JP2016044860A - ガス吸蔵器及び化学蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス吸蔵器内部の熱伝導性を高くすることにより、吸着材の温度変化を緩和することができるガス吸蔵器及び化学蓄熱装置を提供する。【解決手段】化学蓄熱装置１０は、反応器１１と、この反応器１１と接続されたガス吸蔵器１３とを備えている。ガス吸蔵器１３は、ＮＨ３を吸着及び脱離する吸着材１８を含む吸着材構造体１６と、熱伝導性を有する材料で形成され、吸着材構造体１６を収容する容器１７とを備えている。吸着材構造体１６は、熱伝導性を有し且つＮＨ３に対して化学不活性な不織布１９に吸着材１８を混在させてなる。【選択図】図３

Description

本発明は、ガス吸蔵器及び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

一般に、ＮＨ_３を物理吸着する活性炭等の吸着材は、ＮＨ_３を吸着する時には発熱し、ＮＨ_３を脱離する時には吸熱する。そして、吸着材に対するＮＨ_３の吸着及び脱離を効率良く行うには、吸着材と外気とを熱交換する等して吸着材の温度を一定に保つことが望ましい。上記特許文献１に記載の装置では、熱交換フィンにより吸着材と外気との間で熱交換が行われるため、吸着材の温度変化が緩和される。しかし、アンモニア貯蔵器内の吸着材自体の熱伝導性はそもそも悪い。吸着材の熱伝導性が悪いと、吸着材の内部においてＮＨ_３の吸着や脱離がされにくい。また、吸着材の熱伝導性が悪い場合には、例えばＮＨ_３の脱離時にアンモニア貯蔵器の一部が極端に冷えると、吸着材における暖かい部分から脱離したＮＨ_３が吸着材における冷たい部分に再吸着してしまい、結果的に必要な速度で反応器にＮＨ_３を供給することができなくなる。上記特許文献１に記載の装置では、吸着材と外気との熱交換を促進させることはできるが、吸着材自体の熱伝導性が悪いため、アンモニア貯蔵器（ガス吸蔵器）内部の熱伝導性を高くすることはできない。

本発明の目的は、ガス吸蔵器内部の熱伝導性を高くすることにより、吸着材の温度変化を緩和することができるガス吸蔵器及び化学蓄熱装置を提供することである。

本発明のガス吸蔵器は、ガスを吸着及び脱離する吸着材を含む吸着材構造体と、熱伝導性を有する材料で形成され、吸着材構造体を収容する容器とを備え、吸着材構造体は、熱伝導性を有し且つガスに対して化学不活性な不織布に吸着材を混在させてなることを特徴とする。

このように本発明のガス吸蔵器においては、熱伝導性を有する不織布に吸着材を混在させてなる吸着材構造体を、熱伝導性を有する材料で形成された容器内に収容することにより、吸着材構造体（ガス吸蔵器内部）の熱伝導性が高くなる。従って、吸着材構造体の温度が均一になるため、吸着材構造体と外気との熱交換効率が高くなる。これにより、吸着材構造体の吸着材からガスが脱離する際に吸着材が吸熱しても、吸着材の温度低下が緩和される。このように本発明によれば、吸着材の温度変化を緩和することができる。

不織布の原材料はＳｉＣであってもよい。ＳｉＣは、熱伝導性が高い材料である。従って、吸着材の温度変化を効果的に緩和することができる。

吸着材構造体は、吸着材が混在された不織布が積層されていてもよい。この場合には、吸着材の量を十分確保しつつ、吸着材の温度変化を効果的に緩和することができる。

吸着材構造体は、吸着材が混在された不織布がロール状に積層されており、容器は、円筒形状を有していてもよい。この場合には、容器の強度が高くなるため、容器の厚みを薄くすることができる。

本発明は、反応器と、反応器と接続されるガス吸蔵器とを備えた化学蓄熱装置において、反応器は、反応ガスとの化学反応により発熱すると共に蓄熱により反応ガスを脱離する反応材を有し、ガス吸蔵器は、反応ガスを吸着及び脱離する吸着材を含む吸着材構造体と、熱伝導性を有する材料で形成され、吸着材構造体を収容する容器とを有し、吸着材構造体は、熱伝導性を有し且つ反応ガスに対して化学不活性な不織布に吸着材を混在させてなることを特徴とする。

このように本発明の化学蓄熱装置においては、熱伝導性を有する不織布に吸着材を混在させてなる吸着材構造体を、熱伝導性を有する材料で形成された容器内に収容することにより、ガス吸蔵器を構成する。このような構成により、吸着材構造体（ガス吸蔵器内部）の熱伝導性が高くなる。従って、吸着材構造体の温度が均一になるため、吸着材構造体と外気との熱交換効率が高くなる。これにより、吸着材構造体の吸着材から反応ガスが脱離する際に吸着材が吸熱しても、吸着材の温度低下が緩和される。一方、吸着材構造体の吸着材に反応ガスが吸着する際に吸着材が発熱しても、吸着材の温度上昇が緩和される。このように本発明によれば、吸着材の温度変化を緩和することができる。

本発明によれば、ガス吸蔵器内部の熱伝導性を高くすることにより、吸着材の温度変化を緩和することができる。

ガス吸蔵器を有す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に示されたガス吸蔵器の分解斜視図である。 図２に示されたガス吸蔵器の断面図である。 図１及び図２に示された吸着材構造体を作製する様子を示す図である。 図３に示されたガス吸蔵器の変形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、ガス吸蔵器を有す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を備えている。熱交換器３、ＤＯＣ４、ＤＰＦ５、ＳＣＲ６及びＡＳＣ７は、エンジン２に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ガス吸蔵器１３とを備えている。ＮＨ_３供給管１２は、反応器１１とガス吸蔵器１３との間で反応ガスであるＮＨ_３を供給する。ＮＨ_３供給管１２には、開閉弁１４が配置されている。

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。

図２は、ガス吸蔵器１３の分解斜視図であり、図３は、ガス吸蔵器１３の断面図である。図２及び図３において、ガス吸蔵器１３は、円柱形状の吸着材構造体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。なお、図２及び図３では、吸着材構造体１６を分かりやすくするために概略的に示しており、実際の構造とは異なる。

吸着材構造体１６は、ＮＨ_３を物理吸着及び脱離する吸着材１８と、熱伝導性を有し且つＮＨ_３に対して化学不活性な不織布１９とを含んでいる。吸着材１８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。ＮＨ_３に対して化学不活性とは、ＮＨ_３と化学反応しないということである。不織布１９の原材料としては、熱伝導性が高いＳｉＣ等が用いられる。

吸着材構造体１６は、図４に示されるように、帯状の不織布１９に粉末状の吸着材１８を混在させ、その状態で吸着材１８が混在された不織布１９をロール状に巻くことにより形成される。これにより、吸着材構造体１６は、図２及び図３に示されるように、吸着材１８が混在された不織布１９がロール状に積層された構造となる。不織布１９の厚さは、例えば１ｍｍ〜５ｍｍである。

なお、吸着材構造体１６において、不織布１９の目（空隙）の粗さ、不織布１９の原材料の粒子の大きさ、不織布１９の厚さ、及び吸着材１８が混在された不織布１９をロール状に巻く力等は、適宜設定される。

容器１７は、円筒形状（断面円形状）を有する本体部１７ａと、この本体部１７ａの開口を塞ぐ蓋部１７ｂとを有している。蓋部１７ｂには、上記のＮＨ_３供給管１２が接続されている。容器１７は、熱伝導性を有する金属材料で形成されている。そのような金属材料としては、熱伝導性が高く且つＮＨ_３に対して耐腐食性が高いステンレス鋼等が用いられる。

容器１７内に吸着材構造体１６を収容するときは、容器１７の本体部１７ａ内に吸着材構造体１６を圧入し、その状態で本体部１７ａに蓋部１７ｂを装着する。このとき、吸着材構造体１６は円柱形状を呈し、本体部１７ａは円筒形状を有しているため、吸着材構造体１６を本体部１７ａ内に圧入しやすい。

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、ガス吸蔵器１３と反応器１１との圧力差によって、ガス吸蔵器１３の吸着材構造体１６の吸着材１８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とガス吸蔵器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を通ってガス吸蔵器１３に戻る。これにより、ＮＨ_３が吸着材構造体１６の吸着材１８に吸着（回収）される。

ここで、ＮＨ_３が吸着材構造体１６の吸着材１８から脱離するときは、吸着材１８が吸熱し、吸着材１８の温度が下がろうとする。一方、ＮＨ_３が吸着材構造体１６の吸着材１８に吸着されるときは、吸着材１８が発熱し、吸着材１８の温度が上がろうとする。

本実施形態においては、熱伝導性を有する不織布１９に吸着材１８を混在させてなる吸着材構造体１６を、熱伝導性を有する金属材料で形成された容器１７内に収容することにより、ガス吸蔵器１３を構成する。このような構成により、吸着材構造体１６（ガス吸蔵器１３の内部）の熱伝導性が高くなる。従って、吸着材構造体１６の温度が均一になるため、吸着材構造体１６と外気との熱交換効率が高くなる。これにより、吸着材構造体１６の吸着材１８からＮＨ_３が脱離する際に吸着材１８が吸熱しても、吸着材構造体１６の吸着材１８の温度低下が抑制される。一方、吸着材構造体１６の吸着材１８にＮＨ_３が吸着する際に吸着材１８が発熱しても、吸着材構造体１６の吸着材１８の温度上昇が抑制される。このように吸着材１８の温度変化を緩和することができる。

このとき、吸着材１８の温度変化が速やかに緩和されると、吸着材１８からのＮＨ_３の脱離及び吸着材１８へのＮＨ_３の吸着が速やかに行われる。この場合には、反応器１１において高い熱出力を得ることができると共に、ガス吸蔵器１３においてＮＨ_３の回収を速やかに行うことができる。さらに、ガス吸蔵器１３の構造が簡単化されるため、ガス吸蔵器１３を容易に製作することができる。

また、不織布１９の原材料を熱伝導性が高いＳｉＣとすることにより、吸着材１８の温度変化を効果的に緩和することができる。

さらに、吸着材構造体１６は、吸着材１８が混在された不織布１９が積層された構造を有しているので、吸着材１８の量を十分確保しつつ、吸着材１８の温度変化を効果的に緩和することができる。

このとき、容器１７の本体部１７ａが円筒形状を有しているので、容器１７の強度が高くなる。従って、容器１７の厚みを薄くすることができる。その結果、容器１７を軽量化することが可能となる。

図５は、ガス吸蔵器１３の変形例を示す断面図であり、図３に対応する図である。図５において、ガス吸蔵器１３は、直方体形状の吸着材構造体２５と、この吸着材構造体２５を収容する容器２６とを有している。容器２６は、直方体形状の吸着材構造体２５に対応して、矩形筒状（断面矩形状）を有している。

吸着材構造体２５は、シート状の不織布１９に粉末状の吸着材１８を混在させた状態で、吸着材１８が混在された不織布１９を複数枚積み重ねることにより形成される。つまり、吸着材構造体２５は、吸着材１８が混在された不織布１９が複数枚積層された構造を有している。吸着材構造体２５は、容器２６内に圧入して収容される。

本変形例においても、吸着材構造体２５（ガス吸蔵器１３の内部）の熱伝導性が高くなる。従って、吸着材構造体２５の温度が均一になるため、吸着材構造体２５と外気との熱交換効率が高くなる。これにより、吸着材１８の温度変化を緩和することができる。

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、粉末状の吸着材１８を不織布１９に混合させているが、特にそれには限られず、ペースト状の吸着材１８を不織布１９に混合させてもよい。

また、上記実施形態では、容器１７，２６に熱交換フィンが設けられていないが、容器１７，２６の外面に熱交換フィンを設けてもよい。この場合には、容器１７，２６の厚さを薄くすることができる。

また、上記実施形態では、吸着材構造体１６，２５を、吸着材１８が混合された不織布１９が積層された構造としているが、吸着材構造体としては、特に積層構造でなくてもよい。この場合には、吸着材構造体の構成を簡単化することができる。

さらに、上記実施形態では、反応ガスである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、反応ガスとしては、特にＮＨ_３には限られず、ＣＯ_２等を使用しても良い。反応ガスとして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、反応ガスであるＮＨ_３をガス吸蔵器１３の吸着材構造体１６の吸着材１８に物理吸着させているが、本発明は、反応ガスを吸着材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、ガス吸蔵器１３が化学蓄熱装置１０に備えられているが、本発明は、化学蓄熱装置１０以外の装置に備えられたガス吸蔵器にも適用可能である。また、本発明は、単体で使用されるガス吸蔵器にも適用可能である。

１０…化学蓄熱装置、１１…反応器、１３…ガス吸蔵器、１５…反応材、１６…吸着材構造体、１７…容器、１８…吸着材、１９…不織布、２５…吸着材構造体、２６…容器。

Claims (5)

1. ガスを吸着及び脱離する吸着材を含む吸着材構造体と、
   熱伝導性を有する材料で形成され、前記吸着材構造体を収容する容器とを備え、
   前記吸着材構造体は、熱伝導性を有し且つ前記ガスに対して化学不活性な不織布に前記吸着材を混在させてなることを特徴とするガス吸蔵器。
2. 前記不織布の原材料はＳｉＣであることを特徴とする請求項１記載のガス吸蔵器。
3. 前記吸着材構造体は、前記吸着材が混在された前記不織布が積層されていることを特徴とする請求項１または２記載のガス吸蔵器。
4. 前記吸着材構造体は、前記吸着材が混在された前記不織布がロール状に積層されており、
   前記容器は、円筒形状を有することを特徴とする請求項３記載のガス吸蔵器。
5. 反応器と、前記反応器と接続されるガス吸蔵器とを備えた化学蓄熱装置において、
   前記反応器は、反応ガス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ガスを脱離する反応材を有し、
   前記ガス吸蔵器は、前記反応ガスを吸着及び脱離する吸着材を含む吸着材構造体と、熱伝導性を有する材料で形成され、前記吸着材構造体を収容する容器とを有し、
   前記吸着材構造体は、熱伝導性を有し且つ前記反応ガスに対して化学不活性な不織布に前記吸着材を混在させてなることを特徴とする化学蓄熱装置。

Images