JP7182732B2 - 電気加熱式担体及び排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電気加熱式担体及び排気ガス浄化装置に関する。
電気加熱触媒（ＥＨＣ）の担体には、ＳｉＣで構成されたＮＴＣ特性（温度が高くなるにつれて電気抵抗が小さくなる特性）を有するセラミックス担体が用いられている。
ここで、特許文献１には、ＮＴＣ特性を示す担体は、通電加熱時に電極間距離の短い部分等に電流が集中して流れて局所的に発熱することに起因した温度分布の偏りが生じやすいと記載されている。そして、この温度分布の偏りを改善するために、ＰＴＣ特性（温度が高くなるにつれて電気抵抗が上昇する特性）を有する担体を用いることが開示されている。
また、特許文献１には、上述の担体と、当該担体の外周壁に対向配置された一対の電極と、この電極に電圧を印加する電圧印加部とを有する電気加熱式触媒が開示されている。
本発明者らは、ＰＴＣ特性を有する担体と電極層との組合せを検討したところ、電極層の抵抗の性質によっては、担体の温度が上昇すると、担体及び電極層を含むＥＨＣ全体の抵抗が上昇し、経時的に一定の電力をＥＨＣに印加しにくくなるという課題があることを見出した。
本発明は、以上の問題を勘案してなされたものであり、担体と電極層との抵抗を制御してＥＨＣ全体の抵抗のバランスを制御可能とし、経時的に電力を一定に印加しやすい電気加熱式担体及び排気ガス浄化装置を提供することを課題とする。
上記課題は、以下の本発明によって解決されるものである。本発明は以下のように特定される。
（１）外周壁と、前記外周壁の内側に配設され、一方の端面から他方の端面まで貫通して流路を形成する複数のセルを区画形成する隔壁とを有する柱状のハニカム構造体と、
前記ハニカム構造体の外周壁の表面に、前記ハニカム構造体の中心軸を挟んで対向するように設けられた一対の電極層と、
前記電極層上に設けられた電極端子と、を備え、
前記ハニカム構造体がＰＴＣ特性を有するセラミックスで構成され、前記電極層がＮＴＣ特性を有するセラミックスで構成されている電気加熱式担体。
（２）（１）に記載の電気加熱式担体と、
前記電気加熱式担体を保持する缶体と、
を有する排気ガス浄化装置。
（１）外周壁と、前記外周壁の内側に配設され、一方の端面から他方の端面まで貫通して流路を形成する複数のセルを区画形成する隔壁とを有する柱状のハニカム構造体と、
前記ハニカム構造体の外周壁の表面に、前記ハニカム構造体の中心軸を挟んで対向するように設けられた一対の電極層と、
前記電極層上に設けられた電極端子と、を備え、
前記ハニカム構造体がＰＴＣ特性を有するセラミックスで構成され、前記電極層がＮＴＣ特性を有するセラミックスで構成されている電気加熱式担体。
（２）（１）に記載の電気加熱式担体と、
前記電気加熱式担体を保持する缶体と、
を有する排気ガス浄化装置。
本発明によれば、担体と電極層との抵抗を制御してＥＨＣ全体の抵抗のバランスを制御可能とし、経時的に電力を一定に印加しやすい電気加熱式担体及び排気ガス浄化装置を提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明の電気加熱式担体及び排気ガス浄化装置の実施の形態について説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
＜電気加熱式担体＞
図１は、本発明の実施形態における電気加熱式担体２０の柱状ハニカム構造体１０の外観模式図を示すものである。図２は、本発明の実施形態における電気加熱式担体２０の柱状ハニカム構造体１０上に設けられた電極層１４ａ、１４ｂ、及び、電極層１４ａ、１４ｂ上に設けられた電極端子１５ａ、１５ｂの、セルの延伸方向に垂直な断面模式図を示すものである。
図１は、本発明の実施形態における電気加熱式担体２０の柱状ハニカム構造体１０の外観模式図を示すものである。図２は、本発明の実施形態における電気加熱式担体２０の柱状ハニカム構造体１０上に設けられた電極層１４ａ、１４ｂ、及び、電極層１４ａ、１４ｂ上に設けられた電極端子１５ａ、１５ｂの、セルの延伸方向に垂直な断面模式図を示すものである。
（１．柱状ハニカム構造体）
柱状ハニカム構造体１０は、外周壁１２と、外周壁１２の内側に配設され、一方の端面から他方の端面まで貫通して流路を形成する複数のセル１６を区画形成する隔壁１３とを有する。
柱状ハニカム構造体１０は、外周壁１２と、外周壁１２の内側に配設され、一方の端面から他方の端面まで貫通して流路を形成する複数のセル１６を区画形成する隔壁１３とを有する。
柱状ハニカム構造体１０は、ＰＴＣ特性を有するセラミックスで構成されている。柱状ハニカム構造体１０を構成する、ＰＴＣ特性を有するセラミックスとしては、アルカリ系原子を含むホウケイ酸塩を用いることができる。当該アルカリ系原子としては、例えば、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｃｓ、およびＢａなどが挙げられる。ホウケイ酸塩は、アルカリ金属原子を１種または２種以上含んでいてもよく、アルカリ土類金属原子を１種または２種以上含んでいてもよく、これらの組み合わせを含んでいてもよい。アルカリ系原子として、より好ましくは、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、または、Ｃａである。
詳細は後述するが、柱状ハニカム構造体１０は、上述のアルカリ系原子を含むホウケイ酸塩から構成されるマトリックスと、導電性フィラーから構成されるドメインとを有してもよい。マトリックスは、柱状ハニカム構造体１０の母材となる部位である。なお、マトリックスは、非晶質であってもよいし、結晶質であってもよい。このような構成によれば、ＥＨＣへの通電加熱時に電気抵抗を支配する領域が、母材であるマトリックスとなる。
マトリックスは、ＳｉＣ材質と比べて電気抵抗率の温度依存性が小さく、かつ、電気抵抗率がＰＴＣ特性を示す。
マトリックスは、ＳｉＣ材質と比べて電気抵抗率の温度依存性が小さく、かつ、電気抵抗率がＰＴＣ特性を示す。
ホウケイ酸塩において、アルカリ系原子の合計含有量は、１０質量％以下であってもよい。より好ましくは、５質量％以下であってもよく、２質量％以下であってもよい。このような構成によれば、マトリックスを低電気抵抗化させやすくなり、マトリックスの電気抵抗率が、よりＰＴＣ特性を示すようになる。また、酸化雰囲気での焼成時における柱状ハニカム構造体１０の表面側へのアルカリ系原子の偏析による絶縁性ガラス被膜の形成を抑制することができる。ホウケイ酸塩において、アルカリ系原子の合計含有量の下限については、特に限定はないが、０．０１質量％以上であってもよく、０．２質量％以上であってもよい。アルカリ系原子は、導電性フィラーの酸化抑制のために、意図的に添加されてもよい。また、柱状ハニカム構造体１０の原料から比較的混入しやすい元素であるため、完全に除去するには製造工程を複雑化してしまうため、通常は、上記の範囲内で含まれる。なお、柱状ハニカム構造体１０において、原料として、アルカリ系原子を含むホウケイ酸ガラスを使用せずに、ホウ酸を用いることで、アルカリ系原子を低減することも可能である。ここで、「アルカリ系原子の合計含有量」とは、ホウケイ酸塩がアルカリ系原子を１種含む場合には、その１種のアルカリ系原子の質量％を示す。また、ホウケイ酸塩がアルカリ系原子を複数種含む場合には、その複数の各アルカリ系原子の各含有量（質量％）との合計の含有量（質量％）を示す。
ホウケイ酸塩を構成する、Ｂ（ホウ素）原子、Ｓｉ（シリコン）原子、Ｏ（酸素）原子のぞれぞれの含有量としては、例えば、以下の範囲であることが好ましい。ホウケイ酸塩におけるＢ原子の含有量は、０．１質量％以上５質量％以下である。ホウケイ酸塩におけるＳｉ原子の含有量は、５質量％以上４０質量％以下である。ホウケイ酸塩における、Ｏ原子の含有量は、４０質量％以上８５質量％以下である。このような構成によれば、柱状ハニカム構造体１０において、ＰＴＣ特性を示しやすくすることができる。
ホウケイ酸塩としては、例えば、アルミノホウケイ酸塩などを用いることができる。このような構成によれば、電気抵抗率の温度依存性が小さく、かつ、電気抵抗率がＰＴＣ特性を示す、または、電気抵抗率の温度依存性が抑制された柱状ハニカム構造体１０を得ることができる。アルミノホウケイ酸塩におけるＡｌ原子の含有量は、例えば、０．５質量％以上１０質量％以下であってもよい。
上述したホウケイ酸塩における各原子の他に、マトリックスを構成するホウケイ酸塩に含まれる原子としては、例えば、Ｆｅ、Ｃなどが挙げられる。上述した各原子のうち、アルカリ系原子、Ｓｉ、Ｏ、Ａｌの含有量については、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）分析装置を用いて測定することができる。上述した各原子のうち、Ｂの含有量については、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）分析装置を用いて測定することができる。ＩＣＰ分析によると、柱状ハニカム構造体１０全体におけるＢ含有量が測定されるため、得られた測定結果は、ホウケイ酸塩におけるＢ含有量に換算される。
柱状ハニカム構造体１０が、マトリックスと導電性フィラーとを有していると、マトリックスの電気抵抗率と導電性フィラーの電気抵抗率との足し合わせによって柱状ハニカム構造体１０全体の電気抵抗率が決定される。このため、導電性フィラーの導電性、導電性フィラーの含有量を調整することで、柱状ハニカム構造体１０の電気抵抗率の制御が可能になる。導電性フィラーの電気抵抗率は、ＰＴＣ特性、ＮＴＣ特性のいずれを示してもよいし、電気抵抗率の温度依存性がなくてもよい。
導電性フィラーは、Ｓｉ原子を含んでいてもよい。このような構成によれば、柱状ハニカム構造体１０の形状安定性を向上させることが可能である。Ｓｉ原子を含む導電性フィラーとしては、例えば、Ｓｉ粒子、Ｆｅ－Ｓｉ系粒子、Ｓｉ－Ｗ系粒子、Ｓｉ－Ｃ系粒子、Ｓｉ－Ｍｏ系粒子、Ｓｉ－Ｔｉ系粒子などが挙げられる。これらは１種または２種以上を併用することができる。
Ｓｉ粒子は、ドーパントによりドープされているＳｉ粒子であってもよい。ドーパントとしては、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等が挙げられる。ドーパント濃度としては、１×１０16～５×１０20個／ｃｍ3という範囲でケイ素粒子中にドーパントとして含まれてもよい。ここで、一般に、Ｓｉ粒子中のドーパントの濃度が高くなるとハニカム構造体１０の体積抵抗率が下がり、Ｓｉ粒子中のドーパントの濃度が低くなるとハニカム構造体１０の体積抵抗率が上がる。ハニカム構造体１０に含まれるケイ素粒子におけるドーパント量は、５×１０16～５×１０20個／ｃｍ3であるのが好ましく、５×１０17～５×１０20個／ｃｍ3であるのがより好ましい。
ハニカム構造体１０に含まれるＳｉ粒子中のドーパントは同族元素であれば、カウンタードーピングの影響を受けずに導電性を発現できるため、複数の種類の元素を含んでいてもよい。また、ドーパントが、Ｂ及びＡｌからなる群から選択される一種または二種であるのがより好ましい。また、Ｎ及びＰからなる群から選択される一種または二種であるのも好ましい。
Ｓｉ粒子は、ドーパントによりドープされているＳｉ粒子であってもよい。ドーパントとしては、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等が挙げられる。ドーパント濃度としては、１×１０16～５×１０20個／ｃｍ3という範囲でケイ素粒子中にドーパントとして含まれてもよい。ここで、一般に、Ｓｉ粒子中のドーパントの濃度が高くなるとハニカム構造体１０の体積抵抗率が下がり、Ｓｉ粒子中のドーパントの濃度が低くなるとハニカム構造体１０の体積抵抗率が上がる。ハニカム構造体１０に含まれるケイ素粒子におけるドーパント量は、５×１０16～５×１０20個／ｃｍ3であるのが好ましく、５×１０17～５×１０20個／ｃｍ3であるのがより好ましい。
ハニカム構造体１０に含まれるＳｉ粒子中のドーパントは同族元素であれば、カウンタードーピングの影響を受けずに導電性を発現できるため、複数の種類の元素を含んでいてもよい。また、ドーパントが、Ｂ及びＡｌからなる群から選択される一種または二種であるのがより好ましい。また、Ｎ及びＰからなる群から選択される一種または二種であるのも好ましい。
柱状ハニカム構造体１０がマトリックスと導電性フィラーとを有する場合、柱状ハニカム構造体１０は、マトリックスと導電性フィラーとを合計で５０ｖｏｌ％以上含有する構成であってもよい。
柱状ハニカム構造体１０の電気抵抗上昇率は、１×１０-8～５×１０-4Ω・ｍ／Ｋであるのが好ましい。柱状ハニカム構造体１０の電気抵抗上昇率が１×１０-8Ω・ｍ／Ｋ以上であると、通電加熱時の温度分布の抑制がしやすくなる。柱状ハニカム構造体１０の電気抵抗上昇率が５×１０-4Ω・ｍ／Ｋ以下であると、通電加熱時の抵抗変化を小さくすることができる。柱状ハニカム構造体１０の電気抵抗上昇率が５×１０-8～１×１０-4Ω・ｍ／Ｋであるのがより好ましく、１×１０-7～１×１０-4Ω・ｍ／Ｋであるのが更により好ましい。柱状ハニカム構造体１０の電気抵抗上昇率は、まず、四端子法により、５０℃及び４００℃での２点の電気抵抗率を測定し、４００℃の電気抵抗率から５０℃の電気抵抗率を引き算して導出した値を、４００℃と５０℃の温度差３５０℃で割り算して電気抵抗上昇率を算出することで求めることができる。
柱状ハニカム構造体１０の外形は柱状である限り特に限定されず、例えば、底面が円形の柱状（円柱形状）、底面がオーバル形状の柱状、底面が多角形（四角形、五角形、六角形、七角形、八角形等）の柱状等の形状とすることができる。また、柱状ハニカム構造体１０の大きさは、耐熱性を高める（外周壁の周方向に入るクラックを抑制する）という理由により、底面の面積が２０００～２００００ｍｍ2であることが好ましく、５０００～１５０００ｍｍ2であることが更に好ましい。
柱状ハニカム構造体１０は、導電性を有する。柱状ハニカム構造体１０は、通電してジュール熱により発熱可能である限り、電気抵抗率については特に制限はないが、０．０００１～２Ω・ｍであることが好ましく、０．０００５～１Ω・ｍであることが更に好ましく、０．００１～０．５Ω・ｍであることが更により好ましい。本発明において、柱状ハニカム構造体１０の電気抵抗率は、四端子法により２５℃で測定した値とする。
セル１６の延伸方向に垂直な断面におけるセルの形状に制限はないが、四角形、六角形、八角形、又はこれらの組み合わせであることが好ましい。これ等のなかでも、四角形及び六角形が好ましい。セル形状をこのようにすることにより、柱状ハニカム構造体１０に排気ガスを流したときの圧力損失が小さくなり、触媒の浄化性能が優れたものとなる。構造強度及び加熱均一性を両立させやすいという観点からは、四角形が特に好ましい。
セル１６を区画形成する隔壁１３の厚みは、０．１～０．３ｍｍであることが好ましく、０．１～０．２ｍｍであることがより好ましい。隔壁１３の厚みが０．１ｍｍ以上であることで、柱状ハニカム構造体１０の強度が低下するのを抑制可能である。隔壁１３の厚みが０．３ｍｍ以下であることで、柱状ハニカム構造体１０を触媒担体として用いて、触媒を担持した場合に、排気ガスを流したときの圧力損失が大きくなるのを抑制できる。本発明において、隔壁１３の厚みは、セル１６の延伸方向に垂直な断面において、隣接するセル１６の重心同士を結ぶ線分のうち、隔壁１３を通過する部分の長さとして定義される。
柱状ハニカム構造体１０は、セル１６の流路方向に垂直な断面において、セル密度が４０～１５０セル／ｃｍ2であることが好ましく、７０～１００セル／ｃｍ2であることが更に好ましい。セル密度をこのような範囲にすることにより、排気ガスを流したときの圧力損失を小さくした状態で、触媒の浄化性能を高くすることができる。セル密度が４０セル／ｃｍ2以上であると、触媒担持面積が十分に確保される。セル密度が１５０セル／ｃｍ2以下であると柱状ハニカム構造体１０を触媒担体として用いて、触媒を担持した場合に、排気ガスを流したときの圧力損失が大きくなりすぎることが抑制される。セル密度は、外周壁１２部分を除く柱状ハニカム構造体１０の一つの底面部分の面積でセル数を除して得られる値である。
柱状ハニカム構造体１０の外周壁１２を設けることは、柱状ハニカム構造体１０の構造強度を確保し、また、セル１６を流れる流体が外周壁１２から漏洩するのを抑制する観点で有用である。具体的には、外周壁１２の厚みは好ましくは０．１ｍｍ以上であり、より好ましくは０．１５ｍｍ以上、更により好ましくは０．２ｍｍ以上である。但し、外周壁１２を厚くしすぎると高強度になりすぎてしまい、隔壁１３との強度バランスが崩れて耐熱衝撃性が低下することから、外周壁１２の厚みは好ましくは１．０ｍｍ以下であり、より好ましくは０．７ｍｍ以下であり、更により好ましくは０．５ｍｍ以下である。ここで、外周壁１２の厚みは、厚みを測定しようとする外周壁１２の箇所をセルの延伸方向に垂直な断面で観察したときに、当該測定箇所における外周壁１２の接線に対する法線方向の厚みとして定義される。
隔壁１３は、気孔率が０．１～２０％であることが好ましい。隔壁１３の気孔率が０．１％以上であると、触媒を担持しやすくすることができる。隔壁１３の気孔率が２０％以下であると、キャニング時に破損する恐れが低減される。隔壁１３の気孔率は１～１５％であることがより好ましく、５～１５％であるのが更により好ましい。気孔率は、水銀ポロシメータにより測定した値である。
（２．電極層）
柱状ハニカム構造体１０には、外周壁１２の表面に、柱状ハニカム構造体１０の中心軸を挟んで対向するように、一対の電極層１４ａ、１４ｂが設けられている。電極層１４ａ、１４ｂは、ＮＴＣ特性を有するセラミックスで構成されている。
柱状ハニカム構造体１０には、外周壁１２の表面に、柱状ハニカム構造体１０の中心軸を挟んで対向するように、一対の電極層１４ａ、１４ｂが設けられている。電極層１４ａ、１４ｂは、ＮＴＣ特性を有するセラミックスで構成されている。
本発明の実施形態における電気加熱式担体２０は、柱状ハニカム構造体１０がＰＴＣ特性（温度が高くなるにつれて電気抵抗が上昇する特性）を有するセラミックスで構成され、電極層１４ａ、１４ｂがＮＴＣ特性（温度が高くなるにつれて電気抵抗が小さくなる特性）を有するセラミックスで構成されているため、柱状ハニカム構造体１０と電極層１４ａ、１４ｂとの抵抗を制御してＥＨＣ全体の抵抗のバランスを制御することが可能となり、経時的に一定の電力をＥＨＣに印加しやすい電気加熱式担体を得ることができる。
電極層１４ａ、１４ｂの熱伝導率は、柱状ハニカム構造体１０の熱伝導率より高いことが好ましい。一般に、柱状ハニカム構造体の外周壁の表面に、柱状ハニカム構造体の中心軸を挟んで対向するように一対の電極層を設けると、外部から電極層へ流した電流が、最も抵抗の低い、柱状ハニカム構造体の中心部分に偏って流れやすい。これに対し、本発明の実施形態に示すように、電極層１４ａ、１４ｂの熱伝導率が、柱状ハニカム構造体１０の熱伝導率より高いと、柱状ハニカム構造体１０の外周壁１２の表面の電極層１４ａ、１４ｂが温まりやすくなり、その結果、電極層１４ａ、１４ｂの抵抗が低くなる。このとき、外部から電極層１４ａ、１４ｂへ流した電流は、抵抗の低い部分を流れるが、電極層１４ａ、１４ｂの抵抗が低くなっているため、柱状ハニカム構造体１０の中心部分に偏らず、柱状ハニカム構造体１０の外側部分に分散して流れるようになる。その結果、柱状ハニカム構造体１０全体を均一に加熱しやすくなると、推測している。
電極層１４ａ、１４ｂの電気抵抗上昇率が－１×１０-4～－５×１０-9Ω・ｍ／Ｋであるのが好ましい。電極層１４ａ、１４ｂの電気抵抗上昇率が－１×１０-4Ω・ｍ／Ｋ以上であると、通電加熱時の抵抗を小さくすることができる。電極層１４ａ、１４ｂの電気抵抗上昇率が－５×１０-9Ω・ｍ／Ｋ以下であると、通電加熱時の抵抗変化を小さくすることができる。電極層１４ａ、１４ｂの電気抵抗上昇率が－５×１０-5～－２×１０-8Ω・ｍ／Ｋであるのがより好ましく、－１×１０-5～－１×１０-7Ω・ｍ／Ｋであるのが更により好ましい。電極層１４ａ、１４ｂの電気抵抗上昇率は、四端子法により、５０℃及び４００℃での２点の電気抵抗率を測定し、５０℃の電気抵抗率から４００℃の電気抵抗率を引き算して導出した値を、５０℃と４００℃の温度差３５０℃で割り算して電気抵抗上昇率を算出することで求めることができる。
電極層１４ａ、１４ｂの材質としては、シリコン、炭化珪素、またはシリコン及び炭化珪素の複合物を主成分とすることができる。「主成分とする」とは、電極層構成成分中の含有量が５０質量％を超えることを意味する。
電極層１４ａ、１４ｂの電気抵抗率については特に制限はないが、１×１０-5～５×１０-1Ω・ｍであることが好ましい。電極層１４ａ、１４ｂの電気抵抗が５×１０-1Ω・ｍ以下であると、通電加熱時の抵抗を小さくすることができる。電極層１４ａ、１４ｂの電気抵抗は、１×１０-4～２×１０-1Ω・ｍであることが更に好ましく、５×１０-3～１×１０-1Ω・ｍであることが更により好ましい。本発明において、電極層１４ａ、１４ｂの電気抵抗率は、四端子法により２５℃で測定した値とする。
電極層１４ａ、１４ｂの形成領域に特段の制約はないが、柱状ハニカム構造体１０の均一発熱性を高めるという観点からは、各電極層１４ａ、１４ｂは外周壁１２の外面上で外周壁１２の周方向及びセルの延伸方向に帯状に延設することが好ましい。具体的には、各電極層１４ａ、１４ｂは、柱状ハニカム構造体１０の両端面間の８０％以上の長さに亘って、好ましくは９０％以上の長さに亘って、より好ましくは全長に亘って延びていることが、電極層１４ａ、１４ｂの軸方向へ電流が広がりやすいという観点から望ましい。
各電極層１４ａ、１４ｂの厚みは、０．０１～５ｍｍであることが好ましく、０．０１～３ｍｍであることが更に好ましい。このような範囲とすることにより均一発熱性を高めることができる。各電極層１４ａ、１４ｂの厚みが０．０１ｍｍ以上であると、電気抵抗が適切に制御され、より均一に発熱することができる。５ｍｍ以下であると、キャニング時に破損する恐れが低減される。各電極層１４ａ、１４ｂの厚みは、厚みを測定しようとする電極層の箇所をセルの延伸方向に垂直な断面で観察したときに、各電極層１４ａ、１４ｂの外面の当該測定箇所における接線に対する法線方向の厚みとして定義される。
（３．電極端子）
電極端子１５ａ、１５ｂは、柱状に形成されていてもよい。電極端子１５ａ、１５ｂは、電極層１４ａ、１４ｂ上に配設され、電気的に接合されている。これにより、電極端子１５ａ、１５ｂに電圧を印加すると通電してジュール熱により柱状ハニカム構造体１０を発熱させることが可能である。このため、柱状ハニカム構造体１０はヒーターとしても好適に用いることができる。印加する電圧は１２～９００Ｖが好ましく、４８～６００Ｖが更に好ましいが、印加する電圧は適宜変更可能である。
電極端子１５ａ、１５ｂは、柱状に形成されていてもよい。電極端子１５ａ、１５ｂは、電極層１４ａ、１４ｂ上に配設され、電気的に接合されている。これにより、電極端子１５ａ、１５ｂに電圧を印加すると通電してジュール熱により柱状ハニカム構造体１０を発熱させることが可能である。このため、柱状ハニカム構造体１０はヒーターとしても好適に用いることができる。印加する電圧は１２～９００Ｖが好ましく、４８～６００Ｖが更に好ましいが、印加する電圧は適宜変更可能である。
電極端子１５ａ、１５ｂの材質は、セラミックスであってもよい。電極端子１５ａ、１５ｂの材質がセラミックスであると、電極層１４ａ、１４ｂがＮＴＣ特性を有するセラミックスで構成されているため、電極端子１５ａ、１５ｂと電極層１４ａ、１４ｂとの間の熱膨張係数差が小さくなる。従って、電極端子１５ａ、１５ｂ及び電極層１４ａ、１４ｂの熱膨張による割れまたは剥がれを抑制することができる。
電極端子１５ａ、１５ｂを構成するセラミックスとしては、限定的ではないが、炭化珪素（ＳｉＣ）が挙げられ、珪化タンタル（ＴａＳｉ2）及び珪化クロム（ＣｒＳｉ2）等の金属珪化物等の金属化合物が挙げられ、更には、一種以上の金属を含む複合材（サーメット）を挙げることができる。サーメットの具体例としては、シリコンと炭化珪素との複合材、珪化タンタルや珪化クロム等の金属珪化物と金属珪素と炭化珪素との複合材、更には上記の一種又は二種以上の金属に熱膨張低減の観点から、アルミナ、ムライト、ジルコニア、コージェライト、窒化珪素及び窒化アルミ等の絶縁性セラミックスを一種又は二種以上添加した複合材が挙げられる。電極端子の材質は、電極層の材質と同質のものを用いてもよい。
また、電極端子１５ａ、１５ｂがセラミックス製の端子である場合、その先端に金属端子がそれぞれ接合されていてもよい。セラミックス製の端子と金属端子との接合は、かしめ加工、溶接、導電性接着剤等により行うことができる。金属端子の材質としては、鉄合金やニッケル合金等の導電性金属を採用することができる。
電極端子１５ａ、１５ｂがセラミックス製の端子である場合、その外形は柱状であることが好ましい。電極端子１５ａ、１５ｂの外形は柱状である限り特に限定されず、例えば、底面が円形の柱状（円柱形状）、底面がオーバル形状の柱状、底面が多角形（四角形、五角形、六角形、七角形、八角形等）の柱状等の形状とすることができる。電極端子１５ａ、１５ｂの大きさは、限定的ではないが、例えば、底面積が１０～３５０ｍｍ2で、高さが１０～１００ｍｍの柱状に形成することができる。
電気加熱式担体２０に触媒を担持することにより、電気加熱式担体２０を触媒体として使用することができる。複数のセル１６の流路には、例えば、自動車排気ガス等の流体を流すことができる。触媒としては、例えば、貴金属系触媒又はこれら以外の触媒が挙げられる。貴金属系触媒としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）といった貴金属をアルミナ細孔表面に担持し、セリア、ジルコニア等の助触媒を含む三元触媒や酸化触媒、又は、アルカリ土類金属と白金を窒素酸化物（ＮＯx）の吸蔵成分として含むＮＯx吸蔵還元触媒（ＬＮＴ触媒）が例示される。貴金属を用いない触媒として、銅置換又は鉄置換ゼオライトを含むＮＯx選択還元触媒（ＳＣＲ触媒）等が例示される。また、これらの触媒からなる群から選択される２種以上の触媒を用いてもよい。なお、触媒の担持方法についても特に制限はなく、従来、ハニカム構造体に触媒を担持する担持方法に準じて行うことができる。
＜電気加熱式担体の製造方法＞
次に、本発明に係る電気加熱式担体を製造する方法について例示的に説明する。本発明の電気加熱式担体の製造方法は一実施形態において、電極端子形成ペースト付き未焼成柱状ハニカム構造体を得る工程Ａ１と、電極端子形成ペースト付き未焼成柱状ハニカム構造体を焼成して電極端子付き柱状ハニカム構造体を得る工程Ａ２とを含む。また、他の実施形態としては、電極層形成ペースト、電極端子形成ペーストを仮焼成後に、ハニカム構造体に貼り付けてもよい。
次に、本発明に係る電気加熱式担体を製造する方法について例示的に説明する。本発明の電気加熱式担体の製造方法は一実施形態において、電極端子形成ペースト付き未焼成柱状ハニカム構造体を得る工程Ａ１と、電極端子形成ペースト付き未焼成柱状ハニカム構造体を焼成して電極端子付き柱状ハニカム構造体を得る工程Ａ２とを含む。また、他の実施形態としては、電極層形成ペースト、電極端子形成ペーストを仮焼成後に、ハニカム構造体に貼り付けてもよい。
工程Ａ１は、柱状ハニカム構造体の前駆体である柱状ハニカム成形体を作製し、柱状ハニカム成形体の側面に電極層形成ペーストを塗布して、電極層形成ペースト付き未焼成柱状ハニカム構造体を得た後、電極層形成ペースト上に電極端子形成ぺーストを設けて電極端子形成ペースト付き未焼成柱状ハニカム構造体を得る工程である。
柱状ハニカム成形体の作製としては、まず、ホウ酸と、Ｓｉ原子を含む導電性フィラーと、カオリンとを混合する。あるいは、アルカリ系原子を含むホウケイ酸塩と、Ｓｉ原子を含む導電性フィラーと、カオリンとを混合する。ホウケイ酸塩は、繊維状、粒子状などの形状を有してもよく、混合物の押し出し性が向上するため、繊維状であるのが好ましい。当該混合物において、電気抵抗率の温度依存性が小さい柱状ハニカム構造体１０を得やすくするために、ホウ酸の質量比を、４以上８以下とするのが好ましい。ホウケイ酸塩に含まれるホウ素の含有量は、後述する焼成温度を高くすることで増加させることができる。ケイ酸塩にドープされるホウ素量を多くするほど、柱状ハニカム構造体１０の電気抵抗をより低下させることができる。
次に、当該混合物に、バインダ及び水を加える。バインダとしては、例えば、メチルセルロール、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等を挙げることができる。また、バインダの含有量は、例えば、２質量％程度とすることができる。
次に、得られた成形原料を混練して坏土を形成した後、坏土を押出成形して柱状ハニカム成形体を作製する。押出成形に際しては、所望の全体形状、セル形状、隔壁厚み、セル密度等を有する口金を用いることができる。次に、得られた柱状ハニカム成形体について、乾燥を行うことが好ましい。柱状ハニカム成形体の中心軸方向長さが、所望の長さではない場合は、柱状ハニカム成形体の両底部を切断して所望の長さとすることができる。乾燥後の柱状ハニカム成形体を柱状ハニカム乾燥体と呼ぶ。
次に、電極層を形成するための電極層形成ペーストを調合する。電極層形成ペーストは、炭化珪素及びシリコンを、質量比２０：８０で混合し、バインダ及び水と混合することで作製することができる。電極層形成原料に含まれる炭化珪素粉末として、平均粒子径が３～５０μｍの粉末を用いることが好ましい。炭化珪素粉末の平均粒子径が、３μｍ未満であると、界面が多くなり高抵抗となる傾向にある。また、炭化珪素粉末の平均粒子径が、５０μｍ超であると、低強度となり、耐熱衝撃性に劣る傾向にある。
次に、得られた電極層形成ペーストを、柱状ハニカム成形体（典型的には柱状ハニカム乾燥体）の側面に塗布し、電極層形成ペースト付き未焼成柱状ハニカム構造体を得る。電極層形成ペーストを柱状ハニカム成形体に塗布する方法については、公知の柱状ハニカム構造体の製造方法に準じて行うことができる。
柱状ハニカム構造体の製造方法の変更例として、工程Ａ１において、電極層形成ペーストを塗布する前に、柱状ハニカム成形体を一旦焼成してもよい。すなわち、この変更例では、柱状ハニカム成形体を焼成して柱状ハニカム焼成体を作製し、当該柱状ハニカム焼成体に、電極層形成ペーストを塗布する。
次に、電極端子を形成するための電極端子形成ペーストを調合する。電極端子形成ペーストは、電極端子の要求特性に応じて配合したセラミックス粉末に各種添加剤を適宜添加して混練することで形成することができる。次に、調合した電極端子形成ペーストを、柱状ハニカム構造体上の電極層の表面に柱状に設ける。
工程Ａ２では、電極端子形成ペースト付き未焼成柱状ハニカム構造体を焼成して、電極端子付き柱状ハニカム構造体を得る。焼成条件は、不活性ガス雰囲気下または大気雰囲気下、大気圧以下、焼成温度１１５０～１３５０℃、焼成時間０．１～５０時間とすることができる。なお、焼成雰囲気は、例えば、不活性ガス雰囲気、焼成時圧力は、常圧などとすることができる。柱状ハニカム構造体１０の電気抵抗を低下させるためには、酸化防止の観点から残存酸素を低減することが好ましく、焼成時の雰囲気内を１．０×１０-4Ｐａ以上の高真空にした後に不活性ガスをパージして焼成することが好ましい。不活性ガス雰囲気としては、Ｎ2ガス雰囲気、ヘリウムガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気などが挙げられる。焼成を行う前に、電極端子形成ペースト付き未焼成柱状ハニカム構造体を乾燥してもよい。また、焼成の前に、バインダ等を除去するため、脱脂を行ってもよい。このようにして、電極端子が電極層に電気的に接続された電気加熱式担体が得られる。
＜排気ガス浄化装置＞
上述した本発明の各実施形態に係る電気加熱式担体は、それぞれ排気ガス浄化装置に用いることができる。当該排気ガス浄化装置は、電気加熱式担体と、当該電気加熱式担体を保持する缶体とを有する。排気ガス浄化装置において、電気加熱式担体は、エンジンからの排気ガスを流すための排気ガス流路の途中に設置される。缶体としては、電気加熱式担体を収容する金属製の筒状部材等を用いることができる。
上述した本発明の各実施形態に係る電気加熱式担体は、それぞれ排気ガス浄化装置に用いることができる。当該排気ガス浄化装置は、電気加熱式担体と、当該電気加熱式担体を保持する缶体とを有する。排気ガス浄化装置において、電気加熱式担体は、エンジンからの排気ガスを流すための排気ガス流路の途中に設置される。缶体としては、電気加熱式担体を収容する金属製の筒状部材等を用いることができる。
１０ 柱状ハニカム構造体
１２ 外周壁
１３ 隔壁
１４ａ、１４ｂ 電極層
１５ａ、１５ｂ 電極端子
１６ セル
２０ 電気加熱式担体
１２ 外周壁
１３ 隔壁
１４ａ、１４ｂ 電極層
１５ａ、１５ｂ 電極端子
１６ セル
２０ 電気加熱式担体
Claims (9)
- 外周壁と、前記外周壁の内側に配設され、一方の端面から他方の端面まで貫通して流路を形成する複数のセルを区画形成する隔壁とを有する柱状のハニカム構造体と、
前記ハニカム構造体の外周壁の表面に、前記ハニカム構造体の中心軸を挟んで対向するように設けられた一対の電極層と、
前記電極層上に設けられた電極端子と、を備え、
前記ハニカム構造体がＰＴＣ特性を有するセラミックスで構成され、前記電極層がＮＴＣ特性を有するセラミックスで構成されている電気加熱式担体。 - 前記電極層の熱伝導率が、前記ハニカム構造体の熱伝導率より高い請求項１に記載の電気加熱式担体。
- 前記電極層の材質は、シリコン、炭化珪素、またはシリコン及び炭化珪素の複合物が主成分である請求項１または２に記載の電気加熱式担体。
- 前記電極端子の材質が、セラミックスである請求項１～３のいずれか一項に記載の電気加熱式担体。
- 前記電極端子の外形が、柱状である請求項１～４のいずれか一項に記載の電気加熱式担体。
- 前記ハニカム構造体が、アルカリ系原子を含むホウケイ酸塩から構成されるマトリックスと、導電性フィラーから構成されるドメインと、を有する請求項１～５のいずれか一項に記載の電気加熱式担体。
- 前記ハニカム構造体の電気抵抗上昇率が１×１０-8～５×１０-4Ω・ｍ／Ｋである請求項１～６のいずれか一項に記載の電気加熱式担体。
- 前記電極層の電気抵抗上昇率が－１×１０-3～－５×１０-9Ω・ｍ／Ｋである請求項１～７のいずれか一項に記載の電気加熱式担体。
- 請求項１～８のいずれか一項に記載の電気加熱式担体と、
前記電気加熱式担体を保持する缶体と、
を有する排気ガス浄化装置。
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