JP2009275282A - Electrolysis apparatus, electrolytic solution therefor, and combustion promoting system for internal combustion engine utilizing electrolysis apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は電解装置及び内燃機関用燃焼促進システムに関し、とくに、高効率の電解装置、その電解液及びこれを利用した内燃機関用燃焼促進システムに関する。 The present invention relates to an electrolysis apparatus and a combustion promotion system for an internal combustion engine, and more particularly to a highly efficient electrolysis apparatus, an electrolytic solution thereof, and a combustion promotion system for an internal combustion engine using the same.
近年、温暖化対策の有効な手段として、電解装置により生成された水素ガスを新エネルギーとして有効活用することが注目されている。一般に、電解装置は電解槽内に配置されたいずれも平板状若しくは円筒状の陽極と陰極とを組み合わせた電極構造が採用されているが、これら電極ではガスの発生量が少ない。そこで、その欠点を補うものとして、米国特許5,997,283号、米国特許第6,630,061号及び米国特許第6,866,756号には電解槽内に多数の平板電極を並列配置した電解装置が提案されている(特許文献1〜3)。これら電解装置では多数の平板電極を所定の間隔で配置するために、必然的に装置が大型化するのみでなく、製造コストが上昇する。又、陰極も平板電極で構成されているため、陰極の有効電極表面積が小さく、効率的に水素を発生させることが困難である。しかも、蒸留水や純水以外の電解水を利用して電解を行った場合には、水中のカルシウムイオン、マグネシウムイオンなどの陽イオンが陰極表面に析出し、炭酸イオン、シリカ等は陽極側に集まる。このため、運転時間の経過と共に、これら成分の絶縁被膜が電極表面に析出して電解装置の水素発生効率が著しく劣化していた。そのため、電解装置を運転して短期間毎に、電解装置を分解して、電極表面を薬品などを使って洗浄しなければならず、これらの作業が繁雑となるだけでなく環境汚染の原因ともなり、運転コストも極めて上昇していた。 In recent years, attention has been focused on effectively utilizing hydrogen gas generated by an electrolyzer as new energy as an effective means for preventing global warming. In general, an electrolysis apparatus employs an electrode structure in which a flat plate or a cylindrical anode and cathode are arranged in any electrolytic cell, but these electrodes generate a small amount of gas. In order to compensate for this drawback, US Pat. No. 5,997,283, US Pat. No. 6,630,061 and US Pat. No. 6,866,756 have a large number of plate electrodes arranged in parallel in the electrolytic cell. An electrolysis apparatus has been proposed (Patent Documents 1 to 3). In these electrolyzers, a large number of plate electrodes are arranged at predetermined intervals, which inevitably increases not only the size of the device but also the manufacturing cost. Further, since the cathode is also composed of a plate electrode, the effective electrode surface area of the cathode is small, and it is difficult to efficiently generate hydrogen. Moreover, when electrolysis is performed using electrolyzed water other than distilled water or pure water, cations such as calcium ions and magnesium ions in the water are deposited on the cathode surface, and carbonate ions, silica, etc. are on the anode side. get together. For this reason, with the lapse of the operation time, the insulating coating of these components was deposited on the electrode surface, and the hydrogen generation efficiency of the electrolysis apparatus was significantly deteriorated. Therefore, it is necessary to disassemble the electrolyzer every time after operating the electrolyzer and clean the electrode surface with chemicals etc., which not only makes these operations complicated but also causes environmental pollution. As a result, the operating cost was extremely high.
一方、車両用内燃機関において、基準燃料に対して電解装置で生成させた酸素水素の混合ガスを補助燃料として内燃機関の吸気系に供給することにより、排ガス中の有害成分である一酸化炭素(CO)や炭化水素(HC)を90%以上、削減可能となり、また、その場合は、基準燃料のみの供給時よりも内燃機関の出力トルクや出力馬力を大幅に改善して、燃費を飛躍的に改善するようにした内燃機関用補助燃料供給システムが開示されている(特許文献4及び5)。 On the other hand, in a vehicle internal combustion engine, carbon monoxide (which is a harmful component in exhaust gas) is supplied to an intake system of an internal combustion engine by supplying a mixed gas of oxygen and hydrogen generated by an electrolysis device with respect to a reference fuel as an auxiliary fuel. CO) and hydrocarbons (HC) can be reduced by 90% or more. In that case, the output torque and output horsepower of the internal combustion engine are greatly improved compared to the case of supplying only the reference fuel, and the fuel efficiency is dramatically improved. An auxiliary fuel supply system for an internal combustion engine that has been improved is disclosed (Patent Documents 4 and 5).
しかしながら、これら内燃機関用補助燃料供給システムでは、いずれも複数の複数の円筒状電極を同心的に配置された構造が採用されている。この構造において、電極の有効表面積が小さいため、水素の発生効率が低かった。また、一般の飲料水を利用して電解を行った場合には、装置の運転中に、短時間で電極表面に絶縁被膜が形成されて水素生成効率が著しく劣化していた。そのため、長時間運転可能で、高い水素発生功率の内燃機関用燃焼促進システムの実用化が困難であった。 However, these auxiliary fuel supply systems for internal combustion engines all employ a structure in which a plurality of cylindrical electrodes are arranged concentrically. In this structure, since the effective surface area of the electrode was small, the hydrogen generation efficiency was low. In addition, when electrolysis was performed using general drinking water, an insulating film was formed on the electrode surface in a short time during the operation of the apparatus, and the hydrogen generation efficiency was significantly deteriorated. Therefore, it has been difficult to put into practical use a combustion acceleration system for internal combustion engines that can be operated for a long time and has a high hydrogen generation efficiency.
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、長時間連続運転しても、電解性能の劣化が少なく、高効率で水素酸素の混合ガスを発生させることが可能な電解装置、その電解液及びこれらを利用した内燃機関用燃焼促進システムを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and is an electrolysis apparatus capable of generating a mixed gas of hydrogen oxygen with high efficiency even when continuously operated for a long time with little deterioration in electrolysis performance, It is an object of the present invention to provide an electrolyte solution and a combustion acceleration system for an internal combustion engine using the electrolyte solution.
第1発明では、電解装置が、陽極及び陰極を有する電解槽を備え、陰極が多数の導電性ワイヤからなるブラシ状電極体を備え、該導電性ワイヤの先端部を前記陽極の表面に所定間隔を置いて対向配置し、電解液の存在下で前記陽極と前記陰極との間で電解作用を行わせる時に前記多数の導電性ワイヤの先端部及び導電性ワイヤの外周部を電極表面として機能させることを特徴とする(請求項1)。 In the first invention, the electrolysis apparatus includes an electrolytic cell having an anode and a cathode, the cathode includes a brush-like electrode body made of a large number of conductive wires, and the tips of the conductive wires are arranged at a predetermined interval on the surface of the anode. When the electrolysis is performed between the anode and the cathode in the presence of an electrolytic solution, the tip portions of the multiple conductive wires and the outer peripheral portions of the conductive wires function as electrode surfaces. (Claim 1).
上述の構成では、陰極が数千本乃至は数万本の導電性ワイヤからなり、これらの先端部が陽極表面に対向する。この場合、各導電性ワイヤでは、陽極に対向した導電性ワイヤの先端だけでなく、導電性ワイヤの外周部全体も有効な電極表面として機能する。このように、数千本乃至は数万本の導電性ワイヤの先端部及びワイヤの外周部を含む全表面が水素発生面として機能するため、水素ガスの発生効率を飛躍的に高めることが可能となる。 In the above-described configuration, the cathode is composed of thousands or tens of thousands of conductive wires, and the tip portions thereof face the anode surface. In this case, in each conductive wire, not only the tip of the conductive wire facing the anode but also the entire outer peripheral portion of the conductive wire functions as an effective electrode surface. In this way, the entire surface including the tip of thousands or tens of thousands of conductive wires and the outer periphery of the wire functions as a hydrogen generating surface, so that the generation efficiency of hydrogen gas can be dramatically increased. It becomes.
第2発明では、電解装置用電解液が、陽極及と多数の導電性ワイヤを備えたブラシ状電極体を有する陰極とを備えた電解装置の電解液であって、前記電解液が、ヒドロキシ酢酸及びクエン酸を含有する電解水からなることを特徴とする(請求項3)。ヒドロキシ酢酸及びクエン酸の配合比率はとくに限定するものではないが、重量比で1:1の割合で含有されていることが好ましい。なお、電解水に対して、ヒドロキシ酢酸及びクエン酸は、0.1〜35重量%の範囲、好ましくは、0.3〜20重量%の範囲で含有されているのが良い。電解水に対して、ヒドロキシ酢酸及びクエン酸を配合すると、電解装置の長時間の運転にも拘わらず、上述の導電性ワイヤがクリーンな状態に保持されて連続的に高効率の混合ガスの発生が可能となる。 In the second invention, the electrolytic solution for an electrolytic device is an electrolytic solution of an electrolytic device comprising an anode and a cathode having a brush-like electrode body provided with a number of conductive wires, wherein the electrolytic solution is hydroxyacetic acid And electrolyzed water containing citric acid (claim 3). The blending ratio of hydroxyacetic acid and citric acid is not particularly limited, but it is preferably contained at a weight ratio of 1: 1. In addition, it is good to contain hydroxyacetic acid and a citric acid in the range of 0.1-35 weight% with respect to electrolyzed water, Preferably, it is 0.3-20 weight%. When hydroxyacetic acid and citric acid are added to the electrolyzed water, the above-mentioned conductive wire is kept clean regardless of the long-time operation of the electrolyzer, and continuously generates highly efficient mixed gas. Is possible.
第3発明では、内燃機関用燃焼促進システムが内燃機関に水素酸素ガスを補助燃料として供給することによりエンジン効率を上昇させると共に排ガスの有害成分を低減する内燃機関用燃焼促進システムであって、陽極と、該陽極に対向位置されている陰極とを有する電解槽を備えた電解装置と、前記陽極と前記陰極との間に電解用の電力を供給する電源と、前記電解槽で生じた発生ガスを前記内燃機関に導入するための流路手段とを備え、前記陰極が多数の導電性ワイヤを有するブラシ電極体を備え、電解液の存在下で電解作用を行わせる時に前記導電性ワイヤの先端部及び導電性ワイヤの外周部を電極表面として機能させることを特徴とする(請求項4)。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a combustion acceleration system for an internal combustion engine that increases engine efficiency by supplying hydrogen oxygen gas as an auxiliary fuel to the internal combustion engine and reduces harmful components of exhaust gas. An electrolyzer having an electrolyzer having a cathode opposed to the anode, a power source for supplying electrolysis power between the anode and the cathode, and a generated gas generated in the electrolyzer And a flow path means for introducing the gas into the internal combustion engine, the cathode includes a brush electrode body having a number of conductive wires, and the tip of the conductive wire is used when performing electrolysis in the presence of an electrolytic solution. And the outer peripheral part of the conductive wire function as the electrode surface (claim 4).
上記構成において、前記陰極は数千本乃至は数万本の導電性ワイヤを備えたブラシ状電極体からなり、陰極の有効表面が飛躍的に拡大する。この陰極を陽極に対向させることで、高濃度水素酸素の混合ガスを発生させて、これらを内燃機関の燃焼室に導入することができる。この場合、高濃度水素酸素の混合ガスによって基準燃料の燃焼が促進されると共に未着火の基準燃料の気化を促進できるため、基準燃料の完全燃焼を促進する。このとき、基準燃料の完全燃焼によって、内燃機関の1ストローク当たりの仕事量が増大し、出力トルクや出力馬力を大幅に増加させることができ、内燃機関の燃費を飛躍的に改善できる効果がある。さらに、基準燃料はリーン状態にて完全燃焼されるので、排ガス中の一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)、窒素酸化物(NOx)等の有害成分や温暖化ガス(CO2)の発生も大幅に削減可能となる。特に、ディーゼルエンジンに本発明が採用された場合は、浮遊微粒子(SPM)も大幅に削減される。In the above configuration, the cathode is composed of a brush-like electrode body provided with thousands or tens of thousands of conductive wires, and the effective surface of the cathode is dramatically expanded. By making this cathode face the anode, a mixed gas of high-concentration hydrogen oxygen can be generated and introduced into the combustion chamber of the internal combustion engine. In this case, the combustion of the reference fuel is promoted by the mixed gas of high-concentration hydrogen oxygen and the vaporization of the unignited reference fuel can be promoted, so that the complete combustion of the reference fuel is promoted. At this time, due to the complete combustion of the reference fuel, the work amount per stroke of the internal combustion engine increases, the output torque and the output horsepower can be greatly increased, and the fuel efficiency of the internal combustion engine can be drastically improved. . Furthermore, since the reference fuel is completely burned in a lean state, harmful components such as carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC), nitrogen oxides (NOx) and warming gas (CO 2 ) in the exhaust gas. Occurrence can be greatly reduced. In particular, when the present invention is applied to a diesel engine, suspended particulate (SPM) is also greatly reduced.
以下、本発明を具体化した一実施形態の電解装置について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, an electrolyzer according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1において、電解装置10は円筒状の電解槽12と、電解槽12の上部に接着剤その他の適当な手段で固定された上蓋14と、電解槽12内に収納された電極ユニット16とを備える。電極ユニット16は電解槽12内に配置された上部支持部材18と、下部支持部材20と、上部支持部材18と下部支持部材20との間で保持された円筒状陽極22と、円筒状陽極22の内周面に対向するように上部支持部材18と下部支持部材20との間で支持された陰極24とを備える。 In FIG. 1, an
上蓋14は電解液導入口26と、電解液導入口26にシール30を介して着脱可能に装着されたキャップ28と、陰極端子挿入口32と、陽極22に接続された陽極端子部31が挿入された陽極端子挿入口33と、混合ガスアウトレット34と、リード線挿入口36とを備える。上部支持部材18は電解液導入口26と連通する案内口38と、陰極ガイド口40と、混合ガスアウトレット34に連通するガス案内口42と、振動体案内口44とを備える。下部支持部材20は円筒状陽極22の内部と外部にそれぞれ連通していて円筒状陽極22の内部の電解液に超音波振動を伝達可能にするように周方向に所定間隔で形成された振動伝達開口部46,48を備える。上部支持部材18の振動体案内口44には超音波振動装置50の振動体52が装着されており、超音波振動装置50のリード線52は外部回路(図示せず)に接続されている。 The
陰極24は上部支持部材18と下部支持部材20との間で支持されたステンレスワイヤ、炭素繊維その他の導電性ワイヤから形成されていて、上蓋14の上部に延びる陰極端子部60aを有する陰極本体60と、陰極本体60に固定されたホルダー部62と、ホルダー部62の外周に装着された多数の導電性ワイヤ64とからなるロール状ブラシ電極体から構成される。導電性ワイヤ64は直径0.04〜3.6mmのステンレス線を所定長さに切断して、ホルダー部62により固定支持されてブラシ状のロール状電極体として形成される。このロール状電極体からなる陰極24を陽極22の内周面から例えば、0.2〜5mmの間隔を置いて配置される。両電極の間隔は上部支持部材18と下部支持部材20とによって保持される。 The
電解槽12の内部に供給される電解液は、ヒドロキシ酢酸及びクエン酸を含有する電解水からなる。ヒドロキシ酢酸及びクエン酸は重量比で1:1の割合で含有されていることが好ましい。なお、電解水に対して、ヒドロキシ酢酸及びクエン酸は、0.1〜35重量%の範囲、好ましくは、0.3〜20重量%の範囲で含有されているのが良い。電解水に対してヒドロキシ酢酸及びクエン酸を配合すると陰極24の導電性ワイヤ64及び陽極22の電極表面が常にクリーンな状態に維持されながら連続的な電解が可能となる。 The electrolytic solution supplied to the inside of the
上記構成において、電解液導入口26から電解液を電解槽12の内部の上部支持部材18の下部近辺まで充填し、両電極22,24間に直流電力を供給しながら、リード線52を介して外部回路から超音波振動装置50に電力を供給する。このとき、多数の導電性ワイヤ64の先端部並びに外周部の電極表面から水素ガスが発生する。一方、陽極22の内周面から酸素ガスが発生する。電解槽12の電解液内では振動体52が超音波振動しているため、この超音波振動は下部支持部材20の振動伝達開口部48,46を介して陽極22内部の電解液に伝達される。このため、陽極22内部の電解液の超音波振動により陽極22の内周面に付着した酸素ガスの気泡及び多数の導電性ワイヤ64の先端部並びに外周部の電極表面に付着した水素ガスの気泡が迅速に分離される。斯くして、これら電極表面には常に電解液が存在して効率的に電解作用が促進される。 In the above configuration, the electrolytic solution is filled from the electrolytic
次に、本発明の電解装置を組込んだ内燃機関用燃焼促進システム100について図2を参照しながら説明する。本発明の適用対象の内燃機関110はガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、エタノールエンジン、ガソリン・エタノール混合エンジン、軽油・エタノール混合エンジン、プロパンガス(LPG)エンジン又は天然ガスエンジンなどである。内燃機関110はエアーフイルタ112と、吸気管114と、複数の燃焼室に連結されたインテークマニフォルド116と、オルタネータ(図示せず)の発電電力を充電して電解用電源として機能するバッテリ118と、前述の電解装置10とを備える。電解装置10の正極31及び負極60aはバッテリ118の正極と負極とにそれぞれ接続され、キースイッチ102が投入されたときに電解用の電力が供給される。電解装置10の混合ガスアウトレット34は補助燃料供給路120を介して吸気管114に接続され、電解装置10の混合ガス流れMGは吸入空気Aと混合されて内燃機関110の燃焼室(図示せず)に供給される。内燃機関110の燃焼室に供給された補助燃料としての酸素水素ガスは基準燃料が着火したときに基準燃料の火炎伝搬速度を飛躍的に高める。このとき、燃焼室に供給された霧状の燃料は水素の高速燃焼に伴って迅速に燃焼室で気化する。従って、基準燃料は短期間に完全燃焼し、排気ガス中のCO2、HC,CO等の有害成分も大幅に低減される。NOxの生成量は一般に、燃焼時の高温温度とその高温温度の継続時間によって定まる関数(以下、NOx生成関数と称する)に依存する。この点に関して、補助燃料による水素リッチ状態で基準燃料を燃焼させると、燃焼室内に於ける水素の高速火炎伝搬により1動力工程当たりの基準燃料の燃焼時間が著しく短縮される。従って、NOx生成関数が小さくなり、NOxが飛躍的に削減される。また、補助燃料と基準燃料との組み合わせで、内燃機関の出力トルクや出力馬力が増大するため、燃費が飛躍的に改善される。Next, a
以上、本発明の電解装置は円筒状陽極とロール状のブラシ陰極からなるものとして示したが、陽極を平面状構造体に形成する一方、陰極を平面状構造体に構成して、これら両電極を所定の間隔となるように配置しても良い。なお、純水若しくは蒸留水からなる電解液を利用する場合は、陽極と陰極との間にイオン交換膜を配置しても良い。 As mentioned above, the electrolysis apparatus of the present invention has been shown as comprising a cylindrical anode and a roll-shaped brush cathode. However, the anode is formed in a planar structure, while the cathode is constructed in a planar structure, May be arranged at predetermined intervals. In the case where an electrolytic solution made of pure water or distilled water is used, an ion exchange membrane may be disposed between the anode and the cathode.
10 電解装置
12 電解槽
18 上部支持部材
20 下部支持部材
22 陽極
24 陰極
26 電解液導入口
34 混合ガスアウトレット
52 超音波振動装置
60 陰極本体
64 導電性ワイヤ
110 内燃機関
114 吸気管
116 インテークマニフォルド
118 バッテリ
120 補助燃料供給路DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記電解液が、ヒドロキシ酢酸及びクエン酸を含有する電解水からなることを特徴とする電解装置用電解液。An electrolytic solution of an electrolysis device comprising an anode and a cathode having a brush-like electrode body provided with a number of conductive wires,
An electrolytic solution for an electrolysis apparatus, wherein the electrolytic solution comprises electrolytic water containing hydroxyacetic acid and citric acid.
陽極と、該陽極に対向位置されている陰極とを有する電解槽を備えた電解装置と、
前記陽極と前記陰極との間に電解用の電力を供給する電源と、
前記電解槽で生じた発生ガスを前記内燃機関に導入するための流路手段とを
備え、
前記陰極が多数の導電性ワイヤを有するブラシ電極体を備え、電解液の存在下で電解作用を行わせる時に前記多数の導電性ワイヤの先端部及び導電性ワイヤの外周部を電極表面として機能させることを特徴とする内燃機関用燃焼促進システム。A combustion acceleration system for an internal combustion engine that increases engine efficiency by supplying hydrogen oxygen gas as an auxiliary fuel to the internal combustion engine and reduces harmful components of exhaust gas,
An electrolysis apparatus comprising an electrolytic cell having an anode and a cathode positioned opposite the anode;
A power source for supplying power for electrolysis between the anode and the cathode;
Flow path means for introducing the generated gas generated in the electrolytic cell into the internal combustion engine,
The cathode includes a brush electrode body having a large number of conductive wires, and when the electrolytic action is performed in the presence of an electrolytic solution, the tip portions of the large number of conductive wires and the outer peripheral portions of the conductive wires function as electrode surfaces. A combustion acceleration system for an internal combustion engine.
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