JP5783037B2 - 通電加熱式触媒装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は通電加熱式触媒装置及びその製造方法に関する。

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。

特許文献１に開示されたＥＨＣは、白金やパラジウム等の触媒が担持されたハニカム構造を有する円筒状の担体と、当該担体と電気的に接続され、かつ、当該担体の外周面に互いに対向配置された一対の表面電極と、を備えている。このＥＨＣでは、一対の表面電極間において担体を通電加熱し、担体に担持された触媒を活性化する。これにより、担体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。

ＥＨＣは自動車等の排気経路上に設けられるため、上記表面電極の材料には、電気伝導度のみならず、耐熱性、高温下における耐酸化性、及び排気ガス雰囲気における耐腐食性等が要求される。そのため、特許文献１に開示されているように、Ｎｉ−Ｃｒ合金やＭＣｒＡｌＹ合金（但し、ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも一種）などの金属材料が用いられる。表面電極は溶射により担体上に形成される。他方、上記担体の材料としては、ＳｉＣ（炭化珪素）などのセラミックス材料が用いられる。そのため、通電加熱時には、表面電極を構成する金属材料と、担体を構成するセラミックス材料との線膨張係数差による熱応力が発生する。

特開２０１１−１０６３０８号公報

発明者は以下の課題を見出した。
ＥＨＣの表面電極は円筒状の担体の軸方向に延設されている。また、表面電極の担体軸方向中央部に金属配線が接続され、電流が供給される。この電流が表面電極において担体軸方向に広がることにより、一対の表面電極間において担体全体が通電加熱される。
通電加熱を繰り返すと、上述の熱応力により、表面電極に担体円周方向のクラックが発生し、担体軸方向への電流の広がりが阻害される結果、表面電極と金属配線との接続部近傍（担体の軸方向中央部）が集中的に加熱されるという問題があった。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、表面電極に担体円周方向のクラックが発生しても、担体軸方向への電流の広がりが保持される通電加熱式触媒装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る通電加熱式触媒装置は、
触媒が担持されたセラミックスからなる担体と、
前記担体の外周面において、互いに対向しつつ前記担体の軸方向に延設された一対の表面電極と、
前記表面電極へ外部から電力を供給する複数の配線と、を備え、前記表面電極を介して前記担体を通電加熱する通電加熱式触媒装置であって、
前記複数の配線が、前記表面電極における前記軸方向の端部まで設けられているとともに、複数の固定層により前記表面電極に固定されている、ものである。
表面電極に担体円周方向のクラックが発生しても、担体軸方向への電流の広がりが保持される。

前記複数の配線が、前記担体の周方向に延設され、かつ、前記表面電極における前記端部まで並設されていることが好ましい。
あるいは、前記複数の配線が、前記周方向に延設され、かつ、前記表面電極における前記軸方向の中央部に接続された第１配線と、前記表面電極における前記中央部から前記端部まで延設された第２配線と、を備えることが好ましい。
また、前記担体における前記軸方向の両端部を外側から保持する保持部と、前記保持部と前記表面電極との間に設けられた配線カバーと、をさらに備えることが好ましい。これにより、確実に担体軸方向への電流の広がりが保持される。

また、前記表面電極が、Ｎｉ−Ｃｒ合金（但し、Ｃｒ含有量は２０〜６０質量％）又はＭＣｒＡｌＹ合金（但し、ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも一種）からなる溶射皮膜であることが好ましい。
さらに、前記セラミックスは、ＳｉＣを含むことが好ましい。

本発明の一態様に係る通電加熱式触媒装置の製造方法は、
触媒が担持されたセラミックスからなる担体の表面に形成された表面電極を介して前記担体を通電加熱する通電加熱式触媒装置の製造方法であって、
前記担体の外周面に、互いに対向させて前記担体の軸方向に延設された一対の前記表面電極を形成する工程と、
外部から電力を供給する複数の配線を、前記表面電極における前記軸方向の端部まで配置し、複数の固定層により前記表面電極に固定する工程と、を備える、ものである。

前記複数の配線を、前記担体の周方向に延設し、かつ、前記表面電極における前記端部まで並設することが好ましい。
あるいは、前記複数の配線に含まれる第１配線を、前記周方向に延設し、かつ、前記表面電極における前記軸方向の中央部に接続し、
前記複数の配線に含まれる第２配線を、前記表面電極における前記中央部から前記端部まで延設すること。
また、前記表面電極における前記軸方向の両端部に配線カバーを設ける工程と、
前記配線カバーの外側から前記担体を保持する保持部を設ける工程と、をさらに備えることが好ましい。

本発明により、表面電極に担体円周方向のクラックが発生しても、担体軸方向への電流の広がりが保持され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１に係る通電加熱式触媒装置１００の斜視図である。 実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００の表面電極３１の真上から見た平面図である。 図２におけるＩＩＩ-ＩＩＩ切断線による断面図である。 実施の形態１の比較例に係る通電加熱式触媒装置１０の表面電極３１の真上から見た平面図である。 実施の形態２に係る通電加熱式触媒装置２００の表面電極３１の真上から見た平面図である。 実施の形態２に係る通電加熱式触媒装置２００の表面電極３１の真上から見た平面図であって、配線３２のパターンの変形例を示す図である。 実施の形態２に係る通電加熱式触媒装置２００の表面電極３１の真上から見た平面図であって、配線３２のパターンの変形例を示す図である。 実施の形態３に係る通電加熱式触媒装置３００の表面電極３１の真上から見た平面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施の形態１）
まず、図１〜３を参照して、実施の形態１に係る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１に係る通電加熱式触媒装置１００の斜視図である。図２は、実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００の表面電極３１の真上から見た平面図である。図３は、図２におけるＩＩＩ-ＩＩＩ切断線による断面図であって、固定層３３が形成された部位での断面図である。

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１に示すように、通電加熱式触媒装置１００は、担体２０、表面電極３１、配線３２、固定層３３を備えている。なお、図２では一方の表面電極３１について、担体２０、配線３２、固定層３３の位置関係が示されているが、他方の表面電極３１についても同様である。

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、外形が略円筒形状であって、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。

図１に示すように、表面電極３１は、担体２０の外表面において、互いに対向配置された一対の電極である。また、図２に示すように、表面電極３１は、矩形状の平面形状を有し、担体軸方向に延設されている。なお、表面電極３１は、担体軸方向の両端近傍には形成されていない。表面電極３１は、配線３２を介して、バッテリ等の電源に接続されている。そして、表面電極３１を介して、担体２０に電流が供給され、通電加熱される。なお、一対の表面電極３１のうちの一方がプラス極、他方がマイナス極であるが、いずれの表面電極３１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。

図１に示すように、複数の配線３２は、一対の表面電極３１のそれぞれの上に配置されている。複数の配線３２は、表面電極３１と物理的に接触するとともに電気的に接続されたリボン状の金属薄板である。配線３２は、８００℃以上の高温下での使用に耐えるため、例えば、ステンレス系合金、Ｎｉ基系合金、Ｃｏ基系合金など耐熱（耐酸化）合金からなることが好ましい。

また、図２に示すように、複数の配線３２は、担体円周方向には、表面電極３１の形成領域の全体に亘って延設されている。さらに、全ての配線３２は、表面電極３１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。他方、複数の配線３２は、表面電極３１上において、担体軸方向の全体に亘り（つまり、担体軸方向の一端から他端まで）、略等間隔で並設されている。本実施の形態に係る通電加熱式触媒装置１００では、各表面電極３１上の担体２０の軸方向中央部に１２本ずつの配線３２が設けられている。当然のことながら、配線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。

図１、２に示すように、配線３２は、固定層３３により表面電極３１に固定されている。ここで、図３は、図２におけるＩＩＩ-ＩＩＩ切断線による断面図であって、固定層３３が形成された部位での断面図である。図３に示すように、表面電極３１は、担体２０の外周面上に形成された厚さ５０〜２００μｍの溶射皮膜である。表面電極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、配線３２を表面電極３１に固定するために、配線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表面電極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。つまり、固定層３３を極力小さい形状とすることにより、上記応力を緩和している。図２に示すように、固定層３３は、配線３２及び表面電極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、配線３２を表面電極３１に、担体円周方向の略両端において固定するように、各配線３２に２箇所ずつ設けられている。さらに、図３に示すように、互いに隣接する配線３２では、固定層３３が担体円周方向にずらして配置されている。換言すると、各表面電極３１上では、矩形状の表面電極３１の２本の長辺に沿って、片側１２個ずつの固定層３３が、担体軸方向にジグザグに配置されている。

表面電極３１及び固定層３３を構成する溶射皮膜は、配線３２と同様に通電するため、金属ベースである必要がある。溶射皮膜のマトリクスを構成する金属としては、８００℃以上の高温下での使用に耐えるため、高温下での耐酸化性に優れたＮｉ−Ｃｒ合金（但し、Ｃｒ含有量は２０〜６０質量％）、ＭＣｒＡｌＹ合金（但し、ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも一種）が好ましい。ここで、上記ＮｉＣｒ合金、ＭＣｒＡｌＹ合金は、他の合金元素を含んでいてもよい。表面電極３１及び固定層３３を構成する溶射皮膜は、多孔質であってもよい。多孔質であることにより、応力を緩和する機能が高まる。

上記構成により、通電加熱式触媒装置１００では、一対の表面電極３１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。これにより、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。

ここで、図４を参照して、実施の形態１の比較例について説明する。図４は、実施の形態１の比較例に係る通電加熱式触媒装置１０の表面電極３１の真上から見た平面図である。図４に示すように、比較例に係る通電加熱式触媒装置１０では、配線３２が、表面電極３１の担体軸方向中央部のみに配置されている。その他の構成は、図２に示された通電加熱式触媒装置１００と同様である。上述の通り、比較例に係る通電加熱式触媒装置１０では、担体円周方向に延設された複数の配線３２が、表面電極３１の担体軸方向中央部のみに配置されている。そのため、劣化により表面電極３１に担体円周方向のクラックが発生した場合、担体軸方向への電流の広がりが阻害されてしまう。そのため、担体２０の軸方向中央部近傍が集中的に加熱され、この集中加熱による熱応力割れが担体２０に発生する恐れがあった。

これに対し、本実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００では、担体円周方向に延設された複数の配線３２が、担体軸方向において表面電極３１の全体に亘り所定の間隔で配置されている。そのため、劣化により表面電極３１に担体円周方向のクラックが発生した場合であっても、配線３２により担体軸方向への電流の広がりが保持される。そのため、担体２０の軸方向中央部近傍が集中的に加熱されることがなく、この集中加熱による熱応力割れを回避することができる。

（実施の形態２）
次に、図５を参照して、実施の形態２に係る通電加熱式触媒装置について説明する。図５は、実施の形態２に係る通電加熱式触媒装置２００の表面電極３１の真上から見た平面図である。実施の形態２に係る通電加熱式触媒装置２００では、配線３２のパターンが実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００と異なる。

具体的には、実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００では、担体円周方向に延設された複数の配線３２が、担体軸方向において表面電極３１の全体に亘り所定の間隔で並設されていた。これに対し、実施の形態２に係る通電加熱式触媒装置２００では、図５に示すように、配線３２が担体円周方向に延設された第１配線３２ａと担体軸方向に延設された第２配線３２ｂを有している。

より詳細には、図５に示すように、第１配線３２ａは、実施の形態１の比較例に係る通電加熱式触媒装置１０の配線３２と同様に、表面電極３１の担体軸方向中央部のみに配置されている。第２配線３２ｂは、第１配線３２ａから連続して表面電極３１の担体軸方向端部へ延設されている。図５の例では、最も外側に位置する２本の第１配線３２ａのそれぞれから６本の第２配線３２ｂが延設されている。また、図面において最も下に位置する第２配線３２ｂは、担体軸方向において表面電極３１の全体に亘り延設されている。

また、図５の例では、第２配線３２ｂを固定する固定層３３は、第２配線３２ｂに２箇所ずつ設けられている。さらに、図５に示すように、互いに隣接する第２配線３２ｂでは、固定層３３が担体軸方向にずらして配置されている。なお、固定層３３の配置は適宜決定すればよい。

本実施の形態に係る通電加熱式触媒装置２００では、表面電極３１の担体軸方向中央部のみに配置された第１配線３２ａから第２配線３２ｂが表面電極３１の担体軸方向端部へ延設されている。そのため、劣化により表面電極３１に担体円周方向のクラックが発生した場合であっても、第２配線３２ｂにより担体軸方向への電流の広がりが保持される。そのため、担体２０の軸方向中央部近傍が集中的に加熱されることがなく、この集中加熱による熱応力割れを回避することができる。

次に、図６Ａ、６Ｂを参照して、配線３２のパターンの変形例について説明する。図６Ａ、６Ｂは、実施の形態２に係る通電加熱式触媒装置２００の表面電極３１の真上から見た平面図であって、配線３２のパターンの変形例を示す図である。図６Ａ、６Ｂに示されたいずれの配線３２のパターンを用いても、図５に示された通電加熱式触媒装置２００と同様の効果を奏することができる。

図６Ａに示された配線３２のパターンのように、担体円周方向に延設された第１配線３２ａのそれぞれに担体軸方向に延設された第２配線３２ｂが接続されている。換言すると、各配線３２は１本ずつの第１配線３２ａと第２配線３２ｂとからなるＬ字形状を有している。図６Ａの例では、左右６本ずつ（合計１２本）のＬ字型の配線３２が配置されている。

図６Ｂに示された配線３２のパターンのように、担体軸方向中央に担体円周方向に延設された第１配線３２ａを１本のみ備え、その１本の第１配線３２ａから担体軸方向に第２配線３２ｂの全てが延設されている。図６Ｂの例では、左右６本ずつ（合計１２本）の第２配線３２ｂが配置されている。

図６Ａ、６Ｂに示された通電加熱式触媒装置２００でも、表面電極３１の担体軸方向中央部のみに配置された第１配線３２ａから第２配線３２ｂが表面電極３１の担体軸方向端部へ延設されている。そのため、劣化により表面電極３１に担体円周方向のクラックが発生した場合であっても、第２配線３２ｂにより担体軸方向への電流の広がりが保持される。そのため、担体２０の軸方向中央部近傍が集中的に加熱されることがなく、この集中加熱による熱応力割れを回避することができる。

（実施の形態３）
次に、図７を参照して、実施の形態３に係る通電加熱式触媒装置について説明する。図７は、実施の形態３に係る通電加熱式触媒装置３００の表面電極３１の真上から見た平面図である。図７に示すように、実施の形態３に係る通電加熱式触媒装置３００では、図５に示された実施の形態２に係る通電加熱式触媒装置２００に加え、配線カバー４０を備えている。

ここで、担体２０は担体軸方向両端部近傍において耐熱材料からなるマット（保持部）５０により、排気経路上に固定・保持される。実施の形態１、２に係る配線３２がマット５０と接触すると、熱サイクル負荷によってマットとの間に摩擦が生じ、配線３２が断線する恐れがある。これを防止するため、実施の形態３に係る通電加熱式触媒装置３００では、配線３２がマット５０と接触しないように、マット５０と表面電極３１との間に配線カバー４０を備えている。

配線カバー４０としては、８００℃以上の高温下での使用に耐えるため、例えば、ステンレス系合金、Ｎｉ基系合金、Ｃｏ基系合金など耐熱（耐酸化）合金からなる薄板を用いることができる。また、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ＣｒＮなどからなるセラミックコートやポリシラザンなどのガラスコートを配線カバー４０として用いてもよい。

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。

２０ 担体
３１ 表面電極
３２ 配線
３２ａ 第１配線
３２ｂ 第２配線
３３ 固定層
４０ 配線カバー
５０ マット
１００、２００、３００ 通電加熱式触媒装置

Claims (8)

1. 触媒が担持されたセラミックスからなる担体と、
   前記担体の外周面において、互いに対向しつつ前記担体の軸方向に延設された一対の表面電極と、
   前記表面電極へ外部から電力を供給する複数の配線と、を備え、前記表面電極を介して前記担体を通電加熱する通電加熱式触媒装置であって、
   前記複数の配線が、前記表面電極における前記軸方向の端部まで設けられているとともに、複数の固定層により前記表面電極に固定されており、
   前記複数の配線が、前記担体の周方向に延設され、かつ、前記表面電極における前記端部まで並設されており、
   前記複数の固定層は、ボタン形状を有し、前記複数の配線のそれぞれを覆うように設けられている、通電加熱式触媒装置。
2. 触媒が担持されたセラミックスからなる担体と、
   前記担体の外周面において、互いに対向しつつ前記担体の軸方向に延設された一対の表面電極と、
   前記表面電極へ外部から電力を供給する複数の配線と、を備え、前記表面電極を介して前記担体を通電加熱する通電加熱式触媒装置であって、
   前記複数の配線が、前記表面電極における前記軸方向の端部まで設けられているとともに、複数の固定層により前記表面電極に固定されており、
   前記複数の配線が、
   前記担体の周方向に延設され、かつ、前記表面電極における前記軸方向の中央部に接続された第１配線と、
   前記表面電極における前記中央部から前記端部まで前記軸方向に延設された第２配線と、を備え、
   前記複数の固定層は、ボタン形状を有し、前記複数の配線のそれぞれを覆うように設けられている、通電加熱式触媒装置。
3. 前記担体における前記軸方向の両端部を外側から保持する保持部と、
   前記保持部と前記表面電極との間に設けられた配線カバーと、をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載の通電加熱式触媒装置。
4. 前記表面電極が、Ｎｉ−Ｃｒ合金（但し、Ｃｒ含有量は２０〜６０質量％）又はＭＣｒＡｌＹ合金（但し、ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも一種）からなる溶射皮膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の通電加熱式触媒装置。
5. 前記セラミックスが、ＳｉＣを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の通電加熱式触媒装置。
6. 触媒が担持されたセラミックスからなる担体の表面に形成された表面電極を介して前記担体を通電加熱する通電加熱式触媒装置の製造方法であって、
   前記担体の外周面に、互いに対向させて前記担体の軸方向に延設された一対の前記表面電極を形成する工程と、
   外部から電力を供給する複数の配線を、前記担体の周方向に延設するとともに、前記表面電極における前記軸方向の端部まで並設して配置し、前記複数の配線のそれぞれを、ボタン形状を有する複数の固定層で覆うことにより前記表面電極に固定する工程と、を備える、通電加熱式触媒装置の製造方法。
7. 触媒が担持されたセラミックスからなる担体の表面に形成された表面電極を介して前記担体を通電加熱する通電加熱式触媒装置の製造方法であって、
   前記担体の外周面に、互いに対向させて前記担体の軸方向に延設された一対の前記表面電極を形成する工程と、
   外部から電力を供給する複数の配線を、前記表面電極における前記軸方向の端部まで配置し、前記複数の配線のそれぞれを、ボタン形状を有する複数の固定層で覆うことにより前記表面電極に固定する工程と、を備え、
   前記複数の配線に含まれる第１配線を、前記担体の周方向に延設し、かつ、前記表面電極における前記軸方向の中央部に接続し、
   前記複数の配線に含まれる第２配線を、前記表面電極における前記中央部から前記端部まで前記軸方向に延設する、通電加熱式触媒装置の製造方法。
8. 前記表面電極における前記軸方向の両端部に配線カバーを設ける工程と、
   前記配線カバーの外側から前記担体を保持する保持部を設ける工程と、をさらに備えることを特徴とする請求項６又は７のいずれか一項に記載の通電加熱式触媒装置の製造方法。

Images