JP5977352B2 - 内燃機関のためにオンデマンドで水素を発生させる水素補給システム - Google Patents

Description

本発明は、水素発生装置に関する。特に、本発明は、燃料効率を向上させ、炭素排出量を低減させるために内燃機関と共に使用できる水素補給システムに関する。

ガソリン及びディーゼルエンジンの補助として使用されるＨＨＯガス（ブラウンガスとしても知られる）を発生させるいくつかの装置が市場に存在する。ＨＨＯガスは、酸素１部に対して水素２部からなる。これらの装置は一般的に、水を水素と酸素に分解する電解槽を備える。一例は、特許第４，０２３，４０５号である。これらの電解槽は一般的に、電解液、特にＫＯＨ、水酸化カリウム、又は重炭酸ナトリウムを使用する。ＨＨＯガスを発生させるために、装置に電圧が加えられる。

これらの装置の多くの主な問題は、水素を発生させるために必要なエネルギーが車両の電気系統に大きな負荷をかけることである。車両でエアコンをかけ続けることと同様に、追加の電気負荷は、１ガロン当たりのマイル数を低下させる。水素は通常、車両の効率及びマイル／ガロンを引き上げるが、水素を発生させるための車両への追加の電気負荷は通常大きいので、車両のマイル利得（mileage gains）を最小限とするか、又は多くの場合はほとんどもしくはすべてを無効とする。

また、ほとんどのＨＨＯシステムは、結合ガス流の中で水素及び酸素を発生させる。水素及び酸素ガスは一般に、別々にされてはいない。現代のガソリン動力の車両では、この余分な酸素は、搭載コンピュータ、すなわち車両の電子制御ユニットＥＣＵにこの余分な酸素レベルを伝達する車両酸素センサによって検出される。ＥＣＵがこの余分な酸素を検出した場合、これは、エンジンに対する燃料が希薄になってきていて、ＥＣＵがより多くのガソリンをエンジンに追加するという信号である。これはまた、燃料効率の利得のほとんどを無効にする。

さらに、ＨＨＯシステムは一般的に、重炭酸ナトリウム又は水酸化カリウムＫＯＨを使用する。ＫＯＨは一般に、その安定性のため、及び電解槽で使用されるステンレス鋼板又は他の板の劣化が少ないために、重炭酸ナトリウムより好まれる。しかし、ＫＯＨは、腐食性があるため、その結晶は適切に扱われないと危険であるので、注意深く扱わなければならない。電解液は通常、電解槽の最適な操作のために適切な割合で装置に挿入されなければならない。これを使用する時は非常に注意を払わなければならない。それは一般に、経験の浅い消費者には扱わせたくない種類の製品である。

複雑な設置方法が、典型的なＨＨＯシステムのもう一つの問題である。通常、エンジン室内又は車両外のどこかにスペースを見つけなければならない。すべての車両は異なるので、多くの車両に装置を設置するためにボンネットの下に適切な場所を見つけることは、ほとんど不可能である。また、このシステムは、適切に設置されないと溶断ヒューズ及び多数の他の問題を一般的に引き起こし得る車両の電気系統に接続される。水素は、車両が実際に作動している時にのみ必要であり、イグニションがオンされた時には必要ではない。設置の間に、エンジンが作動している時にのみ電力が装置に提供されるように注意しなければならない。さもなければ、空気取入口に水素が集積し得る。これはさらに、これらのシステムの設置を複雑にする。

本発明は、水素ガスを発生させ、水素ガスを内燃機関の空気取入口に注入するための可搬型のコンパクトなオンデマンド水素補給システムに関し、特に車両用の可搬型のコンパクトなオンデマンド水素補給システムに関する。水素及び酸素は、供給タンク内の水から低い温度及び圧力で燃料電池によって発生される。水素ガスおよび酸素ガスが分配され、水が貯蔵されるよう、供給タンクを通って送り返される。ガスは、タンクの仕切り部材及びタンクの水位によって別々に保たれる。ガソリンエンジンの場合は、水素ガスは、エンジンの空気取入口に向けられ、一方、酸素ガスは、オプションとして大気に放出される。装置は、車両オルタネータ、単独のバッテリー、廃熱、又は太陽エネルギーによって駆動することができる。システムは、システムへの電力を制御し、よって、エンジンが作動している時にのみエンジンのための水素の発生制御する、真空スイッチ又は他のエンジンセンサを使用している。従って、水素が発生すると、エンジンによって直ちに消費される。水素は、車両上、車両内又は車両の周囲にも貯蔵されない。

上記及び本発明のより良い理解は、添付の図面に関連して以下の実施形態の詳細な説明及び請求項を通読した際に、これらから明らかになるであろう。上記及び下記の書面によるかつ図示された開示は、本発明の例である実施形態の開示に焦点を合わせたものだが、これらは単に例示及び一例であるだけで、本発明はこれに限定されないことが明らかに理解されるべきである。以下の簡単な図面の説明において、
図１は、本発明に従った水槽及びハウジングデザインを示す可搬型水素補給システムの詳細図である。 図２は、本発明に従った典型的な車両に設置された可搬型水素補給システムを示す概略図である。 図３は、本発明に従ったＰＥＭ電解槽の動作及び詳細を示す図である。 図４は、本発明に従った水槽６の別の実施形態の図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、本発明に従った取付ブラケット３の他の実施形態の図である。 図６は、本発明に従った制御回路５０の一実施形態の図である。

本発明は、下記でより詳細に説明するように、装置、方法、及びシステム、特に、例えば、内燃機関の燃料効率を向上させ、かつ炭素排出量を減少させるために使用される水素補給システムを提供する。本発明は、下記のように、多様な実施形態を提供する。しかし、留意すべき点として、本発明は本明細書に記載する実施形態に限定されるものではなく、当業者にとって公知であろう又は公知となるであろうその他の実施形態にも及び得るものである。

図１に示す通り、本発明は、取付ブラケット３及び締め付け部４によってトランク又は他の平らな車両の表面に固定することができるハウジングユニット２を含む可搬型水素補給システム１を提供する。ハウジングユニット２の中には、燃料電池５と、重力によって燃料電池に水７を供給するように配置された燃料電池５の上方に配置された水槽６とがある。水槽６は、支持手段８によって燃料電池の上のハウジングユニット２内に支持されている。ハウジングユニット２は、取付ブラケット３から容易に取り外し可能なように設計されている。

水槽６は、その下側に位置し、チューブに接続された給水継手９、又は燃料電池５の吸水継手１１に接続された他の供給手段１０を含む。水は、供給手段１０によって燃料電池５に供給される。燃料電池５はまた、チューブ又は追加供給手段１４及び１５によって水槽６の下側の吸気継手１６に接続される水素ガス出口継手１２及び酸素ガス出口継手１３を含む。水槽６は、水槽６を少なくとも２つのセクション、すなわち、水素セクション１８と酸素セクション１９に仕切る少なくとも１つの仕切り部材１７を含む。仕切り部材１７は、水槽６の内壁に沿って形成され、水槽６の底面２０から約１／４インチまで延出（延出）する。水槽６は、水槽が水で満たされるようにする充填スパウト２１を含む。水槽６に水が入ると、水槽は、仕切り部材１７の両側が均等に満たされる。

燃料電池５は、一般に電気を発生させると知られているが、逆に水素及び酸素ガスを発生させるために操作される。水槽からの水が燃料電池を充填し、電池全体に電圧が加えられると、水素及び酸素ガスが発生される。

本発明に従って、燃料電池５は、例えば、プロトン交換膜又はポリマー電解質膜（ＰＥＭ）電解槽であり得る。ＰＥＭ電解槽は、一般にイオノマーから作られ、かつ陽子を伝導し、その一方で酸素又は水素などのガスが不透過であるように設計される半透膜を含む。これは、プロトン交換膜燃料電池又はプロトン交換膜電解槽の膜・電極一体構造（ＭＥＡ）に組み込まれた場合の必須の機能、すなわち、反応物質の分離及び陽子の伝達である。

周知のように、電解槽は、電気を加えることによって水から水素及び酸素を生成し、低圧直流が加えられる間に水が流れる一連のプレートを含む装置である。電解槽は、電気の通過によって、通常は化合物を元素又はより単純な生成物に分解することによって、水を水素及び酸素ガスに分解する。

ＰＥＭ電解槽が図３に示される。ＰＥＭ電解槽は、対向して配される外部電極４１であって、その一方がアノード４１ａであり、他方がカソード４１ｂである外部電極４１と、アノード４１ａ及びカソード４１ｂのそれぞれに配された電解触媒４２ａ及び４２ｂと、電解触媒４２ａと４２ｂの間に配された膜４３とを含む複数の層を含む。ＰＥＭ電解槽はさらに、電力が電子の形でアノード４１ａから外部回路４４を沿ってカソード４１ｂに流れ、陽子が膜４３を通じてアノード４１ａからカソード４１ｂに流れるように、アノード４１ａ及びカソード４１ｂに電力を加える外部回路４４を含む。

ＰＥＭ電解槽の効率は、主にその膜及び電解触媒の性能の関数（function）である。膜４３は、水素を正電荷を持つ原子又は陽子として放出し易いスルホン酸基（ＳＯ_３Ｈ）を部分的に含むように化学的に変えられた（Ｈ^＋：ＳＯ_３Ｈ→ＳＯ_３ ⁻＋Ｈ^＋）固体フッ素重合体を含む。

これらのイオン形態又は荷電形態は、水が生成ガス（すなわち分子状水素Ｈ_２及び酸素Ｏ_２）ではなく膜構造に浸透することを可能にする。結果として生じる水和プロトン（Ｈ_３Ｏ^＋）は自由に動くが、一方、スルホン酸イオンＳＯ_３ ⁻は、ポリマー側鎖に固定されたままである。よって、電界が膜４３全体に加えられると、水和プロトンは、負電荷の電極（カソード４１ｂとして知られる）に引き付けられる。動いている電荷は電流と同じなので、膜４３は、電気の導体として機能する。それは、プロトン伝導体と言われる。

使用される典型的な膜材料は、「ナフィオン（登録商標）」と呼ばれる。ナフィオン（登録商標）は、少ない割合で硫酸又はカルボン酸イオン官能基を含む全フッ素置換されたポリマーである。

よって、図３で示す通り、水Ｈ_２Ｏは電池に入り、膜４３の表面で分割されて、陽子、電子、及び気体酸素を形成する。陽子が印加された電界の影響下の膜４３を通り、電子が外部回路４４を通る間に、気体酸素は電池を離れる。陽子及び電子は、反対側の表面、すなわち負電荷の電極（カソード４１ｂとして知られる）で組み合わされ、純粋な気体水素を形成する。

燃料電池５の作動中に、少量の水、水素気泡２２及び酸素気泡２３は、燃料電池５の水素出口１２及び酸素出口１３それぞれから出て、水槽６の水素側１８及び酸素側１９に流れ込む。気泡は、水を通って、タンクの水位及び槽仕切り部材１７によって形成される上方空気キャビティ２４まで上昇する。水素及び酸素ガスは、仕切り部材１７及びタンクの水位によって、上方キャビティ２４の中で互いに別々に保たれる。水素ガス及び酸素ガスがそれぞれの上方キャビティ２４を充填していくと、水素の場合はタンクの上方の継手２５を通して、酸素の場合はタンクの上方の継手２６を通してガスが流れ出ていく。水素ガスは、ハウジングユニット２の水素継手２８に接続されたチューブ２７を通して流れる。酸素は、ハウジングユニット２の継手３０に接続されたチューブ２９を通して流れる。

図２で示す通り、ガソリン又はディーゼルエンジン３２によって駆動される車両３１には、可搬型水素補給システム１が搭載されている。電力は、電線３４に接続された車両用バッテリー３３によって可搬型水素補給システム１に供給される。水素補給システムに通じる電気回路は、真空スイッチ３５、又は他のエンジンセンサ、及びエンジンが作動している時に可搬型水素発生システム１に通じる電気回路を完了させるオペレータ制御スイッチ３６を含む。電力が可搬型水素補給システム１に供給されると、水素ガスは、ハウジングユニット２の水素継手２８に接続された水素出口チューブ３７を通って、車両エンジン３２の空気取入口３８に流れる。酸素ガスは、酸素出口チューブ３９を通って流れ、酸素センサを有するガソリンエンジンの場合は、大気に放出される。２つのガスは、オプションとして酸素センサを備えないディーゼルエンジン車両又は他の内燃機関のために組み合わせることができる。

水槽６の代替の実施形態が図４に示される。水槽６では、図４で示す通り、仕切り部材１７ａ及び１７ｂは、水槽６を水素セクション１８と酸素セクション１９に仕切るように槽の両端に提供される。各仕切り部材１７ａ、ｂは、水槽６の内壁に沿って形成され、水槽６の底面２０から約１／４インチまで延出する。水槽６に水が入ると、水槽は、仕切り部材１７ａ及び１７ｂの各々の両側が均等に満たされる。

本発明に従って上述されたように、水素ガス及び酸素ガスがそれぞれの上方キャビティ２４を満たすと、ガスは、水素の場合はタンクの上方の継手２５を通して、酸素の場合はタンクの上方の継手２６を通して、上方キャビティから流れ出る。あるいは、継手２５及び２６は、ガス収集器４５及び４６に置き換えることもできる。各ガス収集器４５、４６は、チューブ２７及び２９の中に、水が入ること又は水しぶきを上げて入るのを防ぐのに役立つバッフル４７ａ及び４７ｂを含むように構築される。各バッフル４７ａ、ｂは、ガス収集器の内面４５及び４６から垂直に延びるように構成されている。特に、バッフル４７ａは、ガス収集器４５、４６の内面の他の部（そこからバッフル４７ｂが延出している）とは反対側のガス収集器４５、４６の内面の他の一部から延出するように構成されている。

取付ブラケット３の代替の実施形態が図５Ａ及び図５Ｂに示されている。取付ブラケット３には、ハウジングユニット２の下側に配されるねじ／鋲を受けるための取付ブラケット３の角の近くに位置する長円孔４８が形成されている。長円孔４８は、ハウジングユニット２の下側に配されるねじ／鋲を受けると、ハウジングユニット２が取付ブラケット３に取り外し可能に取り付けられることを可能にする。取付ブラケット３から取り外し可能なハウジングユニット２は、ユーザーが水の追加、修理の実施、部品の交換などを含むサービスのために装置を取り外すことを可能にする。

電気回路は、例えば図６に示すように、水素補給システムを制御するための制御回路５０によって提供することができる。制御回路５０は、エンジンが作動している時に正の出力を提供する真空スイッチ３５又は他のエンジンセンサと、オペレータ制御スイッチ３６がオンの位置に動かされた時に真空スイッチ３５から正の出力を提供するオペレータ制御スイッチ３６と、車の速度が所定のレベルを超えた時に正の出力を提供する全地球測位システム（ＧＰＳ）５１と、オペレータ制御スイッチ３６とＧＰＳ５１の両方の出力が正である時に正の出力を提供するＡＮＤゲート５２又は他のこのような回路と、ＡＮＤゲート５２が正の出力を供給した時に、燃料電池５に電力を切り替えるスイッチ５３とを含むことにより、エンジンが作動して車の速度が所定のレベルを超えた場合に、燃料電池５を作動させる。

水素補給システムがガソリン動力のエンジンで最適に作動するのは、エンジンへの負荷が所定のレベルを超えず、水素補給システムによって発生し、かつガソリン動力のエンジンに供給される水素の量が、事前設定された範囲内となる場合である。

ガソリン動力のエンジンでは、水素補給システムが使用する電力は、エンジンオルタネータによって供給される。上述の通り、エンジンが作動していて、かつ車の速度が所定のレベルを超える時にのみ、電力が供給される。よって、水素補給システムによってエンジンに課される負荷は、アンペアで測定されるオルタネータから引き出される電力の量に関連する。最適には、水素補給システムは、エンジンへの負荷がオルタネータから引き出される４アンペアの電力を超えない場合、又は別の方法で測定されて５６ワットである場合に、ガソリン動力のエンジンで最もよく作動する。アンペア又はワットの量は、エンジン及びオルタネータのサイズ（４、６、又は８シリンダなど）に依存することを留意すべきである。ディーゼルエンジンが異なる最適負荷設定を有することにも留意すべきである。

さらに、ガソリン動力のエンジンでは、水素補給システムによって発生して、ガソリン動力のエンジンに供給される水素の最適量は、事前設定された０.１０〜０.２５リットル／分の範囲内となる。

上記に基づいて、ガソリン動力の車は、エンジンへの負荷が４アンペアを超えない場合、又は別の方法で測定されて５６ワットである場合に、ガスのマイル／ガロンで測定される高レベルの燃料効率を達成し、また、発生してガソリン動力のエンジンに供給される水素の量は、事前設定された０.１０〜０.２５リットル／分の範囲内となる。

本発明の好適な実施形態について本発明を説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸することなく多様な修正を加えても良いものであることが理解されるべきである。すべてのかかる修正が、添付の請求の範囲内のものとなることが意図されている。

Claims (2)

1. 内燃機関に水素ガスを供給するための可搬型水素補給システムであって、
   ハウジングユニットと、
   前記ハウジングユニット内に取り付けられ、水を水素と酸素ガスに変換する燃料電池と、
   前記ハウジングユニット内に取り付けられ、前記燃料電池に水を供給するように配置された水槽と、
   前記燃料電池に電力を供給するための電源と、
   前記内燃機関の作動を検出するためのエンジンセンサと、
   オペレータ制御スイッチと、
   を備える可搬型水素補給システムであり、
   前記水槽は、前記水槽に水が入れられた時に、両方のセクションが水で満たされる少なくとも２つのセクションに前記水槽を分ける、少なくとも１つの槽仕切り部材を含み、
   前記水槽はその上部に、それぞれ水素及び酸素ガスを集めるための少なくとも第１及び第２ガス収集キャビティを含み、当該ガス収集キャビティは、前記水槽の上面、前記槽仕切り部材、及び前記水槽の水位によって形成され、
   各ガス収集キャビティはその上部に、前記水槽から水素及び酸素ガスのうちの一方を分配するための継手を含み、
   前記内燃機関が作動し、かつ前記オペレータ制御スイッチが始動されたことを前記エンジンセンサが検出すると、前記電源は前記燃料電池に電力を供給し、
   前記燃料電池は、電力が供給されると、前記燃料電池に供給される水から水素及び酸素ガスを発生させ、当該水素ガスが前記内燃機関の中で燃焼するために前記内燃機関に供給されるように、前記水素及び酸素ガスは、ガスが適切に分配されるように、前記水槽を通して前記水槽の上部にある前記ガス収集キャビティ内へと向けられ、
   前記可搬型水素補給システムは、前記エンジンセンサと前記オペレータ制御スイッチとを含む電気回路をさらに含み、
   前記電気回路は、前記可搬型水素補給システムの作動を制御し、
   前記電気回路は、制御回路によって提供され、当該制御回路は、前記エンジンが作動している時に正の出力を提供する前記エンジンセンサと、前記オペレータ制御スイッチがオンの位置に動かされた時に、前記エンジンセンサから正の出力を提供するオペレータ制御スイッチと、車の速度が所定のレベルを超えた時に正の出力を提供する全地球測位システム（ＧＰＳ）と、前記オペレータ制御スイッチと前記ＧＰＳの両方の出力が正である時に、正の出力を提供する論理回路と、当該論理回路が正の出力を供給した時に、前記燃料電池に電力を切り替えるスイッチとを含むことにより、前記エンジンが作動して車の速度が所定のレベルを超えた場合に、前記燃料電池を作動させる、
   内燃機関に水素ガスを供給する可搬型水素補給システム。
2. 内燃機関に水素ガスを供給する方法であって、
   ハウジングユニット内に取り付けられた燃料電池によって、水を水素及び酸素ガスに変換することと、
   前記ハウジングユニット内に取り付けられた水槽によって、前記燃料電池に水を供給することと、
   エンジンセンサによって、前記内燃機関の作動を検出することと、
   前記内燃機関が作動し、かつオペレータ制御スイッチが始動されたことを検出した場合に、電源によって前記燃料電池に電力を供給することと、
   電力が供給された際に、前記燃料電池によって、前記燃料電池に供給される水から、ガスが適切に配給されるように、前記水槽を通して前記水槽の上部にあるそれぞれのガス収集キャビティ内へと向けられる、水素及び酸素ガスを発生させることと、
   前記内燃機関の中で燃焼するように前記内燃機関に前記水素ガスを供給することと、
   を含み、
   前記水槽は、前記水槽に水が入れられた時に、両方のセクションが水で満たされる少なくとも２つのセクションに前記水槽を分ける、少なくとも１つの槽仕切り部材を含み、
   各ガス収集キャビティはその上部に、前記水槽から水素及び酸素ガスのうちの一方を分配するための継手を含み、
   前記可搬型水素補給システムは、前記エンジンセンサと前記オペレータ制御スイッチとを含む電気回路をさらに含み、
   前記電気回路は、前記可搬型水素補給システムの作動を制御し、
   前記電気回路は、制御回路によって提供され、当該制御回路は、前記エンジンが作動している時に正の出力を提供する前記エンジンセンサと、前記オペレータ制御スイッチがオンの位置に動かされた時に、前記エンジンセンサから正の出力を提供するオペレータ制御スイッチと、車の速度が所定のレベルを超えた時に正の出力を提供する全地球測位システム（ＧＰＳ）と、前記オペレータ制御スイッチと前記ＧＰＳの両方の出力が正である時に、正の出力を提供する論理回路と、当該論理回路が正の出力を供給した時に、前記燃料電池に電力を切り替えるスイッチとを含むことにより、前記エンジンが作動して車の速度が所定のレベルを超えた場合に、前記燃料電池を作動させる、
   内燃機関に水素ガスを供給する方法。

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