JP2015062873A

JP2015062873A - 通電加熱式触媒装置

Info

Publication number: JP2015062873A
Application number: JP2013198970A
Authority: JP
Inventors: 下田　健二; Kenji Shimoda; 健二下田; 和晃西尾; Kazuaki Nishio; 雅夫中山; Masao Nakayama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2015-04-09

Abstract

【課題】ＳｉＣ触媒担体と電極との間の隙間の発生を抑制して、固定層の亀裂の発生を抑制する通電加熱式触媒装置を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる通電加熱式触媒装置１００は、触媒の担持されたセラミックからなる担体２０と、担体の表面に形成された電極３０と、を有する。電極３０は、単体の表面に形成された下地層３１と、下地層３１の上に配置された金属箔３２と、金属箔３２の上に円形形状となるように溶射され、金属箔３２を下地層３１に固定する固定層３３と、を有し、金属箔３２は、固定層と重なる部分に、複数の円形の孔３３１を有する。
【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。通電加熱式触媒装置には、ＳｉＣ触媒担体に直接通電し、内部加熱により同担体を早期に加熱するものが知られている。

特許文献１に記載の通電加熱式触媒装置では、円柱形状のＳｉＣ触媒担体の外周に、電極となる金属箔を置き、金属箔の鉛直上方向から、プラズマフレームを溶射することによって溶射被膜（固定層）を形成して、電極となる金属箔を固定している。

特開２０１３−１３６９９７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の通電加熱式触媒装置では、高温熱サイクルにおける耐久評価で、溶射法によりＳｉＣ触媒担体表面に固定された金属箔の一部が、ＳｉＣ触媒担体から外れるという現象が確認された。これは、溶射の過程で、金属箔の下にプラズマジェットのガスが入りこんでしまうためと考えられる。

図１１は、プラズマフレームの溶射の前の金属箔と固定層形成のためのマスキング治具とを示す図である。図１２は、溶射している状態を図１１のＢ−Ｂ′直線に沿った断面を示す図である。

固定層を形成しようとするとき、まず、金属箔２００をマスキング治具２０１でＳｉＣ触媒担体に押さえつける。次に、ＳｉＣ触媒担体の表面に対して鉛直上方向から、プラズマフレームを金属箔２００に対して溶射する。

金属箔２００に対してプラズマフレームを溶射すると、マスキング治具２０１の穴を通して、プラズマフレームが直接金属箔２００に当たる。マスキング治具２０１は金属箔２００をＳｉＣ触媒担体に押さえつけるためのものであるが、プラズマフレームが溶射される部分はマスキング治具２０１の穴の部分と重なる部分であるため、マスキング治具２０１ではプラズマフレームのあたる部分の金属箔２００は固定できない。

プラズマフレームが当たった部分の金属箔２００は熱膨張し、金属箔が浮き上がる。更に高速のプラズマジェットのガスが浮き上がった金属箔とＳｉＣ担体表面との隙間にもぐりこみ、金属箔２００をよりＳｉＣ触媒単体の表面から離れる方向に押し上げる力が発生する。ＳｉＣ触媒担体表面と金属箔２００との間に隙間ができ、隙間ができた状態で溶射が継続されると、健全な固定層の被膜が形成されない。これにより、固定層に亀裂が生じるものと考えられる。

図１３及び図１４は、冷熱評価後における電極の断面の一部を拡大した図である。図１３及び図１４に示すように、電極である金属箔２００がＳｉＣ触媒担体（基材）から浮き上がっている。また、金属箔の浮き上がりにより、固定層に亀裂が発生している。固定層の亀裂は、金属箔２００のコーナー部分と接している部分から発生している。

図１５は、冷熱評価後の電極の上面図である。固定層の亀裂が進行すると、図１５に示すように、電極がＳｉＣ触媒担体表面から剥がれてしまう。

さらに、特許文献１に記載の通電加熱式触媒装置では、通電評価において一部で局部発熱が発生することが確認された。図１６は、ＳｉＣ表面に形成された電極の一部が局部発熱している状態を示す図である。

図１７は、通電評価した通電加熱式触媒の局部発熱した部分の断面を示す図である。金属箔２００のコーナー部分から固定層に割れが発生している。固定層に割れが発生したことにより、電流経路が遮断され、局部発熱を引き起こしたものと推定される。

以上より、ＳｉＣ触媒担体と電極である金属箔２００との間に生じる隙間と、金属箔２００のコーナー部分から生じる固定層の亀裂により、電極が剥がれたり局部発熱が発生したりするといった問題があった。

本発明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、ＳｉＣ触媒担体と電極との隙間の発生を抑制して、固定層の亀裂の発生を抑制する通電加熱式触媒装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる通電加熱式触媒装置は、触媒の担持されたセラミックからなる担体と、担体の表面に形成された電極と、を有する通電加熱式触媒装置であって、電極は、単体の表面に形成された下地層と、下地層の上に配置された金属箔と、金属箔の上に円形形状となるように溶射され、金属箔を下地層に固定する固定層と、を有し、金属箔は、固定層と重なる部分に、複数の円形の孔を有するものである。これにより、金属箔の浮き上がりを抑制することができる。

本発明によれば、ＳｉＣ触媒担体と電極との隙間の発生を抑制して、固定層の亀裂の発生を抑制する通電加熱式触媒装置を提供することができる。

実施の形態にかかる通電加熱式触媒装置の斜視図である。実施の形態にかかる電極の断面の一部を拡大した図である。実施の形態にかかる担体に固定される前の金属箔の一部を示す図である。実施の形態にかかる溶射粉末を示す図である。実施の形態にかかる金属箔の上をマスキング治具で固定している状態を示す図である。実施の形態にかかる固定層の形成途中の様子を示す断面図である。比較のための金属箔の形状を示す図である。実施の形態にかかる形成された通電加熱式触媒装置の外観を示す図である。実施の形態にかかる形成された通電加熱式触媒装置の固定層の断面を示す図である。５ｋＷ時における通電評価結果を示す図である。従来のプラズマフレームの溶射の前の金属箔と固定層形成のためのマスキング治具とを示す図である。従来の溶射している状態を図１１のＢ−Ｂ′直線に沿った断面を示す図である。従来の冷熱評価後における電極の断面の一部を拡大した図である。従来の冷熱評価後における電極の断面の一部を拡大した図である。従来の冷熱評価後の電極の上面図である。従来のＳｉＣ表面に形成された電極の一部が局部発熱している状態を示す図である。従来の通電評価した通電加熱式触媒の局部発熱した部分の断面を示す図である。

実施の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態にかかる通電加熱式触媒装置について説明する。本発明は、電極に特徴を有する。ここではまず通電加熱式触媒装置について説明する。図１は、実施の形態に係る通電加熱式触媒装置１００の斜視図である。図１に示すように、通電加熱式触媒装置１００は、担体２０と、電極３０と、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。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は、担体２０の長手方向の両端に亘り形成されている。各電極３０には、端子（不図示）が設けられており、バッテリ等の電源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。

通電加熱式触媒装置１００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。そして、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。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２は、電極の断面の一部を拡大した図である。各電極３０は、下地層３１、金属箔３２、固定層３３を備えている。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、下地層３１は、電極３０の形成領域の全体に亘って担体２０の外周面上に形成された溶射皮膜である。つまり、各下地層３１は、担体２０の外周面において互いに対向配置されており、また、担体２０の長手方向に形成されている。なお、電極３０は、担体軸方向の両端近傍には形成されていない。図２に示すように、下地層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。

固定層３３は、金属箔３２を下地層３１に固定するために、金属箔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下地層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。図２に示すように、固定層３３は、金属箔３２及び下地層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本の金属箔３２に対し、金属箔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、互いに隣接する金属箔３２では、固定層３３が金属箔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。

図１に示すように、金属箔３２は、下地層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、金属箔３２は、各下地層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、各下地層３１上に１２本ずつの金属箔３２が設けられている。当然のことながら、金属箔３２の本数は１２本に限定されるものではなく、適宜決定される。金属箔３２は、例えばＦｅ−Ｃｒ合金等の金属からなる薄板である。また、図２に示すように、金属箔３２は、下地層３１上に配置されており、下地層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。

次に、金属箔３２の形状について説明する。図３は、担体２０に固定される前の金属箔３２の一部を示す図である。図３では破線で固定層３３の位置を示す。ここでは金属箔３２は、幅が１ｍｍ、板厚０．１ｍｍであるとして説明するが、金属箔３２の幅や板厚はこれに限定されるものではない。金属箔３２は、固定層３３と重なる領域に、複数の孔３３１を有する。孔３３１は円形であり、金属箔３２の長手方向に沿った中心線の上に、５つの孔３３１の中心が図３の例では一列に並び、孔と孔との間隔は等間隔である。

ここで、孔３３１は、直径が０．３〜０．５ｍｍ程度の円形であることが望ましい。これは、孔３３１の直径が０．２ｍｍより小さいと溶射粒子が十分に入らず、直径が０．５ｍｍより大きいと金属箔３２の強度が弱くなってしまうためである。ここでは、孔３３１は直径が０．３ｍｍであるとして説明する。

また、孔の配置は一列ではなく、複数列でも可能である。孔の配置が複数列であった場合、孔の配置が金属箔３２の短手方向から見て重ならないよう、互い違いに配置されるようにすることが望ましい。孔３３１は、金属箔３２に機械加工で形成されてもよいし、打ち抜き加工で形成されてもよい。また、金属箔３２に設けられる孔の数は５箇所に限定されず、５箇所より少なくても多くてもよい。

次に、本実施の形態にかかる金属箔３２を用いて電極３０を形成した場合について説明する。初めに、溶射に用いる溶射粉末について説明する。図４は、溶射粉末を示す図である。溶射粉末は、耐酸化性材料としてのＮｉ−Ｃｒ合金（Ｃｒ５０ｗｔ％）の金属粉末と、複合材としてのベントナイトの粒子と、を用いる。Ｎｉ−Ｃｒ合金の金属粉末は、Ｎｉ−Ｃｒ合金をガストアトマイズ法を用いて粒子に加工した後に粒度調整を行い、粒径１０〜５０μｍの金属粉末としたものである。ベントナイトの粒子は、ベントナイトの原材料を粒子化して、粒度調整を行い、粒径１０〜５０μｍの粉末に加工した後、スプレードライ法により水素雰囲気下で約１０００〜１１００℃にて焼結されたものである。

次に、溶射の条件について説明する。ここではプラズマガスとしてＡｒ−Ｈ_２を用いる。ガス流量は、Ａｒが６０Ｌ／ｍｉｎであり、Ｈ_２が１０Ｌ／ｍｉｎである。プラズマに印加される電圧は６０Ｖ、電流は６００Ａである。また、溶射粉末の供給量は、３０ｇ／ｍｉｎである。溶射距離は１５０ｍｍである。溶射中の酸化を抑制するため、プラズマフレームの周りをＡｒガスによりシールドするシールド溶射を行った。

上記の溶射条件の下で、まず溶射粉末をＥＨＣ用ＳｉＣ担体表面に溶射し、厚さ０．１〜０．２ｍｍの溶射被膜（下地層３１）を形成した。次に、金属箔３２の上をマスキング治具２０１で固定して、マスキング治具２０１の穴からプラズマフレームを溶射し、直径３ｍｍのボタン形状の固定層３３を形成した。図５は、金属箔３２の上をマスキング治具２０１で固定している状態を示す図である。また、図６は固定層の形成途中の様子を示す断面図であり、図５におけるＡ−Ａ′直線に沿った断面図である。

比較のため、金属箔３２に孔３３１を設けた形状ではなく、図７に示すようなマスキング治具２０１の穴と重なる部分の両側が細くえぐれている形状の金属箔４０でも固定層３３を形成した。

図８は、形成された通電加熱式触媒装置１００の外観を示す図である。図９は、形成された通電加熱式触媒装置１００の固定層３３の断面を示す図である。図９に示すように、本実施の形態にかかる通電加熱式触媒装置１００では、金属箔３２が下地層３１から浮き上がっていない。また、固定層３３の割れが発生していない。これは、孔３３１を配置した金属箔３２を電極３０に適用することにより、金属箔３２のプラズマフレームでの加熱による熱膨張に伴う変形を抑制することができるためである。さらに、孔３３１を配置することにより、プラズマフレームを溶射したときに、金属箔３２の下に入り込んだプラズマジェットが孔３３１から逃げ、金属箔の浮き上がりを抑制することができるためである。なお、比較のために使用した金属箔３３では、金属箔４０が下地層３１から浮き上がってしまった。よって、孔３３１により、金属箔３２の浮きあがりを防止できる効果があることが明確になった。

次に、形成された通電加熱式触媒装置の冷熱評価及び冷熱評価後の通電評価の結果を示す。冷熱評価において、局部発熱等の異常発生を防止することができた。また、通電評価において、局部発熱等の異常発生を防止することができた。図１０は、５ｋＷ時における通電評価結果を示す図である。図１０に示すように、本実施の形態にかかる通電加熱式触媒装置１００は通電されると均一に発熱する。

本実施の形態にかかる通電加熱式触媒装置１００は、孔３３１を配置した金属箔３２を電極３０に適用することにより、金属箔３２のプラズマフレームでの加熱による熱膨張に伴う変形を抑制することができる。さらに、孔３３１を配置することにより、プラズマフレームを溶射したときに、金属箔３２の下に入り込んだプラズマジェットが孔３３１から逃げ、金属箔の浮き上がりを抑制することができる。

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。

３３１孔
２０担体
３０電極
３１下地層
３２金属箔
３３固定層
１００通電加熱式触媒装置
２００金属箔
２０１マスキング治具
２０２金属箔

Claims

触媒の担持されたセラミックからなる担体と、
前記担体の表面に形成された電極と、を有する通電加熱式触媒装置であって、
前記電極は、
前記単体の表面に形成された下地層と、
前記下地層の上に配置された金属箔と、
前記金属箔の上に円形形状となるように溶射され、前記金属箔を下地層に固定する固定層と、を有し、
前記金属箔は、前記固定層と重なる部分に、複数の円形の孔を有する、通電加熱式触媒装置。