CN102597327A - 氢和氧的混合气体产生装置和使用该装置的内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种在低电流下产生氢气、且水蒸气的产生少的氢氧气体产生装置。氢氧气体产生装置具备：电源；与该电源电连接的变换器；与该变换器电连接，并在内部具有纳米水、浸渍于该纳米水中的阳极和阴极的电解槽。由此，可以以低的电流进行驱动，减少水蒸气的产生。

Description

氢和氧的混合气体产生装置和使用该装置的内燃机
技术领域
本发明涉及作为布朗气体的氢和氧的混合气体(以下，称为「氢氧气体」)的产生装置和使用该装置的内燃机。
背景技术
近年来，在各种技术领域，进行着重视对环境的照顾的技术开发。特别是在内燃机等利用了化石燃料的燃烧的技术领域，正在积极开发以削减CO2的排放量为目的的技术。例如，通过向不具有燃烧工艺的技术的转换，来削减CO2的排放量是一种方法。包含已实用化的混合动力车在内，利用各种类型的发电·蓄电技术的电驱动的轿车等是它的例子。
但是，在现在的技术水准下，不能够进行向不具有燃烧工艺的技术的转换，化石燃料的燃烧工艺不可避免的技术领域始终存在。例如，需要大的驱动力的船舶、大型汽车、锅炉等。在这样的技术领域，考虑通过降低排放的气体中所含有的有毒气体和CO2气体来实现对环境的照顾。排放的气体中所含有的有毒气体和CO2气体的降低集中在使燃烧效率上升，如何使燃烧工艺接近完全燃烧这点上。另外，通过使燃烧效率上升，需要的燃料也减少，因此燃油经济性也提高。
作为使燃烧效率上升的方法，有例如如专利文献1所公开的那样利用氢氧气体的方法。在此，将通过一般所使用的水的电解产生的氢气和氧的化学当量比设为2∶1进行混合。
现有技术文献
专利文献1：日本实用新型登记第3131938号公报
发明内容
但是，在利用了一般所使用的水的电解的原理的氢气和氧气的产生方法中，产生量存在极限，在利用氢氧气体装置的情况下，不得不设为燃烧容易稳定的大型的定置式。即，在利用氢氧气体装置作为负荷变动多的驱动力源的情况下，靠以往的水的电解进行稳定的氢氧气体的供给是困难的，使燃烧效率上升从而使燃烧工艺接近完全燃烧是困难的。
特别是为了利用以往的氢氧气体装置大量地产生氢氧气体，在100V等的高的电压下使用高的电流。并且，由于因通电产生的热，存在水蒸气较多地产生的问题。在轿车等的产量和船舶等方面，希望在低电流的状态下产生大量的氢气。
本申请发明的目的是提供一种在低电流下产生氢气，水蒸气的产生少的氢氧气体产生装置。
本申请发明的目的是提供一种氢氧气体产生装置，其中，为了使内燃机中的燃烧接近完全燃烧而利用氢氧气体时，可以进行稳定的氢氧气体的供给。
本申请发明提供一种氢氧气体产生装置，该装置具备：电源；与该电源电连接的变换器(inverter)；与该变换器电连接，并在内部具有由该变换器施加电压的阳极和阴极的电解槽；和对纯水预先施加规定的频率的超声波振动而制造、并贮藏于该电解槽的内部的纳米水。
本申请发明的目的还在于提供一种内燃机，该内燃机使用了氢氧气体产生装置，该氢氧气体产生装置具备：电源；与该电源电连接的变换器；与该变换器电连接，并在内部具有由该变换器施加电压的阳极和阴极的电解槽；和对纯水预先施加规定的频率的超声波振动而制造、并贮藏于该电解槽的内部的纳米水。
与以往的氢氧气体产生装置相比，本申请发明的氢氧气体产生装置可以稳定地产生大量的氢氧气体。进而，应用于内燃机的结果，可以使在使用了化石燃料的内燃机中的燃烧效率上升。由此，能够降低CO2气体的排放量。
此外，本申请发明的氢氧气体产生装置，可以在低的电压·电流下产生较多的氢氧气体。因此，可以将装置整体小型化，可以应用于从轿车到大型汽车等的车辆和船舶等。
附图说明
图1是表示本发明的氢氧气体产生装置的图。
图2A是表示本发明的氢氧气体产生装置的电极结构的例子的图。
图2B是表示本发明的氢氧气体产生装置的集气部的图。
图3是本发明的实施例1的氢氧气体产生装置的系统图。
图4是表示本发明的实施例1的氢氧气体产生装置的变换器的控制流程图的图。
图5是本发明的实施例2的氢氧气体产生装置的系统图。
图6是表示本发明的实施例2的氢氧气体产生装置的变换器的控制流程图的图。
图7是利用了本发明的氢氧气体产生装置的内燃机的说明图。
具体实施方式
(实施例1)
参照图1～图4，对于本发明的氢氧气体产生装置1进行说明。图1是表示本发明的氢氧气体产生装置的图。图2A是表示本发明的氢氧气体产生装置的电极结构的例子的图，图2B是表示本发明的氢氧气体产生装置的集气部的图。另外，图3是本发明的实施例1的氢氧气体产生装置的系统图。图4表示变换器的控制流程图。
氢氧气体产生装置1具备电源2、变换器3、电解槽4和氢氧气体供给管12。
电源2只要能够向电解槽4供给电力就可以没有特别限定地选择。例如，电源2可以是24伏特的电源。电源2的阳极和阴极分别通过变换器3与电解槽4的阳极侧电极板10和阴极侧电极11a、11b连接。电源2的电压通过变换器3使电压降低。例如在本实施例中，使其从24伏降低到12伏特。由此，可以在轿车、船舶等移动型的交通工具中使用。
电解槽4是用上盖6封闭槽9的结构的容器。上盖6夹着采用绝缘材料的衬垫8，安装于槽9。上盖6由带有垫片的螺栓25夹着绝缘衬垫26螺嵌于槽9。由此，成为在电解槽4的内部产生的作为超微粒的氢氧气体不泄漏到外部的结构。另外，电解槽4的内槽使用特殊有机硅，成为防止漏电的结构。如果在槽9的各部分中使用例如丙烯酸树脂材料则可以不使在内部产生的热传递到外面。
在电解槽4的槽9中，电解液从电解液供给口7注入，充满到槽9内。作为电解液，使用所谓的纳米水31。在本申请中，「纳米水」定义为以规定的时间对纯水施加超声波带的振动而预先制造了的水。在本实施例中，使用了连续施加24小时的例如36千赫兹的频率的超声波振动而制造的纳米水。
另外，在电解槽4的槽9的电解液中，添加例如氢氧化钾、氢氧化钠等这样的氢氧化物作为催化剂。
此外，也可以向电解槽4的槽9的电解液中添加电气石32。电气石为例如镁电气石，采用某种程度大的电气石。可以期待产生负离子的效果。例如，可以采用球体形状的电气石。由此，可以减少向电极的附着物。
在电解槽4的电解液中，浸渍着与电源2的阳极和阴极分别连接的阳极侧电极板10和阴极侧电极11。再者，图1模式地表示一对的阳极侧电极板10和阴极侧电极11，但实际上优选如图2A所示，将阴极侧电极板和阳极侧电极板作为一个组，将多个的电极组浸渍于电解液中。即，构成利用阳极侧电极板10a、10b和阴极侧电极11a、11b以一定的间隔交替配置的一组的阳极侧电极板10和阴极侧电极11。准备多个这样的电极组，浸渍于电解槽4内。例如，若使用6组的电极，则为24枚的电极。作为材料，阳极侧电极板10a、10b和阴极侧电极11a、11b分别可以使用例如强化不锈钢合金(SUS316)、钛合金等。此外，在使用钛合金的情况下，可以使用在表面蒸镀了铱的钛合金、或者在表面上利用镀敷处理施加了铂的表面层的钛合金等、在表面具有铱或铂层的钛合金。但是，不限于此。
另外，优选：阳极侧电极板10a、10b和阴极侧电极11a、11b分别是具有长度L的长边缘和长度D的短边缘的形状，以短边缘侧成为电解槽4的电解液的深度方向的方式在电解槽4内浸渍于电解槽。例如，长度D：长度L可以设为1∶2。
在电解槽中，根据水的电解的原理，从电源2供给电力，由此在阳极侧电极板10a、10b，阳极侧电极板10a、10b与电解液发生反应，生成氢氧化物离子(OH-)并且接受电子。该电子向阴极侧电极11a、11b流动。在阴极侧电极11a、11b，氢离子(H+)接受阴极侧电极11的电子，成为氢分子(H2)。作为电解液，不是使用简单的纯水，而是使用水分子的团簇被破坏而成为水分子单体的纳米水，由此，在电解液中，容易生成氢离子(H+)和氢氧化物离子(OH-)。另外，通过使用电气石，在阴极侧电极11a、11b中的电子的释放被促进。此外，通过将电气石球体化·粒状化，可以减少向电极的附着物，提高电极的持续性。
如图2B所示，在电解槽4的上盖6接合有输送在电解槽4中产生的氢氧气体的氢氧气体供给管12。氢氧气体供给管12利用集气口12a从上盖6连通到内部。在电解槽4的内部侧的集气口12a附近的上盖6，隔板(挡板)6a、6b、6c、6d以在集气口12a的周围包围集气口12a的方式，相对于上盖6在铅直方向上延伸的方式安装。在隔板6a、6b、6c、6d的各自之间设置数毫米左右的间隙。产生的氢氧气体通过该间隙，经由被隔板6a、6b、6c、6d划定的空间，从集气口12a输送到氢氧气体供给管12。通过隔板6a、6b、6c、6d，因作为电解槽4的电解液的水的温度上升而产生的水蒸气团聚(block)，仅产生的氢氧气体进入到被隔板6a、6b、6c、6d划定的空间内。可以防止氢氧气体向氢氧气体供给管12的流入。
此外，在氢氧气体供给管12配置有排水阀13，即使是少量地进入到被隔板6a、6b、6c、6d划定的空间内的水蒸气，与氢氧气体一同被输送到氢氧气体供给管12内的情况，也能够以水的形式从氢氧气体供给管12除去。
在电解槽4中如上述那样通过使用纳米水和电气石，氢产生量格外提高。因此，相对于来自电源2的通电量的氢产生量变大，相对于通电量的变化量的氢产生量的变动也同时变大。如果氢产生量的变动变大，则供给到燃料气体内的氢氧气体的比例变动，燃烧效率不稳定。因此，产生通过变换器3控制来自电源2的通电量的必要。通过变换器3将在电解槽4内流动的实际的电流的量保持在规定的量，抑制电解液的温度的上升，谋求稳定的氢氧气体的产生。
变换器3具备电流设定单元3a、电流检测单元3b、电流监视单元3c、电流控制单元3e、温度监视单元3d和电压监视单元3f，控制在电解液中流动的电流。电流设定单元3a与电源2连接，被施加已变换了的输入电压。电流设定单元3a与电解槽4的阳极侧电极板10a、10b和阴极侧电极11a、11b连接。电流设定单元3a向阳极侧电极板10a、10b和阴极侧电极11a、11b流通电流，并且设定为规定的电流值的目标电流。从变换器3向阳极侧电极板10和阴极侧电极11a、11b实际流动的电流的值通过电流检测单元3b检测。检测出的电流通过电流监视单元3c转换为控制数值。另一方面，在电解槽4安装有温度传感器4a，检测电解槽4的温度。通过温度传感器4a检测出的温度，通过温度监视单元3d转换为控制用数值。电压监视单元3f检测电源2的输入到变换器3之前的一次侧电压(从电源2向变换器3输入的电压)，将其转换为控制用数值。
对变换器3的程序，参照图3进行说明。图3是表示本发明的氢氧气体产生装置1的变换器3的流程图的图。首先，通过电流设定单元3a设定电压以使得设定电流为零(S11)。其后，施加阳极侧电极板10a、10b和阴极侧电极11a、11b间的电压，在电解液中开始流通电流。通过电压监视单元3f开始其电压监视。如果从电源2施加于变换器3的电压没有异常则向温度监视(S13)转移，如果电压有异常则对电流控制单元3e发送指令以使得设定为预先设定了的电压异常时的电流(S17)。收到指令的电流控制单元3e对电流设定单元3a发送指令，使得设定为预先设定了的电压异常时的电流。由此，电流设定单元3b设定为电压异常时的电流。
接着，向温度监视(S13)转移。首先，检测温度传感器4a的温度(S13)。通过温度监视(S13)，如果电解槽4的温度到达极限温度，则作为温度异常，向电流控制单元3e发送指令以使得设定为预先设定了的温度异常时的电流(S18)。收到指令的电流控制单元3e对电流设定单元3a发送指令以使得设定为预先设定了的温度异常时的电压。由此，电流设定单元3b设定为温度异常时的电压。在此所谓极限温度，是内部的电解液的蒸发开始的温度，若为水则是水蒸气的产生开始的温度。控制电流以使得不超过极限温度。
如果温度传感器4a检测出的温度未达到极限温度，则向电流监视(S14)转移。设定电压以使得设定电流为零之后(S11)，使电压上升，开始流通电流。在电流监视(S14)中，监视该电流量。如果使阳极侧电极板10a、10b和阴极侧电极11a、11b间的电压上升，则直到电解发生为止电流仅上升一点。随着电解从某个时刻电流急剧地增加。在通过电流检测单元3b实际测定的电流值比目标电流大的情况下，为使电流降低而向电流控制单元3e发送指令以使得降低电压(S15)。相反地，在通过电流检测单元3b实际测定的电流值比目标电流小的情况下，为使电流上升而向电流控制单元3e发送指令以使电压上升(S16)。
收到指令的电流控制单元3e，对电流设定单元3a发送指令以使得根据其指令使电流上升。由此，电流设定单元3a设定为与指令相应的电流。当通过电流检测单元3b实际测定的电流值在目标电流的范围内的情况下，向电流控制单元3a发送指令或者保持其原样的状态，以使得原样地维持设定电流。
在上述的控制步骤中，各步骤以规定的定时时常反复。目标电流根据电解槽4的大小、电解液的量预先确定。例如，在以目标电流为8.0安培进行设定的设定电流为零后(S11)，使电压上升开始流通电流时，电流从开始产生氢氧气体的时刻急剧地上升。与此同时地，电流控制单元3e进行控制使得实际上负载于电解液的电流为一定的目标电流8安培。例如，采取改变输入电压的施加定时进行控制使得电流值变为一定的值，或改变电压值来控制输入电压等的方法。例如，可以通过将施加定时设为脉冲状来改变电压负荷率(duty)。由此，能够进行该电压向纳米水的施加量的控制使得将由电流检测单元3b检测出的电流保持为目标电流。
利用纳米水的情况下的效果如表1所示。表1是比较作为电解液使用纳米水、纯水和市售离子水的情况下的氢氧气体的产生量的表。在作为电解液使用纳米水、纯水和市售离子水时，比较了在通过变换器3改变电压负荷率使得施加于电极的目标电流为8.0伏特时，产生的氢氧气体的量。由此可知，在使用了纳米水的情况下，在电压负荷率最低的情况下产生了最多的氢氧气体。显示了通过使用纳米水，氢氧气体的产生量变得特别多。
表1
此外，在本实施例中，作为阴极，使用了在1.5毫米厚的钛合金板上以0.5毫米厚蒸镀了铱的阴极。表2是与使用了不锈钢电极的情况的例子的比较。由此可知，在钛合金板上蒸镀了铱的情况下氢氧气体的产生量较多。显示了通过使用蒸镀了铱的钛合金电极，氢氧气体的产生量变得特别多。
表2
图7是利用了本发明的氢氧气体产生装置1的内燃机21的说明图。在内燃机20和吸气口16之间连通的燃料气体管19上结合有氢氧气体管12。由氢氧气体产生装置1产生的氢氧气体，经由氢氧气体管12到达燃料气体管19，与燃料气体混合，被吸入到内燃机20中。由此，氢氧气体混合到从吸气口16吸入的燃料气体中，氢氧气体的含有比率提高，燃烧效率提高，并且可以从排气21进行有害气体的除去。并且，通过使燃烧效率上升，能够削减所需的燃料气体，燃油经济性也提高。作为内燃机的例子，可举出从一般轿车到大型汽车、船舶等的发动机、锅炉、焚烧炉等。
将利用本申请的氢氧气体产生装置1产生的氢氧气体在内燃机中使用的性能评价如下。表3是使用了氢氧气体产生装置的内燃机的性能比较例。在作为内燃机搭载了6000cc级发动机的船舶中，在搭载了氢氧气体产生装置1的内燃机和非搭载的内燃机中，比较了燃料(汽油)的消耗量。船舶在岸边停泊，在1500(rpm)的空转状态下进行比较实验。在该实验中，在使用氢氧气体产生装置的情况下，混合了每分1000cc的氢氧气体。从该实验可知，在使用了氢氧气体产生装置1的内燃机中，燃油经济性提高。这意味着燃烧效率上升。
表3
(实施例2)
参照图5、图6、图7，对于作为其他实施例的本发明的氢氧气体产生装置1进行说明。实施例1和实施例2基本相同，但其不同在于将内燃机20的状态纳入变换器3的控制这一点。图5是本发明的实施例2的氢氧气体产生装置1的系统图。图6表示了该情况的变换器的控制流程图。变换器3的内部以外的氢氧气体产生装置1与实施例1是同样的。以下，对于与实施例1不同的部分进行说明，省略与实施例1相同的部分的说明。
如图6所示，内燃机有输出轴，通过旋转传感器检测该输出轴的转速。对于采用旋转传感器的转速的检测考虑了各种的方法，例如，可以是检测交流发电机的转速的方法。
在变换器3中，除了电流设定单元3a、电流检测单元3b、电流监视单元3c、电流控制单元3e、温度监视单元3d和电压监视单元3f以外，还具备进行内燃机动力部的转速的监视的转速监视单元3g。电流设定单元3a、电流检测单元3b、电流监视单元3c、电流控制单元3e、温度监视单元3d和电压监视单元3f的动作与实施例1相同。在图6中的流程图中，S21～S28与S11～S18对应，各动作相同。
在实施例2中转速监视单元3g有内燃机的输出轴，根据该输出轴的转速，变更目标电流。在流程图中，在温度监视(S23)之后，具有根据输出轴的转速，切换、变更目标电流的步骤(S24)。例如，在0～800(rpm)下，将目标电流设定为0.5安培，在800～1500(rpm)下，将目标电流设定为8.0安培，在超过1500(rpm)的情况下，将目标电流设定为8.0安培～20.0安培。应切换的目标电流值的集群，作为与转速相应的规定的目标电流值预先确定。设定为各自的目标电流后向电流监视的步骤(S24、S25、S26)转移。
即，在电流监视(S24)中监视电流量。如果使阳极侧电极板10a、10b和阴极侧电极11a、11b间的电压上升，则电流仅上升一点点直到发生电解为止。随着电解从某个时刻电流急剧地增加。在通过电流检测单元3b实际测定的电流值比目标电流大的情况下，为使电流降低而向电流控制单元3e发送指令以使得降低电压(S25)。相反地，在通过电流检测单元3b实际测定的电流值比目标电流小的情况下，为使电流上升而向电流控制单元3e发送指令以使电压上升(S26)。收到指令的电流控制单元3e，对电流设定单元3a发送指令使得根据其指令使电流上升。由此，电流设定单元3a设定为与指令相应的电流。在通过电流检测单元3b实际测定的电流的值在目标电流的范围内的情况下，向电流控制单元3a发送指令使得原样地维持设定电流，或者保持其原样的状态。在控制步骤中，各步骤以规定的定时时常反复，这点与实施例1相同。目标电流根据电解槽4的大小、电解液的量预先确定。例如，在转速为1000(rpm)的情况下，进行设定使得目标电流为8.0安培(S29)。如果使电压上升开始流通电流，则电流从开始产生氢氧气体的时刻急剧地上升。与此同时，电流控制单元3e进行控制使得实际负荷于电解液的电流变为一定的目标电流8.0安培。控制的方法也与实施例1同样，例如，采取改变输入电压的施加定时进行控制使得电流值变为一定的值，或改变电压值来控制输入电压等的方法。例如，可以通过将施加定时设为脉冲状来改变电压负荷率。
由此，可以产生内燃机的最佳状态的氢气，并且可以防止产生水蒸气的温度上升所使用的浪费的电力的使用。
产业上的利用可能性
本申请发明的氢氧气体产生装置，可以在包含内燃机在内的具有燃烧工艺的装置中广泛应用。特别是由于可在低的电压·电流下产生充分的氢氧气体，因此可以应用于车辆和船舶的内燃机。
本申请基于在2009年9月10日提出的日本国专利申请第2009-231942号要求优先权，援引其内容作为本申请的一部分。
附图标记说明
1氢氧气体产生装置
2电源
3变换器
4电解槽
10阳极侧电极板
11阴极侧电极板

Claims (8)

1.一种氢氧气体产生装置，其特征在于，具备：
电源；
与该电源电连接的变换器；
与该变换器电连接，并在内部具有由该变换器施加电压的阳极和阴极的电解槽；和
对纯水预先施加规定的频率的超声波振动而制造、并贮藏于该电解槽的内部的纳米水，
该变换器具备检测从该变换器向该电解槽的该阳极和该阴极实际流通的电流的值的电流检测单元，进行该电压向该纳米水的施加量的控制以使得将该电流检测单元检测出的电流保持为目标电流。
2.根据权利要求1所述的氢氧气体产生装置，其特征在于，该氢氧气体产生装置与内燃机连接，该变换器根据该内燃机的输出轴的转速，切换成与该转速相应的规定的目标电流值。
3.根据权利要求1或2所述的氢氧气体产生装置，其特征在于，该阳极和该阴极是在表面具有铱或铂层的钛合金。
4.根据权利要求1～3的任一项所述的氢氧气体产生装置，其特征在于，该阳极和该阴极分别为具有长边的边缘和短边的边缘的形状，以短边的边缘成为该纳米水的深度方向的方式浸渍于该电解槽中。
5.根据权利要求1～4的任一项所述的氢氧气体产生装置，其特征在于，该电解槽为树脂制。
6.根据权利要求1～5的任一项所述的氢氧气体产生装置，其特征在于，
该氢氧气体产生装置具备检测该电解槽的温度的温度传感器，
该变换器具备监视该温度传感器检测出的温度的温度监视单元，
如果由该温度传感器检测出的温度达到了产生水蒸气的极限温度，则向该电流控制单元发送指令，使得设定为预先设定的温度异常时的电流，
该电流控制单元向该电流设定单元发送指令而控制该电压，使得变为该温度异常时的电流。
7.根据权利要求1～6的任一项所述的氢氧气体产生装置，其特征在于，该电解槽，在该电解槽的上盖具备收集产生的氢氧气体的集气口，在该上盖的内侧的该集气口附近，以包围该集气口的方式配置多个隔板，在相邻的隔板之间具有间隙。
8.一种内燃机，是吸入燃料气体使其燃烧的内燃机，其特征在于，
在该燃烧前将由权利要求1～7的任一项所述的氢氧气体产生装置产生的氢气和氧气混合到该燃料气体中，进行燃烧。
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