幻の装置：還元触媒の興亡

幻の装置：還元触媒の興亡

排ガス浄化の仕組み

車の排気ガスには、人や環境に悪い成分が含まれています。目には見えないけれど、吸うと体に良くない窒素酸化物もその一つです。この窒素酸化物は、工場や発電所から出る煙や、車が出す排気ガスなどによって発生し、大気を汚染する原因物質となっています。

そこで、排気ガスに含まれるこれらの有害な成分を、人体や環境に無害な物質に変える仕組みが開発されました。それが「還元触媒」と呼ばれる装置です。この装置は、排気管に取り付けられており、排気ガスをきれいにする役割を担っています。まるで、鼻や口から吸い込んだ空気をきれいにするフィルターのような働きです。

還元触媒は、排気ガス中の窒素酸化物を、窒素と酸素に分解します。窒素と酸素は、私たちが呼吸している空気の主成分であり、無害な物質です。つまり、有害な窒素酸化物を、無害な窒素と酸素に変換することで、排気ガスをきれいにしているのです。

この分解反応を助けるために、「触媒」と呼ばれる物質が使われています。触媒は、自身は変化することなく、他の物質の化学反応を速める働きがあります。例えるなら、料理を作る時、材料自体は変わらないけれど、美味しく仕上げるための調味料のようなものです。この触媒のおかげで、少量でも効率的に窒素酸化物を分解することが可能になります。

還元触媒は、常に高温の排気ガスにさらされているため、熱に強い材料で作られています。また、複雑な構造をしていることで、排気ガスと触媒が効率よく接触するように工夫されています。このように、還元触媒は、様々な技術を組み合わせて、排気ガスをきれいにする重要な役割を果たしているのです。

還元触媒の働き

排気ガスをきれいにする装置である還元触媒の働きについて詳しく見ていきましょう。還元触媒は、有害な窒素酸化物を無害な窒素と酸素に分解する重要な役割を担っています。しかし、この分解には、還元物質と呼ばれる助けが必要となります。

還元物質には、一酸化炭素や水素、炭化水素などがあります。これらは、エンジン内で燃料が完全に燃え切らなかった時に発生する未燃焼ガスや、エンジンから排出されるガスの中に含まれています。これらの還元物質が、窒素酸化物から酸素原子を奪い取ることで、窒素酸化物を窒素と酸素に分解するのです。

この分解の過程で、還元物質自身は酸素と結びつき、酸化されます。まるで、窒素酸化物の代わりに自分が酸素と結びつくことで、窒素酸化物を助けているかのようです。そして、この一連の化学反応は、還元触媒の表面で起こります。還元触媒は、自身は変化することなく、反応の速度を速める、いわば化学反応の助っ人役を果たしているのです。

ただし、注意しなければならない点があります。還元反応が過剰に進んでしまうと、窒素酸化物がアンモニアに変化してしまうことがあるのです。アンモニアもまた、大気汚染を引き起こす原因物質となります。そのため、窒素酸化物を効率よく分解しつつ、アンモニアの発生を抑えるためには、適切な量の還元物質を供給することが非常に重要となります。ちょうど良いバランスを保つことで、排気ガスをよりきれいにすることができるのです。

酸化触媒との組み合わせ

排気ガスをきれいにするには、還元触媒だけでは不十分です。還元触媒は、有害な窒素酸化物を無害な窒素と酸素に変換する役割を担っていますが、一酸化炭素や炭化水素の一部は処理しきれずに残ってしまいます。そこで、還元触媒の後ろに酸化触媒を取り付けることで、より徹底的に排気ガスを浄化することができます。

酸化触媒は、その名前の通り、酸素を使って一酸化炭素や炭化水素を酸化させ、二酸化炭素と水に変える装置です。空気中の酸素を利用して化学反応を起こし、有害物質を無害な物質に変換します。還元触媒とは働き方が異なり、酸素を積極的に取り込むことで効果を発揮します。

還元触媒と酸化触媒を組み合わせることで、相乗効果が生まれます。まず、還元触媒で窒素酸化物を処理し、次に酸化触媒で残った一酸化炭素や炭化水素を処理することで、よりクリーンな排気ガスを実現できます。この二つの触媒の間に二次空気を吹き込むことで、酸化触媒に必要な酸素を供給し、酸化反応を促進することができます。二次空気とは、エンジンから排出された排気ガスとは別に、外から取り込んだ新鮮な空気のことです。この新鮮な空気が酸化触媒の働きを活発にし、排気ガスの浄化効率をさらに高めます。

このように、還元触媒と酸化触媒、そして二次空気の組み合わせは、排気ガス浄化にとって重要な役割を果たしています。それぞれの装置が持つ特性を活かすことで、より効果的に有害物質を除去し、大気をきれいに保つことに貢献しています。

アンモニア生成の問題点

窒素酸化物を減らすための装置である還元触媒には、実は困った問題がありました。還元反応が行き過ぎると、窒素酸化物がアンモニアに変わってしまうのです。目指すは窒素酸化物を減らすことなのに、別の物質に変わってしまうのでは困ります。

アンモニアにも困った点があります。それは大気を汚してしまう物質だということです。大気をきれいにするために窒素酸化物を減らそうとしているのに、別の物質で汚染してしまうのでは、何をしているのか分からなくなってしまいます。ですので、できる限りアンモニアが外に出ないようにしなければなりません。

さらに厄介なことに、せっかく還元触媒で窒素酸化物から変化したアンモニアも、酸化触媒を通ると再び窒素酸化物に戻ってしまうのです。還元触媒と酸化触媒はセットで使われることが多いので、せっかくアンモニアまで還元しても、また窒素酸化物に戻ってしまっては意味がありません。まるで堂々巡りのようです。

このようなことから、還元触媒の働きを良くするためには、アンモニアが作られないようにする技術がどうしても必要でした。アンモニアの生成を抑えることで、大気汚染を防ぎ、還元触媒と酸化触媒を組み合わせた効果を最大限に発揮させることができるのです。より効率的に窒素酸化物を減らすためには、アンモニアの生成をいかに抑えるかが重要な課題であり、技術開発の焦点となっていたのです。

三元触媒の登場と衰退

自動車の排気ガス対策の歴史において、三元触媒は画期的な発明でした。初期の排気ガス浄化装置では、還元触媒が主流でした。還元触媒は、排気ガスに含まれる有害物質を減らす効果がありましたが、その効果は限定的でした。窒素酸化物などの有害物質には十分に対応できず、より効果的な浄化方法が求められていました。

そこで登場したのが三元触媒です。三元触媒は、還元触媒とは異なり、窒素酸化物、一酸化炭素、炭化水素という三つの主要な有害物質を同時に浄化することができます。これは、還元触媒と酸化触媒を組み合わせたシステムよりもはるかに効率的です。三元触媒内部の特殊な構造と、白金、パラジウム、ロジウムといった貴金属の働きによって、有害物質は化学反応を起こし、無害な窒素、二酸化炭素、水へと変化します。この優れた浄化性能により、三元触媒は瞬く間に自動車業界の標準となり、還元触媒は次第に姿を消していきました。

還元触媒の研究開発で培われた技術は、無駄になったわけではありません。触媒の素材や構造に関する知見、排気ガスの流れを制御する技術など、還元触媒開発で得られた多くの技術は、三元触媒の開発に活かされました。さらに、現在の排気ガス浄化システム全体の基本的な設計思想にも、還元触媒時代の技術が影響を与えています。三元触媒は、自動車の環境性能を飛躍的に向上させましたが、その陰には、先人たちのたゆまぬ努力と技術の積み重ねがあったと言えるでしょう。現在も、より効率的で環境負荷の少ない触媒の開発は続いており、自動車技術は常に進化を続けています。