JP2000297903A

JP2000297903A - 触媒燃焼式熱源機器

Info

Publication number: JP2000297903A
Application number: JP11105148A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Terajima; 徹生寺島; Tatsuo Fujita; 龍夫藤田; Yoshitaka Kawasaki; 良隆川崎; Motohiro Suzuki; 基啓鈴木
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2000-10-24

Abstract

(57)【要約】【課題】触媒燃焼を開始する際に必要とされる触媒の
予熱時間を短縮化し、温度制御性に対する安定性を向上
させた触媒燃焼式熱源機器を提供を目的とする。【解決手段】燃焼室５に設けられた燃料と空気からな
る混合気を供給する混合気入口４と、燃焼室５内に設け
られた白金族系金属とＺｒまたはＣｅの酸化物の少なく
とも一つを主体とした担体から構成される触媒被覆層１
１が多数の連通孔を有する基材上に形成された触媒体６
と、燃焼室５の外部に接触させた熱伝達部８と、燃焼室
５に設けられた排気口９からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、触媒上で気体燃料
や液体燃料などを燃焼させて、加熱、暖房や乾燥などを
行うことを目的とする触媒燃焼式熱源機器に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】電気ヒータの代わりに触媒燃焼を利用し
た熱源機器が開発され、近年、スチーマ等のコードレス
機器として一部実用化されている。触媒燃焼は、触媒の
作用により燃料を触媒表面に接触・活性化させ、無炎か
つ低温で燃焼させる燃焼方式である。燃焼式熱源機器で
は、燃焼室をコンパクトにし、かつ反応熱を効率よく発
熱部に伝えるため、熱伝達部を有する燃焼室内壁面に触
媒体を接触させた構成とされている。また、機器の温度
制御は燃料ガスの供給量を変化させることによって行わ
れている。このような触媒燃焼式熱源に用いられる触媒
には、一般的に燃焼による劣化を抑制するために、主と
して活性アルミナ等の１００ｇ／ｍ²程度の比表面積が
大きな担体に白金族系金属を高分散担持したものを、コ
ージライト等の耐熱性多孔質セラミックス基材上に塗布
形成して用いていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の触
媒燃焼式熱源機器で課題となることは、触媒燃焼を開始
するまでに要する触媒の予熱時間の短縮化と、予熱温度
の低温化すなわち低温活性化であった。触媒上で燃焼反
応を開始するために活性温度以上に昇温されなければな
らないが、一般的に担体に用いられていた活性アルミナ
などの高比表面積の触媒担体や、コージライトなどの基
材を用いた場合は、触媒を予熱する際に時間を要してい
た。上記従来の担体・基材では、未使用時すなわち室温
に保持されている時に水分等の環境雰囲気中の成分を吸
着しており、吸着成分を脱離させるのに時間を要するた
めであった。触媒の吸水量の低減には、担体の比表面積
を低下させるか、あるいは白金族系金属のみの層を形成
して吸着水量等を減少させる必要があるが、充分な活性
および耐久性が得られなかった。また、機器の温度制御
に対して、失火などを生じることなく燃焼を維持するた
めにも、触媒上で燃焼を開始する温度はより低温化され
ることが好ましく、触媒活性の向上が課題となってい
た。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の触媒燃焼式熱源
機器は、上記課題を解決するために、燃焼室に設けられ
た燃料と空気からなる混合気を供給する混合気入口と、
燃焼室内に設けられた白金族系金属とＺｒまたはＣｅの
酸化物の少なくとも一つを主体とした担体から構成され
る触媒被覆層が多数の連通孔を有する基材上に形成され
た触媒体と、燃焼室の外部に接触させた熱伝達部と、燃
焼室に設けられた排気口からなることを特徴とする。こ
のとき、基材がＡｌ含有フェライト系金属であるのが好
ましく、また、触媒被覆層は、ＡｌまたはＳｉの酸化物
微粒子を１〜１０重量％含んでいるのが好ましい。

【０００５】また、本発明の触媒燃焼式熱源機器は、燃
焼室に設けられた燃料と空気からなる混合気を供給する
混合気入口と、燃焼室内に設けられた白金族系金属とＺ
ｒまたはＣｅの酸化物の少なくとも一つを主体とした担
体から構成される触媒被覆層が多数の連通孔を有する基
材上に形成された触媒体と、燃焼室の外部に接触させた
熱伝達部と、燃焼室に設けられた排気口からなり、触媒
被覆層の燃料供給方向に対して下流側に、Ｖ、Mo、Wの
うち少なくとも一つと、白金族系金属と、Ｚｒ、Ｃｅ、
Ｔｉ酸化物のうち少なくとも一つから構成される触媒層
を設けたことを特徴とする。このとき、触媒被覆層と触
媒層が同一基材上に積層して設けられているのが好まし
い。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１は本発明第一の実施の形態の
要部断面図である。燃料供給バルブ１から供給された燃
料ガスは、空気供給バルブ２より供給された空気と混合
室３で混合され、混合気入口４から燃焼室５内に位置し
た触媒体６に供給される。混合気は、点火装置７により
点火され、触媒体６の下流側に火炎を形成する。火炎に
より触媒体６の下流側が燃料に対する活性化温度以上に
昇温されると触媒体６の下流側から触媒燃焼を開始し、
次いで下流側での燃焼熱は、触媒体６の上流側に熱伝達
され、そこで触媒燃焼を開始するようになっている。触
媒燃焼で生じた熱は、燃焼室と接触した熱伝達部８を経
由して熱源として利用され、排気ガスは排気口９を経由
して外部に排出される。また、熱源機器の温度制御は、
燃焼室外壁面に設けられた温度センサ１０によって、所
定温度以上になると燃料の供給が停止されることによっ
て行われる。したがって燃料供給バルブ１の開閉によっ
て供給停止が繰り返されることになる。

【０００７】本発明では、燃焼用触媒として機能する触
媒体６に白金族系金属を担持したＺｒ、Ｃｅ酸化物を主
成分とする触媒被覆層１１を耐熱性金属基材１２上に形
成して用いていることを特徴とする。触媒被覆層のＺｒ
Ｏ₂には、Ｐｔ等の白金族系金属が分散担持されてお
り、触媒燃焼の活性点として機能する。ＺｒＯ₂を白金
族系金属の担体として用いることにより、白金族系金属
を適度に分散し、活性を高めると同時に凝集を抑制して
長寿命化を促進する。また、同様の効果は、ＣｅＯ
₂や、ＣｅとＺｒの複合酸化物を用いた場合にも発揮さ
れる。また、活性アルミナなどに比べると比表面積が小
さいため、非使用時の水の吸着量が減少することにな
り、触媒の予熱時に水分蒸発に要する熱量を軽減するこ
とができる。したがって触媒の予熱時間を短縮させ、よ
り速やかに定常状態の触媒燃焼を開始させることができ
る。

【０００８】さらに、基材にはＦｅ₂₀Ｃｒ₅Ａｌフェラ
イト系金属を使用することにより、基材の吸水量もほと
んど無視され、かつ上流側に燃焼熱が熱伝達されるた
め、より効果的に予熱時間を抑制できる。また、同時に
前記担体の改良の効果がより明瞭に発揮されることにな
る。いくつかのステンレス綱を検討した中で、Ｆｅ₂₀Ｃ
ｒ₅Ａｌフェライト系金属は、加熱により表面にアルミ
酸化被膜が形成されるため耐熱・耐酸化性に優れるとと
もに、触媒との密着性も比較的よく、触媒基材として最
も好ましい。

【０００９】また、本発明では、ＡｌまたはＳｉの酸化
物微粒子を１〜１０重量％の範囲から選択される最低限
量を含み、ＺｒやＣｅ酸化物を主成分とする触媒被覆層
の膜強度を高め、長期使用による触媒被覆層の剥離を防
止している。

【００１０】また、本発明では、図２に示す積層型触媒
被覆層のように、Ｖ、Mo、Wのうち少なくとも一つと、
白金族系金属と、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｔｉ酸化物のうち少なく
とも一つから構成される触媒層が、白金族系金属を担持
したＺｒまたはＣｅの酸化物の少なくとも一つから構成
される触媒被覆層の燃料供給方向に対して下流側に積層
して設けられている。Ｖ、Mo、Wを添加したＺｒ、Ｃ
ｅ、およびＴｉ酸化物担体、あるいはこれらの複合酸化
物は、白金族系金属触媒のブタン等の炭素-炭素結合を
有する燃料の酸化に対する低温活性を向上させる効果を
有する。このような効果は白金族系金属の中でも特にＰ
ｔの場合に著しい。V、Mo、Wを添加した場合は、使用温
度が高くなるのに伴い分解や昇華が生じ、劣化しやすく
なる。そこで本発明では、触媒燃焼を開始する触媒体の
下流側に設け、燃焼開始時のみに作用し、常時主燃焼位
置（燃焼により最高温度を示す位置）にならないように
し、触媒の劣化を軽減している。積層される部分は、使
用条件によって異なるが、本実施例では、下流側３ｍｍ
程度まで積層すると十分であった。

【００１１】

【実施例】（実施例１）金属製ハニカム（材質Ｆｅ₂₀Ｃ
ｒ₅Ａｌ鋼、４００セル／ｉｎｃｈ²相当、壁厚０．０
５、２０φ、長さ１０）を、１０００℃で１時間予備焼
成したＺｒＯ₂粉末９０ｇ、水４０ｇ、Ｐｔジニトロジ
アンミン塩水溶液をＰｔ換算で４ｇ、２０ｗｔ％Ａｌ₂
Ｏ₃ゾルを固形分で５ｇ加えてなるウォッシュコートス
ラリーＡに含浸し、乾燥後、５００℃で焼成して、Ｐｔ
３ｇ／L相当担持することにより触媒被覆層を形成し、
触媒体６を得た。次に、図１に示す触媒燃焼装置に上記
で得た触媒体６を装着した。燃焼試験は、燃料にイソブ
タンガスを用い、燃焼室に供給される予混合気は空気過
剰率λ（実供給空気量と理論空気量の比）＝１．１、燃
焼量６０ｋｃａｌ／ｈとした。触媒燃焼を開始するまで
の時間を調べるために、触媒体下流末端に火炎を形成し
て予熱し、触媒燃焼を開始して火炎が消滅するまでの時
間「火炎消滅時間」と、全面が赤熱するまでの時間「燃
焼開始時間」を調べた。また、１５分間程度安定燃焼さ
せた後、強制的に燃料供給バルブ１を閉じ、触媒下流温
度が所定温度になった時に再び開くことによって触媒燃
焼再開の有無を調べることにより、低温活性の指標であ
る「再燃焼開始温度」を調べた。さらに、燃焼寿命試験
として燃焼量８０ｋｃａｌ／ｈ、空気過剰率λ=１．１
条件下で触媒燃焼を１０００時間行った。

【００１２】（実施例２）金属製ハニカム（材質Ｆｅ₂₀
Ｃｒ₅Ａｌ鋼、４００セル／ｉｎｃｈ²相当、壁厚０．０
５、２０φ、長さ１０）を、１０００℃で１時間予備焼
成したＣｅＯ₂粉末９０ｇ、水４０ｇ、Ｐｔジニトロジ
アンミン塩水溶液をＰｔ換算で４ｇ、２０ｗｔ％Ａｌ₂
Ｏ₃ゾルを固形分で５ｇ加えてなるウォッシュコートス
ラリーＡ'に含浸し、乾燥後、５００℃で焼成して、Ｐ
ｔ３ｇ／L相当担持することにより触媒被覆層を形成
し、触媒体６を得た。図１に示す触媒燃焼装置に上記で
得た触媒体６を装着し、実施例１と同様の試験を行っ
た。

【００１３】（実施例３）金属製ハニカム（材質Ｆｅ₂₀
Ｃｒ₅Ａｌ鋼、４００セル／ｉｎｃｈ²相当、壁厚０．０
５、２０φ、長さ１０）を、１０００℃で１時間予備焼
成したＺｒＯ₂粉末９０ｇ、水４０ｇ、Ｐｔジニトロジ
アンミン塩水溶液をＰｔ換算で４ｇ、２０ｗｔ％Ａｌ２
Ｏ３ゾルを固形分で５ｇ加えてなるウォッシュコートス
ラリーＡに含浸し、乾燥後、５００℃で焼成して、Ｐｔ
３ｇ／L相当担持することにより触媒被覆層を形成し
た。次に、５００℃で焼成した５ｗｔ％Ｗを含むＺｒＯ
₂粉末９０ｇ、水４０ｇ、Ｐｔジニトロジアンミン塩水
溶液をＰｔ換算で４ｇ、２０ｗｔ％Ａｌ₂Ｏ₃ゾルを固形
分で５ｇ加えてなるウォッシュコートスラリーＢに上記
触媒体の一端部を含浸し、Ｐｔを０．５ｇ／Ｌ相当担持
することにより触媒体６を得た。図１に示す触媒燃焼装
置に上記で得た触媒体６を、ウォッシュコートスラリー
Ｂが付着した面を下流として装着し、実施例１と同様の
試験を行った。

【００１４】（比較例１）金属製ハニカム（材質Ｆｅ₂₀
Ｃｒ₅Ａｌ鋼、４００セル／ｉｎｃｈ²相当、壁厚０．０
５、２０φ、長さ１０）を、１０００℃で１時間予備焼
成したγ−Ａｌ₂Ｏ₃粉末９０ｇ、水１００ｇ、Ｐｔジニ
トロジアンミン塩水溶液をＰｔ換算で４ｇ、２０ｗｔ％
Ａｌ₂Ｏ₃ゾルを固形分で５ｇ加えてなるウォッシュコー
トスラリーＣに含浸し、乾燥後、５００℃で焼成して、
Ｐｔ３ｇ／L相当担持することにより触媒被覆層を形成
し、触媒体６を得た。図１に示す触媒燃焼装置に上記で
得た触媒体６を装着し、実施例１と同様の試験を行っ
た。

【００１５】（比較例２）セラミックス製ハニカム（材
質コージライト、４００セル／ｉｎｃｈ²相当、壁厚
０．１５、２０φ、長さ１０）を、１０００℃で１時間
予備焼成したＺｒＯ ₂粉末９０ｇ、水４０ｇ、Ｐｔジニ
トロジアンミン塩水溶液をＰｔ換算で４ｇ、２０ｗｔ％
Ａｌ₂Ｏ₃ゾルを固形分で５ｇ加えてなるウォッシュコー
トスラリーＡに含浸し、乾燥後、５００℃で焼成して、
Ｐｔ３ｇ／L相当担持することにより触媒被覆層を形成
し、触媒体６を得た。図１に示す触媒燃焼装置に上記で
得た触媒体６を装着し、実施例１と同様の試験を行っ
た。

【００１６】（比較例３）金属製ハニカム（材質Ｆｅ₂₀
Ｃｒ₅Ａｌ鋼、４００セル／ｉｎｃｈ²相当、壁厚０．０
５、２０φ、長さ１０）を、１０００℃で１時間予備焼
成したＺｒＯ₂粉末９０ｇ、水４０ｇ、Ｐｔジニトロジ
アンミン塩水溶液をＰｔ換算で４ｇ、２０ｗｔ％Ａｌ₂
Ｏ₃ゾルを固形分で５ｇ加えてなるウォッシュコートス
ラリーＡに含浸し、乾燥後、５００℃で焼成して、Ｐｔ
３ｇ／L相当担持することにより触媒被覆層を形成し、
触媒体を得た。さらに、ウォッシュコートスラリーＡに
上記触媒体の一端部を含浸し、Ｐｔを０．５ｇ／Ｌ相当
担持し、触媒体６を得た。図１に示す触媒燃焼装置に上
記で得た触媒体６を装着し、実施例１と同様の試験を行
った。

【００１７】実施例１〜３および比較例１〜３で、触媒
体６の下流端部に形成した火炎により、触媒下流部が活
性化され、下流側が部分的に触媒燃焼を開始して消炎す
る時間「火炎消滅時間」と、燃焼位置が定常の触媒上流
全面で行われるまでの時間「燃焼開始時間」について調
べた結果を（表１）に示す。

【００１８】

【表１】

【００１９】実施例１では比較例１に比べて火炎消滅時
間が短縮した。図３に示すように、ＺｒＯ₂担体を用い
ることによりブタンの低温燃焼活性がやや向上している
ためである。同様の効果は実施例２のＣｅＯ₂担体で
も、ＺｒＯ₂とＣｅＯ₂を複合化して用いた場合でも認め
られた。また、燃焼開始時間については、本実施例１、
２では比較例１に比べて大幅に短縮した。図４に示す昇
温脱離プロファイルのように、ＺｒＯ₂担体の場合は昇
温時の脱離水分量が比較例２に用いたγ-Ａｌ₂Ｏ₃より
極端に少ないことがわかる。燃焼開始時間には、吸着水
を蒸発させるのに熱量も含まれるため、高表面積のＡｌ
₂Ｏ₃では多く時間を必要とするものと考えられる。

【００２０】実施例１と比較例２の比較から明らかなよ
うに、基材を金属にすることにより、さらに燃焼開始時
間を短縮化することができる。セラミックス基材自体も
吸水するためであり、よりＺｒＯ₂担体の効果は明瞭に
発揮することができた。また、金属基材を用いることに
より、熱は均一化されやすいため、燃焼による触媒温度
の局所高温化を抑制できるため、より高い燃焼量で予熱
操作を行うことが可能となる。なお、ＺｒＯ₂やＣｅＯ₂
の塗膜形成補助剤であるＡｌ₂Ｏ₃微粒子量は、１０ｗｔ
％程度以内であれば性能に大きく影響しなかった。ま
た、ＳｉＯ₂微粒子を用いても同様の効果が得られた。

【００２１】また、実施例３と比較例３の比較からわか
るように、実施例３では、触媒体６の下流側にＷ／Ｚｒ
Ｏ₂に担持したＰｔを積層して設けることにより、単純
なＺｒＯ２に担持したＰｔを積層するよりも、燃焼開始
時間が短縮化された。また、火炎消滅時間も特に短縮化
され、火炎予熱によるＮＯｘの生成を抑制する効果も付
随的に発揮される。図５に示すように、ＷのＺｒＯ₂へ
の添加により、Ｐｔのイソブタン酸化活性が大幅に向上
するためである。同様の効果は、担体の固体酸性に関係
するものと考えられ、ＭｏやVを添加した場合、あるい
は同様の処理をＣｅＯ₂やＴｉＯ₂に対して行った場合に
も発揮された。

【００２２】次に、一度燃料供給を停止し、再供給した
場合に燃焼が可能な温度「再燃焼開始温度」を調べた結
果を（表２）に示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】（表２）から明らかなように、実施例３の
触媒構成をとることにより、再燃焼開始温度も大幅に低
下しており、機器の温度制御をより余裕度を持たして行
うことができる。

【００２５】本実施例と比較例では、燃焼寿命試験中の
主燃焼面（触媒上流）温度変化は、同様の傾向を示し、
ＺｒＯ₂やＣｅＯ₂を担体とした場合や、積層型触媒を用
いた場合でも定常燃焼時の性能変化には影響しないこと
が明らかになった。実施例１、３と比較例１について
の、火炎消滅時間の経時変化を図６（ａ）に、燃焼開始
時間の経時変化を図６（ｂ）に示す。ＺｒＯ₂担体では
γ−Ａｌ₂Ｏ₃より比表面積が小さいのにも関わらず、短
い予熱時間を維持することが可能であった。一方、実施
例３では、初期より性能低下が認められたが、実施例
１、２および比較例１〜３と比較しても短い火炎消滅時
間を維持することが可能となった。なお本実施例３で
は、Ｖ、Mo、Wのうち少なくとも一つと、白金族系金属
と、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｔｉ酸化物のうち少なくとも一つから
構成される触媒層をＰｔ／ＺｒＯ₂などの触媒体上の下
流側に積層して設け触媒体６としたが、触媒体６の下流
側に近接して別途同様の金属ハニカムや耐熱性繊維など
に担持して触媒体として用いても良い。

【００２６】

【発明の効果】以上の実施例の説明より明かなように、
本発明によれば、触媒燃焼開始に必要な予熱時間を大幅
に短縮し、温度制御性に対する安定性が良好な触媒燃焼
装置の提供が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の触媒燃焼装置の構成図

【図２】本発明の積層型触媒断面を示す図

【図３】本発明の実施例１および比較例１に用いた触媒
の酸化活性を示す図

【図４】本発明の一実施例に用いた触媒の空気中放置後
の昇温脱離プロファイルを示す図

【図５】本発明の実施例３に用いた触媒の酸化活性を示
す図

【図６】（ａ）本発明の実施例および比較例における燃
焼寿命時間に伴う主燃焼面温度の経時変化を示す図（ｂ）同燃焼開始時間の経時変化を示す図

【符号の説明】

１燃料供給バルブ２空気供給バルブ３混合室４混合気入口７燃焼室６触媒体７点火装置８熱伝達部９排気口１０温度センサ１１触媒被覆層１２耐熱性金属基材１３Ｖ、Mo、Wのうち少なくとも一つと、白金族系金
属と、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｔｉ酸化物のうち少なくとも一つか
ら構成される触媒層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川崎良隆大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者鈴木基啓大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 3K065 TA13 TB09 TC05 TD04 TD05 TK02 TK04 TK06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室に設けられた燃料と空気からなる
混合気を供給する混合気入口と、前記燃焼室内に設けら
れた白金族系金属とＺｒまたはＣｅの酸化物の少なくと
も一つを主体とした担体から構成される触媒被覆層が多
数の連通孔を有する基材上に形成された触媒体と、前記
燃焼室の外部に接触させた熱伝達部と、前記燃焼室に設
けられた排気口からなることを特徴とする触媒燃焼式熱
源機器。
【請求項２】基材がＡｌ含有フェライト系金属である
ことを特徴とする請求項１記載の触媒燃焼式熱源機器。
【請求項３】触媒被覆層は、ＡｌまたはＳｉの酸化物
微粒子を１〜１０重量％含んでいることを特徴とする請
求項１または２記載の触媒燃焼式熱源機器。
【請求項４】燃焼室に設けられた燃料と空気からなる
混合気を供給する混合気入口と、前記燃焼室内に設けら
れた白金族系金属とＺｒまたはＣｅの酸化物の少なくと
も一つを主体とした担体から構成される触媒被覆層が多
数の連通孔を有する基材上に形成された触媒体と、前記
燃焼室の外部に接触させた熱伝達部と、前記燃焼室に設
けられた排気口からなり、前記触媒被覆層の燃料供給方
向に対して下流側に、Ｖ、Mo、Wのうち少なくとも一つ
と、白金族系金属と、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｔｉ酸化物のうち少
なくとも一つから構成される触媒層を設けたことを特徴
とする触媒燃焼式熱源機器。
【請求項５】触媒被覆層と触媒層が同一基材上に積層
して設けられていることを特徴とする請求項４記載の触
媒燃焼式熱源機器。