JP2017519108A - 酸水素発生装置及び酸水素ガス製造方法 - Google Patents

Abstract

酸水素発生装置は、密封されたハウジングによって覆われた複数の電解セル（１）からなる電解槽を備える。各セル（１）は、交互に並んだ複数の陽極（４．２）及び陰極（４．１）が収容された電解浴を形成するチャンバ（２）を備え、その電極（４）間に金属スクリーン（５）が取り付けられている。電極（４）は、ＤＣ電源に直列接続し、チャンバ（２）の電解浴は余水路（６）で相互接続される。ハウジングの上端には、電解質をセル（１）に投入するための、電解質貯槽（８）に接続した注入口（７）と、生成した酸水素ガスをセル（１）から排出するための少なくとも１つの排出口（１２．１）が形成されている。酸水素発生装置は、電解プロセスのパラメータを制御及び管理するためのマイクロプロセッサモジュール（９）を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関、特にガソリン、ディーゼル及び天然ガスを使用するエンジン、並びに固定燃焼設備の効率を向上するために使用される、酸水素発生装置及び酸水素ガス製造方法に関する。

内燃機関で炭化水素燃料を燃焼すると、排気ガスは、一酸化炭素、未燃焼炭化水素、窒素酸化物、硫黄酸化物、及びカーボンブラック等の有害放出物を含有することは知られている。有害放出物及び燃料消費の低減をもたらし、内燃機関の効率向上が得られる完全な燃焼を目的とした取組みがなされている。

上記の問題に対する解決策の１つは、水の電解によって水素及び酸素が発生する酸水素発生装置を使用し、生成した酸水素ガス（ＨＨＯガス）を内燃機関の燃料に添加することである。水素及び酸素を更に添加すると、炭化水素系燃料がより完全に燃焼し、有害排出物の低減及び内燃機関の効率向上がもたらされる。

酸水素発生装置を記載した種々の特許公報が知られている。例えば、特許文献１は、電解槽を備えた酸水素発生装置を開示しており、この装置は少なくとも３個のセルを含み、そのそれぞれが、電極が配置され直流電源に接続するチャンバからなり、電極間に金属スクリーンが取付けられている。各セルには、電解質を投入するための注入口及び生成した酸水素ガスを排出するための排出口が形成され、セルは互いに余水路を介して接続されている。

この既知の発生装置は、セル内の電圧の制御及び安定化を提供しない。

特許文献２は、内燃機関において炭化水素燃料を補給するために水の電気分解によって可変出力の水素及び酸素を発生するためのシステムを開示しており、このシステムは、電解質連通する複数の電解反応槽（各反応槽は（ｉ）電解質溶液で部分的に満たされた封止陰極チャンバと；（ｉｉ）溶液に少なくとも部分的に浸漬され、チャンバから電気的に絶縁された陽極とを含む）と；反応槽の少なくとも１つと電解質連通する貯槽と；反応槽内の溶液レベルを維持するためのレベル制御手段と；酸素及び水素生成物を反応槽からエンジンへと送るための導管と；反応槽から熱を伝達するための冷却システムと、エンジンの要求に応じて反応槽の１つ以上に通電するための電源と、を含む。

特許文献２に記載されているシステムは、電解槽の電極間を流れる寄生電流の排除を提供しない。電解プロセスの間、陰極及び陽極に覆われた作用表面は供給電流に対して小さいため、電解質温度は上昇し、より大きな電力消費につながる。更に、この既知の発生装置は、個々のセルの電圧の制御及び安定化を提供せず、その結果、生成する酸水素ガスの量が少なくなる。これらの欠陥が発生装置の効率を低くする。

ブルガリア国特許第１５１５Ｕ１号 国際公開第２００７／１３３１７４Ａ１号

本発明の目的は、酸水素発生装置及び酸水素ガスの製造方法を提供し、それによって、電解セルにおける電極間の寄生電流の発生を防ぐことである。

本発明の別の目的は、セル内の電圧の制御及び安定化を、より大量の酸水素ガスの製造と共に提供することである。

本発明による酸水素発生装置は、密封されたハウジングで覆われた複数の電解セルからなる電解槽を備える。各セルは、交互に並んだ複数の陽極及び陰極が収容された電解浴を形成するチャンバからなり、その電極間に金属スクリーンが電極と並んで取付けられる。セル内の電極は、直流電源に直列接続する。チャンバの電解浴は、チャンバ内の陰極及び陽極よりも上位に水平に配置された絶縁材料製の余水路を通じて相互接続する。形成されたハウジングの上方部分には、電解質を投入するための電解質貯槽と接続した開口部と、生成した酸水素ガスをセルから排出するための少なくとも１つの排出口とがある。酸水素発生装置には、セル内の電解質レベルを監視するためのセンサと、電解質温度を監視するためのセンサとが装備されている。セルから熱を取り除くための冷却システムも装備されている。酸水素発生装置は、チャンバ内の電解質レベル、電圧の安定性、電解質温度、電解セルの転流、貯槽からチャンバへの電解質の供給、発生する酸水素ガスの量、エンジン又は燃焼室へのガス供給の調節、及び予め設定したパラメータを超えたときの酸水素発生装置の自動停止を制御及び管理するためのマイクロプロセッサモジュールを有する。

金属スクリーンは、長方形の金属板であり、その上端及び下端に、生成した酸水素ガス及び電解質がそれぞれに金属スクリーンを通過するための開口部が形成されている。

本発明の一実施形態において、電極の作用表面は、８ｃｍ²〜１２ｃｍ²である。

本発明の別の実施形態において、生成した酸水素ガスをセルから排出するための排出口は、２〜３ｍｍの直径を有する。

本発明の目的は、酸水素発生装置内で水を電気化学分解することによって酸水素ガスを製造する方法を適用することによっても達成され、上記発生装置は、複数の電解セルを含む電解槽を備え、各セルは、交互に並んだ複数の陽極及び陰極が収容された電解浴を形成するチャンバからなり、上記電極間に金属スクリーンが取付けられており；セルの電解浴は、電解質で満たされ、全てのセルで同じレベルを有する共通の電解浴を形成するように、余水路で互いに接続され；セルの電極は、直流電源に直列接続し；酸水素発生装置はマイクロプロセッサモジュールを有し；上記方法は：
４５ｍＡ／ｃｍ²〜５５ｍＡ／ｃｍ²の電流密度で水の電気化学分解を実行する工程と；
生成した酸素と水素とのガス状混合物を、電解槽の上方部分に形成された少なくとも１つの排出口から抜き出す工程と；
電解プロセス中にセルを冷却する工程と；
マイクロプロセッサモジュールを用いて以下の操作を行う工程と、を含む：
（ａ）予め設定した電圧値に達すると、酸水素発生装置を始動する；
（ｂ）セルに供給される電圧の周波数負荷サイクルを変えることで、セル内の電圧を制御し、電圧を安定化する；
（ｃ）電圧が降下したときに、酸水素発生装置の運転を中断する；
（ｄ）システム内の電流を制御し、予め設定した値に達すると、セルへの供給電圧を中断する；システムを通る電流を自動的に調節する、セルの１つに供給される電圧のパルス及び幅変調によって、及びシステムを通る電流の連続的監視によって実施される安定化；
（ｅ）セルを通る電流が予め設定した値を超えて上昇すると、警報信号を発生する；
（ｆ）センサによってセル内の電解質の温度を制御し、予め設定した値に達すると、セルへの電力供給を中断する；高温に対する警報信号を発生する；
（ｇ）電解セルの転流を制御及び管理する；
（ｈ）電解質レベルをセンサによって制御し、予め設定した最低レベルに達すると、セルへの電力供給を中断する；低レベルに対する警報信号を発生する；
（ｉ）予め設定したレベルに達すると、電解浴に補給するための電解質投入を制御する；
（ｊ）発生する酸水素ガスの量、及びエンジン又は燃焼室への酸水素ガスの供給の調節を制御する；
（ｋ）酸水素発生装置の運転時間を読取り、この値を不揮発性メモリに保存し、予め設定した値に達すると、電解質交換の信号を発する。

本発明による酸水素発生装置及び酸水素ガスの製造方法の利点には、次のものがある。セルのそれぞれに金属スクリーンを使用することで、電極間に寄生電流が流れるのを防ぎ、これにより、複数のセルの使用及び各セルでの複数の電極の使用が可能になり、電解質の温度上昇の危険なく電力供給が増大する。電極作用表面は供給電力に対して大きく、これは一方ではより低い電力消費につながり、他方では発生する酸水素ガスの量の増大につながる。単一セルにおける電圧及び電力の制御及び安定化により、内燃機関の基板供給への影響及び留保なく、酸水素発生装置の最適有効モードが使用される。その結果、本発明による酸水素発生装置は、既知の発生装置と比較して、効率がより向上する。

本発明による酸水素発生装置の正図面の概略説明図 酸水素発生装置の上面図における１２個の電解セルの概略説明図

図１及び２に概略的に示す酸水素発生装置は、３．Ａ及び３．Ｂの２つのモジュールにグループ分けされた１２個のセル１からなる電解槽で、３．Ａと３．Ｂとの間に絶縁パネル１７が設置されている。３．Ａ及び３．Ｂモジュールはそれぞれ、６個のセル１からなり、１つの横列の後ろに別の横列があり、各列に３個のセルがあるように配置されている。全てのセル１は密封されたハウジング（図示されていない）によってしっかりと覆われている。各セル１は、１３個の電極４（７個の陽極４．２及び６個の陰極４．１）が収容された電解浴を形成するチャンバ２を備え、ステンレス鋼製の金属スクリーン５が電極４の間に取り付けられている。セル１の電極４は、ステンレス鋼又はニッケル又はニッケル合金製の板で、各電極は１０ｃｍ²の作用表面を有する。電極４は、供給点１６を経て電源１２ＶのＤＣ電源に直列接続される。各チャンバ２の電解浴は、余水路６を通じて隣接するチャンバの電解浴に接続する。余水路は絶縁材料で出来ており、チャンバ２の陰極及び陽極のレベルよりも上に水平に配置されている。絶縁パネル１７において、余水路（図示されていない）は、モジュール３．Ａ及び３．Ｂのセル１に接続するようにも設計されている。密封されたハウジングの上方の壁に、セルに電解質を投入するための注入口７が形成され、注入口７は、ポンプ１０及び管１１を介して貯槽８に接続する。生成した酸水素ガスを１つのチャンバから別のチャンバ、排出口１２．２及び共通排出口１２．１へと送り、生成した酸水素ガスをセルから排出するための、絶縁材料で出来た可撓性管状エレメント１３が設置されている。酸水素発生装置には、セル１から熱を取り除くための、酸水素発生装置の本体の下に配置されたファン（非表示）、並びに電解質レベルを読み取るためのセンサ１４、及び電解質の温度を監視するためのセンサ１５が装備されている。セルは絶縁材料で出来たボックス１９に収容されている。

別の実施形態（図示されていない）において、バッテリ電源２６．７Ｖの大型トラック用の本発明による酸水素発生装置は、２４個のセルからなり、電極の総数は３１２個である。

酸水素発生装置は、チャンバ２の電解質レベル、電圧及び電流強度の安定性、電解質温度、電解セル１の転流、電解質を貯槽８からチャンバへ供給するためのポンプ、発生した酸水素ガスの量及びエンジン又はそのエンジンの燃焼室への電力供給の調節、並びに予め設定したパラメータを超えたときに発生装置の運転の自動中断を制御及び管理するためのマイクロプロセッサ９を有する。

この実施形態では、マイクロプロセッサ９は２つの独立した出口を有するデジタル制御ＰＷＭジェネレータであり、３．Ａ及び３．Ｂの両方のモジュールに電力を供給し、４行の英数字ＬＣＤディスプレイが装備されている。

酸水素発生装置は次のように作動する。始動前に、発生装置のセル１に、予め設定したレベルまで電解質が満たされる。電解質は、２〜１０％の水酸化カリウム（ＫＯＨ）を含有する水を含む。電気分解は、内燃機関の電源バッテリに応じて１２．８Ｖ又は２６．７Ｖの供給電圧、及び５５Ａの電流強度で実行される。水の分解の結果、陰極４．１上で酸素が放出され、陽極４．２上で水素が放出される。これらのガスは、電解質上の空間を通り、得られた酸水素ガス混合物（ＨＨＯガス）は排出口１２．１から引き抜かれ、吸気と混合されて、内燃機関に供給される。出口排出口１２．１のサイズは、寄生電流がその中流れるのを防止するため３ｍｍ未満である。

ＰＷＭ信号の操作に加えて、マイクロプロセッサモジュール９は、以下のソフトウェア設定機能を実行する：

−電圧を制御し、予め設定した値（内燃機関バッテリに応じて１２．８Ｖ又は２６．７Ｖ）に達すると、酸水素発生装置の運転を開始する。この始動はディレイを設けて実施され、ディレイは１秒〜５分の範囲で設定できる。電圧の安定化は、セルに供給される電圧の周波数負荷サイクルを変えることで実施される。

−電圧が予め設定した値（１２．６Ｖ又は２６．４Ｖ）よりも降下したときに、酸水素発生装置の運転を中断する。２つの値の間に差が導入され（ヒステリシス）安定な運転と値交代の可能性を与える。

−システム内の電流を制御し、予め設定した値（８０Ａ）に達すると、セル１への電力供給を中断する；セル１を通る電流の増大に対して警報信号を発生する；セル１を流れる電流を測定し、システムが消費する平均電力を計算する。この情報は常時表示される。システム内の電流を自動調節及び安定化し、安定化は、セルの１つに供給される電圧の幅及びパルス変調によって、及びシステム全体を通る電流の連続的監視によって、実施される。安定化の精度は５％未満であり；最大安定化電流は８０Ａであり；セル全体を通る電流が予め設定した値を超えて増大すると、警報信号を発生する；

−センサ１５によってセル１内の電解質の温度を制御し、予め設定した値（５５℃）に達すると、セルへの電力供給を中断する；高温に対する警報信号を発生する；

−センサ１４によって電解質のレベルを制御し、予め設定した最低レベルに達すると、セル１への電力供給を中断する；低レベルに対する警報信号を発生する。

−予め設定したレベルに達すると、セル１に電解質を補給するためにポンプ１０を運転する；最大レベルに達すると、ポンプ１０を遮断する；いずれのレベルも、電解質に浸漬されたセンサ１４の位置によって決定される。

−酸水素発生装置の運転時間を読取り、この値を不揮発性メモリに保存する。この情報は、サービスモードのみで読み出しできる。予め設定した値に達すると、電解質交換のメッセージが表示される。このメッセージは、サービスモードのみで取り除かれる。

−不揮発性メモリに保存された、時間の関数としてのデータベースは、以下の情報を保存する：読取の日付及び時間；システムに供給された電圧；セルを通る電流；電解質温度。

−その時々の運転モード、測定値、警報事象及びその他のパラメータがディスプレイに可視化される。

複数のセルを使用すること及び各セルに複数の電極を使用することにより、酸水素発生装置がより高い電圧で作動し、同時に電極間に寄生電流が流れるのを防止することができる。これは、生成する酸水素ガスの量の増大及び酸水素発生装置の効率向上につながる。

内燃機関で使用される燃料に酸水素ガスを添加すると、燃料がより完全に燃焼し、有害放出物の量が大幅に削減され、ガソリン、ディーゼル又は天然ガスを燃料とするエンジンの効率が向上する。

本発明による酸水素発生装置は、産業界で使用される種々の燃焼設備に適用できる。

上記の実施形態は、本発明を限定するものではない。当業者にとっては、特許請求の範囲内で本発明に従う酸水素発生装置及び酸水素ガスの入手方法のその他の実施形態が存在する。

図１及び２に概略的に示す酸水素発生装置は、３．Ａ及び３．Ｂの２つのモジュールにグループ分けされた１２個のセル１からなる電解槽で、３．Ａと３．Ｂとの間に絶縁パネル１７が設置されている。３．Ａ及び３．Ｂモジュールはそれぞれ、６個のセル１からなり、１つの横列の後ろに別の横列があり、各列に３個のセルがあるように配置されている。全てのセル１は密封されたハウジング（図示されていない）によってしっかりと覆われている。各セル１は、１３個の電極４（７個の陽極４．２及び６個の陰極４．１）が収容された電解浴を形成するチャンバ２を備え、ステンレス鋼製の金属スクリーン５が電極４の間に取り付けられている。セル１の電極４は、ステンレス鋼又はニッケル又はニッケル合金製の板で、各電極は１０ｃｍ²の作用表面を有する。電極４は、供給点１６及び１８を経て電源１２ＶのＤＣ電源に直列接続される。各チャンバ２の電解浴は、余水路６を通じて隣接するチャンバの電解浴に接続する。余水路は絶縁材料で出来ており、チャンバ２の陰極及び陽極のレベルよりも上に水平に配置されている。絶縁パネル１７において、余水路（図示されていない）は、モジュール３．Ａ及び３．Ｂのセル１に接続するようにも設計されている。密封されたハウジングの上方の壁に、セルに電解質を投入するための注入口７が形成され、注入口７は、ポンプ１０及び管１１を介して貯槽８に接続する。生成した酸水素ガスを１つのチャンバから別のチャンバ、排出口１２．２及び共通排出口１２．１へと送り、生成した酸水素ガスをセルから排出するための、絶縁材料で出来た可撓性管状エレメント１３が設置されている。酸水素発生装置には、セル１から熱を取り除くための、酸水素発生装置の本体の下に配置されたファン（非表示）、並びに電解質レベルを読み取るためのセンサ１４、及び電解質の温度を監視するためのセンサ１５が装備されている。セルは絶縁材料で出来たボックス１９に収容されている。

Claims (5)

1. 酸水素発生装置であって、
   密封されたハウジングで覆われた複数の電解セル（１）からなる電解槽を備え、前記各セル（１）は、交互に並んだ複数の陽極（４．２）及び陰極（４．１）が収容された電解浴を形成するチャンバ（２）を備え、前記電極（４）の間に前記電極に沿って金属スクリーン（５）が取付けられ、前記セル（１）内の前記電極（４）は直流電源に直列接続され、前記チャンバ（２）の電解浴は、陰極（４．１）及び陽極（４．２）よりも上位に水平に配置された絶縁材料製の余水路（６）を通じて相互接続し；前記ハウジングの上方部分には、電解質を前記セル（１）に投入するための、電解質貯槽（８）に接続した開口部（７）と、生成した酸水素ガスを前記セル（１）から排出するための少なくとも１つの排出口（１２．１）とが形成され；前記酸水素発生装置は、提供された通りの前記セル内の電解質レベルを監視するためのセンサ及び前記電解質温度を監視するためのセンサ、並びに前記セル（１）から熱を取り除くための冷却システムが装備され、前記酸水素発生装置は、前記チャンバ内の電解質レベル、電圧の安定性、前記電解質温度、前記電解セルの転流、前記貯槽から前記チャンバへの電解質の供給、発生する酸水素ガスの量及びエンジン又は燃焼室への酸水素ガス供給の調節、並びに予め設定したパラメータを超えときに酸水素発生装置の自動停止、を制御及び管理するためのマイクロプロセッサモジュール（９）を有する
   ことを特徴とする酸水素発生装置。
2. 前記金属スクリーン（５）は、長方形の金属板であり、その上端及び下端に、生成した酸水素及び電解質がそれぞれに金属スクリーンを通るための開口部が形成されている
   請求項１に記載の酸水素発生装置。
3. 前記電極（４）の作用表面は８〜１２ｃｍ²である
   請求項１に記載の酸水素発生装置。
4. 生成した酸水素ガスをセル（１）から排出するための排出口は２〜３ｍｍの直径を有する
   請求項１に記載の酸水素発生装置。
5. 水の電気化学分解によって酸水素ガスを製造する方法であって、
   前記水の電気化学分解は酸水素発生装置内で実施され、前記装置は、複数の電解セルを含む電解槽を備え、前記各セル（１）は電解浴を形成するチャンバ（２）からなり、前記電解浴には、その間に金属スクリーン（５）が取付けられた交互に並んだ複数の陽極（４.２）及び陰極（４.１）が収容され、前記セル（１）の前記電解浴は、電解質で満たされ、かつ全てのセル（１）で同じレベルを有する共通電解浴を形成するように互いに余水路（６）で接続され、前記セル（１）の前記電極（４）は直流電源に直列接続され、マイクロプロセッサモジュール（９）が前記酸水素発生装置に設置され、前記方法は：
   ４５〜５５ｍＡ／ｃｍ²の電流密度で水の電気化学分解を実行する工程と；
   生成した酸素と水素とのガス状混合物を、電解槽の上方部分に形成された少なくとも１つの排出口（１２．１）から抜き出す工程と；
   電解プロセス中にセルを冷却する工程と；
   マイクロプロセッサモジュール（９）を用いて以下の操作：
   （ａ）予め設定した電圧値に達すると、前記酸水素発生装置を始動する；
   （ｂ）前記セル（１）に供給される電圧の周波数負荷サイクルを変えることで、前記セル内の電圧を制御し、電圧を安定化する；
   （ｃ）前記電圧が降下したときに前記酸水素発生装置の運転を中断する；
   （ｄ）前記システム内の電流を制御し、予め設定した値に達すると、前記セルへの供給電圧を中断する；前記システムを通る電流を自動的に調節する、前記セルの１つに供給される電圧のパルス及び幅変調によって、及び前記システムを通る電流の連続的監視によって、実施される安定化；
   （ｅ）前記セルを通る電流が予め設定した値を超えて上昇すると、警報信号を発生する；
   （ｆ）センサによって前記セル内の前記電解質の温度を制御し、予め設定した値に達すると、前記セルへの電力供給を中断する；高温に対する警報信号を発生する；
   （ｇ）前記電解セルの転流を制御及び管理する；
   （ｈ）前記電解質レベルをセンサによって制御し、予め設定した最低レベルに達すると、前記セルへの電力供給を中断する；低レベルに対する警報信号を発生する；
   （ｉ）予め設定したレベルに達したときに、前記電解浴に補給するための前記電解質の投入を制御する；
   （ｊ）発生する酸水素ガスの量を制御する、及びエンジン又は燃焼室への前記酸水素ガスの供給を調節する；
   （ｋ）酸水素発生装置の運転時間を読取り、この値を不揮発性メモリに保存し、予め設定した値に達すると、電解質交換の信号を発する
   を行う工程と、を含む
   ことを特徴とする酸水素ガスの製造方法。

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