JP2584683B2

JP2584683B2 - エネルギ装置

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Publication number: JP2584683B2
Application number: JP2108673A
Authority: JP
Inventors: 義郎中松
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-04-26
Filing date: 1990-04-26
Publication date: 1997-02-26
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: JPH048853A; US5178118A

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、運転車の居眠りによる事
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、一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装填の走行
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、信頼性、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、信頼性を
確認する必要がある。ハイブリッド自動車（電気＋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併用車は改善費用が高く、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、一
般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、これらの利点を利用
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は電解槽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ポ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を設けたものを孔用金属板12,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
を容易にするためである。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。

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の上部にある出口パイプ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パイプ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12V 2.5Aでは12.59cc/分、2.0Aで9.98、1.5Aで7.
53、1.0Aで5.00、0.5Aで2.42を得た。直径8cmの場合は5
cc/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25
から排出する。

26は、自動車エンジンボンネッ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1
0、11によるソリッドポリマーエレクトロシス水電
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、後述の第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,CO₂,NO_xを減少出
来る。又、本発明装置のパイプ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
15の回路例であって、蓄電池は自動車用DC12V、5Aの容
量のものが使用でき、入力電圧範囲は10〜15Vである。

出力はDC0〜4A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DC10
V以下となったとき、および放熱部温度が80℃以上とな
ったときはランプLED2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−12Vの電圧を取り出すためのもの
である。

28は温度フューズであって、素子22の発熱が80℃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の間の水
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
に入る前の水を予熱する。

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。

がソリンをC₈H₁₆で代表させ、水素混入率＝５％とす
ると、ガソリン1mol（112g）に対して、水素は112×0.0
5/（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10500kca
l/kg,28800kcal/kgであるから、５％の水素の混入率を
発熱量換算すると、 5.89×28.8/（5.89×28.8＋112×1.05）＝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 7.35/0.3＝24.5kw＝24.5×860kcal/h ＝21070kcal/hとなる。

このうち水素の供給熱量は 0.126×21070＝2655kcal/h 一方、ガソリンの供給熱量は 21070−2655＝18415kcal/h ここで、水素とガソリンの各々の密度 0.0899kg/m³（ガス）、0.74kg/（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 28800×0.0899＝2589kcal/m³（H₂ガス） 10500×0.74＝7770kcal/ml（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/min 1841.5/7770/60＝39.5cc/minとなる。

従って直径8cmの膜一枚が50cc/minの水素を発生する
とすれば、通常自動車エンジンで17.1／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中の加熱バイプ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を立方体としの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１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主要素かり成り立っている。

第２図の蓄電池３、電源回路15により動作する電解水
素発生装置39からの水素出口パイプ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42の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も経てエンジン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８の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40から水素コントロー
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。つまりアクセルを踏ん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。水素入ボンベを水素吸蔵合金入タン
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
の各個別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48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ｆ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
流側約150mm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
料に必要な酸素の質量／混合気中の酸素の質量であらわ
し、水素混入率ｆは水素の質量／〔水素の質量＋ガソリ
ンの質量〕であらわす。

第27図か明らかなように、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、又負荷が少なくなる
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
る水素が多く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
に燃料量のみ減らす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ほど著しい。

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HC、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、NO_x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ほ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、
高回転の場合ほ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。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0.25、
および40cm/sで、ほ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、とく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
くなることが確かめられている。

従って希薄混合気の場合ほど、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MBT
から前後に５゜および10゜変えた場合のNO濃度に及ぼす
影響を示し、点火時期を遅らせればNO濃度を低下できる
本発明の効果を示す。

第31図は、MBTからの点火遅角によるNO濃度と平均有
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NO濃度低減の効果が大きい本発
明の効果を示す。更に、もっとも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_h/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1/4に減少する。第33図に点火時期の図示馬力、排気
中のHC、CO、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分だけガソ
リン流量を減少していること、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_h/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値が増加させるとHC排出率は増加する傾向にある
が、G_h/G_g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HC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HC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、HC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HC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HC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CO濃度の測定例を示し、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CO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G_n ガソリン流量G_g ガソリンおよび本発明による水素の理論空燃比を
φ_ｇ、φ_ｈとしたとき又、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g_n,g_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_hG_h＋g_gG_g 第39図は空気過剰率λと点火時期を一定にし、G_h/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_h/G_g値を
増すお、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_h/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_h/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G_h/G_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
致している。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15mm下流側の位置におい
て、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
σ_ｐ、及びδ_ｐを第42図に示す。G_h/G_g値を増大させる
とσ_ｐ、及びδ_ｐ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。G_h/G_g＝０
すなわちガソリンのみの場合は、λ≒1.2で失火が生
じ、急激に図示馬力が低下する。G_h/G_g＝0.05のときは
λ＝1.4まで運転できたが、λ＝1.5では失火が生じた。
G_h/G_g＝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_a＝3.0×10^-3kg/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_h/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G_h
/G_g＝0.05〜0.15の間に、ほとんど差がない。したがっ
て、λ値増加時、一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_h/G_gおよびλをかえた場合の図示熱効率
η_ｉ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_ｉ値の低下する範囲を除くと、λ値増加に
よるη_ｉ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
気のみのオットーサイクルの理論熱効率η_th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の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、これより１キログラム
の重さで１キロワッ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。
このフィルル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
口パイプ20を取付けると、次の効果を生ずる。

１−（１）燃料希薄型の失火限界は、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、MB
T点時期を遅くし、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。

空気化乗率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_h/G_g＝０〜0.15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−（10）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−（12）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−（13）本発明装置は負荷の大小、混合気の希薄度、
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−（14）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−（15）本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−（16）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できる。

3.本発明によりバイク、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.電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ブルであるの
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９の方式により、発生水
素泡が膜８から速やか除去され、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
解膜側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。

本発明の前記のほか、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＋ディーゼル）、LPG併用車などとの結合
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10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実施例の側断面図第16図は本発明第８実施例の側断面図第17図は本発明第９実施例の側断面図第18図は本発明第10実施例の側断面図第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図は希薄限界当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35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41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、変動率のグラフ第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……固体高分子電解膜 22……加熱素子

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】水電解による水素発生装置の水素を貯蔵装
置および負荷の大小、混合気の希薄度、MBT点火時期の
各個別に応じる水素量コントローラを経てエンジンに供
給する事を特徴とするエネルギ装置。