JP5765221B2 - 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、表面電極に発生するクラックの方向が制御され、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、
前記表面電極の表面に、前記表面電極に発生するクラックの伸展方向を制御するための溝が形成されている、ものである。
表面電極に発生するクラックの方向が制御され、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。

前記配線が、前記表面電極において前記担体の軸方向の中央部に接続され、前記溝が、前記担体の軸方向に延設されていることが好ましい。
また、前記溝の深さが、前記表面電極の１／１０〜２／３であることが好ましい。これにより、確実に表面電極に発生するクラックの方向を制御することができる。
さらに、前記溝の断面形状が、楔形状であることが好ましい。これにより、さらに確実に表面電極に発生するクラックの方向を制御することができる。

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、
前記表面電極の表面に、前記表面電極に発生するクラックの伸展方向を制御するための溝を形成する工程と、
前記表面電極へ外部から電力を供給する配線を接続する工程と、を備えるものである。

前記溝を形成する工程において、前記溝を前記担体の軸方向に延設し、前記配線を接続する工程において、前記配線を、前記表面電極において前記担体の軸方向の中央部に接続することが好ましい。
また、前記溝の深さを、前記表面電極の１／１０〜２／３とすることが好ましい。
さらに、前記溝の断面形状を、楔形状とすることが好ましい。

本発明により、表面電極に発生するクラックの方向が制御され、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。 図２におけるＩＶ-ＩＶ切断線による断面図である。 図２におけるＩＶ-ＩＶ切断線による断面図であって、溝３１ａの断面形状の変形例を示す図である。 図２におけるＩＶ-ＩＶ切断線による断面図であって、溝３１ａの断面形状の変形例を示す図である。 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の平面図であって、溝３１ａのパターンの変形例を示す図である。 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の平面図であって、溝３１ａのパターンの変形例を示す図である。 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の平面図であって、溝３１ａ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１〜４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。図４は、図２におけるＩＶ-ＩＶ切断線による断面図である。

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。表面電極３１には溝３１ａが形成されている。なお、図１では表面電極３１の表面に形成された溝３１ａは省略されている。また、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、溝３１ａ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。

ここで、図２に示すように、表面電極３１の表面には、熱サイクル負荷により発生するクラックの方向を制御するための溝３１ａが、担体軸方向に延設されている。図４に示すように、溝３１ａの断面形状は楔形状である。楔の頂点に応力が集中し、楔の頂点に沿ってクラックが発生する。ここで、図５Ａ、５Ｂは、図２におけるＩＶ-ＩＶ切断線による断面図であって、溝３１ａの断面形状の変形例を示す図である。図５Ａ、５Ｂに示すように、溝３１ａの断面形状は、楔形状に限らず、半円形状や矩形状であってもよい。溝３１ａの詳細については後述する。

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、担体軸方向に沿って、略等間隔で配置されている。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。

なお、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（不図示）により、排気経路上に固定・保持される。配線３２がマットと接触すると、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。そのため、実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００では、配線３２は、マットが形成されない担体軸方向中央部のみに配置されている。

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。

次に、溝３１ａの詳細について説明する。図２に示すように、溝３１ａが、表面電極３１の担体軸方向中央部を介して、表面電極３１の担体軸方向の両端側に分断されて、７本ずつ設けられている。つまり、配線３２が接続される表面電極３１の担体軸方向中央部には、溝３１ａが設けられていない。なお、溝３１ａは分断されることなく、表面電極３１の担体軸方向全体に亘って設けられてもよい。当然のことながら、溝３１ａの本数は７本に限定されるものではなく、適宜決定される。

本実施の形態に係る通電加熱式触媒装置１００では、担体軸方向に延びた溝３１ａが、表面電極３１の表面に形成されているため、溝３１ａに沿った担体軸方向のクラックが発生し易くなる。つまり、表面電極３１に担体円周方向のクラックが発生し難くなり、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。

ここで、溝３１ａは、溶射皮膜である表面電極３１の表面を研磨により平滑にした後、型押加工、研削加工、切削加工などにより形成することができる。溝３１ａの深さは、表面電極３１の厚さの１／１０〜２／３であることが好ましい。溝３１ａの深さが、表面電極３１の厚さの１／１０未満では、クラックの方向を制御することができない。一方、溝３１ａの深さが、表面電極３１の厚さの２／３を超えると、溝３１ａの形成が著しく困難になり、加工抵抗等により担体２０が破損する恐れがある。

次に、図６Ａ〜６Ｃを参照して、溝３１ａのパターンの変形例について説明する。図６Ａ〜６Ｃ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の平面図であって、溝３１ａのパターンの変形例を示す図である。図６Ａ〜６Ｃに示されたいずれの溝３１ａのパターンを用いても、図２に示された通電加熱式触媒装置１００と同様の効果を奏することができる。

図６Ａに示された溝３１ａのパターンのように、溝３１ａは、担体軸方向に複数に分断されて形成されていてもよい。さらに、図６Ａに示すように、各溝３１ａが千鳥状に配置されていてもよい。

また、図６Ｂに示された溝３１ａのパターンのように、溝３１ａは、担体円周方向に形成された部分を有していてもよい。例えば、図６Ｂに示すように、担体軸方向に延びた２本の溝と、それら２本の溝の中央部同士を接続する担体円周方向に延びた１本の溝からなるＨ字形状の基本パターンが整列されていてもよい。また、基本パターンにおいて、担体円周方向に延びた溝が２本以上となる梯子状であってもよい。

さらに、図６Ｃに示された溝３１ａのパターンのように、溝３１ａは、担体軸方向に平行でなく、斜めに形成されていてもよい。例えば、図６Ｃに示すように、斜めに形成された複数の溝が、担体軸方向にジグザグに形成されるような構成であってもよい。

図６Ａ〜６Ｃに示すように、実施の形態１に係る表面電極３１では、熱サイクル負荷により発生するクラックが、担体軸方向に伸展し、かつ、担体円周方向には伸展しないような溝パターンであれば特に限定されることはない。

（実施の形態２）
次に、図７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７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１に係る通電加熱式触媒装置１００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７に示すように、配線３２が担体軸方向全体に亘り均等に配置されている。さらに、実施の形態１に係る通電加熱式触媒装置１００では、溝３１ａが担体軸方向に延設されていた。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７に示すように、１１本の溝３１ａが隣接する配線３２の間において担体円周方向に延設されている。

本実施の形態に係る通電加熱式触媒装置２００では、担体円周方向に延びた溝３１ａが、表面電極３１の表面に形成されているため、溝３１ａに沿った担体円周方向のクラックが発生し易くなる。このクラックによって表面電極３１が、１２個のブロックに分割されたとしても、各ブロックには配線３２が接続されているため、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。

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
３１ａ 溝
３２ 配線
３３ 固定層
１００、２００ 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、
   前記表面電極の表面に、前記表面電極に発生するクラックの伸展方向を制御するための溝が形成されており、
   前記配線が、複数本に分岐して前記担体の周方向に延設されるとともに、前記表面電極において前記担体の軸方向の中央部に接続され、
   前記溝が、前記表面電極において前記担体の軸方向に延設されているとともに前記中央部には形成されていないことを特徴とする通電加熱式触媒装置。
2. 前記溝の深さが、前記表面電極の１／１０〜２／３であることを特徴とする請求項１に記載の通電加熱式触媒装置。
3. 前記溝の断面形状が、楔形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の通電加熱式触媒装置。
4. 前記表面電極が、Ｃｒを２０〜６０質量％含有するＮｉ−Ｃｒ合金、又は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも一種をＭとして含むＭＣｒＡｌＹ合金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、
   前記表面電極の表面に、前記表面電極に発生するクラックの伸展方向を制御するための溝を形成する工程と、
   前記表面電極へ外部から電力を供給する配線を接続する工程と、を備え、
   前記溝を形成する工程において、前記溝を前記担体の軸方向に延設するとともに、前記担体の軸方向の中央部には形成せず、
   前記配線を接続する工程において、複数本に分岐して前記担体の周方向に延設された前記配線を、前記中央部に接続することを特徴とする通電加熱式触媒装置の製造方法。
7. 前記溝の深さを、前記表面電極の１／１０〜２／３とすることを特徴とする請求項６に記載の通電加熱式触媒装置の製造方法。
8. 前記溝の断面形状を、楔形状とすることを特徴とする請求項６又は７に記載の通電加熱式触媒装置の製造方法。

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