JP2014015360A

JP2014015360A - アンモニア貯蔵タンク

Info

Publication number: JP2014015360A
Application number: JP2012154709A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Sone; 宏隆曽根
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2014-01-30

Abstract

【課題】アンモニアの放出効率を向上させることができるアンモニア貯蔵タンクを提供する。
【解決手段】アンモニア貯蔵タンク１０は、アンモニア（ＮＨ_３）を吸蔵（物理吸着）する吸蔵材を担持する吸蔵材担持基材１２と、この吸蔵材担持基材１２の内側に配置され、吸蔵材担持基材１２を内側から加熱する内側シースヒータ１３と、吸蔵材担持基材１２の外側に配置され、吸蔵材担持基材１２を外側から加熱する外側シースヒータ１４と、この外側シースヒータ１４の外側に配置された円筒状の真空断熱部材１６とを有している。吸蔵材担持基材１２は、断面網状（ここでは断面格子状）に形成された薄膜からなる基材である。また、吸蔵材担持基材１２は、金属またはセラミックで形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排気系に接続されるアンモニア貯蔵タンクに関するものである。

従来のアンモニア貯蔵タンクとしては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載のアンモニア貯蔵タンクは、アンモニアを吸蔵する吸蔵材が埋められた容器と、この容器の内側に配置された加熱エレメントと、この加熱エレメントに取り付けられ、加熱エレメントから熱を放散させるフィンとを備えている。

特開２０１０−５２２８５２号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、加熱エレメントが容器の内側にしか配置されていないため、加熱エレメントにより容器内を加熱したときには、たとえフィンがあっても温度分布が生じてしまう。具体的には、加熱エレメントから離れた容器の外側の温度は、加熱エレメントに近い容器の内側の温度に比べて低くなる。このため、加熱エレメントから離れた領域に存在する吸蔵材には、加熱エレメントの熱が伝わりにくくなる。その結果、容器内においてアンモニアの放出ムラが生じ、アンモニアの放出効率が低下する。

本発明の目的は、アンモニアの放出効率を向上させることができるアンモニア貯蔵タンクを提供することである。

本発明は、エンジンの排気系に接続され、アンモニアを吸蔵する吸蔵材を有するアンモニア貯蔵タンクにおいて、吸蔵材を保持する断面網状構造の吸蔵材保持基材と、吸蔵材保持基材の内側に配置され、吸蔵材保持基材を内側から加熱する第１ヒータと、吸蔵材保持基材の外側に配置され、吸蔵材保持基材を外側から加熱する第２ヒータとを備えることを特徴とするものである。

このような本発明のアンモニア貯蔵タンクにおいては、第１ヒータ及び第２ヒータにより吸蔵材保持基材が加熱されると、吸蔵材保持基材に保持された吸蔵材からアンモニアが放出されるようになる。ここで、吸蔵材保持基材の内側に第１ヒータを配置し、吸蔵材保持基材の外側に第２ヒータを配置して、吸蔵材保持基材の内外両側から吸蔵材保持基材を加熱することにより、吸蔵材保持基材の温度分布の均一性が高くなる。また、吸蔵材保持基材を断面網状構造とすることにより、第１ヒータ及び第２ヒータで発生した熱が吸蔵材保持基材全体に伝わりやすくなるため、吸蔵材保持基材の温度分布の均一性が更に高くなる。これにより、吸蔵材保持基材に保持された各吸蔵材が均一に加熱されるようになるため、アンモニアの放出効率を向上させることができる。

好ましくは、吸蔵材は、吸蔵材保持基材の表面に担持されているか、吸蔵材保持基材に含有されており、吸蔵材保持基材の網目は、アンモニアが通るアンモニア通路を形成している。例えば吸蔵材保持基材を形成する薄膜の表面に吸蔵材を担持したり、吸蔵材保持基材を形成する厚壁に吸蔵材を含有させることで、吸蔵材を吸蔵材保持基材に保持させる。その状態で、吸蔵材保持基材を形成する薄膜間や厚壁間にアンモニア通路となる空間を形成することにより、アンモニア通路が吸蔵材保持基材に全体的に形成されるようになる。これにより、アンモニアの放出効率を一層向上させることができる。

また、好ましくは、第２ヒータの外側に配置された真空断熱部材を更に備える。この場合には、第１ヒータ及び第２ヒータで発生した熱がアンモニア貯蔵タンクから逃げることが抑制されるため、アンモニア貯蔵タンクの保温性が向上する。これにより、吸蔵材保持基材が長時間にわたって温まった状態に保持されるため、アンモニアの放出効率を一層向上させることができる。

さらに、好ましくは、吸蔵材保持基材は、金属からなっている。金属の熱伝導率は高いので、第１ヒータ及び第２ヒータにより吸蔵材保持基材を加熱すると、金属製の吸蔵材保持基材は急速に均一に温まるようになる。従って、アンモニアを急速に放出させることができる。

また、吸蔵材保持基材は、セラミックからなっていても良い。セラミックは、温まりにくいが、冷めにくいという性質を持っている。このため、第１ヒータ及び第２ヒータにより吸蔵材保持基材を加熱すると、セラミック製の吸蔵材保持基材は長時間にわたって均一に温まった状態に保持されるようになる。従って、アンモニアの放出量を安定させることができる。

また、好ましくは、吸蔵材保持基材は、上下に２つ配置されており、上下２つの吸蔵材保持基材の一方は、金属からなり、上下２つの吸蔵材保持基材の他方は、セラミックからなっている。この場合には、第１ヒータ及び第２ヒータにより上下２つの吸蔵材保持基材を加熱すると、金属製の吸蔵材保持基材は急速に均一に温まるようになり、セラミック製の吸蔵材保持基材は長時間にわたって均一に温まった状態に保持されるようになる。従って、アンモニアを急速に放出させることができると共に、アンモニアの放出量を安定させることができる。

本発明のアンモニア貯蔵タンクによれば、アンモニアの放出効率を向上させることができる。

本発明に係わるアンモニア貯蔵タンクの一実施形態を備えた排気ガス浄化装置を示す概略構成図である。図１に示したアンモニア貯蔵タンクの一部断面を含む斜視図である。図２に示したアンモニア貯蔵タンクの断面図及び平面図である。図２に示した吸蔵材担持基材の斜視図及び平面図である。図４に示した吸蔵材担持基材の変形例を示す斜視図及び平面図である。本発明に係わるアンモニア貯蔵タンクの他の実施形態を示す断面図である。

以下、本発明に係わるアンモニア貯蔵タンクの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係わるアンモニア貯蔵タンクの一実施形態を備えた排気ガス浄化装置を示す概略構成図である。同図において、排気ガス浄化装置１は、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）２の排気系に設けられ、エンジン２から排出された排気ガス中に含まれる有害物質（環境汚染物質）を浄化する装置である。

排気ガス浄化装置１は、エンジン２と接続された排気管３の途中に上流側から下流側に向けて順に配置された酸化触媒４、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）５、選択還元触媒（ＳＣＲ）６及びアンモニアスリップ防止触媒（ＡＳＣ）７を備えている。

酸化触媒４は、排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯ等を酸化して浄化する触媒である。ＤＰＦ５は、排気ガス中に含まれるＰＭを捕集して取り除くフィルタである。ＳＣＲ６は、還元剤であるアンモニア（ＮＨ_３）と排気ガス中に含まれるＮＯｘとを化学反応させることで、ＮＯｘを還元して浄化する触媒である。ＡＳＣ７は、ＳＣＲ６をすり抜けて下流側に流れたＮＨ_３を酸化する触媒である。

また、排気ガス浄化装置１は、排気管３内におけるＤＰＦ５とＳＣＲ６との間にＮＨ_３を添加するインジェクタ８と、このインジェクタ８と供給管９を介して接続されたアンモニア貯蔵タンク１０とを備えている。供給管９には、バルブ１１が設けられている。

アンモニア貯蔵タンク１０は、ＮＨ_３を吸蔵（物理吸着）する吸蔵材を有し、ＮＨ_３を貯蔵するタンクである。吸蔵材としては、ＭｇＣｌ_２、ＳｒＣｌ_２、ＣａＣｌ_２等が用いられる。吸蔵材の粒径は、例えば１〜１５μｍ程度である。

アンモニア貯蔵タンク１０は、図２及び図３に示すように、吸蔵材（図示せず）を担持する吸蔵材担持基材１２と、この吸蔵材担持基材１２の内側に配置され、吸蔵材担持基材１２を内側から加熱する内側シースヒータ１３と、吸蔵材担持基材１２の外側に配置され、吸蔵材担持基材１２を外側から加熱する外側シースヒータ１４とを有している。

吸蔵材担持基材１２は、図４にも示すように、断面網状（ここでは断面格子状）に形成された薄膜からなる基材である。つまり、吸蔵材担持基材１２の隙間（網目）形状は、方形状となっている。吸蔵材担持基材１２は、全体的に同じ構造を有している。また、吸蔵材担持基材１２は、金属で形成されている。吸蔵材担持基材１２の金属材料としては、例えばステンレス箔を含むものが使用される。

吸蔵材担持基材１２には、吸蔵材がスラリー状態または粉末状態で担持されている。具体的には、吸蔵材は、吸蔵材担持基材１２を構成する薄膜の表面全体に均一に付着されている。このとき、吸蔵材担持基材１２を構成する薄膜間には空間が存在するため、アンモニアが通るＮＨ_３通路が吸蔵材保持基材１２に全体的に形成されている。従って、全ての吸蔵材をＮＨ_３の吸蔵に使用することが可能となる。

このような断面網状構造の吸蔵材担持基材１２に吸蔵材が均一に担持されているため、アンモニア貯蔵タンク１０内におけるＮＨ_３の吸蔵量を増やすことができると共に、アンモニア貯蔵タンク１０内にＮＨ_３を均一に吸蔵することができる。

外側シースヒータ１４は、吸蔵材担持基材１２の外側に配置された筒状部材１５に数ｍｍ間隔で巻かれている。外側シースヒータ１４の外側には、アンモニア貯蔵タンク１０内の熱を逃がさないようにするための円筒状の真空断熱部材１６が配置されている。真空断熱部材１６を設けることにより、アンモニア貯蔵タンク１０内の保温性が高くなり、アンモニア貯蔵タンク１０内が冷めにくくなる。

以上のような排気ガス浄化装置１において、インジェクタ８より排気管３内におけるＳＣＲ６の上流側にＮＨ_３を添加するときは、内側シースヒータ１３及び外側シースヒータ１４によりアンモニア貯蔵タンク１０内を加熱する。すると、吸蔵材担持基材１２の温度が上昇し、吸蔵材担持基材１２に担持された吸蔵材からＮＨ_３が放出される。そして、そのＮＨ_３が供給管９を通ってインジェクタ８に供給され、インジェクタ８からＮＨ_３が添加される。

このとき、内側シースヒータ１３及び外側シースヒータ１４によって吸蔵材担持基材１２の内外両側から吸蔵材担持基材１２が加熱されるため、吸蔵材担持基材１２の内側領域及び外側領域が均一に温まるようになる。これにより、吸蔵材担持基材１２の温度分布の均一性が高くなるため、吸蔵材保持基材１２におけるＮＨ_３の放出ムラが抑えられ、結果的にＮＨ_３の放出効率を向上させることができる。

また、吸蔵材担持基材１２は熱伝導性が高い金属で形成されているため、吸蔵材担持基材１２が直ぐに均一に温まるようになる。従って、ＮＨ_３を急速に放出させることができる。

さらに、真空断熱部材１６によってアンモニア貯蔵タンク１０内の保温性が向上し、吸蔵材保持基材１２が長い時間にわたって温まるようになるため、内側シースヒータ１３及び外側シースヒータ１４を必要以上に作動させ続けなくて済む。従って、消費電力を低減することができる。

なお、上記実施形態において、吸蔵材担持基材１２を、例えばコージェライトやＳｉＣ等のセラミックからなる薄膜の基材としても良い。セラミックは、一旦温まれば冷めにくい。このため、ＮＨ_３を継続的に放出させる場合には、内側シースヒータ１３及び外側シースヒータ１４の通電を適宜ＯＦＦすることが可能となり、消費電力を低減する上で更に有利である。

図５は、図４に示した吸蔵材担持基材１２の変形例を示す図である。図５において、本変形例の吸蔵材担持基材１２は、断面網状（ここでは断面格子状）に形成された厚壁からなる基材である。つまり、吸蔵材担持基材の隙間（網目）形状は、方形状となっている。吸蔵材担持基材１２は、全体的に同じ構造を有している。

吸蔵材担持基材１２は、例えばコージェライトやＳｉＣ等からなり、複数の細孔を有するセラミックで形成されている。吸蔵材担持基材１２には、ＮＨ_３を吸蔵する吸蔵材（図示せず）が含有されている。具体的には、吸蔵材は、吸蔵材担持基材１２を構成する厚壁の中に全体的に形成された多くの細孔に埋め込まれている。つまり、吸蔵材は、吸蔵材担持基材１２を構成する厚壁に内蔵されている。

図６は、本発明に係わるアンモニア貯蔵タンクの他の実施形態を示す断面図である。同図において、本実施形態のアンモニア貯蔵タンク１０は、上下に配置され、吸蔵材を担持する吸蔵材担持基材１２Ａ，１２Ｂと、これらの吸蔵材担持基材１２Ａ，１２Ｂの内側に配置され、吸蔵材担持基材１２Ａ，１２Ｂを内側から一括して加熱する内側シースヒータ１３と、吸蔵材担持基材１２Ａの外側に配置され、吸蔵材担持基材１２Ａを外側から加熱する外側シースヒータ１４Ａと、吸蔵材担持基材１２Ｂの外側に配置され、吸蔵材担持基材１２Ｂを外側から加熱する外側シースヒータ１４Ｂとを有している。上側の吸蔵材担持基材１２Ａは、金属で形成され、下側の吸蔵材担持基材１２Ｂは、セラミックで形成されている。吸蔵材担持基材１２Ａ，１２Ｂは、上述した薄膜からなる基材（図４参照）である。

内側シースヒータ１３及び外側シースヒータ１４Ａ，１４Ｂによりアンモニア貯蔵タンク１０内を加熱するときは、内側シースヒータ１３及び外側シースヒータ１４Ａ，１４Ｂを独立して制御するのが好ましい。このとき、金属製の吸蔵材担持基材１２Ａは、直ちに温まり、セラミック製の吸蔵材担持基材１２Ｂは、温まるのに時間がかかるが冷めにくいという性質を利用して、まず内側シースヒータ１３及び外側シースヒータ１４Ａ，１４Ｂを全てＯＮとした後、外側シースヒータ１４ＡをＯＦＦとし、その後外側シースヒータ１４ＢをＯＦＦとする。そして、必要に応じて、外側シースヒータ１４ＡのＯＮ／ＯＦＦを繰り返し行うようにする。また、内側シースヒータ１３及び外側シースヒータ１４Ａ，１４Ｂを、上記のようにＯＮ／ＯＦＦ制御するだけでなく、ＰＩＤ制御しても良い。

このように金属製の吸蔵材担持基材１２Ａとセラミック製の吸蔵材担持基材１２Ｂとを組み合わせるようにしたので、吸蔵材担持基材１２Ａに担持された吸蔵材からＮＨ_３を急速に放出させることができると共に、吸蔵材担持基材１２Ｂに担持された吸蔵材からのＮＨ_３の放出量を安定させることができる。

なお、金属製の吸蔵材担持基材１２Ａとセラミック製の吸蔵材担持基材１２Ｂとを上下逆に配置しても良い。また、吸蔵材担持基材１２Ａ，１２Ｂは、いずれも上述した厚壁からなる基材（図５参照）であっても良いし、あるいは薄膜からなる基材と厚壁からなる基材とを組み合わせても良い。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、吸蔵材担持基材１２が断面格子状に形成されている、つまり吸蔵材担持基材１２の隙間形状が方形状となっているが、断面網状構造の吸蔵材担持基材の隙間形状としては、六角形状、箔等であっても良い。

また、上記実施形態では、ＮＨ_３を吸蔵する吸蔵材が吸蔵材担持基材１２に担持または含有されているが、特にそれには限られず、例えば断面網状構造の吸蔵材保持基材の隙間に吸蔵材を詰め込んで保持するようにしても良い。また、断面網状構造の吸蔵材保持基材の隙間に保持マットを詰め込んで保持するようにしても良い。

さらに、上記実施形態のアンモニア貯蔵タンク１０は、ＳＣＲ６に添加されるＮＨ_３を貯蔵するものであるが、本発明のアンモニア貯蔵タンクは、化学蓄熱を利用して酸化触媒４やＳＣＲ６を加熱するもの等にも適用可能である。また、本発明のアンモニア貯蔵タンクは、ディーゼルエンジンシステムに限られず、ガソリンエンジンシステムに使用することもできる。

２…ディーゼルエンジン、３…排気管、１０…アンモニア貯蔵タンク、１２，１２Ａ，１２Ｂ…吸蔵材担持基材（吸蔵材保持基材）、１３…内側シースヒータ（第１ヒータ）、１４，１４Ａ，１４Ｂ…外側シースヒータ（第２ヒータ）、１６…真空断熱部材。

Claims

エンジンの排気系に接続され、アンモニアを吸蔵する吸蔵材を有するアンモニア貯蔵タンクにおいて、
前記吸蔵材を保持する断面網状構造の吸蔵材保持基材と、
前記吸蔵材保持基材の内側に配置され、前記吸蔵材保持基材を内側から加熱する第１ヒータと、
前記吸蔵材保持基材の外側に配置され、前記吸蔵材保持基材を外側から加熱する第２ヒータとを備えることを特徴とするアンモニア貯蔵タンク。
前記吸蔵材は、前記吸蔵材保持基材の表面に担持されているか、前記吸蔵材保持基材に含有されており、
前記吸蔵材保持基材の網目は、前記アンモニアが通るアンモニア通路を形成していることを特徴とする請求項１記載のアンモニア貯蔵タンク。
前記第２ヒータの外側に配置された真空断熱部材を更に備えることを特徴とする請求項１または２記載のアンモニア貯蔵タンク。
前記吸蔵材保持基材は、金属からなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のアンモニア貯蔵タンク。
前記吸蔵材保持基材は、セラミックからなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のアンモニア貯蔵タンク。
前記吸蔵材保持基材は、上下に２つ配置されており、
前記上下２つの吸蔵材保持基材の一方は、金属からなり、前記上下２つの吸蔵材保持基材の他方は、セラミックからなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のアンモニア貯蔵タンク。