DE102019203667A1

DE102019203667A1 - Träger für elektrisch beheizten katalysator und abgasreinigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102019203667A1
Application number: DE102019203667.8A
Authority: DE
Inventors: Naoya Takase
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2019-09-26
Also published as: JP6956038B2; US20190292963A1; JP2019171229A; US10590820B2; CN110354911A

Abstract

Ein Träger für einen elektrisch beheizten Katalysator enthält: eine Wabenstruktur; und ein Paar von Metallelektrodenteilen. Ein Metallelektrodenteil des Paars von Metallelektrodenteilen ist auf einer dem anderen Metallelektrodenteil über einen Mittelpunkt der Wabenstruktur hinweg entgegengesetzten Seite angeordnet. Ein Teil oder beide Teile des Paars von Metallelektrodenteilen enthält beziehungsweise enthalten: einen plattenförmigen Hauptteil; und eine Vielzahl von jeweils aus dem Hauptteil vorstehenden Zungenstücken. Ein Teil jedes Zungenstücks steht mit der Wabenstruktur in Kontakt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Träger für einen elektrisch beheizten Katalysator. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung einen Träger für einen elektrisch beheizten Katalysator, enthaltend eine Wabenstruktur und ein Paar von Metallelektrodenteilen, die so angeordnet sind, dass sie einander über einen Mittelpunkt der Wabenstruktur hinweg gegenüberliegen, in welchem ein Bruch der Wabenstruktur aufgrund eines Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Wabenstruktur und den Metallelektrodenteilen wirkungsvoll unterbunden werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine einen Träger für einen elektrisch beheizten Katalysator verwendende Abgasreinigungsvorrichtung.
Herkömmlicherweise wird ein Element, in welchem ein Katalysator auf eine Wabenstruktur aus Cordierit oder Siliciumcarbid aufgebracht ist, zur Behandlung schädlicher Stoffe in aus Kraftfahrzeugmotoren ausgestoßenen Abgasen verwendet (siehe Patentdokument 1). Eine solche Wabenstruktur hat gewöhnlich eine säulenförmige Wabenstruktur, welche Trennwände enthält, welche eine Vielzahl von Zellen definieren, welche sich von einer Stirnseite zu der anderen Stirnseite erstrecken, um Strömungswege für ein Abgas zu bilden.
Für die Behandlung des Abgases mit dem auf die Wabenstruktur aufgebrachten Katalysator muss eine Temperatur des Katalysators auf eine vorbestimmte Temperatur erhöht werden. Jedoch ist beim Starten des Motors die Katalysatortemperatur niedriger, was herkömmlicherweise ein Problem, dass das Abgas nicht genügend gereinigt wird, verursacht. Deshalb wurde ein als elektrisch beheizter Katalysator (EHC) bezeichnetes System entwickelt. In dem System sind Elektroden auf einer aus leitfähiger Keramik bestehenden Wabenstruktur angeordnet und erzeugt die Wabenstruktur selbst Wärme durch elektrische Leitung, wodurch die Temperatur des auf die Wabenstruktur aufgebrachten Katalysators vor dem Starten oder während des Startens des Motors auf eine Aktivierungstemperatur erhöht wird.
Eine elektrische Verbindung zu einer externen Verdrahtung ist erforderlich, damit ein Strom durch den EHC fließen kann. Jedoch wird aufgrund eines Unterschieds im linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen einem Oberflächenelektroden und Verdrahtung bildenden Metallmaterial und einem einen Träger bildenden Keramikmaterial während der elektrischen Beheizung eine thermische Spannung erzeugt. Deshalb besteht Bedarf an einem Element, welches auch eine spannungspuffernde Funktion erfüllt, damit nicht die thermische Spannung aufgrund des Unterschieds im linearen Ausdehnungskoeffizienten auf den Träger für den EHC einwirkt.
Als einen von mehreren Ansätzen offenbart Patentdokument 1, dass eine Verdrahtung zur Versorgung eines Paars von Oberflächenelektroden, welche sich jeweils in einer Axialrichtung einer Trägeroberfläche erstrecken, mit elektrischem Strom von außen zu einer Kammzinkenform gebildet ist und außerdem durch thermisches Spritzen an einer Vielzahl von Positionen auf denselben Kammzinken befestigt ist, um einen abgeknickten Teil zwischen den Positionen zu schaffen, wodurch eine thermische Spannung (thermische Beanspruchung) aufgrund eines Unterschieds im linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der aus einem Metall bestehenden Verdrahtung und einem aus Keramik bestehenden Träger vermindert wird.
DRUCKSCHRIFTENVERZEICHNIS
Patentliteratur
Patentdokument 1: Japanisches Patent Nr. 5761161 B
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Jedoch fällt, wenn die Vielzahl von Punkten an einer Vielzahl von Positionen auf denselben Kammzinken befestigt ist, die Ausdehnung je nach Punkt wegen einer Verteilung der Wärmeerzeugung oder dergleichen verschieden aus und wird die Belastung auf die befestigten Punkte (Kontaktpunkte) ausgeübt, so dass die Kontaktpunkte brechen können. Ferner können, obwohl man davon ausgeht, dass abgeknickte Teile vorgesehen sind, um die mechanische Spannung abzubauen, die abgeknickten Teile eine Torsionsspannung nicht abbauen, so dass die Kontaktpunkte brechen können.
Ferner erwähnt das obige Dokument auch ein Verfahren zum Befestigen derselben Elektrode an nur einem Punkt. Jedoch geht man davon aus, dass, da das Verfahren die Anzahl von Kontaktpunkten verringert, die entsprechende Strombreite schmaler wird.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Probleme gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Träger für einen elektrisch beheizten Katalysator, enthaltend eine Wabenstruktur und ein Paar von Metallelektrodenteilen, die so angeordnet sind, dass sie einander über einen Mittelpunkt der Wabenstruktur hinweg gegenüberliegen, welcher fähig ist, einen Bruch der Wabenstruktur aufgrund eines Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Wabenstruktur und den Metallelektrodenteilen wirkungsvoll zu unterbinden, bereitzustellen. Ferner ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine den Träger für den elektrisch beheizten Katalysator verwendende Abgasreinigungsvorrichtung bereitzustellen.
Durch gründliche Untersuchungen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass die obigen Probleme durch Bereitstellen einer Vielzahl von jeweils aus einem Hauptteil jedes von Metallelektrodenteilen vorstehenden Zungenstücken und In-Kontakt-Bringen der Zungenstücke mit einem Wabenstruktur-Körper gelöst werden können, so dass verhindert werden kann, dass die Wabenstruktur aufgrund eines Unterschieds im linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Metallelektrodenteilen und der Wabenstruktur einer übermäßigen Belastung durch eine thermische Spannung (thermische Beanspruchung) ausgesetzt wird. Somit wird die vorliegende Erfindung wie folgt beschrieben:

(1) Ein Träger für einen elektrisch beheizten Katalysator, enthaltend:
- eine Wabenstruktur; und
- ein Paar von Metallelektrodenteilen, wobei ein Metallelektrodenteil des Paars von Metallelektrodenteilen auf einer dem anderen Metallelektrodenteil über einen Mittelpunkt der Wabenstruktur hinweg entgegengesetzten Seite angeordnet ist;
- wobei einer oder beide des Paars von Metallelektrodenteilen enthält beziehungsweise enthalten:
  - einen plattenförmigen Hauptteil; und
  - eine Vielzahl von jeweils aus dem Hauptteil vorstehenden Zungenstücken, und
  - wobei ein Teil jedes Zungenstücks mit der Wabenstruktur in Kontakt steht.
(2) Eine Abgasreinigungsvorrichtung, enthaltend:
- den Träger für den elektrisch beheizten Katalysator gemäß Punkt (1), wobei der Träger in einem Abgasströmungsweg zum Strömenlassen eines Abgases aus einem Motor angeordnet ist; und
- ein zylindrisches Metallelement zur Aufnahme des Trägers für den elektrisch beheizten Katalysator.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Träger für den elektrisch beheizten Katalysator, enthaltend die Wabenstruktur und das Paar von Metallelektrodenteilen, wobei ein Metallelektrodenteil des Paars von Metallelektrodenteilen auf einer dem anderen Metallelektrodenteil über den Mittelpunkt der Wabenstruktur hinweg entgegengesetzten Seite angeordnet ist, einen Bruch der Wabenstruktur aufgrund des Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Wabenstruktur und den Metallelektrodenteilen wirkungsvoll unterbinden.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht, welche ein Beispiel einer Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Schnittansicht einer Wabenstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Ansicht, welche einen Mittelpunktswinkel jeder Elektrodenschicht in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine Ansicht, welche eine Anordnung von Metallelektrodenteilen in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Metallelektrodenteil 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Metallelektrodenteil 1A gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Metallelektrodenteil 1B gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Metallelektrodenteil 1C gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die 9(a), (b), (c) und 9(d) sind Ansichten zur Veranschaulichung ebener Formen von Zungenstücken 7A, 7B, 7C beziehungsweise 7D.
Die 10(a), (b) und 10(c) sind Ansichten zur Veranschaulichung ebener Formen von Zungenstücken 7E, 7F beziehungsweise 7G.
11 ist eine Ansicht, welche eine Form eines Zungenstücks zeigt.
12 ist eine Ansicht, welche einen abgeknickten Teil eines Zungenstücks zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsformen eines Trägers für einen elektrisch beheizten Katalysator gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt und können mit entsprechendem Fachwissen verschiedenartige Änderungen, Abwandlungen und Verbesserungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Wabenstruktur
1 ist eine Ansicht, welche ein Beispiel einer Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung zeigt. Zum Beispiel enthält die Wabenstruktur 10: poröse Trennwände 11, welche eine Vielzahl von Zellen 12 definieren, wobei die Zellen 12 Strömungswege für ein Fluid bilden, wobei die Zellen sich von einer Einström-Stimseite, welche eine Stirnseite auf einer Fluideinströmseite ist, zu einer Ausström-Stimseite, welche eine Stirnseite auf einer Fluidausströmseite ist, erstrecken; und eine an dem äußersten Rand angeordnete Außenumfangswand. Die Anzahl, Anordnung, Form und dergleichen der Zellen 12 sowie die Dicke jeder Trennwand 11 und dergleichen sind nicht beschränkt und können nach Bedarf nach Belieben gestaltet werden.
Ein Material der Wabenstruktur 10 ist nicht besonders beschränkt, solange es leitfähig ist, und es können Metalle, Keramik und dergleichen verwendet werden. Insbesondere unter dem Gesichtspunkt der Vereinbarkeit von Hitzebeständigkeit und Leitfähigkeit besteht das Material der Wabenstruktur 10 bevorzugt vor allem aus einem Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff oder Siliciumcarbid und ist es bevorzugter ein Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff oder Siliciumcarbid. Auch Tantalsilicid (TaSi₂) und Chromsilicid (CrSi₂) können zugesetzt sein, um den spezifischen elektrischen Widerstand der Wabenstruktur zu senken. Der Satz „Die Wabenstruktur 10 besteht vor allem aus einem Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff“ bedeutet, dass die Wabenstruktur 10 90 oder mehr Massen-% Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff (Gesamtmasse) enthält, bezogen auf die gesamte Wabenstruktur. Hier, was den Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff anbelangt, enthält dieser Siliciumcarbid-Partikel als einen Zuschlag und Silicium als ein Verbindungsmaterial zum Verbinden der Siliciumcarbid-Partikel, und eine Vielzahl von Siliciumcarbid-Partikeln ist durch Silicium verbunden, um Poren zwischen den Siliciumcarbid-Partikeln zu bilden. Der Satz „Die Wabenstruktur 10 besteht vor allem aus Siliciumcarbid“ bedeutet, dass die Wabenstruktur 10 90 oder mehr Massen-% Siliciumcarbid (Gesamtmasse) enthält, bezogen auf die gesamte Wabenstruktur.
Der spezifische elektrische Widerstand der Wabenstruktur 10 kann nach Bedarf, je nach der anzulegenden elektrischen Spannung, einschließlich, ohne darauf besonders beschränkt zu sein, zum Beispiel von 0,001 bis 200 Ωcm eingestellt sein. Für eine höhere Spannung größer als oder gleich 64 V kann er 2 bis 200 Ωcm und typisch 5 bis 100 Ωcm betragen. Ferner kann er für eine niedrigere Spannung kleiner als 64 V 0,001 bis 2 Ωcm und typisch 0,001 bis 1 Ωcm und typischer 0,01 bis 1 Ωcm betragen.
Jede Trennwand 11 der Wabenstruktur 10 hat bevorzugt eine Porosität von 35 bis 60% und bevorzugter von 35 bis 45%. Eine Porosität kleiner als 35% kann eine stärkere Verformung während des Brennens zur Folge haben. Eine Porosität größer als 60% kann eine verminderte Festigkeit der Wabenstruktur zur Folge haben. Die Porosität ist ein mit einem Quecksilberporosimeter gemessener Wert.
Jede Trennwand 11 der Wabenstruktur 10 hat bevorzugt eine durchschnittliche Porengröße von 2 bis 15 µm und bevorzugter von 4 bis 8 µm. Ein durchschnittlicher Porendurchmesser von unter 2 µm kann einen übermäßig höheren spezifischen elektrischen Widerstand zur Folge haben. Ein durchschnittlicher Porendurchmesser von über 15 µm kann einen übermäßig niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand zur Folge haben. Die durchschnittliche Porengröße ist ein mit einem Quecksilberporosimeter gemessener Wert.
Die Form jeder Zelle 12 in einem zu einer Strömungsweg-Richtung orthogonalen Querschnitt jeder Zelle ist nicht beschränkt, aber sie kann bevorzugt ein Quadrat, ein Sechseck, ein Achteck oder eine Kombination davon sein. Von diesen sind die quadratischen und sechseckigen Formen zu bevorzugen. Eine solche Wabenform hat einen geringeren Druckverlust, wenn ein Abgas durch die Wabenstruktur 10 strömt, und eine verbesserte Reinigungsleistung des Katalysators zur Folge.
Die äußere Form der Wabenstruktur 10 ist nicht besonders beschränkt, solange sie eine Säulenform darstellt, und sie kann zum Beispiel eine Form wie eine Säulenform mit runden Grundflächen (zylindrische Form), eine Säulenform mit ovalen Grundflächen und eine Säulenform mit vieleckigen (quadratischen, fünfeckigen, sechseckigen, siebeneckigen, achteckigen und dergleichen) Grundflächen und dergleichen sein. Ferner, was die Größe der Wabenstruktur 10 anbelangt, haben die Grundflächen der Wabenstruktur, im Sinne einer Steigerung der Hitzebeständigkeit, bevorzugt eine Fläche von 2000 bis 20000 mm² und bevorzugter von 4000 bis 10000 mm² (wodurch in einer Umfangsrichtung der Außenumfangs-Seitenwand erzeugte Risse verhindert werden). Ferner beträgt eine axiale Länge der Wabenstruktur 10, im Sinne einer Steigerung der Hitzebeständigkeit, bevorzugt 50 bis 200 mm und bevorzugter 75 bis 150 mm (wodurch in einer zu einer Mittelachsenrichtung parallelen Richtung in der Außenumfangs-Seitenwand erzeugte Risse verhindert werden).
Ferner kann die Wabenstruktur 10 durch Aufbringen eines Katalysators auf die Wabenstruktur 10 als Katalysatorträger verwendet werden.
Die Produktion der Wabenstruktur kann gemäß einem Verfahren zum Herstellen einer Wabenstruktur in einem bekannten Verfahren zum Produzieren einer Wabenstruktur durchgeführt werden. Zum Beispiel wird zuerst ein Formungsmaterial hergestellt, indem Siliciumcarbid-Pulver (Siliciumcarbid) metallisches Siliciumpulver (metallischem Silicium), ein Bindemittel, ein oder mehrere Netzmittel, ein Porenbildner, Wasser und dergleichen zugesetzt wird. Vorzugsweise sollte eine Masse von metallischem Silicium, bezogen auf die Summe der Masse von Siliciumcarbid-Pulver und der Masse von metallischem Silicium, 10 bis 40 Massen-% betragen. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Siliciumcarbid-Partikel in dem Siliciumcarbid-Pulver liegt bevorzugt zwischen 3 und 50 µm und bevorzugter zwischen 3 und 40 µm. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser der metallischen Siliciumpartikel in dem metallischen Siliciumpulver beträgt bevorzugt 2 bis 35 µm. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser sowohl der Siliciumcarbid-Partikel als auch der metallischen Siliciumpartikel entspricht bei Messung der Häufigkeitsverteilung der Partikelgröße mittels des Laserbeugungsverfahrens einem volumenbezogenen arithmetischen Durchmesser-Mittelwert. Die Siliciumcarbid-Partikel sind feine Partikel aus Siliciumcarbid, welche das Siliciumcarbid-Pulver bilden, und die metallischen Siliciumpartikel sind feine Partikel aus metallischem Silicium, welche das metallische Siliciumpulver bilden. Es ist zu beachten, dass dies die Formulierung für Formungs-Rohmaterialien in dem Fall ist, in welchem das Material der Wabenstruktur der Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff ist. In dem Fall, in welchem Siliciumcarbid das Material der Wabenstruktur ist, ist kein metallisches Silicium zugesetzt.
Zu Beispielen des Bindemittels zählen Methylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Hydroxypropoxylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Polyvinylalkohol und dergleichen. Von diesen wird bevorzugt Methylcellulose in Kombination mit Hydroxypropoxylcellulose verwendet. Der Bindemittelgehalt beträgt bevorzugt 2,0 bis 10,0 Massenteile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbid-Pulvers und des metallischen Siliciumpulvers 100 Massenteile beträgt.
Der Wassergehalt beträgt bevorzugt 20 bis 60 Massenteile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbid-Pulvers und des metallischen Siliciumpulvers 100 Massenteile beträgt.
Zu den Netzmitteln, welche verwendet werden können, zählen Ethylenglycol, Dextrin, Fettsäure-Seifen, Polyalkohol und dergleichen. Diese können allein oder in Kombinationen von zwei oder mehr Mitteln verwendet werden. Der Netzmittelgehalt beträgt bevorzugt 0,1 bis 2,0 Massenteile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbid-Pulvers und des metallischen Siliciumpulvers 100 Massenteile beträgt.
Der Porenbildner ist nicht besonders beschränkt, solange der Porenbildner selbst nach dem Brennen Poren bildet, und enthält zum Beispiel Graphit, Stärke, aufschäumbare Harze, wasserabsorbierende Harze, Kieselgel und dergleichen. Der Porenbildnergehalt beträgt bevorzugt 0,5 bis 10,0 Massenteile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbid-Pulvers und des metallischen Siliciumpulvers 100 Massenteile beträgt. Ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser des Porenbildners beträgt bevorzugt 10 bis 30 µm. Wenn er kleiner als 10 µm ist, werden möglicherweise nicht genügend Poren gebildet. Wenn er größer als 30 µm ist, kann während des Formens eine Matrize durch den Porenbildner verstopft werden. Die durchschnittliche Partikelgröße des Porenbildners entspricht bei Messung der Häufigkeitsverteilung der Partikelgröße mittels des Laserbeugungsverfahrens einem volumenbezogenen arithmetischen Durchmesser-Mittelwert. Wenn der Porenbildner das wasserabsorbierende Harz ist, ist der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Porenbildners ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser nach Wasserabsorption.
Dann werden die resultierenden Formungs-Rohmaterialien geknetet, um einen Grünkörper zu bilden, und dann wird der Grünkörper stranggepresst, um eine Wabenstruktur herzustellen. Beim Strangpressen kann eine Matrize mit einer gewünschten Gesamtform, Wabenform, Trennwanddicke, Wabendichte und dergleichen verwendet werden. Bevorzugt wird die resultierende Wabenstruktur getrocknet. Wenn die Länge in der Mittelachsenrichtung der Wabenstruktur nicht die gewünschte Länge ist, können die beiden Stirnseiten der Wabenstruktur auf die gewünschte Länge abgeschnitten werden.
Der getrocknete Wabenkörper wird dann gebrannt, um eine Wabenstruktur herzustellen. Vor dem Brennen kann bevorzugt eine Kalzinierung durchgeführt werden, um das Bindemittel und dergleichen zu entfernen. Die Kalzinierung erfolgt bevorzugt in einer Luftatmosphäre 0,5 bis 20 Stunden lang bei einer Temperatur von 400 bis 500 °C. Das Kalzinierungs- und das Brennverfahren sind nicht beschränkt, und sie können unter Verwendung eines Elektroofens, eines Gasofens oder dergleichen durchgeführt werden. Das Brennen kann bevorzugt in einer inerten Atmosphäre wie Stickstoff und Argon 1 bis 20 Stunden lang bei einer Temperatur von 1400 bis 1500 °C erfolgen. Nach dem Brennen wird bevorzugt eine Oxygenierungsbehandlung 1 bis 10 Stunden lang bei einer Temperatur von 1200 bis 1350 °C durchgeführt, um die Haltbarkeit zu verbessern.
Elektrodenschicht
Wie in den 1 und 2 gezeigt, weist die Außenumfangswand der Wabenstruktur 10 gemäß dieser Ausführungsform ein Paar von Elektrodenschichten 101a, 101b auf. Jede der Elektrodenschichten 101a, 101b ist zu einer Streifenform gebildet, welche sich in der Ausdehnungsrichtung der Zelle 12 der Wabenstruktur 10 erstreckt. In einem zu der Ausdehnungsrichtung der Zelle 12 orthogonalen Querschnitt der Wabenstruktur 10 ist eine Elektrodenschicht des Paars von Elektrodenschichten 101a, 101b auf einer der anderen Elektrodenschicht über einen Mittelpunkt der Wabenstruktur 10 hinweg entgegengesetzten Seite angeordnet. Das Paar der Elektrodenschichten 101a, 101 b ist für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich. Jedoch ermöglicht eine solche Konfiguration die Unterdrückung jeglicher Verzerrung eines in der Wabenstruktur 10 fließenden Stroms und die Unterdrückung jeglicher Verzerrung einer Temperaturverteilung in der Wabenstruktur 10 bei Anlegen einer elektrischen Spannung, was wünschenswert ist.
Die Elektrodenschichten 101a, 101b sind aus einem leitfähigen Material gebildet. Vorzugsweise sollte jede der Elektrodenschichten 101a, 101b vor allem aus Siliciumcarbid-Partikeln und Silicium bestehen, und noch vorzugsweiser sollte jede der Elektrodenschichten 101a, 101b, abgesehen von Verunreinigungen, welche gewöhnlich enthalten sind, unter Verwendung von Siliciumcarbid-Partikeln und Silicium als Rohmaterialien gebildet sein. Wie hierin verwendet, bedeutet die Wendung „besteht vor allem aus Siliciumcarbid-Partikeln und Silicium“, dass die Gesamtmasse von Siliciumcarbid-Partikeln und Silicium 90 oder mehr Massen-% der Masse der gesamten Elektrodenschicht entspricht. Somit besteht jede der Elektrodenschichten 101a, 101b vor allem aus Siliciumcarbid-Partikeln und Silicium, wodurch Bestandteile jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b und Bestandteile der Wabenstruktur 10 einander gleichen oder ähneln (was ein Fall ist, in welchem das Material der Wabenstruktur Siliciumcarbid ist). Deshalb haben die Elektrodenschichten 101a, 101b und die Wabenstruktur gleiche oder nah beieinanderliegende Wärmeausdehnungskoeffizientenwerte. Ferner nimmt, da die Materialien einander gleichen oder ähneln, auch eine Haftfestigkeit zwischen den Elektrodenschichten 101a, 101b und der Wabenstruktur 10 zu. Deshalb ist es, selbst wenn eine thermische Beanspruchung auf die Wabenstruktur ausgeübt wird, möglich, zu verhindern, dass die Elektrodenschichten 101a, 101b sich von der Wabenstruktur 10 abschälen oder Verbindungsteile zwischen den Elektrodenschichten 101a, 101b und der Wabenstruktur 10 brechen.
Ferner beträgt in dem zu der Ausdehnungsrichtung der Zelle 12 orthogonalen Querschnitt ein Mittelpunktswinkel α jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b bevorzugt 60 bis 120°. Ferner ist der Mittelpunktswinkel α einer der Elektrodenschichten 101a, 101b bevorzugt gleich dem 0,8- bis 1,2-fachen des Mittelpunktswinkels α der anderen der Elektrodenschichten 101a, 101b und bevorzugter gleich dem 1,0-fachen (also gleich groß). Dies kann die Unterdrückung jeglicher Verzerrung des durch den Außenumfang und durch den zentralen Bereich der Wabenstruktur fließenden Stroms ermöglichen, wenn eine elektrische Spannung zwischen dem Paar von Elektrodenschichten 101a, 101b angelegt wird. Sowohl in dem Außenumfang als auch in dem zentralen Bereich der Wabenstruktur kann jegliche Verzerrung der Wärmeerzeugung unterdrückt werden.
Wie hierin verwendet, bezeichnet der Mittelpunktswinkel α einen durch die beiden Endteile der Elektrodenschichten 101a, 101b und einen Mittelpunkt der Wabenstruktur verbindende Geraden gebildeten Winkel in dem zu der Ausdehnungsrichtung der Zelle 12 orthogonalen Querschnitt (siehe 3). In 3 sind die Mittelpunktswinkel α des Paars von Elektrodenschichten 101a, 101b gleich.
Bei der Wabenstruktur 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenschichten 101a, 101b bevorzugt niedriger als der spezifische elektrische Widerstand der Außenumfangswand der Wabenstruktur 10. Ferner liegt der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenschichten 101a, 101b bevorzugter zwischen 0,1 und 10% und besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 5% des spezifischen elektrischen Widerstands der Außenumfangswand der Wabenstruktur 10. Wenn er niedriger als 0,1% ist, nimmt eine Stärke eines zu den „Endteilen des Elektrodenteils“ innerhalb der Elektrodenschicht 101a, 101b fließenden Stroms zu, wenn eine elektrische Spannung an die Elektrodenschichten 101a, 101b angelegt wird, so dass der durch die Wabenstruktur 10 fließende Strom leicht verzerrt werden kann. Darüber hinaus kann es für die Wabenstruktur 10 schwierig sein, gleichmäßig Wärme zu erzeugen. Wenn er höher als 10% ist, nimmt eine Stärke eines sich in den Elektrodenschichten 101a, 101b ausbreitenden Stroms ab, wenn eine elektrische Spannung an die Elektrodenschichten 101a, 101b angelegt wird, und kann der durch die Wabenstruktur 10 fließende Strom leicht verzerrt werden. Darüber hinaus kann es für die Wabenstruktur 10 schwierig sein, gleichmäßig Wärme zu erzeugen.
Jede der Elektrodenschichten 101a, 101b hat bevorzugt eine Dicke von 0,01 bis 5 mm und bevorzugter von 0,01 bis 3 mm. Solche Werte der Dicke können zu einer gleichmäßigen Wärmeerzeugung der Wabenstruktur beitragen. Wenn die Dicke jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b kleiner als 0,01 mm ist, steigt der spezifische elektrische Widerstand an und ist eine gleichmäßige Wärmeerzeugung möglicherweise nicht möglich. Wenn die Dicke jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b größer als 5 mm ist, kann es beim Eindosen zu einem Bruch kommen.
Wie in 1 gezeigt, erstreckt sich bei der Wabenstruktur 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform jede der Elektrodenschichten 101a, 101b in der Ausdehnungsrichtung der Zelle 12 der Wabenstruktur 10 und ist jede der Elektrodenschichten 101a, 101b in einer „sich zwischen beiden Endteilen (beiden Stirnseiten) erstreckenden“ Streifenform gebildet. Somit ist bei der Wabenstruktur 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Paar von Elektrodenschichten 101a, 101b so angeordnet, dass es sich zwischen den beiden Endteilen der Wabenstruktur 10 erstreckt. Dies kann ein wirkungsvolleres Unterdrücken der Verzerrung des Stroms in der Axialrichtung der Wabenstruktur (das heißt, Ausdehnungsrichtung der Zelle 12) ermöglichen, wenn eine elektrische Spannung zwischen dem Paar von Elektrodenschichten 101a, 101b angelegt wird. Wie hierin verwendet, hat der Satz „Die Elektrodenschicht 101a, 101b ist zwischen den beiden Endteilen der Wabenstruktur 10 gebildet (angeordnet)“ die folgende Bedeutung: ein Endteil jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b steht mit einem Endteil (einer Stirnseite) der Wabenstruktur 10 in Kontakt, und der andere Endteil jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b steht mit dem anderen Endteil (der anderen Stirnseite) der Wabenstruktur 10 in Kontakt.
Andererseits ist eine bevorzugte Ausführungsform auch ein Zustand, in welchem mindestens ein Endteil jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b in der „Ausdehnungsrichtung der Zelle 12 der Wabenstruktur 10“ nicht mit dem Endteil (der Stirnseite) der Wabenstruktur 10 in Kontakt steht (nicht bis zu ihm (ihr) reicht). Dies kann die Wärmeschockfestigkeit der Wabenstruktur verbessern.
Bei der Wabenstruktur 10 der vorliegenden Ausführungsform ist jede der Elektrodenschichten 101a, 101b in einer solchen Form gebildet, dass ein ebenes rechteckiges Element entlang eines Außenumfangs einer Säulenform gebogen ist wie zum Beispiel in den 1 und 2 gezeigt. Hier wird eine Form, wenn die gebogene Elektrodenschicht 101a, 101b zu einem nicht-gebogenen, ebenen Element verformt ist, als eine „ebene Form“ der Elektrodenschicht 101a, 101b bezeichnet. Die „ebene Form“ der in den 1 bis 3 gezeigten Elektrodenschicht 101a, 101b ist ein Rechteck. Mit einer „Außenrand-Form der Elektrodenschicht“ wie hierin verwendet ist eine „Außenrand-Form der ebenen Form der Elektrodenschicht“ gemeint.
Bei der Wabenstruktur 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Außenrand-Form der streifenförmigen Elektrodenschicht eine Form sein, bei welcher jeder der rechtwinkligen Eckteile in einer gebogenen Form gebildet ist. Eine solche Form ermöglicht eine Verbesserung der Wärmeschockfestigkeit der Wabenstruktur. Eine bevorzugte Ausführungsform ist, dass der Außenrand der streifenförmigen Elektrodenschicht eine Form hat, bei welcher die rechtwinkligen Eckteile geradlinig abgeschrägt sind. Eine solche Form kann eine Verbesserung der Wärmeschockfestigkeit der Wabenstruktur ermöglichen.
Bei der Wabenstruktur 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Länge des Stromwegs in dem zu der Ausdehnungsrichtung der Zelle orthogonalen Querschnitt bevorzugt kleiner als oder gleich dem 1,6-fachen des Durchmessers der Wabenstruktur. Wenn sie größer als das 1,6-fache ist, wird möglicherweise unnötig Energie verbraucht. Wie hierin verwendet, bezeichnet der „Stromweg“ einen Weg, durch welchen ein Strom fließt. Die „Länge des Stromwegs“ bezeichnet eine Länge in dem „zu der Ausdehnungsrichtung der Zelle orthogonalen Querschnitt“ der Wabenstruktur, welche dem 0,5-fachen der Länge des „Außenumfangs“, durch welchen Strom fließt, entspricht. Damit ist die maximale Länge der „Stromwege, durch welche Strom fließt“ in dem „zu der Ausdehnungsrichtung der Zelle orthogonalen Querschnitt“ der Wabenstruktur gemeint. Die „Länge des Stromwegs“ ist ein, wenn die Unregelmäßigkeiten an dem Außenumfang gebildet sind oder die Schlitzöffnung zu dem Außenumfang in der Wabenstruktur gebildet ist, entlang Oberflächen innerhalb von Unregelmäßigkeiten oder eines Schlitzes gemessener Wert. Deshalb ist zum Beispiel, wenn die Schlitzöffnung zu dem Außenumfang in der Wabenstruktur gebildet ist, die „Länge des Stromwegs“ um eine Länge, welche ungefähr dem Doppelten der Tiefe des Schlitzes entspricht, länger.
Der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenschichten 101a, 101b beträgt bevorzugt 0,1 bis 1,0 Ωcm und bevorzugter 0,1 bis 50 Ωcm. Bei solchen Werten des spezifischen elektrischen Widerstands der Elektrodenschichten 101a, 101b fungiert das Paar von Elektrodenschichten 101a, 101b wirksam als Elektroden in einem Rohr, durch welches ein Abgas hoher Temperatur strömt. Wenn der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenschichten 101a, 101b kleiner als 0,1 Ωcm ist, neigt die Temperatur des Wabenteils nahe beiden Enden jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b in dem zu der Ausdehnungsrichtung der Zelle orthogonalen Querschnitt dazu, zu steigen. Wenn der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenschichten 101a, 101b größer als 100 Ωcm ist, fließt kaum Strom, so dass es schwierig sein kann, eine Rolle als Elektrode zu spielen. Der spezifische elektrische Widerstand jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b ist ein Wert bei einer Temperatur von 400 °C.
Jede der Elektrodenschichten 101a, 101b hat bevorzugt eine Porosität von 30 bis 60% und bevorzugter von 30 bis 55%. Solche Werte der Porosität jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b können für einen geeigneten spezifischen elektrischen Widerstand sorgen. Wenn die Porosität jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b kleiner als 30% ist, kommt es während der Produktion zu einer Verformung. Wenn die Porosität jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b größer als 60% ist, kann der spezifische elektrische Widerstand übermäßig ansteigen. Die Porosität ist ein mit einem Quecksilberporosimeter gemessener Wert.
Jede der Elektrodenschichten 101a, 101b hat bevorzugt einen durchschnittlichen Porendurchmesser von 5 bis 45 µm und bevorzugter von 7 bis 40 µm. Solche Werte des durchschnittlichen Porendurchmessers jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b können für einen geeigneten spezifischen elektrischen Widerstand sorgen. Wenn der durchschnittliche Porendurchmesser jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b kleiner als 5 µm ist, kann der spezifische elektrische Widerstand zu hoch werden. Wenn der durchschnittliche Porendurchmesser jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b größer als 45 µm ist, kann die Festigkeit jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b geschwächt werden und können diese eher brechen. Der durchschnittliche Porendurchmesser ist ein mit einem Quecksilberporosimeter gemessener Wert.
Wenn jede der Elektrodenschichten 101a, 101b vor allem aus dem „Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff“ besteht, haben in jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b enthaltene Siliciumcarbid-Partikel bevorzugt einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 10 bis 60 µm und bevorzugter von 20 bis 60 µm. Solche Werte des durchschnittlichen Partikeldurchmessers der in den Elektrodenschichten 101a, 101b enthaltenen Siliciumcarbid-Partikel können ermöglichen, den spezifischen elektrischen Widerstand der Elektrodenschichten 101a, 101b innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 100 Ωcm zu steuern. Wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser der in den Elektrodenschichten 101a, 101b enthaltenen Siliciumcarbid-Partikel kleiner als 10 µm ist, kann der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenschichten 101a, 101b zu hoch werden. Wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser der in den Elektrodenschichten 101a, 101b enthaltenen Siliciumcarbid-Partikel größer als 60 µm ist, kann die Festigkeit jeder der Elektrodenschichten 101a, 101b geschwächt werden und können diese eher brechen. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser der in den Elektrodenschichten 101a, 101b enthaltenen Siliciumcarbid-Partikel ist ein mittels eines Laserbeugungsverfahrens gemessener Wert.
Wenn jede der Elektrodenschichten 101a, 101b vor allem aus dem „Silicium-Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff“ besteht, liegt ein Verhältnis einer in den Elektrodenschichten 101a, 101b enthaltenen Siliciummasse zu der in den Elektrodenschichten 101a, 101b enthaltenen „Summe der jeweiligen Massen von Siliciumcarbid-Partikeln und Silicium“ bevorzugt in einem Bereich von 20 bis 40 Massen-%. Bevorzugter beträgt das Verhältnis der Siliciummasse zu der in den Elektrodenschichten 101a, 101b enthaltenen „Summe der jeweiligen Massen von Siliciumcarbid-Partikeln und Silicium“ 25 bis 35 Massen-%. Bei solchen Werten des Verhältnisses der Siliciummasse zu der in den Elektrodenschichten 101a, 101b enthaltenen „Summe der jeweiligen Massen von Siliciumcarbid-Partikeln und Silicium“ kann der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenschichten 101a, 101b in einem Bereich von 0,1 bis 100 Ωcm liegen. Wenn das Verhältnis der Siliciummasse zu der in den Elektrodenschichten 101a, 101b enthaltenen „Summe der jeweiligen Massen von Siliciumcarbid-Partikeln und Silicium“ kleiner als 20 Massen-% ist, kann der spezifische elektrische Widerstand zu hoch werden, und wenn es größer als 40 Massen-% ist, kann es während der Produktion eher zu einer Verformung kommen.
Metallelektrodenteil
Wie in 4 gezeigt, steht die Wabenstruktur 10 über die Elektrodenschichten 101a, 101b mit einem Paar von Metallelektrodenteilen 1, 1 in Kontakt. Hier weist jeder der Metallelektrodenteile 1, 1 einen plattenförmigen Hauptteil 2 und eine Vielzahl von aus dem Hauptteil vorstehenden Zungenstücken 3 (zwei in der Figur) auf. Ein Teil jedes Zungenstücks 3 steht mit der Wabenstruktur 10 in Kontakt (in der Figur steht er über eine der Elektrodenschichten 101a, 101b mit der Wabenstruktur 10 in Kontakt). Entsprechend der Anordnung können die Metallelektrodenteile 1, 1, wenn über die Elektrodenschichten 101a, 101b eine elektrische Spannung angelegt wird, unter Strom gesetzt werden, um die Wabenstruktur 10 Wärme als Joulesche Wärme erzeugen zu lassen. Deshalb kann die Wabenstruktur 10 zweckmäßig als Heizung verwendet werden. Die angelegte Spannung beträgt bevorzugt 12 bis 900 V und bevorzugter 64 bis 600 V. Jedoch kann die angelegte Spannung nach Bedarf geändert werden.
5 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Metallelektrodenteil 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Metallelektrodenteil 1 weist einen Hauptteil 2 mit der Form einer ebenen Platte auf. Eine Vielzahl von Zungenstücken 3 ist in der Figur oberhalb des Hauptteils 2 regelmäßig angeordnet. Jedes Zungenstück 3 enthält einen von dem Hauptteil 2 ansteigenden Teil 3a und einen seitlich aus dem ansteigenden Teil 3a vorstehenden flachen Teil 3b. Jedes Zungenstück 3 ist über ein Stück 20 an dem Fuß des Zungenstücks mit dem Hauptteil 2 verbunden.
In dieser Ausführungsform ist jedes Zungenstück 3 durch Ausschneiden aus dem Hauptteil 2 gebildet, so dass ein Durchgangsloch 4 mit im Wesentlichen der gleichen Form und Größe wie denjenigen des Zungenstücks 3 gebildet ist. Ein flacher Teil 3b steht mit einer oberen elektrochemischen Zelle in Kontakt.
6 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Metallelektrodenteil 1A gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Metallelektrodenteil 1A enthält einen Hauptteil 2 mit der Form einer ebenen Platte. Eine Vielzahl von Zungenstücken 13 ist in der Figur oberhalb des Hauptteils 2 regelmäßig angeordnet. Jedes Zungenstück 13 enthält einen von dem Hauptteil 2 ansteigenden Teil 13a, einen seitlich aus dem ansteigenden Teil 13a vorstehenden flachen Teil 13b und einen abfallenden Teil 13c, welcher sich von dem flachen Teil 13b zu einer Seite des Durchgangslochs 4 hin erstreckt. Der flache Teil 13b steht mit der oberen elektrochemischen Zelle in Kontakt. Jedes Zungenstück 13 ist über ein Stück 20 an dem Fuß des Zungenstücks mit dem Hauptteil 2 verbunden.
7 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Metallelektrodenteil 1B gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Metallelektrodenteil 1B weist einen Hauptteil 2 mit der Form einer ebenen Platte auf. Eine Vielzahl von Zungenstücken 23 ist in der Figur oberhalb des Hauptteils 2 regelmäßig angeordnet. Jedes Zungenstück 23 enthält einen von dem Hauptteil 2 ansteigenden Teil 23a, eine Vielzahl von abgeknickten Teilen 23b, 23c, 23d, 23e, welche mit dem ansteigenden Teil 23a zusammenhängen, und einen flachen Teil 23f. Der flache Teil 23f steht mit der oberen elektrochemischen Zelle in Kontakt. Jedes Zungenstück 23 ist über ein Stück 20 an dem Fuß des Zungenstücks mit dem Hauptteil 2 verbunden.
8 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Metallelektrodenteil 1C gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Metallelektrodenteil 1C enthält einen Hauptteil 2 mit der Form einer ebenen Platte. Eine Vielzahl von Zungenstücken 33 ist in der Figur oberhalb des Hauptteils 2 regelmäßig angeordnet. Jedes der Zungenstücke 33 enthält einen von dem Hauptteil 2 ansteigenden Teil 33a, einen gebogenen Teil 33b, welcher mit diesem zusammenhängt, und einen flachen Teil 33c, welcher mit dem gebogenen Teil 33b zusammenhängt. Der flache Teil 33c steht mit der oberen elektrochemischen Zelle in Kontakt. Jedes Zungenstück 33 ist über ein Stück 20 an dem Fuß des Zungenstücks mit dem Hauptteil 2 verbunden.
Ferner ist die Form des Hauptteils 2 nicht besonders beschränkt, solange sie eine Plattenform ist, und kann sie eine ebene Plattenform oder eine gebogene Plattenform sein (siehe 4(b)). Wenn der Hauptteil 2 die Form einer gebogenen Platte hat, stimmt die gebogene Form bevorzugt mit der Form der Seitenoberfläche der Wabenstruktur 10 überein. Das heißt, ein Abstand zwischen dem Hauptteil 2 und der Wabenstruktur 10 ist bevorzugt konstant.
Die ebene Form jedes Zungenstücks ist nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel können Zungenstücke 7A , 7B, wie in den 9(a) und 9(b) gezeigt, rechteckig sein. Ferner kann ein Zungenstück 7C, wie in 9(c) gezeigt, eine Bogenform haben. Wie in 9(d) gezeigt, kann ein Zungenstück 7D eine ovale Form haben.
Ferner kann ein Zungenstück 7E, wie in 10(a) gezeigt, eine vieleckige Form haben. Ferner kann ein Zungenstück 7F, wie in 10(b) gezeigt, eine Trapezform haben. Ferner kann ein Zungenstück 7G, wie in 10(c) gezeigt, eine Sternform haben. Die Zungenstücke können auch andere verschiedenartige unregelmäßige Formen haben.
Die Größe jedes Zungenstücks ist nicht besonders beschränkt. Um den Platz für Luftdurchlässigkeit und Verformung zu vergrößern, hat jedes Zungenstück bevorzugt eine Höhe größer als oder gleich 0,3 mm und bevorzugter größer als oder gleich 1,0 mm. Andererseits geht, wenn jedes Zungenstück zu hoch ist, ein Ausnutzungsgrad eines Gases zurück, so dass die Höhe des Zungenstücks bevorzugt kleiner als oder gleich 5,0 mm ist. Die Höhe des Zungenstücks entspricht dem längsten Abstand vertikaler Abstände jedes Teils der Zungenstücke zu dem Hauptteil.
Ein Teil jedes Zungenstücks 3 steht mit der Wabenstruktur 10 in Kontakt (siehe 4). Wenn die Elektrodenschicht auf der Oberfläche der Wabenstruktur angebracht ist, steht ein Teil des Zungenstücks 3 über die Elektrodenschicht mit der Wabenstruktur 10 in Kontakt. Somit sind der Metallelektrodenteil 1 und die Wabenstruktur 10 elektrisch verbunden. Der Kontakt eines Teils jedes Zungenstücks 3 mit der Wabenstruktur 10 kann für eine elektrische Verbindung zwischen dem Metallelektrodenteil 1 und der Wabenstruktur 10 sorgen, und das Kontaktierverfahren ist nicht beschränkt. Zum Beispiel kann der Kontakt mit der Wabenstruktur 10 durch elastische Verformung des Zungenstücks 3 aufrechterhalten werden oder kann das Zungenstück 3 an die Außenumfangswand der Wabenstruktur 10 (oder die auf der Außenumfangswand angebrachte Elektrodenschicht) geschweißt sein oder kann eine Befestigungsschicht durch thermisches Spritzen eines leitfähigen Metallmaterials (zum Beispiel eines Materials auf NiCr-Basis oder eines Materials auf CoNiCr-Basis) von einer Oberseite des Zungenstücks 3 her gebildet sein und kann das Zungenstück 3 an die Außenumfangswand der Wabenstruktur 10 (oder die auf der Außenumfangswand angebrachte Elektrodenschicht) geschweißt sein. Darüber hinaus braucht beim Befestigen jedes Zungenstücks 3 durch Bilden der Befestigungsschicht der „Kontakt“ zwischen dem Teil des Zungenstücks 3 und der Wabenstruktur 10 nicht unbedingt ein physischer Kontakt zu sein, und selbst wenn zwischen dem Zungenstück 3 und der Wabenstruktur 10 ein Zwischenraum vorhanden ist, sind der Metallelektrodenteil 1 und die Wabenstruktur 10 über die leitfähige Befestigungsschicht elektrisch verbunden, so dass der Teil der Zunge 3 und die Wabenstruktur 10 in Kontakt miteinander stehen. Das heißt, wie hierin verwendet, ist mit „Kontakt“ nicht nur physischer, sondern auch elektrischer Kontakt gemeint.
Somit enthält der Metallelektrodenteil den plattenförmigen Hauptteil und die Vielzahl von jeweils aus dem Hauptteil vorstehenden Zungenstücken und steht ein Teil der Zungenstücke mit der Wabenstruktur in Kontakt, wodurch die Vielzahl von aus dem Hauptteil vorstehenden Zungenstücken entlang der Außenumfangswand der Wabenstruktur unabhängig verformt werden kann, so dass selbst bei schlechter Formgenauigkeit der Wabenstruktur eine gute elektrische Verbindung aufrechterhalten werden kann. Ferner werden die jeweiligen Zungenstücke einzeln verformt, wodurch jedes Zungenstück mechanische Spannung aufgrund eines Unterschieds in der Wärmeausdehnung oder dergleichen absorbiert. Deshalb ist es möglich, zu verhindern, dass eine übermäßige Belastung auf die Kontaktpunkte und die Wabenstruktur ausgeübt wird.
Ferner erfüllt jedes aus der Vielzahl von Zungenstücken bevorzugt die Beziehung 1 ≤ A/B ≤ 10. „A“ ist eine kürzeste Länge A von dem aus dem Hauptteil 2 jedes Zungenstücks 3 vorstehenden Ausgangspunkt bis zu einem am weitesten vorstehenden Punkt des Zungenstücks 3, und „B“ ist ein Minimalwert B einer Breite in einer zu der Richtung des Vorstehens aus dem Hauptteil 2 orthogonalen Richtung auf einer Oberfläche des Zungenstücks 3 (11).
Wie hierin verwendet, bezeichnet die „am weitesten vorstehende Position des Zungenstücks“ einen Teil, wo ein vertikaler Abstand L zu dem Hauptteil 2 am längsten ist (siehe 11(a), (b)). Außerdem bezeichnet die „kürzeste Länge A bis zu einem am weitesten vorstehenden Punkt des Zungenstücks“ einen geradlinigen Abstand zu einem Punkt, an welchem ein Abstand von dem Ausgangspunkt des Vorstehens jedes Zungenstücks 3 aus dem Hauptteil 2 des Zungenstücks 3 am kürzesten ist, von Punkten, an welchen ein vertikaler Abstand zu dem Hauptteil 2 am längsten ist (siehe 11(a) und 11(b)). 11(a) zeigt A in dem Fall einer ebenen Plattenform, in welchem eine Spitze jedes Zungenstücks 3 parallel zu dem Hauptteil 2 ist, in dem Querschnitt des Hauptteils 2 in der Dickenrichtung, und 11(b) zeigt A in dem Fall, in welchem die Spitze jedes Zungenstücks 3 eine gebogene Oberflächenform hat, in dem Querschnitt des Hauptteils 2 in der Dickenrichtung.
Die „Richtung des Vorstehens jedes Zungenstücks 3 aus dem Hauptteil 2“ bezeichnet eine zu der Strömungsweg-Richtung der Zelle 12 der Wabenstruktur orthogonale Richtung X von dem aus dem Hauptteil 2 des Zungenstücks 3 vorstehenden Ausgangspunkt entlang der Oberfläche des Zungenstücks 3 (siehe 11(c) und 11(d)). Der „Minimalwert B einer Breite in einer zu der Richtung des Vorstehens aus dem Hauptteil 2 orthogonalen Richtung“ bezeichnet eine Breite an einer Position, wo eine Breite eines Zungenstücks 3 in einer zu der Richtung X senkrechten Richtung auf der Oberfläche des Zungenstücks 3 am kleinsten ist (siehe 11(c) und (d)).
11(c) ist eine Draufsicht des Metallelektrodenteils 1 in den 11(a) und 11(b), 11(d) ist eine Draufsicht der in einer Ebene ausgelegten Zunge 3 in 11(c). In der veranschaulichten Ausführungsform enthält die Zunge 3 einen Hals; und einen Kopf mit einer breiteren Breite als derjenigen des Halses. Der Hals hat eine konstante Breite, so dass die Breite des Halses B ist.
Bei einem Verhältnis A/B größer als oder gleich 1 lässt sich eine Vielzahl von aus dem Hauptteil vorstehenden Zungenstücken mühelos entlang der Außenumfangswand der Wabenstruktur verformen, wodurch ermöglicht wird, eine auf das Zungenstück ausgeübte Torsionsspannung abzubauen. Ferner lässt sich bei einem Verhältnis A/B kleiner als oder gleich 10 die Festigkeit des Zungenstücks bis zu einem gewissen Grad aufrechterhalten und ein Ermüdungsbruch des Zungenstücks verhindern sowie eine zum Führen eines starken Stroms erforderliche Breite sicherstellen.
Ferner sollten eine Länge L1 des Halses jedes Zungenstücks 3 und eine Länge L2 des Kopfs vorzugsweise die Beziehung 1 ≤ L1/L2 ≤ 10 erfüllen (siehe 11(d)). Bei einem Verhältnis L1/L2 größer als oder gleich 1 lässt sich eine Vielzahl von aus dem Hauptteil vorstehenden Zungenstücken mühelos entlang der Außenumfangswand der Wabenstruktur verformen und eine auf das Zungenstück ausgeübte Torsionsspannung abbauen. Außerdem lässt sich bei einem Verhältnis L1/L2 kleiner als oder gleich 10 die Festigkeit des Zungenstücks bis zu einem gewissen Grad aufrechterhalten und ein Ermüdungsbruch des Zungenstücks verhindern sowie eine zum Führen eines starken Stroms erforderliche Breite sicherstellen.
Es ist zu beachten, dass weder die Form des Halses noch die Form des Kopfs beschränkt ist, und wenn deren Erscheinungsbilder sich als ein Teil mit einer relativ schmalen Breite und ein Teil mit einer relativ breiten Breite unterscheiden lassen, können sie als ein Hals beziehungsweise ein Kopf bezeichnet werden.
Ferner enthält jedes Zungenstück 3 bevorzugt zwei oder mehr abgeknickte Teile (siehe 12). Das zwei oder mehr abgeknickte Teile enthaltende Zungenstück 3 kann durch Nutzen der elastischen Verformung des Zungenstücks 3 eine Verbesserung einer Kontakteigenschaft mit der Wabenstruktur und einen Ausgleich einer auf die Wabenstruktur ausgeübten mechanischen Spannung ermöglichen.
Zu Beispielen eines die Metallelektrodenteile 1 bildenden Metalls zählen, ohne darauf beschränkt zu sein, im Sinne leichter Verfügbarkeit repräsentativ Silber, Kupfer, Nickel, Gold, Palladium, Silicium und dergleichen. Bevorzugt ist das Metallelektrodenteil 1 eine Eisenlegierung, eine Nickellegierung oder eine Cobaltlegierung. Es ist auch möglich, statt des Metallelektrodenteils Kohlenstoff oder Keramik zu verwenden. Zu nicht-beschränkenden Beispielen von Keramik zählen mindestens eines von Si, Cr, B, Fe, Co, Ni, Ti und Ta enthaltende Keramik und exemplarisch Siliciumcarbid, Chromsilicid, Borcarbid, Chromborid und Tantalsilicid. Verbundwerkstoffe können durch Kombinieren der Metalle mit der Keramik gebildet werden.
Ferner hat jeder Metallelektrodenteil 1 bevorzugt eine Vielzahl von Löchern (siehe 11 (c)). Somit kann, wenn die Wabenstruktur Wärme erzeugt, eine wärmeisolierende Wirkung eines leitfähigen Verbindungselements selbst verhindert werden und sind Temperaturen einer Vorderseite und einer Rückseite des Metallelektrodenteils 1 konstant, so dass die auf das Innere des Metallelektrodenteils 1 ausgeübte mechanische Spannung vermindert wird, was ermöglicht, eine Verformung des Hauptteils 2 zu verhindern. Die Vielzahl von Löchern kann aus jeweils durch Ausschneiden des Zungenstücks aus einem einzigen Metallblech gebildeten Durchgangslöchern bestehen. Zum Beispiel können sie durch Verwenden eines durchlässigen Materials wie eines Gittermaterials, eines Plattenmaterials mit Lüftungslöchern und eines Streckmetalls als Hauptteil geschaffene Löcher sein.
Der Träger für einen elektrisch beheizten Katalysator gemäß der vorliegenden Erfindung kann in einer Abgasreinigungsvorrichtung verwendet werden. Somit ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Abgasreinigungsvorrichtung, enthaltend: den Träger für den elektrisch beheizten Katalysator gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei der Träger in einem Abgasströmungsweg zum Strömenlassen eines Abgases aus einem Motor angeordnet ist; und ein zylindrisches Metallelement zur Aufnahme des Trägers für den elektrisch beheizten Katalysator. Wie aus den obigen Beschreibungen ersichtlich, kann die Abgasreinigungsvorrichtung eine erforderliche Stromleitungs-Leistung zustandebringen, so dass eine stabilere Abgasreinigungsfunktion realisiert werden kann.
BEISPIELE
Im Folgenden werden zum besseren Verstehen der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile Beispiele dargestellt, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Beispiele
Siliciumcarbid- (SiC-) Pulver und metallisches Silicium- (Si-) Pulver wurden in einem Massenverhältnis von 60:40 gemischt, um ein Keramikrohmaterial herzustellen. Dem Keramikrohmaterial wurden Hydroxypropylmethylcellulose als Bindemittel, ein wasserabsorbierendes Harz als Porenbildner und Wasser zugesetzt, um ein Formungs-Rohmaterial zu bilden. Das Formungs-Rohmaterial wurde dann mittels einer Vakuum-Grünkörperknetvorrichtung geknetet, um einen rundsäulenförmigen Grünkörper herzustellen. Der Bindemittelgehalt betrug 7 Massenteile, wenn die Gesamtmenge des Siliciumcarbid- (SiC-) Pulvers und des metallischen Silicium- (Si-) Pulvers 100 Massenteile betrug. Der Porenbildnergehalt betrug 3 Massenteile, wenn die Gesamtmenge des Siliciumcarbid-(SiC-) Pulvers und des metallischen Silicium- (Si-) Pulvers 100 Massenteile betrug. Der Wassergehalt betrug 42 Massenteile, wenn die Gesamtmenge des Siliciumcarbid- (SiC-) Pulvers und des metallischen Silicium- (Si-) Pulvers 100 Massenteile betrug. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Siliciumcarbid-Pulvers betrug 20 µm, und der durchschnittliche Partikeldurchmesser des metallischen Siliciumpulvers betrug 6 µm. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Porenbildners betrug 20 µm. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser sowohl des Siliciumcarbid-Pulvers als auch des metallischen Siliciumpulvers als auch des Porenbildners entspricht bei Messung der Häufigkeitsverteilung einer Partikelgröße mittels des Laserbeugungsverfahrens einem volumenbezogenen arithmetischen Durchmesser-Mittelwert.
Der resultierende säulenförmige Grünkörper wurde mittels einer Strangpresse gebildet, um einen säulenförmigen Waben-Formkörper, in welchem jede Zelle eine quadratische Querschnittsform hatte, zu erhalten. Der resultierende Waben-Formkörper wurde einer dielektrischen Hochfrequenzerwärmung und -trocknung unterzogen und dann 2 Stunden lang bei 120° C mittels eines Heißlufttrockners getrocknet, und ein vorbestimmtes Maß beider Stirnseiten wurde abgeschnitten, um einen getrockneten Wabenkörper herzustellen. Der getrocknete Wabenkörper wurde entfettet (kalziniert) und dann gebrannt.
Dann wurden metallischem Silicium- (Si-) Pulver Hydroxypropylmethylcellulose als Bindemittel, Glycerin als Feuchthaltemittel, ein Netzmittel als Dispergiermittel und Wasser zugesetzt und wurde das Ganze miteinander vermischt. Das Gemisch wurde geknetet, um ein elektrodenschichtbildendes Rohmaterial herzustellen. Das elektrodenschichtbildende Rohmaterial wurde dann in einer Streifenform so auf die Seitenfläche des gebrannten Wabenkörpers aufgebracht, dass es sich zwischen den beiden Stirnseiten des gebrannten Wabenkörpers erstreckte, und zwar so, dass eine Dicke 1,5 mm betrug. Das elektrodenschichtbildende Material wurde an zwei Positionen auf der Seitenfläche des gebrannten Wabenkörpers aufgebracht. Dann wurde in dem zu der Ausdehnungsrichtung der Zelle orthogonalen Querschnitt einer der beiden mit dem elektrodenschichtbildenden Material bedeckten Teile auf einer dem anderen über den Mittelpunkt des gebrannten Wabenkörpers hinweg entgegengesetzten Seite angeordnet.
Das auf den gebrannten Wabenkörper aufgebrachte elektrodenschichtbildende Rohmaterial wurde dann getrocknet, um einen gebrannten Wabenkörper mit ungebrannten Elektroden zu erhalten. Die Trocknungstemperatur betrug 70 °C.
Anschließend wurde der gebrannte Wabenkörper mit ungebrannten Elektroden entfettet (kalziniert), gebrannt und weiter oxidiert, um eine Wabenstruktur zu erhalten. Das Entfetten erfolgte 3 Stunden lang bei 550 °C. Das Brennen erfolgte 2 Stunden lang bei 1450 °C in einer Ar-Atmosphäre. Die Oxidation erfolgte 1 Stunde lang bei 1300 °C. Jede der Stirnseiten der resultierenden Wabenstruktur hatte eine runde Form mit einem Durchmesser von 80 mm, und die Länge der Wabenstruktur in der Ausdehnungsrichtung der Zelle betrug 75 mm.
Dann wurden jeweils einen zu der Außenumfangswand der Wabenstruktur passenden, gebogenen plattenförmigen Hauptteil (Edelstahl-Material) aufweisende Metallelektrodenteile; und jeweils eine in 11 gezeigte Form aufweisende Zungenstücke (Edelstahl-Material) jeweils auf Außenumfangsflächen von Elektrodenschichten der Wabenstruktur so angeordnet, dass sie einander über einen Mittelpunkt der Wabenstruktur hinweg gegenüberlagen, und wurde eine Spitze jedes Zungenstücks von einer Oberseite des Zungenstücks her mittels eines Schweißverfahrens an jeder Elektrodenschicht befestigt. Spezifische Indices der Zungenstücke jedes der Beispiele und des Vergleichsbeispiels sind in Tabelle 1 angegeben.
Vergleichsbeispiel
Die Vorbereitung erfolgte unter den gleichen Bedingungen wie denjenigen der Beispiele, abgesehen davon, dass der Metallelektrodenteil gegen eine kammförmige Elektrode ausgetauscht wurde, welche keine Zungenstücke aufwies.
Wabenbruchprüfung
Jede Wabenstruktur, bei welcher Zungenstücke (oder kammförmige Elektroden) durch Schweißen befestigt waren, wurde einer Schwingungsprüfung unterzogen, bei welcher die Wabenstruktur mit einer Keramikmatte umwickelt und dann in einem Metallbehälter untergebracht wurde und eine Schwingung mit einer Frequenz von 100 Hz und einer Beschleunigung von 30 g 24 Stunden lang darauf einwirkte. Gebrochene Zustände geschweißter Teile/der Wabenstruktur wurden visuell bestätigt. Die Anzahl visuell bestätigter gebrochener Probestücke ist in Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1

Zungenstück-Form (mm) Anzahl von Brüchen

A(L1) B L2

Vergleichsbeispiel - 13/20

Beispiel 1 2 2 2 2/20

Beispiel 2 10 2 10 1/20

Beispiel 3 20 2 10 0/20

Beispiel 4 20 2 2 0/20
Erörterung
Aus den in Tabelle 1 gezeigten Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Beispiele, gegenüber dem Vergleichsbeispiel, einen Bruch der geschweißten Teile / der Wabenstruktur wirkungsvoll unterbinden. Andererseits resultierte das die Metallelektrodenteile, welche keine Zungenstücke aufwiesen, verwendende Vergleichsbeispiel in einem unzureichenden Abbau der mechanischen Spannung und einer größeren Anzahl von Brüchen der geschweißten Teile / der Wabenstruktur.
Bezugszeichenliste

10: Wabenstruktur
11: Trennwand
12: Zelle
1, 1A, 1B, 1C: Metallelektrodenteil
7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F, 7G: Zungenstück
101a, 101b: Elektrodenschicht
2: Hauptteil
3, 13, 23, 33: Zungenstück
3a, 13a, 23a, 33a: ansteigender Teil
3b, 13b, 23f, 33c: flacher Teil
20: ein Stück

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5761161 B [0006]

Claims

Träger für einen elektrisch beheizten Katalysator, enthaltend: eine Wabenstruktur; und ein Paar von Metallelektrodenteilen, wobei ein Metallelektrodenteil des Paars von Metallelektrodenteilen auf einer dem anderen Metallelektrodenteil über einen Mittelpunkt der Wabenstruktur hinweg entgegengesetzten Seite angeordnet ist; wobei ein Teil oder beide Teile des Paars von Metallelektrodenteilen enthält beziehungsweise enthalten: einen plattenförmigen Hauptteil; und eine Vielzahl von jeweils aus dem Hauptteil vorstehenden Zungenstücken, und wobei ein Teil jedes Zungenstücks mit der Wabenstruktur in Kontakt steht.
Träger für den elektrisch beheizten Katalysator nach Anspruch 1, wobei jedes aus der Vielzahl von Zungenstücken die Beziehung 1 ≤ A/B ≤ 10 erfüllt, wobei A eine kürzeste Länge A von einem aus dem Hauptteil jedes Zungenstücks vorstehenden Ausgangspunkt bis zu einer am weitesten vorstehenden Position des Zungenstücks ist, und B ein Minimalwert B einer Breite in einer zu einer Richtung des Vorstehens aus dem Hauptteil orthogonalen Richtung auf einer Oberfläche jedes Zungenstücks ist.
Träger für den elektrisch beheizten Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes der Zungenstücke enthält: einen Hals; und einen Kopf mit einer breiteren Breite als einer Breite des Halses, und wobei eine Länge L1 des Halses und eine Länge L2 des Kopfs die Beziehung 1 ≤ L1/L2 ≤ 10 erfüllen.
Träger für den elektrisch beheizten Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jedes der Zungenstücke zwei oder mehr abgeknickte Teile enthält.
Träger für den elektrisch beheizten Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wabenstruktur ein Paar von Elektrodenschichten auf einer Seitenoberfläche der Wabenstruktur enthält und wobei eine Elektrodenschicht des Paars Elektrodenschichten auf einer der anderen Elektrodenschicht über den Mittelpunkt der Wabenstruktur hinweg entgegengesetzten Seite angeordnet ist.
Träger für den elektrisch beheizten Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jeder der Metallelektrodenteile eine Eisenlegierung, eine Nickellegierung oder eine Cobaltlegierung enthält.
Träger für den elektrisch beheizten Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Hauptteil eine Vielzahl von Löchern aufweist.
Abgasreinigungsvorrichtung, enthaltend: den Träger für den elektrisch beheizten Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Träger in einem Abgasströmungsweg zum Strömenlassen eines Abgases aus einem Motor angeordnet ist; und ein zylindrisches Metallelement zur Aufnahme des Trägers für den elektrisch beheizten Katalysator.