JP2014529676A - 燃料生成器 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、燃焼装置と共に使用するための燃料生成器に関する。【解決手段】本機器は、前記燃焼装置を用いて燃焼させるための燃焼ガスを発生させる燃料電池（１２）と、前記燃料電池用の電源手段であって、燃焼装置と連結した廃エネルギー源（２）からのエネルギーを電気エネルギーに変換して前記燃料電池に給電するための手段を備える、電源手段（６）とを備える。【選択図】図１
Description
本発明は、燃料を生成するための機器に関し、さらに詳細には、水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）を生成するための機器に関する。
この点で、水素（Ｈ２）およびブラウンガス（ＨＨＯ）は、自動車産業においてエネルギー源としてますます使用されている。これは、両ガスが環境に有益であると実証されていることが一因であり、さらには両ガスの発生率が向上していることが原因である。
このようなガスをエンジン用の代替燃料として使用するという概念は、比較的最近のものである。この点で、水素（Ｈ２）の自己着火温度は８５８Ｋであり、したがって、水素をスパークプラグまたはグロープラグなしで内燃機関で直接使用することはできない。これにより水素（Ｈ２）は、圧縮点火エンジン用の唯一の燃料としては不適切になっている。しかしながら、水素（Ｈ２）は点火エネルギーが小さく燃焼範囲が広いため、水素エンジンは、エンジンの経済性および排出性能を高めるのに有用なリーン条件で稼働させるのには適している。窒素酸化物を除くすべての規制汚染物質の排出は、炭素を含まない燃料を使用することによって簡単に削減することができる。この炭素を含まない燃料を大規模な工場で生成する方が、燃料源を内燃機関で機械的動力に直接変換するよりも効率的で、それによってＣＯの生成が減るのであれば、代替燃料源が何であろうとこれは事実である。その分子組成といくつかの特殊な特性（層流火炎速度が速い、燃焼範囲が広いなど）とを兼ね備えていることから、水素（Ｈ２）が内燃機関にとって魅力的な燃料であることがわかる。さらに、従来の化石燃料と比較して、水素（Ｈ２）は、燃焼してもＨＣ、ＣＯおよびＣＯ２のような排出物が発生しない炭素のない燃料である。
しかしながら、水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）を車両に使用する場合、このようなガスを車両内で局所的に貯蔵するか、車両自体で発生させる必要がある。
このようなガスを十分な量で車両内に貯蔵することは、安全面、かつ貯蔵スペースおよび貯蔵機器を追加するという面で、多くの問題を伴う。車両内で発生させる場合、燃料電池など、何らかの発生器の形態、および発生用の動力源が必要になる。これに関して、現在の水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）の発生器は、燃料電池に必要な動力を供給してガスを発生させるために、車両のオルタネータを使用することが多い。しかしながら、システム全体の効率を評価する場合、燃料電池に対してこのように動力を使用してガスを発生させるというのは、エンジンに余分な負荷がかかるため、採用されないことが多い。
このほか、このような発生器を研究所でテストする場合、その生成器には補助のバッテリシステムを使用するのが一般的である。そのため、研究者は、水素（Ｈ２）およびブラウンガス（ＨＨＯ）などのガスを追加で使用することで燃料を大幅に節約できると報告するが、現実は、余分な負荷があるか、あるいは余分な動力が必要になるものの、これについては考慮されていないことが多いという点で、さらに複雑である。
この点において、本発明によれば、燃焼装置と共に使用する燃料生成器であって、前記燃焼装置によって燃焼用の燃焼ガスを発生させるための燃料電池と；前記燃料電池用の電源手段であって、燃焼装置に連結した廃エネルギー源からのエネルギーを、前記燃料電池に給電するための電気エネルギーに変換する手段を備える、電源手段とを備える、燃料生成器を提供する。
このような本発明から生じる利点には、排気からの廃熱を、燃料電池を介して水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）に変換することによる燃焼装置の効率上昇があり、このようにすると、水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）を燃焼装置への噴射に利用することができる。このような機器を設置すると、古い車両など、より古い燃焼装置の性能を改善することもでき、これによって炭素の排出を削減することができる。
このような本発明から生じる利点には、さらに、太陽光発電モジュールに吸収された熱および熱電モジュールを用いて吸収された熱を（この組み合わせはいわゆるＰＶ−ＴＥ）、燃料電池を介して水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）に変換することによる燃焼装置の効率上昇があり、このようにすると、水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）を燃焼装置への噴射に利用することができる。このような機器を設置すると、古い車両など、より古い燃焼装置の性能を改善することもでき、これによって炭素の排出を削減することができる。ＰＶモジュールは、低めの温度に維持することができ、これによってこの分野で創設された太陽光発電所の性能が著しく高まることになる。さらに、赤外線を使用して熱電発電器を加熱することができ、太陽エネルギーを電気に変換する全効率がさらに一層上がり、これによってさらに多くの燃料が生成される。
このような本発明から生じる利点には、このほか、排気とＰＶ−ＴＥとを組み合わせたものからの廃熱を、燃料電池を介して水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）に変換することによる燃焼装置の効率上昇があり、このようにすると、水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）を燃焼装置への噴射に利用することができる。
このような背景から、特に圧縮着火（ＣＩ）エンジンでディーゼル燃料と一緒に用いる追加燃料として水素（Ｈ２）を使用するのには、いくつかの理由がある。第一に、全燃料のうちのＨ／Ｃ率が上昇するからである。第二に、少量の水素（Ｈ２）をディーゼルエンジンに噴射すると、水素（Ｈ２）の拡散性が高いために燃焼混合気が事前に空気とよりよく混ざって一層均質になるために、ディーゼル燃料を噴霧した際の異質性を下げることができるからである。また、水素の火炎伝播速度が他の燃料に比して速いために、燃焼時間を短縮することもできる。
前記廃エネルギー源は、前記燃焼ガスを燃焼する燃焼装置の排気から得られるものであることが好ましい。したがって、実際には、例えば車両またはボイラーからの排気と共に通常失われる熱エネルギーを、燃料電池に給電するために回収して使用し、車両のエンジンまたはボイラー用の燃料を発生させることができる。
前記廃熱は、熱電モジュールを介した太陽光発電装置から得られるものであることが好ましい。したがって、実際には、ＰＶモジュールは、低めの温度に維持することができ、これによってこの分野で創設された太陽光発電所の性能が著しく高まることになる。さらに、赤外線を使用して熱電発電機を加熱することができ、太陽エネルギーを電気に変換する全効率がさらに一層上がり、これによってさらに多くの燃料が生成される。
この点に関して、電源手段は、燃焼装置から排気流が流れる所またはその近傍に都合のよいように設けられる。
前記電源手段は、１つ以上の厚膜または薄膜の熱電モジュールを備えていることが都合よい。電源手段は、さらに、１つ以上の高温および／または低温の熱電モジュールを備えることができる。これらの熱電モジュールは、熱エネルギーを電気に変換するのに確実な動力源として設定される。
廃エネルギー源は、燃焼装置に適用される太陽エネルギーから得られるものであることが好ましい。この点に関して、このような太陽エネルギーは、燃料電池用の他のエネルギー源を補うことができる。
太陽エネルギーは、太陽光発電技術（ＰＶ）、ＰＶ−ＴＥ、集光型太陽熱発電技術（ＣＳＰ）、熱電技術を備えたＣＳＰ（ＣＳＰ−ＴＥ）のうちの１つ以上を用いて、または人工光合成技術によって収集したものであることが都合よい。
燃焼装置は、車両用エンジンであることが好ましいが、代わりに、セントラルヒーティングボイラー、ガスバーナーまたは溶接機であってもよい。従来の構成を備えているような場合は、大量のエネルギーが燃焼の副産物として単純に廃棄される。本発明は、この無駄を軽減し、このような熱エネルギーを有効に利用しようとするものである。
したがって、本発明を使用して、排熱ロスを水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）に変換することによって、天然ガスもしくはバイオマスボイラーまたは任意の燃料ボイラーの効率を上昇させることができ、これによって、ボイラーの全効率を改善し、炭素の排出を削減することができる。
燃焼ガスは、水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）のうちのいずれかであることが都合よい。これらのガスは、本発明で使用するのに適した特性を備えていることがわかっている。
発生した電気エネルギーの少なくとも一部は、貯蔵手段に貯蔵されることが好ましい。このようにすると、発生した電気エネルギーの最終的な使用法を最適化することができる。
その上、発生した燃焼ガスの少なくとも一部は、ガス貯蔵手段に貯蔵されることが都合よい。これによってもまた、ガスをできる限り効率的に配置することができる。
本発明のもう１つの態様によれば、燃焼装置と共に使用する発電機であって、燃焼装置と連結した廃エネルギー源からのエネルギーを電気エネルギーに変換するための手段を備える電力変換手段を備える、発電機を提供する。電力変換手段は、燃焼装置から排気流が流れる所またはその近傍に都合のよいように設けられる。このようにすると、通常は廃棄されるエネルギーを有効に利用することができる。
前記電気エネルギーは、前記燃焼装置に対する燃料を発生させるための燃料電池に給電するのに使用されることが好ましい。
前記燃焼装置は、内燃機関であることが都合よい。
したがって、本発明は、例えば、エンジンシステムに組み込まれて、ブラウンガス（ＨＨＯ）または水素（Ｈ２）生成システムをガソリンエンジンと統合することができる機器を提供するものである。
このほか、本発明は、燃焼または燃焼の周囲で生じる熱損失を、燃料となる水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）に変換することで、熱電供給エンジンまたは燃料電池の効率を上げるのに使用できる。
さらに、本発明は、吸収された熱を電気に変換して太陽光発電設備の効率を高めると共に、水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）などの燃焼ガスを生成するために使用でき、任意の表面から吸収された熱を水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）に変換するために使用でき、ラジエータによって廃棄された熱からの熱を電気に変換し、ひいては水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）に変換するために使用できる。
本発明では、排気、ラジエータおよび（太陽エネルギーによって吸収され得る）車両表面のうちの１つ以上からの熱を回収すると共に、この熱を電気に変換し、この電気を燃料電池と共に使用して水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）などの適切な燃焼ガスを発生させることにより、オルタネータへの負荷はほとんどない、または新たな負荷はない。
次に、添付の図面を参照して本発明の例を説明していく。
図１では、内燃機関ＩＣＥ（この図には図示せず）の排気流２は、熱交換器４を流れ、この熱交換器は、１つ以上の熱電モジュール６を備えている。
熱交換器は、熱電モジュール６の形態であり、熱電モジュールは、排気流２の熱エネルギーを使用して電気を発生させる。この電気は、調節器８に向かって流れる。次に電気は、バッテリ１０および／または燃料電池１２に向かって流れる。燃料電池１２は、水電解を利用して水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）などの燃焼物を生成し、この工程に用いる水は、液体保有タンク１４から供給される。次にガスは、貯蔵ユニット１６に向かって流れるか、あるいは燃焼装置の中に直接供給されて燃焼用の燃料として使用される。
図２Ａは、空気冷却システム用に、内燃機関１の排気流からの熱を使用して水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）を生成するアセンブリの第１の実施形態をさらに詳細に示したものである。
このアセンブリの構成要素には、電子回路７によって制御される冷却ファン５；熱電モジュール６を内蔵する熱交換器４；電力調節器８；バッテリ１０；水素（Ｈ２）燃料電池またはＨＨＯ燃料電池１２；内燃機関１；および液体保有タンク１４がある。
内燃機関１からの排気流２は、熱交換器４に供給され、この熱交換器は、単一段階のものでも複数段階のものでもよく、冷却ファン５からの空気をプロセス流体として使用する。冷却ファン５は、電子回路７によって制御され、この電子回路は、車両が走行している間は冷却ファン５をオフにし、車両が例えば信号機で停止しているときには冷却ファン５をオンにすることができる。冷却ファン５は、空気を熱交換器４の中に送り込み、熱交換器はヒートシンク４０を介して熱を廃棄する。
熱交換器４は、排気ガス２からの熱を冷却用空気流に伝達し、熱電モジュール６を使用して電気が発生する。熱電モジュール６は、厚膜または薄膜の構成要素を有することができる。排気流２は、低温排気流１１として熱交換器４から出て行く。
熱電モジュール６によって発生した電気は、電力調節器８を流れ、電力調節器は、電圧を調節し、電気を燃料電池１２またはバッテリ１０のいずれかに送ることができる。
バッテリ１０は、車両に搭載されている既存のバッテリであってもよいし、あるいは新たなバッテリユニットを追加してもよい。
燃料電池１２に関して言えば、これは、プロトン交換型燃料電池などの水素（Ｈ２）燃料電池、またはＨＨＯ燃料電池であってもよい。燃料電池１２が水素（Ｈ２）燃料電池の場合、液体保有タンク１４から蒸留水が供給され、水電解を利用して水素（Ｈ２）が生成される。燃料電池がＨＨＯ燃料電池の場合、液体保有タンク１４から電解液が供給され、水電解を利用してＨＨＯが生成される。
次に、生成された水素（Ｈ２）またはＨＨＯ１８は、空気２０と混合することができ、この混合気は、エアフィルタ２２を通過し、内燃機関１に燃料を供給するのに使用されることができる。水素（Ｈ２）またはＨＨＯ１８は、空気流または燃料噴射器２４を使用する内燃機関１の中に供給され、燃料噴射器は、従来の燃料を内燃機関１の中に噴射するのにも使用される。
図２Ｂは、任意に設置する水冷却装置を示している。熱交換器４は、ガス２からの熱を、冷却用の水、油、有機物、またはプロセス流体として伝熱を高めることのできる任意の燃料に伝達し、これによって熱電モジュール６を使用して電気が発生する。熱電モジュールは、厚型でも薄型でもよい。排気流２は、低温排気流１１として熱交換器４から出て行く。
図２Ｂの破線は、熱電モジュール１５を有する第２の熱交換器１３を追加したもう１つの実施形態を示している。第２の熱交換器１３は、燃焼機関１と第１の熱交換器４との両方からの廃熱を使用し、熱電モジュール１５を使用して電気を発生させ、熱電モジュールは低温であってよい。第２の熱交換器１３には、水、油、または任意の有機物をプロセス流体として使用することができる。
第２の熱交換器１３は、熱交換器４からの熱を吸収する循環液を冷却する追加のラジエータとして機能する。変速ファン５がヒートシンク４１を介して熱を大気へ放出し、このファンは３によって制御される。破線で示した熱交換器も、個別のユニットとして使用されるか、あるいは排気を使用せずに既存のラジエータに組み込まれることができる。
図３は、太陽エネルギーパネル２８からの熱を使用して水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）を生成するアセンブリの第３の実施形態を示している。
アセンブリの構成要素には、太陽エネルギーパネル２８；熱電モジュール６を内蔵する熱交換器４；電力調節器８；水素（Ｈ２）燃料電池またはＨＨＯ燃料電池１２；液体保有タンク１４；および水素（Ｈ２）またはＨＨＯの貯蔵ユニット１６がある。この場合の太陽エネルギーパネル２８は、ハイブリッド型太陽エネルギーパネルとすることができる。
熱交換器４は、太陽エネルギーパネル２８に吸収された熱を使用して冷却水３０を加熱する。すると、熱電モジュール６を使用して電気が発生する。このほか、太陽エネルギーパネル２８から他の従来の方法を使用して、この電気を発生させることができる。
太陽エネルギーパネル２８および熱電モジュール６によって発生した電気は、電力調節器８を流れ、電力調節器は、電圧を調節し、電気を直接燃料電池１２に送る。この点において、燃料電池１２は、プロトン交換型燃料電池などの水素（Ｈ２）燃料電池、もしくはＨＨＯ燃料電池、または任意の最新の燃料電池とすることができる。
発生した水素（Ｈ２）またはＨＨＯは、直接使用するために取り出されてもよいし、あるいは水素（Ｈ２）貯蔵ユニット１６に貯蔵されてもよい。もう１つの実施形態では、熱交換器４に対するプロセス流体は、空気とすることができ、熱電モジュール６は、厚膜でも薄膜でもよい。
図４は、ボイラー３４の排気流からの熱を使用して水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）を生成するアセンブリの一実施形態を示している。
アセンブリの構成要素には、熱電モジュール６を内蔵する空気または水で冷却する熱交換器４；電力調節器８；バッテリ１０；水素（Ｈ２）燃料電池またはＨＨＯ燃料電池１２；液体保有タンク１４；およびボイラー３４がある。
熱交換器４は、水３０をプロセス流体として使用し、ボイラー３４の排気流２からの熱をプロセス流体流に伝達し、熱電モジュール６を使用して電気が発生する。熱交換器４からの温かい廃水３６は、ボイラー３４への給水として使用される。
ボイラー３４は、空気流３３を燃焼用の供給材料として使用する。熱電モジュール６からの電気は、電力調節器８を流れ、電力調節器は、電圧を調節し、電気を燃料電池１２に直接送るか、あるいはバッテリ１０の充電用に送ることができる。
燃料電池１２は、プロトン交換型燃料電池などの水素（Ｈ２）燃料電池、または任意のＨＨＯ燃料電池とすることができる。
図４に示した破線は、熱電モジュール６を有する熱交換器４が空気流３２をプロセス流体として使用する一実施形態も示している。この実施形態では、冷却用空気３２は、ボイラー３４の燃焼燃料としても使用される。
図５は、熱電供給エンジンの排気流からの熱を使用して水素（Ｈ２）またはブラウンガス（ＨＨＯ）を生成するアセンブリの一実施形態を示している。
アセンブリの構成要素には、熱電モジュール６を内蔵する熱交換器４；電力調節器８；バッテリ１０；水素燃料電池またはＨＨＯ燃料電池１２；液体保有タンク１４；および熱電供給エンジン３８または例えば天然ガス燃料電池などの燃料電池がある。
熱交換器４は、水３０をプロセス流体として使用し、排気流２からの熱をプロセス流体流に伝達し、熱電モジュール６を使用して電気が発生する。熱交換器４からの温かい廃水３６は、熱電供給エンジン３８または例えば天然ガス燃料電池などの燃料電池への給水として使用される。
熱電モジュール６によって発生した電気は、電力調節器８を流れ、電力調節器は、電圧を調節し、電気をバッテリ１０、水素（Ｈ２）燃料電池またはＨＨＯ燃料電池１２に直接送るか、あるいは熱電供給エンジン３８によって生成された電気に追加するために送る。
燃料電池１２は、プロトン交換型燃料電池などの水素（Ｈ２）燃料電池、または任意のＨＨＯ燃料電池とすることができる。
破線で示したように、熱交換器４に対するプロセス流体は、やはり空気流３２であってもよく、熱電モジュール６は、厚膜でも薄膜でもよい。この実施形態では、冷却用空気３２は、熱電供給エンジン３８または燃料電池に対する燃焼燃料としても使用される。
このほか、電力調節器は、インバータ３９に直接電力を送ることもでき、このインバータは、正常に使用するために電気をＡＣに変換する。
上記の実施形態は、説明のみを目的として本発明の適用例を示したものであることは理解されるであろう。実際には、本発明を多くの様々な設計に適用することができ、詳細な実施形態は、当業者にとって実施しやすいものである。
Claims (21)
- 燃焼装置と共に使用する燃料生成器であって、
前記燃焼装置によって燃焼用の燃焼ガスを発生させるための燃料電池と；
前記燃料電池用の電源手段であって、燃焼装置に連結した廃エネルギー源からのエネルギーを、前記燃料電池に給電するための電気エネルギーに変換する手段を備える、電源手段と
を備える、燃料生成器。 - 前記電源手段は、１つ以上の熱電モジュールを備える、請求項１に記載の燃料生成器。
- １つ以上の薄膜熱電モジュールを有する、請求項２に記載の燃料生成器。
- １つ以上の厚膜熱電モジュールを有する、請求項２に記載の燃料生成器。
- 前記電源手段は、１つ以上の高温熱電モジュールおよび／または１つ以上の低温熱電モジュールを備える、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の燃料生成器。
- 前記廃エネルギー源は、前記燃焼ガスを燃焼する前記燃焼装置の排気から得られるものである、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の燃料生成器。
- 前記電源手段は、前記燃焼装置から排気流が流れる所またはその近傍に設けられる、請求項６に記載の燃料生成器。
- 前記廃エネルギー源は、前記燃焼装置に適用される太陽エネルギーから得られるものである、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の燃料生成器。
- 前記太陽エネルギーは、太陽光発電技術（ＰＶ）と熱電技術（ＴＥ）とを組み合わせたいわゆるＰＶ−ＴＥ、集光型太陽熱発電技術（ＣＳＰ）と熱電技術（ＴＥ）とを組み合わせたいわゆるＣＳＰ−ＴＥのうちの１つ以上を用いて、または人工光合成技術によって収集される、請求項８に記載の燃料生成器。
- 前記燃焼装置は、車両用のエンジンである、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の燃料生成器。
- 前記燃焼装置は、ボイラーである、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の燃料生成器。
- 前記燃焼装置は、燃料電池または熱電供給ユニットである、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の燃料生成器。
- 前記燃焼ガスは、ブラウンガス（ＨＨＯ）である、請求項１〜１２のうちいずれか一項に記載の燃料生成器。
- 前記燃焼ガスは、水素（Ｈ２）である、請求項１〜１２のうちいずれか一項に記載の燃料生成器。
- 発生した電気エネルギーの少なくとも一部は、電気貯蔵手段に貯蔵される、請求項１〜１４のうちいずれか一項に記載の燃料生成器。
- 発生した燃焼ガスの少なくとも一部は、ガス貯蔵手段に貯蔵される、請求項１〜１５のうちいずれか一項に記載の燃料生成器。
- 燃焼装置と共に使用する発電機であって、
前記燃焼装置と連結した廃エネルギー源からのエネルギーを電気エネルギーに変換するための手段を備える電力変換手段
を備える、発電機。 - 前記電力変換手段は、前記燃焼装置から排気流が流れる所またはその近傍に設けられる、請求項１７に記載の発電機。
- 前記電気エネルギーは、前記燃焼装置に対する燃料を発生させるための燃料電池に給電するのに使用される、請求項１７または１８に記載の発電機。
- 前記燃焼装置は、内燃機関である、請求項１７〜１９のうちいずれか一項に記載の発電機。
- 添付の図面を参照して実質的に請求項１〜２０に記載した機器。
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