JP2011058020A - ブラウンガス生成装置並びに、ブラウンガスが混合された混合燃料生成供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラウンガスの発生量を安定化させて、ブラウンガスを含有する混合燃料の安定供給装置を提供する。
【解決手段】ブラウンガス生成装置１と、ブラウンガス生成装置１が生成したブラウンガスと臭気ガスとを混合するガス流量調節タンク７０と、ガス流量調節タンク７０からの臭気ガスが混合されたブラウンガスと燃料を混合するガス混合槽９０と、ガス混合槽９０から供給された臭気ガスが混合されたブラウンガスと燃料との混合物をクラスター化又はナノバブル化するＳＰＧシラス多孔質ガラスフィルター１３０とを有する混合燃料生成供給装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラウンガス生成装置並びに、ブラウンガスが混合された混合燃料生成供給装置に関し、より詳しくは水を電気分解することにより水素ガスと酸素ガスの混合ガス（ブラウンガス）を生成するブラウンガス生成装置並びに、前記ブラウンガス生成装置により生成されたブラウンガスと他の燃料ガス、液体燃料などをナノバブル化して混合することにより生成された混合燃料を生成供給する混合燃料生成供給装置に関する。

近年の地球温暖化、石油資源枯渇化に伴い、地球環境保護の機運が高まっている。
従来の石油など化石燃料の無制限の使用は、石油資源枯渇化に拍車をかけ、またそのような燃料の燃焼により二酸化炭素の大量の発生により地球温暖化が急速に進んできたことが懸念されるようになってきた。

そこで、二酸化炭素を発生させず、かつ石油資源に依存しない燃料としてブラウンガスが研究されるようになってきた。しかしながら、ブラウンガス単体で燃焼させることは燃焼温度などの問題から難しく、他の燃料と混合して混合化ブラウンガスとして使用することが検討されている（例えば、特許文献1）。

特開２００５−３２０４１６号公開公報

上記の混合化ブラウンガスを燃料として安定して使用するためには、ブラウンガスの発生量を安定的に供給する必要があったが、分解が進むにつれて水温が変化してブラウンガスの発生量が変化してしまい、安定供給が難しいという問題点があった。

本発明の目的は、ブラウンガスの発生量を安定化させて、ブラウンガスを含有する混合燃料をナノバブル化し、均一混合燃料化して、そのような燃料の安定した供給を可能とすることにある。

上記課題を解決する手段として、本発明は以下の特徴を有する。
本発明の一つの態様は、ブラウンガス生成装置として提案される。このブラウンガス生成装置は、水を収容するとともに、水を分解して水素ガス及び水素ガスからなるブラウンガスを生成する電極を備えた水電解槽と、電極に電流を供給する電源手段（例えば、電源装置２０）と水電解槽内の水の水温を測定する第１の測定手段（例えば、水温センサ１１）と、電極に流れる電流を測定する第２の測定手段（例えば、電流センサ１２）と、水電解槽内で発生したブラウンガスの量を測定する第３の測定手段（例えば、ガス流量センサ１３又は圧力センサ）と、水電解槽内の水を冷却する冷却手段（例えば、冷却装置１５）と、第１、第２、及び第３の測定手段による測定結果を取得し、測定結果に応じて電源手段が電極に供給する電流又は電圧の値及び水温を決定し、決定した値の電流又は電圧出力するように電源手段に命令するとともに、決定した水温となるように冷却手段を駆動させる制御手段（例えばガス生成制御装置３０）とを有することを特徴とする。

本発明の別の態様は、混合燃料生成供給装置として提案される。
この混合燃料生成供給装置は、請求項１に記載のブラウンガス生成装置と、ブラウンガス生成装置が生成したブラウンガスと臭気ガスとを混合する第１の収容手段（例えば、ガス流量調節タンク７０）と、第１の収容手段からの臭気ガスが混合されたブラウンガスと燃料を混合する第２の収容手段（例えば、ガス混合槽９０、混合槽９０）と、第２の収納手段から供給された臭気ガスが混合されたブラウンガスと燃料との混合物をクラスター化又はナノバブル化するフィルタ手段（例えば、ＳＰＧフィルタ１３０、１３０Ａ，１３０Ｂ）とを有することを特徴とする混合燃料生成供給装置。

上記の混合燃料生成供給装置は、第１の収容手段から第２の収容手段へ流入する臭気ガスが混合されたブラウンガスの流量を制御する第１の流量制御手段（例えば、流量制御装置８０）と、第２の収容手段へ流入する燃料の流量を制御する第２の流量制御手段（例えば、流量制御装置１２０）と、第２の収容手段内に設けられ、臭気ガス及び燃料の少なくとも一方の濃度を測定する第３の測定手段（例えば、臭気センサ１００）と、第３の測定手段の測定結果を取得し、この測定結果に応じて第１及び第２の流量制御手段の開閉度を制御する燃料制御手段（例えば、燃料制御装置１７０）とを有するようにしてもよい。

また、上記混合燃料生成供給装置は、ＳＰＧテクノ社製シラス多孔質ガラスフィルタ手段によってクラスター化又はナノバブル化された混合物に空気を混合させる空気混合手段であって、混合物に混合させる空気の量を可変させることが可能な空気混合手段（例えば空気調整弁１４０）と、空気混合手段により空気を混合された混合物内の酸素濃度を測定し、測定した酸素濃度を出力する酸素濃度測定手段（例えば、酸素センサ１５０）とをさらに有し、燃料制御手段は、酸素濃度測定手段から出力された酸素濃度に応じて、空気混合手段に混合する空気の量を指令するという特徴をさらに備えていてもよい。

本発明によれば、ブラウンガスの発生量を安定化させて、ブラウンガスを含有する混合燃料の安定した供給を可能とすることにある。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
図１は、ブラウンガス生成装置、並びに、前記ブラウンガス生成装置を含む混合燃料生成供給装置の概略ブロック図である。

ブラウンガス生成装置１は、水電解槽１０と、水電解槽１０内又はその外周に取り付けられた冷却装置１５と、水電解槽１０内の電解用電極であるガス拡散電極（図略）に電力を供給する電源装置２０と、前記水電解槽１０内の水温を測定し、測定の結果得られた温度データを出力する水温センサ１１と、電源装置２０からガス拡散電極を通る電流を測定し、測定の結果得られた電流値データを出力する電流センサ１２と、水電解槽内で発生したガスの量を測定するガス流量センサ１３と、水電解槽１０内の水量を測定する水量（水位）センサ１４と、水温センサ１１、電流センサ１２、ガス流量センサ１３、水量センサ１４からそれぞれ水温データ、電流値データ、ガス流量データ、水量データを取得し、これらデータに基づいて、水電解槽１０内で生成されるブラウンガスの発生を最大にするよう、電源装置２０がガス拡散電極に供給する電流又は電圧を制御するとともに、水電解槽１０内の水200の水温を冷却装置１５を用いて制御するガス生成制御装置３０とを有している。電源装置２０は本発明の電源手段に相当し、水温センサ１１は本発明の第１の測定手段に相当し、電流センサ１２は本発明の第２の測定手段に相当する。

図２は、ブラウンガス生成装置１の構成例を示す概略ブロック図である。
水電解槽１０は、蒸留水などブラウンガスの原料となる水２００を蓄える。水電解槽１０内には、水２００を電解して水素ガス及び酸素ガスを発生させるガス拡散電極（以下、単に電極という）２０１，２０２が設けられている。電極２０１．２０２は、電源装置２０に接続されており、電源装置２０から電流が流されるようになっている。電流が電極２０１，２０２間を流れることにより、電極２０１，２０２表面より水素ガス、酸素ガスが発生し、水電解槽１０上部に昇る。水電解槽１０の上部には出口開口が設けられており、この開口には水素ガス、酸素ガスの混合ガスであるブラウンガスが排出されるガス導管４００が設けられており、ガス導管４００の他端は、後述するブラウンガス貯留タンク４０（図１参照）に連結されている。水電解槽１０内で発生したブラウンガスはガス導管４００を通過してブラウンガス貯留タンク４０内に流れ込む。

また、水電解槽１０の出口開口近傍には、水電解槽１０からブラウンガス貯留タンク４０に流入するブラウンガスの流量を測定するガス流量センサ１３が設けられている。ガス流量センサは測定したガス流量を示すガス流量データを出力し、出力されたガス流量データはガス生成制御装置３０に伝送される。

水電解槽１０内には、水２００の温度を測定する水温センサ１１が設けられている。水温センサ１１が計測した水温データはガス生成制御装置３０に送信される。また、電源装置２０から電極２０１，２０２に流れる電流を測定できるよう電流センサ１２が設けられる。電流センサ１２が取得した電流値データはガス生成制御装置３０に送信される。

また、水電解槽１０内の水２００を冷却し水温を所望の温度に制御するための冷却装置１５が水電解槽１０内又は近傍に設けられる。冷却装置１５はその駆動をガス生成制御装置３０によって制御されている。

本発明の制御手段に相当するガス生成制御装置３０は、水温データ、電流値データ、ガス流量データ、水量データの少なくともいずれか一つに基づいて、その状態において最もブラウンガス発生に適した水温及び電流値を決定し、決定した電流値が電極２０１間に流れるように電源装置２０に電流値又は電圧値を指令するとともに、水２００が決定した水温となるように冷却装置１５を駆動させる。

電源装置２０は、ガス生成制御装置３０から指令された電流値となるよう出力電流又は出力電圧を可変させる。また、冷却装置１５は、ガス生成制御装置３０からの指令に基づいて駆動し、水２００の冷却をおこなう。

また、ガス生成制御装置３０は、水量センサ１４からの水量データに基づいて水の補給の要否を判断し、水の補給が必要と判定した場合には、別に設けた水補給用タンク(図略)から水電解槽１０への水供給管(図略)を開放し、水電解槽１０内に水を流入させる。

なお、ガス流量センサ１３に代えて圧力センサを使用して、水電解槽１０内で生成されたブラウンガスの圧力を測定し、これを用いてガス生成制御装置３０が水温及び電流値を決定するようにしても本発明は成立する。

図３は、ガス生成制御装置３０の構成例を示した機能ブロック図である。
ガス生成制御装置３０は、例えばコンピュータ、ネットワークステーションなどの情報処理装置によって実現される装置である。この情報処理装置は、演算処理装置（ＣＰＵ）、主メモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、入出力装置（Ｉ／Ｏ）、及び必要な場合にはハードディスク装置等の外部記憶装置を具備している装置である。

ガス生成制御装置３０は、判定処理部３０１と制御命令生成部３０２とを有している。判定処理部３０１は、水温センサ１１からの水温データと、電流センサ１２からの電流値データと、ガス流量センサ１３からのガス流量データと、水量センサ１４からの水量データを取得し、これらデータに基づいてブラウンガスの発生量が最大となるよう、電源装置２０の出力電流値又は出力電圧値、水２００の水温を決定する。判定処理部３０１は、決定した出力電流値又は出力電圧値、水温を制御命令生成部３０２に渡す。制御命令生成部３０２はその電流値の出力電流又は出力電圧を出力する命令を生成し、この命令を電源装置２０に送信し、決定した水温に基づいた駆動命令を冷却装置１５に送信する。

図２に戻り、ブラウンガス生成装置１の説明を続ける。電源装置２０は、ガス生成制御装置３０の制御命令に応じて出力電流及び／又は出力電圧を可変することができ、そのような出力電圧を電極２０１，２０２間に印加して電極間に電流を流す。

図１に戻り、混合燃料生成供給装置の説明を続ける。ブラウンガス生成装置１、より詳しくは水電解槽１０はブラウンガス貯留タンク４０にガス導管４００を介して連通するように繋げられている。水電解槽１０内で生成されたブラウンガスは、ガス導管４００を介してブラウンガス貯留タンク４０に流入する。

ブラウンガス貯留タンク４０は、ガス導管４０１を介してガス乾燥タンク５０に連通するように繋げられている。ガス乾燥タンク５０は、ブラウンガス貯留タンク４０から流れ込んできたブラウンガスから水分を取り除く機能を有する。例えば、タンク内に乾燥ドライヤー、膜式圧縮空気除湿装置を設けることで、ガス乾燥タンク５０を構成する。ガス乾燥タンク５０内に湿度センサ１６を設け、湿度センサ１６が測定した湿度データをガス発生制御装置３０に送信し、ガス発生制御装置３０はこの湿度データに基づいてガス乾燥タンク５０の除湿を制御するようにしてもよい。

ガス乾燥タンク５０はガス導管４０２を介して圧力調整タンク６０に連通するように繋げられている。ガス乾燥タンク５０内で水分分離され、乾燥されたブラウンガスはガス導管４０２を通って圧力調整タンク６０内に流れ込む。

圧力調整タンク６０はガス導管４０３を介してガス流量調整タンク７０に連通するように繋げられている。また、ガス導管４０３の中間には加圧コンプレッサ６５が設けられており、加圧コンプレッサは圧力調整タンク６０からのブラウンガスを加圧し、加圧されたブラウンガスをガス流量調整タンク７０に供給する。

本発明の第１の収容手段に相当するガス流量調整タンク７０は、ガス導管４０４を介してガス混合槽９０に連通するように繋げられている。また、ガス流量調整タンク７０には、臭気ガスを内部に注入するための臭気ガス注入口（図略）が設けられている。注入された臭気ガスは圧力調整タンク６０から流れ込むブラウンガスと混合される。臭気ガスは、ブラウンガスと燃料ガスの混合比を測定するために用いられる。ガス導管４０４の中間には、臭気ガスが混合されたブラウンガスの流量を制御するための流量制御装置８０が設けられる。流量制御装置８０は、例えば、流量制御弁（電磁式開閉弁）などである。流量制御装置８０は、本発明の第１の流量制御手段に相当する。

本発明の第２の収容手段に相当するガス混合槽９０には、ガス導管４０５を介して燃料ガスタンク１１０と連通するように繋がれている。ガス導管４０５の中間には第２のガス流量制御装置１２０が設けられている。第２の流量制御装置１２０は、例えば、流量制御弁（電磁式開閉弁）などである。流量制御装置１２０は、本発明の第２の流量制御手段に相当する。

燃料ガスタンク１１０内には燃料ガス（例えば、ＬＰガス）が充てんされており、ガス流量制御装置１２０が開状態にされると、ガス導管４０５を介して燃料ガスがガス混合槽９０に流入する。ガス混合槽９０内には、臭気センサ１００が設けられている（図１中では、表示上の都合で、ガス混合槽９０の外に臭気センサ１００を図示した）。臭気センサ１００は、ガス流量調整タンク７０においてブラウンガスに混合された臭気ガス、および燃料ガスのそれぞれの臭気を検出することができるセンサである。

本発明の第２の収容手段に相当するガス混合槽９０は、温度管理槽９１内に収容されている。温度管理槽９１内には、水などの液体または気体（以下、冷却媒体）が充てんされており、この冷却媒体の温度をコントロールするための冷却装置９３が温度管理槽９１に設けられている。温度管理槽９１内にはまた、充てんされている冷却媒体の温度を測定し、測定の結果得られた温度データを出力する温度センサ９２が設けられ、温度データを後述する燃料制御装置１７０に出力する。冷却装置９３は、後述する燃料制御装置１７０の制御命令に従って冷却媒体を指定された温度となるように冷却する。

ガス混合槽９０の出口にはガス導管４０６が接続されており、このガス導管４０６の他端にはＳＰＧ（シラス多孔質ガラス）フィルタ１３０の入口が接続されている。本発明のフィルタ手段に相当するＳＰＧフィルタ１３０は、細孔を有するＳＰＧ膜が筒状の本体内に封入された装置であって、内部を通過する液体または気体をクラスター化又はナノバブル化する機能を有する。

ＳＰＧフィルタ１３０は、温度管理槽１３１内に収容されている。温度管理槽１３１内には、水などの液体または気体（以下、冷却媒体）が充てんされており、この冷却媒体の温度をコントロールするための冷却装置１３３が温度管理槽１３１に設けられている。温度管理槽１３１内にはまた、充てんされている冷却媒体の温度を測定し、測定の結果得られた温度データを出力する温度センサ１３２が設けられており、温度データを燃料制御装置１７０に出力する。冷却装置１３３は、後述する燃料制御装置１７０の制御命令に従って冷却媒体を指定された温度となるように冷却する。

ＳＰＧフィルタ１３０の出口側開口は、ガス導管４０７に接続されている。ＳＰＧフィルタ１３０を通過するとブラウンガスはクラスター化又はナノバブル化され、クラスター化又はナノバブル化された状態で燃料ガス内に存在するようになる。このクラスター化又はナノバブル化されたブラウンガスを含む燃料ガスを混合化ブラウンガスと呼ぶものとする。ガス導管４０７の中間には空気を混合化ブラウンガスと混合させるための空気調整弁１４０が設けられている。空気調整弁１４０の開閉度は電磁的に制御可能となっている。空気調整弁１４０は本発明の空気混合手段に相当する。

ガス導管４０７にはさらに酸素センサ１５０が設けられており、ガス導管４０７の内部を通過する混合化ブラウンガス中の酸素濃度を検出し、検出した酸素濃度データを出力して、燃料制御装置１７０に送信する。酸素センサ１５０は本発明の最適燃焼測定手段に相当する。

ガス導管４０７の出口側端には、ガス燃焼装置１６０が接続されている。本発明の燃料制御手段に相当するガス燃焼装置１６０は、空気を混合された混合化ブラウンガスを燃焼させることにより、何らかの機能を果たす装置であって、たとえば、重油・ＬＰＧ・ＬＮＧ軽油等である、化石燃料全般に、混合化ブラウンガスを燃料として使用することにより、燃料ガスの消費量を単体で燃焼させる場合に比べて削減することが可能となるとともに、ブラウンガスの燃焼についてはＣＯ_２の発生を伴わないため、ＣＯ_２発生量の促成にも貢献することができる。

前記臭気センサ１００及び酸素センサ１５０は燃料制御装置１７０に接続されており、それそれの濃度データが燃料制御装置１７０に送信される。また、燃料制御装置１７０は流量制御装置８０、１２０及び空気調整弁１４０に接続されており、それぞれの開閉度を制御する。これにより、燃料制御装置１７０はブラウンガスと燃料ガスの混合比、及び空気と混合化ブラウンガスの混合比を制御する機能を有する。

また、燃料制御装置１７０は、温度センサ９２、１３２により温度管理槽９１、１３１内の温度を監視し、ガス混合槽９０、ＳＰＧフィルタ１３０の温度がガスの混合やクラスター化、ナノバブル化を妨げるほど上昇しないように、これら周囲の冷却媒体の温度を冷却装置９３、１３３に冷却させてブラウンガスのクラスター化又はナノバブル化を最適化するように制御する。

燃料制御装置１７０は、例えばコンピュータ、ワークステーションなどの情報処理装置によって実現される装置である。この情報処理装置は、演算処理装置（ＣＰＵ）、主メモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、入出力装置（Ｉ／Ｏ）、及び必要な場合にはハードディスク装置等の外部記憶装置を具備している装置である。
燃料制御装置１７０は、酸素センサーから出力されるＣＯ発生をチェックすることにより最適燃焼状態を管理制御する。

[別の実施の形態]
次に、本発明の別の実施の形態について説明する。先に述べた実施の形態はブラウンガスと燃料ガスを混合して混合化ブラウンガスを生成する技術であったが、本実施の形態は、燃料ガスの代わりに灯油、重油、軽油などの液体燃料とブラウンガスを混合する技術である。

図４に、液体燃料とブラウンガスを混合する混合燃料生成供給装置の部分ブロック図を掲げる。本実施の形態にかかる混合燃料生成供給装置は、図１に示した混合燃料生成供給装置と基本的に同様の構成をとるが、一部変更されている。変更部分に関するブロック図を図４に示す。図４に示していない部分については、図１に示す構成と共通である。

本実施形態において、ガス混合槽９０に代わり混合槽９０Ａが設けられる。また、燃料ガスタンク１１０に代わって燃料タンク１１０Ａが設けられる。燃料タンク１１０Ａ内には、液体燃料（重油、軽油、灯油など）が収容されている。燃料タンク１１０Ａ内の液体燃料は燃料導管４０５Ａを通って混合槽９０Ａに流入する。

先の実施の形態では、ＳＰＧフィルタが一つであったが、本実施の形態では２台のＳＰＧフィルタが用いられる点で異なっている。混合槽９０Ａの出口に一端が繋げられた燃料導管４０６Ａの他端には、第１のＳＰＧフィルタ１３０Ａの入口が繋がれている。第１のＳＰＧフィルター１３０Ａの出口は第２のＳＰＧフィルター１３０Ｂの入口に繋がれており、第２のＳＰＧフィルター１３０Ｂの出口は燃焼装置（ディーゼルエンジンなど）へブラウンガスを含む液体燃料を供給する燃料導管４０７Ａの一端に接続されている。

第１のＳＰＧフィルタ１３０Ａによりブラウンガスのクラスター(ナノバブル）の粒径を約２０μメートルとし、第２のＳＰＧフィルタ１３０Ｂによりブラウンガスのクラスター(ナノバブル）の粒径を約０．５μメートルとし、燃焼装置においてより燃焼し易くしている。
その他本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更改良修正することも本発明の範囲である。

ブラウンガス生成装置、並びに、前記ブラウンガス生成装置を含む混合燃料生成供給装置の概略ブロック図 ブラウンガス生成装置の構成例を示す概略ブロック図 ガス生成制御装置の構成例を示した機能ブロック図 液体燃料とブラウンガスを混合する混合燃料生成供給装置の部分ブロック図

１…ブラウンガス生成装置； １０…水電解槽； １１…水温センサ； １２…電流センサ； １３…ガス流量センサ； １４…水量センサ； ２０…電源装置； ３０…ガス生成制御装置；

Claims (4)

1. 水を収容するとともに、水を分解して水素ガス及び水素ガスからなるブラウンガスを生成する電極を備えた水電解槽と、
   前記電極に電流を供給する電源手段と、
   前記水電解槽内の水の水温を測定する第１の測定手段と、
   前記電極に加えられる電流又は電圧を測定する第２の測定手段と、
   前記水電解槽内で発生したブラウンガスの量を測定する第３の測定手段と、
   前記水電解槽内の水を冷却する冷却手段と、
   前記第１、第２及び第３の測定手段による測定結果を取得し、測定結果に応じて前記電源手段が前記電極に供給する電流又は電圧の値及び水温を決定し、決定した値の電流又は電圧を出力するように前記電源手段に命令するともに、前記決定した水温となるように前記冷却手段を駆動させる制御手段と、ガス発生効率を最適状態に管理制御するコントロール機能を有することを特徴とするブラウンガス生成装置。
2. 前記請求項１に記載のブラウンガス生成装置と、
   前記ブラウンガス生成装置が生成したブラウンガスと臭気ガスとを混合する第１の収容手段と、前記第１の収容手段からの臭気ガスが混合されたブラウンガスと燃料を混合する第２の収容手段と、前記第２の収納手段から供給された臭気ガスが混合されたブラウンガスと燃料との混合物をクラスター化又はナノバブル化するフィルタ手段とを有することを特徴とする混合燃料生成供給装置。
3. 前記第１の収容手段から第２の収容手段へ流入する臭気ガスが混合されたブラウンガスの流量を制御する第１の流量制御手段と、前記第２の収容手段へ流入する燃料の流量を制御する第２の流量制御手段と、前記第２の収容手段内に設けられ、前記臭気ガス及び燃料の少なくとも一方の濃度を測定する第３の測定手段と、前記第３の測定手段の測定結果を取得し、この測定結果に応じて前記第１及び第２の流量制御手段の開閉度を制御する燃料制御手段とを有することを特徴とする、請求項２に記載の混合燃料生成供給装置。
4. 前記フィルタ手段によってクラスター化又はナノバブル化された混合物に空気を混合させる空気混合手段であって、混合物に混合させる空気の量を可変させることが可能な空気混合手段と、
   前記空気混合手段により空気を混合された混合物内の酸素濃度を測定し、測定した酸素濃度を出力する酸素濃度測定手段と
   をさらに有し、
   前記燃料制御手段は、前記酸素濃度測定手段から出力された酸素濃度に応じて、前記空気混合手段に混合する空気の量を指令する
   ことを特徴とする請求項３に記載の混合燃料生成供給装置。
   

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