JP6131777B2 - 化学蓄熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気系に設けられた触媒等の加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置に関するものである。

従来の化学蓄熱装置としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の化学蓄熱装置は、エンジンより排出された排ガスを浄化する触媒セラミック部の周囲に配置され、筐体部内に内蔵された蓄熱物質（反応材）を含む反応器と、蓄熱物質を発熱させるための反応媒体として水を供給する導水管部とを備えている。水と蓄熱物質とを発熱反応させると、反応器から熱が発生し、熱伝導により触媒セラミック部が加熱される。

また、例えば引用文献２に記載されているように、反応媒体として気体のアンモニアを使用することもある。このような化学蓄熱装置には、アンモニアの固定化及び脱離が可能に構成された吸着器が設けられている。

特開昭５９−２０８１１８号公報 特開２０１３−７２５５８号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、反応器において所望の発熱温度を得るためには、反応器の圧力を所定値に保つ必要がある。また、吸着器から反応器に反応媒体を供給するためには、吸着器の圧力を反応器の圧力以上にする必要がある。そして、吸着器の圧力を保つためには、アンモニアを所望の量だけ吸着器に吸着させる必要がある。従って、吸着器の体格が大きくならざるを得ず、結果的にコストアップにつながる。

本発明の目的は、吸着器の体格を小さくすることができる化学蓄熱装置を提供することである。

本発明は、加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置において、気体の反応媒体の物理吸着による保持及び脱離が可能な吸着材を有する吸着器と、吸着器と配管を介して接続され、反応媒体と化学反応して加熱対象物を加熱するための熱を発生させると共に熱源からの熱を受けて反応媒体を脱離させる反応材を有する反応器と、配管に設けられ、吸着器と反応器との間の反応媒体の流通を制御する開閉弁と、吸着材からの反応媒体の脱離時に吸着器を加熱する加熱手段とを備えることを特徴とするものである。

このような本発明の化学蓄熱装置において、反応媒体を発熱させて加熱対象物を加熱する、いわゆる発熱反応を行うときは、まず吸着器の吸着材からの反応媒体の脱離時に、加熱手段により吸着器を加熱することで、吸着器の圧力を所定圧まで上げる。その状態で開閉弁を開くと、吸着器の吸着材から脱離した反応媒体が配管を通って反応器に供給され、反応媒体が反応器の反応材と化学反応して熱が発生し、その熱により加熱対象物が加熱される。ここで、反応器において所望の発熱温度を得るためには、反応器の圧力を予め設定された反応圧力に保つ必要があり、これに伴って吸着器から反応器に反応媒体を供給するために、吸着器の圧力を反応器の反応圧力以上にする必要がある。ところで、吸着器の吸着材に吸着される反応媒体の量が多くなるほど、吸着器の圧力が高くなり、吸着器の温度が高くなるほど、吸着器の圧力を所定圧に保持するための吸着材への反応媒体の吸着量が少なくて済む。従って、上述したように吸着器を加熱して吸着器の温度を上昇させることで、吸着器の圧力を所定圧まで上げた状態で、吸着器から反応器に反応媒体を供給して発熱動作を行うことにより、吸着器の吸着材への反応媒体の吸着量を少なくすることができる。これにより、吸着器の体格を小さくすることができる。

好ましくは、加熱手段を制御する加熱制御手段を更に備え、加熱対象物は、エンジンの排気系に設けられており、加熱制御手段は、エンジンの始動を検知して、加熱手段による吸着器の加熱を開始すると共に、開閉弁が開いたことを検知して、加熱手段による吸着器の加熱を終了する。

この場合には、エンジンの排ガスの温度が低い状態から、反応媒体が吸着器から反応器に供給されるまでの間において、加熱手段による吸着器の加熱が自動的に行われることになる。このため、排ガスの熱により反応材と反応媒体とを分離させて反応媒体を吸着器に回収する、いわゆる再生反応を行うときは、加熱手段による吸着器の加熱が終了していることから、吸着器の圧力が下がっている。従って、反応器と吸着器との圧力差によって、反応材から脱離した反応媒体が配管を通って吸着器に迅速に回収されるようになる。これにより、再生時間を短縮することができる。

このとき、好ましくは、吸着器の圧力を検出する圧力検出手段と、開閉弁を制御する開閉制御手段とを更に備え、加熱制御手段は、開閉弁を閉じた状態で加熱手段による吸着器の加熱を開始し、開閉制御手段は、圧力検出手段により検出された吸着器の圧力が予め設定された反応器の反応圧力以上となったときに開閉弁を開く。

この場合には、加熱手段により吸着器を加熱することで、吸着器の圧力が反応器の反応圧力以上になると、開閉弁が自動的に開き、吸着器から反応器に反応媒体が供給されるようになる。従って、開閉弁をいちいち手動操作により開かなくて済む。

また、好ましくは、反応媒体はアンモニアであり、吸着材は活性炭である。この場合には、化学蓄熱装置の動作が行いやすくなる。

本発明の化学蓄熱装置によれば、吸着器の体格を小さくすることができるので、コスト的に有利となる。

本発明に係る化学蓄熱装置の一実施形態を備えた排気浄化システムを示す概略構成図である。 図１に示したコントローラによる制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。 吸着器の圧力と吸着器の温度と吸着器の吸着材へのＮＨ_３吸着量との関係の一例を示すグラフである。 比較例における吸着器の圧力と吸着器の吸着材へのＮＨ_３吸着量との関係の一例を示すグラフである。

以下、本発明に係る化学蓄熱装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

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

排気浄化システム１は、エンジン２と接続された排気通路３の途中に上流側から下流側に向けて順に配置された酸化触媒（ＤＯＣ）４、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）５、選択還元触媒（ＳＣＲ）６及び酸化触媒（ＡＳＣ）７を備えている。

酸化触媒４は、排ガス中に含まれるＨＣやＣＯ等を酸化して浄化する触媒である。ＤＰＦ５は、排ガス中に含まれるＰＭを捕集して取り除くフィルタである。ＳＣＲ６は、尿素やアンモニア（ＮＨ_３）によって、排ガス中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する触媒である。酸化触媒７は、ＳＣＲ６をすり抜けてＳＣＲ６の下流側に流れたＮＨ_３を酸化する触媒である。

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

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

化学蓄熱装置１０は、酸化触媒４の周囲に配置された反応器１１と、この反応器１１と配管１２を介して接続された吸着器１３と、配管１２に設けられた電磁式の開閉弁１４とを備えている。

反応器１１は、気体の反応媒体であるＮＨ_３と化学反応して熱を発生させると共に排熱を受けてＮＨ_３を脱離させる反応材を含んでいる。反応材としては、例えばＭｇＢｒ_２、ＣａＢｒ_２、ＳｒＢｒ_２、ＮｉＢｒ_２、ＺｎＢｒ_２、ＭｇＣｌ_２、ＣａＣｌ_２、ＳｒＣｌ_２、ＮｉＣｌ_２、ＺｎＣｌ_２等が挙げられる。

吸着器１３は、ＮＨ_３の物理吸着による保持及び脱離が可能な吸着材としての活性炭を含んでいる。吸着器１３は、ＮＨ_３を活性炭に物理吸着させることで、ＮＨ_３を貯蔵する。開閉弁１４は、吸着器１３と反応器１１との間のＮＨ_３の流通を制御するバルブである。

また、化学蓄熱装置１０は、吸着器１３の吸着材からのＮＨ_３の脱離時に、吸着器１３の圧力を上げるために吸着器１３の吸着材を加熱するヒータ１５と、吸着器１３の圧力を検出する圧力センサ１６と、コントローラ１７とを備えている。コントローラ１７は、圧力センサ１６の検出値を入力し、所定の処理を行い、開閉弁１４及びヒータ１５を制御する。

以下、図２に示すフローチャートを用いて、コントローラ１７による制御処理手順の詳細を明らかにしつつ、化学蓄熱装置１０の動作を説明する。

同図において、まずコントローラ１７は、イグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮされたかどうかによってエンジン２が始動されたかどうかを判断する（手順Ｓ１０１）。このとき、コントローラ１７は、エンジン２が始動されたと判断したときは、ヒータ１５をＯＮするように制御する（手順Ｓ１０２）。これにより、ヒータ１５による吸着器１３の加熱が開始されるため、吸着器１３の温度が高くなり、これに伴って吸着器１３の圧力が高くなる。

続いて、コントローラ１７は、圧力センサ１６の検出値に基づいて、吸着器１３の圧力が第１の所定圧（ＮＨ_３を反応器１１に移動させることが可能な圧力）まで上昇したかどうかを判断する（手順Ｓ１０３）。このとき、コントローラ１７は、吸着器１３の圧力が第１の所定圧まで上昇したと判断したときは、開閉弁１４を開くように制御する（手順Ｓ１０４）。これにより、吸着器１３の吸着材から脱離したＮＨ_３が配管１２を通って反応器１１に供給される。そして、コントローラ１７は、ヒータ１５をＯＦＦするように制御する（手順Ｓ１０５）。これにより、ヒータ１５による吸着器１３の加熱が終了するため、吸着器１３の圧力上昇が停止する。

吸着器１３から反応器１１にＮＨ_３が供給されると、反応器１１の反応材（例えばＭｇＢｒ_２）とＮＨ_３とが化学反応して化学吸着（配位結合）し、反応器１１から熱が発生する。つまり、下記の反応式（Ａ）における左辺から右辺への反応（発熱反応）が起こる。そして、反応器１１で発生した熱によって酸化触媒４が汚染物質の浄化に適した活性温度まで加熱される。
ＭｇＢｒ_２＋_ｘＮＨ_３ ⇔ Ｍｇ（ＮＨ_３）_ｘＢｒ_２＋熱 …（Ａ）

その後、エンジン２の排ガスの温度が高くなると、排ガスの熱が反応器１１の反応材に与えられることで、反応材とＮＨ_３とが分離する。つまり、上記の反応式（Ａ）における右辺から左辺への反応（再生反応）が起こる。そして、反応材から脱離したＮＨ_３が配管１２を通って吸着器１３に回収される。

その後、コントローラ１７は、圧力センサ１６の検出値に基づいて、吸着器１３の圧力が第２の所定圧（再生完了となる圧力）まで上昇したかどうかを判断する（手順Ｓ１０６）。このとき、コントローラ１７は、吸着器１３の圧力が第２の所定圧まで上昇したときは、開閉弁１４を閉じるように制御する（手順Ｓ１０７）。

次に、図３に示すグラフを用いて、化学蓄熱装置１０の動作をより具体的に説明する。図３は、吸着器１３の圧力と吸着器１３の温度と吸着器１３の吸着材へのＮＨ_３吸着量との関係の一例を示したものである。なお、図３中の実線Ｒは、吸着器１３の温度が２０℃のときの特性を示し、図３中の実線Ｓは、吸着器１３の温度が４０℃のときの特性を示している。

図３から分かるように、吸着器１３の吸着材へのＮＨ_３吸着量が多くなるほど、吸着器１３の圧力が高くなる。また、吸着器１３の温度が高くなるほど、吸着器１３の圧力を所定値に保持するための吸着材へのＮＨ_３吸着量が少なくて済むことが分かる。

エンジン２の始動直度は、吸着器１３の温度が低くなっている。例えば、その時の吸着器１３の温度を２０℃、吸着器１３の初期圧力をＰ_１と仮定する（Ａ点参照）。その状態でヒータ１５をＯＮにすると、ヒータ１５により吸着器１３が加熱されるため、吸着器１３の温度が例えば２０℃から４０℃まで上昇する。これに伴って、吸着器１３の圧力がＰ_１からＰ_２まで上昇する（Ｂ点参照）。

吸着器１３の圧力がＰ_２に達すると、吸着器１３から反応器１１にＮＨ_３が供給され、上記の発熱反応が起こる。このとき、所定量のＮＨ_３が吸着器１３の吸着材から脱離して反応器１１に移動し、吸着器１３の圧力がＰ_２から僅かに下がってＰ_３となる（Ｃ点参照）。

その後、ヒータ１５をＯＦＦにすると、ヒータ１５による吸着器１３の加熱が終了するため、吸着器１３の温度が例えば２０℃まで下がり、これに伴って吸着器１３の圧力がＰ_３からＰ_４まで下がる（Ｄ点参照）。このため、反応器１１の圧力が吸着器１３の圧力に比べて十分高くなるため、再生反応が行われる際に、反応器１１の反応材から脱離したＮＨ_３が吸着器１３に移動しやすくなる。

ここで、比較例として、ヒータ１５により吸着器１３を加熱しない場合の動作について説明する。図４は、比較例における吸着器１３の圧力と吸着器１３の吸着材へのＮＨ_３吸着量との関係の一例を示している。なお、図４に示すものは、吸着器１３の温度が２０℃のときの特性である。

化学蓄熱装置１０は、酸化触媒４を加熱する温度、即ち反応器１１の反応平衡温度に応じて、必要な反応器１１の内部圧力（反応圧力）が決められている。例えば、反応器１１の反応平衡温度をＴ℃として酸化触媒４を加熱するためには、反応器１１の圧力をＰ_２に維持する必要がある。このとき、吸着器１３から反応器１１にＮＨ_３を移動させるには、吸着器１３の圧力をＰ_２以上とする必要がある。吸着器１３の温度が２０℃である状態において、吸着器１３の圧力を所定圧Ｐ_２に保つためには、吸着器１３の吸着材へのＮＨ_３吸着量をＭ_０とする必要がある。この場合には、吸着器１３の体格を大きくせざるを得ないため、コストアップにつながる。

これに対し本実施形態では、発熱反応を行うときは、例えば図３に示すように、ヒータ１５により吸着器１３を加熱して、吸着器１３の温度を２０℃から４０℃まで上げるので、吸着器１３の圧力がＰ_１からＰ_２まで上昇する。このため、吸着器１３の圧力を所定圧Ｐ_２に保つためには、吸着器１３の吸着材へのＮＨ_３吸着量としては所定量Ｍ（Ｍ＜Ｍ_０）だけあれば足り、吸着器１３の温度が２０℃である場合に比べてＮＨ_３吸着量が大幅に少なくて済む。これにより、吸着器１３の体格を小型にすることができる。その結果、吸着器１３にかかるコストを削減することが可能となる。

また、開閉弁１４を開いた後は、例えば図３に示すように、ヒータ１５による吸着器１３の加熱を停止し、吸着器１３の温度をできるだけ早く２０℃まで下げるので、吸着器１３の圧力がＰ_３からＰ_４まで下がる。このため、再生反応を行うときには、反応器１１と吸着器１３との圧力差が大きくなるため、反応器１１の反応材から脱離したＮＨ_３が吸着器１３に迅速に回収されるようになる。従って、再生時間を短縮することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、開閉弁１４を開いてからヒータ１５をＯＦＦするようにしたが、特にそれには限られず、発熱反応が終了した後にヒータ１５をＯＦＦしても良い。この場合、発熱反応が終了したかどうかの判断は、圧力センサ１６により検出される吸着器１３の圧力に基づいて行うことができる。要は、発熱反応を行うときに、吸着器１３から反応器１１に必要な量のＮＨ_３が供給可能であり、再生反応を行うときに、反応器１１から吸着器１３に必要な量のＮＨ_３が回収可能であれば良い。

また、上記実施形態では、反応器１１の反応材と化学反応する気体の反応媒体としてＮＨ_３を使用したが、反応媒体としては、特にＮＨ_３には限られず、ＣＯ_２等を使用しても良い。反応媒体としてＣＯ_２を使用する場合、ＣＯ_２と化学反応する反応材としては、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、Ｃａ（ＯＨ）_２、Ｍｇ（ＯＨ）_２、Ｆｅ（ＯＨ）_２、Ｆｅ（ＯＨ）_３、ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４等を使用することができる。

さらに、上記実施形態では、吸着器１３においてＮＨ_３を物理吸着する吸着材として活性炭を使用したが、吸着材としては、特に活性炭には限られず、ゼオライト等を使用しても良い。

また、上記実施形態は、酸化触媒４を加熱する化学蓄熱装置１０についてであるが、本発明の化学蓄熱装置は、ディーゼルエンジンの排気系に設けられた他の触媒、ガソリンエンジンの排気系に設けられた何れかの触媒、エンジンの排気系に設けられた触媒以外の加熱対象物（例えば排気管等）を加熱するものであれば適用可能である。また、本発明の化学蓄熱装置は、エンジン以外の加熱対象物を加熱するものにも適用可能である。

２…ディーゼルエンジン、３…排気通路（排気系）、４…酸化触媒（加熱対象物）、１０…化学蓄熱装置、１１…反応器、１２…配管、１３…吸着器、１４…開閉弁、１５…ヒータ（加熱手段）、１６…圧力センサ（圧力検出手段）、１７…コントローラ（加熱制御手段、開閉制御手段）。

Claims (4)

1. 加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置において、
   気体の反応媒体の物理吸着による保持及び脱離が可能な吸着材を有する吸着器と、
   前記吸着器と配管を介して接続され、前記反応媒体と化学反応して前記加熱対象物を加熱するための熱を発生させると共に熱源からの熱を受けて前記反応媒体を脱離させる反応材を有する反応器と、
   前記配管に設けられ、前記吸着器と前記反応器との間の前記反応媒体の流通を制御する開閉弁と、
   前記吸着材からの前記反応媒体の脱離時に前記吸着器を加熱する加熱手段と、
   前記吸着器の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記開閉弁を制御する開閉制御手段と、
   前記加熱手段を制御する加熱制御手段とを備え、
   前記加熱制御手段は、前記開閉弁を閉じた状態で前記加熱手段による前記吸着器の加熱を開始し、
   前記開閉制御手段は、前記圧力検出手段により検出された前記吸着器の圧力が予め設定された第１の所定圧以上となったときに前記開閉弁を開き、前記加熱手段による前記吸着器の加熱が終了した後、前記圧力検出手段により検出された前記吸着器の圧力が前記第１の所定圧よりも低くなるように予め設定された第２の所定圧以上となったときに前記開閉弁を閉じることを特徴とする化学蓄熱装置。
2. 前記加熱対象物は、エンジンの排気系に設けられており、
   前記加熱制御手段は、前記エンジンの始動を検知して、前記加熱手段による前記吸着器の加熱を開始すると共に、前記開閉弁が開いたことを検知した後であって、更に前記反応媒体が前記反応器に移動する所定の期間が経過した後に、前記加熱手段による前記吸着器の加熱を終了することを特徴とする請求項１記載の化学蓄熱装置。
3. 前記第１の所定圧は、前記反応媒体を前記反応器に移動させることが可能な圧力であり、
   前記第２の所定圧は、前記反応材からの前記反応媒体の脱離が完了する圧力であることを特徴とする請求項１または２記載の化学蓄熱装置。
4. 前記反応媒体はアンモニアであり、
   前記吸着材は活性炭であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の化学蓄熱装置。

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