JPH1182005A

JPH1182005A - 触媒構造体とその製造方法

Info

Publication number: JPH1182005A
Application number: JP9243994A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Tanaka; 洋祐田中; Tetsuya Fujita; 哲也藤田; Michio Take; 道男武
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1997-09-09
Filing date: 1997-09-09
Publication date: 1999-03-26

Abstract

(57)【要約】【課題】浄化対象ガスと還元剤又は酸化剤とを効率良く
触媒の活性成分に接触させることができて、還元又は酸
化等の化学反応を促進できて、効率良く浄化対象ガスを
清浄化できる触媒構造体を提供する。【解決手段】所定の間隔で略平行に設けられた多数のガ
ス流通孔を有し、該ガス流通孔の内周面に触媒層が形成
されたガス浄化用の触媒構造体において、該ガス流通孔
をその通路断面積を入口部から出口部に向かって縮小す
るテーパー形状に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気ガ
ス等のガスに還元剤又は酸化剤を添加して、触媒作用を
利用してガスを浄化する触媒装置に組み入れて使用され
る触媒構造体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼル機関や一部のガソリン機関等
の内燃機関の排気ガス中からＮＯｘを還元除去するため
や、様々な燃焼ガスを浄化するための触媒装置について
種々の研究や提案がなされている。この触媒装置は、自
分自身は変化せずに化学変化を助けて反応を促進して、
ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを酸化あるいは還元させてガスを清
浄化する触媒の作用を利用したものであり、触媒装置に
装着される触媒構造体は一般に活性成分（触媒成分）、
担体（触媒担持体）と助触媒や安定剤等の添加成分とか
ら構成されている。

【０００３】この触媒の活性成分は酸化触媒の場合には
Ｐｔ（白金），Ｐｄ（パラジウム）等の貴金属やこれら
の混合物が用いられ、３元触媒の場合には、Ｐｔ−Ｒｈ
（ロジウム）やＰｔ−Ｐｄ−Ｒｈ系の混合物が一般的に
使用されている。また、活性成分を担持する担体は、活
性アルミナやセラミックが一般的であり、形状的には、
粒状の担体の表面に活性成分を担持させたペレット触媒
と、一体成形のハニカム構造の担体に触媒層を設けたモ
ノリス（ハニカム）触媒の２種類がある。

【０００４】そして、主流を占めているモノリス触媒で
は、例えば、図６に示すような触媒コンバーターＣ内
に、触媒構造体11がサポートリング32に支持されて配設
されており、この触媒構造体11は図７に示すような、格
子（ハニカム）形状に成形したコーディエライトのセラ
ミック等からなる担体14のセル11ｅ内面に、活性金属種
を含むアルミナ等からなる触媒層15をコーテングして形
成されている。

【０００５】また、モノリス触媒のもう一つの形態とし
て、ガスの潜り込みの障害となる担体を使用せずに触媒
材料にバインダーを加えて結合させて形状を維持するソ
リッド触媒による触媒構造体もあり、このソリッド触媒
の構造体は、通常は押し出し成形によって製造されてい
る。上記のような触媒構造体により排気ガス中のＮＯｘ
を還元除去する場合には、還元剤（還元成分）を排気ガ
ス等の浄化対象ガス中に混入させることが必要であり、
この還元剤としては、内燃機関の燃焼室から排出される
未燃ＨＣ（炭化水素）や、排気管中に噴射供給される燃
料が用いられるが、触媒成分によっては、ＣあるいはＣ
Ｏが利用される場合もある。

【０００６】そして、還元剤を含む浄化対象ガスが触媒
構造体の各セル内（ガス流通孔）を通過して触媒の活性
成分の触れると、ＮＯｘと還元剤との化学反応が促進さ
れてＮＯｘが還元されてＮ2 となるので、ガスが浄化さ
れる。これらの触媒構造体は、触媒配設時の流通圧損等
を考慮しつつ、浄化対象ガスの流量に見合った触媒成分
との接触面積が得られるように、その触媒構造体の全体
の径、長さ、数及び流通孔（セル）の寸法と数とを設定
して製造される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
如く触媒構造体の各寸法を設定しても、期待したほどの
浄化性能が得られず、比較的早期に浄化性能が低下し、
また、目詰まりを起こすという問題がある。この原因の
一つとしては、下流側でガスの触媒層15への潜り込みが
少なくなり、触媒作用が効率よく行われてないことがあ
げられる。つまり、通過するガスは、一般的に高温で触
媒構造体11に入り、流通孔12内で冷却されてその体積を
徐々に減少するが、ガスの流通孔12が通路断面積一定の
筒状に形成されているため、下流側ではガス圧力が低下
することになる。また、ガス温度の低下が無くてもガス
の流通抵抗により下流側ではガス圧力が低下する。その
ため、下流側でのガスの触媒層15への潜り込むが少なく
なり、この部分での触媒作用が低下する。

【０００８】また、もう一つの原因として、下流側で還
元剤が不足するということが考えられる。つまり、流通
孔12に流入したガス流は、図７に示すように流通孔12の
壁面（触媒層）15に対して略層状に、即ち円筒の場合に
はガスの流れがあたかも同心円のストロー状Ｇａ，Ｇ
ｂ，Ｇｃになって流れる。そのために、流通孔12の触媒
層15に接触するガス流部分ＧａのＨＣ等の還元剤の大部
分が、流通孔12の入口12ａ付近の上流側で消費されて、
そのガス流部分Ｇａがそのまま壁面に沿って下流側に流
れるので、下流側では還元剤が不足して還元反応が殆ど
発生しない。

【０００９】その一方で、未反応の還元剤が含まれてい
るガス流の中央部分Ｇｃは触媒層に殆ど接触しないまま
出口12ｂ側に流れるので、このガス流の中央部分Ｇｃの
還元剤は下流側の還元反応に寄与せず、無駄に排出され
ることになり、還元剤によるガスの汚染と燃費の悪化に
つながる。また、下流側の還元反応を促すために、ＨＣ
等の還元剤を多く投入しても、触媒構造体11の上流側に
おいて、還元剤の濃度が過多となるので触媒活性の低下
をもたらすと共に、還元剤が流通孔12の内面に付着して
析出し、析出炭素（コーキング）３を生じ、この炭素の
析出によってガス中の還元剤が減少するので、下流側で
は還元剤が不足したままとなる。

【００１０】また、図８に示すように、煤や析出炭素３
が入口12ａ側の壁面に付着して成長するため、触媒構造
体11の上流側では、ガスが触媒層15の活性成分と接触す
るを妨げるので、更に還元反応が低下する。その上、流
通孔12の目詰まりによりガス自体の通過が妨げられるの
で、更に触媒層15との接触が少なくなり、触媒構造体11
全体としての還元反応が不活発になり、期待通りの浄化
性能が得られないという結果になる。

【００１１】また、一般的に、ガス流通孔12の断面積を
小さくする程、触媒層15の接触面積は増大するが、流通
時の圧損が大きくなり、また目詰まりも発生し易くな
り、その上、製造も難しくなるという問題がある。これ
らの現象は、ハニカム触媒においても、また、ソリッド
触媒においても同様に発生するので、ソリッド触媒の装
置においても同じ問題が生じる。

【００１２】その上、ソリッド触媒の構造体は、触媒原
料を加圧する押し出し成形で製造されるために、加圧に
より触媒層の隙間が潰されてガスの潜り込み効果が小さ
くなるという問題がある。更に、押し出し成形では、成
形できる形状が限られ、触媒構造体の流通孔の径や形状
や配列等が限定されるという問題がある。本発明は、上
述の問題を解決するためになされたものであり、その目
的は、浄化対象ガスの流通孔の形状を特殊な形状に形成
することにより、浄化対象ガスと還元剤又は酸化剤とを
効率良く触媒の活性成分に接触させることができて、還
元又は酸化等の化学反応を促進できて、効率良く浄化対
象ガスを清浄化できる触媒構造体を提供することにあ
る。

【００１３】また、本発明の第二の目的は、前記第一の
目的の触媒構造体を容易に製造できる方法を提供するこ
とにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】以上のような目的を達成
するための触媒構造体は、所定の間隔で略平行に設けら
れた多数のガス流通孔を有し、該ガス流通孔の内周面に
触媒層が形成されたガス浄化用の触媒構造体において、
該ガス流通孔をその通路断面積が入口部から出口部に向
かって縮小するテーパー形状に形成したもので、流通孔
全域でガス圧力を維持又は下流側に向かって圧力を徐々
に上昇させて流通孔全域で触媒層へのガスの潜り込み効
果を促進できると共に、流通路孔の中心軸方向に向かう
流れを発生して通過ガスの流れを乱して、通過ガス全体
を略均等に触媒成分に曝すことができ、触媒構造体全体
でガスと還元剤（又は酸化剤）とを触媒成分に効率よく
接触させて化学反応を促進できる。

【００１５】また、好ましくは、前記ガス流通孔に関
し、入口部の断面の穴直径が１〜３ｍｍ、前記出口部の
断面の穴直径が０．８〜１．５ｍｍであるように形成す
る。そして、前記触媒構造体をソリッド触媒で形成する
ことにより、浄化対象ガスの触媒内への潜り込みを妨げ
る担体（ハニカム）の壁を省略して、通過ガスの潜り込
み効果を増大して、触媒活性成分との接触を増大させ
る。

【００１６】更に、前記触媒構造体の触媒原料を内包し
て前記触媒構造体の外周面を形成する筒状の雌型と、該
雌型の下部に挿入配置され、かつ、基板に前記ガス流通
孔形成用の針状突起を前記所定間隔で配列した雄型とで
成形型を組み立てる準備工程と、触媒原料にバインダー
を加えて混練してゾル状にする工程と、前記ゾル状混練
物を前記成形型内に流し込む工程と、前記成形型内の前
記ゾル状混練物内に、前記針状突起との間に隙間を有し
て配設される多数の平行な貫通孔を持つ担体を挿入する
工程と、前記成形型内の前記ゾル状混練物を乾燥固化す
る工程と、乾燥固化した後に前記成形型を分解して型抜
きして前記触媒構造体を成形する工程とからなる製造方
法で、ハニカム触媒構造体を製造する。

【００１７】また、前記触媒構造体の触媒原料を内包し
て前記触媒構造体の外周面を形成する筒状の雌型と、該
雌型の下部に挿入配置され、かつ、基板に前記ガス流通
孔形成用の針状突起を前記所定間隔で配列した雄型とで
成形型を組み立てる準備工程と、触媒原料にバインダー
を加えて混練してゾル状にする工程と、前記ゾル状混練
物を前記成形型内に流し込む工程と、前記成形型内の前
記ゾル状混練物を乾燥固化する工程と、乾燥固化した後
に前記成形型を分解して型抜きして前記触媒構造体を成
形する工程とからなる製造方法で、前記ソリッド触媒で
形成された触媒構造体を製造する。

【００１８】これらの製造方法を採用することにより、
触媒構造体のガス通路の穴径や穴の形状等を比較的自由
に形成することができ、上記の特殊な形状の触媒構造体
を容易に製造できる。しかも、製造時に押圧工程が無く
触媒層内の隙間の潰れを防止できるので、浄化対象ガス
がより潜り込し易くなって触媒活性成分との接触がより
多くなり、触媒構造体の浄化性能が向上する。

【００１９】また、触媒原料の具体的なものとしては、
アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）に触媒活性成分である白金（Ｐ
ｔ）を担持させたものを粉末状にして、これをゾル状に
したものに、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）を主成分とするバ
インダーを加えたものが挙げられるが、特にこれに限定
されるものではなく、触媒原料は一般的に知られたもの
でも良く、また、バインダーもアルミナ系あるいは樹脂
系等、使用する触媒原料に対応したものを自由に選択し
て使用することができる。また、ＨＣ等の還元剤に限ら
ず、他の還元剤を添加する触媒原料に対しても適用でき
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明に係
る触媒構造体の実施の形態を説明する。本発明に係る実
施の形態の触媒構造体は、図１に示すように、円筒状の
外形をした触媒構造体１，１Ａであり、その内部に所定
の間隔をおいて略平行に設けられた多数のガス流通孔２
を有し、浄化対象ガスＧinをこのガス流通孔２の一端の
入口部２ａから取り入れて、ガス流通孔２内部において
ガスを触媒作用で浄化して他端の出口部２ｂから浄化済
ガスＧout にして放出するそして、図２に示すように、
触媒構造体１を、担体４に担持される触媒成分５で形成
されるガス流通孔２の通路断面積を入口部２ａから出口
部２ｂに向かって縮小するように形成する。あるいは、
図３に示すように、ガスの潜り込み効果を妨げる担体
（ハニカム）の壁を取り除いたソリッド触媒で形成した
触媒構造体１Ａとし、ガス流通孔２の通路断面積を入口
部２ａから出口部２ｂに向かって縮小するように形成す
る。

【００２１】この流通孔２の形状は先端部をカットした
円錐形だけでなく先端部をカットした四角錐等の多角錐
等でもよい。この形状のガス流通孔２を有する触媒構造
体１，１Ａによれば、次に述べる効果を奏することがで
きる。触媒構造体１、１Ａのガス流通孔２の通路断面積
を入口２ａ側から出口２ｂ側に縮小するテーパー状に形
成することにより、通過ガスがガス流通孔２内で冷却さ
れて体積を減少したとしても、流通孔２全域でガス圧力
を維持、または、下流側に向かって圧力を徐々に上昇さ
せることができるので、流通孔２全域で触媒成分５への
ガスの潜り込みＳを促進できる。

【００２２】また、出口部２ｂに向かって縮小するテー
パー状にガス流通孔２を形成したことによって、ガス流
通孔２の中心軸に垂直な方向Ｒの流れを発生して、通過
ガスの同心円状の層状の流れを乱すことができるので、
通過ガス全体を略均等に触媒成分５に曝すことができ
る。上記の潜り込み効果と混合効果により、効率良くガ
スと還元剤を触媒成分５に曝すことができるので、過剰
な還元剤を添加する必要がなくなり、還元剤からの炭素
の析出反応を抑制してコーキングを防止することがで
き、入口部２ａ近傍での目詰まりを防止することができ
る。そのため、ガス通路を確保して、ガスと還元剤を入
口部２ａ側からの出口部２ｂ側まで流すことができるの
で、還元剤を触媒成分５に対して均等に添加することが
でき、ガス流通孔２の全域で効率よく還元反応を行うこ
とができる。

【００２３】従って、触媒構造体１、１Ａ全体で、通過
ガスと還元剤との混合物を触媒成分５に効率よく接触さ
せて、触媒作用による化学反応を促進できるので、通過
ガスに対する浄化性能を著しく向上することができる。
また、排気ガスと還元剤を略均等に触媒の活性成分に接
触させることができるので、排気ガス中に含まれてい
る、ＳＯｘ，ＣＯ等の被毒物質も、同様に触媒構造体
１、１Ａ全体に分散できるので、被毒物質による触媒作
用の低下も抑制できる。

【００２４】その上、自動車の排気ガス処理の場合にお
いては、還元剤としての燃料を効率よく利用できるので
燃費を向上できる。更に、この触媒構造体１、１Ａのガ
ス流通孔２を、入口穴径は３〜１ｍｍ程度、出口穴径は
１．５〜０．８ｍｍ程度として形成する。また、ディー
ゼルエンジンに使用する場合には出口穴径は１ｍｍ程度
迄の大きさにして、このガス流通孔２の目詰まりを防止
する。

【００２５】ガス流通孔２をこの寸法に形成することに
より、ガス流量とガス流通孔２の全体圧損との関係を適
切な範囲に保ちながら、触媒成分５への潜り込み効果が
十分に得られるガス圧分布を実現して、排気ガスと還元
剤と触媒成分５との接触をガス流通孔２の全域で良好に
維持することができ、効率よく触媒作用を発揮すること
ができる。

【００２６】そして、このソリッド触媒で触媒構造体１
Ａを形成することにより、ガスの潜り込み効果を妨げる
担体を省くことができるので、ガスの触媒への潜り込み
効果を更に大きくすることができ、浄化効率を著しく向
上できる。次に上記の触媒構造体１，１Ａの製造方法に
ついて、図３、図４を用いて以下に説明する。

【００２７】先ず、担体４を有する触媒構造体１の場合
には、準備工程として、触媒構造体１の触媒原料を内包
して触媒構造体１の外周面を形成する筒状の雌型21と、
この雌型21の下部に挿入配置され、かつ、基板にガス流
通孔２形成用の針状突起を所定間隔で配列した雄型22と
で成形型20を組み立てる。次に、ゾル状の触媒原料に一
定割合の液状のバインダーを加えよく攪拌して混練し、
このゾル状の触媒原料５ａを図４（ａ）に示すように、
流し込み通路23から、成形型20内に流し込み、更に、図
４（ｂ）に示すように、成形型20内のゾル状混練物５ａ
内に、針状突起との間に隙間を有して配設される多数の
平行な貫通孔を持つ担体４を挿入した後、ヒーター30に
より成形型20内のゾル状混練物５ａを加熱して水分を蒸
発させて乾燥固化する。

【００２８】そして、図４（ｃ）に示すように、乾燥固
化させた後に雌型21から雄型22を引き抜いて固化した触
媒構造体１を外す。また、触媒構造体１の形状によって
は、雄型22を上側に押して触媒構造体１を押し出しても
良い。そして、必要に応じて、図４（ｄ）に示すよう
に、余剰部材７をカットライン８で切り離して触媒構造
体１を製造する。

【００２９】即ち、触媒部分５を加圧することにより隙
間が潰される押し出し成形をせずにバインダー等の接着
力のみを利用した型抜きによる成形法で製造する。ま
た、ソリッド触媒の触媒構造体１Ａの場合には、準備と
して前記と同様に成形型20を組み立てる。そして、ゾル
状の触媒原料に一定割合の液状のバインダーを加えよく
攪拌して混練し、このゾル状の触媒原料５ａを図５
（ａ）に示すように、流し込み通路23から、成形型20内
に流し込み、ヒーター30により、成形型20内のゾル状混
練物５ａを加熱して水分を蒸発させて乾燥固化する。

【００３０】次に、図５（ｂ）に示すように、乾燥固化
させた後に雌型21と雄型22を分解して固化した触媒構造
体１Ａを外す。そして、必要に応じて、図５（ｃ）に示
すように、余剰部材７をカットライン８で切り離して触
媒構造体１を製造する。これらの製造方法により、次の
ような効果を奏することができる。即ち、触媒部分５の
隙間を潰さずに維持して触媒構造体１、１Ａを製造でき
るので、ガスの潜り込み効果を更にアップでき、ガスの
潜り込み能力が高く、触媒の活性成分との接触面積が大
きい触媒構造体１、１Ａを得ることができる。

【００３１】更に、触媒構造体１、１Ａのガスの流通孔
２の穴径や穴の形状等を比較的自由に成形できるので、
上記のような特殊な形状の触媒構造体１、１Ａを容易に
製造できる。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明したように、本発明によれ
ば、触媒構造体のガス流通孔の通路断面積を入口部から
出口部に向かって縮小するテーパー状に形成したので、
流通孔全域でガス圧力を維持、または、下流側に向かっ
て圧力を徐々に上昇でき、流通孔全域で触媒層へのガス
の潜り込み効果を促進できる。

【００３３】また、出口部側に向かって縮小するテーパ
ー状にガスの流通通路を形成したことによって、ガス流
通孔の中心軸方向に向かう流れを発生して通過ガスの流
れを乱すことができるので、通過ガス全体を略均等に触
媒層に曝すことができる。従って、触媒構造体全体でガ
スと還元剤（又は酸化剤）とを触媒成分に効率よく接触
させることができ、化学反応を促進できるので、触媒構
造体の浄化性能を向上させて、浄化対象ガスの浄化を効
率良く行うことができる。しかも、効率良く化学反応を
促進できるので、還元剤を有効に利用できる。

【００３４】そして、上記の触媒構造体をソリッド触媒
で形成することにより、担体（ハニカム）の壁が省かれ
るので、ガスの触媒への潜り込み効果を更に大きくする
ことができ、浄化効率を更に向上できる。また、バイン
ダー等の接着力を利用して成形する型抜き成形法による
製造方法を採用することにより、上記のような特殊な形
状の触媒構造体を容易に製造でき、更に、製造の際に加
圧工程が無く触媒層の隙間の潰れを防止できるため、触
媒層内へのガスの潜り込み効果を大きく維持でき、ガス
と還元剤と触媒活性成分との接触を多くすることができ
るので、触媒構造体のガス浄化性能を著しく向上するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る触媒構造体を示す斜視図である。

【図２】本発明に係る触媒構造体の流通孔部分を示す側
断面図である。

【図３】本発明に係るソリッド触媒による触媒構造体の
流通孔部分を示す側断面図である。

【図４】本発明に係る触媒構造体を製造する方法を示す
側断面図で、（ａ）は触媒原料を型材に詰めた状態を、
（ｂ）は担体を挿入した状態を、（ｃ）は型抜きの状態
を、また、（ｄ）は、余剰部材を切断した状態を示す。

【図５】本発明に係るソリッド触媒による触媒構造体を
製造する方法を示す側断面図で、（ａ）は触媒原料を型
材に詰めた状態を、（ｂ）は型抜きの状態を、また、
（ｃ）は、余剰部材を切断した状態を示す。

【図６】触媒構造体を備えた触媒コンバータを示す斜視
図である。

【図７】従来技術の触媒構造体のセル部分を示す横断面
図である。

【図８】従来技術の触媒構造体のセル部分の煤及び炭素
析出分の状況を示す模式図である。

【符号の説明】

１，１Ａ，11 触媒構造体１ｅ，11ｅセル２ガス流通孔（流通路）２ａ入口２ｂ出口３煤及び析出炭素４担体（担持体）５触媒層７余剰部材８カットライン 20 成形型 21 雌型 22 雄型 23 流し込み通路 30 ヒーター 31 排気温度センサ
ーＣ触媒コンバーターＧin 浄化対象ガスＧout 浄化済ガスＳ潜り込み

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の間隔で略平行に設けられた多数の
ガス流通孔を有し、該ガス流通孔の内周面に触媒層が形
成されたガス浄化用の触媒構造体において、該ガス流通
孔をその通路断面積が入口部から出口部に向かって縮小
するテーパー形状に形成した触媒構造体。
【請求項２】前記ガス流通孔に関し、入口部の断面の
穴直径が１〜３ｍｍ、前記出口部の断面の穴直径が０．
８〜１．５ｍｍであるように形成した請求項１に記載の
触媒構造体。
【請求項３】前記触媒構造体をソリッド触媒で形成し
た請求項１又は２に記載の触媒構造体。
【請求項４】前記触媒構造体の触媒原料を内包して前
記触媒構造体の外周面を形成する筒状の雌型と、該雌型
の下部に挿入配置され、かつ、基板に前記ガス流通孔形
成用の針状突起を前記所定間隔で配列した雄型とで成形
型を組み立てる準備工程と、触媒原料にバインダーを加
えて混練してゾル状にする工程と、前記ゾル状混練物を
前記成形型内に流し込む工程と、前記成形型内の前記ゾ
ル状混練物内に、前記針状突起との間に隙間を有して配
設される多数の平行な貫通孔を持つ担体を挿入する工程
と、前記成形型内の前記ゾル状混練物を乾燥固化する工
程と、乾燥固化した後に前記成形型を分解して型抜きし
て前記触媒構造体を成形する工程とからなる請求項１又
は２に記載の触媒構造体の製造方法。
【請求項５】前記触媒構造体の触媒原料を内包して前
記触媒構造体の外周面を形成する筒状の雌型と、該雌型
の下部に挿入配置され、かつ、基板に前記ガス流通孔形
成用の針状突起を前記所定間隔で配列した雄型とで成形
型を組み立てる準備工程と、触媒原料にバインダーを加
えて混練してゾル状にする工程と、前記ゾル状混練物を
前記成形型内に流し込む工程と、前記成形型内の前記ゾ
ル状混練物を乾燥固化する工程と、乾燥固化した後に前
記成形型を分解して型抜きして前記触媒構造体を成形す
る工程とからなる請求項３に記載の触媒構造体の製造方
法。