JP2016198735A - 電気加熱式触媒 - Google Patents

Abstract

【課題】電極の端部が位置する触媒担体の外周壁の部分において、熱膨張又は熱収縮が繰り返された場合に強度の低い領域に局所的な応力の集中が生じてしまうことを抑制する。【解決手段】通電することにより加熱される電気加熱式触媒１は、触媒貴金属を担持する触媒担体２と、触媒担体の外周面上に配置された一対の電極３ａ、３ｂとを具備する。触媒担体はその軸線方向に対して垂直な断面において、格子状のセル壁によって画成された複数のセルを有する。複数のセルは、セル壁を介して互いに隣接して配置される。触媒担体の最外周よりも内側に位置するセルと、触媒担体の最外周に位置するセルのうち電極の端部が位置するセルを含む連続した二以上のセルとが、同一の多角形状の断面を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電気加熱式触媒に関する。

従来、内燃機関の排気通路に設置される排気浄化装置として、電気加熱式触媒（ＥＨＣ：Electrically Heated Catalyst）を用いたものが公知である（例えば、特許文献１）。電気加熱式触媒は、内燃機関始動時等、その温度が低いときに、触媒担体に電気を流すことによって触媒を急速に加熱することができる触媒である。電気加熱式触媒は、その温度が活性化温度以上に上昇することにより、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等を除去することができる。特許文献１に開示された電気加熱式触媒は、電流が流されることにより発熱する触媒担体と、触媒担体の外周面上に触媒担体を挟むように互いに反対側に設置された一対の電極とを有する。

また、触媒担体は、通常、その外周が円筒状に形成され、その内部に排気ガスの流れる通路である複数のセルを有する（例えば、特許文献１、２）。各セルは、軸線方向に対して垂直な断面において格子状のセル壁によって画成されており、そのセル壁を介して同一の多角形状の複数のセルが互いに隣接して配置される。

特開２０１３−１９８８８７号公報 特開平５−２６９３８８号公報 特開平６−１８２２２４号公報 特開２００９−０５０８４９号公報

上述したように構成された電気加熱式触媒の円筒状の触媒担体では、その最外周よりも内側に位置するセルは、触媒担体の軸線方向に対して垂直な断面において同一の多角形状を有する。これらセルは、例えば正六角形のような所定の同一の多角形状を有するようにセル壁によって形成される。これに対し、触媒担体の最外周に位置するセルは、上述したような所定の多角形状のセルと、触媒担体の外周壁に空間が制限されてしまうことによりその多角形状が保たれていないセルとを有する。なお、本明細書においては、上述した所定の多角形状のセルのことを完全セルと称し、触媒担体の最外周に位置し且つ触媒担体の外周壁によって空間が制限されて多角形状が保たれていないセルのことを不完全セルと称する。

斯かる電気加熱式触媒において、触媒担体は、昇温されると全体的に膨張し、降温されると全体的に収縮する。特に、このような昇温及び降温に伴って、触媒担体の外周壁が最も大きく膨張及び収縮する。

触媒担体の外周壁のうち完全セルを画成する部分の周方向長さは、完全セルの多角形の一辺に相当する長さとなるため、それほど長くはない。加えて、斯かる完全セルを画成する外周壁の部分は、幾何学構造上強度が高い。このため斯かる外周壁に上述した熱膨張又は熱収縮が生じても、この熱膨張又は熱収縮によって触媒担体に生じる応力は基本的に強度上問題とはならない。

これに対し、不完全セルを画成する外周壁の部分の周方向長さは、完全セルの多角形の一辺に相当する長さより長い場合がある。加えて、不完全セルを画成する外周壁の部分は、幾何学構造上においてそれほど強度は高くない。このため、不完全セルを画成する外周壁の部分は、完全セルを画成する外周壁の部分と比較して強度が低くなる。斯かる不完全セルを画成する外周壁の部分において、熱膨張又は熱収縮が繰り返された場合、局所的な応力の集中を招くおそれがある。

特に、電気加熱式触媒の電極の端部が強度の低い不完全セル上に位置する場合、この電極の端部が位置する外周壁の部分は不完全セルを画成するように構成されており、よってこの外周壁の部分では応力の集中を招くおそれがある。つまり、不完全セルの一辺を画成する外周壁の部分において、その上に電極が配置される領域は電極から電流が流されることによって直接的に昇温されて急速に膨張する。これに対して、その上に電極が配置されていない領域は電極から電流が流れにくいため昇温されにくく、よって電極が配置される領域と比較して膨張が緩やかになる。これによって、強度の低い不完全セルの外周壁において、その表面上に電極が配置された部分と配置されていない部分との間に大きな応力が集中してしまうおそれがある。

そこで、かかる課題に鑑みて、本発明の目的は、電極の端部が位置する外周壁の部分において、熱膨張又は熱収縮が繰り返された場合に強度の低い領域に局所的な応力の集中が生じてしまうことを抑制することができる電気加熱式触媒を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明によれば、通電することにより加熱される電気加熱式触媒であって、触媒貴金属を担持する触媒担体と、触媒担体の外周面上に配置された一対の電極とを具備し、触媒担体はその軸線方向に対して垂直な断面において、格子状のセル壁によって画成された複数のセルを有し、複数のセルが、セル壁を介して互いに隣接して配置されており、触媒担体の最外周よりも内側に位置するセルと、前記触媒担体の最外周に位置するセルのうち、電極の端部が位置するセルを含む連続した二以上のセルとが、同一の多角形状の断面を有する、電気加熱式触媒が提供される。

第１の発明によれば、電極の端部が位置する外周壁の部分において、熱膨張又は熱収縮が繰り返された場合に強度の低い領域に局所的な応力の集中が生じてしまうことを抑制する電気加熱式触媒を提供することができる。

本発明に係る電気加熱式触媒の概略的な斜視図である。 図２（Ａ）は、図１の電気加熱式触媒の電極の端部が位置する外周壁周りの部分断面図であり、図２（Ｂ）はその斜視図である。 図３（Ａ）は、不完全セルの一辺を画成する外周壁上に電極の端部が位置する従来の電気加熱式触媒を示した、図２（Ａ）と同様な部分断面図であり、図３（Ｂ）はその斜視図である。 図４（Ａ）は、本発明の第二実施形態に係る電気加熱式触媒の図１と同様な斜視図であり、図４（Ｂ）は、その電極の端部が位置する外周壁周りの部分断面図である。 図５（Ａ）は、本発明の第三実施形態に係る電気加熱式触媒の図１と同様な斜視図であり、図５（Ｂ）は、その電極の端部が位置する外周壁周りの部分断面図である。 図６（Ａ）は、本発明の第四実施形態に係る電気加熱式触媒の電極の端部が位置する外周壁周りの、図２（Ａ）と同様な部分断面図であり、図６（Ｂ）はその斜視図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。全図面に亘り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

まず、図１及び図２を参照して、本発明の第一実施形態に係る電気加熱式触媒１の構成について説明する。図１は本発明に係る電気加熱式触媒１の概略的な斜視図である。図２（Ａ）は、図１の電気加熱式触媒１の電極の端部が位置する外周壁周りの部分断面図であり、図２（Ｂ）はその斜視図である。

電気加熱式触媒１は、内燃機関から排出される排気ガスが通る排気通路（図示せず）内に配置される。電気加熱式触媒１は、図１及び図２に示されるように、触媒貴金属を担持する触媒担体２と、触媒担体２の外周面上に配置された一対の電極３ａ及び３ｂとを有する。一対の電極３ａ及び３ｂは、触媒担体２を挟むように、触媒担体２を介して互いに反対側の位置に配置される。電気加熱式触媒１は、金属製のハウジング（図示せず）で覆われており、金属製のハウジングと電気加熱式触媒１との間には、絶縁性材料からなる保持マット（図示せず）が配置されている。この保持マットは、ハウジング内で電気加熱式触媒１を定位置に保持すると共に、昇温された電気加熱式触媒１を保温する機能も有する。

触媒担体２は、その内部を排気ガスが流れる複数のセル４を有する。本実施形態では、セル４は、格子状のセル壁５によって六角形に画成されており、排気ガスの流れ方向において触媒担体２の上流側端面２ａから下流側端面２ｂへと触媒担体２を貫通して延びる。本実施形態では、触媒担体２の材料としては、ＳｉＣが用いられる。しかしながら、電流を流すと発熱する耐熱性のある材料であれば、触媒担体２の材料としてＳｉＣ以外の材料を用いてもよい。触媒担体２には触媒貴金属が担持される。このため、電気加熱式触媒１は、触媒担体２の温度がその活性温度（例えば、３００℃）以上になると排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を除去する三元触媒として機能するように形成される。なお、電気加熱式触媒１は、一定以上の温度で排気ガス中の成分を除去等することができれば、ＮＯｘ選択還元触媒等、様々な機能を有する排気浄化触媒として形成されてもよい。

電極３ａ及び３ｂは、電気加熱式触媒１の外部に配置された外部電源（図示せず）と接続されており、外部電源により電極３ａ及び３ｂを介して触媒担体２に電流が流されると、触媒担体２が発熱する。これにより、内燃機関の始動時等、触媒担体２の温度が低いときに、排気ガスによる昇温よりも触媒担体２を急速に昇温することが可能となる。このため、触媒担体２に担持されている触媒貴金属をより速く活性温度まで昇温することができる。この結果、触媒担体２の温度が低いときでも、排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物等を早期に除去することが可能となる。

図２（Ａ）に示されるように、各セル４は、触媒担体２の軸線方向に対して垂直な断面において、格子状のセル壁５によって正六角形に画成される。これら複数の正六角形のセル４は、セル壁５を介して互いに隣接して配置される。上述したように、本明細書においては、正六角形のセルのような、所定の多角形状のセルのことを完全セルと称する。完全セルの断面形状は、正五角形、正七角形等、正六角形以外の多角形状であってもよい。

図２（Ｂ）に示されるように、本実施形態においては、触媒担体２を構成するセル４のうち、触媒担体２の最外周に位置するセル４１と、触媒担体２の最外周よりも内側に位置するセル４２とが、共に同一の正六角形の断面を有する完全セルとして構成される。すなわち、触媒担体２を構成する全てのセルは完全セルとして構成され、よって触媒担体２の外周壁は、その全周に亘って、触媒担体２の最外周に位置するいずれかの完全セルを画成する。したがって、電極３ａ及び３ｂは完全セルの一辺を画成する外周壁上に配置されることとなる。これにより、図２（Ｂ）に示すように、電極３ａの端部３１は、完全セル４１の一辺を画成する外周壁４５上に位置することとなる。

また、本実施形態では、触媒担体２の最外周に位置するセルの全てが同一形状の完全セルで形成されているため、触媒担体２の外周壁には凹部が形成される。例えば、図２に示した例では、触媒担体２の最外周に位置するセル４１のうち３つの連続した完全セル４１ａ、４１ｂ、４１ｃを画成する触媒担体２の外周壁には、図２（Ａ）に示されるような凹部が形成される。なお、凹部は、図２（Ａ）に示した例では三つの連続した完全セルを画成する外周壁によって形成されているが、二つ、又は四つ以上の連続した完全セルを画成する外周壁によって形成されてもよい。

次に、このように構成された電気加熱式触媒１による作用・効果について説明する。図３（Ａ）は、不完全セル６の一辺を画成する外周壁６５上に電極１０３ａの端部１３１が位置する従来の電気加熱式触媒１０１を示した、図２（Ａ）と同様な部分断面図であり、図３（Ｂ）はその斜視図である。従来の電気加熱式触媒１０１の触媒担体１０２においては、図３に示すように、触媒担体１０２の最外周に位置するセルとして、触媒担体１０２の円筒状の外周壁によって空間が制限されて完全セル４の六角形状が保たれていない不完全セル６が存在する。不完全セルを画成する外周壁の中には、図２に示す完全セル４１の多角形の一辺に相当する長さｄ１よりも長い外周壁が存在する。例えば、図３に示した例では、不完全セル６の一辺を画成する外周壁の長さｄ２は、図２に示した完全セル４１の一辺を画成する外周壁の長さｄ１よりも長い。したがって、図３に示した不完全セル６の外周壁は、図２に示す完全セル４１ａ〜４１ｃを画成する外周壁と比較して強度が低くなる。

斯かる強度の低い不完全セル６の一辺を画成する外周壁の部分６５上に電極１０３ａの端部１３１が位置する場合、上述したように外周壁６５において、応力の集中の影響がより大きくなるおそれがある。つまり、不完全セル６の一辺を画成する外周壁の部分６５において、表面上に電極１０３ａが配置された領域６７は電極１０３ａから電流が流されることによって昇温されて急速に膨張する。これに対して、表面上に電極１０３ａが配置されていない領域６８には電極１０３ａから電流が流れにくいため、表面上に電極１０３ａが配置された領域６７と比較して膨張が緩やかとなる。これによって、強度の低い不完全セル６の外周壁の部分６５において、電極１０３ａが配置された領域６７と配置されていない領域６８との間に大きな応力が集中してしまうおそれがある。特に、触媒担体１０２が昇温及び降温されると、触媒担体１０２全体のうちその外周壁が最も大きく膨張及び収縮することから、不完全セル６の外周壁の部分６５には大きな応力が集中し易い。

これに対し、図２で説明した本発明の第一実施形態に係る電気加熱式触媒１においては、電極３ａの端部３１が、不完全セルと比較して強度の高い完全セル４１ａを画成する外周壁４５に位置する。また、また、完全セルを画成する外周壁の部分４５の長さｄ１は、上述したような不完全セルを画成する外周壁の部分６５の長さｄ２ほど長くなることはなく、よって斯かる完全セルを画成する外周壁は、幾何学構造上強度が高い。この結果、本実施形態に係る電気加熱式触媒１では、上記のような応力の集中は強度上問題とはならない。

なお、本実施形態では、触媒担体２の最外周に位置するセルの全てが同一形状の完全セルで形成されている。しかしながら、その表面上に電極３ａの端部３１が位置する外周壁４５の部分によって画成されるセルと、それに隣接するセルとの少なくとも二つのセルが完全セルであれば、上述したような強度の低い部分への応力集中を抑制することができる。したがって、触媒担体２の最外周よりも内側に位置するセル４２と、触媒担体２の最外周に位置するセルのうち電極３ａの端部３１が位置するセルを含む連続した二以上のセルとが、同一の多角形状の断面を有する完全セルであれば、上述したような効果を奏するといえる。

また、外周壁のうちその表面上に電極３ａ及び３ｂが配置される部分においては、電極３ａ及び３ｂと触媒担体２との材料の違いにより、熱による電極３ａ、３ｂの膨張・収縮量と、熱による触媒担体２の膨張・収縮量とが異なる。このためその表面上に電極３ａ、３ｂが配置されるセル４においては、このような膨張・収縮量の差により、触媒担体２に大きな熱応力が生じるおそれがある。したがって、図３で従来技術として示したように、外周壁の一部が不完全セルを画成するように構成されている場合には、この外周壁の一部の強度が低いことから、このような熱応力の発生が特に問題となる。

これに対して、本実施形態の電気加熱式触媒１では、触媒担体２の最外周に位置するセルが全て完全セルによって構成される。このため、電極３ａ及び３ｂが位置する触媒担体２の外周壁は、全て完全セルを画成するように構成される。このため、電極３ａ及び３ｂを形成する材料と触媒担体２とを形成する材料の違いによって熱膨張又は熱収縮によって生じる熱応力は、強度の高い完全セルを画成する外周壁にのみ作用することとなり、強度上問題とはならない。

さらに、図１に示した本発明の第一実施形態のように、全てのセルを完全セルとした場合、触媒の浄化効率を向上させることが可能となる。不完全セルは完全セルと比較して断面積が小さいため、不完全セル内のセル壁５に対して触媒貴金属を塗布するのが困難であり、触媒貴金属は十分に塗布されない。これに対し完全セルは、不完全セルと比較して断面積が大きいため、完全セル内のセル壁５内面に対して触媒貴金属を塗布するのが容易であり、触媒貴金属が十分に塗布される。したがって不完全セル内の温度は完全セルよりも低くなり、電気加熱式触媒１の触媒活性を低下させてしまう。よって図１に示すように、不完全セルをなくし、完全セルのみとすれば、触媒担体２内の温度を均一化し、触媒の浄化効率を向上させることが可能となる。

また、触媒担体２の最外周に不完全セルが位置すると、電極３ａ、３ｂに供給された電力の一部は触媒活性の低い不完全セルを画成する外周壁を昇温させるのに使用されることになる。これに対して、本実施形態では、不完全セルが存在しないことから、上述したように無駄に消費されていた電力を削減することができるという効果を奏する。さらに、触媒担体２の外周壁が全て完全セルを画成する外周壁であるため、より高温となる完全セルを画成する外周壁に対して、保持マット（図示せず）を直接押しあてることが可能となり、触媒担体２の保温性を向上させるという効果も奏する。これに対して、図３で示す従来技術においては、保持マットが、完全セルよりも温度の低い不完全セルを画成する外周壁に対しても押しあてられてしまうため、触媒担体１０２の保温性は本願発明よりも低下する。

次に、図４を参照して、本発明の第二実施形態について説明する。図４（Ａ）は、本発明の第二実施形態に係る電気加熱式触媒２０１の図１と同様な斜視図であり、図４（Ｂ）は、その電極２０３ａ及び２０３ｂの端部２３１が位置する外周壁周りの部分断面図である。本実施形態に係る電気加熱式触媒２０１の構成は、以下に説明する部分を除いて基本的に図１及び図２で説明した第一実施形態に係る電気加熱式触媒１の構成と同様である。

本実施形態では、表面上に電極２０３ａ及び電極２０３ｂが配置されない触媒担体２０２の外周壁は、図３を用いて説明した従来の電気加熱式触媒１０１と同様に、完全セル及び不完全セルを画成する円弧状の外周壁２１０として構成される。これに対し、表面上に電極２０３ａ及び２０３ｂが配置される触媒担体２０２の外周壁は、第一実施形態と同様に、全て完全セルを画成するように構成される。また、本実施形態においても、完全セル２０４を画成する外周壁の部分２４５上に電極２０３ａの端部２３１が位置する。

本実施形態においても第一実施形態と同様に、触媒担体２０２の外周壁のうち電極２０３ａ及び２０３ｂが配置される部分において、電極２０３ａ及び２０３ｂと触媒担体２０２との材料の違いにより、熱による電極２０３ａ、２０３ｂの膨張・収縮量と、触媒担体２０２の膨張・収縮量とが異なる。このような膨張・収縮量の違いにより触媒担体２０２に熱応力が生じるが、この熱応力は強度の高い完全セルを画成する外周壁にのみ働くため、強度上問題とはならない。また、電極２０３ａ及び２０３ｂの端部２３１で生じる熱応力についても、上述した第一実施形態と同様に、強度上問題とはならない。

さらに、第一実施形態において説明したその他の効果は、第二実施形態においても、表面上に電極２０３ａ及び２０３ｂが配置される触媒担体２０２の外周壁に関して、同様に得ることが可能となる。

次に、図５を参照して、本発明の第三実施形態について説明する。図５（Ａ）は、本発明の第三実施形態に係る電気加熱式触媒３０１の図１と同様な斜視図であり、図５（Ｂ）は、その電極３０３ａ及び３０３ｂの端部３３１が位置する外周壁周りの部分断面図である。本実施形態に係る電気加熱式触媒３０１の構成は、以下に説明する部分を除いて基本的に図１及び図２で説明した第一実施形態に係る電気加熱式触媒１０１の構成と同様である。

本実施形態では、表面上に電極３０３ａ及び３０３ｂが配置されない触媒担体３０２の外周壁は、第一実施形態と同様に、全て完全セルの一辺を画成する外周壁によって構成される。これに対し、表面上に電極３０３ａ及び３０３ｂが配置される触媒担体３０２の外周壁は、図３を用いて説明した従来の電気加熱式触媒１０１と同様に、完全セル及び不完全セルを画成する円弧状の外周壁３１０として構成される。また、本実施形態においても、完全セル３０４を画成する外周壁の部分３４５上に電極３０３ａの端部３３１が位置する。このため、電極３０３ａの端部３３１で生じる熱応力は、強度上問題とはならない。

さらに、第一実施形態において説明したその他の効果は、第三実施形態においても、表面上に電極３０３ａ及び３０３ｂが配置されない触媒担体３０２の外周壁について、同様に得ることが可能となる。

次に、図６を参照して、本発明の第四実施形態について説明する。図６（Ａ）は、本発明の第四実施形態に係る電気加熱式触媒４０１の電極４０３ａの端部が位置する外周壁周りの、図２（Ａ）と同様な部分断面図であり、図６（Ｂ）はその斜視図である。本実施形態に係る電気加熱式触媒４０１の構成は、以下に説明する部分を除いて基本的に図１及び図２で説明した第一実施形態に係る電気加熱式触媒１の構成と同様である。

本実施形態では、図２を用いて説明した第一実施形態と同様に、触媒担体４０２の外周壁において、隣接する完全セル４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃによって凹部４１０が形成される。外周壁上の電極４０３ａは、この凹部４１０を充填して埋めるように構成される。これにより、電極４０３ａ上の凹凸が平坦化される。したがって、図４（Ｂ）で示すように、電極４０３ａと外部電源（図示せず）とを接続する導電体４１２と、凹部４１０上に充填された電極４０３ａとの接合面を確保することが可能となる。よって、導電体４１２の設置が容易となる。

１ 電気加熱式触媒
２ 触媒担体
２ａ 上流側端面
２ｂ 下流側端面
３ａ 電極
３ｂ 電極
４ セル
５ セル壁
６ 不完全セル
３１ 電極の端部
４１ 最外周に位置する完全セル
４２ 最外周よりも内側に位置する完全セル
ｄ１ 完全セルを画成する外周壁の長さ
ｄ２ 不完全セルを画成する外周壁の長さ

Claims (1)

1. 通電することにより加熱される電気加熱式触媒であって、
   触媒貴金属を担持する触媒担体と、
   前記触媒担体の外周面上に配置された一対の電極とを具備し、
   前記触媒担体はその軸線方向に対して垂直な断面において格子状のセル壁によって画成された複数のセルを有し、
   複数の前記セルが、前記セル壁を介して互いに隣接して配置されており、
   前記触媒担体の最外周よりも内側に位置する前記セルと、前記触媒担体の最外周に位置する前記セルのうち、前記電極の端部が位置するセルを含む連続した二以上のセルとが、同一の多角形状の断面を有する、電気加熱式触媒。

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