JPH049485A - 電子加熱固体高分子電解質水電解エネルギ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、自動車等に装着し、水を高能率で電解し、水
素と酸素を発生し、自動車、船、航空機、ロケット推進
や発電のエネルギ装置の発明であって、単独又はガソリ
ンと混ぜてエンジンの燃費を節減出来、エンジンの排気
による大気汚染を無くし又は減少し、且つ、同時に発生
する酸素を車内等に放出し、運転者の居眠りによる事故
を防止しうる。

わが国では高度経済社会の進展により自動車の使用台数
が激増し、自動車交通に起因する大気汚染の公害が大き
な問題となっている。

その指標となる二酸化窒素について環境基準が定められ
ているが、環境庁が調査した大気中の二酸化窒素年平均
値の経年変化は第１図に示すように近年は上昇傾向にあ
る。

このために、低公害車として電気自動車が開発されてい
るが、高価で、−充電走行距離が短く、動力性能が不足
しており、メタノール車は軽油に比べて一充填の走行距
離が半分であり、燃料供給体制も不備である。又、圧縮
天然ガス自動車は一充填の走行距離が短く、ボンベ搭載
により車両重量が増加し、水素自動車は燃料の積載技術
、運搬時の安全確保が未解決であり、ガスタービン自動
車は、信顧性、効率、加減速時の応答性が不足であり、
窒素酸化物の排出が多い。スターリングエンジンはエン
ジンが重くてかさばり、始動時間が長く、信転性をｉｔ
認する必要がある。ハイブリッド自動車（を気＋ディー
ゼル）は車重が大きくなり、モータ制御に研究を要する
。ＬＰＧ、併用型は改善費用が高く、ＬＰＧ供給体制に
問題がある。

自動車エンジンからの大気汚染成分排出低減化に対し、
これまで数多くの方法が研究されている。

その一つとして希薄燃焼方式が試みられているが、−ａ
に用いられている方法は、安定な運転を確保するために
構造が在来のものに比べて複雑になっている。

本発明は、エンジンの構造を変えることなく、水から効
率よく水素を取出して無公害又は低公害化を試みたもの
である。水素はガソリンに比較して可燃範囲が広い、燃
焼速度が大きい、点火エネルギが小さい、均一混合気が
つくりやすい、などの特性をもち、これらの利点を活用
して本発明では希薄混合気燃焼を実現し、窒素酸化物の
排出低減化もできる。

第２図は本発明装置の実施例を示す。水１を電解槽２に
供給し、車載等の蓄電池３からの電流により電解し、発
生する水素４をガソリンと共にエンジンに供給し、酸素
５を車内に放出する。

水タンク６の出口側に取換え可能な構造としたイオン交
換樹脂層７を設ける。これにより電解のための蒸留水は
不用で水道等通常水が使用出来る。

水位が電解槽２より常に高いよう且つ電解膜８に常に圧
力がかかるようタンク６は位置し導管９を経て電解槽２
の底部から入れる。何故底部からかというと電解槽２の
温度を成可く上昇させるため冷たい水を上から入れず且
つ下から入れた直後に後述するように加熱し、加熱水が
電解槽内に上昇して水タンクに逆流せず電解槽内を成可
く高熱とする事により化学反応を促進させ使用電力を少
なくするためである。

本発明の水電解法はボリマーエレクトロリシスによる固
体高分子電解質水電解であって、電解液を必要としない
のが特徴である。

電解槽２の電解膜は、第２．３，４，５，６゜７図及び
後述するように固体高分子膜８でありその一面に陽電極
１０、他の面に陰電極１１を設けたものを孔明金属板１
２．金網１３、さらに孔明金属板１４ではさんだものを
直立して設ける。なぜ直立かというと、前記膜を車体と
共に振動させ、水素泡を振り切って逃がしやすくし化学
反応を促進するためである。又、薄型にして電解槽の外
部からの加熱と内部発熱体加熱を効率よくするためであ
る。

又水素・酸素が上昇するのをさまたげないためである。

又陰極側の排水を容品にするためである。

蓄電池３に接続した電源部１５から配線１６により前記
膜８の電極１０．１１に通電する。

前記第７図の固体高分子膜８はカチオン交換膜で次の構
造式を有する。

ＣＦ＝ＣＦｚ　＋ｎＣＦｚ　＝ＣＦｚ ス この電解膜の両面に、第３図平面図及び第７図断面図で
示す如く白金族の白金、又はロジウム、パラジウム、ル
テニウム、イリジウムなどからなる耐蝕性で透気性の触
媒金属の薄膜状電極１０．１１を被着する。

第７図の如く電極１０．１１には第４図の孔明板１２が
接し、これに第５図の金網１３、第６図の孔明板１４を
当て、パツキン１７を入れて、不導体のホルダー１８の
ネジ１９でしめつける。この電解膜部分は必要に応じ例
えば３年毎に交換可能な構造となっている。孔明板１２
から陽電極１０および陰電極１１に通電すると、電解膜
８に滲透した水１が電解され、陽電極１０から酸素、陰
電極１１から水素が発生し、水素は電解槽２の上部にあ
る出口バイブ２０からエンジン等に供給され、酸素も電
極上部にある出口バイブ２１から人員室内等に放出する
。

なお、電解槽の材質はプラスティックかチタンあるいは
弗素樹脂をコーティングしたものなど耐蝕性のものを使
用する。実験によれば膜８の直径２ｃｍの場合、水素発
生量は１２ν２．５八では１２．５９ｃｃ／分、２．Ｏ
Ａで９．９８．１．５Ａで７．５３．１．０八で５．０
０．０．５Ａで２．４２を得た。直径８ｃｍの場合は５
０ｃｃ／分となった。

第２図の電解水槽２中の水を加熱するため、加熱体とし
て第９図に示す電源部１５の回路中の整流トランジスタ
等発熱素子２２をテフロンコーティング又はチタンケー
ス２３で被覆したものを電解槽２中に装着し、水１を電
解と同時に加熱し、同時に電源回路の発熱素子が冷却さ
れるよう工夫されている。特に後述する吸熱フィンを設
けず電解槽をプラスティックでつくる場合、この方法は
特に有利である。なぜならプラスティックの場合外部か
らの吸熱が出来ない事とこれに加え、内部発熱体の熱が
プラスティックにより断熱され、内部加熱効果が上がる
からである。

陽極側には発生する酸素を受ける室２４があるがここに
は電解膜８から水がわづかに滲出し、これはドレン弁２
５から排出する。

２６は、自動車エンジンボンネント内等に本装置を取付
ける支持体で、自動車等の振動により成可く電解槽８が
振動するようなエレメントとする。

第８図は、第２図の側面図において膜８が円形の場合、
導水管９を円形側面に沿うよう配置する事により全体が
コンパクトになるのみならず、フィン２７からの吸熱を
さまたげないことを示す。

本発明装置に用いている電解膜８と、触媒金属電極１０
．１１によるソリッドポリマーエレクＩ・ロシス水電解
は、電解薬液を用いず高いエネルギ効率が得られ、しか
もコンパクトにして取扱容易であるが、前述の第２図、
第８図の如く電解槽２の外側には吸熱フィン２７を設け
、これによりエンジンやボンネット内の熱気を吸収して
前記発熱素子と共に電解槽２内の水を加熱する事により
電解電圧を５〜１０％低下出来、これに加えてエンジン
の振動や、車体の走行による振動を膜８に伝えて膜８か
ら酸素ガスの脱泡を促進し、エネルギ発生効率を向上さ
せ、その結果何と９５％の超高エネルギ効率が得られた
。

本発明装置のパイプ２０から出る水素は水素エンジン吸
入ダクトに供給する。又、通常のガソリン使用自動車に
使用する事も出来る。此の場合本装置をボンネット内に
装着し、その自動車バッテリを使用し、水素をエンジン
吸気ダクトに入れ、気化したガソリンと混入すると、燃
費を節減出来るのみならず排気中のＣｏ、Ｃｏ、、Ｎｏ
、を減少出来る。又、本発明装置のバイブ２１から出る
酸素は運転室内に放出して運転者の脳に酸素を与える事
により、眠気を防止し、注意力を増大し安全運転を図る
ことができる。

第９図の本発明実施例の回路について説明するとこれは
前記蓄電池３から電解槽２に定電流を供給する電源部１
５の回路例であって、蓄電池は自動車用ＤＣ１２Ｖ、５
Ａの容量のものが使用でき、入力電圧範囲は１０〜１５
Ｖである。

出力はＤＣＯ〜４Ａの範囲で設定でき、固体高分子電解
膜の長期使用で抵抗が増大して出力電圧がＤＣ２，８Ｖ
を越えたとき、あるいはバッテリの消耗により、入力電
圧がＤＣＩＯＶ以下となったとき、および放熱部温度が
８０°Ｃ以上となったときはランプＬＥＤ　２が点灯し
、出力電流を遮断する。

出力電流供給中はランプＬＥＤ３が点灯する。

ＵＩはＤＣ−ＤＣコンバータであって、これはオペアン
プを作動させるに必要な一１２Ｖの電圧を取り出すため
のものである。

２８は温度フユーズであって、素子２２の発熱が８０ｏ
Ｃ以上になったときはその温度を感知して出力電流を遮
断する。

素子２２はとくに発熱が大きいトランジスタである。こ
れを利用して第２図のように電解槽２の水中に入れて水
温を上昇させることにより電解効率を上げて電圧を下げ
ると同時にトランジスタの冷却をするという一石二鳥の
発明である。

又は第１９図のように熱くなるトランジスタ２２に放熱
フィン２７をつけ、これをチタン等金属製電解槽２に接
して加熱してもよい。あるいは第１５図の如くチタン等
金属製電解槽２の外側に接してつけ加熱を行う。

第１０図および第１１図も本発明実施例を示し、吸熱フ
ィン２７を電解槽２の直径方向とし、吸熱フィン２７の
間に水管９を嵌込み水管９自身にも吸熱フィン２７を設
けて水槽に入る前に水を予熱する。

第１２図は電解膜８を複数枚並設して水素発生量を増大
した本発明実施例を示す。なぜ複数枚必要かを説明する
。

ガソリンをＣ１１ＨＩｔｈで　代表させ、水素混入率−
５％とすると、ガソリン１　ｍｏｌ　（１１２ｇ）に対
して、水素は１１．２Ｘ０．０５／（１−０，０５）　
＝５．８９ｇとなる。

ここで、水素とガソリンの低位発熱量は各々１０５００
　ｋｃａｌ／ｋｇ、　２８８００　ｋｃａｌ／ｋｇであ
るから、５％の水素の混入率を発熱量換算すると、 ５．８９Ｘ２８．８／（５，８９Ｘ２８．８＋　１１２
Ｘ１０．５）　＝１２．６％となる。

いま、エンジン熱効率３０％、約１０馬力の軽負荷（市
街地での定速走行４０〜５０ｋｍ／ｈ）を考えると、正
味出力１０馬力（７，３５ｋｗ）における熱入力は７．
３５１０．３−２４．５ｋｗ＝２４．５Ｘ８６０　ｋｃ
ａｌ／ｈ＝２１０７０　ｋｃａｌ／ｈとなる。

このうち水素の供給熱量は ０．１２６　Ｘ２１０７０　＝２６５５　ｋｃａｌ／ｈ
一方、ガソリンの供給熱量は ２１０７０　　２６５５　＝１８４１５　ｋｃａｌ／ｈ
ここで、水素とガソリンの各々の密度 ０．０８９９　ｋｇ／ｍ３（ガス）　、０．７４　ｋｇ
／ｌ　（液）から、水素とガソリンの単位体積当りの発
熱量を求めると、各々 ２８８００　Ｘ　Ｏ，０８９９−２５８９ｋｃａｌ／ｍ
’（Ｈｚガス）１０５００　Ｘ　Ｏ，７４＝７７７０　
　ｋｃａｌ／ｍｆｆ１（ガソリン）となる。したがって
、水素およびガソリンの供給流量は各々 ２６５５　／　２５８９　／６０　＝　１７．１　　ｒ
／ｍ１ｎ１８４１．５　／７７７０　／６０＝　３９．
５　ｃｃ　／ｓｉｎ　となる。

従って直径８０１１１の膜−枚が５０ｃｃ／１Ｉｌｉｎ
の水素を発生するとすれば、通常自動車エンジンで１７
．１ｆｆＺ分供給するためには３４２枚並立させる本発
明装置である。但し後述の第２５図に示す如く、水素タ
ンク２９を設ける本発明システムの場合は、エンジン条
件によってコントローラ３０が水素必要量を絞るので、
この間水素はタンクに溜ってゆき必要な時だけ解放され
るので、上記の如く多くの枚数はいらない。

第１３図は電解槽をユニット３１として複数個連結した
本発明実施例を示す。

第１４図の本発明実施例は電解槽１２を円筒状とし、膜
８をその底部に取付け、且つ、円筒を傾斜させて取付け
る事により、車両の振動で電解槽２中の水を垂直のＡ方
向に動かし、Ａは円筒状の電解槽２の軸方向Ｂと、軸に
直角方向で膜８の面方向のＣに分力して、膜８からの水
素脱泡を促進して電解効率を上昇せしめる。電解槽２に
は吸熱フィン２７を設け、ドレイン管３２、取付具３３
、水入り口３４、イオン交換樹脂層７、水素出口２０、
酸素出口２１を設ける。

第１５図は、傾斜した電解槽２の底を垂直とし上部の水
受口側を水平とした本発明実施例である。

７はイオン交換樹脂層、８は電解膜である。水槽はチタ
ン等非腐食金属とし、その外側に電源回路の加熱半導体
を接せしめ、水槽を加熱するフィン２７によりエンジン
熱等を吸収して水槽に伝える。

第１６図は、電解水槽加熱の他の実施例で第１４図の例
をとり、斜円筒状の電解槽２中に加熱バイブ３５を入れ
、この中にエンジン熱、排気熱を通して水１を加熱し、
電解効率を上昇せしめる本発明実施例を示す。

第１７図は、テフロンでコーティングした電熱線３６を
電解槽２中に入れ、自動車バッテリー等で水１を加熱す
る本発明実施例を示す。

第１８図は、第１４図の筒を垂直にした場合、電解槽２
中にラッパ状の部材３７をロッド３８で支持して挿入し
、車両の上下動による縦方向の水の動きＡを横方向Ｂに
変えて水素ガスの脱泡、拡散を良くする本発明実施例で
ある。

第１９図は、電源部１５の放熱フィン２７を金属製電解
槽２の外壁に接して取付け、電源部の発熱で電解槽の水
を加熱し、一方発熱半導体を冷却する本発明実施例であ
る。

第２０図は電源部１５をシート状のフレキシブルな基板
に配線したものとし、これを電解槽２に巻付けて槽中の
水を加熱し、電源回路を冷却する本発明実施例である。

第２１図は電解槽２を立方体としその広い底面に電源部
１５を取付け、その他の面に吸熱用フィン２７を設け、
電源部の発熱と、フィン２７が吸収するエンジンからの
熱により電解効率を上昇せしめる本発明実施例である。

第２２図は、前例の直方体状電解槽の狭い縦面に電源部
１５を設けた本発明実施例である。。

第２３図は電解槽２を極めて薄型とし、外部からの加熱
により内部水の温度が上昇し易くし、その広い底面に電
源部１５を設けた本発明実施例である。

第２４図は、本発明者の実験結果を示し、電解に必要な
電圧を縦軸、電流を横軸とし、加熱、振動を与えないと
きはＢとなるが、電解槽２中の水ｌを加熱、振動を与え
膜８に加圧した本発明装置の場合はＡの如き電圧・電流
の関係となり、本発明装置の加熱、振動、加圧を与える
ことにより少なくとも電解必要電圧が１５％減少してエ
ネルギ効率が向上する結果を得た。

第２５図は、本発明システム実施例を示し、第２図で示
した電解水素発生装置、水素貯蔵装置、コントローラの
３主要素から成り立っている。

第２図の蓄電池３、電源回路工５により動作する電解水
素発生装置３９からの水素出口バイブ２０は、水素タン
ク４０に接続されている。この水素タンクは通常のボン
ベのほか、タンク内に収めた鉄とチタンあるいは鉄とチ
タンとニオブから成る水素吸蔵合金４１を収めたもので
、この合金に水素を効率よく吸収させる。この鉄、チタ
ン、ニオブの合金は本発明者が別の特許出願で詳述して
いるのでここでは詳記しないが、水素貯蔵能力は通常の
水素ボンベの６．７倍の高効率である。この水素タンク
４０とエンジン４２０間に水素量コントローラ４３を設
ける。ガソリン４４は気化器４５を経てエンジン４２に
供給されるが、このとき水素もコントローラ４３から供
給される本発明システムを示す。

前記水素コントローラ４３はエンジン回転数又はアクセ
ル４６の踏み込み角度αと連動して水素通過量を増減さ
せるようになっている。

水素発生装置３９はエンジン又はエンジン排気、あるい
は電源の発熱部品２２、電解膜８０通電による発熱など
からの加熱により水素を発生して水素タンク４０に水素
を貯蔵する。また水１により水素吸蔵合金を冷却し、こ
れに水素を加圧して送入して吸蔵させる。

この水素吸蔵合金４１はエンジン４２からの熱により水
素をその金属から解放して送り出すためには、エンジン
４２に近く配置する。この水素タンク４ｏがら水素コン
トローラ４３に行くが、このコントローラ４３はエンジ
ン負荷が大となると水素をシャットダウンさせるように
なっている。つまりアクセルラ踏ンでエンジン出力を上
げた場合、コントローラ３２が閉じ、エンジンに水素が
供給されないか減少する。この間水素発生装置からの水
素は水素貯蔵タンクに蓄積されて行き、コントローラが
開いて必要な時はここからエンジンに水素が送られるの
で、本発明装置によれば水素発生能力が少ない即ち小型
装置でよいメリットがある。水素量ボンベを水素吸蔵合
金人タンクに代えて、あるいは併用して積載してもよい
。

本発明コントローラ４３は負荷の大小、混合気の希薄度
、混入率の大小に比例して水素量を変化せしめるもので
ある。

第２６図は本発明装置を搭載した自動車４７、運転手４
８の平面図である。

この水素コントローラ４３の説明をするため、第２７図
に本発明実施例の実験データとして水素の希薄限界当量
比φと水素混入率「の関係を示すグラフを示す。

この実験は、本発明装置発生の水素は１気圧で、エンジ
ンの吸気管内絞り弁下流約５０ｍｍの位置、又は気化器
上流測的１５０ｍａｒの吸気管内に供給した。

本実験に使用したエンジンの行程容積は３２３ｃｃであ
る。

水素の等量比φは、水素、ガソリンの混合気の完全燃焼
に必要な酸素の質ｉｔ／混合気中の酸素の’ｘｍであら
れし、水素混入率ｆは水素のｔｆｆｉ／〔水素の質量＋
ガソリンの質量〕であられす。

第２７図から明らかなように、希薄運転性能に対する効
果は、水素の少ない混入率で大きく、又負荷が少な（な
ると効果が大きくなる。

第２８図は第２７図を書き換えたもので、本発明装置に
よる水素が多（なるほど負荷の増大とともに濃い混合気
が必要となることを示す。

ガソリンエンジンでは、一般に理論空気量の約１．２倍
の希薄混合気までしか運転できないため、低出力運転に
おいて燃料および空気量の両方を絞ることにより出力を
制御する。しかし、本発明装置による水素添加を行うと
薄い混合気の運転限界が拡大できるので、空気を絞らず
に燃料量のみ減らずことで出力を制御できるため、吸入
空気量を絞ることによるポンプ損失が低減でき、熱効率
が向上できるのが本発明の効果である。

この効果は希薄混合比の低出力運転はど著しい。

また薄い混合気の運転において水素を添加することによ
り未燃炭化水素ｎｃ　、　ｃｏなどが減少できる。一方
、理論混合比に近い、濃い混合気運転すなわち高出力運
転では、水素添加による効果は小さく、水素割合を増加
させると、逆に出力の低下、ＮＯｘの排出量を増加させ
ることになる。したがって、部分負荷運転では水素添加
、高負荷運転ではガソリンのみで運転する方がよい。

従って前記第２５図において説明した如く、本発明者は
水素コントローラ４３を有する本発明システムを発明し
たのである。

希薄混合気運転に対する水素混入の効果は、無負荷およ
び軽負荷時にとくに有効であり、その顕著な水素混入率
は５〜１０％であり、ガソリンと空気の希薄混合気で火
炎速度が小さい場合はど少量の水素混入によって有効な
火炎伝播の促進が行われるので本発明コントローラが有
効である。

ガソリンのみの場合の最良トルクを生じるための最小点
火進角すなわちＭＢＴは、回転速度の増大とともにかな
り大きくなるが、水素の混入によりその度合は低減され
、高回転の場合はど水素混入率の大きなところまで効果
が大きい傾向がある事が実験により判った。

当量比一定の希薄混合気中のガソリンの一部を水素でお
きかえてゆくと、ＭＢＴ点火時期を遅くすることができ
、水素の混入率が小さい間は出力も増大する。

回転速度を一定に保つ場合、無負荷では水素混入率の増
加とともに点火時期を殆ど換えずに当量比をかなり小さ
くできる。出力が必要な混合気では当量比が小さいほど
水素混入の効果が大きい。

ガソリン空気混合気に水素を混入すれば火炎速度が増大
し、水素混入率と燃焼速度の関係はほぼ直線的な傾向を
示す０例えば水素混入率が０．２および１０％における
当量比０．７の希薄混合気の層流燃焼速度はそれぞれ２
０．２５　、および４０ｃｍ＋／ｓで、はぼ直線的関係
にある。火炎速度に対する水素混入の効果は、混入率が
小さいほど顕著で、混入率に対し対数関数的な変化を示
す。

水素の混入は、と（に希薄混合気における乱れによる燃
焼速度の増大効果を助長する。φ＝１．３程度の過濃側
では水素混入による乱流燃焼速度の増大が層流燃焼速度
の増大と同様にほぼ直線的関係を示し、希薄側では２％
程度の水素の混入で燃焼速度が著しく増大する。燃焼速
度に対する乱れの効果が水素を少量加えることによって
希薄側で著しくなるのは、水素の分子拡散係数が極めて
大きく、不規則な乱流火炎面における酸素分子との選択
拡散に起因している。燃焼容器によるシュリーレン観察
によれば水素の混入によって火炎面の凹凸が非常に細か
（なることが確かめられている。

従って希薄混合気の場合はど、また水素の混入率の小さ
いほど有効な火炎伝播の促進が行われ、ＭＢＴ点火時期
を遅らせることは単に燃焼速度の大きな水素の効果だけ
でなく、前記の効果によるものである。

エンジン排ガス中の大気汚染物質濃度に対する本発明の
効果は本発明により、希薄混合気に水素を混入する事に
より、ガソリンのみの場合に比べてＮｏ濃度が十分低い
当量比で運転可能となる効果を生ずる。

ガソリンに水素添加して運転した場合のＭＢＴ点火時期
の測定例を第２９図に示す。わずか水素を添加すること
によってＭＢＴ点火時期は大幅に遅れる。

第３０図は回転速度および当量比一定で点火時期をＭＢ
Ｔから前後に５°および１０°変えた場合のＮｏ１度に
及ぼす影響を示し、点火時期を遅らせればＮｏｆｉ度を
低下できる本発明の効果を示す。

第３１図は、ＭＢＴからの点火遅角によるＮ０４度と平
均有効圧力の減少率の関係を示したもので、ガソリンの
みの場合に比べて、本発明による水素混入を行った方が
、遅角による出力低下よりもＮ０濃度低減の効果が大き
い本発明の効果を示す。

更に、もっと希薄な混合気を使用する場合には、本発明
による水素の混入はＮｏ排出率（ｇ／ｐｓ−ｈ）の面で
も有利となるのが本発明の効果である。

第３２図からＧ、／Ｇ、値増加によりＮｏ排出率の減少
することがみられる。λ−１，０のガソリン運転時に比
べ、水素添加をしてλ＝１．３で運転することを考える
と、Ｎｏ排出率は約１７４に減少する。

第３３図に点火時期の図示馬力、排気中のＨＣ，Ｃ０１
ＮＯ排出率に及ぼす影響を示す、ＨＣ排出率は、水素添
加量の多い方が少なく、点火時期を遅らせることにより
、幾分増加する。水素添加によるＨＣ排出量の減少は、
λを一定に保っているので水素添加量だけガソリン流量
が減少していること、最高圧力の上昇（第４２図）と同
時に水素の消炎距離の小さなことに基づく、燃焼室壁面
付近の燃焼促進の効果と考えられる。ＣＯ排出率もＨＣ
排出率と似た傾向を示すが、点火時期の依存性はほとん
どない。Ｎｏ排出率は、点火時期を遅らせることによっ
て急激に減少する。。同一点火時期では、Ｇ、／　Ｇ、
値の大きな方が高い、これは、水素添加により燃焼速度
が増大し、燃焼ガス温度が上昇するためと考えられる。

第３４図はλを変えた場合のＨＣ排出率の変化を示した
ものである。失火条件に近づくとＨＣ排出率の急増が見
られる。λ値を増加させるとＨＣ排出率は増加する傾向
にあるが、ＧｋＺＧｇ値を大きくすることにより、ＨＣ
排出増加を防ぐことができる。

第３５図は、本発明による水素混入率をパラメータとし
た当量比による排気中のＩＣ濃度の変化例を示し、本発
明による水素混入により、希薄側までＩＣ濃度の上昇を
押さえることができる本発明効果を示す、又、ＩＣ濃度
およびＨＣ排出率ともφ＝０．７５程度の希薄混合気で
本発明による水素の混入とともにかなり低下する本発明
効果を示す。

水素添加時のＣＯ排出率を第３６図に示す。ＣＯ排出率
の絶対値は小さい。

従来の水素混入方式では、第３５図に示すようにもっと
希薄な混合気を使用する場合には、かなり多量の水素を
混入しないとｆ（Ｃ濃度を低くおさえられないため、従
来の水素混入方法ではＩＣ濃度を低くおさえることがで
きなかったのに対し、本発明装置は第３５図のカーブに
従って水素量を自動的に調整するのでＨＣがいかなる場
合にも最低になる効果を有する。

第３７図は、排気中のｃｏｄ度の測定例を示し、φ＝０
，９以下の希薄混合気では本発明の水素の混入によりＣ
Ｏ濃度が低下する本発明の効果を示す。

通常混合気希薄化にともない、失火や火焔速度の低下に
よりサイクル変動が増大するのに対し、本発明による水
素の混入によって安定な希薄混合気運転が得られ、サイ
クル変動が減少する。

第３８図は、最高圧力値の頻度分布を示し、φ−１に近
い場合はガソリンのみの場合は変動幅が大きいのに対し
、本発明による水素の混入により変動が小さくなる本発
明の効果を示す。

本発明装置による水素のみの場合は、希薄運転限界に近
い混合気でも正規分布の安定な運転が得られる。

水素混入による変動率の減少割合は当量比によってあま
り変らず、混入率１０％でほぼ半分に減るという大きな
本発明の効果がある。

吸気圧力が低いほど変動率は大きいが本発明による水素
混入の効果も大きい、ガソリンのみの場合、変動率は回
転速度によってそれほど変わらないが、本発明による水
素を混入すると希薄高速時の変動率が著しく低減される
のが本発明の効果である。

希薄混合気運転の安定化の方策として、二箇所同時点火
方式があるが、この場合も単一プラグの場合と同じ本発
明の効果があった。

本発明による水素をガソリンに添加した場合の空気過剰
率λは、 空気流量Ｇａ　　本発明による水素流量　Ｇ１ガソリン
流量　Ｇ。

ガソリンおよび本発明による水素の理論空燃比をφ１、
φ１としたとき φ、＋φｈ　　（ｃｈ／ｃ、） 又、本発明による水素とガソリンの単位重量あたりの発
熱量をそれぞれｇｈ、ｇ＊とすると、エンジンに供給さ
れる単位時間あたりの燃料の熱量Ｑ　（ｋｃａｌ／ｓ）
　は、 Ｑ−ｇ　ｈ　Ｇｈ　”　ｇ　＊　Ｇ。

第３９図は空気過剰率λと点火時期を一定にし、Ｇ、／
Ｇ、値を変えた場合のシリンダ内圧力経過を示す指圧線
図である。同図から水素流量とガソリン流量の比Ｇ、／
Ｇ、値を増すと、点火してから最高圧力に達するまでの
時間が短くなり、最高圧力の増加がみられる。このとき
、供給熱量の変化は図３から明らかなように、Ｇ、　／
Ｇ、　＝０．１の場合でもＱ／Ｑ　’　＝１．０２程度
であり、この影響はほとんど現れないと考えられる。し
たがって、第３９図の水素添加による差異は、主に燃焼
速度の増加を意味している。

第４０図は、λおよびＧ、／Ｇ、とＭＢＴ点火時期との
関係を示したものである。同図から、同一λ値において
Ｇｋ／Ｇ、値を増大させると、ＭＢＴ点火時期の遅れる
こと（ＴＤＣに近づくこと）がわかる。これは、水素添
加量を増すと燃焼速度が増加すると考えられる指圧線図
の結果、第３９図と一部している。また、同図から、水
素添加に基づく失火限界の広がりが明らかである。

第４１図図６は、排気弁から約１５０ｍｍ下流側の位置
においで、クロメル−アルメル熱電対で測定した時間平
均的な排気温度である。排気管は完全に保温していない
ので、絶対値は意味をもたないが、相対的な比較として
、水素添加時に温度低下がみられ、第３９図の傾向に対
応している。水素添加の際のシリンダ内最高圧力の標準
偏差σ２、及びδ、を第４２図に示す。Ｇ　ｈ　／　Ｇ
−値を増大させるとσ２、及びδ２共減少する。すなわ
ち、シリンダ内燃焼が安定する。これは、水素の拡散係
数の大きなこと、および前述の燃焼特性に基づくものと
考えられる。ＭＢＴ点火時期における図示馬力を第４３
図に示す。Ｇｋ／Ｇ、＝Ｏすなわちガソリンのみの場合
は、λ″−ｉ１．２で失火が生じ、急激に図示馬力が低
下する。Ｇｈ／Ｇ、＝０．０５のときはスー１．４まで
運転できたが、λ＝１．５では失火が生じた。　　　Ｇ
ｈ　／Ｇｇ−０，１５のときは、λ＝１．３より小さく
すると、水素の体積流量増加からＧ、　＝３．ＯＸＩＯ
づｋｇ／ｓに保つことができなかった。第４３図では、
全般にλ値増加と共に図示馬力が低下しているが、仮に
供給熱量　１／λ、図示熱効率一定とすると、図中の一
点鎖線で示すようになり、実験結果の低下率はこれより
少ない。供給熱量の水素添加による増加は、 Ｇ、／Ｇ、−０，１５で３％程度であり、また、水素の
場合、燃焼によるモル数減少があって相反する効果を持
つので、これらの影響は少ないと考えられる。実験点で
もＧｈ／Ｇ、＝０．０５〜０．１５の間に、はとんど差
がない。したがって、λ値増加時、−点鎖線より実験点
のほうが上にくることは、図示熱効率の向上によると判
断される。

第４４図は、Ｇ、／Ｇ、およびλをかえた場合の図示熱
効率ηｉの変化を示したものである。第４３図の条件と
は添加時期が異なり直接比較できないが、失火付近の不
完全燃焼によってη、値の低下する範囲を除くと、λ値
増加によるη、向上が明らかである。これはλ値の増加
により空気サイクルに近づくこと、燃焼温度低下により
熱損失の減少することが考えられる。なお、本実験条件
時の空気のみのオツトーサイクルの理論熱効率ηいは約
４７％である。

第４５図は本発明装置による電気自動車の実施例である
。

箱４９の中に穴のあいた膜５０め両側を二枚のフィルム
状のプラチナ板５１で挟んだ燃料電池を設け、前記プラ
チナ板が電極となる。この電極には孔５２から室温の空
気が自由に入るようにし、孔５３から前記本発明水素発
生装置３９からの水素を入れ、空気中の酸素と混合した
気体にさらすと１枚で電極間に１ボルトの電圧が発生し
た。Ｎボルト必要な場合、Ｎ枚を箱に入れる。マイクロ
チップの様に薄くエネルギ効率が高いので、これにより
１キログラムの重さで１キロワツトの電力が取出せるの
で、この電力を一部は導線５４を通じ本発明エネルギ装
置用電源部１５に供給し大部分は自動車車輪５５駆動モ
ータ５６に供給する。このフィルム燃料電池と水素発生
装置を組合せて一体とした装置も本発明装置である。

第４５図は燃料電池を横に並べた本発明実施例、第４６
図は前例の燃料電池５７を縦に重ねた本発明実施例を示
し、水素４と空気５８が電極５１に接しながら上昇して
十分利用できるようになっている。

第４７図は本発明実施例の自動車を示し、ルーフ５９の
外面、ボンネットカバー６０およびトランクリッド６１
の上面に太陽電池６２を張付け、車内後部あるいは車内
前部に本発明の水素発生装置３９あるいは３９′を設け
、ルーフ５９の内側に前記フィルム燃料電池５７を張付
けた電気自動車を示す、太陽光を受けて発電する太陽電
池６２の電力により水素発生装置３９から発生する水素
と空気とをフィルム燃料電池５７に通じて得られる電力
と、太陽電池６３の電力の一部により走行車輪５５の駆
動モータ５６に供給する。

既製のガソリン機関の吸気管内に本発明装置の水素出口
バイブ２０を取付けると、次の効果を生ずる。

１−（１）燃料希薄側の失火限界は、本発明によりひろ
がる。

希薄運転限界当量比は、負荷が小さいほど本発明によっ
て効果的に低減できる本発明の効果がある。

１−　（２）本発明による効果は、エンジン内の火炎速
度の増大と、希薄混合気における乱流燃焼速度の促進を
混合気が希薄な状態で、混入率が小さい状態で適切に本
発明により行えるので、効果が顕著である。

１−（３）本発明によりシリンダ内最高圧力を上昇、Ｍ
ＢＴ点火時期を遅くし、排気温度が低下し、空気過剰率
増加時、図示馬力の低下は少なく、図示熱効率の向上が
みられる。

１−（４）当量比１以下で同一当量比でもガソリンのみ
の場合に比べて、本発明による方が点火遅角によるＮｏ
の排出率が低減する本発明効果がある。

ＮＯの排出は、ＭＢＴ点火時期λ＝１．０〜１．１で低
下する。

１−（５）本発明によりＨＣの排出率を希薄領域で低減
できる効果がある。

ＨＣの排出は、失火限界が広がるので、燃料希薄側の排
出急増を押さえることができる。ＣＯの排出もＨＣの排
出と同じ。

空気過剰率λ≧１．０の運転であるため絶対値は低くな
る。

ＨＣの排出は、λ値の大きな失火付近のＨＣ排出急、増
を防ぐことができる。

１−（６）Ｃｏの排出も同じ失火付近でも急増しない。

ＣＯ排出率の絶対値はλ≧１．０の運転であるため極め
て低い。

１−（７）本発明によりサイクル変動の変動率が減少し
、混入率１０％でほぼ半減という効果がある。

Ｇ、／Ｇ、＝　Ｏ〜０．１５の効果 １−（８）水素添加によりシリンダ内圧力上昇率が増加
し、最高圧力も高くなる。また、ＭＢＴ点火時期は遅く
なる。

１−（９）水素添加により、排気温度は低下する。

１−００水素添加により、失火限界をλ値の大きな範囲
まで広げることができる。λ値を大きくすると図示熱効
率は向上する。

１−　（１１）自動車エンジンからの大気汚染成分排出
低減化のため、希薄燃焼方式が試みられているが、この
方式のためのエンジンは構造が在来のものに比して複雑
となっている。本発明によれば既製の自動車やエンジン
の構造を変えることなく低公害化を行える画期的発明で
ある。

１−０２水素は、ガソリンと比較して可燃範囲が広く、
燃焼速度が大きく、点火エネルギが小さく、均一混合気
がつくり易いなどの特性を有するので、本発明はこれら
の利点を活用して希薄混合気燃焼を実現し、窒素酸化物
排出を低減できる画期的発明である。

１−０３）本発明装置は負荷の大小、混合気の希薄度、
混入率の大小、ＵＢＴ点火時期に応じて、水素量を適切
にコントロールするので無公害と燃料節約に最高の効果
を有する効果がある。

１−０４コントローラ、水素発生装置、水素タンク組合
せの場合の本発明システムにより、水素発生装置を通常
よりはるかに小型、軽量に出来る。

１−面木発明より希薄運転限界に近い混合気でも正規分
布の安定な運転が得られる。

１−００以上は本発明装置を既存のガソリンエンジン自
動車に取付けた効果であるが、今特に問題となっている
ディーゼルトラックの大気汚染、特に都市部での低速運
転時の排気ガスについてもトラックを改造することなく
、本発明により除去出来、大気汚染を防止出来る。

本発明の効果は上記の他、 ２　石油との混合でなく水素のみによる駆動の自動車、
つまり水で走る自動車ができる。

３、本発明によりバイツ、船舶、ジェット機、ロケット
（電源は太陽電池、水は宇宙から取り得る）推進や、電
力用発電機、アルミ精錬用、炉用、製鉄用、バーナー用
等々、水で駆動出来る。

４、排気がクリーンなエネルギを得られるので、車の排
気ガス問題や原子力発電の排気物問題が起らない。

５．１！解液等特殊液が不要で通常の水が使用出来る。

従って家庭の蛇口から使用出来、ガソリンスタンドに行
く必要がない。

６、エネルギ変換率９５％と言う高い効率。

７、小型軽量で、電池でも駆動し得るポータプルである
ので自動車ボンネットなど小さいスペースに入り、且つ
車などの移動体に使用出来る。

８、　同時に得られる酸素は車等の室内環境を改善する
のみならず、運転者の居眠り防止と、注意力が向上する
ことにより交通事故防止出来る。

９、本発明装置は、車やエンジンからの駆動を利用し、
又高位置水タンク６とその連通管９０方式により、発生
水素泡が膜８から速やかに除去され、且つこれにより水
１の電解膜８への加圧を増大するようになっているので
、水１の電解膜８への浸入が加速され電解効果が公知の
ものより大きい。

１０、水を電源半導体で加熱する事と、半導体冷却を同
時に行う発明であるので効率が良く装置を小型化できる
。

１１、前記による水温度上昇が水タンク側に逆流せず、
電解膜例のみに集中するので、水温上昇を少ないエネル
ギで効果的に行える。

１２、本発明方式による水温上昇により駆動電圧を１０
％低下出来る。

１３、　　前記フィルム電池と結合した本発明装置によ
り効率のよい電気自動車等ができる。

本発明は、新エネルギ装置として前記の如くすべて理想
的な効果を有するものであり、まさにジェームス・ワッ
トの蒸気機関が産業革命を起こしたと同じ影響を与える
革命的発明である。

本発明は前記のほか、メタノール車や太陽光等電気自動
車、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）自動車、水素自動車、ガス
タービン自動車、スターリングエンジン、ハイブリッド
自動車（電気子ディーゼルＬ　ＬＰＧ併用軍用車との結
合の場合も本発明に含まれるものである。又、前記のほ
か本請求範囲で種々の変形が考えられるが、これらはす
べて本発明に含まれるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は二酸化窒素年平均値の経年変化を示すグラフ 第２図は本発明第１実施例の縦断面図 第３図は第２図の１部の側面図 第４図は第２図の１部の側面図 第５図は第２図の１部の側面図 第６図は第２図の１部の側面図 第７図は第２図の１部拡大図 第８図は本発明第２実施例の正面図 第９図は本発明第１実施例の回路図 第１０図は本発明第３実施例の縦断面図第１１図は第１
０図の側面図 第１２図は本発明第４実施例の側断面図第１３図は本発
明第５実施例の側面図 第１４図は本発明第６実施例の側断面図第１５図は本発
明第７実施例の　〃 第１６図は本発明第８実施例の　〃 第１７図は本発明第９実施例の　〃 第１８図は本発明第１０実施例の　〃 第１９図は本発明第１１実施例の側面図第２０図は本発
明第１２実施例の上面図第２１図は本発明第１３実施例
の平面図第２２図は本発明第１４実施例の平面図第２３
図は本発明第１５実施例の平面図第２４図は本発明実施
例の電圧、電流を示すグラフ第２５図は本発明第１６実
施例の工程図第２６図は本発明第１７実施例の平面図第
２７図は希薄限界５比と水素混入率のグラフ第２８図は
希薄限界当量比と正味平均有効圧力のグラフ 第２９図は点火時期とＮＯ濃度のグラフ第３０図は平均
有効圧力とＮＯ濃度のグラフ第３１図は排気中のＨＣ濃
度と当量比のグラフ第３２図は排気中のＣＯ濃度と当量
比のグラフ第３３図はλを変えた場合のＨＣ排出率の変
化を示すグラフ 第３４図は本発明実施例のλとＨＣ排出率のグラフ第３
５図は水素混入率とＨＣ濃度のグラフ第３６図は空気過
剰率とＣＯ排出率のグラフ第３７．３８図は最高圧力値
の頻度分布のグラフ第３９図はシリンダ内圧力経過のグ
ラフ第４０図は最高出力を与える点火時期のグラフ第４
１図水素添加時の排気温度のグラフ第４２図は最高出力
の平均値、標準偏差、グラフ 第４３図は空気過剰率と馬力のグラフ 第４４図は空気過剰率と熱効率のグラフ第４５図は本発
明の第１８実施例の側面図第４６図は本発明の第１９実
施例の側面図第４７図は本発明の第２０実施例の側面図
１−・−・−・−・・・−・−水 ２−−−−−−−−−−・−−−−−−−−−・−電解
槽８−・・−・−・−・・−・・−・一固体高分子電解
膜２２−−一−−−−−−−・−一一−−−−−−−・
−加熱素子変動率の

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 固体高分子電解質水電解膜と水加熱装置を設けた事を特
   徴とする電子加熱固体高分子電解質水電解エネルギ装置
   。