JPH09327627A

JPH09327627A - 触媒部材およびその製造方法

Info

Publication number: JPH09327627A
Application number: JP8146232A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Terajima; 徹生寺島; Kiyoshi Taguchi; 清田口; Kunio Kimura; 邦夫木村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1996-06-07
Publication date: 1997-12-22

Abstract

(57)【要約】【課題】熱交換効率、寿命等の諸特性に優れた触媒部
材を提供する。【解決手段】一定方向に多数の貫通した細孔を有する
セラミックス製のハニカム構造体を、細孔の延伸方向に
筒状の金属基材で打ち抜いて、ハニカム構造体と金属基
材を一体化させることにより、熱容量の小さいセラミッ
クス製ハニカム構造体を触媒担体に用い、その熱交換器
壁面に密着させる側面に筒状の金属基材を配することに
より、熱伝導性を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に触媒燃焼、排
気ガス浄化、脱臭等に用いられる触媒部材に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】一般に、これらの用途の触媒部材には、
セラミックスや金属からなるハニカム構造体などの担体
基材上に、ディップ法、スプレー法などの手段により、
触媒活性金属を担持した無機酸化物を含む触媒層を形成
したものが用いられている。セラミックス製のハニカム
構造体を用いた触媒部材は、ほとんどの場合、無機層状
化合物などからなるシール部材やスプリングなどの支持
材を用いて触媒反応器へ固定していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、発熱装置など
において触媒燃焼させる場合には、これら、触媒部材の
支持材が断熱層として働くため、燃焼熱を熱利用部分に
伝達する効率、すなわち熱交換効率を低下させる原因と
なっていた。

【０００４】また、熱交換効率を高めるために、通常、
空気過剰率（燃料に対する供給空気流量と化学量論的空
気流量の比）を１．０〜１．５に設定し、流速を極力低
下させる手段が用いられるが、このような条件下では、
燃料供給方向に対して触媒部材の上流側で燃焼熱は発生
することになる。しかし、セラミックス製のハニカム構
造体を用いた場合は、ハニカム構造体の材質自体に起因
して熱伝達率が低く、触媒温度が局部的に高温化し、触
媒および触媒担体の劣化を引き起こしていた。そのた
め、積極的に放熱させ、触媒部材を冷却する必要があっ
た。一方、金属製のハニカム構造体を用いた場合には、
高い機械的強度が得られるとともに、燃焼機器に比較的
密に接触させることができるため、高い熱伝達効率が得
られ、これにより、触媒部材内の温度格差が緩和され、
触媒層の熱劣化を抑制することができる。しかし、ハニ
カム構造体を構成する金属板と、一般に多孔質である無
機酸化物からなる触媒層は、密着性が低いため、触媒層
が金属板から剥離しやすく、また、厚い触媒層を形成す
ることが困難であるといった欠点があった。

【０００５】ディップ法、スプレー法などの手段によ
り、担体基材表面に触媒層を均一に形成するためには、
これら加工の際の液垂れを防止する必要があり、一度に
付着させる量が制限される。そのため、同様の工程を複
数回、繰り返し行わなければならず、高コストとなる原
因になっていた。

【０００６】さらに、触媒部材の性能として、これらの
用途において、触媒部材の温度が触媒活性化温度まで昇
温する時間ができるだけ短いことが望まれる。しかし、
コージェライトなどの押し出し成形体や金属製のハニカ
ム構造体を担体基材に用いた場合には、これら担体基材
自体の熱容量が大きいため、昇温に長時間を要する。そ
れに対して、シリカアルミナファイバーなどの無機繊維
から構成される担体基材は、熱容量は小さいが、機械的
強度が弱いため、任意の形状に加工することが困難であ
った。本発明は、熱交換効率、寿命等の諸特性に優れた
触媒部材を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の触媒部材は、セ
ラミックス製のハニカム構造体を触媒担体基材に用い、
その熱交換器壁面に密着させる側面を筒状の金属基材に
より構成することにより、触媒部材自身あるいは燃焼機
器との熱伝導を向上させるものである。本発明による
と、セラミックス製のハニカム構造体を筒状の金属基材
で打ち抜くことにより、ハニカム構造体と金属基材を容
易に密着性よく一体化することができる。ハニカム構造
体への触媒層の形成は、金属基材との一体化の前後のい
ずれに行っても、優れた特性の触媒部材を得ることがで
きる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の触媒部材は、軸方向に多
数の貫通した細孔を有するセラミックス製のハニカム構
造体と、ハニカム構造体の表面を被覆する触媒層と、軸
方向に対してハニカム構造体の外周側面を囲む筒状の金
属基材を具備するものである。セラミックス製のハニカ
ム構造体の外周側面に筒状の金属基材を密着して固定す
ることにより、ハニカム構造体の寸法精度を向上させる
ことができるとともに、金属基材を熱伝導体として作用
させることができる。すなわち、金属基材を熱交換器壁
面に密着させることにより、燃焼によって触媒部材で発
生する熱を、速やかに触媒部材外部に伝達させることが
できる。また、触媒部材の下流側に熱を伝達することが
容易になるため、触媒部材のガスの流通方向の温度勾配
を緩和することができる。

【０００９】また、ハニカム構造体が、軸方向を一致さ
せ、かつ同方向に対してて並列または直列に一体化され
た複数個からなることが好ましい。担体基材として、複
数個のハニカム構造体をガスの流通方向に対して直列方
向あるいは並列方向に一体化させて用いることにより、
触媒構成の自由度が増す。それにより、例えば、複数個
の担体基材を並列方向に一体化させて設置した場合に
は、燃焼面積を大きくとることができ、熱交換効率を維
持した状態で、より高い燃焼負荷、あるいは、より大き
な空間速度のガスにも対応することが可能となる。

【００１０】さらに、複数個のハニカム構造体が、開口
率の異なる二種類以上からなることが好ましい。複数個
の担体基材を一体化して用いる場合、ガスの流れ方向に
直列あるいは並列に配されたハニカム構造体の開口率を
変化させることにより、それぞれガスの流れ方向、ある
いは流れに対して垂直方向の触媒部材内の温度勾配を小
さくすることができる。例えば、比較的高温となりやす
い上流側のハニカム構造体の開口率を高くし、相対的に
低温となる下流側の触媒部材の開口率を低くすることに
より、温度分布を均一化して触媒の反応率を均一化する
ことができ、これにより触媒の熱劣化を防止することが
できる。また、外周側のハニカム構造体の開口率を内部
のハニカム構造体の開口率と比べて相対的に低くしても
よい。これらの手段は、ハニカム構造体のセル（細孔）
数やセル間の隔壁の肉厚を変化させることによって対応
することができる。

【００１１】また、複数個のハニカム構造体のうちの少
なくとも一つが、金属製であることが好ましい。例え
ば、触媒担体基材として、金属製のハニカム構造体とセ
ラミックス製のハニカム構造体を併用し、触媒部材の上
流側にセラミックス製のハニカム構造体を用い、下流側
に金属製ハニカム構造体を用いることによって、触媒部
材の外部への熱伝達効率を高めることができる。一方、
燃焼量が比較的大きい場合には、上流側に熱伝達率の高
い金属製ハニカム構造体を、下流側にセラミックス製ハ
ニカム構造体をそれぞれ用いることにより、触媒部材の
上流側の温度上昇を抑制し、触媒の燃焼劣化を防止する
ことができる。また、相対的に高温となりやすい触媒部
材の中央部に金属製のハニカム構造体を用い、外側にセ
ラミックス製ハニカム構造体を用いることにより、触媒
の反応率を維持した状態で触媒の熱劣化を防止すること
ができる。

【００１２】さらに、複数個のハニカム構造体の表面の
触媒層が、触媒の異なる二種類以上からなることが好ま
しい。高温耐久性、反応速度、反応物質の選択性など、
異なった反応特性を有する触媒を、予測されるガスの流
れ方向の温度分布にしたがって配置することができる。
これにより、同一の触媒部材内で相異なる触媒特性を発
揮させることができ、触媒部材の性能を向上させること
ができる。これら燃料に対する触媒の反応特性は、触媒
活性種によって大きく異なるため、触媒担体基材に担持
させる触媒は、燃料の種類より選択して用いる。一例と
してメタンの燃焼に用いられる触媒活性金属である白金
族金属を挙げると、Ｐｄは、低温活性に優れるが、高温
での反応速度はＰｔに劣り、排気ガス中に未反応物質が
排出される。一方、Ｐｔは、低温活性はＰｄに劣るが、
触媒活性化温度以上での反応速度が大きい。ＰｔとＰｄ
を同一のハニカム構造体に担持させると、高温での焼成
において合金化するため、得られた触媒部材は十分な特
性が得られない。これに対して、複数個のハニカム構造
体にＰｔとＰｄをそれぞれ担持させ、これらを一体化し
て用いることにより、優れた触媒特性を発揮する触媒部
材を得ることができる。

【００１３】また、金属基材が、側面に貫通した複数の
空孔を有することが好ましい。ハニカム構造体の外周側
面に配する金属基材に、パンチングメタルやエキスパン
ドメタルなど、多数の空孔を有するものを用いることに
より、空孔分の金属基材に相当する熱容量を減少させ、
触媒部材の加熱速度をより大きくすることができる。

【００１４】さらに、金属基材が、側面に凹凸を有する
ことが好ましい。金属基材の側面に波形などの凹凸をつ
けることにより、熱交換器との接触度合いを調節でき
る。例えば、相対的に温度の高い部分では、積極的に熱
交換器内壁に接触させ、一方で相対的に温度の低い部分
は、熱交換器内壁との接触面積を小さくし、熱伝達率を
低くすることによって、触媒部材内のガスの流れ方向の
温度勾配を緩和し、触媒の熱劣化を防止するとともに、
触媒活性を発揮できる温度帯に任意に設定できる。

【００１５】また、ハニカム構造体に、軸方向に貫通し
て挿入された金属棒を具備することが好ましい。セラミ
ックス製のハニカム構造体に、細孔の延伸方向、すなわ
ちガスの流れ方向に、一つ以上の金属棒を貫通させて挿
入することにより、金属棒の優れた熱伝導によってガス
の流れ方向の温度勾配を緩和することができる。

【００１６】さらに、金属基材の長さが、ハニカム構造
体の軸方向の長さよりも長いことが好ましい。筒状の金
属基材の長さをハニカム構造体の長さよりも長くするこ
とにより、金属基材と熱交換器の接触面積を広くとるこ
とができ、熱交換効率を向上させることができる。

【００１７】なお、これらの触媒部材の間に熱交換パイ
プを設置し、水などの熱媒体を通すことにより、燃焼熱
をより有効に利用することができる。また、電気ヒータ
ーを設け、触媒部材を加熱することにより、触媒に熱を
速やかに伝達させ、触媒の活性温度まで短時間で昇温さ
せることも可能となる。

【００１８】本発明の触媒部材の製造法は、特定方向に
貫通した多数の細孔を有するセラミックス製のハニカム
構造体を、貴金属塩を溶解した水溶液に無機酸化物を分
散させたスラリー、または水に貴金属を担持した無機酸
化物を分散させたスラリーに浸漬した後、乾燥、焼成す
ることにより、ハニカム構造体の表面に貴金属を含む触
媒層を形成する工程と、ハニカム構造体および筒状の金
属基材を、ハニカム構造体の細孔の延伸方向と金属基材
の長さ方向を一致させて同方向に重ね合わせて加圧する
ことにより、ハニカム構造体を金属基材の内側面形状に
一致した筒状に切り出すとともに、金属基材の内側面に
固定する工程を含むものである。筒状の金属部材を、必
要に応じて治具に装着し、セラミックス製のハニカム構
造体と重ね合わせた後、両者を加圧することにより、ハ
ニカム構造体を金属基材で打ち抜き、ハニカム構造体の
外周側面を金属基材の内側面に一致させて、両者を一体
化させる。これにより、ハニカム構造体とその周囲を囲
む金属部材の間に高い密着性が得られ、高い熱交換効率
が得られる。また、この方法によると、金属基材の外周
側面に触媒層が形成されないため、熱交換器内壁に触媒
部材をより密に接触させることができる。このとき、ハ
ニカム構造体の切り出された残りの部分、すなわち、筒
状金属基材の外側に残された部分は廃棄されることにな
る。

【００１９】本発明の他の触媒部材の製造法は、特定方
向に貫通した多数の細孔を有するセラミックス製のハニ
カム構造体を、貴金属塩を溶解した水溶液に無機酸化物
を分散させたスラリー、または水に貴金属を担持した無
機酸化物を分散させたスラリーに浸漬した後、乾燥、焼
成することにより、ハニカム構造体の表面に貴金属を含
む触媒層を形成する工程と、表面に触媒層を形成された
ハニカム構造体を複数個、細孔の延伸方向を一致させて
積層する工程と、積層された複数のハニカム構造体およ
び筒状の金属基材を、ハニカム構造体の細孔の延伸方向
と金属基材の長さ方向を一致させて同方向に重ね合わせ
て加圧することにより、ハニカム構造体を金属基材の内
側面形状に一致した筒状に切り出すとともに、金属基材
の内側面に固定する工程を含むものである。ハニカム構
造体に触媒を担持させ、これを積層した後、切り出すこ
とによって、ガスの流れ方向に異なる触媒を担持させた
複数のハニカム構造体を一体化した触媒部材を容易に作
製することができる。また、ハニカム構造体に貴金属を
含むスラリーを含浸させた後、これを乾燥し、金属基材
で打ち抜いてから、焼成を行っても良い。

【００２０】さらに、本発明の他の触媒部材の製造法
は、特定方向に貫通した多数の細孔を有するセラミック
ス製のハニカム構造体および筒状の金属基材を、ハニカ
ム構造体の細孔の延伸方向と金属基材の長さ方向を一致
させて同方向に重ね合わせて加圧することにより、ハニ
カム構造体を金属基材の内側面形状に一致した筒状に切
り出すとともに、金属基材の内側面に固定して金属基材
とハニカム構造体を一体化した担体基材を作製する工程
と、担体基材を、貴金属塩を溶解した水溶液に無機酸化
物を分散させたスラリー、または水に貴金属を担持した
無機酸化物を分散させたスラリーに浸漬した後、乾燥、
焼成することにより、担体基材の表面に貴金属を含む触
媒層を形成する工程を含むものである。この方法による
と、高価な貴金属を触媒成分として用いる場合などに、
製造工程における触媒成分の損失を減少させることがで
きる。

【００２１】なお、セラミックス製ハニカム構造体の材
料としては、コージェライト、チタン酸アルミニウム、
ムライトなどを主成分とする焼結体や、シリカアルミナ
などの無機繊維などを使用することができるが、後者の
ほうが、金属基材により切削しやすく、作業性が高い。
また、金属基材は、耐熱性、腐食性に優れたものから任
意に選択することができるが、アルミニウムを含有する
フェライト系ステンレス鋼が好ましい。また、触媒活性
種は、白金族金属、複合酸化物などから対象となるガス
に応じて選択することができる。

【００２２】本発明によると、触媒層を備えたハニカム
構造体を積層した触媒部材を容易に作製することができ
るため、触媒組成あるいは担体構成を用途に対して最適
化することにより、触媒の熱劣化を抑制し、反応活性を
向上させることができる。セラミックス繊維を主成分と
するハニカム構造体は、熱容量が比較的小さく、また形
状の自由度が大きいため、これを用いることにより、触
媒部材をより短時間で昇温することが可能となる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。

【００２４】《実施例１》本実施例では、一定方向に３
５０セル／ｉｎｃｈ²の貫通した細孔を有するセラミッ
クス製ハニカム板を用いた。このセラミックス製ハニカ
ム板は、ともにシリカアルミナファイバーおよびアルミ
ナゾルを主成分とする厚さ０．５ｍｍの平板状および波
板状のセラミックス製シートを交互に積層して成形した
ものである。図１に示すように、縦および横が１００ｍ
ｍの正方形で、厚さが２０ｍｍであり、厚さ方向に貫通
した孔が形成されたセラミックス製ハニカム板１ａを固
定して、このセラミックス製ハニカム板１ａ上に厚さ１
００μｍのＦｅＣｒＡｌ鋼板を直径１０ｍｍ、長さ２５
ｍｍの円筒状に加工した金属基材２を重ね合わせ、矢印
方向に加圧して、セラミックス製ハニカム板１ａを打ち
抜くことにより、図２および図３に示すようにセラミッ
クス製ハニカム構造体１とその周囲に一体化された金属
基材２からなる担体基材３を得た。

【００２５】一方、活性アルミナ粉末１００ｇをジニト
ロジアンミン白金水溶液に含浸し、乾燥した後、５００
℃で１時間焼成することにより、表面にＰｔを２ｗｔ％
担持した触媒粉末（以下、Ｐｔ／活性アルミナ粉末とす
る）を得た。このＰｔ／活性アルミナ粉末１００ｇ、ア
ルミナゾル（固形分２０ｗｔ％）１０ｇおよび水２００
ｇを混合してＰｔ触媒スラリーを調製した。担体基材３
に、このＰｔ触媒スラリーを含浸させ、乾燥後、５００
℃で１０分焼成することにより、担体基材３の表面にＰ
ｔを５ｍｇ含む触媒層を形成して、触媒部材を得た。

【００２６】このようにして得られた触媒部材２８を、
図４に示す触媒燃焼装置に装着し、以下のようにして燃
焼試験を行った。ただし、図３の（ｂ）における矢印方
向と燃料の供給方向が一致するように装着した。まず、
触媒部材２８を、燃焼室２３内部に装着した。燃料供給
口２１から、毎分、都市ガス８０ｃｃ（約５０ｋｃａｌ
／ｈ相当）および空気８．８リットルを混合した空気過
剰率１の混合気を、触媒部材２８に供給した。イグナイ
タ２２により、混合気に点火されると、触媒部材２８の
下流側に火炎が形成される。これにより、触媒部材２８
表面の触媒層に含まれる触媒活性金属であるＰｔが予熱
され、活性化温度まで到達すると、燃焼室２３内で触媒
燃焼が開始される。このとき、火炎着火から、触媒燃焼
によって燃焼室２３の外壁温度が２００℃まで上昇する
までに要する時間（昇温時間）を熱電対２４で測定し
た。また、燃焼室２３の外周側面に螺旋状に捲回して設
けられた熱交換パイプ２５に、図中、白ヌキの矢印で示
すように水を２ｃｃ／ｍｉｎで供給し、入口と出口の水
の温度差より、熱交換効率を求めた。さらに、排気口２
６から排気されたガス組成をガスクロマトグラフィで分
析し、ＣＯ₂と未燃炭化水素濃度より、燃焼率を求め
た。また、触媒部材２８の上流側の温度は、触媒部材２
８の上流側端面の中心より１ｍｍ内側に配された熱電対
２７により測定した。

【００２７】《実施例２》実施例１と同様のセラミック
ス製ハニカム板に、実施例１と同様のＰｔ触媒スラリー
を含浸し、乾燥後、５００℃で１０分熱処理することに
より、ハニカム板表面にＰｔを０．６ｍｇ含む触媒層を
形成した。続いて、実施例１と同様の円筒状金属基材を
用いて、このセラミックス製ハニカム板を打ち抜くこと
によって、触媒層を備えたセラミックス製ハニカム構造
体とその周囲を囲む金属基材からなる触媒部材を得た。
得られた触媒部材を図４に示す触媒燃焼装置に装着し、
実施例１と同様の燃焼試験を行った。

【００２８】《実施例３》実施例１で用いたものと同様
で厚さのみ異なるセラミックス製ハニカム板（３５０セ
ル／ｉｎｃｈ²、縦および横が１００ｍｍの正方形で、
厚さが１０ｍｍ）、およびこれと材質が等しく、より開
口率の低いセラミックス製ハニカム板（４８０セル／ｉ
ｎｃｈ²、縦および横が１００ｍｍの正方形で、厚さが
１０ｍｍ）に、実施例１と同様のＰｔ触媒スラリーを含
浸させ、乾燥したのち、５００℃で１０分熱処理するこ
とにより、これらハニカム板の表面にそれぞれＰｔを約
０．６ｇ含む触媒層を形成した。続いて、これらのハニ
カム板を重ね合わせて、実施例１と同様の円筒状金属基
材６を用いて同様に打ち抜くことによって、図５に示す
ように、ともに等しい触媒層を備えたセラミックス製ハ
ニカム構造体４およびこれより開口率の低いセラミック
ス製ハニカム構造体５と、その周囲を囲む金属基材６を
一体化した触媒部材を得た。得られた触媒部材を、開口
率の高いハニカム構造体４が燃料供給方向に対して上流
となるように、図４に示す触媒燃焼装置に装着し、実施
例１と同様の燃焼試験を行った。

【００２９】《実施例４》実施例１と同様のＰｔ／活性
アルミナ粉末１００ｇ、アルミナゾル（固形分２０ｗｔ
％）１０ｇおよび水１５０ｇを混合してＰｔ触媒スラリ
ーを調製した。実施例３で用いたものと同様のセラミッ
クス製のハニカム板（３５０セル／ｉｎｃｈ²、縦およ
び横が１００ｍｍの正方形で、厚さが１０ｍｍ）に、上
記のＰｔ触媒スラリーを含浸させ、乾燥した後、５００
℃で１０分熱処理することにより、ハニカム板の表面に
Ｐｔを０．３ｇ含む触媒層を形成した。また、実施例１
で用いたものと同様の活性アルミナ粉末１００ｇをジニ
トロジアンミンパラジウム水溶液に含浸させ、乾燥した
後、５００℃で１時間焼成することによって、活性アル
ミナ粉末にＰｄを２ｗｔ％担持させた。以下、この粉末
をＰｄ／活性アルミナ粉末とする。このＰｄ／活性アル
ミナ粉末１００ｇ、アルミナゾル（固形分２０ｗｔ％）
１０ｇおよび水１５０ｇを混合し、Ｐｄ触媒スラリーを
調製した。上記と同様のセラミックス製のハニカム板
に、このＰｄ触媒スラリーを含浸させ、乾燥後、５００
℃で１０分熱処理することにより、ハニカム板の表面に
Ｐｄを０．３ｇ含む触媒層を形成した。

【００３０】これらのハニカム板を、厚さ方向に重ね合
わせた後、実施例１と同様の金属基材９を用いて打ち抜
くことによって、図６に示すように、Ｐｔを含む触媒層
を備えたセラミックス製ハニカム構造体７およびＰｄを
含む触媒層を備えたセラミックス製ハニカム構造体８と
その周囲を囲む金属基材９を一体化した触媒部材を得
た。得られた触媒部材を、Ｐｔを含む触媒層を備えたハ
ニカム構造体７が燃料供給方向に対して上流となるよう
に、図３の触媒燃焼装置に装着し、実施例１と同様の燃
焼試験を行った。

【００３１】《実施例５》実施例１で用いたものと同様
の円筒状の金属基材１２の内側に、外径が金属基材１２
の内周と一致し、厚さ１０ｍｍの円筒状の金属製ハニカ
ム構造体１０を固定した。この金属製ハニカム構造体１
０は、ＦｅＣｒＡｌ鋼製で、隔壁の厚さが５０μｍで、
厚さ方向に４００セル／ｉｎｃｈ²の貫通孔を有する。
この金属製ハニカム構造体１０と一体化された金属基材
１２を用いて、実施例４で用いたものと同様のセラミッ
クス製ハニカム板（厚さ１０ｍｍ）を同様に打ち抜くこ
とによって、図７に示すように金属製ハニカム構造体１
０、セラミックス製ハニカム構造体１１およびこれらの
周囲に固定された金属基材１２からなる担体基材を得
た。この担体基材に実施例１と同様のＰｔ触媒スラリー
を含浸させ、乾燥した後、５００℃で１０分時間焼成す
ることにより、表面にＰｔを５ｍｇ含む触媒層を形成
し、図７に示すような触媒部材を得た。得られた触媒部
材を、金属製ハニカム構造体１０を燃料供給方向に対し
て上流側として、図４に示す触媒燃焼装置に装着し、実
施例１と同様の燃焼試験を行った。

【００３２】《実施例６》実施例４で用いたものと同様
のセラミックス製ハニカム板（厚さ１０ｍｍ）に、実施
例１と同様のＰｔ触媒スラリーを含浸させ、乾燥した
後、５００℃で１０分熱処理することにより、ハニカム
板表面にＰｔを０．６ｇ含む触媒層を形成した。続い
て、実施例５で作製したものと同様の金属基材と金属製
ハニカム構造体の結合体を用いて、同様に、上記の触媒
層を設けたセラミックス製ハニカム板を打ち抜くことに
よって、触媒部材を得た。得られた触媒部材を、燃料供
給方向に対して、金属製ハニカム構造体が下流側になる
ように図４に示す触媒燃焼装置に装着し、実施例１と同
様の燃焼試験を行った。

【００３３】《実施例７》実施例１と同様のセラミック
ス製ハニカム板（厚さ２０ｍｍ）に、実施例１と同様の
Ｐｔ触媒スラリーを含浸させ、乾燥した後、５００℃で
１０分熱処理することにより、ハニカム板表面にＰｔを
０．６ｇ含む触媒層を形成した。一方、厚さ１００μｍ
で、その表面にパンチング加工により形成された直径２
ｍｍの円形の孔を８１個／ｍ²備えたＦｅＣｒＡｌ鋼薄
板を、縦２５ｍｍ、直径１０ｍｍの円筒状に加工して金
属基材を得た。この金属基材を用いて、実施例１と同様
に、上記の触媒層を備えたセラミックス製ハニカム板を
打ち抜くことによって、表面に触媒層を備えたセラミッ
クス製ハニカム構造体とその周囲に一体化された金属基
材からなる触媒部材を得た。得られた触媒を図４に示す
触媒燃焼装置に装着し、実施例１と同様の燃焼試験を行
った。

【００３４】《実施例８》実施例１で用いたものと同様
のセラミックス製ハニカム板（厚さ２０ｍｍ）に、実施
例１と同様のＰｔ触媒スラリーを含浸させ、乾燥した
後、５００℃で１０分熱処理することにより、Ｐｔを
０．６ｇを含む触媒層を形成した。一方、厚さ１００μ
ｍのＦｅＣｒＡｌ鋼薄板を波形状に加工した後、図８に
示すように長さ２５ｍｍ、最大外径１０ｍｍの略円筒状
の金属基材１４を作製した。この金属基材１４を用いて
Ｐｔを含む触媒層を備えたセラミックス製ハニカム板を
打ち抜くことによって、図８に示すように、触媒層を備
えたセラミックス製ハニカム構造体１３とその周囲に一
体化された金属基材１４からなる触媒部材を得た。得ら
れた触媒を図４の触媒燃焼装置に装着し、実施例１と同
様の燃焼試験を行った。

【００３５】《実施例９》実施例１で用いたものと同様
のセラミックス製ハニカム板（厚さ２０ｍｍ）に対し、
実施例１と同様のＰｔ触媒スラリーを含浸させ、乾燥し
た後、５００℃で１０分熱処理することにより、ハニカ
ム板の表面にＰｔを０．６ｇを含む触媒層を形成した。
続いて、図９に示すように、実施例７で用いたものと同
様のＦｅＣｒＡｌ鋼製の金属基材１６を用いて、このセ
ラミックス製ハニカム板を打ち抜いて、セラミックス製
ハニカム構造体１５と金属基材１６を一体化するととも
に、これらの中心軸方向に、直径４ｍｍで長さ２５ｍｍ
の刃を用いて直径４ｍｍの円形の貫通孔１７を形成し
た。この貫通孔１７にステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製
で、直径４ｍｍ、長さ２０ｍｍの金属棒を挿入し、触媒
部材とした。得られた触媒部材を図４に示す触媒燃焼装
置に装着し、実施例１と同様の燃焼試験を行った。

【００３６】《比較例１》コージライト製で、隔壁の厚
さ１５０μｍ、４００セル／ｉｎｃｈ²の貫通した細孔
を有する、直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍの円筒状セラミ
ックス製ハニカム材に、実施例１と同様のＰｔ触媒スラ
リーを含浸させ、乾燥した後、５００℃で１０分熱処理
することにより、ハニカム材表面にＰｔを０．６ｇ含む
触媒層を形成し、触媒部材とした。得られた触媒部材の
外側壁に層状無機化合物からなるシール部材を貼付し
て、図４に示す触媒燃焼装置に装着し、実施例１と同様
の燃焼試験を行った。

【００３７】《比較例２》ＦｅＣｒＡｌ鋼製で、隔壁の
厚さ５０μｍ、４００セル／ｉｎｃｈ²の貫通した細孔
を有する、直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍの円筒状の金属
ハニカム材に、実施例１と同様のＰｔ触媒スラリーを含
浸させ、乾燥した後、５００℃で１０分熱処理する工程
を３回繰り返すことにより、ハニカム材表面にＰｔを５
ｍｇ含む触媒層を形成し、触媒部材とした。得られた触
媒部材の外側壁に層状無機化合物からなるシール部材を
貼付して、図４に示す触媒燃焼装置に装着し、実施例１
と同様の燃焼試験を行った。

【００３８】実施例１〜９、比較例１、２の触媒部材を
用いた燃焼試験の結果を表１に示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１の結果に示されるように、実施例１〜
９のいずれの触媒部材も、比較例１および２の触媒部材
に比べて昇温時間が短い。これは、実施例１〜９の触媒
部材は、セラミックスファイバーを主成分とするセラミ
ックス製ハニカム構造体とその周囲を覆う円筒状の金属
基材で構成されるため、セラミックス製または金属製の
ハニカム材をそれぞれ単独で触媒担体基材に用いた比較
例１または２の触媒部材に比べて熱容量が小さいことに
よるものと考えられる。実施例５および６の触媒部材
は、体積の半分が金属製ハニカム構造体で構成されてい
るため、実施例９の触媒部材は、金属棒が中心に設けら
れているため、やや昇温速度が遅いものと考えられる。
実施例４の触媒部材では、都市ガスの主成分であるメタ
ンに対して低温で高い活性を示すＰｄを下流側に用いて
いるため、Ｐｔ単独よりも昇温時間を短縮することがで
きる。また、実施例２の触媒部材は、外周に配された金
属基材が直接燃焼室内壁と接触しているため、実施例２
の触媒部材のように、触媒層を介して接触しているもの
に比べてやや昇温に時間を要している。実施例７および
８の触媒部材では、燃焼室壁内に対向する金属基材の側
面のうち、すべてが燃焼室と接触しない構成となってい
るため、昇温時間を短縮することができる。

【００４１】熱交換効率を比較すると、燃焼室内壁と密
に接触している実施例２、３、４および６、比較例２の
触媒部材などが高い値を示した。特に、実施例６の触媒
部材では、高温側となる下流側に設けられた金属製ハニ
カム構造体が高い熱伝達率を有することから、燃焼室内
壁と直接熱交換し、高い熱交換効率が得られたものと考
えられる。

【００４２】燃焼率を比較すると、本実施例１〜９の触
媒部材は、比較例１および２の触媒部材と比較していず
れも高い値を示した。実施例３、７および８の触媒部材
が高い値を示す理由は、触媒層の温度が適度に高温化し
ていることによると考えられる。一方、比較例１の触媒
部材では、温度が１０００℃を超えており、気相燃焼を
併発したため、燃焼特性が低下したものと考えられる。
また、比較例１の触媒部材では、ＣＯの発生が２０００
ｐｐｍ程度観測された。比較例２の触媒部材では、各実
施例の触媒部材と比べて上流の温度が低いため、下流側
への熱伝達が遅く、燃焼率がやや低くなったことによる
ものと考えられる。

【００４３】なお、比較例１の触媒部材では、燃焼後に
はハニカム構造体にクラックが観察されるとともに、触
媒は著しく白色化し、触媒が劣化していた。これは、セ
ラミックス製ハニカム構造体が直接燃焼室内壁と接触し
ているため、放熱が妨げられ、局所的に高温化したこと
によるものと考えられる。また、実施例９の触媒部材
は、実施例１〜８の触媒部材と比較して燃焼特性はやや
低いものの、触媒温度は低温化しているため、より高負
荷燃焼を行っても、長時間燃焼特性を維持できる。

【００４４】《実施例１０》実施例１と同様に、厚さ方
向に３５０セル／ｉｎｃｈ²の貫通した空孔を有するセ
ラミックス製ハニカム板（縦および横が１００ｍｍの正
方形で、厚さが２０ｍｍ）に、実施例１と同様のＰｔ触
媒スラリーを含浸させ、乾燥した後、５００℃で１０分
熱処理することにより、ハニカム板表面にＰｔを０．６
ｇ含む触媒層を形成した。また、厚さ１００μｍの金属
薄板（ＦｅＣｒＡｌ鋼）を、断面が縦１００ｍｍ、横１
００ｍｍの正方形であり、長さ２５ｍｍの筒状に加工し
て金属基材１９を得た。金属基材１９を、縦横にそれぞ
れ７列配置するとともに、この外周を、厚さ１００μｍ
のＦｅＣｒＡｌ鋼板製で、断面が縦７００ｍｍ、横７０
０ｍｍの正方形で、長さ２５ｍｍの筒状の金属基材２０
によって固定した。この一体化された金属基材１９およ
び金属基材２０をプレスに固定し、上記のＰｔ担持した
セラミックス製ハニカム板と重ね合わせた後、加圧して
ハニカム板を打ち抜くことによって、図１０に示すよう
なセラミックス製ハニカム構造体１８と金属基材１９お
よび２０を一体化した触媒部材を得た。

【００４５】得られた触媒部材３１を、図１１に示す触
媒燃焼装置に装着し、燃焼試験を行った。燃料供給口３
２より燃焼室３０に燃焼量を３０００ｋｃａｌ／ｈと
し、空気過剰率１．２とした都市ガスと空気の予混合気
を供給した。供給された混合気は、イグナイタ３４によ
り着火され、炎口３５で燃焼を開始する。この熱により
触媒部材３１の温度は上昇し、活性化温度に達すると、
触媒部材３１は触媒燃焼を開始する。この間、燃焼室側
壁３３に複数配置された熱交換用パイプ３６をホース
（図示せず）で直列に接続し、水を３００ｃｃ／ｍｉｎ
で供給して、入口と出口の温度差より、熱交換効率を求
めた。

【００４６】《比較例３》実施例１と同様のセラミック
ス製のハニカム板（厚さ２０ｍｍ）を縦および横がとも
に６９ｍｍの正方形に加工したハニカム材を、実施例１
と同様のＰｔ触媒スラリーを含浸させ、乾燥した後、５
００℃で１時間熱処理することにより、ハニカム材表面
にＰｔを０．６ｇ含む触媒層を形成し、触媒部材とし
た。図２と同様の触媒燃焼装置に上記触媒部材をバーミ
キュライトを主成分とする厚さ０．５ｍｍのシール部材
で固定し、実施例１０と同様の燃焼試験を行った。

【００４７】実施例１０と比較例３の結果を表２に示
す。

【００４８】

【表２】

【００４９】表２に示されるように、実施例１０の触媒
部材では、比較例３の触媒部材に比べて、昇温時間が短
縮されるとともに、熱交換効率が高い。これは、比較例
３の触媒部材では、燃焼器への固定にシール部材を用い
ているために、触媒部材から熱交換パイプまでの熱伝達
が遅くなることによると考えられる。それに対して、実
施例１０の触媒部材では、複数の触媒部材の金属基材１
９から外周の金属基材２０を経由し、燃焼器内壁への熱
伝導が効率的に行われるためと考えられる。また、比較
例３の触媒部材の上流側端面の中心部の温度を輻射温度
計で測定した結果、１０００℃以上に上昇していたのに
対し、同様の測定を実施例１０の触媒部材では、８５０
℃程度であった。これより、比較的大きな燃焼負荷の場
合に、実施例１０のような構成の触媒部材を用いること
により、触媒の温度を極力低くすることができる。これ
により、触媒劣化を抑制することができるとともに、昇
温時間を短くし、さらに熱交換効率を向上できる。な
お、実施例１０の触媒部材に、実施例１および実施例３
〜９に用いた手段を組み合わせることができる。

【００５０】なお、上記実施例では、いずれも金属基材
のガスの流れ方向の長さを、ハニカム構造体の同方向の
長さよりも長くした。これにより、これらの長さが等し
い場合と比べて、ハニカム構造体と金属基材を一体化す
る際の加工性が優れるとともに、熱交換効率が２〜３％
向上する。また、実施例では触媒部材の形状を円柱状あ
るいは四角柱状としたが、その他三角柱状、あるいは楕
円柱状など、任意に選択できる。また、実施例３では、
それぞれＰｔとＰｄを担持した二種類のハニカム構造体
を組み合わせて用いたが、組み合わせるハニカム構造体
の数はこの限りではなく、用いる触媒種も、白金族金
属、無機酸化物などから、対象燃料によって任意に選択
することができる。さらに、本実施例では、セラミック
ス繊維を主成分とするハニカム構造体を使用したが、外
周の金属基材の強度を高めることにより、コージェライ
トなどの押し出し成形体にも適用することができる。コ
ージェライト製のハニカム構造体を用いた場合には、セ
ル間の隔壁の肉厚は、熱容量を低下させるため、１５０
μｍ以下のものが好ましく、機械的強度を考慮して選択
することができる。

【００５１】

【発明の効果】本発明によると、触媒担体基材となるセ
ラミックス製のハニカム構造体の周囲に金属基材を一体
化して用いることにより、従って信頼性が高く、熱利用
効率の高い触媒部材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の触媒部材の製造工程を示すの
斜視図である。

【図２】同実施例の触媒部材の担体基材の斜視図であ
る。

【図３】同担体基材を示す図であり、（ａ）は上面図、
（ｂ）は縦断面図である。

【図４】本発明の実施例１〜９、ならびに比較例１およ
び２の触媒部材の燃焼試験に用いた触媒燃焼装置の概略
した縦断面図である。

【図５】本発明の実施例３の触媒部材の縦断面図であ
る。

【図６】同実施例４の触媒部材の縦断面図である。

【図７】同実施例５の触媒部材の縦断面図である。

【図８】同実施例８の触媒部材の斜視図である。

【図９】同実施例９の触媒部材の斜視図である。

【図１０】同実施例１０の触媒部材の一部を切り欠いた
斜視図である。

【図１１】本発明の実施例１０および比較例３の触媒部
材の燃焼試験に用いた触媒燃焼装置の概略した断面図で
あり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。

【符号の説明】１セラミックス製ハニカム構造体１ａセラミックス製ハニカム板２金属基材３担体基材４セラミックス製ハニカム構造体５セラミックス製ハニカム構造体６金属基材７セラミックス製ハニカム構造体８セラミックス製ハニカム構造体９金属基材１０金属製ハニカム構造体１１セラミックス製ハニカム構造体１２金属基材１３セラミックス製ハニカム構造体１４金属基材１５セラミックス製ハニカム構造体１６金属基材１７貫通孔１８セラミックス製ハニカム構造体１９金属基材２０金属基材２１燃料供給口２２イグナイタ２３燃焼室２４熱電対２５熱交換パイプ２６排気口２７熱電対２８触媒部材３０燃焼室３１触媒部材３２燃料供給口３３燃焼室側壁３４イグナイタ３５炎口３６熱交換用パイプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸方向に多数の貫通した細孔を有するセ
ラミックス製のハニカム構造体と、前記ハニカム構造体
の表面を被覆する触媒層と、前記軸方向に対して前記ハ
ニカム構造体の外周側面を囲む筒状の金属基材を具備す
る触媒部材。
【請求項２】前記ハニカム構造体が、軸方向を一致さ
せ、かつ同方向に対して並列または直列に一体化された
複数個からなる請求項１記載の触媒部材。
【請求項３】前記複数個のハニカム構造体が、開口率
の異なる二種類以上からなる請求項２記載の触媒部材。
【請求項４】前記複数個のハニカム構造体のうちの少
なくとも一つが、金属製である請求項２または３に記載
の触媒部材。
【請求項５】前記複数個のハニカム構造体の表面に形
成された触媒層が、触媒の異なる二種類以上からなる請
求項２、３または４に記載の触媒部材。
【請求項６】前記金属基材が、側面に貫通した複数の
空孔を有する請求項１〜５のいずれかに記載の触媒部
材。
【請求項７】前記金属基材が、側面に凹凸を有する請
求項１〜６のいずれかに記載の触媒部材。
【請求項８】前記ハニカム構造体に、軸方向に貫通し
て挿入された金属棒を具備する請求項１〜７のいずれか
に記載の触媒部材。
【請求項９】前記金属基材の長さが、前記ハニカム構
造体の軸方向の長さよりも長い請求項１〜８のいずれか
に記載の触媒部材。
【請求項１０】特定方向に貫通した多数の細孔を有す
るセラミックス製のハニカム構造体を、貴金属塩を溶解
した水溶液に無機酸化物を分散させたスラリー、または
水に貴金属を担持した無機酸化物を分散させたスラリー
に浸漬した後、乾燥、焼成することにより、前記ハニカ
ム構造体の表面に貴金属を含む触媒層を形成する工程
と、前記ハニカム構造体および筒状の金属基材を、前記
ハニカム構造体の細孔の延伸方向と前記金属基材の長さ
方向を一致させて同方向に重ね合わせて加圧することに
より、前記ハニカム構造体を前記金属基材の内側面形状
に一致した筒状に切り出すとともに、前記金属基材の内
側面に固定する工程を含む触媒部材の製造方法。
【請求項１１】特定方向に貫通した多数の細孔を有す
るセラミックス製のハニカム構造体を、貴金属塩を溶解
した水溶液に無機酸化物を分散させたスラリー、または
水に貴金属を担持した無機酸化物を分散させたスラリー
に浸漬した後、乾燥、焼成することにより、前記ハニカ
ム構造体の表面に貴金属を含む触媒層を形成する工程
と、表面に触媒層を形成された前記ハニカム構造体を複
数個、前記細孔の延伸方向を一致させて積層する工程
と、前記積層された複数のハニカム構造体および筒状の
金属基材を、前記ハニカム構造体の細孔の延伸方向と前
記金属基材の長さ方向を一致させて同方向に重ね合わせ
て加圧することにより、前記ハニカム構造体を前記金属
基材の内側面形状に一致した筒状に切り出すとともに、
前記金属基材の内側面に固定する工程を含む触媒部材の
製造方法。
【請求項１２】特定方向に貫通した多数の細孔を有す
るセラミックス製のハニカム構造体および筒状の金属基
材を、前記ハニカム構造体の細孔の延伸方向と前記金属
基材の長さ方向を一致させて同方向に重ね合わせて加圧
することにより、前記ハニカム構造体を前記金属基材の
内側面形状に一致した筒状に切り出すとともに、前記金
属基材の内側面に固定して前記金属基材と前記ハニカム
構造体を一体化した担体基材を作製する工程と、前記担
体基材を、貴金属塩を溶解した水溶液に無機酸化物を分
散させたスラリー、または水に貴金属を担持した無機酸
化物を分散させたスラリーに浸漬した後、乾燥、焼成す
ることにより、前記担体基材の表面に貴金属を含む触媒
層を形成する工程を含む触媒部材の製造方法。