JP2012125669A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】担体との間で発生する応力による剥離を防止可能な電極を具備する排気浄化装置を提供する。
【解決手段】触媒が担持される担体２０と、担体２０の外周部に設けられる電極３０・３０と、を具備する排気浄化装置１であって、電極３０・３０は、担体２０の外周部に形成される皮膜状の下地層３１と、下地層３１に埋め込まれるように設けられる複数の金属箔３２・３２・・・と、下地層３１及び金属箔３２・３２・・・を覆うように形成されて金属箔３２・３２・・・を固定する皮膜状の固定層３３と、を具備し、下地層３１は、その厚み方向全域に亘って窪むように形成される複数の溝部３１ａ・３１ａ・・・を有し、溝部３１ａは、金属箔３２の形状と合うように形成され、金属箔３２は、溝部３１ａに金属箔３２の表面と下地層３１の表面とが一致するように嵌め込まれ、固定層３３は、一定の厚みで形成される。
【選択図】図２

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、自動車等には、エンジンから排出される排気ガスを浄化するために、排気経路上に排気浄化装置が設けられている。

上記のような排気浄化装置としては、白金、又はパラジウム等の触媒が担持され、ＳｉＣ（炭化ケイ素）等のセラミックスからなるハニカム構造の担体と、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を具備する通電加熱式触媒（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｈｅａｔｅｄ Ｃａｔａｌｙｓｔ：ＥＨＣ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
ＥＨＣにおいては、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。

ＥＨＣの電極には、溶射により担体の外周面に皮膜状に形成されるものがある。このような電極は、高温熱サイクルの使用環境下において、担体との熱膨張率差に基づいて生じる応力によって亀裂が発生し、担体から剥離する等の問題が生じる。

特許第３３３４８９７号公報

本発明は、担体との間で発生する応力による剥離を防止可能な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、前記担体の外周部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、前記電極は、前記担体の外周部に形成される皮膜状の下地層と、前記下地層に埋め込まれるように設けられる複数の金属箔と、前記下地層及び前記複数の金属箔を覆うように形成されて前記複数の金属箔を固定する皮膜状の固定層と、を具備し、前記下地層は、その厚み方向全域に亘って窪むように形成される複数の溝部を有し、前記複数の溝部は、それぞれ前記複数の金属箔の形状と合うように形成され、前記複数の金属箔は、それぞれ前記複数の溝部に前記複数の金属箔の表面と前記下地層の表面とが一致するように嵌め込まれ、前記固定層は、一定の厚みで形成される。

本発明の排気浄化装置は、触媒が担持される担体と、前記担体の外周部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、前記担体の外周面には、前記担体の酸化を防止する保護層が形成され、前記電極は、前記保護層に埋め込まれるように設けられる複数の金属箔と、前記保護層及び前記複数の金属箔を覆うように形成されて前記複数の金属箔を固定する皮膜状の固定層と、を具備し、前記保護層は、その厚み方向全域に亘って窪むように形成される複数の溝部を有し、前記複数の溝部は、それぞれ前記複数の金属箔の形状と合うように形成され、前記複数の金属箔は、それぞれ前記複数の溝部に前記複数の金属箔の表面と前記保護層の表面とが一致するように嵌め込まれ、前記固定層は、一定の厚みで形成される。

本発明の排気浄化装置において、前記電極は、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ合金からなる群から選択される一種の合金を含むと共に、グラファイトを含むことが好ましい。

本発明の排気浄化装置において、前記電極は、酸化による電気抵抗の上昇が生じない程度の時間及び温度で加熱されることが好ましい。

本発明によれば、電極と担体との間で発生する応力を抑制可能となる。したがって、電極における亀裂の発生を抑制し、電極が担体から剥離することを防止できる。

本発明に係る排気浄化装置を示す図。 電極を示す断面図。 電極の別形態を示す断面図。 電極を１時間加熱した場合における、加熱温度と引き剥がし荷重との関係を示す図。

以下では、図１〜図３を参照して、本発明に係る排気浄化装置の一実施形態である排気浄化装置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の外周部に設けられた一対の電極３０・３０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中空の部材である。

担体２０は、導電性を有するＳｉＣ（炭化ケイ素）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、円筒状に形成され、エンジンから排出される排気ガスが担体２０の内部を軸方向に沿って通過するようにケース１０の内部に配置されている。なお、ケース１０の内周面と担体２０の外周面との間には、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するための保持部材（不図示）が設けられている。
また、担体２０の外周面には、担体２０の変質を防止するための保護層２１が形成されている。

保護層２１は、酸化したＳｉＣ（炭化ケイ素）のペーストを担体２０の外周面に塗工することによって形成され、高温化における担体２０の酸化を防止する。

電極３０・３０は、担体２０の外周部（詳細には、保護層２１上）に互いに独立して形成され、担体２０に電流を流して加熱するための一対の電極である。電極３０・３０は、それぞれ担体２０の周方向における所定範囲において、互いに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設けられている。
電極３０・３０には、それぞれ端子（不図示）が電気的に接続されており、当該一対の端子によってケース１０の外部に設けられたバッテリ等の電源からの電力供給が可能となっている。なお、電極３０・３０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。

図１及び図２に示すように、電極３０は、担体２０の保護層２１上に形成された下地層３１と、下地層３１に埋め込まれるように設けられた複数の金属箔３２・３２・・・と、下地層３１及び複数の金属箔３２・３２・・・を覆うように形成された固定層３３とを具備する。

下地層３１は、主としてＮｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ合金からなる群から選択される一種の合金から構成され、グラファイトが所定量含まれている。
ここで、グラファイトは、上記の合金と比較して、極めて小さい熱膨張率を有する。そのため、グラファイトが含まれる下地層３１の熱膨張率は、比較的小さくなっている。したがって、下地層３１の熱膨張率と担体２０の熱膨張率との差を小さくして、当該差に基づいて生じる応力を緩和することができる。
また、グラファイトは、上記の合金と比較して、極めて小さいヤング率を有する。そのため、グラファイトが含まれる下地層３１の見かけのヤング率は、比較的小さくなっている。したがって、下地層３１に緩衝機能を持たせ、下地層３１の熱膨張率と担体２０の熱膨張率との差に基づいて生じる応力を緩和することができる。

下地層３１は、溶射によって担体２０の保護層２１上に皮膜状に形成されている。下地層３１は、担体２０の周方向における所定範囲において、担体２０の軸方向における両端部に亘って形成されている。
下地層３１には、複数の金属箔３２・３２・・・を設置するための複数の溝部３１ａ・３１ａ・・・が形成されている。

溝部３１ａは、下地層３１の表面が窪んだ溝状に形成されている。溝部３１ａは、下地層３１における担体２０の周方向に沿った方向全域に亘って形成され、担体２０の軸方向に沿って互いに所定の間隔を空けて複数配置されている。溝部３１ａの深さ（図２における上下方向の長さ）は、下地層３１の厚み（図２における上下方向の長さ）と同一に設定されている。つまり、下地層３１の厚み方向全域に亘って溝部３１ａが形成されている。また、溝部３１ａは、金属箔３２の寸法と同程度の寸法に設定され、金属箔３２の形状と合うように形成されている。こうして、溝部３１ａに金属箔３２が嵌め込み可能となっている。なお、溝部３１ａは、保護層２１上に形成された下地層３１に対して機械加工を行うこと、又は溶射によって下地層３１を形成する際に、保護層２１上にマスキングを設けておくこと等によって形成することが可能である。

金属箔３２は、Ｆｅ−Ｃｒ合金等の金属からなる薄板である。金属箔３２は、溝部３１ａの寸法と同程度の寸法に設定され、溝部３１ａの形状と合うように形成されており、下地層３１の溝部３１ａに嵌め込まれている。つまり、金属箔３２は、担体２０の保護層２１上において、担体２０の周方向における下地層３１が形成された範囲全域に亘って延出され、担体２０の軸方向に沿って互いに所定の間隔を空けて複数配置されている。

固定層３３は、下地層３１と同様に、主としてＮｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ合金からなる群から選択される一種の合金から構成され、グラファイトが所定量含まれている。
ただし、固定層３３に含まれるグラファイトの量は、下地層３１に含まれるグラファイトの量以下に設定されている。そのため、固定層３３の熱膨張率は、下地層３１の熱膨張率以上の値となっている。また、固定層３３の熱膨張率は、金属箔３２の熱膨張率よりも小さく設定されている。
これにより、下地層３１、金属箔３２、及び固定層３３それぞれの熱膨張率同士の差を小さくして、それらの熱膨張率の差に基づいて生じる応力を緩和することができる。
また、固定層３３のヤング率は、下地層３１のヤング率以上の値となっている。
これにより、固定層３３によって金属箔３２が良好に固定され、金属箔３２の剥離を抑制することができる。

固定層３３は、溶射によって下地層３１及び金属箔３２を覆うように皮膜状に形成され、金属箔３２を下地層３１の溝部３１ａから脱離しないように固定している。固定層３３は、下地層３１の表面全域を覆うように、担体２０の周方向における下地層３１が設けられた範囲において、担体２０の軸方向における両端部に亘って形成されている。
前述のように、下地層３１の厚みと溝部３１ａの深さとが同一に設定されると共に、溝部３１ａの寸法と金属箔３２の寸法とが同程度に設定されているため、下地層３１の表面と金属箔３２の表面とが一致し、固定層３３が一定の厚み（図２における上下方向の長さ）で形成されることとなる。

以上のように、排気浄化装置１の電極３０においては、担体２０の保護層２１上に下地層３１が形成され、下地層３１に形成された複数の溝部３１ａ・３１ａ・・・にそれぞれ複数の金属箔３２・３２・・・が設置され、下地層３１及び金属箔３２・３２・・・を覆うように固定層３３が形成されている。
これにより、固定層３３を一定の厚みで形成することが可能となり、延いては電極３０を一定の厚みで形成することが可能となる。したがって、電極３０が段差を有して一定の厚みで形成されていない場合と比較して、当該段差に起因する、電極３０の一部分への応力集中を抑制でき、電極３０における亀裂の発生を抑制することができる。更に、金属箔３２・３２・・・を固定する固定層３３の厚みが一定のため、固定層３３が部分的に薄くなることなく、良好に金属箔３２・３２・・・を固定することが可能となる。したがって、金属箔３２・３２・・・の剥離を防止することができる。

また、金属箔３２を固定する固定層３３を一定の厚みで形成することができれば、電極３０を以下のように構成することも可能である。
図３に示すように、別形態としての電極３０は、下地層３１を具備せず、担体２０の保護層２１には下地層３１の溝部３１ａと略同様に構成された溝部２１ａが形成されており、溝部２１ａには金属箔３２が嵌め込まれて、保護層２１及び金属箔３２を覆うように固定層３３が形成されている。
溝部２１ａは、保護層２１における担体２０の周方向に沿った方向全域に亘って形成され、担体２０の軸方向に沿って互いに所定の間隔を空けて複数配置されている。溝部２１ａの深さ（図３における上下方向の長さ）は、保護層２１の厚み（図３における上下方向の長さ）と同一に設定されている。つまり、保護層２１の厚み方向全域に亘って溝部２１ａが形成されている。また、溝部２１ａは、金属箔３２の寸法と同程度の寸法に設定され、金属箔３２の形状と合うように形成されている。こうして、溝部２１ａに金属箔３２が嵌め込み可能となっている。なお、溝部２１ａは、保護層２１に対して機械加工を行うこと、又は溝部２１ａを有する保護層２１が形成されるように担体２０を押出成形すること等によって形成することが可能である。
このような電極３０においては、溶射皮膜が固定層３３のみのため、溶射が一工程となって、電極３０の作製に要する時間及びコストを低減することができる。

更に、電極３０は、所定の熱処理が施されている。
以下では、図４を参照して、電極３０に施される熱処理について説明する。

図４に示すように、電極３０を１時間加熱した場合、当該加熱温度が７００〜１０００℃であれば、電極３０を担体２０から引き剥がすのに要する荷重（以下、単に「引き剥がし荷重」と記す）が大幅に増加する、つまり電極３０を担体２０から引き剥がすことが困難となる。
なお、図４は、電極３０を１時間加熱した場合における、加熱温度［℃］と引き剥がし荷重［ｇｆ］との関係を示す図である。
ここで、引き剥がし荷重は、電極３０における一つの金属箔３２に対して、担体２０の表面と垂直に離間する方向に荷重を加えた場合に、金属箔３２が剥離するのに要する荷重である。

このように、電極３０に対して熱処理を施すことにより、電極３０の強度（詳細には、下地層３１及び固定層３３の強度）を向上させることができる。したがって、電極３０が担体２０から剥離することを防止できる。ただし、電極３０の加熱温度は、７００〜１０００℃であることが好ましく、電極３０の加熱時間は、電極３０が酸化して電気抵抗が上昇しない程度に設定され、１〜５時間であることが好ましい。
ここで、電極３０の熱処理による強度の向上は、下地層３１及び固定層３３における粒子間での原子の擬拡散現象が関係していると推定される。詳細には、下地層３１及び固定層３３において、グラファイトのＣ（カーボン）と、Ｃｒ（クロム）とが結合し、クロムカーバイドが生成されることによって、電極３０の強度が向上するものと推定される。
なお、電極３０を加熱する手段は、限定するものではなく、電気炉等の加熱設備を適用することが可能である。また、プラズマ溶射によって下地層３１及び固定層３３を形成した後、溶射材の供給のみを停止し、プラズマにより電極３０を加熱することも可能である。斯かる場合、溶射と加熱とを連続的に行うことができるため、電極３０の作製に要する時間及びコストを低減することができる。

１ 排気浄化装置
１０ ケース
２０ 担体
２１ 保護層
３０ 電極
３１ 下地層
３１ａ 溝部
３２ 金属箔
３３ 固定層

Claims (4)

1. 触媒が担持される担体と、
   前記担体の外周部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、
   前記電極は、
   前記担体の外周部に形成される皮膜状の下地層と、
   前記下地層に埋め込まれるように設けられる複数の金属箔と、
   前記下地層及び前記複数の金属箔を覆うように形成されて前記複数の金属箔を固定する皮膜状の固定層と、を具備し、
   前記下地層は、その厚み方向全域に亘って窪むように形成される複数の溝部を有し、
   前記複数の溝部は、それぞれ前記複数の金属箔の形状と合うように形成され、
   前記複数の金属箔は、それぞれ前記複数の溝部に前記複数の金属箔の表面と前記下地層の表面とが一致するように嵌め込まれ、
   前記固定層は、一定の厚みで形成される排気浄化装置。
2. 触媒が担持される担体と、
   前記担体の外周部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、
   前記担体の外周面には、前記担体の酸化を防止する保護層が形成され、
   前記電極は、
   前記保護層に埋め込まれるように設けられる複数の金属箔と、
   前記保護層及び前記複数の金属箔を覆うように形成されて前記複数の金属箔を固定する皮膜状の固定層と、を具備し、
   前記保護層は、その厚み方向全域に亘って窪むように形成される複数の溝部を有し、
   前記複数の溝部は、それぞれ前記複数の金属箔の形状と合うように形成され、
   前記複数の金属箔は、それぞれ前記複数の溝部に前記複数の金属箔の表面と前記保護層の表面とが一致するように嵌め込まれ、
   前記固定層は、一定の厚みで形成される排気浄化装置。
3. 前記電極は、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ合金からなる群から選択される一種の合金を含むと共に、グラファイトを含む請求項１又は請求項２に記載の排気浄化装置。
4. 前記電極は、酸化による電気抵抗の上昇が生じない程度の時間及び温度で加熱される請求項３に記載の排気浄化装置。

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