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自動車用触媒
私たちの生活に最も身近な触媒は「排出ガス浄化触媒」でしょう。自動車やバイクをはじめ、水上バイク、草刈機、ゴルフカー、そして自家発電・暖房・給湯などを担うガスエンジンなどの内燃機関には、「排出ガス浄化触媒」が使われています。キャタラーの代表的な製品である自動車用触媒は1970年代に実用化され、今日まで改良が加えられてきました。触媒が塗布されたセラミックフィルターはエンジン付近や床下などに取り付けられているため、一般の方の目には触れないかもしれませんが、エンジンから排気される有害ガスをクリーンにするため、なくてはならない製品です。
私たちの生活に最も密着している触媒は「排出ガス浄化触媒」といっても過言ではありません。自動車やバイクなどの内燃機関(ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービン、ガスエンジンなど) を原動力とする原動機には、必ず「排出ガス浄化触媒」が搭載されています。
代表的な製品である自動車用触媒は1970年代に実用化され、今日まで改良が加えられながら使い続けられています。触媒が塗布されたセラミックフィルターは、エンジン付近や床下など、ふだん目につかない場所に取り付けられているため、一般的には直接目に触れない部品かもしれませんが、エンジンから排気される有害ガスをクリーンにするためには、なくてはならないテクノロジーです。
排出ガス規制
1970年代の高度経済成長期には、工業の発達や自動車の普及などによる大気汚染が進行しました。光化学スモッグによる被害も報告され、国民の大気汚染に対する関心と健康被害への不安が急速に高まっていました。米国では、日本よりもずっと早くから大気汚染が問題となり、1970年12月には、「マスキー法」が成立しました。同法による自動車の排出ガス規制は次のようなものでした。
- 1975年以降に製造する自動車の排出ガス中の「一酸化炭素(CO)」「炭化水素(HC)」の排出量を1970-1971年型の110以下にする
- 1976年以降に製造する自動車の排出ガス中の「窒素酸化物(NOx)」の排出量を1970-1971年型の110以下にする
※1978年、日本では「日本版マスキー法」と呼ばれた「昭和53年排出ガス規制」がスタート。当時、「COが2.1g/km、HCが0.25g/km、NOxが0.25g/km以下」というのは、世界で最も厳しい数値でした。
日本で初めての光化学スモッグ発生
1970年(昭和45年)7月、東京都杉並区を中心に約6,000人が目や喉の痛みを感じ、同区の東京立正高校では生徒40人以上が中毒症状で倒れました。この原因は光化学スモッグと硫酸ミストによる複合汚染と考えられました。その後三鷹市、国立市、埼玉県川口市でも同様の事例が発生し、1,200人以上が被害を受けました。
光化学スモッグ事例
(バングラデシュ ダッカ市)
光化学スモッグとは?
自動車や工場などから排出された窒素酸化物(NOx)や、ガソリンやシンナーなどに含まれる炭化水素(HC)が、太陽の強い紫外線を受け、光化学反応によって、光化学オキシダント(Ox)という新たな物質に変化します。光化学オキシダントは、大気中のHCやNOx濃度が高く、紫外線が強いときに白くモヤがかかったようになります。この現象を「光化学スモッグ」といい、高濃度になると人や植物などへ影響を及ぼします。人体への影響としては「目がチカチカする」「喉が痛い」「呼吸が苦しい」など、目や喉などの粘膜に対するものが報告されています。
有害物質の排出量1100以下
いわゆる「昭和53年排出ガス規制」(1978年)の実施後も規制内容は細かく整備されていきましたが、2000年(平成12年)には大幅な規制強化が行われました(平成12年排出ガス規制)。平成12年規制は、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)、窒素酸化物(NOx)の排出規制値を昭和53年規制値の約70%減としたほか、車載式故障診断(OBD)システムの装備を義務付けました。加えて、低排出ガス車認定制度による減税措置(通称:エコカー減税)が実施されたことにより、乗用車の排出ガスは、1960年代の規制前に比べて、有害物質の排出量を1100以下にまで減らすことが自動車メーカー間で競われました。
マスキー法以降の
世界の排出ガス規制イメージ
横にスワイプ→で表をご覧いただけます。
写真提供:トヨタ自動車
初代プリウス(1997-2003)
「21世紀に間に合いました」(岩崎俊一)のキャッチコピーで発売された世界初の量産ハイブリッド自動車「トヨタ・プリウス」。エンジンと電気モーターという2つの動力源をもつことから、“異なった要素を掛けあわせた” という意味合いの英単語「ハイブリッド」を用いてハイブリッド車(HEV)と呼ばれるようになりました。当時のガソリン車と同等の走行性能を保ち、約2倍の燃費とCO2排出量半減などを実現した21世紀初のエコカーです。
※「CATALER inside」は、株式会社キャタラーの登録商標です。
キャタラーの排出ガス浄化触媒製品
排出ガス浄化触媒はふだん目につかない場所に取り付けられており、うっかりすると見落としてしまうかもしれないですが、排出ガスをクリーンにするためには、なくてはならない部品です。自動車やトラックの車体の床下を見ると、排気口近くにマフラー(消音器)がありますが、その横(前)にあるもうひと回り小さい容器に格納されているのが触媒です。(車種によっては触媒が1つではなく、2つ以上設置されている場合もあります)
- 1ガソリン車用触媒
- 排出ガス中の有害物質(炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物)を、セラミックや金属製のハニカム構造体の穴の中に塗布された触媒による酸化・還元反応によって窒素や水・二酸化炭素に変換。無害成分として排出します。
- 2ディーゼル車用触媒
- フィルタ状素材へ触媒を塗布することにより、排出ガスがフィルタの壁内を通過する際に、炭化水素、一酸化炭素とともにディーゼル車特有の粒子状物質(スス等)も除去します。
- 3二輪車用触媒
- 波形の金属箔と平らな箔を重ね巻きしたハニカム構造体を金属製のパイプと組みつけたメタルハニカム担体を活用。オートバイなどの排出ガスに含まれる有害物質を無害化します。
- 4マリン用触媒
- 陸上だけでなく、水上で使用されるモーターボートや水上オートバイなどのマリンエンジンにもメタルハニカム触媒を搭載。米国の排出ガス規制に対応しています。
- 5汎用エンジン用触媒
- 刈払機・草刈機やチェーンソー、トリマーなど小型エンジンを使用したガーデニング用機器やゴルフカートなどの排出ガス浄化にも使用されています。
PMによる大気汚染と
健康に及ぼす影響
乗用車への対策の一方、トラックやバスなどで使われることの多かったディーゼル車に対する規制は、東京都が1999年に実施した「ディーゼル車NO作戦」による規制強化で一気に前進しました。この規制は、主に黒煙の原因となる粒子状物質(PM)の大幅な削減が求められ、これが、国による2005年の「新長期規制」、そして2009年からの「ポスト新長期規制」につながりました。ガソリン車もディーゼル車と同じく、燃費向上のために直噴による燃料噴射を採用したことにより、PMの発生が懸念されています。
※粒子状物質(PM:Particulate Matter)
粒子状物質(PM)は、工場や自動車、船舶、航空機などから排出されたばい煙や粉じん、硫黄酸化物(SOx)などの大気汚染の原因となる粒子状の物質のことです。粒子の大きさが非常に小さいため、肺の奥深くにまで入り込みやすく、ぜんそくや気管支炎などの呼吸器系疾患や循環器系疾患などのリスクを上昇させると考えられます。
パティキュレート(微粒子捕集)フィルター
排出ガス中に存在するパティキュレート(微粒子)を軽減させる役割を持つフィルターのこと。主に排気管へ装着され、粒子状物質(PM)除去の効果を得ることができます。
ディーゼル車用ディーゼル・パティキュレート・フィルター(DPF)
DPFはディーゼル車から排出される粒子状物質(PM)を取り除くフィルターです。フィルターの開口部の先は行き止まりとなっていて、排出ガスがフィルターの壁内を通過する際に粒子状物質(PM)を除去します。PMがある程度堆積すると加熱燃焼させて高い捕集性能を維持します。
DPF向け触媒
DPFに三元触媒を塗布することで、粒子状物質(PM)と 窒素酸化物(NOx)を同時に浄化することができます。DPFの構造体で、PMを取り除き、フィルターの壁内に塗布した触媒が、通過したガスと接触しNOxも浄化します。
ガソリン車用ガソリン・パティキュレート・フィルター(GPF)
GPFは直噴ガソリンエンジンから排出される粒子状物質(PM)を取り除くフィルターです。欧州では、2014年からガソリン車に対してもPMの排出個数規制が始まり、それを除去するGPFの装着が義務付けられています。
GPF向け触媒
GPFを単純に追加すると、搭載スペースやコストがその分だけ増えてしまいます。キャタラーではGPFに三元触媒の浄化機能を付与した『GPF触媒』の開発を進めています。“エンジン直下” もしくは “床下” の三元触媒と置き換え可能な『GPF触媒』を提供することで、GPFを単純に追加するよりも搭載スペースの縮小(小型化)に加え、コスト減にもつながります。
世界的な気候変動への対策
世界的な気候変動への環境規制として「二酸化炭素(CO2)排出量の削減(=燃費向上)」が各国で強化されています。
各国の削減目標
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中国 | GDP当たりのCO2排出を 2030 年までに 60-65 %削減 (2015年比) ※CO2排出量を2030年までに減少に転じさせ、2060年までにカーボンニュートラルを目指す |
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EU | 2030 年までに 55 %削減 (1990年比) ※2050年までにカーボンニュートラルを達成 |
インド | CO2排出を 2030 年までに 10 億トン削減 (2005年比) ※2070年までにネットゼロ(※)を達成 |
日本 | 2030 年までに 46 %削減 (2013年比) ※2050年までにカーボンニュートラルの実現を目指す |
ロシア | 2050 年までに 60 %に抑制 (2019年比) ※2060年にカーボンニュートラルを達成 |
アメリカ | 2030 年までに 50-52 %削減 (2005年比) ※2050年までにカーボンニュートラルを達成 |
2021年11月現在
出典:全国地球温暖化防止活動推進センターウェブサイト
二酸化炭素排出ゼロの時代へ
前述のとおり、「自動車から排出される二酸化炭素(CO2)排出量を減らさなくてはならない」という考え方が浸透しています。自動車が排出するCO2を減らすということは、簡単に言えば「燃費を向上させる」ことと同じ意味です。自動車販売メーカーに課せられている排出ガス規制は、業界全体でクリアしなければならないミッションです。2050年までに、ICE(内燃機関)を原動力とする自動車の改良をはじめ、さらに燃費性能を高められる「自動車の電動化」により、二酸化炭素(CO2)などの温室効果ガスの排出量ゼロ(※)が求められています。
温室効果ガス排出量実質ゼロ
2019年10月、菅義偉(よしひで)首相は、初の所信表明演説で、二酸化炭素(CO2)などの温室効果ガスの排出量を2050年までに実質ゼロにすると表明しました。「温室効果ガス排出量実質ゼロ」を打ち出しているのは、欧州連合(EU)を始め、全世界の6割に相当する120カ国ほどに上ります。
※『実質ゼロ』とは、排出量から、森林や海洋に吸収される量や人為的に回収する量を差し引いた値をゼロにしようというものです。
写真提供:トヨタ自動車
2代目MIRAI(2020-)
燃料電池電気自動車(FCEV)は、燃料として積んだ水素と空気中の酸素を化学反応させて電気を生み、駆動モーターを動かす電動車です。走行時には水しか排出せず、乗用車で3分ほどの短い充填時間で長い距離が走行可能なことから、「究極のエコカー」と呼ばれています。燃料電池の電極触媒は、燃料電池車の出力向上・水素(H2)の燃費向上を決定する重要材料であり、MIRAIのチカラの素となっています。
※「CATALER inside」は、株式会社キャタラーの登録商標です。