JP2011106308A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性、高温下における耐酸化性、及び排気ガス雰囲気における耐腐食性に優れた電極を具備する排気浄化装置を提供する。
【解決手段】触媒が担持された担体２０と、担体２０の外周面に設けられた電極３０・４０と、を具備し、電極３０・４０を通じて担体２０を通電加熱して前記触媒を活性温度まで昇温する排気浄化装置１であって、電極３０・４０は、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｃｏ−Ｍｏ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金からなる群から選択される一種の合金からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関し、特に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に関する。

従来、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排気浄化装置として通電加熱式触媒（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｈｅａｔｅｄ Ｃａｔａｌｙｓｔ：ＥＨＣ）が知られている。

ＥＨＣとしては、白金、又はパラジウム等の触媒が担持されたハニカム構造を有する円筒状の担体と、当該担体と電気的に接続され、その外周面に互いに対向するように設けられた一対の電極と、当該一対の電極にそれぞれ電気的に接続されると共に、バッテリ等の電源にワイヤハーネス等を介して電気的に接続された一対の端子とを具備するものがある（例えば、特許文献１参照）。
このようなＥＨＣは、電源を用いて一対の電極間で担体を通電加熱することにより、担体に担持された触媒を活性温度まで昇温して、エンジンから排出されて担体を通過する排気ガス中のＨＣ（未燃炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、及びＮＯｘ（窒素酸化物）等の有害物質を触媒反応により浄化する。

上記のようなＥＨＣに用いられる電極の材料としては、電気伝導率を考慮すると、銅、又はアルミニウム等の金属が挙げられる。
しかし、ＥＨＣは、自動車等の排気経路上に設けられるため、銅、又はアルミニウム等の金属では、高温下で電極が酸化して電気抵抗が大きくなり、最悪の場合には導通しなくなって担体を通電加熱することができなくなる等の問題が生じる。そのため、ＥＨＣに用いられる電極の材料には、耐熱性、高温下における耐酸化性、及び排気ガス雰囲気における耐腐食性等が更に求められていた。

特許第３３３４８９７号公報

本発明は、耐熱性、高温下における耐酸化性、及び排気ガス雰囲気における耐腐食性に優れた電極を具備する排気浄化装置を提供することを課題とする。

本発明の排気浄化装置は、触媒が担持される担体と、前記担体の外周面に設けられる一対の電極と、を具備し、前記一対の電極を通じて前記担体を通電加熱して前記触媒を活性温度まで昇温する排気浄化装置であって、前記一対の電極は、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｃｏ−Ｍｏ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金からなる群から選択される一種の合金からなる。

本発明の排気浄化装置において、前記Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金は、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金であることが好ましい。

本発明の排気浄化装置において、前記Ｎｉ−Ｃｒ系合金は、ＮｉＣｒＡｌＹ合金であることが好ましい。

本発明によれば、高温、かつ排気ガス雰囲気で安定して担体を通電加熱することができる。

本発明に係る排気浄化装置の正面断面図。 電極の材料ごとの酸化前、及び酸化後における接触抵抗（ｍΩ・ｃｍ^２）、及び電極の材料ごとの線膨張係数（×１０^−６／℃）を示す図。

以下では、図１を参照して、排気浄化装置１について説明する。
排気浄化装置１は、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（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｈｅａｔｅｄ Ｃａｔａｌｙｓｔ：ＥＨＣ）である。

図１に示すように、排気浄化装置１は、外装をなす中空のケース１０と、ケース１０の内部に収納された担体２０と、担体２０の外周面に設けられた電極３０・４０と、電極３０・４０にそれぞれ電気的に接続された端子５０・６０とを具備する。

ケース１０は、排気浄化装置１の外装をなすと共に、エンジンから排出される排気ガスが流動する排気管の一部をなす部材であり、略円筒状に形成されている。

担体２０は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、又はコーディエライト等のセラミックスからなるハニカム構造の多孔質部材であり、白金、又はパラジウム等の触媒が担持されている。担体２０は、ケース１０の内径よりも若干小さい外径を有する円筒状に形成され、ケース１０の内部においてケース１０の内周面との間に所定の隙間（ケース１０の内周面と担体２０の外周面に設けられた電極３０・４０とが接触しない程度の隙間）を有するように配置されると共に、エンジンから排出される排気ガスが担体２０の内部を軸方向に通過するように配置されている。
なお、ケース１０の内周面と担体２０の外周面との間には、アルミナ等からなる保持部材（不図示）が設けられており、担体２０の位置ずれを防止すると共に、ケース１０の内周面と担体２０の外周面との間の隙間をシールしている。

電極３０・４０は、溶射によって担体２０の外周面に層状に形成された金属からなる一対の電極である。電極３０・４０は、それぞれ担体２０の周方向における所定範囲に設けられ、互いに１８０度の位相差をもって対向した状態で担体２０の軸方向における両端部に亘って延出されている。電極３０・４０は、担体２０と電気的に接続されており、担体２０に電流を流して加熱するための電極として機能する。
なお、電極３０・４０のいずれがプラス側、又はマイナス側の電極となるかを問わず、電流の流れる方向は限定しない。

電極３０・４０の材料としては、排気浄化装置１が自動車等の排気経路に設けられる性質上、耐熱性、高温下における耐酸化性、及び排気ガス雰囲気における耐腐食性等を考慮して、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｃｏ−Ｍｏ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金、又はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金が好ましく、更に高温下における耐酸化性、及びセラミックスからなる担体２０との相性（ショットキー障壁等）を考慮すると、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金、又はＮｉＣｒＡｌＹ合金が特に好ましい。

端子５０・６０は、電極３０・４０と、ケース１０の外部に設けられたバッテリ等の電源とを電気的に接続するための棒状部材であり、担体２０における電極３０・４０が設けられた位置に合わせて配置される。端子５０・６０は、それらの一端部がケース１０の外部に突出するようにケース１０に貫通した状態で固定されている。端子５０・６０は、ケース１０の外部において、ワイヤハーネス等の接続部材を介して前記電源と電気的に接続され、ケース１０の内部において、それぞれ電極３０・４０と電気的に接続されている。つまり、端子５０・６０の一端部と前記接続部材とが接続され、端子５０・６０の他端部と電極３０・４０とが接続されている。こうして、端子５０・６０によって前記電源と電極３０・４０とが電気的に接続することを可能としている。

以上のように、排気浄化装置１では、前記電源を用いて電極３０・４０間で担体２０を通電加熱することで、担体２０に担持された触媒を活性温度まで昇温して、エンジンから排出されて担体２０を通過する排気ガス中のＨＣ（未燃炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、及びＮＯｘ（窒素酸化物）等の有害物質を触媒反応により浄化する。

以下では、図２を参照し、本発明に係る実施例１〜６、並びに比較例１〜３に基づいて、電極３０・４０に用いられる電極の材料の高温下における耐酸化性等を説明する。
図２は、電極の材料ごとの酸化前、及び酸化後における接触抵抗（ｍΩ・ｃｍ^２）、及び電極の材料ごとの線膨張係数（×１０^−６／℃）を示す図である。

本実験においては、ＳｉＣ（炭化ケイ素）からなる担体の表面に電極を設け、当該電極の材料ごとの酸化前、及び酸化後における接触抵抗（ｍΩ・ｃｍ^２）を計測する。
電極の接触抵抗は、電極の一定面積を押さえつけた時の界面の電気抵抗値である。

電極の材料としては、担体を通電加熱するのに支障がない程度の電気伝導率を有し、銅、又はアルミニウムよりも高温強度が良好であり、更にＳｉＣ（炭化ケイ素）からなる担体との線膨張係数の差が小さい（図２参照）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｏ（モリブデン）、及びＷ（タングステン）を、比較例１〜３の材料として用意した。

更に、不動態を形成して高い耐酸化性を有するＣｒ（クロム）及び、ＳｉＣ（炭化ケイ素）からなる担体との相性（ショットキー障壁等）が良好なＮｉ（ニッケル）等を含む、Ｃｏ−２５Ｎｉ−１６Ｃｒ−６．５Ａｌ−０．５Ｙ、Ｃｏ−２８Ｍｏ−８Ｃｒ−２Ｓｉ、Ｎｉ−２０Ｃｒ、Ｎｉ−２１．５Ｃｒ−９Ｍｏ−３．７（Ｎｂ＋Ｔａ）、Ｎｉ−３１Ｃｒ−１１Ａｌ−６Ｙ、及びＦｅ−１７Ｃｒ−１２Ｎｉ−２．５Ｍｏ−２．３Ｓｉを、実施例１〜６の材料として用意した。
なお、当該６つの合金は、上記のＮｉ（ニッケル）、Ｍｏ（モリブデン）、及びＷ（タングステン）と比較して、ＳｉＣ（炭化ケイ素）からなる担体との線膨張係数の差が大きいが（図２参照）、高温下において担体から電極が剥離する等の問題が生じない程度の数値である。

［実施例１］
Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金であって、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金（所謂、コニクラリー）であるＣｏ−２５Ｎｉ−１６Ｃｒ−６．５Ａｌ−０．５Ｙからなる電極を溶射によって担体の表面に設けた。
この時（酸化前）の電極の接触抵抗（ｍΩ・ｃｍ^２）を計測し、その結果をプロットした（図２参照）。

その後、９５０℃の大気中で４時間経過させた時（酸化後）の電極の接触抵抗（ｍΩ・ｃｍ^２）を計測し、その結果をプロットした（図２参照）。

［実施例２］
本実施例においては、電極の材料をＣｏ−Ｍｏ系合金であって、トリバロイであるＣｏ−２８Ｍｏ−８Ｃｒ−２Ｓｉとする以外は、実施例１と同様である。

［実施例３］
本実施例においては、電極の材料をＮｉ−Ｃｒ系合金であって、インコネルであるＮｉ−２０Ｃｒとする以外は、実施例１と同様である。

［実施例４］
本実施例においては、電極の材料をＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金であるＮｉ−２１．５Ｃｒ−９Ｍｏ−３．７（Ｎｂ＋Ｔａ）とする以外は、実施例１と同様である。

［実施例５］
本実施例においては、電極の材料をＮｉ−Ｃｒ系合金であって、ＮｉＣｒＡｌＹ合金（所謂、ニクラリー）であるＮｉ−３１Ｃｒ−１１Ａｌ−６Ｙとする以外は、実施例１と同様である。

［実施例６］
本実施例においては、電極の材料をＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金であるＦｅ−１７Ｃｒ−１２Ｎｉ−２．５Ｍｏ−２．３Ｓｉとする以外は、実施例１と同様である。

［比較例１］
本比較例においては、電極の材料をＮｉ（ニッケル）とする以外は、実施例１と同様である。

［比較例２］
本比較例においては、電極の材料をＭｏ（モリブデン）とする以外は、実施例１と同様である。

［比較例３］
本比較例においては、電極の材料をＷ（タングステン）とする以外は、実施例１と同様である。

以上のように、実施例１〜６、並びに比較例１〜３に基づいて、酸化前、及び酸化後の電極の接触抵抗（ｍΩ・ｃｍ^２）を計測した結果が図２に示される。

図２に示すように、比較例１〜３の如く、酸化前の電極の接触抵抗は、約１ｍΩ・ｃｍ^２、又はそれ以下であって比較的低い値であるが、酸化後の電極の接触抵抗は、約１００００ｍΩ・ｃｍ^２という高い値となり、高温下における耐酸化性が充分ではない。
更に、酸化前後での電極の接触抵抗の差が大きいため、担体を通電加熱するための制御電圧の変動が大きくなるという弊害が生じる。

一方、図２に示すように、実施例１〜６の如く、酸化前後での電極の接触抵抗の差は、比較例１〜３と比べて小さくなっている。そのため、担体を通電加熱するための制御電圧の変動を小さくすることができる。

また、実施例１〜５においては、酸化前の電極の接触抵抗が比較例１〜３よりも大きくなっているが、酸化後の電極の接触抵抗が約１０００ｍΩ・ｃｍ^２以下に抑えられており、高温下における耐酸化性は良好である。
実施例６においては、酸化後の電極の接触抵抗が比較例１〜３と同様に約１００００ｍΩ・ｃｍ^２という高い値であるが、前述のように、酸化前後での電極の接触抵抗の差が小さいため、担体を通電加熱するための制御電圧の変動を小さくすることができ、高温下における耐酸化性は許容範囲であるといえる。

特に、実施例１、及び実施例３においては、酸化後の接触抵抗、及び酸化前後の接触抵抗の差が共に小さく、高温下における耐酸化性が更に良好であり、電極の材料にＮｉ（ニッケル）が含まれているため、ＳｉＣ（炭化ケイ素）からなる担体との相性（ショットキー障壁等）が良好である。

以上のように、担体に設けられる電極の材料として、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｃｏ−Ｍｏ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金、又はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金を用いることで、高温下での良好な耐酸化性のため、高温、かつ排気ガス雰囲気でも、安定して担体を通電加熱できることが明らかとなった。
特に、担体に設けられる電極の材料として、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金、又はＮｉＣｒＡｌＹ合金を用いることで、高温下での更に良好な耐酸化性のため、高温、かつ排気ガス雰囲気でも、更に安定して担体を通電加熱できることが明らかとなった。

１ 排気浄化装置
１０ ケース
２０ 担体
３０、４０ 電極
５０、６０ 端子

Claims (3)

1. 触媒が担持される担体と、
   前記担体の外周面に設けられる一対の電極と、を具備し、
   前記一対の電極を通じて前記担体を通電加熱して前記触媒を活性温度まで昇温する排気浄化装置であって、
   前記一対の電極は、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｃｏ−Ｍｏ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金からなる群から選択される一種の合金からなる排気浄化装置。
2. 前記Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金は、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金である請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記Ｎｉ−Ｃｒ系合金は、ＮｉＣｒＡｌＹ合金である請求項１に記載の排気浄化装置。

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