(57)【要約】【課題】改質器によって改質された後の燃料中に溶解している有機系触媒を容易に析出させて分離することができる溶解触媒析出装置、溶解触媒析出方法及び燃料改質システムを提供すること。【解決手段】前記改質燃料を導入する燃料入口２４及び改質燃料を排出する燃料出口２０２を有する外装容器２０と、外装容器２０内に回転可能に配置され、外装容器２０の内面との間に改質燃料の狭小通路２２を形成する外形形状を有し、改質燃料を外表面に接触させて冷却することにより、改質燃料中に溶解している触媒を析出させるチラー２１と、狭小通路２２内に、チラー２１の外表面に接触又は近接して配置され、チラー２１の外表面に析出した触媒析出物を、チラー２１の回転により剥がし落とすスクレーパ刃２８と、スクレーパ刃２８の近傍に配置され、スクレーパ刃２８によって剥がし落とされた触媒析出物を外装容器２０の外部に排出する排出口２９１と、を備える。【選択図】図４
2019052552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機系の触媒を用いて改質器内で炭化水素を主体とする燃料を酸化改質して生成された高オクタン価の改質燃料中に溶解する前記触媒を析出させる溶解触媒析出装置であって、
前記改質燃料を導入する燃料入口及び前記改質燃料を排出する燃料出口を有する容器と、
前記容器内に回転可能に配置され、前記容器の内面との間に前記改質燃料の狭小通路を形成する外形形状を有し、前記改質燃料を外表面に接触させて冷却することにより、前記改質燃料中に溶解している前記触媒を析出させるチラーと、
前記狭小通路内に、前記チラーの外表面に接触又は近接して配置され、前記チラーの外表面に析出した触媒析出物を、前記チラーの回転により剥がし落とすスクレーパ刃と、
前記スクレーパ刃の近傍に配置され、前記スクレーパ刃によって剥がし落とされた前記触媒析出物を前記容器の外部に排出する排出口と、を備える、溶解触媒析出装置。
【請求項２】
前記狭小通路に配置され、前記スクレーパ刃によって剥がし落とされた前記触媒析出物を、前記排出口に向けて誘導する傾斜面からなる誘導路を更に備える、請求項１に記載の溶解触媒析出装置。
【請求項３】
前記燃料出口の手前に配置され、前記狭小通路から前記燃料出口に向かう前記改質燃料を通過させるフィルタを更に備える、請求項１又は２に記載の溶解触媒析出装置。
【請求項４】
前記容器の上部に配置され、前記狭小通路内の気化ガスを外部に排出するベント通路を更に備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶解触媒析出装置。
【請求項５】
有機系の触媒を用いて改質器内で炭化水素を主体とする燃料を酸化改質して生成された高オクタン価の改質燃料中に溶解する前記触媒を析出させる溶解触媒析出方法であって、
容器内に回転可能にチラーを配置し、前記容器内に前記改質燃料を導入し、前記改質燃料を前記容器内において前記チラーの外表面に接触させて冷却することにより、前記改質燃料中に溶解している前記触媒を析出させる触媒析出工程と、
前記チラーの外表面に析出した触媒析出物を、スクレーパ刃を用いて前記チラーの回転により剥がし落とし、剥がし落とされた前記触媒析出物を前記容器の排出口から外部に排出する触媒取り出し工程と、を備える、溶解触媒析出方法。
【請求項６】
有機系の触媒を用いて改質器内で炭化水素を主体とする燃料を酸化改質して高オクタン価の改質燃料を生成する燃料改質システムであって、
前記改質器の下流に、請求項１〜４のいずれか１項に記載の溶解触媒析出装置を備える、燃料改質システム。
【請求項７】
前記改質器の上流に、改質前の前記燃料と空気を混合して前記改質器に供給する混合器を備え、
前記溶解触媒析出装置は、前記排出口から排出される前記触媒析出物を、前記混合器に供給する構成を有する、請求項６に記載の燃料改質システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶解触媒析出装置、溶解触媒析出方法及び燃料改質システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
予め混合した燃料と空気の混合気を点火プラグによる火花点火で燃焼させるガソリンエンジンでは、点火プラグから離隔した未燃焼の混合気（エンドガス）が自着火することで、ノッキングが生じることが知られている。ノッキングは、エンジンの圧縮比を高めると生じ易くなるため、近年の高圧縮比エンジンでは、ノッキングの抑制が強く求められている。
【０００３】
ノッキングを抑制する方法としては、点火時期を遅角する方法が挙げられる。しかしながら、点火時期を遅角すると、エンジンの熱効率が低下する。そのため、高圧縮比エンジンにおいても、ノッキングを抑制しつつ高い熱効率が得られる技術の開発が望まれる。
【０００４】
ノッキングは燃料のオクタン価を高めることで抑制できるため、オクタン価の高い燃料として、ガソリン中にエタノール等のアルコールを予め混合したアルコール含有燃料が一部の地域で広く用いられている。また、このようなアルコール含有燃料の普及に伴い、外部から給油されたアルコール含有燃料を、車両上で高ガソリン濃度の燃料と高アルコール濃度の燃料とに分離する技術の開発が進められている。ガソリンとアルコールとでは、例えばオクタン価や発熱量等の燃料物性において種々の相違点があるため、外部から給油されたアルコール含有燃料をそのまま利用するよりも、車両上で分離し、用途に応じてガソリンとアルコールとを使い分けた方が好ましいからである。ただし、エンジンの要求に応じた分離は容易ではない。
【０００５】
一方、Ｎ−ヒドロキシフタルイミド（ＮＨＰＩ）等の炭素ラジカル生成触媒を用いて、炭化水素をアルコールに変換させる合成方法が提案されている。この合成方法を車両上で利用できれば、エンジンの要求に応じて、ガソリン中に含まれる炭化水素をオクタン価の高いアルコールに変換でき、高オクタン価燃料をエンジンに供給できると考えられる。
【０００６】
そこで、従来、原燃料の使用効率とオクタン価の向上とに優れた燃料改質システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料改質システムは、ガソリンのオクタン価を高めるため、ガソリンの酸化改質を改質器内において比較的低温で反応させて行うものであり、ＮＨＰＩ等の有機系触媒を金属系の助触媒と共に酸化雰囲気中で反応させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１６−２１１４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ガソリンの酸化改質に用いられるＮＨＰＩは、触媒的な作用はするものの、有機系材料であると共に、改質時の反応に供する部分はガソリン中に溶解した部分であることが知られている。従って、改質後のガソリン中にも溶解したままの失活していないＮＨＰＩが残留している場合がある。失活していないＮＨＰＩが溶解したままの改質後のガソリンを改質器よりも下流に流してしまうと、以下のような懸念がある。
【０００９】
即ち、未だ失活していないＮＨＰＩが無駄に捨てられてしまうことになる。また、ＮＨＰＩが溶解した改質後のガソリンが下流のどこかで冷やされると、ＮＨＰＩの結晶が析出し、管路の詰まりを誘発するおそれがある。更に、反応が進み過ぎて、ＮＨＰＩがカルボン酸（安息香酸）になり、ガソリンでは溶けずに管路の詰まりを誘発するおそれもある。このため、改質後のガソリンに溶解したＮＨＰＩは、改質器よりも下流に流れ出すことのないように、改質後のガソリン中から分離されることが望まれる。
【００１０】
本発明は、このような従来事情に鑑みてなされたものであり、改質器によって改質された後の燃料中に溶解している有機系触媒を容易に析出させて分離することができる溶解触媒析出装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、改質器によって改質された後の燃料中に溶解している有機系触媒を容易に析出させて分離することができる溶解触媒析出方法を提供することを目的とする。
更に、本発明は、改質器によって改質された後の燃料中に溶解している有機系触媒を容易に析出させて分離することができ、下流に流れ出すことのない燃料改質システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）  本発明に係る解触媒析出装置は、有機系の触媒を用いて改質器（例えば、後述の改質器１５）内で炭化水素を主体とする燃料を酸化改質して生成された高オクタン価の改質燃料中に溶解する前記触媒を析出させる溶解触媒析出装置（例えば、後述の溶解触媒析出部１６）であって、前記改質燃料を導入する燃料入口（例えば、後述の改質燃料流入管２４）及び前記改質燃料を排出する燃料出口（例えば、後述のジョイント部２０２）を有する容器（例えば、後述の外装容器２０）と、前記容器内に回転可能に配置され、前記容器の内面との間に前記改質燃料の狭小通路（例えば、後述の狭小通路２２）を形成する外形形状を有し、前記改質燃料を外表面に接触させて冷却することにより、前記改質燃料中に溶解している前記触媒を析出させるチラー（例えば、後述のチラー２１）と、前記狭小通路内に、前記チラーの外表面に接触又は近接して配置され、前記チラーの外表面に析出した触媒析出物を、前記チラーの回転により剥がし落とすスクレーパ刃（例えば、後述のスクレーパ刃２８）と、前記スクレーパ刃の近傍に配置され、前記スクレーパ刃によって剥がし落とされた前記触媒析出物を前記容器の外部に排出する排出口（例えば、後述の排出口２９１）と、を備える。
【００１２】
（１）の発明によれば、改質器によって改質された後の燃料中に溶解している有機系触媒を容易に析出させて分離することができる溶解触媒析出装置を提供することができる。
【００１３】
（２）  （１）に記載の溶解触媒析出装置において、前記狭小通路に配置され、前記スクレーパ刃によって剥がし落とされた前記触媒析出物を、前記排出口に向けて誘導する傾斜面からなる誘導路（例えば、後述の誘導路２９３）を更に備えてもよい。
【００１４】
（２）の発明によれば、スクレーパ刃によって剥がし落とされた触媒析出物を、排出口まで円滑に導くことができる。
【００１５】
（３）  （１）又は（２）に記載の溶解触媒析出装置において、前記燃料出口の手前に配置され、前記狭小通路から前記燃料出口に向かう前記改質燃料を通過させるフィルタ（例えば、後述のフィルタ２６）を更に備えていてもよい。
【００１６】
（３）の発明によれば、フィルタにより、狭小通路内でチラーにより冷却された改質燃料（凝縮相）中の触媒析出物をトラップし、触媒析出物の流出を阻止することができる。
【００１７】
（４）  （１）〜（３）のいずれかに記載の溶解触媒析出装置において、前記容器の上部に配置され、前記狭小通路内の気化ガスを外部に排出するベント通路（例えば、後述のベント管２５）を更に備えていてもよい。
【００１８】
（４）の発明によれば、改質燃料から分離された気相を再利用することができる。
【００１９】
（５）  本発明に係る溶解触媒析出方法は、有機系の触媒を用いて改質器（例えば、後述の改質器１５）内で炭化水素を主体とする燃料を酸化改質して生成された高オクタン価の改質燃料中に溶解する前記触媒を析出させる溶解触媒析出方法であって、容器（例えば、後述の外装容器２０）内に回転可能にチラー（例えば、後述のチラー２１）を配置し、前記容器内に前記改質燃料を導入し、前記改質燃料を前記容器内において前記チラーの外表面に接触させて冷却することにより、前記改質燃料中に溶解している前記触媒を析出させる触媒析出工程と、前記チラーの外表面に析出した触媒析出物を、スクレーパ刃（例えば、後述のスクレーパ刃２８）を用いて前記チラーの回転により剥がし落とし、剥がし落とされた前記触媒析出物を前記容器の排出口（例えば、後述の排出口２９１）から外部に排出する触媒取り出し工程と、を備える。
【００２０】
（５）の発明によれば、改質器によって改質された後の燃料中に溶解している有機系触媒を容易に析出させて分離することができる溶解触媒析出方法を提供することができる。
【００２１】
（６）  本発明に係る燃料改質システムは、有機系の触媒を用いて改質器（例えば、後述の改質器１５）内で炭化水素を主体とする燃料を酸化改質して高オクタン価の改質燃料を生成する燃料改質システム（例えば、後述の燃料改質システム１）であって、前記改質器の下流に、（１）〜（４）のいずれかに記載の溶解触媒析出装置を備える。
【００２２】
（６）の発明によれば、改質器によって改質された後の燃料中に溶解している有機系触媒を容易に析出させて分離することができ、下流に流れ出すことがない燃料改質システムを提供することができる。
【００２３】
（７）  （６）に記載の燃料改質システムにおいて、前記改質器の上流に、改質前の前記燃料と空気を混合して前記改質器に供給する混合器（例えば、後述の混合器１４）を備え、前記溶解触媒析出装置は、前記排出口から排出される前記触媒析出物を、前記混合器に供給する構成を有するものであってよい。
【００２４】
（７）の発明によれば、触媒析出物は、無駄に消費されてしまうことがなく、再利用が可能である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る溶解触媒析出装置によれば、改質器によって改質された後の燃料中に溶解している有機系触媒を容易に析出させて分離することができる。
また、本発明に係る溶解触媒析出方法によれば、改質器によって改質された後の燃料中に溶解している有機系触媒を容易に析出させて分離することができる。
更に、本発明に係る燃料改質システムによれば、改質器によって改質された後の燃料中に溶解している有機系触媒を容易に析出させて分離することができ、下流に流れ出すことがない燃料改質システムとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料改質システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る溶解触媒析出装置の一実施形態を示す全体斜視図である。
【図３】図２に示す溶解触媒析出装置の内部構成を示す断面図である。
【図４】図２に示す溶解触媒析出装置の内部構成を示す断面図であり、図３に示す断面図に対して９０度角度を変えた断面を示す断面図である。
【図５】溶解触媒析出装置のスクレーパ刃の周辺の拡大断面図である。
【図６】図４の(vi)-(vi)線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料改質システム１の構成を示す図である。本実施形態の燃料改質システム１は、図示しない車両に搭載され、車両上で図示しないエンジンの要求に応じて、燃料中に含まれる炭化水素を、ケトンを含む高オクタン価燃料に改質してエンジンに供給する。本実施形態の燃料改質システム１では、燃料としてガソリンを用い、酸化剤として空気を用いる。即ち、本実施形態の燃料改質システム１は、空気中の酸素による酸化反応を利用してガソリンを改質することから、例えば分解反応等を利用した改質と比べて低温で温和な条件下で改質が可能であるため、システム構成を簡易化でき、車両上でのオンデマンド運転に適したシステムである。
【００２８】
図１に示すように、本実施形態に係る燃料改質システム１は、空気導入部１１と、燃料タンク１２と、燃料導入部１３と、混合器１４と、改質器１５と、溶解触媒析出部１６と、燃料供給部１７と、改質燃料タンク１８と、改質燃料供給部１９とを有して構成される。
【００２９】
空気導入部１１は、後述する混合器１４の上流に設けられ、混合器１４内に酸化剤としての空気を導入する。空気導入部１１は、空気導入管１１０の上流側から順に、空気フィルタ１１１と、空気ポンプ１１２と、空気流量計１１３と、空気バルブ１１４と、を備える。空気導入部１１は、空気ポンプ１１２を駆動することで、空気フィルタ１１１を介して外気から空気を取り込む。また、空気導入部１１は、空気バルブ１１４を開弁することで、取り込んだ空気を混合器１４内に導入する。混合器１４内への空気の導入量は、空気流量計１１３で検出された空気流量に基づいて、図示しない電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）により、空気バルブ１１４の開度を調整することで制御される。
【００３０】
燃料タンク１２は、燃料として、炭化水素を主体的に含むガソリンを貯留する。即ち、燃料タンク１２は、通常の車両に設けられる燃料タンクであり、改質前のガソリンを貯留する。
【００３１】
燃料導入部１３は、後述する混合器１４の上流に設けられ、混合器１４内に燃料のガソリンを導入する。燃料導入部１３は、燃料導入管１３０の上流側から順に、改質ポンプ１３１と、燃料流量計１３２と、燃料バルブ１３３と、を備える。燃料導入部１３は、改質ポンプ１３１を駆動するとともに燃料バルブ１３３を開弁することで、燃料タンク１２内に貯留されたガソリンを混合器１４内に導入する。混合器１４内へのガソリンの導入量は、燃料流量計１３２で検出された燃料流量に基づいて、ＥＣＵにより燃料バルブ１３３の開度を調整することで制御される。
【００３２】
混合器１４は、後述する改質器１５の上流に設けられ、燃料のガソリンと空気を混合して改質器１５内に供給する。混合器１４は、空気導入部１１により導入される空気と、燃料導入部１３により導入される液状のガソリンとを均一に混合可能な構成となっている。具体的には、例えば混合器１４は、空気導入管１１０と混合器１４の接続部を小孔に形成することで、小さな空気泡を生成するように構成されていてよい。また、混合器１４は、空気の強い流れで渦を発生させるように構成されていてもよい。なお、混合器１４は、図示しないヒータを備えており、ガソリン及び空気を所定の温度まで昇温しながら混合することで、ガソリンと空気の混合気を生成する。
【００３３】
また、混合器１４は、後述する溶解触媒析出部１６から触媒析出物が排出された場合、その触媒析出物を導入する。導入された触媒析出物は、混合器１４内でガソリンと空気とともに混合される。従って、混合器１４は、触媒析出物が導入された場合には、ガソリンと空気と触媒析出物を混合して改質器１５内に供給する。このため、混合器１４は、溶解触媒析出部１６から導入される触媒析出物を、燃料タンク１２から導入される新たなガソリンと撹拌混合するためのスターラー等の撹拌装置（図示せず）を有していてもよい。
【００３４】
改質器１５は、混合器１４から供給される混合気中のガソリンの主成分である炭化水素を、混合気中の空気を用いて改質してケトンを含む高オクタン価燃料を生成させる。具体的には、改質器１５としては、流通反応器及び完全混合反応器のいずれであってもよい。
【００３５】
ここで、流通反応器とは、混合器１４から導入されたガソリンと空気の混合気が、その前後に供給された混合気と反応器内部で混合されることなく、ピストンのように押し流されながら改質されて流出する反応器を意味する。そのため、流通反応器では、反応器から流出する流体の組成と反応器内部の流体の組成は相違し、混合気の反応器内部における滞在時間のばらつきが小さい特性を有する。
【００３６】
これに対して、完全混合反応器とは、混合器１４から導入されたガソリンと空気の混合気が、改質器内で反応物と均一に混合されて改質される反応器を意味する。そのため、完全混合反応器では、反応器から流出する流体の組成と反応器内部の流体の組成は同一であり、混合器の反応器内部における滞在時間のばらつきが大きい特性を有する。
【００３７】
図１に示すように、改質器１５には、図示しない温度センサと、改質器１５内を冷却するための冷却部１５３と、が設けられる。冷却部１５３は、温度センサの検出温度に基づいてＥＣＵにより制御され、図示しないエンジンの冷却水を改質器１５に供給することで改質器１５を冷却する。エンジン冷却水の温度は、７０℃〜１００℃、好ましくは８０℃〜９５℃とすることができる。エンジン冷却水の温度が７０℃未満では改質反応速度が小さく、１００℃を超えるとエンジン冷却水の使用が難しくなる。なお、冷却部１５３は、改質反応が進行して改質器１５内の温度が高温の場合には、エンジン冷却水で改質器１５を冷却するが、改質反応の初期で改質器１５内の温度が低温の場合には、逆にエンジン冷却水で改質器１５を暖める作用をもたらす。
【００３８】
また、改質器１５は、ガソリン中に主体的に含まれる炭化水素を、酸化剤としての空気を用いて改質し、アルコールを生成させるとともに該アルコールをアルキルラジカルと反応させてケトンを生成させる改質触媒１５２を備える。具体的には、改質器１５は、円筒状のケーシング１５１と、ケーシング１５１内に充填された固体状の改質触媒１５２と、を備える。
【００３９】
固体状の改質触媒１５２は、小球状の多孔質担体と、当該多孔質担体の表面に担持された主触媒及び助触媒と、を含んで構成される。主触媒及び助触媒は、均一に混合された状態で、小球状の多孔質担体の表面に担持される。このように本実施形態の改質触媒１５２は、多孔質担体が小球状であることにより、その表面に担持される主触媒及び助触媒の表面積が増大し、燃料のガソリンや酸化剤の空気との接触面積が増大する。
【００４０】
小球状の多孔質担体としては、例えば、シリカビーズ、アルミナビーズ、シリカアルミナビーズ等が用いられる。中でも、シリカビーズが好ましく用いられる。多孔質担体の粒径は、好ましくは３μｍ〜５００μｍである。
【００４１】
主触媒は、ガソリン中の炭化水素から水素原子を引き抜いてアルキルラジカルを生成させる能力を有する有機系触媒である。具体的には、主触媒としては、Ｎ−ヒドロキシイミド基を有するＮ−ヒドロキシイミド基含有化合物が用いられる。中でも、Ｎ−ヒドロキシフタルイミド（以下、「ＮＨＰＩ」という。）又はＮＨＰＩ誘導体が好ましく用いられる。本実施形態では、有機系触媒としてＮＨＰＩを用いている。
【００４２】
助触媒は、アルキルラジカルから生成するアルキルヒドロペルオキシドを還元してアルコールを生成させるとともに該アルコールをアルキルラジカルと反応させてケトンを生成させる能力を有する。具体的には、助触媒としては、遷移金属化合物が用いられる。中でも、コバルト化合物、マンガン化合物及び銅化合物からなる群より選ばれる化合物が好ましく用いられる。コバルト化合物としては酢酸コバルト（ＩＩ）等が用いられ、マンガン化合物としては酢酸マンガン（ＩＩ）等が用いられ、銅化合物としては塩化銅（Ｉ）等が用いられる。
【００４３】
上記主触媒及び助触媒の多孔質担体への担持方法については、従来公知の含浸法等が採用される。例えば、主触媒及び助触媒を所定の混合比で含有するスラリーを調製した後、調製したスラリー中に小球状の多孔質担体を浸漬させる。次いで、スラリー中から多孔質担体を引き上げ、多孔質担体の表面に付着した余分なスラリーを除去した後、所定の条件で乾燥する。これにより、多孔質担体の表面に主触媒及び助触媒が均一に担持された改質触媒１５２が得られる。
【００４４】
ここで、改質器１５内で進行する改質反応について、以下に詳しく説明する。
先ず、本実施形態の改質反応は、下記の反応式（１）に示すように、ガソリン中の炭化水素から水素原子が引き抜かれてアルキルラジカルが生成する水素引き抜き反応により開始される。この水素引き抜き反応は、主触媒、ラジカル及び酸素分子等の作用により進行する。
［化１］
ＲＨ  →  Ｒ・      ・・・反応式（１）
［反応式（１）中、ＲＨは炭化水素を表し、Ｒ・はアルキルラジカルを表す。］
【００４５】
次いで、水素引き抜き反応により生成したアルキルラジカルは、下記の反応式（２）に示すように、酸素分子と結合してアルキルペルオキシラジカルを生成する。
［化２］
Ｒ・  ＋  Ｏ２  →  ＲＯＯ・      ・・・反応式（２）
［反応式（２）中、Ｏ２は酸素分子を表し、ＲＯＯ・はアルキルペルオキシラジカルを表す。］
【００４６】
次いで、反応式（２）により生成したアルキルペルオキシラジカルは、下記の反応式（３）に示すように、ガソリン中に含まれる炭化水素から水素原子を引き抜いて、アルキルヒドロペルオキシドを生成する。
［化３］
ＲＯＯ・  ＋  ＲＨ  →  ＲＯＯＨ  ＋  Ｒ・      ・・・反応式（３）
［反応式（３）中、ＲＯＯＨはアルキルヒドロペルオキシドを表す。］
【００４７】
次いで、反応式（３）により生成したアルキルヒドロペルオキシドは、下記の反応式（４）に示すように、助触媒の作用によりアルコールに還元される。
［化４］
ＲＯＯＨ  →  ＲＯＨ      ・・・反応式（４）
［反応式（４）中、ＲＯＨはアルコールを表す。］
【００４８】
また、反応式（３）により生成したアルキルヒドロペルオキシドは、下記の反応式（５）に示すように、助触媒又は熱の作用によりアルコキシラジカルとヒドロキシラジカルとに分解する。
［化５］
ＲＯＯＨ  →  ＲＯ・  ＋  ・ＯＨ      ・・・反応式（５）
［反応式（５）中、ＲＯ・はアルコキシラジカルを表し、・ＯＨはヒドロキシラジカルを表す。］
【００４９】
次いで、反応式（５）により生成したアルコキシラジカルは、ガソリン中に含まれる炭化水素から水素原子を引き抜いて、アルコールを生成する。
［化６］
ＲＯ・  ＋  ＲＨ  →  ＲＯＨ  ＋  Ｒ・      ・・・反応式（６）
【００５０】
以上のようにして、ガソリン中に主体的に含まれる炭化水素が酸化改質され、アルコールに変換される。より詳しくは、ガソリン中に含まれる炭化水素は炭素数が４〜１０の炭化水素であるため、これら炭化水素が、炭素数４〜１０のアルコールに変換される。なお、上述のようにして生成したアルコールＲＯＨのうち、その大部分は第２級アルコールＲ−ＣＨＯＨ−Ｒ’である。
【００５１】
次いで、上述のようにして生成した第２級アルコールＲ−ＣＨＯＨ−Ｒ’は、下記の反応式（７）に示すように、例えばアルキルペルオキシラジカルＲＯＯ・のようなアルキルラジカルと反応して、ヒドロキシアルキルラジカルＲ−Ｃ・ＯＨ−Ｒ’を生成する。
［化７］
Ｒ−ＣＨＯＨ−Ｒ’  ＋  ＲＯＯ・  →  Ｒ−Ｃ・ＯＨ−Ｒ’  ＋  ＲＯＯＨ
・・・反応式（７）
［反応式（７）中、Ｒ−ＣＨＯＨ−Ｒ’は第２級アルコールを表し、Ｒ−Ｃ・ＯＨ−Ｒ’はヒドロキシアルキルラジカルを表す。］
【００５２】
次いで、ヒドロキシアルキルラジカルＲ−Ｃ・ＯＨ−Ｒ’は、さらに下記の反応式（８）に示すように、例えばアルキルペルオキシラジカルＲＯＯ・のようなアルキルラジカルと反応して、ケトンＲ−Ｃ＝Ｏ−Ｒ’を生成する。
［化８］
Ｒ−Ｃ・ＯＨ−Ｒ’  ＋  ＲＯＯ・  →  Ｒ−Ｃ＝Ｏ−Ｒ’  ＋ＲＯＯＨ
・・・反応式（８）
［反応式（８）中、Ｒ−Ｃ＝Ｏ−Ｒ’はケトンを表す。］
【００５３】
以上のようにして、本実施形態の燃料改質システム１では、ガソリンをケトンを含む高オクタン価燃料に改質することができ、燃料のオクタン価を向上させることができるようになっている。以下、このようにして改質器１５によって改質された後のガソリンを改質燃料という。
【００５４】
溶解触媒析出部１６は、改質器１５の下流に設けられ、改質器１５から導入される改質燃料を冷却することにより、凝縮相と気相とに分離すると同時に、改質燃料中に溶解しているＮＨＰＩ等、具体的には、ＮＨＰＩ、フタルイミド、安息香酸等を析出させて分離する。溶解触媒析出部１６は、溶解触媒析出装置１６０を備える。溶解触媒析出装置１６０は、外装容器２０の内部にチラー（冷却器）２１を有する。冷却水が、冷却水流入管２１５によってチラー２１に供給される。冷却水の温度は５０℃〜６０℃が好ましい。改質器１５の温度が７０℃〜１００℃、好ましくは８０℃〜９５℃であるので、冷却水の供給によって、チラー２１の外表面は、改質器１５から導入される改質燃料の温度よりも低い温度に維持される。そして、改質燃料は、外装容器２０とチラー２１との間の狭小通路に導入され、チラー２１の外表面との接触によって冷却される。これにより、チラー２１の外表面に改質燃料中に溶解するＮＨＰＩ等が析出する。以下、チラー２１に析出したＮＨＰＩ等を触媒析出物という。
【００５５】
溶解触媒析出装置１６０で析出した触媒析出物は、触媒排出管１６１を介して混合器１４に戻される。触媒排出管１６１は、上流側から順に、触媒排出ポンプ１６２と、触媒排出流量計１６３と、触媒排出バルブ１６４と、を備える。溶解触媒析出部１６は、触媒排出ポンプ１６２を駆動するとともに触媒排出バルブ１６４を開弁することで、溶解触媒析出装置１６０で析出した触媒析出物を、触媒排出管１６１を介して混合器１４内に導入する。混合器１４内への触媒析出物の導入量は、触媒排出流量計１６３で検出された流量に基づいて、ＥＣＵにより触媒排出バルブ１６４の開度を調整することで制御される。
【００５６】
一方、改質燃料中から触媒析出物が分離された後の改質燃料（凝縮相）は、改質燃料排出管１６５を介して改質燃料タンク１８に送られ、該改質燃料タンク１８に貯留される。溶解触媒析出部１６から排出される改質燃料中にＮＨＰＩ等は含まれないため、改質燃料排出管１６５及び改質燃料タンク１８にＮＨＰＩ等が流れ出すことがない。このため、溶解触媒析出部１６の下流側でＮＨＰＩ等の析出による管路狭窄・閉塞等が起こらず、改質燃料のスムーズな流れを確保することが可能となる。また、触媒析出物は、混合器１４に戻されるため、無駄に消費されてしまうことがなく、再利用される。また、溶解触媒析出部１６で改質燃料から分離された気化ガス（気相）は、次工程の図示しないコンデンサ又は図示しない気相供給部を経てエンジンの吸気ポート内に供給される。
なお、溶解触媒析出装置１６０の具体的な構成については後述する。
【００５７】
燃料供給部１７は、燃料ポンプ１７１と、燃料供給管１７２と、図示しないインジェクタと、を備える。燃料供給部１７は、燃料ポンプ１７１を駆動することで、燃料供給管１７２及びインジェクタを介して、燃料タンク１２内に貯留されたガソリンを図示しないエンジンの気筒内又は吸気ポート内に供給する。ガソリン供給量は、ＥＣＵによりインジェクタの噴射量を調整することで制御される。
【００５８】
改質燃料タンク１８は、溶解触媒析出部１６でＮＨＰＩ等が分離された凝縮相中の改質燃料を貯留する。改質燃料タンク１８は、改質器１５によりガソリンを改質することで生成したケトンを含む高オクタン価燃料の改質燃料を、一時的に貯留するバッファタンクとして機能する。
【００５９】
改質燃料供給部１９は、改質燃料タンク１８に貯留されたケトンを含む高オクタン価燃料の改質燃料を、エンジンの気筒内又は吸気ポート内に供給する。改質燃料供給部１９は、改質燃料ポンプ１９１と、改質燃料供給管１９２と、図示しないインジェクタと、を備える。改質燃料供給部１９は、改質燃料ポンプ１９１を駆動することで、改質燃料供給管１９２及びインジェクタを介して、改質燃料タンク１８内に貯留されたケトンを含む高オクタン価燃料の改質燃料を、図示しないエンジンの吸気ポート内に供給する。アルコール供給量は、ＥＣＵによりインジェクタの噴射量を調整することで制御される。
【００６０】
以上の構成を備える本実施形態の燃料改質システム１は、ＥＣＵにより制御されて以下のように動作する。
先ず、エンジンの運転状態に応じて、ガソリンの改質が必要であると判断された場合には、エンジン冷却水の温度が所定温度以上であるか否かを判別する。エンジン始動直後でエンジン冷却水の温度が所定温度未満であるときには、前回改質時に改質燃料タンク１８内に貯留されたケトンを含む高オクタン価燃料の改質燃料を、改質燃料ポンプ１９１によりエンジンの吸気ポート内に供給する。
【００６１】
これに対して、エンジン冷却水の温度が所定温度以上であるときには、燃料バルブ１３３及び空気バルブ１１４を開弁する。次いで、改質ポンプ１３１により、燃料タンク１２からガソリンを圧送して混合器１４内に導入する。同時に、空気ポンプ１１２により、空気フィルタ１１１を通過した空気を混合器１４内に導入する。
【００６２】
このとき、所望の適正なガソリン流量／空気流量の割合となるように、また、所望の適正な改質反応時間が得られるように、燃料流量計１３２でモニターされたガソリン流量及び空気流量計１１３でモニターされた空気流量に基づいて、燃料バルブ１３３及び空気バルブ１１４の開度をフィードバック制御する。これにより、ガソリン流量及び空気流量が制御される。
【００６３】
次いで、混合器１４内に導入されたガソリンと空気を、所定温度に暖めながら均一に混合して混合気とした後、改質器１５内に供給する。改質器１５内に供給された混合気中のガソリンの主成分である炭化水素は、改質触媒１５２の作用により上述の反応式（１）〜（８）が進行することで、ケトンを含む高オクタン価燃料に変換される。このとき、温度センサでモニターされた温度に基づいて、エンジン冷却水の供給を制御する。これにより、改質器１５内の温度が所望の適正温度に維持される。
【００６４】
次いで、改質器１５で改質された改質燃料は、溶解触媒析出部１６内で冷却されることで、凝縮相と気相とに分離される。これと同時に、改質燃料中に溶解しているＮＨＰＩ等が析出されて分離される。分離された凝縮相はケトンを含む高オクタン価燃料の改質燃料であり、改質燃料タンク１８内に導入されて貯留される。改質燃料タンク１８内の改質燃料は、改質燃料ポンプ１９１によりエンジンの吸気ポート内に供給する。一方、分離された気相は、エンジンの吸気ポートに導入することで、エンジンの気筒内での燃焼に供される。
【００６５】
エンジンの運転状態に応じて、ガソリンの改質が不要であると判断された場合には、先ず、空気ポンプ１１２を停止して空気バルブを閉弁し、混合器１４内への空気の供給を停止する。次いで、改質器１５内がガソリンで満たされて空気が全て流出した後に、改質ポンプ１３１を停止して燃料バルブ１３３を閉弁し、混合器１４内へのガソリンの供給を停止する。これにより、システム停止中に、改質器１５内に残存した酸素により改質反応が進行してしまう事態が回避される。
【００６６】
次に、溶解触媒析出装置１６０の具体的構成について更に詳細に説明する。図２は、溶解触媒析出装置の一実施形態を示す全体斜視図であり、図３、図４は、図２に示す溶解触媒析出装置の内部構成を示す断面図である。なお、図４は、図３に示す断面図に対して９０度角度を変えた断面を示している。
溶解触媒析出装置１６０は、アウタージャケットである円筒状の外装容器２０の内部に、外装容器２０よりも小径な外径を有する円筒状のチラー２１が収容されている。外装容器２０の内面とチラー２１の外面との間は、改質器１５から導入される改質燃料の狭小通路２２となっている。外装容器２０の底部２０１には、触媒析出物が分離された後の改質燃料（凝縮相）を排出するジョイント部２０２を有している。ジョイント部２０２は燃料出口を構成し、図１に示す改質燃料排出管１６５と接続される。
【００６７】
チラー２１は、外筒部２１１と、外筒部２１１の内側に同軸状に配置される内筒部２１２との二重構造を有している。外筒部２１１の底部は、ボトムプレート２１３によって閉塞されている。内筒部２１２の底部は閉塞されておらず、外筒部２１１のボトムプレート２１３の上面から僅かに距離をおいて配置されている。また、内筒部２１２の外径は、外筒部２１１の内径よりも僅かに小さい。このため、外筒部２１１の内面と内筒部２１２の外面との間に、狭小な冷却水流路２１４が形成される。この冷却水流路２１４は、外筒部２１１の底部で、内筒部２１２の内側と連通している。
【００６８】
外筒部２１１の上部には冷却水流入管２１５が接続され、内筒部２１２の上部には冷却水流出管２１６が接続されている。冷却水流出管２１６は、冷却水流入管２１５の内側に同軸状に配置されている。冷却水流入管２１５は、冷却水流路２１４と連通している。冷却水流入管２１５から冷却水流路２１４に流入した冷却水は、外筒部２１１の底部から内筒部２１２の内側に向けて流れ、冷却水流出管２１６を通って外装容器２０の外部に流出する。これにより、チラー２１は冷却され、チラー２１の外表面は、改質器１５から導入される改質燃料の温度よりも低い温度に維持される。従って、チラー２１は、チラー２１と接触した狭小通路２２内の改質燃料を冷却し、凝縮相と気相とに分離すると同時に、改質燃料中に溶解しているＮＨＰＩ等を析出させる。
【００６９】
冷却水流入管２１５及び冷却水流出管２１６は、二重構造のまま外装容器２０の上部から軸受２３を介して外装容器２０の外部に延び、図示しない冷却水の流入管及び流出管とそれぞれ接続される。チラー２１は、図示しない駆動源と接続され、駆動源の駆動によって、冷却水流入管２１５及び冷却水流出管２１６を回転軸として、外装容器２０内で回転可能に構成される。
【００７０】
外装容器２０の上部側面に、燃料入口である改質燃料流入管２４が接続されている。改質燃料流入管２４は、改質器１５から流出される改質燃料を、外装容器２０内の狭小通路２２に導入する。改質燃料流入管２４の先端は、外装容器２０の壁部を貫通し、チラー２１の上部の冷却水流入管２１５の根元付近に配置されている。従って、改質器１５から導入される改質燃料は、改質燃料流入管２４を介して、チラー２１の上部の冷却水流入管２１５の根元付近に供給され、外筒部２１１の表面に沿って、狭小通路２２内を流下するようになっている。
【００７１】
外装容器２０の上部に、ベント管２５が接続されている。ベント管２５は、狭小通路２２内で分離した改質燃料の気化ガス（気相）を外装容器２０の外部に排出するベント通路を構成する。排出された気化ガスは、次工程の図示しないコンデンサ又は図示しない気相供給部を経てエンジンの吸気ポート内に供給され、再利用される。
【００７２】
外装容器２０内の底部付近に、円盤状のフィルタ２６が配置されている。フィルタ２６は、ジョイント部２０２との接続部位よりも手前に、チラー２１に対して回転不能であるが、外装容器２０内でチラー２１と共に回転可能に設けられている。フィルタ２６の直径は外装容器２０の内径とほぼ同じであり、Ｏリング２６１によって外装容器２０の内周面とフィルタ２６の外周面との間が水密状に密閉されている。フィルタ２６よりも外装容器２０内の底部側にスプリング２７が配置されている。スプリング２７は、フィルタ２６をチラー２１の底部に向けて常時付勢している。狭小通路２２の底部は、このフィルタ２６によって閉鎖されている。このため、フィルタ２６は、狭小通路２２内でチラー２１により冷却された改質燃料中の触媒析出物をトラップし、触媒析出物の下流側への流出を阻止する。
【００７３】
外装容器２０内の狭小通路２２内に、スクレーパ刃２８が配置されている。このスクレーパ刃２８及びその周辺の構成について、更に図５、図６を参照して説明する。図５は、スクレーパ刃２８の周辺の拡大断面図であり、図６は、図４の(vi)-(vi)線に沿う断面図である。
スクレーパ刃２８は平板状であり、チラー２１の下端部から上端部に亘る幅を有している。スクレーパ刃２８の先端部は、チラー２１の軸方向に沿って、該チラー２１の外表面に近接又は接触するように配置されている。また、スクレーパ刃２８の後端部側は、チラー２１の外表面の接線方向に延び、外装容器２０の内面まで達している。このスクレーパ刃２８は、チラー２１の外表面に析出した触媒析出物Ｘ（図６参照）を、チラー２１の回転によって剥がし落とす役割をなす。
【００７４】
スクレーパ刃２８の先端部は、図５に示すように、鋭角な楔状に形成されたテーパー部２８１を有していることが好ましい。これにより、チラー２１の外表面に析出した触媒析出物Ｘをより効率良く剥がし落とすことができる。本実施形態に示すスクレーパ刃２８は、チラー２１の高さ方向の上方部分のみにテーパー部２８１を有している。改質燃料流入管２４から流れ出た改質燃料は、チラー２１の冷却水流入管２１５の根元付近に接触することから、触媒析出物Ｘの多くはチラー２１の上方部分に集中するためである。しかし、テーパー部２８１はスクレーパ刃２８の先端部の全幅に亘って形成されていてもよい。
【００７５】
スクレーパ刃２８に対向する外装容器２０の壁部には、チラー２１の高さ方向の中央部付近から上部付近にかけて触媒析出物排出部２９が形成されている。触媒析出物排出部２９は、外装容器２０の壁面を接線方向に張り出させることによって、狭小通路２２の一部を接線方向に拡大している。触媒析出物排出部２９は、触媒析出物Ｘを外装容器２０の外部に排出する触媒排出口２９１を有している。触媒排出口２９１は、図１に示す触媒排出管１６１と接続されるジョイント部２９２を有している。
【００７６】
触媒析出物排出部２９の下方の狭小通路に誘導路２９３が形成されている。誘導路２９３は、スクレーパ刃２８によってチラー２１の外表面から剥がし落とされた触媒析出物Ｘを触媒排出口２９１に向けて誘導する役割をなす。誘導路２９３は、スクレーパ刃２８の先端部に対応する狭小通路２２の底面（フィルタ２６の上面）から、外装容器２０の内面とスクレーパ刃２８の表面との間の狭小通路２２を触媒析出物排出部２９に向けてせり上がるように傾斜する傾斜面によって構成されている。フィルタ２６の上面は、スプリング２７によって、この誘導路２９３の下端部に押し付けられている。
【００７７】
次に、この溶解触媒析出装置１６０による触媒の析出及び取り出し動作（溶解触媒析出方法）について説明する。
＜触媒析出工程＞
触媒析出工程では、溶解触媒析出部１６のチラー２１は回転停止状態にある。この状態において、改質器１５によって改質された改質燃料が改質燃料流入管２４から外装容器２０内の狭小通路２２に導入されると、改質燃料流入管２４から流れ出た改質燃料は、チラー２１の冷却水流入管２１５の根元付近に供給され、チラー２１の外表面に広がるように流れていく。チラー２１は、冷却水流入管２１５から冷却水流路２１４内に供給される冷却水によって改質燃料の温度よりも低い温度（５０℃〜６０℃程度）に冷却されている。チラー２１の外表面を流れる改質燃料と熱交換された後の冷却水は、冷却水流出管２１６から外装容器２０の外部に流出する。
【００７８】
改質燃料がチラー２１の外表面と接触することよって冷却されると、改質燃料中に溶解していたＮＨＰＩ等が析出し、チラー２１の外表面に結晶となって付着し始める。一方、ＮＨＰＩ等が析出して分離された後の改質燃料（凝縮相）は、狭小通路２２内を流下してフィルタ２６を通過し、ジョイント部２０２を介して改質燃料排出管１６５に流出する。
【００７９】
ここまでの工程はエンジン運転中に継続される。その間、チラー２１の外表面に触媒析出物Ｘの析出、付着が次第に進行していく。そして、一定のエンジン運転時間が経過すると、チラー２１の外表面に析出、付着する触媒析出物Ｘの量が多くなるため、触媒析出物Ｘが溜まった適宜のタイミングで、触媒析出物Ｘの取り出し工程に移行する。改質燃料中のＮＨＰＩ等の量は、ＮＨＰＩの供給量に比例すると考えられるので、チラー２１の外表面に析出、付着する触媒析出物Ｘは、一定のエンジン運転時間に対して定期的に取り出される。
【００８０】
＜触媒取り出し工程＞
触媒取り出し工程では、改質器１５の動作が停止され、改質器１５から改質燃料が溶解触媒析出部１６に導入されない状態とされる。その後、適宜のタイミングでチラー２１の駆動源が駆動され、図６に示すように、チラー２１が時計回りに回転する。これにより、スクレーパ刃２８が、チラー２１の回転を利用して、チラー２１の外表面に析出、付着する触媒析出物Ｘを剥がし落とす。剥がし落とされた触媒析出物Ｘは、触媒析出物排出部２９に集められ、触媒排出ポンプ１６２の吸引作用によって、触媒排出口２９１から外装容器２０の外部に排出される。
【００８１】
チラー２１が数周回転することにより、スクレーパ刃２８は、チラー２１の外表面に析出、付着する触媒析出物Ｘをほぼ取りきることができる。チラー２１の回転数は予め設定される。従って、溶解触媒析出装置２００は、触媒析出物Ｘを剥がし落とした後、効率良く次工程に移行することができる。
【００８２】
触媒排出口２９１から外装容器２０の外部に排出された触媒析出物Ｘは、触媒排出ポンプ１６２の駆動によって、ジョイント部２９２及び触媒排出管１６１を介して混合器１４に送られる。混合器１４内において、触媒析出物Ｘは、空気導入部１１から導入される空気及び燃料導入部１３から導入されるガソリンと混合され、再利用される。混合器１４内の触媒析出物Ｘは、所定の温度まで昇温されることで再度ガソリン中に溶解し、触媒として再利用される。このため、触媒の無駄を省くことができる。なお、安息香酸はガソリンには溶解しないので、図示しないが、例えば混合器１４内でフィルタリングすることで除去することができる。
【００８３】
本実施形態に示す溶解触媒析出装置１６０は、触媒析出物排出部２９に、触媒析出物Ｘを触媒排出口２９１に向けて誘導する傾斜面からなる誘導路２９３を有しているため、スクレーパ刃２８によって剥がし落とされた触媒析出物Ｘを、触媒排出口２９１まで円滑に導くことができる。フィルタ２６の上面は、スプリング２７によって誘導路２９３の下端部に押し付けられているため、フィルタ２６がチラー２１と共に回転することによって、フィルタ２６の上面に堆積する触媒析出物Ｘも、誘導路２９３によって、触媒排出口２９１に向けて円滑に誘導することができる。
【００８４】
本実施形態に示す溶解触媒析出装置１６０によれば、改質器１５によって改質された後の改質燃料中に溶け込んでいる有機系触媒を容易に析出させて分離することができる。
また、本実施形態に示す溶解触媒析出方法によれば、改質器１５によって改質された後の改質燃料中に溶け込んでいる有機系触媒を容易に析出させて分離することができる。
更に、本実施形態に示す溶解触媒析出装置１６０を備える燃料改質システム１によれば、改質器１５によって改質された後の改質燃料中に溶け込んでいる有機系触媒を容易に析出させて分離することができ、下流に流れ出すことがない燃料改質システムとすることができる。
【００８５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
上記実施形態では、燃料としてガソリンを用いがこれに限定されない。例えば、エタノール等のアルコールを含有するアルコール含有ガソリンを用いた場合であっても、上記実施形態と同様の効果が奏される。
【符号の説明】
【００８６】
１  燃料改質システム
１４  混合器
１５  改質器
１６  溶解触媒析出装置
２０  容器
２１  チラー
２２  狭小通路
２４  改質燃料流入管（燃料入口）
２５  ベント管（ベント通路）
２６  フィルタ
２８  スクレーパ刃
２０２  ジョイント部（燃料出口）
２９１排出口
２９２  誘導路
Ｘ  触媒析出物
【図１】
2019052552.tif 000003
【図２】
2019052552.tif 000004
【図３】
2019052552.tif 000005
【図４】
2019052552.tif 000006
【図５】
2019052552.tif 000007
【図６】
2019052552.tif 000008