JP3238338U - ３気体の圧縮混合燃焼発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】現代において地球温暖化対策として石油、天然ガスに頼らずクリーンで安価なエネルギーを供給する事ができる燃焼発電装置を提供する。【解決手段】どこにでもある水を精製し電気分解して発生する水素と酸素と、外部から取り入れた空気を窒素分離膜に通し窒素濃度をコントロールした空気をそれぞれの３つのタンクに圧縮貯蔵して一定の割合で混合気体混合装置で混合し燃焼装置内にて燃焼させ、燃焼温度を下げながら安定した燃焼エネルギーをフライホイールにて回転を安定させ有効に発電する。【選択図】図１

Description

本考案は、水素と酸素と、空気を窒素分離膜に通して窒素濃度をコントロールした空気の３つの気体を燃料として燃焼発電させエネルギーを得る燃焼発電装置に関するものである。

現代において地球温暖化対策として石油、天然ガスに頼らずクリーンで安価なエネルギーを供給することができるシステムを作り出すことが急務とされている。
世界中がソーラー発電、海上設置風力発電、水力発電等の取り付けが多くなっている。さらに自動車業界も普通のエンジン燃焼から電気駆動によるＥＶ電気自動車及び水素を使った燃料電池自動車へと多様化してきている。しかし世界中の車を電気自動車（ＥＶ）で動かすには原子力発電所を大量に作る必要が出てきた。
水素は地球上で最も軽い気体で、無色・無臭・無害である。燃えやすい性質があり、燃焼温度は最大３０００℃。空気中の含有率が４～７４％の範囲で着火する性格を持つ。日本、ドイツ、中国等のメーカー等では水素だけで走る車の開発、フランスエアバスでは水素駆動ジェットエンジンの開発等に国家予算で取り組みが開始されている。しかし燃焼には大量の水素が必要となり、化石燃料石油、石炭、ガスから水素を作り圧縮し輸送配達し供給している。これではＣＯ２環境問題に反する。
どこでも水さえあれば簡単に水素エネルギーが取り出せることが必要とされており、すでにアメリカ、中国、日本、カナダでは水の電気分解水素生産装置の販売がはじまっているが現在発売されているものは水の電気分解に白金電極を使用している為、水素発生装置の価格も高く、供給する水素の燃料価格が大きな問題点となっている。

実用新案登録第３１２１１３５号 公報 実用新案登録第３１３９８４５号 公報 実用新案登録第３２０４０９０号 公報

現在水素を作り燃料電池により電気を作りモーターが動く燃料電池車の開発が進んでいる。そして蓄電池に電気を蓄積しモーター駆動の電気自動車が多くなってきた。
しかし水素の供給価格問題に直面し、なかなか前進できず、コストの高いものばかりとなっている。

そこで自ら水を電気分解した水素のみではなく、水素と酸素、窒素濃度をコントロールした空気の全てを利用して、従来から今まで技術蓄積されてきた各種燃焼内燃機関を発電機の原動機として使用出来る装置にする。

２０１９年まで通常電気分解によって得られる水素と酸素の割合が２：１であるが水素のみ使用している電気分解で水素を１リットル作るのに必要な電気の量は１リットルの水素でどれくらい発電できるのか２Ｈ^＋＋２ｅ^－→Ｈ_２で標準状態（０℃、１ａｔｍ）で理想気体は２２．４（Ｌ／ｍｏｌ）で、ファラデー定数は９．６５×１０^４（Ｃ／ｍｏｌ）なので、水素を１リットル作るのに必要な電気量は１リットルの水素で発電できる発電量と同じでＱ＝１÷２２．４×２×９．６５×１０^４＝８．６１…×１０^３＝８．６×１０^３（Ｃ）になる、よって水素だけではただ回っているだけで外部に供給する電源は出来ないというのが去年までの学者の統一見解であった。
しかし２０２０年２０２１年と京都学、東北大学、新潟大学など水素発生に用いる電極に白金など含有させたナノファイバー５種合金や１０種合金等色々な材料で従来の水素発生電極である白金と同様の電力で５倍から１０倍の水素の発生に成功して学会に発表している。これにより今までの常識である水の電気分解による発電はコスト的に合わず意味が無いという常識がくつがえされた。

問題の解決としてどんな場所においても省スペースでクリーンな電源を作る発電機の燃料を必要とする為、普通では水素のみを使用して発電しているが、本考案は水の電気分解により発生する水素と酸素、空気を窒素分離膜に通して窒素濃度をコントロールした空気の３つの気体を３つのタンクにそれぞれ高圧貯蔵して、燃焼気体として一定割合水素２、酸素１、窒素濃度をコントロールした空気３から１０の割合で混合し一つの燃料として直接内燃機シリンダー内に混合噴射しそれぞれの持つ気体の特性を最大限に利用して燃焼温度を下げ爆発時間を遅らせ、より大きなエネルギーを燃焼させることを特徴とする。
水素と酸素の混合ガスを一般的に酸水素ガスといい、酸水素ガスは温度が発火点になると自発的に燃焼する。水素と酸素が２：１の混合ガス（水素爆鳴気）は、常圧において発火点が約５７０℃となる。そのような混合気体へ着火するのに必要なスパークの最小エネルギーは、約２０マイクロジュールである。常温常圧では、水素が混合気の体積の４％から９５％を占めている場合、酸水素ガスは燃焼可能である。
ひとたび着火すると、この混合気体は発熱反応により水蒸気へと変わり、その発熱によって反応が持続する。１モルの水素の燃焼につき ２４１．８ＫＪのエネルギー（低発熱量）を発生する。発生する熱エネルギーの量は燃焼の形式に影響されないが、炎の温度は変化する。水素と酸素の組成を正確に調整すると炎は最高で約３０００℃となり、混合比率が２：１でない場合や、窒素のような不活性気体が混ざっている場合、より大きな体積へ拡散するため、温度が５００℃程度低くなる。
そこで窒素濃度をコントロールした空気を一緒に混合気として一つの燃料として燃焼させることでシリンダー内は酸水素ガスよりも窒素を含有する状態となる。よってパワーが増し回転がスムーズになる。

本考案の発電機は自動車や飛行機などと違い可変トルクを必要としないので、目的の電気を作るうえで、水素２、酸素１、窒素濃度をコントロールした空気３から１０（燃焼機関の種類により大きさを変える）の一定割合で直接シリンダー内に一つの燃料として混合噴射し燃焼させれば一定のトルクを発生できる。水素だけの燃焼発電量だけでは外部への供給する電源は少ないが、水素、酸素、窒素濃度をコントロールした空気の３つの貯蔵した気体の燃焼により燃焼温度が５００℃以上下がり爆発速度も遅くなり結果エネルギーが増え、さらに２個のジェネレーターにより外部への電気が供給できるようになる。

水を電気分解すれば水素２酸素１の割合でガスができる。単純に水素２００Ｎｍ３作れば酸素１００Ｎｍ３でき合計３００Ｎｍ３の気体ガスが得られる、仮にそこに窒素濃度をコントロールした空気を５倍１５００Ｎｍ３足せば１８００Ｎｍ３の燃焼用一つの燃料気体燃料が出来上がり、２００Ｎｍ３の水素ガス発生専用システムの約９倍の燃料となる。現在アメリカ、中国、カナダでは約４０フィートコンテナ３台分の大きさの電気分解装置で５００Ｎｍ３／毎時の水素を作る装置を４億円ぐらいで売られている。しかし当発明によれば殆ど同じ大きさの装置で価格も同程度で流量９倍の装置となりどこでも水さえあれば発電機を稼働できる。

エンジン燃焼は大量のガスを必要とするため、すべてを無駄なく使えるこのシステムは一つの気体燃料単価が大きくコストダウンにつながる。これまで培ってきた技術と新しい技術がつながり社会経済に貢献できる。
水素燃料を効率的に安く提供できる為、発電機及び車に適応でき環境問題に大きく貢献できる。今まで培ってきた会社の仕事がふえ日本のＧＤＰも大きくなる。
水素のみの発電機に比べ同じ流量のものを小型にすることができ、市町村、中小企業等への電源確保ができる。

本考案の発電の流れを表すフロー図である。 窒素分離膜により空気中の窒素量をコントロールする説明図である。 エンジンに混合気体と窒素を供給するイメージ図である。 気体混合機イメージ図である。

Claims (3)

1. 精製された水を電気分解して出来る水素と酸素と、空気を窒素分離膜に通して窒素濃度をコントロールした空気を３つのタンクにそれぞれ高圧貯蔵し、３つの気体を一定の割合で混合しエンジンに供給燃焼させ、燃焼エネルギーをフライホイールにて回転を安定させ有効に発電する事を特徴とした燃焼発電装置。
2. エンジン軸延長に付けられたフライホイールに２つの発電装置を持つ請求項１に記載の燃焼発電装置。
3. エンジンにエンジンオイルを使わずに燃焼体軸受けにオイルレスメタルにて回転軸受けを安定させ、水冷と空気から分離した窒素を用いることにより燃焼温度を安定化する請求項１に記載の燃焼発電装置。

Images