JP2000055312A - 触媒燃焼装置及びその燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の触媒燃焼装置に対して、高温耐久性の向
上と可変燃焼量幅の拡大を実現できる触媒燃焼装置を実
現する。 【解決手段】上流側に燃料と空気の混合気入口、下流側
に排ガス出口を開設した燃焼室１１と、多数の連通孔を
有する基材にＰｔまたはＰｔを主体とする酸化触媒を担
持させた触媒体１２で構成され、前記燃焼室１１内に備
えられた一次燃焼室と、前記燃焼室１１の下流側に設け
られた、混合気または空気の二次供給口１３と、その二
次供給口１３の下流に設けられた二次燃焼室１６とを備
え、燃焼する際、所定の条件を満足する場合、前記一次
燃焼室の空気過剰率は、１未満として燃焼する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に発熱源や暖房
用などに用いられる、気体燃料または液体燃料を触媒燃
焼させる触媒燃焼装置において、特に高温耐久性の向上
と可変燃焼量幅の拡大技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料に対して酸化活性を有する触媒体を
用いてその表面で触媒反応を行う触媒燃焼装置は従来よ
り多数提案されているが、その燃焼方式には図１に示す
ような予混合気型の構成が一般的であった。

【０００３】図１に示す従来の予混合気型では、１の燃
料供給バルブから供給された燃料ガスは、２の空気供給
バルブより供給された空気と予混合室３で混合され、予
混合気入口４から予熱バーナ５に送られる。予混合気
は、点火装置６により点火され、予熱バーナ５に火炎を
形成する。火炎により生じた高温の排気ガスは燃焼室７
内に設けられた触媒体８を加熱しながら通過し、排気口
９より排出される。触媒体８が昇温され、触媒活性温度
となると、一旦燃料供給バルブ１により燃料の供給を停
止し、予熱バーナ５に形成された火炎を消滅させる。そ
の後、直ちに燃料を再供給することにより、触媒燃焼を
開始する。触媒体８は高温状態となり、触媒体８上流に
対向する位置に設けられたガラス１０を通して輻射放熱
するとともに、排気ガスとして放熱することで加熱、暖
房や乾燥を行っていた。上記予混合気型では、常に空気
過剰率（燃料の完全酸化反応に必要な理論空気量に対す
る実空気量の比）１以上の予混合気が触媒体８に供給さ
れ、触媒体８は過剰な酸素が存在する雰囲気で使用され
ていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の触媒燃焼装
置では、触媒体の反応中心位置で常に酸素が共存する高
温雰囲気が形成され、触媒成分の熱劣化が避けられない
ものであった。一般的に燃焼用触媒としてはＰｔ，Ｐ
ｄ，Ｒｈなどの白金族系金属が耐熱性や反応活性の点か
ら用いられることが多いが、８００〜９００℃にも至る
高温では、貴金属粒子の凝集や蒸散などによる活性点の
減少により、長時間安定した燃焼性能を得ることが困難
であった。予混合気型の触媒燃焼装置では、活性低下に
よって反応中心位置が触媒体の下流側へと移行し、完全
燃焼が維持できなくなったり、上流側表面からの輻射熱
を利用するものでは使用時間の増加とともに輻射熱量が
低下することにもなる。

【０００５】本発明は、このような従来の触媒燃焼装置
の高温耐久性の問題と可変燃焼量幅の狭さを考慮し、高
温耐久性の向上と可変燃焼量幅の拡大を実現できる触媒
燃焼装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上流側に設け
られた、燃料と空気の混合気入口と、下流側に設けられ
た排ガス出口と、多数の連通孔を有する基材に酸化触媒
を担持させた第一の触媒体が配置された一次燃焼室と、
前記一次燃焼室の下流側に設けられた、混合気または空
気の二次供給口と、その二次供給口の下流に設けられた
二次燃焼室とを備え、燃焼する際、所定の条件を満足す
る場合は、前記一次燃焼室の空気過剰率は、１未満とし
て燃焼することを特徴とする触媒燃焼装置である。

【０００７】また、本発明は、上流側に設けられた、燃
料と空気の混合気入口と、下流側に設けられた排ガス出
口と、多数の連通孔を有する基材に酸化触媒を担持させ
た触媒体が配置された一次燃焼室と、前記一次燃焼室の
下流側に設けられた、混合気または空気の二次供給口
と、その二次供給口の下流に設けられた二次燃焼室とを
備えた触媒燃焼装置の燃焼制御方法であって、初期は前
記一次燃焼室の空気過剰率は１以上とし、前記二次燃焼
室の燃焼率が所定レベルを越えた後は、前記前記一次燃
焼室の空気過剰率を１未満として燃焼することを特徴と
する触媒燃焼装置の燃焼制御方法である。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。 （実施の形態１）図２は本発明の第一の実施の形態の要
部断面図であり、その構成を作用とともに説明する。す
なわち、１の燃料供給バルブ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予混合室３
で混合され、混合気入口４から予熱バーナ５に送られ
る。混合気は、点火装置６により点火され、予熱バーナ
５に火炎を形成する。火炎により生じた高温の排気ガス
は一次燃焼室１１内に設けられた、ＰｔもしくはＲｈ、
またはＰｔもしくはＲｈを主体とする酸化触媒を多数の
連通孔を有する基材に担持させた、一次燃焼室としての
第一の触媒体１２を加熱しながら通過し、二次混合気ま
たは空気の供給部１３から供給される混合気と混合さ
れ、下流の二次燃焼室１４を通過し、排気口９より排出
される。第一の触媒体１２が昇温され、燃料に対する触
媒活性温度となると、一旦燃料供給バルブ１により燃料
の供給を停止し、予熱バーナ５に形成された火炎を消滅
させる。その後、直ちに燃料を再供給することにより、
触媒燃焼を開始するようになっている。第一の触媒体１
２は高温状態となり、第一の触媒体１２上流に対向する
位置に設けられたガラス１０を通して輻射放熱するとと
もに、排気ガスとして放熱することで加熱、暖房や乾燥
を行う。

【０００９】ここで、所定の条件を満足する場合、予混
合室３に供給される燃料ガスと空気からなる混合気の空
気過剰率は１未満となっており、第一の触媒体１２にお
いては空気がやや不足する条件、すなわち還元雰囲気と
なっている。したがってここでの燃焼排ガスは、未燃焼
の燃料ガス、部分酸化生成物としてのＣＯ、Ｈ₂、各種
炭化水素と、完全燃焼生成物のＣＯ₂と水とＮ₂が含まれ
たものとなっている。この第一の触媒体１２通過後の排
ガスに対して、二次混合気または空気の供給部１３から
空気が供給される。空気の量は、二次燃焼室１４で完全
燃焼させるために二次燃焼室１４の入口で空気過剰率１
以上とすることが望ましい。図２に示す構成のように、
二次燃焼室１４内には炎口１５が設けられており（炎口
１５等で二次燃焼室が構成される）、ここに着火して
（着火手段は特に図示せず）火炎を形成すると、未燃焼
生成物や部分酸化生成物も完全燃焼され、排気口９から
はクリーンな完全燃焼排ガスが放出されることになる。

【００１０】なお、予熱バーナ５上に火炎を形成するの
と同時に炎口１５にも火炎を形成し、即座に未燃焼生成
物や部分酸化生成物の完全燃焼を実現することが可能と
なる。また、二次混合気または空気の供給部１３から
は、空気のみの供給でもよいが、空気過剰な燃料と空気
の混合気を供給してもよく、二次燃焼室１４での完全燃
焼を維持するのに必要十分な燃料を追加供給することも
可能である。

【００１１】この条件で使用される第一の触媒体１２に
担持される触媒成分は、少なくとも、ＰｔもしくはＲ
ｈ、またはＰｔもしくはＲｈを主体とする酸化触媒であ
ることが望ましく、この場合には熱劣化の抑制と可変燃
焼量幅の拡大が同時に得られる。ここで、Ｐｔ又はＲｈ
を主体とするという意味は、少なくとも主に触媒反応に
寄与する活性成分としてＰｔ又はＲｈが含まれていると
いうことを意味する。

【００１２】また、本発明では、第一の触媒体に供給さ
れるガスの空気過剰率λが１未満であるということを、
空気過剰率λを燃焼量一定条件下で変動させて、触媒上
流の最高温度（上流温度で代表されることが多い）が最
も高くなる位置を空気過剰率が１近傍であるものと判定
し、それよりも空気過剰率が低くなる領域で燃焼させる
ようにしている。通常ＰｔまたはＰｔを主体とする酸化
触媒を用いた触媒燃焼では、燃焼量一定で空気過剰率λ
を変動させると、触媒最高温度は図５に示すように空気
過剰率λ＝１近傍で最も高くなるため、適宜空気過剰率
λを変化させ、触媒上流温度を図２に示す温度センサ２
０等でモニターする操作を組み入れることにより、空気
過剰率λを１未満に制御することが可能となる。なお、
この構成に関する詳細な効果は後述する。 （実施の形態２）本実施の形態は、基本構成と作用は実
施の形態１と同様であるが、二次燃焼室１４の内部構成
が異なる。したがってその構成の相違点を中心に作用と
ともに説明する。図３は、本発明第二の実施の形態の要
部断面図である。二次燃焼室１４には、セラミックスハ
ニカムにＰｄを担持した、二次燃焼室としての第二の触
媒体１６を設置しており、その上流面近傍には電気ヒー
タ１７が添装されており、またその近傍には温度センサ
１８が設置されている。

【００１３】上記構成において、定常燃焼時には実施の
形態１と同様に、未燃焼成分を含む排ガスが第二の触媒
体１６に至り、ここで火炎を形成せずに触媒燃焼させる
ことが可能となり、窒素酸化物の生成もなく、また希薄
な可燃物濃度でも確実に酸化浄化することが可能とな
る。また、第二の触媒体１６近傍に電気ヒータ１７を添
装して加熱することにより、第二の触媒体１６を常時活
性温度以上に維持することが可能となる。特に炭化水素
成分の中でも反応しにくいメタンが燃料成分や未燃焼成
分として存在する場合には、図６に示すメタン酸化活性
の温度依存性からも推測されるように、第二の触媒体１
６を５００℃程度以上に維持することが必要となるが、
この電気ヒータ１７によって、第一の触媒体１２での燃
焼量に関わりなくその第二の触媒体１６の温度を制御で
きることから、常にクリーンな排ガスを確保することが
できる。このような加熱手段は本実施の形態のように電
気加熱に限定されるものでなく、第二の触媒体１６の上
流近傍に別途形成される火炎加熱手段を用いてもよい。

【００１４】また、上記加熱手段を用いずに、低燃焼量
時などのように、第二の触媒体が５００℃以下になり、
浄化作用が不十分、すなわち燃焼率が９５％以下となる
ような条件下では、空気過剰率を１以上として完全燃焼
させることも可能である。

【００１５】また、一次燃焼室１１に供給される混合気
の空気過剰率λを変化させて反応する燃料の割合を制御
することにより、第一の触媒体１２の温度制御をすると
ともに第二の触媒体１６を５００℃以上に保持して二次
燃焼を電気ヒータ１８無しに実現することも可能とな
る。すなわち、低燃焼量すなわち燃料供給速度が小さく
第一の触媒体１２および第二の触媒体１６の温度が低く
なる条件の場合に、一次燃焼室１１に対する混合気の空
気過剰率λを意図的に低下させ、一次燃焼室１１におけ
る未燃焼分の割合を増加させ、それによって二次燃焼室
１４において燃焼する量を増加させることにより、第二
の触媒体１６の温度を高く維持することができる。また
同様の効果は、燃焼量一定のままで一次燃焼室１１にお
ける空気過剰率λを増加させるとともに、少なくとも一
次燃焼室１１における増量相当分の空気を二次燃焼室１
４に減少供給することによっても得ることができる。あ
るいは、空気過剰率λを減少させるとともに、少なくと
も一次燃焼室１１における減少相当分の空気を二次燃焼
室１４に追加供給することによっても得ることができ
る。すなわち、一次燃焼室１４における空気過剰率λを
比較的小さくなるように制御すると、第一の触媒体１２
の温度は比較的低温となり、未燃成分量は第二の触媒体
１６で完全燃焼されるようになり、第二の触媒体１６の
温度は高温に維持されることになる。一方、一次燃焼室
１１における空気過剰率λが比較的大きくなるように制
御すると、第一の触媒体１２の温度が比較的高温とな
り、第二の触媒体１６も排ガスによって加熱されるた
め、第二の触媒体１６の温度も５００℃以上に保持する
ことができる。

【００１６】これらの操作は実施の形態１にも適用する
ことが可能である。また、第一の触媒体１２の火炎予熱
時など、第二の触媒体１６が十分に昇温していない場合
には、二次空気供給部１３から空気を追加供給して１以
上としても、未燃焼成分を十分浄化することができな
い。そこで、第二の触媒体１６が浄化作用に十分な温度
に至るまでの間は、電気ヒータ１８や別途設ける加熱バ
ーナなどで予熱したり、あるいは予混合室３に供給する
混合気の空気過剰率を１以上として、予熱バーナ５での
完全燃焼火炎で加熱するなどの手段を用いることによ
り、燃焼初期からの完全浄化が可能となる。

【００１７】ここで、上記浄化作用に十分な温度とは、
少なくとも触媒でＣＯが９５％以上酸化されるか、排ガ
ス中に含まれるＣＯ濃度が５０ppm以下となる温度（約
２００℃以上）であり、好ましくは燃料成分が９５％以
上酸化されるか、排ガス中に含まれる可燃成分濃度が１
０００ppm以下となる温度（約５００℃以上）である。

【００１８】なお、本実施の形態には第二の触媒体１６
にＰｄを主体とする触媒を用いたが、空気過剰条件下で
のメタン、ＣＯ，Ｈ₂の酸化活性に優れる、白金族系金
属を無機酸化物に担持した触媒、遷移金属触媒、あるい
は複合酸化物触媒などいずれから選択しても構わない。

【００１９】なお、この構成に関する詳細な効果は後述
する。 （実施の形態３）本実施の形態は、基本構成と作用は実
施の形態２と同様であるが、二次燃焼室１４、あるいは
前記二次燃焼室１４から排気口９に至る沿道に排熱回収
部１９を設けている点で構成が異なる。したがってその
構成の相違点を中心に作用とともに説明する。図４は、
本発明第三の実施の形態の要部断面図である。前記二次
燃焼室１４から排気口９に至る沿道に設けられた排熱回
収部１９は、二次燃焼室１４から得られる熱および排気
ガスに含まれる熱を回収すると同時に二次空気または混
合気の供給部１３から供給される空気または混合気を予
熱し、第二の触媒体１６の加熱に必要とする熱量を大幅
に低減することが可能となる。

【００２０】

【実施例】（実施例１）セラミックス製ハニカム（材質
コージライト、４００セル／ｉｎｃｈ²、壁厚０．１５、
φ５０、長さ２０）を、１０００℃で１時間予備焼成し
たＣｅ／ＢａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃粉末１００ｇ、硝酸アルミニ
ウム９水塩１０ｇ、水１３０ｇ、Ｐｔジニトロジアンミ
ン塩水溶液をＰｔ換算で２ｇ、を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（ハニカム嵩容積）相当担持すること
により、第一の触媒体１２を形成した。

【００２１】次に、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０．１
５、φ２０、長さ１０）を、１０００℃で１時間予備焼
成した活性アルミナ粉末１００ｇ、硝酸アルミニウム９
水塩１０ｇ、水１３０ｇ、Ｐｄジニトロジアンミン塩水
溶液をＰｄ換算で２ｇ、 を加えてなるウォッシュコー
トスラリーＢに含浸し、乾燥後、５００℃で焼成して、
Ｐｄ３ｇ／L相当担持することにより、第二の触媒体１
６を形成した。次に、図３に示す触媒燃焼装置に上記で
得た第一の触媒体１２および第二の触媒体１６を装着し
た。燃料に都市ガス１３Ａを用い、一次燃焼室１１に供
給される予混合気の空気過剰率λを０．９５とした。供
給口１３からの予混合気又は空気の供給については、二
次燃焼室１４へ予混合気又は空気を供給口１３から追加
した後の混合気の総合の空気過剰率λが１．２となるよ
うにした。第二の触媒体１６は、電気ヒータ１７を制御
することにより、定常時に５００℃以上となるように設
定されている （実施例２）金属製ハニカム（材質ＦｅＣｒＡｌ、４０
０セル／ｉｎｃｈ²相当、壁厚０．１５、φ５０、長さ
２０）を、実施例１で用いたものと同様のウォッシュコ
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、第一の触媒
体１２を形成した。次に、図３に示す触媒燃焼装置に、
上記で得た第一の触媒体１２と実施例１と同様にして得
た第二の触媒体１６を装着した。一次燃焼室１１に供給
される予混合気の空気過剰率の制御、二次燃焼室１４に
供給される空気供給量の制御、および第二の触媒体１６
に対する温度制御は実施例１と同様に行った。 （実施例３）実施例１と同様に、第一の触媒体１２を形
成した。次に図２に示す触媒燃焼装置に第一の触媒体１
２を装着した。一次の混合気の空気過剰率は実施例１と
同様に０．９５とした。炎口１５から二次燃焼室１４へ
供給される都市ガスの燃焼量は４０ｋｃａｌ／ｈとし、
都市ガスと空気からなる二次の混合気の空気過剰率は、
一次燃焼室１１からの排気ガスと混合されて総合してλ
＝１．２となるように設定した。 （実施例４）実施例１と同じ構成の触媒燃焼装置を用
い、一次燃焼室１１においては、図１２、図１３に示す
ように燃焼量が小さくなるほど空気過剰率λが小さくな
るように燃料供給量および空気供給量を制御した。二次
燃焼室１４には、二次燃焼室１４入口で一次排ガスと混
合された後の総合の空気過剰率λが１．２となるように
空気供給量を制御した。 （実施例５）実施例１と同じ構成の触媒燃焼装置を用
い、一次燃焼室１１に供給される都市ガス１３Ａを４０
０ｋｃａｌ／ｈ一定とし、一次燃焼室１１に供給される
空気量を増減させた。二次燃焼室１４には、二次燃焼室
１４入口で一次排ガスと混合された後の総合の空気過剰
率λが１．２となるように空気供給量を制御した。 （実施例６）実施例１と同じ構成の触媒燃焼装置を用
い、都市ガス１３Ａの供給量が１８０ｋｃａｌ／ｈ未満
の場合には一次燃焼室１１に供給される混合気の空気過
剰率λが１．２となるように空気量を制御し、１８０ｋ
ｃａｌ／ｈ以上では空気過剰率λが０．９５となるよう
に、かつ二次燃焼室１４では二次燃焼室１４入口で一次
排ガスと混合された後の総合の空気過剰率λが１．２と
なるように空気供給量を制御した。 （実施例７）実施例１と同じ構成の触媒燃焼装置を用
い、温度センサ１８が第二の触媒体１６の上流温度が２
００℃になるのを検知するまでは、都市ガス１３Ａ＝４
００ｋｃａｌ／ｈ、空気過剰率λ＝１．２の条件下で形
成された火炎によって第一の触媒体１２を予熱し、２０
０℃になるのを検知した後は、一次燃焼室１１に供給さ
れる空気過剰率λが０．９５となるように空気供給量を
制御した。定常時の一次燃焼室１１に供給される予混合
気の空気過剰率の制御、二次燃焼室１４に供給される空
気供給量の制御、および第二の触媒体１６に対する温度
制御は実施例１と同様に行った。 （実施例８）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、φ５
０、長さ２０）を、実施例１で用いたのと同様のウォッ
シュコートスラリーＡに含浸し、乾燥後、５００℃で焼
成して、Ｐｔ２ｇ／L相当担持し、次いで実施例１で用
いたものと同様のウォッシュコートスラリーＢに含浸、
乾燥後、５００℃で焼成することにより、図７に示すよ
うなＰｄ１ｇ／Ｌ相当をＰｔ担持層上に積層担持させた
第一の触媒体１２を形成した。次に、図３に示す触媒燃
焼装置に上記で得た第一の触媒体１２および実施例１と
同様にして得た第二の触媒体１６を装着した。一次燃焼
室１１に供給される予混合気の空気過剰率の制御、二次
燃焼室１４に供給される空気供給量の制御、および第二
の触媒体１６に対する温度制御は実施例１と同様に行っ
た。 （実施例９）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、φ５
０、長さ２０）を、実施例１で用いたのと同様のウォッ
シュコートスラリーＡに含浸し、乾燥後、５００℃で焼
成して、Ｐｔ２．８ｇ／L相当担持し、次いで実施例１
で用いたものと同様のウォッシュコートスラリーＢに上
記ハニカム面の一端部を含浸させ、乾燥後、５００℃で
焼成することにより、図８に示すようなＰｄ０．２ｇ／
Ｌ相当をＰｔ担持層上に部分的に（端面より約３ｍｍの
位置まで）積層担持させた第一の触媒体１２を形成し
た。次に、図３に示す触媒燃焼装置に上記で得た第一の
触媒体１２および実施例１と同様にして得た第二の触媒
体１６を装着した。一次燃焼室１１に供給される予混合
気の空気過剰率の制御、二次燃焼室１４に供給される空
気供給量の制御、および第二の触媒体１６に対する温度
制御は実施例１と同様に行った。なお、Ｐｄの代わりに
Ｒｈでもかまわない。 （実施例１０）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、φ
５０、長さ２０）を、５００℃で１時間予備焼成したＺ
ｒＯ₂粉末１００ｇ、水１００ｇ、Ｐｔジニトロジアン
ミン塩水溶液をＰｔ換算で２ｇ、を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（ハニカム嵩容積）相当担持するこ
とにより、第一の触媒体１２を形成した。次に、図３に
示す触媒燃焼装置に上記で得た第一の触媒体１２および
実施例１と同様にして得た第二の触媒体１６を装着し
た。一次燃焼室１１に供給される予混合気の空気過剰率
の制御、二次燃焼室１４に供給される空気供給量の制
御、および第二の触媒体１６に対する温度制御は実施例
１と同様に行った。 （比較例１）実施例１と同様にして得たＰｔを担持した
触媒体８を図１に示す構成の触媒燃焼装置に装着した。
空気過剰率λ＝１．２一定とした。 （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、φ５
０、長さ２０）を、１０００℃で１時間予備焼成したＣ
ｅ／ＢａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃粉末１００ｇ、硝酸アルミニウム
９水塩１０ｇ、水１３０ｇ、Ｐｄジニトロジアンミン塩
水溶液をＰｄ換算で２ｇ、 を加えてなるウォッシュコ
ートスラリーＤに含浸し、乾燥後、５００℃で焼成し
て、Ｐｄ３ｇ／L相当担持することにより、触媒体８を
形成した。次に、比較例１と同様に図１に示す構成の触
媒燃焼装置に上記で得た触媒体８を装着した。比較例１
と同様に空気過剰率λを１．２に設定した。 （比較例３）比較例２における触媒体８と同様に形成し
た第一の触媒体１２、および実施例１と同様に形成した
第二の触媒体１６を図３に示す構成の触媒燃焼装置に装
着した。一次燃焼室１１に供給される予混合気の空気過
剰率の制御、二次燃焼室１４に供給される空気供給量の
制御、および第二の触媒体１６に対する温度制御は実施
例１と同様に行った。 （比較例４）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、φ５
０、長さ２０）を、１０００℃で１時間予備焼成したＣ
ｅ／ＢａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃粉末１００ｇ、硝酸アルミニウム
９水塩１０ｇ、水１３０ｇ、Ｐｄジニトロジアンミン塩
水溶液をＰｄ換算で０．７ｇ、Ｐｔジニトロジアンミン
塩水溶液をＰｔ換算で１．３ｇ加えてなるウォッシュコ
ートスラリーＥに含浸し、乾燥後、５００℃で焼成し
て、Ｐｄ１ｇ／L、Ｐｔ２ｇ／Ｌ相当を同時担持するこ
とにより、第一の触媒体１２を形成した。次に実施例１
と同様に第二の触媒体１６を形成した。次に、図３に示
す構成の触媒燃焼装置に上記で得た第一の触媒体１２お
よび第二の触媒体１６を装着した。一次燃焼室１１に供
給される予混合気の空気過剰率の制御、二次燃焼室１４
に供給される空気供給量の制御、および第二の触媒体１
６に対する温度制御は実施例１と同様に行った。 （比較例５）実施例２における第一の触媒体１２と同様
に形成したＰｔを担持した触媒体８を用い、図１に示す
構成の触媒燃焼装置に装着した。空気過剰率λ＝１．２
と一定とした。

【００２２】上記実施例１〜１０および比較例１〜５に
おいて、流れ方向の触媒層温度分布、触媒燃焼を開始す
るまでの予熱時間、予熱後および定常時の排ガス成分、
および燃焼継続可能な最低燃焼量（低温限界燃焼量）等
を調べた。流れ方向の触媒層温度分布は熱電対を走査す
ることによって測定した。また、予熱時間は所定時間予
熱後、再度混合気を供給し、触媒燃焼の開始の可否によ
って判断した。また、排ガス成分はＨＣ（全炭化水素）
−ＣＯ−ＣＯ₂メータによって測定した。また、低温限
界燃焼量は実施例１〜３、６〜９、比較例１〜４は空気
過剰率λを一定とし、燃焼量を変化させて燃焼継続を６
時間確認して判断した。実施例４は前記記載の方法で燃
焼量を変化させた。燃焼寿命試験は、実施例１、２、
９、１０および比較例１〜４について行った。実施例
１、９および比較例１〜４では燃焼量（都市ガス供給
量）４００ｋｃａｌ／ｈ条件下で、実施例１、２、１０
および比較例５は５５０ｋｃａｌ／ｈ条件下で行った。
触媒上流温度の経時変化は輻射温度計によって測定し
た。 ［触媒上流温度経時変化］図９、図１０に実施例１、
２、９、１０および比較例１〜５の、各条件下における
燃焼寿命試験最高１０００時間までの触媒上流温度の経
時変化を示す。図９は、燃焼量４００ｋｃａｌ／ｈ条件
下における結果である。空気過剰率１．２条件下で試験
を行った比較例１、２では、初期より急激に上流温度の
低下が観測され、顕著な劣化が見られた。比較例２では
約１００時間経過後から触媒温度の上昇と下降を繰り返
す、Ｐｄに固有の（または特徴的な）振動現象が観察さ
れた。一方、空気過剰率１未満で第一の触媒体１２を燃
焼させた実施例１、９では、初期の触媒上流温度が１０
５０℃と高温であるのにも関わらず、活性変化はわずか
であり、還元状態ではＰｔが劣化しにくいことが判明し
た。しかしながらＰｄを主体とする第一の触媒体１２を
用いて空気過剰率１未満で試験を行った比較例３では、
５００時間までに触媒上流温度が極端に低下した。同様
にその他の単独貴金属触媒粒子について試験したが、空
気過剰率１未満における耐熱寿命の改善効果については
Ｐｔが最も好ましかった。また、Ｒｈについては、本実
施例における空気過剰率λ＝０．９５の条件下ではＰｔ
に劣るが、さらに低い空気過剰率条件下では、Ｐｔと同
等の耐熱寿命性能を示した。本発明にはＰｔもしくはＲ
ｈ、またはＰｔもしくはＲｈを主体とする酸化触媒を燃
焼室に用いることで空気過剰率が１未満における改善効
果が得られるものといえる。また、ＰｔとＰｄを混合し
た比較例４はＰｄよりも耐久性に劣る結果となった。

【００２３】図１０は、燃焼量を５５０ｋｃａｌ／ｈま
で増加させた時の実施例１、２、１０および比較例５に
おける燃焼寿命試験結果を示している。コージライト製
ハニカムを用いた実施例１、１０では初期の触媒上流温
度は１１５０℃に達した。実施例１では１０００時間ま
でに触媒上流温度は約１００℃の低下したのに対し、実
施例１０では、約５０℃の低下を示すのみであった。実
施例１ではＰｔの担体にＣｅ・Ｂａ添加Ａｌ₂Ｏ₃を用い
ているのに対し、実施例１０ではＺｒＯ₂を用いている
相違がある。この理由については現在明らかではない
が、ＰｔとＺｒＯ ₂の相互作用が関係あるものと推測さ
れる。同様の効果はＰｔの担体にＣｅＯ₂を用いた場合
にも見られた。また、金属製ハニカムを用いた実施例２
および比較例５の場合には、初期の触媒上流温度はコー
ジライト製ハニカムの場合と比較して約１５０℃低下し
た１０００℃であった。比較例５では触媒上流温度は約
８５０℃まで低下したのに対して、実施例２における触
媒上流温度は初期と変化がなく、約１０００℃を維持し
た。コージライトに比較して熱伝導性に優れた耐酸化性
金属製ハニカムを用い、それにＰｔを主体とした触媒を
担持し、空気過剰率１未満で燃焼させることにより、よ
り高い燃焼負荷（単位面積あたりの燃料供給量）で燃焼
させることが可能となることがわかった。 ［触媒層の流れ方向の温度分布］また、実施例１と実施
例２における、触媒層の流れ方向の温度分布（５５０ｋ
ｃａｌ／ｈ条件下、および実施例１については４００ｋ
ｃａｌ／ｈ条件下も図示）を図１１に示す。第一の触媒
体１２の基材に金属製ハニカムを用いた実施例２では、
コージライト製ハニカムを用いた実施例１に比べて温度
分布が緩やかであった。すなわち、金属製ハニカムを用
いることにより、コージライト製ハニカムに比べて最高
温度の局所的高温化抑制しつつ、下流温度を高温化する
事が出来る。第二の触媒体１６の最高温度は、第一の触
媒体１２における下流温度の影響を直接的に受けるた
め、第二の触媒体の温度を５００℃以上に保つために
は、本発明実施例２のように、第一の触媒体の基材とし
て、この分野で汎用されるコージライト（１〜２Ｗ／ｍ
・℃）に比較して、本発明の実施例２で用いたような、
金属などの熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・℃以上の、熱伝導率
が高い材料を用いることが有効であることが示された。
金属ハニカム用の基材には、比較的耐酸化性に優れたＡ
ｌを３％以上含むフェライト系ステンレスが好ましく、
同様に熱伝導性がコージライト基材よりも高く、純アル
ミナ焼結体よりも耐熱衝撃性が高いＳｉＣなどのセラミ
ックス基材を用いてもよい。 ［予熱時間］表１には、燃焼量２５０ｋｃａｌ／ｈ条件
下、触媒燃焼を開始するのに要する最低の予熱時間を調
べた結果を示す。

【００２４】

【表１】 実施例１では、第一の触媒体１２と触媒体８が同じ組成
である比較例１に比べて大幅に予熱時間が短縮された。
第一の触媒体１２が予熱される速度は大差ないか、ある
いは実質燃焼量は比較例１のほうが高いのにも関わら
ず、還元雰囲気によって触媒上での反応性が向上し、よ
り短時間で触媒燃焼の開始が可能となったものと推測さ
れる。また、実施例８、９のように、Ｐｔ層とＰｄ層を
積層した第一の触媒体１２を用いた場合は、さらに大幅
に短縮された。比較例３の結果からわかるように、Ｐｄ
単独では、実施例１のＰｔに比べて、還元雰囲気でもよ
り短持間で触媒燃焼を開始することが可能であった。燃
焼寿命については前記のようにＰｄ単独の比較例３、あ
るいはＰｔとＰｄが同一層内に存在する比較例４では充
分でなく、したがって本発明実施例８、９のようにＰｄ
層をＰｔ層と積層して設けた第一の触媒体１２を還元雰
囲気で用いることにより、長寿命化および予熱時間の短
縮化が可能となる。同様の効果はＲｈを用いた場合でも
見られた。また、図８に示すように、Ｐｄ層またはＲｈ
層は温度が低く劣化が過小となる下流側に部分的に設け
るほうが、燃焼寿命的にもコスト的にも有利となる。 ［低温限界燃焼量］次に本発明の実施例１、２および比
較例１、２、３において低温限界燃焼量を測定した結果
を表２に示す。

【００２５】

【表２】 本発明の実施例１および比較例３では、低温限界燃焼量
が最も小さかった。これは空気過剰率の減少により流速
が小さくなるとともに、それ以上にＰｔやＰｄが還元的
に活性化されている、あるいは燃焼機構が異なっている
ためと考えられる。同様に金属基材を用いた実施例２で
も同様の構成で空気過剰率λ＝１．２条件下の比較例４
に比べて格段に低温限界が低温化した。すなわち、空気
過剰率１未満で燃焼させることによりＴＤＲが拡大でき
るものと考えられる。

【００２６】次に本発明の実施例１と実施例４について
比較する。実施例４では図１２に示すように一次燃焼室
１１入口における空気過剰率が燃焼量の低下とともに低
下するように制御されているため、低燃焼量になるほど
未燃焼成分の割合が増加し、第二の触媒体１６で燃焼す
る。そのため、実施例１に比較して低い燃焼量では第一
の触媒体１２の上流温度は低下し、第二の触媒体１６の
温度は上昇した。このような制御を用いることにより、
ヒータなどの加熱手段を用いることなく、未燃焼成分や
ＣＯの浄化が可能となった。低温限界燃焼量は、実施例
４では実施例１と比較して触媒上流温度が低下するにも
かかわらず、実施例１と同じく６０ｋｃａｌ／ｈであっ
た。これは、実施例４では、実施例１よりも６０ｋｃａ
ｌ／ｈにおける一次燃焼室１１入り口における空気過剰
率が低くなるように制御されているため、燃焼率および
触媒上流温度は低下するが、図１３に示すように、低温
限界燃焼量も空気過剰率λの減少に伴い低下するためで
ある。

【００２７】実施例５では、燃焼量を４００ｋｃａｌ／
ｈと略一定であり、空気過剰率を変化させて第一の触媒
体１２における実質燃焼量および触媒温度を制御してい
るため、第一の触媒体１２と第二の触媒体１６の最高温
度は、空気過剰率λに応じて図１４に示すように変化し
た。第二の触媒体１６は、５００℃以上に昇温されてい
るため、空気過剰率の変化に伴う未燃焼成分やＣＯの排
出は見られず、実施例４と同様に外部の加熱手段を用い
ずにクリーンな燃焼を行うことが可能となった。

【００２８】実施例６では、第一の触媒体１２の最高温
度は、図１５に示す燃焼量依存性を示したが、それに伴
う未燃焼成分やＣＯの発生は観察されなかった。実施例
６では、第一の触媒体１２の最高温度が８５０℃以下に
なる燃焼量１８０ｋｃａｌ／ｈ未満では、一次の混合気
の空気過剰率λが１．２となるように制御されているた
め、第二の触媒体１６の最高温度が５００℃以下でも排
ガスはクリーンであった。貴金属触媒の劣化は温度の影
響を大きく受ける。８５０℃以下ではＰｔの熱劣化も大
幅に抑制されるため、空気過剰率λが１以上であっても
燃焼寿命についての問題は軽減される。一方、１８０ｋ
ｃａｌ／ｈ以上になると、第二の触媒体１６の最高温度
は未燃焼成分の浄化を十分に行うことができる５００℃
以上となっているため、実施例６の方法をもちいても実
施例１の特徴を活かしつつ、加熱手段を持ちいることな
くクリーンな排ガスを得ることができ、触媒の高温耐久
性の高い触媒燃焼装置を構成することができる。なお、
実施例６では１８０ｋｃａｌ／ｈを境として空気過剰率
を変化させたが、この値は装置の構成にしたがって、同
様の主旨が達成できれば任意に設定できる。 ［ＣＯ排出量］図１６には、実施例１、３、７および比
較例１における第一の触媒体１２の予熱時から予熱後触
媒燃焼を開始するまでのＣＯの排出量の変化を示してい
る。実施例１では第二の触媒体１６をＣＯを十分に酸化
する温度（約２００℃）まで予熱してから予熱バーナ５
に着火するとＣＯは浄化されるが、この操作を加えない
と比較的多量のＣＯの発生が見られた。したがって結果
的に第二の触媒体１６を予熱する時間を加えなくてはな
らなかった。比較例１は空気過剰率λ＝１．２で形成さ
れる火炎のため、着火時わずかにＣＯの排出が見られる
のみであるが、前記のように触媒燃焼開始可能な状態に
なるまでには時間を要した。実施例３では予熱バーナ５
に着火されるのと同時に炎口１５にも火炎が形成される
ため、ＣＯの排出量は比較例１に比べてやや増加するの
みであった。実施例７では、火炎予熱は空気過剰率λ＝
１．２で行われるため、立ち上げ時のＣＯの排出は通常
の火炎燃焼のレベルと同じであり、かつ触媒燃焼開始時
にはすでに第二の触媒体１６が２００℃に到達したこと
を温度センサ１７が検知し、空気過剰率０．９５に設定
されることになるため、速やかに触媒燃焼が開始され
た。上記のように実施例７の構成をとることにより、速
やかにかつＣＯの排出量を極力抑制しながら触媒燃焼を
開始することができた。なお、温度センサ１７が検知す
る温度は最低限ＣＯが酸化される温度以上であればよ
く、５００℃程度など温度を高く設定してスリップする
メタン等の酸化を行ってもよい。 ［定常燃焼時におけるＣＯ排出量］また、表３には、実
施例１〜６、８、９および比較例１、３、５の場合の２
５０ｋｃａｌ／ｈ条件下定常燃焼時におけるＣＯの排出
量について示した。

【００２９】

【表３】 いずれの場合も定常時のＣＯは通常の火炎燃焼に比べて
微量であり、第二の触媒体１６が有効に作用しているこ
とが確認された。

【００３０】なお、上記実施の形態３で記載したよう
に、二次混合気または空気に対し、燃焼排ガスにより予
熱する機構を設けると、実施例１などのような場合に第
二の触媒体１６を予熱するのに必要な電力を大幅に減少
させることが可能となった。また、実施例４の場合は、
第一の触媒体１２での燃焼量を増加させることができる
ため、低温限界燃焼量をさらに低下させることが可能で
ある。

【００３１】なお、本実施例ではハニカム構造体に担持
した触媒について述べたが、構造体の形状は、その他の
いかなる形態の構造体でも同様の効果が発揮される。

【００３２】また、本実施例１などでは一次燃焼室１１
に供給される混合気の空気過剰率λを０．９５で一定値
制御したが、空気過剰率１未満で触媒燃焼できる範囲で
あればどの値に設定しても問題はない。また、二次燃焼
室１４に供給される混合気の総合の空気過剰率λは、
１．２に設定したが、目的の達せられる空気過剰条件
（好ましくはλ＞１）であればよい。また、拡散空気な
どで十分に可燃排ガス成分が酸化可能な場合は総合の空
気過剰率λ≦１であってもよい。

【００３３】また、本構成は燃焼量一定条件下で空気過
剰率λを変化させ、触媒最高温度が極大を示す位置から
空気過剰率を判断するようになっているが、それ以外に
第一の触媒体の排ガス中のＨ₂、ＣＯ、炭化水素濃度な
どを化学的に検知する機構などを用いても対応可能とな
る。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明より明かなように、本発明に
よれば、８００℃以上の燃焼条件下における燃焼用触媒
の劣化を抑制するとともに、ＴＤＲ（可変燃焼量幅）が
大きく、かつ排ガスがクリーンな触媒燃焼装置とそれに
用いる燃焼用触媒の提供が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の触媒燃焼装置の要部断面図を示す。

【図２】本発明の一実施の形態における触媒燃焼装置の
要部断面図を示す。

【図３】本発明の他の実施の形態における触媒燃焼装置
の要部断面図を示す。

【図４】本発明の他の実施の形態における触媒燃焼装置
の要部断面図を示す。

【図５】本発明の実施の形態１に示す、燃焼量一定条件
下における触媒上流温度の空気過剰率λ依存性を示す。

【図６】本発明の一実施例に用いた第二の触媒のメタン
酸化活性の温度依存性を示す。

【図７】実施例８に用いた第一の触媒体の断面図を示
す。

【図８】実施例９に用いた第一の触媒体の断面図を示
す。

【図９】本発明の実施例および比較例の寿命試験中の触
媒上流温度の経時変化を示す。

【図１０】本発明の実施例および比較例の寿命試験中の
触媒上流温度の経時変化を示す。

【図１１】本発明の実施例１、２における流れ方向の温
度分布を示す。

【図１２】本発明の実施例１、４における燃焼量に対し
て制御される空気過剰率と触媒最高温度の関係を示す。

【図１３】空気過剰率と低温限界燃焼量との関係を示
す。

【図１４】本発明の実施例５における第一の触媒体と第
二の触媒体の最高温度の空気過剰率依存性を示す。

【図１５】本発明の実施例１、６および比較例１におけ
る触媒最高温度の燃焼量依存性を示す。

【図１６】本発明の実施例１、３、６および比較例１に
おける火炎予熱後に排出されるＣＯ濃度の経時変化につ
いて示す。

【符号の説明】 １ 燃料供給バルブ ２ 空気供給バルブ ３ 予混合室 ４ 混合気入口 ５ 予熱バーナ ６ 点火装置 ７ 燃焼室 ８ 触媒体 ９ 排気口 １０ ガラス １１ 一次燃焼室 １２ 第一の触媒体 １３ 二次混合気または空気の供給口 １４ 二次燃焼室 １５ 炎口 １６ 第二の触媒体 １７ 電気ヒータ １８ 温度センサ １９ 熱交換部 ２０ 温度センサ

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 (72)発明者 鈴木 次郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上流側に設けられた、燃料と空気の混合気
   入口と、下流側に設けられた排ガス出口と、多数の連通
   孔を有する基材に酸化触媒を担持させた第一の触媒体が
   配置された一次燃焼室と、前記一次燃焼室の下流側に設
   けられた、混合気または空気の二次供給口と、その二次
   供給口の下流に設けられた二次燃焼室とを備え、 燃焼する際、所定の条件を満足する場合は、前記一次燃
   焼室の空気過剰率は、１未満として燃焼することを特徴
   とする触媒燃焼装置。
2. 【請求項２】前記酸化触媒は、ＰｔもしくはＲｈ、また
   はＰｔもしくはＲｈを主体とする材料で構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の触媒燃焼装置。
3. 【請求項３】前記所定の条件を満足するとは、前記２次
   燃焼室における燃焼率が、あるいは排ガス中における可
   燃成分濃度が、所定のレベルとなることであることを特
   徴とする請求項１又は２記載の触媒燃焼装置。
4. 【請求項４】前記二次燃焼室は、多数の連通孔を有する
   基材に酸化触媒を担持させた第二の触媒体を備えたこと
   を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の触媒燃焼
   装置。
5. 【請求項５】前記二次燃焼室に供給する空気は、前記二
   次燃焼室の排気ガスにより加熱されることにより予熱さ
   れることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の
   触媒燃焼装置。
6. 【請求項６】前記混合気入口から供給される混合気の空
   気過剰率は、前記混合気中の燃料成分量の減少とともに
   減少させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに
   記載の触媒燃焼装置。
7. 【請求項７】前記混合気入口から供給される混合気の燃
   料成分量は実質上一定として空気量のみ増減させるとと
   もに、少なくともその増減量相当分の空気を前記二次供
   給口から供給することを特徴とする請求項１〜４のいず
   れかに記載の触媒燃焼装置。
8. 【請求項８】前記混合気入口から供給される混合気の空
   気過剰率は、前記第二の触媒体が所定温度まで上昇する
   時点まで、１以上としたことを特徴とする請求項１〜４
   のいずれかに記載の触媒燃焼装置。
9. 【請求項９】前記混合気入口から供給される混合気の空
   気過剰率は、前記一次燃焼室における燃焼量が所定の燃
   焼量以上では１未満であり、その所定の燃焼量未満では
   １以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか
   に記載の触媒燃焼装置。
10. 【請求項１０】前記第一の触媒体の基材の熱伝導率が１
    ０Ｗ／ｍ・℃以上であることを特徴とする請求項１〜４
    のいずれかに記載の触媒燃焼装置。
11. 【請求項１１】前記ＰｔまたはＰｔを主体とする酸化触
    媒を担持させた触媒体は、ＰｔまたはＰｔを主体とする
    酸化触媒層と、ＲｈまたはＰｄを主体とする酸化触媒層
    とが積層して設けられていることを特徴とする請求項２
    記載の触媒燃焼装置。
12. 【請求項１２】前記ＰｔまたはＰｔを主体とする酸化触
    媒層に対して積層される前記ＲｈまたはＰｄを主体とす
    る酸化触媒層は、下流側に部分的に設けられていること
    を特徴とする請求項１１記載の媒燃焼装置。
13. 【請求項１３】前記ＰｔもしくはＲｈ、またはＰｔもし
    くはＲｈを主体とする酸化触媒を担持させた触媒体は、
    少なくともＣｅＯ₂またはＺｒＯ₂の一方あるいは両者を
    主成分として含むことを特徴とする請求項２記載の触媒
    燃焼装置。
14. 【請求項１４】前記燃焼する際、前記一次燃焼室の空気
    過剰率を１未満として燃焼する方法として、 前記一次燃焼室の空気過剰率を変動させて、前記触媒体
    の近傍に設けられた温度検知部により前記触媒体の温度
    が最高となる空気過剰率を判定しておき、前記空気過剰
    率より低い空気過剰率領域で前記一次燃焼室の燃焼を行
    うことを特徴とする請求項１記載の触媒燃焼装置。
15. 【請求項１５】上流側に設けられた、燃料と空気の混合
    気入口と、下流側に設けられた排ガス出口と、多数の連
    通孔を有する基材に酸化触媒を担持させた触媒体が配置
    された一次燃焼室と、前記一次燃焼室の下流側に設けら
    れた、混合気または空気の二次供給口と、その二次供給
    口の下流に設けられた二次燃焼室とを備えた触媒燃焼装
    置の燃焼制御方法であって、 初期は前記一次燃焼室の空気過剰率は１以上とし、前記
    二次燃焼室の燃焼率が所定レベルを越えた後は、前記前
    記一次燃焼室の空気過剰率を１未満として燃焼すること
    を特徴とする触媒燃焼装置の燃焼制御方法。