JP5636900B2 - 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、円柱状に形成されたセラミック担体と、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配設される表面電極と、前記表面電極の軸方向の一部の表面上に配設され、該表面電極に接続される金属電極と、を備え、前記表面電極は、表面上に前記金属電極が配設される配設部位の電気抵抗に比べて、表面上に前記金属電極が配設されない非配設部位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。 本発明の変形例である電気加熱型触媒の要部断面図である。 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、ステンレス鋼など）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から複数の歯が長手方向（ＳｉＣ担体１２の軸方向Ｘ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の各歯は、ＳｉＣ担体１２の外壁上でＳｉＣ担体１２の軸方向Ｘに沿って互いに並んで配置されている。

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、ＮｉＣｒ系材料）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Ｘ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Ｘ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Ｘ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、櫛歯部２０との接続部位を除く部位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、ＮｉＣｒ系材料やＣｏＮｉＣｒ系材料）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。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に向けて固定層２４を溶射することにより実現される。

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の各歯を通り、その後、歯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。

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の櫛歯部２０は、表面電極２２の一部（具体的には、ＳｉＣ担体１２の軸方向Ｘにおける略中央部）の表面上に配設されてその表面電極２２と接続される。表面電極２２は、表面上に金属電極１４の櫛歯部２０が配設される配設部位２２ａと、表面上にその櫛歯部２０が配設されない非配設部位２２ｂと、からなる。配設部位２２ａは、表面電極２２全体のうちＳｉＣ担体１２の軸方向Ｘにおける略中央の部位に設けられている。非配設部位２２ｂは、表面電極２２全体のうちＳｉＣ担体１２の軸方向Ｘ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２２ａを両側から挟むように配置されている。尚、櫛歯部２０の各歯が実際に接続する表面電極２２の部位は、配設部位２２ａ全体のうち一部であればよい。

表面電極２２は、表面上に金属電極１４の櫛歯部２０が配設される配設部位２２ａの電気抵抗に比べて、表面上にその櫛歯部２０が配設されない非配設部位２２ｂの電気抵抗が低くなるように形成されている。

具体的には、配設部位２２ａは、ＳｉＣ担体１２の外壁に沿って略水平に形成されており、ＳｉＣ担体１２の径方向において略変化することのない厚み長αを有している。また、非配設部位２２ｂは、ＳｉＣ担体１２の外壁に沿って厚みが変化するように形成されており、ＳｉＣ担体１２の径方向において変化する厚み長βを有している。非配設部位２２ｂの厚み長βは、配設部位２２ａの厚み長αよりも大きく、ＳｉＣ担体１２の軸方向Ｘにおいて配設部位２２ａに近い部位から配設部位２２ａから遠い部位にかけて連続的に徐々に大きくなる。すなわち、非配設部位２２ｂは、ＳｉＣ担体１２の軸方向Ｘにおいて配設部位２２ａから遠ざかるほどリニアに厚み長βが大きくなるように形成されている。

かかる表面電極２２の構造においては、ＳｉＣ担体１２の軸方向Ｘにおける単位長さ当たり、金属電極１４の櫛歯部２０が配設される中央寄りの配設部位２２ａの断面積が、その櫛歯部２０が配設されない端部寄りの非配設部位２２ｂの断面積よりも小さいので、配設部位２２ａの電気抵抗よりも非配設部位２２ｂの電気抵抗が低下する。このため、外部配線を通じて金属電極１４に流れた電流が表面電極２２の略中央にある配設部位２２ａへ流れ込んだ後、その配設部位２２ａからその表面電極２２の両端にある非配設部位２２ｂへ向けて電流が流れ易くなる。

本実施例の如く、表面上に金属電極１４の櫛歯部２０が配設される配設部位２２ａの電気抵抗に比べて、表面上にその櫛歯部２０が配設されない非配設部位２２ｂの電気抵抗が低くなるように形成された表面電極２２の構造においては、配設部位２２ａの電気抵抗と非配設部位２２ｂの電気抵抗とが略均一である構造（以下、対比構造と称す。）などに比べて、金属電極１４から表面電極２２へ流れた電流が、その表面電極２２を、軸方向Ｘの中央から端部へ向けて広がり易くなる。表面電極２２において、櫛歯部２０が接続された軸方向Ｘの略中央部から軸方向Ｘの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、上記の対比構造などに比べて、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Ｘ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。

また、本実施例において、非配設部位２２ｂは、上記の如く、ＳｉＣ担体１２の軸方向Ｘにおいて配設部位２２ａから遠ざかるほどリニアに厚み長βが大きくなるように形成されている。かかる表面電極２２の構造においては、ＳｉＣ担体１２の軸方向Ｘにおける単位長さ当たり、金属電極１４の櫛歯部２０が配設されない端部寄りの非配設部位２２ｂの断面積が、その櫛歯部２０が配設される中央寄りの配設部位２２ａの断面積よりも大きいが、その非配設部位２２ｂの断面積が、更に、その非配設部位２２ｂ内において配設部位２２ａから遠ざかる部位ほど大きくなる。

この場合には、非配設部位２２ｂの内部において、配設部位２２ａに近い部位ほど電気抵抗が高く、配設部位２２ａから遠ざかる部位ほど電気抵抗が低くなる。このため、金属電極１４から表面電極２２へ流れた電流が配設部位２２ａから非配設部位２２ｂへ流れ込んだ後、その非配設部位２２ｂ内において電流が流れ易くなる。従って、本実施例の電気加熱型触媒１０の構造によれば、ＳｉＣ担体１２の軸方向端部の加熱を更に促進することが可能である。

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、表面電極２２の非配設部位２２ｂの厚み長βを、配設部位２２ａの厚み長αよりも大きくしたうえで、ＳｉＣ担体１２の軸方向Ｘにおいて配設部位２２ａに近い部位から配設部位２２ａから遠い部位にかけて連続的に徐々に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、図３に示す如く、非配設部位２２ｂをＳｉＣ担体１２の外壁に沿って略水平に形成し、その非配設部位２２ｂの一定の厚み長βを配設部位２２ａの厚み長αよりも大きくすることとしてもよい。

かかる変形例の構造においても、表面電極２２について、表面上に金属電極２０の櫛歯部２０が配設される配設部位２２ａの電気抵抗に比べて、表面上にその櫛歯部２０が配設されない非配設部位２２ｂの電気抵抗が低くなるので、表面電極２２で軸方向Ｘの中央から端部へ向けて電気が広がり易くなり、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。

尚、上記の変形例においては、表面電極２２の厚み長について、配設部位２２ａと非配設部位２２ｂとの２段階に設定するが、本発明はこれに限定されるものではなく、配設部位２２ａと非配設部位２２ｂとを合わせた表面電極２２全体として３段階以上にステップ状に設定すること、特に、非配設部位２２ｂの厚み長βを２段階以上にステップ状に設定すること（すなわち、非配設部位２２ｂを配設部位２２ａから遠ざかるほど厚み長βが大きくなり電気抵抗が低くなるように形成すること）としてもよい。

また、上記の実施例においては、表面電極２２を、表面上に金属電極１４の櫛歯部２０が配設される配設部位２２ａの電気抵抗に比べて、表面上にその櫛歯部２０が配設されない非配設部位２２ｂの電気抵抗が低くなるように形成するのに、非配設部位２２ｂの厚み長βを配設部位２２ａの厚み長αよりも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、図４に示す如く、表面電極２２を、表面上に金属電極１４の櫛歯部２０が配設される配設部位２２ａの電気抵抗に比べて、表面上にその櫛歯部２０が配設されない非配設部位２２ｂの電気抵抗が低くなるように形成するのに、表面電極２２の体積抵抗率を部位ごとに変化させること、具体的には、非配設部位２２ｂの体積抵抗率を配設部位２２ａの体積抵抗率よりも低くすることとしてもよい。

例えば、表面電極２２全体のうち金属電極１４の櫛歯部２０が配設される配設部位２２ａを、（ＮｉＣｒ−Ｓｉ）Ｇｒ系においてＳｉ含有量の多い材料により構成し、一方、櫛歯部２０が配設されない非配設部位２２ｂを、（ＮｉＣｒ−Ｓｉ）Ｇｒ系においてＳｉ含有量の少ない材料により構成する。かかる変形例の構造においても、表面電極２２について、表面上に金属電極２０の櫛歯部２０が配設される配設部位２２ａの電気抵抗に比べて、表面上にその櫛歯部２０が配設されない非配設部位２２ｂの電気抵抗が低くなるので、表面電極２２で軸方向Ｘの中央から端部へ向けて電気が広がり易くなり、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。

また同様に、表面電極２２を、表面上に金属電極１４の櫛歯部２０が配設される配設部位２２ａの電気抵抗に比べて、表面上にその櫛歯部２０が配設されない非配設部位２２ｂの電気抵抗が低くなるように形成するのに、表面電極２２のポーラス度を部位ごとに変化させること、具体的には、非配設部位２２ｂのポーラス度を配設部位２２ａのポーラス度よりも低くすることとしてもよい。この構造においては、配設部位２２ａの電気導通パスが減少し、かつ、非配設部位２２ｂの電気導通パスが増加する。このため、かかる変形例の構造においても、表面電極２２について、表面上に金属電極２０の櫛歯部２０が配設される配設部位２２ａの電気抵抗に比べて、表面上にその櫛歯部２０が配設されない非配設部位２２ｂの電気抵抗が低くなるので、表面電極２２で軸方向Ｘの中央から端部へ向けて電気が広がり易くなり、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。

尚、上記の変形例においては、表面電極２２の体積抵抗率又はポーラス度について、配設部位２２ａと非配設部位２２ｂとの２段階に設定するが、本発明はこれに限定されるものではなく、配設部位２２ａと非配設部位２２ｂとを合わせた表面電極２２全体として３段階以上にステップ状に設定すること、特に、非配設部位２２ｂの体積抵抗率又はポーラス度を２段階以上にステップ状に設定すること（すなわち、非配設部位２２ｂを配設部位２２ａから遠ざかるほど体積抵抗率又はポーラス度が低くなり電気抵抗が低くなるように形成すること）としてもよい。

また、上記の変形例においては、表面電極２２の体積抵抗率又はポーラス度を部位ごとに変化させるが、表面電極２２の厚み長は全面均一に設定されることとすればよい。かかる構造によれば、ＳｉＣ担体１２の表面上に配設される表面電極２２に段差が生じないので、電気加熱型触媒１０の冷熱サイクル中に表面電極２２がＳｉＣ担体１２から剥離するのを抑制することが可能となる。

また、上記の実施例においては、表面電極２２のＳｉＣ担体１２の軸方向Ｘにおける略中央部に、金属電極１４の櫛歯部２０を接続し、櫛歯部２０が配設される配設部位２２ａを設けるものとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、表面電極２２のＳｉＣ担体１２の軸方向Ｘにおける端部に、金属電極１４の櫛歯部２０を接続し、櫛歯部２０が配設される配設部位２２ａを設けるものとしてもよい。かかる変形例の構造においては、表面電極２２のＳｉＣ担体１２の軸方向Ｘにおける略中央部や反対側の端部に、櫛歯部２０が配設されない非配設部位２２ｂを設けたうえで、上記した手法により、配設部位２２ａの電気抵抗に比して非配設部位２２ｂの電気抵抗が低くなるように表面電極２２を形成することとすればよい。

更に、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。

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
２２ａ 配設部位
２２ｂ 非配設部位
２４ 固定層

Claims (5)

1. 円柱状に形成されたセラミック担体と、
   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配設される表面電極と、
   前記表面電極の軸方向の一部の表面上に配設され、該表面電極に接続される金属電極と、を備え、
   前記表面電極は、表面上に前記金属電極が配設される配設部位の電気抵抗に比べて、表面上に前記金属電極が配設されない非配設部位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. 前記表面電極は、前記配設部位の厚み長に比べて前記非配設部位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１記載の電気加熱型触媒。
3. 前記表面電極は、前記配設部位の体積抵抗率に比べて前記非配設部位の体積抵抗率が低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。
4. 前記表面電極は、前記配設部位のポーラス度に比べて前記非配設部位のポーラス度が低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。
5. 前記非配設部位は、前記配設部位から遠ざかるほど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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