三元触媒の素材とは?白金、パラジウム、ロジウムの3種の貴金属を使用【バイク用語辞典:材料編】

■三元触媒で排ガス中のCO、HC、NOxを酸化/還元させて浄化

●ステンレス箔を巻いた筒の内部に触媒作用のある貴金属を塗布して保持

バイクもクルマも排ガス規制に適合するために、排ガス中のCO、HC、NOxを同時に浄化する三元触媒を使います。三元触媒には、メタル触媒とセラミック触媒がありますが、バイクは振動が大きく搭載スペースが限られるため、通常はメタル触媒を使います。

三元触媒を構成するベースの基材(担体)や担持(担体が貴金属を保持すること)する貴金属について、解説していきます。

●ベース基材の材料

触媒搭載マフラー
触媒搭載マフラー

触媒は、触媒を形作る基材である担体と、排ガスを化学反応で浄化する活性成分の貴金属、貴金属を担体に塗布する触媒(アルミナ)コート層で構成されます。担体としてセラミックを使うのがセラミック触媒、メタルを使うのがメタル触媒です。

貴金属を含んだ触媒コート層の表面を排ガスが通過すると、酸化/還元反応によってCO、HC、NOxの有害成分が浄化されます。

触媒の構造
触媒の構造

・セラミック触媒
ハニカム(ハチの巣状)構造の一体型セラミック担体に、貴金属の白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)などの活性成分を含む触媒コート層を塗付。低コストで保温性が良いのでクルマでは主流の触媒です。

・メタル触媒
薄いステンレス鋼の箔をコルゲート状に巻きあげたものを筒状にして、その内面に活性成分の貴金属を含んだ触媒コート層を塗布。搭載スぺースが限られ、振動が大きいバイクでは主流です。

●貴金属

三元触媒の触媒コート層には、触媒活性成分である白金、ロジウム、パラジウムなどの貴金属微粒子が担持されます。この表面を排出ガスが通過すると、COとHCはPtとPdによる酸化反応、NOxはRhの還元反応によって、有害な3成分が同時に浄化されます。

・COの酸化  2CO + O2 → 2CO2

・HCの酸化  4CxHy + (4x + y)O2 → 4xCO2 + 2yH2O

・NOxの還元 2NOx → xO2 + N2

三元触媒が高効率で機能するためには、エンジンの空燃比(吸入空気質量/供給燃料質量)を理論空燃比14.7に設定する必要があります。理論空燃比よりリッチ(濃い)側にずれるとCOとHCの浄化効率が低下し、リーン(薄い)側にずれるとNOxの浄化効率が低下します。

貴金属は希少な金属(レアメタル)であり、特に白金は宝飾用にも使われるために高価で価格変動が大きいため、触媒の価格を上げる要因となっています。貴金属を減らして触媒コストを下げることは、エンジン開発の大きなテーマのひとつです。

●三元触媒のフィードバック制御

三元触媒の浄化機能
三元触媒の浄化機能

上記のように三元触媒を使って排ガスを低減するためには、運転条件が変化しても常に理論空燃比14.7になるように制御しなければいけません。そのための手法として、電子制御噴射弁による空燃比フィードバック制御が採用されます。

フィードバック制御で必要な空燃比の計測は、排気管に装着した酸素(O2)センサーで行います。酸素センサーは、排ガス中の酸素濃度を計測するセンサーで理論空燃比を境に出力が急変します。この出力変化を利用して、空燃比が理論空燃比に対してリッチ(濃い)か、リーン(薄い)かを判定し、燃料噴射量を増減して空燃比を微調整します。


三元触媒は、ガソリンエンジンの排ガス低減に不可欠な機能部品です。材料として求められるのは、低温でも触媒が活性化する速暖性と、高温でも浄化効率を維持する耐熱性です。一方で高コストの部品であり、高価な貴金属量を減らすこと、貴金属を使わない触媒の開発が進められています。

Mr.ソラン