JP2016188721A - Chemical heat storage device - Google Patents

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峻史 水野
研二 森
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研二 森
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秀明 鈴木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a chemical heat storage device for suppressing a decline in the heat generation performance due to the thermodecomposition of ammonia.SOLUTION: The chemical heat storage device includes: a reactor having a heat storage material 24 to generate heat by chemical reaction with reaction medium and desorbing the reaction medium by the absorption of the heat, and a container 27 storing the heat storage material 24; a reservoir for reserving the reaction medium; and a connection pipe communicating the reactor with the reservoir, for distributing the reaction medium between the reactor and the reservoir. The reaction medium is ammonia. The container 27 is formed of metallic material (for example, stainless steel). At least in an area having contact with the ammonia on the inner face of the container 27, a coating layer 28 of ceramic (for example, silicon dioxide, diamond-like carbon, or titanium nitride) is formed to cover the inner face of the container 27.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、化学蓄熱装置に関する。   The present invention relates to a chemical heat storage device.

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に記載の装置は、内燃機関の排気系に設けられた酸化触媒を加熱する蓄熱器(反応器)を備えている。この化学蓄熱装置では、酸化触媒の加熱時には、反応器に反応媒体としてのアンモニアを供給することで、反応器内に収容された蓄熱材とアンモニアとを化学反応させて熱を発生させる。また、この化学蓄熱装置では、酸化触媒が高温状態となった場合における反応器内でのアンモニアの熱分解を抑制するために、酸化触媒を上流側の第1領域とその下流側の第2領域とに分け、第2領域よりも触媒の担持量が少ない第1領域の周囲に反応器を配置している。   As a conventional chemical heat storage device, for example, a device described in Patent Document 1 is known. The apparatus described in Patent Document 1 includes a heat accumulator (reactor) that heats an oxidation catalyst provided in an exhaust system of an internal combustion engine. In this chemical heat storage device, when the oxidation catalyst is heated, ammonia as a reaction medium is supplied to the reactor, whereby the heat storage material accommodated in the reactor is chemically reacted with ammonia to generate heat. Further, in this chemical heat storage device, in order to suppress thermal decomposition of ammonia in the reactor when the oxidation catalyst is in a high temperature state, the oxidation catalyst is divided into an upstream first region and a downstream second region. The reactor is arranged around the first region where the amount of catalyst supported is smaller than that in the second region.

特開2013−234625号公報JP 2013-234625 A

ところで、アンモニアを反応媒体として使用する化学蓄熱装置においては、反応器を構成する容器には、アンモニアの耐食性に優れること、加熱対象の加熱時に貯蔵器から供給されるアンモニアの圧力に耐える強度を有することなどが要求される。このため、容器は、通常、金属材料(例えば、ステンレス鋼)により形成されている。しかしながら、この金属材料に含まれる金属成分(例えば、ステンレス鋼に含まれる鉄やクロム)は、高温になるとアンモニアの熱分解を促進する触媒として作用する。反応媒体であるアンモニアが熱分解すると、窒素と水素が発生する。アンモニアの熱分解により発生した窒素の一部は、容器の表面より内部に拡散侵入し、容器を構成する金属成分と結合して窒化化合物を形成する。また、アンモニアの熱分解により発生した水素は、反応器内に留まり、反応器内におけるアンモニアの分圧を低下させると共にアンモニアの蓄熱材への拡散を阻害する。その結果、貯蔵器から反応器へアンモニアを供給した際の反応器での発熱性能が低下する。   By the way, in a chemical heat storage device using ammonia as a reaction medium, the container constituting the reactor has excellent corrosion resistance of ammonia, and has strength to withstand the pressure of ammonia supplied from the reservoir during heating of the heating target. Is required. For this reason, the container is usually formed of a metal material (for example, stainless steel). However, metal components (for example, iron and chromium contained in stainless steel) contained in this metal material act as a catalyst that promotes thermal decomposition of ammonia at high temperatures. When ammonia as a reaction medium is thermally decomposed, nitrogen and hydrogen are generated. Part of the nitrogen generated by the thermal decomposition of ammonia diffuses and penetrates into the inside from the surface of the container, and combines with the metal component constituting the container to form a nitride compound. Further, hydrogen generated by the thermal decomposition of ammonia stays in the reactor, lowering the partial pressure of ammonia in the reactor and inhibiting the diffusion of ammonia into the heat storage material. As a result, the exothermic performance in the reactor when ammonia is supplied from the reservoir to the reactor is reduced.

そこで、本発明においては、アンモニアの熱分解による発熱性能の低下を抑制する化学蓄熱装置を提案することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to propose a chemical heat storage device that suppresses a decrease in heat generation performance due to thermal decomposition of ammonia.

本発明の一側面に係る化学蓄熱装置は、反応媒体との化学反応により発熱しかつ吸熱により反応媒体を脱離する蓄熱材と、蓄熱材を内部に収容する容器とを有する反応器と、反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、反応器と貯蔵器とを連通し、反応器と貯蔵器との間で反応媒体を流通させる接続管とを備え、反応媒体はアンモニアであり、容器は金属材料により形成されており、容器の内面における少なくともアンモニアと接触する部分は、容器の内面を被覆するセラミックのコーティング層が形成されている。   A chemical heat storage device according to one aspect of the present invention includes a reactor having a heat storage material that generates heat by a chemical reaction with a reaction medium and desorbs the reaction medium by endotherm, and a container that houses the heat storage material. A reservoir for storing the medium; and a connecting pipe for connecting the reactor and the reservoir and for allowing the reaction medium to flow between the reactor and the reservoir. The reaction medium is ammonia, and the container is made of a metal material. The ceramic coating layer which coat | covers the inner surface of a container is formed in the part currently formed and the part which contacts ammonia at least in the inner surface of a container.

この化学蓄熱装置では、容器の内面に形成されたセラミックのコーティング層により、容器表面の金属材料に含まれる金属成分が容器内に導入されたアンモニアと直接接触しないので、容器表面の金属材料に含まれる金属成分によるアンモニアを熱分解する触媒作用が抑制される。そのため、反応器が高温状態になった場合でも、アンモニアの熱分解及び容器の窒化が抑制され、水素の発生が抑えられる。これにより、化学蓄熱装置では、アンモニアの熱分解及び窒化による発熱性能の低下を抑制できる。   In this chemical heat storage device, the metal component contained in the metal material on the container surface is not in direct contact with the ammonia introduced into the container due to the ceramic coating layer formed on the inner surface of the container. The catalytic action of thermally decomposing ammonia by the metal component is suppressed. Therefore, even when the reactor reaches a high temperature, thermal decomposition of ammonia and nitriding of the container are suppressed, and generation of hydrogen is suppressed. Thereby, in a chemical heat storage device, the fall of the heat generation performance by thermal decomposition and nitridation of ammonia can be controlled.

一実施形態の化学蓄熱装置では、コーティング層のセラミックが二酸化ケイ素であってもよい。この二酸化ケイ素のコーティング層は、ポリシラザンを転化させて形成されてもよい。このポリシラザンを転化させる方法では、金属材料からなる容器表面に、密着性の高い緻密な膜を薄く形成できる。   In one embodiment of the chemical heat storage device, the ceramic of the coating layer may be silicon dioxide. The silicon dioxide coating layer may be formed by converting polysilazane. In this method of converting polysilazane, a dense film having high adhesion can be thinly formed on the surface of a container made of a metal material.

また、一実施形態の化学蓄熱装置では、コーティング層のセラミックがダイヤモンドライクカーボンであってもよい。また、一実施形態の化学蓄熱装置では、コーティング層のセラミックが窒化チタンであってもよい。   In the chemical heat storage device of one embodiment, the ceramic of the coating layer may be diamond-like carbon. In the chemical heat storage device of one embodiment, the ceramic of the coating layer may be titanium nitride.

一実施形態の化学蓄熱装置では、容器を形成する金属材料をステンレス鋼としてもよい。この化学蓄熱装置では、コーティング層により、ステンレス鋼に含まれる鉄やクロムなどの金属成分によるアンモニアを熱分解する触媒作用を抑制することができる。   In the chemical heat storage device of one embodiment, the metal material forming the container may be stainless steel. In this chemical heat storage device, the coating layer can suppress the catalytic action of thermally decomposing ammonia by metal components such as iron and chromium contained in stainless steel.

本発明によれば、アンモニアの熱分解による発熱性能の低下を抑制できる。   According to the present invention, it is possible to suppress a decrease in heat generation performance due to thermal decomposition of ammonia.

一実施形態に係る化学蓄熱装置を備えた排気ガス浄化システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the exhaust gas purification system provided with the chemical heat storage apparatus which concerns on one Embodiment. 図1の熱交換部付き反応器の斜視図である。It is a perspective view of the reactor with a heat exchange part of FIG. 図1の熱交換部付き反応器の側断面図である。It is a sectional side view of the reactor with a heat exchange part of FIG. 図1の熱交換部付き反応器の一部拡大側断面図である。It is a partial expanded side sectional view of the reactor with a heat exchange part of FIG. 図1の熱交換部付き反応器の一部拡大平断面図である。FIG. 2 is a partially enlarged plan cross-sectional view of the reactor with a heat exchange unit in FIG. 1. 容器内面を表面改質した場合の熱交換部付き反応器の一部拡大平断面図である。It is a partially expanded plane sectional view of the reactor with a heat exchange part at the time of surface-modifying the container inner surface.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る化学蓄熱装置を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, a chemical heat storage device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the element which is the same or it corresponds in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

実施形態では、車両のエンジン(内燃機関)の排気系に設けられる排気ガス浄化システムに備えられる化学蓄熱装置に適用する。実施形態に係る排気ガス浄化システムは、エンジン(特に、ディーゼルエンジン)から排出される排気ガス中に含まれる有害物質(環境汚染物質)を浄化するシステムであり、触媒のDOC[Diesel Oxidation Catalyst]、SCR[SelectiveCatalytic Reduction]とASC[Ammonia Slip Catalyst]及びフィルタのDPF[Diesel Particulate Filter]を備えている。さらに、実施形態に係る排気ガス浄化システムは、触媒暖機用に化学蓄熱装置を備えている。   In the embodiment, the present invention is applied to a chemical heat storage device provided in an exhaust gas purification system provided in an exhaust system of a vehicle engine (internal combustion engine). An exhaust gas purification system according to an embodiment is a system that purifies harmful substances (environmental pollutants) contained in exhaust gas discharged from an engine (particularly, a diesel engine). A catalyst DOC (Diesel Oxidation Catalyst), SCR [Selective Catalytic Reduction], ASC [Ammonia Slip Catalyst], and DPF [Diesel Particulate Filter] of the filter are provided. Furthermore, the exhaust gas purification system according to the embodiment includes a chemical heat storage device for warming up the catalyst.

図1を参照して、一実施形態に係る排気ガス浄化システム1の全体構成について説明する。図1は、一実施形態に係る排気ガス浄化システム1の概略構成図である。   With reference to FIG. 1, the whole structure of the exhaust-gas purification system 1 which concerns on one Embodiment is demonstrated. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust gas purification system 1 according to an embodiment.

排気ガス浄化システム1は、エンジン2の排気側に接続された排気管3の上流側から下流側に向けて、DOC(ディーゼル酸化触媒)4、DPF(ディーゼル排気微粒子除去フィルタ)5、SCR(選択還元触媒)6、ASC(アンモニアスリップ触媒)7が設けられている。排気管3、DOC4、DPF5、SCR6、ASC7の内部には、エンジン2から排出された排気ガスが流れる。この排気ガスの流れる方向により、上流側及び下流側が規定される。   The exhaust gas purification system 1 includes a DOC (diesel oxidation catalyst) 4, a DPF (diesel exhaust particulate removal filter) 5, an SCR (selection) from the upstream side to the downstream side of the exhaust pipe 3 connected to the exhaust side of the engine 2. (Reduction catalyst) 6 and ASC (ammonia slip catalyst) 7 are provided. Exhaust gas discharged from the engine 2 flows through the exhaust pipe 3, DOC4, DPF5, SCR6, and ASC7. The upstream side and the downstream side are defined by the flow direction of the exhaust gas.

DOC4は、排気ガス中に含まれるHC、COなどを酸化する触媒である。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、排気管3内のSCR6の上流側にアンモニア(NH)あるいは尿素水(加水分解してアンモニアが発生)が供給されると、アンモニア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アンモニアを酸化する触媒である。 DOC4 is a catalyst that oxidizes HC, CO, etc. contained in exhaust gas. The DPF 5 is a filter that collects and removes PM contained in the exhaust gas. When ammonia (NH 3 ) or urea water (hydrolyzed to generate ammonia) is supplied to the upstream side of the SCR 6 in the exhaust pipe 3, the SCR 6 chemically reacts ammonia and NOx contained in the exhaust gas. Thus, it is a catalyst that reduces and purifies NOx. The ASC 7 is a catalyst that oxidizes ammonia that has passed through the SCR 6 and has flowed downstream.

各触媒4,6,7には、環境汚染物質に対する浄化能力を発揮できる温度領域(すなわち、活性温度)がある。各触媒4,6,7の温度が活性温度よりも低くなっている場合(例えば、エンジン2の冷間始動時)、各触媒4,6,7では十分な浄化能力を発揮することができない。また、エンジン2から排出された排気ガスにより触媒を暖機する場合、エンジン2の冷間始動直後は、排気ガスの温度が比較的低温であるので、触媒を迅速に暖めることができない。そこで、排気ガス浄化システム1は、最上流の触媒であるDOC4よりも上流側で排気ガスを暖めて触媒暖機を行うために、化学蓄熱装置10を備えている。   Each of the catalysts 4, 6, and 7 has a temperature range (that is, an activation temperature) that can exhibit a purification ability against environmental pollutants. When the temperature of each catalyst 4, 6, 7 is lower than the activation temperature (for example, when the engine 2 is cold started), the catalyst 4, 6, 7 cannot exhibit a sufficient purification capacity. Further, when the catalyst is warmed up by the exhaust gas discharged from the engine 2, the temperature of the exhaust gas is relatively low immediately after the cold start of the engine 2, so that the catalyst cannot be warmed up quickly. Therefore, the exhaust gas purification system 1 includes a chemical heat storage device 10 for warming the exhaust gas upstream of the DOC 4 that is the most upstream catalyst and warming up the catalyst.

化学蓄熱装置10は、可逆的な化学反応を利用して、外部エネルギレスで加熱対象を加熱(暖機)する装置である。具体的には、化学蓄熱装置10は、加熱対象から供給される熱により蓄熱材から脱離する反応媒体を蓄えておき、その蓄えられた反応媒体を必要なときに蓄熱材に供給することで、蓄熱材と反応媒体とを化学反応させて化学反応時の反応熱(放熱)を利用して加熱対象を暖める装置である。即ち、化学蓄熱装置10は、可逆的な化学反応を利用して、加熱対象からの熱を蓄えるとともに、加熱対象に熱を供給する装置である。本実施形態では、加熱対象は排気ガスであり、反応媒体はアンモニアである。   The chemical heat storage device 10 is a device that uses a reversible chemical reaction to heat (warm up) a heating target without external energy. Specifically, the chemical heat storage device 10 stores the reaction medium that is desorbed from the heat storage material by the heat supplied from the heating target, and supplies the stored reaction medium to the heat storage material when necessary. In this device, the heat storage material and the reaction medium are chemically reacted to warm the object to be heated using reaction heat (heat radiation) during the chemical reaction. That is, the chemical heat storage device 10 is a device that stores heat from a heating target and supplies heat to the heating target by using a reversible chemical reaction. In this embodiment, the object to be heated is exhaust gas, and the reaction medium is ammonia.

図1に加えて図2及び図3を参照して、化学蓄熱装置10について詳細に説明する。図2は、図1の熱交換部付き反応器11の斜視図である。図3は、図1の熱交換部付き反応器11の側断面図である。   The chemical heat storage device 10 will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3 in addition to FIG. FIG. 2 is a perspective view of the reactor 11 with a heat exchanging portion in FIG. FIG. 3 is a side sectional view of the reactor 11 with a heat exchanging portion in FIG.

化学蓄熱装置10は、熱交換部付き反応器11と、貯蔵器12と、接続管13と、バルブ14とを備えている。熱交換部付き反応器11は、エンジン2とDOC4との間に配置されている。熱交換部付き反応器11は、ヒータとして機能し、最上流に配置される触媒であるDOC4よりも上流側で熱交換部を介して排気ガスを加熱する。加熱により昇温された排気ガスは、下流の各触媒(DOC4、SCR6、ASC7)の内部に流れる。これにより、各触媒は、暖機される。   The chemical heat storage device 10 includes a reactor 11 with a heat exchange unit, a reservoir 12, a connecting pipe 13, and a valve 14. The reactor 11 with a heat exchange part is arrange | positioned between the engine 2 and DOC4. The reactor 11 with a heat exchange part functions as a heater, and heats exhaust gas via a heat exchange part upstream from DOC4 which is the catalyst arrange | positioned in the uppermost stream. The exhaust gas heated by the heating flows into each downstream catalyst (DOC4, SCR6, ASC7). Thereby, each catalyst is warmed up.

熱交換部付き反応器11は、配管20と、2個の蓋部材21,22と、複数個の熱交換部23と、複数個の蓄熱材24と、断熱材25とを備えている。図3に示すように、複数個の熱交換部23と複数個の蓄熱材24とは、交互に積層され、積層体26を形成している。積層体26の両端部(積層方向の最外部)には、蓄熱材24が配置されている。したがって、蓄熱材24の個数が、熱交換部23の個数よりも1個多い。なお、図3では熱交換部23の個数を3個、蓄熱材24の個数を4個としているが、特にこれに限定されず、熱交換部23及び蓄熱材24の個数は適宜の個数としてよい。また、積層体26の端部には、熱交換部23が配置されてもよい。   The reactor 11 with a heat exchange unit includes a pipe 20, two lid members 21 and 22, a plurality of heat exchange units 23, a plurality of heat storage materials 24, and a heat insulating material 25. As shown in FIG. 3, the plurality of heat exchange portions 23 and the plurality of heat storage materials 24 are alternately stacked to form a stacked body 26. The heat storage material 24 is disposed at both end portions (outermost portions in the stacking direction) of the stacked body 26. Therefore, the number of the heat storage materials 24 is one more than the number of the heat exchange parts 23. In FIG. 3, the number of heat exchanging parts 23 is three and the number of heat accumulating materials 24 is four. However, the present invention is not limited to this, and the number of heat exchanging parts 23 and heat accumulating materials 24 may be an appropriate number. . Further, the heat exchanging unit 23 may be disposed at the end of the stacked body 26.

配管20は、積層体26を取り囲む管である。配管20は、断面円形の円筒状である。配管20は、排気管3の径よりも大きい径である。配管20の上流側は、排気管3とテーパ管30を介して連結されている。配管20の下流側は、排気管3とテーパ管31を介して連結されている。配管20の上流側の端部には、蓋部材21が接合されている。配管20の下流側の端部には、蓋部材22が接合されている。蓋部材21,22は、配管20の形状に対応した円形の板状である。配管20及び蓋部材21,22は、ステンレス鋼(SUS)により形成されている。ステンレス鋼は、鉄(Fe)を主成分とし、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、モリブデン(Mo)などの金属を含む合金鋼である。   The pipe 20 is a pipe that surrounds the stacked body 26. The pipe 20 has a cylindrical shape with a circular cross section. The pipe 20 has a diameter larger than the diameter of the exhaust pipe 3. The upstream side of the pipe 20 is connected via the exhaust pipe 3 and the taper pipe 30. The downstream side of the pipe 20 is connected to the exhaust pipe 3 via the taper pipe 31. A lid member 21 is joined to the upstream end of the pipe 20. A lid member 22 is joined to the downstream end of the pipe 20. The lid members 21 and 22 are circular plate shapes corresponding to the shape of the pipe 20. The pipe 20 and the lid members 21 and 22 are made of stainless steel (SUS). Stainless steel is an alloy steel containing iron (Fe) as a main component and containing metals such as chromium (Cr), nickel (Ni), and molybdenum (Mo).

熱交換部23は、加熱対象としての排気ガスを流通させる流路を形成すると共に、排気ガスと蓄熱材24との間で熱交換を行う。熱交換部23は、積層体26の積層方向に隣り合う蓄熱材24と蓄熱材24との間に配置されている。複数個の熱交換部23の幅方向(排気ガスの流れ方向と直交しかつ積層体26の積層方向と直交する方向)の各長さは、図3に示すように、円筒状の配管20の内周面20aに沿うようにそれぞれ設定されている。具体的には、複数個の熱交換部23の幅方向の長さは、積層体26の積層方向の中央側から端部側に配置される熱交換部23ほど短くなっている。複数個の熱交換部23の排気ガスの流れ方向の長さは、全て同じ長さであり、配管20の長さと略同じ長さである。   The heat exchanging unit 23 forms a flow path through which the exhaust gas as a heating target is circulated, and performs heat exchange between the exhaust gas and the heat storage material 24. The heat exchange unit 23 is disposed between the heat storage material 24 and the heat storage material 24 adjacent to each other in the stacking direction of the stacked body 26. As shown in FIG. 3, the lengths of the plurality of heat exchange sections 23 in the width direction (the direction perpendicular to the flow direction of the exhaust gas and the direction perpendicular to the stacking direction of the stacked body 26) of the cylindrical pipe 20 Each is set along the inner peripheral surface 20a. Specifically, the length in the width direction of the plurality of heat exchanging parts 23 is shorter as the heat exchanging part 23 is arranged from the center side in the stacking direction of the stacked body 26 to the end side. The lengths of the plurality of heat exchange portions 23 in the exhaust gas flow direction are all the same length, and are substantially the same as the length of the pipe 20.

熱交換部23は、金属製のチューブ23aと、チューブ23a内に配置された金属製のフィン23bとを有している。チューブ23aは、この実施形態では扁平の角筒状に形成されている。チューブ23aの上流側の端部及び下流側の端部は、開口している。このチューブ23aの開口部23cに対応して、蓋部材21,22には貫通孔21a(図2には上流側の蓋部材21の貫通孔21aのみ図示)がそれぞれ形成されている。チューブ23aの上流側の端部、下流側の端部は、蓋部材21の貫通孔21a、蓋部材22の貫通孔(図示せず)にそれぞれ嵌め込まれた状態で、蓋部材21、蓋部材22に溶接又はろう付けなどによりそれぞれ接合されている。これにより、排気ガスが、チューブ23a内を通り抜けることが可能となる。フィン23bは、排気ガスと蓄熱材24との熱交換を促進するための部材である。フィン23bは、例えば、断面波状である。フィン23bは、チューブ23aの内壁面に溶接又はろう付けなどにより接合されている。チューブ23a及びフィン23bは、例えば、ステンレス鋼により形成されている。   The heat exchange unit 23 includes a metal tube 23a and metal fins 23b disposed in the tube 23a. In this embodiment, the tube 23a is formed in a flat rectangular tube shape. The upstream end and the downstream end of the tube 23a are open. Corresponding to the opening 23c of the tube 23a, the cover members 21 and 22 are formed with through holes 21a (only the through hole 21a of the upstream cover member 21 is shown in FIG. 2). The end on the upstream side and the end on the downstream side of the tube 23 a are fitted in the through hole 21 a of the lid member 21 and the through hole (not shown) of the lid member 22, respectively. Are joined to each other by welding or brazing. As a result, the exhaust gas can pass through the tube 23a. The fins 23 b are members for promoting heat exchange between the exhaust gas and the heat storage material 24. The fin 23b has, for example, a corrugated cross section. The fins 23b are joined to the inner wall surface of the tube 23a by welding or brazing. The tubes 23a and the fins 23b are made of stainless steel, for example.

このように、熱交換部付き反応器11は、配管20の上流端部及び下流端部に蓋部材21,22が接合され、この蓋部材21,22の間に複数個の熱交換部23が配設されている。複数個の蓄熱材24は、この配管20と蓋部材21,22で形成される円柱状のスペースのうちの複数個の熱交換部23が配置される部分を除いたスペースに収容されている。したがって、熱交換部付き反応器11では、配管20、蓋部材21,22及び複数個の熱交換部23(特に、チューブ23a)により、複数個の蓄熱材24が収容される容器27が形成されている。   Thus, in the reactor 11 with a heat exchange part, the lid members 21 and 22 are joined to the upstream end part and the downstream end part of the pipe 20, and a plurality of heat exchange parts 23 are provided between the lid members 21 and 22. It is arranged. The plurality of heat storage materials 24 are accommodated in a space excluding a portion where the plurality of heat exchanging portions 23 are arranged in a cylindrical space formed by the pipe 20 and the lid members 21 and 22. Therefore, in the reactor 11 with a heat exchange part, the container 27 in which the some heat storage material 24 is accommodated is formed by the piping 20, the cover members 21 and 22, and the some heat exchange part 23 (especially tube 23a). ing.

蓄熱材24は、積層体26の積層方向に隣り合う熱交換部23と熱交換部23との間に設けられた蓄熱材部24aまたは積層方向の端部に設けられた蓄熱材部24aに配置されている。蓄熱材24の幅方向の各長さは、図3に示すように、円筒状の配管20の内周面20aに沿うようにそれぞれ設定されている。複数個の蓄熱材24の排気ガスの流れ方向の長さは、全て同じ長さであり、配管20よりも少し短い長さである。   The heat storage material 24 is disposed in the heat storage material portion 24a provided between the heat exchange portion 23 and the heat exchange portion 23 adjacent to each other in the stacking direction of the stacked body 26 or the heat storage material portion 24a provided at the end portion in the stacking direction. Has been. Each length of the heat storage material 24 in the width direction is set to be along the inner peripheral surface 20a of the cylindrical pipe 20 as shown in FIG. The lengths of the plurality of heat storage materials 24 in the flow direction of the exhaust gas are all the same length and slightly shorter than the pipe 20.

蓄熱材24は、紛体材料をペレット状にプレス成型したプレス成型体である。ここでは、各蓄熱材24は、扁平の略直方体形状にプレス成型したものとして構成されている。なお、蓄熱材24は複数個に分割されたペレットから構成してもよい。蓄熱材24は、反応媒体としてのアンモニアを供給するとアンモニアと化学反応(化学吸着)して発熱する。また、アンモニアが化学吸着された蓄熱材24は、高温となった排気ガスにより熱交換部23を介して加熱されると、その熱を吸熱してアンモニアを脱離する。蓄熱材24としては、組成式MXで表されるハロゲン化合物が用いられる。Mは、Mg、Ca、Srなどのアルカリ土類金属、若しくはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znなどの遷移金属である。Xは、Cl、Br、Iなどである。aは、Mの価数により特定される数であり、2、3である。蓄熱材24には、熱伝導性を向上させる添加物が混合されていてもよい。添加物としては、例えば、カーボンファイバ、カーボンビーズ、SiCビーズ、金属ビーズ、高分子ビーズ、高分子ファイバである。金属ビーズの金属材料としては、例えば、Cu、Ag、Ni、Ci−Cr、Al、Fe、ステンレス鋼である。 The heat storage material 24 is a press-molded body obtained by press-molding a powder material into a pellet shape. Here, each heat storage material 24 is configured as press-molded into a flat, substantially rectangular parallelepiped shape. In addition, you may comprise the thermal storage material 24 from the pellet divided | segmented into plurality. When supplying ammonia as a reaction medium, the heat storage material 24 chemically reacts with ammonia (chemical adsorption) and generates heat. Further, when the heat storage material 24 chemically adsorbed with ammonia is heated via the heat exchanging portion 23 by the exhaust gas having a high temperature, the heat is absorbed and the ammonia is desorbed. As the heat storage material 24, a halogen compound represented by a composition formula MXa is used. M is an alkaline earth metal such as Mg, Ca, or Sr, or a transition metal such as Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, or Zn. X is Cl, Br, I or the like. a is a number specified by the valence of M, and is 2 or 3. The heat storage material 24 may be mixed with an additive that improves thermal conductivity. Examples of the additive include carbon fiber, carbon bead, SiC bead, metal bead, polymer bead, and polymer fiber. Examples of the metal material of the metal beads include Cu, Ag, Ni, Ci—Cr, Al, Fe, and stainless steel.

断熱材25は、配管20の内周面20aと積層体26との間に介在されている。断熱材25は、断面が環状である。断熱材25の外周面側は、配管20の内周面20aに沿った形状である。断熱材25の内周面側は、積層体26の縁部に沿った形状である。断熱材25は、例えば、硬質のセラミック材料で形成されている。このような断熱材25を蓄熱材24の外側に設けることにより、蓄熱材24で発生した熱が配管20の外部に逃げにくくなる。なお、断熱材25を熱交換部付き反応器11の外側に配置するようにしてもよい。   The heat insulating material 25 is interposed between the inner peripheral surface 20 a of the pipe 20 and the laminated body 26. The heat insulating material 25 has an annular cross section. The outer peripheral surface side of the heat insulating material 25 has a shape along the inner peripheral surface 20 a of the pipe 20. The inner peripheral surface side of the heat insulating material 25 has a shape along the edge of the stacked body 26. The heat insulating material 25 is made of, for example, a hard ceramic material. By providing such a heat insulating material 25 on the outside of the heat storage material 24, the heat generated in the heat storage material 24 is difficult to escape to the outside of the pipe 20. In addition, you may make it arrange | position the heat insulating material 25 outside the reactor 11 with a heat exchange part.

貯蔵器12は、吸着材12aを有している。吸着材12aは、アンモニアを物理吸着により保持し、かつ、圧力に応じてアンモニアを脱離(分離)する。吸着材12aとしては、例えば、活性炭が用いられる。貯蔵器12では、暖機時にアンモニアを吸着材12aから脱離させて熱交換部付き反応器11(蓄熱材24)に供給するとともに、暖機終了後には蓄熱材24から脱離したアンモニアを吸着材12aに物理吸着させることで回収する。なお、吸着材12aとしては、活性炭に限られず、例えば、メソポーラスシリカ、メソポーラスカーボン、メソポーラスアルミナなどのメソ孔を有するメソポーラス材、または、ゼオライト、シリカゲルを用いてもよい。   The reservoir 12 has an adsorbent 12a. The adsorbent 12a holds ammonia by physical adsorption and desorbs (separates) ammonia according to pressure. For example, activated carbon is used as the adsorbent 12a. In the storage device 12, ammonia is desorbed from the adsorbent 12 a during warm-up and supplied to the reactor 11 with a heat exchanging part (heat storage material 24). The material 12a is recovered by physical adsorption. The adsorbent 12a is not limited to activated carbon, and for example, mesoporous material having mesopores such as mesoporous silica, mesoporous carbon, and mesoporous alumina, or zeolite and silica gel may be used.

接続管13は、熱交換部付き反応器11と貯蔵器12とを接続する管である。接続管13は、熱交換部付き反応器11と貯蔵器12との間でアンモニアが流れる流路となる。接続管13の熱交換部付き反応器11側の一端部は、図3に示すように、配管20に形成されている貫通孔20bに挿入された状態で、配管20に溶接などより接合されている。断熱材25には、この貫通孔20bの位置に対応して、貫通孔25aが形成されている。断熱材25の内周面側には、アンモニアを周方向に流れ易くするために、環状の溝部25bが形成されている。この溝部25bは、貫通孔25aに連通されている。   The connection pipe 13 is a pipe that connects the reactor 11 with the heat exchange unit and the storage 12. The connecting pipe 13 serves as a flow path for ammonia to flow between the reactor 11 with a heat exchange section and the storage 12. As shown in FIG. 3, one end of the connection pipe 13 on the side of the reactor 11 with a heat exchange part is joined to the pipe 20 by welding or the like while being inserted into a through hole 20 b formed in the pipe 20. Yes. A through hole 25a is formed in the heat insulating material 25 corresponding to the position of the through hole 20b. An annular groove 25b is formed on the inner peripheral surface side of the heat insulating material 25 in order to facilitate the flow of ammonia in the circumferential direction. The groove 25b communicates with the through hole 25a.

バルブ14は、熱交換部付き反応器11と貯蔵器12との間のアンモニアの流路を開閉するバルブである。バルブ14は、接続管13の途中に配設されている。バルブ14が開かれると、接続管13を介して熱交換部付き反応器11と貯蔵器12とが連通し、アンモニアの移動が可能となる。バルブ14の開閉制御は、化学蓄熱装置10の専用のコントローラあるいはエンジン2を制御するECU[Electronic Control Unit]などで行われる。バルブ14は、例えば、電磁式のノーマリクローズのバルブであり、電圧印加時に開く。   The valve 14 is a valve that opens and closes an ammonia flow path between the reactor 11 with a heat exchange unit and the storage 12. The valve 14 is disposed in the middle of the connecting pipe 13. When the valve 14 is opened, the reactor 11 with a heat exchanging part and the reservoir 12 communicate with each other through the connecting pipe 13 and ammonia can be moved. The opening / closing control of the valve 14 is performed by a dedicated controller of the chemical heat storage device 10 or an ECU [Electronic Control Unit] that controls the engine 2. The valve 14 is an electromagnetic normally closed valve, for example, and opens when a voltage is applied.

この化学蓄熱装置10では、エンジン2から排出された排気ガスの温度が所定温度(触媒の活性温度に基づいて設定された温度)より低いときに(例えば、エンジン2の始動直後)、ECUなどによる制御によりバルブ14が開かれる。これにより、アンモニアが充填された圧力の高い貯蔵器12と貯蔵器12よりも圧力の低い熱交換部付き反応器11とが連通されることになり、貯蔵器12の吸着材12aからアンモニアが脱離する。吸着材12aから脱離したアンモニアは、接続管13内を流れて熱交換部付き反応器11側に移動し、熱交換部付き反応器11の容器27内に供給される。熱交換部付き反応器11では、供給されたアンモニアと各蓄熱材24とがそれぞれ化学反応し、熱を発生させる(発熱反応)。この各蓄熱材24で発生した熱は、各熱交換部23に伝導される。各熱交換部23では、蓄熱材24からの熱を排気ガスに与える。即ち、熱交換部23は、蓄熱材24と排気ガスとの間で熱交換する。これにより、排気ガスが、昇温する。この化学蓄熱装置10により昇温された排気ガスが下流側に流れることで、各触媒(DOC4、SCR6、ASC7)が暖機される。これにより、各触媒は、迅速に活性温度以上に昇温される。   In the chemical heat storage device 10, when the temperature of the exhaust gas discharged from the engine 2 is lower than a predetermined temperature (a temperature set based on the activation temperature of the catalyst) (for example, immediately after the engine 2 is started), the ECU The valve 14 is opened by the control. As a result, the high-pressure reservoir 12 filled with ammonia and the reactor 11 with the heat exchanging section having a lower pressure than the reservoir 12 are communicated with each other, and ammonia is desorbed from the adsorbent 12a of the reservoir 12. Release. Ammonia desorbed from the adsorbent 12a flows through the connecting pipe 13, moves to the reactor 11 with a heat exchange unit, and is supplied into the container 27 of the reactor 11 with a heat exchange unit. In the reactor 11 with a heat exchange section, the supplied ammonia and each heat storage material 24 chemically react to generate heat (exothermic reaction). The heat generated in each heat storage material 24 is conducted to each heat exchange unit 23. In each heat exchange part 23, the heat from the heat storage material 24 is given to the exhaust gas. That is, the heat exchange unit 23 exchanges heat between the heat storage material 24 and the exhaust gas. Thereby, the temperature of the exhaust gas is increased. As the exhaust gas heated by the chemical heat storage device 10 flows downstream, each catalyst (DOC4, SCR6, ASC7) is warmed up. Thereby, each catalyst is rapidly heated to the activation temperature or higher.

暖機終了後、エンジン2の稼働がある程度継続すると、エンジン2から排出された排気ガスの温度が高くなる。この温度が高くなった排気ガスの熱(排熱)は、各熱交換部23に伝導される。排気ガスの熱により加熱された各熱交換部23によって、蓄熱材24が加熱される。即ち、熱交換部23は、排気ガスと蓄熱材24との間で熱交換する。このとき、アンモニアを化学吸着している蓄熱材24は、排ガスの熱を吸熱してアンモニアを脱離する。これにより、熱交換部付き反応器11内では、アンモニアが発生する(再生反応)。この再生反応に伴い、ECUなどによる制御により、バルブ14が開かれる。これにより、熱交換部付き反応器11の容器27内で発生したアンモニアは、接続管13内を流れて貯蔵器12側に移動し、貯蔵器12に回収される。貯蔵器12では、吸着材12aでアンモニアを吸着して貯蔵する。   If the operation of the engine 2 continues to some extent after the warm-up is finished, the temperature of the exhaust gas discharged from the engine 2 becomes high. The heat (exhaust heat) of the exhaust gas whose temperature has been increased is conducted to each heat exchange section 23. The heat storage material 24 is heated by each heat exchange part 23 heated by the heat of the exhaust gas. That is, the heat exchange unit 23 exchanges heat between the exhaust gas and the heat storage material 24. At this time, the heat storage material 24 that chemically adsorbs ammonia absorbs the heat of the exhaust gas and desorbs the ammonia. Thereby, ammonia is generated in the reactor 11 with a heat exchange part (regeneration reaction). Along with this regeneration reaction, the valve 14 is opened under the control of the ECU or the like. Thereby, the ammonia generated in the container 27 of the reactor 11 with the heat exchange section flows in the connecting pipe 13, moves to the storage 12 side, and is collected in the storage 12. In the reservoir 12, ammonia is adsorbed by the adsorbent 12a and stored.

なお、熱交換部付き反応器11の容器27内が高温(例えば、400℃以上)になると、式(1)に示すように、アンモニア(NH)が、加熱され、窒素(N)と水素(H)に分解する。特に、容器27(配管20、蓋部材21,22及び複数個のチューブ23aからなる容器)のステンレス鋼の表面に存在する鉄(Fe)やクロム(Cr)などの金属成分は、高温になるとアンモニアを熱分解する触媒として作用する。アンモニアの熱分解で発生した窒素の一部は、ステンレス鋼の表面より内部に拡散侵入して、式(2)に示すように、ステンレス鋼に含まれる金属成分と結合して窒化化合物を生成する。式(2)のMはステンレス鋼に含まれる鉄(Fe)やクロム(Cr)などの金属であり、MNは窒化化合物である。式(1)と式(2)とを合成すると、式(3)となる。

Figure 2016188721
Incidentally, in the container 27 of the heat exchange section with the reactor 11 is a high temperature (e.g., 400 ° C. or higher) becomes, as shown in equation (1), ammonia (NH 3) is heated, the nitrogen (N 2) Decomposes into hydrogen (H 2 ). In particular, metal components such as iron (Fe) and chromium (Cr) present on the surface of the stainless steel of the container 27 (the container composed of the pipe 20, the cover members 21, 22 and the plurality of tubes 23a) are heated to a high temperature. It acts as a catalyst for thermal decomposition. Part of nitrogen generated by the thermal decomposition of ammonia diffuses and penetrates into the inside from the surface of the stainless steel and combines with the metal component contained in the stainless steel to form a nitride compound as shown in the formula (2). . M in the formula (2) is a metal such as iron (Fe) or chromium (Cr) contained in stainless steel, and MN is a nitride compound. When the formula (1) and the formula (2) are synthesized, the formula (3) is obtained.
Figure 2016188721

また、アンモニアが熱分解されると、窒素と共に水素が発生する。特に、式(3)から判るように、窒化で1モルのアンモニアが分解されると、1.5モルの水素が発生する。この発生した水素は、熱交換部付き反応器11の蓄熱材24でも化学吸着されず、貯蔵器12の吸着材12aでも物理吸着されない。そのため、発生した水素は、熱交換部付き反応器11、貯蔵器12及び接続管13からなるアンモニアが流れる系内の空いたスペースに存在することになる。したがって、アンモニアが熱分解するほど、系内の水素の量が増加し、系内におけるアンモニアの分圧が低下する。系内のアンモニアの分圧が低下すると、熱交換部付き反応器11を所定温度に維持した場合における蓄熱材24の発熱温度が低下する。また、発生した水素は、アンモニアの蓄熱材24への拡散を阻害する。その結果、熱交換部付き反応器11の暖機時における発熱量が低減し、化学蓄熱装置10の発熱性能が低下してしまう。そこで、この化学蓄熱装置10では、熱交換部付き反応器11の容器27の内面にアンモニアの熱分解(窒化)を抑制するためのコーティング層が形成されている。   Further, when ammonia is thermally decomposed, hydrogen is generated together with nitrogen. In particular, as can be seen from Equation (3), when 1 mol of ammonia is decomposed by nitriding, 1.5 mol of hydrogen is generated. The generated hydrogen is not chemically adsorbed by the heat storage material 24 of the reactor 11 with the heat exchange section, and is not physically adsorbed by the adsorbent 12a of the storage device 12. Therefore, the generated hydrogen is present in a vacant space in the system through which ammonia flows, which is composed of the reactor 11 with the heat exchange section, the reservoir 12 and the connecting pipe 13. Therefore, as the ammonia is thermally decomposed, the amount of hydrogen in the system increases and the partial pressure of ammonia in the system decreases. When the partial pressure of ammonia in the system is lowered, the heat generation temperature of the heat storage material 24 is lowered when the reactor 11 with the heat exchange unit is maintained at a predetermined temperature. The generated hydrogen inhibits diffusion of ammonia into the heat storage material 24. As a result, the amount of heat generated when the reactor 11 with the heat exchange unit is warmed up is reduced, and the heat generation performance of the chemical heat storage device 10 is reduced. Therefore, in this chemical heat storage device 10, a coating layer for suppressing thermal decomposition (nitridation) of ammonia is formed on the inner surface of the container 27 of the reactor 11 with a heat exchange unit.

図1〜3に加えて図4及び図5を参照して、容器27の内面に形成されたコーティング層について説明する。図4は、熱交換部付き反応器11の一部拡大側断面図である。図5は、熱交換部付き反応器11の一部拡大平断面図である。   A coating layer formed on the inner surface of the container 27 will be described with reference to FIGS. 4 and 5 in addition to FIGS. FIG. 4 is a partially enlarged side sectional view of the reactor 11 with a heat exchange section. FIG. 5 is a partially enlarged plan view of the reactor 11 with a heat exchange section.

熱交換部付き反応器11では、配管20、蓋部材21,22及び複数個のチューブ23aにより、複数個の蓄熱材24を収容する容器27が形成されている。この容器27の内面は、配管20の内周面20a、蓋部材21,22の内側(蓄熱材24側)の面21b,22b、複数個のチューブ23aの外側(蓄熱材24側及び断熱材25側)の面23dからなる。これらの各面20a,21b,22b,23dは、容器27内に供給されたアンモニアが接する面である。   In the reactor 11 with a heat exchange part, the container 27 which accommodates the some heat storage material 24 is formed of the piping 20, the cover members 21 and 22, and the some tube 23a. The inner surface of the container 27 includes the inner peripheral surface 20a of the pipe 20, the surfaces 21b and 22b on the inner side (the heat storage material 24 side) of the lid members 21 and 22, and the outer sides (the heat storage material 24 side and the heat insulating material 25) of the plurality of tubes 23a. Side) surface 23d. Each of these surfaces 20a, 21b, 22b, and 23d is a surface with which ammonia supplied into the container 27 comes into contact.

容器27の内面である全ての面20a,21b,22b,23dには、セラミックのコーティング層28が形成されている。コーティング層28は、容器27の内面(ステンレス鋼の表面)を被覆する薄い膜である。コーティング層28のセラミックとしては、例えば、二酸化ケイ素(SiO、シリカ)が用いられる。 A ceramic coating layer 28 is formed on all the surfaces 20a, 21b, 22b, and 23d, which are the inner surfaces of the container 27. The coating layer 28 is a thin film that covers the inner surface (the surface of stainless steel) of the container 27. For example, silicon dioxide (SiO 2 , silica) is used as the ceramic of the coating layer 28.

容器27の基材であるステンレス鋼の表面が、コーティング層28で覆われている。このコーティング層28により、ステンレス鋼の表面が容器27内のアンモニアと直接接触しない。そのため、ステンレス鋼に含まれる鉄、クロムなどの金属成分によるアンモニアを熱分解する触媒作用が抑制される。したがって、熱交換部付き反応器11の容器27内が高温になった場合でも、アンモニアの熱分解が抑制され、それに伴って容器27の窒化も抑制される。これにより、アンモニアの熱分解による窒素及び水素の発生量は、コーティング層がない容器に比べて少なくなる。その結果、水素の分圧の上昇が抑えられるので、アンモニアの分圧の低下が抑えられる。また、発生した窒素が、コーティング層28により容器27(ステンレス鋼)の内部に侵入し難くなる。   The surface of the stainless steel that is the base material of the container 27 is covered with the coating layer 28. The coating layer 28 prevents the stainless steel surface from coming into direct contact with the ammonia in the container 27. Therefore, the catalytic action of thermally decomposing ammonia by metal components such as iron and chromium contained in stainless steel is suppressed. Therefore, even when the inside of the container 27 of the reactor 11 with the heat exchanging portion becomes high temperature, ammonia thermal decomposition is suppressed, and accordingly, nitriding of the container 27 is also suppressed. As a result, the amount of nitrogen and hydrogen generated by the thermal decomposition of ammonia is reduced compared to a container without a coating layer. As a result, an increase in the partial pressure of hydrogen is suppressed, so that a decrease in the partial pressure of ammonia is suppressed. Further, the generated nitrogen is difficult to enter the container 27 (stainless steel) by the coating layer 28.

コーティング層28を形成するために、コーティング処理が組み立て前の容器27を構成する各部材の状態でそれぞれ行われる。各部材の状態でコーティング処理した場合、その各部材から組み立てられた容器27の内面側だけにコーティング層が形成される場合と内面側及び外面側にコーティング層が形成される場合がある。部材全体をコーティング処理した場合、この部材から組み立てられた容器27は外面側もコーティング層が形成されることになる。容器27の内面側だけをコーティング層を形成するためには、コーティング処理する際に部材において容器27の内面となる部分以外をマスキングするなどの処置が必要となる。なお、組み立て後の容器27の状態でコーティング処理が可能であれば、容器27の状態(蓄熱材24が収容されていない状態でもよい)で行ってもよい。   In order to form the coating layer 28, a coating process is performed in the state of each member which comprises the container 27 before an assembly. When the coating process is performed in the state of each member, a coating layer may be formed only on the inner surface side of the container 27 assembled from each member, or a coating layer may be formed on the inner surface side and the outer surface side. When the entire member is coated, a coating layer is formed on the outer surface of the container 27 assembled from this member. In order to form the coating layer only on the inner surface side of the container 27, it is necessary to take a measure such as masking the portion other than the inner surface of the container 27 in the member during the coating process. In addition, as long as a coating process is possible in the state of the container 27 after an assembly, you may carry out in the state of the container 27 (The state in which the thermal storage material 24 is not accommodated).

二酸化ケイ素のコーティング方法(成膜方法)としては、周知の方法が適用され、例えば、ゾルゲル法、ポリシラザンを転化させる方法がある。ゾルゲル法によるコーティング処理は、例えば、オルトケイ酸テトラエチルなどのアルコキシドの溶液中で加水分解及び重合反応によりゾル化し、さらに加熱などしてゲル化し、二酸化ケイ素の薄膜を形成する。このゾルゲル法による二酸化ケイ素のコーティング層28の厚みは、数10μmであり、例えば、30μmである。   As a silicon dioxide coating method (film formation method), a known method is applied, for example, a sol-gel method or a method of converting polysilazane. The coating process by the sol-gel method is formed into a sol by hydrolysis and polymerization reaction in an alkoxide solution such as tetraethyl orthosilicate, and further gelled by heating to form a silicon dioxide thin film. The thickness of the silicon dioxide coating layer 28 by this sol-gel method is several tens of μm, for example, 30 μm.

ポリシラザンは、−(SiHNH)−を基本ユニットとする高分子化合物であり、有機溶媒に可溶である。ポリシラザンとしては、例えば、パーヒドロポリシラザン(PHPS)が用いられる。ポリシラザンは、水分(HO)と反応し、アンモニアと水素を発生させながら、二酸化ケイ素に転化する。ポリシラザンを用いたコーティング処理は、例えば、加熱による転化方法があり、部材の表面にポリシラザンの有機溶剤溶液を塗布し、大気中または水蒸気含有雰囲気中で焼成(加熱)して二酸化ケイ素に転化させ、二酸化ケイ素の薄膜を形成する。転化方法としては、加湿による転化方法、常温放置による転化方法もある。このポリシラザンを転化させる方法では、緻密な膜を薄く形成できる。ポリシラザンを転化させた二酸化ケイ素のコーティング層28の厚みは、0.数μm〜数μmであり、例えば、1μmである。 Polysilazane is a high molecular compound having — (SiH 2 NH) — as a basic unit, and is soluble in an organic solvent. As polysilazane, for example, perhydropolysilazane (PHPS) is used. Polysilazane reacts with moisture (H 2 O) and converts to silicon dioxide while generating ammonia and hydrogen. The coating treatment using polysilazane is, for example, a conversion method by heating, applying an organic solvent solution of polysilazane to the surface of the member, and firing (heating) in the atmosphere or in an atmosphere containing water vapor to convert to silicon dioxide, A thin film of silicon dioxide is formed. The conversion method includes a conversion method by humidification and a conversion method by standing at room temperature. With this polysilazane conversion method, a dense film can be formed thin. The thickness of the coating layer 28 of silicon dioxide converted from polysilazane is 0. It is several μm to several μm, for example, 1 μm.

コーティング層28のセラミックとしては、二酸化ケイ素以外のセラミックを用いてもよく、例えば、ダイヤモンドライクカーボン(DLC[Diamond Like Carbon])、窒化チタン(TiN)を用いてもよい。ダイヤモンドライクカーボンのコーティング方法としては、周知の方法が適用され、例えば、CVD[Chemical Vapor Deposition]法、PVD[PhysicalVapor Deposition]法(スパッタ法など)がある。ダイヤモンドライクカーボンのコーティング層28の厚みは、数10nm〜数10μmである。窒化チタンのコーティング方法としては、周知の方法が適用され、例えば、PVD法がある。窒化チタンのコーティング層28の厚みは、数μmであり、例えば、2〜3μmである。   As the ceramic of the coating layer 28, a ceramic other than silicon dioxide may be used, for example, diamond-like carbon (DLC [Diamond Like Carbon]) or titanium nitride (TiN) may be used. As a diamond-like carbon coating method, a known method is applied, for example, a CVD [Chemical Vapor Deposition] method or a PVD [Physical Vapor Deposition] method (sputtering method or the like). The thickness of the diamond-like carbon coating layer 28 is several tens of nanometers to several tens of micrometers. As a coating method of titanium nitride, a well-known method is applied, for example, there is a PVD method. The thickness of the titanium nitride coating layer 28 is several μm, for example, 2 to 3 μm.

この化学蓄熱装置10によれば、熱交換部付き反応器11の容器27の内面にセラミックのコーティング層28が形成されているので、熱交換部付き反応器11が高温状態になった場合でもコーティング層28によりアンモニアの熱分解及び窒化を抑制できる。これにより、化学蓄熱装置10では、熱交換部付き反応器11でのアンモニアの熱分解による発熱性能の低下を抑制できる。その結果、排気ガスを迅速に昇温できるので、DOC4などの各触媒を迅速に活性温度まで昇温できる。   According to this chemical heat storage device 10, since the ceramic coating layer 28 is formed on the inner surface of the container 27 of the reactor 11 with a heat exchange part, the coating is performed even when the reactor 11 with a heat exchange part is in a high temperature state. The layer 28 can suppress thermal decomposition and nitridation of ammonia. Thereby, in the chemical heat storage apparatus 10, the fall of the heat generation performance by the thermal decomposition of ammonia in the reactor 11 with a heat exchange part can be suppressed. As a result, since the exhaust gas can be quickly heated, each catalyst such as DOC4 can be quickly heated to the activation temperature.

ゾルゲル法は処理温度が高いので(例えば、800℃)、ゾルゲル法による二酸化ケイ素のコーティング層28の場合、耐熱性が高い。また、このコーティング層28の場合、熱伝導性も比較的高い。なお、コーティング層28は容器27のステンレス鋼の表面を覆う膜なので、容器27内で発生した熱が熱交換部23に伝わる際にその熱伝導を阻害する要因となる。したがって、コーティング層28は、熱伝導性が高いほうがよい。   Since the sol-gel method has a high processing temperature (for example, 800 ° C.), the silicon dioxide coating layer 28 by the sol-gel method has high heat resistance. In the case of this coating layer 28, the thermal conductivity is also relatively high. In addition, since the coating layer 28 is a film covering the surface of the stainless steel of the container 27, when the heat generated in the container 27 is transmitted to the heat exchanging portion 23, it becomes a factor that inhibits the heat conduction. Therefore, the coating layer 28 should have high thermal conductivity.

ポリシラザンの転化による二酸化ケイ素のコーティング層28の場合、緻密な膜質であるため、ピンホールなどの欠陥が少ない。また、このコーティング層28の場合、非常に薄い膜であるので、熱伝導性も比較的高い。   In the case of the coating layer 28 of silicon dioxide formed by conversion of polysilazane, since it has a dense film quality, there are few defects such as pinholes. Further, since the coating layer 28 is a very thin film, its thermal conductivity is relatively high.

ダイヤモンドライクカーボンのコーティング層28の場合、硬い膜質であるので、容器27の耐圧性、耐摩耗性などを向上させる。ダイヤモンドライクカーボンのコーティング処理は、他のセラミックのコーティング処理に比べて処理温度が比較的低く(例えば、室温〜200℃)、処理時間も比較的短く、また、電極の配置により複雑な形状にも均一に成膜し易いなど、他のセラミックのコーティング処理に比べて利点が多い。   Since the diamond-like carbon coating layer 28 has a hard film quality, the pressure resistance and wear resistance of the container 27 are improved. The diamond-like carbon coating process has a relatively low processing temperature (for example, room temperature to 200 ° C.) and a relatively short processing time compared with other ceramic coating processes. There are many advantages over other ceramic coating processes, such as uniform film formation.

窒化チタンのコーティング層28の場合、硬い膜質であるので、容器27の耐圧性、耐摩耗性などを向上させる。   In the case of the coating layer 28 of titanium nitride, since it is a hard film quality, the pressure resistance, abrasion resistance, etc. of the container 27 are improved.

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態に限定されることなく様々な形態で実施される。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, it is implemented in various forms, without being limited to the said embodiment.

例えば、上記実施形態では熱交換部付き反応器の容器がステンレス鋼で形成されるものに適用したが、特にこれに限られず、ステンレス鋼以外の鉄鋼、チタン、チタン合金などの他の金属材料で形成される容器に適用してもよい。これらの金属材料で形成される容器も高温状態になると、金属材料に含まれる金属が触媒として作用するとアンモニアの熱分解を促進する。そこで、これらの容器の内面にセラミックのコーティング層を形成しておくことにより、アンモニアの熱分解による発熱性能の低下を抑制できる。   For example, in the above embodiment, the container of the reactor with a heat exchange part is applied to the one formed of stainless steel. However, the present invention is not limited to this, and other metal materials such as steel other than stainless steel, titanium, titanium alloy, etc. You may apply to the container formed. When the container formed of these metal materials is also in a high temperature state, thermal decomposition of ammonia is promoted when the metal contained in the metal material acts as a catalyst. Therefore, by forming a ceramic coating layer on the inner surfaces of these containers, it is possible to suppress a decrease in heat generation performance due to thermal decomposition of ammonia.

また、上記実施形態では、容器の内面のステンレス鋼の表面上にコーティング層を形成しているが、これに限られず、容器の内面のステンレス鋼の表面を表面改質してからコーティング層を形成してもよい。表面改質処理としては、窒化処理やカロライズ処理などが挙げられる。   In the above embodiment, the coating layer is formed on the surface of the stainless steel on the inner surface of the container. However, the present invention is not limited to this, and the coating layer is formed after the surface of the stainless steel on the inner surface of the container is modified. May be. Examples of the surface modification treatment include nitriding treatment and calorizing treatment.

図6を参照して、表面改質処理として窒化処理を行った場合について説明する。図6は、容器内面を表面改質した場合の熱交換部付き反応器の一部拡大平断面図である。表面改質処理として窒化処理を行う場合には、容器27の内面のステンレス鋼の表面に窒化処理により所定厚さの窒化層29を形成した後に、その窒化処理された表面上にコーティング層28を形成する。この場合、容器27内の反応媒体としてのアンモニアは、コーティング層28と窒化層29によりステンレス鋼に含まれる鉄やクロムなどの金属成分との接触が阻まれるため、アンモニアの熱分解がさらに抑制されることとなる。なお、容器27の窒化処理は、ガス窒化法、プラズマ窒化法、塩浴窒化などの周知の方法で行われる。例えば、ガス窒化法の場合、窒化炉などを用いて各部材をアンモニア中で加熱して、高温状態(例えば、470〜580℃)を所定時間(例えば、数10時間)保持する。このように、窒化処理は、表面改質処理としては非常に簡単な処理であり、部材(ステンレス鋼材)の表面に簡単に窒化層を形成できる。窒化処理の際に高温状態を保持する時間を長くすると、窒素がステンレス鋼に侵入する深さが深くなり、窒化がステンレス鋼の内部へ進行する。したがって、この高温状態の保持時間を調整することで窒化層29の厚みを調整することが可能である。なお、窒化層29は、ステンレス鋼の表面からの厚み(深さ)が20μm以上の層として形成されることが望ましい。   With reference to FIG. 6, the case where the nitriding process is performed as the surface modification process will be described. FIG. 6 is a partially enlarged plan sectional view of a reactor with a heat exchanging part when the inner surface of the container is surface-modified. When nitriding is performed as the surface modification treatment, a nitride layer 29 having a predetermined thickness is formed on the stainless steel surface on the inner surface of the container 27 by nitriding treatment, and then the coating layer 28 is formed on the nitrided surface. Form. In this case, the ammonia as a reaction medium in the container 27 is prevented from contacting the metal component such as iron or chromium contained in the stainless steel by the coating layer 28 and the nitride layer 29, so that the thermal decomposition of ammonia is further suppressed. The Rukoto. The nitriding treatment of the container 27 is performed by a known method such as a gas nitriding method, a plasma nitriding method, or a salt bath nitriding. For example, in the case of the gas nitriding method, each member is heated in ammonia using a nitriding furnace or the like, and a high temperature state (for example, 470 to 580 ° C.) is maintained for a predetermined time (for example, several tens of hours). Thus, the nitriding process is a very simple process as a surface modification process, and a nitride layer can be easily formed on the surface of a member (stainless steel material). When the time during which the high temperature state is maintained during the nitriding treatment is lengthened, the depth at which nitrogen penetrates into the stainless steel is increased, and nitriding proceeds into the stainless steel. Therefore, the thickness of the nitride layer 29 can be adjusted by adjusting the holding time in this high temperature state. The nitride layer 29 is preferably formed as a layer having a thickness (depth) from the surface of stainless steel of 20 μm or more.

また、表面改質処理としてカロライズ処理を行った場合について説明する。表面改質処理としてカロライズ処理を行う場合には、容器の内面のステンレス鋼の表面にカロライズ処理により所定厚さのアルミニウム拡散浸透層及びアルミナ被膜を形成した後に、そのカロライズ処理された表面上にコーティング層を形成する。この場合、容器内の反応媒体としてのアンモニアは、コーティング層とアルミニウム拡散浸透層及びアルミナ被膜とにより容器を構成するステンレス鋼に含まれる鉄やクロムなどの金属成分との接触が阻まれるため、アンモニアの熱分解がさらに抑制されることとなる。なお、カロライズ処理は、FeAl合金粉とアルミナ粉とNHCl粉との混合粉末からなる浸透剤と金属材料からなる被処理物(ステンレス鋼からなる容器)とを密閉容器に収容し、800〜1000℃の高温で所定時間加熱処理することにより、被処理物である容器の表面にアルミニウム拡散浸透層(アルミニウムとステンレス鋼に含まれる金属成分との合金層)を形成させる処理である。このカロライズ処理により、アルミニウム拡散浸透層の表面上に膜厚が数μm程度のアルミナ被膜も形成される。カロライズ処理により形成されるアルミニウム拡散浸透層は200μm以上の層として形成されることが望ましい。 A case where calorizing treatment is performed as the surface modification treatment will be described. When calorizing treatment is performed as a surface modification treatment, an aluminum diffusion and permeation layer having a predetermined thickness and an alumina coating are formed on the surface of stainless steel on the inner surface of the container by a calorizing treatment, and then coated on the calorized treatment surface. Form a layer. In this case, ammonia as a reaction medium in the container is prevented from contacting with metal components such as iron and chromium contained in the stainless steel constituting the container by the coating layer, the aluminum diffusion / permeation layer, and the alumina coating. Will be further suppressed. In the calorizing treatment, a penetrant composed of a mixed powder of FeAl alloy powder, alumina powder, and NH 4 Cl powder and an object to be treated (container made of stainless steel) made of a metal material are contained in a sealed container, and 800 to This is a process of forming an aluminum diffusion / permeation layer (alloy layer of aluminum and a metal component contained in stainless steel) on the surface of a container which is an object to be processed by heat treatment at a high temperature of 1000 ° C. for a predetermined time. By this calorizing treatment, an alumina coating having a thickness of about several μm is also formed on the surface of the aluminum diffusion layer. The aluminum diffusion / penetration layer formed by calorizing treatment is preferably formed as a layer of 200 μm or more.

また、上記実施形態ではDOCの上流側に熱交換部付き反応器を配置させ、熱交換部を介して加熱する構成としたが、他の箇所に反応器を配置して加熱してもよく、例えば、DOC、SCR、ASCのうちのいずれかの触媒の外周部などに反応器を配置させてもよい。また、上記実施形態では蓄熱材と熱交換部とを交互に積層した構成の熱交換部付き反応器とし、熱交換部を挟んで複数個の蓄熱材を収容する容器としたが、反応器の構成、容器の形状などについては特にこれに限られず、例えば、略円柱形状の熱交換部を取り囲む断面環状の容器に蓄熱材が収容された反応器としてもよいし、直方体形状の容器に蓄熱材が収容された反応器とし、複数個の直方体形状の反応器と複数個の直方体形状の熱交換部とを交互に積層した構成としてもよい。   Moreover, in the said embodiment, although it was set as the structure which arrange | positions the reactor with a heat exchange part in the upstream of DOC, and heated via a heat exchange part, you may arrange | position a reactor in another location and heat it, For example, the reactor may be disposed on the outer periphery of any one of DOC, SCR, and ASC. Moreover, in the said embodiment, it was set as the reactor with the heat exchange part of the structure which laminated | stacked the heat storage material and the heat exchange part alternately, and it was set as the container which accommodates several heat storage material on both sides of a heat exchange part, The configuration, the shape of the container, and the like are not particularly limited thereto. For example, the reactor may be a reactor in which a heat storage material is accommodated in an annular container that surrounds a substantially cylindrical heat exchange part, or a heat storage material in a rectangular parallelepiped container. May be used, and a plurality of rectangular parallelepiped reactors and a plurality of rectangular parallelepiped heat exchange units may be alternately stacked.

また、上記実施形態では熱交換部付き反応器の容器の全ての内面にコーティング層が形成されているが、容器においてアンモニアが熱分解するほど高温にならない部分がある場合にはその部分の内面についてはコーティング層が形成されなくてもよい。例えば、熱交換部を取り囲む反応器の場合、内周面側には熱交換部が配置されるが、外周面側には熱交換部が配置されていないので、この外周面側が高温にならない可能性がある。また、容器の内面にアンモニアと接触しない部分がある場合にはその部分の内面についてはコーティング層を形成しないようにしてもよい。   In the above embodiment, the coating layer is formed on the entire inner surface of the container of the reactor with a heat exchange part, but if there is a part in the container that does not reach a high temperature enough to thermally decompose ammonia, The coating layer may not be formed. For example, in the case of a reactor that surrounds the heat exchanging part, the heat exchanging part is arranged on the inner peripheral surface side, but since the heat exchanging part is not arranged on the outer peripheral surface side, the outer peripheral surface side may not become high temperature. There is sex. Moreover, when there is a part which does not contact ammonia on the inner surface of the container, the coating layer may not be formed on the inner surface of the part.

また、上記実施形態では熱交換部付き反応器の容器の内面にコーティング層が形成されているが、容器の内部に金属材料で形成された部材が設けられている場合にはその部材におけるアンモニアと接する面にもコーティング層を形成しておいてもよい。容器の内部に設けられる部材としては、例えば、熱交換部を取り囲む反応器などにおいてアンモニアを迅速に拡散させるために設けられる多孔体があり、この多孔体が金属材料で形成されている場合である。このような部材におけるアンモニアが接する面にもコーティング層を形成しておくことにより、アンモニアの熱分解による発熱性能の低下を更に抑制できる。   Further, in the above embodiment, the coating layer is formed on the inner surface of the reactor of the reactor with a heat exchange section, but when a member made of a metal material is provided inside the container, ammonia and A coating layer may also be formed on the contact surface. As a member provided inside the container, for example, there is a porous body provided for rapidly diffusing ammonia in a reactor or the like surrounding the heat exchange section, and this porous body is formed of a metal material. . By forming a coating layer on the surface of the member in contact with ammonia, it is possible to further suppress a decrease in heat generation performance due to thermal decomposition of ammonia.

また、上記実施形態では熱交換部付き反応器の容器の内面にコーティング層が形成されるが、反応器以外にもアンモニアが熱分解するほど高温になる箇所がある場合にはその箇所にもコーティング層を形成しておいてもよい。例えば、接続管における反応器の直近部分が高温になる可能性がある。接続管も、ステンレス鋼などの金属材料により形成されている。そこで、接続管の反応器の直近部分の内面にもコーティング層を形成しておくことにより、アンモニアの熱分解による発熱性能の低下を更に抑制できる。   Further, in the above embodiment, a coating layer is formed on the inner surface of the reactor of the reactor with a heat exchanging part. If there is a part that becomes so hot that ammonia is thermally decomposed in addition to the reactor, the part is also coated. A layer may be formed. For example, the immediate vicinity of the reactor in the connecting pipe may become hot. The connecting pipe is also formed of a metal material such as stainless steel. Therefore, by forming a coating layer on the inner surface of the connection pipe in the immediate vicinity of the reactor, it is possible to further suppress a decrease in heat generation performance due to thermal decomposition of ammonia.

また、上記実施形態ではディーゼルエンジンから排出される排気ガスを加熱(暖機)する化学蓄熱装置としたが、特にこれに限られず、ガソリンエンジンから排出される排気ガスを加熱する化学蓄熱装置などに適用してもよく、排気ガス浄化用触媒や熱交換器、または、その他のエンジン部品を加熱する化学蓄熱装置に適用してもよい。また、排気ガス以外にも、気体状または液体状の流体(例えば、オイル、水、空気、水蒸気)を加熱する化学蓄熱装置に適用してもよい。また、エンジン以外にも、ごみ焼却工場、発電所、各種プラント工場などに化学蓄熱装置を適用してもよい。   Moreover, in the said embodiment, although it was set as the chemical thermal storage apparatus which heats (warms up) the exhaust gas discharged | emitted from a diesel engine, it is not restricted to this in particular, For the chemical thermal storage apparatus etc. which heat the exhaust gas discharged | emitted from a gasoline engine The present invention may be applied to an exhaust gas purification catalyst, a heat exchanger, or a chemical heat storage device that heats other engine components. Moreover, you may apply to the chemical thermal storage apparatus which heats gaseous or liquid fluids (for example, oil, water, air, water vapor | steam) besides exhaust gas. In addition to the engine, a chemical heat storage device may be applied to a garbage incineration plant, a power plant, various plant factories, and the like.

1…排気ガス浄化システム、2…エンジン、3…排気管、4…DOC、5…DPF、6…SCR、7…ASC、10…化学蓄熱装置、11…熱交換部付き反応器、12…貯蔵器、12a…吸着材、13…接続管、14…バルブ、20…配管、20a…内周面、20b…貫通孔、21,22…蓋部材、21a…貫通孔、21b,22b…面、23…熱交換部、23a…チューブ、23b…フィン、23c…開口部、23d…面、24…蓄熱材、24a…蓄熱材部、25…断熱材、25a…貫通孔、25b…溝部、26…積層体、27…容器、28…コーティング層、29…窒化層、30,31…テーパ管。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Exhaust gas purification system, 2 ... Engine, 3 ... Exhaust pipe, 4 ... DOC, 5 ... DPF, 6 ... SCR, 7 ... ASC, 10 ... Chemical heat storage device, 11 ... Reactor with a heat exchange part, 12 ... Storage 12a ... adsorbent, 13 ... connecting pipe, 14 ... valve, 20 ... piping, 20a ... inner peripheral surface, 20b ... through hole, 21,22 ... lid member, 21a ... through hole, 21b, 22b ... surface, 23 ... heat exchange part, 23a ... tube, 23b ... fin, 23c ... opening, 23d ... surface, 24 ... heat storage material, 24a ... heat storage material part, 25 ... heat insulating material, 25a ... through hole, 25b ... groove part, 26 ... lamination Body, 27 ... container, 28 ... coating layer, 29 ... nitride layer, 30, 31 ... taper tube.

Claims (6)

反応媒体との化学反応により発熱しかつ吸熱により前記反応媒体を脱離する蓄熱材と、前記蓄熱材を内部に収容する容器とを有する反応器と、
前記反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、
前記反応器と前記貯蔵器とを連通し、前記反応器と前記貯蔵器との間で前記反応媒体を流通させる接続管と、
を備え、
前記反応媒体は、アンモニアであり、
前記容器は、金属材料により形成されており、
前記容器の内面における少なくとも前記アンモニアと接触する部分には、前記容器の内面を被覆するセラミックのコーティング層が形成されている、化学蓄熱装置。
A reactor having a heat storage material that generates heat by chemical reaction with the reaction medium and desorbs the reaction medium by endotherm, and a container that houses the heat storage material therein,
A reservoir for storing the reaction medium;
A connecting pipe that communicates the reactor and the reservoir and circulates the reaction medium between the reactor and the reservoir;
With
The reaction medium is ammonia;
The container is made of a metal material,
A chemical heat storage device in which a ceramic coating layer that covers the inner surface of the container is formed on at least a portion of the inner surface of the container that contacts the ammonia.
前記セラミックは、二酸化ケイ素である、請求項1に記載の化学蓄熱装置。   The chemical heat storage device according to claim 1, wherein the ceramic is silicon dioxide. 前記二酸化ケイ素の前記コーティング層は、ポリシラザンを転化させて形成される、請求項2に記載の化学蓄熱装置。   The chemical heat storage device according to claim 2, wherein the coating layer of silicon dioxide is formed by converting polysilazane. 前記セラミックは、ダイヤモンドライクカーボンである、請求項1に記載の化学蓄熱装置。   The chemical heat storage device according to claim 1, wherein the ceramic is diamond-like carbon. 前記セラミックは、窒化チタンである、請求項1に記載の化学蓄熱装置。   The chemical heat storage device according to claim 1, wherein the ceramic is titanium nitride. 前記金属材料は、ステンレス鋼である、請求項1〜請求項5の何れか一項に記載の化学蓄熱装置。   The chemical heat storage device according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal material is stainless steel.
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