JP2013083162A

JP2013083162A - 通電加熱式触媒装置

Info

Publication number: JP2013083162A
Application number: JP2011221875A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Nishio; 和晃西尾; Kenji Shimoda; 健二下田; Sueji Sato; 末二佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2013-05-09
Anticipated expiration: 2031-10-06
Also published as: JP5664517B2

Abstract

【課題】電極による通電加熱面積が担体の周方向に広がり、通電加熱を効果的に行え、かつ、電極の剥離が抑制された通電加熱式触媒装置を提供すること。
【解決手段】触媒が担持されたセラミックスからなる担体と、前記担体の外周面に互いに対向して形成された一対の電極と、前記電極へ外部から電力を供給する配線と、を備え、前記電極を通じて前記担体を通電加熱する通電加熱式触媒装置であって、前記電極は、前記担体の軸方向に延設され、かつ、前記担体の周方向から交互にスリットが入れられていることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は通電加熱式触媒装置に関する。

近年、自動車等の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（ＥＨＣ：Electrically Heated Catalyst）が注目されている。ＥＨＣでは、エンジンの始動直後などのように排気ガスの温度が低く、触媒が活性化し難い条件下であっても、通電加熱により強制的に触媒を活性化させ、排気ガスの浄化効率を高めることができる。

特許文献１に開示されたＥＨＣは、白金や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、かつ、当該担体の外周面に互いに対向配置された一対の電極と、を備えている。このＥＨＣでは、一対の電極間において担体を通電加熱し、担体に担持された触媒を活性化する。これにより、担体を通過する排気ガス中の未燃焼ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の有害物質が触媒反応により浄化される。

ＥＨＣは自動車等の排気経路上に設けられるため、上記電極の材料には、電気伝導度のみならず、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要求される。そのため、特許文献１に開示されているように、Ｎｉ−Ｃｒ合金やＭＣｒＡｌＹ合金（但し、ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも一種）などの金属材料が用いられる。電極は溶射により担体上に形成される。他方、上記担体の材料としては、ＳｉＣ（炭化珪素）などのセラミックス材料が用いられる。そのため、通電加熱時には、電極を構成する金属材料と、担体を構成するセラミックス材料との線膨張係数差による応力が発生する。

特許文献２には、電界印加用電極に対して熱膨張変化吸収処置を施したことを特徴とした光応用電圧・電界センサが開示されている。

特開２０１１−１０６３０８号公報特開平２−１７６４７６号公報

発明者は以下の課題を見出した。
ＥＨＣの電極は、担体の周方向に所定の幅を持って軸方向に延設されている。この電極を流れる電流の経路が、電極を構成する溶射皮膜の状態に影響され、電極の通電加熱面積が担体の周方向に狭くなり、通電加熱時の担体の温度分布も大きくなるおそれがあった。

また、電極を構成する溶射皮膜は、溶射時における凝固収縮に伴う残留応力や、上述の通電加熱時における線膨張係数差による応力に起因して、担体から剥離してしまうという問題があった。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、電極による通電加熱面積が担体の周方向に広がり、通電加熱を効果的に行え、かつ、電極の剥離が抑制された通電加熱式触媒装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る通電加熱式触媒装置は、
触媒が担持されたセラミックスからなる担体と、
前記担体の外周面に互いに対向して形成された一対の電極と、
前記電極へ外部から電力を供給する配線と、を備え、前記電極を通じて前記担体を通電加熱する通電加熱式触媒装置であって、
前記電極は、前記担体の軸方向に延設され、かつ、前記担体の周方向から交互にスリットが入れられていることを特徴とするものである。
電極による通電加熱面積が担体の周方向に広がり、通電加熱を効果的に行え、かつ、電極の剥離が抑制された通電加熱式触媒装置を提供することができる。

本発明の第２の態様に係る通電加熱式触媒装置は、上記の第１の態様において、隣接する前記スリット同士の間隔が、前記電極において前記配線が接続された接続領域から遠ざかるにつれて、大きくなっていることを特徴とするものである。これにより、より均一に通電加熱を行うことができる通電加熱式触媒装置を提供することができる。

本発明の第３の態様に係る通電加熱式触媒装置は、上記の第１又は２の態様において、前記スリットの長さが、前記接続領域から遠ざかるにつれて、短くなっていることを特徴とするものである。これにより、さらに均一に通電加熱を行うことができる通電加熱式触媒装置を提供することができる。

本発明の第４の態様に係る通電加熱式触媒装置は、上記の第１〜３のいずれかの態様において、前記接続領域が、前記電極の長手方向の中央部に位置することを特徴とするものである。

本発明の第５の態様に係る通電加熱式触媒装置は、上記の第１〜４のいずれかの態様において、前記電極が、溶射により形成されることを特徴とするものである。

本発明の第６の態様に係る通電加熱式触媒装置は、上記の第１〜５のいずれかの態様において、前記セラミックスが、ＳｉＣを含むことを特徴とするものである。

本発明の第７の態様に係る通電加熱式触媒装置は、上記の第１〜６のいずれかの態様において、前記電極が、Ｎｉ−Ｃｒ合金（但し、Ｃｒ含有量は２０〜６０質量％）又はＭＣｒＡｌＹ合金（但し、ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも一種）からなることを特徴とするものである。

本発明の第８の態様に係る通電加熱式触媒装置は、上記の第１〜７のいずれかの態様において、前記スリットの幅が、前記接続領域から遠ざかるにつれて、狭くなっていることを特徴とするものである。これにより、より確実に、電極による通電加熱面積が担体の周方向に広がり、通電加熱を効果的に行え、かつ、電極の剥離が抑制された通電加熱式触媒装置を提供することができる。

本発明の第９の態様に係る通電加熱式触媒装置は、上記の第１〜８のいずれかの態様において、前記電極の膜厚が、前記接続領域から遠ざかるにつれて、厚くなっていることを特徴とするものである。これにより、より確実に、電極による通電加熱面積が担体の周方向に広がり、通電加熱を効果的に行え、かつ、電極の剥離が抑制された通電加熱式触媒装置を提供することができる。

本発明により、電極による通電加熱面積が担体の周方向に広がり、通電加熱を効果的に行え、かつ、電極の剥離が抑制された通電加熱式触媒装置を提供することができる。

実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００の斜視図である。固定層３３が形成された部位での断面図である。電極３１の平面図である。図３におけるＩＶ-ＩＶ切断線による断面図である。電極３１と配線３２との固定層３３による接続を示す平面図である。他の実施の形態に係る電極３１の平面図である。他の実施の形態に係る電極３１の平面図である。他の実施の形態に係る電極３１の断面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施の形態１）
まず、図１、図２を参照して、本実施の形態に係る通電加熱式触媒装置について説明する。図１は、実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００の斜視図である。通電加熱式触媒装置１００は、例えば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。図１に示すように、通電加熱式触媒装置１００は、担体２０、電極３１、配線３２、固定層３３を備えている。

担体２０は、白金やパラジウム等の触媒を担持する多孔質部材である。また、担体２０自体は、通電加熱されるため、導電性を有するセラミックス、具体的には例えばＳｉＣ（炭化珪素）からなる。図１に示すように、担体２０は、外形が円筒形状であって、内部はハニカム構造を有している。矢印で示すように、排気ガスが担体２０の内部を担体２０の軸方向に通過する。

電極３１は、担体２０に電流を流し、加熱するための一対の電極である。各電極３０は、担体２０の外周面において互いに対向配置されている。また、各電極３１は、担体２０の長手方向の略両端に亘り形成されている。各電極３１は、配線３２を介して、バッテリ等の電源（不図示）から電力の供給が可能となっている。なお、電極３１の一方がプラス極、他方がマイナス極であるが、いずれの電極３１がプラス極あるいはマイナス極になってもよい。つまり、担体２０を流れる電流の向きは限定されない。

ここで、図１に示すように、配線３２は、固定層３３により電極３１に固定されている。また、図２は、固定層３３が形成された部位での断面図である。

図１に示すように、電極３１は、担体２０の外周面上に形成された溶射皮膜である。図２に示すように、電極３１は、担体２０と物理的に接触しているとともに電気的に接続されている。

図２に示すように、配線３２は、電極３１上に配置されており、電極３１と物理的に接触するとともに電気的に接続されたリボン状の金属箔である。また、図１に示すように、配線３２は、電極３１の形成領域の全体に亘って、担体２０の周方向に延設されている。また、配線３２は、各電極３１上において、担体２０の軸方向に沿って、所定の間隔で複数本ずつ配置されている。図１の例では、各電極３１上の中央部に６本ずつの配線３２が設けられている。当然のことながら、配線３２の本数は６本に限定されるものではなく、適宜決定される。配線３２は、例えばＦｅ−Ｃｒ合金等の金属からなる薄板である。

固定層３３は、配線３２を電極３１に固定するために、配線３２を覆うように形成されたボタン形状の溶射皮膜である。ここで、固定層３３がボタン形状であるのは、金属をベースとする溶射皮膜である電極３１及び固定層３３と、セラミックスからなる担体２０との線膨張係数差に基づく応力を緩和するためである。つまり、固定層３３を極力小さい形状とすることにより、上記応力を緩和している。図２に示すように、固定層３３は、配線３２及び電極３１と物理的に接触するとともに電気的に接続されている。また、図１に示すように、固定層３３は、１本の配線３２に対し、配線３２の長手方向（担体２０の周方向）に沿って、所定の間隔で複数設けられている。さらに、互いに隣接する配線３２では、固定層３３が配線３２の長手方向において異なる位置となるように配置されている。

電極３１及び固定層３３を構成する溶射皮膜は、配線３２に通電するため、金属ベースである必要がある。溶射皮膜のマトリクスを構成する金属としては、高温下での使用に耐えるため、高温下での耐酸化性に優れたＮｉ−Ｃｒ合金（但し、Ｃｒ含有量は２０〜６０質量％）、ＭＣｒＡｌＹ合金（但し、ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも一種）が好ましい。ここで、上記ＮｉＣｒ合金、ＭＣｒＡｌＹ合金は、他の合金元素を含んでいてもよい。電極３１及び固定層３３を構成する溶射皮膜は、多孔質であってもよい。多孔質であることにより、応力を緩和する機能が高まる。

上記構成により、通電加熱式触媒装置１００では、一対の電極３１間において担体２０が通電加熱され、担体２０に担持された触媒が活性化される。これにより、担体２０を通過する排気ガス中の未燃焼ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の有害物質が触媒反応により浄化される。

次に、図３、４を参照して、本実施の形態に係る電極３１の形状の詳細について説明する。図３は、電極３１の平面図である。また、図４は、図３におけるＩＶ-ＩＶ切断線による断面図である。本実施の形態に係る電極３１は担体２０の軸方向に、矩形状に延設されている。ここで、矩形とは実質的に矩形であればよく、４角がＲ加工されていたり、面取り加工されていたりしてもよいことは、言うまでもない。そして、電極３１には、長さＬ、幅ｗのスリットＳが、間隔ｄで複数本、形成されている。スリットＳは、電極３１を溶射により形成する際に、スリット形成箇所をマスクすることにより形成される。スリットＳは、矩形の対向する長辺から交互に内側に向かって延設されている。このような複数本のスリットにより、このような複数本のスリットにより、矩形状の電極３１が、全体として蛇行した１本の電流経路を構成することになる。従って、電極による通電加熱面積を担体の周方向に広げることができ、通電加熱を効果的に行うことができる。なお、十分な通電量を確保するため、図４に示すように、電極３１は１５０μｍ以上とすることが好ましい。

ここで、スリットＳの長さＬは、配線３２が接続される接続領域３１ａにおいて長く、接続領域３１ａから遠ざかるに従って短くなるように形成されていることが好ましい。一方、スリットＳの間隔ｄは、配線３２が配置される接続領域３１ａにおいて短く、接続領域３１ａから遠ざかるに従って長くなるように形成されていることが好ましい。このような構成により、配線３２が配置され、外部から電流が流入する接続領域３１ａにおいて、上述の蛇行する電流経路の幅が狭く、接続領域３１ａから遠ざかるに従って、電流経路の幅が広くなるように形成されている。なお、本実施の形態では、接続領域３１ａは、電極３１の長手方向の中央部に形成されているが、これに限定されるものではない。

図５は、電極３１と配線３２との固定層３３による接続を示す平面図である。図５に示すように、配線３２及び固定層３３は、電極３１のスリットＳを塞がないように、隣接するスリットＳの間に配置されている。

以上に説明したようなスリットＳを設けることにより、電極による通電加熱面積を担体の周方向に広げることができ、通電加熱を効果的に行うことができる。さらに、スリットＳの長さＬ及び間隔ｄを工夫することにより、電極３１全体が、外部から電流が流入する接続領域３１ａにおいて幅が狭く（配線抵抗が大きく）、接続領域３１ａから遠ざかるにつれて幅が広く（配線抵抗が小さく）なるような電流経路（配線）とすることができる。従来は、このような電流経路ではなかったため、接続領域３１ａである中央部での電流量が多く、接続領域３１ａから遠ざかる程、電流量が少なくなっていた。そのため、接続領域３１ａが最も加熱され、接続領域３１ａから遠ざかる程、加熱され難くなり、温度分布を小さくして加熱することが難しかった。しかしながら、本実施の形態に係る電極３１では、周方向及び軸方向（長手方向）に亘って電流が流れ、その結果、電極により通電加熱面積が担体の周方向に広がり、担体に対する通電加熱を効果的に行うことができる。

また、スリットＳの導入により、溶射時における凝固収縮に伴う残留応力を緩和することができる。さらに、通電加熱時における担体２０と電極３１との線膨張係数差による応力を緩和することができる。従って、電極３１の担体２０からの剥離を抑制することができる。

（その他の実施の形態）
次に、図６〜８を参照して、その他の実施の形態について説明する。図６は、他の実施の形態に係る電極３１の平面図である。図７は、他の実施の形態に係る電極３１の平面図である。図８は、他の実施の形態に係る電極３１の断面図である。

図６に示すように、スリットＳの幅は、配線３２が接続される領域である中央部において広く、中央部から遠ざかるにつれて狭くなっていてもよい。これにより、長手方向により均一に加熱することができる。
図７に示すように、スリットＳは、長辺に対して垂直に形成されている必要はなく、斜めに形成されていてもよい。
図８に示すように、スリットＳは、配線３２が接続される領域である中央部において薄く、中央部から遠ざかるにつれて厚くなっていてもよい。これにより、長手方向により均一に加熱することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

２０担体
３１電極
３１ａ接続領域
３２配線
３３固定層
１００通電加熱式触媒装置
Ｓスリット

Claims

触媒が担持されたセラミックスからなる担体と、
前記担体の外周面に互いに対向して形成された一対の電極と、
前記電極へ外部から電力を供給する配線と、を備え、前記電極を通じて前記担体を通電加熱する通電加熱式触媒装置であって、
前記電極は、前記担体の軸方向に延設され、かつ、前記担体の周方向から交互にスリットが入れられていることを特徴とする通電加熱式触媒装置。
隣接する前記スリット同士の間隔が、前記電極において前記配線が接続された接続領域から遠ざかるにつれて、大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載の通電加熱式触媒装置。
前記スリットの長さが、前記接続領域から遠ざかるにつれて、短くなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の通電加熱式触媒装置。
前記接続領域が、前記電極の長手方向の中央部に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の通電加熱式触媒装置。
前記電極が、溶射により形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の通電加熱式触媒装置。
前記セラミックスが、ＳｉＣを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の通電加熱式触媒装置。
前記電極が、Ｎｉ−Ｃｒ合金（但し、Ｃｒ含有量は２０〜６０質量％）又はＭＣｒＡｌＹ合金（但し、ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも一種）からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の通電加熱式触媒装置。
前記スリットの幅が、前記接続領域から遠ざかるにつれて、狭くなっていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の通電加熱式触媒装置。
前記電極の膜厚が、前記接続領域から遠ざかるにつれて、厚くなっていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の通電加熱式触媒装置。