特開 2024-47121 排ガス浄化装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024047121

(43)【公開日】2024-04-05

(54)【発明の名称】排ガス浄化装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/28 20060101AFI20240329BHJP

【ＦＩ】

F01N3/28 L

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022152563

(22)【出願日】2022-09-26

(71)【出願人】

【識別番号】000000170

【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石川 直也

【テーマコード（参考）】

3G091

【Ｆターム（参考）】

3G091AB01

3G091BA39

3G091GA08

3G091GA12

(57)【要約】

【課題】 本発明は、触媒活性の高い薄膜触媒層を有する排ガス浄化装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、薄膜貴金属触媒層を有するメタル基材１、及び前記メタル基材１を収容している外筒４を含む排ガス浄化装置１０であって、前記外筒４は、前記メタル基材１を保持するための通気性の保持部材５を有しており、かつ前記メタル基材１は、前記外筒４に実質的に固定されていない、排ガス浄化装置１０に関する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

薄膜貴金属触媒層を有するメタル基材、及び前記メタル基材を収容している外筒を含む排ガス浄化装置であって、前記外筒は、前記メタル基材を保持するための通気性の保持部材を有しており、かつ前記メタル基材は、前記外筒に実質的に固定されていない、排ガス浄化装置。

【請求項2】

前記保持部材は、前記外筒の排ガス流路の下流側端部に存在している、請求項１に記載の排ガス浄化装置。

【請求項3】

前記保持部材が、メタル基材であり、かつ前記外筒にロウ付けされて固定されている、請求項１又は２に記載の排ガス浄化装置。

【請求項4】

前記薄膜貴金属触媒層の厚みが、１００ｎｍ以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。

【請求項5】

前記薄膜貴金属触媒層が、蒸着膜である、請求項１～４のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。

【請求項6】

前記メタル基材が、波状に加工した金属箔と平らな金属箔との積層体の倦回体である、請求項１～５のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。

【請求項7】

薄膜貴金属触媒層を有するメタル基材、及び前記メタル基材を収容している外筒を含む排ガス浄化装置の製造方法であって、
前記薄膜貴金属触媒層を有するメタル基材を準備する工程、
通気性の保持部材を有する前記外筒を準備する工程、及び
前記外筒に前記メタル基材を挿入する工程
を含む、排ガス浄化装置の製造方法。

【請求項8】

前記メタル基材を準備する工程が、前記薄膜貴金属触媒層を、貴金属触媒の蒸着によって形成する工程を含む、請求項７に記載の製造方法。

【請求項9】

前記外筒を準備する工程が、前記外筒に前記通気性の保持部材をロウ付けする工程を含む、請求項８又は９に記載の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、メタル基材を用いた排ガス浄化装置及びその製造方法に関する。特に、本発明は、触媒活性の高い薄膜触媒層を有する排ガス浄化装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

【背景技術】

【0002】

金属製基材（メタル基材）を用いた排ガス浄化装置が、自動車用、二輪車用、発電機用、農作機械用等の内燃機関の排ガス浄化装置として使用されている。一般的には、メタル基材は、波状に加工した金属箔と平らな金属箔との積層体の倦回体である。例えば、図２に示すように、メタル基材は、金属箔を波状に加工して波箔２を得て、そして波箔２と平らな金属箔である平箔３とを積層させて一緒にロール化された倦回体となることで製造される。

【0003】

メタル基材を排ガス浄化装置として用いるためには、触媒層を形成した倦回体を、外筒４に挿入してロウ付けしてメタル担体を製造する。その後、メタル担体を触媒層形成用スラリーに浸漬させる、いわゆるウォッシュコートによって、金属酸化物担体及び貴金属触媒を含む触媒層をメタル基材上に形成する。

【0004】

近年、メタル基材にウォッシュコートを行わずに、貴金属をメタル基材に蒸着することによってメタル基材に貴金属触媒層を直接形成する技術が検討されている。例えば、特許文献１及び非特許文献１は、アークプラズマ法によって蒸着された貴金属層をメタル基材上に含む排ガス浄化装置を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２１－１３３３３１号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Machida et al., “Nanometric Iridium Overlayer Catalysts for High-Turnover NH3 Oxidation with Suppressed N2O Formation”, ACS Omega, 2020, 5, 32814-32822.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に記載の排ガス浄化装置を製造する場合、倦回体を外筒に挿入してロウ付けする際の加熱処理によって、触媒性能が劣化する事が検討によりわかった。

【0008】

具体的には、蒸着された貴金属層を持つ薄板をメタル基材として倦回体を作る場合には、外筒に挿入してロウ付けする際の加熱によって貴金属触媒がシンタリングなどによって触媒性能が劣化して触媒活性が低下してしまう。ロウ付け後にウォッシュコートにより触媒を担持する従来方法ではこの課題は起こらなかった。

【0009】

そこで、本発明は、触媒活性の高い薄膜触媒層を有する排ガス浄化装置及びその製造方法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】

【0010】

本発明者らは、以下の態様を有する本発明により、上記課題を解決できることを見出した。
《態様１》
薄膜貴金属触媒層を有するメタル基材、及び前記メタル基材を収容している外筒を含む排ガス浄化装置であって、前記外筒は、前記メタル基材を保持するための通気性の保持部材を有しており、かつ前記メタル基材は、前記外筒に実質的に固定されていない、排ガス浄化装置。
《態様２》
前記保持部材は、前記外筒の排ガス流路の下流側端部に存在している、態様１に記載の排ガス浄化装置。
《態様３》
前記保持部材が、メタル基材であり、かつ前記外筒にロウ付けされて固定されている、態様１又は２に記載の排ガス浄化装置。
《態様４》
前記薄膜貴金属触媒層の厚みが、１００ｎｍ以下である、態様１～３のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
《態様５》
前記薄膜貴金属触媒層が、蒸着膜である、態様１～４のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
《態様６》
前記メタル基材が、波状に加工した金属箔と平らな金属箔との積層体の倦回体である、態様１～５のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
《態様７》
薄膜貴金属触媒層を有するメタル基材、及び前記メタル基材を収容している外筒を含む排ガス浄化装置の製造方法であって、
前記薄膜貴金属触媒層を有するメタル基材を準備する工程、
通気性の保持部材を有する前記外筒を準備する工程、及び
前記外筒に前記メタル基材を挿入する工程
を含む、排ガス浄化装置の製造方法。
《態様８》
前記メタル基材を準備する工程が、前記薄膜貴金属触媒層を、貴金属触媒の蒸着によって形成する工程を含む、態様７に記載の製造方法。
《態様９》
前記外筒を準備する工程が、前記外筒に前記通気性の保持部材をロウ付けする工程を含む、態様８又は９に記載の製造方法。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、触媒活性の高い薄膜触媒層を有する排ガス浄化装置及びその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本発明の排ガス浄化装置の概略図を示している。

【図2】図２は、メタル基材を用いた排ガス浄化装置の一般的な製造工程の一部の概略図を示している。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明を以下の実施形態を例として具体的に説明をするが、本発明はこれによって限定されるものではない。本明細書における装置及び方法について特に詳細な言及がない構成には、これらについては当業者であれば周知の構成を用いることができる。各実施形態は、当業者が通常の知識に基づいて組み合わせることが可能であり、各実施形態について特記していない構成については、他の実施形態と同じ構成又はその実施形態に適した構成を有することができる。

【0014】

《排ガス浄化装置》
本発明の排ガス浄化装置は、薄膜貴金属触媒層を有するメタル基材、及び前記メタル基材を収容している外筒を含み、前記外筒は、前記メタル基材を保持するための通気性の保持部材を有しており、かつ前記メタル基材は、前記外筒に実質的に固定されていない。

【0015】

図１は、本発明の排ガス浄化装置１０の概略図を示している。図１（ａ）に示されるように、メタル基材１は、通気性の保持部材５を有する外筒４に収容される。図１（ｂ）に示すように、保持部材５は、外筒４の排ガス流路の下流側端部に固定されていることが好ましく、これにより排ガスからメタル基材１が圧力を受けたとしても、メタル基材１が外筒４から抜け落ちることがない。

【0016】

〈メタル基材〉
メタル基材１は、外筒４に実質的に固定されていない。本明細書において、「実質的に固定されていない」とは、メタル基材１が、外筒４にロウ付け等によって通常は固定されないが、貴金属触媒の劣化が大きく生じない範囲であれば、メタル基材１と外筒４とは一部がロウ付けされていてもよいことを意味する。したがって、本発明の排ガス浄化装置においては、メタル基材１と外筒４との従来技術のようなロウ付けは行われない。

【0017】

メタル基材１は、薄膜貴金属触媒層及び金属箔を少なくとも含み、さらに非特許文献１に記載のような緩衝層（ｂｕｆｆｅｒ ｌａｙｅｒ）等を有していてもよい。

【0018】

金属箔は、薄膜貴金属触媒層等を形成できる金属箔できれば特に限定されないが、例えばステンレス製の金属箔、特にＳＵＳ３０４製の金属箔とすることができる。

【0019】

金属箔の厚みは、特に限定されないが、例えば、２０μｍ以上、３０μｍ以上、５０μｍ以上、８０μｍ以上、又は１００μｍ以上であってもよく、５００μｍ以下、３００μｍ以下、２００μｍ以下、１００μｍ以下、又は８０μｍ以下であってもよい。金属箔の厚みは、２０μｍ以上５００μｍ以下、又は５０μｍ以上３００μｍ以下であってもよい。

【0020】

メタル基材１は、例えば図２に示すようにして製造される、波状に加工した波箔２と平らな平箔３との積層体の倦回体であることができるが、これに限定されず、例えば本分野で知られているエキスパンドメタルを用いたメタル基材等であってもよい。また、メタル基材を構成する金属箔にパンチング孔を設けて、排ガス流れに影響を与え浄化性能を向上させてもよい。

【0021】

メタル基材１のセル数は、例えば、５０個／平方インチ以上、８０個／平方インチ以上、１００個／平方インチ以上、１５０個／平方インチ以上、２００個／平方インチ以上、又は３００個／平方インチ以上であってもよく、１０００個／平方インチ以下、８００個／平方インチ以下、６００個／平方インチ以下、４００個／平方インチ以下、３００個／平方インチ以下、又は２００個／平方インチ以下であってもよい。メタル基材１のセル数は、５０個／平方インチ～１０００個／平方インチ、又は１００個／平方インチ～８００個／平方インチ、のセルを有していてもよい。

【0022】

〈薄膜貴金属触媒層〉
薄膜貴金属触媒層は、排ガス浄化性能を有する貴金属の薄膜である。本発明の排ガス浄化装置は、従来のウォッシュコートによる触媒層を有しておらず、代わりに薄膜貴金属触媒層を有しているが、これにより従来技術の排ガス浄化装置と比較して、大幅な軽量化が可能である。また、同様に、本発明の排ガス浄化装置は、ウォッシュコートによる触媒層を有していないため、圧力損失を低くすることができるため、本発明の排ガス浄化装置がハニカム構造を有している場合にはハニカムのセル数を増やすことができ、高い排ガス浄化性能を与えることができる。さらに、本発明の排ガス浄化装置は、ウォッシュコートによる触媒層を有していないため熱容量が低く、暖機時での排ガス浄化性能を大きく向上させることができる。また、これらの効果によって、排ガス浄化装置の性能を従来技術と同様の水準としながらも、大幅な小型化も可能となる。

【0023】

薄膜貴金属触媒層は、蒸着膜であることができ、蒸着膜としては化学蒸着又は物理蒸着を上げることができ、例えば特許文献１及び非特許文献１に記載のようなアークプラズマ法によって蒸着された薄膜であってもよいが、大量生産の観点から、好ましくはスパッタリングによって形成された薄膜であることができる。

【0024】

薄膜貴金属触媒層の貴金属は、例えば白金族元素の金属薄膜であることができ、具体的には、薄膜貴金属触媒層は、ロジウム、パラジウム、イリジウム、白金、又はこれらの組み合わせを含む薄膜であってもよい。薄膜貴金属触媒層は、実質的にこれらの貴金属のみから構成されていてもよい。

【0025】

薄膜貴金属触媒層の厚みは、特に限定されないが、１ｎｍ以上、３ｎｍ以上、５ｎｍ以上、１０ｎｍ以上、又は２０ｎｍ以上であってもよく、３００ｎｍ以下、１００ｎｍ以下、８０ｎｍ以下、５０ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、２０ｎｍ以下、又は１０ｎｍ以下であってもよい。薄膜貴金属触媒層の厚みは、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下、又は３ｎｍ以上３０ｎｍ以下であってもよい。

【0026】

〈緩衝層〉
メタル基材１は、さらに熱的安定性を向上させるために及び／又は金属箔と薄膜貴金属触媒層との接着性を向上させるために、金属箔と薄膜貴金属触媒層との間に緩衝層を有していてもよい。緩衝層も、蒸着による薄膜であることができる。そのような薄膜としては、アルミニウム、チタン、ジルコニウム等の金属薄膜又は金属酸化物薄膜であってもよい。この緩衝層は、薄膜貴金属触媒層を形成する前に加熱処理を行って、酸化させてもよい。

【0027】

緩衝層の厚みは、特に限定されないが、１０ｎｍ以上、３０ｎｍ以上、５０ｎｍ以上、１００ｎｍ以上、又は２００ｎｍ以上であってもよく、１０００ｎｍ以下、８００ｎｍ以下、５００ｎｍ以下、３００ｎｍ以下、２５０ｎｍ以下、又は２００ｎｍ以下であってもよい。緩衝層の厚みは、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、又は５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であってもよい。このような厚みの薄膜を得るために、蒸着を繰り返して行ってもよい。

【0028】

〈外筒及び保持部材〉
外筒４としては、本分野で通常用いられている外筒を用いることができる。外筒４は、通気性の保持部材５を有しており、保持部材５によって、メタル基材１を実質的に外筒４に固定していなくても、メタル基材１が脱落等しないように保持する。

【0029】

通気性の保持部材５は、外筒４と一体的に形成された外筒４の一部であってもよく、又は外筒４とは別の部品として構成されてロウ付け等によって外筒４に固定されていてもよい。

【0030】

通気性の保持部材５は、本発明の有利な効果を実質的に損なわない限り、特にその形状、材料等については限定されないが、メタル基材１を排ガス浄化装置内で保持し続けるのに十分な剛性、及び排ガスに圧力損失を与えないように高い通気性を有していることが好ましい。

【0031】

保持部材５は、メタル基材を保持できるのであれば外筒４のどの場所に存在していてもよいが、外筒４の排ガス流路の下流側端部に存在していることによって、排ガスから圧力を受けるメタル基材１が、排ガスの下流側に脱落することを防止できることが好ましい。

【0032】

保持部材５は、外筒４の全長の５％以上、１０％以上、１５％以上又は２０％以上の長さを有していてもよく、５０％以下、３０％以下、２０％以下、又は１５％以下の長さを有していてもよい。保持部材５は、外筒４の全長の５％以上５０％以下、又は１０％以上２０％以下の長さであってもよい。

【0033】

保持部材５は、外筒４の内径と実質的に同一の外径を有していることが好ましいが、メタル基材を保持できるのであれば外筒４の径方向の全体にわたって存在している必要はない。

【0034】

例えば、保持部材５は、メタル基材であってもよく、外筒４にロウ付けされていてもよい。この場合、保持部材５のメタル基材は、上記のメタル基材と同一のメタル基材であってもよいが、全く異なるメタル基材であってもよい。したがって、保持部材５のメタル基材には、触媒層が存在していても、存在していなくてもよい。保持部材５として、メタル基材を用いる場合には、従来技術で使われている既存の製造設備及び製造方法によって、外筒４に保持部材５を固定することができるため好ましい。

【0035】

《排ガス浄化装置の製造方法》
本発明の製造方法において言及される排ガス浄化装置の各構成については、本発明の排ガス浄化装置に関して説明した各構成を参照することができる。

【0036】

排ガス浄化装置の製造方法は、薄膜貴金属触媒層を有するメタル基材、及び前記メタル基材を収容している外筒を含む排ガス浄化装置の製造方法であって、前記薄膜貴金属触媒層を有するメタル基材を準備する工程、通気性の保持部材を有する前記外筒を準備する工程、及び前記外筒に前記メタル基材を挿入する工程を含む。

【0037】

薄膜貴金属触媒層を有するメタル基材を準備する工程は、メタル基材用の金属箔に薄膜貴金属触媒層を形成する工程を含むことができる。ここで、メタル基材に薄膜貴金属触媒層を形成するために、貴金属をメタル基材に蒸着によって、薄膜貴金属触媒層を形成することができる。

【0038】

蒸着方法としては、触媒用貴金属の薄膜を形成することができれば特に限定されないが、化学蒸着又は物理蒸着を挙げることができる。その中でも、化学蒸着としては、例えば、プラズマＣＶＤ、原子層堆積（ＡＬＤ）が挙げられる。物理蒸着としては、例えば、スパッタリング、真空蒸着、クラスタービーム蒸着、アークプラズマ蒸着が挙げられる。これらの中でも特に、大量生産の観点から、スパッタリングによって薄膜貴金属触媒層を形成することが好ましい。

【0039】

メタル基材が波箔と平箔との倦回体である場合、薄膜貴金属触媒層を有するメタル基材を準備する工程は、図２に示すように、金属箔を波箔２に加工する工程、波箔２と平らな金属箔である平箔３とを積層させて一緒にロール化された倦回体とする工程をさらに含むことができる。

【0040】

通気性の保持部材を有する外筒を準備する工程は、上述のような通気性の保持部材と外筒とを一体成形して得る工程であってもよく、又は本分野で周知の外筒に上述のような通気性の保持部材を溶接、ロウ付け等によって固定する工程を含んでもよい。

【0041】

外筒にメタル基材を挿入する工程は、外筒の保持部材がある位置にまでメタル基材を押し込む工程であってもよい。本発明の方法においては、外筒にメタル基材を挿入する工程の後に、メタル基材と外筒とをロウ付け等の熱処理によって固定する工程は、不要である。

【符号の説明】

【0042】

１…メタル基材
２…波箔
３…平箔
４…外筒
５…保持部材
１０…排ガス浄化装置

【図1】

【図2】

【手続補正書】

【提出日】2024-01-11

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

薄膜貴金属触媒層を有するメタル基材、及び前記メタル基材を収容している外筒を含む排ガス浄化装置の製造方法であって、
前記薄膜貴金属触媒層を有するメタル基材を準備する第１工程と、
前記メタル基材とは別体として形成された第２メタル基材で構成され、前記メタル基材を保持するための通気性の保持部材を有する前記外筒を準備する第２工程と、
前記外筒に前記メタル基材を挿入する第３工程と、
を順に行い、
前記第１工程が、貴金属触媒の蒸着によって前記薄膜貴金属触媒層を前記メタル基材上に形成する工程を含み、
前記第２工程が、前記外筒に前記通気性の保持部材をロウ付けする工程を含み、
前記第３工程では、前記外筒に前記メタル基材を固定するための熱処理は非包含となっており、前記メタル基材は、前記外筒内に実質的に固定されずに配設される
排ガス浄化装置の製造方法。

【請求項2】

前記保持部材は、前記外筒の排ガス流路の下流側端部に存在している、請求項１に記載の排ガス浄化装置の製造方法。

【請求項3】

前記薄膜貴金属触媒層の厚みが、１００ｎｍ以下である、請求項１又は２に記載の排ガス浄化装置の製造方法。

【請求項4】

前記メタル基材が、波状に加工した金属箔と平らな金属箔との積層体の倦回体である、請求項１～３のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置の製造方法。