JP5531925B2 - 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に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）。電気加熱型触媒は、セラミック担体と、セラミック担体の表面に配設される表面電極と、表面電極に接続される接続電極と、を備えている。かかる電気加熱型触媒においては、接続電極側から表面電極を介してセラミック担体へ通電が行われることにより、セラミック担体が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２０１０−１０６７３５号公報

ところで、上記した特許文献１記載の電気加熱型触媒において、接続電極は、棒状に形成されており、表面電極に対して一カ所で接続されている。かかる構造においては、セラミック担体の、接続電極と表面電極との接続部位から遠距離にある部位へ向けて電流が広がり難いので、セラミック担体を均一に加熱することが困難である。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、セラミック担体を通電加熱するうえでセラミック担体内部の温度分布の均一化を図ることが可能な加熱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、前記セラミック担体の表面上に配設される表面電極と、３個以上の歯が互いに平行に並んでそれぞれ前記表面電極に接続される櫛歯部を有する金属電極と、を備え、前記櫛歯部は、中央寄りの歯の電気抵抗に比べて端部寄りの歯の電気抵抗が低くなるように形成されている電気加熱型触媒により達成される。

本発明によれば、セラミック担体を通電加熱するうえでセラミック担体内部の温度分布の均一化を図ることができる。

本発明の一実施例である電気加熱型触媒の構成図である。 本発明の一実施例である電気加熱型触媒の要部断面図である。 本発明の一実施例である電気加熱型触媒における電気抵抗を模式的に表した図である。 本発明の一実施例である電気加熱型触媒における金属電極から表面電極への電流の流れを表した図である。 本発明の変形例である電気加熱型触媒の要部断面図である。

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、本発明の一実施例である電気加熱型触媒１０の構成図を示す。図２は、本実施例の電気加熱型触媒１０の要部断面図を示す。尚、図２には、電気加熱型触媒１０を図１に示すＡ−Ａ´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）により構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おり、その外周面全周にわたって絶縁層としてのマットを介して円筒状に形成されたケース外管に保持されている。

電気加熱型触媒１０は、また、ＳｉＣ担体１２を通電加熱するための金属電極１４を備えている。金属電極１４は、外部配線に接続されており、外部配線を通じて通電される。金属電極１４は、ＳｉＣ担体１２に対して固定される。金属電極１４は、導電性を有する金属（例えば、Ｎｉ系、Ｃｒ系、Ｃｏ系、Ｆｅ系など）により構成されている。金属電極１４は、略平板状に形成された基部１６と、その基部１６から複数（具体的には３個以上；例えば図１及び図２に示す如く６個）の歯１８が長手方向（ＳｉＣ担体１２の軸方向と略直交する方向）に向けて延びるように櫛歯状に形成された櫛歯部２０と、を有している。櫛歯部２０の各歯１８は、ＳｉＣ担体１２の外壁上でＳｉＣ担体１２の軸方向に沿って互いに並んで配置されている。櫛歯部２０の、ＳｉＣ担体１２の軸方向に並んだ互いに隣接する歯１８の間には、所定の隙間が形成されている。

金属電極１４は、ＳｉＣ担体１２上に導電性を有する下地層である表面電極２２を介して設置されている。すなわち、ＳｉＣ担体１２と金属電極１４との間には、導電性を有する表面電極２２が介在している。表面電極２２は、溶射によりＳｉＣ担体１２の表面上に形成されるポーラス膜などであり、略平板状（具体的には、ＳｉＣ担体１２の外壁に沿うように湾曲状）に形成されている。表面電極２２は、ＳｉＣ担体１２の熱膨張率と金属電極１４の熱膨張率との間の熱膨張率を有する金属材料（例えば、Ｃｏ系、Ｎｉ系、Ｃｒ系、Ｆｅ系、ＳＵＳ、Ｍｏ、Ｗなど）により構成されており、ＳｉＣ担体１２と金属電極１４との間に生じる熱膨張差を吸収する機能を有している。

表面電極２２は、ＳｉＣ担体１２の外壁の一部に設けられている。表面電極２２は、ＳｉＣ担体１２の表面上にそのＳｉＣ担体１２の軸方向に広がる領域を有するように形成されており、ＳｉＣ担体１２の軸方向において金属電極１４の櫛歯部２０全体の全長よりも長い全長を有している。金属電極１４の櫛歯部２０は、表面電極２２の、軸方向の略中央部の表面上に配設されており、表面電極２２に接続されている。表面電極２２は、その周縁においてマットを介してケース外管に保持されている。

電気加熱型触媒１０は、また、金属電極１４をＳｉＣ担体１２に対して固定する固定層２４を備えている。固定層２４は、金属電極１４及び表面電極２２の双方と接合する。金属電極１４は、表面電極２２上で固定層２４が櫛歯部２０及び表面電極２２と接合することによりＳｉＣ担体１２に対して固定される。

固定層２４は、溶射により金属電極１４の櫛歯部２０及び表面電極２２の表面上に形成される層であり、溶射により櫛歯部２０及び表面電極２２と接合する。固定層２４は、金属電極１４の熱膨張率と表面電極２２の熱膨張率との間の熱膨張率を有する金属材料（例えば、Ｃｏ系、Ｎｉ系、Ｃｒ系、Ｆｅ系、ＳＵＳ、Ｍｏ、Ｗなど）により構成されており、導電性を有している。固定層２４は、櫛歯部２０の各歯１８及び表面電極２２の表面上の複数箇所に点在するように設けられており、櫛歯部２０及び表面電極２２と局所的に接合している。

各固定層２４はそれぞれ、櫛歯部２０及び表面電極２２の表面上に半球状或いは半楕円球状に形成されている。各固定層２４はそれぞれ、金属電極１４の櫛歯部２０の各歯１８の線幅よりも大きな径を有している。各固定層２４はそれぞれ、その頂点が対応の歯１８の中心線上に位置することで、歯１８と表面電極２２の歯１８を挟んで櫛歯部２０の長手方向に直交する方向（すなわち、ＳｉＣ担体１２の軸方向）の両側に位置する表面部位とを互いに繋げるように形成されている。すなわち、各固定層２４はそれぞれ、櫛歯部２０の歯１８と接合すると共に、表面電極２２の、その歯１８を挟んで櫛歯部２０の長手方向に直交する方向の両側に位置する表面部位の双方と接合する。

櫛歯部２０の各歯１８の長手方向に直交する方向に面する側面は両側とも、固定層２４により覆われている。固定層２４による櫛歯部２０及び表面電極２２との接合は、表面電極２２上に載置された金属電極１４の上方から櫛歯部２０の各歯１８の、ＳｉＣ担体１２の軸方向における中心に向けて固定層２４を溶射することにより実現される。

固定層２４は、金属電極１４の櫛歯部２０の各歯１８一本当たり、複数（図２では２箇所）設けられており、互いに離間した位置に配置されている。各歯１８はそれぞれ、複数の互いに離間した位置で局所的に固定層２４と接合される。各歯１８はそれぞれ、複数の互いに離間した位置で局所的に固定層２４が歯１８及び表面電極２２の双方と接合することでＳｉＣ担体１２に対して固定される。櫛歯部２０の、ＳｉＣ担体１２の軸方向に並んだ互いに隣接する歯１８同士において、固定層２４は、表面電極２２の表面上で斜の位置に配置されている。

上記した電気加熱型触媒１０において、外部から外部配線を通じて金属電極１４への通電が行われると、電流が、金属電極１４の基部１６から櫛歯部２０の各歯１８を通り、その後、歯１８から接合面を介して固定層２４及び表面電極２２へ流れ、そして、表面電極２２から接合面を介してＳｉＣ担体１２へ流れる。かかる経路でＳｉＣ担体１２に電流が供給されると、ＳｉＣ担体１２が通電加熱される。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可能である。

図３は、本実施例の電気加熱型触媒１０における電気抵抗を模式的に表した図を示す。また、図４は、本実施例の電気加熱型触媒１０における金属電極１４から表面電極２２への電流の流れを表した図を示す。

本実施例の電気加熱型触媒１０において、上記の如く、金属電極１４は、基部１６から複数の歯１８が長手方向に延びるように櫛歯状に形成された櫛歯部２０を有しており、櫛歯部２０は、表面電極２２の軸方向の略中央部に接続されており、各歯１８は、ＳｉＣ担体１２の軸方向に沿って互いに並んで配置されている。各歯１８はそれぞれ、表面電極２２に接続される。

櫛歯部２０は、すべての歯１８のうち、ＳｉＣ担体１２の軸方向において中央寄りに位置する歯１８の電気抵抗に比べてその軸方向において端部寄りに位置する歯１８の電気抵抗が低くなるように、具体的には、その中央寄りの歯１８の断面積に比べてその端部寄りの歯１８の断面積が大きくなるように形成されている。更に具体的には、櫛歯部２０は、各歯１８がそれぞれ表面電極２２上において互いに略同一の厚み長（すなわち、ＳｉＣ担体１２の径方向における高さ）を有する一方、その中央寄りの歯１８が表面電極２２上において比較的小さい幅長（すなわち、ＳｉＣ担体１２の軸方向における幅）を有し、かつ、その端部寄りの歯１８が表面電極２２上において比較的大きい幅長を有するように形成されている。

尚、櫛歯部２０の構造は、中央側から端部側にかけて一本ずつ段階的に電気抵抗が低くなるように各歯１８を形成したものとしてもよく、また、中央側から端部側にかけて複数本ずつ段階的に電気抵抗が低くなるように各歯１８を形成したものとしてもよい。

尚、本実施例において、櫛歯部２０が６個の歯１８を有するものとし、各歯１８をＳｉＣ担体１２の軸方向において順に歯１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆとした場合、図２に示す如く、最も端部寄りに位置する歯１８ａ，１８ｆが最も大きい断面積及び最も大きい線幅を有し、その次に端部寄りに位置する歯１８ｂ，１８ｅが中程度の断面積及び中程度の線幅を有し、かつ、最も中央寄りに位置する歯１８ｃ，１８ｄが最も小さい断面積及び最も小さい線幅を有している。

かかる金属電極１４の櫛歯部２０の構造においては、中央寄りの歯１８の電気抵抗に比べて端部寄りの歯１８の電気抵抗が低下するので、外部配線を通じて金属電極１４の基部１６に流れた電流が櫛歯部２０の各歯１８へ分岐する際、中央寄りの歯１８に電流が流れ難くなり、端部寄りの歯１８に電流が流れ易くなる。具体的には、歯１８ｃ，１８ｄに最も電流が流れ難くなり、歯１８ｂ，１８ｅにその次に電流が流れ難くなり、歯１８ａ，１８ｆに最も電流が流れ易くなる。

本実施例の如く中央寄りの歯１８に電流が流れ難くかつ端部寄りの歯１８に電流が流れ易くなる構造においては、各歯１８の電気抵抗が略均一であることで各歯１８に流れる電流が略均一である構造（以下、第１対比構造と称す。）又は中央寄りの歯１８の電気抵抗に比べて端部寄りの歯１８の電気抵抗が増加することで中央寄りの歯１８に電流が流れ易くかつ端部寄りの歯１８に電流が流れ難くなる構造（以下、第２対比構造と称す。）に比べて、歯１８から固定層２４を介して表面電極２２へ流れた電流が、その表面電極２２を、最も端部寄りの歯１８ａ，１８ｆの位置に対して更にＳｉＣ担体１２の軸方向端部側へ向けて広がり易くなる（図４に破線矢印で示す）。

表面電極２２において、櫛歯部２０が接続された軸方向の略中央部から軸方向端部へ向けて電流が広がり易くなると、その表面電極２２に接合されたＳｉＣ担体１２の軸方向端部を流れる電気が増加する。従って、本実施例の電気加熱型触媒１０の構造によれば、上記の第１対比構造及び第２対比構造に比べて、ＳｉＣ担体１２の軸方向端部の加熱を促進することができるので、ＳｉＣ担体１２を通電加熱するうえで、ＳｉＣ担体１２内部の温度分布（特に軸方向における温度分布）を改善させてその温度分布の均一化を図ることができ、電気エネルギロスの削減を図ることができる。このため、本実施例によれば、セラミック担体１２が均一に通電加熱されるので、排気ガスを効果的かつ効率的に浄化することが可能となっている。

尚、上記の実施例においては、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。

ところで、上記の実施例においては、中央寄りの歯１８の断面積に比べて端部寄りの歯１８の断面積を大きくするのに、金属電極１４の櫛歯部２０を、図２に示す如く、各歯１８がそれぞれ表面電極２２上において互いに略同一の厚み長を有し、かつ、端部寄りの歯１８が中央寄りの歯１８に比べてＳｉＣ担体１２の軸方向に大きい幅長を有するよう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、金属電極１４の櫛歯部２０を、図５に示す如く、各歯１８がそれぞれ表面電極２２上においてＳｉＣ担体１２の軸方向に互いに略同一の幅長を有し、かつ、端部寄りの歯１８が中央寄りの歯１８に比べて大きい厚み長を有するように形成することとしてもよい。かかる変形例の構造においても、中央寄りの歯１８に電流が流れ難くかつ端部寄りの歯１８に電流が流れ易くなるので、上記の実施例の構造と同様の効果を得ることが可能となる。

また、上記の実施例においては、中央寄りの歯１８の電気抵抗に比べて端部寄りの歯１８の電気抵抗を低くするのに、中央寄りの歯１８の断面積に比べて端部寄りの歯１８の断面積を大きくすることとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、各歯１８を構成する材料を、中央寄りの歯１８の電気抵抗に比べて端部寄りの歯１８の電気抵抗が低くなるように互いに異ならせるものとしてもよい。かかる変形例の構造においても、中央寄りの歯１８に電流が流れ難くかつ端部寄りの歯１８に電流が流れ易くなるので、上記の実施例の構造と同様の効果を得ることが可能となる。

また、上記の実施例においては、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。

更に、上記の実施例においては、各固定層２４をそれぞれ半球状又は半楕円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、矩形状などの形状に形成することとしてもよい。また、各固定層２４をそれぞれ、対応する一つの歯１８を表面電極２２上で接合するのに最小限必要な大きさ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、互いに隣接する２つ以上の歯１８を纏めて表面電極２２上で接合するのに必要な大きさに形成することとしてもよい。

１０ 電気加熱型触媒
１２ ＳｉＣ担体
１４ 金属電極
１８ 歯
２０ 櫛歯部
２２ 表面電極
２４ 固定層

Claims (5)

1. セラミック担体と、
   前記セラミック担体の表面上に配設される表面電極と、
   ３個以上の歯が互いに平行に並んでそれぞれ前記表面電極に接続される櫛歯部を有する金属電極と、を備え、
   前記櫛歯部は、中央寄りの歯の電気抵抗に比べて端部寄りの歯の電気抵抗が低くなるように形成されていることを特徴とする電気加熱型触媒。
2. 前記櫛歯部は、中央寄りの歯の断面積に比べて端部寄りの歯の断面積が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の電気加熱型触媒。
3. 前記櫛歯部は、中央寄りの歯の幅長に比べて端部寄りの歯の幅長が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項２記載の電気加熱型触媒。
4. 前記櫛歯部は、中央寄りの歯の厚み長に比べて端部寄りの歯の厚み長が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項２記載の電気加熱型触媒。
5. 前記表面電極は、前記セラミック担体の表面上に該セラミック担体の軸方向に広がる領域を有するように形成されており、
   前記櫛歯部は、前記表面電極の、前記軸方向の略中央部に接続され、
   前記櫛歯部の各歯はそれぞれ、前記軸方向と略直交する方向に向けて延びていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項記載の電気加熱型触媒。

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