JPH0466714A - 触媒コンバーターの操作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、自動車等排ガスの浄化に好適に用いることか
てきる抵抗調節型ヒーターと触媒コン７＼−ター、及び
触媒コンバーターの操作方法に関する。

［従来の技術］ 自動車等の排気ガスを浄化するために用いられる触媒コ
ンバーターは、触媒か触媒作用を発揮するために所定温
度以上に昇温されることが必要であるので、自動車の始
動時等の未た触媒か十分に昇温していない場合には触媒
を加熱することか必要となる。

従来、このような触媒を加熱するための提案として、例
えば実開昭６３−６７６０９号公報に記載の技術か知ら
れている。この実開昭６３−６７６０９号公報には、セ
ラミック製主モノリス触媒の上流側に近接させてメタル
担体にアルミナをコートした電気通電可能なメタルモノ
リス触媒を配設した触媒コンバーターか開示されている
。

［発明か解決しようとする課題］ しかしなから、実開昭６３−６７６０９号公報記載のプ
レヒーターたるメタルモノリス触媒は、単にフォイルタ
イプのメタルハニカム構造体の内周から外周へ通電し発
熱させるものであって、その抵抗か調節されておらず（
即ち、材質、寸法、リフ厚で規定されるのみて、所望の
抵抗か調節されていない）、昇温特性か不十分であるば
かりでなく、内周部に電極を設けているため、中心部か
触媒として作用せず、しかも圧力損失の原因となるとい
う問題がある。さらに、ガス流によって電極か脱離し易
くなるという欠点かある。

［課題を解決するための手段］ 従って、本発明は上記欠点を解消した抵抗調節型ヒータ
ー、触媒コンバーター及びその操作方法を提供すること
を目的とするものである。

そしてその目的は、本発明によれば、多数の貫通孔を有
するハニカム構造体に通電のための少なくとも２つの電
極を設けるとともに、該電極間に電Ｆｉ、密度か５Ａ／
履１１２以上となる抵抗調節手段を設けたことを特徴と
する抵抗調節型ヒーター、により達成することかてきる
。

このヒーターの場合、ハニカム構造体に触媒を担持する
ようにすることか好ましい。

また、本発明によれば、多数の貫通孔を有するハニカム
構造体に触媒を担持させるとともに、通電のための少な
くとも２つの電極を設け、かつ該電極間に電流密度が５
Ａ／ｍｍ２以上となる抵抗調節手段を設けたことを特徴
とする触媒コンバーターか提供される。

さらに本発明によれば、主モノリス触媒の上流側に、又
は主モノリス触媒と主モノリス触媒の間に、多数の貫通
孔を有するハニカム構造体に通電のための少なくとも２
つの電極を設けるとともに該電極間に電流密度が５Ａ／
ｍｍ２以上となる抵抗調節手段を設けてなるヒーターを
配設したことを特徴とする触媒コンバーター、および、
主モノリス触媒の下流側に、多数の貫通孔を有するハニ
カム構造体に触媒を担持させ且つ通電のための少なくと
も２つの電極を設けるとともに、該電極間に電流密度か
５Ａ／ｍｍ２以上となる抵抗調節手段を設けてなるヒー
ターを配設したことを特徴とする触媒コンバーターか提
供される。

本発明においては、ハニカム構造体を金属粉末をハニカ
ム状に押出成形し焼結させて形成すると、好ましい。

さらに、本発明によれば、エンジン作動と実質的に同時
に、電極間に５Ａ／＋ｓｍ２以上の電流密度て通電し、
ヒーター温度か主モノリス触媒またはヒーター上に担持
した触媒の作用温度以上に到達後ヒーターへのインプッ
ト電力を低減させて通電することを特徴とする触媒コン
バーターの操作方法、が提供される。

［作用］ 本発明ては、多数の貫通孔を有するハニカム構造体に通
電のための少なくとも２つの電極を設けるとともに、電
極間に電流密度が５Ａ／ｍｍ２以上となるように抵抗調
節手段を設けることを特徴とする。

このように、電極間に電流密度か５Ａ／層層２以上とな
るように抵抗調節手段を設けることにより、エンジン始
動時（コールドスタート時）等のエミッションか最も多
い初期の低温排ガスを迅速に加熱・昇温することかでき
、排ガスの高浄化率を達成できる。

本発明では、電極間の電流密度を５Ａ／ｍｍ２以上とす
る。これにより、ヒーターの昇温速度か大きく、コール
ドスタート時の排ガス中のエミッションか低減する。即
ち、ヒーター温度は１０秒以内に確実に３００°Ｃ以上
に到達し、主触媒およびヒーター上の触媒を有効に作用
させることができるのである。

また、電流密度を８Ａ／層ｍ２以上とすれば、ヒーター
温度は５秒以内に確実に３００　’Ｃ以上に到達するた
めさらに好ましいが、一方電流密度を３０Ａ／１２以上
とすると、多大な電力を要して好ましくなく、またヒー
ター上の触媒か高温になり過ぎ、触媒の耐久性の点て実
用上好ましくない。

主モノリス触媒またはヒーター上に担持した触媒の作用
温度とは、一般に３００℃以上の温度を意味し、実用上
はヒーター出口温度またはコンバーター出口温度を計測
し、３００°Ｃ以上の所望の温度になるようヒーターへ
のインプット電力を調節する。

なお、本発明において、電流密度は以下の如く定義され
る。

第１図（ａ）　（ｂ）に示すように、多数の貫通孔１１
を有するハニカム構造体１０に、抵抗調節手段としての
スリット１２を所定数設けた抵抗調節型ヒーターにおい
て、隔壁（リブ）１３の断面１４の断面積（リプ厚Ｘヒ
ーター長）をＳとしスリットスリット間のリブ数をｎ（
例えば、第１図（ｂ）の場合、リブ数ｎは５である。）
として、電流Ｉを流したとき、電流密度はＩ／（ＳＸｎ
）て表わされる。

次に、上記した抵抗調節型ヒーターと主触媒かうなる触
媒コンバーターの操作方法を自動車排ガスの浄化の場合
に関し説明すると、エンジン始動時における低温ガスを
迅速に加熱するために、ヒーターへの通電開始後６０秒
間は５Ａ／＋＋＋１１２以上の電流密度で通電すること
か好ましい。電流密度５Ａ／ｍｍ２未満てヒーターに通
電する場合には、エンジン始動前に数十秒間ヒーターを
予熱しないと所望の排ガス浄化特性を得ることかてきず
、実用上問題がある。

そして、ヒーターに担持した触媒および主触媒の作用温
度（３００〜４００°Ｃ）に到達するまで、少なくとも
５Ａ／層層２以上の電流密度で通電し、その後インプッ
ト電力を低減させて通電する。インプット電力を低減す
る方法としては、オン−オフ制御するが、あるいは５Ａ
／ｍｍ２未満の電流密度で通電する等かある。

なお、エンジン作動と実質的に同時とは、エンジン作動
と同時の場合のほが、エンジン作動の数秒前、例えば５
秒程度前に通電してもよい。

本発明の基体であるハニカム構造体の構成材料としては
、通電により発熱する材料からなるものであれば制限は
なく、金属質てもセラミック質てもよいが、金属質か機
械的強度か高いため好ましい。金属質の場合、例えばス
テンレス鋼やＦｅＣｒ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ａｌ
、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｗ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｃｒ等の組成を有する
材料からなるものか挙げられる。上記のうち、ＦｅＣｒ
−Ａｌ、Ｆ　ｅ　　Ｃｒ、　Ｆ　ｅ　−Ａ’ｌか耐熱性
、耐酸化性、耐食性に優れ、かつ安価て好ましい。

ハニカム構造体は、多孔質であっても非多孔質であって
もよいが、触媒を担持する場合には、多孔質のハニカム
構造体か触媒層との布石性か強く熱膨張差による触媒の
剥離か生ずることか殆どないことから好ましい。

次に、本発明のハニカム構造体のうち金属質ハニカム構
造体の製造方法の例を説明する。

まず、所望の組成となるように、例えばＦｅ粉末、ＡＩ
粒粉末Ｃｒ粉末、又はこれらの合金粉末などにより金属
粉末原料を調製する。次いで、このように調製された金
属粉末原料と、メチルセルロース、ポリビニルアルコー
ル等の有機バインダ、水を混合した後、この混合物を所
望のハニカム形状に押出成形する。

次に、押出成形されたハニカム成形体を、非酸化雰囲気
下１０００〜１４５０°Ｃで焼成する。ここで、水素を
含む非酸化雰囲気下において焼成を行なうと、有機バイ
ンターかＦｅ等を触媒にして分解除去し、良好な焼結体
（ハニカム構造体）を得ることが、好ましい。

焼成温度が１０００°Ｃ未満の場合、成形体が焼結せず
、焼成温度が１４５０°Ｃを超えると得られる焼結体が
変形するため、好ましくない。

なお、望ましくは、得られたハニカム構造体の隔壁及び
気孔の表面を耐熱性金属酸化物で被覆する。

次に、得られたハニカム構造体について、後述する電極
間に、各種の態様により抵抗調節手段を設ける。

ハニカム構造体に設ける抵抗調節手段としては、例えば
■スリットを種々の方向、位置、長さて設けること、■
貫通軸方向の隔壁長さを変化させること、■ハニカム構
造体の隔壁の厚さ（壁厚）を変化させるが、または貫通
孔のセル密度を変化させること、および■ハニカム構造
体の隔壁にスリットを設けること、等か好ましいものと
して挙げられる。発熱部分を簡易に調節てきる方法とし
て、■のスリットの形成が特に好ましい。

上記のようにして得られた金属質ハニカム構造体は、通
常その外周部の隔壁または内部に、ろう付け、溶接など
の手段によって電極を設けることにより、ハニカムヒー
ターか作製される。

ここで、電極とは、当該ヒーターに電圧をかけるための
端子の総称を意味し、ヒーター外周部と缶体を直接接合
したものや、アース等の端子を含む。

この金属質ハニカム構造体は、全体としてその抵抗値か
０．００１Ω〜０．５Ωの範囲となるように形成するこ
とか好ましい。

また、上記の金属質ハニカム構造体の表面にさらに触媒
を担持させることにより、排気ガスの浄化反応（酸化反
応熱等）による温度上昇か期待できるため、好ましい。

金属質ハニカム構造体の表面に担持する触媒は大きな表
面積を有する担体に触媒活性物質を担持させたものであ
る。ここて、大きな表面積を有する担体としては、例え
ばγ−Ａｎ２０．系、ＴｉＯ２系、５ｉｎ２−Ａ又２０
３系などやペロブスカイト系のものか代表的なものとし
て挙げられる。触媒活性物質としては、例えばＰｔ、Ｐ
ｄＲｈ等の貴金属、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等の卑金属
などを挙げることかできる。上記のうち、γ−Ａ文２０
３系にＰｔ、ＰｄをｌＯ〜１００ｇ／ｆｔ’担持したも
のか好ましい。

次に、本発明における抵抗調節型ヒーターの形状、形成
されるスリット等の、自動車排ガス浄化用に用いられる
場合のヒーターについて特に好ましい範囲（ベストモー
ド）を説明する。

まず、ハニカム構造体の隔壁の厚さ（リブ厚）は７５〜
５００ｐ、ｍの範囲がよい。７５鈎層未満では強度に劣
り、ヒーター寿命に問題がある。

５００ｐ履を超えると圧力損失か大きくなって問題かあ
るほが、昇温するために多大な電流を特徴とする特に好
ましくは１００〜３００　ｇｔｓの範囲である。

セル密度としては１００〜４００セル／インチ２　（ｃ
　ｐ　ｉ　２）か好ましい。即ち、ハニカム構造体の貫
通孔内のガスを加熱する伝熱面積及びヒーター上に触媒
を担持している場合には、触媒表面積の点からｔｏｏｔ
ル／インチ２以上か好ましく、また４００セル／インチ
２を超えるとスリット等の加工の問題や、スリットを形
成するリブ同士か接近するため、長期寿命の観点からシ
ョートし易いという問題かある。

また、ハニカム構造体の開孔率としては、圧力損失及び
強度の点から５０〜８５％か好ましい。

さらにヒーター長（貫通孔軸方向長さ）が長くなると断
面積か増加するため、多大な電流を必要とし、一方短く
なり過ぎると、伝熱面積、触媒面積か小さくなりすぎて
好ましくない。主触媒の前にプレヒーターとして設置す
る場合、主触媒長の１／２０〜１／３程度のヒーター長
か好ましい。

スリットは発熱部分を制御するように設けるか自動車排
ガス浄化用の場合、ヒーターの中心部及び全体を比較的
均一に加熱することか好ましくスリットと外壁との距離
かスリット間距離より長くなるようにスリットを設置す
る。

また、スリット本数が多くなると、全発熱長か長くなり
ヒーターとして好ましいが、抵抗か大きくなるため、一
定電圧を印加する場合、電流か小さくなり、結果として
５Ａ／ｍｗ２未満の電流密度となる場合か生しるのて、
５Ａ／厘層２以上になるようにスリット本数を定める。

尚、本発明においてハニカム構造体とは、隔壁により仕
切られた多数の貫通孔を有する一体構造をいい、例えば
貫通孔の断面形状（セル形状）は円形、多角形、コルゲ
ート形等の各種の任意な形状か使用できる。

［実施例］ 以下、本発明を図示の実施例に基づいて更に詳しく説明
するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではな
い。

第１図（ａ）は本発明の抵抗調節型ヒーターの一例を示
す斜視図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の一部拡大斜視
図で、多数の貫通孔１１を有するハニカム構造体ｌＯに
、抵抗調節手段として複数のスリット１２を設け、かつ
その外壁に２つの電極１５を設置したものである。なお
、図において、１３は隔壁（リブ）、１４はリブ断面て
あり、Ｓはスリット間に存在するリブ１３の断面１４の
断面積Ｂはヒーター直径、Ｃはヒーター長、Ｄはスリッ
ト長を示す。

次に、具体的な実施結果を説明する。

（実施例１） 平均粒径１０．２０．２２ｇｍのＦｅ粉、Ｆｅ−Ａ！；
Ｌ粉（Ａｉ５０ｗｔ＄）、Ｆｅ−Ｃｒ粉（Ｃｒ５０　ｗ
ｔｌ）の原料を用い、Ｆｅ−２２Ｃｒ−５Ａ文（重量％
）の組成になるよう原料を配合し、これに有機バインタ
ー（メチルセルロース）と酸化防止剤（オレイン酸）、
水を添加して坏土を調製し第１表に示すリブ厚、貫通孔
数の四角セルよりなるハニカムを押出し成形し、乾燥後
Ｈ２雰囲気下１３００°Ｃで焼成し、その後空気中、１
０００°Ｃて熱処理を行なった。得られたハニカム構造
体の気孔率は２２％てあり、平均細孔径は５ＪＬｍてあ
った。

上記方法により得られた外径９０＠■φのハニカム構造
体１０を第１表に示すヒーター長Ｃへ加工し、さらに約
５０〜７０■■長のスリット１２を所定の本数設けた。

得られた抵抗調節型ヒーターに第１図（ａ）に示すよう
にその外壁に２ケ所電極１５をセットし、さらにスリッ
ト１２の外周部にジルコニア系の耐熱性無機接着剤を充
填し、絶縁部とした。

（実施例２） 〔ヒーター昇温特性確認実験〕 自動車用の１２Ｖバツテリー単独又は直列に２個接続し
たもの（２４Ｖ）を電源とし、ヒーターに０　、７　ｍ
３／ｗｉｎの空気を通風（自動車の排ガス量をシミュレ
ート）しなから通電し、この時のヒーター温度を測定し
、ヒーター温度か２００°Ｃ１３００°Ｃ１４００°Ｃ
に到達するまでの時間を計測した。結果を第１表および
第２図に示す。

第１表および第２図に示す通り、種々の形状からなるヒ
ーターにおいて電流密度５Ａ／ｍｍ２以上の場合、いず
れも１０秒以内にヒーターか３００°Ｃ以上になる。ま
た比較例に示す通り、ヒーター形状か同一ても低電圧て
通電し、５Ａ／ｌｌｌ１２未満である場合は、１０秒以
内にはヒーターか３００°Ｃに到達しないことかわかる
。

（以下、余白） （実施例３） 〔エンジン始動時の性能確認〕 ヒーターＮｏ、５そのもの、及び当該ヒーターにＰｔ、
Ｐｄを各々２０ｇ含有するＣ　ｅ　Ｏ２７ＡｌｚＯ３か
らなる触媒か担持（被覆）されたヒーター（Ｎｏ、１１
）を、外径９０ｍｍφ、長さＬｏｏｍｍの主モノリス触
媒である市販三元触媒（リブ厚６■１１、貫通孔数４０
０セル／インチ２）の前方（ガス上流側）に設置した。

本システムでエンジン始動時の性能を確認するためにエ
ンジン（Ａ／Ｆ＝１４．６）を１００°Ｃから４２０°
Ｃまて２分間で定速昇温し、その後４２０℃て１分間キ
ープし、各エミッションの浄化率を測定した。排ガス量
は０　、７１／ｗｉｎとし、ヒーターへの通電は、バッ
テリーによる２４Ｖと１２Ｖの２種類を用い、排ガスか
１００℃になると同時に通電を開始し、ヒーター温度か
４５０°Ｃになるように、オン−オフ制御を行なった。

得られた各エミッションの平均浄化率を第２表に示す。

第２表の結果から明らかな通り、電流密度を５Ａ／ｍ−
２以上とした本発明の実施例が、５Ａ／■１２未満の比
較例より排ガス浄化能に優れていることがわかる。実施
例のうち、Ｎｏ、２の触媒性能か最大活性を示し、かつ
ヒーター通電後ヒーター上の触媒着火による自己発熱に
よって約１．５分後にヒーターの通電はオフの状態とな
った。

における到達時間と電流密度の関係を示すグラフである
。

ｌＯ−・・ハニカム構造体、１１・・・貫通孔、１２・
−・スリット、１３・・・隔壁（リブ）、１４・・・リ
ブ断面１５・・・電極、Ｓ・・−リブ断面積、Ｂ・・・
ヒーター直径、Ｃ−・・ヒーター長、Ｄ・−・スリット
長。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、電極間の電流密
度が５Ａ／ｍｓ２以上となるように抵抗調節手段を設け
、あるいは操作するので、エンジン始動時（コールドス
タート時）等のエミッションか最も多い初期の低温排ガ
スを迅速に加熱・昇温することかでき、排ガスの高浄化
率を達成できるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）多数の貫通孔を有するハニカム構造体に通電のた
   めの少なくとも２つの電極を設けるとともに、該電極間
   に電流密度が５Ａ／ｍｍ＾２以上となる抵抗調節手段を
   設けたことを特徴とする抵抗調節型ヒーター。
2. （２）ハニカム構造体が、粉末原料をハニカム状に押出
   成形し焼結させたものである請求項１記載の抵抗調節型
   ヒーター。
3. （３）ハニカム構造体に触媒を担持した請求項１記載の
   抵抗調節型ヒーター。
4. （４）多数の貫通孔を有するハニカム構造体に触媒を担
   持させるとともに、通電のための少なくとも２つの電極
   を設け、かつ該電極間に電流密度が５Ａ／ｍｍ＾２以上
   となる抵抗調節手段を設けたことを特徴とする触媒コン
   バーター。
5. （５）主モノリス触媒の上流側、又は主モノリス触媒と
   主モノリス触媒の間に、多数の貫通孔を有するハニカム
   構造体に通電のための少なくとも２つの電極を設けると
   ともに、該電極間に電流密度が５Ａ／ｍｍ＾２以上とな
   る抵抗調節手段を設けてなるヒーターを配設したことを
   特徴とする触媒コンバーター。
6. （６）主モノリス触媒の下流側に、多数の貫通孔を有す
   るハニカム構造体に触媒を担持させ且つ通電のための少
   なくとも２つの電極を設けるとともに、該電極間に電流
   密度が５Ａ／ｍｍ＾２以上となる抵抗調節手段を設けて
   なるヒーターを配設したことを特徴とする触媒コンバー
   ター。
7. （７）ハニカム構造体に触媒を担持した請求項５記載の
   触媒コンバーター。
8. （８）請求項４、５、６または７記載の触媒コンバータ
   ーの操作方法てあって、 エンジン作動と実質的に同時に、電極間に５Ａ／ｍｍ＾
   ２以上の電流密度で通電し、ヒーター温度が主モノリス
   触媒またはヒーター上に担持した触媒の作用温度以上に
   到達後、ヒーターへのインプット電力を低減させて通電
   することを特徴とする触媒コンバーターの操作方法。