JP5527135B2 - 電気加熱型触媒 - Google Patents

Description

本発明は、触媒に係り、特に、例えば自動車等から排出される排気ガスの浄化を効果的に行ううえで通電加熱される電気加熱型触媒に関する。

従来、排気ガスの浄化を図るため通電加熱される電気加熱型触媒が知られている（例えば、特許文献１参照）。この電気加熱型触媒は、セラミック担体と、セラミック担体に通電するためにセラミック担体に接合される電極と、を備えている。電極は、バッテリなどの外部電源から供給された電力をセラミック担体へ向けて供給する。セラミック担体は、電極を介して通電されることにより加熱されて活性化する。従って、電気加熱型触媒によれば、通電によりセラミック担体を強制的に加熱することで、排気ガスを効果的に浄化することが可能である。

特開平６−３２７９３７号公報

ところで、電気加熱型触媒において、電極全体が、セラミック担体に接合されるものとすると、電極の熱膨張率とセラミック担体の熱膨張率との差に起因して電極がセラミック担体から剥離するおそれがある。また、電極全体がセラミック担体と電極との間に介在する下地層と固定層とに挟まれて固定されるものとすると、その電極が自由に熱膨張又は熱収縮をすることができなくなる。このため、かかる構造では、電極の変形・破断が生じる可能性が高くなってしまう不都合がある。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、電極の変形・破断を抑制することが可能な電気加熱型触媒を提供することを目的とする。

上記の目的は、セラミック担体と、電極と、前記セラミック担体と前記電極との間に介在する下地層と、前記下地層と接合することで前記電極を固定する固定層と、を備え、前記固定層は、少なくとも２箇所それぞれで線状に延びるように形成されており、各箇所で前記下地層と接合することで前記電極を固定する電気加熱型触媒により達成される。

本発明によれば、電極の変形・破断を抑制することができる。

本発明の第１実施例である電気加熱型触媒の構成図である。 本発明の第１実施例の電気加熱型触媒を図１に示すIII−IIIで切断した際の断面図である。 本発明の第２実施例である電気加熱型触媒の構成図である。 本発明の第２実施例の電気加熱型触媒を図３に示すIV−IVで切断した際の断面図である。 本発明の第３実施例である電気加熱型触媒の構成図である。 本発明の第３実施例の電気加熱型触媒の要部の斜視図である。 本発明の第３実施例の電気加熱型触媒の断面図である。

以下、図面を用いて、本発明に係る電気加熱型触媒の具体的な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施例である電気加熱型触媒１０の構成図を示す。また、図２は、本実施例の電気加熱型触媒１０を図１に示すIII−IIIで切断した際の断面図を示す。本実施例の電気加熱型触媒１０は、例えば自動車等から排出される排気ガスを浄化するための触媒であって、通電により加熱されることで活性化する触媒である。

電気加熱型触媒１０は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）により形成されたセラミック触媒が担持されたＳｉＣ担体１２を備えている。ＳｉＣ担体１２は、加熱されて昇温されることにより触媒機能を発揮することが可能である。ＳｉＣ担体１２は、円柱状に形成されている。ＳｉＣ担体１２は、円筒状に形成されたケース１４内に保持されている。ＳｉＣ担体１２とケース１４の外管との間には、マット１６が介在されている。すなわち、ＳｉＣ担体１２は、ＳｉＣ担体１２の外周面全周にわたってマット１６を介してケース１４の外管に保持されている。マット１６は、アルミナ繊維集合体からなり、電気的絶縁体層及び断熱層として機能する。

ＳｉＣ担体１２には、ＳｉＣ担体１２を通電加熱するための電極２０が接合されている。電極２０は、平板状に形成されていると共に、複数の歯がそれぞれ長手方向に平行に延びるように櫛歯状に形成されている。電極２０は、下地層２２上に配設されている。下地層２２は、溶射により形成されたポーラス膜などであり、略平板状に形成されている。電極２０は、下地層２２上で固定層２４が電極２０及び下地層２２と接合することにより固定される。

固定層２４は、溶射により形成されており、２箇所それぞれで線状に延びた形状を有している。固定層２４の２つの線状部はそれぞれ、電極２０の歯が延びる長手方向に対して直交する方向に延びるように配置されている。固定層２４は、電極２０の櫛歯を横切るように互いに平行に延びる２つの線状部でそれぞれ下地層２２及び電極２０と接合される。固定層２４と下地層２２との接合は、固定層２４の各線状部の両端部において行われると共に、固定層２４の各線状部の両端間において固定層２４が電極２０の櫛歯間の隙間に進入して行われる。電極２０の固定は、固定層２４の２つの線状部が所定の間隔を空けて下地層２２及び電極２０と接合されることにより実現される。

電極２０、下地層２２、及び固定層２４は、セラミックペースト２６で覆われている。セラミックペースト２６は、アルミナ、シリカ、コージェライト、サイアロン、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素などにより構成されるが、ＳｉＣ担体１２に対して熱膨張率の値が近くかつ体積抵抗率の値が高いものが望ましい。セラミックペースト２６は、電極２０、下地層２２、及び固定層２４を覆った状態で乾燥されることで硬化される。

上記したマット１６は、上記の如く硬化されたセラミックペースト２６を収容可能な凹部を有している。セラミックペースト２６は、硬化された後にマット１６の凹部に収容されて、ＳｉＣ担体１２とマット１６との間に挟持されることで、マット１６を介してケース１４の外管に保持される。

セラミックペースト２６には、電極２０の一端を取り出すために開口した取出口２６ａが設けられている。また、マット１６には、電極２０の一端を取り出すために開口した取出口１６ａが設けられている。取出口２６ａ，１６ａはそれぞれ、電極２０の一端を取り出すのに最低限必要な大きさに形成されていればよい。具体的には、取出口２６ａ，１６ａは、その一辺が電極２０の歯が延びる長手方向に対して直交する方向の幅よりも僅かに大きな長さを有するように、かつ、他の一辺が電極２０の厚さよりも僅かに大きな長さを有するように形成されていればよい。

電気加熱型触媒１０において、外部から電極２０への通電が行われると、電流が電極２０、下地層２２、セラミックペースト２６を介してＳｉＣ担体１２に流れることで、ＳｉＣ担体１２が加熱される。ＳｉＣ担体１２は、加熱されると、活性化することで、排気ガスを浄化することが可能である。従って、本実施例の電気加熱型触媒１０によれば、ＳｉＣ担体１２を通電により強制的に加熱することで、排気ガスを効果的に浄化することができる。

本実施例の電気加熱型触媒１０において、ＳｉＣ担体１２に接合される電極２０は、下地層２２と固定層２４との間で固定されかつセラミックペースト２６により覆われた状態でマット１６を介してケース１４の外管に保持される。マット１６は、電極２０を取出口１６ａに対応する部分を除いてＳｉＣ担体１２とケース１４との間で保持する。かかる構造においては、冷熱サイクル中に電極２０が熱膨張や熱収縮を起こしたときに、その電極２０の膨張・収縮をセラミックペースト２６により吸収し、電極２０の動きを拘束することができる。このため、本実施例の電気加熱型触媒１０によれば、電極２０が熱膨張や熱収縮を起こしても、電極２０とマット１６との相対変位の発生を抑制することができるので、その相対変位に伴う電極２０の変形や破断を抑制することができると共に、その電極２０の絶縁性を向上させることができる。

更に、電極２０を固定する下地層２２及び固定層２４は、電極２０と同様に、セラミックペースト２６により覆われた状態でマット１６を介してケース１４の外管に保持される。このため、下地層２２及び固定層２４は、ＳｉＣ担体１２とマット１６との間に挟まれて拘束される。従って、本実施例の電機加熱型触媒１０の構造によれば、下地層２２がＳｉＣ担体１２側や電極２０側から剥離し或いは浮くのを防止することができると共に、固定層２４が電極２０側から剥離し或いは浮くのを防止することができる。

尚、上記の第１実施例においては、ＳｉＣ担体１２が特許請求の範囲に記載した「セラミック担体」に相当している。

上記した第１実施例では、電極２０、下地層２２、及び固定層２４をセラミックペースト２６で覆う必要があるので、電気加熱型触媒１０を製造するうえで電極２０、下地層２２、及び固定層２４をセラミックペースト２６で覆うための工程やその後にそのセラミックペースト２６を乾燥させるための工程を要し、製造上の手間がかかりコストアップが生じてしまう。また、電気加熱型触媒１０の熱容量が電極２０、下地層２２、及び固定層２４を覆うセラミックペースト２６分だけ増加するので、ＳｉＣ担体１２を活性化するまで加熱するのに必要なエネルギが増加してしまう。これに対して、本発明の第２実施例は、上記の不都合を解決する点に特徴を有している。

図３は、本発明の第２実施例である電気加熱型触媒１００の構成図を示す。また、図４は、本実施例の電気加熱型触媒１００を図３に示すIV−IVで切断した際の断面図を示す。尚、図３及び図４において、上記図１及び図２に示す構成部分と同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。

電気加熱型触媒１００において、ＳｉＣ担体１２とケース１４の外管との間には、マット１０２が介在されている。すなわち、ＳｉＣ担体１２は、ＳｉＣ担体１２の外周面全周にわたってマット１０２を介してケース１４の外管に保持されている。マット１０２は、アルミナ繊維集合体からなり、電気的絶縁体層及び断熱層として機能する。

マット１０２には、開口部１０４が設けられている。開口部１０４は、外部へ取り出すための一端を除く電極２０の上面よりも僅かに大きく、かつ、略平板状の下地層２２の四隅を拘束できる程度の大きさに開口している。具体的には、開口部１０４は、その一辺が電極２０の櫛歯の長さに相当する程度の長さを有するように、かつ、他方の辺が電極２０の歯が延びる長手方向に対して直交する方向の幅よりも僅かに大きくかつ下地層２２の一辺の長さよりも僅かに小さい長さを有するように形成されている。

下地層２２は、その四隅がＳｉＣ担体１２とケース１４の外管との間でマット１０２を介して挟まれることによりＳｉＣ担体１２上で固定される。また、電極２０は、下地層２２上で固定層２４が電極２０及び下地層２２と接合することにより固定される。電極２０の固定は、固定層２４の２つの線状部が所定の間隔を空けて下地層２２及び電極２０と接合されることにより実現される。尚、固定層２４とケース１４の外管との間にはマット１０２が存在せず、電極２０及び固定層２４の外径側には隙間１０６が形成される。

電気加熱型触媒１００において、外部から電極２０への通電が行われると、電流が電極２０及び下地層２２を介してＳｉＣ担体１２に流れることで、ＳｉＣ担体１２が加熱される。ＳｉＣ担体１２は、加熱されると、活性化することで、排気ガスを浄化することが可能である。従って、本実施例の電気加熱型触媒１００によれば、ＳｉＣ担体１２を通電により強制的に加熱することで、排気ガスを効果的に浄化することができる。

本実施例の電気加熱型触媒１００において、ＳｉＣ担体１２に接合される電極２０は下地層２２と固定層２４との間で固定されると共に、下地層２２はその四隅でマット１０２を介してケース１４の外管に保持される。電極２０は、その電極２０自体がマット１０２を介してケース１４の外管に保持されるものではなく、固定層２４の２つの線状部で下地層２２側に固定されつつ隙間１０６内で変位可能である。

かかる構造においては、冷熱サイクル中に電極２０が熱膨張や熱収縮を起こしたときに、その電極２０を固定層２４の２つの線状部で下地層２２側に固定しつつその電極２０の膨張・収縮を隙間１０６内で自由に許容することができる。このため、本実施例の電気加熱型触媒１００によれば、電極２０が熱膨張や熱収縮を起こしても、電極２０とマット１０２との相対変位の発生を抑制することができるので、その相対変位に伴う電極２０の変形や破断を抑制することができる。

更に、電極２０を固定する下地層２２は、ＳｉＣ担体１２上でその四隅がマット１０２を介してケース１４の外管に保持されることにより固定・拘束される。従って、本実施例の電機加熱型触媒１００の構造によれば、下地層２２がＳｉＣ担体１２側から剥離し或いは浮くのを確実に防止することができる。

尚、本実施例の電気加熱型触媒１００においては、上記した第１実施例の電気加熱型触媒１０と異なり、電極２０、下地層２２、及び固定層２４をセラミックペースト２６で覆う必要が無いので、その電気加熱型触媒１０に比べて、製造上の工程を削減し或いはコストアップを削減することが可能である。また、電気加熱型触媒１００の熱容量が電気加熱型触媒１０の熱容量よりも小さくなるので、電気加熱型触媒１０に比べて、ＳｉＣ担体１２を活性化するまで加熱するのに必要なエネルギを低減することが可能である。

上記した第２実施例では、マット１０２に設ける開口部１０４を電極２０の上面相当の大きさに形成することが必要であるので、ＳｉＣ担体１２をマット１０２を介してケース１４の外管に保持するうえでその保持力が不足する可能性がある。これに対して、本発明の第３実施例は、上記の不都合を解決する点に特徴を有している。

図５は、本発明の第３実施例である電気加熱型触媒２００の構成図を示す。図６は、本実施例の電気加熱型触媒２００の要部の斜視図を示す。また、図７は、本実施例の電気加熱型触媒２００の断面図を示す。尚、図７（Ａ）には電気加熱型触媒２００を図５に示すV−Vで切断した際の断面図を、また、図７（Ｂ）には電気加熱型触媒２００を図５に示すVI−VIで切断した際の断面図を、それぞれ示す。更に、図５、図６、及び図７において、上記図１及び図２に示す構成部分と同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。

電気加熱型触媒２００において、ＳｉＣ担体１２とケース１４の外管との間には、マット２０２が介在されている。すなわち、ＳｉＣ担体１２は、ＳｉＣ担体１２の外周面全周にわたってマット２０２を介してケース１４の外管に保持されている。マット２０２は、アルミナ繊維集合体からなり、電気的絶縁体層及び断熱層として機能する。

ＳｉＣ担体１２には、ＳｉＣ担体１２を通電加熱するための電極２０４が接合されている。電極２０４は、平板状に形成されていると共に、複数の歯がそれぞれ長手方向に平行に延びるように櫛歯状に形成されている。電極２０４は、下地層２２上に配設されている。電極２０４は、下地層２２上で固定層２４が電極２０４及び下地層２２と接合することにより固定される。具体的には、電極２０４の固定は、固定層２４の２つの線状部が所定の間隔を空けて下地層２２及び電極２０４と接合されることにより実現される。

電極２０４の、固定層２４の２つの線状部に固定される部位の間には、屈曲部２０６が設けられている。すなわち、電極２０４は、固定層２４の２つの線状部に固定される部位の間で曲げ加工が施された形状を有している。屈曲部２０６は、電極２０４の各櫛歯に設けられていればよい。屈曲部２０６は、電極２０４が固定層２４の２つの線状部に固定された状態で径方向外側へ向けて突出するように形成されている。

マット２０２には、電極２０４の一端を取り出すために開口した取出口２１０が設けられている。取出口２１０は、電極２０４の一端を取り出すのに最低限必要な大きさに形成されていればよい。具体的には、取出口２１０は、その一辺が電極２０４の歯が延びる長手方向に対して直交する方向の幅よりも僅かに大きな長さを有するように、かつ、他の一辺が電極２０４の厚さよりも僅かに大きな長さを有するように形成されていればよい。

マット２０２には、更に、電極２０４の屈曲部２０６に対応する部位に開口した開口部２１２が設けられている。開口部２１２は、電極２０４の屈曲部２０６がある程度の範囲内で変位してもその屈曲部２０６に当接しない大きさに形成されている。具体的には、開口部２１２は、その一辺が電極２０４の歯が延びる長手方向に対して直交する方向の幅よりも僅かに大きな長さを有するように、かつ、他の一辺が固定層２４の２つの線状部の離間距離に相当する長さを有するように形成されている。

電気加熱型触媒２００において、外部から電極２０４への通電が行われると、電流が電極２０４及び下地層２２を介してＳｉＣ担体１２に流れることで、ＳｉＣ担体１２が加熱される。ＳｉＣ担体１２は、加熱されると、活性化することで、排気ガスを浄化することが可能である。従って、本実施例の電気加熱型触媒２００によれば、ＳｉＣ担体１２を通電により強制的に加熱することで、排気ガスを効果的に浄化することができる。

本実施例の電気加熱型触媒２００において、ＳｉＣ担体１２に接合される電極２０４は、下地層２２と固定層２４との間で固定された状態でマット２０２を介してケース１４の外管に保持される。マット２０２は、電極２０４を取出口２１０に対応する部分及び開口部２１２に対応する部分を除いてＳｉＣ担体１２とケース１４との間で保持する。電極２０４は、固定層２４の２つの線状部で下地層２２側に固定されつつ、マット２０２の取出口２１０に対応する部分及び開口部２１２に対応する部分を除いてマット２０２を介してケース１４の外管に保持される。そして、電極２０４の屈曲部２０６は、マット２０２の開口部２１２内で変位可能である。

かかる構造においては、冷熱サイクル中に電極２０４が熱膨張や熱収縮を起こしたときに、その電極２０４を固定層２４の２つの線状部で下地層２２側に固定しつつその電極２０の膨張・収縮をマット２０２の開口部２１２で屈曲部２０６が曲がることにより吸収して自由に許容することができる。このため、本実施例の電気加熱型触媒２００によれば、電極２０４が熱膨張や熱収縮を起こしても、屈曲部２０６の屈曲により電極２０４とマット２０２との相対変位の発生を抑制することができるので、その相対変位に伴う電極２０４の変形や破断を抑制することができる。また、電極２０４の屈曲部２０６がその膨張・収縮を吸収するため、冷熱サイクル中に固定層２４が電極２０４から受ける応力を低減することができる。

また、上記の構造において、マット２０２の開口部２１２の大きさは、上記した第１実施例の電気加熱型触媒１００におけるマット１０２の開口部１０４の大きさに比べて小さく、電極２０４の大部分（具体的には、屈曲部２０６を除いた部分）は、マット２０２を介してケース１４の外管に保持される。このため、本実施例の電気加熱型触媒２００によれば、上記した第１実施例の電気加熱型触媒１００に比べて、ＳｉＣ担体１２をマット２０２を介してケース１４の外管に保持するうえでその保持力が不足するのを防止することができ、その保持力を確保することができる。

従って、本実施例の電気加熱型触媒２００によれば、ＳｉＣ担体１２の保持力を低下させることなく、電極２０４の変形や破断を抑制することができる。

更に、マット２０２の開口部２１２は、その一辺が電極２０４の歯が延びる長手方向に対して直交する方向の幅よりも僅かに大きな長さを有するように、かつ、他の一辺が固定層２４の２つの線状部の離間距離に相当する長さを有するように形成されている。この場合、電極２０４を固定する下地層２２及び固定層２４は、マット２０２を介してケース１４の外管に保持されることにより固定・拘束される。このため、下地層２２及び固定層２４は、ＳｉＣ担体１２とマット２０２との間に挟まれて拘束される。従って、本実施例の電機加熱型触媒２００の構造によれば、下地層２２がＳｉＣ担体１２側や電極２０４側から剥離し或いは浮くのを防止することができると共に、固定層２４が電極２０４側から剥離し或いは浮くのを防止することができる。

尚、本実施例の電気加熱型触媒２００においても、上記した第１実施例の電気加熱型触媒１０と異なり、電極２０４、下地層２２、及び固定層２４をセラミックペースト２６で覆う必要が無いので、その電気加熱型触媒１０に比べて、製造上の工程を削減し或いはコストアップを削減することが可能である。また、電気加熱型触媒２００の熱容量が電気加熱型触媒１０の熱容量よりも小さくなるので、電気加熱型触媒１０に比べて、ＳｉＣ担体１２を活性化するまで加熱するのに必要なエネルギを低減することが可能である。

ところで、上記の第１〜第３実施例においては、セラミック触媒が担持されるセラミック担体を炭化ケイ素によるＳｉＣ担体１２としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、他のセラミック素材を用いたものであってもよい。

また、上記の第１〜第３実施例においては、電極２０，２０４を櫛歯状に形成することとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、平板状であれば他の形状に形成することとしてもよい。

更に、上記の第１〜第３実施例においては、電極２０，２０４を下地層２２と固定層２４との間で固定するのに、固定層２４を２箇所それぞれで線状に延びた形状としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、３箇所以上で線状に延びた形状としてもよい。この場合、固定層２４の線状部の本数は、電極２０，２０４の固定と電極２０，２０４の膨張・収縮の許容量との双方を考慮して設定されればよい。

１０，１００，２００ 電気加熱型触媒
１２ ＳｉＣ担体
１４ ケース
１６，１０２，２０２ マット
２０，２０４ 電極
２２ 下地層
２４ 固定層
２６ セラミックペースト
２０６ 屈曲部
２１２ 開口部

Claims (4)

1. セラミック担体と、
   電極と、
   前記セラミック担体と前記電極との間に介在する下地層と、
   前記下地層と接合することで前記電極を固定する固定層と、を備え、
   前記固定層は、少なくとも２箇所それぞれで線状に延びるように形成されており、各箇所で前記下地層と接合することで前記電極を固定することを特徴とする電気加熱型触媒。
2. 前記電極は、前記固定層に固定される部位の間に屈曲部を有することを特徴とする請求項１記載の電気加熱型触媒。
3. 前記電極は、長手方向に櫛歯状に形成された平板状電極であり、
   前記固定層は、前記平板状電極の長手方向に直交する方向に延びるように配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電気加熱型触媒。
4. 前記セラミック担体は、マットを介してケース外管に保持されると共に、
   前記マットは、前記電極の、前記固定層に固定される部位の間に開口する開口部を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の電気加熱型触媒。

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