DE102019217589A1

DE102019217589A1 - Träger für einen elektrisch beheizten katalysator und abgasreinigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102019217589A1
Application number: DE102019217589.9A
Authority: DE
Inventors: Naoki Okamoto; Takayuki Inoue
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2020-05-20
Also published as: US10655526B1; US20200157998A1; JP2020081922A; CN111195533A

Abstract

Ein Träger für einen elektrisch beheizten Katalysator umfasst: eine Wabenstruktur mit Trennwänden, die eine Vielzahl von Zellen definieren, wobei sich jede der Zellen von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite erstreckt, um einen Fluidweg für ein Fluid zu bilden; und ein Paar von Elektrodenschichten, die an einer Seitenfläche der Wabenstruktur ausgebildet sind, wobei die Elektrodenschichten des Paars so angeordnet sind, dass sie einander über einen Mittelpunkt der Wabenstruktur hinweg gegenüberliegen. Das Paar von Elektrodenschichten ist mit der Wabenstruktur elektrisch verbunden. Die Wabenstrukturseite jeder der Elektrodenschichten umfasst einen Abschnitt mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Träger für einen elektrisch beheizten Katalysator und eine Abgasreinigungsvorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Träger für einen elektrisch beheizten Katalysator mit einer Wabenstruktur und Elektrodenschichten, der eine Rissbildung in der Wabenstruktur, die durch thermische Beanspruchung aufgrund einer Differenz zwischen einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstruktur und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrodenschichten verursacht wird, wirksam unterdrücken kann; und eine Abgasreinigungsvorrichtung, bei welcher der Träger für den elektrisch beheizten Katalysator zum Einsatz kommt.
Herkömmlicherweise wird zur Behandlung von Schadstoffen in Abgasen von Kraftfahrzeugmotoren ein Körper verwendet, in dem ein Katalysator auf einer Wabenstruktur aus Cordierit oder Siliciumcarbid geträgert ist. Eine solche Wabenstruktur weist im Allgemeinen eine säulenförmige Wabenstruktur auf, die Trennwände umfasst, welche eine Vielzahl von sich von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite erstreckenden Zellen definieren, um Strömungswege für ein Abgas zu bilden.
Für die Behandlung des Abgases mit dem auf der Wabenstruktur geträgerten Katalysator muss eine Temperatur des Katalysators auf eine vorbestimmte Temperatur erhöht werden. Beim Anlassen des Motors ist die Katalysatortemperatur jedoch niedriger, was herkömmlicherweise zu dem Problem führt, dass das Abgas nicht ausreichend gereinigt wird. Daher wurde ein System entwickelt, das als elektrisch beheizter Katalysator („electric heating catalyst“, EHC) bezeichnet wird. Bei dem System sind Elektroden an einer Wabenstruktur aus leitfähiger Keramik angeordnet und die Wabenstruktur selbst erzeugt durch elektrisches Leiten Wärme, wodurch die Temperatur des auf der Wabenstruktur geträgerten Katalysators vor oder während des Motorstarts auf eine Aktivierungstemperatur erhöht wird.
Das Patentdokument 1 schlägt eine Wabenstruktur vor, die ein Katalysatorträger ist, die außerdem durch Anlegen einer Spannung als Heizeinrichtung fungiert, und die bei Anlegen einer Spannung eine Vorbelastung einer Temperaturverteilung unterdrücken kann. Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die Vorbelastung der Temperaturverteilung, die erzeugt wird, wenn die Spannung angelegt wird, unterdrückt wird, indem ein Paar von Elektrodenabschnitten (im Folgenden auch als „Elektrodenschichten“ bezeichnet) in Form von Streifen an einer Seitenfläche der säulenförmigen Wabenstruktur in einer Erstreckungsrichtung einer Zelle der Wabenstruktur angeordnet werden, und indem ein Elektrodenabschnitt des Paares von Elektrodenabschnitten auf einer Seite angeordnet wird, die dem anderen Elektrodenabschnitt des Paares von Elektrodenabschnitten über einen Mittelpunkt der Wabenstruktur hinweg in einem zur Erstreckungsrichtung der Zelle orthogonalen Querschnitt gegenüberliegt.
Das Anordnen der Elektrodenschichten an der Wabenstruktur erfordert eine gute Haftfestigkeit eines verbundenen Abschnitts, ein verringertes Änderungsverhältnis des elektrischen Widerstands an dem verbundenen Abschnitt und einen geringeren Kontaktwärmewiderstand des verbundenen Abschnitts. Das Patentdokument 2 offenbart als seinen Ansatz eine Wabenstruktur, umfassend: einen Wabenkeramikkörper mit Trennwänden und einer Außenumfangswand, die am äußersten Umfang positioniert ist, wobei die Trennwände eine Vielzahl von Zellen definieren, die sich von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite erstrecken, um Strömungswege für ein Fluid zu bilden, wobei der Wabenkeramikkörper metallisches Si enthält; und einen verbundenen Abschnitt, der auf eine Außenumfangsfläche des Keramikkörpers geklebt ist, wobei der verbundene Abschnitt Folgendes aufweist: eine Diffusionsschicht, die an der Außenumfangsseite des Keramikkörpers angeordnet ist, wobei die Diffusionsschicht hauptsächlich auf einem Metallsilicid basiert; und eine auf der Diffusionsschicht ausgebildete Metallschicht, und wobei die Metallschicht als Hauptkomponente eine Metallkomponente enthält und eine diffundierte Verbindung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 5,0 × 10^-6/°C oder weniger aufweist.
LISTE DER ANFÜHRUNGEN
Patentliteratur

Patentdokument 1: WO 2013/146955
Patentdokument 2: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2014-51402 A

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In der in Patentdokument 2 offenbarten Erfindung sind die Diffusionsschicht, die hauptsächlich auf einem Metallsilicid basiert, und die auf der Diffusionsschicht ausgebildete Elektrodenschicht (Metallschicht) an der seitlichen Außenumfangsfläche der Wabenstruktur angeordnet. Die Elektrodenschicht hat jedoch im Allgemeinen einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Wabenstruktur. Das Verhältnis der Wärmeausdehnungskoeffizienten in der in Patentdokument 2 offenbarten Erfindung ist daher wie folgt: [Wärmeausdehnungskoeffizient der] Wabenstruktur < [Wärmeausdehnungskoeffizient der] Diffusionsschicht < [Wärmeausdehnungskoeffizient der] Elektrodenschicht, wodurch ein Problem dahingehend verursacht wird, dass bei steigender Temperatur des Trägers für den elektrisch beheizten Katalysator eine thermische Belastung aufgrund einer Differenz der Wärmeausdehnung jedes Elements erzeugt wird, und Risse in der Wabenstruktur entstehen.
Um die thermische Belastung aufgrund der Differenz der Wärmeausdehnung jedes Elements zu unterdrücken, wird in Betracht gezogen, den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrodenschichten zu verringern, um die Differenz der Wärmeausdehnung zu reduzieren. Die Materialien der Elektrodenschichten beeinflussen jedoch die Leistungsfähigkeit, sodass es schwierig ist, den Wärmeausdehnungskoeffizienten anzupassen. Daher sind andere Ansätze zur Verminderung der thermischen Belastung erforderlich.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben genannten Probleme entwickelt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Träger für einen elektrisch beheizten Katalysator mit einer Wabenstruktur und Elektrodenschichten bereitzustellen, der eine Rissbildung in der Wabenstruktur, die durch thermische Beanspruchung aufgrund einer Differenz zwischen einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstruktur und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrodenschichten verursacht wird, wirksam unterdrücken kann; und eine Abgasreinigungsvorrichtung, bei welcher der Träger für den beheizten Katalysator zum Einsatz kommt.
Als Ergebnis intensiver Studien haben die Erfinder festgestellt, dass die oben genannten Probleme lösbar sind durch das Vorhandensein eines Abschnitts mit einem bestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf der Wabenstrukturseite jeder Elektrodenschicht. Somit wird die vorliegende Erfindung wie folgt spezifiziert:

(1) Ein Träger für einen elektrisch beheizten Katalysator, umfassend:
- eine Wabenstruktur mit Trennwänden, die eine Vielzahl von Zellen definieren, wobei sich jede der Zellen von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite erstreckt, um einen Fluidweg für ein Fluid zu bilden; und
- ein Paar von Elektrodenschichten, die an einer Seitenfläche der Wabenstruktur ausgebildet sind, wobei die Elektrodenschichten des Paars so angeordnet sind, dass sie einander über einen Mittelpunkt der Wabenstruktur hinweg gegenüberliegen;
wobei das Paar von Elektrodenschichten mit der Wabenstruktur elektrisch verbunden ist, und wobei die Wabenstrukturseite jeder der Elektrodenschichten einen Abschnitt mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten umfasst, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur.
(2) Der Träger für den elektrisch beheizten Katalysator gemäß Absatz (1), wobei eine Differenz zwischen einem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Abschnitts mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur, und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstruktur 1,0 [ppm]/K oder mehr beträgt.
(3) Der Träger für den elektrisch beheizten Katalysator gemäß Absatz (1) oder (2), wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Abschnitts mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur, niedriger ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient jeder der Elektrodenschichten.
(4) Der Träger für den elektrisch beheizten Katalysator gemäß einem der Absätze (1) bis (3), wobei der Abschnitt mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur, eine Zwischenschicht ist, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur.
(5) Der Träger für den elektrisch beheizten Katalysator gemäß Absatz (4), wobei die Zwischenschicht eine Dicke von 3 bis 400 µm aufweist.
(6) Der Träger für den elektrisch beheizten Katalysator gemäß Absatz (4) oder (5), wobei die Zwischenschicht eine Fläche aufweist, die größer ist als diejenige jeder der Elektrodenschichten, und wobei in einer Projektionsebene auf die Seitenfläche der Wabenstruktur eine Projektionsebene jeder der Elektrodenschichten vollständig in einer Projektionsebene der Zwischenschicht enthalten ist.
(7) Der Träger für den elektrisch beheizten Katalysator gemäß einem der Absätze (1) bis (6), wobei die Wabenstruktur als eine Hauptkomponente ein Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial oder Siliciumcarbid umfasst.
(8) Der Träger für den elektrisch beheizten Katalysator gemäß einem der Absätze (1) bis (7), wobei der Abschnitt mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur, eine Oxidkeramik oder eine Mischung aus einem Metall oder einer Metallverbindung und einer Oxidkeramik umfasst.
(9) Der Träger für den elektrisch beheizten Katalysator gemäß einem der Absätze (1) bis (8), wobei jede der Elektrodenschichten eine Mischung aus einem Metall oder einer Metallverbindung und einer Oxidkeramik umfasst.
(10) Eine Abgasreinigungsvorrichtung, umfassend:
- den Träger für den elektrisch beheizten Katalysator gemäß einem der Absätze (1) bis (9), wobei der Träger in einem Abgasströmungsweg angeordnet ist, durch den ein Abgas aus einem Motor strömen kann; und
- ein zylindrisches Metallelement zur Aufnahme des Trägers für den elektrisch beheizten Katalysator.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Folgendes bereitzustellen: einen Träger für einen elektrisch beheizten Katalysator mit einer Wabenstruktur und Elektrodenschichten, der eine Rissbildung in der Wabenstruktur, die durch thermische Beanspruchung aufgrund einer Differenz zwischen einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstruktur und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrodenschichten verursacht wird, wirksam unterdrücken kann; und eine Abgasreinigungsvorrichtung, bei welcher der Träger für den elektrisch beheizten Katalysator zum Einsatz kommt.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine Ansicht eines Beispiels für eine erfindungsgemäße Wabenstruktur;
2 eine Ansicht des Aufbaus eines Trägers für einen elektrisch beheizten Katalysator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine Projektionsebene auf einer Seitenfläche einer Wabenstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine Ansicht des Aufbaus eines Trägers für einen elektrisch beheizten Katalysator, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden Ausführungsformen eines Trägers für einen erfindungsgemäßen elektrisch beheizten Katalysator unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Abänderungen, Abwandlungen und Verbesserungen können hinzugefügt werden, ohne auf der Grundlage des Wissens der Fachleute auf dem Gebiet vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, abzuweichen.
(Wabenstruktur)
Die 1 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer Wabenstruktur in der vorliegenden Erfindung zeigt. Beispielsweise umfasst die Wabenstruktur 10: poröse Trennwände 11, die eine Vielzahl von Zellen 12 definieren, wobei die Zellen 12 Strömungswege für ein Fluid bilden, wobei die Zellen sich von einer Einströmbodenfläche, die eine Stirnseite auf einer Fluideinströmseite ist, zu einer Ausströmbodenfläche, die eine Stirnseite auf einer Fluidausströmseite ist, erstrecken; und eine Außenumfangswand, die sich am äußersten Umfang befindet. Die Anzahl, Anordnung, Form und dergleichen der Zellen 12, sowie die Dicke jeder Trennwand 11 und dergleichen sind nicht beschränkt und können gegebenenfalls nach Bedarf gestaltet werden.
Ein Material der Wabenstruktur 10 ist nicht besonders beschränkt, solange dieser leitfähig ist, und es können Metalle, Keramiken und dergleichen verwendet werden. Insbesondere im Hinblick auf die Kompatibilität von Wärmeformbeständigkeit und Leitfähigkeit basiert das Material der Wabenstruktur 10 bevorzugt hauptsächlich auf einem Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial oder Siliciumcarbid, und noch bevorzugter ist es ein Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial oder Siliciumcarbid. Tantalsilicid (TaSi₂) und Chromsilicid (CrSi₂) können ebenfalls zugesetzt werden, um den spezifischen elektrischen Widerstand der Wabenstruktur zu verringern. Der Satz „die Wabenstruktur 10 basiert hauptsächlich auf einem Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial“ bedeutet, dass die Wabenstruktur 10, bezogen auf die gesamte Wabenstruktur, 90 Masse-% oder mehr Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial (Gesamtmasse) enthält. Für das Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial enthält es hier Siliciumcarbidpartikel als ein Zuschlagstoff und Silicium als ein Bindematerial zum Binden der Siliciumcarbidpartikel, und eine Vielzahl von Siliciumcarbidpartikeln sind durch Silicium gebunden, um Poren zwischen den Siliciumcarbidpartikeln zu bilden. Der Satz „die Wabenstruktur 10 basiert hauptsächlich auf Siliciumcarbid“ bedeutet, dass die Wabenstruktur 10, bezogen auf die gesamte Wabenstruktur, 90 Masse-% oder mehr Siliciumcarbid (Gesamtmasse) enthält.
Der spezifische elektrische Widerstand der Wabenstruktur 10 kann in Abhängigkeit von der anzulegenden Spannung nach Bedarf festgelegt werden, einschließlich, aber nicht besonders beschränkt auf beispielsweise 0,001 bis 200 Ω · cm. Für eine höhere Spannung von 64 V oder mehr kann er von 2 bis 200 Ω · cm und üblicherweise von 5 bis 100 Ω · cm betragen. Für eine niedrigere Spannung von kleiner als 64 V kann er ferner von 0,001 bis 2 Ω · cm und üblicherweise von 0,001 bis 1 Ω · cm und noch üblicher von 0,01 bis 1 Ω · cm betragen.
Jede Trennwand 11 der Wabenstruktur 10 weist bevorzugt eine Porosität von 35 bis 60 % und bevorzugter von 35 bis 45 % auf. Die Porosität von 35% oder höher kann ferner die Verformung während des Brennens unterdrücken, was bevorzugt ist. Die Porosität von 60% oder weniger erhält eine ausreichende Festigkeit der Wabenstruktur aufrecht. Die Porosität ist ein Wert, der mit einem Quecksilberporosimeter gemessen wird.
Jede Trennwand 11 der Wabenstruktur 10 weist vorzugsweise einen mittleren Porendurchmesser von 2 bis 15 µm und besonders bevorzugt von 4 bis 8 µm auf. Der mittlere Porendurchmesser von 2 µm oder mehr kann einen zu hohen spezifischen elektrischen Widerstand verhindern. Der mittlere Porendurchmesser von 15 µm oder weniger kann einen zu geringen spezifischen elektrischen Widerstand verhindern. Der mittlere Porendurchmesser ist ein mit einem Quecksilberporosimeter gemessener Wert.
Die Form jeder Zelle 12 in einem Querschnitt orthogonal zu einer Strömungswegrichtung jeder Zelle ist nicht beschränkt, kann jedoch vorzugsweise ein Quadrat, ein Sechseck, ein Achteck oder eine Kombination aus diesen sein. Von diesen Formen sind die quadratische und die sechseckige Form bevorzugt. Eine solche Zellform führt zu einem geringeren Druckverlust, wenn ein Abgas durch die Wabenstruktur 10 strömt, und zu einer verbesserten Reinigungsleistung des Katalysators.
Die Außenform der Wabenstruktur 10 ist nicht besonders beschränkt, solange diese eine Säulenform aufweist, und sie kann beispielsweise eine Form wie eine Säulenform mit kreisförmigen Böden (zylindrische Form), eine Säulenform mit ovalen Böden und eine Säulenform mit polygonalen (quadratischen, fünfeckigen, sechseckigen, siebeneckigen, achteckigen und dergleichen) Böden und dergleichen sein. Was die Größe der Wabenstruktur 10 betrifft, so weist die Wabenstruktur im Hinblick auf die Erhöhung der Wärmeformbeständigkeit (Vermeidung von Rissen, die in Umfangsrichtung der äußeren Umfangsseitenwand entstehen) vorzugsweise eine Grundfläche von 2000 bis 20000 mm² und besonders bevorzugt von 4000 bis 10000 mm² auf. Im Hinblick auf die Erhöhung der Wärmeformbeständigkeit (Vermeidung von Rissen, die in einer Richtung parallel zu einer Richtung der Mittelachse an der äußeren Umfangsseitenwand entstehen) beträgt eine axiale Länge der Wabenstruktur 10 ferner vorzugsweise 50 bis 200 mm und besonders bevorzugt 75 bis 150 mm.
Ferner kann die Wabenstruktur 10 als Katalysatorträger verwendet werden, indem ein Katalysator auf der Wabenstruktur 10 geträgert wird.
Die Herstellung der Wabenstruktur kann gemäß einem Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur in einem bekannten Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur durchgeführt werden. Beispielsweise wird zuerst ein Formmaterial hergestellt, indem metallisches Siliciumpulver (metallisches Silicium), ein Bindemittel, ein oberflächenaktives Mittel bzw. oberflächenaktive Mittel, ein Porenbildner, Wasser und dergleichen zu Siliciumcarbidpulver (Siliciumcarbid) gegeben werden. Es ist bevorzugt, dass eine Masse des metallischen Siliciumpulvers 10 bis 40 Masse-% bezogen auf die Gesamtmasse des Pulvers metallischen Siliciums und der Masse des Pulvers metallischen Siliciums beträgt. Der mittlere Partikeldurchmesser der Siliciumcarbidpartikel in dem Siliciumcarbidpulver beträgt bevorzugt 3 bis 50 µm und bevorzugter 3 bis 40 µm. Der mittlere Partikeldurchmesser der Partikel metallischen Siliciums in dem Pulver metallischen Siliciums beträgt vorzugsweise 2 bis 35 µm. Der mittlere Partikeldurchmesser sowohl der Siliciumcarbidpartikel als auch der Partikel metallischen Siliciums bezieht sich auf einen volumenbezogenen arithmetischen Durchmesser-Mittelwert, wenn eine Häufigkeitsverteilung der Partikelgröße durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird. Die Siliciumcarbidpartikel sind feine Partikel des Siliciumcarbids, die das Siliciumcarbidpulver bilden, und die Partikel des metallischen Siliciums sind feine Partikel des metallischen Siliciums, die das Pulver metallischen Siliciums bilden. Es sei darauf hingewiesen, dass dies eine Formulierung zur Bildung von Rohmaterialien in dem Fall ist, in dem das Material der Wabenstruktur das Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial ist. In dem Fall, in dem das Material der Wabenstruktur Siliciumcarbid ist, wird kein metallisches Silicium zugesetzt.
Beispiele für das Bindemittel umfassen Methylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Hydroxypropoxylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Polyvinylalkohol und dergleichen. Von diesen Bindemitteln wird bevorzugt Methylcellulose in Kombination mit Hydroxypropoxylcellulose verwendet. Der Gehalt des Bindemittels beträgt bevorzugt 2,0 bis 10,0 Massenteile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des Pulvers metallischen Siliciums 100 Massenteile beträgt.
Der Wassergehalt beträgt bevorzugt 20 bis 60 Massenteile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des Pulvers metallischen Siliciums 100 Massenteile beträgt.
Das oberflächenaktive Mittel, das verwendet werden kann, umfasst Ethylenglykol, Dextrin, Fettsäureseifen, einen Polyalkohol und dergleichen. Diese können allein oder in Kombination aus zwei oder mehreren verwendet werden. Der Gehalt des oberflächenaktiven Mittels beträgt bevorzugt 0,1 bis 2,0 Massenteile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des Pulvers metallischen Siliciums 100 Massenteile beträgt.
Der Porenbildner ist nicht besonders beschränkt, solange der Porenbildner selbst Poren nach dem Brennen bildet, und umfasst beispielsweise Graphit, Stärke, geschäumte Harze, wasserabsorbierende Harze, Kieselgel und dergleichen. Der Gehalt des Porenbildners beträgt bevorzugt 0,5 bis 10,0 Massenteile, wenn die Gesamtmasse des Siliciumcarbidpulvers und des Pulvers metallischen Siliciums 100 Massenteile beträgt. Ein mittlerer Partikeldurchmesser des Porenbildners beträgt vorzugsweise 10 bis 30 µm. Der mittlere Partikeldurchmesser von 10 µm oder mehr kann eine ausreichende Porenbildung ermöglichen. Der mittlere Partikeldurchmesser von 30 µm oder weniger kann verhindern, dass ein Formwerkzeug während des Formens mit dem Porenbildner verstopft wird. Der mittlere Partikeldurchmesser des Porenbildners bezieht sich auf einen volumenbezogenen arithmetischen Durchmesser-Mittelwert, wenn eine Häufigkeitsverteilung der Partikelgröße durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird. Wenn der Porenbildner das wasserabsorbierende Harz ist, ist der mittlere Partikeldurchmesser des Porenbildners ein mittlerer Partikeldurchmesser nach der Wasseraufnahme.
Anschließend werden die resultierenden Formungsrohmaterialien geknetet, um einen Grünkörper zu bilden, und der Grünkörper wird anschließend extrudiert, um eine Wabenstruktur herzustellen. Bei dem Extrudieren kann ein Formwerkzeug mit einer gewünschten Gesamtform, Zellenform, Trennwanddicke, Zellendichte und dergleichen verwendet werden. Vorzugsweise wird die resultierende Wabenstruktur anschließend getrocknet. Wenn die Länge in der Richtung der Mittelachse der Wabenstruktur nicht die gewünschte Länge ist, können beide Bodenflächen der Wabenstruktur auf die gewünschte Länge geschnitten werden.
(Elektrodenschicht)
Wie in der 2 dargestellt, umfasst der Träger für den elektrisch beheizten Katalysator an der Außenumfangswand der Wabenstruktur 10 ein Paar von Elektrodenschichten 13a, 13b. Jede der Elektrodenschichten 13a, 13b, ist zu einer Streifenform ausgebildet, die sich in der Erstreckungsrichtung der Zelle 12 der Wabenstruktur 10 erstreckt. Jede der Elektrodenschichten 13a, 13b, ist mit der Wabenstruktur 10 elektrisch verbunden. In einem zur Erstreckungsrichtung der Zelle 12 orthogonalen Querschnitt der Wabenstruktur 10 ist das Paar von Elektrodenschichten 13a, 13b, so angeordnet, dass sie über einen Mittelpunkt O der Wabenstruktur 10 hinweg einander zugewandt sind. Eine solche Konfiguration ermöglicht die Unterdrückung einer beliebigen Vorspannung eines in der Wabenstruktur 10 fließenden Stroms und die Unterdrückung einer beliebigen Vorbelastung einer Temperaturverteilung in der Wabenstruktur 10, wenn eine Spannung angelegt wird.
Die Elektrodenschichten 13a, 13b, sind aus einem Material mit Leitfähigkeit gebildet. Die Elektrodenschichten 13a, 13b, bestehen vorzugsweise aus einer Oxidkeramik oder einem Gemisch aus einem Metall oder einer Metallverbindung und einer Oxidkeramik. Das Metall kann entweder ein einzelnes Metall oder eine Legierung sein, einschließlich beispielsweise Silicium, Aluminium, Eisen, Edelstahl, Titan, Wolfram, Ni-Cr-Legierungen und dergleichen. Beispiele für die Metallverbindung, die nicht die Oxidkeramik ist, umfassen Metalloxide, Metallnitride, Metallcarbide, Metallsilicide, Metallboride, Verbundoxide und dergleichen und beispielsweise können FeSi₂, CrSi₂, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Titanoxid und dergleichen vorzugsweise verwendet werden. Jedes von dem Metall und der Metallverbindung kann allein oder in Kombination von zwei oder mehr Typen verwendet werden.
Konkrete Beispiele für die Oxidkeramik umfassen Glas, Cordierit und Mullit.
Das Glas kann ferner ein Oxid enthalten, das aus mindestens einer Komponente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus B, Mg, AI, Si, P, Ti und Zr besteht. Das zusätzliche Enthalten von mindestens einer aus der obigen Gruppe ausgewählten Komponente, ist bevorzugt, um eine weitere Verbesserung der Festigkeit jeder Elektrodenschicht zu ermöglichen.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, umfasst der Träger für den elektrisch beheizten Katalysator ferner ein Paar von Elektrodenabschnitten, die mit der Elektrodenschicht 13a bzw. der Elektrodenschicht 13b verbunden sind. Gemäß der Anordnung können die Metallelektrodenabschnitte beim Anlegen einer Spannung durch die Elektrodenschichten 13a, 13b, mit Strom versorgt werden, um zu bewirken, dass die Wabenstruktur 10 durch Stromwärme Wärme erzeugt. Daher kann die Wabenstruktur 10 in geeigneter Weise als Heizeinrichtung verwendet werden. Die angelegte Spannung beträgt vorzugsweise 12 bis 900 V und besonders bevorzugt 64 bis 600 V. Die angelegte Spannung kann jedoch nach Bedarf geändert werden.
Für die Elektrodenabschnitte kann ein Metall, eine Keramik oder dergleichen verwendet werden. Beispiele für ein Metall umfassen repräsentativ, ohne darauf beschränkt zu sein, aus Gründen der leichten Verfügbarkeit Silber, Kupfer, Nickel, Gold, Palladium, Silicium und dergleichen. Es ist auch möglich, Kohlenstoff zu verwenden. Nicht einschränkende Beispiele für Keramiken umfassen Keramiken, die mindestens eines von Si, Cr, B, Fe, Co, Ni, Ti und Ta und beispielsweise Siliciumcarbid, Chromsilicid, Borcarbid, Chromborid und Tantalsilicid enthalten. Durch Kombination der Metalle mit den Keramiken können Verbundwerkstoffe gebildet werden.
(Abschnitt mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur)
Wie in der 2 dargestellt, umfasst der Träger für den elektrisch beheizten Katalysator gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf der Wabenstrukturseite jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b, die Abschnitte 14a, 14b, (nachstehend als „Abschnitte 14a, 14b“ bezeichnet), die jeweils einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur 10. Dabei ist es wichtig, dass die Abschnitte 14a, 14b einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur 10.
Wie vorstehend beschrieben weisen die Elektrodenschichten im Allgemeinen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der höher ist, als derjenige der Wabenstruktur. Daher besteht das Problem, dass bei steigender Temperatur des Trägers für den elektrisch beheizten Katalysator eine thermische Belastung aufgrund einer Differenz der Wärmeausdehnung jedes Elements erzeugt wird, wodurch Risse in der Wabenstruktur entstehen. Daher sind die Abschnitte 14a, 14b mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur 10, an Wabenstrukturseiten der Elektrodenschichten 13a, 13b, vorgesehen. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient der Abschnitte 14a, 14b niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur 10, ist die Wärmeausdehnung der Abschnitte 14a, 14b selbst dann geringer als die Wärmeausdehnung der Wabenstruktur 10, wenn die Temperatur des Trägers für den elektrisch beheizten Katalysator erhöht wird, wodurch die Wärmeausdehnung von Teilen, die sich in der Wabenstruktur 10 nahe den Elektrodenschichten 13a, 13b, befinden, unterdrückt wird und Risse verhindert werden können.
Die obigen Effekte können erzielt werden, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient der Abschnitte 14a, 14b niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur 10. Um jedoch bemerkenswerte Effekte zu erhalten, ist eine Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von jedem der Abschnitte 14a, 14b und der Wabenstruktur 10 vorzugsweise 1,0 [ppm]/K oder mehr. Die Differenz von 1,0 [ppm]/K oder mehr kann die Wärmeausdehnung der Wabenstruktur 10 stärker unterdrücken, sodass die Risse weiter verhindert werden. Unter diesem Gesichtspunkt beträgt die Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von jedem der Abschnitte 14a, 14b und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstruktur 10 vorzugsweise 1,3 [ppm]/K oder mehr und bevorzugter 1,5 [ppm]/K oder mehr.
Vorzugsweise ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von jedem der Abschnitte 14a, 14b niedriger als der Wärmeausdehnungskoeffizient jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b. Dies kann Vorteile dahingehend bieten, dass die Abschnitte 14a, 14b die obige Rolle zuverlässiger übernehmen, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b, freier eingestellt werden kann, und dass ein Bereich zur Auswahl der Materialien erweitert wird.
In der Zeichnung bildet jeder der Abschnitte 14a, 14b eine durchgehende Schicht (siehe die 2 und 3). Jeder der Abschnitte 14a, 14b muss jedoch nicht unbedingt allein eine Schicht bilden und kann in beliebiger Form angeordnet sein, solange die Abschnitte 14a, 14b ihre Funktionen erfüllen können. Das heißt, die Abschnitte, die jeweils den Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur, müssen nur auf der Wabenstrukturseite der Elektrodenschichten vorhanden sein, und jeder Abschnitt kann einen Teil der Elektrodenschicht bilden oder kann in einer separaten Schicht enthalten sein, oder kann selbst eine Schicht bilden, die sich von der Elektrodenschicht unterscheidet. Beispielsweise kann in einem Zustand, in dem jeder der Abschnitte 14a, 14b bis zu einem gewissen Grad durchgehend ist, jeder der Abschnitte 14a, 14b in einer Schicht enthalten sein (die jede der Elektrodenschichten 13a, 13b, sein kann oder die eine Schicht sein kann, die getrennt von jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b, vorgesehen ist). Es ist anzumerken, dass jeder der Abschnitte 14a, 14b nicht unbedingt einen konstanten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen muss und dieser kontinuierlich oder diskontinuierlich variieren kann, solange sein Wärmeausdehnungskoeffizient niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur 10. In der Ausführungsform, in welcher der Abschnitt 14a in einem Teil der Elektrodenschicht 13a und der Abschnitt 14b in einem Teil der Elektrodenschicht 13b enthalten ist, wird angenommen, dass auf der radial äußeren Seite von jedem Abschnitt, 14a bzw. 14b, in der jeweiligen Elektrodenschicht, 13a bzw. 13b, ein Abschnitt mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der höher ist als derjenige der Wabenstruktur 10, vorhanden ist.
Im Hinblick darauf, die Wirkung der vorliegenden Erfindung zuverlässiger zu erhalten, und im Hinblick auf die industrielle Zweckmäßigkeit und dergleichen ist es selbstverständlich vorzuziehen, dass jeder der Abschnitte 14a, 14b eine Schicht bildet (siehe 3). Da sich in diesem Fall die Abschnitte 14a, 14b zwischen der Wabenstruktur 10 und der jeweiligen Elektrodenschicht, 13a bzw. 13b, befinden, werden diese Abschnitte als Zwischenschichten bezeichnet. Die 3 ist eine Ansicht einer Projektionsebene der Seitenfläche der Wabenstruktur 10. In der Zeichnung sind die Abschnitte 14a, 14b und die Elektrodenschichten 13a, 13b, alle rechteckig, und die Elektrodenschichten 13a, 13b, sind an den Mittenpositionen der Abschnitte 14a bzw. 14b angeordnet. Ihre Formen und ihre Positionen sind jedoch nicht hierauf beschränkt. Wie bei der obigen Beschreibung muss jede Zwischenschicht lediglich einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur 10. Das heißt, der Wärmeausdehnungskoeffizient jeder Zwischenschicht muss nicht konstant sein. Beispielsweise ist ein Fall, in dem der Wärmeausdehnungskoeffizient von der Seite der Wabenstruktur 10 zu jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b, kontinuierlich oder diskontinuierlich zunimmt (oder abnimmt), ebenfalls in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung einbezogen.
Wenn die Abschnitte 14a, 14b die Zwischenschichten bilden, weist ferner jede von ihnen vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich von 3 bis 400 µm auf. Die Dicke jeder Zwischenschicht von 3 µm oder mehr kann eine bemerkenswertere Wirkung erreichen. Andererseits kann die Dicke jeder Zwischenschicht von 400 µm oder weniger den Einfluss auf einen durch die Wabenstruktur 10 fließenden Strom unterdrücken, sodass der Einfluss auf die ursprüngliche Funktion des Trägers für den elektrisch beheizten Katalysator minimiert werden kann. Unter dem vorgenannten Gesichtspunkt beträgt die Dicke jeder Zwischenschicht besonders bevorzugt 5 bis 100 µm.
Wenn die Abschnitte 14a, 14b die Zwischenschichten bilden, ist ferner im Hinblick auf eine zuverlässigere Unterdrückung der thermischen Belastung aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen der Wabenstruktur 10 und jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b, eine Fläche jeder Zwischenschicht größer als diejenige der jeweiligen Elektrodenschicht, 13a bzw. 13b, sodass eine Projektionsebene jeder der Elektrodenschichten 13a, 13b, vollständig in einer Projektionsebene jeder Zwischenschicht in einer Projektionsebene auf der Seitenfläche der Wabenstruktur 10 enthalten ist (siehe 3). Das heißt, da jeder der Abschnitte 14a, 14b immer zwischen der Wabenstruktur 10 und der jeweiligen Elektrodenschicht, 13a bzw. 13b, liegt, kann jede Erzeugung von thermischer Belastung in dem lokalen Abschnitt unterdrückt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass in jeder Zwischenschicht Nadellöcher erzeugt werden können, durch welche die Komponenten der Elektrodenschichten 13a, 13b, aufgrund der Einstellung der Dicke jeder Zwischenschicht und der Produktionsbeschränkungen eindringen können, die oben genannten Wirkung wird jedoch nicht gehemmt, da ihre Einflüsse geringer sind.
Das Problem der vorliegenden Erfindung kann gelöst werden, solange der Wärmeausdehnungskoeffizient von jedem der Abschnitte 14a, 14b niedriger ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Wabenstruktur 10. Im Hinblick darauf, den Wärmewiderstand auf einem niedrigeren Niveau zu halten und im Hinblick darauf, die Änderungsrate des elektrischen Widerstands des verbundenen Abschnitts und den thermischen Kontaktwiderstand des verbundenen Abschnitts auf niedrigeren Niveaus zu halten, besteht jeder der Abschnitte 14a, 14b jedoch vorzugsweise, wie bei den Elektrodenschichten 13a, 13b, aus einer Oxidkeramik oder einem Gemisch aus einem Metall oder einer Metallverbindung und einer Oxidkeramik, wie vorstehend beschrieben.
Das Metall kann entweder ein einzelnes Metall oder eine Legierung sein, einschließlich beispielsweise Silicium, Aluminium, Eisen, Edelstahl, Titan, Wolfram, Ni-Cr-Legierungen und dergleichen. Beispiele für die Metallverbindung, die nicht die Oxidkeramik ist, umfassen Oxide, Metallnitride, Metallcarbide, Metallsilicide, Metallboride und komplexe Oxide. Vorzugsweise können zum Beispiel FeSi₂ und CrSi₂ verwendet werden. Jedes von dem Metall und der Metallverbindung kann allein oder in Kombination von zwei oder mehr Typen verwendet werden. Konkrete Beispiele für die Oxidkeramik umfassen Glas, Cordierit und Mullit.
Das Glas kann ferner ein Oxid enthalten, das aus mindestens einer Komponente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus B, Mg, AI, Si, P, Ti und Zr besteht. Das zusätzliche Enthalten von mindestens einer aus der obigen Gruppe ausgewählten Komponente ist bevorzugt, um eine weitere Verbesserung der Festigkeit jeder Elektrodenschicht zu ermöglichen.
Jede Zwischenschicht und jede Elektrodenschicht kann beispielsweise nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Bei einem Verfahren zur Herstellung jeder Zwischenschicht werden Metallpulver (Metallpulver wie Metallsilicid, Edelstahl) und Glaspulver zur Herstellung eines keramischen Rohmaterials miteinander vermischt. Zur Herstellung einer Zwischenschichtpaste werden dem keramischen Rohmaterial ein Bindemittel und ein oberflächenaktives Mittel, sowie außerdem Wasser zugesetzt. Die Zwischenschichtpaste wird unter Verwendung von Siebdrucken oder dergleichen zur Bildung einer Beschichtungsschicht auf die Wabenstruktur aufgebracht. Die Beschichtungsschicht wird getrocknet und dann zusammen mit der Wabenstruktur unter Vakuumbedingungen zu jeder Zwischenschicht gebrannt. Als Material für jede Elektrodenschicht werden dann Metallpulver (Metallpulver wie Metallsilicid und Edelstahl) und Glaspulver zu einem keramischen Rohmaterial vermischt. Zur Herstellung einer Elektrodenschichtpaste werden dem keramischen Rohmaterial ein Bindemittel und ein oberflächenaktives Mittel, sowie außerdem Wasser zugesetzt. Zur Bildung einer Beschichtungsschicht wird die Elektrodenschichtpaste unter Verwendung von Siebdrucken oder dergleichen auf die Wabenstruktur, auf der jede Zwischenschicht gebildet wurde, aufgebracht. Die Beschichtungsschicht wird getrocknet, und die Wabenstruktur, auf welcher die Beschichtungsschicht gebildet wurde, wird dann zur Bildung jeder Elektrodenschicht unter Vakuumbedingungen gebrannt.
In der obigen Beschreibung werden jede Zwischenschicht und jede Elektrodenschicht dadurch gebildet, dass das Brennen jedes Mal durchgeführt wird, wenn die jeweiligen Schichten gebildet werden, derart, dass die Beschichtungsschicht für die Zwischenschicht gebrannt wird, um jede Zwischenschicht zu bilden, und die Beschichtungsschicht für die Elektrodenschicht gebrannt wird, um jede Elektrodenschicht zu bilden. Möglicherweise wird das Brennen jedoch nicht zur Bildung jeder Zwischenschicht durchgeführt. Das heißt, jede Zwischenschicht und jede Elektrodenschicht können gleichzeitig gebildet werden, indem die Beschichtungsschicht für die Elektrodenschicht auf der Beschichtungsschicht für die Zwischenschicht gebildet und diese gebrannt wird. Wenn in diesem Fall für die Zwischenschicht und die Elektrodenschicht das gleiche Material verwendet wird, werden die Materialien der Zwischenschicht und der Elektrodenschicht beim Brennen durchmischt, sodass keine Grenzfläche zwischen der Zwischenschicht und der Elektrodenschicht besteht und die Elektrodenschicht und die Zwischenschicht integriert werden. In diesem Fall gibt es auf der Wabenstrukturseite jeder Elektrodenschicht einen Abschnitt mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur.
Der Träger für den erfindungsgemäßen elektrisch beheizten Katalysator kann in einer Abgasreinigungsvorrichtung verwendet werden. Das heißt, ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Abgasreinigungsvorrichtung, umfassend: den Träger für den erfindungsgemäßen elektrisch beheizten Katalysator, wobei der Träger in einem Abgasströmungsweg angeordnet ist, durch den ein Abgas aus einem Motor strömen kann; und ein zylindrisches Metallelement zur Aufnahme des Trägers für den elektrisch beheizten Katalysator. Wie aus den obigen Beschreibungen hervorgeht, wird in einer solchen Abgasreinigungsvorrichtung jede Rissbildung in der Wabenstruktur unterdrückt, sodass mit einer höheren Temperaturwechselbeständigkeit zu rechnen ist.
BEISPIELE
Im Folgenden werden zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile Beispiele dargestellt, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
(Herstellung des getrockneten wabenförmigen Körpers)
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 Gehalt an Bindemittel betrug 7 Massenteile, wenn die Gesamtmenge des Siliciumcarbid (SiC) -Pulvers und des Pulvers metallischen Siliciums (Si) 100 Massenteile betrug. Der Gehalt an Porenbildner betrug 3 Massenteile, wenn die Gesamtmenge des Siliciumcarbid (SiC)-Pulvers und des Pulvers metallischen Siliciums (Si) 100 Massenteile betrug. Der Wassergehalt betrug 42 Massenteile, wenn die Gesamtmenge des Siliciumcarbid (SiC)-Pulvers und des Pulvers metallischen Siliciums (Si) 100 Massenteile betrug. Der mittlere Partikeldurchmesser des Porenbildners betrug 20 µm und der mittlere Partikeldurchmesser der Partikel metallischen Siliciums im Pulver metallischen Siliciums betrug 6 µm. Der mittlere Partikeldurchmesser des Porenbildners betrug 20 µm. Der mittlere Partikeldurchmesser sowohl der Siliciumcarbidpartikel als auch der Partikel metallischen Siliciums und des Porenbildners bezieht sich auf einen volumenbezogenen arithmetischen Durchmesser-Mittelwert, wenn die Häufigkeitsverteilung der Partikelgröße mit dem Laserbeugungsverfahren gemessen wird. Zusätzlich sind in der Tabelle 1 ein Elastizitätsmodul und eine Porosität jeder schließlich erhaltenen Wabenstruktur aufgezeigt.
Der resultierende säulenförmige Grünkörper wurde mittels einer Strangpresse gebildet, um einen säulenförmigen Waben-Formkörper zu erhalten, in dem jede Zelle eine quadratische Querschnittsform aufwies. Der resultierende Waben-Formkörper wurde einer dielektrischen Hochfrequenzerwärmung und -trocknung unterzogen und dann 2 Stunden lang bei 120 °C mittels eines Heißlufttrockners getrocknet, und zur Herstellung eines getrockneten Wabenkörpers wurde ein vorbestimmtes Maß beider Stirnseiten abgeschnitten.
(Bildung der Zwischenschicht)
Jede Zwischenschicht wurde als ein Abschnitt bereitgestellt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizienten niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur. Die Bedingungen sind wie folgt:

(1) Metallpulver (Pulver eines Metalls wie Metallsilicid und Edelstahl) und Glaspulver wurden in jedem in der Tabelle 1 dargestellten Volumenverhältnis gemischt, um ein Keramikrohmaterial herzustellen. Der mittlere Partikeldurchmesser des Metallpulvers betrug 10 µm und der mittlere Partikeldurchmesser des Glaspulvers betrug 2 µm. Der mittlere Partikeldurchmesser bezieht sich auf einen volumenbezogenen arithmetischen Durchmesser-Mittelwert, wenn eine Häufigkeitsverteilung der Partikelgröße durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird.
(2) Dem obigen Keramikrohmaterial wurden 1 Masse-% eines Bindemittels, 1 Masse-% eines oberflächenaktiven Mittels und 30 Masse-% Wasser zugesetzt, um eine Paste zu bilden.
(3) Die Paste wurde unter Verwendung von Siebdruck auf den obigen getrockneten wabenförmigen Körper (ein Substrat) so aufgebracht, dass die Paste auf einen Bereich aufgebracht wurde, der zu beiden Seiten jeder bereitzustellenden Elektrodenschicht um +3 mm in Umfangsrichtung verlängert ist, und beide Stirnseiten der Paste in axialer Richtung wurden in Längsrichtung des Substrats (einer Erstreckungsrichtung der Zellen) an beide Stirnseiten des Substrats angepasst (siehe 4).
(4) Nach dem Aufbringen der Paste wurde die Paste 30 Minuten lang bei 120 °C durch einen Heißlufttrockner getrocknet und anschließend 30 Minuten lang unter Vakuumbedingungen bei 1100 °C zusammen mit dem Substrat gebrannt.

Die Zusammensetzungen und Eigenschaften der Zwischenschicht in jedem der Beispiele und der Vergleichsbeispiele sind in der Tabelle 1 dargestellt.
(Bildung der Elektrodenschicht)
Auf jeder Zwischenschicht wurde eine Elektrodenschicht bereitgestellt. Die Bedingungen zur Bildung jeder Elektrodenschicht sind wie folgt:

(1) Edelstahlpulver (SUS430) und Glaspulver wurden in einem Volumenverhältnis von 40% Edelstahlpulver und 60% Glaspulver gemischt, um ein Keramikrohmaterial herzustellen. Der mittlere Partikeldurchmesser des Edelstahlpulvers betrug 10 µm und der mittlere Partikeldurchmesser des Glaspulvers betrug 2 µm. Der mittlere Partikeldurchmesser bezieht sich auf einen volumenbezogenen arithmetischen Durchmesser-Mittelwert, wenn eine Häufigkeitsverteilung der Partikelgröße durch das Laserbeugungsverfahren gemessen wird.
(2) Dem obigen Keramikrohmaterial wurden 1 Masse-% eines Bindemittels, 1 Masse-% eines oberflächenaktiven Mittels und 30 Masse-% Wasser zugesetzt, um eine Paste zu bilden.
(3) Die Paste wurde im Siebdruckverfahren auf das mit jeder Zwischenschicht versehene Substrat so aufgebracht, dass die Paste über die Breite eines Bereichs von 99° in Umfangsrichtung aufgebracht wurde, und beide Stirnseiten der Paste in axialer Richtung wurden in Längsrichtung L des Substrats (einer Erstreckungsrichtung der Zellen) an beide Stirnseiten des Substrats angepasst (siehe 4).
(4) Nach dem Aufbringen der Paste wurde die Paste 30 Minuten lang bei 120 °C durch einen Heißlufttrockner getrocknet und anschließend 30 Minuten lang unter Vakuumbedingungen bei 1100 °C zusammen mit dem Substrat gebrannt, um auf jeder Zwischenschicht die jeweilige Elektrodenschicht zu bilden.

In jedem Träger für den nach dem vorstehenden Verfahren erhaltenen elektrisch beheizten Katalysator wird an der Seitenfläche der Wabenstruktur ein Paar von Elektrodenschichten gebildet. In jedem der Beispiele und der Vergleichsbeispiele betrug der Wärmeausdehnungskoeffizient jeder Elektrodenschicht 6,3 [ppm]/K.
Ferner betrug in jedem der Beispiele und der Vergleichsbeispiele der Wärmeausdehnungskoeffizient jeder Wabenstruktur 4,3 [ppm]/K.
Jeder Träger für den nach dem obigen Verfahren erhaltenen elektrisch beheizten Katalysator wurde einem Heiz-/Kühlzyklus-Test unterzogen. Der Heiz-/Kühlzyklus-Test wurde durchgeführt, indem jeder Träger für einen elektrisch beheizten Katalysator in einem Schnellheiz/Schnellkühl-Ofen angeordnet wurde, und indem die Temperatur über 50 Zyklen jeweils derart eine Minute lang zum Erwärmen erhöht und zum Kühlen gesenkt wurde, dass das Erhöhen und Verringern der Temperatur jeder Wabenstruktur im Bereich von 50 °C bis 950 °C wiederholt wurde. Sowohl für die Beispiele als auch für die Vergleichsbeispiele wurden jeweils 20 Proben für den Träger des elektrisch beheizten Katalysators hergestellt, und von den 20 Proben wurden die Anzahl gezählt, in denen Risse erzeugt wurden. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 dargestellt.

[Table 1]

	Zusammensetzung der Zwischenschicht (Vol.-%)	Wärrneausdehn ungskoeff izient der Zwischenschicht ([ppm/K])	Wärmeausdehnungs koeffizient der Wabenstruktur-Wärmeausdehnungs kaeffizient der Zwischenschicht ([ppnVK])	Elastizitätsmodul (GPa)	Porosität (%)	Druckspannung der Wabenstruktur (Mpa)	Anzahl der Risse
Vergleichsbeispiel 1	Keine	-	-	-	-	19.1	20/20
Vergleichsbeispiel 2	SUS304 20 Glass 80	5.2	-0.9	170	0	23.2	20/20
Beispiel 1	SUS430 20 Glass 80	4.0	0.3	170	0	14.5	14/20
Beispiel 2	FeSl₂10 Glass 90	3.1	1.2	170	0	8.9	5/20
Beispiel 3	SUS430 10 Glass 90	30	1.3	170	0	8.2	3/20
Beispiel 4	SUS304 6 20 Glass 94	3.0	1.3	170	0	8.2	4/20
Beispiel 5	CrSi₂ 10 Glass 80	2.9	1.4	170	0	7.5	4/20
Beispiel 6	Glass 100	2.0	2.3	170	0	2.7	0/20
Beispiel 7	SUS430 10 Glass 90	3.0	1.3	153	10	9.2	5/20
Beispiel 7	SUS43010 Glass 90	3.0	1.3	136	20	10.2	8/20

Wie in der Tabelle 1 dargestellt, versteht es sich, dass Beispiele der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen Risse effektiv unterdrücken. Insbesondere ist ersichtlich, dass, wenn die Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Zwischenschicht und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstruktur 1,0 [ppm]/K oder mehr beträgt, die Rissbildung weiter erheblich reduziert wird.
In den Vergleichsbeispielen 1 und 2, die nicht den Abschnitt mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als demjenigen der Wabenstruktur umfassten, wurden hingegen bei allen Proben Risse erzeugt. Insbesondere wurden im Vergleichsbeispiel 2 zwar die Zwischenschichten gebildet, der Wärmeausdehnungskoeffizient lag jedoch außerhalb des durch die vorliegende Erfindung definierten Bereichs, sodass eine gewünschte Funktion nicht erreicht werden konnte.
Bezugszeichenliste

10: Wabenstruktur
11: Trennwand
12: Zelle
13a, 13b: Elektrodenschicht
14a, 14b: Abschnitt mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/146955 [0005]
JP 2014051402 A [0005]

Claims

Träger für einen elektrisch beheizten Katalysator, umfassend: eine Wabenstruktur mit Trennwänden, die eine Vielzahl von Zellen definieren, wobei sich jede der Zellen von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite erstreckt, um einen Fluidweg für ein Fluid zu bilden; und ein Paar von Elektrodenschichten, die an einer Seitenfläche der Wabenstruktur ausgebildet sind, wobei die Elektrodenschichten des Paars so angeordnet sind, dass sie einander über einen Mittelpunkt der Wabenstruktur hinweg gegenüberliegen; wobei das Paar von Elektrodenschichten mit der Wabenstruktur elektrisch verbunden ist, und wobei die Wabenstrukturseite jeder der Elektrodenschichten einen Abschnitt mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten umfasst, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur.
Träger für den elektrisch beheizten Katalysator nach Anspruch 1, wobei eine Differenz zwischen einem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Abschnitts mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur, und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstruktur 1,0 [ppm]/K oder mehr beträgt.
Träger für den elektrisch beheizten Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Abschnitts mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur, niedriger ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient jeder der Elektrodenschichten.
Träger für den elektrisch beheizten Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Abschnitt mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur, eine Zwischenschicht ist, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur.
Träger für den elektrisch beheizten Katalysator nach Anspruch 4, wobei die Zwischenschicht eine Dicke von 3 bis 400 µm aufweist.
Träger für den elektrisch beheizten Katalysator nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Zwischenschicht eine größere Fläche aufweist als diejenige jeder der Elektrodenschichten, und wobei in einer Projektionsebene auf die Seitenfläche der Wabenstruktur eine Projektionsebene jeder der Elektrodenschichten vollständig in einer Projektionsebene der Zwischenschicht enthalten ist.
Träger für den elektrisch beheizten Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Wabenstruktur als eine Hauptkomponente ein Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial oder Siliciumcarbid umfasst.
Träger für den elektrisch beheizten Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Abschnitt mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der niedriger ist als derjenige der Wabenstruktur, eine Oxidkeramik oder eine Mischung aus einem Metall oder einer Metallverbindung und einer Oxidkeramik umfasst.
Träger für den elektrisch beheizten Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jede der Elektrodenschichten eine Mischung aus einem Metall oder einer Metallverbindung und einer Oxidkeramik umfasst.
Abgasreinigungsvorrichtung, umfassend: den Träger für den elektrisch beheizten Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Träger in einem Abgasströmungsweg angeordnet ist, durch den ein Abgas aus einem Motor strömen kann; und ein zylindrisches Metallelement zur Aufnahme des Trägers für den elektrisch beheizten Katalysator.