JP2021030163A - 電気加熱式触媒装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表面電極にクラックが生じた場合において、金属電極を固定する固定層の発熱量増加を抑制する電気加熱式触媒装置を提供する。【解決手段】電気加熱式触媒装置１０は、触媒が担持された担体１２と、担体１２の外周面に設けられる表面電極３０と、表面電極３０に並んで配設される複数の金属電極と、金属電極の一部を表面電極３０に固定する固定層５０とを有する。各金属電極のうちで担体１２の軸方向の末端に位置する金属電極を端部金属電極４０Ａとし、それら各端部金属電極４０Ａの間に位置する金属電極を中間金属電極４０Ｂとしたときに、端部金属電極４０Ａを固定する固定層５０と表面電極３０との接触面積は、中間金属電極４０Ｂを固定する固定層５０と表面電極３０との接触面積よりも大きくする。【選択図】図３

Description

本発明は、電気加熱式触媒装置に関するものである。

内燃機関の排気通路などに配設される触媒装置について、触媒を担持した担体に通電して加熱をすることにより触媒の活性化を高める電気加熱式触媒装置が知られている。
例えば、特許文献１に記載の電気加熱式触媒装置は、触媒が担持された円柱状の担体と、担体の軸方向に延伸して同担体の外周面に設けられる表面電極と、表面電極の表面上に軸方向に並んで配設される複数の金属電極と、金属電極の一部を表面電極に固定する固定層とを有している。そして、表面電極の表面には、複数の金属電極が配設された配設部位と、複数の金属電極が配設されていない非配設部位とが軸方向に並んで設けられている。

特開２０１２−１０６１９９号公報

ところで、表面電極にあって複数の金属電極が配設されている配設部位にクラックが発生すると、以下のような不都合が生じるおそれがある。
すなわち、クラックが生じると、表面電極の配設部位には電気的な繋がりが弱い部位が生じることから、非配設部位における担体の電気抵抗は、そうした配設部位における担体の電気抵抗に比して相対的に小さくなる。そのため、上記配設部位に配設されている各金属電極のうちで担体の軸方向の末端に位置する各金属電極を端部金属電極とし、それら各端部金属電極の間に位置する金属電極を中間金属電極としたときに、担体の電気抵抗が小さい上記非配設部位と電気的に繋がっている端部金属電極には、配設部位の中間金属電極よりも多くの電流が流れるようになり、当該端部金属電極には電流が集中するようになる。このようにして端部金属電極に電流が集中すると、端部金属電極を固定している固定層にも多くの電流が流れるようになるため、当該固定層の発熱量が増加するおそれがある。

上記課題を解決する電気加熱式触媒装置は、触媒が担持された円柱状の担体と、前記担体の軸方向に延伸して当該担体の外周面に設けられる表面電極と、前記表面電極の表面上に前記軸方向に並んで配設される複数の金属電極と、前記金属電極の一部を前記表面電極に固定する固定層とを有する。そして、前記表面電極の表面は、前記複数の金属電極が配設された配設部位と、前記複数の金属電極が配設されていない非配設部位とが前記軸方向に並んで設けられている。そして、前記配設部位に配設されている各金属電極のうちで前記担体の軸方向の末端に位置する各金属電極を端部金属電極とし、それら各端部金属電極の間に位置する金属電極を中間金属電極としたときに、前記端部金属電極を固定する前記固定層と前記表面電極との接触面積は、前記中間金属電極を固定する前記固定層と前記表面電極との接触面積よりも大きくされている。

同構成によれば、上記の端部金属電極を固定する固定層と表面電極との接触面積は、上記の中間金属電極を固定する固定層と表面電極との接触面積よりも大きくなっている。従って、表面電極にクラックが生じることにより、端部金属電極を固定する固定層を流れる電流が多くなる場合でも、当該固定層と表面電極との接触面における電流密度についてはその増加が抑制されるため、当該固定層の発熱量の増加を抑えることができる。

一実施形態の電気加熱式触媒装置を示す斜視図。 同実施形態の電気加熱式触媒装置の正面図。 同実施形態の電気加熱式触媒装置の側面図。 実施形態の金属電極の拡大図。 図４の５−５線に沿った断面図。 同実施形態の電気加熱式触媒装置の作用を示す模式図。

以下、電気加熱式触媒装置を具体化した一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。この電気加熱式触媒装置は、例えば自動車等の排気通路に設けられて、内燃機関から排出される排気を浄化する。

図１に示すように、電気加熱式触媒装置１０は、円柱状の担体１２を備えている。この担体１２は、導電性を有する多孔質材料、例えばＳｉＣ（炭化ケイ素）などで形成されており、白金やパラジウム等の触媒が担持されている。排気は担体１２の内部を当該担体１２の軸方向（図１に示す矢印Ｚ方向）に通過する。

図１や図２に示すように、担体１２の外周面には、担体１２の径方向に対向配置された一対の表面電極３０が設けられている。
図１や図３に示すように、表面電極３０は、矩形状の平面形状をなしており、担体１２の軸方向に延設されている。表面電極３０は、溶射によって担体１２の表面に形成されるポーラス膜となっており、高温下での耐酸化性に優れた金属材料、例えばＮｉＣｒ合金などで形成されている。

各表面電極３０の表面であって担体１２の軸方向における一部の表面には、金属電極４０が複数設けられている。表面電極３０の表面には、複数の金属電極４０が配設された配設部位３０Ａと、金属電極４０が配設されていない非配設部位３０Ｂとが担体１２の軸方向に並んで設けている。

配設部位３０Ａは、表面電極３０全体のうちで担体１２の軸方向における略中央の部位に設けられている。非配設部位３０Ｂは、表面電極３０全体のうちで担体１２の軸方向における両端の部位に設けられており、上記した配設部位３０Ａを両側から挟むように配置されている。

金属電極４０は、担体１２の周方向において表面電極３０の形成領域全体に亘って延設されたリボン状の金属薄板であり、例えばＦｅＣｒＡｌＹ合金などの耐熱合金で形成されている。また、各金属電極４０は、表面電極３０の表面上において担体１２の軸方向に略等間隔にて並んで配設されている。各金属電極４０は、表面電極３０の形成領域の片側から突出して延設されており、その突出した終端において一体化されている。図２に示すように、各表面電極３０に設けられた金属電極４０には電源３００が接続される。

図４に示すように、表面電極３０の配設部位３０Ａに並設されている各金属電極４０のうちで担体１２の軸方向の末端に位置する各金属電極４０を端部金属電極４０Ａとし、他の金属電極４０、つまり各端部金属電極４０Ａの間に位置する金属電極４０を中間金属電極４０Ｂとしたときに、端部金属電極４０Ａの断面積は、中間金属電極４０Ｂの断面積よりも大きくされている。より具体的には、端部金属電極４０Ａの線幅ＷＡは、中間金属電極４０Ｂの線幅ＷＢはよりも長くなっている。なお、端部金属電極４０Ａの板厚を中間金属電極４０Ｂの板厚よりも厚くすることにより、端部金属電極４０Ａの断面積を中間金属電極４０Ｂの断面積よりも大きくしてもよい。

図５に示すように、金属電極４０は、導電性を有する固定層５０によって表面電極３０に固定されている。固定層５０は、溶射によって金属電極４０及び表面電極３０の表面に形成されるポーラス膜となっており、高温下での耐酸化性に優れた金属材料、例えばＮｉＣｒ合金などで形成されている。

図１〜図４に示すように、固定層５０は、金属電極４０及び表面電極３０の表面上の複数箇所に点在して設けられており、金属電極４０と表面電極３０とを局所的に接合している。そして、端部金属電極４０Ａを固定する固定層５０と表面電極３０との接触面積は、中間金属電極４０Ｂを固定する固定層５０と表面電極３０との接触面積よりも大きくなっている。一例として、本実施形態では、１つの端部金属電極４０Ａは担体１２の周方向に間隔を空けて並んだ２つの固定層５０で固定されており、１つの中間金属電極４０Ｂは１つの固定層５０で固定されている。また、隣り合う金属電極４０では、固定層５０が担体１２の周方向にずらして配置されている。なお、端部金属電極４０Ａを固定する２つの固定層５０と、中間金属電極４０Ｂを固定する固定層５０とは大きさがほぼ同じになっている。

次に、本実施形態の電気加熱式触媒装置１０の作用を説明する。
この電気加熱式触媒装置１０では、電源３００から金属電極４０に電力が供給されると、金属電極４０から表面電極３０の配設部位３０Ａに電流が流れる。この配設部位３０Ａに流れた電流は、当該配設部位３０Ａに隣接する表面電極３０の非配設部位３０Ｂに流れることにより、表面電極３０において担体１２の軸方向に広がっていく。

こうして表面電極３０を流れる電流は、図２に示すように、対向する別の表面電極３０に向かって担体１２の内部を流れる。このようにして担体１２の内部を電流が流れると、当該担体１２は加熱されることにより、担体１２に担持された触媒が活性化される。そして、この触媒の活性化により、担体１２を通過する排気中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物等が浄化される。

ここで、図４に示すように、配設部位３０Ａにおいて隣り合う金属電極４０の間の表面電極３０には、金属電極４０と表面電極３０との熱膨張率の差による熱応力が生じやすい。そのため、配設部位３０Ａにおいて隣り合う金属電極４０の間の表面電極３０には、二点鎖線にて示すように熱応力によるクラックＫが担体１２の周方向に生じやすい。

図６に示すように、こうしたクラックＫが生じると、表面電極３０の配設部位３０Ａには、クラックＫによって分断された部位であって中間金属電極４０Ｂが固定されている分断部３０Ｋが生じる。この分断部３０Ｋは、表面電極３０の配設部位３０Ａにおいて電気的な繋がりが弱い部位となっている。

こうした分断部３０Ｋについて担体１２の軸方向における長さは、端部金属電極４０Ａと電気的に繋がっている表面電極３０の非配設部位３０Ｂの同長さと比較して短いことから、各分断部３０Ｋと担体１２との接触面積は、表面電極３０の非配設部位３０Ｂと担体１２との接触面積よりも小さくなっている。

そのため、担体１２の直径方向に配置されているもう一方の表面電極３０に向かって分断部３０Ｋから流れる電流経路ＣＡにおける担体１２の電気抵抗は、担体１２の直径方向に配置されているもう一方の表面電極３０に向かって非配設部位３０Ｂから流れる電流経路ＣＢにおける担体１２の電気抵抗よりも大きくなる。

従って、電流経路ＣＢを流れる電流、つまり端部金属電極４０Ａ及び端部金属電極４０Ａを固定する固定層５０及び非配設部位３０Ｂを介して担体１２を流れる電流は、電流経路ＣＡを流れる電流、つまり中間金属電極４０Ｂ及び中間金属電極４０Ｂを固定する固定層５０及び配設部位３０Ａの分断部３０Ｋを介して担体１２を流れる電流よりも多くなる。

このようにして電流経路ＣＢを流れる電流が多くなるにもかかわらず、仮に端部金属電極４０Ａを固定する固定層５０と中間金属電極４０Ｂを固定する固定層５０の数が同じになっていると、端部金属電極４０Ａを固定する固定層５０の発熱量が増加するようになる。こうして端部金属電極４０Ａを固定する固定層５０の発熱量が増加すると、当該固定層５０の熱応力が増加して同固定層５０に亀裂が入ったり、溶断したりするおそれがある。

また、このようにして電流経路ＣＢを流れる電流が多くなるにもかかわらず、仮に端部金属電極４０Ａの断面積と中間金属電極４０Ｂの断面積とが同じになっていると、端部金属電極４０Ａの発熱量が増加するようになる。

この点、本実施形態では上述したように、１つの中間金属電極４０Ｂを１つの固定層５０で固定しているが、端部金属電極４０Ａについては２つの固定層５０で固定しており、端部金属電極４０Ａを固定する固定層５０と表面電極３０との接触面積は、中間金属電極４０Ｂを固定する固定層５０と表面電極３０との接触面積よりも大きくなっている。従って、表面電極３０に上記クラックＫが生じることにより、端部金属電極４０Ａを固定する固定層５０を流れる電流が多くなる場合でも、当該固定層５０と表面電極３０との接触面における電流密度（単位面積に垂直な方向に単位時間に流れる電流値）についてはその増加が抑制されるため、当該固定層５０の発熱量増加を抑えることができる。

また、端部金属電極４０Ａの断面積についても、中間金属電極４０Ｂの断面積よりも大きくしている。従って、表面電極３０に上記クラックＫが生じることにより、端部金属電極４０Ａを流れる電流が多くなる場合でも、端部金属電極４０Ａにおける電流密度についてはその増加が抑制されるため、当該端部金属電極４０Ａの発熱量の増加も抑えることができる。

なお、担体１２の軸方向における表面電極３０の長さが長いほど、一対の表面電極３０間の電流経路における担体１２の電気抵抗は小さくなるため、一対の表面電極３０間を流れる電流は多くなる。つまり、担体１２の軸方向における表面電極３０の長さと、一対の表面電極３０間を流れる電流の大きさとは比例する。

ここで、表面電極３０の上記分断部３０Ｋについて担体１２の軸方向における長さは、担体１２の軸方向における各金属電極４０の配設ピッチに比例する。また、図３に示すように、担体１２の軸方向における各金属電極４０の配設ピッチは、担体１２の軸方向における各固定層５０の平均配設ピッチＰとほぼ同じである。そこで、端部金属電極４０Ａを固定する固定層５０と端部金属電極４０Ａに隣接して広がる非配設部位３０Ｂの軸方向Ｚにおける末端までの距離を距離Ｌとする。この場合において、平均配設ピッチＰに対する距離Ｌの比ＲＬ（Ｒ＝Ｌ／Ｐ）が大きいほど、クラックＫが発生したときには、上記分断部３０Ｋの軸方向Ｚの長さを基準としたときの上記非配設部位３０Ｂの軸方向Ｚの長さは長くなるため、図６に示した電流経路ＣＡの電流に対する電流経路ＣＢの電流増加量は多くなる。従って、そうした電流経路ＣＢの電流増加による固定層５０の発熱を好適に抑えるには、上記比ＲＬが大きい電気加熱式触媒装置ほど、中間金属電極４０Ｂを固定する固定層５０と表面電極３０との接触面積に対して、端部金属電極４０Ａを固定する固定層５０と表面電極３０との接触面積をより大きくすることが望ましい。例えば、１つの端部金属電極４０Ａを固定する固定層５０の配設数をＸとしたときに、次式（１）を満たすように配設数Ｘを設定してもよい。なお、下記の係数Ｋ１は、電気加熱式触媒装置の仕様に合わせて変更される適合値である。

配設数Ｘ≧係数Ｋ１×比ＲＬ…（１）
同様に、そうした電流経路ＣＢの電流増加による端部金属電極４０Ａの発熱を好適に抑えるには、上記比ＲＬが大きい電気加熱式触媒装置ほど、中間金属電極４０Ｂの断面積ＳＢに対する端部金属電極４０Ａの断面積ＳＡの比である断面積比ＲＳ（ＲＳ＝ＳＡ／ＳＢ）をより大きくすることが望ましい。例えば、次式（２）を満たすように断面積比ＲＳを設定してもよい。なお、下記の係数Ｋ２も、電気加熱式触媒装置の仕様に合わせて変更される適合値である。

断面積比ＲＳ≧係数Ｋ×比ＲＬ…（２）
以上説明したように、本実施形態では以下の効果が得られる。
（１）端部金属電極４０Ａを固定する固定層５０と表面電極３０との接触面積は、中間金属電極４０Ｂを固定する固定層５０と表面電極３０との接触面積よりも大きくなっている。従って、表面電極３０の配設部位３０ＡにクラックＫが生じた場合でも、端部金属電極４０Ａを固定する固定層５０の発熱量の増加を抑えることができる。そしてこれにより当該固定層５０の信頼性などが向上するようになる。

（２）端部金属電極４０Ａの断面積は、中間金属電極４０Ｂの断面積よりも大きくなっている。従って、表面電極３０の配設部位３０ＡにクラックＫが生じた場合でも、端部金属電極４０Ａの発熱量増加を抑えることができる。

なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・端部金属電極４０Ａの断面積と中間金属電極４０Ｂの断面積とを同じにしてよい。この場合でも、上記（２）以外の効果を得ることができる。

・端部金属電極４０Ａを固定する固定層５０と表面電極３０との接触面積を、中間金属電極４０Ｂを固定する固定層５０と表面電極３０との接触面積よりも大きくするために、端部金属電極４０Ａを固定する固定層５０の数を、中間金属電極４０Ｂを固定する固定層５０の数よりも多くしたが、他の態様で同接触面積を異ならせてもよい。例えば、端部金属電極４０Ａを固定する固定層５０の形状を、中間金属電極４０Ｂを固定する固定層５０よりも大きい形状にしてもよい。

１０…電気加熱式触媒装置、１２…担体、３０…表面電極、３０Ａ…配設部位、３０Ｂ…非配設部位、３０Ｋ…分断部、４０…金属電極、４０Ａ…端部金属電極、４０Ｂ…中間金属電極、５０…固定層、３００…電源。

Claims (1)

1. 触媒が担持された円柱状の担体と、前記担体の軸方向に延伸して当該担体の外周面に設けられる表面電極と、前記表面電極の表面上に前記軸方向に並んで配設される複数の金属電極と、前記金属電極の一部を前記表面電極に固定する固定層とを有する電気加熱式触媒装置であって、
   前記表面電極の表面は、前記複数の金属電極が配設された配設部位と、前記複数の金属電極が配設されていない非配設部位とが前記軸方向に並んで設けられており、
   前記配設部位に配設されている各金属電極のうちで前記担体の軸方向の末端に位置する各金属電極を端部金属電極とし、それら各端部金属電極の間に位置する金属電極を中間金属電極としたときに、
   前記端部金属電極を固定する前記固定層と前記表面電極との接触面積は、前記中間金属電極を固定する前記固定層と前記表面電極との接触面積よりも大きくされている
   電気加熱式触媒装置。