CN110354911A - 电加热型催化剂用载体以及废气净化装置 - Google Patents

电加热型催化剂用载体以及废气净化装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电加热型催化剂用载体,具备:蜂窝结构体;以及一对金属电极部,它们配置成隔着蜂窝结构体的中心而对置,该电加热型催化剂用载体能够有效地抑制因蜂窝结构体与金属电极部的热膨胀系数差而引起的蜂窝结构体的破损。一种电加热型催化剂用载体,具备:蜂窝结构体;以及一对金属电极部,它们配置成隔着所述蜂窝结构体的中心而对置,所述电加热型催化剂用载体的特征在于,所述一对金属电极部中的一方或双方具备:板状的主体部分;以及从上述主体部分突出的多个舌片,所述舌片的一部分与所述蜂窝结构体接触。

Description

电加热型催化剂用载体以及废气净化装置
技术领域
本发明涉及电加热型催化剂用载体。特别涉及如下电加热型催化剂用载体,具备:蜂窝结构体;以及一对金属电极部,它们配置成隔着蜂窝结构体的中心而对置,该电加热型催化剂用载体能够有效地抑制因蜂窝结构体与金属电极部的热膨胀系数差而引起的蜂窝结构体的破损。另外,本发明涉及使用了电加热型催化剂用载体的废气净化装置。
背景技术
以往,在以堇青石、碳化硅为材料的蜂窝结构体担载有催化剂的部件被用于从汽车发动机排出的废气中的有害物质的处理(参见专利文献1)。这种蜂窝结构体通常具有柱状的蜂窝结构体,该蜂窝结构体具有区划形成多个隔室的间隔壁,这些隔室形成为废气的流路、且从一个底面延伸至另一个底面。
在利用担载于蜂窝结构体的催化剂对废气进行处理的情况下,需要使催化剂升温至规定的温度,但是,以往,在发动机启动时,由于催化剂温度低,所以产生无法将废气充分净化的问题。因此,开发出了被称为电加热催化器(EHC)的系统,该系统将电极配置于由导电性陶瓷构成的蜂窝结构体,通过通电而使蜂窝结构体本身发热,由此,在发动机启动前或发动机启动时使得担载于蜂窝结构体的催化剂升温至活化温度。
为了使电流在EHC流通而需要与外部配线进行电连接,但是,在通电加热时,产生由构成表面电极及配线的金属材料与构成载体的陶瓷材料的线膨胀系数差所引起的热应变。因此,寻求一种还具有应力缓冲功能而不会使得由线膨胀系数差所引起的热应变施加于EHC载体的部件。
专利文献1中,作为其对策之一而公开了如下对策:将从外部向沿着载体表面轴向延伸设置的一对表面电极供电的配线设为梳齿状,并且,通过喷涂而在同一梳齿上的多点处进行固定并在多点之间设置弯曲部,由此,使得由金属构成的配线与由陶瓷构成的载体的线膨胀系数差所引起的热应变(热应力)缓和。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特许第57611617号公报
发明内容
但是,如果在同一梳齿上的多点处进行固定,则根据发热分布状况等的不同,有可能导致膨胀根据各点而不同,从而对固定点(接触点)施加有应力而导致接触点破坏。另外,虽然还想到了设置弯曲部而使得应力缓和的方法,但是,有可能无法应对扭转应力而导致接触点破坏。
另外,虽然还举出了仅在1点对同一电极进行固定的方法,但是,能够想到:由于接触点减少,所以能够应对的电流的范围缩小。
本发明是考虑到以上问题而完成的,其课题在于提供一种电加热型催化剂用载体,具备:蜂窝结构体;以及一对金属电极部,它们配置成隔着蜂窝结构体的中心而对置,该电加热型催化剂用载体能够有效地抑制因蜂窝结构体与金属电极部的热膨胀系数差而引起的蜂窝结构体的破损。另外,本发明的课题在于提供一种使用了该电加热型催化剂用载体的废气净化装置。
本发明的发明人进行了潜心研究,结果发现:通过设置从金属电极部的主体部分突出的多个舌片并使得该舌片与蜂窝结构体接触,能够防止蜂窝结构体因金属电极部与蜂窝结构体的线膨胀系数差引起热应变(热应力)而承受过度的应力,从而能够解决上述课题。即,以如下方式限定了本发明。
(1)一种电加热型催化剂用载体,其具备:
蜂窝结构体;以及
一对金属电极部,该一对金属电极部配置成隔着所述蜂窝结构体的中心而对置,
所述电加热型催化剂用载体的特征在于,
所述一对金属电极部的一方或双方具备:板状的主体部分;以及从上述主体部分突出的多个舌片,所述舌片的一部分与所述蜂窝结构体接触。
(2)一种废气净化装置,其特征在于,所述废气净化装置具有:
(1)所述的电加热型催化剂用载体,该电加热型催化剂用载体设置于用于使得来自发动机的废气流通的废气流路的中途;以及
筒状金属部件,该筒状金属部件对所述电加热型催化剂用载体进行收纳。
根据本发明,电加热型催化剂用载体具备:蜂窝结构体;以及一对金属电极部,它们配置成隔着蜂窝结构体的中心而对置,该电加热型催化剂用载体能够有效地抑制因蜂窝结构体与金属电极部的热膨胀系数差而引起的蜂窝结构体的破损。
附图说明
图1是示出本发明中的蜂窝结构体的一个例子的图。
图2是本发明的一个实施方式中的蜂窝结构体的截面图。
图3是示出本发明的一个实施方式中的电极层的中心角的图。
图4是示出本发明的一个实施方式中的金属电极部的配置的图。
图5是示出本发明的一个实施方式所涉及的金属电极部1的立体图。
图6是示出本发明的另一实施方式所涉及的金属电极部1A的立体图。
图7是示出本发明的又一实施方式所涉及的金属电极部1B的立体图。
图8是示出本发明的又一实施方式所涉及的金属电极部1C的立体图。
图9(a)、图9(b)、图9(c)以及图9(d)分别是示出各舌片7A、7B、7C以及7D的平面形态的图。
图10(a)、图10(b)以及图10(c)分别是示出各舌片7E、7F以及7G的平面形态的图。
图11是示出舌片的形状的图。
图12是示出舌片的折弯部的图。
附图标记说明
10…蜂窝结构体,11…间隔壁,12…隔室,1、1A、1B、1C…金属电极部,101a、101b…电极层,2…主体部分,3、13、23、33、7A、7B、7C、7D、7E、7F、7G…舌片,3a、13a、23a、33a…立起部分,3b、13b、23f、33c…平坦部分,20…一个片材。
具体实施方式
以下,参照附图,对本发明的电加热型催化剂用载体的实施方式进行说明,但不应限定于此而对本发明进行解释,只要未脱离本发明的范围,则可以基于本领域技术人员的知识而施加各种各样的变更、修正、改良。
(1.蜂窝结构体)
图1是示出本发明中的蜂窝结构体的一个例子的图。例如,蜂窝结构体10具有:多孔质的间隔壁11,其区划形成多个隔室12,这些隔室12形成为流体的流路、且从作为流体的流入侧的端面的流入端面延伸至作为流体的流出侧的端面的流出端面;以及位于最外周的外周壁。对于隔室12的数量、配置、形状等以及间隔壁11的厚度等并未施加限制,可以根据需要适当地进行设计。
只要蜂窝结构体10具有导电性,则对其材质并未特别限制,可以使用金属、陶瓷等。特别是根据兼顾耐热性和导电性的观点,蜂窝结构体10的材质优选以硅-碳化硅复合材料或碳化硅为主成分,更优选为硅-碳化硅复合材料或碳化硅。还可以配合硅化钽(TaSi2)、硅化铬(CrSi2),以便降低蜂窝结构体的电阻率。蜂窝结构体10以硅-碳化硅复合材料为主成分是指:蜂窝结构体10含有蜂窝结构体整体的90质量%以上的硅-碳化硅复合材料(合计质量)。此处,硅-碳化硅复合材料含有作为骨料的碳化硅粒子、以及作为使得碳化硅粒子结合的结合材料的硅,优选地,多个碳化硅粒子在碳化硅粒子间形成有细孔、且借助硅而结合。另外,蜂窝结构体10以碳化硅为主成分是指:蜂窝结构体10含有蜂窝结构体整体的90质量%以上的碳化硅(合计质量)。
蜂窝结构体10的电阻率只要根据施加的电压而适当地设定即可,并未特别限制,例如可以设为0.001Ω·cm~200Ω·cm。在用于64V以上的高电压时,可以设为2Ω·cm~200Ω·cm,典型地可以设为5Ω·cm~100Ω·cm。另外,在用于低于64V的低电压时,可以设为0.001Ω·cm~2Ω·cm,典型地可以设为0.001Ω·cm~1Ω·cm,更典型地可以设为0.01Ω·cm~1Ω·cm。
蜂窝结构体10的间隔壁11的气孔率优选为35%~60%,更优选为35%~45%。如果气孔率不足35%,则有时烧成时的变形会增大。如果气孔率超过60%,则有时蜂窝结构体的强度降低。气孔率是利用水银孔率计测定所得的值。
蜂窝结构体10的间隔壁11的平均细孔径优选为2μm~15μm,更优选为4μm~8μm。如果平均细孔径小于2μm,则有时电阻率变得过大。如果平均细孔径大于15μm,则有时电阻率变得过小。平均细孔径是利用水银孔率计测定所得的值。
对于与隔室12的流路方向正交的截面中的隔室12的形状并未施加限制,但优选为四边形、六边形、八边形、或者这些形状的组合。其中,优选为正方形以及六边形。通过使隔室形状形成为上述形状,从而,废气流经蜂窝结构体10时的压力损失变小,催化剂的净化性能优异。
蜂窝结构体10的外形只要为柱状即可,并未特别限定,例如可以设为底面为圆形的柱状(圆柱形状)、底面为椭圆形的柱状、底面为多边形(四边形、五边形、六边形、七边形、八边形等)的柱状等形状。另外,关于蜂窝结构体10的大小,根据提高耐热性(防止在外周侧壁的周向上产生裂纹)的观点,底面的面积优选为2000mm2~20000mm2,更优选为4000mm2~10000mm2。另外,根据提高耐热性(防止在外周侧壁产生与中心轴向平行的裂纹)的观点,蜂窝结构体10的轴向长度优选为50mm~200mm,更优选为75mm~150mm。
另外,通过将催化剂担载于蜂窝结构体10,能够将蜂窝结构体10用作催化剂用载体。
可以基于公知的蜂窝结构体的制造方法中的蜂窝结构体的制作方法来进行蜂窝结构体的制作。例如,首先,在碳化硅粉末(碳化硅)中添加金属硅粉末(金属硅)、粘合剂、表面活性剂、造孔材料以及水等而制作成型原料。相对于碳化硅粉末的质量与金属硅的质量的合计值,金属硅的质量优选为10质量%~40质量%。碳化硅粉末中的碳化硅粒子的平均粒径优选为3μm~50μm,更优选为3μm~40μm。金属硅粉末中的金属硅粒子的平均粒径优选为2μm~35μm。碳化硅粒子以及金属硅粒子的平均粒径是指:通过激光衍射法对粒度的频率分布进行测定时的、体积基准下的算术平均粒径。碳化硅粒子为构成碳化硅粉末的碳化硅的微粒,金属硅粒子为构成金属硅粉末的金属硅的微粒。另外,以上是将蜂窝结构体的材质设为硅-碳化硅系复合材料时的成型原料的配合,在将蜂窝结构体的材质设为碳化硅的情况下,不添加金属硅。
作为粘合剂,可以举出甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟丙氧基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素以及聚乙烯醇等。这些粘合剂中,优选同时使用甲基纤维素和羟丙氧基纤维素。当碳化硅粉末以及金属硅粉末的合计质量设为100质量份时,粘合剂的含量优选为2.0质量份~10.0质量份。
当碳化硅粉末以及金属硅粉末的合计质量设为100质量份时,水的含量优选为20质量份~60质量份。
作为表面活性剂,可以使用乙二醇、糊精、脂肪酸皂以及多元醇等。可以单独使用1种上述表面活性剂,也可以组合使用2种以上的上述表面活性剂。当碳化硅粉末以及金属硅粉末的合计质量设为100质量份时,表面活性剂的含量优选为0.1质量份~2.0质量份。
作为造孔材料,只要在烧成后形成气孔即可,并未特别限定,例如可以举出石墨、淀粉、发泡树脂、吸水性树脂以及硅胶等。当碳化硅粉末以及金属硅粉末的合计质量设为100质量份时,造孔材料的含量优选为0.5质量份~10.0质量份。造孔材料的平均粒径优选为10μm~30μm。如果造孔材料的平均粒径小于10μm,则有时无法充分形成气孔。如果造孔材料的平均粒径大于30μm,则有时在成型时会将口模堵塞。造孔材料的平均粒径是指:通过激光衍射法对粒度的频率分布进行测定时的、体积基准下的算术平均粒径。在造孔材料为吸水性树脂的情况下,造孔材料的平均粒径为吸水后的平均粒径。
接下来,对得到的成型原料进行混炼而形成坯料,然后,对坯料进行挤出成型而制作蜂窝结构体。在挤出成型时,可以使用具有所需的整体形状、隔室形状、间隔壁厚度、隔室密度等的口模。接下来,优选对得到的蜂窝结构体进行干燥。在蜂窝结构体的中心轴向长度并非所需长度的情况下,可以将蜂窝结构体的两个底部切断而形成为所需长度。
接下来,对蜂窝干燥体进行烧成而制作蜂窝烧成体。优选地,在烧成之前进行预烧以便除去粘合剂等。优选地,在大气气氛下以400℃~500℃的温度进行0.5小时~20小时的预烧。预烧以及烧成的方法并未特别限定,可以使用电炉、煤气炉等进行烧成。优选地,烧成条件为在氮、氩等惰性气氛下以1400℃~1500℃的温度进行1小时~20小时的加热。另外,优选地,在烧成之后以1200℃~1350℃的温度进行1小时~10小时的氧化处理以便提高耐久性。
(2.电极层)
如图1、图2所示,本实施方式中的蜂窝结构体10在其外周壁配置有一对电极层13a、13b,各电极层13a、13b形成为沿着蜂窝结构体10的隔室12延伸的方向延伸的带状。另外,在与隔室12延伸的方向正交的蜂窝结构体10的截面中,一对电极层13a、13b配置成:隔着蜂窝结构体10的中心而对置。一对电极层13a、13b在本发明中并非必不可少,但是,根据该结构,当对蜂窝结构体10施加有电压时,能够抑制在蜂窝结构体10内流动的电流的偏流,从而能够抑制蜂窝结构体10内的温度分布的不均,故此为优选方式。
电极层13a、13b由具有导电性的材料形成。电极层13a、13b优选以碳化硅粒子以及硅为主成分,更优选除了通常含有的杂质以外以碳化硅粒子以及硅为原料而形成电极层。此处,“以碳化硅粒子以及硅为主成分”是指:碳化硅粒子与硅的合计质量为电极层整体的质量的90质量%以上。这样,将电极层13a、13b设为以碳化硅粒子以及硅为主成分,从而,使得电极层13a、13b的成分和蜂窝结构体10的成分成为相同成分或相近成分(蜂窝结构体的材质为碳化硅的情况)。因此,电极层13a、13b与蜂窝结构体的热膨胀系数为相同值或相近值。另外,由于材质相同或相近,所以电极层13a、13b与蜂窝结构体10的接合强度也得到提高。因此,即便热应力作用于蜂窝结构体,也能够防止电极层13a、13b从蜂窝结构体10剥落、或者电极层13a、13b与蜂窝结构体10的接合部分破损。
并且,在与隔室12延伸的方向正交的截面中,各电极层13a、13b的中心角α优选为60°~120°。另外,与电极层13a、13b中的另一个电极层的中心角α相比,电极层13a、13b中的一个电极层的中心角α优选为0.8倍~1.2倍的大小,更优选为1.0倍的大小(相同大小)。由此,当在一对电极层13a、13b之间施加有电压时,能够抑制在蜂窝结构体的外周和中央区域分别流通的电流的偏流。并且,能够在蜂窝结构体的外周和中央区域分别抑制发热的不均。
此处,中心角α是指:在与隔室12延伸的方向正交的截面中,将电极层13a、13b的两个端部和蜂窝结构体的中心O连结的直线所成的角度(参照图3)。此外,图3中,一对电极层13a、13b各自的中心角α为相同的大小。
对于本实施方式中的蜂窝结构体10而言,优选电极层13a、13b的电阻率低于蜂窝结构体10的外周壁的电阻率。此外,更优选电极层13a、13b的电阻率为蜂窝结构体10的外周壁的电阻率的0.1%~10%,特别优选为0.5%~5%。如果低于0.1%,则当对电极层13a、13b施加有电压时,有时在电极层13a、13b内流通至“金属电极部的端部”的电流的量增多,从而在蜂窝结构体10流通的电流容易发生偏流。并且,有时蜂窝结构体10难以均匀地发热。如果高于10%,则当对电极层13a、13b施加有电压时,有时在电极层13a、13b内蔓延的电流的量减少,从而在蜂窝结构体10流通的电流容易发生偏流。并且,有时蜂窝结构体10难以均匀地发热。
电极层13a、13b的厚度优选为0.01mm~5mm,更优选为0.01mm~3mm。通过设为上述范围,能够有助于蜂窝结构体的均匀发热。如果电极层13a、13b的厚度比0.01mm薄,则有时电阻率升高而无法均匀地发热。如果电极层13a、13b的厚度比5mm厚,则有时会在组装时发生破损。
如图1所示,本实施方式中的蜂窝结构体10的电极层13a、13b分别沿着蜂窝结构体10的隔室12延伸的方向延伸,并且,形成为“遍及两端部之间(两端面之间)的”带状。由此,本实施方式中的蜂窝结构体10配置成:一对电极层13a、13b遍及蜂窝结构体10的两端部之间。由此,当在一对电极层13a、13b之间施加有电压时,能够更有效地抑制电流在蜂窝结构体的轴向(即,隔室12延伸的方向)上的偏流。此处,“电极层13a、13b形成(配置)为遍及蜂窝结构体10的两端部之间”是指以下情形。即,意味着:电极层13a、13b的一个端部与蜂窝结构体10的一个端部(一个端面)接触,电极层13a、13b的另一个端部与蜂窝结构体10的另一个端部(另一个端面)接触。
另一方面,电极层13a、13b在“蜂窝结构体10的隔室12延伸的方向”上的至少一个端部未与蜂窝结构体10的端部(端面)接触的(未到达蜂窝结构体10的端部(端面)的)状态也是优选方式。由此,能够提高蜂窝结构体的耐热冲击性。
对于本实施方式中的蜂窝结构体10而言,例如图1、图2所示,电极层13a、13b形成为平面状的长方形部件沿着圆柱形状的外周弯曲的形状。此处,使得弯曲的电极层13a、13b变形为未弯曲的平面状的部件时的形状被称为电极层13a、13b的“平面形状”。如上所述,图1~图3所示的电极层13a、13b的“平面形状”为长方形。并且,“电极层的外周形状”是指:“电极层的平面形状中的外周形状”。
对于本实施方式中的蜂窝结构体10而言,带状的电极层的外周形状可以是长方形的角部形成为曲线状的形状。通过形成为上述形状,能够提高蜂窝结构体的耐热冲击性。另外,带状的电极层的外周形状形成为长方形的角部倒角成直线状的形状也是优选方式。通过形成为上述形状,能够提高蜂窝结构体的耐热冲击性。
对于本实施方式中的蜂窝结构体10而言,在与隔室延伸的方向正交的截面中,电流路径的长度优选为蜂窝结构体的直径的1.6倍以下。如果超过1.6倍,则有时会不必要地消耗能量。此处,“电流路径”是指电流流经的路径。另外,“电流路径的长度”是指:蜂窝结构体的“与隔室延伸的方向正交的截面”中的、电流流经的“外周”的长度的0.5倍的长度。这意味着:蜂窝结构体的“与隔室延伸的方向正交的截面”中的“电流流经的路径”中的最大长度。“电流路径的长度”是指:在外周形成有凹凸、或者在蜂窝结构体形成有在外周开口的狭缝时沿着该凹凸或狭缝内的表面测定所得的值。因此,例如在蜂窝结构体形成有在外周开口的狭缝的情况下,“电流路径的长度”与狭缝的深度的大致2倍的长度相应地延长。
电极层13a、13b的电阻率优选为0.1Ωcm~100Ωcm,更优选为0.1Ωcm~50Ωcm。通过将电极层13a、13b的电阻率设定为上述范围,使得一对电极层13a、13b在供高温废气流动的配管内有效地发挥电极的作用。如果电极层13a、13b的电阻率小于0.1Ωcm,则在与隔室延伸的方向正交的截面中,有时电极层13a、13b的两端附近的蜂窝部的温度容易升高。如果电极层13a、13b的电阻率大于100Ωcm,则有时电流难以流通,因此,难以发挥作为电极的作用。电极层13a、13b的电阻率是400℃下的值。
电极层13a、13b的气孔率优选为30%~60%,更优选为30%~55%。通过将电极层13a、13b的气孔率设定为上述范围,能够实现适当的电阻率。如果电极层13a、13b的气孔率低于30%,则有时会在制造时发生变形。如果电极层13a、13b的气孔率高于60%,则有时电阻率变得过高。气孔率是利用水银孔率计测定所得的值。
电极层13a、13b的平均细孔径优选为5μm~45μm,更优选为7μm~40μm。通过将电极层13a、13b的平均细孔径设定为上述范围,能够实现适当的电阻率。如果电极层13a、13b的平均细孔径小于5μm,则有时电阻率变得过高。如果电极层13a、13b的平均细孔径大于45μm,则有时电极层13a、13b的强度减弱而容易破损。平均细孔径是利用水银孔率计测定所得的值。
在电极层13a、13b的主成分为“硅-碳化硅复合材料”的情况下,电极层13a、13b中含有的碳化硅粒子的平均粒径优选为10μm~60μm,更优选为20μm~60μm。通过将电极层13a、13b中含有的碳化硅粒子的平均粒径设定为上述范围,能够在0.1Ωcm~100Ωcm的范围内对电极层13a、13b的电阻率进行控制。如果电极层13a、13b中含有的碳化硅粒子的平均粒径小于10μm,则有时电极层13a、13b的电阻率变得过大。如果电极层13a、13b中含有的碳化硅粒子的平均粒径大于60μm,则有时电极层13a、13b的强度减弱而容易破损。电极层13a、13b中含有的碳化硅粒子的平均粒径是通过激光衍射法测定所得的值。
在电极层13a、13b的主成分为“硅-碳化硅复合材料”的情况下,电极层13a、13b中含有的硅的质量相对于电极层13a、13b中含有的“碳化硅粒子和硅各自的质量的合计值”的比率优选为20质量%~40质量%。并且,电极层13a、13b中含有的、硅的质量相对于“碳化硅粒子和硅各自的质量的合计值”的比率更优选为25质量%~35质量%。通过将电极层13a、13b中含有的、硅的质量相对于“碳化硅粒子和硅各自的质量的合计值”的比率设为上述范围,能够使得电极层13a、13b的电阻率处于0.1Ωcm~100Ωcm的范围。如果电极层13a、13b中含有的、硅的质量相对于“碳化硅粒子和硅各自的质量的合计值”的比率小于20质量%,则有时电阻率变得过大,如果电极层13a、13b中含有的、硅的质量相对于“碳化硅粒子和硅各自的质量的合计值”的比率大于40质量%,则有时在制造时容易变形。
(3.金属电极部)
如图4所示,蜂窝结构体10借助电极层13a、13b而与一对金属电极部1、1接触。此处,各金属电极部1、1具备:板状的主体部分2;以及从上述主体部分突出的多个舌片3(图中为2个),舌片3的一部分与蜂窝结构体10接触(图中,借助电极层13a、13b而与蜂窝结构体10接触)。由此,当金属电极部1、1借助电极层13a、13b而施加电压时,实现通电而能够利用焦耳热使得蜂窝结构体10发热。因此,蜂窝结构体10可以优选用作加热器。施加的电压优选为12V~900V,更优选为64V~600V,施加的电压可以适当地变更。
图5是示出本发明的一个实施方式所涉及的金属电极部1的立体图。金属电极部1具备平板形状的主体部分2。多个舌片3从主体部分2朝向附图中的上方而规则地排列。各舌片3具备:从主体部分2立起的立起部分3a;以及从立起部分3a在横向上突出的平坦部分3b。各舌片3借助处于其根部的一个片材20而与主体部分2连结。
本例中,舌片3通过对主体部分2的切断加工而形成,因此,形成有与舌片3大致相同的形状以及尺寸的贯通孔4。平坦部分3b朝向上方的电化学单元并与之接触。
图6是示出本发明的另一实施方式所涉及的金属电极部1A的立体图。金属电极部1A具备平板形状的主体部分2。多个舌片13从主体部分2朝向附图中的上方而规则地排列。各舌片13具备:从主体部分2立起的立起部分13a;从立起部分13a在横向上突出的平坦部分13b;以及从平坦部分13b朝向贯通孔4侧延伸的下降部13c。平坦部分13b朝向上方的电化学单元并与之接触。各舌片13借助处于其根部的一个片材20而与主体部分2连结。
图7是示出本发明的又一实施方式所涉及的金属电极部1B的立体图。金属电极部1B具备平板形状的主体部分2。多个舌片23从主体部分2朝向附图中的上方而规则地排列。各舌片23具备:从主体部分2立起的立起部分23a;以及相对于上述立起部分23a而连续的多个折弯部分23b、23c、23d、23e以及平坦部分23f。平坦部分23f朝向上方的电化学单元并与之接触。各舌片23借助处于其根部的一个片材20而与主体部分2连结。
图8是示出本发明的又一实施方式所涉及的金属电极部1C的立体图。金属电极部1C具备平板形状的主体部分2。多个舌片33从主体部分2朝向附图中的上方而规则地排列。各舌片33具备:从主体部分2立起的立起部分33a;相对于上述立起部分33a而连续的弯曲部分33b;以及相对于弯曲部分33b而连续的平坦部分33c。平坦部分33c朝向上方的电化学单元并与之接触。各舌片33借助处于其根部的一个片材20而与主体部分2连结。
另外,主体部分2只要为板状即可,对其形状并未特别限定,可以为平板状,也可以为曲面板状(参照图4(b))。另外,在主体部分2为曲面板状的情况下,优选该曲面形状与蜂窝结构体10的侧面吻合。即,优选主体部分2与蜂窝结构体10之间的距离恒定。
对于舌片的平面形状并未特别限定。例如,如图9(a)、图9(b)所示,舌片7A、7B可以为矩形。另外,如图9(c)所示,舌片7C可以呈圆弧状。如图9(d)所示,舌片7D可以呈长圆形状。
另外,如图10(a)所示,舌片7E可以呈多边形形状。另外,如图10(b)所示,舌片7F可以呈梯形形状。此外,如图10(c)所示,舌片7G可以呈星形。舌片也可以呈其它各种各样的不同形状。
对于舌片的尺寸并未特别限定。为了增大通气性以及变形的余地,舌片的高度优选为0.3mm以上,更优选为1.0mm以上。另一方面,如果舌片过高,则气体的利用效率降低,因此,舌片的高度优选为5.0mm以下。舌片的高度是指:从舌片的各部分至主体部分的垂直距离中的最大距离。
舌片3的一部分与蜂窝结构体10接触(参照图4)。应予说明,当在蜂窝结构体的表面设置有电极层时,舌片3的一部分借助该电极层101a、101b而与蜂窝结构体10接触。由此,金属电极部1和蜂窝结构体10电连接。舌片3的一部分与蜂窝结构体10的接触只要能够确保金属电极部1与蜂窝结构体10的电连接即可,接触方法并未限定。例如,可以利用舌片3的弹性变形来维持与蜂窝结构体10的接触,也可以将舌片3焊接于蜂窝结构体10的外周壁(或设置于外周壁上的电极层),还可以通过从舌片3的上方喷涂具有导电性的金属材料(例如NiCr系材料、CoNiCr系材料)而形成固定层,并将舌片3固定于蜂窝结构体10的外周壁(或设置于外周壁上的电极层)。应予说明,在形成固定层而对舌片3进行固定的情况下,舌片3的一部分与蜂窝结构体10的“接触”并不一定需要是物理接触,即便在舌片3与蜂窝结构体10之间存在空间,由于金属电极部1和蜂窝结构体10借助具有导电性的固定层而电连接,所以舌片3的一部分和蜂窝结构体10也“接触”。即,本发明中,“接触”不仅是指物理接触,还指电接触。
这样,金属电极部构成为包括:板状的主体部分;以及从上述主体部分突出的多个舌片,并且,该舌片的一部分与蜂窝结构体接触,由此,从主体部分突出的多个舌片能够沿着蜂窝结构体的外周壁分别独立地变形,因此,即便蜂窝结构体的形状精度较差,也能够良好地保持电连接。另外,各舌片分别进行变形,从而各舌片将由热膨胀差等引起的应力吸收,因此,能够防止对接触点以及蜂窝结构体施加过度的应力。
另外,优选地,从舌片3的相对于主体部分2突出的起点至舌片3的突出程度最大的部位的最短长度A、和舌片3的表面中与相对于主体部分2突出的方向正交的方向上的宽度的最小值B满足1≤A/B≤10的关系(图11)。
此处,“舌片的突出程度最大的部位”是指:至主体部分2的垂直距离L最大的部位(参照图11(a)、图11(b))。另外,“至舌片的突出程度最大的部位的最短长度A”是指:至主体部分2的垂直距离最大的部位中的、距舌片3从主体部分2突出的起点的距离最短的部位的直线距离(参照图11(a)、图11(b))。图11(a)示出了在主体部分2的厚度方向上的截面中的、舌片3的前端为与主体部分2平行的平板形状的情况下的A,图11(b)示出了在主体部分2的厚度方向上的截面中的、舌片3的前端为曲面形状的情况下的A。
舌片3的“从主体部分2突出的方向”是指:从舌片3的相对于主体部分2突出的起点沿着舌片3的表面并与蜂窝结构体的隔室12的流路方向正交的方向X(参照图11(c)、图11(d)),“与从主体部分2突出的方向正交的方向上的宽度的最小值B”是指:舌片3的表面中的、与方向X垂直的方向上的舌片3的宽度最小的部位的宽度(参照图11(c)、图11(d))。
图11(c)是图11(a)、图11(b)的金属电极部1的俯视图,图11(d)是图11(c)的舌片3在平面上展开时的俯视图。图示的实施方式中,舌片3具有颈部以及头部,该头部具有大于颈部的宽度的宽度,颈部的宽度恒定,因此,该颈部的宽度为B。
通过将A/B设为1以上,从而,从主体部分突出的多个舌片容易沿着蜂窝结构体的外周壁而变形,能够使得作用于舌片的扭转应力缓和。另外,通过将A/B设为10以内,能够将舌片的强度保持为一定程度,能够防止舌片疲劳断裂,还能够确保使得较大电流流通所需的宽度。
另外,优选地,舌片3的颈部的长度L1和头部的长度L2满足1≤L1/L2≤10的关系(参照图11(d))。通过将L1/L2设为1以上,从而,从主体部分突出的多个舌片容易沿着蜂窝结构体的外周壁而变形,能够使得作用于舌片的扭转应力缓和。另外,通过将L1/L2设为10以内,能够将舌片的强度保持为一定程度,能够防止舌片疲劳断裂,还能够确保使得较大电流流通所需的宽度。
应予说明,颈部和头部的形状并未限定,只要根据外观而能够区分为宽度较小的部分和宽度较大的部分,则可以将它们分别称为颈部以及头部。
此外,优选地,舌片3具有2个以上的折弯部(参照图12)。由于舌片3具有2个以上的折弯部,从而,能够利用舌片3的弹性变形来提高与蜂窝结构体的接触性,并且,能够对施加于蜂窝结构体的应力进行调整。
作为构成金属电极部1的金属并未施加限定,根据获得容易度的观点,银、铜、镍、金、钯、硅等具有代表性。金属电极部1优选为铁合金、镍合金、或钴合金。也可以使用碳或陶瓷来代替金属电极部。作为陶瓷并未施加限定,可以举出含有Si、Cr、B、Fe、Co、Ni、Ti、Ta中的至少一种的陶瓷,例如碳化硅、硅化铬、碳化硼、硼化铬、硅化钽。也可以将金属和陶瓷组合而形成复合材料。
另外,优选地,金属电极部1具有多个孔(参照图11(c))。由此,当蜂窝结构体发热时,能够防止导电性连接部件本身的隔热效果,金属电极部1的表里温度恒定,从而能够使得金属电极部1内施加的应力缓和而防止主体部分2变形。多个孔可以是由1块金属板切割出舌片而形成的贯通孔,也可以是将例如网状材料、形成有通气孔的板材、膨胀合金等通气性材料用作主体部分而形成的孔。
本发明的电加热型催化剂用载体可以用于废气净化装置。即,本发明的另一方案是废气净化装置,该废气净化装置具有:本发明所涉及的电加热型催化剂用载体,其设置于用于使得来自发动机的废气流通的废气流路的中途;以及筒状金属部件,其对上述电加热型催化剂用载体进行收纳。根据上述说明能够理解:这种废气净化装置能够实现所需的通电性能,因此,能够实现更稳定的废气净化功能。
实施例
以下,举例示出用于更好地理解本发明及其优点的实施例,但是,本发明并不限定于实施例。
(实施例)
以60:40的质量比例对碳化硅(SiC)粉末和金属硅(Si)粉末进行混合而调配出陶瓷原料。然后,在陶瓷原料中添加作为粘合剂的羟丙基甲基纤维素、作为造孔材料的吸水性树脂并添加水,由此制成成型原料。然后,利用真空练泥机对成型原料进行混炼而制作圆柱状的坯料。当碳化硅(SiC)粉末与金属硅(Si)粉末的合计值设为100质量份时,粘合剂的含量设为7质量份。当碳化硅(SiC)粉末与金属硅(Si)粉末的合计值设为100质量份时,造孔材料的含量设为3质量份。当碳化硅(SiC)粉末与金属硅(Si)粉末的合计值设为100质量份时,水的含量设为42质量份。碳化硅粉末的平均粒径为20μm,金属硅粉末的平均粒径为6μm。另外,造孔材料的平均粒径为20μm。碳化硅粉末、金属硅粉末以及造孔材料的平均粒径是指:通过激光衍射法对粒度的频率分布进行测定时的、体积基准下的算术平均粒径。
使用挤出成型机对获得的圆柱状的坯料进行成型,由此获得柱状的蜂窝成型体,其中,该蜂窝成型体的各隔室的截面形状为正方形。在对获得的蜂窝成型体进行高频感应加热干燥之后,使用热风干燥机以120℃的温度而实施了2小时的干燥,并以规定量将两个底面切断,由此制成蜂窝干燥体。在对蜂窝干燥体进行脱脂(预烧)之后进行烧成。
接下来,在金属硅(Si)粉末中添加作为粘合剂的羟丙基甲基纤维素、作为保湿剂的甘油、以及作为分散剂的表面活性剂,并且添加水而进行混合。对混合物进行混炼而制成电极层形成原料。以使得厚度达到1.5mm、且遍及蜂窝烧成体的两个端面之间的方式,将该电极层形成原料以带状而涂敷于蜂窝烧成体的侧面。将电极层形成原料涂敷于蜂窝烧成体的侧面的2处部位。并且,以如下方式进行配置:在与隔室延伸的方向正交的截面中,使得2处涂敷有电极层形成原料的部分中的一方相对于另一方隔着蜂窝烧成体的中心而对置。
接下来,使涂敷于蜂窝烧成体的电极层形成原料干燥而获得带有未烧成电极的蜂窝烧成体。干燥温度设为70℃。
然后,对带有未烧成电极的蜂窝烧成体进行脱脂(预烧)、烧成,进而,进行氧化处理而获得蜂窝结构体。脱脂的条件设为以550℃的温度进行3小时的脱脂。烧成的条件设为在氩气氛下以1450℃的温度进行2小时的烧成。氧化处理的条件设为以1300℃的温度进行1小时的氧化处理。获得的蜂窝结构体的底面为80mm的直径的圆形,蜂窝结构体在隔室延伸的方向上的长度为75mm。
接下来,对于具有与蜂窝结构体的外周壁吻合的曲面板状的主体部分(不锈钢材料)、以及图11所示的形状的舌片(不锈钢材料)的金属电极部,以隔着蜂窝结构体的中心而对置的方式将其配置于蜂窝结构体的电极层外周面,并通过从舌片的上方进行焊接的方法将舌片的前端固定于电极层。表1中示出了各实施例以及比较例的舌片的具体指标。
(比较例)
除了将金属电极部变更为不具有舌片的梳状电极以外,以与实施例同样的条件进行了准备。
(蜂窝破损试验)
将陶瓷垫卷绕于通过焊接的方式而固定有舌片(或梳状电极)的蜂窝结构体,然后将该蜂窝结构体收纳于金属容器,并进行了施加24小时的、振动频率为100Hz以及加速度为30G的振动的振动试验,并对此后的接合部分、蜂窝结构体的破损状态进行了目视确认。表1中使出了通过目视的方式而能够确认的样品的数量。
表1
(考察)
根据表1所示的结果可知:本发明的实施例与比较例相比,有效地抑制了接合部分、蜂窝结构体的破损。另一方面,采用不具有舌片的金属电极部的比较例中,应力的缓和不充分,频繁产生接合部分、蜂窝结构体的破损。

Claims (8)

1.一种电加热型催化剂用载体,其具备:
蜂窝结构体;以及
一对金属电极部,该一对金属电极部配置成隔着所述蜂窝结构体的中心而对置,
所述电加热型催化剂用载体的特征在于,
所述一对金属电极部中的一方或双方具备:板状的主体部分;以及从上述主体部分突出的多个舌片,所述舌片的一部分与所述蜂窝结构体接触。
2.根据权利要求1所述的电加热型催化剂用载体,其特征在于,
从所述舌片的相对于所述主体部分突出的起点至所述舌片的突出程度最大的部位的最短长度A、和所述舌片的表面中的与从所述主体部分突出的方向正交的方向上的宽度的最小值B满足1≤A/B≤10的关系。
3.根据权利要求1或2所述的电加热型催化剂用载体,其特征在于,
所述舌片具有:颈部;以及头部,该头部具有比所述颈部的宽度大的宽度,所述颈部的长度L1和所述头部的长度L2满足1≤L1/L2≤10的关系。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的电加热型催化剂用载体,其特征在于,
所述舌片具有2个以上的折弯部。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的电加热型催化剂用载体,其特征在于,
所述蜂窝结构体在其侧面具备一对电极层,所述一对电极层配置为隔着所述蜂窝结构体的中心而对置。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的电加热型催化剂用载体,其特征在于,
所述金属电极部为铁合金、镍合金或钴合金。
7.根据权利要求1~6中任一项所述的电加热型催化剂用载体,其特征在于,
所述主体部分具有多个孔。
8.一种废气净化装置,其特征在于,
所述废气净化装置具有:
权利要求1~7中任一项所述的电加热型催化剂用载体,该电加热型催化剂用载体设置于用于使得来自发动机的废气流通的废气流路的中途;以及
筒状金属部件,该筒状金属部件对所述电加热型催化剂用载体进行收纳。
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