JP7074014B2 - ガス分離システム - Google Patents

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Description

本発明は、ガス分離システムに関する。
ＣＯ２を含有する混合ガス中のＣＯ２を水の供給によってイオン化して選択的に透過させるガス分離膜である第一のガス分離膜の一方の面に混合ガスを供給し、混合ガスのうち第一のガス分離膜で透過されなかった非透過ガスに水蒸気を供給して加湿非透過ガスとし、ガス分離膜である第二のガス分離膜の一方の面に加湿非透過ガスを供給することでＣＯ２の分離効率を高める技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。なお、ＣＯ２の分離効率は、ＣＯ２分離装置に流入したＣＯ２の量に対する、分離されたＣＯ２の量の比である。また、以下では、ガスの分離効率を、ガス分離装置に流入したガス中の所定の成分の量に対する、分離された所定の成分の量の比とする。
特開２０１７－１４８７３６号公報
上記特許文献１に記載の技術は、車両に搭載することが想定されていないため、車両に搭載する技術が望まれる。
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両に搭載されたガス分離装置におけるガスの分離効率を向上させることにある。
上記課題を解決するための本発明の態様の一つは、内燃機関を備える車両に搭載されるガス分離システムであって、水の存在下でガス中の所定成分を分離するガス分離装置と、前記ガス分離装置に接続され前記ガス分離装置に大気を導入する第一通路と、前記内燃機関の排気通路と前記第一通路とを接続し前記ガス分離装置に前記内燃機関の排気を導入する第二通路と、を備えるガス分離システムである。
ガス分離装置は、水（水蒸気）の存在下でガス中の所定成分（例えばＮＯｘまたはＨＣ、ＣＯ２）を例えばイオン化させることにより分離する。大気から所定成分を分離する際に、大気に含まれる水蒸気を利用することができるが、大気に含まれる水蒸気の量が十分でない場合もある。ここで、第二通路を備えることにより、第二通路を介して内燃機関の排気をガス分離装置に供給することができる。内燃機関において燃料が燃焼すると水蒸気が発生するため、内燃機関の排気は大気よりも多くの水蒸気を含んでいる。したがって、内燃機関の排気をガス分離装置に供給することにより、ガス分離装置に水を供給することができるため、所定成分の分離を促進させることができる。このように、内燃機関を備える車両にガス分離装置を搭載することにより、ガス分離装置に内燃機関の排気に含まれる水蒸気を供給することができるため、ガスの分離効率を向上させることができる。
前記ガス分離装置は、ガス供給側及びガス透過側を隔てているガス分離膜を有し、前記第一通路は、前記ガス供給側に接続されてもよい。ガス分離膜は、例えば、水（水蒸気）の存在下でガス中の所定成分（例えばＣＯ２）をイオン化させることにより、ＣＯ２を透過させる。大気および内燃機関の排気をガス供給側に供給することにより、大気や排気に
含まれる所定成分がガス透過側に透過するため、大気や排気から所定成分を分離することができる。そして、第二通路を介して内燃機関の排気をガス供給側に供給することにより、ガス供給側の湿度をより高くすることができるため、所定成分の分離を促進させることができる。
前記第一通路を流通する大気に対して加湿を行う第一加湿装置を更に備えていてもよい。内燃機関が停止中にも走行可能なハイブリッド車両において内燃機関が停止されている場合には、内燃機関の排気をガス分離装置に供給することができない。したがって、ガス分離装置に水蒸気を供給することができない。これに対し、第一加湿装置を備えていれば、内燃機関の停止中にもガス分離装置に水蒸気を供給することが可能となるため、所定成分の分離を促進させることができる。また、内燃機関の作動中にガス分離装置に内燃機関の排気を導入しても、水蒸気の量が不足する場合もある。このような場合に、加湿装置によって大気に加湿することにより、ガス分離装置に供給される水蒸気の量を増加させることができる。
前記第一加湿装置を迂回する迂回路と、大気が流通する経路を、前記第一加湿装置または前記迂回路の何れか一方に切り替える切替バルブと、前記第二通路において排気の流量を調整する第二バルブと、を更に備えていてもよい。切替バルブにより第一加湿装置に大気を流通させることによって、ガス分離装置に導入される大気に対して水蒸気を供給することができる。一方、第一加湿装置により水蒸気を供給しなくても、内燃機関の排気をガス分離装置に導入することによりガス分離装置におけるガスの分離効率が十分に高くなるのであれば、第一加湿装置によって水蒸気を供給する必要はない。この場合には、切替バルブによって迂回路に大気を流通させることにより、第一加湿装置による水蒸気の供給を停止させることができる。これにより、第一加湿装置で消費されるエネルギを低減することができる。また、ガス分離装置に導入される排気の量を第二バルブによって調整することにより、ガス分離装置に供給する水蒸気の量を容易に調整することができる。なお、第二バルブは、任意の開度に調整可能なバルブであってもよく、全開または全閉の何れかの状態にのみ調整可能なバルブであってもよい。
前記内燃機関の停止時に前記第二バルブを全閉にすることを実行する制御装置を更に備えていてもよい。内燃機関の停止時には内燃機関の排気をガス分離装置に供給することができない。そのため、第二バルブを全閉にすることができる。これにより、大気が第二通路を介して内燃機関の排気通路に逆流することを抑制できる。なお、内燃機関の停止時とは、内燃機関のクランクシャフトが回転していないとき、または、内燃機関において燃料が燃焼していないときである。
前記内燃機関の作動時であって前記第一通路に流通する大気の量が閾値未満の場合に、前記切替バルブによって前記迂回路に大気を流通させ且つ前記第二バルブを開くことを実行する制御装置を更に備えていてもよい。第一通路を流通する大気の量が多くなるほど、より多くの水蒸気が必要となる。したがって、第一通路を流通する大気の量が多くなり、閾値以上になると、内燃機関の排気をガス分離装置に供給しても水蒸気の量が不足する場合もある。ここでいう閾値は、内燃機関の排気をガス分離装置に供給しても水蒸気の量が不足する大気の量の下限値である。一方、第一通路を流通する大気の量が閾値未満であれば、内燃機関の排気を導入することにより、ガス分離装置に十分な量の水蒸気を供給することができるため、第一加湿装置によって大気に加湿する必要がない。したがって、迂回路に大気を流通させることができる。これにより、第一加湿装置によって消費されるエネルギを低減することができる。なお、内燃機関の作動時とは、内燃機関のクランクシャフトが回転しているとき、または、内燃機関において燃料が燃焼しているときである。
前記内燃機関の作動時であって前記第一通路に流通する大気の量が閾値以上の場合に、
前記切替バルブによって前記第一加湿装置に大気を流通させ且つ前記第二バルブを開くことを実行する制御装置を更に備えていてもよい。第一通路に流通する大気の量が閾値以上になると、内燃機関の排気を供給するだけではガス分離装置において水蒸気が不足する。この場合、第一加湿装置に大気を流通させることによって、ガス分離装置に水蒸気を更に供給することで、ガスの分離効率を向上させることができる。
前記内燃機関の作動時に前記ガス分離装置に導入されるガスの湿度が所定湿度未満の場合に、前記切替バルブによって前記第一加湿装置に大気を流通させ且つ前記第二バルブを開くこと、または、前記内燃機関の作動時に前記ガス分離装置に導入されるガスの湿度が所定湿度以上の場合に、前記切替バルブによって前記迂回路に大気を流通させ且つ前記第二バルブを開くこと、を実行する制御装置を更に備えていてもよい。ガス分離装置に導入されるガスの湿度が十分でない場合に限り第一加湿装置によって大気に加湿を行うことにより、第一加湿装置によって必要以上に加湿が行われることを抑制できる。所定湿度は、ガス分離装置におけるガスの分離効率が許容範囲内になる湿度の下限値である。
前記ガス分離装置に導入されるガスの湿度が所定範囲の下限値よりも低い場において、前記第二バルブが全開でない場合に、前記切替バルブによって前記迂回路に大気を流通させ且つ前記第二バルブの開度を現時点の開度よりも大きくすること、または、前記第二バルブが全開の場合に、前記切替バルブによって前記第一加湿装置に大気を流通させること、を実行する制御装置を更に備えていてもよい。ガス分離装置に導入されるガスの湿度が所定範囲の下限値よりも低い場合には、ガス分離装置に導入されるガスの湿度が増加するように加湿を行う。なお、所定範囲は、ガス分離装置においてガスの分離効率が許容範囲内になる湿度の範囲である。ガス分離装置に導入されるガスの湿度を高くするのには、第一加湿装置によって加湿する、または、内燃機関の排気によって加湿することが考えられる。ここで、内燃機関１の排気によって加湿を行う場合にはガス分離装置に排気を導入するだけでよいが、第一加湿装置によって加湿を行う場合には第一加湿装置が加湿を行えるように例えば水を貯留している必要がある。例えば第一加湿装置にユーザが水を供給しなければならない場合には、ユーザに水の供給を強いることになる。また、第一加湿装置によって加湿を行うときに、第一加湿装置においてエネルギが消費される場合がある。したがって、第一加湿装置による加湿よりも内燃機関の排気による加湿を優先させることにより、第一加湿装置における水の消費やエネルギの消費を抑制できる。ここで、第二バルブが全開でない場合には、第二バルブの開度を大きくすることにより、ガス分離装置に流入する排気の量を増加させることができる。これにより、ガス分離装置に供給されるガスの湿度を高めることができる。一方、第二バルブが全開であっても湿度が低い場合には、第一加湿装置による加湿を更に加える。このようにして、水の消費やエネルギの消費を抑制しつつガス分離装置に導入されるガスの湿度を所定範囲の下限値以上に維持する。
前記ガス分離装置に導入されるガスの湿度が所定範囲の上限値よりも高い場において、前記切替バルブによって前記第一加湿装置に大気が流通されている場合に、前記迂回路に大気が流通するように前記切替バルブを切り替えること、または、前記切替バルブによって前記迂回路に大気が流通されている場合に、前記第二バルブの開度を現時点の開度よりも小さくすること、を実行する制御装置を更に備えていてもよい。ガス分離装置に導入されるガスの湿度が所定範囲の上限値よりも高くなると、例えばガス分離膜において結露が発生することによりガスの分離効率が低下する。このような場合には、ガス分離装置に導入されるガスの湿度を低下させる。このときに、第一加湿装置による加湿が優先的に停止されるようにして、水の消費やエネルギの消費を抑制させる。そして、迂回路に大気を流通させてもなおガスの湿度が所定範囲の上限よりも高い場合には、第二バルブの開度を小さくすることにより、ガス分離装置に導入される排気の量を減少させる。これにより、ガス分離装置に導入されるガスの湿度を所定範囲の上限値以下に維持する。
前記第二通路を流通する前記内燃機関の排気に対して加湿を行う第二加湿装置と、前記第二加湿装置を迂回する第二迂回路と、前記内燃機関の排気が流通する経路を、前記第二加湿装置または前記第二迂回路の何れか一方に切り替える第二切替バルブと、前記ガス分離装置に導入されるガスの湿度が所定湿度未満の場合には、前記第二切替バルブによって前記第二加湿装置に前記内燃機関の排気を流通させること、または、前記ガス分離装置に導入されるガスの湿度が所定湿度以上の場合には、前記第二切替バルブによって前記第二迂回路に前記内燃機関の排気を流通させること、を実行する制御装置と、を更に備えていてもよい。第二通路に第二加湿装置を備えることにより、ガス分離装置に導入されるガスの湿度を更に高くすることもできる。また、第二迂回路を備えることにより、ガス分離装置に導入されるガスの湿度が必要以上に高くなることを抑制できる。
前記排気通路において、前記第二通路が接続される箇所よりも上流側に前記内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置を更に備えていてもよい。排気浄化装置は、例えば排気浄化触媒またはパティキュレートフィルタである。排気浄化装置を排気が通過することにより、排気に含まれるＨＣや粒子状物質（ＰＭ）等を除去することができる。これらの物質は、ガス分離装置に流入することにより、ガスの分離を阻害する虞がある。したがって、排気浄化装置を備えることにより、ガスの分離効率が低下することを抑制できる。
本発明によれば、車両に搭載されたガス分離装置におけるガスの分離効率を向上させることができる。
第１実施形態に係るＣＯ２分離システムの概略構成を示す図である。 第２実施形態に係るＣＯ２分離システムの概略構成を示す図である。 第３実施形態及び第４実施形態に係るＣＯ２分離システムの概略構成を示す図である。 走行条件に応じた切替バルブ及び開閉バルブの状態を示した図である。 走行条件の（１）の場合のガスの流れを示した図である。 走行条件の（２）の場合のガスの流れを示した図である。 走行条件の（３）の場合のガスの流れを示した図である。 第３実施形態に係るＣＯ２を分離する制御のフローを示したフローチャートである。 第４実施形態に係るＣＯ２を分離する制御のフローを示したフローチャートである。 第５実施形態に係るＣＯ２分離システムの概略構成を示す図である。 第５実施形態に係るＣＯ２を分離する制御のフローを示したフローチャートである。 第６実施形態に係るＣＯ２分離システムの概略構成を示す図である。
以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施形態に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係るＣＯ２分離システム１００の概略構成を示す図である。ＣＯ２分離システム１００は、車両１０１に搭載される。車両１０１には、内燃機関１が搭載されている。なお、車両１０１は、駆動源として内燃機関１の他に電動モータを有するハ
イブリッド車両であってもよい。内燃機関１は、例えばガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンである。内燃機関１には排気通路２が接続されている。排気通路２には、排気浄化装置３が設けられている。排気浄化装置３は、例えば排気浄化触媒またはフィルタである。排気浄化触媒は、排気に含まれる物質の浄化または吸着、吸蔵等を行う触媒であり、例えば、三元触媒、酸化触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒である。フィルタは、排気中の粒子状物質（以下、ＰＭという。）を捕集する機能を有する。
ＣＯ２分離システム１００は、第一通路１１、ＣＯ２分離装置１２、第二通路１３を含む。第一通路１１は、一端側の導入部１１Ａにおいて大気中に開口し、他端側がＣＯ２分離装置１２に接続されている。第二通路１３は、排気通路２と第一通路１１とを接続している。第二通路１３の一端側は、排気通路２の分岐部２Ａにおいて排気通路２から分岐し、第二通路１３の他端側は、第一通路１１の合流部１１Ｂにおいて第一通路１１に合流している。第一通路１１の導入部１１Ａは、車両１０１の走行時に走行風を利用して大気（空気）を第一通路１１に導入するように形成されている。なお、走行風は、車両１０１が走行しているときに、車両１０１と車両１０１の外部との間に相対的に生じる大気の流れである。
ＣＯ２分離装置１２は、大気および排気からＣＯ２を分離する装置である。ＣＯ２分離装置１２には、大気および排気中に含まれる成分のうち主にＣＯ２を通過させる膜状に形成されたＣＯ２分離膜１２１が備わる。ＣＯ２分離膜１２１は、ＣＯ２分離装置１２の内部空間を供給側１２２と透過側１２３とに二分している。供給側１２２には、第一通路１１の他端側と、リターン通路１４の一端側とが接続されている。リターン通路１４の他端側は、分岐部２Ａよりも下流側の排気通路２に接続されている。また、透過側１２３には、ＣＯ２排出通路１５の一端側が接続されている。ＣＯ２排出通路１５の他端側はＣＯ２を貯留するタンク１６に接続されている。なお、ＣＯ２排出通路１５の他端側は、タンク１６に代えて、ＣＯ２をプラズマによりＣ及びＯ２に分解する装置や、ＣＯ２から炭化水素を合成する装置に接続されていてもよい。
水（水蒸気）及びＣＯ２を含むガスを、第一通路１１を介してＣＯ２分離装置１２の供給側１２２に供給すると、ＣＯ２分離膜１２１によりＣＯ２がイオン化されることで、ＣＯ２が選択的にＣＯ２分離膜１２１を透過する。したがって、供給側１２２に流入したガス中のＣＯ２がＣＯ２分離膜１２１を通過し、他の成分と分離される。ＣＯ２分離膜１２１においてＣＯ２が分離された後のガスは、リターン通路１４を介して排気通路２に排出される。一方、ＣＯ２分離膜１２１を通過したガスは、ＣＯ２排出通路１５を流通してタンク１６に貯留される。このようにして、リターン通路１４には、ＣＯ２の濃度が比較的低いガスが流れ、ＣＯ２排出通路１５には、ＣＯ２の濃度が比較的高いガスが流れる。
ＣＯ２分離膜１２１では、ＣＯ２を分離するために水（水蒸気）が必要となる。大気にも水蒸気が含まれてはいるが、大気中のＣＯ２を分離するのには水蒸気が不足する場合もある。そこで、第二通路１３を介して内燃機関１の排気をＣＯ２分離装置１２に供給している。内燃機関１において炭化水素が燃焼することにより水蒸気が発生するため、内燃機関１の排気中には、大気よりも多くの水蒸気が含まれる。すなわち、内燃機関１の排気をＣＯ２分離装置１２に供給することにより、ＣＯ２分離装置１２に水蒸気を供給することができる。このように、大気中の水蒸気ではＣＯ２を十分に分離することができない場合であっても、車両１０１にＣＯ２分離装置１２を搭載することにより、内燃機関１の排気に含まれる水蒸気をＣＯ２分離装置１２に供給することができる。これにより、ＣＯ２の分離効率を高めることができる。また、ＣＯ２分離装置１２に排気を供給するだけで水蒸気を供給することができるため、例えば大気に水蒸気を加える加湿装置を別途設ける場合よりも、必要なエネルギが少なくて済む。また、ＣＯ２分離システム１００にユーザが水を供給する必要もない。
なお、排気浄化装置３は必須の構成ではないが、排気浄化装置３を備えることにより、ＣＯ２分離装置１２に流入する例えばＨＣやＰＭの量を低減することができる。これにより、ＣＯ２分離膜１２１にＨＣやＰＭが付着することを抑制できるため、ＨＣやＰＭがＣＯ２分離膜１２１に付着することによるＣＯ２の分離効率の低減を抑制できる。
なお、第二通路１３には、排気の温度と外気とで熱交換を行うことにより排気の温度を低下させる熱交換器を備えていてもよい。そうすると、ＣＯ２分離装置１２に流入するガスの温度を、ＣＯ２の分離により適した温度まで低下させることができるため、ＣＯ２の分離効率をより高めることができる。また、第二通路１３において排気から水を分離し、分離した水だけをＣＯ２分離装置１２に供給してもよい。この場合、例えば、走行風を利用して排気から水を凝縮させてもよい。また、第二通路１３において排気から水及びＣＯ２を分離し、分離した水及びＣＯ２を分離装置１２に供給してもよい。
なお、ＣＯ２分離装置１２に代えて、水の存在下で所定の成分を分離する他の装置についても同様に適用可能である。他の装置は、例えば、ＮＯｘやＨＣを分離する装置であってもよい。ＮＯｘを分離する装置には、湿式のＮＯｘ吸着浄化装置を例示できる。この湿式のＮＯｘ吸着浄化装置は、ＮＯｘを硝酸塩として吸収液で吸収する。ＮＯｘ吸着浄化装置では、水蒸気を供給することによりＮＯｘのイオン化が促進されるため、硝酸塩として吸収液で吸収される効率が上がる。
（第２実施形態）
図２は、本実施形態に係るＣＯ２分離システム１００の概略構成を示す図である。図１と異なる点について主に説明する。本実施形態に係るＣＯ２分離システム１００は、第一通路１１に加湿装置４を有する。なお、図２では、加湿装置４が、合流部１１Ｂよりも上流側の第一通路１１に設けられているが、これに代えて、合流部１１Ｂよりも下流側の第一通路１１に設けることもできる。加湿装置４は、大気に対して加湿可能であればその構成は限定しない。例えば、水を貯留したタンクに大気を導入しつつバブリングを行って加湿する装置であってもよい。また、例えば、イオン交換膜を利用して加湿する装置であってもよい。また、例えば、第一通路１１内に水を噴射するノズルを備える装置であってもよい。供給する水は、ユーザが供給することもできるし、例えば、エアコンからの排水や雨水、排気の凝縮水を利用することもできる。排気の凝縮水は第二通路１３において凝縮した水であってもよい。加湿装置４は第一加湿装置の一例である。
ここで、車両１０１がハイブリッド車両である場合には、内燃機関１が停止している場合であっても電動モータによって車両１０１を走行可能なため、第一通路１１に大気を導入することができる。しかし、このときには、内燃機関１の排気をＣＯ２分離装置１２に導入することができない。そのため、ＣＯ２分離装置１２に十分な水蒸気を供給できない虞がある。これに対して本実施形態では、加湿装置４を備えている。加湿装置４によって加湿を行うことが可能となれば、内燃機関１が停止しているときであっても、ＣＯ２分離装置１２に水蒸気を供給することができる。また、内燃機関１が作動している場合であっても、排気と共に加湿装置４からＣＯ２分離装置１２に水蒸気を供給することができるため、より多くの水蒸気をＣＯ２分離装置１２に供給することが可能となる。
（第３実施形態）
図３は、本実施形態に係るＣＯ２分離システム１００の概略構成を示す図である。図１及び図２と異なる点について主に説明する。本実施形態に係るＣＯ２分離システム１００は、加湿装置４よりも上流側と下流側とを接続する通路であって加湿装置４を迂回する通路である迂回路４１と、加湿装置４または迂回路４１の何れか一方にガスを流通するために大気の通路を切り替える切替バルブ４２と、合流部１１Ｂに設けられるガス混合部５と
、第二通路１３がガス混合部５に接続される箇所に設けられる開閉バルブ５１と、ガス混合部５よりも下流側の第一通路１１を流通するガスの湿度を検出する湿度センサ６とを更に有する。なお、湿度センサ６を、合流部１１Ｂよりも下流の第一通路１１に備えているが、排気の湿度が分かっている場合には、切替バルブ４２よりも上流側の第一通路１１に備えていてもよい。この場合、湿度センサ６により検出される湿度と、排気の湿度とに基づいて、ＣＯ２分離装置１２に導入されるガスの湿度を算出することができる。開閉バルブ５１は第二バルブの一例である。
迂回路４１は、一端が切替バルブ４２に接続され、他端がガス混合部５に接続されている。なお、切替バルブ４２に代えて、加湿装置４または迂回路４１の何れか一方をガス混合部５に接続させるバルブをガス混合部５に備えていてもよい。また、迂回路４１の他端は、加湿装置４よりも下流且つ湿度センサ６よりも上流の第一通路１１の任意の位置に接続することもできる。また、開閉バルブ５１は、第二通路１３の任意の位置に備えることができる。開閉バルブ５１は、全開または全閉の何れか一方の状態で維持可能なバルブである。ガス混合部５は、排気と大気とを混合するためにある程度の容積を有していればよいが、このガス混合部５は必ずしも必要ではない。また、本実施形態では、迂回路４１を備えているが、加湿装置４の機能を停止することにより加湿装置４を通過するガスに対する加湿が停止できるのであれば、迂回路４１を備える必要はない。すなわち、迂回路４１にガスを流通させる代わりに、加湿装置４の機能を停止させてもよい。
そして、内燃機関１にはコントローラ（制御装置）である電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０が併設されている。ＥＣＵ１０は、プロセッサ、主記憶部、補助記憶部を有したコンピュータである。ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態や排気浄化システム、ＣＯ２分離システム１００等を制御する。ＥＣＵ１０には、湿度センサ６が電気的に接続され、湿度センサ６の検出値がＥＣＵ１０に渡される。また、ＥＣＵ１０には、切替バルブ４２及び開閉バルブ５１が電気的に接続され、ＥＣＵ１０はこれらの機器を制御する。このときには、プロセッサが、主記憶部上の所定のプログラムを実行する。
ＥＣＵ１０は、走行条件に基づいて切替バルブ４２及び開閉バルブ５１を制御する。走行条件は、（１）第一通路１１に導入される大気の量が閾値未満で且つ内燃機関１が停止されている場合、（２）第一通路１１に導入される大気の量が閾値未満で且つ内燃機関１が作動している場合、（３）第一通路に導入される大気の量が閾値以上で且つ内燃機関１が作動している場合、の３つの条件に分けられる。図４は、走行条件に対応する切替バルブ４２及び開閉バルブ５１の状態を示した図である。図４中の１から３は上記走行条件の（１）から（３）に対応している。「内燃機関」の欄において、「停止」は内燃機関１が停止していることを示しており、「作動」は内燃機関１が作動していることを示している。「開閉バルブ」の欄において、「閉」は開閉バルブ５１が閉じていることを示しており、「開」は開閉バルブ５１が開いていることを示している。「切替バルブ」の欄において、「加湿装置」は切替バルブ４２が導入部１１Ａと加湿装置４とＣＯ２分離装置１２とを連通させる状態になっていることを示しており、「迂回路」は切替バルブ４２が導入部１１Ａと迂回路４１とＣＯ２分離装置１２とを連通させる状態になっていることを示している。
走行条件の（１）では、内燃機関１が停止されている。この場合、電動モータで車両１０１が駆動されることにより第一通路１１に大気が導入されていてもよいし、例えばポンプなどによって第一通路１１に大気が導入されていてもよい。このときには、内燃機関１の排気によりＣＯ２分離装置１２に水蒸気を供給することができないため、加湿装置４によってＣＯ２分離装置１２に水蒸気を供給する。そのため、開閉バルブ５１が閉じられる。また、加湿装置４に大気が流通するように切替バルブ４２が切り替えられる。なお、図５は、走行条件の（１）の場合のガスの流れを示した図である。ガスが流れている箇所を
実線で示し、ガスが流れていない箇所を破線で示している。このように、走行条件の（１）では、加湿装置４によってＣＯ２分離装置１２に水蒸気を供給する。
走行条件の（２）では、内燃機関１が作動している。そのため、内燃機関１の排気によりＣＯ２分離装置１２に水蒸気を供給することが可能である。したがって、内燃機関１の排気をＣＯ２分離装置１２に導入するように、開閉バルブ５１が開かれる。また、このときに第一通路１１に導入される大気の量は閾値未満であり比較的少ないため、内燃機関１の排気をＣＯ２分離装置１２に供給すれば、ＣＯ２分離装置１２に十分な水蒸気を供給することができる。したがって、加湿装置４によって加湿する必要はないため、迂回路４１を大気が流通するように切替バルブ４２が切り替えられる。なお、第一通路１１に導入される大気の量は、車両１０１の速度と相関関係にあるため、車両１０１の速度に基づいて求めることもできる。また、第一通路１１に流量センサを設けることにより、第一通路１１に導入される大気の量を検出することもできる。閾値は、加湿装置４による加湿が必要となる大気の量の下限値である。なお、図６は、走行条件の（２）の場合のガスの流れを示した図である。ガスが流れている箇所を実線で示し、ガスが流れていない箇所を破線で示している。このように、走行条件の（２）では、内燃機関１の排気によってＣＯ２分離装置１２に水蒸気を供給する。
走行条件の（３）では、内燃機関１が作動している。そのため、内燃機関１の排気によりＣＯ２分離装置１２に水蒸気を供給することが可能である。したがって、内燃機関１の排気をＣＯ２分離装置１２に導入するように、開閉バルブ５１が開かれる。しかし、第一通路１１に導入される大気の量が閾値以上であるため、大気の量に対して排気による供給される水蒸気の量が相対的に少なくなり、ＣＯ２分離装置１２において水蒸気が不足する。そのため、加湿装置４によってＣＯ２分離装置１２に水蒸気を供給する必要が生じる。したがって、加湿装置４に大気が流通するように切替バルブ４２が切り替えられる。なお、図７は、走行条件の（３）の場合のガスの流れを示した図である。ガスが流れている箇所を実線で示し、ガスが流れていない箇所を破線で示している。このように、走行条件の（３）では、内燃機関１の排気及び加湿装置４によってＣＯ２分離装置１２に水蒸気を供給する。
図８は、本実施形態に係るＣＯ２を分離する制御のフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により所定の時間毎に実行される。ステップＳ１０１では、走行条件が読み込まれる。ここでは、内燃機関１が作動しているのか否か、及び、第一通路１１における大気の導入量（導入大気量）が閾値未満であるのか否かを判定可能な情報が読み込まれる。次に、ステップＳ１０２では、内燃機関１が作動しているのか否か判定される。ステップＳ１０２で肯定判定された場合には、ステップＳ１０３へ進む。一方、ステップＳ１０２で否定判定された場合には、上記走行条件の（１）に該当するため、ステップＳ１０６へ進んで、開閉バルブ５１が閉じられ、且つ、加湿装置４に大気が流通するように切替バルブ４２が切り替えられる。
ステップＳ１０３では、導入大気量が閾値未満であるか否か判定される。ステップＳ１０３で肯定判定された場合には、上記走行条件の（２）に該当するため、ステップＳ１０４へ進んで、開閉バルブ５１が開かれ、且つ、迂回路４１に大気が流通するように切替バルブ４２が切り替えられる。一方、ステップＳ１０３で否定判定された場合には、上記走行条件の（３）に該当するため、ステップＳ１０５へ進んで、開閉バルブ５１が開かれ、且つ、加湿装置４に大気が流通するように切替バルブ４２が切り替えられる。
以上説明したように本実施形態に係るＣＯ２分離システム１００によれば、走行条件に応じて、ＥＣＵ１０が開閉バルブ５１及び切替バルブ４２を制御することにより、ＣＯ２分離装置１２に供給されるガスの湿度を適切に維持することができる。これにより、ＣＯ
２の分離効率を向上させることができる。
（第４実施形態）
本実施形態に係るＣＯ２分離システム１００の概略構成は図３に示される。ここで、加湿装置４によってＣＯ２分離装置１２に水蒸気を供給しなくても、湿度センサ６によって検出される湿度が十分高ければ、切替バルブ４２によって加湿装置４に大気を流通させる必要はない。そのため本実施形態では、湿度センサ６の検出値に基づいて切替バルブ４２を制御する。図９は、本実施形態に係るＣＯ２を分離する制御のフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により所定の時間毎に実行される。
ステップＳ２０１では、走行条件が読み込まれる。ここでは、内燃機関１が作動しているのか否かを判定可能な情報が読み込まれる。次に、ステップＳ２０２では、湿度センサ６によって検出される湿度が読み込まれる。ステップＳ２０３では、内燃機関１が作動しているのか否か判定される。ステップＳ２０３で肯定判定された場合にはステップＳ２０４へ進み、一方、否定判定された場合にはステップＳ２０７へ進む。ステップＳ２０４では、ステップＳ２０２で読み込まれた湿度が、所定湿度未満か否か判定される。所定湿度は、ＣＯ２分離装置１２に供給される水蒸気の量を増加させなくてもＣＯ２の分離効率が許容範囲内になる湿度の下限値である。ステップＳ２０４で肯定判定された場合にはステップＳ２０５へ進む。ステップＳ２０５では、開閉バルブ５１が開かれ、且つ、加湿装置４に大気が流通するように切替バルブ４２が切り替えられる。すなわち、ＣＯ２分離装置１２に供給される水蒸気の量が十分でないため、加湿装置４に大気を流通させる。一方、ステップＳ２０４で否定判定された場合には、ステップＳ２０６へ進んで、開閉バルブ５１が開かれ、且つ、迂回路４１に大気が流通するように切替バルブ４２が切り替えられる。すなわち、ＣＯ２分離装置１２に供給される水蒸気の量が十分であるため、迂回路４１に大気を流通させる。なお、内燃機関１の作動時には開閉バルブ５１を常に開くことにより、排気中の水蒸気をＣＯ２分離装置１２に供給している。
ステップＳ２０７では、ステップＳ２０４と同様にして、ステップＳ２０２で読み込まれた湿度が、所定湿度未満か否か判定される。ステップＳ２０７で肯定判定された場合にはステップＳ２０８へ進む。ステップＳ２０８では、開閉バルブ５１が閉じられ、且つ、加湿装置４に大気が流通するように切替バルブ４２が切り替えられる。すなわち、ＣＯ２分離装置１２に供給される水蒸気の量が十分でないため、加湿装置４に大気を流通させる。一方、ステップＳ２０７で否定判定された場合には、ステップＳ２０９へ進んで、開閉バルブ５１が閉じられ、且つ、迂回路４１に大気が流通するように切替バルブ４２が切り替えられる。すなわち、ＣＯ２分離装置１２に供給される水蒸気の量が十分であるため、迂回路４１に大気を流通させる。なお、内燃機関１の停止時には開閉バルブ５１を常に閉じることにより、大気が排気通路２へ逆流することを抑制している。
以上説明したように本実施形態に係るＣＯ２分離システム１００によれば、走行条件及びＣＯ２分離装置１２に供給されるガスの湿度に応じて、ＥＣＵ１０が開閉バルブ５１及び切替バルブ４２を制御することにより、ＣＯ２分離装置１２に供給されるガスの湿度を適切に維持することができる。これにより、ＣＯ２の分離効率を向上させることができる。
（第５実施形態）
図１０は、本実施形態に係るＣＯ２分離システム１００の概略構成を示す図である。図３と異なる点について主に説明する。本実施形態に係るＣＯ２分離システム１００は、第二通路１３がガス混合部５に接続される箇所に調整バルブ５２を備えている。したがって、図３に示した開閉バルブ５１は備えていない。調整バルブ５２は、任意の開度に調整可能なバルブであって、第二通路１３を流通する排気の量を調整することができるバルブで
ある。この調整バルブ５２によりＣＯ２分離装置１２に供給する水蒸気の量をより正確に調整することができる。調整バルブ５２は、ＥＣＵ１０に電気的に接続され、ＥＣＵ１０は調整バルブ５２を制御する。このときには、プロセッサが、主記憶部上の所定のプログラムを実行する。調整バルブ５２は第二バルブの一例である。
図１１は、本実施形態に係るＣＯ２を分離する制御のフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、内燃機関１の作動時にＥＣＵ１０により所定の時間毎に実行される。なお、内燃機関１の停止時には、調整バルブ５２は全閉にされ、且つ、加湿装置４に大気が流通するように切替バルブ４２が切り替えられる。
ステップＳ３０１では、湿度センサ６によって検出される湿度が読み込まれる。ステップＳ３０２では、ステップＳ３０１で読み込まれた湿度が、所定下限湿度未満か否か判定される。所定下限湿度は、ＣＯ２の分離効率が許容範囲内になる湿度の下限値である。ステップＳ３０２で肯定判定された場合には、ＣＯ２分離装置１２に供給するガスの湿度を高めるためにステップＳ３０３へ進む。ステップＳ３０３では、調整バルブ５２が全開か否か判定される。換言すると、第二通路１３を介してこれ以上水蒸気を供給することができない状態であるか否か判定される。ステップＳ３０３で肯定判定された場合には、ステップＳ３０４へ進んで、加湿装置４に大気が流通するように切替バルブ４２が切り替えられる。一方、ステップＳ３０３で否定判定された場合には、ステップＳ３０５へ進んで、調整バルブ５２の開度が現時点の開度よりも増加される。調整バルブ５２の開度は、予め定められた量だけ増加させてもよく、ステップＳ３０１において読み込まれた湿度に応じて増加させてもよい。ステップＳ３０６では、迂回路４１に大気が流通するように切替バルブ４２が切り替えられる。
一方、ステップＳ３０２で否定判定された場合には、ステップＳ３０７へ進む。ステップＳ３０７では、ステップＳ３０１で読み込まれた湿度が、所定上限湿度よりも高いか否か判定される。所定上限湿度は、ＣＯ２の分離効率が許容範囲内になる湿度の上限値である。ここで、湿度が高すぎるとＣＯ２分離装置１２のＣＯ２分離膜１２１に水滴が付着する等してＣＯ２の分離効率が低下する虞があるため、湿度が高すぎる場合には、湿度を低下させる。そのため、ステップＳ３０７で肯定判定された場合には、ステップＳ３０８へ進む。一方、ステップＳ３０７で否定判定された場合には、本フローチャートを終了させることにより、現状の切替バルブ４２の状態及び調整バルブ５２の開度が維持される。
ステップＳ３０８では、加湿装置４に大気を流通するように切替バルブ４２が切り替えられているか否か判定される。換言すると、迂回路４１に大気を流通させることにより湿度を低下させることが可能であるか否か判定される。ステップＳ３０８で肯定判定された場合にはステップＳ３０９へ進み、迂回路４１に大気が流通するように切替バルブ４２が切り替えられる。一方、ステップＳ３０８で否定判定された場合にはステップＳ３１０へ進む。ステップＳ３１０では、調整バルブ５２の開度が現時点の開度よりも減少される。調整バルブ５２の開度は、予め定められた量だけ減少させてもよく、ステップＳ３０１において読み込まれた湿度に応じて減少させてもよい。また、ステップＳ３０５における増加量と、ステップＳ３１０における減少量とが同じであってもよく、または、異なっていてもよい。
以上説明したように本実施形態によれば、調整バルブ５２の開度を調整することにより、ＣＯ２分離装置１２に供給するガスの湿度がより適切になるように調整することができる。これにより、ＣＯ２の分離効率をより高めることができる。なお、排気通路２または第二通路１３において排気の温度または湿度を検出し、ＣＯ２分離装置１２に供給されるガスの湿度が一定になるように調整バルブ５２の開度を調整することもできる。
（第６実施形態）
図１２は、本実施形態に係るＣＯ２分離システム１００の概略構成を示す図である。図１０と異なる点について主に説明する。本実施形態に係るＣＯ２分離システム１００は、第二通路１３に第二加湿装置１３１を有する。第二加湿装置１３１は、加湿装置４と同じ構造のものであっても、また、異なる構造のものであってもよい。
また、本実施形態に係るＣＯ２分離システム１００は、第二加湿装置１３１よりも上流側と下流側とを接続する通路であって第二加湿装置１３１を迂回する通路である第二迂回路１３２と、第二加湿装置１３１または第二迂回路１３２の何れか一方にガスを流通するために通路を切り替える第二切替バルブ１３３とを更に有する。なお、第二迂回路１３２は、一端が分岐部２Ａと第二加湿装置１３１との間の第二通路１３に接続され、他端が第二切替バルブ１３３に接続されている。第二切替バルブ１３３は、第二通路１３がガス混合部５に接続される箇所に備わる。なお、本実施形態では、第二迂回路１３２を備えているが、第二加湿装置１３１の機能を停止することにより第二加湿装置１３１を通過するガスに対する加湿が停止できるのであれば、第二迂回路１３２を備える必要はない。すなわち、第二迂回路１３２にガスを流通させる代わりに、第二加湿装置１３１の機能を停止させてもよい。第二切替バルブ１３３は、ＥＣＵ１０に電気的に接続され、ＥＣＵ１０は第二切替バルブ１３３を制御する。このときには、プロセッサが、主記憶部上の所定のプログラムを実行する。
ＥＣＵ１０は、加湿装置４に代えて、または、加湿装置４と共に、第二加湿装置１３１による加湿を実施する。例えば、湿度センサ６により検出される湿度が所定湿度未満である場合には、第二切替バルブ１３３により第二加湿装置１３１とガス混合部５とが連通され、所定湿度以上である場合には、第二切替バルブ１３３により第二迂回路１３２とガス混合部５とが連通されてもよい。なお、内燃機関１の作動時でなければ第二通路１３に排気が流通しないため、上記の第二切替バルブ１３３の制御は内燃機関１の作動時に実施する。内燃機関１が停止しているときには、第二切替バルブ１３３が第二加湿装置１３１及び第二迂回路１３２と、ガス混合部５との連通を遮断してもよい。
以上説明したように本実施形態によれば、第二通路１３に第二加湿装置１３１を備えることにより、ＣＯ２分離装置１２に供給するガスの湿度がより適切になるように調整することができる。これにより、ＣＯ２の分離効率をより高めることができる。
１ 内燃機関
２ 排気通路
２Ａ 分岐部
３ 排気浄化装置
１１ 第一通路
１１Ａ 導入部
１１Ｂ 合流部
１２ ＣＯ２分離装置
１３ 第二通路
１４ リターン通路
１５ 排出通路
１６ タンク
１００ ＣＯ２分離システム
１０１ 車両
１２１ 分離膜
１２２ 供給側
１２３ 透過側

Claims (10)

  1. 内燃機関を備える車両に搭載されるガス分離システムであって、
    水の存在下でガス中の所定成分を分離するガス分離装置と、
    前記ガス分離装置に接続され前記ガス分離装置に大気を導入する第一通路と、
    前記内燃機関の排気通路と前記第一通路とを接続し前記ガス分離装置に前記内燃機関の排気を導入する第二通路と、
    を備え、
    前記ガス分離装置は、ガス供給側及びガス透過側を隔てているガス分離膜を有し、
    前記第一通路は、前記ガス供給側に接続されるガス分離システム。
  2. 内燃機関を備える車両に搭載されるガス分離システムであって、
    水の存在下でガス中の所定成分を分離するガス分離装置と、
    前記ガス分離装置に接続され前記ガス分離装置に大気を導入する第一通路と、
    前記内燃機関の排気通路と前記第一通路とを接続し前記ガス分離装置に前記内燃機関の排気を導入する第二通路と、
    前記第一通路を流通する大気に対して加湿を行う第一加湿装置と、
    前記第一加湿装置を迂回する迂回路と、
    大気が流通する経路を、前記第一加湿装置または前記迂回路の何れか一方に切り替える切替バルブと、
    前記第二通路において排気の流量を調整する第二バルブと、
    を備えるガス分離システム。
  3. 前記内燃機関の停止時に前記第二バルブを全閉にすることを実行する制御装置を更に備える請求項２に記載のガス分離システム。
  4. 前記内燃機関の作動時であって前記第一通路に流通する大気の量が閾値未満の場合に、前記切替バルブによって前記迂回路に大気を流通させ且つ前記第二バルブを開くことを実行する制御装置を更に備える請求項２に記載のガス分離システム。
  5. 前記内燃機関の作動時であって前記第一通路に流通する大気の量が閾値以上の場合に、前記切替バルブによって前記第一加湿装置に大気を流通させ且つ前記第二バルブを開くこ
    とを実行する制御装置を更に備える請求項２に記載のガス分離システム。
  6. 前記内燃機関の作動時に前記ガス分離装置に導入されるガスの湿度が所定湿度未満の場合に、前記切替バルブによって前記第一加湿装置に大気を流通させ且つ前記第二バルブを開くこと、または、
    前記内燃機関の作動時に前記ガス分離装置に導入されるガスの湿度が所定湿度以上の場合に、前記切替バルブによって前記迂回路に大気を流通させ且つ前記第二バルブを開くこと、
    を実行する制御装置を更に備える請求項２に記載のガス分離システム。
  7. 前記ガス分離装置に導入されるガスの湿度が所定範囲の下限値よりも低い場において、
    前記第二バルブが全開でない場合に、前記切替バルブによって前記迂回路に大気を流通させ且つ前記第二バルブの開度を現時点の開度よりも大きくすること、または、
    前記第二バルブが全開の場合に、前記切替バルブによって前記第一加湿装置に大気を流通させること、
    を実行する制御装置を更に備える請求項２に記載のガス分離システム。
  8. 前記ガス分離装置に導入されるガスの湿度が所定範囲の上限値よりも高い場において、
    前記切替バルブによって前記第一加湿装置に大気が流通されている場合に、前記迂回路に大気が流通するように前記切替バルブを切り替えること、または、
    前記切替バルブによって前記迂回路に大気が流通されている場合に、前記第二バルブの開度を現時点の開度よりも小さくすること、
    を実行する制御装置を更に備える請求項２に記載のガス分離システム。
  9. 前記第二通路を流通する前記内燃機関の排気に対して加湿を行う第二加湿装置と、
    前記第二加湿装置を迂回する第二迂回路と、
    前記内燃機関の排気が流通する経路を、前記第二加湿装置または前記第二迂回路の何れか一方に切り替える第二切替バルブと、
    前記ガス分離装置に導入されるガスの湿度が所定湿度未満の場合には、前記第二切替バルブによって前記第二加湿装置に前記内燃機関の排気を流通させること、または、前記ガス分離装置に導入されるガスの湿度が所定湿度以上の場合には、前記第二切替バルブによって前記第二迂回路に前記内燃機関の排気を流通させること、を実行する制御装置と、
    を更に備える請求項１または２に記載のガス分離システム。
  10. 前記排気通路において、前記第二通路が接続される箇所よりも上流側に前記内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置を更に備える、
    請求項１から９の何れか１項に記載のガス分離システム。
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