JP2012149311A - 電極構造およびその製造方法、ならびに電気加熱型触媒およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス基材に対する電極の剥離を抑制可能で、小型化が可能な電極構造などを提供すること。
【解決手段】セラミックス基材１２上に設けられる導電層３０と、導電層３０に固定される電極４０とを有する電極構造２０において、導電層３０は、少なくとも一部が多孔質であって、電極４０と接触する表面に微細な凹凸を有し、電極４０は、導電層３０の凹凸の凹部３１に入り込んだアンカー部４６を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電極構造およびその製造方法、ならびに電気加熱型触媒およびその製造方法に関する。

自動車などの車両の排気ガスを浄化するため、通電加熱される電気加熱型触媒が知られている。電気加熱型触媒は、触媒を担持する担体と、担体に電力を供給する電極とを有する。担体が通電加熱されると、触媒が暖められ活性化する。担体はセラミックスで構成され、電極は金属で構成される。担体と電極とは、ロウ付けで接合される。

一方で、近年、セラミックスと金属とをロウ付けで接合する方法として、セラミックス上に溶射膜を成膜し、溶射膜と電極との間に挟んだロウ材を溶融、凝固させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平２−８３２７４号公報

ところで、セラミックスと金属とをロウ付けで接合する場合、セラミックスと金属との熱膨張率の差に起因する熱応力が問題となる。この熱応力は、ロウ材などが凝固した後の冷却過程で生じ、更に、使用時の昇温、冷却でも生じる。熱応力が過大になると、セラミックスなどが破損し、セラミックスに対して金属が剥離する。

上記の特許文献１に記載の接合方法では、セラミックスと金属との間に設けられる溶射膜がセラミックスより低い弾性率を有するので、上記の熱応力を緩和できるとしている。しかし、溶射膜は、溶融したロウ材と反応して変質するので、効果を十分に発現できないことがある。

そこで、別の接合方法として、セラミックス上に成膜された溶射膜に金属を接触させ、溶射膜と金属の両者の上に、固定膜を成膜することが考えられる。しかし、この場合、固定膜が金属からはみ出している分、金属が実質的に大面積化する。また、生産性が低かった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、セラミックス基材に対する電極の剥離を抑制可能で、小型化が可能な電極構造およびその製造方法などを提供することを目的とする。

上記目的を解決するため、本発明は、セラミックス基材上に設けられる導電層と、該導電層に固定される電極とを有する電極構造において、
前記導電層は、少なくとも一部が多孔質であって、前記電極と接触する表面に微細な凹凸を有し、
前記電極は、前記導電層の凹凸の凹部に入り込んだアンカー部を有する。

また、本発明は、セラミックス基材上に設けられる導電層と、該導電層に固定される電極とを有する電極構造の製造方法において、
セラミックス基材上に、少なくとも一部が多孔質であって、前記電極と接触する表面に微細な凹凸を有する導電層を形成した後、該導電層上で、前記電極となる金属板の少なくとも一部を通電加熱して溶融させることで、溶融部分の一部が前記導電層の凹凸の凹部に入り込み、凝固してアンカー部を形成する。

本発明によれば、セラミックス基材に対する電極の剥離を抑制可能で、小型化が可能な電極構造およびその製造方法などを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電気加熱型触媒の構成図である。 電気加熱型触媒１０の要部断面図である。 電気加熱型触媒１０の製造方法の説明図である。 電極４０となる金属板５０の平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る電気加熱型触媒の要部断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る電気加熱型触媒の要部断面図である。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電気加熱型触媒の構成図である。図１において、黒く塗りつぶした箇所は、電極４０と導電層３０との結合箇所を示す。図２は、電気加熱型触媒１０の要部断面図である。

電気加熱型触媒１０は、例えば車両の排気ガスの通路に設置され、排気ガスを浄化するものである。電気加熱型触媒１０は、触媒を担持する担体１２と、担体１２に電力を供給する電極構造２０とを有する。電極構造２０を介して、外部電源から担体１２に電力が供給されると、担体１２が通電加熱され、触媒が暖められ活性化する。

担体１２は、炭化ケイ素（ＳＩＣ）などのセラミックスで構成されるセラミックス基材である。担体１２は、ハニカム状に形成され、内壁面に触媒を担持している。触媒は、一般的なものであって良く、例えば、白金（Ｐｔ）やロジウム（Ｐｈ）、パラジウム（Ｐｄ）などの貴金属を含んでいる。複数種類の貴金属を組み合わせて用いて良い。これらの触媒は、担体１２内を通過する排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）などを浄化する。担体１２の外周面は、その形状に制限はないが、例えば円周面状に形成される。

電極構造２０は、担体１２に電力を供給するため、担体１２上に２つ設けられ（図１には１つのみ図示）、一方が陽極として機能し、他方が陰極として機能する。電極構造２０は、担体１２上に設けられる導電層３０と、導電層３０に電力を供給する電極４０とを有する。この電極構造２０は、担体１２の外周面に固定され、担体１２の外周面に沿って緩やかに湾曲している。

導電層３０は、金属材料（例えば、ＮｉＣｒ合金やＣｏＮｉＣｒＡｌ合金）などで構成される。導電層３０は、担体１２と電極４０との熱膨張率の差を緩和するため、担体１２を構成するセラミックスの線膨張係数と、電極４０を構成する金属の線膨張係数との間の線膨張係数を有する金属材料で構成されている。

導電層３０は、少なくとも一部が多孔質である（本実施形態では、全体が多孔質である）ので、担体１２と電極４０との熱膨張率の差を吸収するように、部分的に弾性変形可能である。また、導電層３０は、少なくとも一部が多孔質であるので、担体１２と電極４０とが互いを拘束するのを抑制する。さらに、導電層３０は、少なくとも一部が多孔質であるので、緻密質である場合に比べて低いヤング率を有している。従って、導電層３０は、温度が変化したときに、担体１２と電極４０との間に生じる熱応力を低減、緩和でき、担体１２に対する電極４０の剥離を抑制できる。

導電層３０は、電極４０と接触する表面に微細な凹凸を有している。

電極４０は、導電性を有する金属（例えば、ステンレス鋼）で構成されている。電極４０は、板状に形成され、担体１２の外周に沿って僅かに湾曲している。電極４０の厚さは、目的に応じて設定されるが、例えば０．０５〜０．３ｍｍである。

電極４０は、例えば図２に示すように、導電層３０の凹凸の凹部３２に入り込んだアンカー部４６を有する。このように、アンカー効果で電極４０と導電層３０とを結合すると、電極４０と導電層３０とをロウ付けで結合する場合に比べて、導電層３０がほとんど劣化しないので、導電層３０の応力緩和層としての効果を十分に発現できる。また、電極４０が直接に導電層３０と結合するので、電極４０と導電層３０の両者の上に固定膜を形成する場合に比べて、小型化が可能である。

電極４０は、互いに離間する複数の位置（図１参照）で、導電層３０に局所的に結合する。そうすると、結合面積が小さいので、温度が変化したときに、担体１２と電極４０との間に生じる熱応力を低減できる。

電極４０は、担体１２に対して占める面積が小さくなるよう、櫛状に形成されている。これによって、担体１２と電極４０との熱膨張率の差による影響をより削減できる。

例えば、電極４０は、図１に示すように、帯状部４２と、帯状部４２から所定方向に延出する複数の櫛歯部４４とを有し、各櫛歯部４４は、図２に示すように、導電層３０の凹凸の凹部３２に入り込んだアンカー部４６を有する。

図３は、電気加熱型触媒１０の製造方法の説明図である。図４は、電極４０となる金属板５０の平面図である。

本実施形態では、担体１２上に、少なくとも一部が多孔質であって、電極４０と接触する表面に微細な凹凸を有する導電層３０を形成する。次いで、導電層３０上で、電極４０となる金属板５０の少なくとも一部を通電加熱して溶融させることで、溶融部分の一部が導電層３０の凹凸の凹部３２に入り込み、凝固してアンカー部４６（図２参照）を形成する。溶融部分は、導電層３０の表層と化学反応して結合する。

導電層３０は、例えば溶射法で形成される。溶射法としては、例えば粉末式フレーム溶射法、プラズマ溶射法、高速フレーム溶射法などがある。これらの溶射法の中でも、溶射膜の酸化の抑制、および、担体１２の衝撃負荷の軽減の観点から、プラズマ溶射法が好ましい。溶射法の代わりに、メッキ法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法などで導電層３０を形成することも可能である。

導電層３０は、金属材料（例えば、ＮｉＣｒ合金やＣｏＮｉＣｒＡｌ合金）に添加物を混ぜた混合粒子を、担体１２上に溶射して形成される。添加物としては、例えばグラファイト、ポリエチレン（ＰＥ）などの合成樹脂が用いられる。これらの添加物は、溶射時に焼失し、または、溶射後に取り除かれる。添加物の添加量で、導電層３０の気孔率を調整可能である。

電極４０は、金属板５０の少なくとも一部を通電加熱して溶融させることで形成される。具体的には、例えば図３に示すように、外部電源に接続された給電端子６２、６４を、金属板５０の互いに離間する位置に接触させ、これらの接触位置の間を通電加熱する。外部電源としては、交流電源、直流電源のいずれも使用可能である。外部電源から供給される電力は、金属板５０の電気抵抗などに応じて設定される。

金属板５０は、少なくとも一部が多孔質な導電層３０に比べて、電気抵抗が低い。そのため、金属板５０に選択的に通電でき、金属板５０を選択的に加熱できる。よって、通電時間を短縮でき、金属板３０の溶融時間を短縮できるので、導電層３０の劣化を抑制できる。よって、導電層３０の応力緩和効果が十分に得られる。

金属板５０の通電時間は、金属板５０の電気抵抗などに応じて選択されるが、例えば０．１秒以下であって、０．０２秒以下とすることも可能である。このように、通電時間が短いと、導電層３０の劣化を抑制できる他、生産性が良い。

金属板５０を部分的に通電加熱して溶融させることで、電極４０が互いに離間する複数の位置で導電層３０に局所的に結合する。そうすると、結合面積が小さいので、温度が変化したときに、担体１２と電極４０との間に生じる熱応力を低減できる。

金属板５０は、電極４０と略同一形状であって、櫛状に形成されている。金属板５０は、図４に示すように、帯状部５２と、帯状部５２から所定方向に延出する複数の櫛歯部５４とで構成されている。各櫛歯部５４の幅Ｗは、例えば１〜３ｍｍである。このように、金属板５０、ひいては、電極４０を櫛状に形成すると、担体１２上で電極４０が占める面積を小さくでき、電極４０と担体１２との熱膨張差の影響そのものを小さくできる。

各櫛歯部５４を部分的に通電加熱して溶融させることで、溶融部分の一部が導電層３０の凹凸の凹部３２に入り込み、凝固してアンカー部４６（図２参照）を形成すると、櫛歯部４４の一部が導電層３０に結合する。各櫛歯部４４は、互いに離れた複数の箇所（図１参照）で、導電層３０に局所的に結合しており、結合箇所以外では、自由に弾性変形可能である。

そのため、電気加熱型触媒１０が温度変化するとき、担体１２と電極４０との熱膨張率の差に起因する応力を、各櫛歯部４４の弾性変形によって吸収できる。従って、担体１２と電極４０との剥離を制限できる。

各櫛歯部５４を部分的に通電加熱する場合、２つの給電端子６２、６４の間のギャップG（図３参照）を、各櫛歯部５４の幅Ｗ以下とすると、溶融部分の凝固時の「ひけ」を抑制でき、溶融部分での断線を抑制できる。

このようにして、電気型加熱触媒１０を製造する。この電気型加熱触媒１０は、電極構造２０を介して、外部電源から担体１２に電力が供給されると、担体１２が通電加熱され、触媒が暖められ活性化する。

［第２の実施形態］
上記の第１の実施形態では、担体と電極との間に設けられる導電層が単層構造であって、導電層の全体が多孔質である。

これに対し、本実施形態の導電層は、２層構造である。なお、導電層は、３層以上の層で構成されても良い。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る電気加熱型触媒の要部断面図であって、図２に相当する要部断面図である。図５において、図１〜図４と同一構成には、同一符号を付して説明を省略する。

電気加熱型触媒１００は、例えば車両の排気ガスの通路に設置され、排気ガスを浄化するものである。電気加熱型触媒１００は、触媒を担持する担体１２と、担体１２に電力を供給する電極構造１２０とを有する。電極構造１２０を介して、外部電源から担体１２に電力が供給されると、担体１２が通電加熱され、触媒が暖められ活性化する。

電極構造１２０は、担体１２に電力を供給するため、担体１２上に２つ設けられ（図５には１つのみ図示）、一方が陽極として機能し、他方が陰極として機能する。電極構造１２０は、担体１２上に設けられる導電層１３０と、導電層１３０に電力を供給する電極１４０とを有する。この電極構造１２０は、担体１２の外周面に固定され、担体１２の外周面に沿って緩やかに湾曲している。

導電層１３０は、金属材料（例えば、ＮｉＣｒ合金やＣｏＮｉＣｒＡｌ合金）などで構成される。導電層１３０は、担体１２と電極１４０との熱膨張率の差を緩和するため、担体１２を構成するセラミックスの線膨張係数と、電極１４０を構成する金属の線膨張係数との間の線膨張係数を有する金属材料で構成されている。

導電層１３０は、少なくとも一部が多孔質であって、例えば図５に示すように、多孔質な第１層１３４と、第１層１３４と電極１４０との間に設けられ、第１層１３４よりも緻密な第２層１３６とを有する。

第１層１３４は、図２に示す導電層３０と同様に、金属材料に添加物を混ぜた混合粒子を担体１２上に溶射して形成される。添加物は、溶射時に焼失し、または、溶射後に取り除かれる。添加物の添加量で、第１層１３４の気孔率を調整可能である。

第１層１３４は、多孔質であるので、図２に示す導電層３０と同様に、温度が変化したときに、担体１２と電極１４０との間に生じる熱応力を低減、緩和できる。

第２層１３６は、金属材料を含む粒子を担体１２上に溶射して形成される。第２層１３６では、第１層１３４に比べて、溶射粒子への添加物の添加量が少なく、添加量が０であっても良い。第２層１３６の金属材料は、第１層１３４の金属材料と同じ材料でも、異なる材料でも良い。

第２層１３６は、第１層１３４よりも緻密であり、第１層１３４よりも応力緩和層としての効果が弱いので、第１層１３４よりも薄く形成されて良い。第２層１３６は、電極１４０と接触する表面に微細な凹凸を有している。

電極１４０は、例えば図５に示すように、第２層１３６の凹凸の凹部１３２に入り込んだアンカー部１４６を有する。このように、アンカー効果で電極１４０と導電層１３０とを結合すると、第１の実施形態と同様に、導電層１３０の応力緩和層としての効果を十分に発現できる。また、電極１４０が直接に導電層１３０と結合するので、電極１４０と導電層１３０の両者の上に固定膜を形成する場合に比べて、小型化が可能である。

これに加えて、本実施形態では、電極１４０のアンカー部１４６が、応力緩和層である第１層１３４に比べて、緻密で高強度な第２層１３６の凹凸の凹部１３２に入り込んでいるので、担体１２に対する電極１４０の剥離強度をさらに向上できる。

電極１４０は、図２に示す電極４０と同様に、図４に示す金属板５０の少なくとも一部を通電加熱して溶融させることで、溶融部分の一部が導電層１３０の凹凸の凹部１３２に入り込み、凝固してアンカー部１４６を形成する。溶融部分は、導電層１３０の表層と化学反応して結合する。

［第３の実施形態］
上記の第２の実施形態では、導電層が溶射で形成されるので、導電層の電極と接触する表面に、微細な凹凸があり、凹凸の凸部の先端がうねっている（湾曲している）。

これに対し、本実施形態では、導電層の電極と接触する表面は、平坦面と、平坦面に点在する凹部とで構成されている。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る電気加熱型触媒の構成図であって、図２や図５に相当する要部断面図である。図６において、図１〜図５と同一構成には、同一符号を付して説明を省略する。

電気加熱型触媒２００は、例えば車両の排気ガスの通路に設置され、排気ガスを浄化するものである。電気加熱型触媒２００は、触媒を担持する担体１２と、担体１２に電力を供給する電極構造２２０とを有する。電極構造２２０を介して、外部電源から担体１２に電力が供給されると、担体１２が通電加熱され、触媒が暖められ活性化する。

電極構造２２０は、担体１２に電力を供給するため、担体１２上に２つ設けられ（図６には１つのみ図示）、一方が陽極として機能し、他方が陰極として機能する。電極構造２２０は、担体１２上に設けられる導電層２３０と、導電層２３０に電力を供給する電極２４０とを有する。

導電層２３０は、金属材料（例えば、ＮｉＣｒ合金やＣｏＮｉＣｒＡｌ合金）などで構成される。導電層２３０は、担体１２と電極２４０との熱膨張率の差を緩和するため、担体１２を構成するセラミックスの線膨張係数と、電極２４０を構成する金属の線膨張係数との間の線膨張係数を有する金属材料で構成されている。

導電層２３０は、少なくとも一部が多孔質であって、第２の実施形態と同様に、多孔質な第１層２３４と、第１層２３４と電極２４０との間に設けられ、第１層２３４よりも緻密な第２層２３６とを有する。第２層２３６は、電極２４０と接触する表面に微細な凹凸を有しており、この凹凸の凹部２３２に、電極２４０のアンカー部２４６が入り込んでいる。従って、第２の実施形態と同様の効果が得られる。

導電層２３０（詳細には、第２層２３６）の電極２４０と接触する表面は、平坦面２３８と、平坦面２３８上に点在する凹部２３２とで構成されている。これは、第２層２３６の表面を、平坦な研磨パッドで研磨加工することで実現される。

研磨加工では、ポリエステルなどの合成樹脂で構成される研磨パッドと、アルミナやダイヤモンドなどの研磨砥粒（例えば平均体積粒径９μｍ）とが用いられる。平坦面２３８には、電極２４０が面接触している。

本実施形態では、導電層２３０（詳細には、第２層２３６）の平坦面２３８に、電極２４０が接触している。そのため、電極２４０が、導電層２３０に密接に接触するので、電極２４０のアンカー部２４６が、導電層２３０に確実に入り込める。よって、担体１２に対する電極２４０の剥離強度を向上できる。

電極２４０は、図２に示す電極４０と同様に、図４に示す金属板５０の少なくとも一部を通電加熱して溶融させることで、溶融部分の一部が導電層２３０の凹凸の凹部２３２に入り込み、凝固してアンカー部２４６を形成する。溶融部分は、導電層２３０の表層と化学反応して結合する。

以上、本発明の第１〜第３の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。

例えば、第１〜第３の実施形態において、セラミックス基材は、触媒を担持する担体であるとしたが、その用途に制限はなく、例えば、回路基板であっても良い。

また、第１〜第３の実施形態において、電極構造は、セラミックス基材に電力を供給するものであるとしたが、その用途に制限はなく、例えば、セラミックス基材上に設けられる回路パターンに電気信号を送るものであっても良い。

また、第１の実施形態において、第３の実施形態と同様に、導電層の電極と接触する表面を、平坦面と、平坦面に点在する凹部とで構成しても良い。

１０ 電気加熱型触媒
１２ 担体（セラミックス基材）
２０ 電極構造
３０ 導電層
３２ 凹部
４０ 電極
４２ 帯状部
４４ 櫛歯部
４６ アンカー部
１３４ 第１層
１３６ 第２層
２３８ 平坦面

Claims (14)

1. セラミックス基材上に設けられる導電層と、該導電層に固定される電極とを有する電極構造において、
   前記導電層は、少なくとも一部が多孔質であって、前記電極と接触する表面に微細な凹凸を有し、
   前記電極は、前記導電層の凹凸の凹部に入り込んだアンカー部を有する電極構造。
2. 前記導電層は、多孔質な第１層と、該第１層と前記電極との間に設けられ、該第１層よりも緻密な第２層とを有し、該第２層は、前記電極と接触する表面に微細な凹凸を有し、
   前記電極は、前記第２層の凹凸の凹部に入り込んだアンカー部を有する請求項１に記載の電極構造。
3. 前記導電層の前記電極と接触する表面は、平坦面と、該平坦面に点在する複数の凹部とで構成される請求項１または２に記載の電極構造。
4. 前記電極は、互いに離間する複数の位置で、前記導電層に結合する請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極構造。
5. 前記電極は、櫛状に形成されており、帯状部と、該帯状部から所定方向に延出する複数の櫛歯部を有し、各櫛歯部は、前記導電層の凹凸の凹部に入り込んだアンカー部を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極構造。
6. 前記導電層は、溶射で形成される溶射層である請求項１〜５のいずれか１項に記載の電極構造。
7. セラミックス基材である、触媒を担持する担体と、該担体に電力を供給する電極構造とを有する電気加熱型触媒において、
   前記電極構造は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電極構造である、電気加熱型触媒。
8. セラミックス基材上に設けられる導電層と、該導電層に固定される電極とを有する電極構造の製造方法において、
   セラミックス基材上に、少なくとも一部が多孔質であって、前記電極と接触する表面に微細な凹凸を有する導電層を形成した後、該導電層上で、前記電極となる金属板の少なくとも一部を通電加熱して溶融させることで、溶融部分の一部が前記導電層の凹凸の凹部に入り込み、凝固してアンカー部を形成する電極構造の製造方法。
9. 前記導電層は、多孔質な第１層と、該第１層と前記電極との間に設けられ、該第１層よりも緻密な第２層とを有し、該第２層は、前記電極と接触する表面に微細な凹凸を有し、
   該第２層上で、前記金属板の少なくとも一部を通電加熱して溶融させることで、溶融部分の一部が前記第２層の凹凸の凹部に入り込み、凝固してアンカー部を形成する請求項８に記載の電極構造の製造方法。
10. 前記導電層の前記電極と接触する表面を、平坦面と該平坦面に点在する複数の凹部とで構成するように、研磨加工した後、前記平坦面上で、前記金属板の少なくとも一部を通電加熱して溶融させる請求項８または９に記載の電極構造の製造方法。
11. 前記金属板を部分的に通電加熱して溶融させ、前記電極を互いに離間する複数の位置で前記導電層に結合させる請求項８〜１０のいずれか１項に記載の電極構造の製造方法。
12. 前記金属板は、櫛状に形成されており、帯状部と、該帯状部から所定方向に延出する複数の櫛歯部を有し、
    前記導電層上で、各櫛歯部を部分的に通電加熱して溶融させることで、溶融部分の一部が前記導電層の凹凸の凹部に入り込み、凝固してアンカー部を形成する請求項８〜１１のいずれか１項に記載の電極構造の製造方法。
13. 前記導電層は、溶射で形成される溶射層である請求項８〜１２のいずれか１項に記載の電極構造の製造方法。
14. セラミックス基材である、触媒を担持する担体と、該担体に電力を供給する電極構造とを有する電気加熱型触媒の製造方法において、
    前記電極構造を、請求項８〜１３のいずれか１項に記載の電極構造の製造方法を用いて作製する、電気加熱型触媒の製造方法。

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