적층 배기 처리 촉매 document_id A220623050791

삼원변환(TWC) 촉매는 자동차 및 다른 휘발유 엔진과 같은 내연 엔진의 배기 처리를 비롯한 다수의 분야에 유용하다. 미연소 탄화수소, 일산화탄소 및 산화질소 오염물의 방출 기준은 여러 정부에 의해 규정되었고, 예를 들어 새로운 자동차에 의해 충족되어야 한다. 그러한 기준을 만족시키기 위해, TWC 촉매를 함유하는 배기 물품을 내연 엔진의 배기가스 라인, 즉, 촉매 변환장치(converter)에 배치한다. TWC 촉매는 배기 가스 중 산소에 의한 미연소 탄소수소 및 일산화탄소의 산화 및 산화질소의 질소로의 환원을 촉진한다. 1994년식 모델을 시작으로, 자동차 제조업체들은 오작동 방출 관련 부품들을 진단 또는 감지하도록 설계된 시스템을 차량에 탑재하도록 요구받고 있다. 이러한 자가 감지 능력을 요구하는 일련의 규정들은 흔히 OBD-I (미국 49개주에 적용되는 On-board Diagnostics-I) 또는 OBD-II(미국 캘리포니아주에 적용되는 On-board Diagnostics-II)로 불린다. OBD 시스템이 진단해야 하는 한 가지 부품이 촉매 변환장치이다. 0.25 g/mi 배기관 탄화수소(tailpipe hydrocarbon; "THC")의 청정공기법(Clean Air Act) 표준을 만족시키는 것으로 보증된 차량에 대해, 캘리포니아주 OBD-II 규정은 THC 방출이 4,000 마일 방출 수준을 기준으로 0.40 g/mi 초과로 증가하는 경우 오작동 촉매 감지(즉, 오작동 기기등("MIL")의 점등)를 요구하고 있다. 미연방 OBD-I 규정도 THC가 0.40 g/mi 초과로 증가하는 경우 MIL이 점등될 것을 요하고 있으나, 이와 함께 THC 방출 한계치(threshold)가 0.60 g/mi을 초과할 수 없다는 것도 명시하고 있다. 내연 엔진은 시간에 따라 화학량론보다 약간 높은 공기/연료("A/F") 비율과 화학량론보다 약간 낮은 비율 사이를 오가는 조성을 갖는 배기가스를 생성한다. A/F 비율이 높아질 경우 산소가 방출되어 미연소 탄화수소 및 일산화탄소를 연소시킬 수 있도록 A/F 비율이 화학량론보다 낮은 때에 산소를 저장하기 위해서, 세리아(Ceria) 및 다른 산소 저장 성분들이 흔히 자동차 촉매 조성물에 포함된다. 따라서 TWC 촉매는 한 면에서 산소 저장 능력을 특징으로 할 수 있다. 그러나 TWC 촉매가 노화됨에 따라서, 그의 산소 저장 능력은 감소하고, 촉매 변환장치의 효율이 감소한다. 이러한 사실을 기초로, 현재 사용되는 OBD 시스템은 선형 공기/연료 비율 센서를 이용한다. 그러한 센서는 전형적으로 배기가스 산소 센서로 불리며, 이하 비가열의 경우 "UEGO", 가열의 경우 "HEGO"라 한다. 전형적으로 UEGO는 촉매의 상류에 위치하고, HEGO 및(또는) UEGO는 촉매의 하류에 위치하여, 촉매의 산소 저장 능력의 직접 측정 평가를 제공할 것이다. 캘리브레이션을 통해, 이러한 촉매의 산소 저장 능력을 평가하는 측정치를 규정된 배기가스 방출물로 변환시키는 촉매 능력, 즉, 촉매의 변환 효율과 연관지을 수 있다. 따라서 촉매 열화를 감시할 수 있다. 구체적으로, 전형적인 방법은 전기화학적 배기가스 센서인 UEGO 및 HEGO를 모두 사용하며, 촉매 열화를 감시하기 위해 이들의 스위칭 특성을 이용한다. 이들 센서는 배기가 화학량론보다 높은지 낮은지를 검출한다. 이 방법은 하나는 촉매의 상류에 위치하고 하나는 촉매의 하류에 위치하는 두 개의 센서의 전압 수준 변화 (스위치, 예를 들어 0.5 볼트)의 횟수의 비율을 측정하는 것에 의존한다. 현재의 촉매 변환장치는 엔진 제어 방법에 사용되는 정상적인 공기/연료 순환을 완화하는 상당한 산소 저장 능력을 갖는다. 따라서 촉매의 상류에 위치한 센서(엔진으로부터의 미처리 배기를 측정)는 배기가스가 낮은 상태에서 높은 상태로 또는 높은 상태에서 낮은 상태로 이동할 때마다 스위치를 기록한다. 그러나 촉매의 하류에 장착된 센서는 상류 센서가 스위치되는 모든 때마다 스위치를 기록하지는 않는데, 이는 촉매의 산소 저장 능력이 A/F 진동을 고르게 하는 인터그레이터(integrator)로서 작용하기 때문이다. 노화로 인한 촉매 열화에 따라 촉매의 산소 저장 능력이 감소하므로, 하류 센서가 보다 많은 스위치를 기록한다. 장기간에 걸친 하류 센서와 상류 센서의 스위칭 전환을 감시하고, 스위칭 전환의 횟수를 비율화함으로써 스위치 비율(switch ratio)이라고 하는 파라미터가 얻어진다. 이 스위치 비율은 촉매의 산소 저장 능력의 척도이다. 이어서 이 스위치 비율을 촉매의 오염물 변환 효율을 결정하는 진단 파라미터로서 사용한다. 여러가지 차량 주문자 생산 방식("OEM")에서 다양한 배기 플랫폼(platform)에 대해 요구되는 산소 저장 능력의 양은 엔진 배기량, 차량 유형, 촉매 부피, 촉매 위치 및 엔진 관리를 포함하는 다수의 요인에 의존하며, 차량 및 그와 결합된 배기 플랫폼의 세부사항에 따라 크게 달라질 수 있다. 그러나 전형적 촉매의 산소 저장 능력의 변경은 촉매의 변환 효율을 비롯한 촉매 특성을 바꿀 수 있다. 자가 진단 감시 요건을 충족시키는 것 외에도, 촉매는 촉매제로서 백금족 금속의 효율적 이용이라는 요건을 충족시켜야 하는데, 이는 이들 금속의 높은 비용 때문이다. 백금족 금속의 사용을 최소화하면서 변환 효율을 최적화하기 위해 사용하는 방법으로는 대역화, 구배 대역화 및 적층된 촉매 조성물의 사용이 포함된다. 층 사용의 예는 미국 특허 제5,597,771호에 개시되었고, 대역의 사용은 동시계류 중인 미국 출원 번호 제09/067,820호 및 WO 92/09848에 기재되어 있다. 백금족 금속과 같은 귀금속을 층 및 대역에 격리하는 것은 개별 귀금속 성분이 작동하는 물리 화학적 환경의 보다 우수한 조절을 허용한다. 예를 들어 귀금속 성분의 촉매적 활성은 종종 특정 촉진제(promotor) 또는 다른 첨가제에 가깝게 인접한 경우에 보다 효과적이다. 다른 경우로서, 저온 시동시에 탄화수소 연소 효율을 향상시키기 위해서는, 미국 특허 제6,087,298호에 개시된 바와 같이 촉매의 선단 대역 또는 상류 대역에서 팔라듐과 같은 특정 촉매제의 농도를 높게 하여, 배기가스가 이들 촉매제와 즉시 접촉하여 이들 오염물의 연소가 저온에서 개시될 수 있게 하는 것이 바람직하다. 촉매 층 및 대역은 전형적으로 적어도 활성 알루미나와 같은 내화성 산화물 지지체 및 백금 또는 팔라듐, 로듐, 루테늄 및 이리듐과 같은 1종 이상의 백금족 금속("PGM") 성분을 함유하는 담층(washcoat) 조성물로부터 형성된다. 촉진제 및 담층 안정화제를 비롯한 다른 첨가제가 흔히 첨가된다. 담층 조성물은 내화성 세라믹 하니콤(honeycomb) 또는 금속 하니콤 구조체를 포함하는 단일체(monolith) 담체 또는 구체 또는 적합한 내화성 재료의 짧은 압출 단편과 같은 내화성 입자 등의 적합한 담체 또는 기재 상에 퇴적된다. 오염물의 최소화 및 내구성 뿐 아니라 자동차 제조업체의 귀금속 사용 조건 및 주어진 차량/배기 플랫폼의 산소 저장 능력에 대한 규정된 요건을 충족시키기 위한 촉매의 최적화는 종종 광범위한 실험을 필요로 한다. 이러한 실험은 촉매 조성물 및 다양한 층 또는 대역 조합의 반복적인 재형성에 이은 성능 시험을 포함할 수 있다. 광범위한 재형성 및 성능 시험이 없이는, 특정 산소 저장 능력 조건을 갖는 하나의 배기 플랫폼의 요건을 성공적으로 충족하는 하나의 촉매의 최종적으로 최적화된 플랫폼을 상이한 산소 저장 능력 조건을 갖는 다른 배기 플랫폼에는 사용할 수 없는 경우가 흔하다. 시간 및 비용을 모두 고려할 때, 촉매의 적응성(adaptability)이 높은 것이 바람직할 것이다. 촉매 성능 및 귀금속 사용에 대해 촉매를 최적화한 후, 이것을 OSC 요건이 모두 상이한 다른 배기 플랫폼들에도 사용할 수 있도록, 성능 요건을 변경하지 않고 촉매의 산소 저장 능력만 변경할 수 있는 것이 특히 바람직할 것이다.