JP2014062467A

JP2014062467A - 電気加熱式触媒コンバーター

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Publication number: JP2014062467A
Application number: JP2012206275A
Authority: JP
Inventors: Rentaro Mori; 連太郎森; Sumio Kamiya; 純生神谷; Yasuhiro Tamai; 康博玉井; Hirotaka Sakakibara; 弘貴榊原; Tomohiro Kita; 朋弘北
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2032-09-19
Also published as: JP6015278B2

Abstract

【課題】製造効率を低下させることなく、しかも基材の部位ごとの電気抵抗の相違を精度よく解消することのできる構造を備えた電気加熱式触媒コンバーターを提供する。
【解決手段】円柱状で触媒コート層を備えたハニカム構造の基材１と、基材１の表面であってその直径方向の対向位置に形成された一対の電極端子３，３と、一対の電極端子３，３を繋ぐケーブル５ａと、ケーブル間に介在する電源５ｂとからなる外部回路５とから構成される電気加熱式触媒コンバーター１０であり、基材１の内部のうち、それぞれの電極端子３，３に対応する領域には他方の電極側へ延びて長さの異なる複数のリード電極７Ａ，７Ｂが配されており、電極端子３の中央側に位置するリード電極７Ａから外側に位置するリード電極７Ｂに向かってリード電極の長さが短くなっており、このリード電極の長さの調整によって基材１内の一部もしくは全部の電気抵抗が同一もしくは略同一に調整されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、排ガスの排気系統に配される電気加熱式触媒コンバーターに関するものである。

各種産業界においては、環境影響負荷低減に向けた様々な取り組みが世界規模でおこなわれており、中でも、自動車産業においては、燃費性能に優れたガソリンエンジン車は勿論のこと、ハイブリッド車や電気自動車等のいわゆるエコカーの普及とそのさらなる性能向上に向けた開発が日々進められている。

ところで、車両エンジンとマフラーを繋ぐ排ガスの排気系統には、常温時の排ガスを浄化することに加えて、冷寒時には電気加熱によって触媒を可及的速やかに活性化させて排ガスを浄化する電気加熱式触媒コンバーターが搭載されることがある。この電気加熱式触媒コンバーターは、排ガスの排気系統に配された触媒コート層を備えたハニカム構造の基材にたとえば一対の電極を取り付け、これら一対の電極を電源を有する外部回路で繋いだ構成とし、電極に通電することでハニカム触媒を加熱し、ハニカム触媒の活性を高めてこれを通過する排ガスを無害化するものである（電気加熱式触媒コンバーター（EHC:Electrically Heated Converter））。

上記するハニカム構造の基材は、外形が円柱状を呈しているのが一般的である。これは、EHCが断面円形で中空の車両の排気管内に搭載されることから、搭載性や搭載後の排気管とEHCの固定性、排ガスの流通断面の確保などの観点で優れているのが理由である。

上記する断面円形の基材においては、基材の表面であってその直径方向の対向位置に一対の電極が配設され、この一対の電極を電源が介在するケーブルで繋いだ構成が一般的である。なお、このように、円柱状の基材の表面のうち、直径方向の対向位置に一対の電極が形成された構成のEHCが特許文献１に開示されている。

断面円形の基材を有するこの一般構造のEHCにおいては、基材の断面が円形ゆえに一対の電極間距離が一定とならず、場所によって異なってしまう。具体的には、電極の中心位置は断面円形の直径が電極間距離となって最も長く、電極中心から外側の周方向へいくにつれて電極間距離が短くなっていく。

このように基材の部位ごとに電極間距離が異なることで、基材の部位ごとに電気抵抗が異なることとなり、電極間距離の最も長い電極中心部位で電気抵抗が最も大きくなり、したがって、最も電流が流れ難くなる。

このように、電流の流れ易さが基材の部位ごとで異なることによって基材の昇温が部位ごとに不均一となり、基材に温度ばらつきが生じることになる。

この温度ばらつきに対し、上記特許文献１で開示のEHCは、電極を構成する電極膜の厚みを部位ごとに異ならせることで基材の部位ごとの電気抵抗を相殺し、温度ばらつきを解消しようとするものである。

しかしながら、セラミック粉末やカーボン粉末、溶媒等からなるスラリーを基材表面に塗工し、焼成して電極膜を製作するに当たり、その厚みを部位ごとに変化させて形成するのは高い技量を要し、製造効率が低くなることは明らかである。

そこで本発明者等は、製造効率を低下させることなく、しかも基材の部位ごとの電気抵抗の相違を精度よく解消することのできる構造を備えた電気加熱式触媒コンバーターの発案に至っている。

特開２０１２−９２８２１号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、製造効率を低下させることなく、しかも基材の部位ごとの電気抵抗の相違を精度よく解消することのできる構造を備えた電気加熱式触媒コンバーターを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による電気加熱式触媒コンバーターは、円柱状で触媒コート層を備えたハニカム構造の基材と、前記基材の表面であって該基材の直径方向の対向位置に形成された一対の電極と、一対の電極を繋ぐケーブルと、該ケーブル間に介在する電源とからなる外部回路と、から構成される電気加熱式触媒コンバーターにおいて、前記基材の内部のうち、それぞれの前記電極に対応する領域には他方の電極側へ延びて長さの異なる複数のリード電極が配されており、電極の中央側に位置するリード電極から外側に位置するリード電極に向かってリード電極の長さが短くなっており、このリード電極の長さの調整によって基材内の一部もしくは全部の電気抵抗が同一もしくは略同一に調整されているものである。

本発明の電気加熱式触媒コンバーターは、基材内に長さの異なる複数のリード電極を配設すること、より具体的には、電極の中央側に位置するリード電極から外側に位置するリード電極に向かってリード電極の長さが短くなっている複数のリード電極を配設することで、断面円形の基材における一対の電極間距離が部位ごとに相違するのを解消するものであり、電極膜の厚みを調整等する方法に比して格段に効率的にEHCを製造できるとともに、部位ごとに相違する電気抵抗も精度よく解消することができるものである。

ここで、「電極」とは、電極端子から構成される形態や、電極端子と、該電極端子の周囲の基材の表面に配された電極膜とからなる形態などがある。また、電極端子のみからなる形態においては、電極端子が基材に取付けられる根元位置に外側に張り出した台座を設けた形態などであってもよい。

また、「リード電極」とは、基材内に複数の長さ（基材の円形断面における長さ）の異なる座ぐり溝の内部に、導電性の良好な導電体が形成された構成の電極を意味している。

たとえば、電極が電極膜を具備する形態においては、電極膜を形成する際のペーストを座ぐり溝に注ぎ込んで焼成することで導電体を形成することができる。また、電極端子のように、予め座ぐり溝に収容される形状および寸法で製作された電極体を座ぐり溝に挿入することで座ぐり溝内に電極体を配設することもできる。

また、「基材内の一部もしくは全部の電気抵抗が同一もしくは略同一に調整されている」のうち、「基材内の一部もしくは全部の電気抵抗」とは、断面円形の基材の全部の電気抵抗が同一となるように、円形断面の中央位置からその側方に間隔を置いて円形断面の端部位置までリード電極が配設されている形態や、たとえば一定の幅の電極膜がその中心位置に電極端子を配した状態で基材表面に配設されている場合に、電極膜の幅の中で間隔を置いて複数のリード電極が配設されている形態などを含んでいる。また、「電気抵抗が略同一」とは、円形断面の所望範囲において電気抵抗が完全に同一とならなくても、電気抵抗がたとえば10%程度の誤差で相違している場合でも基材の所望範囲における温度上昇がほぼ均一になる場合には、この誤差による相違を「略同一」とするものである。

また、電極体は基材の体積抵抗率よりも小さな体積抵抗率を有しているのが好ましい。この形態によれば、リード電極が発熱体とならないように調整することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の電気加熱式触媒コンバーターによれば、断面円形の基材内に長さの異なる複数のリード電極を配設し、より具体的には、電極の中央側に位置するリード電極から外側に位置するリード電極に向かってリード電極の長さが短くなっている複数のリード電極を配設した構成によって、基材内の一部もしくは全部の電気抵抗を効率的かつ容易に同一もしくは略同一に調整することができる。そして、このことによって基材の部位ごとの電気抵抗を相殺し、温度ばらつきを解消することができるものである。

本発明の電気加熱式触媒コンバーター（EHC）の実施の形態１を説明した模式図である。図１のII−II矢視図である。図１のIII−III矢視図であって、形成される電気抵抗を模擬した図である。（ａ）は印加電流の流れを説明した斜視図であり、（ｂ）は印加電流の流れを説明した断面図である。電気加熱式触媒コンバーター（EHC）の実施の形態２を説明した模式図である。電気加熱式触媒コンバーター（EHC）の実施の形態３を説明した模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の電気加熱式触媒コンバーターの実施の形態を説明する。なお、図示例は、電極が電極端子と電極膜とから構成される形態を示しているが、電極が電極端子のみからなる形態であってもよいことは勿論のことである。

（電気加熱式触媒コンバーターの実施の形態１）
図１は、本発明の電気加熱式触媒コンバーター（EHC）の実施の形態１を説明した模式図であり、図２は図１のII−II矢視図であり、図３は図１のIII−III矢視図であって、形成される電気抵抗を模擬した図である。

図示する電気加熱式触媒コンバーター１０は、排ガスの排気系統、より具体的には、不図示のエンジン、電気加熱式触媒コンバーター１０（EHC）、不図示の三元触媒コンバーター、および不図示のサブマフラーとメインマフラーが順に配され、相互に系統管で繋がれている排気系統内に組み込まれるものである。エンジンを始動させた際に、可及的速やかに電気加熱式触媒コンバーター１０を構成する貴金属触媒を所定温度まで加熱昇温し、エンジンから流通してくる排ガスをこの貴金属触媒にて浄化し、電気加熱式触媒コンバーター１０で浄化しきれなかった排ガスはその下流に位置する三元触媒浄化装置にて浄化されるようになっている。

電気加熱式触媒コンバーター１０は、金属製の外管６（金属ケース）、外管６の中空に不図示のマット（保持材）を介して固定され、不図示の触媒コート層をセル壁１ａの表面に具備するハニカム構造の基材１、基材１の表面に配設されて一対の電極を構成する電極膜２，２とその内側に配設された電極端子３，３、それぞれの電極端子３，３に装着された外部電極４，４と外部電極４，４間を繋ぐケーブル５ａおよびケーブル５ａの途中に介在する電源５ｂからなる外部回路５、からその全体が大略構成されている。

外管６はその内部に発熱性の基材１を収容できる中空を有する筒状を呈しており、収容される基材１は円柱状であり、不図示のマットによって相互に相補的な形状（相似円形状）の外管６に対して基材１は強固に固定される。

基材１は、SiCやSiC/Siの2元素系の複合材料の焼成体などから構成され、さらには、以下で説明する新規の複合材料から構成できる。また、基材１には多数のセル壁１ａからなるハニカム構造の排ガス流路が形成され、セル壁１ａには不図示の触媒コート層が形成されている。この触媒コート層は、アルミナ(Al₂O₃)等の酸化物にパラジウム(Pd)やロジウム(Rh)、白金(Pt)等の白金族元素や白金族元素化合物、あるいはそれ以外の貴金属やその化合物をアルミナやセリアジルコニア系の複合酸化物（CeO₂−ZrO₂）に担持させ、これをアルミナゾルや水とともに調整してなるスラリーを基材骨格に対し、含浸法やイオン交換法、ゾルゲル法、ウォッシュコート法などを適用して形成したものである。

排ガスの排気系統の上流側から流下してきた（Ｘ方向）排ガスは、多数のセル壁１ａから構成された排ガス流路を流通する過程で貴金属触媒の活性によって浄化され、浄化された排ガスは電気加熱式触媒コンバーター１０から排気系統の下流側に流通していく。

基材１の表面のうち、直径方向に位置する上下一対の電極形成箇所には電極膜２が形成され、電極膜２に開設された開口２ａを介して電極端子３が基材１の表面に固定されている。具体的には、電極端子３の下面を基材１の曲率を有する曲面に形成しておき、電極端子３と同組成のセラミックペーストをこの下面と基材１の界面に塗工し、焼成することによって、セラミック素材の基材１と電極端子３が接合される。なお、電極端子３の抵抗は、基材よりも低く、熱膨張係数は基材１と同程度であるのが望ましい。

電極端子３には外部電極４が装着され、上下２つの外部電極４，４に電源５ｂが介在するケーブル５ａが繋がれて外部回路５を形成している。

ここで、基材１における電流パスの概要を図４を参照して説明する。図４(ａ)は印加電流の流れを説明した斜視図であり、図４(ｂ)は印加電流の流れを説明した断面図である。エンジン始動の際に電源５ｂをON制御すると、基材１の中央に位置する電極端子３，３に通電され（Ｙ１方向）、図４(ｂ)で示すように基材１の断面内の直径経路を流れるパス（Ｙ５方向）と、電極端子３の周囲の電極膜２を介して（Ｙ２方向）基材１の断面内を直線的に流れ（Ｙ６方向）、対向する側の電極膜２を介して（Ｙ３方向）対向する電極端子３に流通する（Ｙ４方向）パスが形成される。

このように、電極膜２は、電流の拡散機能を有しており、基材１全体における可及的に均等な通電を図り、等量電流の拡散と整流を図るものである。

なお、外管６と基材１の間に介層される不図示の絶縁性のマットは、絶縁性のほかにも耐熱性や強度に優れたアルミナ等を素材とするセラミックス繊維シートから形成することができる。

しかし、図４(ｂ)から明らかなように、断面円形の基材１内で形成される電流パスは部位ごとにパス長さが相違しており（基材１の中央位置のパス長さが最も長く、その径方向外側へいくにつれてパス長さが短くなる）、このことは、部位ごとに電気抵抗が相違していることを意味している。そして、この電気抵抗の相違に起因して基材１内における昇温が均一に制御できないという問題が生じ得る。

そこで、図示する電気加熱式触媒コンバーター１０では、図２、３で示すように、基材１内において、電極端子３の近傍位置には長さの長い（長さ：t1）のリード電極７Ａを配設し、それよりも外側には相対的に長さの短いリード電極７Ｂをリード電極７Ａから所定の間隔を置いて配設し、これら複数の長さの異なるリード電極７Ａ，７Ｂによって、電極膜２の左右端部より内側の領域Ａ（図３参照）において、全ての部位で電極間距離をt3に統一し、この電極間距離t3で形成される電気抵抗Rを同一のものとなるように調整している。なお、調整対象の領域は図示例の領域Ａに限定されるものではなく、基材１の円形断面の全断面であってもよい。また、リード電極の配設位置や基数も図示例に何等限定されるものではない。

ここで、リード電極７Ａ，７Ｂは、座ぐり溝７ａとここに収容される電極体７ｂから構成されている。

その形成方法は、基材１の製作段階で各部位に対応した長さの複数（図示例では４つ）の座ぐり溝７ａを予め形成しておき、電極膜２を形成する際のペーストを座ぐり溝７ａに注ぎ込んで焼成することにより、電極体７ｂを形成することができる。また、予め座ぐり溝７ａに収容される形状および寸法で製作された電極体７ｂを座ぐり溝７ａに挿入することで、座ぐり溝７ａ内に電極体７ｂを形成することもできる。

なお、リード電極が発熱体とならないようにするべく、電極体７ｂは基材１の体積抵抗率よりも小さな体積抵抗率を有しているのが望ましい。

（電気加熱式触媒コンバーターの実施の形態２）
図５は電気加熱式触媒コンバーター（EHC）の実施の形態２を説明した模式図である。同図で示す電気加熱式触媒コンバーター１０Ａは、抵抗の異なる２種類の電極膜２Ａ，２Ｂから電極膜を形成したものであり、電極端子３側の中央側の電極膜２Ａを相対的に低抵抗の電極膜としたものである。なお、図面から明らかでないが、中央側の電極膜２Ａの両側にそれぞれ電極膜２Ｂが配設された３帯構造の電極膜となっている。

電流が流入および流出してくる電極端子３側の電極膜２Ａをその外側の電極膜２Ｂに比して相対的に低抵抗に調整したことにより、電流の広範囲への拡散を促進することができる。

電気加熱式触媒コンバーター１０Ａでは、基材１の内部に形成された不図示の複数のリード電極と図示する電極膜２Ａ，２Ｂの双方の構成によって基材１の所望範囲における電気抵抗の均一化が図られるものであり、また、このような均一化が図られるように、電極膜２Ａ，２Ｂの抵抗値や複数のリード電極のそれぞれの長さの調整がおこなわれる。

（電気加熱式触媒コンバーターの実施の形態３）
図６は電気加熱式触媒コンバーター（EHC）の実施の形態３を説明した模式図である。図示する電気加熱式触媒コンバーター１０Ｂでは、中央の電極膜２Ｃから放射方向にテーパー状に大寸法となるように２つの電極膜２Ｄ，２Ｅを電極膜２Ｃの両側に配設したものである。

この電極膜構成では、電流が、基材中心部を流れる電流パスと、陽極から基材側面を放射線上に流れ、基材の内部を流れ、陰極に向けて基材側面を流れるパスとの合成抵抗にて各部の電気抵抗が決定される。なお、図示する電気加熱式触媒コンバーター１０Ｂにおいても、基材１の内部に形成された不図示の複数のリード電極と図示する電極膜２Ｃ，２Ｄおよび２Ｅの双方の構成によって基材１の所望範囲における電気抵抗の均一化が図られるものであり、また、このような均一化が図られるように、電極膜２Ｃ，２Ｄおよび２Ｅの抵抗値や複数のリード電極のそれぞれの長さの調整がおこなわれる。

電気加熱式触媒コンバーター１０Ｂによれば、中心から放射線状に徐々に伝熱しながら、基材１の均等加熱を図ることができる。

また、図示を省略するが、電極端子３の根元の周囲に不図示の台座を配設し、電極端子３と台座の双方の下面が基材の曲率を備えていて、これらの下面と基材１の表面の界面に電極膜と同素材のペーストを介して接合する形態であってもよい。

また、基材１と電極端子３の間の高い接合強度を得るために、基材１の電極端子３取付け箇所に不図示の座ぐり部を設け、この座ぐり部に電極端子３の下端を収容して双方を接合する形態であってもよい。なお、この形態においては、電極端子３と座ぐり部の底面との接合に関し、基材１にはハニカム構造を反映した凸凹が存在することから、ペーストを座ぐり部に充分に充填し、かつ界面に均一分散させた後に接合することで、界面での接合強度を効果的に向上させることができる。また、この形態による構造では、座ぐり部の側面にて電極端子３の側面を支持できることから、接合部の曲げ強度の向上にも繋がる。さらに、電極端子３に凸凹を形成して座ぐり部と接合させることにより、電極端子３の軸方向の回転応力への強度向上を図ることができるとともに、座ぐり部と電極端子３の接合面積がさらに拡大することで、引張強度や曲げ強度が同時に向上する。

また、SUS板、円柱SUSリード、角柱SUSリードなどの不図示の外部リードが電極端子３の端面に設けられたスリットや座ぐり溝に取付けられた形態の電極であってもよい。電極端子３と外部リードとは、ロウ材を用いて接合することができるが、形成された接合部が約700(℃)以上に曝されることに鑑み、ロウ材はその温度域で耐熱性のあるAg-Cuロウ材（例えば、Bag8（Ag-Cu)、TKC711（Ag-Cu-Ti)）を用いるのがよい。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…ハニカム構造の基材、１ａ…セル壁、１Ａ…分割体、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ…電極膜、３…電極端子、４…外部電極、５…外部回路、５ａ…ケーブル、５ｂ…電源、６…外管（金属ケース）、７Ａ，７Ｂ…リード電極、７ａ…座ぐり溝、７ｂ…電極体、１０，１０Ａ，１０Ｂ…電気加熱式触媒コンバーター（EHC）

Claims

円柱状で触媒コート層を備えたハニカム構造の基材と、
前記基材の表面であって該基材の直径方向の対向位置に形成された一対の電極と、
一対の電極を繋ぐケーブルと、該ケーブル間に介在する電源とからなる外部回路と、から構成される電気加熱式触媒コンバーターにおいて、
前記基材の内部のうち、それぞれの前記電極に対応する領域には他方の電極側へ延びて長さの異なる複数のリード電極が配されており、電極の中央側に位置するリード電極から外側に位置するリード電極に向かってリード電極の長さが短くなっており、このリード電極の長さの調整によって基材内の一部もしくは全部の電気抵抗が同一もしくは略同一に調整されている電気加熱式触媒コンバーター。
前記リード電極は、基材に形成された座ぐり溝と、該座ぐり溝に収容された電極体から構成されている請求項１に記載の電気加熱式触媒コンバーター。
前記電極体は前記基材の体積抵抗率よりも小さな体積抵抗率を有している請求項１または２に記載の電気加熱式触媒コンバーター。
前記リード電極は、導電性スラリーを座ぐり溝に流し込み、焼成して前記電極体を製造する方法、もしくは、導電性スラリーを焼成して前記電極体を製作し、該電極体を座ぐり溝に収容する方法、のいずれか一方の方法で形成されている請求項２または３に記載の電気加熱式触媒コンバーター。
前記電極が電極端子からなる請求項１〜４のいずれかに記載の電気加熱式触媒コンバーター。
前記電極は、電極端子と、該電極端子の周囲の基材の表面に配された電極膜とからなる請求項１〜４のいずれかに記載の電気加熱式触媒コンバーター。