WO2011030556A1 - 水素および酸素の混合ガス発生装置およびそれを用いた内燃機関 - Google Patents

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oxygen gas
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inverter
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伸光 柳原
充生 今村
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株式会社レガルシィ
トラストハイテック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for generating a mixed gas of hydrogen and oxygen (hereinafter referred to as “hydrogen-oxygen gas”) as brown gas, and an internal combustion engine using the same.
  • hydrogen-oxygen gas a mixed gas of hydrogen and oxygen
  • Patent Document 1 As a method for increasing combustion efficiency, for example, there is a method using hydrogen oxygen gas as disclosed in Patent Document 1.
  • the chemical equivalent ratio of hydrogen gas and oxygen generated by electrolysis of water that is generally used is 2: 1 and mixed.
  • the generation method of hydrogen gas and oxygen gas using the principle of electrolysis of water generally used has a limit in the generation amount, and when used in a hydrogen oxygen gas apparatus, combustion is likely to be stable. It had to be a large stationary type. That is, when a hydrogen oxygen gas device is used as a driving force source with a large load fluctuation, it is difficult to stably supply hydrogen oxygen gas by conventional water electrolysis, and the combustion process is increased by increasing the combustion efficiency. It was difficult to approach complete combustion.
  • a high current is used at a high voltage such as 100V.
  • a large amount of water vapor is generated by heat generated by energization.
  • vehicles such as passenger cars and ships, it is desired to generate a large amount of hydrogen gas in a low current state.
  • An object of the present invention is to provide a hydrogen oxygen gas generator that generates hydrogen gas at a low current and generates less water vapor.
  • An object of the present invention is to provide a hydrogen-oxygen gas generating apparatus that can supply hydrogen-oxygen gas stably when using hydrogen-oxygen gas in order to bring combustion in an internal combustion engine close to complete combustion.
  • the present invention includes a power source, an inverter electrically connected to the power source, an electrolytic cell electrically connected to the inverter, and an anode and a cathode to which voltage is applied from the inverter, and pure water.
  • An object of the present invention is to provide a hydrogen-oxygen gas generating device including nano water that is manufactured by applying ultrasonic vibration of a predetermined frequency in advance and stored inside the electrolytic cell.
  • Another object of the present invention is to further provide a power source, an inverter electrically connected to the power source, an electrolytic cell electrically connected to the inverter, and an anode and a cathode to which a voltage is applied from the inverter.
  • Another object of the present invention is to provide an internal combustion engine using a hydrogen-oxygen gas generator, which is manufactured by applying ultrasonic vibration of a predetermined frequency to pure water in advance and comprising nano water stored inside the electrolytic cell.
  • the hydrogen oxygen gas generator according to the present invention can stably generate a large amount of hydrogen oxygen gas.
  • combustion efficiency in an internal combustion engine using fossil fuel can be increased.
  • the discharge amount of CO 2 gas can be reduced.
  • the hydrogen oxygen gas generator according to the present invention can generate a large amount of hydrogen oxygen gas at a low voltage and current. Therefore, the whole apparatus can be reduced in size and can be used for vehicles such as passenger cars to large automobiles, ships, and the like.
  • FIG. 1 is a view showing a hydrogen oxygen gas generator of the present invention.
  • FIG. 2A is a diagram showing an example of an electrode structure of the hydrogen oxygen gas generator of the present invention
  • FIG. 2B is a diagram showing a gas collection part of the hydrogen oxygen gas generator of the present invention.
  • FIG. 3 is a system diagram of the hydrogen-oxygen gas generator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a control flowchart of the inverter.
  • the hydrogen oxygen gas generator 1 includes a power source 2, an inverter 3, an electrolytic cell 4, and a hydrogen oxygen gas supply pipe 12.
  • the power source 2 can be selected without particular limitation as long as it can supply power to the electrolytic cell 4.
  • power source 2 can be a 24 volt power source.
  • the anode and the cathode of the power source 2 are connected to the anode side electrode plate 10 and the cathode side electrodes 11a and 11b of the electrolytic cell 4 through the inverter 3, respectively.
  • the voltage of the power supply 2 is dropped by the inverter 3.
  • the voltage is lowered from 24 volts to 12 volts. Thereby, it can be used for mobile vehicles, such as a passenger car and a ship.
  • the electrolytic tank 4 is a container having a structure in which the tank 9 is closed by the upper lid 6.
  • the upper lid 6 is attached to the tank 9 with a packing 8 made of an insulating material interposed therebetween.
  • the upper lid 6 is screwed into the tank 9 with an insulating packing 26 sandwiched between bolts 25 with washers. Thereby, it has a structure which does not let hydrogen oxygen gas which is the ultrafine particle generated inside the electrolytic cell 4 escape to the outside.
  • special silicone is used for the inner tank of the electrolytic cell 4 to prevent leakage. If an acrylic resin material is used for each part of the tank 9, for example, heat generated inside can be prevented from being transmitted to the outside.
  • nano water 31 is used as the electrolytic solution.
  • nano water is defined as water produced in advance by applying vibration of an ultrasonic band to pure water for a predetermined time.
  • a hydroxide such as potassium hydroxide or sodium hydroxide is added as a catalyst to the electrolytic solution in the tank 9 of the electrolytic tank 4.
  • tourmaline 32 may be added to the electrolytic solution in the tank 9 of the electrolytic tank 4.
  • the tourmaline is, for example, a drabbit tourmaline, which is somewhat large.
  • the effect of emitting negative ions can be expected.
  • a spherical shape can be adopted. Thereby, the deposit
  • FIG. 1 schematically shows a pair of anode side electrode plate 10 and cathode side electrode 11, but actually, as shown in FIG. 2A, the cathode side electrode plate and the anode side electrode plate As one set, it is preferable to immerse a set of a plurality of electrodes in the electrolytic solution.
  • a set of the anode side electrode plate 10 and the cathode side electrode 11 is configured such that the anode side electrode plates 10a and 10b and the cathode side electrodes 11a and 11b are alternately arranged at a constant interval.
  • a plurality of such electrode sets are prepared and immersed in the electrolytic cell 4. For example, if 6 sets of electrodes are used, there will be 24 electrodes.
  • a reinforced stainless alloy (SUS316), a titanium alloy, or the like can be used for example.
  • a titanium alloy having an iridium or platinum layer on its surface such as a titanium alloy having iridium deposited on its surface or a titanium alloy having a platinum surface layer plated by plating. be able to. However, it is not limited to this.
  • Each of the anode side electrode plates 10a and 10b and the cathode side electrodes 11a and 11b has a shape having a long side edge with a length L and a short side edge with a length D, and the short side edge side is the electrolytic cell 4. It is good to immerse in the electrolytic cell in the electrolytic cell 4 so that it may become the depth direction of this electrolyte solution.
  • length D length L can be 1: 2.
  • the electrolytic cell In the electrolytic cell, according to the principle of electrolysis of water, by supplying power from the power source 2, in the anode side electrode plates 10a and 10b, the anode side electrode plates 10a and 10b react with the electrolytic solution, and hydroxylation occurs. It generates physical ions (OH ⁇ ) and receives electrons. The electrons flow toward the cathode side electrodes 11a and 11b. In the cathode side electrodes 11a and 11b, hydrogen ions (H + ) receive electrons from the cathode side electrode 11 and become hydrogen molecules (H 2 ).
  • the electrolyte solution is not pure water, but nano-water, in which water molecule clusters are broken to form water molecules alone, so that hydrogen ions (H + ) and hydroxide ions (OH) are used in the electrolyte solution. - ) Is easier to generate. Further, by using tourmaline, the emission of electrons at the cathode side electrodes 11a and 11b is promoted. Furthermore, the tourmaline is spheronized and granulated, so that deposits on the electrode can be reduced and the sustainability of the electrode can be increased.
  • a hydrogen oxygen gas supply pipe 12 for conveying hydrogen oxygen gas generated in the electrolytic cell 4 is joined to the upper cover 6 of the electrolytic cell 4.
  • the hydrogen oxygen gas supply pipe 12 communicates with the inside from the upper lid 6 through a gas collection port 12a.
  • a partition 6a, 6b, 6c, 6d is perpendicular to the upper lid 6 so that the partition 6a, 6b, 6c, 6d surrounds the gas collection port 12a around the gas collection port 12a on the upper lid 6 near the gas collection port 12a corresponding to the inside of the electrolytic cell 4. It is attached to extend in the direction.
  • a gap of about several millimeters is provided between each of the partitions 6a, 6b, 6c, 6d.
  • the generated water oxygen gas passes through this gap and is conveyed from the gas collection port 12a to the hydrogen oxygen gas supply pipe 12 through the space defined by the partitions 6a, 6b, 6c, 6d.
  • the partitions 6a, 6b, 6c, and 6d block the water vapor generated when the temperature of the water that is the electrolytic solution in the electrolytic cell 4 rises, and only the generated water oxygen gas is defined by the partitions 6a, 6b, 6c, and 6d. Enter the space to be. Water oxygen gas can be prevented from flowing into the hydrogen oxygen gas supply pipe 12.
  • a drain valve 13 is disposed in the hydrogen oxygen gas supply pipe 12, and water vapor that slightly enters the space defined by the partitions 6a, 6b, 6c, and 6d is contained in the hydrogen oxygen gas supply pipe 12 together with the hydrogen oxygen gas. Even if it has been transferred to the hydrogen oxygen gas supply pipe 12, it can be removed as water.
  • the amount of hydrogen generation is significantly improved. For this reason, the hydrogen generation amount with respect to the energization amount from the power source 2 increases, and the fluctuation of the hydrogen generation amount with respect to the change amount of the energization amount also increases at the same time.
  • the fluctuation of the hydrogen generation amount becomes large, the ratio of the hydrogen oxygen gas supplied into the fuel gas fluctuates and the combustion efficiency is not stable. Therefore, it is necessary to control the energization amount from the power source 2 by the inverter 3.
  • the inverter 3 keeps the actual amount of current flowing in the electrolytic cell 4 at a predetermined amount, suppresses the rise in the temperature of the electrolyte, and generates stable hydrogen oxygen gas.
  • the inverter 3 includes a current setting unit 3a, a current detection unit 3b, a current monitoring unit 3c, a current control unit 3e, a temperature monitoring unit 3d, and a voltage monitoring unit 3f, and controls the current flowing through the electrolyte.
  • the current setting means 3a is connected to the power source 2 and applied with the converted input voltage.
  • the current setting means 3a is connected to the anode side electrode plates 10a and 10b and the cathode side electrodes 11a and 11b of the electrolytic cell 4.
  • the current setting means 3a allows a current to flow through the anode side electrode plates 10a and 10b and the cathode side electrodes 11a and 11b, and sets the target current to a predetermined current value.
  • the value of the current actually flowing from the inverter 3 to the anode side electrode plate 10 and the cathode side electrodes 11a and 11b is detected by the current detection means 3b.
  • the detected current is converted into a control numerical value by the current monitoring means 3c.
  • a temperature sensor 4a is attached to the electrolytic cell 4, and the temperature of the electrolytic cell 4 is detected.
  • the temperature detected by the temperature sensor 4a is converted into a numerical value for control by the temperature monitoring means 3d.
  • the voltage monitoring means 3f detects a primary side voltage (voltage input from the power source 2 to the inverter 3) before being input to the inverter 3 of the power source 2, and converts it into a numerical value for control.
  • FIG. 3 is a diagram showing a flowchart of the inverter 3 of the hydrogen oxygen gas generator 1 of the present invention.
  • the voltage is set by the current setting means 3a so that the set current becomes zero (S11).
  • a voltage is applied between the anode side electrode plates 10a and 10b and the cathode side electrodes 11a and 11b to start a current flow through the electrolyte.
  • Voltage monitoring is started by the voltage monitoring means 3f. If there is no abnormality in the voltage applied from the power source 2 to the inverter 3, the process proceeds to temperature monitoring (S13). (S17).
  • the current control unit 3e that has received the command sends a command to the current setting unit 3a so as to set a preset current at the time of voltage abnormality.
  • the current setting means 3b sets the current when the voltage is abnormal.
  • the process proceeds to temperature monitoring (S13).
  • the temperature of the temperature sensor 4a is detected (S13). If the temperature of the electrolytic cell 4 has reached the limit temperature by temperature monitoring (S13), a command is sent to the current control means 3e so as to set the current at the time of temperature abnormality set in advance as temperature abnormality (S18). .
  • the current control means 3e sends a command to the current setting means 3a so as to set a preset voltage at the time of abnormal temperature.
  • the current setting means 3b sets the voltage when the temperature is abnormal.
  • the limit temperature is a temperature at which evaporation of the internal electrolyte solution starts, and in the case of water, it is a temperature at which generation of water vapor starts. The current is controlled so that the limit temperature is not exceeded.
  • the process proceeds to current monitoring (S14). After setting the voltage so that the set current becomes zero (S11), the voltage is increased and the current starts to flow. In the current monitoring (S14), this amount of current is monitored. When the voltage between the anode side electrode plates 10a and 10b and the cathode side electrodes 11a and 11b is increased, the current increases only slightly until electrolysis occurs. The current increases rapidly from a certain point along with the electrolysis. If the current value actually measured by the current detection means 3b is larger than the target current, a command is sent to the current control means 3e to lower the voltage to reduce the current (S15). Conversely, if the current value actually measured by the current detection means 3b is smaller than the target current, a command is sent to the current control means 3e to increase the voltage in order to increase the current (S16).
  • the current control means 3e Upon receipt of the command, the current control means 3e sends a command to the current setting means 3a so as to increase the current according to the command. Accordingly, the current setting means 3a sets the current according to the command. If the current value actually measured by the current detection means 3b is within the target current range, a command is sent to the current control means 3a to keep the set current as it is, or the state is kept as it is. .
  • each step is always repeated at a predetermined timing.
  • the target current is determined in advance depending on the size of the electrolytic cell 4 and the amount of the electrolytic solution. For example, when the target current is set to 8.0 amperes, the set current is set to zero (S11), and when the voltage is increased and the current starts to flow, the current starts when hydrogen oxygen gas starts to be generated. It rises rapidly.
  • the current control means 3e performs control so that the current actually applied to the electrolyte is a constant target current of 8 amperes.
  • the current value to be a constant value by changing the application timing of the input voltage, or to control the input voltage by changing the voltage value.
  • the voltage duty can be changed by changing the application timing to a pulse shape. Thereby, it is possible to control the amount of the voltage applied to the nano water so that the current detected by the current detecting means 3b is kept at the target current.
  • Table 1 compares the amount of hydrogen oxygen gas generated when nano water, pure water and commercial ionic water are used as the electrolytic solution. Hydrogen / oxygen gas that is generated when the voltage duty is changed by the inverter 3 so that the target current applied to the electrode is 8.0 volts when nano water, pure and commercial ionic water are used as the electrolyte. The amount of was compared. From this, it can be seen that when nano water is used, the most hydrogen oxygen gas is generated when the voltage duty is the lowest. It shows that the amount of hydrogen oxygen gas generated is particularly increased by using nano water. Table 1
  • a cathode made by depositing iridium at a thickness of 0.5 mm on a titanium alloy plate having a thickness of 1.5 mm was used.
  • Table 2 is a comparison with an example in which a stainless steel electrode is used. This shows that the amount of hydrogen oxygen gas generated is larger when iridium is deposited on the titanium alloy plate. It shows that the generation amount of hydrogen oxygen gas is particularly increased by using a titanium alloy electrode on which iridium is deposited.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of an internal combustion engine 21 using the hydrogen oxygen gas generator 1 of the present invention.
  • a hydrogen oxygen gas pipe 12 is coupled to a fuel gas pipe 19 that communicates between the internal combustion engine 20 and the intake port 16.
  • the hydrogen oxygen gas generated by the hydrogen oxygen gas generator 1 reaches the fuel gas pipe 19 via the hydrogen oxygen gas pipe 12, is mixed with the fuel gas, and is sucked into the internal combustion engine 20.
  • hydrogen oxygen gas is mixed with the fuel gas sucked from the intake port 16, the content ratio of hydrogen oxygen gas is increased, combustion efficiency is improved, and harmful gas is removed from the exhaust gas 21. it can. And by raising combustion efficiency, the required fuel gas can be reduced and the fuel efficiency is also improved.
  • Examples of the internal combustion engine include engines from general passenger cars to large automobiles and ships, boilers, incinerators, and the like.
  • Table 3 shows a performance comparison example of the internal combustion engine using the hydrogen oxygen gas generator.
  • the consumption of fuel gasoline
  • the ship was anchored on the quay and a comparative experiment was performed in an idling state of 1500 (rpm).
  • rpm idling state of 1500
  • 1000 cc of hydrogen oxygen gas is mixed per minute.
  • the internal combustion engine using the hydrogen oxygen gas generator 1 has improved fuel efficiency. This means that the combustion efficiency has increased.
  • FIG. 5 is a system diagram of the hydrogen-oxygen gas generator 1 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 6 shows a control flowchart of the inverter in that case.
  • the hydrogen oxygen gas generator 1 other than the inside of the inverter 3 is the same as that of the first embodiment.
  • parts different from the first embodiment will be described, and description of the same parts as the first embodiment will be omitted.
  • the internal combustion engine has an output shaft, and the rotation speed of the output shaft is detected by a rotation sensor.
  • a rotation sensor Various methods are conceivable for detecting the number of rotations by the rotation sensor. For example, a method for detecting the number of rotations of the alternator may be used.
  • the inverter 3 includes a current setting means 3a, a current detection means 3b, a current monitoring means 3c, a current control means 3e, a temperature monitoring means 3d, and a voltage monitoring means 3f, and a rotational speed for monitoring the rotational speed of the internal combustion engine power section. Monitoring means 3g is provided.
  • the operations of the current setting means 3a, current detection means 3b, current monitoring means 3c, current control means 3e, temperature monitoring means 3d and voltage monitoring means 3f are the same as those in the first embodiment.
  • S21 to S28 correspond to S11 to S18, and each operation is the same.
  • the rotational speed monitoring means 3g has an output shaft of the internal combustion engine, and changes the target current according to the rotational speed of the output shaft.
  • the temperature monitoring (S23) there is a step of changing the target current according to the rotational speed of the output shaft (S24). For example, if the target current is set to 0.5 amps from 0 to 800 (rpm), the target current is set to 8.0 amps from 800 to 1500 (rpm), and the target current exceeds 1500 (rpm) The target current is set from 8.0 amperes to 20.0 amperes.
  • a group of target current values to be switched is determined in advance as a predetermined target current value corresponding to the rotational speed. After setting each target current, the process proceeds to the current monitoring step (S24, S25, S26).
  • the current amount is monitored by current monitoring (S24).
  • current monitoring When the voltage between the anode side electrode plates 10a and 10b and the cathode side electrodes 11a and 11b is increased, the current increases only slightly until electrolysis occurs. The current increases rapidly from a certain point along with the electrolysis. If the current value actually measured by the current detection means 3b is larger than the target current, a command is sent to the current control means 3e to lower the voltage to reduce the current (S25). Conversely, if the current value actually measured by the current detection means 3b is smaller than the target current, a command is sent to the current control means 3e to increase the voltage in order to increase the current (S26).
  • the current control means 3e that has received the command sends a command to the current setting means 3a so as to increase the current in accordance with the command. Accordingly, the current setting means 3a sets the current according to the command. If the current value actually measured by the current detection means 3b is within the target current range, a command is sent to the current control means 3a to keep the set current as it is, or the state is kept as it is. .
  • each step is the same as in the first embodiment in that it is always repeated at a predetermined timing.
  • the target current is determined in advance depending on the size of the electrolytic cell 4 and the amount of the electrolytic solution. For example, when the rotational speed is 1000 (rpm), the target current is set to 8.0 amperes (S29).
  • the current control means 3e performs control so that the current actually applied to the electrolyte becomes a constant target current of 8.0 amperes.
  • the control method is the same as that of the first embodiment.
  • the input voltage application timing is changed to control the current value to be a constant value, or the input voltage is controlled to change the voltage value. I can take it.
  • the voltage duty can be changed by changing the application timing to a pulse shape.
  • the hydrogen-oxygen gas generating apparatus can be widely applied to apparatuses having a combustion process including an internal combustion engine.
  • sufficient hydrogen oxygen gas can be generated with a low voltage and current, it can be applied to an internal combustion engine of a vehicle or a ship.

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Abstract

　低電流で水素ガスを発生させ、水蒸気の発生が少ない水素酸素ガス発生装置を提供することを目的としている。水素酸素ガス発生装置は、電源と、該電源に電気的に接続されるインバータと、該インバータと電気的に接続され、内部に、ナノ水と、該ナノ水内に浸漬される陽極および陰極とを有する電解槽とを備える。これにより、低い電流で駆動し、水蒸気の発生を少なくすることができる。

Description

水素および酸素の混合ガス発生装置およびそれを用いた内燃機関
　本発明は、ブラウンガスたる水素および酸素の混合ガス（以下、「水素酸素ガス」とよぶ）の発生装置およびそれを用いた内燃機関に関する。 
　近年、さまざまな技術分野で、環境への配慮を重視した技術開発がなされている。特に、内燃機関など、化石燃料の燃焼を利用した技術分野では、ＣＯ２の排出量を削減することを目的とした技術開発が盛んである。たとえば、燃焼プロセスを持たない技術への転換により、ＣＯ２の排出量を削減することは一つの方法である。実用化されているハイブリッド車を含め、様々なタイプの発電・蓄電技術を利用する電気駆動の乗用車などはその例である。
　しかしながら、現在の技術水準では、燃焼プロセスを持たない技術への転換ができず、あくまで化石燃料の燃焼プロセスが不可避となる技術分野も存在する。たとえば、大きな駆動力を必要とする船舶や、大型自動車、ボイラなどである。このような技術分野では、排気されるガスに含まれる有毒ガスやＣＯ２ガスの低減化により環境への配慮を実現することが考えられる。排気されるガスに含まれる有毒ガスやＣＯ２ガスの低減化は、燃焼効率を上昇させて、燃焼プロセスを如何に完全燃焼に近づけるかの点に集約される。また、燃焼効率を上昇させることにより、必要な燃料も減るため、燃費も向上する。
　燃焼効率を上昇させる方法として、たとえば特許文献１に開示されるように水素酸素ガスを利用する方法がある。ここでは、一般に使用されている水の電気分解により発生する水素ガスと酸素の化学当量比を２：１として混合するものである。
実用新案登録第３１３１９３８号公報
　しかしながら、一般に使用されている水の電気分解の原理を用いた水素ガスおよび酸素ガスの発生方法では、発生量には限界があり、水素酸素ガス装置で利用する場合には、燃焼が安定しやすい大型の定置式とせざるをえなかった。すなわち、負荷変動が多い駆動力源として水素酸素ガス装置を利用する場合には、従来の水の電気分解では安定的な水素酸素ガスの供給が困難であり、燃焼効率を上昇させて燃焼プロセスを完全燃焼に近づけることは困難であった。
　特に、従来の水素酸素ガス装置で水素酸素ガスを大量に発生させるには、１００Ｖなどの高い電圧で高い電流を使用している。また、通電による熱で、水蒸気が多く発生する問題がある。乗用車などの車両や船舶などにおいては、低電流の状態で多量の水素ガスを発生させることが望まれる。
　本願発明は、低電流で水素ガスを発生させ、水蒸気の発生が少ない水素酸素ガス発生装置を提供することを目的としている。
　本願発明は、内燃機関での燃焼を完全燃焼に近づけるために水素酸素ガスを利用する際に、に安定的な水素酸素ガスの供給ができる水素酸素ガス発生装置を提供することを目的としている。
　本願発明は、電源と、該電源に電気的に接続されインバータと、該インバータと電気的に接続され、該インバータから電圧が印加される陽極および陰極とを内部に有する電解槽と、純水に予め所定の周波数の超音波振動を印加して製造され、該電解槽の内部に貯藏されるナノ水とを備える水素酸素ガス発生装置を提供することにある。
　本願発明の目的は、さらに、電源と、該電源に電気的に接続されインバータと、該インバータと電気的に接続され、該インバータから電圧が印加される陽極および陰極とを内部に有する電解槽と、純水に予め所定の周波数の超音波振動を印加して製造され、該電解槽の内部に貯藏されるナノ水とを備える水素酸素ガス発生装置を用いた内燃機関を提供することにある。
　従来の水素酸素ガス発生装置に比べ、本願発明による水素酸素ガス発生装置では、安定的に多量の水素酸素ガスを発生することができる。ひいては、内燃機関に適用した結果、化石燃料を使用した内燃機関においての燃焼効率を上昇させることができる。これにより、ＣＯ２ガスの排出量が低減化できる。
　さらに、本願発明による水素酸素ガス発生装置では、低い電圧・電流で多くの水素酸素ガスを発生させることができる。そのため、装置全体を小型化でき、乗用車から大型自動車などの車両や船舶などに利用することができる。
 
本発明の水素酸素ガス発生装置を示した図である。 本発明の水素酸素ガス発生装置の電極構造の例を示した図である。 本発明の水素酸素ガス発生装置の集ガス部を示した図である。 本発明の実施例１の水素酸素ガス発生装置の系統図である。 本発明の実施例１水素酸素ガス発生装置のインバータの制御フローチャートを示した図である。 本発明の実施例２の水素酸素ガス発生装置の系統図である。 本発明の実施例２水素酸素ガス発生装置のインバータの制御フローチャートを示した図である。 本発明の水素酸素ガス発生装置を利用した内燃機関の説明図である。
（実施例１） 
　図１から図４を参照して、本発明の水素酸素ガス発生装置１について、説明する。図１は、本発明の水素酸素ガス発生装置を示した図である。図２Ａは、本発明の水素酸素ガス発生装置の電極構造の例を示した図であり、図２Ｂは本発明の水素酸素ガス発生装置の集ガス部を示した図である。また、図３は、本発明の実施例１の水素酸素ガス発生装置の系統図である。図４には、インバータの制御フローチャートを示している。
水素酸素ガス発生装置１は、電源２と、インバータ３と、電解槽４と、水素酸素ガス供給管１２とを備える。
　電源２は、電解槽４に電力を供給することができるものであれば、特に制限なく選択することができる。たとえば、電源２は２４ボルトの電源とできる。電源２の陽極および陰極は、それぞれインバータ３を介して、電解槽４の陽極側電極板１０と陰極側電極１１ａ，１１ｂとに接続されている。電源２の電圧は、インバータ３により、電圧を降下させる。たとえば、本実施例では２４ボルトから１２ボルトに降下させる。これにより、乗用車、船舶など移動型の乗物に使用することができる。
　電解槽４は、槽９を上蓋６で閉じる構造の容器である。上蓋６は、絶縁素材によるパッキン８を挟んで、槽９に取り付けられる。上蓋６は、ワッシャー付きボルト２５に絶縁パッキン２６を挟んで槽９に螺嵌される。これにより、電解槽４の内部で発生する超微粒子たる水素酸素ガスを外部に逃がさない構造となっている。また、電解槽４の内槽には特殊シリコーンを使用し、漏電を防ぐ構造となっている。槽９の各部分には、たとえばアクリル樹脂材を使用すれば内部で発生する熱を外に伝わらないようにすることができる。
　電解槽４の槽９には、電解液供給口７から電解液が注入され、槽９内に満たされる。電解液としては、いわゆるナノ水３１を使用する。本願では、「ナノ水」は、超音波帯の振動を所定の時間だけ純水に印加して予め製造された水と定義する。本実施例では、たとえば３６キロヘルツの周波数の超音波振動を２４時間加え続けて製造したナノ水を使用した。
また、電解槽４の槽９の電解液中には、たとえば水酸化カリウムや水酸化ナトリウム等のような水酸化物を触媒として添加する。
　さらに、電解槽４の槽９の電解液中には、トルマリン３２を添加してもよい。トルマリンは、たとえばドラバイトトルマリンであって、ある程度大きなものを採用する。マイナスイオンを発する効果が期待できる。たとえば、球体形状のものを採用することができる。これにより、電極への付着物を低減化することができる。
　電解槽４の電解液中には、電源２の陽極および陰極にそれぞれ接続されている陽極側電極板１０と陰極側電極１１とが浸漬されている。なお、図１には模式的に１対の陽極側電極板１０と陰極側電極１１とを示しているが、実際には、図２Ａに示すように、陰極側電極板と陽極側電極板とを１つのセットとして、複数の電極のセットを電解液中に浸漬することが好ましい。すなわち、陽極側電極板１０ａ，１０ｂと陰極側電極１１ａと１１ｂとで一定の間隔で交互に配置するような１セットの陽極側電極板１０と陰極側電極１１とを構成させる。このような電極セットを複数準備し、電解槽４内に浸漬させる。たとえば、６セットの電極を用いれば、２４枚の電極となる。陽極側電極板１０ａ，１０ｂと陰極側電極１１ａと１１ｂのそれぞれは、材料として、たとえば、強化ステンレス合金（ＳＵＳ３１６），チタン合金などを使用することができる。さらに、チタン合金を使用する場合には、イリジウムを表面に蒸着したチタン合金、または表面にメッキ処理でプラチナの表面層を施したチタン合金など、イリジウムまたはプラチナ層を表面に有するチタン合金を使用することができる。ただし、これに制限されるものではない。
　また、陽極側電極板１０ａ，１０ｂと陰極側電極１１ａと１１ｂのそれぞれは、長さＬの長辺縁と長さＤの短辺縁とを有する形状であって、短辺縁側が電解槽４の電解液の深さ方向となるように電解槽４内で電解槽に浸漬させるとよい。たとえば、長さＤ：長さＬは１：２とすることができる。
　電解槽では、水の電気分解の原理にしたがい、電源２から電力を供給することにより、陽極側電極板１０ａ，１０ｂでは、陽極側電極板１０ａと１０ｂと電解液とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ－）を生成するとともに電子を受け取る。その電子は陰極側電極１１ａ，１１ｂに向けて流れる。陰極側電極１１ａ，１１ｂでは、水素イオン（Ｈ＋）が陰極側電極１１の電子を受け取って、水素分子（Ｈ２）となる。電解液としては、単なる純水ではなく、水分子のクラスターが崩れて水分子単体となっているナノ水を用いることにより、電解液中で、水素イオン（Ｈ＋）および水酸化物イオン（ＯＨ－）を生成しやすくなる。また、トルマリンを用いることにより、陰極側電極１１ａ，１１ｂでの電子の放出が促進される。さらに、トルマリンを球体化・粒状化することで、電極への付着物を低減化し電極の持続性を高めることができる。
　図２Ｂに示すように、電解槽４の上蓋６には、電解槽４で発生した水素酸素ガスを搬送する水素酸素ガス供給管１２が接合されている。水素酸素ガス供給管１２は集ガス口１２ａで上蓋６とから内部に連通している。電解槽４の内部側にあたる集ガス口１２ａ付近の上蓋６には、衝立６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが、集ガス口１２ａの周りに集ガス口１２ａを取り囲むように、上蓋６に対して鉛直方向に延在するように取り付けられる。衝立６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄのそれぞれの間には、数ミリ程度の隙間を設ける。発生した水酸素ガスは、この隙間を通って、衝立６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄで画定される空間を介して、集ガス口１２ａから水素酸素ガス供給管１２に搬送される。衝立６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄにより、電解槽４の電解液である水の温度が上昇することで発生する水蒸気はブロックされ、発生した水酸素ガスのみが衝立６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄで画定される空間内に入る。水素酸素ガス供給管１２への水酸素ガスの流入を防ぐことができる。
　さらに、水素酸素ガス供給管１２には水抜きバルブ１３が配置され、衝立６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄで画定される空間内に僅かに入り込む水蒸気が、水素酸素ガスとともに水素酸素ガス供給管１２内に搬送されてしまった場合でも、水として水素酸素ガス供給管１２から除去できる。
　電解槽４に上記のとおり、ナノ水をとトルマリンを用いることにより、水素発生量が格段に向上する。このため、電源２からの通電量に対する水素発生量が大きくなり、通電量の変化量に対する水素発生量の変動も同時に大きくなってしまう。水素発生量の変動が大きくなると、燃料ガス内に供給される水素酸素ガスの割合が変動し、燃焼効率が安定しない。そこで、電源２からの通電量をインバータ３により制御する必要が生じる。インバータ３により、電解槽４内に流れる実際の電流の量を所定の量に保ち、電解液の温度の上昇を抑えて、安定した水素酸素ガスの発生を図る。
　インバータ３は、電流設定手段３ａ、電流検出手段３ｂ、電流監視手段３ｃ、電流制御手段３ｅ、温度監視手段３ｄおよび電圧監視手段３ｆを備え、電解液に流す電流を制御する。電流設定手段３ａは電源２に接続され、変換された入力電圧が印加される。電流設定手段３ａは、電解槽４の陽極側電極板１０ａ，１０ｂと陰極側電極１１ａ，１１ｂとに接続されている。電流設定手段３ａは、陽極側電極板１０ａ，１０ｂと陰極側電極１１ａ，１１ｂとに、電流を流すとともに、所定の電流値の目標電流に設定する。インバータ３から陽極側電極板１０と陰極側電極１１ａ，１１ｂとに実際に流れた電流の値は、電流検出手段３ｂにより検出される。検出された電流は、電流監視手段３ｃにより制御数値に変換される。一方、電解槽４には、温度センサ４ａが取り付けてあって、電解槽４の温度が検出される。温度センサ４ａにより検出された温度は、温度監視手段３ｄにより制御用数値に変換される。電圧監視手段３ｆは、電源２のインバータ３に入力される前の一次側電圧（電源２からインバータ３へ入力される電圧）を検出し、それを制御用数値に変換する。
　インバータ３のシーケンスにつき、図３を参照して説明する。図３は、本発明の水素酸素ガス発生装置１のインバータ３のフローチャートを示した図である。まず、電流設定手段３ａにより、設定電流をゼロとなるように電圧を設定する（Ｓ１１）。その後、陽極側電極板１０ａ，１０ｂと陰極側電極１１ａ，１１ｂ間の電圧を印加して電解液に電流を流し始める。電圧監視手段３ｆにより、その電圧監視を開始する。電源２からインバータ３にかかる電圧に異常がなければ温度監視（Ｓ１３）へ移行し、電圧に異常があれば予め設定した電圧異常時の電流に設定するように、電流制御手段３ｅに指令を送る（Ｓ１７）。指令を受けた電流制御手段３ｅは、電流設定手段３ａに対し、予め設定した電圧異常時の電流に設定するように指令を送る。これにしたがって、電流設定手段３ｂは、電圧異常時の電流に設定する。
　続いて、温度監視（Ｓ１３）へ移行する。まず、温度センサ４ａの温度を検出する（Ｓ１３）。温度監視（Ｓ１３）により、電解槽４の温度が限界温度に達していれば、温度異常として、予め設定した温度異常時の電流に設定するように、電流制御手段３ｅに指令を送る（Ｓ１８）。指令を受けた電流制御手段３ｅは、電流設定手段３ａに対し、予め設定した温度異常時の電圧に設定するように指令を送る。これにしたがって、電流設定手段３ｂは、温度異常時の電圧に設定する。ここで限界温度とは、内部の電解液の蒸発が始まる温度であり、水であれば水蒸気の発生が始まる温度である。限界温度を越えないように電流を制御する。
　温度センサ４ａの検出した温度が限界温度に達していなければ、電流監視（Ｓ１４）へ移行する。設定電流がゼロとなるように電圧を設定した後（Ｓ１１）、電圧を上昇させて、電流を流し始める。電流監視（Ｓ１４）では、この電流量を監視する。陽極側電極板１０ａ，１０ｂと陰極側電極１１ａ，１１ｂ間の電圧を上昇させると、電気分解が生じるまでは電流は僅かにしか上昇しない。電気分解とともにある時点から電流が急激に増加する。電流検出手段３ｂにより実際に測定された電流値が、目標電流よりも大きい場合には電流を低下させるべく電圧を下げるように電流制御手段３ｅに指令を送る（Ｓ１５）。逆に、電流検出手段３ｂにより実際に測定された電流値が目標電流よりも小さい場合には、電流を上昇させるべく、電圧を上昇させるように電流制御手段３ｅに指令を送る（Ｓ１６）。
　指令を受けた電流制御手段３ｅは、その指令に応じて電流を上昇させるように電流設定手段３ａに対し指令を送る。これにしたがって、電流設定手段３ａは、指令に応じた電流に設定する。電流検出手段３ｂにより実際に測定された電流の値が、目標電流の範囲内にある場合には、設定電流をそのまま維持するように電流制御手段３ａに指令を送るか、またはそのままの状態を保つ。
　上記の制御ステップにおいて、各ステップは、所定のタイミングで常時繰返される。目標電流は、電解槽４の大きさ、電解液の量によって、予め決定される。たとえば、目標電流が８．０アンペアとなるように設定する、設定電流をゼロとした後（Ｓ１１）、電圧を上昇させて電流を流し始めると、水素酸素ガスが発生し始めた時点から電流が急激に上昇する。これに併せて、電流制御手段３ｅが実際に電解液に負荷される電流が一定の目標電流８アンペアとなるように制御する。たとえば、入力電圧の印加タイミングを変化させて電流値が一定の値となるように制御したり、入力電圧を電圧値を変化させて制御するなどの方法がとれる。たとえば、印加タイミングをパルス状とすることで電圧デューティを変化させることもできる。これにより、電流検出手段３ｂが検出した電流を目標電流に保つように、ナノ水への該電圧の印加量の制御を行うことができる。
　ナノ水を利用した場合の効果は表１のとおりである。表１は、電解液としてナノ水，純粋および市販イオン水を使用した場合の水素酸素ガスの発生量を比較したものである。電解液としてナノ水，純粋および市販イオン水を使用した際に、電極にかかる目標電流が８．０ボルトになるようにして、インバータ３により電圧デューティを変化させた際に、発生する水素酸素ガスの量を比較した。これから、ナノ水を使用した場合には、電圧デューティが最も低い場合に最も多い水素酸素ガスを発生していることがわかる。ナノ水を使用することで、特に水素酸素ガスの発生量が多くなることを示している。
 
表１　　
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　さらに、本実施例では、陰極として、１．５ミリメートル厚のチタン合金板にイリジウムを０．５ミリメートル厚で蒸着させたものを使用した。表２は、ステンレス電極を使用した場合の例との比較である。これから、チタン合金板にイリジウムを蒸着させた場合のほうが、水素酸素ガスの発生量が多いことがわかる。イリジウムを蒸着させたチタン合金電極を使用することで、特に水素酸素ガスの発生量が多くなることを示している。
 
表２
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　図７は、本発明の水素酸素ガス発生装置１を利用した内燃機関２１の説明図である。内燃機関２０と吸気口１６との間に連通する燃料ガス管１９には、水素酸素ガス管１２が結合されている。水素酸素ガス発生装置１で発生させた水素酸素ガスは、水素酸素ガス管１２を経由して燃料ガス管１９に至り、燃料ガスと混合されて内燃機関２０に吸入される。これにより、吸気口１６から吸入された燃料ガスに水素酸素ガスが混合されて、水素酸素ガスの含有比率が高まって、燃焼効率が向上するとともに、排気ガス２１から有害ガスの除去をすることができる。そして、燃焼効率を上昇させることにより、必要な燃料ガスが削減可能であって、燃費も向上する。内燃機関の例としては、一般乗用車から大型自動車、船舶などのエンジンや、ボイラ、焼却炉等が挙げられる。
　本願の水素酸素ガス発生装置１で発生させた水素酸素ガスを内燃機関で用いた性能評価は、次のとおりである。表３は水素酸素ガス発生装置を用いた内燃機関の性能比較例である。内燃機関として６０００ｃｃクラスエンジンを搭載した船舶において、水素酸素ガス発生装置１を搭載させたものと非搭載のものとにおいて、燃料（ガソリン）の消費量を比較した。船舶は岸壁に停泊させて、１５００（rpm）のアイドリング状態で比較実験を行った。この実験では、水素酸素ガス発生装置を用いた場合に、毎分１０００ccの水素酸素ガスを混合している。この実験からも、水素酸素ガス発生装置１を使用した内燃機関において、燃費が向上していることがわかる。これは、燃焼効率が上昇したことを意味する。
 
表３
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
（実施例２） 
図５図６，図７を参照して、別の実施例としての本発明の水素酸素ガス発生装置１について、説明する。実施例１と実施例２は基本的に同じであるが、その違いは、内燃機関２０の状態をインバータ３の制御に取り込む点にある。図５は、本発明の実施例２の水素酸素ガス発生装置１の系統図である。図６には、その場合のインバータの制御フローチャートを示している。インバータ３の内部以外の水素酸素ガス発生装置１は、実施例１と同様である。以下、実施例１と異なる部分について説明し、実施例１と同じ部分の説明は省略する。
　図６に示すように、内燃機関には出力軸があって、その出力軸の回転数を回転センサにより検出する。回転センサによる回転数の検出には、いろいろな方法が考えられ、たとえば、オルタネータの回転数を検出する方法でも良い。
　インバータ３には、電流設定手段３ａ、電流検出手段３ｂ、電流監視手段３ｃ、電流制御手段３ｅ、温度監視手段３ｄおよび電圧監視手段３ｆに加え、内燃機関動力部の回転数の監視を行う回転数監視手段３ｇを備えている。電流設定手段３ａ、電流検出手段３ｂ、電流監視手段３ｃ、電流制御手段３ｅ、温度監視手段３ｄおよび電圧監視手段３ｆの動作は、実施例１と同じである。図６におけるフローチャートにおいて、Ｓ２１からＳ２８までは、Ｓ１１からＳ１８と対応し、各動作は同じである。
　実施例２で回転数監視手段３ｇは内燃機関の出力軸があって、その出力軸の回転数に応じて、目標電流を変更する。フローチャートでは、温度監視（Ｓ２３）の後に、出力軸の回転数に応じて、目標電流を切り替える変更するステップを有する(Ｓ２４)。たとえば、０から８００（ｒｐｍ）においては目標電流を０．５アンペアに設定し、８００から１５００（ｒｐｍ）においては目標電流を８．０アンペアに設定し、１５００（ｒｐｍ）を越えた場合には目標電流を８．０アンペアから２０．０アンペアに設定する。切り替えるべき目標電流値のグループは、回転数に応じた所定の目標電流値として、予め決定しておく。それぞれの目標電流に設定した後における電流監視のステップ（Ｓ２４，Ｓ２５，Ｓ２６）へ移行する。
　すなわち、電流監視（Ｓ２４）で、電流量を監視する。陽極側電極板１０ａ，１０ｂと陰極側電極１１ａ，１１ｂ間の電圧を上昇させると、電気分解が生じるまでは電流は僅かにしか上昇しない。電気分解とともにある時点から電流が急激に増加する。電流検出手段３ｂにより実際に測定された電流値が、目標電流よりも大きい場合には電流を低下させるべく電圧を下げるように電流制御手段３ｅに指令を送る（Ｓ２５）。逆に、電流検出手段３ｂにより実際に測定された電流値が目標電流よりも小さい場合には、電流を上昇させるべく、電圧を上昇させるように電流制御手段３ｅに指令を送る（Ｓ２６）。指令を受けた電流制御手段３ｅは、その指令に応じて電流を上昇させるように電流設定手段３ａに対し指令を送る。これにしたがって、電流設定手段３ａは、指令に応じた電流に設定する。電流検出手段３ｂにより実際に測定された電流の値が、目標電流の範囲内にある場合には、設定電流をそのまま維持するように電流制御手段３ａに指令を送るか、またはそのままの状態を保つ。制御ステップにおいて、各ステップは、所定のタイミングで常時繰返される点も実施例１と同じである。目標電流は、電解槽４の大きさ、電解液の量によって、予め決定される。たとえば、回転数が１０００（ｒｐｍ）の場合には、目標電流が８．０アンペアとなるように設定する（Ｓ２９）。電圧を上昇させて電流を流し始めると、水素酸素ガスが発生し始めた時点から電流が急激に上昇する。これに併せて、電流制御手段３ｅが実際に電解液に負荷される電流が一定の目標電流８．０アンペアとなるように制御する。制御の方法も実施例１と同様で、たとえば、入力電圧の印加タイミングを変化させて電流値が一定の値となるように制御したり、入力電圧を電圧値を変化させて制御するなどの方法がとれる。たとえば、印加タイミングをパルス状とすることで電圧デューティを変化させることもできる。
　これにより、内燃機関の最適の状態の水素ガスを発生させることができるとともに、水蒸気を発生させる温度上昇に使われる無駄な電力のしようを防ぐことができる。
 
　本願発明による水素酸素ガス発生装置は、内燃機関を含め燃焼プロセスを有する装置に広く適用することができる。特に、低い電圧・電流で十分な水素酸素ガスを発生させられるため、車両・船舶の内燃機関に適用することができる。
 
　この出願は２００９年９月１０日に出願された日本国特許出願第２００９－２３１９４２からの優先権を主張するものであり、その内容を引用してこの出願の一部とするものである。
１　　水素酸素ガス発生装置
２　　電源
３　　インバータ
４　　電解槽
１０　陽極側電極板
１１　陰極側電極板
 

 

Claims (8)

  1. 　電源と、
    　該電源に電気的に接続されインバータと、
    　該インバータと電気的に接続され、該インバータから電圧が印加される陽極および陰極とを内部に有する電解槽と、
    純水に予め所定の周波数の超音波振動を印加して製造され、該電解槽の内部に貯藏されるナノ水とを備え、
    該インバータは、該インバータから該電解槽の該陽極と該陰極とに実際に流れた電流の値を検出する電流検出手段を備え、該電流検出手段が検出した電流を目標電流に保つように該ナノ水への該電圧の印加量の制御を行うことを特徴とする水素酸素ガス発生装置。
  2. 　請求項１に記載の水素酸素ガス発生装置であって、該水素酸素ガス発生装置は内燃機関に接続され、該インバータは該内燃機関の出力軸の回転数に応じて、該回転数に応じた所定の目標電流値に切換えることを特徴とする水素酸素ガス発生装置。
  3. 　請求項１または２に記載の水素酸素ガス発生装置であって、該陽極および該陰極は、イリジウムまたはプラチナ層を表面に有するチタン合金であることを特徴とする水素酸素ガス発生装置。
  4. 　請求項１から３のいずれか一項に記載の水素酸素ガス発生装置であって、該陽極および該陰極のそれぞれは、長辺の縁と短辺の縁を有する形状であって、短辺の縁が該ナノ水の深さ方向となるように該電解槽に浸漬されていることを特徴とする水素酸素ガス発生装置。
  5. 　請求項１から４のいずれか一項に記載の水素酸素ガス発生装置であって、該電解槽は、樹脂製であることを特徴とする水素酸素ガス発生装置。
  6. 　請求項１から５のいずれか一項に記載の水素酸素ガス発生装置であって、該水素酸素ガス発生装置は該電解槽の温度を検出する温度センサを備え、
    該インバータは、該温度センサが検出した温度を監視する温度監視手段を備え、
    該温度センサにより検出された温度が、水蒸気を発生させる限界温度に達していれば、予め設定した温度異常時の電流に設定するように、該電流制御手段に指令を送り、
    該電流制御手段は、該電流設定手段に指令を送って、該温度異常時の電流となるように該電圧を制御することを特徴とする水素酸素ガス発生装置。
  7. 　請求項１から６のいずれか一項に記載の水素酸素ガス発生装置であって、該電解槽は、該電解槽の上蓋に発生する水素酸素ガスを集める集ガス口を備え、該上蓋の内側の該集ガス口付近には、該集ガス口の囲むように、複数の衝立が配置され、隣接する衝立の間には、隙間を有することを特徴とする水素酸素ガス発生装置。
  8. 　燃料ガスを吸入して燃焼させる内燃機関であって、
    請求項１から７のいずれか一項に記載した水素酸素ガス発生装置で発生した水素ガスと酸素ガスとを該燃焼前に該燃料ガスに混合して燃焼させることを特徴とする内燃機関。
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