JP2014152997A - 化学蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力を低減しつつ、加熱対象物を所望の温度まで早期に加熱することができる化学蓄熱装置を提供する。
【解決手段】化学蓄熱装置１０は、ＮＨ_３を高圧状態で貯蔵するＮＨ_３貯蔵器１１と、ＮＨ_３と化学反応して熱を発生させる蓄熱材としてのＭｇＣｌ_２を含んだＭｇＣｌ_２反応器１２と、ＭｇＣｌ_２反応器１２から発生した熱により加熱され、Ｈ_２Ｏを液体状態で貯蔵するＨ_２Ｏ貯蔵器１３と、Ｈ_２Ｏと化学反応して熱を発生させる蓄熱材としてのＣａＯを含んだＣａＯ反応器１４とを備え、酸化触媒４を加熱する装置である。ＭｇＣｌ_２反応器１２は、排気管３の周囲に配置されている。ＮＨ_３貯蔵器１１は、供給管１５を介してＭｇＣｌ_２反応器１２と接続されている。ＣａＯ反応器１４は、酸化触媒４の周囲に配置されている。Ｈ_２Ｏ貯蔵器１３は、供給管１７，１８を介してＣａＯ反応器１４と接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置に関するものである。

従来の化学蓄熱装置としては、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に記載の化学蓄熱装置は、エンジンの排気熱により脱水反応を行って蓄熱すると共に水和反応により放熱する化学蓄熱材が内蔵された反応器と、この反応器内の化学蓄熱材が放出した熱を触媒コンバータ（加熱対象物）に供給するための加熱エアラインと、反応器から放出された水蒸気の吸着及び吸着した水蒸気の脱着が可能な吸着材が内蔵された吸着器と、排気熱回収器により回収された排気熱を吸着器に供給するための排気熱供給ラインとを備えている。外気温が低温環境下で自動車が始動される場合には、排気熱回収器で回収された排気熱が吸着器に導かれることで、吸着器の吸着材から水蒸気が脱着され、その水蒸気が反応器に供給されるため、反応器内の化学蓄熱材から熱が放出され、その熱によって触媒コンバータが加熱される。

特開２００９−２５７２３９号公報

しかしながら、上記従来技術のように排気熱回収器で回収された排気熱を吸着器に供給して、吸着器から水蒸気を発生させる場合には、排気熱が必要な温度まで上昇しないと、吸着器から水蒸気が発生しないため、結果的に加熱対象物の加熱に時間がかかってしまう。また、ヒータ等を利用して吸着器の吸着材を加熱することも考えられるが、この場合には消費電力が高くならざるを得ず、燃費悪化につながる。

本発明の目的は、消費電力を低減しつつ、加熱対象物を所望の温度まで早期に加熱することができる化学蓄熱装置を提供することである。

本発明は、加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置において、ＮＨ_３を貯蔵する第１貯蔵器と、第１貯蔵器と接続され、ＮＨ_３と化学反応して熱を発生させる第１蓄熱材を有する第１反応器と、第１蓄熱材で発生した熱により加熱され、Ｈ_２Ｏを貯蔵する第２貯蔵器と、第２貯蔵器と接続され、Ｈ_２Ｏと化学反応して加熱対象物を加熱するための熱を発生させる第２蓄熱材を有する第２反応器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化学蓄熱装置において、加熱対象物を加熱するときは、まず第１貯蔵器から第１反応器にＮＨ_３を供給し、ＮＨ_３と第１蓄熱材とを化学反応させて熱を発生させる。すると、第１蓄熱材で発生した熱によって第２貯蔵器が加熱され、第２貯蔵器に貯蔵されたＨ_２Ｏの温度及び圧力が上昇する。そして、第２貯蔵器から第２反応器にＨ_２Ｏを供給し、Ｈ_２Ｏと第２蓄熱材とを化学反応させて熱を発生させる。すると、第２蓄熱材で発生した熱によって加熱対象物が加熱されることになる。ここで、第１蓄熱材と化学反応する反応媒体として、第１貯蔵器に高圧状態で貯蔵されるために第１貯蔵器と第１反応器との圧力差により容易に移動可能なＮＨ_３を使用し、そのＮＨ_３と第１蓄熱材との化学反応により生じる熱によって第２貯蔵器を加熱するようにしている。このため、第２貯蔵器を加熱するための電気ヒータ等の外部熱源を必要以上に使わなくて済む。また、Ｈ_２Ｏを気化させるのに圧力差により移動可能なＮＨ_３を使用するため、排ガスが必要な温度まで上昇してない状態でも、第２蓄熱材から熱が発生し、加熱対象物が加熱されるようになる。これにより、消費電力を低減しつつ、加熱対象物を所望の温度まで早期に加熱することができる。

好ましくは、加熱対象物は、エンジンの排気系に設けられており、第２反応器は、加熱対象物の周囲に配置されている。エンジンの排気系に設けられた加熱対象物が触媒である場合には、加熱対象物を通る排ガスが低温状態でも、排気浄化を実施することができる。また、加熱対象物を通る排ガスが高温状態になると、排ガスの熱（排熱）が第２反応器に与えられるため、Ｈ_２Ｏと第２蓄熱材とが分離し、Ｈ_２Ｏが第２貯蔵器に回収されるようになる。

このとき、好ましくは、第１反応器は、エンジンと接続された排気管の周囲に配置されている。この場合には、排気管を通る排ガスが高温状態になると、排ガスの熱（排熱）が第１反応器に与えられるため、ＮＨ_３と第１蓄熱材とが分離し、ＮＨ_３が第１貯蔵器に回収されるようになる。

また、第１反応器は、第２反応器の外側に配置されていても良い。この場合には、第２蓄熱材で発生した熱によって、加熱対象物が加熱されるだけでなく、第１反応器も加熱されることになる。このため、ＮＨ_３と第１蓄熱材とが分離し、ＮＨ_３が第１貯蔵器に回収されるようになる。

さらに、第１反応器は、エンジンの排気系に設けられた他の加熱対象物の周囲に配置されていても良い。この場合には、第１蓄熱材で発生した熱によって、第２貯蔵器が加熱されるだけでなく、エンジンの排気系に設けられた他の加熱対象物も加熱されることになる。また、当該他の加熱対象物を通る排ガスが高温状態になると、排ガスの熱（排熱）が第１反応器に与えられるため、ＮＨ_３と第１蓄熱材とが分離し、ＮＨ_３が第１貯蔵器に回収されるようになる。

本発明によれば、消費電力を低減し、燃費悪化を抑制することができると共に、加熱対象物を所望の温度まで早期に加熱することができる。

本発明に係る化学蓄熱装置の一実施形態の一部を備えた排気浄化システムを示す概略構成図である。 本発明に係る化学蓄熱装置の一実施形態を示す概略構成図である。 図２に示した化学蓄熱装置における熱の流れを示す概念図である。 本発明に係る化学蓄熱装置の他の実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る化学蓄熱装置の更に他の実施形態を示す概略構成図である。

以下、本発明に係る化学蓄熱装置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、本発明に係る化学蓄熱装置の一実施形態の一部を備えた排気浄化システムを示す概略構成図である。同図において、排気浄化システム１は、車両のディーゼルエンジン２（以下、単にエンジン２という）の排気系に設けられ、エンジン２から排出される排ガス中に含まれる有害物質（環境汚染物質）を浄化するシステムである。

排気浄化システム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設けられた酸化触媒（ＤＯＣ）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及び酸化触媒（ＡＳＣ）７を備えている。

酸化触媒４は、排ガス中に含まれる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、尿素やアンモニアを供給して、排ガス中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する触媒である。酸化触媒７は、ＳＣＲ６の下流側に流れたＮＨ_３を酸化する触媒である。

ところで、酸化触媒４等の触媒には、環境汚染物質の浄化能力を発揮させる温度領域（活性温度）が存在する。従って、エンジン２の始動直後のような排ガスの温度が低いときは、酸化触媒４の温度を活性温度にするために、酸化触媒４を加熱する必要がある。

そこで、排気浄化システム１は、本実施形態の化学蓄熱装置１０を備えている。化学蓄熱装置１０は、エネルギーレスで酸化触媒４を加熱するものである。つまり、化学蓄熱装置１０は、通常は排ガスの熱（排熱）を蓄えておき、必要なときに熱を使用するというものである。

化学蓄熱装置１０は、２段式となっている。具体的には、化学蓄熱装置１０は、１段目のＮＨ_３貯蔵器（第１貯蔵器）１１及びＭｇＣｌ_２反応器（第１反応器）１２と、２段目のＨ_２Ｏ貯蔵器（第２貯蔵器）１３及びＣａＯ反応器（第２反応器）１４とを備えている。

ＮＨ_３貯蔵器１１は、ＮＨ_３（アンモニア）を高圧状態で貯蔵する。ＭｇＣｌ_２反応器１２は、ＮＨ_３と化学反応して熱を発生させる蓄熱材（第１蓄熱材）としてのＭｇＣｌ_２を含んでいる。Ｈ_２Ｏ貯蔵器１３は、Ｈ_２Ｏを液体状態で貯蔵し、ＭｇＣｌ_２反応器１２の蓄熱材から発生した熱により加熱される。ＣａＯ反応器１４は、Ｈ_２Ｏと化学反応して熱を発生させる蓄熱材（第２蓄熱材）としてのＣａＯを含んでいる。

図２に示すように、ＭｇＣｌ_２反応器１２は、円筒状に形成され、排気管３の周囲全周にわたって排気管３と接触または近接するように配置されていることが好ましい。なお、ＭｇＣｌ_２反応器１２の配置箇所は、図示の通り酸化触媒４の下流側に位置する排気管３の周囲でも良いし、酸化触媒４の上流側に位置する排気管３の周囲でも良い。ＮＨ_３貯蔵器１１は、供給管１５を介してＭｇＣｌ_２反応器１２と接続されている。供給管１５には、開閉弁１６が設けられている。

ＣａＯ反応器１４は、円筒状に形成され、酸化触媒４の周囲全周にわたって接触または近接するように配置されていることが好ましい。Ｈ_２Ｏ貯蔵器１３は、ＭｇＣｌ_２反応器１２に接触または近接するように配置されている。Ｈ_２Ｏ貯蔵器１３は、供給管１７，１８を介してＣａＯ反応器１４と接続されている。供給管１７には、開閉弁１９が設けられている。

供給管１８には、ＣａＯ反応器１４の蓄熱材であるＣａＯと分離された気体状態のＨ_２Ｏ（水蒸気）を冷却・圧縮して液化する凝縮器２０と、この凝縮器２０により得られた液体状態のＨ_２Ｏ（水）を一時的に溜めておくバッファタンク２１とが設けられている。供給管１８におけるＨ_２Ｏ貯蔵器１３とバッファタンク２１との間には、開閉弁２２が設けられている。

このような化学蓄熱装置１０を備えた排気浄化システム１において、エンジン２の始動直後のようにエンジン２からの排ガスの温度が低いときは、開閉弁１６を開くことで、ＮＨ_３貯蔵器１１に常温（例えば２５℃）で且つ高圧状態（例えば３〜８気圧）で貯蔵されたＮＨ_３が供給管１５を通ってＭｇＣｌ_２反応器１２に供給される。すると、ＭｇＣｌ_２反応器１２に含まれるＭｇＣｌ_２とＮＨ_３とが化学反応して化学吸着（配位結合）し、ＭｇＣｌ_２反応器１２で熱が発生する。例えば、ＭｇＣｌ_２にＮＨ_３が２分子吸着した状態と６分子吸着した状態の違いを利用することとした場合、１５０℃程度の熱が発生する。つまり、下記の反応式（Ａ）における左辺から右辺への反応（発熱反応）が起こる。
ＭｇＣｌ_２（ＮＨ_３）_２＋４ＮＨ_３ ⇔ Ｍｇ（ＮＨ_３）_６Ｃｌ_２＋熱 …（Ａ）

ＭｇＣｌ_２反応器１２で発生した熱は、図３に示すように、Ｈ_２Ｏ貯蔵器１３に伝えられる。このため、Ｈ_２Ｏ貯蔵器１３が加熱され、Ｈ_２Ｏ貯蔵器１３に貯蔵されたＨ_２Ｏの温度が例えば１００℃程度の気体状態となり、Ｈ_２Ｏの圧力が上昇する。

その状態で、開閉弁１９を開くことで、Ｈ_２Ｏ貯蔵器１３に貯蔵されたＨ_２Ｏが供給管１７を通ってＣａＯ反応器１４に供給される。すると、ＣａＯ反応器１４に含まれるＣａＯとＨ_２Ｏとが化学反応して化学吸着し、ＣａＯ反応器１４から例えば４３０℃程度の熱が発生する。つまり、下記の反応式（Ｂ）における左辺から右辺への反応（発熱反応）が起こる。そして、ＣａＯ反応器１４で発生した熱が酸化触媒４に伝わり（図３参照）、酸化触媒４が活性温度まで加熱されるようになる。なお、開閉弁１９は、Ｈ_２Ｏ貯蔵器１３からＣａＯ反応器１４へＨ_２Ｏの供給が完了した後に閉じられる。
ＣａＯ＋Ｈ_２Ｏ ⇔ Ｃａ（ＯＨ）_２＋熱 …（Ｂ）

一方、エンジン２からの排ガスの温度が高くなると、排ガスの熱（排熱）が酸化触媒４からＣａＯ反応器１４に与えられる（図３参照）ことで、ＣａＯとＨ_２Ｏとが分離する。つまり、上記の反応式（Ｂ）における右辺から左辺への反応（再生反応）が起こる。すると、ＣａＯから分離した気体状態のＨ_２Ｏが凝縮器２０によって液化され、その液体状態のＨ_２Ｏがバッファタンク２１に溜められる。そして、開閉弁２２を開くことで、液体状態のＨ_２Ｏが供給管１８を通ってＨ_２Ｏ貯蔵器１３に戻る（回収される）ようになる。液体状態のＨ_２Ｏの回収が完了したら、開閉弁２２を閉じることで、Ｈ_２Ｏ貯蔵器１３にＨ_２Ｏを貯蔵することができる。

また、排熱が排気管３からＭｇＣｌ_２反応器１２にも与えられることで、ＭｇＣｌ_２とＮＨ_３とが分離する。つまり、上記の反応式（Ａ）における右辺から左辺への反応（再生反応）が起こる。このとき、ＭｇＣｌ_２反応器１２の圧力が高くなるため、開閉弁１６を開いた状態を維持することで、ＭｇＣｌ_２から分離したＮＨ_３が供給管１５を通ってＮＨ_３貯蔵器１１に戻る（回収される）ようになる。ＭｇＣｌ_２から分離したＮＨ_３が供給管１５を通ってＮＨ_３貯蔵器１１に回収された状態で開閉弁１６を閉じることで、ＮＨ_３貯蔵器１１に高圧状態のＮＨ_３を貯蔵することができる。

以上のように本実施形態にあっては、ＮＨ_３を貯蔵するＮＨ_３貯蔵器１１と、ＮＨ_３と化学反応するＭｇＣｌ_２を含むＭｇＣｌ_２反応器１２と、Ｈ_２Ｏを貯蔵するＨ_２Ｏ貯蔵器１３と、Ｈ_２Ｏと化学反応するＣａＯを含むＣａＯ反応器１４とを設け、ＭｇＣｌ_２反応器１２で発生した熱を利用してＨ_２Ｏ貯蔵器１３に貯蔵されたＨ_２Ｏを昇温し、そのＨ_２ＯをＣａＯ反応器１４に供給して、ＣａＯ反応器１４から熱を発生させて酸化触媒４を加熱する。このため、通常環境下では、Ｈ_２Ｏ貯蔵器１３を加熱するための電気ヒータ等の外部熱源が不要となる。また、Ｈ_２Ｏ貯蔵器１３に貯蔵されたＨ_２Ｏを気化させるのに圧力差により移動可能なＮＨ_３を使用するため、排ガスの温度が上昇していない状態であっても、酸化触媒４を加熱することができる。これにより、消費電力（消費エネルギー）を低減しつつ、酸化触媒４を活性温度まで早期に加熱することができる。その結果、燃費ロスの増大を抑制しつつ、酸化触媒４による環境汚染物質の浄化を促進させることが可能となる。

図４は、本発明に係る化学蓄熱装置の他の実施形態を示す概略構成図である。同図において、本実施形態の化学蓄熱装置１０では、ＭｇＣｌ_２反応器１２は、ＣａＯ反応器１４の外側つまりＣａＯ反応器１４に対して酸化触媒４の反対側に、ＣａＯ反応器１４に接触または近接するように配置されている。従って、ＭｇＣｌ_２反応器１２は、ＣａＯ反応器１４とＨ_２Ｏ貯蔵器１３との間に配置されていることとなる。その他の構成については、上記実施形態と同様である。

このような本実施形態において、エンジン２からの排ガスの温度が低いときは、上述したように、ＮＨ_３貯蔵器１１からＭｇＣｌ_２反応器１２にＮＨ_３が供給され、ＭｇＣｌ_２とＮＨ_３との化学反応によりＭｇＣｌ_２反応器１２から熱が発生する。そして、その熱がＨ_２Ｏ貯蔵器１３に伝えられて加熱されることで、Ｈ_２Ｏ貯蔵器１３からＣａＯ反応器１４にＨ_２Ｏが供給され、ＣａＯとＨ_２Ｏとの化学反応によりＣａＯ反応器１４から熱が発生する。

このとき、ＣａＯ反応器１４で発生した熱によって酸化触媒４が加熱されると同時に、ＣａＯ反応器１４で発生した熱がＭｇＣｌ_２反応器１２に与えられる。このため、上述したように、ＭｇＣｌ_２とＮＨ_３とが分離するため、開閉弁１６を開くことで、ＭｇＣｌ_２から分離したＮＨ_３が供給管１５を通ってＮＨ_３貯蔵器１１に戻る（回収される）ようになる。

本実施形態においても、ＮＨ_３貯蔵器１１及びＭｇＣｌ_２反応器１２を設けることにより、上記実施形態と同様に、消費電力を低減しつつ、酸化触媒４を活性温度まで早期に加熱することができる。

図５は、本発明に係る化学蓄熱装置の更に他の実施形態を示す概略構成図である。同図において、本実施形態の化学蓄熱装置１０では、ＭｇＣｌ_２反応器１２は、選択還元触媒６の周囲に選択還元触媒６と接触または近接するように配置されている。従って、ＭｇＣｌ_２反応器１２は、選択還元触媒６とＨ_２Ｏ貯蔵器１３との間に配置されていることとなる。その他の構成については、上記実施形態と同様である。

このような本実施形態において、エンジン２からの排ガスの温度が低いときは、上述したように、ＮＨ_３貯蔵器１１からＭｇＣｌ_２反応器１２にＮＨ_３が供給され、ＭｇＣｌ_２とＮＨ_３との化学反応によりＭｇＣｌ_２反応器１２から熱が発生する。そして、その熱がＨ_２Ｏ貯蔵器１３に伝えられて加熱されることで、Ｈ_２Ｏ貯蔵器１３からＣａＯ反応器１４にＨ_２Ｏが供給され、ＣａＯとＨ_２Ｏとの化学反応によりＣａＯ反応器１４から熱が発生する。

このとき、上記のようにＭｇＣｌ_２反応器１２で発生した熱によってＨ_２Ｏ貯蔵器１３が加熱されると同時に、ＭｇＣｌ_２反応器１２で発生した熱が選択還元触媒６に伝わり、選択還元触媒６が加熱されるようになる。

また、エンジン２からの排ガスの温度が高いときは、排熱が選択還元触媒６からＭｇＣｌ_２反応器１２に与えられることで、ＭｇＣｌ_２とＮＨ_３とが分離するため、開閉弁１６を開くことで、ＭｇＣｌ_２から分離したＮＨ_３が供給管１５を通ってＮＨ_３貯蔵器１１に戻る（回収される）ようになる。

本実施形態においても、ＮＨ_３貯蔵器１１及びＭｇＣｌ_２反応器１２を設けることにより、上記実施形態と同様に、消費電力を低減しつつ、酸化触媒４を活性温度まで早期に加熱することができる。また、本実施形態では、ＭｇＣｌ_２反応器１２で発生した熱をＨ_２Ｏ貯蔵器１３の加熱だけでなく選択還元触媒６の加熱にも利用するため、排ガスの温度が低いときでも、選択還元触媒６による環境汚染物質の浄化を促進させることができる。

なお、本実施形態では、ＭｇＣｌ_２反応器１２が選択還元触媒６の周囲に配置されているが、ＭｇＣｌ_２反応器１２を酸化触媒７等といった他の触媒の周囲に配置しても良い。

以上、本発明に係る化学蓄熱装置の好適な実施形態について説明してきたが、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、ＮＨ_３と化学反応する蓄熱材としてのＭｇＣｌ_２を含んだＭｇＣｌ_２反応器１２を使用したが、ＮＨ_３と化学反応する蓄熱材を含んだ反応器としては、特にそれには限られず、ＣａＣｌ_２、ＮｉＣｌ_２、ＺｎＣｌ_２、ＳｒＣｌ_２等の蓄熱材を含んだものを使用しても良い。また、Ｈ_２Ｏと化学反応する蓄熱材としてのＣａＯを含んだＣａＯ反応器１４を使用したが、Ｈ_２Ｏと化学反応する蓄熱材を含んだ反応器としては、特にそれには限られず、ＭｇＯ、ＭｎＯ、ＣｕＯ、Ａｌ_２Ｏ_３等の蓄熱材を含んだものを使用しても良い。

また、上記実施形態は、ディーゼルエンジン２の排気系に設けられた触媒を加熱するものであるが、本発明の化学蓄熱装置は、ガソリンエンジンの排気系に設けられた触媒、或いはディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンの排気系に設けられた触媒以外の加熱対象物、例えば選択還元触媒の上流側において尿素水を加水分解するための拡散板等を加熱するものにも適用可能である。また、本発明の化学蓄熱装置は、そのようなエンジンの排気系以外の加熱対象物を加熱するものにも適用可能である。

２…ディーゼルエンジン、３…排気管（排気系）、４…酸化触媒（加熱対象物）、６…選択還元触媒（加熱対象物）、１０…化学蓄熱装置、１１…ＮＨ_３貯蔵器（第１貯蔵器）、１２…ＭｇＣｌ_２反応器（第１反応器）、１３…Ｈ_２Ｏ貯蔵器（第２貯蔵器）、１４…ＣａＯ反応器（第２反応器）。

Claims (5)

1. 加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置において、
   ＮＨ_３を貯蔵する第１貯蔵器と、
   前記第１貯蔵器と接続され、前記ＮＨ_３と化学反応して熱を発生させる第１蓄熱材を有する第１反応器と、
   前記第１蓄熱材で発生した熱により加熱され、Ｈ_２Ｏを貯蔵する第２貯蔵器と、
   前記第２貯蔵器と接続され、前記Ｈ_２Ｏと化学反応して前記加熱対象物を加熱するための熱を発生させる第２蓄熱材を有する第２反応器とを備えることを特徴とする化学蓄熱装置。
2. 前記加熱対象物は、エンジンの排気系に設けられており、
   前記第２反応器は、前記加熱対象物の周囲に配置されていることを特徴とする請求項１記載の化学蓄熱装置。
3. 前記第１反応器は、前記エンジンと接続された排気管の周囲に配置されていることを特徴とする請求項２記載の化学蓄熱装置。
4. 前記第１反応器は、前記第２反応器の外側に配置されていることを特徴とする請求項２記載の化学蓄熱装置。
5. 前記第１反応器は、前記エンジンの排気系に設けられた他の加熱対象物の周囲に配置されていることを特徴とする請求項２記載の化学蓄熱装置。
   

Images