JP6079716B2 - 通電加熱式触媒装置 - Google Patents

Description

本発明は通電加熱式触媒装置に関する。

近年、自動車等のエンジンから排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置として通電加熱式触媒（ＥＨＣ：Electrically Heated Catalyst）装置が注目されている。ＥＨＣでは、エンジンの始動直後などのように排気ガスの温度が低く、触媒が活性化し難い条件下であっても、通電加熱により強制的に触媒を活性化させ、排気ガスの浄化効率を高めることができる。

特許文献１に開示されたＥＨＣでは、白金やパラジウム等の触媒を担持するハニカム構造を有する円柱状の担体の外周面に、当該担体の軸方向に延設された表面電極が形成されている。そして、表面電極に櫛歯状の配線が接続され、電流が供給される。この電流が表面電極において担体軸方向に広がることにより、担体全体が通電加熱される。これにより、担体に担持された触媒が活性化され、担体を通過する排気ガス中の未燃焼ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等が触媒反応により浄化される。

特開２０１３−１３６９９７号公報

発明者らは、通電加熱式触媒装置に関し、以下の課題を見出した。
上述の通電加熱式触媒装置では、昇温・降温の繰り返し（熱サイクル）により、担体にクラックが発生し、一部の配線には電流が流れ難くなるとともに、他の配線に電流が集中し、溶断に至るという問題があった。

発明者らは、この担体におけるクラック発生の原因を探求した。図７は、従来の通電加熱式触媒装置における担体と電気拡散層との温度変化を示したグラフである。横軸が時間、縦軸が温度を示している。図７に示すように、降温時（担体通電オフ時）に担体と担体直上に形成された電気拡散層との温度差が大きくなり、両者の間に発生する熱応力が大きくなる。これは、配線からの放熱によって、電気拡散層の降温が促進されることが原因であると推察される。なお、電気拡散層は、配線から供給された電気を担体の軸方向及び周方向に広げるために、担体と表面電極との間に設けられており、特許文献１では省略されている。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、熱サイクルによる担体へのクラック発生が抑制された通電加熱式触媒装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る通電加熱式触媒装置は、
触媒を担持する担体と、
前記担体の外周面において対向して形成された一対の電気拡散層と、
それぞれの前記電気拡散層に固定された配線部材と、
前記担体の外周面を覆うとともに、前記配線部材を外側へ引き出すための開口部を側面に有する外筒と、
前記外筒から引き出された前記配線部材を収容するために、前記外筒から突出して設けられた配線収容室と、を備え、
前記配線部材を介して前記担体が通電加熱される、通電加熱式触媒装置であって、
前記配線収容室が、前記配線部材からの放熱を抑制するための放熱抑制手段を備えているものである。

本発明の一態様に係る通電加熱式触媒装置は、配線部材からの放熱を抑制するための放熱抑制手段を備えているため、担体の通電オフ時に電気拡散層の降温を抑制することができる。その結果、通電オフ時の担体と電気拡散層との温度差が小さくなり、両者の間に発生する熱応力も小さくなるため、熱サイクルによる担体へのクラック発生を抑制することができる。

前記放熱抑制手段は、前記配線収容室の外面もしくは内面の少なくとも一方に設けられた断熱手段であることが好ましい。
あるいは、前記放熱抑制手段は、前記配線収容室の内面に設けられた反射手段であることが好ましい。

あるいは、前記放熱抑制手段は、前記配線収容室を加熱するヒータであることが好ましい。この場合、前記担体への通電と前記ヒータへの通電とを制御する制御部をさらに備え、前記制御部は、前記担体への通電をオフする前に、前記ヒータへの通電を開始し、前記担体への通電をオフした後に、前記ヒータへの通電電力を低減させることが好ましい。このようにヒータへの通電を制御することにより、熱サイクルによる担体へのクラック発生をより一層効果的に抑制することができる。

本発明により、熱サイクルによる担体へのクラック発生が抑制された通電加熱式触媒装置を提供することができる。

第１の実施の形態に係る通電加熱式触媒装置の斜視図である。 図１において外筒６０を取り除いた斜視図である。 図２において表面電極２０の真上から見た平面図である。 図３におけるＩＶ-ＩＶ切断線による横断面図である。 第２の実施の形態に係る通電加熱式触媒装置の横断面図である。 担体の通電タイミングとヒータの通電タイミングとを示すグラフである。 従来の通電加熱式触媒装置における担体と電気拡散層との温度変化を示したグラフである。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（第１の実施の形態）
まず、図１〜図４を参照して、第１の実施の形態に係る通電加熱式触媒装置について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る通電加熱式触媒装置の斜視図である。図２は、図１において外筒６０を取り除いた斜視図である。図３は、図２において表面電極２０の真上（ｘ軸方向プラス側）から見た平面図である。図４は、図３におけるＩＶ-ＩＶ切断線による横断面図である。

なお、当然のことながら、図面に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。各図面におけるｘｙｚ座標は共通であって、ｙ軸方向が担体１０の軸方向である。ここで、通電加熱式触媒装置１００を使用する際には、図４に示すようにｚ軸方向プラス向きを鉛直方向上向きに一致させることが好ましい。

図１に示すように、通電加熱式触媒装置１００は、担体１０及び外筒６０を備えている。ここで、図２に示すように、通電加熱式触媒装置１００は、担体１０の外周面上に、電気拡散層１１、表面電極２０、配線部材３０、固定層４０を備えている。また、図３、図４に示すように、通電加熱式触媒装置１００は、担体１０と外筒６０との間にマット５０を備えている。さらに、図４に示すように、通電加熱式触媒装置１００は、外筒６０から突出して設けられた配線収容部７０を備えている。すなわち、通電加熱式触媒装置１００は、担体１０、電気拡散層１１、表面電極２０、配線部材３０、固定層４０、マット５０、外筒６０、配線収容部７０を備えている。

なお、図１では、マット５０及び配線収容部７０は省略されている。また、図３では、一方の表面電極２０について、担体１０、電気拡散層１１、配線部材３０、固定層４０、マット５０との位置関係が示されているが、他方の表面電極２０についても同様である。具体的には、図２、図４に示すように、２つの表面電極２０は、ｙｚ平面に平行な対称面に関して鏡面対称な位置関係にある。

通電加熱式触媒装置１００は、例えば自動車等の排気経路上に設けられ、エンジンから排出される排気ガスを浄化する。通電加熱式触媒装置１００では、一対の表面電極２０間において担体１０が通電加熱され、担体１０に担持された触媒が活性化される。これにより、担体１０を通過する排気ガス中の未燃焼ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等が触媒反応により浄化される。

担体１０は、白金やパラジウム等の触媒を担持する多孔質部材である。また、担体１０自体は、通電加熱されるため、導電性を有するセラミックス、具体的には例えばＳｉＣ（炭化珪素）からなることが好ましい。図２に示すように、担体１０は、外形が略円柱形状であって、内部はハニカム構造を有している。白抜き矢印で示すように、排気ガスが担体１０の内部を担体１０の軸方向（ｙ軸方向）に通過する。

電気拡散層１１は、配線部材３０から供給された電気を担体１０の軸方向及び周方向に広げるために担体１０の外表面に形成された厚さ５０〜２００μｍ程度のセラミックス層である。ここで、電気拡散層１１は、担体１０よりも低抵抗なセラミックスからなり、例えば担体１０と一体に形成されている。具体的には、例えば担体１０を構成するＳｉＣ（炭化珪素）に金属Ｓｉを添加することにより、担体１０よりも低抵抗にすることができる。当然のことながら、電気拡散層１１は、表面電極２０よりは高抵抗である。

また、電気拡散層１１は、図２に示すように、一対の表面電極２０のそれぞれの下層に形成されている。また、図３に示すように、それぞれの電気拡散層１１は、矩形状の平面形状を有し、担体軸方向（ｙ軸方向）に延設されている。ここで、電気拡散層１１は、表面電極２０よりも担体軸方向及び円周方向に広がって形成されている。

表面電極２０は、図２に示すように、電気拡散層１１上に形成され、かつ、担体１０を介して互いに対向配置された一対の電極である。表面電極２０は、電気拡散層１１と物理的に接触しているとともに電気的に接続されている。また、図３に示すように、それぞれの表面電極２０は、矩形状の平面形状を有し、担体軸方向（ｙ軸方向）に延設されている。

また、表面電極２０は、例えばプラズマ溶射により形成された厚さ５０〜２００μｍ程度の溶射皮膜である。表面電極２０は配線部材３０と同様に通電するため、この溶射皮膜は金属ベースである必要がある。溶射皮膜のマトリクスを構成する金属としては、８００℃以上の高温下での使用に耐えるため、高温下での耐酸化性に優れたＮｉ−Ｃｒ合金（但し、Ｃｒ含有量は２０〜６０質量％）、ＭＣｒＡｌＹ合金（但し、ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも一種）が好ましい。ここで、上記ＮｉＣｒ合金、ＭＣｒＡｌＹ合金は、他の合金元素を含んでいてもよい。

配線部材３０は、図３に示すように、それぞれの表面電極２０の上に配置されている。配線部材３０は、図３に示すように、表面電極２０上において担体円周方向に延設された櫛歯状配線３１、外部電極８１（図４）へ接続される引出部３２を有している。配線部材３０は、全体が例えば厚さ０．１ｍｍ程度の金属薄板である。櫛歯状配線３１の幅は、例えば１ｍｍ程度である。また、配線部材３０は、８００℃以上の高温下での使用に耐えるため、例えばステンレス系合金、Ｎｉ基系合金、Ｃｏ基系合金などの耐熱（耐酸化）合金からなることが好ましい。電気伝導度、耐熱性、高温下における耐酸化性、排気ガス雰囲気における耐腐食性等の性能やコストを考慮すると、ステンレス系合金が好ましい。

図３に示すように、複数の櫛歯状配線３１は、表面電極２０の形成領域の略全体に亘って、担体円周方向に延設されるとともに、担体軸方向（ｙ軸方向）に沿って略等間隔に並設されている。さらに、全ての櫛歯状配線３１は、表面電極２０の形成領域のｚ軸方向プラス側において引出部３２に接続されている。図３の例では、表面電極２０上に１２本の櫛歯状配線３１が設けられている。櫛歯状配線３１は、いずれも固定層４０により表面電極２０に固定されるととともに電気的に接続されている。なお、当然のことながら、櫛歯状配線３１の本数は１２本に限定されるものではなく、適宜決定される。

引出部３２は、表面電極２０に固定されておらず、外筒６０の外側へ引き出されている。ここで、引出部３２は、複数の屈曲部を有し、伸縮可能に形成されている。つまり、引出部３２が蛇腹状に形成されている。図面の例では、例えば図４に示すように、引出部３２が３つの屈曲部（ｚ軸方向プラス側から見て２つの山折りと１つの谷折り）を有し、断面Ｍ字状に形成されている。引出部３２が２つの屈曲部（１つの山折りと１つの谷折り）を有し、断面Ｎ字状に形成されていてもよい。さらに、引出部３２が４つ以上の屈曲部を有していてもよい。

蛇腹状の引出部３２は、製造段階では折り畳まれた状態になっている。そのため、配線部材３０の引出部３２と外筒６０とが干渉することがなく、配線部材３０を備えた担体１０を外筒６０に圧入することができる。そして、担体１０を外筒６０に圧入した後、引出部３２を外筒６０の外側へ容易に引き出すことができる。ここで、配線部材３０として冷間圧延された薄板を焼鈍した焼鈍材（伸び１５％以上）を使用することにより、引出部３２を容易に蛇腹状に折り畳むことができる。

さらに、図４に示すように、配線部材３０（引出部３２）は、外部電極８１、外部配線８２を介して、バッテリ８３に電気的に接続されている。このような構成により、担体１０に電流が供給され、通電加熱される。ここで、バッテリ８３はスイッチ機構を有しており、制御部８４が担体１０への通電のオン、オフを制御している。なお、一対の表面電極２０のうちの一方がプラス極、他方がマイナス極であるが、いずれの表面電極２０がプラス極あるいはマイナス極になってもよい。つまり、担体１０を流れる電流の向きは限定されない。

固定層４０は、櫛歯状配線３１上に形成された厚さ３００〜５００μｍ程度のボタン形状の溶射皮膜である。表面電極２０上に配線部材３０を配置し、その上にマスキングジグ治具を配置し、プラズマ溶射を行うことにより、固定層４０を形成することができる。溶射皮膜の組成などについては、上述した表面電極２０と同様にすればよい。

上述の通り、固定層４０により、櫛歯状配線３１が表面電極２０に固定されるとともに電気的に接続される。図３の例では、それぞれの櫛歯状配線３１が、１つの固定層４０のみによって表面電極２０に固定されている。このような構成により、金属からなる配線部材３０と、セラミックスからなる担体１０との線膨張係数差に基づく熱ひずみ（熱応力）を緩和することができる。つまり、個々の固定層４０を極力小さい形状とし、点在させることにより、上記熱ひずみ（熱応力）を緩和している。なお、それぞれの櫛歯状配線３１を２個以上の固定層４０により固定してもよい。その場合の固定層４０の個数及び間隔は適宜決定することができる。

マット（保持部材）５０は、可撓性を有する断熱部材である。マット５０は、図３に破線で示すように、担体１０の外周面全体に巻き付けられており、図４に示すように、担体１０と外筒６０との間に充填されている。マット５０により、担体１０が外筒６０に固定・保持されるとともに、排気ガスが外筒６０の外部へ漏れないようにシールされる。

マット５０には、図３、図４に示すように、配線部材３０の引出部３２を外筒６０の外側へ導出するための開口部５１が２つ設けられている。図３に示すように、開口部５１は、配線部材３０の形成位置に対応して、担体１０の軸方向中央部において矩形状に形成されている。また、図４に示す横断面視では、２つの開口部５１は、ｙｚ平面に平行な対称面に関して鏡面対称に配置されている。シール性を確保するため、図３に示したｙ軸方向における開口部５１の枠幅ｗは３０ｍｍ以上であることが好ましい。なお、図面の例では、開口部５１の形状は矩形状であるが、特に限定されるものではない。例えば、開口部５１の形状は、円形状や楕円形状などであってもよい。

外筒６０は、担体１０を収納するための筐体であって、円柱状の担体１０よりも一回り大きい直径を有するパイプである。図１に示すように、外筒６０はマット５０を介して担体１０の略全体を覆っている。ここで、外筒６０は、例えばステンレス系合金などの金属からなることが好ましい。

外筒６０の側面には、図１、４に示すように、配線部材３０の引出部３２を外筒６０の外側へ導出するための開口部６１が設けられている。そのため、図１に示すように、開口部６１は、引出部３２の形成位置に対応して、外筒６０の軸方向中央部に２箇所設けられている。また、図４に示す横断面視では、２つの開口部６１は、中心部よりもやや上側（ｚ軸方向プラス側）において、ｙｚ平面に平行な面に関して鏡面対称に配置されている。なお、図面の例では、開口部６１の形状は円形状であるが、特に限定されるものではない。例えば、開口部６１の形状は、楕円形状や矩形状などであってもよい。

配線収容部７０は、外筒６０から引き出された配線部材３０の引出部３２を収容するために、外筒６０から突出して設けられている。そのため、図４に示すように、開口部６１は、引出部３２の形成位置に対応して、２箇所設けられている。配線収容部７０は、円筒状の胴体部７１と蓋部７２とから構成されている。胴体部７１及び蓋部７２は、いずれも例えばステンレス系合金などの金属からなることが好ましい。

胴体部７１の根元部にはフランジが設けられており、ネジ止めや溶接などにより、外筒６０に固定されている。一方、胴体部７１の先端部にもフランジが設けられており、ネジ止めや溶接などにより、蓋部７２が固定されている。胴体部７１には、外部配線８２を引き出すための貫通孔７３が設けられている。

ここで、配線収容部７０の内面すなわち胴体部７１及び蓋部７２の内面には、配線部材３０の引出部３２からの放熱を抑制するための放熱抑制手段７４が設けられている。放熱抑制手段７４は、例えば引出部３２から放出される熱を遮断するための断熱手段や引出部３２から放出される熱を反射するための反射手段である。

断熱手段としては、例えばジルコニアやアルミナなどの断熱性を有するセラミックスからなるコーティング層すなわち断熱層を例示することができる。当該コーティング層は、断熱性の観点から多孔質であることが好ましい。当該コーティング層は、溶射やスパッタリングなどにより形成することができる。なお、放熱抑制手段７４が断熱手段の場合、放熱抑制手段７４は配線収容部７０の外面に設けられていてもよく、内面と外面の両方に設けられていてもよい。

反射手段としては、熱反射率の高い金属（例えばＡｕ、Ａｌ、Ｎｉなど）からなるコーティング層すなわち金属反射膜を例示することができる。当該コーティング層は、めっきやスパッタリングなどにより形成することができる。また、反射手段として、配線収容部７０の内面を鏡面加工してもよい。

実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００は、配線収容部７０の内面に、配線部材３０の引出部３２からの放熱を抑制するための放熱抑制手段７４が設けられている。そのため、担体１０の通電オフ時に配線部材３０からの放熱による電気拡散層１１の降温を抑制することができる。その結果、通電オフ時の担体１０の外表面と電気拡散層１１との温度差が従来よりも小さくなり、両者の間に発生する熱応力を小さくすることができる。従って、本実施の形態に係る通電加熱式触媒装置では、熱サイクルによる担体へのクラック発生を抑制することができる。

次に、図２及び図４を参照して、第１の実施の形態に係る通電加熱式触媒装置１００の製造方法について説明する。
まず、図２に示すように、担体１０と一体に形成された電気拡散層１１の表面に、例えばプラズマ溶射により表面電極２０を形成する。続いて、表面電極２０上に、引出部３２が蛇腹状に折り畳まれた配線部材３０を配置し、マスキングジグ治具を用いたプラズマ溶射により、配線部材３０上に固定層４０を形成する。これにより、表面電極２０上に配線部材３０が固定される。

次に、図４に示すように、表面電極２０、配線部材３０、固定層４０が形成された担体１０の外周面上に、配線部材３０の形成領域に対応した開口部５１を有するマット５０を巻き付ける。ここで、引出部３２は蛇腹状に折り畳まれたままである。

次に、マット５０が巻き付けられた担体１０を外筒６０に圧入する。ここで、内面に放熱抑制手段７４が設けられた胴体部７１を予め外筒６０に固定しておく。
その後、蛇腹状に折り畳まれた引出部３２を引き伸ばすことにより、開口部６１を介して外筒６０の外側へ引出部３２を引き出す。
最後に、ネジ止めや溶接などにより、引出部３２を外部電極８１に固定した後、内面に放熱抑制手段７４が設けられた蓋部７２を胴体部７１に固定する。
以上の工程により、図４に示すように、第１の実施の形態に係る通電加熱式触媒装置１００を得ることができる。

（第２の実施の形態）
次に、図５を参照して、第２の実施の形態に係る通電加熱式触媒装置について説明する。図５は、第２の実施の形態に係る通電加熱式触媒装置の横断面図である。
図５に示すように、第２の実施の形態に係る通電加熱式触媒装置では、放熱抑制手段７４に代えて配線収容室７０を加熱するためのヒータ７５が、配線収容室７０の外面に設けられている。ヒータ７５は、例えば小型セラミックヒータなどである。なお、図５の例では、ヒータ７５は蓋部７２の外面に貼り付けられているが、胴体部７１の外面に貼り付けられていてもよい。また、ヒータ７５は配線収容室７０から離間して設けられていてもよい。さらに、ヒータ７５は配線収容室７０の内部に設けられていてもよい。その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

実施の形態２に係る通電加熱式触媒装置は、配線収容室７０を加熱するためのヒータ７５が設けられている。そのため、担体１０の通電オフ時に、ヒータ７５を用いて配線収容室７０を加熱することにより、配線部材３０からの放熱による電気拡散層１１の降温を抑制することができる。その結果、通電オフ時の担体１０の外表面と電気拡散層１１との温度差が従来よりも小さくなり、両者の間に発生する熱応力を小さくすることができる。従って、本実施の形態に係る通電加熱式触媒装置では、熱サイクルによる担体へのクラック発生を抑制することができる。

図５に示すように、第２の実施の形態に係る通電加熱式触媒装置では、制御部８４が担体１０への通電を制御するとともに、ヒータ７５への通電も制御している。ここで、図６は、担体の通電タイミングとヒータの通電タイミングとを示すグラフである。上側のグラフが担体１０の通電タイミングを示しており、下側のグラフがヒータ７５の通電タイミングを示している。横軸は時間、縦軸は通電電力量を示している。

図６の上側のグラフに示すように、担体１０への通電は時刻ｔ１でオンに切り換え、時刻ｔ３でオフに切り換えている。図６の下側のグラフに示すように、担体１０への通電をオフに切り換える時刻ｔ３よりも前の時刻ｔ２において、ヒータ７５への通電を開始する。そして、担体１０への通電をオフに切り換えた時刻ｔ３の後では、ヒータ７５への通電電力量を徐々に低減させている。

このような制御により、担体１０の降温とともに、配線部材３０も降温させることができる。そのため、通電オフ時の担体１０の外表面と電気拡散層１１との温度差が小さくなり、両者の間に発生する熱応力も小さくすることができる。このように、本実施の形態に係る通電加熱式触媒装置では、ヒータ７５への通電を制御することができるため、熱サイクルによる担体へのクラック発生をより一層効果的に抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０ 担体
１１ 電気拡散層
２０ 表面電極
３０ 配線部材
３１ 櫛歯状配線
３２ 引出部
４０ 固定層
５０ マット
５１ 開口部
６０ 外筒
６１ 開口部
７０ 配線収容部
７１ 胴体部
７２ 蓋部
７３ 貫通孔
７４ 放熱抑制手段
７５ ヒータ
８１ 外部電極
８２ 外部配線
８３ バッテリ
８４ 制御部
１００ 通電加熱式触媒装置

Claims (2)

1. 触媒を担持する担体と、
   前記担体の外周面において対向して形成された一対の電気拡散層と、
   それぞれの前記電気拡散層に固定された配線部材と、
   前記担体の外周面を覆うとともに、前記配線部材を外側へ引き出すための開口部を側面に有する外筒と、
   前記外筒から引き出された前記配線部材を収容するために、前記外筒から突出して設けられた配線収容室と、を備え、
   前記配線部材を介して前記担体が通電加熱される、通電加熱式触媒装置であって、
   前記配線収容室が、前記配線部材からの放熱を抑制するための放熱抑制手段を備え、
   前記放熱抑制手段は、前記配線収容室の内面に設けられた反射手段である、
   通電加熱式触媒装置。
2. 触媒を担持する担体と、
   前記担体の外周面において対向して形成された一対の電気拡散層と、
   それぞれの前記電気拡散層に固定された配線部材と、
   前記担体の外周面を覆うとともに、前記配線部材を外側へ引き出すための開口部を側面に有する外筒と、
   前記外筒から引き出された前記配線部材を収容するために、前記外筒から突出して設けられた配線収容室と、を備え、
   前記配線部材を介して前記担体が通電加熱される、通電加熱式触媒装置であって、
   前記配線収容室が、前記配線部材からの放熱を抑制するための放熱抑制手段を備え、
   前記放熱抑制手段は、前記配線収容室を加熱するヒータであり、
   前記担体への通電と前記ヒータへの通電とを制御する制御部をさらに備え、
   前記制御部は、
   前記担体への通電をオフする前に、前記ヒータへの通電を開始し、
   前記担体への通電をオフした後に、前記ヒータへの通電電力を低減させる、
   通電加熱式触媒装置。

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