JP2016035339A - 化学蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着器の体格を増大させること無く、吸着材の温度変化を抑えることができる化学蓄熱装置を提供する。【解決手段】化学蓄熱装置は、ＮＨ３との化学反応により発熱すると共に蓄熱によりＮＨ３を脱離する反応材を有する反応器と接続される吸着器１３と、この吸着材構造体１６を収容する容器１７とを備えている。吸着器１３は、ＮＨ３を吸着及び脱離する吸着材構造体１６を有している。吸着材構造体１６には、ＮＨ３を流通させる複数のＮＨ３流路１８が吸着材構造体１６の前端面１６ａから後端面１６ｂに向かって延びるように設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、化学蓄熱装置に関する。

従来の化学蓄熱装置としては、例えば特許文献１に記載されている装置が知られている。特許文献１に記載の化学蓄熱装置は、アンモニア（ＮＨ_３）と化学反応する反応材を含む反応器と、この反応器と管路を介して接続され、アンモニアを物理吸着する吸着材を含むアンモニア貯蔵器とを備えている。アンモニア貯蔵器には、複数の熱交換フィンが設けられている。

特開２０１３−２４２０５３号公報

吸着材にアンモニアが吸着する際には吸着材が発熱し、吸着材からアンモニアが脱離する際には吸着材が吸熱する。吸着材の温度が変化すると、吸着材の吸着特性が変化する。上記従来技術においては、熱交換フィンにより吸着材と外気との間で熱交換を行うことで、吸着材の温度変化を最小限に抑えている。しかし、アンモニア貯蔵器（吸着器）には複数の熱交換フィンが設けられているので、吸着器の体格が大きくなってしまう。

本発明の目的は、吸着器の体格を増大させること無く、吸着材の温度変化を抑え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、反応器と、反応器と接続される吸着器とを備えた化学蓄熱装置において、反応器は、反応媒体との化学反応により発熱すると共に蓄熱により反応媒体を脱離する反応材を有し、吸着器は、反応媒体を吸着及び脱離する吸着材構造体と、吸着材構造体を収容する容器とを有し、吸着材構造体には、反応媒体を流通させる複数の反応媒体流路が吸着材構造体の一方の端面から他方の端面に向かって延びるように設けられていることを特徴とする。

このような本発明の化学蓄熱装置においては、反応媒体を流通させる複数の反応媒体流路を吸着材構造体の一方の端面から他方の端面に向かって延びるように吸着材構造体に設けることにより、反応媒体流路を流れる反応媒体と吸着材構造体との接触面積が大きくなる。このため、吸着材構造体に反応媒体が吸着する際、及び吸着材構造体から反応媒体が脱離する際に、反応媒体と吸着材構造体とが熱交換されやすくなり、吸着材構造体の温度が反応媒体の温度に近づく。従って、吸着材構造体と外気とを熱交換するフィン等が不要となる。これにより、吸着器の体格を増大させること無く、吸着材構造体の温度変化を抑えることができる。

反応媒体流路は、吸着材構造体において一方の端面と他方の端面との対向方向に垂直な二次元方向に配列されていてもよい。この場合には、反応媒体流路を流れる反応媒体と吸着材構造体との接触面積を確実に大きくすることができる。

容器は、一方の端面側に位置する第１壁部と、他方の端面側に位置する第２壁部とを有し、第１壁部には、反応器と吸着器との間で反応媒体を供給する供給管が接続されており、容器内における第１壁部と吸着材構造体との間には、複数の反応媒体流路と連通する第１流通部が設けられていてもよい。この場合には、反応媒体が第１流通部を通って供給管と各反応媒体流路との間を流れる。

容器内における第２壁部と吸着材構造体との間には、複数の反応媒体流路と連通する第２流通部が設けられていてもよい。この場合には、反応媒体流路を流れる反応媒体が第２流通部を通って他の反応媒体流路に回り込む。

本発明によれば、吸着器の体格を増大させること無く、吸着材の温度変化を抑えることができる。

化学蓄熱装置の一実施形態を備えた排気浄化システムを示す概略構成図である。 図１に示された吸着器の断面図である。 図２に示された吸着材構造体の斜視図である。 比較例として、従来の吸着器の一例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、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、化学蓄熱装置の一実施形態を備えた排気浄化システムを示す概略構成図である。図１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から排出される排気ガスに含まれる有害物質（環境汚染物質）を浄化する。

排気浄化システム１は、熱交換器３、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ：DieselOxidation Catalyst）４、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）５、選択還元触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）６及びアンモニアスリップ触媒（ＡＳＣ：Ammonia Slip Catalyst）７とを備えている。熱交換器３、ＤＯＣ４、ＤＰＦ５、ＳＣＲ６及びＡＳＣ７は、エンジン２と接続された排気通路８の途中に、上流側から下流側に向けて順に配置されている。

熱交換器３は、排気ガスと後述する反応器１１との間で熱交換を行う。ＤＯＣ４は、排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯ等を酸化して浄化する。ＤＰＦ５は、排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集し、排気ガスからＰＭを取り除く。ＳＣＲ６は、尿素またはアンモニア（ＮＨ_３）によって、排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する。ＡＳＣ７は、ＳＣＲ６を通過したＮＨ_３を酸化する。

また、排気浄化システム１は、電力等の外部エネルギーを必要とすること無く、熱交換器３を加熱する化学蓄熱装置１０を備えている。化学蓄熱装置１０は、通常は排気ガスの熱（排熱）を蓄えておき、必要なときに蓄えた熱を使用して熱交換器３を加熱する。

化学蓄熱装置１０は、熱交換器３の周囲に配置された反応器１１と、この反応器１１とＮＨ_３供給管１２を介して接続された吸着器１３とを備えている。ＮＨ_３供給管１２は、反応器１１と吸着器１３との間で反応媒体であるＮＨ_３を供給する。ＮＨ_３供給管１２には、開閉弁１４が設けられている。

反応器１１は、ＮＨ_３との化学反応により発熱すると共に排熱の蓄熱によりＮＨ_３を脱離する反応材１５を有している。反応材１５としては、組成式ＭＸａで表されるハロゲン化物が用いられる。Ｍは、Ｍｇ、ＣａまたはＳｒ等のアルカリ土類金属、若しくはＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎ等の遷移金属である。Ｘは、Ｃｌ、ＢｒまたはＩ等である。ａは、Ｍの価数により特定される数であり、２〜３である。

組成式ＭＸａで表されるハロゲン化物には、カーボンファイバ、ＳｉＣビーズ、カーボンビーズ、Ｓｉビーズまたはアルミナビーズ等の高熱伝導添加剤が混合されていてもよい。また、反応材１５は、グラファイトシートまたはステンレス鋼シート等の高熱伝導シートを含んでいてもよい。

図２は、吸着器１３の断面図である。図２において、吸着器１３は、吸着材構造体１６と、この吸着材構造体１６を収容する容器１７とを有している。容器１７には、上記のＮＨ_３供給管１２の一端部が固定されている。なお、本実施形態では、便宜上、吸着器１３においてＮＨ_３供給管１２が固定される側を前側とする。

吸着材構造体１６は、図３に示されるように、直方体形状を呈している。吸着材構造体１６は、ＮＨ_３を物理吸着及び脱離する吸着材から構成される。吸着材としては、活性炭、カーボンブラック、メソポーラスカーボン、ナノカーボンまたはゼオライト等が用いられる。吸着器１３は、ＮＨ_３を吸着材構造体１６に物理吸着させることで、ＮＨ_３を貯蔵する。

１つの吸着材構造体１６には、ＮＨ_３を流通させる複数のＮＨ_３流路（反応媒体流路）１８が吸着材構造体１６の一方の端面（前端面）１６ａから他方の端面（後端面）１６ｂまで延びるように設けられている。つまり、各ＮＨ_３流路１８は、吸着材構造体１６を前端面１６ａと後端面１６ｂとの対向方向に貫通している。ＮＨ_３流路１８は、断面正方形状を呈している。

ＮＨ_３流路１８は、図３に示されるように、吸着材構造体１６において前端面１６ａと後端面１６ｂとの対向方向に垂直な二次元方向に配列されている。具体的には、ＮＨ_３流路１８は、吸着材構造体１６においてマトリクス状に配列されている。つまり、ＮＨ_３流路１８は、吸着材構造体１６において複数列及び複数段（ここでは８列６段）に配列されている。

このような複数のＮＨ_３流路１８を有する吸着材構造体１６は、例えば押出成形等により作製される。

容器１７は、吸着材構造体１６の形状に対応して直方体形状を呈している。容器１７は、ＮＨ_３に対して耐腐食性の高いステンレス鋼等の金属材料で形成されている。容器１７は、前壁部（第１壁部）１７ａ、後壁部（第２壁部）１７ｂ、上壁部１７ｃ、下壁部１７ｄ及び図示しない両側の側壁部を有している。前壁部１７ａは、吸着材構造体１６の前端面１６ａ側に位置している。後壁部１７ｂは、吸着材構造体１６の後端面１６ｂ側に位置している。前壁部１７ａの中央部には、ＮＨ_３供給管１２が接続されている。

容器１７内における前壁部１７ａと吸着材構造体１６との間には、各ＮＨ_３流路１８と連通する前流通部（第１流通部）１９が設けられている。前流通部１９は、吸着材構造体１６の前端面１６ａと前壁部１７ａ、上壁部１７ｃ、下壁部１７ｄ及び両側壁部（図示せず）の内壁面とにより形成されている。これにより、ＮＨ_３供給管１２から供給されたＮＨ_３は、前流通部１９を通って各ＮＨ_３流路１８を流れ、吸着材構造体１６に物理吸着される（図２の矢印参照）。一方、吸着材構造体１６から脱離したＮＨ_３は、各ＮＨ_３流路１８及び前流通部１９を通ってＮＨ_３供給管１２に導入される。

容器１７内における後壁部１７ｂと吸着材構造体１６との間には、各ＮＨ_３流路１８と連通する後流通部（第２流通部）２０が設けられている。後流通部２０は、吸着材構造体１６の後端面１６ｂと後壁部１７ｂ、上壁部１７ｃ、下壁部１７ｄ及び両側壁部（図示せず）の内壁面とにより形成されている。これにより、ＮＨ_３供給管１２からＮＨ_３流路１８に供給されたＮＨ_３は、後流通部２０を通って他のＮＨ_３流路１８に回り込む。

以上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から排出される排気ガスの温度が所定温度よりも低いときは、開閉弁１４を開く。すると、吸着器１３と反応器１１との圧力差によって、吸着器１３の吸着材構造体１６から脱離したＮＨ_３がＮＨ_３供給管１２を通って反応器１１に供給される。そして、反応器１１の反応材１５（例えばＭｇＢｒ_２）とＮＨ_３とが化学反応して化学吸着し、反応材１５から熱が発生する。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。そして、反応材１５から発生した熱が熱交換器３に伝えられる。これにより、熱交換器３が加熱され、これに伴って熱交換器３を流れる排気ガスが加熱される。つまり、熱交換器３により排気ガスが熱交換されて加熱される。そして、暖められた排気ガスによってＤＯＣ４が汚染物質の浄化に適した活性温度まで上昇する。
ＭｇＢｒ_２＋_ｘＮＨ_３ ⇔ Ｍｇ（ＮＨ_３）_ｘＢｒ_２＋熱 …（Ａ）

一方、エンジン２から排出される排気ガスの温度が所定温度以上になると、排気ガスの熱（排熱）が反応器１１の反応材１５に与えられることで、反応材１５からＮＨ_３が脱離する。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。そして、反応器１１と吸着器１３との圧力差によって、反応材１５から脱離したＮＨ_３がＮＨ_３供給管１２を通って吸着器１３に戻る。これにより、ＮＨ_３が吸着材構造体１６に回収される。

図４は、比較例として、従来の吸着器の一例を示す断面図である。図４において、吸着器５０は、２つの吸着材構造体５１が封入された複数のプレート５２と、吸着材構造体５１と外気との間で熱交換を行う複数のフィン５３とを有している。プレート５２及びフィン５３は、互いに隣り合うように配置されている。プレート５２内には、ＮＨ_３を流通させるＮＨ_３流路５４が２つの吸着材構造体５１に挟まれるように設けられている。

このような吸着器５０では、ＮＨ_３が吸着材構造体５１に吸着されると、吸着材構造体５１が発熱し、吸着材構造体５１の温度が上がろうとする。ＮＨ_３が吸着材構造体５１から脱離すると、吸着材構造体５１が吸熱し、吸着材構造体５１の温度が下がろうとする。このとき、フィン５３により吸着材構造体５１と外気とが熱交換されるため、吸着材構造体５１の発熱及び吸熱による吸着材構造体５１の温度変化が最小限に抑えられる。しかし、吸着器５０には複数のフィン５３が設けられているため、吸着器５０の体格が大きくなる。

これに対し本実施形態では、ＮＨ_３を物理吸着及び脱離する１つの吸着材構造体１６に、ＮＨ_３を流通させる複数のＮＨ_３流路１８を吸着材構造体１６の前端面１６ａから後端面１６ｂに向かって延びるように設けたので、ＮＨ_３流路１８を流れるＮＨ_３と吸着材構造体１６との接触面積が大きくなる。従って、ＮＨ_３が吸着材構造体１６に吸着される際、及びＮＨ_３が吸着材構造体１６から脱離する際に、ＮＨ_３と吸着材構造体１６とが熱交換されやすくなるため、吸着材構造体１６の温度がＮＨ_３の温度に近づく。具体的には、ＮＨ_３が吸着材構造体１６に吸着されると、吸着材構造体１６が発熱するが、ＮＨ_３と吸着材構造体１６との熱交換によって吸着材構造体１６の温度が下がる。一方、ＮＨ_３が吸着材構造体１６から脱離すると、吸着材構造体１６が吸熱するが、ＮＨ_３と吸着材構造体１６との熱交換によって吸着材構造体１６の温度が上がる。このため、吸着材構造体１６と外気との間で熱交換を行うフィンが不要となる。これにより、吸着器１３の体格を増大させること無く、吸着材構造体１６の発熱及び吸熱による吸着材構造体１６の温度変化を抑えることができる。その結果、吸着器１３の体格増大を抑制しつつ、吸着器１３の吸着特性を安定化させることができる。

また、ＮＨ_３流路１８を吸着材構造体１６において前端面１６ａと後端面１６ｂとの対向方向に垂直な二次元方向に配列したので、ＮＨ_３流路１８を流れるＮＨ_３と吸着材構造体１６との接触面積を確実に大きくすることができる。

さらに、ＮＨ_３流路１８を流れるＮＨ_３と吸着材構造体１６との接触面積が大きくなるため、ＮＨ_３が吸着材構造体１６に吸着されやすくなる。従って、ＮＨ_３の回収が促進されるため、ＮＨ_３の回収時間を短縮することができる。

また、容器１７の前壁部１７ａにＮＨ_３供給管１２を接続し、容器１７内における前壁部１７ａと吸着材構造体１６との間に、各ＮＨ_３流路１８と連通する前流通部１９を設けたので、ＮＨ_３が前流通部１９を通ってＮＨ_３供給管１２と各ＮＨ_３流路１８との間を流れる。従って、簡単な構成によって、ＮＨ_３供給管１２と各ＮＨ_３流路１８との間でＮＨ_３を流通させることができる。

このとき、容器１７の前壁部１７ａの中央部にＮＨ_３供給管１２を接続したので、ＮＨ_３供給管１２と何れかのＮＨ_３流路１８との距離が長くなり過ぎることが防止される。従って、ＮＨ_３供給管１２と各ＮＨ_３流路１８との間でＮＨ_３を効果的に流通させることができる。

また、容器１７内における後壁部１７ｂと吸着材構造体１６との間に、各ＮＨ_３流路１８と連通する後流通部２０を設けたので、ＮＨ_３供給管１２から前流通部１９を通ってＮＨ_３流路１８に流れたＮＨ_３は、後流通部２０を通って他のＮＨ_３流路１８に回り込む。従って、容器１７内においてＮＨ_３を効果的に流通させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば、上記実施形態では、ＮＨ_３流路１８は断面正方形状を呈しているが、ＮＨ_３流路１８の形状としては、特にそれには限られず、断面正六角形状または断面正三角形状等であってもよい。

また、上記実施形態では、ＮＨ_３流路１８が吸着材構造体１６においてマトリクス状（二次元方向）に配列されているが、特にそれには限られず、ＮＨ_３流路１８が吸着材構造体１６において不規則に配列されていてもよい。

さらに、上記実施形態では、容器１７の前壁部１７ａのみにＮＨ_３供給管１２が接続されているが、ＮＨ_３供給管１２を容器１７の後壁部１７ｂにも接続してもよい。また、ＮＨ_３供給管１２を容器１７の上壁部１７ｃ、下壁部１７ｄ及び側壁部（図示せず）の何れかに接続してもよい。

また、上記実施形態では、容器１７内における後壁部１７ｂと吸着材構造体１６との間に、各ＮＨ_３流路１８と連通する後流通部２０を設けたが、特にそのような後流通部２０は設けずに、吸着材構造体１６の後端面１６ｂを後壁部１７ｂの内壁面に接触させてもよい。

さらに、上記実施形態では、反応媒体であるＮＨ_３と組成式ＭＸａで表される反応材１５とを化学反応させて熱を発生させているが、反応媒体としては、特にＮＨ_３には限られず、ＣＯ_２等を使用しても良い。反応媒体としてＣＯ_２を使用する場合、ＣＯ_２と化学反応させる反応材としては、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、Ｃａ（ＯＨ）_２、Ｍｇ（ＯＨ）_２、Ｆｅ（ＯＨ）_２、Ｆｅ（ＯＨ）_３、ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３またはＦｅ_３Ｏ_４等が用いられる。

また、上記実施形態では、反応媒体であるＮＨ_３を吸着器１３の吸着材構造体１６に物理吸着させているが、本発明は、反応媒体を吸着器の吸着材構造体に化学吸着させる化学蓄熱装置にも適用可能である。

さらに、上記実施形態では、化学蓄熱装置１０により熱交換器３を加熱しているが、本発明は、ＤＯＣ４等を加熱する化学蓄熱装置にも適用可能である。また、本発明は、ディーゼルエンジン２の排気系に限られず、ガソリンエンジンの排気系またはオイルの流通系に設けられた加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置にも適用可能である。

また、上記実施形態では、容器１７内に１つの吸着材構造体１６が収容されているが、特にそれには限られず、容器１７内に複数の吸着材構造体１６を収容してもよい。この場合には、各吸着材構造体１６に複数のＮＨ_３流路１８を設けるとよい。

１０…化学蓄熱装置、１１…反応器、１２…ＮＨ_３供給管（供給管）、１３…吸着器、１５…反応材、１６…吸着材構造体、１６ａ…前端面、１６ｂ…後端面、１７…容器、１７ａ…前壁部（第１壁部）、１７ｂ…後壁部（第２壁部）、１８…ＮＨ_３流路（反応媒体流路）、１９…前流通部（第１流通部）、２０…後流通部（第２流通部）。

Claims (4)

1. 反応器と、前記反応器と接続される吸着器とを備えた化学蓄熱装置において、
   前記反応器は、反応媒体との化学反応により発熱すると共に蓄熱により前記反応媒体を脱離する反応材を有し、
   前記吸着器は、前記反応媒体を吸着及び脱離する吸着材構造体と、前記吸着材構造体を収容する容器とを有し、
   前記吸着材構造体には、前記反応媒体を流通させる複数の反応媒体流路が前記吸着材構造体の一方の端面から他方の端面に向かって延びるように設けられていることを特徴とする化学蓄熱装置。
2. 前記反応媒体流路は、前記吸着材構造体において前記一方の端面と前記他方の端面との対向方向に垂直な二次元方向に配列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. 前記容器は、前記一方の端面側に位置する第１壁部と、前記他方の端面側に位置する第２壁部とを有し、
   前記第１壁部には、前記反応器と前記吸着器との間で前記反応媒体を供給する供給管が接続されており、
   前記容器内における前記第１壁部と前記吸着材構造体との間には、前記複数の反応媒体流路と連通する第１流通部が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の化学蓄熱装置。
4. 前記容器内における前記第２壁部と前記吸着材構造体との間には、前記複数の反応媒体流路と連通する第２流通部が設けられていることを特徴とする請求項３記載の化学蓄熱装置。

Images