ガス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】波状の凹凸をつけたメタル薄板と無機微
粒子を担持して強化した網状無機繊維織物とを重ね合わ
せ、円柱状に巻き込んでハニカム構造体を形成し、これ
に触媒担体並びに触媒成分を担持させ、かつ通電用電極
を取り付けて自己発熱可能としたことを特徴とする通電
発熱式触媒コンバータ。
【請求項２】網状無機繊維織物はセラミック繊維また
はガラス繊維からなることを特徴とする請求項１記載の
通電発熱式触媒コンバータ。
【請求項３】網状無機繊維織物はセラミック繊維また
はガラス繊維に酸化チタン微粒子およびシリカゾルの少
なくともいずれかを担持させたことを特徴とする請求項
１記載の通電発熱式触媒コンバータ。