JP2011105534A - Hydrogen supply apparatus for internal combustion engine and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光触媒作用を利用して、内燃機関及び燃料電池に水素を供給する水素供給装置に関する。 The present invention relates to a hydrogen supply device that supplies hydrogen to an internal combustion engine and a fuel cell using photocatalysis.
将来のクリーンエネルギーである水素を燃料とする水素エンジン自動車、燃料電池自動車等が開発されているが、燃料の水素を貯蔵する水素タンクを搭載するにあたって、高圧で多量の水素貯蔵にたいしての危険性、及び水素補給施設の設置の金額的な問題もあり、現状では普及するに至っていいない。 Hydrogen engine vehicles, fuel cell vehicles, etc. that use hydrogen as the future clean energy as fuel have been developed, but the danger of storing a large amount of hydrogen at high pressure when installing a hydrogen tank to store hydrogen of fuel, In addition, there is also a problem with the amount of money for installing a hydrogen replenishment facility.
そこで、自動車に水素発生装置を搭載して、水などから水素を生産してエンジンの燃料とする考案がされている。例えば文献1では、水を電気分解してできた水素、酸素をエンジンに送る。文献2では、電気分解して生じた水素ガスを従来の燃料と共に使い従来の燃料の燃費を改善する考案がされている。
しかしながら、前記の水分解方法は、電極に電位をかけて行う従来からの電気分解と同じで両極の金属を変えても水素製造方法としては従来の電気分解と変わりはなく、電気分解に使った電力よりも水素を燃料として得られるエネルギーや電力の効率が低いという問題は解決されていない。 However, the above water decomposition method is the same as the conventional electrolysis performed by applying an electric potential to the electrode. Even if the metal of both electrodes is changed, the hydrogen production method is the same as the conventional electrolysis and used for the electrolysis. The problem that the energy obtained from hydrogen as a fuel and the efficiency of electric power is lower than electric power has not been solved.
本発明は、内燃機関及び燃料電池に水素を製造して供給する水素供給装置において、電極に電位を与えて水を電気分解する従来の方法ではない方法で水素を供給する装置を提供することを課題とする。 The present invention provides a hydrogen supply apparatus for producing and supplying hydrogen to an internal combustion engine and a fuel cell, in which hydrogen is supplied by a method that is not a conventional method for electrolyzing water by applying a potential to an electrode. Let it be an issue.
前記課題を解決するため、本発明では光触媒を用いて光により水を水素と酸素に分解する現象を利用する。つまり、水中の光触媒に光を当てることによって水を瞬時に酸素と水素に分解する強い酸化力を利用する。尚、光触媒の反応を高める助触媒も使用する。また、太陽光を利用することで電力を使わずに水素を発生させる。 In order to solve the above problems, the present invention utilizes a phenomenon in which water is decomposed into hydrogen and oxygen by light using a photocatalyst. In other words, it uses a strong oxidizing power that instantly decomposes water into oxygen and hydrogen by applying light to the photocatalyst in water. A co-catalyst that enhances the reaction of the photocatalyst is also used. In addition, by using sunlight, hydrogen is generated without using electricity.
本発明による水素供給装置は、電気分解に比べ水素発生効率を高めることができる。また、太陽光があれば内燃機関を稼働せずに水素を供給できる。また、大型の水素タンクを搭載することなく水素を供給できる為、安全性が向上する乗り物を提供できる。さらに、水素スタンドなどの水素補給施設も従来の石油系燃料も代替燃料も不要になる。 The hydrogen supply apparatus according to the present invention can increase the hydrogen generation efficiency as compared with electrolysis. Moreover, if there is sunlight, hydrogen can be supplied without operating the internal combustion engine. In addition, since hydrogen can be supplied without installing a large hydrogen tank, a vehicle with improved safety can be provided. In addition, hydrogen supply facilities such as hydrogen stations, conventional petroleum fuels, and alternative fuels are not required.
光触媒の特徴として大きく分けて二つの触媒の構成方法がある。第1は電極とする方法で、例えば内燃機関、又は内燃機関を搭載した乗り物などに装備されている水タンクなどの水貯蔵容器内の水中に光触媒である酸化チタンの電極と助触媒の白金を施した電極を浸す方法。第2は水タンク内に光触媒、又は光触媒と助触媒を敷設、配置又は塗装することも出来る。 There are two general methods for configuring the catalyst as the characteristics of the photocatalyst. The first is a method of using an electrode. For example, an electrode of titanium oxide as a photocatalyst and platinum as a cocatalyst are placed in water in a water storage container such as an internal combustion engine or a vehicle equipped with an internal combustion engine. A method of immersing the applied electrode. Second, a photocatalyst, or a photocatalyst and a cocatalyst can be laid, arranged or painted in the water tank.
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものとする。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.
図1は、本発明の水素供給装置の第1実施例を示す断面模式図である。水タンク1内に酸化チタン電極2と白金電極3を配置し両電極を抵抗8でつないだ閉回路とする。両電極は仕切り板6によって2室に分けてある。これにより水素と酸素を別にして取り出せる。但し、仕切り板6の下方は水タンク1の底部に接しないように隙間をとる。これは水の注入口を一つにする為と2室の水面を同一にする為である。なお、水タンク1には図示していない注入口も設けておく。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of the hydrogen supply apparatus of the present invention. A closed circuit in which a
酸化チタン電極2は光を受ける電極面を水面9に対し平行に設け、浮力装置5により水面9より少し下の水中でキセノンランプ4の光を受けられるように配置し水面の変化に伴って上下移動できる構造となっている。これにより、キセノンランプ4からの光を水の増減に関係なく、常に一定の照度と一定の受光面積で受けることが可能になる。
The
キセノンランプ4は、酸化チタン電極2の上部の水タンク1外側に配置し、水タンク1に取り付けたアクリル板7を通して酸化チタン電極2へ光を照射する。なお、アクリル板7の両面には酸化チタンを塗布する。これにより光が当たっている間、光触媒の作用によりアクリル板7の表面の汚れを防ぐことができる。
The
酸化チタン電極2はキセノンランプ4の光を受け酸素を発生し、白金電極3からは水素を発生する。水素は内燃機関の燃料として燃焼室へ送られる。酸素は内燃機関の空気吸入装置へ送ることでより酸素密度を高めることができる。なお、キセノンランプ4の電源は任意でよいが、微弱な電力ですむため図示しない内燃機関の発電機による電力で充分賄うことができる。また、両電極の枚数や表面積は水タンク1の容量や水素の供給量により任意にして良い。
The
図2は、本発明の第2実施例を示す断面模式図である。酸化チタン電極2に照射する光をキセノンランプ4だけでなく太陽光も加えたことを特徴とする。また、酸化チタン電極2まで太陽光を導き照射する為にグラスファイバー10を装備することも特徴とする。
FIG. 2 is a schematic sectional view showing a second embodiment of the present invention. It is characterized in that not only the
グラスファイバー10は酸化チタン電極2側の水タンク1上部から水中まで通して酸化チタン電極2上部に配設する。これにより太陽光の照度の減少を抑えることができる。グラスファバー10の外側先端には太陽光をより多く集めるための集光装置11を備え、太陽光を酸化チタン電極2に照射する先端には光をより拡散するための光拡散装置12を備えている。水タンク1下部にはキセノンランプ4を備えアクリル板7を通してチタン電極2に光を照射する事が出来る。なお、集光装置11及び光拡散装置12の表面にも酸化チタンを施してある。これにより表面の汚れを防ぎ太陽光の照度を落とさずに酸化チタン電極2に照射することができる。
The
酸化チタン電極2と白金電極3は水タンク1底部に配設し、酸化チタン電極2には傾斜を与えておく。これにより、酸化チタン電極2下側から発生する酸素も滞らず傾斜に沿って上方へ流れて行くことが出来る。なお、酸化チタン電極2は水タンク1下の部分に装備されたキセノンランプ4の光も受けられるように両面に酸化チタンを施してある。これにより、太陽光があれば内燃機関が稼働していなくても水素を生産し水素タンクなどに貯めることができる。また、内燃機関が稼働すれば図示しない内燃機関の発電機からの電力によりキセノンランプ4からも照射できるので水素供給効率が向上する。
The
図3は、本発明の第3実施例を示す断面模式図である。本実施例では、水タンク1の内部に酸化チタン層13を敷設し、発生させた酸素と水素を混合させて供給することを特徴とする。また、キセノンランプ4の電力源に太陽電池15も使用することを特徴とする。
FIG. 3 is a schematic sectional view showing a third embodiment of the present invention. In this embodiment, a
水タンク1内に敷設した酸化チタン層13は表面に間隔を開けて白金層14を付着させている。水タンク1上部にはキセノンランプ4を配置し透明なアクリル板7を通して酸化チタン層13に光を照射し、酸素と水素を発生させ混合気体として燃焼室へ供給する。
The
キセノンランプ4の電力源は、内燃機関の稼働による発電機17からの電力と太陽電池15の電力を併用出来る。これにより内燃機関が稼働していない状態でも太陽電池15が機能を発揮出来る状態の時は、太陽電池15から蓄電池16を介してキセノンランプ4へ電力を送ることが可能になり、水素と酸素の混合気体を貯蔵タンクなどに蓄えることができる。また、蓄電池16に電力を蓄えることもできる。
The power source of the
図4は、本発明の第4実施例であり、燃料供給装置からピストンエンジン26の燃焼室までの水素供給の過程を示した説明図である。
FIG. 4 is an explanatory view showing a process of supplying hydrogen from the fuel supply device to the combustion chamber of the
第1実施例又は第2実施例の水タンク1を酸化チタン電極側タンク19と白金電極側タンク18の二つに分けたことを特徴とする。両タンク内の電極は抵抗8でつないだ閉回路を構成しており、図示していない酸化チタン電極へ照射する光は太陽電池15と発電機17の電力を併用して蓄電池16に送り、蓄電池16からの電力によりキセノンランプ4を点灯させ、酸化チタン電極側タンク19から酸素、白金電極側タンク18から水素を発生させる。
The
白金電極側タンク18からの水素は水素電送管20を通り圧縮装置21により加圧されて水素タンク22へ送られる。水素タンク22はピストンエンジン26が稼働しない時でも太陽電池15又は蓄電池16の電力によりキセノンランプ4を点灯させ水素を蓄えることができる。また、圧縮装置21により大気圧以上の圧力で蓄える事ができる。なお、この時の圧縮装置21を駆動させる電力も蓄電池16の電力を使用する。
Hydrogen from the platinum
水素タンク22に蓄えられた水素はマニホールド24によりピストンエンジン26の気筒数に分けて水素ガスインジェクション25より燃焼室へ噴射される。尚、酸化チタン電極側タンク19から発生した酸素の使い方は、酸素電送管23を通して内燃機関の吸気筒、又は空気取り入れ口に接続し吸入空気の酸素濃度を高めることもできるし、水素と混合させて燃焼効率を調節するなど任意にしてよい。
The hydrogen stored in the
本実施例では水タンクを二つにわけたが、これにより両タンクの設置場所が自由になり、特に白金電極側タンク18と水素タンク22を、より安全な任意の場所に装備することが可能になる。尚この際、大元の水タンクを装備して両タンクへ水を供給することもできる。また、太陽電池15は自動車ではボンネット、屋根、トランクなど、船舶では甲板、航空機では機体の上部、又は翼など日当たりの良い任意の場所に設置してよい。また、内燃機関を動力とする発電機に装備した場合は発電機と離して任意の日当たりの良い場所に設置することができる。
In this embodiment, the water tank is divided into two, but this makes the installation place of both tanks free. In particular, the platinum
以上、本発明の基本的な実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。第1及び第2実施例の水タンク1を第4実施例の如く分離してもよいし、第2実施例では太陽光をグラスファイバー10により酸化チタン電極2へ照射したが、キセノンランプ4の光をグラスファイバー10を通して酸化チタンに照射することも出来る。また、光の当て方も水タンク1の上下方向だけでなく横方向や容器を凹ませて照射しても良い。また、実施例ではキセノンランプ4の光を水タンク1内に照射する部分には透明なアクリル板7を使用したが、この他に水タンク1自体、又は水タンク1から燃焼室への過程にある管、又は容器自体を透明な材質にすることも任意にできる。さらに、水タンク1及び前記管、又は容器の光を取り込む部分にもアクリル板7同様に酸化チタンを施して汚れを防ぐことも自由に出来る。また、光源としてはキセノンランプ4に限らず紫外線又は可視光など種々の光に反応する光触媒の種類によって他のランプや蛍光灯など他の照明器具を用いる事も自由であり、形状や光量、照度も任意でよい。
The basic embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment. The
また、実施例では光触媒として酸化チタン、助触媒として白金で説明したがこれらに限らず光触媒反応ができる従来からの任意の光触媒と助触媒を用いる事が出来る。また、電極とする場合や容器内又は管内に配設、敷設する場合に導電性、または半導体性を持つ物質に塗布、または接着、接合するなど自由にできる。また、光触媒、助触媒の割合及び大きさも任意にしてよく、水タンク内一面に配設したり、水タンクから燃焼室までの容器、または配管内に自由に設けることができる。形状も表面に凹凸をつけて表面積を増やすなど任意にすることができる。 In the embodiments, titanium oxide is used as the photocatalyst and platinum is used as the cocatalyst. However, the present invention is not limited thereto, and any conventional photocatalyst and cocatalyst capable of photocatalytic reaction can be used. In addition, when it is used as an electrode, or disposed or laid in a container or a tube, it can be freely applied, adhered or bonded to a substance having conductivity or semiconductivity. Further, the ratio and size of the photocatalyst and the cocatalyst may be arbitrarily set, and may be provided on the entire surface of the water tank, or freely provided in a container or a pipe from the water tank to the combustion chamber. The shape can also be arbitrarily determined, for example, by adding irregularities to the surface to increase the surface area.
また、本実施例では光分解を水で説明したが、水に限らず水を含んでいれる水溶液ならば自由に適用してよい。例えば、第4実施例の二つのタンクのそれぞれに酸性とアルカリ性の水溶液を入れることもできる。 In the present embodiment, the photodecomposition has been described with water. However, the present invention is not limited to water, and any aqueous solution containing water may be applied freely. For example, acidic and alkaline aqueous solutions can be placed in each of the two tanks of the fourth embodiment.
また、第4実施例ではピストンエンジンに装備した例を説明したが、本発明の水素供給装置はこれに限らず内燃機関であってピストンエンジン、またはロータリーエンジンを動力にする自動車を始めとする車両及び船舶から、ターボファンエンジンやターボジェットエンジン、ターボプロップエンジン、ターボシャフトエンジンなどのガスタービンエンジンを搭載する航空機などの乗り物に広く装備できる。また、内燃機関を動力とする発電機にも装備できる。 In the fourth embodiment, an example in which a piston engine is installed has been described. However, the hydrogen supply device of the present invention is not limited to this, and is an internal combustion engine, such as a vehicle that uses a piston engine or a rotary engine as a power source. In addition, it can be widely installed on a vehicle such as an aircraft equipped with a gas turbine engine such as a turbofan engine, a turbojet engine, a turboprop engine, and a turboshaft engine. It can also be installed in a generator powered by an internal combustion engine.
さらに、酸素の使い道も第4実施例に限らず、発生させた酸素の使い道として最適なのが燃料電池である。未来の動力源として開発されている燃料電池及び燃料電池自動車に装備することで、燃料電池に必要な水素に加え酸素も供給可能になる最適な装置として提供できる。 Furthermore, the usage of oxygen is not limited to the fourth embodiment, and the most suitable usage of the generated oxygen is the fuel cell. By installing the fuel cell and fuel cell vehicle that are being developed as a power source for the future, it is possible to provide an optimum device that can supply oxygen in addition to hydrogen necessary for the fuel cell.
また、水素供給装置を装備出来ない小型のエンジンなどには、実施例1から4に説明した各装置の他に外部電力を取り込む装置と装置を統括制御する制御装置を具備した水素供給装置として、単独で水素タンクへ水素を補給することもできる。なお、電源は外部電力と太陽電池の電力を併用することも出来る。また、交換可能な水素タンク、若しくは水素ボンベにも、この水素供給装置により水素を充填することもできる。この交換可能な水素タンク、若しくは水素ボンベは、小型のエンジンや農業用の小型耕耘機などに簡単に取り付けて使用出来る持ち運び自由なカセット水素タンク、またはカセット水素ボンベとする事も出来る。また、光源として太陽電池の電力、又はグラスファイバーによる太陽光を利用すれば、外部からの電力に依存することなく水素を供給出来る。 For a small engine that cannot be equipped with a hydrogen supply device, in addition to each device described in the first to fourth embodiments, as a hydrogen supply device equipped with a device that takes in external power and a control device that performs overall control of the device, It is also possible to supply hydrogen to the hydrogen tank alone. The power source can use both external power and solar battery power. In addition, a hydrogen tank or a hydrogen cylinder that can be exchanged can be filled with hydrogen by the hydrogen supply device. The replaceable hydrogen tank or hydrogen cylinder can be a portable cassette hydrogen tank or a cassette hydrogen cylinder that can be easily attached to a small engine or a small agricultural cultivator. Moreover, if the electric power of a solar cell or the sunlight by a glass fiber is utilized as a light source, hydrogen can be supplied without depending on the electric power from the outside.
1 水タンク
2 酸化チタン電極
3 白金電極
4 キセノンランプ
5 浮力装置
6 仕切り板
7 アクリル板
8 抵抗
9 水面
10 グラスファイバー
11 集光装置
12 光拡散装置
13 酸化チタン層
14 白金層
15 太陽電池
16 蓄電池
17 発電機
18 白金電極側タンク
19 酸化チタン電極側タンク
20 水素電送管
21 圧縮装置
22 水素タンク
23 酸素伝送管
24 マニホールド
25 水素ガスインジェクション
26 ピストンエンジン
DESCRIPTION OF
Claims (9)
9. The device according to any one of claims 1 to 8, or any one of two or more, a device that takes in electric power from outside, a control device that controls each device, a power storage device, and generated hydrogen and oxygen. A hydrogen supply device for an internal combustion engine and a fuel cell, comprising a device for filling a container or supplying it to the outside.
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