JP4334347B2 - 特に自動車エンジンのための、少なくとも一つの燃料を供給するための方法と装置 - Google Patents

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Description

この発明は、特に自動車エンジンのための、少なくとも一つの燃料を供給するための方法ならびに装置に関する。この発明は、特に水素の形で燃料を供給するための方法ならびに装置に関する。
化石燃料のエネルギー源における資源の欠乏の拡大に直面し、ならびに二酸化炭素(CO2 、所謂「温室効果ガス」)の環境関連の排出量およびその他の環境関連の排出量の削減に関する、ますます強まる要求のために、水素が、将来の最も有望なエネルギー源の一つと見なすことができる。
水素は、直接燃焼させた場合にも、燃料電池においても、酸素と反応して、純粋な水となり、この反応時に、例えば炭素を含む化石エネルギー源が排出するように、この場合には二酸化炭素を排出することなく、高効率のエネルギーを放出する。この事実は、持続的な環境を損なわないエネルギー供給に関して、水素を非常に魅力的なものにしている。
燃焼エンジンおよびガスタービンにおいて、水素が(純粋な酸素ではない)空気とともに燃焼すると、燃焼を適切に行った場合には、無視できるほどの非常に少ない排出量しか発生させない。炭化水素および一酸化炭素は、発生したとしても、燃焼エンジンの燃焼室でのエンジンオイルの燃焼によって、ごく微量発生する可能性がある。窒素酸化物(NOX )の排出量は、燃焼温度に対して、指数関数的に増加し、そのため正しくプロセスを管理することによって制御することができる。
それで、水素は、他の燃料よりも大きな自由度を示しているので、低い燃焼温度が達成される限りにおいては(例えば、過剰空気を多くして)、石油や天然ガスに対して、窒素酸化物の排出量を明らかに低減することが可能である。粒子および硫黄の排出は、潤滑剤から出る僅かな残り滓だけにまで、完全に防止される。
低温燃料電池における燃料電池の動力に水素を採用した場合、有害物質の排出全体が完全に防止される。水素と空気中の酸素から電流を生成する場合の反応生成物としては、鉱物質を除去された水だけが生じる。より高い温度レベルの燃料電池に水素を採用すると、従来の熱機関と比較して、排出を1/100までに低減することができる。
水素は、惑星である地球上には、水の中に結合し、水の閉じた循環系を介して、無限の量で存在している。そのことによって、化石燃料の場合とは異なり、水素の場合には、資源の欠乏ということにはなり得ない。
もっとも、水素に関しては、それがまさに必要とされている場所および状況に対して準備するのは、無条件に簡単に実現できることではないということを考慮しなければならない。この関係では、移動手段、特に自動車に水素を供給することができる、所謂水素のサービスステーションが繰り返し提案されている。しかし、この場合、そのような水素のサービスステーションは、少なくとも今日まで未だ全く普及しておらず、むしろ例外的なものであり、その結果この提案は、少なくとも大量生産市場には受け入れられていない。
さらに、水素を用いた動力に関しては、移動手段の車体内に水素を携行することは、所要の貯蔵体積に関する大きな必要量のために、実用的でなく、高価であるだけでなく、信頼性が無いので、比較的危険である。
前述した欠点および不十分な点から出発して、ならびに概括した従来の技術を評価した上で、この発明の課題は、必要に応じて、ならびに簡単、安価、清潔および確実な方法で、燃料を、特に水素の形で、しかも、有利には移動手段の車体内において製造可能とする、燃料を、特に水素の形で供給するための方法ならびに装置を提供することである。
この課題は、請求項1、あるいは請求項2、あるいは請求項4に挙げた特徴を持つ方法ならびに請求項10、あるいは請求項11、あるいは請求項13に挙げた特徴を持つ装置によって解決される。この発明の有利な構成および目的に適った改良構成は、各従属請求項において、その特徴が記載されている。
この発明の示すところにより、燃料(以下では、この発明の範囲において、「燃料」という概念は、「燃料混合物」という概念をも含むものとする)、特に燃料として機能する水素(H2 )の供給は、有利には、水タンクまたは貯水タンクから来る水(H2 O)に、三原子オゾン(O3 )および/または触媒作用のアンモニア(NH3 )だけでなく、まず第一に、例えば一酸化窒素(NO)または二酸化窒素(NO2 )などの窒素酸化物(NOx )を混合する形で行われる。
この関係では、窒素酸化物(NOx )が、好適な多段触媒(mehrstufige Katalysierung )または触媒コンバータとしても機能し、それによって、水(H2 O)が不安定または安定でない状態に置かれる、あるいは亜硝酸アンモニウム(NH4 NO2 )および/または硝酸アンモニウム(NH4 NO3 )を、規定の、有利には少なくとも一つの調節器または制御器を用いて調整可能な濃度で、水(H2 O)に溶解させるものである。
そこで、この「非常に不安定な」または「非常に安定でない」、有利には容易に分解する亜硝酸アンモニウムまたは硝酸アンモニウムを混合した水は、大幅に緩和された条件の下で、ならびにエネルギー、例えば、商用の12V自動車バッテリーから利用可能なエネルギーの最小限の消費により、分解させることができ、その際窒素(N2 )、酸素(O2 )、および水素(燃料であるH2 )の生成を伴って電気分解させることは、この目的に適うものである。言い換えると、これは、不安定な水、あるいは不安定な亜硝酸アンモニウムおよび/または硝酸アンモニウムは、相応の「分割(Cracking)」に利用可能である、あるいはこの「分割」に非常に反応し易いことを意味している。
特にエネルギーの少ない方法で、この不安定な水、あるいはこの不安定な亜硝酸アンモニウムおよび/または硝酸アンモニウムを分子レベルで分解することを可能とするために、この発明による方法の改良構成にもとづき、この不安定な水、あるいはこの不安定な亜硝酸アンモニウムおよび/または硝酸アンモニウムの常磁性成分から、この不安定な水、あるいはこの不安定な亜硝酸アンモニウムおよび/または硝酸アンモニウムの反磁性成分を分離することは、この目的に適ったことである。
この関係では、反磁性物質とは、その(無次元で相対的な)透磁率の値μr が、1より小さい、あるいはその(無次元の)磁化率κ(=μr −1)が0より小さい物質とみなし、それに対して、常時性物質とは、その(無次元で相対的な)透磁率の値μr が、1より大きい、あるいはその(無次元の)磁化率κ(=μr −1)が0より大きい物質とみなす。
燃料製造および燃料利用分野、特に水素製造および水素利用分野の当業者、例えば水素動力分野の技術的知識を持つ化学技術者は、この発明に関して、特にこの発明にもとづき、移動手段の車体内において、燃料、特に水素の嵩張る、そのために非実用的、高価および危険な保管および貯蔵の必要性が、もはや全く無くなり、むしろこの発明により、「オンデマンド」で、すなわち所要量における具体的な要求にもとづき、その場で、例えば移動体の車体内で、燃料、特に水素を作り出すことが可能であることを評価すべきであると心得ている。
この場合、この発明の基本的な方法で、水1リットル当りに約100キロメートルの移動手段の走行範囲をベースとする、すなわち、燃料としての水にもとづく、この発明により提供されるシステムは、明らかに安価なだけでなく、非常に安全である(どのような場合においても、タンク内容物の爆発の危険を確かに持つ、化石エネルギー源から得られる燃料を携行するよりは安全である)ことを、難なく認めることができる。
所謂「温室効果」、すなわち二酸化炭素の排出による地球環境の温暖化のますます切迫する問題に直面して、この発明のさらに大きな利点として、好適な燃焼動作においては、全く有害な排出を発生しないのも同然である、むしろプロセス全体の排出物または副産物として、純粋な水だけが発生し、その結果この発明にもとづく、前述した方法も、前記の装置も、汚染しないという意味において、絶対的に「排気ガスを出さない」ものであることを挙げることができる。
この発明によって可能となる別の進歩として、燃料サービスステーション、特に水素サービスステーションに関係なく、移動可能であることに注目することができる。特にこの発明の改良構成において、移動に必要な燃料、特に水素は、移動手段の車体内で、直接かつ必要に応じて作ることができるので、広域にわたる、費用のかかる、燃料、特に水素の補給ステーションのインフラストラクチャーが無くても済ますことができ、むしろ、特に水素の形での燃料を供給するためのコンパクトで安全な、「車載」装置を用いて、供給することができる。
この発明の有利な構成では、移動手段の既存の生産ラインおよびシステムに、この装置を組み込むことができる。この場合、もっとも既存の概念の改訂および修正(所謂、「リエンジニアリング」)が可能であり、場合によってはそれも必要であるが、既存の(4サイクル)燃焼エンジンの基本的なレイアウト、設計ならびに思想は、維持することができる。
言い換えれば、それは、この発明は、プロセス工学的にも、装置の構成に関しても、(旧式の自然吸気の気化器システムから、高度技術による、コンピュータ制御の燃料噴射システムまでの)燃焼エンジンだけでなく、タービンのすべての種類において、利用することができ、とりわけ、そのことによって、この発明を用いて、幅広い大量生産市場を開拓することができる。
この関係では、この発明の方法および/またはこの発明の装置を用いて、少なくとも、いかなる場合でも燃焼エンジンに、またはタービンにも、十分な(それ以上の)供給が保証される程度の量の燃料、特に水素を常に供給するものである。
この発明の方法、ならびにこの発明の装置の基本的な改良構成にもとづき、供給される燃料、特に水素は、無条件に、例えば燃焼の形で、直接的に利用しなければならいということではなく、むしろ、この発明にもとづき、それから後の時点で本来の用途に利用することができるように、例えば、少なくとも燃料電池における、一時的な保管および貯蔵のために、燃料、特に水素を生成することも可能である。
この発明においては、この発明の方法を用いて、および/またはこの発明の装置によって、生成し「過ぎた」、すなわち、各利用または用途において余った燃料、特に水素のためにも、この保管および貯蔵のオプションは存在するものである。
この発明の方法ならびにこの発明の装置の有利な構成にもとづき、必要とされない液体の構成要素は、材料の流れから取り除かれて、循環系に戻すことができる。このために、好適な方法で、「排水器(Water Trap)」として構成された、少なくとも一つの再循環ユニットを配備することができ、それは、不安定な水の分解後に、燃料、特に水素に付随する、すべての液体の構成要素に対して、一種のフィルターとして機能するものである。この「排水器」によって、これらの液体の構成要素が集められ、その結果もっぱら燃料、特に水素、ならびに場合によっては、これに付随するアンモニアガスおよび酸素ガスが、燃焼エンジンまたはガスタービンに到達することが保証される。
有利な改良構成において、燃料または不安定な水、あるいは亜硝酸アンモニウムおよび/または硝酸アンモニウムは、
・少なくとも一つの燃料電池に、および/または
・少なくとも一つの燃料バッファー貯蔵器に、および/または
・少なくとも一つの燃料バッファータンク、あるいは
・少なくとも一つの第二反応室に、特に少なくとも一つの変換器ユニットまたは変換器室に、
送出することができる。こうすることによって、所望の燃料量、特に水素量が、常に利用可能であり、その結果燃焼エンジンまたはガスタービンの停止する可能性が、確実な方法で排除することが可能であることが保証される。
最後に、この発明は、例えば、以下のような移動用途の範囲内、または固定用途の範囲内における、前述した方法および/または前述した装置にもとづき作り出された燃料、特に水素を利用することに関する。すなわち、
・とりわけ、移動手段、特に自動車に配備された、少なくとも一つの燃焼エンジン、例えばオットーエンジン、ディーゼルエンジン、ロータリーエンジンなどを駆動するため、および/または
・少なくとも一つのガスタービンを駆動するため、および/または
・燃料貯蔵庫として、少なくとも一つの燃料電池に供給するため、および/または
・加熱目的用、および/または
・水素を燃料として利用する、少なくとも一つの設備に投入するため。
既に前述したとおり、この発明の思想を、有利な形で構成および改良するための様々な可能性が存在する。これに対しては、一方では、請求項1,2,4,10,11,13の従属請求項を参照し、他方では、以下において、図1Aから5までに図解した二つの実施例をもとに、この発明の別の構成、特徴および利点をさらに詳しく説明する。
図1Aから5では、同じまたは類似の構成、部品または特徴には、同じ符号が付与されている。
図1Aには、この発明にもとづく方法で動作する、水素H2 の形で燃料を供給するための装置100の第一実施例が、模式的なブロック接続図で表されている。この装置100は、周知の(図の見易さの理由から、図1Aでは明確には描かれていない)自動車に取り付けられ、この自動車に、特にこの内部燃焼室90(所謂「燃焼室(combustion chamber)」)に、各運転状態において、水素H2 の形で十分な量の動作媒体(「動力燃料」、「駆動燃料」)を供給する働きを持つ。
非腐食性の材料、例えば、グラスファイバー、あるいはポリエチレン、あるいはステンレス鋼から製造される水貯蔵器ユニット10(所謂「H2 Oタンク」、図2参照)は、通常の浄化されていない水道水、または鉱物質を除去した水で満たされ、この水H2 Oは、水貯蔵器ユニット10に後続する反応ユニット30(所謂「反応器(reactor )、図4参照」)に到達する。さらに、この反応ユニット30内には、例えば、一酸化窒素NOまたは二酸化窒素NO2 などの窒素酸化物NOx 、および三原子オゾンO3 が導入される。
反応ユニット30に前置されるガス発生器ユニット20(所謂「三原子発生器(triatomic generator )」)内では、とりわけ空気中の窒素N2 ならびに空気中の酸素O2 を転換することによって、窒素酸化物NOx も、三原子オゾンO3 も得られる。この場合、ガス発生器ユニット20の第一段20aは、窒素酸化物NOx 、特に二酸化窒素NO2 を作り出すものと規定され、ガス発生器ユニット20の第二段20bは、三原子オゾンO3 を作り出す働きを持つ。
ガス発生器ユニット20、特にガス発生器ユニット20の第一段20aの構成部分には、電気回路22(所謂「三原子回路(triatomic circuit )」、図3参照)があり、その基本的な機能は、スイッチ2422によって切り換え可能なエネルギー源24(図3参照)からの低い電圧、例えば12Vといった電圧源の形で供給される直流電圧を、例えば矩形パルスの形状の、少なくとも約30,000ボルトの規模の高電圧に変圧すること(この発明の別の実施構成は、約30,000ボルト未満の規模の高電圧も可能である)であると見なすことができる。
詳細には、この電気回路22では、符号2202で表示された「555タイマーIC」(IC=集積回路)の周囲には、非安定発振器が配置されている。この場合、発振周波数は、コンデンサー2210(例示的な規模:100ナノファラッド)、ならびに三つの抵抗2212(例示的な規模:10キロオーム)、2214(例示的な規模:27キロオーム)および2216(例示的な規模:100キロオーム;可変)を用いて、120ヘルツに調整される。電気回路22のこの部分に該当する出力信号は、12ボルトの入力または供給電圧の規模の最大振幅を持つ矩形信号の連続である。
以下においては、この電気回路22の「発振器部」の機能および作用の仕方を詳しく説明する。自動車バッテリー24から供給される12ボルトの入力または供給電圧の印加直後では、その容量を例えば約0.1マイクロファラッドの規模で変動させることができるコンデンサ2210の電圧は、ほぼ地電位に一致する[他のコンデンサー2290(例示的な規模:100ナノファラッド)、コンデンサー2292(例示的な規模:222マイクロファラッド)およびコンデンサ2294(例示的な規模:4.7ナノファラッド)の接続関係は、図3から分かるとおりである]。
この電圧は、タイマー2202の入力端子2204のところにある、時間軸でのトリガー比較器により検出され、それによってタイマー2202の内部フリップフロップを設定することができ、それが、またタイマー2202の出力端子2208における出力電圧が、上昇するか、あるいは12ボルトの供給電圧の電圧レベルに留まるという結果に結びつくこととなる。
次に、放電トランジスターが開放され、そのことによって、三つの抵抗2212(例示的な規模:10キロオーム)、2214(例示的な規模:27キロオーム)および2216(例示的な規模:100キロオーム)を介して、コンデンサー2210を充電することができる。この関係では、コンデンサー2210は、充電された状態で、12ボルトの供給電圧に近づくが、その際供給電圧の約2/3に到達した時点、すなわち約8ボルトに到達した時点で、タイマー2202の入力端子2206のところにある閾値比較器が作動する。
そのことは、内部フリップフロップをリセットすることになり、タイマー2202の出力端子2208における出力電圧が、再び地電位のレベルに戻る。そのため、放電トランジスターが、導通状態に移行し、そのことによって、コンデンサー2210は、コンデンサー2210の電圧が、供給電圧の約1/3、すなわち約4ボルトに低下するまで、抵抗2216と2214を介して放電され、このレベルでは、トリガー比較器は、タイマー2202の出力端子2208を、再び「高い」状態(または12ボルトの供給電圧に近い状態)に移行させることとなり、そしてこのサイクルが、新たに始まる。
タイマー2202の出力端子2208における出力信号は、符号2220で表示された74C74Dタイプのフリップフロップのタイミング入力端子2222に繋がっている。この集積回路は、二重の機能を有し、一つには、フリップフロップ2220によって、タイマー2202の周波数が、「同等の部分」に半減され、その結果公称で60ヘルツの出力信号が発生し、その他には、フリップフロップ2220が、その後の回路で必要とされる、二つの互いに相補的な出力端子2224と2226を同時に提供するものである。
フリップフロップ2220の出力信号が供給される、その後の回路の部分は、バッファートランジスター2234と2238とから構成される。この関係では、二つのバッファートランジスター2234と2238に配備された抵抗2232(例示的な規模:3.3キロオーム)または2236(例示的な規模:3.3キロオーム)は、各々のバッファートランジスター2234または2238のベースに流れる電流を安全な値に制限する。抵抗2242(例示的な規模:1キロオーム)または2244(例示的な規模:1キロオーム)は、所謂「プルアップ」抵抗として、バッファートランジスター2234または2238の各コレクタに配備されている。
バッファートランジスター2234または2238の出力信号は、それぞれトランジスター2252,2254またはトランジスター2256,2258のペアから成る、所謂「プッシュプル」トランジスターとそれぞれ接続されている。この場合、PNPトランジスター2252または2256は、トランジスター2254または2258に対する駆動トランジスターとして機能する、すなわち主パワートランジスターの電流条件が、PNPトランジスター2252または2256によって満たされ、その結果完全な飽和状態を達成することができる。
このPNPトランジスター2252または2256によって供給される駆動電流の強さは、インバーターの出力を介して接続される負荷に依存して、5アンペアまでにすることができる。様々な好適に選択した抵抗2262(例示的な規模:49キロオーム)、2264(例示的な規模:49キロオーム)、2266(例示的な規模:330オーム)、2268(例示的な規模:330オーム)、2272および2274を、個々のトランジスター2252,2254または2256,2258の前に、中間に、あるいは後に接続する。
所謂「プッシュプル」モードで互いに接続されたトランジスター2254と2258は、変圧器2280の一次コイル2282のそれぞれ配備された中間タップ2284,2284' に、交互に電流を印加する。この関係では、交互に電流を導入するということは、他方のトランジスータ2258または2254が、ちょうど完全な飽和状態に成った場合に、一方のトランジスータ2254または2258への接点が遮断されるということを意味する(およびその逆)。
この二つのトランジスター2254と2258の交互の切り換えによって、変圧器2280の変圧器鉄心2286では、磁気誘導の形で、二次コイル2288への「エネルギー移送(energietransfer )」を生じさせる磁場が生成される。二次コイル2288の巻線数に対する一次コイル2282の巻線数の比率を相応に選択することによって、二次コイル側に、例えば矩形パルスの形状で形成された、少なくとも約30,000ボルトの規模の高電圧を引き出すことができる。
そこで、空気、すなわち出発物質である空気中のN2 も、出発物質である空気中のO2 も、ガス発生ユニット20の第一段20aにおいて、電気回路22から供給される、少なくとも約30,000ボルトの規模の高電圧によって生成される高電圧アーク放電の形で、一連の電気放電を受ける。
これは、窒素N2 が原子化、すなわち分解し、高温の印加の下に、以下の反応式にもとづき、酸素原子と結合して、一酸化窒素NOとなる(ΔH=+90.4キロジュール/モルの吸熱反応)結果をもたらす。

2 +O2 −−>2NO

このような形でガス発生器ユニット20で生成された一酸化窒素NOは、NO分子における奇数の電子のために(-->少なくとも一つの電子が不対電子である)、空気中の酸素O2 によって、直ぐに二酸化窒素NO2 に酸化し、その結果反応ユニット30には、(オゾンO3 以外に)最終的に二酸化窒素NO2 が到達し、この二酸化窒素NO2 は、水H2 Oに非常に良く溶解する。
オゾンO3 を生成することを目的とするガス発生器ユニット20の第二段20bでは、二原子の酸素分子O2 が、低温の電気放電を用いて、以下の反応式にもとづき、反応性の強い三原子のオゾンO3 に転換される(ΔH=+68キロカロリー/モルの吸熱反応)。このようにして生成されたオゾンO3 の利用については、また後で詳しく取り上げる。

3O2 −−>2O3

しかし、反応ユニット30では、いまやオゾンO3 が加えられたことで、特に窒素酸化物NOx の触媒作用により、水H2 Oが、不安定として特徴付けられる状態に移行し、そのために、反応ユニット30では、水H2 O、オゾンO3 および窒素酸化物NOx が、好適な混合器および/または攪拌器を用いて、丹念かつ不断に混ぜ合わせられる。
この関係では、水H2 Oが優勢に存在するNO2 と反応することによって、この発明の基本的な方法で、水酸基イオンOH- (すなわち、窒素酸化物NOx が、各水分子H2 Oから水素原子H+ を受け取る)だけでなく、例えば、一酸化二窒素N2 O、亜硝酸HNO2 または硝酸HNO3 などの一連の窒素を含む化合物も形成され、これらの窒素を含む化合物では、窒素原子が、低い酸化状態にある。
そのほかに、一酸化窒素NOと二酸化窒素NO2 も、窒素N2 自体をも含む、これらの窒素を含む化合物は、水H2 Oと反応して、電荷移動し、例えば、以下の反応式にもとづき、遊離した水素イオン(=陽子H+ )ならびにマイナス電荷を持つ過酸化窒素イオンNO3 - となる。

2 O+NO2 −−>2H+ +NO3 -
2 O+HNO2 −−>3H+ +NO3 -
2H2 O+NO−−>4H+ +NO3 -
3H2 O+NH4 −−>10H+ +NO3 -
5H2 O+N2 O−−>10H+ +2NO3 -
6H2 O+N2 −−>12H+ +2NO3 -

前述した窒素を含む化合物は、反応ユニット30において、酸素、窒素および水素の原子を反応させた生成物とすることも可能であり、その際これらの窒素を含む化合物が曝される、例えば圧力、温度および/または電流などの周囲条件が大きな影響を持つ。しかし、不安定な水は、圧力、温度および/または電流の影響に対してだけでなく、分子的な「分割」をもたらす、例えば重力、磁気および/または同等のものなどの、その他の力に対しても敏感である。
そこで、前に詳しく述べたとおり、水貯蔵器ユニット10から来る水H2 Oには、窒素酸化物NOx が溶解しているので、前記の反応は、ある意味では、化学反応の副産物として解釈することができる。これに関して、反応ユニット30に後続する分離ユニット40(所謂「分子分離器(molecule splitter )」、図5参照)では、不安定な水分子は、酸素O2 と、燃料として機能する水素H2 に分解される。この場合、不安定な水を分解するために、分離ユニット40では、分子レベルにおいて、この不安定な水の常磁性成分から、この不安定な水の反磁性成分が分離される。
この少なくとも部分的に電気分解の分解または分離措置のために、分離ユニット40には、凡そ例えば12ボルトの電圧源の形で、エネルギー源24が組み込まれる。有利な方法では、このエネルギー源24は、ガス発生器ユニット20の電気回路(所謂「三原子回路」)に対して、約30,000ボルトの規模の高い電位差に変圧される直流電圧を供給するものと同じエネルギー源である。
この分解または「分割」を実行するためには、この分離ユニット40は、例えば、アルミニウムまたは銅から製造された、少なくとも二つの電極42を有し、それらの各々に組み込まれた先端は、互いに非常に小さな間隔しか持たず、例えば、少なくとも一つの商用の自動車バッテリーである、組み込まれたエネルギー源24による電圧インパルスによって、約1000°C以上の温度にまで加熱される。
この温度では、アンモニアNH3 は、燃焼または沸騰して気化し、イオンが混ざった溶液が後に残り、そこでは、(水中における溶接のアーク放電に匹敵する)加熱された電極の先端間における電流の流れによって、分子は、その個別の元素に分解する。この発明の場合、電極42の先端に集中する電子の移動(所謂「先端効果(Spitzeneffekt )」)によって、個々の分解する不安定な分子の潜在的なエネルギーが加重されるほど、このことは、より簡単になり、その結果分散力(所謂「ロンドン力」)が克服される。このようにして、個々の分子をその独立した元素に分解するために、従来より大幅に少ないエネルギーしか要しない。
この分離ユニット40には、燃料から液体の構成要素を除去するために配備された、ある意味ではフィルターとして機能する再循環ユニット50(所謂「排水器」)が後続しており、それを用いて、燃料フロー(=ガス状の水素フロー)から、例えば、二酸化窒素NO2 、亜硝酸HNO2 または硝酸HNO3 、ならびに水自身H2 Oなどの、いかなる液体の構成要素をも抽出して、反応ユニット30に戻すことができる。
この目的のために、再循環ユニット50は、常に比較的一定のレベルで水H2 Oを充填されており、その際例えば、二酸化窒素NO2 、亜硝酸HNO2 または硝酸HNO3 、ならびに水自身H2 Oなどの液体の構成要素を除去することによって、再循環ユニット50には、「新鮮な」水H2 Oに対する恒常的な要求があり、すなわち再循環ユニット50の内容物が、例えば、アンモニアNH3 または酸素O2 で飽和するのを回避するために、再循環ユニット50は、図1Aの図解から分かるとおり、水貯蔵器ユニット10から絶えず「新鮮な」水H2 Oを供給されている。
このようにして、反応ユニット30、分離ユニット40および再循環ユニット50によって規定される循環系において、触媒作用の窒素を含む構成要素が持続的に残留することが保証され、言い換えると、再循環ユニット50を配備することによって、ガス状の燃料H2 以外には、例えば、アンモニアNH3 または酸素O2 などの多かれ少なかれ故意にではなく残留するガス状の物質のみが、燃焼室90に到達する。
この再循環ユニット50には、燃料ポンプユニット60(所謂「燃料ポンプ」)が後続しており、これを用いて、分離ユニット40から、燃料ポンプユニット60に後続する燃料バッファータンク70(所謂「バッファータンク」)に燃料を送出することができる。燃料ポンプユニット60によって、確実な方法で、何時でも必要な燃料量(水素量)が供給されるということが保証され、その結果燃焼室90への不十分な供給と、そのために燃焼エンジン(またはガスタービンも)の「停止(Absterben )」が回避される。
基本的に同じ目的(燃焼室90に燃料を十分に供給し、それによって燃焼エンジンまたはガスタービンの停止を回避すること)で、前述の燃料バッファータンク70は、分離ユニット40から移送されたガス状の水素H2 を貯蔵可能であり、必要に応じて、すなわち「オンデマンド」で、そこから水素H2 を取り出すことができるという形で機能する。
中間貯蔵器として機能する燃料バッファータンク70は、例えば(液体の)水素H2 で200ミリリットルの最大貯蔵能力を有し、その結果一定の水素を生成する場合に、燃焼室90により実現される(エンジンの)回転数を小さい範囲内で変動させることも可能である。この関係では、燃料バッファータンク70は、この発明の基本的な意味において、特に自動車の加速時および自動車のより高い回転数領域で、燃焼室90に燃料H2 を十分に供給することを保証するためにも存在するものである。
燃料調節ユニット80が、燃料バッファータンク70に後続するとともに、燃焼室90に前置されており、これは、燃料バッファータンク70から供給される水素H2 とガス発生器ユニット20から供給されるオゾンO3 の成分比または混合比を制御しており、その後にこの混合物が燃焼室90に入る。この燃料調節ユニット80は、水素の生成を燃焼室90の水素消費に調整するために、例えば電子制御の形で構成され、それゆえ燃焼室90では、「エンジンをふかすこと(Gasgeben)」も可能である。
図1Aのブロック図からは、ガス発生器ユニット20は、オゾンO3 を、反応ユニット30だけでなく、相当の部分を燃料調節ユニット80にも配分することができることが分かり、そのためには、二つの部分、あるいは二つの別々の段20a,20b(図1A参照)または二つの別々の構成部分の形で、ガス発生器ユニット20を構成するのが有利である。
オゾンO3 を燃焼室90に供給する背景は、ガス発生器ユニット20から供給されるオゾンO3 とともに、エネルギー源である水素H2 を移送するガス流から一緒に来るガス状のアンモニアNH3 が燃焼室90で(ほぼ)完全に燃焼されて、窒素N2 と水H2 Oになるため、特に酸素O2 ではなく、オゾンO3 を用いて、多かれ少なかれ残留物質の無い、すなわち特に排ガスの無い、汚染の無い燃焼をもたらすことができるという事実に見ることができる。
さらに、特に三原子オゾンO3 が、二原子の酸素O2 よりも速く反応し、より高いエネルギー供給ならびに非常に低い燃料消費が保証されるので、酸化剤として、三原子オゾンO3 を用いることによって、この装置100の性能を大幅に向上することができる。
図1Bには、同様に、この発明による方法で機能する、燃料(混合物)を供給するための装置100' の第二実施例の模式図が描かれている。以下においては、図1Bによる装置100' の第二実施例に対する相応の説明がなされていない限り、無用の繰り返しを避けるために、この図1Bによる装置100' の第二実施例の構成、要素、特徴および/または利点に関して、図1Aによる装置100の第一実施例に対する相応の説明が適用される。
非腐食性の材料、例えば、グラスファイバー、あるいはポリエチレン、あるいはステンレス鋼から製造される水貯蔵器ユニット10(所謂「H2 Oタンク」、図2参照)は、通常の浄化されていない水道水、または鉱物質を除去した水で満たされ、この水H2 Oは、水貯蔵器ユニット10に後続する第一反応室30' に到達する。さらに、この第一反応室30' 内には、例えば、一酸化窒素NOまたは特に二酸化窒素NO2 などの窒素酸化物NOx 、ならびに亜硝酸HNO2 または硝酸HNO3 および/またはアンモニアNH3 が導入される。
窒素酸化物NOx は、第一反応室30' に前置されたガス発生器ユニット20(所謂「三原子発生器」)の第一室20a' において、特に空気中の窒素N2 ならびに空気中の酸素O2 からの転換によって得られる(空気Luによる触媒分解、図1B参照)。この関係では、ガス発生器ユニット20で生成された一酸化窒素NOが、空気中の酸素O2 によって酸化されて、直ぐに二酸化窒素NO2 になり、その結果第一反応室30' には、最終的に二酸化窒素NO2 が到達し、この二酸化窒素NO2 は、水H2 Oに非常に良く溶解するということに考慮すべきである。
空気Luによる触媒分解に代わって、またはこれに加えて、窒素・酸素化合物、特に二酸化窒素NO2 は、硝酸HNO3 を二酸化窒素NO2 、水H2 Oおよび酸素O2 に解離させることによっても生成することができる。
さらに、ガス発生器ユニット20の第二室20b' によって、オゾンO3 が供給されるが、このオゾンO3 は、図1Bによる装置100' の第二実施例では、第一反応室30' には導入されず、オゾンポンプユニットとして構成されたポンプユニット62を介して、(以下において、また説明する)第二反応室40' に直接供給される。
窒素・水素化合物、特にアンモニアNH3 の供給に関しては、すなわち、この発明にもとづき、特に少なくとも一つの金属、例えば亜鉛Znの作用の下に、アンモニアNH3 を生成するために、この第一反応室30' に、水素・窒素・酸素化合物、特に亜硝酸HNOおよび/または硝酸HNO3 を供給するという別の選択肢がある(図1B参照)。
そこで、第一反応室30' では、
・水貯蔵器ユニット10から来る水H2 O、
・添加された亜硝酸HNO2 および/または硝酸HNO3
・添加された触媒作用のアンモニアNH3 、ならびに
・窒素酸化物NOx 、特に二酸化窒素NO2
を転換することによって、非常に不安定として特徴付けられる化合物である亜硝酸アンモニウムNH4 NO2 および/または硝酸アンモニウムNH4 NO3 が作られる。このために、第一反応室30' では、好適な混合器および/または攪拌器を用いて、水H2 O、亜硝酸HNO2 または硝酸HNO3 、および/またはアンモニアNH3 ならびに窒素酸化物NOx 、特に二酸化窒素NO2 を徹底的かつ恒常的に混ぜることができる。
それゆえ、第一反応室30' では、窒素酸化物NOx 、特に二酸化窒素NO2 の触媒作用により、すなわち水H2 Oが、電荷移動によって起こる、不安定として特徴付けられる状態になる。
この第一反応室30' には、ポンプユニット60が後置され、このユニットを用いて、第一反応室30' で作られる、液体の形の、すなわち水H2 Oに溶けた亜硝酸アンモニウムNH4 NO2 および/または硝酸アンモニウムNH4 NO3 を、第一反応室30' から、ポンピングによって、ポンプユニット60に後置された第二反応室40' (所謂「燃料変換器(fuel converter)」)に移送することができる。
水H2 Oにおける亜硝酸アンモニウムNH4 NO2 および/または硝酸アンモニウムNH4 NO3 の濃度を、例えば、自動車エンジンの燃料に必要な程度に調整するため、または例えば、自動車エンジンの燃料に必要な程度に応じて変化させるために、第一反応室30' の終端には、調節または制御器32が配備されている。
非腐食性の材料、例えば、グラスファイバーまたは熱可塑性のプラスチックから製造されたポンプユニット60によって、確実な方法で、何時でも亜硝酸アンモニウムNH4 NO2 および/または硝酸アンモニウムNH4 NO3 の必要な量が供給され、その結果第二反応室40' (-->ならびに燃焼室90)への不十分な供給と、それによる燃焼エンジン(またはガスタービンも)の「停止」が回避されるということが保証される。
ここで、前述したとおり、水貯蔵器ユニット10から来る水H2 Oには、窒素酸化物NOx が溶解しているので、前記の反応は、ある意味では化学反応の副産物と解釈することができる。このために、第二反応室40' (所謂「燃料変換器」)では、臨界圧力および、例えば150°Cから200°Cまでの規模の臨界温度が維持され、その結果所要および/または所望の場合に、亜硝酸アンモニウムNH4 NO2 および/または硝酸アンモニウムNH4 NO3 を、液体の状態からガス状の状態に転換することができる。
したがって、第二反応室40' では、亜硝酸アンモニウムNH4 NO2 および/または硝酸アンモニウムNH4 NO3 は、ガス状の状態にある、すなわちガス発生器ユニット20の第二室20b' から第二反応室40' に供給されるオゾンO3 との混合を行うことができる。この場合、図1Bのブロック図から分かるとおり、ガス発生器ユニット20の第二室20b' は、第一反応室30' にではなく、オゾンポンプユニット62を介して第二反応室40' にのみオゾンO3 を提供しており、そのためには、ガス発生器ユニット20を、二つの部分、あるいは二つの別々の室20a' ,20b' (図1B参照)または二つの別々の構成部分から構成するのが有利である。
方法のこの段階では、ガス状の不安定な亜硝酸アンモニウムNH4 NO2 および/または硝酸アンモニウムNH4 NO3 は、いまや第二反応室40' で「原子化」している、すなわち第二反応室40' での加熱により、遊離した構成要素である窒素N2 、酸素O2 (、オゾンO3 )および水素H2 に分解、それゆえ燃料に分解している。
そこで、この燃料は、気化器ベースで、または直接噴射によって燃焼室90に供給され、その中で、燃料の本来の燃焼により、オゾンO3 が水素H2 と発熱反応(燃焼爆発)し、排気管を通して、燃焼の副産物として発生する水蒸気とともに、非常に安定な窒素N2 が排出される。
オゾンO3 を第二反応室40' に供給する背景は、ガス発生器ユニット20から供給されるオゾンO3 とともに、エネルギー源である水素H2 を移送するガス流から一緒に来るガス状のアンモニアNH3 が、燃焼室90で(ほぼ)完全に燃焼されて、窒素N2 と水(蒸気)H2 Oになるため、特に酸素O2 ではなく、オゾンO3 を用いて、燃焼室90において、多かれ少なかれ残留物質の無い、すなわち特に排ガスの無い、汚染の無い燃焼を実現することができるという事実に見ることができる。
さらに、特に三原子オゾンO3 が、二原子の酸素O2 よりも速く反応し、より高いエネルギー供給ならびに非常に低い燃料消費が保証されるので、酸化剤として、三原子オゾンO3 を用いることによって、この装置100' の性能を大幅に向上することができる。
オゾンO3 に代わって、またはオゾンO3 に加えて、生成した燃料を、簡単な空気中の酸素O2 および/または空気Luと一緒に燃焼させることも、この発明による装置100' の第二実施例の範囲内である。
さらに、それと関係無く、またはそれと関連して、第二反応室40' と燃焼室90を、統一的に、または一体化して構成すること、すなわち空間的に集中させることは、この発明による装置100' の第二実施例の範囲内である。この場合、生成された燃料は、すなわち第二反応室として形成された燃焼室90に直接導入され、そこで空気Lu、酸素O2 および/またはオゾンO3 とともに爆鳴ガス爆発させられる。
この発明による、水素の形で燃料を供給するための装置の第一実施例の模式的なブロック接続図 この発明による、燃料混合物の形で燃料を供給するための装置の第二実施例の模式的なブロック接続図 図1Aおよび図1Bの装置に配備される水貯蔵器の側面図 図1Aおよび図1Bの装置、ここでは特にガス発生器ユニットに配備される電気回路の模式的なブロック接続図 図1Aの装置に配備される反応ユニットの透視図 図1Aの装置に配備される分離ユニットの側面図
符号の説明
100 装置(第一実施例)
100' 装置(第二実施例)
10 水貯蔵器ユニット
20 ガス発生器ユニット
20a ガス発生器ユニット20の第一段
20a' ガス発生器ユニット20の第一室または第一部分
20b ガス発生器ユニット20の第二段
20b' ガス発生器ユニット20の第二室または第二部分
22 電気回路
2202 タイマー
2204 タイマー2202の入力端子
2206 タイマー2202の入力端子
2208 タイマー2202の出力端子
2210 コンデンサー
2212 抵抗
2214 抵抗
2216 抵抗
2220 フリップフロップ
2222 フリップフロップ2220のタイミング入力端子
2224 フリップフロップ2220の出力端子
2226 フリップフロップ2220の出力端子
2232 抵抗
2234 バッファートランジスター
2236 抵抗
2238 バッファートランジスター
2242 抵抗
2244 抵抗
2252 PNPトランジスター
2254 トランジスター
2256 PNPトランジスター
2258 トランジスター
2262 抵抗
2264 抵抗
2266 抵抗
2268 抵抗
2272 抵抗
2274 抵抗
2280 変圧器
2282 変圧器2280の一次コイル
2284 変圧器2280の一次コイル2282の第一中間タップ
2284' 変圧器2280の一次コイル2282の第二中間タップ
2286 変圧器2280の変圧器鉄心
2288 変圧器2280の二次コイル
2290 コンデンサー
2292 コンデンサー
2294 コンデンサー
24 エネルギー源、特に自動車バッテリー
2422 電気回路22とエネルギー源24との間のスイッチ
30 反応ユニット
30' 第一反応室
32 調節または制御器
40 分離ユニット
40' 第二反応室
50 再循環ユニット
60 第一ポンプユニット、特に燃料ポンプユニット
62 第二ポンプユニット、特にオゾンポンプユニット
70 燃料バッファータンク
80 燃料調節ユニット
90 燃焼室

Claims (20)

  1. 水素(H2 )の形で燃料を供給するための方法において、
    水(H2 O)が、オゾン(O3 )を添加されて、ならび亜鉛(Zn)の作用の下で、不安定な状態にされることと、
    この不安定な水が、酸素、および燃料として機能する水素を生成して分解することと、
    を特徴とする方法。
  2. 当該の不安定な水を分解させるために、
    エネルギーを供給することと、
    分子レベルで、この不安定な水の常磁性成分から、この不安定な水の反磁性成分を分離することと、
    を特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 水素(H2 )の形で燃料を供給するための方法において、
    水(H2 O)が、窒素酸化物(NOx )およびオゾン(O3 )を添加されて、電荷移動によって起こる不安定な状態にされることと、
    この不安定な水が、酸素(O2 )および燃料として機能する水素(H2 )を生成して分解することと、
    を特徴とする方法。
  4. 少なくとも一つの燃料または少なくとも一つの燃料混合物を供給するための方法において、
    少なくとも一つの反応室(40' )に水(H2 O)の混合物を導入することと、
    反応成分として機能する亜硝酸アンモニウム(NH4 NO2 )または硝酸アンモニウム(NH4 NO3 )を燃料または燃料混合物として供給することと、
    この反応室(40' )内に空気(Lu)、酸素(O2 )およびオゾン(O3 )を供給して、これらの混合物を電荷移動により不安定な状態にすることと、
    を特徴とする方法。
  5. 水(H2 O)における亜硝酸アンモニウム(NH4 NO2 )または硝酸アンモニウム(NH4 NO3 )の濃度を、少なくとも自動車エンジンの燃料消費量に合うように調節するか、あるいは少なくとも自動車エンジンの燃料消費量に依存して制御または調整することを特徴とする請求項4に記載の方法。
  6. 少なくとも一つの窒素・酸素化合物と、
    少なくとも一つの水素・窒素・酸素化合物または少なくとも一つの窒素・水素化合物と、
    水(H2 O)と、
    を、当該の反応室(40' )に前置された少なくとも一つの別の反応室(30' )内において混合して、電荷移動により不安定な状態にある、燃料または燃料混合物として機能する混合物を生成することを特徴とする請求項4に記載の方法。
  7. 硝酸(HNO3 )を二酸化窒素(NO2 )、水(H2 O)および酸素(O2 )に解離させることによって、または
    亜鉛(Zn)を触媒とする空気(Lu)の触媒分解によって、
    当該の窒素・酸素化合物を生成することを特徴とする請求項6に記載の方法。
  8. 当該の別の反応室(30' )に当該の水素・窒素・酸素化合物を供給して亜鉛(Zn)の作用の下で当該の窒素・水素化合物を生成することを特徴とする請求項6に記載の方法。
  9. 当該の反応室40' )の中の少なくとも一つにエネルギーを供給することを特徴とする請求項4に記載の方法。
  10. 当該の少なくとも一つの窒素・酸素化合物が二酸化窒素(NO2 )であり、
    当該の少なくとも一つの水素・窒素・酸素化合物が亜硝酸(HNO2 )または硝酸(HNO3 )であり、
    当該の窒素・水素化合物がアンモニア(NH3 )である請求項6に記載の方法。
  11. 水素(H2 )の形で燃料を供給するための装置(100)において、
    オゾン(O3 )を添加して、ならび亜鉛(Zn)を用いて、水(H2 O)を不安定な状態にするための、少なくとも一つの反応ユニット(30)または反応室と、
    この不安定な水を、酸素、および燃料として機能する水素に分解するための、この反応ユニット(30)または反応室に後置される、または並列に配置される、少なくとも一つの分離ユニット(40)または分離室と、
    を有することを特徴とする装置。
  12. 水素(H2 )の形で燃料を供給するための装置(100)において、
    窒素酸化物(NOx )およびオゾン(O3 )を添加して、水(H2 O)を不安定な状態にするための、少なくとも一つの反応ユニット(30)または反応室と、
    この不安定な水を、酸素(O2 )、および燃料として機能する水素(H2 )に分解するための、この反応ユニット(30)または反応室に後置される、または並列に配置される、少なくとも一つの分離ユニット(40)または分離室と、
    を有することを特徴とする装置。
  13. 当該の分離ユニット(40)または分離室が、当該の燃料から液体の構成要素を除去するために配備された、少なくとも一つの再循環ユニット(50)または再循環室を後置し、その際この液体の構成要素が、当該の反応ユニット(30)または反応室に再循環可能であることを特徴とする請求項11または12に記載の装置。
  14. 少なくとも一つの燃料または少なくとも一つの燃料混合物を供給するための装置(100' )において、
    水(H2 O)と、
    反応成分として機能する亜硝酸アンモニウム(NH4 NO2 )および/または硝酸アンモニウム(NH4 NO3 )と、
    から成る、少なくとも一つの混合物を、燃料または燃料混合物として導入することが可能であり、ならびに
    この電荷移動により不安定な状態にある混合物に、空気(Lu)、酸素(O2 )および/またはオゾン(O3 )を供給することが可能である、
    少なくとも一つの第二反応室(40' )を有することを特徴とする装置。
  15. 当該の水(H2 O)における亜硝酸アンモニウム(NH4 NO2 )および/または硝酸アンモニウム(NH4 NO3 )の濃度を、少なくとも自動車エンジンの燃料に必要な程度に調整することが可能であるか、あるいは少なくとも自動車エンジンの燃料に必要な程度に依存して変化させることが可能である、当該の少なくとも一つの第一反応室(30' )に配備された、少なくとも一つの調節器または制御器(32)を有することを特徴とする請求項14に記載の装置。
  16. 少なくとも一つの窒素・酸素化合物または二酸化窒素(NO2 )と、
    亜硝酸(HNO2 )または硝酸(HNO3 )、および/またアンモニア(NH3 )と、
    水(H2 O)と、
    を混合して、電荷移動により不安定な状態にある、燃料または燃料混合物として機能する混合物を生成するための、当該の第二反応室(40' )に前置された第一反応室(30' )が配備されていることを特徴とする請求項14または15に記載の装置。
  17. 当該の反応室40' )の中の少なくとも一つに、エネルギーを供給することが可能であることを特徴とする請求項14から16までの一つに記載の装置。
  18. 当該の反応ユニット(30)または反応室、あるいは第一反応室(30' )が、二段(20a,20b)または二つの部分(20a' ,20b' )から構成される、少なくとも一つのガス発生器ユニット(20)を前置し、このガス発生器ユニット(20)に配置または前置され、かつ高圧を生成するために配備された、少なくとも一つの電気回路(22)を用いて二酸化窒素(NO2 ならびにオゾン(O3 )を生成することを特徴とする請求項11から17までの一つに記載の装置。
  19. 当該のガス発生器ユニット(20)および/または、分離ユニット(40)または分離室あるいは第二反応室(40' )に、少なくとも一つの12ボルトの電圧源の形の、少なくとも一つのエネルギー源(24)または少なくとも一つの低エネルギー源を配置または前置することを特徴とする請求項11から18までの一つに記載の装置。
  20. 当該の反応ユニット(30)または反応室、あるいは第一反応室(30' )、および/または再循環ユニット(50)または再循環室に燃料ポンプユニット(60)を後置し、それを用いて、当該の燃料、あるいは不安定な水、あるいは亜硝酸アンモニウム(NH4 NO2 )および/または硝酸アンモニウム(NH4 NO3 )を、
    少なくとも一つの燃料電池、および/または
    少なくとも一つの燃料バッファー貯蔵器、および/または
    少なくとも一つの燃料バッファータンク(70)、あるいは
    第二反応室(40' )
    に送出することが可能であることを特徴とする請求項11から19までの一つに記載の装置。
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