JPH0849603A

JPH0849603A - 水素エンジン

Info

Publication number: JPH0849603A
Application number: JP6187439A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Ikuta; 一成生田
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 1996-02-20

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は水素エンジンに関し、特に、、水と
反応する反応金属体による水素と高温水蒸気を用いて直
接ピストンを駆動することを目的とする。【構成】本発明による水素エンジンは、水(2)と反応
金属体(9)による電熱化学反応手段(100)から発生した水
素と高温水蒸気からなる混合気体(252)をエンジンの燃
焼室(206)に直接注入して前記水素を燃焼させ、ピスト
ン(200)を駆動する構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水素エンジンに関し、
特に、水と電熱化学反応するアルミニウム又はマグネシ
ウム等の反応金属体を用いて発生した水素及び高温水蒸
気を用いて直接ピストンを駆動するための新規な改良に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、用いられていたこの種の水素エン
ジンとしては、一般に、ボンベに充填された高圧水素、
水素吸蔵合金を用いた構成、液体水素ボンベ等の純水素
を直接用いる方法が採用されている。この水素エンジン
の１例を挙げると、図１３に示されているように、ピス
トン２００を有するシリンダ２０１の上部には、点火栓
２０２及び水素噴射弁２０３が設けられ、この水素噴射
弁２０３にはこの水素噴射弁２０３を駆動する油圧パイ
プ２０４及び水素ガスタンク２０５が接続され、水素ガ
スタンク２０５からの純水素２０５ａが水素噴射弁２０
３からシリンダ２０１内のピストン２００上部の燃焼室
２０６に霧状に供給され、点火されてピストン２００が
駆動されていた。従って、その動作について述べると、
所定のタイミングで燃焼室２０６へ供給された水素２０
５ａは、予め吸入された空気と混合し、点火栓２０２か
らの電気火花によって着火され、燃焼室２０６は高圧と
なり、ピストン２００はシリンダ２０１内を下方へ押下
げられ、図示しないクランク機構によって動力を取り出
すようにしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の水素エンジン
は、以上のように構成されていたため、次のような課題
が存在していた。すなわち、従来の水素エンジンは、純
水素を比較的低圧のタンク内に貯め込み、使用していた
ため、高圧の例えば油圧式注入装置を有する水素噴射弁
が必要となり、小型化することが困難となって実用化へ
の大きい障害となっていた。

【０００４】本発明は、以上のような課題を解決するた
めになされたもので、特に、水と電熱化学反応するアル
ミニウム又はマグネシウム等の反応金属体を用いて発生
した水素及び高温水蒸気を用いて直接ピストンを駆動す
るようにした水素エンジンを提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明による水素エンジ
ンは、水と反応金属体による電熱化学反応手段から発生
した水素と高温水蒸気からなる混合気体をエンジンの燃
焼室に直接注入して前記水素を燃焼させ、ピストンを駆
動する構成である。

【０００６】さらに詳細には、前記電熱化学反応手段
は、水を内蔵した容器と、前記容器に接続された摺動接
触電極により摺動自在に保持された反応金属体と、前記
水中に位置すると共に前記反応金属体に接触し、かつ、
前記容器に電気絶縁体を介して保持された耐熱性電極
と、前記容器内で発生する水素ガスを溜めるための水素
ガス溜部と、前記水素ガス溜部内の水素ガスを取り出す
ため前記水素ガス溜部に接続されたバルブと、前記反応
金属体と耐熱性電極に接続された電源とからなる構成で
ある。

【０００７】さらに詳細には、前記反応金属体は、電気
絶縁容器に封入されたマグネシウム体よりなり、前記電
気絶縁容器には前記各電極と接触する第１、第２電極が
形成されている構成である。

【０００８】さらに詳細には、前記反応金属体は、電気
絶縁容器に封入されたマグネシウム体よりなり、前記電
気絶縁容器には前記各電極からの通電により爆発する電
気着火性火薬が設けられている構成である。

【０００９】さらに詳細には、前記電熱化学反応手段
は、高圧気体取出し管及びスタート電極を有する容器
と、前記容器内に設けられ前記スタート電極上に配設さ
れ水と電熱化学反応する反応金属体と、前記容器と前記
スタート電極間に接続された高圧電源と、前記容器内に
前記水を供給するための水供給手段とを備え、前記反応
金属体の下端とスタート電極との間の放電後に前記水を
前記反応金属体に供給するようにした構成である。

【００１０】さらに詳細には、前記水を前記反応金属体
の下端に供給する構成である。

【００１１】さらに詳細には、前記水を、前記容器内の
内部筒の上部の穴を経て前記反応金属体の上部から、供
給する構成である。

【００１２】さらに詳細には、前記容器と水供給手段と
の間には、逆止弁が設けられている構成である。

【００１３】さらに詳細には、前記反応金属体はアルミ
ニウム体からなる構成である。

【００１４】さらに詳細には、前記反応金属体はマグネ
シウム体からなる構成である。

【００１５】

【作用】本発明による水素エンジンにおける電熱化学反
応手段においては、水中の反応金属体と耐熱性電極に対
して通電すると、反応金属体と耐熱性電極との間に水中
放電が発生し、高温水蒸気が発生する。この高温水蒸気
により気体金属が発生し、この水蒸気と気体金属（すな
わち、水とアルミニウム体）の電熱化学反応を誘起して
水素と高温水蒸気が定常的に発生する。この水素及び高
温水蒸気は水素ガス溜部内に溜まり、バルブを開閉する
ことにより必要に応じて取出すことができる。また、他
の電熱化学反応手段においては、反応金属体とスタート
電極間の放電によって反応金属体を１０００℃以上の高
温として水を供給することにより、反応金属体と水との
電熱化学反応が起動し、その後は、水のみの供給を続け
ることによって反応熱を活用して水の還元反応が継続さ
れ、高温水素と高温水蒸気の発生を継続することができ
る。このようにして得られた水素と水蒸気は高温である
ため、直接、シリンダの燃焼室へ供給することによって
ピストンを駆動することができる。

【００１６】

【実施例】以下、図面と共に本発明による水素エンジン
の好適な実施例について詳細に説明する。図１から図４
迄は、水素エンジンの構成図、図５は電熱化学反応手段
を示す断面図、図６は図５の作動状態を示す断面図、図
７は図５の他の実施例を示す構成図、図８は図５の要部
の他の実施例の断面図、図９は他の電熱化学反応手段の
構成図、図１０は図９の動作状態図、図１１は図９の他
の実施例を示す構成図、図１２は図１１の動作説明図で
ある。

【００１７】図１から図４迄において符号２０１で示さ
れるシリンダには、ピストン２００及びクランク２００
Ａが作動自在に設けられ、このシリンダ２０１の上部に
形成された燃焼室２０６には、空気を吸入する吸気弁２
５０を有する吸気管２５１、水素と高温水蒸気からなる
混合気体２５２を注入する混合気注入弁２５３を有する
混合気体注入管２５４、点火栓２０２、及び、排気弁２
５５を有する排気管２５６が各々接続されている。

【００１８】従って、前述の構成において、図１で示す
吸気弁２５０を開弁から閉弁して燃焼室２０６内の空気
を圧縮し、図２のように混合気注入弁２５３を開弁して
混合気注入管２５４より混合気体２５２を注入する。こ
の混合気体２５２の圧力によって図３のようにピストン
２００は下方へ向って駆動され始めるので、再び混合気
注入弁２５３を閉弁し、点火栓２０２で着火させると、
燃焼室２０６内は圧力が最高値に達し、出力はクランク
２００Ａを経て図示しないフライホイールに蓄積され
る。最後に、排気弁２５５を開弁すると、排気管２５６
から排気３００が行われる。

【００１９】次に、前述の混合気体２５２を発生するた
めの電熱化学反応手段１００について述べる。まず、図
５及び図６において、符号１で示されるものは全体形状
が箱形をなし、水２を内蔵した耐圧性の導電性材料から
なる容器であり、この容器１の底部１ａのねじ孔１ａＢ
には、耐熱性電極３を有する電気絶縁体４が螺合して設
けられている。

【００２０】前記耐熱性電極３と前記底部１ａ間には、
抵抗器５とスイッチ６及び電源７が直列に接続されてお
り、前記容器１の天井部１ｂの内面１ｃから一体状に垂
下してなる摺動接触電極８の内側には、この摺動接触電
極８に保持された棒状のアルミニウム体からなり水２と
電熱反応する反応金属体９が上下動自在にかつ摺動式に
設けられており、この反応金属体９の下端９ｄは耐熱性
電極３の上端３ａに接触するように構成されている。

【００２１】前記容器１の天井部１ｂ上に一体状に形成
された水素ガス溜部１０の上部には蓋１１が載置されて
いると共に、この水素ガス溜部１０の側部に設けられた
吐出筒体１２には、バルブ１３が設けられている。従っ
て、このバルブ１３の開弁により前記水素ガス溜部１０
内に水素ガスを有する混合気体２５２を取出すことがで
きるように構成されている。

【００２２】次に、動作について述べる。まず、バルブ
１３を閉弁してスイッチ６をオンとすると、耐熱性電極
３の上端３ａと反応金属体９の下端９ｄの接点抵抗によ
って反応金属体９の下端９ｄが高熱を発し、その周囲の
水２は高温水蒸気となり、アルミニウムと水の電熱化学
反応が起こり、高圧水素２０が発生し、反応金属体９は
矢印Ａの方向へ押し上げられる。

【００２３】前記反応金属体９の下端９ｄが摺動接触電
極８の接点８ａより上方に来た場合には、容器１と耐熱
性電極３との導通が絶たれるため、耐熱性電極３に対す
る電流が切れ、上昇していた反応金属体９は耐熱性電極
３に当接するまで落下し、再び、前述の電熱化学反応が
始まる。

【００２４】前述の電熱化学反応により発生した混合気
体２５２は前述容器１の水素ガス溜部１０内に蓄積さ
れ、バルブ１３を開弁することにより、混合気体２５２
を取出すことができ、従って、反応金属体９が全て消耗
した場合には、蓋１１を開き、新しい水２と反応金属体
９とを交換することにより、再び、前述と同じ電熱化学
反応によって高圧の混合気体２５２を得ることができ
る。なお、この電源７としては、商用電源だけでなく、
電池を用いることができる。前記水素ガス溜部１０は、
前述の構成に限ることなく、例えば、図７で示すように
容器１に接続管２０を介して水素ガス溜部１０Ａを接続
し、この水素ガス溜部１０Ａに設けたバルブ１３を介し
て混合気体２５２を必要に応じて取出すようにすること
もできる。従って、全体の装置を小型化できるため、車
載用の水素エンジンにも適用可能である。

【００２５】図８に示す構成は、前記反応金属体９の他
の実施例を示すものであり、前述のアルミニウム体に替
えて固体又は微小粒又は微粉末のマグネシウム体９ａを
アルミニウム等で形成された金属容器９ｂ内に収容して
反応金属体９を構成し、蓋９ｃで密閉化され、内部は真
空あるいは低気圧とした構成である。なお、この金属容
器９ｂによってマグネシウム体９ａが水２とすぐに反応
しないように構成されている。

【００２６】次に、動作について述べる。まず、図５の
反応金属体９を図８に示すマグネシウム体９ａを内蔵し
た反応金属体９を用い、スイッチ６をＯＮとすると耐熱
性電極３の上端３ａと図８の金属容器９ｂの電熱化学反
応により金属容器９ｂは高熱を発して溶け、熱された水
２が金属容器９ｂ内のマグネシウム体９ａに接触し還元
反応が開始される。この間しばらくはスイッチ６をＯＮ
とし続けていると水中放電によりマグネシウム体９ａは
高温となり、自発的に還元反応が維持されるようにな
る。ここで、スイッチ６をＯＦＦとすると以後は自らの
発熱で反応は持続し水素が定常的に発生する。金属容器
９ｂがプラスティックス等の電気絶縁体からなる電気絶
縁容器（図示せず）の場合は、図５の各電極３，８に接
する部分のみを図８に示すように第１、第２電極３０，
３１とし、電気着火性火薬（図示していないが前記絶縁
容器に設けている）をスイッチ６によって発火させ、そ
の高熱によって前述のようにマグネシウム体９ａと水２
の還元反応を誘発してもよい。

【００２７】次に、図９及び図１０で示す電熱化学ボイ
ラからなる他の電熱化学反応手段１００について述べ
る。なお、前述の実施例と同一部分には同一符号を用い
て説明する。なお、説明を簡単とするため、マグネシウ
ム体を反応金属体９として用いたボイラの場合について
述べる。図９において、４０は水タンク、４１は吸排気
ポンプ、４２は吸排気管であり、この水タンク４０と吸
排気ポンプ４１は第１バルブ４３及び吸排気管４２を介
して互いに接続され、この水タンク４０の上部には、第
２バルブ４５を有する給水用開口管４６が接続されてい
る。

【００２８】前記水タンク４０の水２中に設けられた給
排水管４７は、第３バルブ４８と逆止弁４９を経て高圧
の容器１の下部へ接続されている。この容器１には圧力
計５０を有する蓋５１が設けられており、この容器１の
底部１ａには電気絶縁体４によって絶縁されたスタート
電極３Ａが設けられると共に、この容器１の上部には、
高圧気体取出し管１２ａが設けられている。

【００２９】前記スタート電極３Ａはスイッチ６と放電
抵抗５、コンデンサ６０、充電抵抗６１を経て高圧電源
７に接続されている。なお、前述の吸排気ポンプ４１、
水タンク４０、各バルブ４３，４５，４８により水供給
手段８０を構成しているが、例えば、シリンダ、水中ポ
ンプ管とすることもできる。

【００３０】次に動作について述べる。まず、混合気体
２５２が必要となると、水タンク４０内に給水開口管４
６から水２が注入されるが、この時、第３バルブ４８は
閉じられている。更にエネルギー源であるマグネシウム
棒からなる反応金属体９が蓋５１を開いてスタート電極
３Ａの上に置かれる後、蓋５は再び閉じられる。

【００３１】次に、混合気体２５２を発生するには、図
１０において、まず、第２バルブ４５が閉じていること
を確認した後、第１、第３バルブ４３，４８を開弁した
後、スイッチ６をＯＮとする。同時に、反応金属体９の
下端９ｄで放電Ｈが起り高温となる。この時、圧力計は
まだほとんど動かない。そこでポンプ４１を始動して空
気をタンク４０へ送り込むと第３バルブ４８と逆止弁４
９を経て水２は底部１ａへ給水される。この瞬間、圧力
計５０は動き始めて容器１内の圧力上昇を示す。ここで
スイッチ６をＯＦＦとしつつ水２を容器１内へ供給する
と、反応金属体９であるマグネシウムと水２が激しく反
応しはじめ、高温気体取出し管１２ａより混合気体２５
２（高圧水素と高圧水蒸気の混合体）が前述の水素エン
ジンへ送り出される。

【００３２】次に、図１１及び図１２に示す構成は、前
述の図９及び図１０で示す構成の他の実施例であり、図
９及び図１０で示す構成とは異なる部分についてのみ説
明する。すなわち、容器１の上部に高温気体取出し管１
２ａ及び圧力計５０を有する蓋５１が着脱自在に設けら
れ、容器１の底部１ａに植立して形成された保持筒部１
ａＡには、その上部に穴５９を有する内部筒９０が設け
られている。

【００３３】前述の状態で、スイッチ６をオンとして反
応金属体９を前述の放電によって高温とした状態下で、
第３バルブ４８を開弁して水を逆止弁４９へ導くと、水
は容器１と内部筒９０との間を経て上部の穴５９から反
応金属体９の表面を伝わって下方に落ち、水が加熱され
た状態で反応金属体９であるマグネシウムと激しく反応
し、発生した水素と水蒸気は穴５９から高温気体取出し
管１２ａより外部へ排出される。

【００３４】なお、この水を反応金属体９の表面に沿っ
て下降させるので、発生熱は効率よく水に吸熱され、水
の大きい潜熱による熱損を最小限に留めることができ、
高効率の水素発生を行うことができる。なお、前述の反
応金属体９はマグネシウム体に限らず、アルミニウム体
を用いても同様の作用を得ることができる。

【００３５】

【発明の効果】本発明による水素エンジンは、以上のよ
うに構成されているため、次のような効果を得ることが
できる。すなわち、容器内の反応金属体と水による電熱
化学反応によって、得られた高温高圧の水素ガスと高温
水蒸気からなる混合気体を水素エンジンの燃料として用
いるため、従来のボンベ型の純水素に比べると、圧縮比
を高くするレシプロエンジンに用いることができ、ま
た、そのスペース性及び安全性も大幅に向上され、水素
自動車等の実用化に大きく貢献できるものである。ま
た、この反応金属体をアルミニウム体からマグネシウム
体とした場合には、アルミニウム体よりも低温で反応で
きるため、水素発生中には必ずしも通電の必要がなくな
り、エネルギー経済的には有利な水素発生装置を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による水素エンジンの構成図である。

【図２】図１の動作構成図である。

【図３】図１の動作構成図である。

【図４】図１の動作構成図である。

【図５】本発明における電熱化学反応手段を示す構成図
である。

【図６】図５の動作説明図である。

【図７】図５の他の実施例を示す構成図である。

【図８】図５の反応金属体の他の実施例を示す構成図で
ある。

【図９】本発明における電熱化学ボイラ型の電熱化学反
応手段を示す構成図である。

【図１０】図９の動作説明図である。

【図１１】図９の他の実施例を示す構成図である。

【図１２】図１１の動作説明図である。

【図１３】従来の水素エンジンを示す構成図である。

【符号の説明】

１容器２水３耐熱性電極３Ａスタート電極７電源８摺動接触電極９反応金属体９ａマグネシウム体９ｂ金属容器１０，１０Ａ水素ガス溜部１０ａ水素ガス１２ａ高圧気体取出し管１３バルブ３０，３１第１、第２電極４９逆止弁５９穴８０水供給手段９０内部筒２００ピストン２０６燃焼室２５２混合気体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水(2)と反応金属体(9)による電熱化学反
応手段(100)から発生した水素と高温水蒸気からなる混
合気体(252)をエンジンの燃焼室(206)に直接注入して前
記水素を燃焼させ、ピストン(200)を駆動することを特
徴とする水素エンジン。
【請求項２】前記電熱化学反応手段(100)は、水(2)を
内蔵した容器(1)と、前記容器(1)に接続された摺動接触
電極(8)により摺動自在に保持された反応金属体(9)と、
前記水(2)中に位置すると共に前記反応金属体(9)に接触
し、かつ、前記容器(1)に電気絶縁体(4)を介して保持さ
れた耐熱性電極(3)と、前記容器(1)内で発生する水素ガ
ス(10a)を溜めるための水素ガス溜部(10,10A)と、前記
水素ガス溜部(10,10A)内の水素ガス(10a)を取り出すた
め前記水素ガス溜部(10,10A)に接続されたバルブ(13)
と、前記反応金属体(9)と耐熱性電極(3)に接続された電
源(7)とから構成したことを特徴とする請求項１記載の
水素エンジン。
【請求項３】前記反応金属体(9)は、電気絶縁容器に
封入されたマグネシウム体(9a)よりなり、前記電気絶縁
容器には前記各電極(3,8)と接触する第１、第２電極(3
0,31)が形成されていることを特徴とする請求項１又は
２記載の水素エンジン。
【請求項４】前記反応金属体(9)は、電気絶縁容器に
封入されたマグネシウム体(9a)よりなり、前記電気絶縁
容器には前記各電極(3,8)からの通電により爆発する電
気着火性火薬が設けられていることを特徴とする請求項
１又は２記載の水素エンジン。
【請求項５】前記電熱化学反応手段は、高圧気体取出
し管(12a)及びスタート電極(3A)を有する容器(1)と、前
記容器(1)内に設けられ前記スタート電極(3A)上に配設
され水(2)と電熱化学反応する反応金属体(9)と、前記容
器(1)と前記スタート電極(3A)間に接続された高圧電源
(7)と、前記容器(1)内に前記水(2)を供給するための水
供給手段(80)とを備え、前記反応金属体(9)の下端(9d)
とスタート電極(3A)との間の放電後に前記水(2)を前記
反応金属体(9)に供給する構成としたことを特徴とする
請求項１記載の水素エンジン。
【請求項６】前記水(2)を前記反応金属体(9)の下端(9
d)に供給することを特徴とする請求項５記載の水素エン
ジン。
【請求項７】前記水(2)を、前記容器(1)内の内部筒(9
0)の上部の穴(59)を経て前記反応金属体(9)の上部か
ら、供給することを特徴とする請求項５記載の水素エン
ジン。
【請求項８】前記容器(1)と水供給手段(80)との間に
は、逆止弁(49)が設けられていることを特徴とする請求
項５記載の水素エンジン。
【請求項９】前記反応金属体(9)はアルミニウム体か
らなることを特徴とする請求項１，２，５，６，７，８
の何れかに記載の水素エンジン。
【請求項１０】前記反応金属体(9)はマグネシウム体
からなることを特徴とする請求項１，２，５，６，７，
８の何れかに記載の水素エンジン。