(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレートシートとコルゲートフィンを交互に積み重ねた内部構成を有すると共に、少なくともコルゲートフィンが陽極酸化可能な表面を有する金属からなり、気体の流入口と流出口を有する熱交換器の内部を陽極酸化し、次いで熱水処理した後、又は熱水処理と同時に触媒担持処理してなる触媒構造体であって、その外壁に絶縁被覆された電気加熱手段を有することを特徴とする触媒構造体。
【請求項２】
コルゲートフィンがヘリンボーン型である、請求項１に記載された触媒構造体。
【請求項３】
コルゲートフィンがセレート型である請求項１に記載された触媒構造体。
【請求項４】
気体の流入口と流出口の間の長さが５０〜２００ｍｍである、請求項１〜３の何れかに記載された触媒構造体。
【請求項５】
全体の重量が２５ｋｇ以下であって持ち運び可能である、請求項１〜４の何れかに記載された触媒構造体。
【請求項６】
両端部が、他の触媒構造体と互いに接続可能に形成されている、請求項１〜５のいずれかに記載された触媒構造体。
【請求項７】
ガス導入口（２０）、導入されたガスを加熱するための加熱手段（２１）、加熱されたガスを燃焼・分解するための反応室（２２）該反応室（２２）から排気口（２５）へガスを流出させるためのファン（２３）及び、該ファン（２３）と前記排気口（２５）の間に設けられた流量計（２４）を有する装置であって、前記反応室（２２）が、請求項１〜６の何れかに記載された触媒構造体であることを特徴とするガス燃焼分解装置。
【請求項８】
ガス燃焼分解装置が、内部に少なくとも２個の触媒構造体を並列的に内包するコンパクトな箱型形状であると共に、各触媒構造体が、ガスが順次通過する如く配されている請求項７に記載されたガス燃焼分解装置。
【請求項９】
各触媒構造体を流れるガスの流れ方法を逆転させるためのダンパー装置が、ガス導入口（２０）とファン（２６）の間に設けられている請求項８に記載されたガス燃焼分解装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は触媒構造体及びそれを用いたガス燃焼分解装置に関し、特に、スタートアップ特性が良好であると共に、負荷変動にも容易に対応することのできる安価な触媒構造体、及び、それを用いた有害ガス燃焼分解装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、熱交換機能を有する板状触媒体を使用して反応の熱効率を高めることが提案されている（例えば、特開昭６２−２３７９４７号及び実開昭６３−１６８３５号の各公報）。また、触媒体に電流を流すことによって、触媒反応をより直接的に制御する方法も提案されている（特開平２−２２７１３５号公報）。
【０００３】
しかしながら、従来の板状触媒体は反応熱を有効に利用することを主眼としていたために、反応の迅速な制御という観点からは満足することができない上、最初に板状触媒体を作製し、次いで、これを例えばハニカム構造体に組み立てて反応室内部に配置するということが行われていたために、高価なものとならざるを得ないと言う欠点があった。
【０００４】
また、触媒体に電流を流して加熱する方法は、触媒自体を均一な温度に保てること、スタートアップ特性が良好であること及び負荷変動に容易に対応することができること等の利点を有するものの、触媒体とその他の支持部材等を電気的に絶縁する必要があるので、これを触媒構造体に利用した場合には更に高価なものとならざるを得ない。
更に、この方法では電気的スパークによって爆発の可能性があるので、引火性の気体を用いる反応に対しては使用することができないという欠点があった。
【０００５】
一方、近年大気汚染の原因となっているトルエン、キシレン、トリクロロエチレン等の揮発性有機化合物や、塩化ビニルモノマー、塩化メチル、アクリルニトリル等の有害ガスを浄化するために、従来から、これらを触媒を用いて燃焼させることが行われている。この場合、処理効率を良くするために圧損の少ないハニカム型触媒体が用いられるが、それでも、ガス流量の空間速度（ＳＶ）は最高４０，０００程度であるので、処理速度が十分でない上、基材がセラミックスであるために熱衝撃に弱いという欠点があった。
【０００６】
また、触媒反応を迅速に制御したり、劣化した触媒を再活性化することを目的として電気加熱手段を付加しても、セラミックの熱伝導度が小さいために昇温特性が悪く、迅速な反応制御や触媒の再活性化の要望に対して十分に対応することができないという欠点があった。
同様の欠点は、やはり基材がセラミックである排ガスの脱硝触媒体の場合にも存在し、触媒活性の再生が出来にくいという欠点があった。
【０００７】
更に、セラミックス基材を使用する場合には、装置を大型に加工することが出来ないので、作業性が悪いという欠点もあった。
尚、大型化に適した陽極酸化触媒を用いる例は、例えば実開平３−１２３５３２号公報、及び特開平４−２００７４５号公報に開示されているが、この場合のＳＶは約３，０００と小さく、実用的な装置とすることができなかった。
【０００８】
このような欠点を解決するために、ステンレス鋼からなるハニカムヒーターを用いる方法も提案されている（例えば、特開平２−２２３６２２号公報等）が、この方法では、前記ステンレス鋼に直接通電するために、低電圧で大電流を流す必要があり、使用し難い上、３５０℃程度の高温域においては電極部の安全性が十分でないという欠点があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者等は、圧損が低く高性能であり、反応制御が容易である上安価な熱交換型の触媒構造体を得るために鋭意検討した結果、近年市販されている、セパレートシートとコルゲートフィンを交互に積み重ねてなるアルミニウム製の熱交換器の内部を陽極酸化した後、更に触媒を担持させると共に、その外壁に電気加熱手段を配した場合には、安価であるにも係わらず、熱効率が良い上反応制御が容易となること、及び、引火性の気体の場合に使用しても安全であると共に、高温においても安全性が高いので極めて使用しやすく、特に燃焼分解装置の反応室として好適な触媒構造体となるということを見出し、本発明に到達した。
【００１０】
従って、本発明の第１の目的は、スタートアップ特性が良好である上、負荷変動にも容易に対応することができる、熱効率及び反応制御性に優れた、安価な触媒構造体を提供することにある。
本発明の第２の目的は、空間速度を従来品より大きくとれ、装置のコンパクト化を可能とする触媒構造体を提供することにある。
本発明の第３の目的は、高温においても安全性が高く使用し易い、安価な触媒構造体を提供することにある。
更に本発明の第４の目的は、揮発性有機化合物や有害ガスを含む排ガス等の浄化に適した、安価で高性能な燃焼分解装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記の諸目的は、セパレートシートとコルゲートフィンを交互に積み重ねた内部構成を有すると共に、少なくともコルゲートフィンが陽極酸化可能な表面を有する金属からなり、気体の流入口と流出口を有する熱交換器の内部を陽極酸化し、次いで熱水処理した後、又は熱水処理と同時に触媒担持処理してなる触媒構造体であって、その外壁に絶縁被覆された電気加熱手段を有することを特徴とする触媒構造体及びそれを用いた燃焼分解装置によって達成された。
【００１２】
本発明においては、陽極酸化可能な表面を有する金属からなるコルゲートフィンとセパレートシート（セパレートシートはコルゲートフィンと同一基材でなくても良く、陽極酸化できない材料でも良い）とを交互に重ね合わせて匡体内部に配した熱交換器の内部を、順次陽極酸化、熱水処理、触媒担持処理（焼成も含む）した後、その外壁に電気加熱手段を設ける。上記陽極酸化前の熱交換機としては、陽極酸化可能な表面を有する金属からなるコルゲートフィンを有する市販品を用いても良い。
【００１３】
市販品を利用した触媒構造体は、製造工程が少ない上、管理工数を下げることもできるので特に安価となり、本発明における好ましい実施態様である。
上記市販品の熱交換器は、セパレートシートとコルゲートフィンを交互に積み重ねろう付けした内部構造を有するものであり、その具体例としては、例えば住友精密工業（株）製のプレートフィン型熱交換器（商品名：スマレックス）を挙げることができる。
【００１４】
本発明において使用する場合には、これらの熱交換器の中でも、特に、少なくともコルゲートフィンの基材表面が、陽極酸化可能であることが必要である。このような基材としては、アルミニウム単体、クラッド法や溶射法によって表面にアルミニウム層を設けた金属、又は、６０重量％以上のアルミニウムを含有するジュラルミン等の合金を挙げることができる。
また、コルゲートフィンの形状は、プレートフィン型、ヘリンボーン型、セレート型等のいずれの形状でも良いが、通常、触媒体内のガス流速は０．５〜１．５ｍ／秒の層流状態であるので、特に乱流を発生させてガスがより触媒と接触し易いヘリンボーン型又はセレート型等であることが、反応効率を高める観点から好ましい。
【００１５】
このような複雑な構造体の内部の陽極酸化は、公知の陽極酸化法を単に応用しても不可能である。そこで、陽極となる構造体の内部に電解液を流し通すと共に、構造体の電解液に対する入り口及び出口の近傍に、該入口及び出口に各々垂直又は略垂直で、且つ電解液の流れを阻害しないようにそれぞれ陰極を配し、該二つの陰極と、陽極となる構造体の間に電流を流すことが必要である。
【００１６】
本発明における電解液の流速については、構造体の長さ、電流密度、酸の濃度などにより異なるため限定することができず、目的とする陽極酸化皮膜の形成に適した条件を選択すれば良い。例えば、均一な膜厚の陽極酸化皮膜を形成させる場合には、入口付近の温度と出口付近の温度の差が２℃以内となるように流速を調整すればよい。また、入口から出口に向かって膜厚分布を形成させる場合には、入口付近と出口付近の間に温度差が生じるように流量を調整すればよい。
【００１７】
本発明で使用する電解液は、硫酸、クロム酸、シュウ酸、リン酸等の、陽極酸化に用いられる公知の電解液の中から適宜選択することができるが、取り扱い容易性及び陽極酸化の制御の観点から、シュウ酸が最も好ましい。
酸濃度は、１重量％〜１０重量％、液温度は５℃〜４５℃、電流密度は１０Ａ／ｍ2 〜１，０００Ａ／ｍ2 の範囲で適宜選択することができるが、酸濃度は３重量％〜５重量％、液温度は１５℃〜２５℃、電流は５０Ａ／ｍ2 〜１００Ａ／ｍ2 であることが好ましい。
上述した条件で３０分から５０時間陽極酸化することにより、構造体内面に、３０μｍ〜５００μｍの陽極酸化皮膜を自由に形成させることができる。
【００１８】
本発明の触媒構造体は、上記の方法によって、熱交換機をそのままの形で陽極酸化処理して、内部の少なくともコルゲートフィンの表面に陽極酸化皮膜を形成させ、次いで、熱水処理（水和処理と同じ）をして該酸化皮膜表面のＢＥＴ表面積を増大させた後、又は、熱水処理と同時に触媒担持処理を行い、焼成処理することによって製造することができる。
熱水処理は、陽極酸化された熱交換器を１５分〜３時間処理液中に浸漬して行うことが好ましい。
【００１９】
前記熱水処理を加熱した水又は水蒸気で行えば、次工程で触媒担持処理を行う必要があるが、熱水処理を触媒の水溶性塩を溶解した水溶液中で行えば、熱水処理と同時に触媒担持処理を行うことができる。熱水処理は５℃〜８０℃で行うことが好ましい。また、その後の焼成処理としては、３００℃〜５００℃で空気焼成する方法を用いることが好ましい。
【００２０】
また、本発明の触媒構造体の外壁の基材は、前記触媒を担持せしめる基材であっても良いことは当然であるが、例えば、ステンレスを使用する等、熱伝導性が良好である限り、必要に応じて他の基材を使用することもできる。
本発明で使用する電気加熱手段は、本発明の構造体の外壁を介して構造体内部に熱を与えるものであり、絶縁被覆された面状ヒーター、線状ヒーター等、公知の電気加熱手段の中から適宜選択して使用することができる。用いる電気加熱手段の熱出力等は、触媒反応の温度や用いる触媒構造体の大きさ等に従って適宜決めることができる。
【００２１】
上記加熱手段から構造体に与えられる熱は、構造体外壁と接触している反応ガスに直接供給される他、熱伝導によってコルゲートフィンにも供給され、これによって触媒表面温度が迅速に制御される。従って、本発明の触媒構造体のスタートアップ特性、及び、対負荷変動特性は著しく良好となる。
【００２２】
本発明の触媒構造体は、全体の重量を２５ｋｇ以下として持ち運び可能とすることが好ましい。また、大型の触媒構造体を必要とする場合のために、個々の触媒構造体を互に接続可能とする観点から、触媒構造体の両端部を、他の触媒構造体と互いに接続可能に形成することが好ましい。
本発明の触媒構造体の流れ方向の長さは取扱性を良好とする観点から５０〜２００ｍｍであることが好ましい。更に大型のものが必要である場合には、上記した如く、複数の触媒構造体を接続させれば良い。
【００２３】
次に、本発明の触媒構造体を図に従って更に詳細に説明する。
図１は、本発明の触媒構造体の１例を示した斜視概略図である。
図中の符号１は本発明の触媒構造体、２は気体と触媒の接触面積を大きくするために構造体の内部を細かく分割している、触媒を担持するコルゲートフィンであり、例えばアルミニウム板からなっている。符号３は気体流路を多層に仕切るためのセパレートシートであり、この基材も陽極酸化可能な基材であれば、当然この表面にも触媒が担持される。符号４は構造体の壁に配されている電気加熱用ヒーター、５はコンセントである。
また、図１は一方向流れ型であるが、直交流れ型で熱交換機能を持たせるものであっても良いことは当然である。
【００２４】
本発明の触媒構造体の外壁をヒーター４で加熱すると、ヒーター４の熱は外壁を介して一部は反応ガスに与えられるが、大部分の熱は触媒を担持する金属板に伝えられ、触媒を加熱する。
これによって触媒の表面温度を迅速に上昇させることができるので、スタートアップ特性を良好にすることができるのみならず、電気加熱用ヒーターに流す電流を調節することによって触媒の表面温度を迅速に変えることができるので、負荷変動にも容易に対応することができる。
触媒表面に温度センサを設けることにより、触媒表面温度が一定になるように、ヒーター電流を自動制御することもできる。
【００２５】
次に、本発明の触媒構造体を２つ接続して使用する場合を、図２に従って説明する。
図中の符号６は、触媒構造体同士が接続するために、他の構造体の後部の下端に設けられた片７を受けるためのエル字状に折れ曲げられた片であり、８は他の構造体を接続し固着するための片である。尚、接続に際しては、他の触媒体の片７をエル字状片６に差し込んだ後構造体同士の端部を合わせ、互いの片８で固着する。固着手段としてはネジ止め等の公知の手段を用いることができる。
【００２６】
構造体同士の接続は、構造体の一方の端部外周に雄状の縁１０を設け、他方の端部外周に、接続する構造体の前記雄状の縁が嵌合する雌状の縁１１を設けることによって行っても良い（図３参照）。この場合、嵌合部には、シールを良好とするためにパッキング１２を設けることが好ましい（図３参照）。２以上の構造体を直列に接続するのみならず、並列に束ねて使用することもできる。
このようにして、応用する触媒反応の種類又は反応量に応じて、触媒構造体を任意の大きさのものに組み立てることができる。
【００２７】
次に、本発明の触媒構造体を用いた、本発明の燃焼分解装置について説明する。
通常、排ガス等に含まれる揮発性有機化合物（ＶＯＣ）や悪臭物質は、空気中の酸素を用いて触媒下で完全燃焼させられ、下式の如く、無害・無臭のＣＯ2 とＨ2 Ｏになる。
ＣX ＨY ＯZ ＋ｍＯ2 →ＸＣＯ2 ＋（Ｙ／２）Ｈ2 Ｏ
この場合の燃焼フローは、例えば図４に示されるが、本発明の燃焼分解装置は、このうち、少くとも燃焼させるガスの加熱装置と触媒部分を含むものであり、必要に応じて、更に、フィルター等の前処理装置や、熱交換機能を持たせることもできる。
【００２８】
以下、本発明の燃焼分解装置を図面に基づいて詳述する。
図５は、本発明の触媒構造体を反応室として用いた、基本的な、本発明の箱型の燃焼分解装置の概念図である。
図中符号２０はガス導入口、２１はガス加熱手段、２２は本発明の触媒構造体からなる反応室であり、本図においては二つの構造体２２−ａ及び２２−ｂが使用されているが、これは、一つだけであっても、三つ以上使用しても良いことは当然である。尚、複数の構造体を使用する場合には、各構造体はそれぞれ独立に温度制御できるように配線しておくことが好ましい。
符号２３はガスを排気するためのファン、２４は流量計、２５は排気口であり、２６は、ガス流路３０以外における、二つの反応室間のガスの流れを防止するための中央仕切り板である。
【００２９】
ガス加熱手段２１の前段には、適宜、フィルター等の前処理手段を設けても良い。ガス加熱手段は、ヒーター等の公知の加熱手段の中から適宜選択することができるが、熱効率の観点から、蓄熱体を設置しても良い。この場合には、二つの反応室をつないでいるガス流路３０内に、更にヒーターを配しておくことが好ましい。
勿論、本図のような箱型にせず、単純な筒状としても良いことは当然である。このような形状の場合には、例えば、自動車の排気管中に組み込むこともできる。
【００３０】
図６は、必要に応じてガス流路を逆転させるための、２組みのダンパー２７−ａ及び２７−ｂを有する、本発明の燃焼分解装置の他の実施例である。このようにガス流路を逆転させるのは、例えば、第１の構造体中の触媒と、第２の構造体中の触媒が異なっている場合等に意味がある。
この場合には、各反応室は全く対等であるから、ガス加熱手段２１や、必要に応じて設けることのある蓄熱体等は、各反応室に対してそれぞれ設ける必要がある。
このようにして得られる本発明の燃焼分解装置は、小は自動車等の排ガス処理装置として、大は、焼却炉や工場からの廃棄ガス処理装置として使用することができる。また、触媒構造体に熱交換能を持たせて使用することもできる。
【００３１】
本発明の触媒構造体は、陽極酸化し得る素材からなるコルゲートフィン、及び、セパレートシートとを交互に積み重ねてなると共に、気体の流入口と流出口とを有する熱交換型の構造体内部の、少くともコルゲートフィンを陽極酸化し、必要に応じて熱水処理した後、又は触媒の塩を含有する水溶液を用いて熱水処理と同時に触媒担持処理をし、次いで焼成した後、得られた構造体の外壁に、絶縁被覆された電気加熱手段を配することによって得ることができる。
【００３２】
また、本発明のガス燃焼分解装置は、ガス導入口（２０）、導入するガスを加熱するための加熱手段（２１）、加熱されたガスを燃焼・分解するための反応室（２２）、反応室（２２）から排気口（２５）へガスを流出させるためのファン（２３）、及び、ファン（２３）と排気口（２５）の間に設けられた流量計（２４）からなるガス燃焼・分解装置における、前記反応室として、本発明の触媒構造体を配置することにより得られる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の触媒構造体は、触媒構造体の外壁に電気加熱手段を配した熱交換型の構造であるので、熱効率が良好であるのみならず、スタートアップ特性を良好にすることができると共に負荷変動にも容易に対応することができ、又、引火性の気体に対しても使用することができる。また、本発明の触媒構造体は、高温においても安全性が高いので使用し易い。
【００３４】
更に、本発明の触媒構造体は、既に製造されている熱交換器を改造して製造することができるので安価である。また、接続容易な構造である上軽量なものとすることができるので持ち運びも可能である。従って、触媒反応に応じて適宜の大きさとすることも容易である。
また、本発明の構造体を用いた、本発明のガス燃焼分解装置は、圧損失が少く高性能である上、小さい装置から、大きい装置まで、必要に応じて任意に設計することができるので応用範囲が極めて広い。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって更に詳述するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
実施例１．
コルゲートフィンがプレートフィン型のアルミニウム板で作製されている、１０ｃｍ×１０ｃｍ×１０ｃｍの大きさの市販の熱交換器（図１参照）を、２０重量％の水酸化ナトリウム溶液中で３分間洗浄した後、３０重量％の硝酸水溶液中で１分間中和処理する前処理を行った。次いで、２０℃、３０重量％の蓚酸水溶液中で、電流密度を１００Ａ／ｍ2 とし、熱交換器中に電解液が流れる条件で８時間かけて陽極酸化した。次に、熱交換器を切断し、コルゲートフィン表面に形成された陽極酸化皮膜の厚みを測定したところ、約１００μｍであった。
【００３６】
上記の如くして内部を陽極酸化した熱交換器を、公知の如く、塩化白金酸を含有する水溶液中に浸漬し、８０℃で６０分間処理した後乾燥し、５００℃で焼成して、コルゲートフィンの陽極酸化皮膜に白金触媒が担持された触媒構造体を得た。
次に、外壁周囲に絶縁被覆した５０Ｗのリボンヒーターを配して本発明の触媒構造体を作製した。
【００３７】
作製した触媒構造体を、２３８℃の電気炉中で電気加熱用ヒータ（出力５０Ｗ）に電流を断続的に流した場合の、触媒表面温度の経時変化を測定した結果は図７に示した通りである。図７の結果から、電流を通すと５分以内に約１４０℃の温度上昇が認められ、電流を遮断すると速やかにもとの温度に戻ること、即ち、応答性が速やかである上、スタートアップ時間も極めて短時間であることが確認された。因みに、電気炉自体の温度を変えて触媒表面温度を１４０℃上昇させるためには３０分が必要であった。
実施例２．
コルゲートフィンがセレート型の市販の熱交換器を用いた他は実施例１と全く同様にして同じ大きさの触媒構造体を作製した。
得られた触媒構造体を２個用いて、図８に示す蓄熱式触媒燃焼試験装置を作製し、この装置に揮発性有機化合物であるトルエンが２００ｐｐｍ含まれる空気を１．０（ｍ3 ／分）流し、触媒構造体の室内温度を２５０℃として処理したところ、図９の結果が得られた。
図９から明らかな如く、空間速度（ＳＶ）が７０，０００における分解率は９９％で、本発明の燃焼分解装置の処理性能が極めて高いことが実証された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の触媒構造体を示した斜視概略図である。
【図２】本発明の触媒構造体を２個接続して使用する場合の斜視概略図である。
【図３】触媒構造体を２個連結した接続部の部分断面拡大概略図である。
【図４】揮発性有機ガス等を処理するための燃焼フローの例である。
【図５】本発明の燃焼分解装置の一例を示す概念図である。
【図６】燃焼ガスの流れ方向を逆転させることのできる、本発明の燃焼分解装置の概念図である。
【図７】電気加熱ヒーターに電流を断続的に流した場合の触媒体表面温度の経時変化を示した図である。
【図８】蓄熱式とした、本発明の燃焼分解装置の概念図である。
【図９】実施例２で得た、処理ガスの空間速度に対する分解率を表すグラフである。
【符号の説明】
１  触媒構造体
２  コルゲートフィン
３  セパレートシート
４  電気加熱用ヒーター
５  電源用コンセント
６  下端部に設けられたＬ字状止め具
７  触媒構造体の下端部に設けられた他の構造体のＬ字状止め具に嵌まる片
８  上端部に設けられた接続用片
９  気体の流れ方向
１０  構造体端部の開孔部の外周に設けられた雄状の縁
１１  雌状の縁
１２  パッキング
２０  ガス導入口
２１  ガス加熱手段
２２  本発明の触媒構造体からなる反応室
２３  ファン
２４  流量計
２５  排気口
２６  中央仕切り板
２７  ダンパー
２８  蓄熱体
２９  熱電対
３０  ガス流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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