JP2013136967A - 通電加熱式触媒装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極の担体からの剥離を抑制する通電加熱式触媒装置を提供する。
【解決手段】本発明の一形態に係る通電加熱式触媒装置１００は、触媒が担持されたセラミックスからなる担体２０と、担体２０の外周面に互いに対向して形成された一対の電極３０と、電極３０へ外部から電力を供給する配線４０と、を備え、電極３０を通じて担体２０を通電加熱する通電加熱式触媒装置であって、電極３０は、担体２０上に形成される第１の電極３１と、第１の電極３１上に形成される第２の電極３２と、を備え、第１の電極３１は、複数に分割されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、通電加熱式触媒装置及びその製造方法に関する。

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）等が触媒反応により浄化される。

特開２０１１−１０６３０８号公報

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し、電極が担体から剥離してしまう可能性がある。

本発明の目的は、このような問題を解決するためになされたものであり、電極の担体からの剥離を抑制する通電加熱式触媒装置及びその製造方法を提供することである。

本発明の一形態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、前記担体上に形成される第１の電極と、前記第１の電極上に形成される第２の電極と、を備え、前記第１の電極は、複数に分割されている。

上記通電加熱式触媒装置において、前記第１の電極は、前記電極と前記担体との線膨張係数差によって前記電極に作用する応力を緩和すること、が好ましい。

上記通電加熱式触媒装置において、前記第１の電極は、前記担体の軸方向に分割されていること、が好ましい。

上記通電加熱式触媒装置において、前記第１の電極は、前記担体の周方向に分割されていること、が好ましい。

本発明の一形態に係る通電加熱式触媒装置の製造方法は、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の製造方法であって、前記担体上に第１の電極を複数に分割して形成する工程と、前記第１の電極上に第２の電極を形成する工程と、を備える。

上記通電加熱式触媒装置の製造方法において、前記第１の電極は、前記担体上に電極材料を溶射して加熱した後に、急冷することで分割すること、が好ましい。

上記通電加熱式触媒装置の製造方法において、前記第１の電極は、前記担体上に油性材料を塗布した後に、電極材料を溶射することで分割すること、が好ましい。

上記通電加熱式触媒装置の製造方法において、前記第１の電極は、前記担体上にマスキングを施した後に、電極材料を溶射することで分割すること、が好ましい。

以上、説明したように、本発明によると、電極の担体からの剥離を抑制する通電加熱式触媒装置及びその製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置の基本構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置の基本構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置における、第１の電極、第２の電極、配線及び固定層を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置の製造方法において、担体の外周面上に第１の電極を成す電極材料を溶射した状態を概略的に示す図である。 本発明の実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置の製造方法において、第１の電極を分割した状態を概略的に示す図である。 本発明の実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置の製造方法において、第１の電極上に第２の電極を形成した状態を概略的に示す工程図である。 本発明の他の実施の形態に係る通電加熱式触媒装置の製造方法において、第１の電極を分割する方法を概略的に示す図である。 本発明の他の実施の形態に係る通電加熱式触媒装置の製造方法において、第１の電極を分割する方法を概略的に示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施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＞
本実施の形態に係る通電加熱式触媒装置は、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。
先ず、通電加熱式触媒装置の基本構成を説明する。図１及び図２に示すように、通電加熱式触媒装置１００は、担体２０、電極３０、配線４０、固定層５０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３０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。電極３０の具体的な構成は後述する。電極３０は、図１及び図２に示すように、担体２０の外周面上に形成された溶射皮膜である。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３０の長手方向は、担体２０の軸方向に向かって配置されている。

電極３０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。つまり、各電極３０は、図２及び図３に示すように、配線４０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３０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３０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。

配線４０は、図１乃至図３に示すように、固定層５０により電極３０に固定されている。詳細には、配線４０は、電極３０上に配置されており、電極３０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。つまり、配線４０は、電極３０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。そして、配線４０は、各電極３０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３０上の中央部に６本ずつの配線４０が設けられている。当然のことながら、配線４０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４０は、例えばＦｅ−Ｃｒ合金等の金属からなる薄板である。

固定層５０は、配線４０を電極３０に固定するために、配線４０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５０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３０及び固定層５０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５０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３に示すように、固定層５０は、配線４０及び電極３０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２に示すように、固定層５０は、１本の配線４０に対し、配線４０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４０では、固定層５０が配線４０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３０及び固定層５０を構成する溶射皮膜は、配線４０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（電極材料）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３０及び固定層５０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３０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）等が触媒反応により浄化される。

次に、電極３０の具体的な構成を説明する。本実施の形態の電極３０は、担体２０と電極３０との線膨張係数差によって当該電極３０に作用する応力を緩和することができる構成とされている。

詳細には、電極３０は、図３に示すように、第１の電極３１、第２の電極３２を備えている。第１の電極３１は、担体２０上に電極材料が溶射されて成る皮膜である。第１の電極３１は、図３及び図４に示すように、複数に分割されている。そして、第２の電極３２は、第１の電極３１上に、例えば第１の電極３１と同一の電極材料が溶射されて成る皮膜である。第２の電極３２は、第１の電極３１の形成領域を全て覆うように形成されている。そのため、第１の電極３１の各分割片は、第２の電極３２を介して配線４０と電気的に接続される。ちなみに、図４では、点の集合によるハッチング部分が第１の電極３１を示し、斜線によるハッチング部分が第２の電極３２を示す。

つまり、本実施の形態の電極３０は、予め第１の電極３０を分割することで、担体２０が熱変形した際に、担体２０と電極３０との線膨張係数差によって当該電極３０に作用する応力を低減することができる。そのため、電極３０が熱変形した際に担体２０からの剥離を抑制することができる。

しかも、担体２０と電極３０との線膨張係数差による当該電極３０の割れを防ぐことができるので、電極３０における担体２０の軸方向への電気拡散を良好に維持できる。

また、担体２０と電極３０との線膨張係数差による当該電極３０の割れを防ぐことができ、即ち電極３０の経時劣化を防ぐことができる。そのため、固定層５０の接合状態が略変化することが無いので、固定層５０の引き剥し強度の低下を抑制することができる。

ここで、少なくとも電極３０における担体２０の軸方向への電気拡散を確保したいので、第１の電極３１は担体２０の軸方向に分割されていることが好ましい。また、電極３０は担体２０の周方向への電気拡散も確保できるように、第１の電極３１は担体２０の周方向に分割されていることが好ましい。要するに、電極３０の電気拡散を維持できるように第１の電極３１は分割されていれば良い。

次に、通電加熱式触媒装置１００の製造方法を説明する。先ず、図５に示すように、担体２０の外周面における所定の領域に電極３０を成す第１の電極３１の電極材料を溶射する。そして、第１の電極３１を形成した担体２０を、高温炉において熱を加え、急冷することで当該第１の電極３１に熱応力を発生させ、図６に示すように、第１の電極３１を分割する。さらに、図７に示すように、第１の電極３１上に第２の電極３２の電極材料を溶射し、その後、第２の電極３２上に配線４０を形成して、配線４０を第２の電極３２に固定層５０を介して固定すると、通電加熱式触媒装置１００が完成する。このとき、第１の電極３１と第２の電極３２とを同一の電極材料で形成することができ、製造が簡単である。しかも、第１の電極３１を簡単に分割することができるので、やはり製造が簡単である。

＜他の実施の形態＞
上記実施の形態１では、第１の電極３１を形成後に熱を加え、急冷することで分割しているがこの限りでない。

即ち、図８に示すように、担体２０における第１の電極３１の形成領域に、予め第１の電極３１の分割線に沿って油性材料６０を塗布し、その後、第１の電極３１を成す電極材料を溶射する。このとき、第１の電極３１の電極材料は、油性材料６０が塗布された部分上に溶射されないので、第１の電極３１を分割した形状とすることができる。

また、図９に示すように、予め第１の電極３１の分割線に倣った形状のマスク７０を担体２０上に配置し、その後、第１の電極３１を成す電極材料を溶射することで、第１の電極３１を分割した形状とすることもできる。

以上、本発明に係る通電加熱式触媒装置及びその製造方法の実施形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

２０ 担体
３０ 電極、３１ 第１の電極、３２ 第２の電極
４０ 配線
５０ 固定層
６０ 油性材料
７０ マスク
１００ 通電加熱式触媒装置

Claims (8)

1. 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、前記担体上に形成される第１の電極と、前記第１の電極上に形成される第２の電極と、を備え、
   前記第１の電極は、複数に分割されている通電加熱式触媒装置。
2. 前記第１の電極は、前記電極と前記担体との線膨張係数差によって前記電極に作用する応力を緩和する請求項１に記載の通電加熱式触媒装置。
3. 前記第１の電極は、前記担体の軸方向に分割されている請求項１又は２に記載の通電加熱式触媒装置。
4. 前記第１の電極は、前記担体の周方向に分割されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の通電加熱式触媒装置。
5. 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の製造方法であって、
   前記担体上に第１の電極を複数に分割して形成する工程と、
   前記第１の電極上に第２の電極を形成する工程と、
   を備える通電加熱式触媒装置の製造方法。
6. 前記第１の電極は、前記担体上に電極材料を溶射して加熱した後に、急冷することで分割する請求項５に記載の通電加熱式触媒装置の製造方法。
7. 前記第１の電極は、前記担体上に油性材料を塗布した後に、電極材料を溶射することで分割する請求項５に記載の通電加熱式触媒装置の製造方法。
8. 前記第１の電極は、前記担体上にマスキングを施した後に、電極材料を溶射することで分割する請求項５に記載の通電加熱式触媒装置の製造方法。

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