JP2020008001A - 排ガス加熱システム及び排ガス加熱方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】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、ハニカム構造体を排ガスが通過するとき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を提供する。【解決手段】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。【選択図】図１
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。
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。
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。
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。
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）。
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）。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
［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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
Claims (18)
- 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。 - 前記水素含有ガス中の水素濃度が７０体積％以上である請求項１に記載の排ガス加熱システム。
- 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、
請求項１又は２に記載の排ガス加熱システム。 - 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、
請求項３に記載の排ガス加熱システム。 - 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請求項３又は４に記載の排ガス加熱システム。
- 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、
を有する請求項５に記載の排ガス加熱システム。 - 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請求項５又は６に記載の排ガス加熱システム。
- 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請求項６に従属する請求項７に記載の排ガス加熱システム。
- 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請求項５〜８の何れか一項に記載の排ガス加熱システム。
- 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、
を有する請求項３〜９の何れか一項に記載の排ガス加熱システム。 - 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請求項１０に記載の排ガス加熱システム。
- 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請求項１０又は１１に記載の排ガス加熱システム。 - 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、
を有する請求項３〜１２の何れか一項に記載の排ガス加熱システム。 - 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請求項１〜１３の何れか一項に記載の排ガス加熱システム。
- 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下となったときに、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請求項７及び１３に従属する請求項１４に記載の排ガス加熱システム。
- 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請求項３〜１５の何れか一項に記載の排ガス加熱システム。
- 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請求項３〜１６の何れか一項に記載の排ガス加熱システム。
- 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。
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|---|---|---|---|---|
| KR102685939B1 (ko) | 2017-10-11 | 2024-07-18 | 토프쉐 에이/에스 | 암모니아 제조를 위한 합성 가스의 생성 방법 |
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