JP2007229672A

JP2007229672A - 気体改質方法、気体改質ネット、気体改質シート、気体改質配管、燃料電池

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Publication number: JP2007229672A
Application number: JP2006057082A
Authority: JP
Inventors: Shinya Sato; 伸也佐藤
Original assignee: SATOO TECHNO KK
Current assignee: SATOO TECHNO KK
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: JP5121151B2

Abstract

【課題】気体を効果的に改質し、気体の反応効率を高めるようにする。
【解決手段】気体の流路中に、セラミック粒子をバインダーで塗布した得た改質面を配置し、この改質面近傍に気体を通過させて、改質を行うようにした。このセラミック粒子は、ルチル系酸化チタン粉粒体を主材とし、この主材にそれと略同量のイオン化傾向が大きな金属の粉粒体を混合して形成した電解質を適宜溶媒中で電気分解し、その陰極に析出付着した物質に所要の添加物、触媒を加えて焼成して得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックを用いた気体の改質に関するものである。

従来、車等の内燃機関の燃焼効率をあげるため、セラミックを用いて燃料や空気の改質を行うことがなされている。セラミックから発せられる遠赤外線により燃料等が改質され、その結果、燃費が向上したり、排気ガスのＮＯＸが低減したりするなどの効果が得られる。例えば、セラミックシートを内燃機関の吸気配管の周囲に巻き付けて、吸気配管内の空気の改質を行う手法も提案されている。

しかしながら、従来の手法では、気体の改質に関して必ずしも良い効果が得られないという問題があった。また、セラミックにも様々な種類が存在し、液体燃料等については各種のセラミックを利用して燃料を改質する試みが為されているが、一方で、空気等の気体の改質に適したセラミックについては、未だ具体的に明らかにされていないという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、空気の改質に適した手法等を提供することを目的としている。

上記目的は、下記の手段によって達成される。

（１）気体の流路中に、セラミック粒子をバインダーで塗布して得た改質面を配置し、前記改質面近傍に気体を通過させて、該気体の改質を行うことを特徴とする気体改質方法。

（２）気体が流れる搬送管の内壁にセラミック粒子を塗布することで、前記搬送管を通過する前記気体の改質を行うことを特徴とする気体改質方法。

（３）気体の流路中に、網目状のネット部材にセラミック粒子を塗布して構成された改質ネットを配置し、前記改質ネットを通過する前記気体の改質を行うことを特徴とする気体改質方法。

（４）前記気体が空気であることを特徴とする上記（１）、（２）又は（３）記載の気体改質方法。

（５）前記セラミック粒子が、ルチル系酸化チタン粒子と金属粒子の混合物を溶媒で電気分解し、陰極に析出された物質を焼成して得たものであることを特徴とする上記（１）、（２）又は（３）記載の気体改質方法。

（６）網目状のネット部材と、前記ネット部材の外表面に固定されるセラミック粒子と、を備え、気体の流路中に配置されて前記気体の改質を行う気体改質ネット。

（７）シート部材と、前記シート部材の表面に固定されるセラミック粒子と、を備え、気体の流路中に配置されて前記気体の改質を行う気体改質シート。

（８）気体を搬送する搬送管と、前記搬送管の内壁に固定されるセラミック粒子と、を備え、前記気体の改質を行う気体改質配管。

（９）一対の電極と、前記一対の電極の間に配置されてイオンを移動させるイオン移動媒体と、前記電極に水素又は酸素を供給する請求項８記載の気体改質配管と、を備えることを特徴とする燃料電池。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

上記手段では、セラミック粒子が気体の近傍に配置されるので改質効率を高めることが可能になる。また、搬送管内に気体を流す場合等において、その流れを邪魔することなく、改質することが可能になる。また、気体改質ネットを利用する場合は、気体の流れを極力維持しながら、ネットを通過する気体を改質することができるようになる。

特に、気体に作用させるセラミック粒子に、電気分解で陰極に析出された素材を利用することで、セラミック自体のマイナスイオン効果を高めることが可能になる。マイナスイオンは部材を貫通することができないが、本発明のように気体中に直接配置することで、マイナスイオンの効果を気体の改質に利用できることになる。

なお、このセラミック粒子は、ルチル系酸化チタン粉粒体を主材とし、この主材にそれと略同量のイオン化傾向が大きな金属の粉粒体を混合して形成した電解質を適宜溶媒中で電気分解し、その陰極に析出付着した物質に所要の添加物、触媒を加えて焼成して得ることが望ましい。このセラミックスの製造方法として、ルチル系酸化チタンとマグネシウムを略均等の重量比で混ぜ、これを炉内で酸化還元処理して電解質に形成し、この電解質を適宜溶媒中で電気分解し、その陰極に析出して付着した物質を取出しそれに微量の触媒と添加物を混ぜてセラミックスに焼成し、この焼成物を微粒子状に粉砕することが好ましい。特に、触媒としての混合剤は重量比約０．１％のパラジウムであり、添加物は重量比５％の水酸化ナトリウムを用いるのが好ましく、また、焼成温度は１２８０℃〜１３８０℃、焼成物の粉砕した平均粒径は平均２〜１０μｍ程度とすることが好ましい。

本発明によれば、気体を改質することで、様々な効率を改善できるという優れた効果を奏し得る。

まず、本発明で利用されるセラミックスの製造方法の一例について説明する。まず、ルチル系酸化チタン粉粒体を主材とし、この主材にそれと略同量のイオン化傾向が大きな金属の粉粒体を混合する。具体的には、平均粒径が１５０μｍ程度のルチル系酸化チタン５００ｇと、このチタンと同じ性状且つ均等の重量比となるマグネシウム５００ｇとを混合して石英製のるつぼ(炉)に入れ、酸化還元処理を行う。この酸化還元処理においては、酸化チタン、マグネシウムとも約５００℃〜５４０℃で平均粒径３μｍ程度の微粉体に粉砕される。そこで、粉砕された酸化チタンとマグネシウムの混合微粉末をるつぼから取出す。取出した微粉末は電解質となる。

生成された電解質を適宜溶媒中で電気分解する。溶媒としては例えば水をいる。この電気分解を経て陰極に析出付着した物質を取り出し、所要の添加物，触媒を加えて焼成し、この焼成物を微粒子状に粉砕する。

具体的には、電気分解の電極棒にＣｕとＣを用い、電極に直流１２Ｖを印加して電気分解を行う。酸化還元された酸化チタンとマグネシウムの混合粉末体を電解質として溶解した電解溶液には、電気分解における通電によってイオン伝動が生じるので、陽極から電解溶液に向かって正電荷が流れる。また、陽極の陽極酸化ではアノード面にアノード電流が流れ、陰極の陰極還元ではカソード面にカソード電流が流れる。従って、陽極には正電荷のイオン(陽イオン又はカチオン)が付着し、カソード(陰極)には負電荷のイオン(陰イオン又はアニオン)が付着する。従って、陰極に析出付着した酸化チタンには負電荷のイオンを帯有することになり、これを素材とする。

この素材量に対して約０．１重量％のパラジウムを触媒として混合し、更に、苛性ソーダを全量の５重量％を添加してよく攪拌，混練する。これを焼成するために適宜形状に成型し、この成型体を約１２８０℃〜１３８０℃の加熱炉で少なくとも約６時間、長くても１２時間程度焼成することにより、セラミックスの母材を得る。その後、焼成したセラミックスの母材を、加熱下で２μｍ〜１０μｍ程度の平均粒径を有するセラミックス粉粒体に粉砕成形する。これにより機能性セラミックスを得る。

次に、図１等を参照して、このセラミックを利用した、気体改質ネット１０、気体改質シート２０、及び気体改質配管３０について説明する。図１に示されるように、いずれの気体改質手段においても、上記工程によって得られたセラミックをバインダーに溶かしたバインダー溶液１００を利用する。このバインダーとしては、常温硬化性バインダー樹脂や、紫外線硬化性バインダー樹脂、○○○○等、様々なものを利用できるが、ここでは○○○○を利用している。

気体改質ネット１０を得るには、まず、網目状のネット部材１２を、バインダー溶液１００内に投入し、ネット部材１２の各素線の周囲にバインダー溶液１００を塗布する。このネット部材１２を取り出して、乾燥させることで気体改質ネット１０を得る。この気体改質ネット１０は、図２に拡大して示されるように、素線１４の外表面に、バインダー１０２によってセラミック粒子１０４が固定されており、これにより、外表面自体が気体改質面１４Ａとして機能する。

この気体改質ネット１０は、図３に示されるように、自動車やバイク等の内燃機関において、空気を取り込むエアインテーク１８０に配置できる。詳細には、円筒状のエアーフィルター２００の外周面に沿って気体改質ネット１０を湾曲させて配置する。このようにすると、エアーフィルター２００によって取り込まれる空気が、気体改質ネット１０を通過するので、導入空気を改質する事ができ、燃費改善効果や、排気ガスのクリーン化を達成することが可能になる。また内燃機関から出される排気ガスの臭気も低減されるようになる。また、この気体改質ネット１０は、網目状のネット部材１２を素材として利用しているので、圧力損失も低減できる。なお、ここでは円筒状のエアーフィルター２００に設置する場合を示したが、本発明はそれに限定されず、平面タイプのエアーフィルターにも利用できる。更に、エアーフィルター自体にバインダー溶液１００をコーティングして、改質面を形成するようにしてもよい。

また図４に示されるように、この気体改質ネット１０は、ボイラー装置３００におけるオイルバーナー３０２に空気を送り込むための送風機３０４に設置することも可能である。この場合、送風機３０４における空気取り込み口に気体改質ネット１０を設置すればよい。また、図５に示されるように、石油やガス等のファンヒータ４００に設置することも可能である。この場合、背面側に搭載されているファン４０２の吸気口に気体改質ネット１０を配置する。これらのようにすると、燃料効率が向上すると共に、温風の臭気を低減させる事ができる。

次に、図６を参照して、気体改質シート２０について説明する。この気体改質シート２０を製造するには、まず、シート部材２２を２枚用意して、それぞれに、刷毛２４を利用してバインダー溶液１００を塗布する。なお、本実施形態ではシート部材２２として紙を用いている。この２枚のシート部材２２を、塗布面が対向するようにして重ねて両者を密着させて乾燥させる。この結果、２枚のシート部材２２の間に改質面２２Ａが形成された気体改質シート２０を得ることができる。この気体改質シート２０を、気体の流路内に配置すれば、改質面２２Ａの近傍を気体が通過するので、気体を改質することが可能になる。なお、ここでは改質面２２Ａが２枚のシート部材２２に挟まれている場合を示したが、外表面にも塗布して改質面２２Ａを形成するようにしてもよい。

次に図７を参照して、気体改質配管３０について説明する。まず、気体を流すために用いる搬送管３２を用意し、これをバインダー溶液１００中に投入する。なお、ここでは断面が円形または方形となる搬送管について示すが、その形状は問わない。また搬送管３２の素材も、金属、コンクリート、ゴム、樹脂等、各種利用できる。その後、この搬送管３２をバインダー溶液１００から取り出して乾燥させる。この結果、搬送管３２の内壁に改質面３２Ａが形成された気体改質配管３０を得ることができる。こ気体改質配管３０によれば、管内の気体の流れを阻害することが無い。また、内壁から中心に向かって遠赤外線が放出されるので、気体の改質効率を更に高めることができる。

図８には、この気体改質配管３０を利用したガスコンロ５００が示されている。このガスコンロ５００では、ガスを供給するゴム素材のガス配管として、気体改質配管３０を用いている。このようにすると、改質されたガスがガスコンロ５００に供給されるので、燃焼効率が高められると共に、臭気を減らすことができる。

図９には、この改質配管５０を利用した燃料電池６００が示されている。この燃料電池６００は、例えば、水酸化ナトリウム水溶液６０２と、水酸化ナトリウム溶液６０２内に配置される２つの電極６０４、６０４と、一方の電極６０４を覆う水素供給ケース６０６と、他方の電極６０４を覆う酸素供給ケース６０８を備えている。更に、水素供給ケース６０６及び酸素供給ケース６０８のそれぞれには、各気体を供給するための気体改質配管３０が配置されている。従って、水素と酸素のそれぞれは、気体改質配管３０を通過して各供給ケース６０６、６０８に提供されるので、各気体が改質されて、電気の変換効率を高めることが可能になる。

以上、本実施形態では、気体の流路中に、セラミック粒子１０４をバインダー１０２で塗布・固定することで得た改質面が配置されるので、近傍を通過する気体の改質を行うことが可能になる。また、セラミック粒子１０４が直接気体に接触できるので、間接的に改質する場合と比較して、改質効率を高めることが可能になる。特にこのセラミック粒子１０４は、電気分解で陰極に析出された素材を利用して製造されているので、多量の陰イオンを帯有している。この結果、セラミック粒子１０４自体のマイナスイオン効果を高めることが可能になる。マイナスイオンは金属等の搬送管を貫通できないが、本実施形態のように気体中に直接配置することで、気体に直接的に作用させることが可能になる。なお、ここではネット状の部材や配管に改質面を形成する場合に限って示したが、本発明はそれに限定されず、例えばハニカム構造部材にセラミック粒子を塗布して改質面を形成し、改質フィルタとして利用することも可能である。

［実施例］

図４で示したボイラー装置３００を用いて、気体改質ネット１０を装着した場合と未装着の場合とで、温度上昇速度の違いを比較した。具体的にはボイラー装置３００として、昭和鉄工株式会社製ボイラー（ＳＮＷ−２００３Ａ冠水容量２６０Ｌ２０００００ｋｃａｌ／ｈ）を用いて、空気取込口に４５０ｍｍ×４５０ｍｍのサイズの気体改質ネット１０を適宜設置し、７５度から始まって、８２度まで上昇する際に要する時間を測定した。この結果を図１０に示す。図からも明らかなように、気体改質ネット１０を装着した場合は、未装着の場合と比較して、２０％程度時間を短縮できることが明らかになった。これは、ボイラー装置３００の燃焼効率が上昇していることを意味している。

次に、図５で示したファンヒータ４００を用いて、気体改質ネット１０を装着した場合と未装着の場合の送風気体のＨＣ（炭化水素）濃度をそれぞれ２回計測した。ファンヒータ４００として○○○○社製（ＯＶＦ−Ｇ３０Ａ／型番００４００１４７５）を用い、温風を「強」に設定した後に「消化」を実行し、消化時に発生する風を回収してＨＣ濃度を測定するようにした。この結果を図１１に示す。図からも明らかなように、気体改質ネット１０の装着時のＨＣ濃度が、未装着時と比較して３０％〜６０％程度低減されていることが明らかとなった。

また、同様の条件の下で、気体改質ネット１０を装着した場合と未装着の場合の送風気体の臭気を、簡易ニオイセンサーを用いて測定した。この結果を図１２に示す。結果から明らかなように、気体改質ネット１０の装着時の臭気は、未装着時と比較して低減していることが明らかとなった。

尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の気体改質方法等によれば、気体を効果的に改質することが可能となるので、燃料電池、内燃機関、ボイラー等様々な用途に利用することが可能である。

本発明の実施形態に係る気体改質ネットの製造工程を示す流れ図同気体改質ネットの素線断面の状態を拡大して示す断面図同気体改質ネットをエアインテークに利用した場合を示す組立図同気体改質ネットをボイラー装置に利用した場合を示す正面図同気体改質ネットをファンヒータに利用した場合を示す正面図及び背面図本発明の実施形態に係る気体改質シートの製造工程を示す流れ図本発明の実施形態に係る気体改質配管の製造工程を示す流れ図同気体改質配管をガスコンロに利用した場合の斜視図同気体改質配管を燃料電池に利用した場合を模式的に示す概念図実験によりボイラー装置の燃焼効率の改善効果を示す表図実験によりファンヒータのＨＣ濃度の改善効果を示す表図実験によりファンヒータの臭気改善効果を示す表図

符号の説明

１０気体改質ネット
２０気体改質シート
３０気体改質配管
１８０エアインテーク
３００ボイラー装置
４００ファンヒータ
５００ガスコンロ
６００燃料電池

Claims

気体の流路中に、セラミック粒子をバインダーで塗布して得た改質面を配置し、前記改質面近傍に気体を通過させて、該気体の改質を行うことを特徴とする気体改質方法。
気体が流れる搬送管の内壁にセラミック粒子を塗布することで、前記搬送管を通過する前記気体の改質を行うことを特徴とする気体改質方法。
気体の流路中に、網目状のネット部材にセラミック粒子を塗布して構成された改質ネットを配置し、前記改質ネットを通過する前記気体の改質を行うことを特徴とする気体改質方法。
前記気体が空気であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の気体改質方法。
前記セラミック粒子が、ルチル系酸化チタン粒子と金属粒子の混合物を溶媒で電気分解し、陰極に析出された物質を焼成して得たものであることを特徴とする請求項１、２又は３記載の気体改質方法。
網目状のネット部材と、前記ネット部材の外表面に固定されるセラミック粒子と、を備え、気体の流路中に配置されて前記気体の改質を行う気体改質ネット。
シート部材と、前記シート部材の表面に固定されるセラミック粒子と、を備え、気体の流路中に配置されて前記気体の改質を行う気体改質シート。
気体を搬送する搬送管と、前記搬送管の内壁に固定されるセラミック粒子と、を備え、前記気体の改質を行う気体改質配管。
一対の電極と、前記一対の電極の間に配置されてイオンを移動させるイオン移動媒体と、前記電極に水素又は酸素を供給する請求項８記載の気体改質配管と、を備えることを特徴とする燃料電池。