JP3262017B2

JP3262017B2 - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP3262017B2
Application number: JP08892497A
Authority: JP
Inventors: 酒井　　武信
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-03-24
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 2002-03-04
Anticipated expiration: 2017-03-24
Also published as: JPH10265783A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料中の多環芳香
族化合物の含有量を低減するための燃料改質装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】大気汚染防止の観点から、種々の燃焼系
からの排出物質を浄化することは、社会的な急務であ
る。ここで対象となる燃焼系は、自動車、航空機、船舶
等の内燃機関、発電所等のボイラー、焼却設備や処理設
備等の燃焼炉、業務用・家庭用の暖房用ヒーター等、極
めて多岐にわたる。また対象となる燃料は主として石油
系燃料であり、重油、軽油、灯油、ガソリン等である。

【０００３】このような社会的要請に応えて、自動車分
野においても種々の排出物質浄化策が進められており、
ディーゼルエンジンもその重要な対象の一つである。特
にディーゼルエンジンの場合に注目すべき点は、排出ガ
ス中に、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素
酸化物（ＮＯ_X）、二酸化硫黄（ＳＯ₂）等のガス状の
汚染物質に加えて、ディーゼル黒煙と呼ばれる粒子状物
質(particulate matter: PM)が含まれていることであ
る。特に粒子状物質については、ディーゼルエンジンか
ら排出されたものは、発癌性が高いとされている多環芳
香族炭化水素（ＰＡＨ）を含むため、粒子状物質の排出
量を低減することが非常に重要である。

【０００４】粒子状物質の発生量は燃料中の多環芳香族
化合物の量と密接な関係があることが既に知られてい
る。したがって、燃料中の多環芳香族化合物量を低減す
ることが粒子状物質の排出量低減に効果的であると考え
られる。燃料中の多環芳香族化合物量を低減する燃料改
質方法として、例えば「環境保全研究成果集」(vol.199
4, 37-II-1〜37-II-15）に報告されているように、芳香
環の触媒処理により燃焼性を高め粒子状物質の発生を低
減する方法や、多環芳香族化合物を吸着分離する方法が
行われている。特に吸着分離による方法は、触媒処理に
対して反応性の低い多環芳香族化合物に対しても有効で
あり、上記成果集にも多孔体により吸着分離を行う方法
が記載されている。

【０００５】しかし多孔体による吸着は、多孔体が吸着
物質で飽和してしまうと、吸着による除去効果が消失し
てしまい、これを再生するには４００〜５００℃で燃焼
させるか、高温で加圧処理する必要がある。そのために
は、例えば自動車内の吸着装置から多孔体を取り外し、
別の炉内に移して高温処理しなくてはならない。このよ
うな高温処理は、ある程度の規模の処理プラントの形で
行う必要があり、車載可能な形で（オンボードで）行う
ことはできない。また、仮にプラント処理により再生を
行うとしても、焼却装置や火源等が必要となりコストが
上昇するばかりでなく、多孔体に吸着した高濃度の多環
芳香族化合物を完全に焼却処理して十分に浄化すること
は、それ自体に高度の技術開発が必要になる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、多環芳香族
化合物を吸着するための多孔体の再生処理を必要としな
い燃料改質装置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】上記の目的を達成するた
めに、本発明の燃料改質装置は、吸着面を有し且つ平均
空孔径が０．５〜１００ｎｍである多孔体と、該吸着面
またはその直近に配設された多環芳香族化合物分解用触
媒とを備えたことを特徴とする。本発明の燃料改質装置
は、燃料中の多環芳香族化合物を多孔体の吸着面に吸着
し、吸着された多環芳香族化合物を吸着面またはその直
近に配設した触媒により分解し脱離させるので、多環芳
香族化合物の吸着により多孔体が飽和せず、もしくは飽
和を直ちに解消できる。多環芳香族化合物の分解により
生成する単環芳香族化合物は容易に燃焼するので、粒子
状物質の発生が低減する。

【０００８】多孔体の平均空孔径は、０．５ｎｍ未満で
あると多環芳香族化合物が空孔内に進入し難いために吸
着効果が低下し、１００ｎｍを超えると比表面積が小さ
くなり吸着効果が低下する。図１に、種々の平均空孔径
を有するシリカメソポア材料を多孔体として用いて、２
〜３環芳香族炭化水素の吸着除去実験を行った結果を示
す。この結果から分かるように、平均空孔径が０．５ｎ
ｍ〜１００ｎｍの範囲であれば、５％以上の除去率が確
保できる。更に、平均空孔径１ｎｍ〜５０ｎｍで除去率
１０％以上、、平均空孔径１．５ｎｍ〜１０ｎｍで除去
率５０％以上、平均空孔径２〜７ｎｍで除去率９０％以
上が得られる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の燃料改質装置に用いる多
孔体の材質は、改質の対象とする燃料および分解用触媒
により浸食あるいは分解されない多孔質材料であればよ
く、例えばシリカメソポア材料、燐酸ジルコニウム、ゼ
オライト、セピオライト等のセラミックスあるいは無機
材料が典型的であるが、これらに限定されるものではな
く、多孔質金属や、アセタールコポリマー等の多孔質樹
脂であってもよい。多孔体の形状もしくは形態は特に限
定する必要はなく、粉末、円柱状ペレット、造粒した
球、ブロック状、繊維状等のいずれでもよい。

【００１０】多環芳香族化合物の分解を行う反応は特に
限定しないが、典型的には酸化反応により分解を行うこ
とができる。そのための酸化触媒としては、例えば二酸
化マンガン（ＭｎＯ₂）、過マンガン酸カリウム（ＫＭ
ｎＯ₄)、硫酸マンガン＋アスコルビン酸（ＭｎＳＯ₄ ＋
Ｃ₆Ｈ₈Ｏ₆）、鉄キレート化合物等を用いることがで
きる。

【００１１】また、多環芳香族化合物の分解用触媒とし
て、光触媒を用いることができる。この光触媒として
は、例えば酸化チタン（ＴｉＯ₂）や酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）等を用いることができる。ここに例示した光触媒は
一般に酸化触媒として知られているものであるが、もち
ろん本発明においては、酸化触媒以外の触媒として作用
する光触媒であっても、多環芳香族化合物の分解用触媒
として作用する光触媒であれば用いることができる。

【００１２】特に触媒として光触媒を用いると、光照射
のタイミング制御により、最適期に分解反応を行わせる
ことができるので好ましい。例えば、ディーゼルエンジ
ンを始動し加速した後の走行期すなわち安定燃焼期に同
期させて光触媒に光照射して分解反応を行うと、分解物
質（特に単環芳香族化合物）を最も効率良く燃焼させる
ことができるので、粒子状物質の発生量を最小限に抑制
できる。

【００１３】光触媒を用いる際に、多光体が紫外線透過
性を有すれば、多光体の内部まで紫外線が到達し易いの
で、触媒作用を更に活用できるため好ましい。以下に、
添付図面を参照し実施例により本発明を更に詳細に説明
する。

【００１４】

【実施例】

〔実施例１〕図２に、本発明による燃料改質装置の一例
を示す。燃料改質装置１０は、燃料タンク等の燃料供給
系２０とエンジンや燃焼炉等の燃焼系３０との間に介在
させて配置する。

【００１５】燃料改質装置１０の密閉容器１内には、本
発明による吸着および分解を行う触媒担持多孔粒子３が
多数収容されている。個々の触媒担持多孔粒子３は、粒
径０．５ｍｍ〜１ｍｍのシリカメソポア材料から成る多
孔体を基材とし、その外表面および空孔内壁に光触媒で
ある酸化チタンを塗布し担持させたものである。密閉容
器１は、一端の燃料入口４で燃料供給系２０に、他端の
燃料出口５で燃焼系３０に、それぞれセパレートフィル
ター２を介して接続されている。

【００１６】容器１の外部に配置した紫外線ランプ６か
らの紫外光を、密閉容器１の透明窓１Ａを透して触媒担
持多孔粒子３に照射できるようになっている。光触媒に
代えて通常の酸化触媒を用いる場合には、紫外線ランプ
６および透明窓１Ａは不要である。図２の燃料改質装置
の場合、密閉容器１の容量は次のようにして設定するこ
とができる。

【００１７】図３に、２ｇの上記多孔粒子３を軽油２０
０ｃｃ中に投入した後の経過時間と、軽油中の２〜３環
芳香族炭化水素の除去率との関係を示す。この場合、投
入後２０分で２〜３環芳香族炭化水素はほぼ完全に除去
される。したがって、図２の密閉容器１の容量は、容器
内での燃料の滞留時間が２０分以上となるように設定す
れば、ほぼ１００％の除去率が確保できる。

【００１８】例えば、燃料の輸送量が０．１リットル／
分である場合には、０．１リットル／分×２０分＝２リ
ットルであるから、密閉容器１の容量は２リットル以上
とすればよい。ただし、本発明の燃料改質装置は図２の
ように燃料供給系と別個に設置せず、例えば燃料タンク
２０の内部に設置する簡易な形態をとることもできる。
その場合には、燃料タンク内に燃料を供給後の時間経過
に伴い図３の曲線に沿って除去率が上昇し、２０分経過
以降にほぼ１００％の除去率が得られる。

【００１９】図２の装置において、輸送量０．１リット
ル／分で軽油の処理実験を行った。図４に、処理開始か
らの経過時間と２〜３環芳香族炭化水素の除去率との関
係を示す。除去率は、処理時間の経過に伴い図４に実線
で示したように上昇し、４時間経過後にほぼ１００％と
なった。その後、比較のため紫外線照射を行わなかった
場合には、図４に破線で示したように除去率は急落し、
１時間で０％近くまで低下した。これは、多孔粒子３に
よる吸着が飽和し、吸着が行われなくなったことを示
す。

【００２０】これに対して、本発明により、処理時間４
時間の時点で紫外線ランプ６を点灯し紫外線照射を１時
間継続した場合には、図４の経過時間４時間以降の領域
に実線で示したようにほぼ１００％の除去率で一定のま
ま推移した。これは、４時間経過時点で一旦は吸着機能
が飽和したが、その後の紫外線照射で吸着物質（２〜３
環芳香族炭化水素）が分解され吸着面から脱離したこと
により、吸着機能が回復したことを示す。

【００２１】本実施例に示したように、光触媒を用いる
と、例えばディーゼルエンジンの運転時期に同期させて
適時に光照射して触媒作用を機能させ、多環芳香族化合
物を適時に分解し脱離させることにより、粒子状物質の
発生を効率的に低減することができる。図５に、（１）
燃料の改質処理なしの場合と（２）本発明により光触媒
を用いて燃料改質した場合について、ディーゼルエンジ
ンの始動から加速を経て定常走行までの過程における、
エンジン回転数と粒子状物質の発生量の推移を示す。

【００２２】図５（１）に示したように、一般に粒子状
物質の発生量は、エンジン始動時と加速時に増大し、安
定走行（安定燃焼）期に入ると減少して一定レベルで推
移する。図５（２）に示したように、本発明の燃料改質
装置において光触媒を用いた場合は、始動時および加速
時には、粒子状物質の生成源である多環芳香族化合物を
多孔体により吸着捕捉し、走行が安定し安定燃焼期に入
った時点（図５（２）のＡの時点）で光照射して光触媒
を機能させることにより、吸着していた多環芳香族化合
物を分解して脱離させる。多環芳香族化合物の分解によ
り生成した単環芳香族化合物は燃焼が容易なので、安定
燃焼期に燃焼させることにより、粒子状物質の発生量を
低減できる。

【００２３】すなわち、燃料を改質しなかった場合に図
５（１）のようにエンジン始動時および加速時に粒子状
物質が多量発生し、安定走行期に入ってもある程度のレ
ベルで常時発生し続ける。これ対して、本発明により燃
料改質を行うことによって、図５（２）に示したように
エンジン始動時および加速時の粒子状物質発生量を大幅
に低減できると共に、安定走行期における粒子状物質発
生量も低レベルに抑制できるので、エンジン運転の全期
間について粒子状物質発生量が低減される。

【００２４】図６に、本発明の触媒担持多孔体による多
環芳香族化合物の吸着過程を模式的に示す。図示を容易
にするために、空孔を１個有する模型で多孔体を示す
が、もちろん実際には多孔体は無数の空孔を有してい
る。また説明を簡潔にするために、空孔内壁についての
み言及するが、外表面についても同様の過程である。図
６（１）のように、外表面および空孔内壁に光触媒を担
持した多孔体に、多環成分（図では２環）を含む軽油が
接触し、図６（２）のように空孔内に進入すると、図６
（３）のように多環成分とそれ以外の成分の一部（Ｃ₁₅
以上の直鎖パラフィンや枝別れパラフィン等）が、光触
媒を担持した空孔内壁に吸着し、残部（Ｃ₁₄以下の直鎖
パラフィン等）はそのまま通過していく。

【００２５】図７に、本発明の触媒担持多孔体による多
環芳香族化合物の分解および脱離過程を模式的に示す。
図７（１）のように触媒担持多孔体の空孔内壁に吸着さ
れている多環成分（図では２環）は、図７（２）のよう
に光照射を行い光触媒を機能させると分解して単環とな
って脱離し、図７（３）のように多孔体から排出され、
空孔内壁が有効な吸着面として解放されて多孔体が再生
される。

【００２６】多孔体から排出された単環成分は後続の燃
焼系により容易に燃焼するので、粒子状物質の発生が低
減する。図示したように、多環成分以外の成分（Ｃ₁₅以
上の直鎖パラフィンや枝別れパラフィン等）も、同様に
分解、脱離、排出され、容易に燃焼する。図８に、本発
明による触媒担持多孔体の一例として、酸化チタンを担
持させたシリカメソポア材料の透過電子顕微鏡写真を示
す。図８の写真で観察される無数の白い斑点はシリカメ
ソポア材料の空孔である。図８の写真では識別できない
が、個々の空孔は図９に模式的に示したように六角柱形
状で、外表面および空孔内壁に光触媒としての二酸化チ
タン（ＴｉＯ₂）が担持されている。本発明の燃料改質
装置においては、このように多孔体の一部または全面に
触媒を担持させた形でもよいし、担持させなくとも、吸
着物質に対して分解触媒として作用できる限りにおいて
直近に配置してもよい。直近に配置する具体的な態様と
して、多孔体と混合した状態とすることができる。

【００２７】以上、本発明の燃料改質装置について、典
型的な適用対象としてディーゼルエンジン用の軽油を想
定して説明したが、本発明の適用対象は特にこれに限定
する必要はなく、多環芳香族化合物を多少でも含む燃料
であればその低減効果が得られる。すなわち、自動車、
航空機、船舶等の内燃機関、発電所等のボイラー、焼却
設備や処理設備等の燃焼炉、業務用・家庭用の暖房用ヒ
ーター等に用いる石油系燃料であれば、重油、軽油、灯
油、ガソリンを問わず適用可能である。ガソリンの場合
は、多環芳香族化合物の含有量が僅かであり、燃焼物質
として黒煙を排出する程ではないが、多環芳香族化合物
自体の排出量を低減することができる。〔実施例２〕図１０に、本発明の燃料改質装置を家庭用
石油ファンヒーターに適用した例を示す。燃料である灯
油のタンク２０内に本発明の改質装置１０を内蔵した形
であり、紫外線ランプ６からの紫外線を透明窓１Ａを透
して光触媒担持多孔粒子３に照射する方式である。例え
ば１時間に付き１０分紫外線照射することにより、着火
時の黒煙と着火・消火時の異臭を低減することができ
る。

【００２８】本発明の燃料改質装置は、多環芳香族化合
物分解用触媒を備えたことにより、いわば自己再生能力
を有しているので、取り外して別のプラントに移して再
生処理する必要がないため、特に自動車等の車載用（オ
ンボード使用）に極めて好適である。また、本発明は燃
料改質により粒子状物質発生量を大幅に低減できるとい
う主たる効果に加えて、それに伴い下記のような副次的
な効果も得られる。

【００２９】すなわち、燃料中の難燃焼成分が低減され
るので、燃焼効率が向上し、燃費が向上する。例えば、
排気量１．８リットルのディーゼルエンジン乗用車に適
用した場合、１０％燃費が向上し、灯油を燃料とするゴ
ミ焼却炉に適用した場合、７％燃費が向上した。また、
燃焼火炎に直接接触する部品への燃焼残留物質の付着が
減少するので、初期の燃焼性能を長期間維持することが
できる。

【００３０】更に、排出ガス中の未燃焼物質が減少する
ので、排出ガス浄化用触媒の劣化を緩和し長寿命化でき
る。例えば、自動車用ディーゼルエンジンに適用した場
合、ＮＯ_X処理用触媒について、硫黄化合物による触媒
有効成分の被毒や、未燃焼物質の触媒表面への付着によ
る浄化性能低下までの時間が２倍に向上した。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
多環芳香族化合物を吸着するための多孔体の再生処理を
必要としない燃料改質装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、多孔体の平均空孔径と、２〜３環芳香
族炭化水素の除去率との関係を示すグラフである。

【図２】図２は、本発明による燃料改質装置の一構成例
を示す断面図である。

【図３】図３は、多孔粒子を軽油中に投入してからの経
過時間と、軽油中の２〜３環多環芳香族化合物の除去率
との関係を示すグラフである。

【図４】図４は、図２の改質装置における処理開始から
の経過時間と２〜３環芳香族炭化水素の除去率との関係
を示すグラフである。

【図５】図５は、（１）燃料の改質処理なしの場合と
（２）本発明により光触媒を用いて燃料改質した場合に
ついて、ディーゼルエンジンの始動から加速を経て定常
走行までの過程における、エンジン回転数と粒子状物質
の発生量の推移を示すグラフである。

【図６】図６に、本発明の触媒担持多孔体による多環芳
香族化合物の吸着過程を模式的に示す断面図である。

【図７】図７は、本発明の触媒担持多孔体による多環芳
香族化合物の分解および脱離過程を模式的に示す断面図
である。

【図８】図８は、本発明による触媒担持多孔体の一例と
して、酸化チタンを担持させたシリカメソポア材料の透
過電子顕微鏡写真である。

【図９】図９は、図８の写真で無数の白い斑点として観
察される空孔と、その外表面および内壁に担持された触
媒とを模式的に示す斜視図である。

【図１０】図１０は、本発明の燃料改質装置を灯油タン
ク内に内蔵させた家庭用石油ファンヒーターの例を示す
断面図である。

【符号の説明】

１…密閉容器１Ａ…透明窓２…セパレートフィルター３…触媒を担持させた多孔粒子４…燃料入口５…燃料出口６…紫外線ランプ１０…燃料改質装置２０…燃料供給系（燃料タンク等）３０…燃焼系（エンジン、燃焼炉等）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】吸着面を有し且つ平均空孔径が０．５〜
１００ｎｍである多孔体と、該吸着面またはその直近に
配設された多環芳香族化合物分解用触媒とを備えたこと
を特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】前記触媒が酸化触媒であることを特徴と
する請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項３】前記触媒が光触媒であることを特徴とす
る請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項４】前記光触媒に光を照射する手段を有する
ことを特徴とする請求項３記載の燃料改質装置。