JP2020008001A - Exhaust gas heating system and exhaust gas heating method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エンジンからの排ガスを加熱するためのシステムに関する。また、本発明はエンジンからの排ガスを加熱する方法に関する。 The present invention relates to a system for heating exhaust gas from an engine. The invention also relates to a method for heating exhaust gas from an engine.
人体への健康被害低減の観点から、大気環境基準を満たすべく自動車排ガス中の有害成分の低減が要求されている。このため、自動車動力源の主流であるガソリンエンジン及びディーゼルエンジンから排出される炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物は、特に都市部での大気環境改善のため、排出量を限りなく０に近づけることが要求されている。エンジン排ガスの浄化手段としては、セラミックス製のハニカム構造体に触媒をコートした排ガス浄化装置が現在一般に用いられている。 From the viewpoint of reducing health damage to the human body, reduction of harmful components in automobile exhaust gas is required to satisfy atmospheric environmental standards. For this reason, hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides emitted from gasoline engines and diesel engines, which are the mainstreams of automobile power sources, make their emissions as close to zero as possible, especially for improving the atmospheric environment in urban areas. Is required. As an engine exhaust gas purifying means, an exhaust gas purifying apparatus in which a ceramic honeycomb structure is coated with a catalyst is generally used at present.
また、地球環境保護の観点からＣＯ2排出量の低減が要求されており、エンジンと電気モータが併用されるハイブリッド車が普及している。ハイブリッド車ではエンジンの始動及び停止頻度が高まり、始動直後の排ガス低温時の浄化率向上要求はさらに高まっている。 Further, from the viewpoint of global environmental protection, reduction of CO 2 emission is required, and hybrid vehicles using both an engine and an electric motor are widely used. In a hybrid vehicle, the frequency of starting and stopping the engine is increasing, and the demand for improving the purification rate when the exhaust gas temperature is low immediately after the starting is further increasing.
しかしながら、触媒を用いた排ガス浄化装置では、触媒活性が十分となる温度にならないと浄化が行えないという問題がある。このため、エンジン始動直後の排ガス温度が低いときは、触媒温度も低いため十分な浄化効率が得られず、炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物の排出量を限りなく０に近づけるという昨今の要求には対応できていないのが現状である。 However, the exhaust gas purifying apparatus using a catalyst has a problem that the purification cannot be performed unless the temperature becomes sufficient for the catalytic activity. For this reason, when the exhaust gas temperature is low immediately after the start of the engine, sufficient purification efficiency cannot be obtained due to the low catalyst temperature, and the emission of hydrocarbons, carbon monoxide, and nitrogen oxides is reduced to almost zero in recent years. At present, it cannot respond to requests.
このような問題への対策として、電流を触媒が担持された導電性ハニカム構造体自体に流し、そのジュール熱でハニカム構造体自体を加熱する方法が提案されている（特許文献１）。 As a countermeasure against such a problem, there has been proposed a method in which an electric current is caused to flow through a conductive honeycomb structure itself carrying a catalyst and the honeycomb structure itself is heated by Joule heat (Patent Document 1).
ハニカム構造体自身に電流を流さず、非導電性ハニカム構造体のセルに金属ワイヤを挿入して、周囲のコイルにより誘導加熱する方法も知られている（特許文献２）。 There is also known a method in which a current is not passed through the honeycomb structure itself, a metal wire is inserted into a cell of the non-conductive honeycomb structure, and induction heating is performed by a surrounding coil (Patent Document 2).
更に、燃料の一部を温めたい触媒の上流で燃焼させるバーナを装備し、燃料の燃焼によって排ガス温度を上昇させる排ガス加熱方法も知られている（特許文献３）。 Further, there is also known an exhaust gas heating method in which a burner that burns a part of the fuel upstream of a catalyst to be heated is provided, and the temperature of the exhaust gas is increased by burning the fuel (Patent Document 3).
ハニカム構造体が設置される自動車の床下位置では、排ガス中の凝縮水が排気管内に溜まりやすい。このため、特許文献１に記載されているような、導電性ハニカム構造体に電流を流してハニカム構造体自体を加熱する方法だと、凝縮水によって電気短絡が発生してしまうという問題があり、何らかの対応が必要である。 At the position below the floor of the vehicle where the honeycomb structure is installed, condensed water in the exhaust gas tends to accumulate in the exhaust pipe. For this reason, the method described in Patent Literature 1 in which a current flows through the conductive honeycomb structure to heat the honeycomb structure itself has a problem that an electric short circuit occurs due to condensed water, Some action is needed.
特許文献２に記載の技術は凝縮水が発生する環境でも使用可能である。しかしながら、この技術をハニカム構造体に適用すると、一部のセルがガス流路として使用できなくなり、ガス流路が減ることにより、排ガスがハニカム構造体を通過する際に圧損の大幅な増加を引き起こしやすい。 The technique described in Patent Document 2 can be used even in an environment where condensed water is generated. However, when this technology is applied to a honeycomb structure, some cells cannot be used as a gas flow path, and the gas flow path is reduced, causing a significant increase in pressure loss when exhaust gas passes through the honeycomb structure. Cheap.
特許文献３に記載の技術では燃料の燃焼によりＣＯ2が発生するという問題がある。また、バーナから排出される燃え切っていない燃料自体が、温まる途中の触媒では完全に浄化できず、そのまま排出されるという問題もある。 The technique described in Patent Document 3 has a problem in that CO 2 is generated by combustion of fuel. Further, there is also a problem that the unburned fuel itself discharged from the burner cannot be completely purified by the catalyst being warmed up, and is discharged as it is.
本発明は上記事情に鑑みて創作されたものであり、一実施形態において、ＣＯ2の排出を抑制でき、排ガス中に凝縮水が生成する環境でも問題なく使用でき、且つ、ハニカム構造体に大きな圧力損失を生じることがない排ガス加熱システム及び排ガスの加熱方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and in one embodiment, can suppress the emission of CO 2 , can be used without problems even in an environment in which condensed water is generated in exhaust gas, and has a large honeycomb structure. An object of the present invention is to provide an exhaust gas heating system and a method for heating exhaust gas that do not cause pressure loss.
本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討したところ、排ガス浄化触媒の上流で水素含有ガスを燃焼させることで発生した燃焼ガスを利用して排ガスを加熱することが有効であることを見出した。本発明は当該知見に基づいて完成したものであり、以下に例示される。 The present inventors have conducted intensive studies to solve the above-described problems, and found that it is effective to heat exhaust gas using combustion gas generated by burning a hydrogen-containing gas upstream of an exhaust gas purification catalyst. Was. The present invention has been completed based on this finding, and is exemplified below.
［１］
エンジンからの排ガスを流すための排ガス流路の途中に設置された排ガス浄化用触媒担持体と、
水素含有ガスを燃料として使用する水素バーナと、
前記水素バーナに前記水素含有ガスを供給するための水素含有ガス供給サブシステムと、
を備える排ガス加熱システムであって、
前記水素バーナが、前記エンジンと前記排ガス浄化用触媒担持体との間の前記排ガス流路内に燃焼ガスを供給可能に構成されている排ガス加熱システム。
［２］
前記水素含有ガス中の水素濃度が７０体積％以上である［１］に記載の排ガス加熱システム。
［３］
前記水素含有ガス供給サブシステムは、
前記排ガス流路から抽出される排ガス中の水分を電気分解して水素を生成可能な水素生成器を有し、
前記水素生成器からの水素を前記水素バーナに供給可能に構成されている、
［１］又は［２］に記載の排ガス加熱システム。
［４］
前記排ガス加熱システムは、排ガス流路の途中に設置されたパティキュレートフィルタを更に備え、
前記水素生成器は、前記パティキュレートフィルタの下流側の排ガス流路から抽出される排ガス中の水分を電気分解して水素を生成可能である、
［３］に記載の排ガス加熱システム。
［５］
前記水素含有ガス供給サブシステムは、前記水素生成器からの水素を貯めるための水素貯蔵タンクを有する［３］又は［４］に記載の排ガス加熱システム。
［６］
前記水素含有ガス供給サブシステムは、
前記水素貯蔵タンクから前記水素バーナに水素を供給するための水素流路と、
前記水素流路の途中に設置され、制御信号により、水素の流量を制御するための水素流量調整ユニットと、
を有する［５］に記載の排ガス加熱システム。
［７］
前記水素貯蔵タンクは、水素貯蔵タンク内の圧力を計測するための圧力センサーを有する［５］又は［６］に記載の排ガス加熱システム。
［８］
前記水素流量調整ユニットは、前記圧力センサーによって計測される圧力が所定の圧力以上となったときに、前記水素バーナへの水素の供給を行うように構成されている［６］に従属する［７］に記載の排ガス加熱システム。
［９］
前記水素含有ガス供給サブシステムは、前記水素バーナから前記水素貯蔵タンクに向かって水素が逆流するのを抑制するための装置を有する［５］〜［８］の何れか一項に記載の排ガス加熱システム。
［１０］
前記水素生成器は、
前記排ガス流路から抽出される排ガス中の水分からプロトン及び酸素を生成可能なアノードを有する第一チャンバーと、
前記プロトンから水素を生成可能なカソードを有する第二チャンバーと、
アノード及びカソードの間に配置されたプロトン伝導体と、
を有する［３］〜［９］の何れか一項に記載の排ガス加熱システム。
［１１］
前記水素生成器の第一チャンバーは、水素バーナに対して流体が連通可能に構成されている［１０］に記載の排ガス加熱システム。
［１２］
前記排ガス加熱システムは、前記排ガス流路の途中に設置されたパティキュレートフィルタを更に備え、
前記水素生成器の第一チャンバーは、前記パティキュレートフィルタの上流側の排ガス流路に対して流体が連通可能に構成されている［１０］又は［１１］に記載の排ガス加熱システム。
［１３］
前記排ガス加熱システムは、前記排ガス流路の途中に設置されたパティキュレートフィルタを更に備え、
前記水素含有ガス供給サブシステムが、
前記パティキュレートフィルタの下流側の排ガス流路から抽出された排ガスを水素生成器に供給可能な排ガス分岐流路と、
前記排ガス分岐流路の途中に設置され、制御信号により、抽出される排ガスの流量を制御するための排ガス抽出流量調整ユニットと、
を有する［３］〜［１２］の何れか一項に記載の排ガス加熱システム。
［１４］
排ガス浄化用触媒担持体の上流側又は下流側又はその両者における排ガス流路内の温度を計測するための温度センサーを更に備える［１］〜［１３］の何れか一項に記載の排ガス加熱システム。
［１５］
前記排ガス抽出流量調整ユニットは、前記温度センサーで計測される温度が所定の温度範囲となり、且つ、前記圧力センサーによって計測される圧力が所定の圧力以上となったときに、前記水素生成器への排ガスの供給を行うように構成されている［７］及び［１３］に従属する［１４］に記載の排ガス加熱システム。
［１６］
前記水素生成器は、エンジン動力及び／又はブレーキ動力により駆動する発電機により生成する電気を蓄電可能なバッテリーからの電気を利用して駆動可能に構成されている［３］〜［１５］の何れか一項に記載の排ガス加熱システム。
［１７］
前記水素含有ガス供給サブシステムは、前記水素生成器を加熱する加熱装置を有する［３］〜［１６］の何れか一項に記載の排ガス加熱システム。
［１８］
水素含有ガスを燃料として使用する水素バーナに水素含有ガスを供給する工程と、
前記水素バーナで前記水素含有ガスを燃焼させ、燃焼ガスを生成する工程と、
エンジンからの排ガスを流すための排ガス流路の途中に設置された排ガス浄化用触媒担持体と、前記エンジンと、の間の前記排ガス流路内に前記燃焼ガスを供給し、排ガスを加熱する工程と、
を備える排ガスの加熱方法。
[1]
An exhaust gas purifying catalyst carrier installed in the exhaust gas flow path for flowing exhaust gas from the engine,
A hydrogen burner that uses a hydrogen-containing gas as a fuel,
A hydrogen-containing gas supply subsystem for supplying the hydrogen-containing gas to the hydrogen burner;
An exhaust gas heating system comprising:
An exhaust gas heating system, wherein the hydrogen burner is configured to be able to supply a combustion gas into the exhaust gas passage between the engine and the exhaust gas purifying catalyst carrier.
[2]
The exhaust gas heating system according to [1], wherein a hydrogen concentration in the hydrogen-containing gas is 70% by volume or more.
[3]
The hydrogen-containing gas supply subsystem includes:
Having a hydrogen generator capable of generating hydrogen by electrolyzing moisture in the exhaust gas extracted from the exhaust gas channel,
It is configured to be able to supply hydrogen from the hydrogen generator to the hydrogen burner,
The exhaust gas heating system according to [1] or [2].
[4]
The exhaust gas heating system further includes a particulate filter installed in the exhaust gas flow path,
The hydrogen generator is capable of generating hydrogen by electrolyzing moisture in exhaust gas extracted from an exhaust gas channel on the downstream side of the particulate filter,
The exhaust gas heating system according to [3].
[5]
The exhaust gas heating system according to [3] or [4], wherein the hydrogen-containing gas supply subsystem has a hydrogen storage tank for storing hydrogen from the hydrogen generator.
[6]
The hydrogen-containing gas supply subsystem includes:
A hydrogen flow path for supplying hydrogen from the hydrogen storage tank to the hydrogen burner,
A hydrogen flow rate adjustment unit that is installed in the middle of the hydrogen flow path and controls a flow rate of hydrogen by a control signal,
The exhaust gas heating system according to [5], comprising:
[7]
The exhaust gas heating system according to [5] or [6], wherein the hydrogen storage tank has a pressure sensor for measuring a pressure in the hydrogen storage tank.
[8]
The hydrogen flow adjusting unit is configured to supply hydrogen to the hydrogen burner when the pressure measured by the pressure sensor becomes equal to or higher than a predetermined pressure, and the hydrogen flow adjusting unit is dependent on [6]. ] The exhaust gas heating system according to [1].
[9]
The exhaust gas heating according to any one of [5] to [8], wherein the hydrogen-containing gas supply subsystem has a device for suppressing backflow of hydrogen from the hydrogen burner toward the hydrogen storage tank. system.
[10]
The hydrogen generator,
A first chamber having an anode capable of generating protons and oxygen from moisture in exhaust gas extracted from the exhaust gas channel,
A second chamber having a cathode capable of producing hydrogen from the protons,
A proton conductor disposed between the anode and the cathode;
The exhaust gas heating system according to any one of [3] to [9], comprising:
[11]
The exhaust gas heating system according to [10], wherein the first chamber of the hydrogen generator is configured to allow fluid to communicate with a hydrogen burner.
[12]
The exhaust gas heating system further includes a particulate filter installed in the exhaust gas flow path,
The exhaust gas heating system according to [10] or [11], wherein the first chamber of the hydrogen generator is configured to allow a fluid to communicate with an exhaust gas channel on an upstream side of the particulate filter.
[13]
The exhaust gas heating system further includes a particulate filter installed in the exhaust gas flow path,
The hydrogen-containing gas supply subsystem,
An exhaust gas branch channel that can supply exhaust gas extracted from an exhaust gas channel on the downstream side of the particulate filter to the hydrogen generator,
An exhaust gas extraction flow rate adjustment unit that is installed in the middle of the exhaust gas branch channel and controls the flow rate of the extracted exhaust gas by a control signal,
The exhaust gas heating system according to any one of [3] to [12], comprising:
[14]
The exhaust gas heating system according to any one of [1] to [13], further comprising a temperature sensor for measuring a temperature in an exhaust gas channel on an upstream side and / or a downstream side of the exhaust gas purifying catalyst carrier. .
[15]
The exhaust gas extraction flow rate adjustment unit, when the temperature measured by the temperature sensor is in a predetermined temperature range, and, when the pressure measured by the pressure sensor is equal to or higher than a predetermined pressure, the hydrogen generator The exhaust gas heating system according to [14], wherein the system is configured to supply exhaust gas and [7] and [13].
[16]
The hydrogen generator is configured to be driven using electricity from a battery capable of storing electricity generated by a generator driven by engine power and / or brake power [3] to [15]. An exhaust gas heating system according to claim 1.
[17]
The exhaust gas heating system according to any one of [3] to [16], wherein the hydrogen-containing gas supply subsystem has a heating device that heats the hydrogen generator.
[18]
Supplying a hydrogen-containing gas to a hydrogen burner that uses the hydrogen-containing gas as a fuel,
Burning the hydrogen-containing gas with the hydrogen burner to generate a combustion gas;
A step of supplying the combustion gas into the exhaust gas flow path between the exhaust gas purifying catalyst carrier installed in the exhaust gas flow path for flowing exhaust gas from the engine and the engine and heating the exhaust gas; When,
An exhaust gas heating method comprising:
本発明の一実施形態によれば、ＣＯ2の排出を抑制でき、排ガス中に凝縮水が生成する環境でも問題なく使用でき、且つ、ハニカム構造体に大きな圧力損失を生じることなく、エンジンからの排ガスを加熱することができる。そのため、本発明はエンジン始動時の排ガス温度が低い間に排ガス浄化用触媒の活性を高め、炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物等の大気汚染物質の排出量を低減する手段として有用である。 According to an embodiment of the present invention can suppress the emission of CO 2, it can be used without problems in an environment that produces the condensed water in the exhaust gas, and, without causing a large pressure loss in the honeycomb structure, from engine The exhaust gas can be heated. Therefore, the present invention is useful as a means for increasing the activity of the exhaust gas purifying catalyst while the temperature of the exhaust gas is low when the engine is started, and for reducing the emission of air pollutants such as hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides. .
次に本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It is understood that the present invention is not limited to the following embodiments, and changes and improvements in the design may be appropriately made based on ordinary knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Should.
図１には、本発明に係る排ガス加熱システム（１０）の一例についての模式図が示されている。排ガス加熱システム（１０）は、エンジン（１２）からの排ガスを流すための排ガス流路（１１）の途中に設置された排ガス浄化用触媒担持体（１４ａ、１４ｂ）と、水素含有ガスを燃料として使用する水素バーナ（１３）と、水素バーナ（１３）に水素含有ガスを供給するための水素含有ガス供給サブシステム（３０）とを備える。 FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of an exhaust gas heating system (10) according to the present invention. An exhaust gas heating system (10) includes an exhaust gas purifying catalyst carrier (14a, 14b) installed in the middle of an exhaust gas flow path (11) for flowing exhaust gas from an engine (12), and a hydrogen-containing gas as a fuel. A hydrogen burner (13) to be used and a hydrogen-containing gas supply subsystem (30) for supplying a hydrogen-containing gas to the hydrogen burner (13) are provided.
エンジン（１２）からは炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物等の大気汚染物質を含む排ガスが排ガス流路（１１）を通って流れる。エンジンとしては、特に制限はないが、ディーゼルエンジン及びガソリンエンジンが挙げられる。排ガス浄化用触媒担持体は、これらの大気汚染物質の少なくとも一種を浄化する触媒を担持する構造体である。そのような構造体としては、限定的ではないが、触媒をコートしたセラミックス製（コージェライト、炭化ケイ素等）のハニカム構造体が挙げられる。触媒としては、限定的ではないが、酸化触媒、三元触媒、ＳＣＲ触媒、尿素ＳＣＲ触媒、ＮＳＲ触媒等が挙げられる。 Exhaust gas containing air pollutants such as hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides flows from the engine (12) through the exhaust gas passage (11). The engine is not particularly limited, and includes a diesel engine and a gasoline engine. The exhaust gas purifying catalyst carrier is a structure that carries a catalyst that purifies at least one of these air pollutants. Examples of such a structure include, but are not limited to, a honeycomb structure made of a ceramic (eg, cordierite or silicon carbide) coated with a catalyst. Examples of the catalyst include, but are not limited to, an oxidation catalyst, a three-way catalyst, an SCR catalyst, a urea SCR catalyst, and an NSR catalyst.
排ガス加熱システム（１０）は、排ガス中の粒状物質を除去するために、排ガス流路（１１）の途中にパティキュレートフィルタ（１６）を備えることが好ましい。パティキュレートフィルタとしては、限定的ではないが、ＤＰＦ及びＧＰＦと呼ばれるセラミックス製のハニカム構造体が好適に使用可能である。 The exhaust gas heating system (10) preferably includes a particulate filter (16) in the middle of the exhaust gas channel (11) in order to remove particulate matter in the exhaust gas. As the particulate filter, although not limited, a honeycomb structure made of ceramics called DPF and GPF can be preferably used.
図示の実施形態に係る排ガス加熱システム（１０）において、排ガスは、排ガス浄化用触媒担持体の一種である酸化触媒担持体（１４ａ）を通過する。この際、排ガス中の一酸化炭素は二酸化炭素に、炭化水素は水に酸化される。次いで、排ガスは、パティキュレートフィルタ（１６）を通過する間に粒状物質（ＰＭ）が除去される。その後、排ガスは、ＳＣＲ触媒担持体（１４ｂ）を通過する。この際、排ガス中の窒素酸化物が窒素に還元される。 In the exhaust gas heating system (10) according to the illustrated embodiment, the exhaust gas passes through an oxidation catalyst carrier (14a), which is a type of an exhaust gas purification catalyst carrier. At this time, carbon monoxide in the exhaust gas is oxidized to carbon dioxide and hydrocarbons are oxidized to water. Next, the particulate matter (PM) is removed from the exhaust gas while passing through the particulate filter (16). Thereafter, the exhaust gas passes through the SCR catalyst carrier (14b). At this time, nitrogen oxides in the exhaust gas are reduced to nitrogen.
水素バーナ（１３）は、エンジン（１２）と排ガス浄化用触媒担持体（１４ａ、１４ｂ）との間の排ガス流路内に燃焼ガスを供給可能に構成されている。図示の実施形態に係る排ガス加熱システム（１０）においては、水素バーナ（１３）の先端がエンジン（１２）と酸化触媒担持体（１４ａ）の間の排ガス流路（１１）内に挿入されている。このため、水素バーナ（１３）からの燃焼ガス（主に水蒸気）が排ガス流路（１１）内に供給される。燃焼ガスは高温であるから、排ガス流路（１１）を流れる排ガスの加熱手段として有用である。一方で、水素は燃焼しても水が生成されるのみであり、ＣＯ2等の大気汚染物質を発生しない。電気加熱ではないため、排ガス流路内に凝縮水が生成していても短絡の問題が発生するおそれはなく、水素バーナからの燃焼ガスを排ガス流路に供給することに特に支障はない。更に、周囲のコイルにより誘導加熱するためにハニカム構造体に金属ワイヤを挿入する構成でもなく、水素の燃焼によって排ガスを加熱するものであるから、ハニカム構造体に対して圧力損失を与える不具合もない。従って、エンジンからの排ガス温度が触媒の活性化に必要な温度（例：３５０℃以上）に満たないときに水素バーナで水素含有ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスの熱エネルギーを利用して排ガスを加熱することは、実用上多くの利点が得られる。 The hydrogen burner (13) is configured to be able to supply combustion gas into an exhaust gas flow path between the engine (12) and the exhaust gas purifying catalyst carrier (14a, 14b). In the exhaust gas heating system (10) according to the illustrated embodiment, the tip of the hydrogen burner (13) is inserted into the exhaust gas channel (11) between the engine (12) and the oxidation catalyst carrier (14a). . For this reason, the combustion gas (mainly steam) from the hydrogen burner (13) is supplied into the exhaust gas channel (11). Since the combustion gas has a high temperature, it is useful as a heating means for the exhaust gas flowing through the exhaust gas channel (11). On the other hand, when hydrogen is burned, only water is generated, and no air pollutants such as CO 2 are generated. Since it is not electric heating, there is no danger of a short circuit occurring even if condensed water is generated in the exhaust gas passage, and there is no particular problem in supplying combustion gas from the hydrogen burner to the exhaust gas passage. Furthermore, since there is no configuration in which a metal wire is inserted into the honeycomb structure for induction heating by the surrounding coils, and the exhaust gas is heated by burning hydrogen, there is no problem that a pressure loss is applied to the honeycomb structure. . Therefore, when the temperature of the exhaust gas from the engine is lower than the temperature required for activating the catalyst (for example, 350 ° C. or more), the hydrogen-containing gas is burned by the hydrogen burner to generate a combustion gas, and the thermal energy of the combustion gas is generated. Heating the exhaust gas by utilizing the method has many practical advantages.
このような利点を効果的に得るためには、水素バーナ（１３）に供給される水素含有ガス中の水素濃度が７０体積％以上であることが好ましく、８０体積％以上であることがより好ましく、９０体積％以上であることが更により好ましく、９５体積％以上であることが更により好ましい。 In order to effectively obtain such advantages, the hydrogen concentration in the hydrogen-containing gas supplied to the hydrogen burner (13) is preferably 70% by volume or more, more preferably 80% by volume or more. , 90% by volume or more, even more preferably 95% by volume or more.
水素バーナ（１３）は、炎口の近傍に点火プラグ（１７）を有している。また、点火コイル（１８）は、点火信号を制御装置（図示せず）から受信すると高電圧を発生し、高圧コード（１９）を経由して点火プラグ（１７）に点火電圧を印加することができる。点火コイル（１８）はバッテリー（２０）から給電を受けることができる。水素含有ガスが水素バーナに供給されている最中に点火プラグが作動すると、燃焼が始まる。 The hydrogen burner (13) has a spark plug (17) near the flame outlet. When the ignition coil (18) receives an ignition signal from a control device (not shown), it generates a high voltage and applies the ignition voltage to the ignition plug (17) via the high-voltage cord (19). it can. The ignition coil (18) can receive power from the battery (20). When the spark plug operates while the hydrogen-containing gas is being supplied to the hydrogen burner, combustion starts.
水素含有ガス供給サブシステム（３０）は、水素含有ガスを水素バーナ（１３）に供給することができるように構成されている。限定的ではないが、図示の実施形態に係る排ガス加熱システム（１０）において、水素含有ガス供給サブシステム（３０）は、排ガス流路（１１）から抽出される排ガス中の水分を電気分解して水素を生成可能な水素生成器（３２）を有し、水素生成器（３２）からの水素を水素バーナ（１３）に供給可能に構成されている。 The hydrogen-containing gas supply subsystem (30) is configured to supply a hydrogen-containing gas to the hydrogen burner (13). Although not limited, in the exhaust gas heating system (10) according to the illustrated embodiment, the hydrogen-containing gas supply subsystem (30) electrolyzes moisture in the exhaust gas extracted from the exhaust gas channel (11). It has a hydrogen generator (32) that can generate hydrogen, and is configured to be able to supply hydrogen from the hydrogen generator (32) to the hydrogen burner (13).
水素バーナ（１３）に用いる酸素源としては、例えば、排ガス中の残存酸素を用いることができる。例えば、パティキュレートフィルタ（１６）の下流側の排ガス流路（１１）から抽出される排ガスを用いることができる。一例として、後述する排ガス抽出流量調整ユニット（４６）を駆動して排ガス流路（１１）から排ガスを抽出し、抽出された排ガスを水素バーナ（１３）に供給するための流路を設置することが可能である。当該流路は、水素生成器を経由してもよいし、水素生成器をバイパスしてもよい。図示の実施形態においては、排ガス流路（１１）から抽出された排ガスは、排ガス分岐流路（４４）を通った後に水素生成器（３２）の第一チャンバー（３２ａ）を通過し、その後、水素バーナ（１３）と水素生成器（３２）を連通する酸素源流路（４２）を通って水素バーナ（１３）へと送られる。 As an oxygen source used for the hydrogen burner (13), for example, residual oxygen in exhaust gas can be used. For example, exhaust gas extracted from an exhaust gas channel (11) on the downstream side of the particulate filter (16) can be used. As an example, an exhaust gas extraction flow rate adjusting unit (46) to be described later is driven to extract exhaust gas from the exhaust gas channel (11), and a channel for supplying the extracted exhaust gas to the hydrogen burner (13) is provided. Is possible. The flow path may pass through a hydrogen generator or may bypass the hydrogen generator. In the illustrated embodiment, the exhaust gas extracted from the exhaust gas channel (11) passes through the exhaust gas branch channel (44), then passes through the first chamber (32a) of the hydrogen generator (32), and thereafter, The hydrogen is supplied to the hydrogen burner (13) through an oxygen source flow path (42) communicating the hydrogen burner (13) and the hydrogen generator (32).
この際、水素生成器（３２）は稼働していてもよく、稼働していなくてもよい。水素生成器（３２）が稼働している場合には、水素生成器（３２）の副産物である酸素を含む酸素濃度が上昇した排ガスを水素バーナ（１３）へ送ることが可能であり、水素バーナの火力アップに有利である。例えば、プロトン伝導性の電解質を用いて水蒸気電解する場合、水素生成器（３２）の第一チャンバー（３２ａ）からは酸素及び排ガスの混合ガスが排出される。この混合ガスを水素バーナ（１３）の酸素源として利用することができる。 At this time, the hydrogen generator (32) may or may not be operating. When the hydrogen generator (32) is operating, it is possible to send the exhaust gas with an increased oxygen concentration containing oxygen, which is a by-product of the hydrogen generator (32), to the hydrogen burner (13). This is advantageous for increasing the thermal power of the vehicle. For example, when performing steam electrolysis using a proton-conductive electrolyte, a mixed gas of oxygen and exhaust gas is discharged from the first chamber (32a) of the hydrogen generator (32). This mixed gas can be used as an oxygen source for the hydrogen burner (13).
圧縮空気タンクを有する車両では圧縮空気タンクからの空気を水素バーナの酸素源として使用してもよい。 In vehicles having a compressed air tank, air from the compressed air tank may be used as an oxygen source for the hydrogen burner.
水素バーナ（１３）へ酸素源を供給するための酸素源流路（４２）の途中には、制御信号により、酸素源の流量を制御するための酸素源流量調整ユニット（４３）を設置することができる。酸素源流量調整ユニット（４３）としては、電磁弁及び電動弁等の自動弁が挙げられる。例えば、酸素源流量調整ユニット（４３）が自動弁の場合、自動弁は、制御装置（図示せず）からの開度信号に応じて、弁の開閉を制御することができるように構成でき、更には弁の開閉のみならず弁の開度を制御することができるように構成できる。 In the middle of the oxygen source flow path (42) for supplying the oxygen source to the hydrogen burner (13), an oxygen source flow rate adjustment unit (43) for controlling the flow rate of the oxygen source may be provided by a control signal. it can. Examples of the oxygen source flow rate adjusting unit (43) include automatic valves such as a solenoid valve and an electric valve. For example, when the oxygen source flow rate adjusting unit (43) is an automatic valve, the automatic valve can be configured to be able to control opening and closing of the valve according to an opening signal from a control device (not shown), Further, it can be configured such that not only the opening and closing of the valve but also the opening degree of the valve can be controlled.
一実施形態において、酸素源流量調整ユニット（４３）は、水素バーナ（１３）に水素含有ガスが供給されているとき、つまり後述する水素流量調整ユニット（３６）が水素含有ガスを通過可能に制御されているときに酸素源が水素バーナ（１３）へ供給されるように構成することができる。 In one embodiment, when the hydrogen-containing gas is supplied to the hydrogen burner (13), the oxygen source flow-rate adjusting unit (43) controls the hydrogen flow-rate adjusting unit (36) to be described later so that the hydrogen-containing gas can pass through. It can be configured such that an oxygen source is supplied to the hydrogen burner (13) when being operated.
また、別の一実施形態において、酸素源流量調整ユニット（４３）は、水素バーナ（１３）に水素含有ガスが供給されていないとき、つまり後述する水素流量調整ユニット（３６）が水素含有ガスを通過しないように制御されているときに酸素源が水素バーナ（１３）へ供給されるように構成することもできる。 In another embodiment, when the hydrogen-containing gas is not supplied to the hydrogen burner (13), that is, when the hydrogen-flow adjusting unit (36) described later supplies the hydrogen-containing gas to the oxygen burner (13). An arrangement may be made wherein the oxygen source is supplied to the hydrogen burner (13) when it is controlled not to pass.
水素生成器（３２）としては、液体の水を電気分解するタイプでもよいが、排ガス中には水分が水蒸気として含まれることから、これを直接利用することが簡便である。従って、水素生成器（３２）としては、水蒸気電解を利用するタイプが好ましい。更に、水蒸気電解では、酸素イオン伝導性の電解質を使用するタイプと、プロトン伝導性の電解質を使用するタイプがあるが、純度の高い水素を効率的に取り出すという観点からは、プロトン伝導性の電解質を使用するタイプが好ましい。水素生成器（３２）は、例えば、２０００秒間エンジンを稼働させたときに２０秒間以上水素バーナを燃焼させることができる程度の性能（例えば、水素の生成速度が１０ｇ／ｈ以上）を有することが望ましい。 The hydrogen generator (32) may be of a type that electrolyzes liquid water. However, since water is contained in exhaust gas as water vapor, it is easy to directly use the water. Therefore, as the hydrogen generator (32), a type utilizing steam electrolysis is preferable. Furthermore, in steam electrolysis, there are a type using an oxygen ion conductive electrolyte and a type using a proton conductive electrolyte. From the viewpoint of efficiently extracting high-purity hydrogen, the proton conductive electrolyte is used. Is preferred. The hydrogen generator (32) may have a performance (for example, a hydrogen generation rate of 10 g / h or more) that can burn a hydrogen burner for 20 seconds or more when the engine is operated for 2000 seconds. desirable.
水素生成器（３２）は、バッテリー（２０）からの電気を利用して作動させることができる。水素生成器（３２）は、例えば、バッテリー（２０）と電線（５４）で接続し、その途中の電源スイッチをＯＮにすることで水素生成器（３２）を駆動するように構成することが可能である。バッテリー（２０）は、エンジン動力及び／又はブレーキ動力により駆動する発電機により生成する電気を蓄電可能なバッテリーとすることができる。自動車にはこのようなバッテリーが搭載されているのが一般的であり、当該構成は、自動車に本発明に係る排ガス加熱システムを適用する場合には特に便利である。 The hydrogen generator (32) can be operated using electricity from the battery (20). The hydrogen generator (32) can be configured to be connected to the battery (20) by an electric wire (54), for example, and to drive the hydrogen generator (32) by turning on a power switch in the middle. It is. The battery (20) may be a battery capable of storing electricity generated by a generator driven by engine power and / or brake power. Generally, such a battery is mounted on an automobile, and this configuration is particularly convenient when the exhaust gas heating system according to the present invention is applied to an automobile.
プロトン伝導性の電解質を用いて水蒸気電解する場合、アノード及びカソードで起こる電極反応はそれぞれ以下のとおりである。
アノード： ２Ｈ2Ｏ → Ｏ2 ＋ ４Ｈ+ ＋ ４ｅ-
カソード： ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- → ２Ｈ2
つまり、プロトン伝導性の電解質を用いて水蒸気電解する水素生成器を使用する場合、水蒸気を含む排ガスはアノード側に供給されるので、カソードで生成した水素は排ガスから分離された状態で取り出すことができるという利点がある。
When steam electrolysis is performed using a proton conductive electrolyte, the electrode reactions occurring at the anode and the cathode are as follows, respectively.
Anode: 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e -
Cathode: 4H + + 4e - → 2H 2
In other words, when using a hydrogen generator that performs steam electrolysis using a proton conductive electrolyte, the exhaust gas containing water vapor is supplied to the anode side, so that the hydrogen generated at the cathode can be taken out in a state separated from the exhaust gas. There is an advantage that you can.
従って、水素生成器（３２）は好ましい一実施形態において、
前記排ガス流路（１１）から抽出される排ガス中の水分からプロトン及び酸素を生成可能なアノードを有する第一チャンバー（３２ａ）と、
前記プロトンから水素を生成可能なカソードを有する第二チャンバー（３２ｂ）と、
アノード及びカソードの間に配置されたプロトン伝導体（３２ｃ）と、
を有する。
Thus, in one preferred embodiment, the hydrogen generator (32) comprises:
A first chamber (32a) having an anode capable of generating protons and oxygen from moisture in exhaust gas extracted from the exhaust gas channel (11);
A second chamber (32b) having a cathode capable of generating hydrogen from the protons;
A proton conductor (32c) disposed between the anode and the cathode;
Having.
第一チャンバー（３２ａ）から排出される酸素を含む排ガスは、排ガス流路（１１）に戻すことができる。特に、パティキュレートフィルタ（１６）の上流側に戻すことはススの燃焼速度を上昇させることができ、ススの燃焼除去を促進するという利点が得られるので好ましい。従って、フィルタ再生は、水素生成器（３２）が稼働しているときに行うことが好ましい。また、フィルタ再生は、酸素源流量調整ユニット（４３）が水素バーナ（１３）への酸素源の供給を停止し、且つ、水素流量調整ユニット（３６）が水素バーナ（１３）への水素含有ガスの供給を停止している状態で行うことがススの燃焼促進の観点から好ましい。図示の実施形態においては、第一チャンバー（３２ａ）から排出される酸素を含む排ガスは、酸素源流路（４２）から分岐する戻り流路（４８）を通ってパティキュレートフィルタ（１６）の上流側の排ガス流路（１１）に戻される。酸素を含む排ガスは酸化触媒の上流側の排ガス流路（１１）に戻してもよい。 The exhaust gas containing oxygen discharged from the first chamber (32a) can be returned to the exhaust gas channel (11). In particular, it is preferable to return the particulate filter to the upstream side of the particulate filter (16) since the combustion speed of soot can be increased and the advantage of promoting the removal of soot by burning can be obtained. Therefore, it is preferable to perform the filter regeneration while the hydrogen generator (32) is operating. In the filter regeneration, the oxygen source flow control unit (43) stops supplying the oxygen source to the hydrogen burner (13), and the hydrogen flow control unit (36) controls the hydrogen-containing gas to the hydrogen burner (13). It is preferable to perform the process in a state where the supply of sulfur is stopped from the viewpoint of promoting soot combustion. In the illustrated embodiment, the exhaust gas containing oxygen discharged from the first chamber (32a) passes through the return flow path (48) branched from the oxygen source flow path (42) and is located upstream of the particulate filter (16). To the exhaust gas channel (11). The exhaust gas containing oxygen may be returned to the exhaust gas channel (11) on the upstream side of the oxidation catalyst.
プロトン伝導体（３２ｃ）としては、限定的ではないが、ＳｒＣｅＯ3、ＳｎＰ2Ｏ7、Ｌａ0.9Ｃａ0.1ＳｃＯ3-α、ＣａＺｒ0.9Ｉｎ0.1Ｏ3-α、ＳｒＣｅ0.95Ｙｂ0.05Ｏ3-α、ＳｒＺｒ0.9Ｙ0.1Ｏ3-α、ＢａＣｅ0.9-xＹ0.1ＲｕxＯ3-α、ＢａＺｒ0.1Ｃｅ0.7Ｙ0.2Ｏ3-α、Ｓｒ2Ｆｅ1.5Ｍｏ0.5Ｏ6-δ、Ｉｎ3+−Ｄｏｐｅｄ ＳｎＰ2Ｏ7等のプロトン伝導性セラミックスが挙げられる。ここで、０．０≦α≦０．２、０．０≦δ≦０．４、０．０≦ｘ≦０．９、が望ましい。α及びδがマイナスの値をとることもある。これらは単独で使用してもよいし、二種以上を組み合わせて使用してもよい。 Examples of the proton conductor (32c) include, but are not limited to, SrCeO 3 , SnP 2 O 7 , La 0.9 Ca 0.1 ScO 3-α , CaZr 0.9 In 0.1 O 3-α , SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3-α , SrZr 0.9 Y 0.1 O 3-α , BaCe 0.9-x Y 0.1 Ru x O 3-α , BaZr 0.1 Ce 0.7 Y 0.2 O 3-α , Sr 2 Fe 1.5 Mo 0.5 O 6-δ , In 3+ -Doped SnP Proton conductive ceramics such as 2 O 7 are mentioned. Here, it is desirable that 0.0 ≦ α ≦ 0.2, 0.0 ≦ δ ≦ 0.4, and 0.0 ≦ x ≦ 0.9. α and δ may take negative values. These may be used alone or in combination of two or more.
プロトン伝導体（３２ｃ）は、無機有機複合膜の形態とすることもできる。無機有機複合膜としては、限定的ではないが、ＺｎＯ−Ｐ2Ｏ5−ベンゾイミダゾール複合体、Ｓｎ0.9Ｉｎ0.1Ｐ2Ｏ7−ポリマー系複合体、ＰＢＩ系有機無機複合材などが挙げられる。 The proton conductor (32c) may be in the form of an inorganic-organic composite membrane. The inorganic-organic composite membranes, but are not limited to, ZnO-P 2 O 5 - benzimidazole complexes, Sn 0.9 In 0.1 P 2 O 7 - Polymer Composites, like PBI based organic-inorganic composite material.
アノード及びカソードの材料としては、限定的ではないが、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｃｕ等の金属元素が挙げられる。これらは単独で使用してもよいし、二種以上を組み合わせて使用してもよい。この他、アノード及びカソードはこれらの金属元素の一種以上と上述したプロトン伝導体の一種以上との混合物としてもよい。 Materials for the anode and the cathode include, but are not limited to, metal elements such as Pt, Pd, Ni, Co, Fe, Ru, and Cu. These may be used alone or in combination of two or more. In addition, the anode and the cathode may be a mixture of one or more of these metal elements and one or more of the above-described proton conductors.
先述したように、排ガス中には水分が水蒸気として含まれることから、これを直接利用することが簡便である。しかしながら、未処理の排ガスには粒状物質が含まれており、水素生成器に対して排ガスをそのまま供給すると目詰まり等の不具合が生じやすくなる。このため、水素生成器（３２）には、パティキュレートフィルタ（１６）の下流側の排ガス流路（１１）から抽出される排ガスを供給することが好ましい。水素生成器（３２）は、粒状物質が除去された排ガス中の水分を電気分解することになる。当該構成は、水素生成器（３２）のメンテナンス頻度の低下、水素生成効率の向上、製品の長寿命化といった点で有利である。 As described above, since water is contained in the exhaust gas as water vapor, it is easy to directly use the water vapor. However, untreated exhaust gas contains particulate matter, and if the exhaust gas is directly supplied to the hydrogen generator, problems such as clogging are likely to occur. For this reason, it is preferable to supply the hydrogen generator (32) with the exhaust gas extracted from the exhaust gas channel (11) on the downstream side of the particulate filter (16). The hydrogen generator (32) electrolyzes the water in the exhaust gas from which the particulate matter has been removed. This configuration is advantageous in that the maintenance frequency of the hydrogen generator (32) is reduced, the hydrogen generation efficiency is improved, and the life of the product is extended.
また、水素生成器（３２）には、ススの侵入による目詰まりを回避する観点からフィルタ下流のススを含まないガスを導入することが好ましく、かつ、できるだけ温度の高いガスを導入することが水素発生器の効率を良くするという事等の理由により、パティキュレートフィルタ（１６）の下流側であってＳＣＲ触媒担持体（１４ｂ）の上流側の排ガス流路（１１）から抽出される排ガスを供給することがより好ましい。 Further, it is preferable to introduce a gas containing no soot downstream of the filter into the hydrogen generator (32) from the viewpoint of avoiding clogging due to soot intrusion, and to introduce a gas having a temperature as high as possible. Supplying the exhaust gas extracted from the exhaust gas channel (11) downstream of the particulate filter (16) and upstream of the SCR catalyst carrier (14b) for reasons such as improving the efficiency of the generator. Is more preferable.
従って、水素含有ガス供給サブシステム（３０）は、一実施形態において、パティキュレートフィルタ（１６）の下流側の排ガス流路（１１）から抽出された排ガスを水素生成器（３２）に供給可能な排ガス分岐流路（４４）を有する。排ガス分岐流路（４４）の途中には、制御信号により、抽出される排ガスの流量を制御するための排ガス抽出流量調整ユニット（４６）を設置することが好ましい。排ガス抽出流量調整ユニット（４６）としては、限定的ではないが、ファン、ポンプ、コンプレッサ及びブロワ等のガス吸引装置が挙げられる。これらの中でも想定流量範囲での流量の精密コントロールが可能である理由から、容積型のポンプが好ましい。 Therefore, in one embodiment, the hydrogen-containing gas supply subsystem (30) can supply the exhaust gas extracted from the exhaust gas passage (11) downstream of the particulate filter (16) to the hydrogen generator (32). It has an exhaust gas branch channel (44). Preferably, an exhaust gas extraction flow rate adjusting unit (46) for controlling the flow rate of the exhaust gas to be extracted by a control signal is provided in the middle of the exhaust gas branch flow path (44). The exhaust gas extraction flow rate adjusting unit (46) includes, but is not limited to, a gas suction device such as a fan, a pump, a compressor, and a blower. Among these, a positive displacement pump is preferable because precise control of the flow rate in the assumed flow rate range is possible.
水素含有ガス供給サブシステム（３０）は、水素生成器（３２）からの水素を貯めるための水素貯蔵タンク（３３）を有することが好ましい。水素貯蔵タンク（３３）を設けることで、必要なときに必要な量の水素を水素バーナ（１３）に供給することが可能となる。図示の実施形態に係る排ガス加熱システム（１０）においては、水素生成器（３２）と水素貯蔵タンク（３３）は水素流路（３５）を介して連通されており、水素生成器（３２）で生成した水素が水素貯蔵タンク（３３）に順次送られるようになっている。また、水素貯蔵タンク（３３）と水素バーナ（１３）は水素流路（３５）を介して連通されており、水素貯蔵タンク（３３）から水素バーナ（１３）に水素を供給することができるようになっている。 The hydrogen-containing gas supply subsystem (30) preferably has a hydrogen storage tank (33) for storing hydrogen from the hydrogen generator (32). The provision of the hydrogen storage tank (33) makes it possible to supply a required amount of hydrogen to the hydrogen burner (13) when needed. In the exhaust gas heating system (10) according to the illustrated embodiment, the hydrogen generator (32) and the hydrogen storage tank (33) are connected to each other through a hydrogen flow path (35). The generated hydrogen is sequentially sent to the hydrogen storage tank (33). The hydrogen storage tank (33) and the hydrogen burner (13) are communicated via a hydrogen flow path (35) so that hydrogen can be supplied from the hydrogen storage tank (33) to the hydrogen burner (13). It has become.
水素貯蔵タンク（３３）は、水素貯蔵タンク内の圧力を計測するための圧力センサー（３７）を有することが好ましい。また、水素貯蔵タンク（３３）と水素バーナ（１３）の間の水素流路（３５）の途中には、制御信号により、水素の流量を制御するための水素流量調整ユニット（３６）を設置することができる。水素流量調整ユニット（３６）としては、電磁弁及び電動弁等の自動弁が挙げられる。水素流量調整ユニット（３６）は、圧力センサー（３７）によって計測される圧力が所定の圧力以上となったときに、水素バーナ（１３）への水素の供給を行うように構成することができる。当該操作は自動制御によって行うことが好ましい。 The hydrogen storage tank (33) preferably has a pressure sensor (37) for measuring the pressure in the hydrogen storage tank. In the middle of the hydrogen flow path (35) between the hydrogen storage tank (33) and the hydrogen burner (13), a hydrogen flow control unit (36) for controlling the flow rate of hydrogen by a control signal is installed. be able to. Examples of the hydrogen flow rate adjusting unit (36) include automatic valves such as a solenoid valve and an electric valve. The hydrogen flow adjusting unit (36) can be configured to supply hydrogen to the hydrogen burner (13) when the pressure measured by the pressure sensor (37) becomes equal to or higher than a predetermined pressure. This operation is preferably performed by automatic control.
例えば、水素流量調整ユニット（３６）として自動弁を使用する場合、圧力センサーによって計測される水素貯蔵タンク（３３）内の圧力が所定の圧力（例：３．０気圧）以上なると、制御装置（図示せず）が開度信号を自動弁に送り、自動弁が開くことで水素バーナへ水素供給が開始されるように自動制御可能である。このとき、点火プラグを作動させることにより、水素バーナで水素含有ガスを燃焼させることができる。また、圧力センサーによって計測される圧力が所定の圧力（例：１．５気圧）以下なると、制御装置（図示せず）が開度信号を自動弁に送り、自動弁が閉じることで水素バーナへの水素供給を停止するように自動制御可能である。自動弁は、制御装置（図示せず）からの開度信号に応じて、弁の開閉のみならず弁の開度を制御することができるように構成してもよい。 For example, when an automatic valve is used as the hydrogen flow rate adjusting unit (36), when the pressure in the hydrogen storage tank (33) measured by the pressure sensor exceeds a predetermined pressure (eg, 3.0 atm), the control device ( (Not shown) sends an opening signal to the automatic valve, and automatic control can be performed so that supply of hydrogen to the hydrogen burner is started by opening the automatic valve. At this time, by operating the ignition plug, the hydrogen-containing gas can be burned by the hydrogen burner. When the pressure measured by the pressure sensor becomes equal to or lower than a predetermined pressure (eg, 1.5 atm), a control device (not shown) sends an opening signal to an automatic valve, and the automatic valve closes to a hydrogen burner. Can be automatically controlled to stop the supply of hydrogen. The automatic valve may be configured to be able to control not only the opening and closing of the valve but also the opening of the valve according to the opening signal from a control device (not shown).
安全のため、水素含有ガス供給サブシステム（３０）は、水素バーナ（１３）から水素貯蔵タンク（３３）に向かって水素が逆流するのを抑制するための装置を有することが好ましい。そのような装置としては、限定的ではないが、逆止弁が挙げられる。 For safety, the hydrogen-containing gas supply subsystem (30) preferably includes a device for suppressing backflow of hydrogen from the hydrogen burner (13) toward the hydrogen storage tank (33). Such devices include, but are not limited to, a check valve.
排ガス浄化用触媒担持体（１４ａ、１４ｂ）の上流側又は下流側又はその両者には、排ガス流路内の温度を計測するための温度センサー（１５ａ、１５ｂ）を設置してもよい。この場合、排ガス抽出流量調整ユニット（４６）は、少なくとも一つの温度センサー（１５ａ、１５ｂ）で計測される温度が所定の温度範囲となり、且つ、圧力センサー（３７）によって計測される圧力が所定の圧力以下となったときに、水素生成器（３２）への排ガスの供給を行うように構成することができる。また、水素流量調整ユニット（３６）は、少なくとも一つの温度センサー（１５ａ、１５ｂ）、典型的には排ガス浄化用触媒担持体（１４ａ、１４ｂ）の上流側に設置された温度センサー（１５ａ）で計測される温度が触媒活性温度（例：２００℃）よりも低いときに、水素バーナ（１３）への水素の供給を行うように構成することができる。 A temperature sensor (15a, 15b) for measuring the temperature in the exhaust gas passage may be provided on the upstream side or the downstream side of the exhaust gas purifying catalyst carrier (14a, 14b) or on both sides. In this case, the exhaust gas extraction flow rate adjusting unit (46) sets the temperature measured by the at least one temperature sensor (15a, 15b) within a predetermined temperature range and the pressure measured by the pressure sensor (37) to a predetermined temperature. When the pressure becomes equal to or lower than the pressure, the exhaust gas can be supplied to the hydrogen generator (32). Further, the hydrogen flow rate adjusting unit (36) includes at least one temperature sensor (15a, 15b), typically a temperature sensor (15a) installed on the upstream side of the exhaust gas purifying catalyst carrier (14a, 14b). When the measured temperature is lower than the catalyst activation temperature (for example, 200 ° C.), it can be configured to supply hydrogen to the hydrogen burner (13).
例えば、少なくとも一つの温度センサー（１５ａ、１５ｂ）、典型的には酸化触媒担持体（１４ａ）及びパティキュレートフィルタ（１６）の下流側で、且つ、ＳＣＲ触媒担持体（１４ｂ）の上流側の温度センサー（１５ｂ）で計測される温度が所定の温度範囲となり、典型的には所定の温度（例：３００℃、好ましくは４００℃）を超える温度となり、且つ、圧力センサー（３７）によって計測される水素貯蔵タンク（３３）内の圧力が所定の圧力（例：１．５気圧）以下となると、制御装置（図示せず）が、排ガス抽出流量調整ユニット（４６）に対して作動制御信号を送り、水素生成器（３２）への排ガスの供給を開始するように構成することができる。このとき更に、制御装置（図示せず）が、水素生成器（３２）の電源スイッチ（５２）に対してＯＮとなる制御信号を送り、水素生成器（３２）が駆動開始するように構成されていることが好ましい。水素生成器（３２）では、排ガス中の水蒸気から分離したＨ+がプロトン伝導体内を移動し、電力により増圧されたＨ2が生成される。Ｈ2は水素生成器（３２）から流出し、水素流路（３５）を通って水素貯蔵タンク（３３）内へ蓄積されていく。圧力センサー（３７）によって計測される水素貯蔵タンク（３３）内のタンク圧力が一定値（例：３ａｔａ）以上になると、制御装置（図示せず）が、水素生成器（３２）の電源スイッチ（５２）に対してＯＦＦとなる制御信号を送り、水素生成器（３２）が駆動停止するように構成することができる。このとき更に、制御装置（図示せず）が、排ガス抽出流量調整ユニット（４６）に対して作動制御信号を送り、水素生成器（３２）への排ガスの供給を停止するように構成されていることが好ましい。 For example, the temperature downstream of at least one temperature sensor (15a, 15b), typically the oxidation catalyst carrier (14a) and the particulate filter (16), and upstream of the SCR catalyst carrier (14b). The temperature measured by the sensor (15b) falls within a predetermined temperature range, typically exceeds a predetermined temperature (eg, 300 ° C., preferably 400 ° C.), and is measured by the pressure sensor (37). When the pressure in the hydrogen storage tank (33) falls below a predetermined pressure (for example, 1.5 atm), a control device (not shown) sends an operation control signal to the exhaust gas extraction flow rate adjustment unit (46). , The supply of exhaust gas to the hydrogen generator (32) can be started. At this time, the control device (not shown) further sends a control signal to turn on the power switch (52) of the hydrogen generator (32), and the hydrogen generator (32) starts driving. Is preferred. In the hydrogen generator (32), H + separated from water vapor in the exhaust gas moves in the proton conductor, and H 2 is generated under pressure by electric power. H 2 flows out of the hydrogen generator (32) and accumulates in the hydrogen storage tank (33) through the hydrogen flow path (35). When the tank pressure in the hydrogen storage tank (33) measured by the pressure sensor (37) becomes equal to or more than a certain value (for example, 3 data), a control device (not shown) switches a power switch (not shown) of the hydrogen generator (32). A control signal that is turned off to 52) may be sent to stop the hydrogen generator (32). At this time, the control device (not shown) is configured to send an operation control signal to the exhaust gas extraction flow rate adjusting unit (46) to stop the supply of the exhaust gas to the hydrogen generator (32). Is preferred.
水素含有ガス供給サブシステム（３０）は、水素生成器（３２）を加熱する加熱装置（５６）を有していてもよい。水素生成器（３２）を加熱することで水素生成効率が向上する。水素生成器（３２）内のガス温度は好ましくは１００℃以上であり、より好ましくは２００℃以上である。また、水素生成器材料の耐熱性の観点から、水素生成器（３２）内のガス温度は好ましくは８００℃以下であり、より好ましくは５００℃以下である。 The hydrogen-containing gas supply subsystem (30) may include a heating device (56) for heating the hydrogen generator (32). Heating the hydrogen generator (32) improves the hydrogen generation efficiency. The gas temperature in the hydrogen generator (32) is preferably 100 ° C or higher, more preferably 200 ° C or higher. Further, from the viewpoint of the heat resistance of the hydrogen generator material, the gas temperature in the hydrogen generator (32) is preferably 800 ° C or lower, more preferably 500 ° C or lower.
例えば、少なくとも一つの温度センサー（１５ａ、１５ｂ）で計測される温度が所定の温度範囲にない場合であっても、圧力センサー（３７）によって計測される水素貯蔵タンク（３３）内の圧力が所定の圧力（例：１．５気圧）以下となると、排ガス抽出流量調整ユニット（４６）が水素生成器（３２）への排ガスの供給を開始すると共に、加熱装置（５６）を作動させて、排ガスを加熱するように構成することができる。そして、水素生成器（３２）に設置した温度センサー（１５ｃ）で計測される温度が水素生成に適した所定の温度範囲となると、制御装置（図示せず）が、水素生成器（３２）の電源スイッチ（５２）に対してＯＮとなる制御信号を送り、水素生成器（３２）が駆動開始するように構成することができる。 For example, even when the temperature measured by at least one of the temperature sensors (15a, 15b) is not within a predetermined temperature range, the pressure in the hydrogen storage tank (33) measured by the pressure sensor (37) is not higher than a predetermined value. When the pressure becomes equal to or lower than the pressure (eg, 1.5 atm), the exhaust gas extraction flow rate adjusting unit (46) starts supplying the exhaust gas to the hydrogen generator (32), and operates the heating device (56) to reduce the exhaust gas. Can be configured to be heated. Then, when the temperature measured by the temperature sensor (15c) installed in the hydrogen generator (32) falls within a predetermined temperature range suitable for hydrogen generation, the control device (not shown) controls the hydrogen generator (32). A control signal for turning on the power switch (52) may be sent to start the hydrogen generator (32).
加熱装置（５６）の加熱方式には特に制限はないが、電気加熱式及び化学蓄熱式が挙げられる。電気加熱式の加熱装置の場合、バッテリー（２０）から給電することができる。化学蓄熱の反応系としては、限定的ではないが、ＣａＣｌ2／Ｈ2Ｏ系、ＣａＯ／Ｈ2Ｏ系、ＭｇＯ／Ｈ2Ｏ系及びＣａＯ／Ｈ2Ｏ系のような脱水反応と水和反応を利用する反応系、並びに、ＮＨ3／ＭｇＣｌ2系、ＮＨ3／ＣａＣｌ2系、ＮＨ3／ＮｉＣｌ2系、ＮＨ3／ＺｎＣｌ2系及びＮＨ3／ＳｒＣｌ2系のような吸着反応と分離反応を利用する反応系が挙げられる。排ガス温度が高いときにはその熱エネルギーを利用して蓄熱し、排ガス温度が低いときに必要に応じて発熱することで、水素生成器（３２）を加熱するように化学蓄熱式の加熱装置を構成可能である。 The heating method of the heating device (56) is not particularly limited, and includes an electric heating method and a chemical heat storage method. In the case of an electric heating type heating device, power can be supplied from the battery (20). The reaction system of the chemical heat storage is not limited, but dehydration reaction and hydration such as CaCl 2 / H 2 O system, CaO / H 2 O system, MgO / H 2 O system and CaO / H 2 O system. Reaction systems utilizing reactions and adsorption reactions and separations such as NH 3 / MgCl 2 , NH 3 / CaCl 2 , NH 3 / NiCl 2 , NH 3 / ZnCl 2 and NH 3 / SrCl 2 A reaction system utilizing a reaction is exemplified. When the temperature of the exhaust gas is high, heat is stored using the thermal energy, and when the temperature of the exhaust gas is low, heat is generated as needed, so that a chemical heat storage type heating device can be configured to heat the hydrogen generator (32). It is.
例えば、排ガス分岐流路（４４）を通って水素生成器（３２）へ流入する排ガスが高温の場合は、化学蓄熱式の加熱装置（５６）は、蓄熱反応が起きる。一方、排ガス分岐流路（４４）を通って水素生成器（３２）へ流入する排ガスが低温の場合は、発熱反応が起きる。当該構成により、電力を使用することなく水素生成器（３２）を適宜加熱することができるようになる。 For example, when the exhaust gas flowing into the hydrogen generator (32) through the exhaust gas branch channel (44) is at a high temperature, the chemical storage type heating device (56) causes a heat storage reaction. On the other hand, when the temperature of the exhaust gas flowing into the hydrogen generator (32) through the exhaust gas branch channel (44) is low, an exothermic reaction occurs. With this configuration, the hydrogen generator (32) can be appropriately heated without using electric power.
１０ 排ガス加熱システム
１１ 排ガス流路
１２ エンジン
１３ 水素バーナ
１４ａ 排ガス浄化用触媒担持体（酸化触媒担持体）
１４ｂ 排ガス浄化用触媒担持体（ＳＣＲ触媒担持体）
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ 温度センサー
１６ パティキュレートフィルタ
１７ 点火プラグ
１８ 点火コイル
１９ 高圧コード
２０ バッテリー
２２ 発電機
３０ 水素含有ガス供給サブシステム
３２ 水素生成器
３２ａ 第一チャンバー
３２ｂ 第二チャンバー
３２ｃ プロトン伝導体
３３ 水素貯蔵タンク
３４ 逆流防止装置
３５ 水素流路
３６ 水素流量調整ユニット
３７ 圧力センサー
４２ 酸素源流路
４３ 酸素源流量調整ユニット
４４ 排ガス分岐流路
４６ 排ガス抽出流量調整ユニット
４８ 酸素分岐流路
５２ 電源スイッチ
５４ 電線
５６ 加熱装置
Reference Signs List 10 Exhaust gas heating system 11 Exhaust gas channel 12
14b Exhaust gas purification catalyst carrier (SCR catalyst carrier)
15a, 15b, 15c Temperature sensor 16 Particulate filter 17 Spark plug 18
Claims (18)
水素含有ガスを燃料として使用する水素バーナと、
前記水素バーナに前記水素含有ガスを供給するための水素含有ガス供給サブシステムと、
を備える排ガス加熱システムであって、
前記水素バーナが、前記エンジンと前記排ガス浄化用触媒担持体との間の前記排ガス流路内に燃焼ガスを供給可能に構成されている排ガス加熱システム。 An exhaust gas purifying catalyst carrier installed in the exhaust gas flow path for flowing exhaust gas from the engine,
A hydrogen burner that uses a hydrogen-containing gas as a fuel,
A hydrogen-containing gas supply subsystem for supplying the hydrogen-containing gas to the hydrogen burner;
An exhaust gas heating system comprising:
An exhaust gas heating system, wherein the hydrogen burner is configured to be able to supply a combustion gas into the exhaust gas passage between the engine and the exhaust gas purifying catalyst carrier.
前記排ガス流路から抽出される排ガス中の水分を電気分解して水素を生成可能な水素生成器を有し、
前記水素生成器からの水素を前記水素バーナに供給可能に構成されている、
請求項１又は２に記載の排ガス加熱システム。 The hydrogen-containing gas supply subsystem includes:
Having a hydrogen generator capable of generating hydrogen by electrolyzing moisture in the exhaust gas extracted from the exhaust gas channel,
It is configured to be able to supply hydrogen from the hydrogen generator to the hydrogen burner,
The exhaust gas heating system according to claim 1.
前記水素生成器は、前記パティキュレートフィルタの下流側の排ガス流路から抽出される排ガス中の水分を電気分解して水素を生成可能である、
請求項３に記載の排ガス加熱システム。 The exhaust gas heating system further includes a particulate filter installed in the exhaust gas flow path,
The hydrogen generator is capable of generating hydrogen by electrolyzing moisture in exhaust gas extracted from an exhaust gas channel on the downstream side of the particulate filter,
The exhaust gas heating system according to claim 3.
前記水素貯蔵タンクから前記水素バーナに水素を供給するための水素流路と、
前記水素流路の途中に設置され、制御信号により、水素の流量を制御するための水素流量調整ユニットと、
を有する請求項５に記載の排ガス加熱システム。 The hydrogen-containing gas supply subsystem includes:
A hydrogen flow path for supplying hydrogen from the hydrogen storage tank to the hydrogen burner,
A hydrogen flow rate adjustment unit that is installed in the middle of the hydrogen flow path and controls a flow rate of hydrogen by a control signal,
The exhaust gas heating system according to claim 5, comprising:
前記排ガス流路から抽出される排ガス中の水分からプロトン及び酸素を生成可能なアノードを有する第一チャンバーと、
前記プロトンから水素を生成可能なカソードを有する第二チャンバーと、
アノード及びカソードの間に配置されたプロトン伝導体と、
を有する請求項３〜９の何れか一項に記載の排ガス加熱システム。 The hydrogen generator,
A first chamber having an anode capable of generating protons and oxygen from moisture in exhaust gas extracted from the exhaust gas channel,
A second chamber having a cathode capable of producing hydrogen from the protons,
A proton conductor disposed between the anode and the cathode;
The exhaust gas heating system according to any one of claims 3 to 9, comprising:
前記水素生成器の第一チャンバーは、前記パティキュレートフィルタの上流側の排ガス流路に対して流体が連通可能に構成されている請求項１０又は１１に記載の排ガス加熱システム。 The exhaust gas heating system further includes a particulate filter installed in the exhaust gas flow path,
The exhaust gas heating system according to claim 10, wherein the first chamber of the hydrogen generator is configured to allow fluid to communicate with an exhaust gas flow path on an upstream side of the particulate filter.
前記水素含有ガス供給サブシステムが、
前記パティキュレートフィルタの下流側の排ガス流路から抽出された排ガスを水素生成器に供給可能な排ガス分岐流路と、
前記排ガス分岐流路の途中に設置され、制御信号により、抽出される排ガスの流量を制御するための排ガス抽出流量調整ユニットと、
を有する請求項３〜１２の何れか一項に記載の排ガス加熱システム。 The exhaust gas heating system further includes a particulate filter installed in the exhaust gas flow path,
The hydrogen-containing gas supply subsystem,
An exhaust gas branch channel that can supply exhaust gas extracted from an exhaust gas channel on the downstream side of the particulate filter to the hydrogen generator,
An exhaust gas extraction flow rate adjustment unit that is installed in the middle of the exhaust gas branch channel and controls the flow rate of the extracted exhaust gas by a control signal,
The exhaust gas heating system according to any one of claims 3 to 12, comprising:
前記水素バーナで前記水素含有ガスを燃焼させ、燃焼ガスを生成する工程と、
エンジンからの排ガスを流すための排ガス流路の途中に設置された排ガス浄化用触媒担持体と、前記エンジンと、の間の前記排ガス流路内に前記燃焼ガスを供給し、排ガスを加熱する工程と、
を備える排ガスの加熱方法。 Supplying a hydrogen-containing gas to a hydrogen burner that uses the hydrogen-containing gas as a fuel,
Burning the hydrogen-containing gas with the hydrogen burner to generate a combustion gas;
A step of supplying the combustion gas into the exhaust gas flow path between the exhaust gas purifying catalyst carrier installed in the exhaust gas flow path for flowing exhaust gas from the engine and the engine and heating the exhaust gas; When,
An exhaust gas heating method comprising:
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