アンモニア吸蔵装置および選択的触媒還元システム
【課題】本発明は、安全性の高いアンモニア吸蔵装置、および前記アンモニア吸蔵装置を用いたＳＣＲシステムの提供。
【解決手段】アンモニアを吸蔵、放出するとともに、アンモニア吸蔵時には体積が増大するアンモニア吸蔵材１０と、アンモニア吸蔵材１０を収容するとともに、空間１１Ｂの内容積がアンモニア吸蔵材１０のアンモニア吸蔵時の自由体積よりも小さいアンモニア吸蔵タンク１１と、アンモニア吸蔵タンク１１にアンモニアを導入するアンモニア導入管路１２と、アンモニア吸蔵タンク１１から放出されたアンモニアを外部に導出するアンモニア導出管路１３と、アンモニア吸蔵タンク１１のアンモニア導入管路１２およびアンモニア導出管路１３との連通部に設けられた多孔質フィルタ１４と、アンモニア吸蔵タンク１１に収容されたアンモニア吸蔵材１０を加熱するヒータ１５と、を備えるアンモニア吸蔵装置。
【解決手段】アンモニアを吸蔵、放出するとともに、アンモニア吸蔵時には体積が増大するアンモニア吸蔵材１０と、アンモニア吸蔵材１０を収容するとともに、空間１１Ｂの内容積がアンモニア吸蔵材１０のアンモニア吸蔵時の自由体積よりも小さいアンモニア吸蔵タンク１１と、アンモニア吸蔵タンク１１にアンモニアを導入するアンモニア導入管路１２と、アンモニア吸蔵タンク１１から放出されたアンモニアを外部に導出するアンモニア導出管路１３と、アンモニア吸蔵タンク１１のアンモニア導入管路１２およびアンモニア導出管路１３との連通部に設けられた多孔質フィルタ１４と、アンモニア吸蔵タンク１１に収容されたアンモニア吸蔵材１０を加熱するヒータ１５と、を備えるアンモニア吸蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンモニア吸蔵装置および選択的触媒還元システムにかかり、特に、吸蔵したアンモニアをディーゼル車の排気ガス中のＮＯｘの還元剤として使用するためのアンモニア吸蔵装置、および前記アンモニア吸蔵装置を備える選択的触媒還元システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル自動車は燃費が良好であるが、ＮＯｘの排出量の低減が大きな課題の一つである。
【０００３】
しかしながら、ディーゼル車の排ガスは酸素含有量が多いので、通常のガソリン車に使用される三元触媒による接触還元によってＮＯｘを分解除去することは困難である。
【０００４】
したがって、ディーゼル車の排ガスからＮＯｘを除去するには、選択的触媒還元（ＳＣＲ）型の排気ガス浄化システム（ＳＣＲシステム）が使用されるのが一般的である。
【０００５】
ＳＣＲシステムにおいては、ＮＯｘの還元にアンモニアを用いることが一般的であるが、アンモニア源としては、通常、液化アンモニア、アンモニア水溶液、および尿素水溶液が使用される。
【０００６】
アンモニア源として液化アンモニアを用いるＳＣＲシステムには、高圧容器にアンモニアを充てんして使用することによる潜在的な危険性やアンモニアの漏洩の問題がある。アンモニア源としてアンモニア水溶液を用いるＳＣＲシステムには高圧容器を用いることによる危険の問題はないが、アンモニア漏洩の問題は残る。
【０００７】
アンモニア源として尿素水溶液を使用するＳＣＲシステムにおいては、高温の排気ガスに尿素水溶液を注入することで尿素を分解してアンモニアを発生させるから、高圧容器にアンモニアを充てんして使用することによる潜在的な危険性やアンモニアの漏洩の問題はない。そこで、近年は、アンモニア源として尿素水溶液を使用するものが一般的である。
【０００８】
しかしながら、アンモニア源として尿素水溶液を用いるＳＣＲシステムには、以下に述べるような幾つかの問題点がある。
【０００９】
ＳＣＲシステムにおいては、通常約３０重量％の尿素水溶液が使用されるから、このＳＣＲシステムにおいては、尿素水溶液を貯留する容器の容量の約７０％を水が占めることになる。
【００１０】
また、アンモニア源として尿素水溶液を用いるＳＣＲシステムでは、尿素を尿素水溶液中の水で加水分解させてアンモニアを発生させるが、尿素は、化学式ＣＯ（ＮＨ２）２で示される化学構造を有するから、尿素が加水分解すると２分子のアンモニアと１分子の二酸化炭素とを生じる。したがって、尿素が加水分解して生じるアンモニアは、尿素の約５０重量％に過ぎないから、尿素水溶液の加水分解で生じるアンモニアの尿素水溶液に対する割合は約１５重量％に過ぎず、アンモニア源として液化アンモニアを使用する場合やアンモニア水を使用する場合のアンモニア源に対する実際に使用されるアンモニアの重量割合と比較して低い。
【００１１】
前記ＳＣＲシステムにおいては、また、排気ガス中に尿素水溶液を注入するための噴射システムが必要である。更に、尿素水溶液は、−１１℃以下の温度で凍結するので、極寒時に尿素水溶液が凍結しないような配慮が必要である。
【００１２】
そこで、以下の一般式：
【化１】
（但し、Ｍは、アルカリ土類金属および／または、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＺｎからなる群から選択されるカチオンであり、
Ｘは、１つ以上のアニオンであり、
ａは、単位塩分子１個当りのカチオン数であり、
Ｚは、単位塩分子１個当りのアニオン数であり、
ｎは、２〜１２の配位数である。）
で示されるイオン塩を含有するアンモニア貯蔵および移送用材料が考案された（特許文献１）
【００１３】
【特許文献１】特表２００８−５０８１８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前記アンモニア貯蔵および移送用材料は、アンモニアを吸蔵した状態でもアンモニアを放出した状態でも常温で固体であるから、アンモニア源として液化アンモニアを用いる場合やアンモニア水を陥る場合と比較して、高圧容器が不要であり、安全性が高いという特徴がある。
【００１５】
しかしながら、上記アンモニア貯蔵および移送用材料は嵩比重が約０．１程度と低いからＳＣＲシステムに使用するにはプレス等で圧縮してタブレット状とする必要がある。しかしながら、プレス機の発熱などにより上記材料が分解して作業中に人体に有害なアンモニアが発生し、外部に放出される可能性がある。アンモニアが発生、放出される可能性は、夏場などの高温時に著しいと考えられる。
【００１６】
本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、アンモニア源として液化アンモニアを用いるＳＣＲシステムとは異なり、高圧容器を用いることによる危険性がなく、また、取り扱い時におけるアンモニアの漏洩の危険がないアンモニア吸蔵装置、および前記アンモニア吸蔵装置を用いたＳＣＲシステムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１に記載の発明は、アンモニアを吸蔵し、吸蔵したアンモニアを加熱により放出するとともに、アンモニア吸蔵時には体積が増大するアンモニア吸蔵材と、前記アンモニア吸蔵材を収容するとともに、前記アンモニア吸蔵材が収容される部分の内容積が前記アンモニア吸蔵材のアンモニア吸蔵時の自由体積よりも小さいアンモニア吸蔵タンクと、前記アンモニア吸蔵タンクにアンモニアを導入するアンモニア導入路と、前記アンモニア吸蔵タンクに収容されたアンモニア吸蔵材から放出されたアンモニアを外部に導出するアンモニア導出路と、前記アンモニア吸蔵タンクにおける前記アンモニア導入路および前記アンモニア導出路との連通部に設けられた多孔質フィルタと、前記アンモニア吸蔵タンクに収容されたアンモニア吸蔵材を加熱する加熱手段と、を備えるアンモニア吸蔵装置に関する。
【００１８】
請求項１のアンモニア吸蔵装置においては、アンモニア吸蔵材はアンモニアを吸蔵すると膨張する。そして、アンモニア吸蔵タンクにおけるアンモニア吸蔵材が収容される部分の内容積は、自由空間でアンモニアを吸蔵させたときのアンモニア吸蔵材の体積よりも小さく、また、アンモニア吸蔵タンクにおけるアンモニア吸蔵材が収容される部分とアンモニア導入路およびアンモニア導出路との間には多孔質フィルタが配設されている。したがって、アンモニアを吸蔵して膨張したアンモニア吸蔵材は、逃げ場がないから、アンモニア吸蔵タンクにおけるアンモニア吸蔵材が収容される部分の内容積とアンモニア吸蔵時のアンモニア吸蔵材の自由体積との体積差の分だけ圧縮され、アンモニア吸蔵材のバルク密度は自由状態でアンモニアを吸蔵させた場合と比較して高くなる。したがって、アンモニア吸蔵材に自由状態でアンモニアを吸蔵させる場合と比較して単位体積当りのアンモニア吸蔵量をより多くすることができる。
【００１９】
このため、アンモニア吸蔵装置全体のコンパクト化が可能になるから、自動車への搭載性が向上する。
【００２０】
また、アンモニアを吸蔵することにより、アンモニア吸蔵材は自動的に圧縮されるから、アンモニアを吸蔵したアンモニア吸蔵材をプレスなどによって圧縮してからアンモニア吸蔵タンクに収納する必要がない。したがって、アンモニアを吸蔵したアンモニア吸蔵材をアンモニア吸蔵タンクに出し入れする必要がなくなるから、アンモニア吸蔵材をアンモニア吸蔵タンクに出し入れすることによるアンモニアの漏洩が防止できる。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、前記アンモニア吸蔵タンクの内部が、多孔体隔壁によって複数の室に区分されている請求項１に記載のアンモニア吸蔵装置に関する。
【００２２】
請求項２に記載のアンモニア吸蔵装置においては、アンモニア吸蔵タンクの内部が多孔体隔壁によって複数の室に分割されているから、アンモニア吸蔵タンクにアンモニア吸蔵材が収容された状態においてアンモニア吸蔵タンクの内部にアンモニアの流通通路を確保できる。したがって、アンモニア吸蔵タンクの内部が多孔体隔壁によって複数の室に分割されていない場合と比較してより速やかにアンモニアを吸蔵、放出できる。
【００２３】
また、前記多孔質隔壁によって複数の室に分割されていることにより、アンモニア吸蔵タンクの強度が向上しているから、アンモニア吸蔵材がアンモニアを吸蔵して膨張することにより、アンモニア吸蔵タンクの壁面に生じる外向きの応力に対する安全性が向上する。
【００２４】
また、多孔体隔壁として金属多孔体を用いた場合は、金属多孔体の熱伝導率が高いこと、および多孔体隔壁とアンモニア吸蔵材との接触面積が大きいことから、加熱手段からの熱をアンモニア吸蔵材全体に速やかに伝えることができる。したがって、アンモニアの放出をより速やかに行うことができる。
【００２５】
請求項３に記載の発明は、前記アンモニア吸蔵タンクの壁面が内壁と外壁とからなる二重構造とされている請求項１または２に記載のアンモニア吸蔵装置に関する。
【００２６】
請求項３のアンモニア吸蔵装置においては、アンモニア吸蔵タンクの壁面が二重構造とされているから、前記壁面の空間に冷却用流体を流通させたり、加熱用の流体を流通させたりすることにより、アンモニアの吸蔵、放出をより速やかに行うことができる。
【００２７】
請求項４に記載の発明は、前記アンモニア吸蔵材にアンモニアを吸蔵させるときは、前記アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間に冷却用流体を流通させる請求項３に記載のアンモニア吸蔵装置に関する。
【００２８】
アンモニア吸蔵材は、アンモニアを吸蔵する際には発熱するから、アンモニアを大量に吸蔵させるためには、アンモニア吸蔵材を冷却する必要がある。請求項４に記載のアンモニア吸蔵装置においては、アンモニア吸蔵材にアンモニアを吸蔵させるときは、アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間に冷却用流体を流通させてアンモニア吸蔵材を冷却するから、アンモニア吸蔵材を冷却しないアンモニア吸蔵装置と比較してより多くのアンモニアを吸蔵できる。
【００２９】
請求項５に記載の発明は、前記アンモニア吸蔵材からアンモニアを放出させるときは、前記アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間を真空にする請求項３または４に記載のアンモニア吸蔵装置に関する。
【００３０】
アンモニア吸蔵材は、アンモニアを放出するときは吸熱するから、アンモニア放出時にはアンモニア吸蔵手段を加熱手段で加熱する必要がある。請求項５のアンモニア吸蔵装置においては、アンモニアを放出するときは、アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間を真空にするから、アンモニア吸蔵タンクが前記空間を有しないアンモニア吸蔵装置や、アンモニア吸蔵タンクが前記空間を有していてもアンモニア放出時に前記空間を真空にしないアンモニア吸蔵装置と比較してアンモニア吸蔵タンクの壁面からの放熱が抑えられるから、加熱手段からの熱がより効率的にアンモニア吸蔵材に伝達される。
【００３１】
請求項６に記載の発明は、前記アンモニア吸蔵材からアンモニアを放出させるときは、前記アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間にディーゼルエンジンからの排気ガスを流通させる請求項３または４に記載のアンモニア吸蔵装置に関する。
【００３２】
請求項６に記載のアンモニア吸蔵装置においては、アンモニア放出時には、アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間にディーゼルエンジンからの排気ガスを流通させるから、前記排気ガスの熱でアンモニア吸蔵材を加熱することができる。したがって、加熱手段の負荷を低減することができる。また排気ガスによる加熱だけでアンモニア吸蔵材を十分に加熱できるときは、前記空間そのものを加熱手段として機能させることができる。
【００３３】
請求項７に記載の発明は、前記アンモニア吸蔵材が塩化マグネシウムである請求項１〜６の何れか１項に記載のアンモニア吸蔵装置に関する。
【００３４】
アンモニアを吸蔵すると体積が増大する化合物としては、塩化マグネシウムのほか、塩化ストロンチウムや塩化カルシウムがあるが、塩化ストロンチウムや塩化カルシウムは室温に近い温度でアンモニアを放出するから、取り扱いには危険を伴う。
【００３５】
これに対して請求項７に記載のアンモニア吸蔵装置で使用されている塩化マグネシウムは、塩化ストロンチウムや塩化カルシウムのように室温に近い温度ではなく、更に高温でアンモニアを放出する。したがって、室温に放置した状態で誤ってアンモニア導出路を開とした場合においても、加熱手段を作動させない限り、アンモニアが放出されることは殆どない。
【００３６】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７に記載のアンモニア吸蔵装置と、前記アンモニア吸蔵装置から放出されたアンモニアをディーゼルエンジンからの排気ガスに注入するアンモニア注入装置と、前記排気ガスに導入されたアンモニアを前記排気ガス中のＮＯｘと反応させるための触媒が保持され、前記アンモニア注入装置によってアンモニアが供給された排気ガスが導入される選択的還元触媒コンバータと、を有する選択的触媒還元システムに関する。
【００３７】
請求項８に記載の選択的触媒還元システム、即ちＳＣＲシステムにおいては、アンモニア吸蔵装置に予めアンモニアを吸蔵させておき、アンモニアを吸蔵したアンモニア吸蔵装置からアンモニアを放出させ、これをアンモニア導入手段によってディーゼルエンジンからの排気ガスに導入し、この排気ガスを触媒部に導入することにより、排気ガス中のＮＯｘはアンモニアと反応して最終的に水と窒素とに分解される。
【発明の効果】
【００３８】
請求項１の発明によれば、よりコンパクトでありながら大量のアンモニアを吸蔵、放出することができるため、自動車への搭載性が良好であるとともに、アンモニアを吸蔵したアンモニア吸蔵材をアンモニア吸蔵タンクから取り出してプレスする操作が不要であるため安全性の高いアンモニア吸蔵装置が提供される。
【００３９】
請求項２の発明によれば、多孔体隔壁を有しないアンモニア吸蔵装置と比較してより急速なアンモニアの吸蔵、放出が可能であり、また、アンモニア吸蔵材の膨張圧に対するアンモニア吸蔵タンクの強度が高いアンモニア吸蔵装置が提供される。
【００４０】
請求項３の発明によれば、アンモニア吸蔵タンクの壁面が二重構造とされていないアンモニア吸蔵装置とは異なり、前記壁面に形成された区間に冷却用流体や加熱用流体を流通させることにより、より急速なアンモニアの吸蔵、放出が可能となるアンモニア吸蔵装置が提供される。
【００４１】
請求項４の発明によれば、アンモニア吸蔵時にアンモニア吸蔵タンクの冷却を行わないアンモニア吸蔵装置と比較してより急速なアンモニア吸蔵が可能なアンモニア吸蔵装置が提供される。
【００４２】
請求項５の発明によれば、アンモニア放出時にアンモニア吸蔵タンクの外壁と内壁との間の空間を真空にしないアンモニア吸蔵装置と比較して加熱手段からの熱がより効率的にアンモニア吸蔵剤に伝達されることから、加熱手段に投入するエネルギーが節約できる。また、より急速なアンモニア放出も可能なアンモニア吸蔵装置が提供される。
【００４３】
請求項６の発明によれば、アンモニア吸蔵タンクの外壁と内壁との間の空間に排気ガスを流通させないアンモニア吸蔵装置と比較して加熱手段からの熱がより効率的にアンモニア吸蔵剤に伝達されることから、加熱手段に投入するエネルギーが節約できる。また、より急速なアンモニア放出も可能なアンモニア吸蔵装置が提供される。
【００４４】
請求項７の発明によれば、アンモニア吸蔵材として塩化ストロンチウムや塩化カルシウムを用いたアンモニア吸蔵装置とは異なり、誤ってアンモニア導出路を開としても、加熱手段を作動させない限りアンモニアが放出されることは殆どなく、安全性の高いアンモニア吸蔵装置が提供される。
【００４５】
請求項８の発明によれば、アンモニア源として液化アンモニアを用いるＳＣＲシステムと比較して遥かに安全性に優れ、また、アンモニア源としてアンモニア水や尿素を用いるＳＣＲシステムと比較して、タンク体積当りより多くのアンモニアを吸蔵、放出できるＳＣＲシステムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、実施形態１に係るアンモニア吸蔵装置の構成を示す長手方向に沿って切断した概略断面図である。
【図２】図２は、実施形態１に係るアンモニア吸蔵装置においてアンモニアを吸蔵したアンモニア吸蔵材がアンモニア吸蔵タンク内で自動的に圧縮されることを示す説明図である。
【図３】図３は、実施形態２に係るアンモニア吸蔵装置の構成を示す長手方向に沿って切断した概略断面図である。
【図４】図４は、実施形態２に係るアンモニア吸蔵装置を、図３における平面Ｘ−Ｘに沿って切断した断面を示す断面図である。
【図５】図５は、実施形態３に係るアンモニア吸蔵装置の構成を示す長手方向に沿って切断した概略断面図である。
【図６】図６は、実施形態４に係るアンモニア吸蔵装置の構成を示す長手方向に沿って切断した概略断面図である。
【図７】図７は、実施形態５に係るＳＣＲシステムの構成を示すブロック図である。
【図８】図８は、実施例１においてアンモニア吸蔵材としての塩化マグネシウムの質量を変えたときのアンモニア吸蔵量の変化を示すグラフである。
【図９】図９は、実施例２において多孔質フィルタの濾過能力を変えたときのアンモニア吸蔵量の変化を示すグラフである。
【図１０】図１０は、実施例２において多孔質フィルタの濾過能力を変えたときのアンモニア吸蔵速度の変化を示すグラフである。
【図１１】図１１は、アンモニア吸蔵材として塩化マグネシウムを用いた比較例３におけるアンモニア吸蔵材１ｋｇおよび１リットル当たりのアンモニア放出量と、アンモニア源として尿素水（比較例１）、またはアンモニア水（比較例２）を用いたときのアンモニア源１ｋｇおよび１リットル当たりのアンモニア放出量の比較を示す表である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
１．実施形態１
以下、本発明のアンモニア吸蔵装置の一例について図面を用いて説明する。
図１に示すように、実施形態１に係るアンモニア吸蔵装置１は、アンモニア吸蔵材１０を収容するアンモニア吸蔵タンク１１と、アンモニア吸蔵タンク１１にアンモニアを導入するアンモニア導入路としてのアンモニア導入管路１２と、アンモニア吸蔵タンクから外部にアンモニアを導出するアンモニア導出路としてのアンモニア導出管路１３と、アンモニア吸蔵タンク１１の内部におけるアンモニア導入管路１２およびアンモニア導出管路１３に連通する部分に設けられた多孔質フィルタ１４と、アンモニア吸蔵タンク１１内に収容されたアンモニア吸蔵材１０を加熱する加熱手段としてのヒータ１５と、を備える。
【００４８】
アンモニア導入管路１２およびアンモニア導出管路１３には、開閉弁１６おおび開閉弁１７が夫々介装され、開閉可能とされている。
【００４９】
アンモニア吸蔵材１０は、アンモニア吸蔵タンク１１における底面１１Ａと多孔質フィルタ１４との間の空間１１Ｂに収納されている。空間１１Ｂの内容積は、アンモニア吸蔵材が自由空間でアンモニアを吸蔵したときの体積よりも小さく設定されている。
【００５０】
アンモニア吸蔵材１０としては、アンモニアを吸蔵したときに体積が増大するものが使用されるが、具体的には塩化マグネシウムが使用される。アンモニアを吸蔵したときに体積が増大する化合物としては、他に塩化カルシウムおよび塩化ストロンチウムがあるが、これらの化合物にアンモニアを吸蔵させると、室温に近い温度でアンモニアを放出するからアンモニア吸蔵材１０としては不適当である。これに対して塩化マグネシウムにアンモニアを吸蔵させたものは、室温ではアンモニアを放出せず、１５０℃〜２００℃の温度に加熱して初めてアンモニアを放出するから、アンモニア吸蔵材１０として好ましい。
【００５１】
アンモニア吸蔵材１０の嵩密度は、アンモニア吸蔵タンク１１に収容された状態で０．４〜１．３ｇ／ｃｍ３が好ましく、特に０．６〜１．３ｇ／ｃｍ３が好ましい。また、粒径は、１０〜２００μｍ程度が好ましい。
【００５２】
多孔質フィルタ１４は、濾過能力が２〜９０μｍのものが好ましい。ここで、多孔質フィルタ１４の濾過能力は、多孔質フィルタ１４によって阻止できる粒子の直径の最小値として示すことができる。
【００５３】
以下、実施形態１のアンモニア吸蔵装置１の作用について説明する。図２（Ａ）に示すように、アンモニアを吸蔵する前のアンモニア吸蔵材の体積は、アンモニア吸蔵タンクにおける空間１１Ｂの内容積よりも小さい。
【００５４】
開閉弁１６を開けてアンモニア導入管路１２からアンモニア吸蔵タンク１１にアンモニアを供給すると、アンモニア吸蔵材１０は供給されたアンモニアを吸蔵して膨張する。しかしながら、アンモニア吸蔵材１０は、アンモニア吸蔵タンク１１に設けられた多孔質フィルタ１４を通過することができないので、図２（Ｂ）に示すように空間１１Ｂの内容積以上には膨張できない。
【００５５】
したがって、圧縮しない状態でアンモニア吸蔵材１０にアンモニアを吸蔵させたときの体積、即ち自由空間でアンモニア吸蔵材にアンモニアを吸蔵させたときの体積、言い換えればアンモニア吸蔵材にアンモニアを吸蔵させたときの自由体積Ｖ１（図２（Ｃ）参照）と、アンモニア吸蔵タンク１１における空間１１Ｂの内容積Ｖ２との差ΔＶだけ、アンモニア吸蔵材は圧縮される。
【００５６】
したがって、アンモニア吸蔵タンク１１における空間１１Ｂの内容積Ｖ２は、アンモニア吸蔵材にアンモニアを吸蔵させたときの自由体積Ｖ１よりも小さく設定されているにも拘らず、自由空間において吸蔵させたときと同程度の量のアンモニアを吸蔵させることができる。
【００５７】
アンモニア吸蔵材１０に吸蔵されるアンモニアの量が飽和量に達したら、開閉弁１６を閉じてアンモニア導入路１２を閉じ、アンモニアの導入を終了する。
【００５８】
アンモニア吸蔵材１０に吸蔵させたアンモニアを放出するときは、開閉弁１７を開けてアンモニア導出管路１３を開とするとともに、ヒータ１５に通電してアンモニア吸蔵材１０を加熱する。アンモニア吸蔵材１０が例えば１５０〜２００℃に加熱されると吸蔵されたアンモニアの放出が開始される。放出されたアンモニアは、アンモニア導出管路１３を通じて放出される。
【００５９】
実施形態１のアンモニア吸蔵装置１は、前述のように、アンモニア吸蔵タンク１１の空間１１Ｂの内容積Ｖ２が、アンモニア吸蔵材にアンモニアを吸蔵させたときの自由体積Ｖ１よりも小さく設定されているにも拘らず、自由空間において吸蔵させたときと同程度の量のアンモニアをアンモニア吸蔵材１０に吸蔵させることができる。したがって、コンパクトに構成できるにも拘らずアンモニア吸蔵量が大きいから、ディーゼル自動車への搭載性が良好である。
【００６０】
また、アンモニア吸蔵材１０にアンモニアを吸蔵させるときは、アンモニア吸蔵材１０は、空間１１Ｂの内容積Ｖ２を超えて膨張しようとすると、アンモニア吸蔵タンク１１の壁面や多孔質フィルタ１４に押圧されて自動的に圧縮される。したがって、アンモニアを吸蔵したアンモニア吸蔵材１０をプレスしてからアンモニア吸蔵タンク１１に収納する操作は不要になるから、前記操作に伴うアンモニアの漏出が防止され、安全性が高い。
【００６１】
また、アンモニア吸蔵装置１は、アンモニア吸蔵タンク１１と多孔質フィルタ１４とアンモニア導入管路１２とアンモニア導出管路１３とヒータ１５とで構成できるから、構成が簡略である。
【００６２】
２．実施形態２
以下、本発明のアンモニア吸蔵装置の他の一例について図面を用いて説明する。
図３及び図４に示すように、実施形態２に係るアンモニア吸蔵装置２は、アンモニア吸蔵材１０を収容するアンモニア吸蔵タンク１１と、アンモニア吸蔵タンク１１にアンモニアを導入するアンモニア導入路としてのアンモニア導入管路１２と、アンモニア吸蔵タンクから外部にアンモニアを導出するアンモニア導出路としてのアンモニア導出管路１３と、アンモニア吸蔵タンク１１の内部におけるアンモニア導入管路１２およびアンモニア導出管路１３に連通する部分に設けられた多孔質フィルタ１４と、アンモニア吸蔵タンク１１内に収容されたアンモニア吸蔵材１０を加熱する加熱手段としてのヒータ１５と、を備える。
【００６３】
アンモニア吸蔵タンク１１の内部は、長手方向に延在する多孔体隔壁２０によって複数の小室１１Ｃに区分され、アンモニア吸蔵材１０は小室１１Ｃ内に収容されている。多孔体隔壁２０は、図４（Ａ）に示すように多孔質体の円筒１８の集合体から形成されていてもよく、また図４（Ｂ）に示すように蜂の巣状に形成されていてもよい。
【００６４】
多孔体隔壁２０は、ヒータ１５による加熱に耐えられるものであれば、材質は特に限定されないが、セラミック多孔体および金属多孔体が好ましく、特に熱伝導率が高い点で金属多孔体が好ましい。
【００６５】
多孔体隔壁２０は、濾過能力が２〜９０μｍのものが好ましい。濾過能力については実施形態１のところで説明したとおりである。
【００６６】
ヒータ１５は、アンモニア吸蔵タンク１１の底部に配置されているが、これに限定されず、例えば多孔体内部に組み込まれたようなものでもよい。
【００６７】
上記以外の点については、アンモニア吸蔵装置２は実施形態１のアンモニア吸蔵装置１と同様の構成を有している。したがって、アンモニア吸蔵材１０、アンモニア吸蔵タンク１１、アンモニア導入管路１２、アンモニア導出管路１３、多孔質フィルタ１４については実施形態１のところで述べたとおりである。
【００６８】
実施形態２のアンモニア吸蔵装置２は、実施形態１のアンモニア吸蔵装置が有する特長に加え、アンモニアの吸蔵時、および放出時には多孔体隔壁２０がアンモニアの通路になるため、アンモニアの吸蔵および放出がより迅速に行えるという特長を有する。
【００６９】
また、空間１１Ｂが多孔体隔壁２０によって複数の小室１１Ｃに区分されているため、アンモニア吸蔵材１０の膨張圧に対するアンモニア吸蔵タンク１１の強度がより高いという特長を有する。
【００７０】
３．実施形態３
以下、本発明のアンモニア吸蔵装置の他の一例について図面を用いて説明する。
図５に示すように、実施形態３に係るアンモニア吸蔵装置３においては、アンモニア吸蔵タンク１１の底面１１Ａ以外の壁面は、外壁１１２と内壁１１１との二重構造とされ、外壁１１２と内壁１１１との間の空間は、冷却用流体としての冷却水の流路である冷却水流路２１とされている。なお、アンモニア吸蔵タンク１１の底面１１Ａも外壁と内壁との二重構造とされていてもよい。
【００７１】
冷却水流路２１には、冷却水が導入される冷却水導入管路２２と、冷却水が導出される冷却水導出管路２３が接続されている。冷却水導入管路２２および冷却水導出管路２３は、夫々開閉弁２４および開閉弁２５によって開閉可能とされている。
【００７２】
上記以外の点については、アンモニア吸蔵装置３は実施形態１のアンモニア吸蔵装置１と同様の構成を有している。したがって、アンモニア吸蔵材１０、アンモニア吸蔵タンク１１、アンモニア導入管路１２、アンモニア導出管路１３、多孔質フィルタ１４、及びヒータ１５については実施形態１のところで述べたとおりである。
【００７３】
アンモニア吸蔵装置３においては、アンモニア吸蔵材１０にアンモニアを吸蔵させるときは開閉弁２４および開閉弁２５を開いて冷却水流路２１に冷却水を流通させ、アンモニア吸蔵材１０がアンモニアを吸蔵する際に発生する熱を除去する。
【００７４】
一方、アンモニア吸蔵材１０に吸蔵されたアンモニアを脱着するときは、冷却水流路２１内部を真空とした後、開閉弁２４および開閉弁２５を閉じて冷却水流路２１内部の真空を保持する。この状態でヒータ１５を通電してアンモニア吸蔵材１０を加熱することにより、ヒータ１５からの熱がアンモニア吸蔵タンク１１の壁面から外部に逃げるのを抑える。
【００７５】
アンモニア吸蔵装置３は、アンモニア吸蔵時には冷却水流路２１に冷却水を流通させてアンモニア吸蔵タンク１１内部を冷却し、アンモニア放出時には、冷却水流路２１内部を真空にしてヒータからの熱の逸散を抑えているから、アンモニア吸蔵タンク１１の壁が一汁構造のものと比較して加熱手段に投入するエネルギーを節約できる。また、アンモニアの吸蔵、放出をより迅速に行うことができるという特長を有している。
【００７６】
４．実施形態４
以下、本発明のアンモニア吸蔵装置の他の一例について図面を用いて説明する。
図６に示すように、実施形態４に係るアンモニア吸蔵装置４も、実施形態３に係るアンモニア吸蔵装置３と同様に、アンモニア吸蔵タンク１１の底面１１Ａ以外の壁面は、外壁１１２と内壁１１１との二重構造とされている。そして、外壁１１２と内壁１１１との間の空間は、冷却用流体としての冷却水の流路であるとともに、加熱用流体としてのディーゼルエンジンの排気ガスの流路である冷却加熱用流路３０とされている。
【００７７】
冷却加熱用流路３０の一端には管路３１が、他端には管路３２が接続されている。
【００７８】
上記以外の点については、アンモニア吸蔵装置３は実施形態１のアンモニア吸蔵装置１と同様の構成を有している。したがって、アンモニア吸蔵材１０、アンモニア吸蔵タンク１１、アンモニア導入管路１２、アンモニア導出管路１３、多孔質フィルタ１４、及びヒータ１５については実施形態１のところで述べたとおりである。
【００７９】
アンモニア吸蔵装置４においては、アンモニア吸蔵材１０にアンモニアを吸蔵させるときは管路３１から冷却加熱用流路３０に冷却水を導入し、この冷却水を管路３２から導出することにより、アンモニア吸蔵材１０がアンモニアを吸蔵する際に発生する熱を除去する。
【００８０】
一方、アンモニアを放出するときは、ディーゼルエンジンの排気ガスを管路３２から冷却加熱用流路３０に供給することにより、アンモニア吸蔵タンク１１の内部を加熱して内部に収納されたアンモニア吸蔵材からのアンモニアの放出を促進させる。
【００８１】
アンモニア吸蔵装置４は、アンモニア吸蔵時には冷却加熱用流路３０に冷却水を流通させてアンモニア吸蔵タンク１１内部を冷却し、アンモニア放出時には、冷却加熱用流路３０にディーゼルエンジンから排出された排気ガスを流通させてアンモニア吸蔵タンク１１内部を加熱しているから、アンモニア吸蔵タンク１１の冷却、加熱を行わないアンモニア吸蔵装置と比較してアンモニアの吸蔵をより迅速に行うことができるから、アンモニア放出時のヒータ１５の負担が軽くなる。そして、排気ガスの温度が高いときや排気ガスの流量が多いときは、排気ガスの熱だけでアンモニア吸蔵材が十分加熱されるから、ヒータ１５によるアンモニア吸蔵材１０の加熱が不要になる。
【００８２】
以上、アンモニア導入管路１２とアンモニア導出管路１３とを別個の管路として設けた例について説明したが、本発明のアンモニア吸蔵タンクにおいては、アンモニア導入管路とアンモニア導出管路とを１本の管路で兼用してもよいことは言うまでもない。
【００８３】
５．実施形態５
以下、本発明の選択的触媒還元システムの一例であるＳＣＲシステムについて図面を用いて説明する。実施形態５のＳＣＲシステム５は、図７に示すようにディーゼルエンジン２００の排気系５０上に設けられた酸化触媒コンバータ５１と、排気系５０における酸化触媒コンバータ５１の下流側に設けられたＳＣＲ触媒コンバータ５２と、ＳＣＲ触媒コンバータ５２の下流側に設けられたスリップ触媒コンバータ５３と、排気系５０における酸化触媒コンバータ５１とＳＣＲコンバータ５２との間にアンモニアを注入するアンモニア注入装置５４と、アンモニア注入装置５４に接続されたアンモニア吸蔵装置５５と、アンモニア注入装置５４を流通するアンモニアの流量に応じてアンモニア吸蔵装置５５のヒータ１５に流れる電流を制御するコントローラ５６と、を備える。なお、ＳＣＲコンバータ５２は、本発明の選択的触媒還元システムが備える選択的触媒還元コンバータに相当する。
【００８４】
アンモニア吸蔵装置５５は、アンモニア注入装置５４にアンモニアを供給する機能を有し、例えば実施形態１〜４に記載のアンモニア吸蔵装置が好ましく使用される。なお、アンモニア吸蔵装置５５は、アンモニア導出管路１２においてアンモニア注入装置５４に接続されている。
【００８５】
ＳＣＲシステム５において、酸化触媒コンバータ５１は、ディーゼルエンジン２００の排気ガスに含まれる炭化水素とＣＯとを水とＣＯ２とに、また、ＮＯをＮＯｘに酸化する。
【００８６】
アンモニア注入装置５４は、酸化触媒コンバータ５１で酸化された排気ガスにアンモニアを注入する機能を有する。
【００８７】
ＳＣＲ触媒コンバータ５２は、アンモニア注入装置５４によって注入されたアンモニアによって排気ガス中のＮＯｘを窒素ガスと水とに還元する機能を有する。
【００８８】
スリップ触媒コンバータ５３は、ＳＣＲ触媒コンバータ５２から排気ガスと共にアンモニアが排出された場合に、排出されたアンモニアを酸化分解して除去する機能を有する。
【００８９】
以下、ＳＣＲシステム５の作用について説明する。
【００９０】
ディーゼルエンジン２００から排出された排気ガスは、酸化触媒コンバータ５１に導入され、排気ガス中の炭化水素とＣＯとが水およびＣＯ２に、ＮＯがＮＯｘに夫々酸化される。
【００９１】
アンモニア注入装置５４においては、アンモニア吸蔵装置５５から放出されたアンモニアを、酸化触媒コンバータ５１を通過した排気ガスに排気ガスのＮＯｘ濃度に応じた量で注入する。
【００９２】
ＳＣＲ触媒コンバータ５２においては、排気ガス中のＮＯｘが注入されたアンモニアによって窒素と水とに還元されて除去される。アンモニア注入装置５４において万が一アンモニアが過剰に注入された場合には、余剰のアンモニアは排気ガスと共に排出される。しかしながら、ＳＣＲ触媒コンバータ５２の下流側にはスリップ触媒コンバータ５３が設けられているから、排気ガスと共に排出されたアンモニアはスリップ触媒コンバータ５３で酸化されて除去される。したがって余剰のアンモニアが外界に排出されることは殆どない。
【００９３】
なお、コントローラ５６は、アンモニア注入装置５４で注入されるアンモニアの量に応じてアンモニア吸蔵装置５５のヒータ１５を制御する。即ち、アンモニア注入装置５４においてアンモニア注入量が減少したときは、コントローラ５６は、ヒータ１５に流れる電流を減少させることにより、アンモニア吸蔵装置５５からのアンモニア放出量を減少させる。一方、アンモニア注入装置５４においてアンモニア注入量が増加したときは、コントローラ５６はヒータ１５に流れる電流を増大させることにより、アンモニア吸蔵装置５５からのアンモニア放出量を増大させる。
【００９４】
また、コントローラ５６においては、排気ガスの温度およびＮＯｘ濃度に応じ、たとえば排気ガスの温度およびＮＯｘ濃度が低いときはヒータ１５に流す電流を減少させ、排気ガスの温度およびＮＯｘ濃度が高いときはヒータ１５に流す電流を増大させてもよい。
【００９５】
あるいは、アンモニア吸蔵装置５５内の圧力が略一定になるようにヒータ１５で調節し（調圧弁をアンモニア吸蔵装置５５の下流に配置してアンモニア注入装置５４に略一定圧のアンモニアが供給されるようにしてもよい）、アンモニア注入装置５４の開口面積、あるいは開口時間を制御して所定量のアンモニアが供給されるようにする。
【００９６】
ＳＣＲシステム５においては、アンモニア吸蔵装置５５において高圧を用いていないから、アンモニア源として液化アンモニアを用いるＳＣＲシステムと比較して遥かに安全性に優れている。また、アンモニア源としてアンモニア水や尿素を用いるＳＣＲシステムと比較して小さなアンモニア吸蔵タンク容量で多くのアンモニアを排気ガスに注入できる。
【００９７】
また、コントローラ５６においては、アンモニア注入装置５４で注入されるアンモニアの量に応じてヒータ１５を制御してアンモニア吸蔵装置５５からのアンモニア放出量を制御しているから、排気ガスにアンモニアが過剰に注入されたり、アンモニア注入量が不足したりすることが抑止される。
【実施例】
【００９８】
（１）実施例１
実施形態１に係るアンモニア吸蔵装置１を用い、アンモニア吸蔵材１０として塩化マグネシウムを用いてアンモニアの吸蔵を行った。アンモニア吸蔵装置１が備えるアンモニア吸蔵タンク１１の空間１１Ｂの内容積は３．５ｃｍ３とした。また、空間１１Ｂに収容する塩化マグネシウムの重量は、０．８３ｇ、１，１５ｇ、１．５ｇの３点とした。アンモニア吸蔵装置に導入するアンモニアの圧力は０．３ＭＰａに設定し、アンモニア導入時間は９０分とした。結果を図８に示す。なお、塩化マグネシウムがアンモニアを吸蔵すると、下記の化学式２：
【化２】
の右辺で示されるアンモニア吸蔵塩を形成する。図８において、実線は、アンモニア吸蔵量の理論値を示し、白丸はアンモニア吸蔵量の実測値を示す。なお、アンモニア吸蔵量の理論値は、上記化学式２に基いて求めたアンモニア吸蔵量である。
【００９９】
図８から明らかなように、アンモニア吸蔵装置１においては、アンモニア吸蔵量の実測値は理論値とよく一致することが判った。
【０１００】
また、実施例１で使用した塩化マグネシウムの嵩密度は約０．６ｇ／ｃｍ３であるから、０．８３ｇの塩化マグネシウムの体積は１．３８ｃｍ３となり、１．５ｇの塩化マグネシウムの体積は２．５ｃｍ３となる。したがって、塩化マグネシウムの量が０．８３ｇのときは、塩化マグネシウムは、吸蔵タンク１１の空間１１Ｂの内容積の約４０％を占め、塩化マグネシウムの量が１．５ｇのときは、塩化マグネシウムは、吸蔵タンク１１の空間１１Ｂの内容積の約７１％を占める。
【０１０１】
ここで、塩化マグネシウムがアンモニアを吸蔵して生じるアンモニア吸蔵塩の嵩密度は約０．１ｇ／ｃｍ３であるから、塩化マグネシウムは、自由状態でアンモニアを吸蔵すると体積が約６倍に増大する。
【０１０２】
しかしながら、空間１１Ｂは、アンモニア吸蔵タンク１１と多孔質フィルタ１４とで囲まれた空間なので、吸蔵塩は、区間１１Ｂの内容積を超えて膨張することはできない。したがって、塩化マグネシウムの量が０．８３ｇのときも、１．５ｇのときも、アンモニアを吸蔵して生じた吸蔵塩は、アンモニア吸蔵タンク１１内で圧縮される。
【０１０３】
（２）実施例２
次に、吸蔵材として塩化マグネシウムを１．１５ｇ用い、多孔質フィルタ１４として濾過能力が２μ、１５μｍ、６０μｍ、および９０μｍのものを用い、アンモニア吸蔵量を測定した。９０分経過後の吸蔵量を図９に、吸蔵量の時間変化を図１０に示す。
【０１０４】
図９に示すように、９０分経過後の吸蔵量、言い換えれば平衡状態に達したときの吸蔵量は、多孔質フィルタ１４として濾過能力が２μ、１５μｍ、６０μｍ、および９０μｍの何れも場合も約１．２ｇと変化がなく、これは化学式２に基いて求めたアンモニア吸蔵量の理論値とほぼ等しい値であった。また、図１０に示すように、アンモニア吸蔵開始５分後、１０分後、及び２５分後のアンモニア吸蔵量も多孔質フィルタ１４として濾過能力が２μ、１５μｍ、６０μｍ、および９０μｍの場合で差が殆ど見られなかった。このことから、多孔質フィルタ１４の濾過能力は２〜９０μｍの範囲が好ましいことが判る。
【０１０５】
（３）実施例３、比較例１、比較例２
次に、実施例１で用いたのと同様のアンモニア吸蔵装置を用い、アンモニア吸蔵材１０として塩化マグネシウム（実施例３）を用いた場合、及びアンモニア源として尿素水（比較例１、３２．５％水溶液）、またはアンモニア水（比較例２、２５％水溶液）を用いてアンモニア放出量を測定し、その結果に基いて吸蔵材（アンモニア源）１ｋｇ当りおよび１リットル当たりのアンモニア放出量を求めた。結果を図１１に示す。
【０１０６】
図１１から明らかなように、実施例３においては、塩化マグネシウム１ｋｇ当りのアンモニア放出量は０．５２ｋｇであり、塩化マグネシウム１リットル当りのアンモニア放出量は０．６２ｋｇであった。これに対し、アンモニア源として尿素水を用いた比較例１においては、アンモニア源１ｋｇ当りのアンモニア放出量は０．１８ｋｇであり、アンモニア源１リットル当たりのアンモニア放出量は０．２０ｋｇに過ぎなかった。また、アンモニア源としてアンモニア水を用いた比較例２においては、アンモニア源１ｋｇ当りのアンモニア放出量は０．２８ｋｇであり、アンモニア源１リットル当たりのアンモニア放出量は０．２５ｋｇに過ぎなかった。このことから、実施例３におけるアンモニア吸蔵材１ｋｇおよび１リットル当たりのアンモニア放出量は、アンモニア源として尿素を用いた比較例１、およびアンモニア水を用いた比較例２におけるアンモニア放出量の倍以上であることが判った。
【符号の説明】
【０１０７】
１ アンモニア吸蔵装置
２ アンモニア吸蔵装置
３ アンモニア吸蔵装置
４ アンモニア吸蔵装置
５ ＳＣＲシステム
１０ アンモニア吸蔵材
１１ アンモニア吸蔵タンク
１２ アンモニア導出管路
１２ アンモニア導入管路
１３ アンモニア導出管路
１４ 多孔質フィルタ
１５ ヒータ
１６ 開閉弁
１７ 開閉弁
１８ 円筒
２０ 多孔体隔壁
２１ 冷却水流路
２２ 冷却水導入管路
２３ 冷却水導出管路
２４ 開閉弁
２５ 開閉弁
３０ 冷却加熱用流路
５０ 排気系
５１ 酸化触媒コンバータ
５２ ＳＣＲ触媒コンバータ
５３ スリップ触媒コンバータ
５４ アンモニア注入装置
５５ アンモニア吸蔵装置
５６ コントローラ
２００ ディーゼルエンジン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンモニア吸蔵装置および選択的触媒還元システムにかかり、特に、吸蔵したアンモニアをディーゼル車の排気ガス中のＮＯｘの還元剤として使用するためのアンモニア吸蔵装置、および前記アンモニア吸蔵装置を備える選択的触媒還元システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル自動車は燃費が良好であるが、ＮＯｘの排出量の低減が大きな課題の一つである。
【０００３】
しかしながら、ディーゼル車の排ガスは酸素含有量が多いので、通常のガソリン車に使用される三元触媒による接触還元によってＮＯｘを分解除去することは困難である。
【０００４】
したがって、ディーゼル車の排ガスからＮＯｘを除去するには、選択的触媒還元（ＳＣＲ）型の排気ガス浄化システム（ＳＣＲシステム）が使用されるのが一般的である。
【０００５】
ＳＣＲシステムにおいては、ＮＯｘの還元にアンモニアを用いることが一般的であるが、アンモニア源としては、通常、液化アンモニア、アンモニア水溶液、および尿素水溶液が使用される。
【０００６】
アンモニア源として液化アンモニアを用いるＳＣＲシステムには、高圧容器にアンモニアを充てんして使用することによる潜在的な危険性やアンモニアの漏洩の問題がある。アンモニア源としてアンモニア水溶液を用いるＳＣＲシステムには高圧容器を用いることによる危険の問題はないが、アンモニア漏洩の問題は残る。
【０００７】
アンモニア源として尿素水溶液を使用するＳＣＲシステムにおいては、高温の排気ガスに尿素水溶液を注入することで尿素を分解してアンモニアを発生させるから、高圧容器にアンモニアを充てんして使用することによる潜在的な危険性やアンモニアの漏洩の問題はない。そこで、近年は、アンモニア源として尿素水溶液を使用するものが一般的である。
【０００８】
しかしながら、アンモニア源として尿素水溶液を用いるＳＣＲシステムには、以下に述べるような幾つかの問題点がある。
【０００９】
ＳＣＲシステムにおいては、通常約３０重量％の尿素水溶液が使用されるから、このＳＣＲシステムにおいては、尿素水溶液を貯留する容器の容量の約７０％を水が占めることになる。
【００１０】
また、アンモニア源として尿素水溶液を用いるＳＣＲシステムでは、尿素を尿素水溶液中の水で加水分解させてアンモニアを発生させるが、尿素は、化学式ＣＯ（ＮＨ２）２で示される化学構造を有するから、尿素が加水分解すると２分子のアンモニアと１分子の二酸化炭素とを生じる。したがって、尿素が加水分解して生じるアンモニアは、尿素の約５０重量％に過ぎないから、尿素水溶液の加水分解で生じるアンモニアの尿素水溶液に対する割合は約１５重量％に過ぎず、アンモニア源として液化アンモニアを使用する場合やアンモニア水を使用する場合のアンモニア源に対する実際に使用されるアンモニアの重量割合と比較して低い。
【００１１】
前記ＳＣＲシステムにおいては、また、排気ガス中に尿素水溶液を注入するための噴射システムが必要である。更に、尿素水溶液は、−１１℃以下の温度で凍結するので、極寒時に尿素水溶液が凍結しないような配慮が必要である。
【００１２】
そこで、以下の一般式：
【化１】
（但し、Ｍは、アルカリ土類金属および／または、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＺｎからなる群から選択されるカチオンであり、
Ｘは、１つ以上のアニオンであり、
ａは、単位塩分子１個当りのカチオン数であり、
Ｚは、単位塩分子１個当りのアニオン数であり、
ｎは、２〜１２の配位数である。）
で示されるイオン塩を含有するアンモニア貯蔵および移送用材料が考案された（特許文献１）
【００１３】
【特許文献１】特表２００８−５０８１８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前記アンモニア貯蔵および移送用材料は、アンモニアを吸蔵した状態でもアンモニアを放出した状態でも常温で固体であるから、アンモニア源として液化アンモニアを用いる場合やアンモニア水を陥る場合と比較して、高圧容器が不要であり、安全性が高いという特徴がある。
【００１５】
しかしながら、上記アンモニア貯蔵および移送用材料は嵩比重が約０．１程度と低いからＳＣＲシステムに使用するにはプレス等で圧縮してタブレット状とする必要がある。しかしながら、プレス機の発熱などにより上記材料が分解して作業中に人体に有害なアンモニアが発生し、外部に放出される可能性がある。アンモニアが発生、放出される可能性は、夏場などの高温時に著しいと考えられる。
【００１６】
本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、アンモニア源として液化アンモニアを用いるＳＣＲシステムとは異なり、高圧容器を用いることによる危険性がなく、また、取り扱い時におけるアンモニアの漏洩の危険がないアンモニア吸蔵装置、および前記アンモニア吸蔵装置を用いたＳＣＲシステムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１に記載の発明は、アンモニアを吸蔵し、吸蔵したアンモニアを加熱により放出するとともに、アンモニア吸蔵時には体積が増大するアンモニア吸蔵材と、前記アンモニア吸蔵材を収容するとともに、前記アンモニア吸蔵材が収容される部分の内容積が前記アンモニア吸蔵材のアンモニア吸蔵時の自由体積よりも小さいアンモニア吸蔵タンクと、前記アンモニア吸蔵タンクにアンモニアを導入するアンモニア導入路と、前記アンモニア吸蔵タンクに収容されたアンモニア吸蔵材から放出されたアンモニアを外部に導出するアンモニア導出路と、前記アンモニア吸蔵タンクにおける前記アンモニア導入路および前記アンモニア導出路との連通部に設けられた多孔質フィルタと、前記アンモニア吸蔵タンクに収容されたアンモニア吸蔵材を加熱する加熱手段と、を備えるアンモニア吸蔵装置に関する。
【００１８】
請求項１のアンモニア吸蔵装置においては、アンモニア吸蔵材はアンモニアを吸蔵すると膨張する。そして、アンモニア吸蔵タンクにおけるアンモニア吸蔵材が収容される部分の内容積は、自由空間でアンモニアを吸蔵させたときのアンモニア吸蔵材の体積よりも小さく、また、アンモニア吸蔵タンクにおけるアンモニア吸蔵材が収容される部分とアンモニア導入路およびアンモニア導出路との間には多孔質フィルタが配設されている。したがって、アンモニアを吸蔵して膨張したアンモニア吸蔵材は、逃げ場がないから、アンモニア吸蔵タンクにおけるアンモニア吸蔵材が収容される部分の内容積とアンモニア吸蔵時のアンモニア吸蔵材の自由体積との体積差の分だけ圧縮され、アンモニア吸蔵材のバルク密度は自由状態でアンモニアを吸蔵させた場合と比較して高くなる。したがって、アンモニア吸蔵材に自由状態でアンモニアを吸蔵させる場合と比較して単位体積当りのアンモニア吸蔵量をより多くすることができる。
【００１９】
このため、アンモニア吸蔵装置全体のコンパクト化が可能になるから、自動車への搭載性が向上する。
【００２０】
また、アンモニアを吸蔵することにより、アンモニア吸蔵材は自動的に圧縮されるから、アンモニアを吸蔵したアンモニア吸蔵材をプレスなどによって圧縮してからアンモニア吸蔵タンクに収納する必要がない。したがって、アンモニアを吸蔵したアンモニア吸蔵材をアンモニア吸蔵タンクに出し入れする必要がなくなるから、アンモニア吸蔵材をアンモニア吸蔵タンクに出し入れすることによるアンモニアの漏洩が防止できる。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、前記アンモニア吸蔵タンクの内部が、多孔体隔壁によって複数の室に区分されている請求項１に記載のアンモニア吸蔵装置に関する。
【００２２】
請求項２に記載のアンモニア吸蔵装置においては、アンモニア吸蔵タンクの内部が多孔体隔壁によって複数の室に分割されているから、アンモニア吸蔵タンクにアンモニア吸蔵材が収容された状態においてアンモニア吸蔵タンクの内部にアンモニアの流通通路を確保できる。したがって、アンモニア吸蔵タンクの内部が多孔体隔壁によって複数の室に分割されていない場合と比較してより速やかにアンモニアを吸蔵、放出できる。
【００２３】
また、前記多孔質隔壁によって複数の室に分割されていることにより、アンモニア吸蔵タンクの強度が向上しているから、アンモニア吸蔵材がアンモニアを吸蔵して膨張することにより、アンモニア吸蔵タンクの壁面に生じる外向きの応力に対する安全性が向上する。
【００２４】
また、多孔体隔壁として金属多孔体を用いた場合は、金属多孔体の熱伝導率が高いこと、および多孔体隔壁とアンモニア吸蔵材との接触面積が大きいことから、加熱手段からの熱をアンモニア吸蔵材全体に速やかに伝えることができる。したがって、アンモニアの放出をより速やかに行うことができる。
【００２５】
請求項３に記載の発明は、前記アンモニア吸蔵タンクの壁面が内壁と外壁とからなる二重構造とされている請求項１または２に記載のアンモニア吸蔵装置に関する。
【００２６】
請求項３のアンモニア吸蔵装置においては、アンモニア吸蔵タンクの壁面が二重構造とされているから、前記壁面の空間に冷却用流体を流通させたり、加熱用の流体を流通させたりすることにより、アンモニアの吸蔵、放出をより速やかに行うことができる。
【００２７】
請求項４に記載の発明は、前記アンモニア吸蔵材にアンモニアを吸蔵させるときは、前記アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間に冷却用流体を流通させる請求項３に記載のアンモニア吸蔵装置に関する。
【００２８】
アンモニア吸蔵材は、アンモニアを吸蔵する際には発熱するから、アンモニアを大量に吸蔵させるためには、アンモニア吸蔵材を冷却する必要がある。請求項４に記載のアンモニア吸蔵装置においては、アンモニア吸蔵材にアンモニアを吸蔵させるときは、アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間に冷却用流体を流通させてアンモニア吸蔵材を冷却するから、アンモニア吸蔵材を冷却しないアンモニア吸蔵装置と比較してより多くのアンモニアを吸蔵できる。
【００２９】
請求項５に記載の発明は、前記アンモニア吸蔵材からアンモニアを放出させるときは、前記アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間を真空にする請求項３または４に記載のアンモニア吸蔵装置に関する。
【００３０】
アンモニア吸蔵材は、アンモニアを放出するときは吸熱するから、アンモニア放出時にはアンモニア吸蔵手段を加熱手段で加熱する必要がある。請求項５のアンモニア吸蔵装置においては、アンモニアを放出するときは、アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間を真空にするから、アンモニア吸蔵タンクが前記空間を有しないアンモニア吸蔵装置や、アンモニア吸蔵タンクが前記空間を有していてもアンモニア放出時に前記空間を真空にしないアンモニア吸蔵装置と比較してアンモニア吸蔵タンクの壁面からの放熱が抑えられるから、加熱手段からの熱がより効率的にアンモニア吸蔵材に伝達される。
【００３１】
請求項６に記載の発明は、前記アンモニア吸蔵材からアンモニアを放出させるときは、前記アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間にディーゼルエンジンからの排気ガスを流通させる請求項３または４に記載のアンモニア吸蔵装置に関する。
【００３２】
請求項６に記載のアンモニア吸蔵装置においては、アンモニア放出時には、アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間にディーゼルエンジンからの排気ガスを流通させるから、前記排気ガスの熱でアンモニア吸蔵材を加熱することができる。したがって、加熱手段の負荷を低減することができる。また排気ガスによる加熱だけでアンモニア吸蔵材を十分に加熱できるときは、前記空間そのものを加熱手段として機能させることができる。
【００３３】
請求項７に記載の発明は、前記アンモニア吸蔵材が塩化マグネシウムである請求項１〜６の何れか１項に記載のアンモニア吸蔵装置に関する。
【００３４】
アンモニアを吸蔵すると体積が増大する化合物としては、塩化マグネシウムのほか、塩化ストロンチウムや塩化カルシウムがあるが、塩化ストロンチウムや塩化カルシウムは室温に近い温度でアンモニアを放出するから、取り扱いには危険を伴う。
【００３５】
これに対して請求項７に記載のアンモニア吸蔵装置で使用されている塩化マグネシウムは、塩化ストロンチウムや塩化カルシウムのように室温に近い温度ではなく、更に高温でアンモニアを放出する。したがって、室温に放置した状態で誤ってアンモニア導出路を開とした場合においても、加熱手段を作動させない限り、アンモニアが放出されることは殆どない。
【００３６】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７に記載のアンモニア吸蔵装置と、前記アンモニア吸蔵装置から放出されたアンモニアをディーゼルエンジンからの排気ガスに注入するアンモニア注入装置と、前記排気ガスに導入されたアンモニアを前記排気ガス中のＮＯｘと反応させるための触媒が保持され、前記アンモニア注入装置によってアンモニアが供給された排気ガスが導入される選択的還元触媒コンバータと、を有する選択的触媒還元システムに関する。
【００３７】
請求項８に記載の選択的触媒還元システム、即ちＳＣＲシステムにおいては、アンモニア吸蔵装置に予めアンモニアを吸蔵させておき、アンモニアを吸蔵したアンモニア吸蔵装置からアンモニアを放出させ、これをアンモニア導入手段によってディーゼルエンジンからの排気ガスに導入し、この排気ガスを触媒部に導入することにより、排気ガス中のＮＯｘはアンモニアと反応して最終的に水と窒素とに分解される。
【発明の効果】
【００３８】
請求項１の発明によれば、よりコンパクトでありながら大量のアンモニアを吸蔵、放出することができるため、自動車への搭載性が良好であるとともに、アンモニアを吸蔵したアンモニア吸蔵材をアンモニア吸蔵タンクから取り出してプレスする操作が不要であるため安全性の高いアンモニア吸蔵装置が提供される。
【００３９】
請求項２の発明によれば、多孔体隔壁を有しないアンモニア吸蔵装置と比較してより急速なアンモニアの吸蔵、放出が可能であり、また、アンモニア吸蔵材の膨張圧に対するアンモニア吸蔵タンクの強度が高いアンモニア吸蔵装置が提供される。
【００４０】
請求項３の発明によれば、アンモニア吸蔵タンクの壁面が二重構造とされていないアンモニア吸蔵装置とは異なり、前記壁面に形成された区間に冷却用流体や加熱用流体を流通させることにより、より急速なアンモニアの吸蔵、放出が可能となるアンモニア吸蔵装置が提供される。
【００４１】
請求項４の発明によれば、アンモニア吸蔵時にアンモニア吸蔵タンクの冷却を行わないアンモニア吸蔵装置と比較してより急速なアンモニア吸蔵が可能なアンモニア吸蔵装置が提供される。
【００４２】
請求項５の発明によれば、アンモニア放出時にアンモニア吸蔵タンクの外壁と内壁との間の空間を真空にしないアンモニア吸蔵装置と比較して加熱手段からの熱がより効率的にアンモニア吸蔵剤に伝達されることから、加熱手段に投入するエネルギーが節約できる。また、より急速なアンモニア放出も可能なアンモニア吸蔵装置が提供される。
【００４３】
請求項６の発明によれば、アンモニア吸蔵タンクの外壁と内壁との間の空間に排気ガスを流通させないアンモニア吸蔵装置と比較して加熱手段からの熱がより効率的にアンモニア吸蔵剤に伝達されることから、加熱手段に投入するエネルギーが節約できる。また、より急速なアンモニア放出も可能なアンモニア吸蔵装置が提供される。
【００４４】
請求項７の発明によれば、アンモニア吸蔵材として塩化ストロンチウムや塩化カルシウムを用いたアンモニア吸蔵装置とは異なり、誤ってアンモニア導出路を開としても、加熱手段を作動させない限りアンモニアが放出されることは殆どなく、安全性の高いアンモニア吸蔵装置が提供される。
【００４５】
請求項８の発明によれば、アンモニア源として液化アンモニアを用いるＳＣＲシステムと比較して遥かに安全性に優れ、また、アンモニア源としてアンモニア水や尿素を用いるＳＣＲシステムと比較して、タンク体積当りより多くのアンモニアを吸蔵、放出できるＳＣＲシステムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、実施形態１に係るアンモニア吸蔵装置の構成を示す長手方向に沿って切断した概略断面図である。
【図２】図２は、実施形態１に係るアンモニア吸蔵装置においてアンモニアを吸蔵したアンモニア吸蔵材がアンモニア吸蔵タンク内で自動的に圧縮されることを示す説明図である。
【図３】図３は、実施形態２に係るアンモニア吸蔵装置の構成を示す長手方向に沿って切断した概略断面図である。
【図４】図４は、実施形態２に係るアンモニア吸蔵装置を、図３における平面Ｘ−Ｘに沿って切断した断面を示す断面図である。
【図５】図５は、実施形態３に係るアンモニア吸蔵装置の構成を示す長手方向に沿って切断した概略断面図である。
【図６】図６は、実施形態４に係るアンモニア吸蔵装置の構成を示す長手方向に沿って切断した概略断面図である。
【図７】図７は、実施形態５に係るＳＣＲシステムの構成を示すブロック図である。
【図８】図８は、実施例１においてアンモニア吸蔵材としての塩化マグネシウムの質量を変えたときのアンモニア吸蔵量の変化を示すグラフである。
【図９】図９は、実施例２において多孔質フィルタの濾過能力を変えたときのアンモニア吸蔵量の変化を示すグラフである。
【図１０】図１０は、実施例２において多孔質フィルタの濾過能力を変えたときのアンモニア吸蔵速度の変化を示すグラフである。
【図１１】図１１は、アンモニア吸蔵材として塩化マグネシウムを用いた比較例３におけるアンモニア吸蔵材１ｋｇおよび１リットル当たりのアンモニア放出量と、アンモニア源として尿素水（比較例１）、またはアンモニア水（比較例２）を用いたときのアンモニア源１ｋｇおよび１リットル当たりのアンモニア放出量の比較を示す表である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
１．実施形態１
以下、本発明のアンモニア吸蔵装置の一例について図面を用いて説明する。
図１に示すように、実施形態１に係るアンモニア吸蔵装置１は、アンモニア吸蔵材１０を収容するアンモニア吸蔵タンク１１と、アンモニア吸蔵タンク１１にアンモニアを導入するアンモニア導入路としてのアンモニア導入管路１２と、アンモニア吸蔵タンクから外部にアンモニアを導出するアンモニア導出路としてのアンモニア導出管路１３と、アンモニア吸蔵タンク１１の内部におけるアンモニア導入管路１２およびアンモニア導出管路１３に連通する部分に設けられた多孔質フィルタ１４と、アンモニア吸蔵タンク１１内に収容されたアンモニア吸蔵材１０を加熱する加熱手段としてのヒータ１５と、を備える。
【００４８】
アンモニア導入管路１２およびアンモニア導出管路１３には、開閉弁１６おおび開閉弁１７が夫々介装され、開閉可能とされている。
【００４９】
アンモニア吸蔵材１０は、アンモニア吸蔵タンク１１における底面１１Ａと多孔質フィルタ１４との間の空間１１Ｂに収納されている。空間１１Ｂの内容積は、アンモニア吸蔵材が自由空間でアンモニアを吸蔵したときの体積よりも小さく設定されている。
【００５０】
アンモニア吸蔵材１０としては、アンモニアを吸蔵したときに体積が増大するものが使用されるが、具体的には塩化マグネシウムが使用される。アンモニアを吸蔵したときに体積が増大する化合物としては、他に塩化カルシウムおよび塩化ストロンチウムがあるが、これらの化合物にアンモニアを吸蔵させると、室温に近い温度でアンモニアを放出するからアンモニア吸蔵材１０としては不適当である。これに対して塩化マグネシウムにアンモニアを吸蔵させたものは、室温ではアンモニアを放出せず、１５０℃〜２００℃の温度に加熱して初めてアンモニアを放出するから、アンモニア吸蔵材１０として好ましい。
【００５１】
アンモニア吸蔵材１０の嵩密度は、アンモニア吸蔵タンク１１に収容された状態で０．４〜１．３ｇ／ｃｍ３が好ましく、特に０．６〜１．３ｇ／ｃｍ３が好ましい。また、粒径は、１０〜２００μｍ程度が好ましい。
【００５２】
多孔質フィルタ１４は、濾過能力が２〜９０μｍのものが好ましい。ここで、多孔質フィルタ１４の濾過能力は、多孔質フィルタ１４によって阻止できる粒子の直径の最小値として示すことができる。
【００５３】
以下、実施形態１のアンモニア吸蔵装置１の作用について説明する。図２（Ａ）に示すように、アンモニアを吸蔵する前のアンモニア吸蔵材の体積は、アンモニア吸蔵タンクにおける空間１１Ｂの内容積よりも小さい。
【００５４】
開閉弁１６を開けてアンモニア導入管路１２からアンモニア吸蔵タンク１１にアンモニアを供給すると、アンモニア吸蔵材１０は供給されたアンモニアを吸蔵して膨張する。しかしながら、アンモニア吸蔵材１０は、アンモニア吸蔵タンク１１に設けられた多孔質フィルタ１４を通過することができないので、図２（Ｂ）に示すように空間１１Ｂの内容積以上には膨張できない。
【００５５】
したがって、圧縮しない状態でアンモニア吸蔵材１０にアンモニアを吸蔵させたときの体積、即ち自由空間でアンモニア吸蔵材にアンモニアを吸蔵させたときの体積、言い換えればアンモニア吸蔵材にアンモニアを吸蔵させたときの自由体積Ｖ１（図２（Ｃ）参照）と、アンモニア吸蔵タンク１１における空間１１Ｂの内容積Ｖ２との差ΔＶだけ、アンモニア吸蔵材は圧縮される。
【００５６】
したがって、アンモニア吸蔵タンク１１における空間１１Ｂの内容積Ｖ２は、アンモニア吸蔵材にアンモニアを吸蔵させたときの自由体積Ｖ１よりも小さく設定されているにも拘らず、自由空間において吸蔵させたときと同程度の量のアンモニアを吸蔵させることができる。
【００５７】
アンモニア吸蔵材１０に吸蔵されるアンモニアの量が飽和量に達したら、開閉弁１６を閉じてアンモニア導入路１２を閉じ、アンモニアの導入を終了する。
【００５８】
アンモニア吸蔵材１０に吸蔵させたアンモニアを放出するときは、開閉弁１７を開けてアンモニア導出管路１３を開とするとともに、ヒータ１５に通電してアンモニア吸蔵材１０を加熱する。アンモニア吸蔵材１０が例えば１５０〜２００℃に加熱されると吸蔵されたアンモニアの放出が開始される。放出されたアンモニアは、アンモニア導出管路１３を通じて放出される。
【００５９】
実施形態１のアンモニア吸蔵装置１は、前述のように、アンモニア吸蔵タンク１１の空間１１Ｂの内容積Ｖ２が、アンモニア吸蔵材にアンモニアを吸蔵させたときの自由体積Ｖ１よりも小さく設定されているにも拘らず、自由空間において吸蔵させたときと同程度の量のアンモニアをアンモニア吸蔵材１０に吸蔵させることができる。したがって、コンパクトに構成できるにも拘らずアンモニア吸蔵量が大きいから、ディーゼル自動車への搭載性が良好である。
【００６０】
また、アンモニア吸蔵材１０にアンモニアを吸蔵させるときは、アンモニア吸蔵材１０は、空間１１Ｂの内容積Ｖ２を超えて膨張しようとすると、アンモニア吸蔵タンク１１の壁面や多孔質フィルタ１４に押圧されて自動的に圧縮される。したがって、アンモニアを吸蔵したアンモニア吸蔵材１０をプレスしてからアンモニア吸蔵タンク１１に収納する操作は不要になるから、前記操作に伴うアンモニアの漏出が防止され、安全性が高い。
【００６１】
また、アンモニア吸蔵装置１は、アンモニア吸蔵タンク１１と多孔質フィルタ１４とアンモニア導入管路１２とアンモニア導出管路１３とヒータ１５とで構成できるから、構成が簡略である。
【００６２】
２．実施形態２
以下、本発明のアンモニア吸蔵装置の他の一例について図面を用いて説明する。
図３及び図４に示すように、実施形態２に係るアンモニア吸蔵装置２は、アンモニア吸蔵材１０を収容するアンモニア吸蔵タンク１１と、アンモニア吸蔵タンク１１にアンモニアを導入するアンモニア導入路としてのアンモニア導入管路１２と、アンモニア吸蔵タンクから外部にアンモニアを導出するアンモニア導出路としてのアンモニア導出管路１３と、アンモニア吸蔵タンク１１の内部におけるアンモニア導入管路１２およびアンモニア導出管路１３に連通する部分に設けられた多孔質フィルタ１４と、アンモニア吸蔵タンク１１内に収容されたアンモニア吸蔵材１０を加熱する加熱手段としてのヒータ１５と、を備える。
【００６３】
アンモニア吸蔵タンク１１の内部は、長手方向に延在する多孔体隔壁２０によって複数の小室１１Ｃに区分され、アンモニア吸蔵材１０は小室１１Ｃ内に収容されている。多孔体隔壁２０は、図４（Ａ）に示すように多孔質体の円筒１８の集合体から形成されていてもよく、また図４（Ｂ）に示すように蜂の巣状に形成されていてもよい。
【００６４】
多孔体隔壁２０は、ヒータ１５による加熱に耐えられるものであれば、材質は特に限定されないが、セラミック多孔体および金属多孔体が好ましく、特に熱伝導率が高い点で金属多孔体が好ましい。
【００６５】
多孔体隔壁２０は、濾過能力が２〜９０μｍのものが好ましい。濾過能力については実施形態１のところで説明したとおりである。
【００６６】
ヒータ１５は、アンモニア吸蔵タンク１１の底部に配置されているが、これに限定されず、例えば多孔体内部に組み込まれたようなものでもよい。
【００６７】
上記以外の点については、アンモニア吸蔵装置２は実施形態１のアンモニア吸蔵装置１と同様の構成を有している。したがって、アンモニア吸蔵材１０、アンモニア吸蔵タンク１１、アンモニア導入管路１２、アンモニア導出管路１３、多孔質フィルタ１４については実施形態１のところで述べたとおりである。
【００６８】
実施形態２のアンモニア吸蔵装置２は、実施形態１のアンモニア吸蔵装置が有する特長に加え、アンモニアの吸蔵時、および放出時には多孔体隔壁２０がアンモニアの通路になるため、アンモニアの吸蔵および放出がより迅速に行えるという特長を有する。
【００６９】
また、空間１１Ｂが多孔体隔壁２０によって複数の小室１１Ｃに区分されているため、アンモニア吸蔵材１０の膨張圧に対するアンモニア吸蔵タンク１１の強度がより高いという特長を有する。
【００７０】
３．実施形態３
以下、本発明のアンモニア吸蔵装置の他の一例について図面を用いて説明する。
図５に示すように、実施形態３に係るアンモニア吸蔵装置３においては、アンモニア吸蔵タンク１１の底面１１Ａ以外の壁面は、外壁１１２と内壁１１１との二重構造とされ、外壁１１２と内壁１１１との間の空間は、冷却用流体としての冷却水の流路である冷却水流路２１とされている。なお、アンモニア吸蔵タンク１１の底面１１Ａも外壁と内壁との二重構造とされていてもよい。
【００７１】
冷却水流路２１には、冷却水が導入される冷却水導入管路２２と、冷却水が導出される冷却水導出管路２３が接続されている。冷却水導入管路２２および冷却水導出管路２３は、夫々開閉弁２４および開閉弁２５によって開閉可能とされている。
【００７２】
上記以外の点については、アンモニア吸蔵装置３は実施形態１のアンモニア吸蔵装置１と同様の構成を有している。したがって、アンモニア吸蔵材１０、アンモニア吸蔵タンク１１、アンモニア導入管路１２、アンモニア導出管路１３、多孔質フィルタ１４、及びヒータ１５については実施形態１のところで述べたとおりである。
【００７３】
アンモニア吸蔵装置３においては、アンモニア吸蔵材１０にアンモニアを吸蔵させるときは開閉弁２４および開閉弁２５を開いて冷却水流路２１に冷却水を流通させ、アンモニア吸蔵材１０がアンモニアを吸蔵する際に発生する熱を除去する。
【００７４】
一方、アンモニア吸蔵材１０に吸蔵されたアンモニアを脱着するときは、冷却水流路２１内部を真空とした後、開閉弁２４および開閉弁２５を閉じて冷却水流路２１内部の真空を保持する。この状態でヒータ１５を通電してアンモニア吸蔵材１０を加熱することにより、ヒータ１５からの熱がアンモニア吸蔵タンク１１の壁面から外部に逃げるのを抑える。
【００７５】
アンモニア吸蔵装置３は、アンモニア吸蔵時には冷却水流路２１に冷却水を流通させてアンモニア吸蔵タンク１１内部を冷却し、アンモニア放出時には、冷却水流路２１内部を真空にしてヒータからの熱の逸散を抑えているから、アンモニア吸蔵タンク１１の壁が一汁構造のものと比較して加熱手段に投入するエネルギーを節約できる。また、アンモニアの吸蔵、放出をより迅速に行うことができるという特長を有している。
【００７６】
４．実施形態４
以下、本発明のアンモニア吸蔵装置の他の一例について図面を用いて説明する。
図６に示すように、実施形態４に係るアンモニア吸蔵装置４も、実施形態３に係るアンモニア吸蔵装置３と同様に、アンモニア吸蔵タンク１１の底面１１Ａ以外の壁面は、外壁１１２と内壁１１１との二重構造とされている。そして、外壁１１２と内壁１１１との間の空間は、冷却用流体としての冷却水の流路であるとともに、加熱用流体としてのディーゼルエンジンの排気ガスの流路である冷却加熱用流路３０とされている。
【００７７】
冷却加熱用流路３０の一端には管路３１が、他端には管路３２が接続されている。
【００７８】
上記以外の点については、アンモニア吸蔵装置３は実施形態１のアンモニア吸蔵装置１と同様の構成を有している。したがって、アンモニア吸蔵材１０、アンモニア吸蔵タンク１１、アンモニア導入管路１２、アンモニア導出管路１３、多孔質フィルタ１４、及びヒータ１５については実施形態１のところで述べたとおりである。
【００７９】
アンモニア吸蔵装置４においては、アンモニア吸蔵材１０にアンモニアを吸蔵させるときは管路３１から冷却加熱用流路３０に冷却水を導入し、この冷却水を管路３２から導出することにより、アンモニア吸蔵材１０がアンモニアを吸蔵する際に発生する熱を除去する。
【００８０】
一方、アンモニアを放出するときは、ディーゼルエンジンの排気ガスを管路３２から冷却加熱用流路３０に供給することにより、アンモニア吸蔵タンク１１の内部を加熱して内部に収納されたアンモニア吸蔵材からのアンモニアの放出を促進させる。
【００８１】
アンモニア吸蔵装置４は、アンモニア吸蔵時には冷却加熱用流路３０に冷却水を流通させてアンモニア吸蔵タンク１１内部を冷却し、アンモニア放出時には、冷却加熱用流路３０にディーゼルエンジンから排出された排気ガスを流通させてアンモニア吸蔵タンク１１内部を加熱しているから、アンモニア吸蔵タンク１１の冷却、加熱を行わないアンモニア吸蔵装置と比較してアンモニアの吸蔵をより迅速に行うことができるから、アンモニア放出時のヒータ１５の負担が軽くなる。そして、排気ガスの温度が高いときや排気ガスの流量が多いときは、排気ガスの熱だけでアンモニア吸蔵材が十分加熱されるから、ヒータ１５によるアンモニア吸蔵材１０の加熱が不要になる。
【００８２】
以上、アンモニア導入管路１２とアンモニア導出管路１３とを別個の管路として設けた例について説明したが、本発明のアンモニア吸蔵タンクにおいては、アンモニア導入管路とアンモニア導出管路とを１本の管路で兼用してもよいことは言うまでもない。
【００８３】
５．実施形態５
以下、本発明の選択的触媒還元システムの一例であるＳＣＲシステムについて図面を用いて説明する。実施形態５のＳＣＲシステム５は、図７に示すようにディーゼルエンジン２００の排気系５０上に設けられた酸化触媒コンバータ５１と、排気系５０における酸化触媒コンバータ５１の下流側に設けられたＳＣＲ触媒コンバータ５２と、ＳＣＲ触媒コンバータ５２の下流側に設けられたスリップ触媒コンバータ５３と、排気系５０における酸化触媒コンバータ５１とＳＣＲコンバータ５２との間にアンモニアを注入するアンモニア注入装置５４と、アンモニア注入装置５４に接続されたアンモニア吸蔵装置５５と、アンモニア注入装置５４を流通するアンモニアの流量に応じてアンモニア吸蔵装置５５のヒータ１５に流れる電流を制御するコントローラ５６と、を備える。なお、ＳＣＲコンバータ５２は、本発明の選択的触媒還元システムが備える選択的触媒還元コンバータに相当する。
【００８４】
アンモニア吸蔵装置５５は、アンモニア注入装置５４にアンモニアを供給する機能を有し、例えば実施形態１〜４に記載のアンモニア吸蔵装置が好ましく使用される。なお、アンモニア吸蔵装置５５は、アンモニア導出管路１２においてアンモニア注入装置５４に接続されている。
【００８５】
ＳＣＲシステム５において、酸化触媒コンバータ５１は、ディーゼルエンジン２００の排気ガスに含まれる炭化水素とＣＯとを水とＣＯ２とに、また、ＮＯをＮＯｘに酸化する。
【００８６】
アンモニア注入装置５４は、酸化触媒コンバータ５１で酸化された排気ガスにアンモニアを注入する機能を有する。
【００８７】
ＳＣＲ触媒コンバータ５２は、アンモニア注入装置５４によって注入されたアンモニアによって排気ガス中のＮＯｘを窒素ガスと水とに還元する機能を有する。
【００８８】
スリップ触媒コンバータ５３は、ＳＣＲ触媒コンバータ５２から排気ガスと共にアンモニアが排出された場合に、排出されたアンモニアを酸化分解して除去する機能を有する。
【００８９】
以下、ＳＣＲシステム５の作用について説明する。
【００９０】
ディーゼルエンジン２００から排出された排気ガスは、酸化触媒コンバータ５１に導入され、排気ガス中の炭化水素とＣＯとが水およびＣＯ２に、ＮＯがＮＯｘに夫々酸化される。
【００９１】
アンモニア注入装置５４においては、アンモニア吸蔵装置５５から放出されたアンモニアを、酸化触媒コンバータ５１を通過した排気ガスに排気ガスのＮＯｘ濃度に応じた量で注入する。
【００９２】
ＳＣＲ触媒コンバータ５２においては、排気ガス中のＮＯｘが注入されたアンモニアによって窒素と水とに還元されて除去される。アンモニア注入装置５４において万が一アンモニアが過剰に注入された場合には、余剰のアンモニアは排気ガスと共に排出される。しかしながら、ＳＣＲ触媒コンバータ５２の下流側にはスリップ触媒コンバータ５３が設けられているから、排気ガスと共に排出されたアンモニアはスリップ触媒コンバータ５３で酸化されて除去される。したがって余剰のアンモニアが外界に排出されることは殆どない。
【００９３】
なお、コントローラ５６は、アンモニア注入装置５４で注入されるアンモニアの量に応じてアンモニア吸蔵装置５５のヒータ１５を制御する。即ち、アンモニア注入装置５４においてアンモニア注入量が減少したときは、コントローラ５６は、ヒータ１５に流れる電流を減少させることにより、アンモニア吸蔵装置５５からのアンモニア放出量を減少させる。一方、アンモニア注入装置５４においてアンモニア注入量が増加したときは、コントローラ５６はヒータ１５に流れる電流を増大させることにより、アンモニア吸蔵装置５５からのアンモニア放出量を増大させる。
【００９４】
また、コントローラ５６においては、排気ガスの温度およびＮＯｘ濃度に応じ、たとえば排気ガスの温度およびＮＯｘ濃度が低いときはヒータ１５に流す電流を減少させ、排気ガスの温度およびＮＯｘ濃度が高いときはヒータ１５に流す電流を増大させてもよい。
【００９５】
あるいは、アンモニア吸蔵装置５５内の圧力が略一定になるようにヒータ１５で調節し（調圧弁をアンモニア吸蔵装置５５の下流に配置してアンモニア注入装置５４に略一定圧のアンモニアが供給されるようにしてもよい）、アンモニア注入装置５４の開口面積、あるいは開口時間を制御して所定量のアンモニアが供給されるようにする。
【００９６】
ＳＣＲシステム５においては、アンモニア吸蔵装置５５において高圧を用いていないから、アンモニア源として液化アンモニアを用いるＳＣＲシステムと比較して遥かに安全性に優れている。また、アンモニア源としてアンモニア水や尿素を用いるＳＣＲシステムと比較して小さなアンモニア吸蔵タンク容量で多くのアンモニアを排気ガスに注入できる。
【００９７】
また、コントローラ５６においては、アンモニア注入装置５４で注入されるアンモニアの量に応じてヒータ１５を制御してアンモニア吸蔵装置５５からのアンモニア放出量を制御しているから、排気ガスにアンモニアが過剰に注入されたり、アンモニア注入量が不足したりすることが抑止される。
【実施例】
【００９８】
（１）実施例１
実施形態１に係るアンモニア吸蔵装置１を用い、アンモニア吸蔵材１０として塩化マグネシウムを用いてアンモニアの吸蔵を行った。アンモニア吸蔵装置１が備えるアンモニア吸蔵タンク１１の空間１１Ｂの内容積は３．５ｃｍ３とした。また、空間１１Ｂに収容する塩化マグネシウムの重量は、０．８３ｇ、１，１５ｇ、１．５ｇの３点とした。アンモニア吸蔵装置に導入するアンモニアの圧力は０．３ＭＰａに設定し、アンモニア導入時間は９０分とした。結果を図８に示す。なお、塩化マグネシウムがアンモニアを吸蔵すると、下記の化学式２：
【化２】
の右辺で示されるアンモニア吸蔵塩を形成する。図８において、実線は、アンモニア吸蔵量の理論値を示し、白丸はアンモニア吸蔵量の実測値を示す。なお、アンモニア吸蔵量の理論値は、上記化学式２に基いて求めたアンモニア吸蔵量である。
【００９９】
図８から明らかなように、アンモニア吸蔵装置１においては、アンモニア吸蔵量の実測値は理論値とよく一致することが判った。
【０１００】
また、実施例１で使用した塩化マグネシウムの嵩密度は約０．６ｇ／ｃｍ３であるから、０．８３ｇの塩化マグネシウムの体積は１．３８ｃｍ３となり、１．５ｇの塩化マグネシウムの体積は２．５ｃｍ３となる。したがって、塩化マグネシウムの量が０．８３ｇのときは、塩化マグネシウムは、吸蔵タンク１１の空間１１Ｂの内容積の約４０％を占め、塩化マグネシウムの量が１．５ｇのときは、塩化マグネシウムは、吸蔵タンク１１の空間１１Ｂの内容積の約７１％を占める。
【０１０１】
ここで、塩化マグネシウムがアンモニアを吸蔵して生じるアンモニア吸蔵塩の嵩密度は約０．１ｇ／ｃｍ３であるから、塩化マグネシウムは、自由状態でアンモニアを吸蔵すると体積が約６倍に増大する。
【０１０２】
しかしながら、空間１１Ｂは、アンモニア吸蔵タンク１１と多孔質フィルタ１４とで囲まれた空間なので、吸蔵塩は、区間１１Ｂの内容積を超えて膨張することはできない。したがって、塩化マグネシウムの量が０．８３ｇのときも、１．５ｇのときも、アンモニアを吸蔵して生じた吸蔵塩は、アンモニア吸蔵タンク１１内で圧縮される。
【０１０３】
（２）実施例２
次に、吸蔵材として塩化マグネシウムを１．１５ｇ用い、多孔質フィルタ１４として濾過能力が２μ、１５μｍ、６０μｍ、および９０μｍのものを用い、アンモニア吸蔵量を測定した。９０分経過後の吸蔵量を図９に、吸蔵量の時間変化を図１０に示す。
【０１０４】
図９に示すように、９０分経過後の吸蔵量、言い換えれば平衡状態に達したときの吸蔵量は、多孔質フィルタ１４として濾過能力が２μ、１５μｍ、６０μｍ、および９０μｍの何れも場合も約１．２ｇと変化がなく、これは化学式２に基いて求めたアンモニア吸蔵量の理論値とほぼ等しい値であった。また、図１０に示すように、アンモニア吸蔵開始５分後、１０分後、及び２５分後のアンモニア吸蔵量も多孔質フィルタ１４として濾過能力が２μ、１５μｍ、６０μｍ、および９０μｍの場合で差が殆ど見られなかった。このことから、多孔質フィルタ１４の濾過能力は２〜９０μｍの範囲が好ましいことが判る。
【０１０５】
（３）実施例３、比較例１、比較例２
次に、実施例１で用いたのと同様のアンモニア吸蔵装置を用い、アンモニア吸蔵材１０として塩化マグネシウム（実施例３）を用いた場合、及びアンモニア源として尿素水（比較例１、３２．５％水溶液）、またはアンモニア水（比較例２、２５％水溶液）を用いてアンモニア放出量を測定し、その結果に基いて吸蔵材（アンモニア源）１ｋｇ当りおよび１リットル当たりのアンモニア放出量を求めた。結果を図１１に示す。
【０１０６】
図１１から明らかなように、実施例３においては、塩化マグネシウム１ｋｇ当りのアンモニア放出量は０．５２ｋｇであり、塩化マグネシウム１リットル当りのアンモニア放出量は０．６２ｋｇであった。これに対し、アンモニア源として尿素水を用いた比較例１においては、アンモニア源１ｋｇ当りのアンモニア放出量は０．１８ｋｇであり、アンモニア源１リットル当たりのアンモニア放出量は０．２０ｋｇに過ぎなかった。また、アンモニア源としてアンモニア水を用いた比較例２においては、アンモニア源１ｋｇ当りのアンモニア放出量は０．２８ｋｇであり、アンモニア源１リットル当たりのアンモニア放出量は０．２５ｋｇに過ぎなかった。このことから、実施例３におけるアンモニア吸蔵材１ｋｇおよび１リットル当たりのアンモニア放出量は、アンモニア源として尿素を用いた比較例１、およびアンモニア水を用いた比較例２におけるアンモニア放出量の倍以上であることが判った。
【符号の説明】
【０１０７】
１ アンモニア吸蔵装置
２ アンモニア吸蔵装置
３ アンモニア吸蔵装置
４ アンモニア吸蔵装置
５ ＳＣＲシステム
１０ アンモニア吸蔵材
１１ アンモニア吸蔵タンク
１２ アンモニア導出管路
１２ アンモニア導入管路
１３ アンモニア導出管路
１４ 多孔質フィルタ
１５ ヒータ
１６ 開閉弁
１７ 開閉弁
１８ 円筒
２０ 多孔体隔壁
２１ 冷却水流路
２２ 冷却水導入管路
２３ 冷却水導出管路
２４ 開閉弁
２５ 開閉弁
３０ 冷却加熱用流路
５０ 排気系
５１ 酸化触媒コンバータ
５２ ＳＣＲ触媒コンバータ
５３ スリップ触媒コンバータ
５４ アンモニア注入装置
５５ アンモニア吸蔵装置
５６ コントローラ
２００ ディーゼルエンジン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアを吸蔵し、吸蔵したアンモニアを加熱により放出するとともに、アンモニア吸蔵時には体積が増大するアンモニア吸蔵材と、
前記アンモニア吸蔵材を収容するとともに、前記アンモニア吸蔵材が収容される部分の内容積が前記アンモニア吸蔵材のアンモニア吸蔵時の自由体積よりも小さいアンモニア吸蔵タンクと、
前記アンモニア吸蔵タンクにアンモニアを導入するアンモニア導入路と、
前記アンモニア吸蔵タンクに収容されたアンモニア吸蔵材から放出されたアンモニアを外部に導出するアンモニア導出路と、
前記アンモニア吸蔵タンクにおける前記アンモニア導入路および前記アンモニア導出路との連通部に設けられた多孔質フィルタと、
前記アンモニア吸蔵タンクに収容されたアンモニア吸蔵材を加熱する加熱手段と、
を備えるアンモニア吸蔵装置。
【請求項２】
前記アンモニア吸蔵タンクの内部は、多孔体隔壁によって複数の室に区分されている請求項１に記載のアンモニア吸蔵装置。
【請求項３】
前記アンモニア吸蔵タンクの壁面は内壁と外壁とからなる二重構造とされている請求項１または２に記載のアンモニア吸蔵装置。
【請求項４】
前記アンモニア吸蔵材にアンモニアを吸蔵させるときは、前記アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間に冷却用流体を流通させる請求項３に記載のアンモニア吸蔵装置。
【請求項５】
前記アンモニア吸蔵材からアンモニアを放出させるときは、前記アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間を真空にする請求項３または４に記載のアンモニア吸蔵装置。
【請求項６】
前記アンモニア吸蔵材からアンモニアを放出させるときは、前記アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間にディーゼルエンジンからの排気ガスを流通させる請求項３または４に記載のアンモニア吸蔵装置。
【請求項７】
前記アンモニア吸蔵材は塩化マグネシウムである請求項１〜６の何れか１項に記載のアンモニア吸蔵装置。
【請求項８】
請求項１〜７に記載のアンモニア吸蔵装置と、
前記アンモニア吸蔵装置から放出されたアンモニアをディーゼルエンジンからの排気ガスに注入するアンモニア注入装置と、
前記排気ガスに導入されたアンモニアを前記排気ガス中のＮＯｘと反応させるための触媒が保持され、前記アンモニア注入装置によってアンモニアが供給された排気ガスが導入される選択的還元触媒コンバータと、
を有する選択的触媒還元システム。
【請求項１】
アンモニアを吸蔵し、吸蔵したアンモニアを加熱により放出するとともに、アンモニア吸蔵時には体積が増大するアンモニア吸蔵材と、
前記アンモニア吸蔵材を収容するとともに、前記アンモニア吸蔵材が収容される部分の内容積が前記アンモニア吸蔵材のアンモニア吸蔵時の自由体積よりも小さいアンモニア吸蔵タンクと、
前記アンモニア吸蔵タンクにアンモニアを導入するアンモニア導入路と、
前記アンモニア吸蔵タンクに収容されたアンモニア吸蔵材から放出されたアンモニアを外部に導出するアンモニア導出路と、
前記アンモニア吸蔵タンクにおける前記アンモニア導入路および前記アンモニア導出路との連通部に設けられた多孔質フィルタと、
前記アンモニア吸蔵タンクに収容されたアンモニア吸蔵材を加熱する加熱手段と、
を備えるアンモニア吸蔵装置。
【請求項２】
前記アンモニア吸蔵タンクの内部は、多孔体隔壁によって複数の室に区分されている請求項１に記載のアンモニア吸蔵装置。
【請求項３】
前記アンモニア吸蔵タンクの壁面は内壁と外壁とからなる二重構造とされている請求項１または２に記載のアンモニア吸蔵装置。
【請求項４】
前記アンモニア吸蔵材にアンモニアを吸蔵させるときは、前記アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間に冷却用流体を流通させる請求項３に記載のアンモニア吸蔵装置。
【請求項５】
前記アンモニア吸蔵材からアンモニアを放出させるときは、前記アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間を真空にする請求項３または４に記載のアンモニア吸蔵装置。
【請求項６】
前記アンモニア吸蔵材からアンモニアを放出させるときは、前記アンモニア吸蔵タンクの内壁と外壁との間の空間にディーゼルエンジンからの排気ガスを流通させる請求項３または４に記載のアンモニア吸蔵装置。
【請求項７】
前記アンモニア吸蔵材は塩化マグネシウムである請求項１〜６の何れか１項に記載のアンモニア吸蔵装置。
【請求項８】
請求項１〜７に記載のアンモニア吸蔵装置と、
前記アンモニア吸蔵装置から放出されたアンモニアをディーゼルエンジンからの排気ガスに注入するアンモニア注入装置と、
前記排気ガスに導入されたアンモニアを前記排気ガス中のＮＯｘと反応させるための触媒が保持され、前記アンモニア注入装置によってアンモニアが供給された排気ガスが導入される選択的還元触媒コンバータと、
を有する選択的触媒還元システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−４７１５６（Ｐ２０１２−４７１５６Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９２４１７（Ｐ２０１０−１９２４１７）
【出願日】平成２２年８月３０日（２０１０．８．３０）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月３０日（２０１０．８．３０）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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