JP2017040380A - Chemical heat storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化学蓄熱装置に関する。 The present invention relates to a chemical heat storage device.
暖機対象を加熱する従来の化学蓄熱装置として、例えば、車両の内燃機関から排出される排気を浄化する排気浄化システムに適用される化学蓄熱装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。排気浄化システムに適用される化学蓄熱装置では、内燃機関から排出された排気の温度が暖機開始温度よりも低くなると、貯蔵器に貯蔵された反応媒体であるNH3が供給管を通って反応器に供給される。これにより、供給されたNH3と反応器の反応材とが化学反応して熱が発生する。すなわち、発熱反応が生じる。この発熱反応により発生した熱によって熱交換器等を介して加熱対象としての排気が加熱される。また、内燃機関から排出された排気の温度が反応媒体再生温度より高くなると、排気の熱が反応器内の反応材に与えられ、反応器内においてNH3が反応材から脱離する。すなわち、再生反応が生じる。そして、脱離されたNH3が供給管を通って貯蔵器に回収される。 As a conventional chemical heat storage device that heats a warm-up target, for example, a chemical heat storage device that is applied to an exhaust purification system that purifies exhaust discharged from an internal combustion engine of a vehicle is known (see, for example, Patent Document 1). . In the chemical heat storage device applied to the exhaust gas purification system, when the temperature of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine becomes lower than the warm-up start temperature, NH 3 which is a reaction medium stored in the reservoir reacts through the supply pipe. Supplied to the vessel. As a result, the supplied NH 3 and the reaction material in the reactor chemically react to generate heat. That is, an exothermic reaction occurs. Exhaust as a heating target is heated via a heat exchanger or the like by heat generated by the exothermic reaction. Further, when the temperature of the exhaust discharged from the internal combustion engine becomes higher than the reaction medium regeneration temperature, the heat of the exhaust is given to the reaction material in the reactor, and NH 3 is desorbed from the reaction material in the reactor. That is, a regeneration reaction occurs. Then, the desorbed NH 3 is collected in the reservoir through the supply pipe.
反応材とNH3が反応し、反応材の結晶内にNH3が取り込まれると、反応材の融点が反応材本来の融点よりも下がる。このため、上記従来の化学蓄熱装置では、発熱反応が終了した後の再生反応時において、反応器内の反応材が高温状態に長くさらされると、反応材の粒子の一部が溶融して、反応材の粒子の表面に多数存在していたNH3の拡散流路を構成する細孔が減少してしまう可能性がある。なお、ここで、溶融とは、融点に達したときに生じる流動現象だけでなく、融点より低い温度における粒子肥大現象(シンタリング)等も含んでいる。反応材の粒子の表面に存在する細孔が減少すると、反応器に供給されたNH3の反応材への拡散速度が遅くなる。すなわち、反応材とNH3との反応速度が低下してしまう。その結果、化学蓄熱装置における発熱性能が低下するという問題がある。 When the reaction material and NH 3 react and NH 3 is taken into the crystal of the reaction material, the melting point of the reaction material falls below the original melting point of the reaction material. For this reason, in the conventional chemical heat storage device, when the reaction material in the reactor is exposed to a high temperature state for a long time during the regeneration reaction after the exothermic reaction is completed, a part of the particles of the reaction material is melted, There is a possibility that the number of pores constituting the NH 3 diffusion channel existing on the surface of the reaction material particles may be reduced. Here, the term “melting” includes not only a flow phenomenon that occurs when the melting point is reached but also a particle enlargement phenomenon (sintering) at a temperature lower than the melting point. When the pores present on the surface of the reaction material particles are reduced, the diffusion rate of NH 3 supplied to the reactor into the reaction material becomes slow. That is, the reaction rate between the reaction material and NH 3 decreases. As a result, there is a problem that heat generation performance in the chemical heat storage device is lowered.
本発明は、発熱性能の低下を抑制することができる化学蓄熱装置を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the chemical thermal storage apparatus which can suppress the fall of exothermic performance.
本発明に係る化学蓄熱装置は、NH3を貯蔵する貯蔵器と、NH3との化学反応により発熱すると共に加熱されるとNH3を脱離する粒子状の反応材を有する反応器と、を備え、反応材の粒子の間には、反応材の粒子よりも小さい粒子径を有する複数の粒子介在物が介在しており、粒子介在物は、反応材からNH3が脱離する再生反応時において、反応材及びNH3に対して不活性であると共に、再生反応時における反応材の温度よりも高い融点を有する。 Chemical heat storage device according to the present invention includes a reservoir for storing NH 3, when heated together generates heat by chemical reaction between NH 3 and reactor with a particulate reactive material capable of leaving the NH 3, the A plurality of particle inclusions having a particle diameter smaller than that of the reaction material particles are interposed between the particles of the reaction material, and the particle inclusions are used during the regeneration reaction in which NH 3 is desorbed from the reaction material. In addition to being inert to the reaction material and NH 3 , it has a melting point higher than the temperature of the reaction material during the regeneration reaction.
本発明に係る化学蓄熱装置において、反応材の粒子よりも小さい粒子径を有する複数の粒子介在物が、反応材の粒子間に介在している。当該複数の粒子介在物は、反応材からNH3が脱離する再生反応時において、反応材及びNH3に対して不活性であるため、反応材及びNH3と化学反応しない。さらに、当該複数の粒子介在物は、再生反応時における反応材の温度よりも高い融点を有するため、再生反応時に反応材が高温となっても溶融しにくい。よって、再生反応時に反応材が溶融した場合であっても、反応材の粒子間にこのような不活性で且つ融点が高い複数の粒子介在物が介在していることにより、複数の粒子介在物同士の隙間によってNH3の拡散流路を確保することができる。そして、再生反応後の発熱反応時には、複数の粒子介在物により確保されたNH3の拡散流路によってNH3を確実に供給することができ、反応速度の低下を抑制することができる。その結果、化学蓄熱装置における発熱性能の低下を抑制することができる。 In the chemical heat storage device according to the present invention, a plurality of particle inclusions having a particle size smaller than the particles of the reaction material are interposed between the particles of the reaction material. The plurality of particle inclusions are inactive to the reaction material and NH 3 during the regeneration reaction in which NH 3 is desorbed from the reaction material, and thus do not chemically react with the reaction material and NH 3 . Furthermore, since the plurality of particle inclusions have a melting point higher than the temperature of the reaction material during the regeneration reaction, it is difficult to melt even if the reaction material becomes high temperature during the regeneration reaction. Therefore, even when the reaction material is melted during the regeneration reaction, a plurality of particle inclusions are present between the particles of the reaction material due to the presence of a plurality of such particle inclusions that are inert and have a high melting point. A diffusion flow path of NH 3 can be secured by a gap between them. Then, when the exothermic reaction after the regeneration reaction can be reliably supplied to NH 3 by diffusion channel of NH 3 which is secured by a plurality of particle inclusions, it is possible to suppress the reduction of the reaction rate. As a result, it is possible to suppress a decrease in heat generation performance in the chemical heat storage device.
本発明に係る化学蓄熱装置において、反応材の総体積と複数の粒子介在物の総体積との合計に対する複数の粒子介在物の総体積の割合は、60体積パーセント以下であってもよい。この場合、複数の粒子介在物自体の熱容量の増加を抑制することができる。これにより、複数の粒子介在物によって化学蓄熱装置における発熱性能の低下を抑制する効果を確実に発揮することが可能となる。 In the chemical heat storage device according to the present invention, the ratio of the total volume of the plurality of particle inclusions to the total of the total volume of the reaction material and the total volume of the plurality of particle inclusions may be 60 volume percent or less. In this case, an increase in the heat capacity of the plurality of particle inclusions can be suppressed. Thereby, the effect which suppresses the fall of the heat generation performance in a chemical heat storage apparatus with a plurality of particle inclusions can be surely exhibited.
本発明に係る化学蓄熱装置において、粒子介在物の粒子径は、3nm以上であってもよい。この場合、NH3の分子が通過可能な隙間を複数の粒子介在物同士の間に容易に形成することができ、NH3の拡散流路を確実に確保することができる。 In the chemical heat storage device according to the present invention, the particle diameter of the particle inclusion may be 3 nm or more. In this case, a gap through which NH 3 molecules can pass can be easily formed between the plurality of particle inclusions, and a diffusion flow path of NH 3 can be reliably ensured.
本発明に係る化学蓄熱装置において、粒子介在物は、SiC、SiO2、又はNiの微粒子であってもよい。この場合、SiC、SiO2、又はNiは、例えばハロゲン化物が用いられる反応材及びNH3に対し不活性であり、且つ、例えばハロゲン化物が用いられる反応材よりも融点が高いため、何れも粒子介在物として適切であり、NH3の拡散流路を確実に確保することができる。 In the chemical heat storage device according to the present invention, the particle inclusion may be SiC, SiO 2 , or Ni fine particles. In this case, SiC, SiO 2 , or Ni is inert to, for example, a reaction material in which a halide is used and NH 3 and has a higher melting point than, for example, a reaction material in which a halide is used. It is suitable as an inclusion, and a diffusion channel for NH 3 can be reliably ensured.
本発明によれば、発熱性能の低下を抑制することができる化学蓄熱装置が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the chemical thermal storage apparatus which can suppress the fall of heat_generation | fever performance is provided.
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description, the same reference numerals are used for the same elements or elements having the same function, and redundant description is omitted.
図1を参照して、本発明の一実施形態に係る化学蓄熱装置を備えた排気浄化システムを説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る化学蓄熱装置を備えた排気浄化システムを示す概略構成図である。 With reference to FIG. 1, the exhaust gas purification system provided with the chemical heat storage apparatus which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an exhaust purification system including a chemical heat storage device according to an embodiment of the present invention.
排気浄化システム1は、車両の内燃機関であるディーゼルエンジン2(以下、単にエンジン2という)の排気系に配設され、エンジン2から排出される排気中に含まれる有害物質(環境汚染物質)を浄化する。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である排気管3の途中に上流側から下流側に向けて順に配置された熱交換器4、酸化触媒(DOC:Diesel Oxidation Catalyst)5、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ(DPF:Diesel Particulate Filter)6、選択還元触媒(SCR:SelectiveCatalytic Reduction)7、及び酸化触媒(ASC:Ammonia Slip Catalyst)8を備えている。 The exhaust purification system 1 is disposed in an exhaust system of a diesel engine 2 (hereinafter simply referred to as an engine 2) that is an internal combustion engine of a vehicle, and removes harmful substances (environmental pollutants) contained in exhaust discharged from the engine 2. Purify. The exhaust purification system 1 includes a heat exchanger 4, an oxidation catalyst (DOC: Diesel Oxidation Catalyst) 5, which are arranged in order from an upstream side to a downstream side in an exhaust pipe 3 that is an exhaust passage connected to an engine 2. A diesel exhaust particulate filter (DPF) 6, a selective catalytic reduction (SCR) 7, and an oxidation catalyst (ASC: Ammonia Slip Catalyst) 8 are provided.
熱交換器4は、エンジン2からの排気と後述する反応材14との間で熱の伝達を行う。熱交換器4は、例えばハニカム構造をなしている。DOC5は、排気中に含まれるHC及びCO等を酸化して浄化する。DPF6は、排気中に含まれる粒子状物質(PM:Particulate Matter)を捕集して取り除く。SCR7は、尿素またはアンモニア(NH3)によって、排気中に含まれるNOxを還元して浄化する。ASC8は、SCR7をすり抜けてSCR7の下流側に流れたNH3を酸化して浄化する。 The heat exchanger 4 transfers heat between the exhaust from the engine 2 and a reaction material 14 described later. The heat exchanger 4 has a honeycomb structure, for example. The DOC 5 oxidizes and purifies HC and CO contained in the exhaust. The DPF 6 collects and removes particulate matter (PM) contained in the exhaust gas. The SCR 7 reduces and purifies NOx contained in the exhaust with urea or ammonia (NH 3 ). The ASC 8 oxidizes and purifies NH 3 that has passed through the SCR 7 and has flowed downstream of the SCR 7.
DOC5、SCR7、及びASC8の各触媒には環境汚染物質の浄化能力を発揮できる温度領域、すなわち活性温度が存在する。しかし、エンジン2の始動直後等は、エンジン2から排出された直後の排気の温度は100℃程度と比較的低温であり、各触媒の活性温度より低い場合がある。このような場合でも各触媒で浄化能力を発揮させるために、各触媒の温度を迅速に活性温度にする必要がある。 Each catalyst of DOC5, SCR7, and ASC8 has a temperature range that can exhibit the ability to purify environmental pollutants, that is, an activation temperature. However, immediately after the engine 2 is started, the temperature of the exhaust gas immediately after being discharged from the engine 2 is as low as about 100 ° C., and may be lower than the activation temperature of each catalyst. Even in such a case, it is necessary to quickly bring the temperature of each catalyst to the activation temperature in order to exhibit the purification ability of each catalyst.
そこで、本実施形態に係る排気浄化システム1は、排気管3の最も上流側に配置される熱交換器4を介して排気を加熱する化学蓄熱装置10を備えている。化学蓄熱装置10が熱交換器4を介して排気を加熱することによって、熱交換器4の下流側には上流側よりも温度が上昇した排気が流れることとなり、触媒を早期に活性化することができる。 Therefore, the exhaust gas purification system 1 according to the present embodiment includes a chemical heat storage device 10 that heats the exhaust gas via the heat exchanger 4 arranged on the most upstream side of the exhaust pipe 3. When the chemical heat storage device 10 heats the exhaust gas via the heat exchanger 4, the exhaust gas whose temperature is higher than that of the upstream side flows on the downstream side of the heat exchanger 4, and the catalyst is activated early. Can do.
化学蓄熱装置10は、反応媒体としてNH3を用いて、可逆的な化学反応を利用することにより、外部エネルギーレスで加熱対象である排気を、熱交換器4を介して加熱する。つまり、化学蓄熱装置10は、通常は、後述する反応材14とNH3とを分離した状態にすることで熱を蓄えておき、熱交換器4の加熱が必要なときに、NH3を反応材14に供給することで反応材14から熱を発生させて熱交換器4を介して排気を加熱する。 The chemical heat storage device 10 uses the NH 3 as a reaction medium and utilizes a reversible chemical reaction to heat the exhaust gas to be heated via the heat exchanger 4 without any external energy. In other words, the chemical heat storage device 10 is typically leave accumulated heat by the state to separate the reaction member 14 and the NH 3 to be described later, when the heating of the heat exchanger 4 is required, reacting the NH 3 By supplying to the material 14, heat is generated from the reaction material 14 and the exhaust gas is heated through the heat exchanger 4.
化学蓄熱装置10は、ストレージ11(貯蔵器)と、ヒータ12(反応器)と、供給管15と、バルブ16と、を備えている。 The chemical heat storage device 10 includes a storage 11 (reservoir), a heater 12 (reactor), a supply pipe 15, and a valve 16.
ストレージ11は、NH3の物理吸着による保持及びNH3の脱離が可能な吸着材13を含む。吸着材13としては、活性炭、カーボンブラック、メソポーラスカーボン、ナノカーボン、又はゼオライト等が用いられる。ストレージ11は、NH3を吸着材13に物理吸着させることで、NH3を貯蔵する。 Storage 11 includes an adsorbent 13 capable of leaving the holding and NH 3 by physical adsorption of NH 3. As the adsorbent 13, activated carbon, carbon black, mesoporous carbon, nanocarbon, zeolite, or the like is used. Storage 11, by physically adsorbed NH 3 to the adsorbent 13, for storing NH 3.
ヒータ12は、排気管3における熱交換器4に対応するように排気管3の周囲に配置されている。すなわち、ヒータ12は、熱交換器4を加熱可能に配置されている。ヒータ12は、例えば排気管3を囲む断面円環形状を有している。この断面円環形状の断面は、ヒータ12を排気管3における排気の流れ方向に対して垂直に切った面である。 The heater 12 is disposed around the exhaust pipe 3 so as to correspond to the heat exchanger 4 in the exhaust pipe 3. That is, the heater 12 is disposed so as to heat the heat exchanger 4. The heater 12 has, for example, an annular cross section surrounding the exhaust pipe 3. The cross-section of the annular cross section is a surface obtained by cutting the heater 12 perpendicular to the exhaust flow direction in the exhaust pipe 3.
ヒータ12は、反応材混合物18を有している。反応材混合物18は、粒子状の反応材14を含んでいる。すなわち、ヒータ12は、反応材14を有している。なお、本実施形態において、粒子状とは、例えば粉末等の微粒子によって構成された粉末状を含む。反応材14は、NH3と化学反応して熱を発生すると共に、高温となった排気の熱により加熱されることで蓄熱してNH3を脱離する。よって、ヒータ12においては、ストレージ11からNH3が供給されると、当該NH3と反応材14とが化学反応して、発熱する。また、ヒータ12においては、脱離開始温度以上の熱が加えられると反応材14からNH3が脱離して、NH3を放出し始める。発熱温度及び脱離開始温度は、反応媒体であるNH3と反応材14の組み合わせによって異なるため、加熱対象の目標加熱温度に応じて、反応材14が適宜選択される。 The heater 12 has a reactant mixture 18. The reactant mixture 18 includes particulate reactant 14. That is, the heater 12 has a reaction material 14. In the present embodiment, the particulate form includes a powder form constituted by fine particles such as powder. The reaction material 14 chemically reacts with NH 3 to generate heat, and is heated by the heat of exhaust gas that has become high temperature to store heat and desorb NH 3 . Therefore, in the heater 12, when NH 3 is supplied from the storage 11, the NH 3 and the reaction material 14 chemically react to generate heat. In the heater 12, when heat equal to or higher than the desorption start temperature is applied, NH 3 is desorbed from the reaction material 14 and begins to release NH 3 . Since the exothermic temperature and the desorption start temperature differ depending on the combination of NH 3 as the reaction medium and the reaction material 14, the reaction material 14 is appropriately selected according to the target heating temperature to be heated.
反応材14としては、組成式MXaで表されるハロゲン化物が用いられる。ここで、Mは、Mg、Ca、又はSr等のアルカリ土類金属、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、又はZn等の遷移金属である。Xは、Cl、Br、又はI等である。aは、Mの価数により特定される数であり、2〜3である。 As the reaction material 14, a halide represented by the composition formula MXa is used. Here, M is an alkaline earth metal such as Mg, Ca, or Sr, or a transition metal such as Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, or Zn. X is Cl, Br, I or the like. a is a number specified by the valence of M, and is 2-3.
さらに、本実施形態において、反応材混合物18は、反応材14の粒子よりも小さい粒子径を有する複数の粒子介在物17を含んでいる。すなわち、反応材混合物18には、粒子状の反応材14と複数の粒子介在物17とが混在している。反応材混合物18は、粒子状の反応材14に、複数の粒子介在物17が添加された状態でプレス成型されている。このプレス成型により、反応材混合物18は、板状、ペレット状、又はタブレット状等の成型体に成型される。例えば、反応材混合物18は、粒子状の反応材14と、複数の粒子介在物17とを粉体混合器等で均一に混合し、その混合物を型に入れて、例えば20〜100MPaの圧力でプレス成型加工を施すことによって押し固められて形成される。このようにして反応材混合物18が形成されることにより、反応材14の粒子の間には、反応材14の粒子よりも小さい粒子径を有する複数の粒子介在物17が介在している。図2は、反応材14の粒子19間に複数の粒子介在物17が分散している様子を示す概念図である。図2に示すように、複数の粒子介在物17は、反応材14の粒子19間に介在し、複数の粒子介在物17同士の間にNH3の拡散流路を形成している。 Further, in the present embodiment, the reactant mixture 18 includes a plurality of particle inclusions 17 having a particle diameter smaller than the particles of the reactant 14. That is, in the reaction material mixture 18, the particulate reaction material 14 and the plurality of particle inclusions 17 are mixed. The reaction material mixture 18 is press-molded in a state where a plurality of particle inclusions 17 are added to the particulate reaction material 14. By this press molding, the reaction material mixture 18 is molded into a molded body such as a plate shape, a pellet shape, or a tablet shape. For example, the reaction material mixture 18 is obtained by uniformly mixing the particulate reaction material 14 and the plurality of particle inclusions 17 with a powder mixer or the like, and placing the mixture in a mold, for example, at a pressure of 20 to 100 MPa. It is formed by pressing and compacting. By forming the reaction material mixture 18 in this way, a plurality of particle inclusions 17 having a smaller particle diameter than the particles of the reaction material 14 are interposed between the particles of the reaction material 14. FIG. 2 is a conceptual diagram showing a state in which a plurality of particle inclusions 17 are dispersed between the particles 19 of the reaction material 14. As shown in FIG. 2, the plurality of particle inclusions 17 are interposed between the particles 19 of the reaction material 14, and NH 3 diffusion channels are formed between the plurality of particle inclusions 17.
粒子介在物17は、粒子状の微細構造体であって、反応材14の粒子19よりも小さい粒子径を有している。これにより、粒子介在物17は、反応材14の粒子19間に介在することができる。ここで、粒子径とは、例えば粒子を略球体と仮定した場合に、その直径に相当する値である。また、粒子径は、直径に限らず、粒子19又は粒子介在物17の大きさ及び形状等に応じて定義してもよい。例えば、粒子径は、長径又は短径等であってもよく、その他の所定の基準に従って測定した粒子の長さであってもよい。また、粒子径は、例えば、複数の粒子の各粒子径の平均値である平均粒子径であってもよく、複数の粒子から選択された何れかの粒子の粒子径であってもよい。より具体的には、粒子径は、幾何学的特性から算出された粒子の相当径、或いは動力学特性または光学特性から算出された粒子の有効径等であってもよい。例えば、光学特性から算出された粒子の有効径は、レーザー回折散乱式粒子径測定装置により測定された粒度分布における累積体積が50%となる粒子径(D50)である。 The particle inclusion 17 is a particulate microstructure, and has a smaller particle diameter than the particles 19 of the reaction material 14. Thereby, the particle inclusions 17 can be interposed between the particles 19 of the reaction material 14. Here, the particle diameter is a value corresponding to the diameter when the particle is assumed to be a substantially spherical body, for example. The particle diameter is not limited to the diameter, and may be defined according to the size and shape of the particle 19 or the particle inclusion 17. For example, the particle diameter may be a major axis or a minor axis, or may be a particle length measured according to another predetermined standard. Further, the particle diameter may be, for example, an average particle diameter that is an average value of the particle diameters of a plurality of particles, or may be a particle diameter of any particle selected from the plurality of particles. More specifically, the particle diameter may be an equivalent particle diameter calculated from geometric characteristics, or an effective particle diameter calculated from dynamic characteristics or optical characteristics. For example, the effective diameter of the particle calculated from the optical characteristics is a particle diameter (D50) at which the cumulative volume in the particle size distribution measured by a laser diffraction / scattering particle diameter measuring apparatus is 50%.
粒子介在物17は、反応材14からNH3が脱離する再生反応時において、反応材14及びNH3に対して不活性であると共に、再生反応時における反応材14の温度よりも高い融点を有する。不活性であるとは、化学的に安定であって、化学反応し難いことを示す。再生反応とは、暖められた排気の熱がヒータ12の反応材14に与えられ、反応材14からNH3が脱離する反応であって、後述する反応式(A)における右辺から左辺への反応である。再生反応時における反応材14の温度とは、例えば再生反応中に最も高温となる反応材14のピーク温度(例えば約400程度)である。よって、粒子介在物17は、再生反応時において、反応材14に対してもNH3に対しても化学反応しない。これに加えて、再生反応時において、粒子介在物17自体が溶融しない。なお、本実施形態において、溶融とは、融点に達したときに生じる流動現象だけでなく、融点より低い温度における粒子肥大現象(シンタリング)等も含んでいる。再生反応時における反応材14の温度が、例えば約400℃程度である場合、粒子介在物17は、例えば約400℃程度の温度環境下において、反応材14に対してもNH3に対しても化学反応しないと共に、それ自体が溶融しない材料で構成されている。 The particle inclusion 17 is inactive to the reaction material 14 and NH 3 during the regeneration reaction in which NH 3 is desorbed from the reaction material 14, and has a melting point higher than the temperature of the reaction material 14 during the regeneration reaction. Have. Inactive means that it is chemically stable and difficult to react chemically. The regeneration reaction is a reaction in which heated heat of exhaust gas is applied to the reaction material 14 of the heater 12 and NH 3 is desorbed from the reaction material 14, and the reaction from the right side to the left side in the reaction formula (A) described later is performed. It is a reaction. The temperature of the reaction material 14 at the time of the regeneration reaction is, for example, the peak temperature (for example, about 400) of the reaction material 14 that becomes the highest temperature during the regeneration reaction. Therefore, the particle inclusion 17 does not chemically react with the reactant 14 or NH 3 during the regeneration reaction. In addition, the particle inclusions 17 themselves do not melt during the regeneration reaction. In the present embodiment, melting includes not only a flow phenomenon that occurs when the melting point is reached but also a particle enlargement phenomenon (sintering) at a temperature lower than the melting point. When the temperature of the reaction material 14 at the time of the regeneration reaction is, for example, about 400 ° C., the particle inclusions 17 can react to both the reaction material 14 and NH 3 in a temperature environment of about 400 ° C., for example. It is made of a material that does not react chemically and does not melt itself.
粒子介在物17は、例えば、SiC、SiO2、又はNi等の微粒子等である。反応材14の総体積と複数の粒子介在物17の総体積との合計に対する複数の粒子介在物17の総体積の割合(以下、「粒子介在物17の添加割合」ともいう)は、例えば60体積パーセント以下であってもよい。すなわち、反応材14の総体積と複数の粒子介在物17の総体積との合計を100とした場合に、この合計に対する複数の粒子介在物17の総体積の割合は60以下であってもよい。 The particle inclusion 17 is, for example, fine particles such as SiC, SiO 2 , or Ni. The ratio of the total volume of the plurality of particle inclusions 17 to the total of the total volume of the reaction material 14 and the total volume of the plurality of particle inclusions 17 (hereinafter also referred to as “addition ratio of the particle inclusions 17”) is, for example, 60 It may be less than or equal to volume percent. That is, when the total of the total volume of the reaction material 14 and the total volume of the plurality of particle inclusions 17 is 100, the ratio of the total volume of the plurality of particle inclusions 17 to the total may be 60 or less. .
粒子介在物17の粒子径の上限値は、反応材14の種類に応じて適宜設定される。例えば、反応材14がMgBr2である場合には、粒子介在物17の粒子径の上限値は、MgBr2の粒子の粒子径である約1〜50μmよりも十分に小さい例えば約3〜800nmとしてもよい。また、粒子介在物17の粒子径は、NH3分子が透過可能な隙間が粒子介在物17同士に形成される大きさであってもよい。よって、粒子介在物17の粒子径の下限値は、例えば3nmであってもよい。 The upper limit value of the particle diameter of the particle inclusion 17 is appropriately set according to the type of the reaction material 14. For example, when the reaction material 14 is MgBr 2 , the upper limit of the particle diameter of the particle inclusion 17 is, for example, about 3 to 800 nm, which is sufficiently smaller than about 1 to 50 μm that is the particle diameter of the MgBr 2 particles. Also good. The particle size of the particle inclusions 17 may be such that a gap through which NH 3 molecules can pass is formed between the particle inclusions 17. Therefore, the lower limit of the particle diameter of the particle inclusion 17 may be 3 nm, for example.
ここで、粒子介在物17の粒子径の下限値である3nmは、例えば次のような方法によって求めることができる。互いに外接し且つ略同じ直径である三つの円(外側円)同士の間に配置されていると共に、これらの三つの円に外接する円(内側円)を考えた場合に、内側円の直径をXとし、外側円の直径をYとすると、例えばデカルトの円定理に基づいて、X/Y≒0.155の関係が成立する。NH3分子の大きさは、約4Åであるため、内側円の直径がNH3の分子の大きさに等しい(X=4Å)とすると、Y=25.8Å≒3nmと求まる。すなわち、直径4ÅのNH3分子が外側円同士の間を透過可能な場合の外側円の直径Yは少なくとも3nmであるとみなすことができる。外側円の直径Yは、粒子介在物17の粒子径とみなすことができるため、粒子介在物17同士の隙間をNH3分子が透過可能な場合の粒子介在物17の粒子径は少なくとも3nmであるとみなすことができる。よって、粒子介在物17の粒子径が少なくとも3nmであれば、NH3の分子が通過可能な隙間を介在物同士の間に容易に形成することができる。 Here, 3 nm which is the lower limit value of the particle diameter of the particle inclusions 17 can be obtained by, for example, the following method. When the circles (outer circles) circumscribing each other and having the same diameter are arranged between the three circles (outer circles) and circumscribing these three circles (inner circles), the diameter of the inner circle is If X is X and the diameter of the outer circle is Y, the relationship X / Y≈0.155 is established, for example, based on the Cartesian circle theorem. Since the size of the NH 3 molecule is about 4 mm, if the diameter of the inner circle is equal to the size of the molecule of NH 3 (X = 4 mm), Y = 25.8Å≈3 nm is obtained. That is, the diameter Y of the outer circle when the NH 3 molecule having a diameter of 4 mm can pass between the outer circles can be considered to be at least 3 nm. Since the diameter Y of the outer circle can be regarded as the particle diameter of the particle inclusions 17, the particle diameter of the particle inclusions 17 when the NH 3 molecules can permeate through the gaps between the particle inclusions 17 is at least 3 nm. Can be considered. Therefore, if the particle diameter of the particle inclusions 17 is at least 3 nm, a gap through which NH 3 molecules can pass can be easily formed between the inclusions.
なお、ヒータ12内に配置された反応材14には、反応材14よりも熱伝導率が高く、反応材14で発生した熱を熱交換器4に効率的に伝える熱伝導パスとなる熱伝導材料を混合してもよい。例えば、反応材14を板状、ペレット状、又はタブレット状の成型体に成型する際に粉末状の反応材14と熱伝導材料とを粉体混合器等で均一に混合し、その混合物を型に入れてプレス成型加工を施して押し固めてもよい。熱伝導材料としては、例えばカーボンファイバ、カーボンビーズ、SiCビーズ、金属ビーズ、高分子ビーズ、又は高分子ファイバ等が用いられる。金属ビーズとしては、例えばCu、Ag、Ni、Ci−Cr、Al、Fe、又はステンレス鋼等の金属ビーズが用いられる。また、熱伝導材料として、グラファイトシート、又はアルミ等の金属シート等を加工した材料を用いてもよい。 The reaction material 14 disposed in the heater 12 has a heat conductivity higher than that of the reaction material 14, and serves as a heat conduction path that efficiently transfers heat generated in the reaction material 14 to the heat exchanger 4. Materials may be mixed. For example, when forming the reaction material 14 into a plate-shaped, pellet-shaped, or tablet-shaped molded body, the powdered reaction material 14 and the heat conducting material are uniformly mixed with a powder mixer or the like, and the mixture is molded. It is also possible to press and harden it into As the heat conducting material, for example, carbon fiber, carbon bead, SiC bead, metal bead, polymer bead, polymer fiber, or the like is used. As the metal beads, for example, metal beads such as Cu, Ag, Ni, Ci—Cr, Al, Fe, or stainless steel are used. Moreover, you may use the material which processed metal sheets, such as a graphite sheet or aluminum, as a heat conductive material.
供給管15は、ストレージ11とヒータ12とを接続し、ストレージ11とヒータ12との間でNH3を流通させる。すなわち、供給管15は、ストレージ11とヒータ12との間をNH3が移動する供給流路を構成している。バルブ16は、供給管15に配設されている。すなわち、バルブ16は、ストレージ11とヒータ12との間に配設されている。バルブ16は、ストレージ11とヒータ12との間でNH3の流路を開閉させる。例えば、バルブ16は、電磁開閉弁である。バルブ16の開制御及び閉制御は、コントローラ(不図示)によって行われる。 The supply pipe 15 connects the storage 11 and the heater 12, and distributes NH 3 between the storage 11 and the heater 12. That is, the supply pipe 15 forms a supply flow path in which NH 3 moves between the storage 11 and the heater 12. The valve 16 is disposed in the supply pipe 15. That is, the valve 16 is disposed between the storage 11 and the heater 12. The valve 16 opens and closes the NH 3 flow path between the storage 11 and the heater 12. For example, the valve 16 is an electromagnetic on-off valve. Opening control and closing control of the valve 16 are performed by a controller (not shown).
上記のような化学蓄熱装置10において、排気の温度が暖機開始温度より低いときにバルブ16が開かれることで、ストレージ11内に収容されたNH3が供給管15を通してヒータ12に供給され、ヒータ12の反応材14(例えばMgBr2)とNH3とが化学反応し、反応材14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。ヒータ12で発生した熱によって熱交換器4が加熱され、熱交換器4を介して排気が加熱される。
Mg(NH3)XBr2+YNH3 ⇔ Mg(NH3)x+YBr2 …(A)
In the chemical heat storage device 10 as described above, when the temperature of the exhaust is lower than the warm-up start temperature, the valve 16 is opened, so that NH 3 accommodated in the storage 11 is supplied to the heater 12 through the supply pipe 15, The reaction material 14 (for example, MgBr 2 ) of the heater 12 chemically reacts with NH 3, and heat is generated from the reaction material 14. That is, a reaction from the left side to the right side (exothermic reaction) in the following reaction formula (A) occurs. The heat exchanger 4 is heated by the heat generated by the heater 12, and the exhaust gas is heated via the heat exchanger 4.
Mg (NH 3 ) X Br 2 + YNH 3 MgMg (NH 3 ) x + Y Br 2 (A)
バルブ16が開かれてから所定時間経過後、又はエンジン2からの排気の温度が所定温度以上となると、バルブ16が閉じられることで、エンジン2の稼働中における暖機が終了する。そして暖機終了後、エンジン2が定常運転状態となり、エンジン2から排出される排気の温度が十分に高くなってくると、今度は、排気の熱が熱交換器4を介してヒータ23の反応材14に与えられることになる。つまり、反応材14は熱交換器4を介して排気により加熱される。そして、排気の温度が所定の回収温度以上となると、ヒータ12の内部ではNH3を化学吸着した状態の反応材14からNH3が脱離する再生反応(上記の反応式(A)における右辺から左辺への反応)が生じる。ここで、所定の回収温度とは、反応材14からNH3を脱離させるのに十分な熱を反応材14に与えることができる排気の温度である。反応材14からNH3が脱離したとき、バルブ16が開かれていると、反応材14から脱離したNH3が供給管15を通ってヒータ12からストレージ11へ移動可能となる。ストレージ11内にNH3が戻ると、NH3がストレージ11内の吸着材13に物理吸着されて回収される。 When a predetermined time elapses after the valve 16 is opened, or when the temperature of the exhaust gas from the engine 2 becomes equal to or higher than the predetermined temperature, the valve 16 is closed, and the warm-up during the operation of the engine 2 ends. After the warm-up, when the engine 2 enters a steady operation state and the temperature of the exhaust gas discharged from the engine 2 becomes sufficiently high, the heat of the exhaust gas reacts with the heater 23 via the heat exchanger 4 this time. It will be given to the material 14. That is, the reaction material 14 is heated by the exhaust gas through the heat exchanger 4. When the temperature of the exhaust gas becomes equal to or higher than a predetermined recovery temperature, a regeneration reaction in which NH 3 is desorbed from the reaction material 14 in a state where NH 3 is chemically adsorbed inside the heater 12 (from the right side in the above reaction formula (A)). Reaction to the left side) occurs. Here, the predetermined recovery temperature is the temperature of the exhaust gas that can give the reaction material 14 heat sufficient to desorb NH 3 from the reaction material 14. When the NH 3 from the reaction member 14 detached, the valve 16 is opened, the NH 3 desorbed from the reaction member 14 is movable from the heater 12 to the storage 11 through the supply pipe 15. When NH 3 returns to the storage 11, NH 3 is physically adsorbed by the adsorbent 13 in the storage 11 and collected.
一般に、NH3が最大配位した反応材14(例えば、MgBr2では6和物)からNH3を全て脱離させてNH3が無配位の反応材14にするためには、NH3が最大配位した反応材14(例えば、MgBr2では6和物)からNH3を一部脱離させてNH3が低配位の反応材14にする場合と比較して、非常に高いエネルギーが必要となる。つまり、反応材14からNH3を脱離させるために高温の熱源が必要となる。そこで、通常は、NH3が低配位の反応材14(例えば、MgBr2では2和物)にNH3を供給することで発熱反応を生じさせてNH3が最大配位した反応材14(例えば、MgBr2では6和物)にすると共に、NH3が最大配位した反応材14(例えば、MgBr2では6和物)に熱を加えることで脱離反応を生じさせてNH3が低配位の反応材14(例えば、MgBr2では2和物)にするように、反応を制御している。しかしながら、低配位の反応材14は、NH3が配位していることにより、無和物に比べてその融点が低下するという問題がある。例えば、MgBr2の場合、無和物の融点が700℃以上であるのに対し、2和物では400℃程度にまで低下してしまう。 In general, in order to desorb all NH 3 from the reactant 14 in which NH 3 is most coordinated (for example, hexahydrate in MgBr 2 ) to make the NH 3 non-coordinated reactant 14, NH 3 must be Compared with the case where NH 3 is partially desorbed from the maximum coordinated reaction material 14 (eg, hexahydrate in MgBr 2 ) and NH 3 becomes a low-coordinate reaction material 14, the energy is very high. Necessary. That is, a high temperature heat source is required to desorb NH 3 from the reaction material 14. Therefore, normally, the reaction material 14 in which NH 3 is coordinated to the maximum by causing NH 3 to be supplied to the reaction material 14 having low NH 3 coordination (for example, a hydrate in MgBr 2 ) causes an exothermic reaction. For example, in the case of MgBr 2 , a hexahydrate), and a reaction material 14 in which NH 3 is coordinated to the maximum (for example, MgBr 2 is a hexahydrate) causes heat to cause an elimination reaction, thereby reducing NH 3. coordination of the reaction member 14 (e.g., MgBr in 2 2 dihydrate) so as to, and controls the reaction. However, the low-coordinating reaction material 14 has a problem that its melting point is lower than that of the unnatural product due to coordination of NH 3 . For example, in the case of MgBr 2 , the melting point of the unnatural product is 700 ° C. or more, whereas in the case of MgBr 2 , the melting point is lowered to about 400 ° C.
次に、図3を参照して、従来の化学蓄熱装置における発熱性能の低下の問題を説明する。図3は、従来の化学蓄熱装置において再生反応時に反応材14の粒子19が溶融する様子を示す概念図である。図3の(a)は、低温時における反応材14の粒子19を示し、図3の(b)〜(d)は、高温時に反応材14の粒子19が溶融する様子を示している。 Next, with reference to FIG. 3, the problem of the deterioration of the heat generation performance in the conventional chemical heat storage device will be described. FIG. 3 is a conceptual diagram showing how particles 19 of the reaction material 14 are melted during a regeneration reaction in a conventional chemical heat storage device. 3A shows the particles 19 of the reaction material 14 at a low temperature, and FIGS. 3B to 3D show how the particles 19 of the reaction material 14 melt at a high temperature.
低温時では、図3の(a)に示すように、反応材14の粒子19は溶融していないが、熱によって粒子19を構成する原子の動きが活発化し、軟化し始める。再生反応時において反応材14に熱が与えられ、反応材14が高温(例えば約400℃)となると、図3の(b)に示すように、反応材14の粒子19が溶融し始める。これは、反応材14として低配位(例えば、MgBr2では2和物)の材料が用いられることにより、反応材14の融点が反応材14本来の融点(すなわち無和物の反応材14の融点)よりも下がっているためである。そして、このような高温状態で所定時間が経過すると、図3の(c)に示すように、隣接する粒子19同士の接触面が接合する。これにより、各粒子19の接合面にて表面積の減少が起こり、NH3の拡散流路となる細孔が閉塞等によって減少する。更に時間が経過すると、図3の(d)に示すように、各粒子19の溶融が進んで各粒子19の接合面が大きくなり、細孔の減少が更に進行する。このように、反応材14の粒子19の溶融によってNH3の拡散流路となる細孔が減少すると、ヒータ12に供給されたNH3の反応材14への拡散速度が遅くなる。すなわち、反応材14とNH3との反応速度が低下してしまう。その結果、発熱性能が低下するという問題がある。 At a low temperature, as shown in FIG. 3A, the particles 19 of the reaction material 14 are not melted, but the movement of atoms constituting the particles 19 is activated by heat and starts to soften. When heat is applied to the reaction material 14 during the regeneration reaction and the reaction material 14 reaches a high temperature (for example, about 400 ° C.), the particles 19 of the reaction material 14 begin to melt, as shown in FIG. This is because the reaction material 14 is made of a low-coordination (for example, MgBr 2 dihydrate) material, so that the reaction material 14 has a melting point that is the original melting point of the reaction material 14 (that is, the unnatural reaction material 14). This is because it is lower than the melting point). And when predetermined time passes in such a high temperature state, as shown to (c) of FIG. 3, the contact surface of adjacent particle | grains 19 will join. As a result, the surface area of the bonded surface of each particle 19 is reduced, and the pores serving as NH 3 diffusion channels are reduced due to blockage or the like. When the time further elapses, as shown in FIG. 3D, the melting of each particle 19 progresses, the joint surface of each particle 19 becomes larger, and the reduction of the pores further proceeds. As described above, when the pores serving as the NH 3 diffusion flow path decrease due to the melting of the particles 19 of the reaction material 14, the diffusion speed of the NH 3 supplied to the heater 12 into the reaction material 14 becomes slow. That is, the reaction rate between the reaction material 14 and NH 3 decreases. As a result, there is a problem that the heat generation performance is lowered.
この問題に対し、本実施形態に係る化学蓄熱装置10では、反応材14の粒子19よりも小さい粒子径を有する複数の粒子介在物17が、反応材14の粒子19の間に介在している(図2参照)。当該複数の粒子介在物17は、反応材14からNH3が脱離する再生反応時において、反応材14及びNH3に対して不活性であるため、反応材14及びNH3と化学反応しない。さらに、当該複数の粒子介在物17は、再生反応時における反応材14の温度よりも高い融点を有するため、再生反応時に反応材14が高温となっても溶融しない。よって、再生反応時に反応材14が溶融した場合であっても、反応材14の粒子19間にこのような不活性で且つ融点が高い複数の粒子介在物17が介在していることにより、複数の粒子介在物17同士の隙間によってNH3の拡散流路を確保することができる。そして、再生反応後の発熱反応時には、複数の粒子介在物17により確保されたNH3の拡散流路によってNH3を確実に供給することができ、反応速度の低下を抑制することができる。その結果、化学蓄熱装置10における発熱性能の低下を抑制することができる。 In response to this problem, in the chemical heat storage device 10 according to the present embodiment, a plurality of particle inclusions 17 having a particle diameter smaller than the particles 19 of the reaction material 14 are interposed between the particles 19 of the reaction material 14. (See FIG. 2). The plurality of particle inclusions 17 are inactive with respect to the reaction material 14 and NH 3 during the regeneration reaction in which NH 3 is desorbed from the reaction material 14, and thus do not chemically react with the reaction material 14 and NH 3 . Further, since the plurality of particle inclusions 17 have a melting point higher than the temperature of the reaction material 14 during the regeneration reaction, the plurality of particle inclusions 17 do not melt even when the reaction material 14 reaches a high temperature during the regeneration reaction. Therefore, even when the reaction material 14 is melted during the regeneration reaction, a plurality of particle inclusions 17 having such an inert and high melting point are interposed between the particles 19 of the reaction material 14. The NH 3 diffusion channel can be secured by the gap between the particle inclusions 17. Then, when the exothermic reaction after regeneration reaction, the NH 3 can be reliably supplied by diffusion channel of NH 3 which is secured by a plurality of particle inclusions 17, it is possible to suppress the reduction of the reaction rate. As a result, it is possible to suppress a decrease in heat generation performance in the chemical heat storage device 10.
ここで、粒子介在物17の添加割合が60体積パーセントよりも多い場合には、複数の粒子介在物17自体の熱容量が増加することにより、発熱反応時における熱が複数の粒子介在物17自体を暖めるのに費やされる結果、化学蓄熱装置10の発熱性能の低下を抑制する効果を十分に奏することができない可能性がある。本実施形態に係る化学蓄熱装置10において、粒子介在物17の添加割合が60体積パーセント以下である場合、このような複数の粒子介在物17自体の熱容量の増加を抑制することができる。これにより、粒子介在物17によって化学蓄熱装置10における発熱性能の低下を抑制する効果を確実に発揮することが可能となる。 Here, when the addition ratio of the particle inclusions 17 is more than 60 volume percent, the heat capacity of the plurality of particle inclusions 17 themselves increases, so that the heat during the exothermic reaction causes the plurality of particle inclusions 17 themselves. As a result of spending warming, there is a possibility that the effect of suppressing the deterioration of the heat generation performance of the chemical heat storage device 10 cannot be sufficiently achieved. In the chemical heat storage device 10 according to this embodiment, when the addition ratio of the particle inclusions 17 is 60 volume percent or less, such an increase in the heat capacity of the plurality of particle inclusions 17 themselves can be suppressed. Thereby, it becomes possible to reliably exhibit the effect of suppressing the deterioration of the heat generation performance in the chemical heat storage device 10 by the particle inclusions 17.
さらに、本実施形態に係る化学蓄熱装置10において、粒子介在物17の粒子径が3nm以上である場合には、NH3の分子が通過可能な隙間を粒子介在物17同士の間に容易に形成することができ、NH3の拡散流路を確実に確保することができる。 Furthermore, in the chemical heat storage device 10 according to the present embodiment, when the particle diameter of the particle inclusions 17 is 3 nm or more, a gap through which NH 3 molecules can pass is easily formed between the particle inclusions 17. It is possible to ensure a NH 3 diffusion channel.
さらに、本実施形態に係る化学蓄熱装置10において、粒子介在物17がSiC、SiO2、又はNiの微粒子等である場合、SiC、SiO2、又はNiは、反応材14及びNH3に対して不活性であり、且つ、反応材14に対して融点が高いため、何れも粒子介在物17として適切であり、NH3の拡散流路を確実に確保することができる。なお、粒子介在物17がNiの微粒子等である場合には、反応材14に比べて熱膨張係数が大きいため、熱収縮によって粒子介在物17同士の隙間が形成され易く、NH3の拡散流路をより確実に確保することができる。 Furthermore, in the chemical heat storage device 10 according to the present embodiment, when the particle inclusions 17 are SiC, SiO 2 , or Ni fine particles, SiC, SiO 2 , or Ni is contained in the reactant 14 and NH 3 . Since it is inert and has a high melting point with respect to the reaction material 14, any of them is suitable as the particle inclusion 17, and a NH 3 diffusion channel can be reliably ensured. When the particle inclusions 17 are Ni fine particles or the like, the coefficient of thermal expansion is larger than that of the reaction material 14, so that a gap between the particle inclusions 17 is easily formed by thermal contraction, and the NH 3 diffusion flow The road can be secured more reliably.
次に、図4及び表1を参照して、反応材14の粒子19の間に複数の粒子介在物17が介在していることによる発熱性能の低下の抑制効果の一例について説明する。この例では、反応材14として、MgBr2を用いると共に、粒子介在物17として、SiC、SiO2、又はNiの粉末を用いた。この例では、次のようにして、発熱性能に関する実験を行った。 Next, with reference to FIG. 4 and Table 1, an example of an effect of suppressing a decrease in heat generation performance due to the presence of the plurality of particle inclusions 17 between the particles 19 of the reaction material 14 will be described. In this example, MgBr 2 was used as the reaction material 14, and SiC, SiO 2 , or Ni powder was used as the particle inclusion 17. In this example, an experiment on heat generation performance was performed as follows.
まず、角柱形状の開口部を有するステンレス鋼製の反応容器にMgBr2を充填し、NH3導入孔付きの蓋を当該開口部に装着し密閉した。続いて、反応容器の内部空間に残存する気体を真空ポンプにおいて除去した後、NH3を導入し、発熱反応を生じさせた。発熱反応が終了した後、反応容器の外部にセラミックヒータを密着させ、MgBr2の温度が約400℃になるよう加熱し3時間放置して、再生反応を生じさせた。なお、NH3の再生反応時のNH3の放出先には空の容器を使用し、所定量のNH3が脱離しても系内圧力が高くなり過ぎないようにした。その後、再度、反応容器にNH3を導入し、発熱反応を生じさせ、発熱性能を評価した。発熱性能は、予め反応容器内に装着しておいた熱電対でMgBr2の温度を計測することにより、発熱反応時におけるMgBr2の温度のピーク値(以下、「発熱温度」ともいう)を算出し、当該発熱温度を用いて評価した。以下、このような約400℃の高温状態で再生反応が行われた後の発熱反応を「熱履歴後の発熱反応」ともいう。 First, a reaction vessel made of stainless steel having a prismatic opening was filled with MgBr 2, and a lid with an NH 3 introduction hole was attached to the opening and sealed. Subsequently, after the gas remaining in the internal space of the reaction vessel was removed with a vacuum pump, NH 3 was introduced to cause an exothermic reaction. After completion of the exothermic reaction, a ceramic heater was brought into close contact with the outside of the reaction vessel, heated to a MgBr 2 temperature of about 400 ° C., and allowed to stand for 3 hours to cause a regeneration reaction. Note that the emission destination NH 3 during regeneration reaction of NH 3 with an empty vessel, was as NH 3 in a predetermined amount is not too high system pressure even by detachment. Thereafter, NH 3 was again introduced into the reaction vessel to cause an exothermic reaction, and the exothermic performance was evaluated. The exothermic performance is calculated by measuring the MgBr 2 temperature with a thermocouple previously installed in the reaction vessel to calculate the peak value of MgBr 2 temperature during the exothermic reaction (hereinafter also referred to as “exothermic temperature”). The exothermic temperature was used for evaluation. Hereinafter, the exothermic reaction after the regeneration reaction is performed at a high temperature of about 400 ° C. is also referred to as “exothermic reaction after the heat history”.
比較例として、まずMgBr2に粒子介在物17を添加せずに、上述の実験を行った。その結果を図4に示す。図4は、粒子介在物17が添加されていない場合のMgBr2の発熱反応時の温度変化を示すグラフである。図4の横軸は、反応容器にNH3を導入し始めてからの経過時間[s]を示し、図4の縦軸は、MgBr2の温度を示す。図4のグラフ20bは、基準値として、熱履歴がなかった場合の発熱反応時のMgBr2の温度変化を示している。熱履歴がなかった場合とは、約400℃の高温状態ではなく低温真空中でNH3の再生反応を生じさせた場合であり、例えばMgBr2の温度が約180℃の低温となるように真空引きしてNH3の再生反応を行った場合である。この場合には、再生反応時にMgBr2が高温となっていないため、MgBr2の溶融が生じず、その結果、MgBr2の溶融による発熱性能の低下が生じない。グラフ20bに示すように、この場合のMgBr2の発熱温度は260℃であった。 As a comparative example, first, the above-described experiment was performed without adding the particle inclusion 17 to MgBr 2 . The result is shown in FIG. FIG. 4 is a graph showing the temperature change during the exothermic reaction of MgBr 2 when the particle inclusion 17 is not added. The horizontal axis of FIG. 4 shows the elapsed time [s] from the start of introducing NH 3 into the reaction vessel, and the vertical axis of FIG. 4 shows the temperature of MgBr 2 . The graph 20b of FIG. 4 shows the temperature change of MgBr 2 during the exothermic reaction when there is no thermal history as a reference value. The case where there is no thermal history is a case where the regeneration reaction of NH 3 is caused not in a high temperature state of about 400 ° C. but in a low temperature vacuum. For example, the vacuum is performed so that the temperature of MgBr 2 becomes a low temperature of about 180 ° C. This is the case where the NH 3 regeneration reaction is carried out. In this case, since MgBr 2 is not at a high temperature during the regeneration reaction, the melting of MgBr 2 does not occur, and as a result, the heat generation performance does not deteriorate due to the melting of MgBr 2 . As shown in the graph 20b, the heat generation temperature of MgBr 2 in this case was 260 ° C.
これに対し、図4のグラフ20aは、熱履歴後の発熱反応時のMgBr2の温度変化を示している。グラフ20aに示すように、MgBr2の発熱温度は約237℃であった。グラフ20aの場合は、グラフ20bの場合に比べて、発熱反応の応答が悪く、発熱性能が悪かった。これは、再生反応時に400℃と高温となったことにより、MgBr2の溶融が生じ、NH3の拡散流路となる細孔が閉塞し、発熱反応時におけるNH3の供給速度が遅くなった結果、発熱性能が低下したことを示している。 On the other hand, the graph 20a of FIG. 4 shows the temperature change of MgBr 2 during the exothermic reaction after the thermal history. As shown in the graph 20a, the exothermic temperature of MgBr 2 was about 237 ° C. In the case of the graph 20a, the response of the exothermic reaction was worse and the exothermic performance was worse than in the case of the graph 20b. This is because the MgBr 2 melted due to the high temperature of 400 ° C. during the regeneration reaction, the pores serving as the NH 3 diffusion channel were blocked, and the NH 3 supply rate during the exothermic reaction was slow. As a result, it has shown that the heat-generation performance fell.
次に、実施例として、MgBr2に複数の粒子介在物17を添加して上述の実験を行った。実施例1では、粒子介在物17として、平均粒子径が35nmのSiCの粉末粒子を用いた。実施例2では、粒子介在物17として、平均粒子径が500nmのSiCの粉末粒子を用いた。実施例3では、粒子介在物17として、平均粒子径が50nmのSiO2の粉末粒子を用いた。実施例4では、粒子介在物17として、平均粒子径が300nmのNiの粉末粒子を用いた。実施例5では、粒子介在物17として、平均粒子径が800nmのNiの粉末粒子を用いた。実施例1〜5では、何れも粒子介在物17の添加割合は20体積パーセントとした。実施例1〜5の結果を以下の表1に示す。表1は、粒子介在物17の種類及び添加割合毎の発熱性能を示す表である。表1においては、発熱性能として、熱履歴後の発熱反応時のMgBr2の発熱温度を示している。 Next, as an example, we were the experiments described above by adding a plurality of particles inclusions 17 to MgBr 2. In Example 1, SiC powder particles having an average particle diameter of 35 nm were used as the particle inclusions 17. In Example 2, as the particle inclusions 17, SiC powder particles having an average particle diameter of 500 nm were used. In Example 3, as the particle inclusions 17, SiO 2 powder particles having an average particle diameter of 50 nm were used. In Example 4, Ni powder particles having an average particle diameter of 300 nm were used as the particle inclusions 17. In Example 5, as the particle inclusions 17, Ni powder particles having an average particle diameter of 800 nm were used. In each of Examples 1 to 5, the addition ratio of the particle inclusions 17 was 20 volume percent. The results of Examples 1-5 are shown in Table 1 below. Table 1 is a table showing the heat generation performance for each type and addition ratio of the particle inclusions 17. In Table 1, the exothermic temperature of MgBr 2 during the exothermic reaction after the thermal history is shown as the exothermic performance.
表1に示すように、実施例1では、熱履歴後の発熱反応時のMgBr2の発熱温度が259℃であった。実施例2では、熱履歴後の発熱反応時のMgBr2の発熱温度が256℃であった。実施例3では、熱履歴後の発熱反応時のMgBr2の発熱温度が245℃であった。実施例4では、熱履歴後の発熱反応時のMgBr2の発熱温度が255℃であった。実施例5では、熱履歴後の発熱反応時のMgBr2の発熱温度が240℃であった。よって、実施例1〜5の何れにおいても、熱履歴後の発熱反応時のMgBr2の発熱温度が比較例の場合の237℃よりも高くなり、基準値の260℃に近づいた。 As shown in Table 1, in Example 1, the exothermic temperature of MgBr 2 during the exothermic reaction after the thermal history was 259 ° C. In Example 2, the exothermic temperature of MgBr 2 during the exothermic reaction after the heat history was 256 ° C. In Example 3, the exothermic temperature of MgBr 2 during the exothermic reaction after the heat history was 245 ° C. In Example 4, the exothermic temperature of MgBr 2 during the exothermic reaction after the heat history was 255 ° C. In Example 5, the exothermic temperature of MgBr 2 during the exothermic reaction after the heat history was 240 ° C. Therefore, in any of Examples 1 to 5, the exothermic temperature of MgBr 2 during the exothermic reaction after the heat history was higher than 237 ° C. in the comparative example, and approached the reference value of 260 ° C.
以上、MgBr2にSiC、SiO2、又はNiの粉末を添加することにより、熱履歴後の発熱反応時における発熱性能の低下を抑制することができることが示された。 As described above, it has been shown that by adding SiC, SiO 2 , or Ni powder to MgBr 2 , it is possible to suppress a decrease in exothermic performance during an exothermic reaction after a thermal history.
次に、図5を参照して、粒子介在物17の添加割合が60体積パーセント以下である場合の発熱性能の低下の抑制効果の一例を説明する。図5は、粒子介在物17の添加割合に応じた発熱温度の変化を示すグラフである。図5の横軸は粒子介在物17の添加割合[vol%]を示し、図5の縦軸は反応材14の発熱温度[℃]を示す。図5のグラフは、反応材14として、MgBr2を用い、且つ、粒子介在物17として、平均粒子径が500nmのSiO2の粉末を用いた場合に、SiO2の粉末の添加割合を変化させて、上述の実験を行った結果を示している。 Next, with reference to FIG. 5, an example of an effect of suppressing a decrease in heat generation performance when the addition ratio of the particle inclusion 17 is 60 volume percent or less will be described. FIG. 5 is a graph showing changes in the heat generation temperature according to the addition ratio of the particle inclusions 17. The horizontal axis in FIG. 5 indicates the addition rate [vol%] of the particle inclusions 17, and the vertical axis in FIG. 5 indicates the heat generation temperature [° C.] of the reaction material 14. In the graph of FIG. 5, when MgBr 2 is used as the reaction material 14 and SiO 2 powder having an average particle diameter of 500 nm is used as the particle inclusion 17, the addition ratio of the SiO 2 powder is changed. The results of the above experiment are shown.
図5に示すように、粒子介在物(SiO2)の添加割合が60体積パーセント以下である場合には、反応材14の発熱温度が比較例の場合の237℃よりも高くなり、基準値の260℃に近づいた。したがって、粒子介在物17の添加割合が少なくとも60体積パーセント以下である場合には、発熱性能の低下の抑制効果を確実に奏することができることが示された。 As shown in FIG. 5, when the addition rate of the particle inclusion (SiO 2 ) is 60 volume percent or less, the exothermic temperature of the reaction material 14 is higher than 237 ° C. in the comparative example, and the reference value It approached 260 ° C. Therefore, it was shown that when the addition ratio of the particle inclusions 17 is at least 60 volume percent or less, the effect of suppressing the deterioration of the heat generation performance can be surely achieved.
なお、図5では、一例として、反応材14として、MgBr2を用い、且つ、粒子介在物17として、平均粒子径が500nmのSiO2の粉末を用いた場合を示しているが、反応材14及び粒子介在物17の少なくとも一方を他の種類にした場合、又は粒子介在物17の粒子径の大きさを変えた場合にも、同様である。 FIG. 5 shows an example in which MgBr 2 is used as the reaction material 14 and SiO 2 powder having an average particle diameter of 500 nm is used as the particle inclusion 17. The same applies when at least one of the particle inclusions 17 is of another type, or when the particle size of the particle inclusions 17 is changed.
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他に適用してもよい。 As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, You may change in the range which does not change the summary described in each claim, or may apply to others.
上記実施形態において、ヒータ12は、熱交換器4に対応するように排気管3の周囲に配置され、断面円環形状を有しているとしたが、これに限られない。例えば、加熱対象の一部分にだけ対応するようにヒータを配置してもよい。また、ヒータは、排気管の外部以外の箇所に配置してもよく、例えば排気を加熱するために排気管の内部に配置してもよい。排気管の内部にヒータを配置する場合には、例えば複数のヒータと熱交換部とを交互に積層した構成として、ヒータに熱交換部を一体化し、ヒータによって熱交換部を介して排気を加熱してもよい。 In the said embodiment, although the heater 12 was arrange | positioned around the exhaust pipe 3 so as to correspond to the heat exchanger 4, and it had a cross-sectional annular shape, it is not restricted to this. For example, you may arrange | position a heater so that it may correspond only to a part of heating object. Further, the heater may be arranged at a place other than the outside of the exhaust pipe, for example, may be arranged inside the exhaust pipe in order to heat the exhaust. When a heater is arranged inside the exhaust pipe, for example, a configuration in which a plurality of heaters and a heat exchange unit are alternately stacked, the heat exchange unit is integrated with the heater, and the exhaust is heated by the heater through the heat exchange unit. May be.
熱交換器4の表面の一部又は全部には、触媒コート層が形成されていてもよい。また、上記実施形態では、加熱対象を熱交換器4としたが、加熱対象としては、例えばDOC5等の他の触媒、又は排気管3を流れる排気でもよい。 A catalyst coat layer may be formed on part or all of the surface of the heat exchanger 4. In the above embodiment, the heating object is the heat exchanger 4, but the heating object may be another catalyst such as DOC 5 or exhaust gas flowing through the exhaust pipe 3.
上記実施形態では、化学蓄熱装置は、車両の内燃機関であるディーゼルエンジン2に適用されるとしたが、これに限られない。例えば、化学蓄熱装置は、ガソリンエンジン等に適用されてもよい。 In the said embodiment, although the chemical thermal storage apparatus was applied to the diesel engine 2 which is an internal combustion engine of a vehicle, it is not restricted to this. For example, the chemical heat storage device may be applied to a gasoline engine or the like.
また、化学蓄熱装置は、エンジンの排気系以外に設けられた加熱対象を加熱する装置であってもよい。そのような加熱対象としては、エンジンオイル、冷却水、又は空気等の種々の熱媒体等であってもよい。このとき、熱媒体が流れる経路上に熱交換器を配置して、その熱交換器を化学蓄熱装置で加熱するとしてもよい。さらに、化学蓄熱装置は、エンジン以外に適用するとしてもよい。 Further, the chemical heat storage device may be a device that heats a heating target provided other than the exhaust system of the engine. Such a heating target may be various heat media such as engine oil, cooling water, or air. At this time, a heat exchanger may be disposed on the path through which the heat medium flows, and the heat exchanger may be heated by the chemical heat storage device. Further, the chemical heat storage device may be applied to other than the engine.
10…化学蓄熱装置、11…ストレージ(貯蔵器)、12…ヒータ(反応器)、14…反応材、17…粒子介在物、19…粒子。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Chemical heat storage apparatus, 11 ... Storage (reservoir), 12 ... Heater (reactor), 14 ... Reactant, 17 ... Particle inclusion, 19 ... Particle | grains.
Claims (4)
NH3との化学反応により発熱すると共に加熱されるとNH3を脱離する粒子状の反応材を有する反応器と、
を備え、
前記反応材の粒子の間には、前記反応材の粒子よりも小さい粒子径を有する複数の粒子介在物が介在しており、
前記粒子介在物は、前記反応材からNH3が脱離する再生反応時において、前記反応材及びNH3に対して不活性であると共に、前記再生反応時における前記反応材の温度よりも高い融点を有する、化学蓄熱装置。 A reservoir for storing NH 3 ;
When heated with heat is generated by a chemical reaction between NH 3 and reactor with a particulate reactive material desorbed NH 3, and
With
Between the particles of the reaction material, a plurality of particle inclusions having a particle size smaller than the particles of the reaction material are interposed,
The particle inclusions are inert to the reactant and NH 3 during the regeneration reaction in which NH 3 is desorbed from the reactant, and have a melting point higher than the temperature of the reactant during the regeneration reaction. A chemical heat storage device.
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