(57)【要約】【課題】  自動車の内燃機関において、自動車に搭載して安全かつ効率的に水素を生成する必要性が高まっている。本発明は、このような背景を踏まえて、マイクロ・ナノバブルの発生と触媒を用いて水或いは液体燃料から水素を生成する安全で効率のよい自動車搭載式の内燃機関用水素生成装置に関するものである。【解決手段】  液相物質による円錐形状或いは円錐台形状のような先細筒状旋回流並びに同先細筒状旋回流中心部における気相物質による螺旋流を発生させ、先細筒状旋回流及び螺旋流の出口部近傍において同気相物質による螺旋流に旋回速度差を生じさせることによりマイクロ・ナノバブルを発生させるマイクロ・ナノバブル発生器４を同液相物質３が充填されているタンク２内に設置した水素生成装置において、同タンク２内に触媒９を配置することにより水素を発生させるように構成したことを特徴とする内燃機関用水素生成装置。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相物質による円錐形状等のような先細筒状旋回流及び同先細筒状旋回流中心部における気相物質による螺旋流を発生させ、先細筒状旋回流及び螺旋流の出口部近傍において同気相物質による螺旋流に旋回速度差を生じさせることによりマイクロ・ナノバブルを発生させるマイクロ・ナノバブル発生器を同液相物質が充填されているタンク内に設置した水素生成装置において、同タンク内に触媒を配置することにより水素を発生させるように構成したことを特徴とする内燃機関用水素生成装置。
【請求項２】
上記液相物質は水であり、上記気相物質は空気であることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用水素生成装置。
【請求項３】
上記液相物質は液相燃料であり、上記気相物質は空気であることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用水素生成装置。
【請求項４】
上記液相物質は液相燃料であり、上記気相物質は気相燃料であることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用水素生成装置。
【請求項５】
上記マイクロ・ナノバブル発生器は、円錐形等のような先細筒状部を有する容器本体と、同先細筒状部の内周面の一部にその接線方向に開設された加圧液相物質導入口と、同先細筒状部の底部に開設された気相物質導入口と、同先細筒状部の頂部に開設された前記先細筒状旋回流及び螺旋流出口部とを備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の内燃機関用水素生成装置。
【請求項６】
上記触媒は、上記マイクロ・ナノバブル発生器の上記出口部近傍に担持された触媒であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の内燃機関用水素生成装置。
【請求項７】
上記触媒は、タンク内の液相物質に混合されている触媒であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の内燃機関用水素生成装置。
【請求項８】
上記触媒は、タンク内に設置されたハニカムまたはペレットに担持された触媒であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の内燃機関用水素生成装置。
【請求項９】
上記触媒は、酸化チタン（ＴｉＯ２）及び白金（Ｐｔ）の複合触媒であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の内燃機関用水素生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ガソリンエンジンにおいて、ガソリンに一定割合の水素を混合すると燃焼速度が大幅に高まることが知られており、一方で、排気ガス、特に地球温暖化の原因と言われているＣＯ２削減対策の最も有効な解決策として効率のよい燃料電池の開発が期待されている。このような事情から、自動車の内燃機関において、自動車に搭載して安全かつ効率的に水素を生成する必要性が高まっている。本発明は、このような背景を踏まえて、マイクロ・ナノバブルの発生と触媒を用いて水或いは液体燃料から水素を生成する安全で効率のよい自動車搭載式の内燃機関用水素生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車搭載式の燃料電池用水素の確保に関しては、種々の方法が開発されているが、いずれも安全性或いは反応温度が極めて高温であるなどの問題点があった。例えば、ボンベに入れた純水素を使用する方式では、ボンベの重量から大型化には限界があり、衝突時の安全性の確保に問題が残る。また、液体燃料などの炭化水素と空気に触媒を用いた方法が提案されているが、いずれも、触媒を加熱する温度が７００℃或いは１０００℃に至る高温を必要とし、熱分解炭素の析出や触媒の劣化など様々な解決すべき課題が残されている。これらの課題を改善する技術として、特許文献１があり、これは、Ｒｈ修飾（Ｎｉ−ＣｅＯ２)−Ｐｔを用いて、メタノールまたは常温液状の炭化水素からなる原料と、酸素（または空気）、或いは酸素（または空気）と水蒸気とを反応炉内で接触反応させることにより、前記原料から水素を生成する技術を提示している。
【０００３】
しかしながら、上記技術は、従来の課題を改善しているとはいうものの、触媒の反応温度は６００℃〜８００℃に保つ必要があり、依然として、必要電力の面や安全性において課題を残しているものである。
【０００４】
【特許文献１】特開昭２００２−２２０２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の従来技術が有する欠点を改善しようとするものであり、メタノールまたは液体燃料と空気を高温の触媒を用いて高温の反応炉内で接触反応させる方法でなく、水や液相燃料などの液相物質中で、空気や気相燃料などの気相物質のマイクロ・ナノバブルを発生させることにより、液相物質に電離を生じさせ、触媒を配置することにより、水素を発生させる技術に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の内燃機関用水素生成装置は、液相物質による円錐形状等のような先細筒状旋回流及び同先細筒状旋回流中心部における気相物質による螺旋流を発生させ、同先細筒状旋回流及び螺旋流の出口部近傍において同気相物質による螺旋流に旋回速度差を生じさせることによりマイクロ・ナノバブルを発生させるマイクロ・ナノバブル発生器を同液相物質が充填されているタンク内に設置した水素生成装置において、同タンク内に触媒を配置することにより水素を発生させるように構成したことを特徴とするものである。
【０００７】
本発明は、このように構成されているので、液相物質の旋回流が出口部に向けて円錐形状或いは円錐台形状のような先細筒状に形成されることにより、その中心部に負圧部分が形成される。この負圧によって、吸い込まれた気相物質が上記先細筒状旋回流の中心部を通過することにより、気相物質の細い糸状の螺旋流が形成される。上記先細筒状旋回流は、出口部に向かってその横断面が順次縮小していくため、出口部に向かうほどその流速は速くなり、この旋回に伴い、液相物質と気相物質の比重の差から液相物質には遠心力が、気相物質には向心力が働き、その結果、液相部と気相部が分離することとなる。このため、気相物質の細い糸状の螺旋流は連綿として出口部まで継続し、出口部からタンク内の静止状態の液相物質中に噴出すると同時に、その旋回が急速に弱められる。従って、気相物質による細い糸状の螺旋流は出口部前後で急激な旋回速度差が発生し、糸状になった螺旋流により形成されている空洞部が連続的に安定して切断され、マイクロ・ナノサイズレベルの微細気泡が出口部付近で発生し、液相物質中に放出されることとなる。この微細気泡は、気相成分が液相物質中に溶解する際に、瞬間的に数千気圧、数千℃になり、その際に発生する衝撃波により液相物質が電離を起こし、Ｈ＋が発生する。Ｈ＋は、配置された触媒の反応により電子を受けて水素Ｈ２を発生することとなる。上記のとおりであるので、本発明によれば、きわめて簡単に効率的に、しかも安全に水素を生成できると言う効果を有するものである。
【０００８】
請求項２の発明のように、好ましくは、上記液相物質は水であり、上記気相物質は空気であることを特徴とする。
【０００９】
このように構成することにより、水素発生のための新しい物質を使用することなく、従来から水素発生に使用されていて扱い慣れている水及び空気を使用することにより、効率的且つ簡便に水素を発生させることができるものである。
【００１０】
請求項３の発明のように、好ましくは、上記液相物質は液相燃料であり、上記気相物質は空気であることを特徴とする。
【００１１】
このように構成することにより、水素発生のための新しい物質を使用することなく、従来から水素発生に使用されていて扱い慣れている液相燃料及び空気を使用することにより、効率的且つ簡便に水素を発生させることができるものである。
【００１２】
請求項４の発明のように、好ましくは、上記液相物質は液相燃料であり、上記気相物質は気相燃料であることを特徴とする。
【００１３】
このように構成することにより、水素発生のための新しい物質を使用することなく、従来から水素発生に使用されていて扱い慣れている液相燃料及び気相燃料を使用することにより、効率的且つ簡便に水素を発生させることができるものである。
【００１４】
請求項５の内燃機関用水素生成装置は、上記マイクロ・ナノバブル発生器が、円錐形等のような先細筒状部を有する容器本体と、同先細筒状部の内周面の一部にその接線方向に開設された加圧液相物質導入口と、同先細筒状部の底部に開設された気相物質導入口と、同先細筒状部の頂部に開設された前記先細筒状旋回流及び螺旋流出口部とを備えていることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明は、このように構成されているので、液相物質の先細筒状旋回流が出口部に向けて円錐形状或いは円錐台形状のような先細筒状に形成されることを確実にし、その中心部に負圧部分が確実に形成される。この負圧によって、吸い込まれた気相物質が上記先細筒状旋回流の中心部を通過することにより、気相物質の細い糸状の螺旋流が確実に形成されて、マイクロ・ナノバブルの生成を確実にすることができるものである。
【００１６】
請求項６の本発明の装置は、上記触媒が、上記マイクロ・ナノバブル発生器の上記出口部近傍に担持された触媒であることを特徴とする。
【００１７】
このように構成することにより、上記触媒は、マイクロ・ナノバブル発生器出口部において噴出してくる旋回流に接触することにより、タンク内の液相物質中に広く拡散・分布させられ、液相物質の電離が広い範囲のわたって行われても効率良く水素を生成することができる。
【００１８】
請求項７の本発明の装置は、上記触媒が、タンク内の液相物質に混合されている触媒であることを特徴とする。
【００１９】
このように構成することにより、上記触媒は、タンク内の液相物質中に広く拡散・分布させられ、液相物質の電離が広い範囲のわたって行われても効率良く水素を生成することができる。
【００２０】
請求項８の本発明は、上記触媒が、タンク内に設置されたハニカムまたはペレットに担持された触媒であることを特徴とする。
【００２１】
このように構成することにより、予め、触媒をハニカム或いはペレットに担持させておき、タンク内にハニカム或いはペレットを設置するだけでよいので触媒担持を極めて簡単に行うことができる。
【００２２】
請求項９の発明は、上記触媒が、酸化チタン（ＴｉＯ２）及び白金（Ｐｔ）の複合触媒であることを特徴とする。
【００２３】
酸化チタン（ＴｉＯ２）及び白金（Ｐｔ）の複合触媒は、コロイドであるので、長期間に亙り液相物質中に凝集・沈殿することなく広く分散状態を保つことができるので、長期間にわたって効率良くしかも安定的に水素を生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る第一番目の実施例の概念図である。１は、内燃機関用水素生成装置であり、２は、その内部に水または液相燃料からなる液相物質３が充填されたタンクである。４はマイクロ・ナノバブル発生器であり、タンク２内の液相物質中に配設される。その詳細は図4に示されており、後に詳述する。５は加圧液相物質供給管であり、後に詳述する図４における先細筒状部１１の側面に配備されている加圧液相物質導入口１２に連結されると共に、液相物質リターン管７と相俟ってポンプ９によりタンク２内の液相物質３を循環し再利用している。６は、気相物質供給管であり、後に詳述する第４図における先細筒状部１１の底部１４に配備されている気相物質導入口１３に連結されている。気相物質としては、空気或いは気相燃料が使用される。そして、液相物質及び気相物質の組み合わせとしては、水と空気の組み合わせ、液体燃料と空気の組み合わせ、液体燃料と気相燃料の三種類が極めて望ましい。
【００２５】
図４は、図１〜３のマイクロ・ナノバブル発生器４の詳細図である。マイクロ・ナノバブル発生器４は、その内部に、円錐形状或いは円錐台形状のような先細筒状部１１を形成しており、同先細筒状部１１の内壁円周面の一部にその接線方向に位置付けられるように加圧液相物質導入口１２が配設されている。同加圧液相物質導入口１２は、第１〜３図に示されているように、ポンプ８に接続されている加圧液相物質供給管５に連結している。
また、同先細筒状部１１の底部４には、気相物質導入口１３がその中央部を貫通して配設されており、同気相物質導入口１３は、第１〜３図に示されている気相物質供給管６に連結され、気相物質供給管６は気相物質供給部（図示されていない）に接続されている。
さらに、同先細筒状部１１の頂部には、後述する液相物質による旋回流及び気相物質による螺旋流の出口部１５が開設されており、その外部には対向して位置するようにバッフル板１６が設置されている。第一実施例の場合は、図示されていないが、バッフル板１６或いは出口部１５には、酸化チタン（ＴｉＯ２）及び白金（Ｐｔ）の複合触媒が担持されている。
【００２６】
次に、本発明に係る第一実施例の駆動状況について、第４図（ａ）、（ｂ）に従って説明する。
先ず、マイクロ・ナノバブル発生器４の加圧液相物質導入口１２より、加圧液相物質が先細筒状部１１内に圧送されることにより、先細筒状部１１内に出口部１５に向けた先細筒状旋回流が生成され、同旋回流の中心部において負圧部分が形成される。この負圧によって、気相物質導入部１３から気相物質が吸い込まれ、圧力が最も低い中心軸上を気相物質が通って気相物質による細い螺旋流が形成される。上記旋回流は、先細筒状部１１が出口部１５に向かってその断面を徐々に縮小していくことにより、出口部１５に向かってその速度が増加していくこととなる。この旋回に伴って、液相物質と気相物質の比重差から、液相物質には遠心力が、気相物質には向心力が働き、そのために液相物質部と気相物質部の分離が可能となり、気相物質による細い糸状の螺旋流がその出口部１５まで連綿と続くこととなる。気相物質による螺旋流は、出口部１５で外部（タンク２内の液相物質中）に噴出されることとなり、噴出と同時にタンク２内の静止状態の液相物質によってその旋回が急速に弱められる。このため、出口部１５前後において、気相物質による細い糸状の螺旋流は連続的に且つ安定的に切断され、その結果として、大量のマイクロ・ナノサイズレベルの微細気泡が出口部１５付近で発生し、タンク２内の液相物質３中に放出されることとなる。
【００２７】
この微細気泡は、気相成分が液相物質中に溶解する際に、瞬間的に数千気圧、数千℃になり、その際に発生する衝撃波により液相物質が電離を起こし、Ｈ＋が発生する。先細筒状部１１の出口部１５付近に担持された触媒は、コロイドであること、噴出する旋回流に接触することなどによりタンク２内の液相物質中に広く拡散・分布させられ、発生したＨ＋は、この触媒の反応により電子を受けて水素Ｈ２を発生することとなる。
【００２８】
次に、水素の生成原理について説明する。
図５は、水素の生成原理を示した概念図である。液相物質と気相物質の組み合わせについては、前述した通り、（１）水と空気、（２）液相燃料と空気、（３）液相燃料と気相燃料の三通りである。そして、微細気泡の溶解に伴って、（１）のケースでは水が電離し、（２）のケースでは液体燃料が酸素を伴って電離し、（３）のケースでは液体燃料が電離することとなる。具体的には、図５に示すとおり、（１）のケースでは、Ｈ２Ｏが、Ｈ＋とＯＨ−となり、（２）のケースでは、ＣnＨm-1とＯ２が、ＣnＨm-pと２Ｈ＋、２ＯＨ−になり、（３）のケースでは、ＣnＨm-1がＣnＨm-p・とＨ＋となる。それぞれのケースでは、液相物質の電離によって共通してＨ＋が発生するが、それだけでは水素の生成には至らず、Ｈ＋がタンク2内の液相物質中の酸化チタン（ＴｉＯ２）及び白金（Ｐｔ）の複合触媒と反応して電子を受けることにより初めて水素Ｈ２として発生することとなる。
【００２９】
次に、本発明の第二番目及び第三番目の実施例について説明する。図２，３は、図１と同じ構造の内燃機関用水素生成装置であるが、それぞれ、触媒の担持の方法が相違している。
図２の第二番目の実施例においては、酸化チタン（ＴｉＯ２）及び白金（Ｐｔ）の複合触媒は、先細筒状部のバッフル板１６或いは出口部１５に担持させるのではなく、コロイドである同触媒をタンク２内の液相物質中に混入して、同液相物質中に拡散・分布させていることを特徴としている。コロイドの特性を利用したこのような構成であるので、長時間放置しても液相物質中で互いに凝集或いは沈殿することもなく分散状態を継続できるので、触媒は、タンク２内の液相物質３中に広く拡散・分布し、液相物質の電離が広い範囲のわたって行われても長期間にわたって効率良く安定的に水素を生成することができる。
【００３０】
図３の第三番目の実施例においては、酸化チタン（ＴｉＯ２）及び白金（Ｐｔ）の複合触媒は、先細筒状部のバッフル板１６或いは出口部１５に担持させるのではなく、予め、触媒をハニカム或いはペレットに担持させておき、タンク内にハニカム或いはペレットを設置することを特徴とするものである。このように構成することによって、予め触媒を担持したハニカム或いはペレットをタンク２内に配設するだけでよいので極めて簡単且つ短時間の内に装置を組立てることができるという効果を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の内燃機関用水素生成装置に関する第一番目の実施例の概念図。
【図２】本発明の内燃機関用水素生成装置に関する第二番目の実施例の概念図。
【図３】本発明の内燃機関用水素生成装置に関する第三番目の実施例の概念図。
【図４】本発明の内燃機関用水素生成装置の主要構成部分であるマイクロ・ナノバブル発生器の詳細図。
【図５】本発明の内燃機関用水素生成装置の主要部分である水素生成原理の説明図。
【符号の説明】
【００３２】
１    内燃機関用水素生成装置
２    タンク
３    液相物質
４    マイクロ・ナノバブル発生器
５    加圧液相物質供給管
６    気相物質供給管
７    液相物質リターン管
８    ポンプ
９    コロイド触媒
１０    ハニカムまたはペレット
１１    先細筒状内側部
１２    加圧液相物質導入口
１３    気相物質導入口
１４    底部
１５    出口部
１６    バッフル板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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