DE112018004317T9

DE112018004317T9 - Elektrisch beheizter Katalysator

Info

Publication number: DE112018004317T9
Application number: DE112018004317.7T
Authority: DE
Inventors: Junichi NARUSE; Takehiro Tokuno; Kazuki Hirata; Yasushi Takayama
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2038-09-20
Also published as: DE112018004317T5; US20200222891A1; CN111163864A; DE112018004317B4; JP6743796B2; JP2019063719A; WO2019065381A1

Abstract

Ein elektrisch beheizter Katalysator (1) beinhaltet ein Wabensubstrat (2), eine Elektrode (3) und eine Verbindungssektion (4). Das Wabensubstrat (2) und die Verbindungssektion (4) beinhalten Matrizen (201, 401) und leitfähiges Füllmaterial (202, 402). Die Matrizen (201, 401) enthalten Borosilikat, das zumindest ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall enthält. Die Verbindungssektion (4) besitzt eine Erweichungsgrenze, die niedriger ist, als die des Wabensubstrats (2).

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung No. 2017-190315 , eingereicht am 29. September 2017, deren Beschreibung hier durch Verweis aufgenommen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen elektrisch beheizten Katalysator, der ein Borosilikat-haltiges Wabensubstrat und eine Borosilikat-haltige Verbindungssektion beinhaltet.
HINTERGUND
Es ist ein elektrisch beheizter Katalysator beispielsweise aus dem Fahrzeugbereich bekannt, welcher ein Katalysator tragendes Wabensubstrat, das aus einem SiC oder einem anderen resistiven Heizelement ausgebildet ist, beinhaltet und durch elektrische Aufheizung zum Heizen gebracht wird.
Die Patentliteratur 1 beschreibt beispielsweise einen elektrisch beheizten Katalysator, der ein SiC Wabensubstrat und eine mittels Haftmittel an das Substrat angebrachte SiC-Si Elektrode beinhaltet. Im Folgenden wird das Wabensubstrat manchmal vereinfacht als Substrat bezeichnet.
RELEVANTE PATENTLITERATUR
[PTL 1] JP 2013-198887 A
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
SiC weist einen relativ hohen elektrischen Widerstand auf und verbraucht dadurch mehr Leistung während eines Stromflusses durch das Substrat. Daraus resultiert eine reduzierte Kraftstoffeffizienz bei einem beispielweise in einem Fahrzeug verwendeten elektrisch beheizten Katalysator. Es ist daher wünschenswert, ein Wabensubstrat zu entwickeln, das aus einem resistiven Heizelement mit einem elektrischen Widerstand ausgebildet ist, der niedriger als der von SiC ist. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung konzentrierten sich auf ein Wabensubstrat mit einer Matrix, welche Borosilikat enthält, und einem resistives Heizelement, welches einen leitfähigen Füllstoff enthält.
Für ein Substrat, das aus einem anderen Material ausgebildet ist, sollen eine für das Substrat geeignete Elektrode und ein Lötmaterial zum Verbinden der Elektrode mit dem Substrat entwickelt werden. Ein solches Lötmaterial kann im Hinblick auf die elektrische Leitfähigkeit ein Lötmetall sein.
Jedoch oxidiert Metall, beispielsweise bei hohen Temperaturen, leicht bzw. problemlos. Die Oxidation kann einen dielektrischen Film aus metallischem Oxid auf dem Lötmaterial ausbilden. Der ausgebildete dielektrische Film kann eine lokale Erhöhung des elektrischen Widerstands verursachen.
Die Erhöhung des elektrischen Widerstands beeinträchtigt einen ausreichenden Stromfluss bzw. -durchgang durch das gesamte Wabensubstrat, wodurch das Wabensubstrat nicht ausreichend aufgeheizt wird. Genauer ausgedrückt, bewirkt in diesem Fall der Stromdurchgang, dass sich das Wabensubstrat nicht gleichmäßig aufheizt, was zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung auf dem elektrisch beheizten Katalysator führt. Die Ungleichmäßigkeiten in der Temperatur können die Katalysatoraktivität des elektrisch beheizten Katalysators verändern. Darüber hinaus kann die Temperaturungleichmäßigkeit im Substrat Risse in der Verbindungssektion zwischen dem Substrat und der Elektrode aufgrund von Unterschieden bei der thermischen Ausdehnung verursachen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es daher, einen elektrisch beheizten Katalysator zu schaffen, der die Erzeugung einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in seinem Wabensubstrat unterdrückt.
Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein elektrisch beheizter Katalysator:

ein Wabensubstrat;
eine auf dem Wabensubstrat ausgebildete Elektrode; und
eine Verbindungssektion, die das Wabensubstrat und die Elektrode verbindet, wobei
das Wabensubstrat und die Verbindungssektion Matrizen und leitfähiges Füllmaterial beinhalten, und wobei die Matrizen Borosilikat enthalten, das zumindest ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall beinhaltet.

Ein elektrisch beheizter Katalysator beinhaltet das Wabensubstrat, die Elektrode und die Verbindungssektion zu deren Verbindung. Das Wabensubstrat und die Verbindungssektion beinhalten beide die Borosilikat-haltigen Matrizen und das leitfähige Füllmaterial, und wobei das Borosilikat zumindest ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall beinhaltet. Diese Struktur eliminiert die Notwendigkeit eines Lötmetalls, das als Verbindungssektion verwendet wird, und erlaubt der Verbindungssektion frei von Metall zu sein oder zumindest einen ausreichend kleineren Anteil an Metall zu enthalten.
Daher kann beispielsweise die Metalloxidation der Verbindungssektion bei hohen Temperaturen unterdrückt werden. Dementsprechend wird beispielsweise die Bildung eines dielektrischen Films aus metallischem Oxid auf der Verbindungssektion an der Schnittstelle zwischen der Verbindungssektion und dem Wabensubstrat unterdrückt.
Demzufolge wird eine Erhöhung des elektrischen Widerstands der Verbindungssektion an lokalen Flächen unterdrückt, was einem Strom erlaubt, ausreichend durch das Wabensubstrat zu fließen, indem ein elektrischer Strom durch die Elektrode geleitet wird. Der elektrisch beheizte Katalysator heizt dadurch effizient. Mit anderen Worten, ist es dem gesamten Wabensubstrat möglich, sich während des elektrischen Heizens gleichmäßig aufzuheizen, ohne das es zu lokale Aufheizungen in einigen Teilen, wie etwa der Verbindungssektion, kommt. Demzufolge wird die Erzeugung von Ungleichmäßigkeiten in der katalytischen Aktivität verhindert. Zudem wird die Erzeugung eines Unterschieds in der thermischen Ausdehnung unterdrückt und dadurch Risse in der Verbindungssektion verhindert.
Wie oben beschrieben, werden das Wabensubstrat und die Verbindungssektion aus den gleichen Materialien ausgebildet. Dadurch aufweisen das Wabensubstrat und die Verbindungssektion nur kleine Unterschiede in der thermischen Ausdehnung. Dies trägt zur Vermeidung von Schäden bei, die durch einen Unterschied in der thermischen Ausdehnung verursacht werden. Außerdem aufweisen das Wabensubstrat und die Verbindungssektion eine hohe Affinität, was ihre Haftstärke verbessert.
Da die Matrizen des Wabensubstrats und der Verbindungssektion Alkalimetall und/oder Erdalkalimetall enthalten, kann ein niedrigerer elektrischer Widerstand der Matrizen erreicht werden. Dadurch ist es der Verbindungssektion möglich, einen elektrischen Widerstand aufzuweisen, der niedriger als der des Wabensubstrats ist, beispielsweise durch Auswählen eines Füllmaterials mit niedriger Resistivität bzw. spezifischen elektrischem Widerstand als leitfähiges Füllmaterial im Wabensubstrat und der Verbindungssektion und Erhöhen des Gehalts des leitfähigen Füllmaterials in der Verbindungssektion, verglichen mit dem Wabensubstrat. Demzufolge wird das Wabensubstrat effizient aufgeheizt, während die Aufheizung in der Verbindungssektion unterdrückt wird.
Die Matrix des Wabensubstrats weist einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, welcher verglichen mit SiC nur eine kleine Temperaturabhängigkeit aufweist und PTC Charakteristiken bzw. Kennlinien zeigt. Dadurch, dass das im Wabensubstrat leitfähige Füllmaterial einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der PTC Kennlinien zeigt, zeigt auch der spezifischen elektrische Widerstand des Wabensubstrats klar PTC Kennlinien. Wenn im Gegensatz dazu, das leitfähige Füllmaterial einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der NTC Kennlinien zeigt, wird der spezifischen elektrische Widerstand der Matrix, der PTC Kennlinien zeigt, mit dem spezifischen elektrischen Widerstand des leitfähigen Füllmaterials, das NTC Kennlinien zeigt, kombiniert, um es dem Wabensubstrat zu ermöglichen, einen spezifischen elektrischen Widerstand aufzuweisen, der nur eine kleine Temperaturabhängigkeit aufweist und PTC Kennlinien zeigt oder fast keine Temperaturabhängigkeit aufweist. Das Gleiche gilt für die Verbindungssektion.
Wie oben beschrieben kann, da das Wabensubstrat hinsichtlich seiner Resistivität bzw. seines spezifischen elektrischen Widerstands so ausgebildet werden, dass es keine NTC Kennlinien zeigt, womit eine Konzentration des Stromflusses auf einen relativ hochtemperierten Bereich während des elektrischen Heizens vermieden werden kann. Dadurch ist die Erzeugung einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung im Wabensubstrat und der Verbindungssektion weniger wahrscheinlich und Risse aufgrund eines Unterschieds in der thermischen Ausdehnung werden mit geringerer Wahrscheinlichkeit auftreten, weil ein lokales Aufheizen nur in einem relativ hochtemperierten Bereich unterdrückt wird. Obwohl SiC einer elektrischen Aufheizung mit einer kleinen Strommenge zur Verhinderung von Rissen aufgrund eines Unterschieds zwischen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung ausgesetzt sein kann, benötigt es Zeit ausreichend aufzuheizen.
Darüber hinaus kann die Matrix einen niedrigeren elektrischen Widerstand aufweisen, da die Matrix des Wabensubstrats Alkalimetall und/oder Erdalkalimetall aufweist. Somit kann der spezifische elektrische Widerstand des Wabensubstrats beispielsweise durch Auswählen eines Füllmaterials mit einem niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand als leitfähiges Füllmaterial und Erhöhen des Gehalts des Füllmaterials problemlos gesenkt werden. Dementsprechend weist das Wabensubstrat vorteilhafterweise einen niedrigen elektrischen Widerstand auf und weist eine Resistivität bzw. spezifischen elektrischen Widerstand auf, der nur eine kleine Temperaturabhängigkeit verglichen mit einem Wabensubstrat, das vollständig aus der Matrix oder aus SiC ausgebildet ist.
Mit dem Wabensubstrat, das die oben beschriebene Struktur aufweist, hat der elektrisch beheizte Katalysator eine geringere Wahrscheinlichkeit eine ungleichmäßige Temperaturverteilung während des elektrischen Heizens aufzuweisen. Dementsprechend hat der elektrisch beheizte Katalysator eine geringere Wahrscheinlich aufgrund ungleichmäßiger katalytischer Aktivität und eines Unterschieds in der thermischen Ausdehnung zu brechen. Außerdem heizt das Wabensubstrat während des elektrischen Heizens bei einer niedrigeren Temperatur früher auf.
Wie oben beschrieben, wird, gemäß dem obigen Gesichtspunkt, ein elektrisch beheizter Katalysator bereitgestellt, der die Erzeugung einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in seinem Wabensubstrat unterdrückt.
Es wird darauf hingewiesen, dass in Klammer gesetzten Bezugszeichen in den Ansprüchen eine Entsprechung mit spezifischen Teilen, die bei einer später beschriebenen Ausführungsform erwähnt werden, angeben, aber den technischen Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht begrenzen.
Figurenliste
Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden durch die nachstehend wiedergegebene detaillierte Beschreibung mit Bezug zu den angefügten Zeichnungen deutlich erkennbar. Es zeigt:

1 eine perspektivische Ansicht eines elektrisch beheizten Katalysators gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine partielle Querschnittsansicht des elektrisch beheizten Katalysators gemäß der ersten Ausführungsform;
3 eine schematische Darstellung der Mikrostruktur des Wabensubstrats gemäß der ersten Ausführungsform;
4 eine schematische Darstellung der Mikrostruktur einer Verbindungssektion gemäß der ersten Ausführungsform;
5 eine partielle Querschnittsansicht eines elektrisch beheizten Katalysators gemäß einer zweiten Ausführungsform;
6 eine schematische Darstellung der Mikrostruktur einer Elektrode gemäß der zweiten Ausführungsform
7 eine partielle Querschnittsansicht eines elektrisch beheizten Katalysators gemäß einer dritten Ausführungsform.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
(Erste Ausführungsform)
Eine Ausführungsform für einen elektrisch beheizten Katalysator wird nun mit Bezug zu den 1 bis 4 beschrieben. Der nachstehend beschriebene elektrisch beheizte Katalysator kann einen Katalysator aufweisen, der von einem Substrat getragen wird oder kann einen Katalysator, der nicht von dem Substrat (d.h. einem Träger) getragen wird. Ein elektrisch beheizter Katalysator wird manchmal als ein EHC bezeichnet. Wie in 1 und 2 veranschaulicht, beinhaltet ein elektrisch beheizter Katalysator 1 ein Wabensubstrat 2, eine Elektrode 3 und eine Verbindungssektion 4.
Das Wabensubstrat 2, welches eine Wabenstruktur aufweist, kann eine zylindrische Außenhaut 21 und eine große Anzahl an Zellwänden 22, die das Innere der Außenhaut 21 unterteilen, beinhalten. Das Wabensubstrat 2 beinhaltet eine große Anzahl von Zellen 23, die von den Zellwänden 22 umschlossen werden und sich in axialer Richtung erstrecken. Das Wabensubstrat 2 kann jede Gestalt, wie etwa eine Säule mit der zylindrischen Außenhaut 21, wie in den 1 und 2 veranschaulicht, haben, ist aber nicht darauf beschränkt. Jede Zelle 23 kann einen Querschnitt, wie etwa ein Viereck, aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt. Das Wabensubstrat 2 kann eine bekannte Struktur haben.
Die Elektrode 3 wird beispielsweise aus der Außenhaut 21 des Wabensubstrats 2 ausgebildet. Üblicherweise kann ein Paar aus Elektroden 3 an der Außenhaut ausgebildet werden, um Strom durch das Wabensubstrat 2 zu leiten. Das Paar der Elektroden 3 kann beispielsweise auf der Außenhaut 21 sich einander zugewandt angeordnet werden. Wie in den 1 und 2 veranschaulicht, beinhaltet jede Elektrode 3 eine kachelförmige Elektrode 31 und eine stabförmige Elektrode 32. Die kachelförmigen Elektroden 31 sitzen einander gegenüber, wobei die stabförmigen Elektroden 32 sich ebenfalls gegenüber sitzen.
Das Wabensubstrat 2 und jede Elektrode 3 sind an der Verbindungssektion 4 verbunden. Die Ausführungsform für den elektrisch beheizten Katalysator 1 wird ferner im Detail unten beschrieben.
Wie in 3 veranschaulicht, beinhaltet das Wabensubstrat eine Matrix 201 und leitfähiges Füllmaterial 202. Die Matrix 201 kann amorph oder kristallin sein. Für die Matrix 201, die amorph ist, wird das leitfähige Füllmaterial 202 in der Matrix 201 verteilt, beispielsweise in Form von Teilchen. In anderen Worten, kann das Wabensubstrat 2 eine Mikrostruktur aufweisen, die eine Meer-Insel-Struktur ist, in welcher die Matrix 201 „Meer“ und das leitfähige Füllmaterial 202 „Inseln“ sind.
Die Matrix 201 enthält Borosilikat. Das Borosilikat beinhaltet zumindest ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall. Genauer ausgedrückt enthält die Matrix 201 Borosilikat, das mit dem Alkalimetall und/oder dem Erdalkalimetall dotiert ist. Im Wabensubstrat 2 mit dieser Struktur bestimmt die Matrix 201, welche das Basismaterial ist, den elektrischen Widerstand während des elektrischen Heizens.
Die Matrix 201 weist einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, der verglichen mit beispielsweise SiC nur eine kleinere Temperaturabhängig aufweist und eine Charakteristik bzw. Kennlinie mit positiven Temperaturkoeffizienten (PTC, positive temperature coefficient) aufweist. Somit weist das Wabensubstrat 2, wenn das in der Matrix 201 enthaltene leitfähige Füllmaterial 202 einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der eine PTC Kennlinie zeigt, einen elektrischen Widerstand auf, der eine kleine Temperaturabhängigkeit aufweist und eine PTC Kennlinie zeigt. Wenn im Gegensatz dazu, das leitfähige Füllmaterial 202 einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der eine Kennlinie negativem Temperaturkoeffizienten (NTC, negative temperature coefficient) zeigt, wird der spezifischen elektrische Widerstand der Matrix 201, der eine PTC Kennlinie zeigt, mit dem spezifischen elektrischen Widerstand des leitfähigen Füllmaterials 202, das eine NTC Kennlinie zeigt, kombiniert, um es dem Wabensubstrat 2 zu ermöglichen, einen spezifischen elektrischen Widerstand aufzuweisen, der nur eine kleine Temperaturabhängigkeit aufweist und eine PTC Kennlinie zeigt oder beinahe keine Temperaturabhängigkeit aufweist. Dementsprechend wird während des Heizens das Auftreten einer internen ungleichmäßigen Temperaturverteilung und eine Rissbildung aufgrund eines Unterschieds in der thermischen Ausdehnung im Wabensubstrat 2 weniger wahrscheinlich. Zudem heizt das Wabensubstrat 2 früher und zu einer niedrigeren Temperatur während des elektrischen Heizens.
Das Borosilikat kann zumindest ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall enthalten. In anderen Worten, kann das Borosilikat mit zumindest einem Alkalimetall oder einem Erdalkalimetall dotiert sein. Als Alkalimetall oder Erdalkalimetall wird vorzugsweise zumindest ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Na, Mg, K, Ca, Li, Be, Rb, Sr, Cs, Ba, Fr und Ra, verwendet. Das ausgewählte Metall wird den elektrischen Widerstand der Matrix 201 senken. Daher kann der elektrische Widerstand des Wabensubstrats 2 durch Auswahl eines Füllmaterials mit niedrigem elektrischem Widerstand als leitfähiges Füllmaterial und durch Erhöhung des Füllmaterialgehalts problemlos gesenkt werden.
Um den elektrischen Widerstand des Wabensubstrats 2 problemlos zu senken, enthält das Borosilikat vorzugsweise zumindest ein gewähltes Element aus der Gruppe bestehend aus Na, Mg, K und Ca. Bevorzugter enthält das Borosilikat zumindest Na oder K oder beide Na und K. Das Borosilikat kann genauer ausgedrückt Aluminoborosilikat sein.
Das Borosilikat kann in Summe 0,1mass% oder mehr und 10mass% oder weniger eines Alkalimetalls und eines Erdalkalimetalls enthalten. Diese prozentualen Anteile erlauben der Matrix 201 zuverlässig, einen niedrigeren elektrischen Widerstand aufzuweisen. Diese prozentualen Anteile erlauben der Matrix 201 auch zuverlässig, einen prozentualen elektrischen Widerstand aufzuweisen, der verglichen mit SiC nur eine kleine Temperaturabhängigkeit aufweist und eine PTC Kennlinie zeigt. Wenn das Borosilikat ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall enthält, meint der Ausdruck „in Summe ein Alkalimetall und ein Erdalkalimetall“ den Massenanteil des Alkalimetalls oder des Erdalkalimetalls. Wenn das Borosilikat mehrere Alkalimetalle, mehrere Erdalkalimetalle, oder beides (ein) Alkalimetall(e) und (ein) Erdalkalimetall(e) enthält, meint der obige Ausdruck den kombinierten Gesamtmassenanteil der enthaltenen Elemente.
Um die Effekte des Hinzufügens eines Alkalimetalls und eines Erdalkalimetalls sicherzustellen, beträgt der Gesamtgehalt an Alkalimetall und Erdalkalimetall vorzugsweise 0,2mass% oder mehr, bevorzugter 0,5mass% oder mehr, und noch bevorzugter 0,8mass% oder mehr. Um eine Verformung, verursacht durch einen Rückgang der Erweichungsgrenze der Matrix 201, zu verhindern, beträgt der Gesamtgehalt an Alkalimetall und Erdalkalimetall vorzugsweise 8mass% oder weniger, bevorzugter 5mass% oder weniger und noch bevorzugter 3mass% oder weniger.
Das Borosilikat kann 15mass% oder mehr und 40mass% oder weniger Si enthalten. In diesem Fall tendiert der spezifische elektrische Widerstand des Borosilikats, das Alkalimetall und/oder Erdalkalimetall enthält, dazu, eine PTC Kennlinie zu zeigen.
Um die oben beschriebenen Effekte sicherzustellen und die Erweichungsgrenze der Matrix 201 zu erhöhen, beträgt der Si-Gehalt vorzugsweise 5mass% oder mehr, bevorzugter 10mass% oder mehr und noch bevorzugter 15mass% oder mehr. Um die oben beschriebenen Effekte sicherzustellen, beträgt der Si-Gehalt vorzugsweise auch 30mass% oder weniger, bevorzugter 25mass% oder weniger und noch bevorzugter 22mass% oder weniger.
Das Borosilikat kann 0,1mass% oder mehr und 15mass% oder weniger einer Masse von B enthalten. Dieser Gehalt erlaubt vorteilhafterweise, dass PTC Kennlinien gezeigt werden.
Um die oben beschriebenen Effekte sicherzustellen, beträgt der B-Gehalt vorzugsweise 0,5mass% oder mehr, bevorzugter Imass% oder mehr und noch bevorzugter 1.5mass% oder mehr. Um die oben beschriebenen Effekte sicherzustellen, beträgt der B-Gehalt vorzugsweise auch 12mass% oder weniger, bevorzugter 10mass% oder weniger und noch bevorzugter 8mass% oder weniger.
Das Borosilikat kann 40mass% oder mehr und 80mass% oder weniger O enthalten. Dieser Gehalt erlaubt vorteilhafterweise, dass PTC Kennlinien gezeigt werden.
Um die oben beschriebenen Effekte sicherzustellen, beträgt der O-Gehalt vorzugsweise 45mass% oder mehr, bevorzugter 50mass% oder mehr und noch bevorzugter 60mass% oder mehr und jedoch noch bevorzugter 70mass% oder mehr. Um die oben beschriebenen Effekte sicherzustellen, beträgt der O-Gehalt vorzugsweise auch 82mass% oder weniger, bevorzugter 80mass% oder weniger und noch bevorzugter 78mass% oder weniger.
Die Elementgehalte des Borosilikats können in Summe bis 100mass% innerhalb der obigen Bereiche gewählt werden. Wenn der gesamte Alkalimetall- und Erdalkalimetallgehalt und der Si-, B- und O-Gehalt im Borosilikat innerhalb der oben entsprechenden Bereiche fällt, weist das Wabensubstrat 2 einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, der nur eine kleine Temperaturabhängigkeit aufweist und PTC Kennlinien zeigt oder im Wesentlichen keine Temperaturabhängigkeit aufweist. Beispiele von anderen Elementen, die im Borosilikat der Matrix 201 enthalten sein können, beinhalten Al, Fe und C.
Im Falle, dass das Borosilikat Al enthält, beträgt der Al-Gehalt vorzugsweise 1mass% oder mehr, bevorzugter 2mass% oder mehr und noch bevorzugter 3mass% oder mehr, um die oben beschriebenen Effekte sicherzustellen. Um die oben beschriebenen Effekte sicherzustellen, beträgt der Al-Gehalt vorzugsweise 8mass% oder weniger, bevorzugter 6mass% oder weniger und noch bevorzugter 5mass% oder weniger. Die Elementgehalte werden mit einem Elektronenstrahlmikroanalysator (oder EPMA, electron probe microanalyzer) gemessen (JXA-8500F, hergestellt durch JEOL Ltd, oder ein anderer Elektronenstrahlmikroanalysator, der die gleichen Messungen durchführen kann, falls die Produktion von JXA-8500F ausgelaufen ist und JXA-8500F nicht verfügbar ist).
Das Wabensubstrat 2 enthält ferner das leitfähige Füllmaterial 202. Durch Zusammensetzung der Matrix 201 und des leitfähigen Füllmaterials, wird dementsprechend der spezifischen elektrische Widerstand des gesamten PTC resistiven Heizelements durch Kombination des spezifischen elektrischen Widerstands der Matrix 201 mit dem spezifischen elektrischen Widerstand des leitfähigen Füllmaterials 202 bestimmt. Dadurch können der Gehalt und die elektrische Leitfähigkeit des leitfähigen Füllmaterials 202 modifiziert werden, um den spezifischen elektrischen Widerstand des Wabensubstrats 2 zu steuern. Es ist zu beachten, dass der spezifische elektrische Widerstand des leitfähigen Füllmaterials 202 jede der PTC Kennlinien und NTC Kennlinien zeigen kann, oder keine Temperaturabhängigkeit aufweisen kann.
Das leitfähige Füllmaterial 202 ist nicht beschränkt, solange die Partikel eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen und wobei das leitfähige Füllmaterial 202 vorzugsweise aus elektronisch leitfähigen Si-haltigen Partikeln besteht. Die leitfähigen Si-haltigen Partikel werden im Folgenden als Si-haltige Partikel bezeichnet.
Spezifische Beispiele von Si-enthaltenen Partikeln, die Si-Partikel enthalten, sind Fe-Si-basierende Partikel, Si-W-basierende Partikel, Si-C-basierende Partikel, Si-Mo-basierende Partikel und Si-Ti-basierende Partikel. Eine oder mehrere Typen davon können im Wabensubstrat 2 enthalten sein.
Im Falle, dass das Wabensubstrat 2 Si-haltige Partikel als das leitfähiges Füllmaterial 202 enthält, wird die Erweichungsgrenze des Basismaterials durch Diffundieren von Si-Atome von den Si-haltigen Partikeln in das um die Si-haltigen Partikel herum liegende Borosilikat, problemlos erhöht. Dem Wabensubstrat 2, das aus dem Wabensubstrat 2 ausgebildet ist, wird es dadurch ermöglicht, eine verbesserte Formbeständigkeit aufzuweisen. Demzufolge sind die Zellwände selbst bei hohen Temperaturen gegen Verformung resistent, was zu einer erhöhten Strukturstabilität des Wabensubstrats 2 führt. Die Si-haltigen Partikel sind mit Hinblick auf die Si-Diffusion in das Borosilikat vorzugsweise Si-Partikel oder Fe-Si-basierende Partikel.
Das Wabensubstrat 2 kann im speziellen die Matrix 201 und das leitfähige Füllmaterial 202, das bis zu 50 vol% oder mehr beträgt, enthalten. Insbesondere ermöglicht das Wabensubstrat 2, das Borosilikat enthält, das zumindest ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall beinhaltet, der Matrix 201, einen niedrigeren elektrischen Widerstand aufzuweisen und wobei die Matrix 201 auch das Leiten von Elektronen erlaubt. Dadurch ermöglichen die Matrix 201 und das leitfähige Füllmaterial 202, das bis zu 50 vol% oder mehr beträgt, dem Wabensubstrat 2, eine elektrische Leitfähigkeit aufzuweisen, die gemäß der bekannten Perkolationstheorie zuverlässiger ist. Hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit aufgrund der Formation der Perkolation, beträgt der gesamte Gehalt der Matrix 201 und des leitfähigen Füllmaterials 202 vorzugsweise 52 vol% oder mehr, bevorzugter 55 vol% oder mehr, noch bevorzugter 57 vol% oder mehr und jedoch noch bevorzugter 60 vol% oder mehr.
Im Wabensubstrat 2 fließen Elektronen durch das leitfähige Füllmaterial 202 und die Matrix 201. Es wird angenommen, dass das Wabensubstrat 2 PTC Kennlinien aufweist, weil Elektronen, die im Wabensubstrat 2 wandern, durch Gittervibrationen beeinflusst werden. Genauer gesagt, wird angenommen, dass große Polaronen, die in Substanzen wie Na_xWO₃ gemeldet wurden, im Wabensubstrat 2 erzeugt werden. Es wird angenommen, dass das Ersetzen von vierwertigen Siliziumatomen mit dreiwertigem Bor bewirkt, dass das Atomgitter negativ geladen wird und die Elektronen des Alkalimetalls und/oder des Erdalkalimetalls erfahren eine einschränkende Wirkung, was zur Erzeugung von großen Polaronen führt.
Das Wabensubstrat 2 kann, in einem Temperaturbereich von 25 °C bis 500 °C, eine Resistivität bzw. einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,0001 Ω·m oder mehr und 1 Ω·m oder weniger und eine Erhöhungsrate im spezifischen elektrischen Widerstand von 0,01 × 10^-6 /K oder mehr und 5.0 × 10^-4 /K oder weniger aufweisen. Das Wabensubstrat 2 kann, in einem Temperaturbereich von 25 °C bis 500 °C, auch einen elektrischen Widerstand von 0,0001 Ω·m oder mehr und 1 Ω·m oder weniger und eine Erhöhungsrate im elektrischen Widerstand von 0 oder mehr und weniger als 0,01 × 10^-6 /K aufweisen. Mit diesen Konfigurationen ist es weniger wahrscheinlich, dass das Wabensubstrat 2 eine interne Temperaturverteilung oder Rissbildung aufgrund eines Unterschieds in der thermischen Ausdehnung während des elektrischen Heizens aufweist. Mit diesen Konfigurationen kann das Wabensubstrat 2 auch bei einer niedrigeren Temperatur während des elektrischen Heizens schnell aufgeheizt werden, was eine frühe Katalysatoraktivierung ermöglicht. Wenn die Erhöhungsrate im elektrischen Widerstand 0 oder mehr und weniger als 0,01 × 10^-6 /K ist, kann festgestellt werden, dass der spezifische elektrische Widerstand im Wesentlichen keine Temperaturabhängigkeit aufweist.
Hinsichtlich der Absenkung des elektrischen Widerstands des Wabensubstrats 2, kann ein PCT resistives Heizelement 20 einen spezifischen elektrischen Widerstand von vorzugsweise 0,5 Ω·m oder weniger, bevorzugter 0,3 Ω·m oder weniger, noch bevorzugter 0,1 Ω·m oder weniger, jedoch noch bevorzugter 0,05 Ω·m oder weniger, jedoch noch bevorzugter 0,01 Ω·m oder weniger, dabei noch bevorzugter weniger als 0,01 Ω·m und am meisten bevorzugt 0,005 Ω·m oder weniger aufweisen. Um während des elektrischen Heizens mehr Hitze zu generieren, kann das Wabensubstrat 2 einen spezifischen elektrischen Widerstand von vorzugsweise 0,0002 Ω·m oder mehr, bevorzugter 0,0005 Ω·m oder mehr, und noch bevorzugter 0,001 Ω·m oder mehr aufweisen. Mit dieser Konfiguration kann ein Wabensubstrat für einen elektrisch beheizten Katalysator geeignet sein.
Um eine ungleichmäßige Temperaturverteilung während des elektrischen Heizens zu problemlos unterdrücken, weist das Wabensubstrat 2 eine Erhöhungsrate im elektrischen Widerstand von vorzugsweise 0,001 × 10^-6 /K oder mehr, bevorzugter von 0,001 × 10^-6 /K oder mehr, und noch bevorzugter von 0,1 × 10^-6 /K oder mehr auf. Die Erhöhungsrate im elektrischen Widerstand des Wabensubstrats 2 bleibt idealerweise unverändert, weil eine elektrische Schaltung dabei seinen optimalen elektrischen Widerstand für das elektrische Heizen aufweist. Die Erhöhungsrate im elektrischen Widerstand beträgt vorzugsweise 100 × 10-6 /K oder weniger, bevorzugter 10 × 10-6 /K oder weniger und noch bevorzugter 1 × 10-6/K oder weniger.
Der spezifische elektrische Widerstand des Wabensubstrats 2 ist der Mittelwert von Messungen mittels der Vierleitermethode (n=3). Nachdem der spezifische elektrische Widerstand des Wabensubstrats 2 auf diese Weise gemessen wird, kann die Erhöhungsrate im elektrischen Widerstand des Wabensubstrats 2 durch die unten beschriebene Methode berechnet werden. Als Erstes wird der spezifische elektrische Widerstand für drei Temperaturen gemessen: 50 °C, 200 °C, und 400 °C. Der spezifische elektrische Widerstand bei 50 °C wird von dem elektrischen Widerstand bei 400 °C abgezogen. Der erhaltene Wert wird durch die Temperaturdifferenz zwischen 400 °C und 50 °C, oder 350 °C geteilt, um die Erhöhungsrate im elektrischen Widerstand zu berechnen.
Ferner enthält das Wabensubstrat 2 vorzugsweise das Aggregat 203. In diesem Fall kann die Festigkeit des Wabensubstrats erhöht werden. Beispiele des Aggregats 203 beinhalten Mullit, Cordierit, Anorthid, Spinell, Sapphirin und Aluminiumoxid.
Das Wabensubstrat 2 kann einen gemäß dem gewünschten Zweck darauf aufgetragenen Katalysator aufweisen. Wenn der elektrisch beheizte Katalysator 1 zur Reinigung von Abgas aus einem Fahrzeug verwendet wird, kann ein Dreiwegekatalysator aufgetragen werden. Der Dreiwegekatalysator kann ein Edelmetallkatalysator wie etwa Pt, Pd oder Rh sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Der Katalysator zur Reinigung von Abgas ist nicht auf einen Edelmetallkatalysator beschränkt. Übergangsmetalloxide oder Perowskit-Oxide können auch aufgetragen werden.
Vorzugsweise wird der elektrisch beheizte Katalysator 1 zur Reinigung von Abgas aus einem Fahrzeug verwendet und wobei der auf dem Wabensubstrat 2 aufgetragene Katalysator zur Reinigung von Abgas entworfen ist. Es ist erwünscht, dass der elektrisch beheizte Katalysator 1, der zur Abgasreinigung verwendet wird, eine verbesserte Leistung unter Belastung während des Heiz- und Kühlzyklus und insbesondere bei hohen Temperaturen aufweist. Im elektrisch beheizten Katalysator 1, der die oben beschriebene Konfiguration aufweist, weist das Wabensubstrat 2 PTC Kennlinien auf, was eine Verringerung im elektrischen Widerstand bei hohen Temperaturen verhindert. Das ermöglicht es, einen übermäßigen Stromfluss während des elektrischen Heizens zu vermeiden. Dadurch ist es weniger wahrscheinlich, dass das Wabensubstrat 2 eine ungleichmäßige Temperaturverteilung selbst bei hohen Temperaturen aufweist.
Wie in 1 und 2 veranschaulicht, sind das Wabensubstrat 2 und die Elektrode 3 gemeinsam mit der Verbindungssektion 4 verbunden. Die Verbindungssektion 4 ist aus dem gleichen Material wie das Wabensubstrat 2 ausgebildet. Genauer ausgedrückt und wie in 4 veranschaulicht, beinhaltet die Verbindungssektion 4 eine Matrix 401 und leitfähiges Füllmaterial 402. Die Matrix 401 und das leitfähige Füllmaterial 402 in der Verbindungssektion 4 können eine ähnliche Konfiguration wie in der Matrix 201 und dem leitfähigen Füllmaterial 202 im oben beschriebenen Wabensubstrat 2 aufweisen. Die Verbindungssektion 4 kann oder kann nicht ein Aggregat enthalten. Das zu verwendende Aggregat kann das Gleiche sein wie das Aggregat, das im oben beschriebenen Wabensubstrat verwendet wird.
Die Verbindungssektion 4 weist vorzugsweise eine Erweichungsgrenze die niedriger als die des Wabensubstrats 2 ist. In diesem Fall kann, wenn die Verbindungssektion 4 und das Wabensubstrat 2 während der Herstellung des elektrisch beheizten Katalysators 1 gesintert werden, die Verbindungssektion vor dem Sintern des Wabensubstrats 2 gesintert werden. Dadurch kann ein Haftmittel, das als Rohstoff für die Verbindungssektion 4 dient, in das noch nicht gesinterte Wabensubstrat eingebracht werden. Mit anderen Worten kann das Haftmittel nach seiner Einbringung in das Substrat gesintert werden. Das verbessert die Haftstärke der Verbindungssektion. Die Erweichungsgrenzen können mit einem thermomechanischen Analysator (TA) gemessen werden. Die Messvorrichtung kann ein TMA7000, hergestellt durch Hitachi High-Tech Science Corporation, sein. Falls die Produktion dieses Modells ausgelaufen ist und dieses nicht mehr verfügbar ist, werden die Erweichungsgrenzen mit einem anderen TMA gemessen, der die gleichen Messungen durchführen kann.
Insbesondere kann, da das Wabensubstrat 2 die Borosilikat-haltige Matrix wie oben beschrieben beinhaltet, das Wabensubstrat 2 während des Sinters problemlos verdichtet werden. Falls die Erweichungsgrenze der Verbindungssektion höher als die des Wabensubstrats ist, oder falls deren Erweichungsgrenzen im Wesentlichen gleich sind, kann das Haftmittel nicht problemlos in das Substrat eingebracht werden, was zu einer unzureichenden Haftstärke führt. Jedoch kann die Haftstärke durch Bestimmung der Erweichungsgrenzen, wie oben beschrieben, erhöht werden. Es ist zu beachten, dass das Wabensubstrat 2 und die Verbindungssektion 4 im gleichen Brennprozess gesintert werden können. Mit anderen Worten, können das Wabensubstrat 2 und die Verbindungssektion 4 durch gleichzeitiges Brennen gesintert werden.
Die Gesamtkonzentration von Alkalimetall und Erdalkalimetall in der Verbindungssektion 4 ist vorzugsweise höher, als die Konzentration dieser im Wabensubstrat 2. In diesem Fall, kann eine Erweichungsgrenze der Verbindungssektion 4, die niedriger als die des Wabensubstrats 2 ist, problemlos erreicht werden. Das erlaubt es, die Haftstärke, wie oben beschrieben, zu erhöhen. Wenn das Borosilikat ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall enthält, meint der Ausdruck „die Gesamtkonzentration von Alkalimetall und Erdalkalimetall“ die Konzentration von Alkalimetall oder Erdalkalimetall. Wenn das Borosilikat mehrere Alkalimetalle, mehrere Erdalkalimetalle, oder beides (ein) Alkalimetall(e) und (ein) Erdalkalimetall(e) enthält, meint der obige Ausdruck den gesamten kombinierten Massenanteil der enthaltenen Elemente. Für einen Konzentrationenvergleich können die Konzentrationen von Alkalimetallatomen und Erdalkalimetallatomen verglichen werden oder in manchen Fällen die Konzentrationen von Alkalimetall-Ionen und Erdalkalimetall-Ionen verglichen werden. Die Konzentrationen können mit dem oben beschriebenen EPMA Analysator verglichen werden.
Die Gesamtkonzentration von Alkalimetall und Erdalkalimetall in der Verbindungssektion 4 kann geeignet angepasst werden, beispielsweise innerhalb eines Bereichs von 0,1mass% bis 15mass%. Um die Erweichungsgrenze der Verbindungssektion 4 ausreichend zu senken und die Haftstärke ausreichend zu verbessern, beträgt die Gesamtkonzentration vorzugsweise 1mass% bis 14mass%, bevorzugter 2.1mass% bis 12mass%, noch bevorzugter 7.2mass% bis 10mass%. Die Gesamtkonzentration von Alkalimetall und Erdalkalimetall in der Verbindungssektion 4 kann mit dem oben erwähnten EPMA gemessen werden.
Da, wie oben beschrieben, das Wabensubstrat 2 problemlos verdichtet werden kann, weist das Wabensubstrat 2 eine Porosität von beispielsweise weniger als 20% auf. Für ein Wabensubstrat mit weniger als 20% Porosität, tendiert die Außenhaut 21 dazu, eine glatte Oberfläche aufzuweisen. Auch in diesem Fall kann die Haftstärke durch Absenkung der Erweichungsgrenze der Verbindungssektion 4 erhöht werden. Um Druckverlust zu reduzieren, beträgt die Porosität des Wabensubstrats 2 vorzugsweise 5 % oder mehr und bevorzugter 10 % oder mehr.
Die Porosität wird mit einem Quecksilber-Porosimeter, basierend auf dem Prinzip der Quecksilber-Porosimetrie, gemessen. Als ein Quecksilber-Porosimeter kann ein AutoPore IV9500, hergestellt durch Shimadzu Corporation, verwendet werden. Falls die Produktion dieses Modells ausgelaufen ist und dieses nicht mehr verfügbar ist, wird die Porosität mit einem anderen Quecksilber-Porosimeter gemessen, welches die gleichen Messungen durchführen kann. Die Messbedingungen werden unten beschrieben.
Als Erstes wird ein Teststück aus dem Wabensubstrat 2 herausgeschnitten. Das Teststück ist rechteckig mit den Abmessungen 15 mm auf 15 mm in einer Ebene orthogonal zur axialen Richtung des Wabensubstrats 2 und einer axialen Länge von 20 mm. Die axiale Richtung ist die Richtung, in welcher sich die Zellen des Wabensubstrats 2 erstrecken. Dann wird das Teststück in die Messzelle des Quecksilber-Porosimeters platziert und wobei die Messzelle drucklos ist. Danach wird die Messzelle mit Quecksilber angereichert und unter Druck gesetzt. Basierend auf dem ausgeübten Druck und dem Volumen des Quecksilbers, das in die Poren des Teststücks eingeleitet wurde, werden die Porengröße und das Porenvolumen gemessen.
Die Messung wird in einem Druckbereich von 0,5 bis 20.000 psia durchgeführt. Es wird festgestellt, dass 0,5 psia 0,35 × 10^-3 kg/mm² entsprechen und 20.000 psia 14 kg/mm² entsprechen. Die Porosität wird unter Verwendung dieses Zusammenhangs berechnet: $\begin{array}{l} Porosität (%) = Gesamtporenvolumen/ (Gesamtporenvolumen + 1 / tatsächliche \\ spezifische Dicht e des Material für das Wabensubstrat) \times 100 \end{array}$
Ein Material der Elektrode 3 ist nicht beschränkt und kann beispielweise eine Metallelektrode, eine Kohlenstoffelektrode oder eine Elektrode, die aus dem gleichen resistiven Heizelement wie das Wabensubstrat ausgebildet ist, oder dergleichen verwendet werden. Eine Elektrode, die aus dem gleichen niedrig resistiven Heizelement wie das Wabensubstrat ausgebildet ist, wird an geeigneter Stelle im Folgenden als niedrig resistive Heizelektrode bezeichnet. Eine beispielhafte Form der Elektrode 3 beinhaltet eine Kachelform, eine Plattenform und eine Stabform und dergleichen, ist aber nicht darauf beschränkt.
Der elektrisch beheizte Katalysator 1 wird beispielsweise auf eine unten beschriebene Art und Weise hergestellt. Bei dieser Ausführungsform kann der elektrisch beheizte Katalysator 1 durch jede andere Methode hergestellt werden, obwohl ein Beispiel der Herstellung des elektrisch beheizten Katalysators 1, der in 1 veranschaulicht wird, beschrieben wird.
Als Erstes wird ein ungebranntes oder ein kalziniertes Wabensubstrat vorbereitet. Diese Vorbereitung wird nun in einem Beispiel genau beschrieben.
Als Erstes werden Borosilikatglas oder Borosilikat, eine Alkalimetall/Erdalkalimetall enthaltende Substanz und eine Si-haltige Substanz durchmischt, um einen durchmischten Rohstoff für das Wabensubstrat vorzubereiten. Beispiele der Alkalimetall/Erdalkalimetall enthaltenden Substanz beinhalten eine Na-haltige Verbindung, wie etwa Na₂CO₃ oder Na₂SiO₃, eine Mg-haltige Verbindung, wie etwa MgCO₃ oder MgSiO₃, eine K-haltige Verbindung, wie etwa K₂CO₃ oder K₂SiO₃, eine Ca-haltige Verbindung, wie etwa CaCO₃ oder CaSiO₃ und eine Li-haltige Verbindung, wie etwa L₁₂CO₃ oder Li₂SiO₃. Davon kann eine Verbindung oder eine Kombination aus zwei oder mehr Verbindungen verwendet werden. Die Alkalimetall/Erdalkalimetall enthaltende Substanz kann ein Alkalimetall und/oder ein Erdalkalimetall oder zwei oder mehr Alkalimetalle und/oder Erdalkalimetalle enthalten. In dem Fall, in welchem das Borosilikatglas oder das Borosilikat bereits ein notwendiges Alkalimetall und/oder Erdalkalimetall enthält, darf die das Alkalimetall/Erdalkalimetall enthaltende Substanz nicht durchmischt werden. Beispiele einer Si-haltigen Substanz beinhalten die oben erwähnten Si-haltigen leitfähigen Füllmaterialien. Zudem können Kaolin, Siliziumoxid, Bentonit oder andere Rohstoffe für das Aggregat durchmischt werden.
Dann wird der durchmischte Rohstoff zusammen mit einem Bindemittel und Wasser durchgeknetet. Das Bindemittel kann beispielsweise ein organisches Bindemittel wie etwa Methylcellulose sein. Der Bindemittelgehalt kann beispielsweise rund 2mass% betragen.
Dann wird das resultierende durchgeknetete Material zu einer gewünschten Wabe geformt und getrocknet. Die Formungsmethode kann eine Extrusion sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Dadurch wird ein Formteil, das eine Wabenform aufweist, erreicht. Für den Fall, dass eine ungebrannte Elektrode, wie später beschrieben, angewandt wird, kann die ungebrannte Elektrode auf das Formteil oder den kalzinierten Körper, der durch Kalzinierung des Formteils erhalten wird, angewandt werden.
Dann wird ein Elektrodenmaterial vorbereitet. Das Elektrodenmaterial kann beispielsweise eine Metallpaste sein, die leitfähiges Metall enthält. Die Metallpaste wird beispielsweise durch Kneten von leitfähigem Metallpulver zusammen mit einem Bindemittel und Wasser ausgebildet. Das Bindemittel kann beispielsweise ein organisches Bindemittel wie etwa Methylcellulose sein. Das Elektrodenmaterial kann der gleiche durchmischte Rohstoff sein, wie für das Wabensubstrat einer zweiten Ausführungsform, die später beschrieben wird. Das Elektrodenmaterial kann auch Kohlenstoff sein, wie später bei einer dritten Ausführungsform beschrieben.
Dann wird das Elektrodenmaterial, wie etwa die Metallpaste, in eine gewünschte Elektrodenform geformt und getrocknet. Die Formungsmethode kann Extrusion oder Spritzguss sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Dadurch wird das Elektrodenmaterial in die Elektrodenform wie etwa eine Kachelform und eine Stabform geformt. Dieser Prozess stellt ein Elektrodenformteil bereit. Falls die ungebrannten Elektroden, wie später beschrieben, angewandt werden, können die geformten Elektroden oder die kalzinierten Körper, die durch Kalzinierung der Elektrodenformteile erhalten werden, angewandt werden.
Dann wird ein Haftmittel vorbereitet. Genauer ausgedrückt werden zuerst Borosilikatglas oder Borosilikat, eine Alkalimetall/Erdalkalimetall enthaltende Substanz und eine Si-haltige Substanz durchmischt, um einen durchmischten Rohstoff für die Verbindungssektion vorzubereiten. Der durchmischte Rohstoff für die Verbindungssektion kann der gleiche, wie der oben beschriebene, durchmischte Rohstoff für das Wabensubstrat sein. Jedoch kann der durchmischte Rohstoff für die Verbindungssektion mehr Alkalimetall und/oder Erdalkalimetall enthalten, als der durchmischte Rohstoff für das Wabensubstrat.
Dann wird der durchmischte Rohstoff für die Verbindungssektion gemeinsam mit einem Bindemittel und Wasser durchgeknetet, um ein Haftmittel zur Bildung der Verbindungssektion vorzubereiten. Das Bindemittel kann beispielsweise ein organisches Bindemittel wie etwa Methylzellulose sein. Der Bindemittelgehalt kann beispielsweise rund 2mass% betragen.
Dann wird das Haftmittel auf die kachelförmigen Elektrodenformteile angewandt und die resultierenden Haftoberflächen werden auf das bienenwabenförmige Formteil angewandt. Das Haftmittel wird ebenso auf das stabförmige Elektrodenformteil angewandt und die resultierenden Haftoberflächen werden auf die kachelförmigen Elektrodenformteile angewandt. Auf diese Weise wird ein Gegenstand erhalten, bei das Wabenformteil, das Haftmittel und die Elektrodenformteile integriert sind.
Der integriert Gegenstand wird dann gebrannt. Die Brennbedingungen können auf geeignete Weise modifiziert werden gemäß der Bedingungen für das Sintern der Komponenten, die den integrierten Gegenstand bilden. Das Brennen kann einmalig oder beispielsweise mehrere Male durchgeführt werden. Für ein mehrmaliges Brennen kann beispielsweise das Brennen bei Luft durchgeführt und dann unter Atmosphäre eines Schutzgases wie etwa Stickstoff durchgeführt werden. Die Brenntemperatur kann innerhalb eines Beispielbereichs von 500 °C bis 1500 °C reguliert werden. Darüber hinaus kann die Brenntemperatur so verändert werden, dass das Brennen unter Atmosphäre eines Schutzgases bei einer höheren Temperatur durchgeführt wird, als das Brennen bei Luft. Der Brennenzeitraum kann innerhalb eines Beispielbereichs von 0,1 bis 50 Stunden angepasst werden.
Um den elektrischen Widerstand der Matrizen, die das Wabensubstrat 2 und dergleichen bilden, zu reduzieren, wird der verbleibende Sauerstoff vorzugsweise reduziert, um eine Oxidation zu verhindern. Die Brennatmosphäre kann evakuiert werden, um ein Hochvakuum von 1.0 × 10^-4 Pa oder mehr zu erzeugen und um mit einem Schutzgas für das Brennen gereinigt werden. Beispiele einer Schutzgasatmosphäre beinhalten eine N₂-Atmosphäre, eine Helium-Atmosphäre und eine Argon-Atmosphäre. Im Falle, dass das Brennen nach der Kalzination durchgeführt wird, kann die Bedingung der Kalzination ausdrücklich eine Bedingung bei Luft oder unter Schutzgasatmosphäre bei Kalzinationstemperaturen von 500 °C bis 700 °C für einen Kalzinationszeitraum von 1 bis 50 Stunden sein.
In Folge des Brennens, sind das Wabensubstrat 2, die Verbindungssektion 4 und die Elektroden 3 gesintert und jeder Elektrode 3 ist über die Verbindungssektion 4 mit dem Wabensubstrat 2 verbunden. Auf diese Weise wird der elektrisch beheizte Katalysator 1, wie in 1 bis 4 veranschaulicht, erhalten.
Wie in 1 bis 4 veranschaulicht, beinhaltet der elektrisch beheizte Katalysator 1 der vorliegenden Ausführungsform das Wabensubstrat 2, die Elektrode 3 und die Verbindungssektion 4 zu deren Verbindung. Das Wabensubstrat 2 und die Verbindungssektion 4 beinhalten die Matrizen 201, 401 und die leitfähigen Füllmaterialien 202, 402. Die Matrizen 201 und 401 enthalten beide Borosilikat, das zumindest ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall beinhaltet. Diese Konfiguration ermöglicht es der Verbindungssektion 4, frei von Metall zu sein oder eine ausreichend kleinere Menge von Metall zu enthalten.
Dadurch wird beispielsweise eine metallische Oxidation der Verbindungssektion 4 bei hohen Temperaturen verhindert. Dementsprechend wird beispielsweise die Ausbildung eines dielektrischen Films der Metalloxide an der Schnittstelle zwischen der Verbindungssektion 4 und dem Wabensubstrat 2 verhindert. Demzufolge wird die Erhöhung des elektrischen Widerstands der Verbindungssektion 4 unterdrückt, was erlaubt, dass Strom ausreichend durch das Wabensubstrat 2 mittels Leitung eines elektrischen Stroms durch die Elektrode 3 fließt. Demzufolge wird die Erzeugung einer Temperaturverteilung im elektrisch beheizten Katalysator 1 unterdrückt. Mit anderen Worten, wird es dem gesamten Wabensubstrat 2 so ermöglicht, dass sich während des elektrischen Heizens gleichmäßig aufheizt. Demzufolge wird die Erzeugung einer Ungleichmäßigkeit in der katalytischen Aktivität verhindert. Außerdem wird ein Unterschied in der thermischen Ausdehnung unterdrückt und dadurch werden Rissbildungen in der Verbindungssektion 4 verhindert. Wie oben beschrieben werden das Wabensubstrat 2 und die Verbindungssektion 4 aus dem gleichen Material ausgebildet. Dadurch haben das Wabensubstrat 2 und die Verbindungssektion 4 kleine Unterschiede in der thermischen Ausdehnung. Das trägt auch zur Verhinderung von Schaden, verursacht durch einen Unterschied in der thermischen Ausdehnung, bei. Zudem aufweisen das Wabensubstrat 2 und die Verbindungssektion 4 eine hohe Affinität, wodurch ihre hervorragende Haftstärke erreicht wird.
Die Matrizen 201 und 401 des Wabensubstrats 2 und der Verbindungssektion 4 weisen beide eine Resistivität bzw. einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, der eine kleine Temperaturabhängigkeit verglichen mit SiC aufweist und der PTC Charakteristiken bzw. Kennlinien zeigt. Somit weist, wenn jedes der im Wabensubstrat 2 und der Verbindungssektion 4 enthaltenen leitfähigen Füllmaterialien 202 und 402 einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der PTC Kennlinien zeigt, der elektrische Widerstand des Wabensubstrats 2 und der Verbindungssektion 4 eine kleine Temperaturabhängigkeit auf und zeigt PTC Kennlinien. Auf der anderen Seite werden, wenn jedes der leitfähigen Füllmaterialien 202 und 402 einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der NTC Kennlinien zeigt, der spezifische elektrische Widerstand der Matrizen 201 und 401, die PTC Kennlinien zeigen, mit dem elektrischen Widerstand der leitfähigen Füllmaterialien 202 und 402, die NTC Kennlinien zeigen, kombiniert, um es dem Wabensubstrat 2 und der Verbindungssektion 4 zu ermöglichen, einen spezifischen elektrischen Widerstand aufzuweisen, der nur eine kleine Temperaturabhängigkeit aufweist und PTC Kennlinien zeigt oder im Wesentlichen keine Temperaturabhängigkeit aufweist. Wenn die Elektrode 3 eine resistive Heizelektrode einer zweiten Ausführungsform ist, gilt das gleiche für diese Elektrode 3.
Wie oben beschrieben kann ein übermäßiger Stromfluss während des elektrischen Heizens vermieden werden, da das Wabensubstrat 2 und die Verbindungssektion 4 bezüglich ihres spezifischen elektrischen Widerstands so ausgebildet sein können, dass sie keine NTC Kennlinien aufweisen. Dadurch ist im Wabensubstrat 2 und der Verbindungssektion 4 ein Auftreten einer ungleichmäßige Temperaturverteilung und Rissbildung aufgrund eines Unterschieds in der thermischen Ausdehnung weniger wahrscheinlich. Obwohl SiC für elektrisches Heizen bei einer kleinen Strommenge benutzt werden kann, um Rissbildung aufgrund eines Unterschieds zwischen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung zu verhindern, benötigt es Zeit für SiC um ausreichend aufzuheizen.
Darüber hinaus werden die Matrizen 201 und 401 einen niedrigeren elektrischen Widerstand aufweisen, da das Wabensubstrat 2 und die Verbindungssektion 4 jeweils die Matrix beinhalten, die das Alkalimetall und/oder das Erdalkalimetall enthält. Dadurch wird der spezifische elektrische Widerstand des Wabensubstrats 2 und der Verbindungssektion 4 durch Auswählen eines Füllmaterials mit niedrigem spezifischen elektrischen Widerstand als die leitfähigen Füllmaterialien 202 und 402 und durch Erhöhung des Füllmaterial gehalts problemlos gesenkt. Dementsprechend weisen das Wabensubstrat 2 und die Verbindungssektion 4 vorteilhafterweise einen niedrigeren elektrischen Widerstand und einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, der eine kleinere Temperaturabhängigkeit verglichen mit einem Material aufweist, das vollständig durch die Matrix oder SiC ausgebildet wird. Wenn die Elektrode 3 eine resistive Heizelektrode ist, gilt das Gleiche für diese Elektrode 3.
Mit dem Wabensubstrat 2 und der Verbindungssektion 4, die die oben beschriebene Struktur aufweisen, treten im elektrisch beheizten Katalysator 1 ungleichmäßige Temperaturverteilungen innerhalb des Substrats und Rissbildungen aufgrund eines Unterschieds in der thermischen Ausdehnung weniger wahrscheinlich auf, wenn das Wabensubstrat 2 dem elektrischen Heizen ausgesetzt wird. Zudem heizt das Wabensubstrat 2 schneller und bei einer niedrigeren Temperatur während des elektrischen Heizens.
(Zweite Ausführungsform)
Es wird nun ein elektrisch beheizter Katalysator beschrieben, der eine Elektrode 3 beinhaltet, die eine resistive Heizelektrode ist, die aus dem gleichen Material wie das Wabensubstrat und die Verbindungssektion ausgebildet ist. In der zweiten und den nachfolgenden Ausführungsformen beziehen sich die gleichen Bezugszeichen, wie in der vorherigen Ausführungsform verwendet, auf die gleichen Gegenstände, wie in der vorherigen Ausführungsform beschrieben, soweit nichts anderes angegeben ist.
Wie in 5 und 6 veranschaulicht, kann eine resistive Heizelektrode, die eine Matrix 301 und ein leitfähiges Füllmaterial 302 beinhaltet, als eine Elektrode 3 verwendet werden. In diesem Fall kann die Matrix 301 Borosilikat enthalten, das zumindest ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetallen beinhaltet. Die anderen Teile des elektrisch beheizten Katalysators 1 in der vorliegenden Ausführungsform können die Gleichen wie in der ersten Ausführungsform sein. Mit dieser Konfiguration kann das Wabensubstrat 2, die Verbindungssektion 4 und die Elektrode 3 aus dem gleichen Material ausgebildet werden. Dadurch kann der Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen dem Wabensubstrat 2, der Verbindungssektion 4 und der Elektrode 3 reduziert oder eliminiert werden. Dementsprechend wird ein Schaden, der durch einen Unterschied in der thermischen Ausdehnung verursacht wird, zuverlässiger verhindert.
Im Falle, dass die Elektrode 3 die Matrix 301 beinhaltet, ist die Gesamtkonzentration von Alkalimetall und Erdalkalimetall in der Elektrode 3 vorzugsweise höher als die des Wabensubstrats 2. Das erlaubt eine Reduktion des elektrischen Widerstands der Matrix 301 in der Elektrode 3. Dadurch wird der spezifische elektrische Widerstand der Elektrode 3 durch Auswählen eines Füllmaterials mit niedrigem spezifischen elektrischen Widerstand als das leitfähige Füllmaterial 302 und durch Erhöhung des Füllmaterialgehalts problemlos abgesenkt. Die Konzentrationen können mit dem oben beschriebenen EPMA Analysator verglichen werden.
Die Gesamtkonzentration von Alkalimetall und Erdalkalimetall in der Elektrode 3 ist vorzugsweise niedriger als die der Verbindungssektion 4. Mit anderen Worten ist die Gesamtkonzentration von Alkalimetall und Erdalkalimetall in der Verbindungssektion 4 vorzugsweise höher als die der Elektrode 3. In diesem Fall tendiert die Verbindungssektion 4 dazu, eine niedrigere Erweichungsgrenze als die Elektrode 3 aufzuweisen. Dadurch wird, wenn das Haftmittel zur Bildung der Verbindungssektion in eine ungebrannte Elektrode 3 eingebracht wird und die ungebrannte Elektrode 3 auf ein ungebranntes Wabensubstrat angewandt wird und gebrannt wird, das Haftmittel während des Brennens problemlos aufgeweicht und dementsprechend problemlos in die Elektrode 3 imprägniert. Zudem behält die Elektrode 3, welche weniger leicht als das Haftmittel aufgeweicht wird, während des Brennens problemlos die gewünschte Form. Nach dem Brennen wurde die Elektrode 3 mit dem darin eingebrachten Haftmittel verdichtet, was in einer verbesserten Haftstärke zwischen der Verbindungssektion 4 und der Elektrode 3 resultiert. Das heißt, die Temperatursteuerung während des Brennens erreicht die Beibehaltung der Form der Elektrode 3 und verbessert die Haftstärke.
Die Elektrode 3 kann oder kann nicht ein Aggregat enthalten. Die Elektrode 3, die ein Aggregat enthält, weist eine verbesserte Strukturstabilität auf. Das Aggregat kann das Gleiche wie für das oben beschriebene Wabensubstrat sein.
Wie in dieser Ausführungsform kann, wenn das Wabensubstrat 2, die Elektrode 3 und die Verbindungssektion 4 die Matrizen 201, 301 und 401 beinhalten, das Wabensubstrat 2 die niedrigste Gesamtkonzentration von Alkalimetall und Erdalkalimetall, der Reihe nach gefolgt von der Elektrode 3 und der Verbindungssektion 4 aufweisen. Die Verbindungssektion kann die höchste Gesamtkonzentration von Alkalimetall und Erdalkalimetall aufweisen. Dementsprechend tendiert das Wabensubstrat 2 dazu, die höchste Erweichungsgrenze aufzuweisen, der Reihe nach gefolgt von der Elektrode 3 und der Verbindungssektion. Dadurch erlaubt es die Temperatursteuerung während des Brennens die Verformung der Elektrode 3 und des Wabensubstrats 2 zu verhindern, welche einen hohen Grad an Formbeständigkeit während des Brennens benötigen. Außerdem weicht das Haftmittel zur Bildung der Verbindungssektion während des Brennens problemlos auf, wodurch die Verdichtung mit dem Haftmittel, das im Wabensubstrat 2 und der Elektrode 3 partiell imprägniert wird, erleichtert. Die Verdichtung erhöht die Haftstärke zwischen dem Wabensubstrat 2, der Verbindungssektion 4 und der Elektrode 3 ausreichend.
Die Gesamtkonzentration von Alkalimetall und Erdalkalimetall in der Elektrode 3 kann auf geeignete Weise angepasst werden, beispielsweise innerhalb eines Bereichs von 0,1mass% bis 15mass%. Die Gesamtkonzentration von Alkalimetall und Erdalkalimetall in der Elektrode 3 ist vorzugsweise niedriger als die der Verbindungssektion 4 und liegt bei 15mas% bis 50mass%, und bevorzugter bei 35mass% bis 45mass%. In diesem Fall kann der spezifische elektrische Widerstand der Elektrode 3 ausreichend gesenkt werden, bei gleichzeitiger Verhinderung von Verformung während des Brennens. Die Gesamtkonzentration von Alkalimetall und Erdalkalimetall im Wabensubstrat 2 kann ebenso auf geeignete Weise angepasst werden und ist vorzugsweise niedriger als die der Elektrode 3 und liegt bei 50mass% bis 95mass% und bevorzugter niedriger als 70mass% bis 92mass%. In diesem Fall kann der spezifische elektrische Widerstand des Wabensubstrats 2 ausreichend gesenkt werden, bei gleichzeitigem Verhindern von Verformung während des Brennens. Die Gesamtkonzentration von Alkalimetall und Erdalkalimetall in der Elektrode 3 und dem Wabensubstrat 2 kann mit oben erwähntem EPMA gemessen werden.
Der elektrisch beheizte Katalysator 1 bei dieser Ausführungsform kann auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform hergestellt werden, ausgenommen, dass das Elektrodenmaterial verändert ist. Genauer ausgedrückt, kann das Elektrodenmaterial beispielsweise auf die gleiche Art und Weise wie der durchmischte Rohstoff des Wabensubstrats in der ersten Ausführungsform hergestellt werden und das Elektrodenmaterial kann beispielsweise mehr Alkalimetall und oder Erdalkalimetall als das im durchmischten Rohstoff für das Wabensubstrat enthalten. Der durchmischte Rohstoff für die Elektrode wird gemeinsam mit einem Bindemittel und Wasser durchgeknetet, um das Elektrodenmaterial vorzubereiten. Das Bindemittel kann beispielsweise ein organisches Bindemittel, wie etwa Methylzellulose, sein. Der Bindemittelgehalt kann beispielsweise rund 2 % der Masse betragen.
Das Haftmittel zur Bildung der Verbindungssektion kann auf die gleiche Art und Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel hergestellt sein und das Haftmittel kann beispielsweise mehr Alkalimetall und oder Erdalkalimetall als der durchmischte Rohstoff für das Wabensubstrat und der durchmischte Rohstoff für die Elektrode enthalten.
Die Brennbedingungen können die Gleichen wie in der ersten Ausführungsform sein. In der vorliegenden Ausführungsform kann der oben beschriebene integrierte Gegenstand beispielsweise in Luft bei 700 °C und dann beispielsweise in einer Atmosphäre eines Schutzgases bei 1300 °C gebrannt werden.
(Dritte Ausführungsform)
Im Folgenden wird ein elektrisch beheizter Katalysator, der eine Elektrode 3 beinhaltet, die eine Kohlenstoffelektrode ist, beschrieben. Wie in 7 veranschaulicht, kann eine Kohlenstoffelektrode als die Elektrode 3 ausgebildet werden. Die anderen Teile des elektrisch beheizten Katalysators 1 bei der vorliegenden Ausführungsform können die Gleichen wie die bei der ersten Ausführungsform sein.
Die Elektrode 3 des elektrisch beheizten Katalysators 1 bei dieser Ausführungsform ist eine Kohlenstoffelektrode und weist dadurch einen niedrigen elektrischen Widerstand auf. Darüber hinaus weisen die Kohlenstoffelektrode und das resistive Heizelementmaterial ähnliche Koeffizienten für die thermische Ausdehnung auf, womit die Elektrode 3 und die Verbindungssektion 4 weniger wahrscheinlich an ihrer Schnittstelle brechen. In einem Fall, in welchem eine Metallelektrode verwendet wird, kann die Oxidation des Metalls einen dielektrischen Film auf der Elektrode ausbilden. Jedoch wird, wie bei dieser Ausführungsform, die Ausbildung eines dielektrischen Films auf der Elektrode 3 durch Verwendung einer Kohlenstoffelektrode als die Elektrode 3 verhindert. Dies verhindert eine Erhöhung im elektrischen Widerstand aufgrund der Bildung eines dielektrischen Films. Demzufolge erlaubt das elektrische Heizen, dass Strom gleichmäßig und ausreichend durch das Wabensubstrat 2 fließt, wodurch zuverlässiger die Erzeugung einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung verhindert wird.
Die Kohlenstoffelektrode ist eine Elektrode, die Kohlenstoff als Hauptbestandteil aufweist. Der Ausdruck „Kohlenstoff als Hauptbestandteil aufweisen“ meint, dass der Kohlenstoffgehalt zwischen den Komponenten 50mass% oder mehr beträgt. Der Kohlenstoffgehalt in der Kohlenstoffelektrode ist vorzugsweise 80mas% oder mehr, bevorzugter 90mass% oder mehr, noch bevorzugter 95mass% oder mehr. Am meisten bevorzugt wird, dass die Kohlenstoffelektrode im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht. Der Ausdruck „im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen“ bedeutet bestehend aus Kohlenstoff mit Ausnahme von unvermeidbaren Verunreinigungen.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern ist auf verschiedene Ausführungsformen anwendbar, ohne vom Kern und dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Das heißt, obwohl die vorliegende Offenbarung basierend auf den Ausführungsformen beschrieben wurde, soll sie so verstanden werden, dass die Offenbarung nicht auf die darin gezeigten Ausführungsformen und Konfigurationen beschränkt ist. Diese Offenbarung umfasst auch verschiedene Modifikationen und Veränderungen, die in den Umfang von Äquivalentem fallen. Außerdem fallen verschiedene Kombinationen und Ausbildungen, sowie andere Kombinationen und Ausbildungen mit einem, mehr als einem oder weniger als einem hinzugefügten Element in den Umfang und Grundgedanken der vorliegenden Offenbarung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2017190315 [0001]
JP 2013198887 A [0005]

Claims

Elektrisch beheizter Katalysator (1) aufweisend: ein Wabensubstrat (2), eine auf dem Wabensubstrat gebildete Elektrode (3); und eine Verbindungssektion (4), die das Wabensubstrat und die Elektrode zusammenfügt, wobei das Wabensubstrat und die Verbindungssektion Matrizen (201, 401) und leitfähiges Füllmaterial (202) aufweisen, und die Matrizen (201, 401) Borosilikat enthalten, das zumindest ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall beinhaltet.
Elektrisch beheizter Katalysator gemäß Anspruch 1, wobei die Verbindungssektion eine Erweichungsgrenze aufweist, die niedriger als eine Erweichungsgrenze des Wabensubstrats ist.
Elektrisch beheizter Katalysator gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbindungssektion das Alkalimetall und das Erdalkalimetall in einer Gesamtkonzentration enthält, welche höher als eine Konzentration im Wabensubstrat ist.
Elektrisch beheizter Katalysator gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Alkalimetall und das Erdalkalimetall zumindest eines ist, welches aus der Gruppe Na, Mg, K, Ca, Li, Be, Rb, Sr, Cs, Ba, Fr und Ra ausgewählt wird.
Elektrisch beheizter Katalysator gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Wabensubstrat eine Porosität von weniger als 20% aufweist.
Elektrisch beheizter Katalysator gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Elektrode eine resistive Heizelektrode ist, die eine Matrix (301) und ein leitfähiges Füllmaterial (302) aufweist, und die Matrix (301) Borosilikat enthält, das zumindest ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall enthält.
Elektrisch beheizter Katalysator gemäß Anspruch 6, wobei die Elektrode das Alkalimetall und das Erdalkalimetall in einer Gesamtkonzentration enthält, die höher als die Konzentration im Wabensubstrat ist.
Elektrisch beheizter Katalysator gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Elektrode eine Kohlenstoffelektrode ist.
Elektrisch beheizter Katalysator gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Wabensubstrat ferner ein Aggregat (203) enthält.