水素ガスエンジン及び省エネ自動車
【課題】化石燃料を使用することなく、温暖化ガスの排出を抑制する。
【解決手段】供給された空気を圧縮する圧縮機１０７と、圧縮機１０７により圧縮された圧縮空気と、燃料ガスとを混合して、その混合ガスを燃焼させる燃焼器１０２と、燃焼器１０２における燃料ガスと圧縮空気の燃焼時における膨張力を利用して、動力を発生させるタービン１０６と、水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを発生させるガス発生装置１０１と、ガス発生装置１０１を燃焼器１０２に、分配ユニット２００を通じて、或いは直接接続し、水素ガス及び酸素ガスを燃料ガスとして燃焼器に供給する移送管１１３とを備え、圧縮機１０７は、タービン１０６により発生された動力により、空気の圧縮を行う。
【解決手段】供給された空気を圧縮する圧縮機１０７と、圧縮機１０７により圧縮された圧縮空気と、燃料ガスとを混合して、その混合ガスを燃焼させる燃焼器１０２と、燃焼器１０２における燃料ガスと圧縮空気の燃焼時における膨張力を利用して、動力を発生させるタービン１０６と、水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを発生させるガス発生装置１０１と、ガス発生装置１０１を燃焼器１０２に、分配ユニット２００を通じて、或いは直接接続し、水素ガス及び酸素ガスを燃料ガスとして燃焼器に供給する移送管１１３とを備え、圧縮機１０７は、タービン１０６により発生された動力により、空気の圧縮を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガス及び酸素ガスを燃料ガスとして利用する水素ガスエンジン及びそのエンジンを搭載した省エネ自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化などの環境問題が発生し、自動車に関しては、燃費の効率化や、排気ガスの清浄化が試みられている。ところが、化石燃料を使用した内燃機関のみを備えた自動車では、その改善の限界が生じている。そこで、現在においては、内燃機関と電動機の２つの原動機を備えたハイブリッド自動車が開発され、実用化されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−０２０９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１で開示されたハイブリッド車については、化石燃料のみを燃料に使用する自動車よりも、大気汚染ガスの排出が抑えられている。ところが、そのハイブリッド車では、依然として内燃機関による走行が主となっており、その燃料としてガソリンが使用されていることから、二酸化炭素などの大気汚染物が排出されている。
【０００５】
そこで、本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、化石燃料を使用することなく、温暖化ガスの排出を抑制できる水素ガスエンジン及び、そのエンジンを搭載した省エネ自動車を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、水素ガスエンジンであって、
供給された空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機による圧縮空気と、燃料ガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器における、前記混合ガスの燃焼による膨張力を利用して、動力を発生させる駆動部と、
水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを生成するガス発生装置と、
前記ガス発生装置を前記燃焼器に直接接続させ、前記水素ガス及び酸素ガスを、前記燃料ガスとして前記燃焼器に供給する燃料ガス供給手段と
を備え、前記圧縮手段は、前記タービンにより発生された動力により、空気の圧縮を行う
ことを特徴とする。
【０００７】
なお、上記発明では、前記駆動部は、前記混合ガスの燃焼による膨張力を利用して回転されるタービンとすることができる。
【０００８】
また、前記燃焼器及び前記圧縮機は、有底のシリンダーと、該シリンダー内を上下動するピストンにより、該シリンダー内に画成された燃焼室とすることができ、前記駆動部は、前記混合ガスの燃焼による膨張力を利用して上下動する前記ピストンとすることができる。
【０００９】
この発明では、ガス発生装置によって、水から水素ガス及び酸素ガスを発生させ、その水素ガス及び酸素ガスを、動力エンジンの燃料ガスとして使用している。すなわち、その動力エンジンのための燃料が、水と電気であるため、燃料が安価であり、それらを簡単に入手でき、経済的となる。したがって、ガソリンのような化石燃料に比べて、コストを大幅に軽減できる。また、水素ガス及び酸素ガスは、燃焼後に水に変化するので、無公害、無汚染、無毒性で、環境を汚染しないクリーン燃焼が実現できる。
【００１０】
上記発明において、前記燃料ガス供給手段は、前記ガス発生装置からの発生ガスを利用して火炎を発生させ、その火炎を前記燃焼器に供給することが好ましい。この場合には、火炎を発生するための装置が不要となるため、部品を減少させ、装置を小型化できる。
【００１１】
上記発明において、前記燃焼器は、前記ガス発生装置からの発生ガスの一部により火炎を発生させ、前記圧縮空気を、その火炎を残りの発生ガスと混合させて燃焼させることが好ましい。この場合には、ガス発生装置から発生した火炎を燃焼器に供給することによって、燃焼器での燃焼を促進させることができる。
【００１２】
上記発明において、受光により電力を発生させる、太陽光（ソーラー）発電機などの光発電機をさらに備え、前記ガス発生装置は、前記電気分解に必要な電力を、前記光発電機からも取ることが好ましい。この場合には、光エネルギーから取った電力で、ガス発生装置を駆動するための電力を補うので、環境を汚染しないクリーン燃焼が実現できる。
【００１３】
上記発明において、風力により電力を発生させる風力発電機をさらに備え、前記ガス発生装置は、前記電気分解に必要な電力を、前記風力発電機からも取ることが好ましい。この場合には、風力から取った電力で前記ガス発生装置を駆動するための電力を補うので、環境を汚染しないクリーン燃焼が実現できる。
【００１４】
また、他の発明は、上記発明の水素ガスエンジンにより走行する省エネ自動車である。この発明によれば、化石燃料を使用することなく、温暖化ガスの排出を抑制する自動車を提供することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、化石燃料を使用することなく、温暖化ガスの排出を抑制できる水素ガスエンジン及び、そのエンジンを搭載した省エネ自動車を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本実施形態に係る、自動車１の外観図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る水素ガスタービンエンジン１０を搭載した自動車１の内部構造を示すブロック図である。
【図３】図３（ａ）は、実施形態の分配ユニット２００の内部構造を示す断面図であり、図３（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。
【図４】図４は、本実施形態に係る水素ガスタービンエンジン１０の動作を示すフローチャートである。
【図５】図５は、実施形態に係る分配ユニット２００の動作を示すフローチャートである。
【図６】図６は、実施形態に係る分配ユニット２００の動作（全てのガスを供給する場合）を示す断面図である。
【図７】図７は、実施形態に係る分配ユニット２００の動作（火炎を供給する場合）を示す断面図である。
【図８】図８は、実施形態に係る分配ユニット２００の動作（一部のガスを分配する場合）を示す断面図である。
【図９】図９は、変更例に係る４サイクルエンジンを搭載した自動車１の内部構造を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（水素ガスタービンエンジン１０の構成）
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態においては、本発明の例として、水素ガスタービンエンジンで走行する省エネ自動車を説明する。本実施形態では、駆動部として、混合ガスの燃焼による膨張力を利用して回転されるタービンを用いた、水素ガスタービンエンジンを例に説明する。図１は、本実施形態に係る水素ガスタービンエンジンを動力エンジンとして搭載した省エネ自動車の外観図であり、図２は、その内部構造を示すブロック図である。
【００１８】
なお、本実施形態では、本発明の水素ガスタービンエンジンを、自動車に搭載した場合を例に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、この水素ガスタービンエンジンを、飛行機や船舶など他の乗物にも適用することができる。
【００１９】
図２に示すように、その自動車の水素ガスタービンエンジン１０は、主として、ガス発生装置１０１、燃焼器１０２を備え、さらに、一つの軸に連結されたタービン１０６、圧縮機１０７及び発電機１０８を備えている。
【００２０】
ガス発生装置１０１は、水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを発生する装置であり、燃料としての水が、貯水タンク１０４から供給され、電源１０５又は充電器及び蓄電池１１１からの電力を使って、水を電気分解する。
【００２１】
この装置の動作原理は、交流を、一時的に直流に変換し、陽極と陰極へそれぞれの電流を入力する。そして、その両極が挿入された電解槽において、水を電気分解し、水素ガスと酸素ガスを燃料ガスとして発生させる。その水として、蒸留水又は軟水が使用でき、電源からの電気エネルギーを加えることにより、水素ガスと酸素ガスの混合ガスが発生する。この発生ガスの圧力は、圧力スイッチとコントローラによって自動的に制御され、フロー調整器を経由されることにより、その発生ガスの出力を調整することができる。
【００２２】
ガス発生装置１０１には、燃焼器１０２が、移送管１１３を介して、接続されている。この移送管１１３は、発生ガスを、燃料ガスとして、燃焼器１０２へ供給するための燃料ガス供給手段である。すなわち、ガス発生装置１０１から生じた水素ガス及び酸素ガスは、燃料ガスとして、移送管１１３を通じて、燃焼器１０２に供給される。
【００２３】
また、移送管１１３は、前記燃料ガスを利用して、自ら火炎を発生させる機能として、分配ユニット２００を備えている。図３に示すように、この分配ユニット２００は、燃料ガスに着火する着火装置２０２と、発生した火炎の逆流を防止する逆止弁ユニット２１０と、その火炎を噴射する火炎放射器２２０と、燃料ガスの一部を分岐させる分岐ユニット２３０とから構成される。
【００２４】
逆止弁ユニット２１０は、ガス発生装置１０１からの経路を開閉するバルブ２０４と、燃料ガスが通過する内部空間２１３と、空間２１３の中で移動するボール２１１とから構成される。
【００２５】
内部空間２１３では、ボール２１１の移動を規制するテーパー２１４及びストッパ２１２が形成されている。テーパー２１４は、ガス発生装置１０１方向へ移動するボール２１１を止める形であり、内部空間２１３の圧力が高くなったとき、テーパー２１４がボール２１１によって塞がれ、ボール２１１は、内部空間２１３の中のガスが、ガス発生装置１０１へ、逆流するのを止める。
【００２６】
反対側のストッパ２１２は、下流方向の火炎放射器２２０へ移動するボール２１１を止める４つのフランジであり、図６に示すように、内部空間２１３の圧力が低くなったとき、ストッパ２１２がボール２１１を止めるが、ストッパ２１２，２１２の間の隙間がガスの流路となり、ガスの火炎放射器２２０への流れは止められない。その際、図８に示すように、分岐ユニット２３０のバルブ２０５を開けば、ガスの一部が移送管１１４側へ流出する。
【００２７】
分岐ユニット２３０は、逆止弁ユニット２１０からの経路を開閉するバルブ２０５と、燃料ガスが通過する内部空間２３３と、空間２３３の中で移動するボール２３１とから構成される。
【００２８】
内部空間２３３では、ボール２３１の移動を規制するテーパー２３４及びストッパ２３２が形成されている。テーパー２３４は、内部空間２１３側へ移動するボール２３１を規制する形状であり、内部空間２３３の圧力が高くなったとき、テーパー２３４がボール２３１によって閉塞され、ボール２３１は、内部空間２３３の中のガスが、内部空間２１３側へ、戻るのを規制する。
【００２９】
反対側のストッパ２３２は、下流方向へ移動するボール２３１を止めるフランジであり、内部空間２３３の圧力が低くなったとき（内部空間２１３の圧力が高くなったとき）、ストッパ２３２がボール２３１を規制するが、ストッパ２３２，２３２の間の隙間がガスの流路となり、ガスの移送管２１４への流入は制限されない。
【００３０】
火炎放射器２２０は、内部空間２１３からの燃料ガスが通過する内部空間２２３と、内部空間２２３の中で移動するボール２２１とから構成される。内部空間２２３内に、燃料ガスに着火する着火装置２０２が配置され、また、圧縮器１０７からの導管２０１が接続されている。この内部空間２２３では、ボール２２１の移動を規制するテーパー２２４及びストッパ２２２が形成されている。
【００３１】
テーパー２２４は、内部空間２１３方向へ移動するボール２２１を規制する形であり、内部空間２２３の圧力が高くなったとき、テーパー２２４がボール２２１によって閉塞され、ボール２２１は、内部空間２２３の中のガスが、内部空間２１３へ、逆流するのを規制する。
【００３２】
火炎放射器２２０は、火炎を噴射する圧力として、圧縮機１０７の圧縮空気の一部を使用している。すなわち、この内部空間２２３の圧力を上昇させるために、導管２０１のバルブ２０６を開き、圧縮空気を内部空間２２３の中へ流入させる。このように圧縮空気が吹き込まれることにより、ボール２２１がテーパー２２４へ押しつけられる。そして、図７に示すように、内部空間２２３の圧力が高くなったときに、着火装置２０２がそのガスに着火すれば、発生した火炎が燃焼器１０２側へ放出される。
【００３３】
反対側のストッパ２２２は、下流方向へ移動するボール２２１を規制するフランジであり、図６に示すように、内部空間２２３の圧力が低くなったとき、ストッパ２２２がボール２２１を規制するが、ストッパ２２２と２２２との間の隙間がガスの流路となり、ガスの燃焼器１０２への流れは制限されない。
【００３４】
さらに、燃料ガス供給手段としての移送管１１３は、ガス発生装置１０１からの燃料ガス（発生ガス）の一部又は全部により火炎を発生させる機能も備えている。詳しくは、分岐ユニット２３０のバルブ２３４を閉止し、ガス発生装置１０１からの発生ガスの全部を火炎放射器２２０へ送り出した場合は、火炎放射器２２０では、燃料ガスの全部により火炎を発生させる。
【００３５】
分岐ユニット２３０から、ガス発生装置１０１からの燃料ガスの一部を、火炎放射器２２０へ送り出した場合は、火炎放射器２２０では、燃料ガスの一部により火炎を発生させ、残りの燃料ガスは、移送管１１３とは異なる移送管１１４を通じて、燃焼器１０２に供給される。
【００３６】
そして、燃焼器１０２は、圧縮空気を火炎及び残りの燃料ガスに混合し、それらを燃焼させる。すなわち、分配ユニット２００からの火炎を、燃焼器１０２に供給することによって、燃焼器１０２の中の燃焼を促進させることができる。
【００３７】
上記しくみによって、分配ユニット２００は、燃焼器１０２へ供給される燃料ガス及び火炎の量及びバランスをコントロールすることができる。すなわち、分配ユニット２００は、ガス発生装置１０１からのガスのみを、火炎を加えることなくそのまま、燃焼器１０２へ注入することができ、そればかりでなく、分配ユニット２００は、燃料ガスの一部、又は全部を使って火炎を発生させ、それを燃焼器１０２へ注入することができる。このとき、着火される前のガスを、降温液に通すことによって、火炎の温度を適宜調節することもできる。
【００３８】
なお、図示されていないが、ガス発生装置１０１と燃焼器１０２とを直接接続して、それらを一体化し、移送管１１３、１１４及び分配ユニット２００を省略する構成としてもよい。
【００３９】
圧縮機１０７は、空気を圧縮する装置であり、外部からの吸気を圧縮し、高温高圧の圧縮空気を燃焼器１０２へ供給する。また、圧縮機１０７は、タービン１０６と同一のシャフトに接続されており、タービン１０６による回転力により、空気を圧縮する。
【００４０】
燃焼器１０２は、圧縮機１０７による圧縮空気と、燃料ガスとの混合ガスを燃焼させる装置であり、燃焼させた燃焼ガスをタービン１０６に供給する。なお、水素ガス及び酸素ガスの燃焼により生じる水は、ドレインや復水器などによって、燃焼器１０２から排出され、ボイラ１０９へ供給される。
【００４１】
タービン１０６は、燃焼器１０２における、混合ガスの燃焼による膨張力を利用して、動力を発生させるガスタービン装置である。具体的に、タービン１０６においては、燃焼されて膨張した燃料ガスを、羽根車にぶつけることで、その熱エネルギーを、回転運動エネルギーに変え、動力を発生させる。そして、本実施形態において、この発生した動力は、発電機１０８ａと車輪２４の両方に伝達され、それにより、電力を発生させたり、車輪２４を回転駆動されたりする。
【００４２】
詳しくは、タービン１０６は、タービン軸１０６ａを介して、変速機１１２と接続されており、また、変速機１１２には、車輪２４と２４とを連結する車軸１１０が接続されている。タービン１０６が回転することで、その動力がタービン軸１０６ａを介して、変速機１１２に伝達される。そして、変速機１１２によって、回転数、速度、トルク等が変換され、動力が車軸１１０に伝達され、車輪１１０に連結された車輪２４と２４が回転駆動し、自動車が走行する。
【００４３】
なお、変速機１１２には、補助動力として電気モータ１１７が接続されており、電気モータ１１７からの動力によっても、車軸１１０を回転できるようになっている。すなわち、変速機１１２は、タービン１０６からの動力と、電気モータ１１７の動力とを、いずれか一方を選択的に、或いは両方を同時に、車軸１１０へ伝達できるようになっており、これら２つの動力の、回転数、速度、トルクを調整する。電気モータ１１７への電力は、電源１０５や、充電器及び蓄電池１１１、発電機１０８ａ及び１０８ｂから供給される。このように、電気モータ１１７の動力を、補助的に併用することによって、水素・酸素ガス発生の立ち上がり時における、起動遅延などによる初期タイムラグを解消している。
【００４４】
一方、燃料ガスの燃焼によりタービン１０６が回転されることで、タービン１０６と同じ軸に接続された発電機１０８ａが回転し、その回転によって発電される。そして、発生した電力は、充電器及び蓄電池１１１に供給される。なお、本実施形態において、タービン１０６から排気された燃焼ガスは、ボイラー１０９に供給される。
【００４５】
ボイラ１０９は、燃料ガスによりプロセス蒸気を発生する装置である。詳しくは、本実施形態において、タービン１０６から排気された燃料ガスが、ボイラ１０９に供給され、ボイラにおいて、燃焼器１０２からの水と熱交換によってプロセス蒸気が発生し、このプロセス蒸気が蒸気タービン１０３に供給される。また、ボイラ１０９は、排気口１１５と接続されており、蒸気タービン１０３に供給されないプロセス蒸気を排気口１１５から排出させる。
【００４６】
蒸気タービン１０３は、ボイラ１０９からのプロセス蒸気によって、運動エネルギーを発生させる装置である。具体的に、発電機１０８ｂでは、ボイラ１０９のプロセス蒸気が通過する位置に羽根車を配置し、その羽根車をプロセス蒸気によって回転させることで、運動エネルギーを取得する。そして、本実施形態では、このタービン（羽根車）の回転軸に発電機１０８ｂが接続されており、このタービンの回転によって発電機１０８ｂが発電するようになっている。この発電機１０８ｂも、充電器及び蓄電池１１１と接続されており、発生した電力は充電器及び蓄電池１１１に供給される。
【００４７】
また、本実施形態においては、受光により電力を発生させる光発電機２１と、風力により電力を発生する風力発電機２２とが設けられている。本実施形態では、光発電機２１と風力発電機２２とからの電力を充電器及び蓄電池１１１で貯め、充電器及び蓄電池１１１から、ガス発生装置１０１に電力を供給し、ガス発生装置１０１における電気分解の電力としている。
【００４８】
充電器及び蓄電池１１１は、発電機１０８ａ，１０８ｂ，光発電機２１及び風力発電機２２からの電力を貯める電池と、その充電装置であり、蓄電池としては、リチウムマンガン電池、リチウムイオン電機、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等の蓄電池を使用することができる。このように、電力を充電器及び蓄電池１１１に貯めておくことによって、余剰電力を、水の電気分解や、燃焼ガスの燃焼等に使用できる。なお、この充電器及び蓄電池１１１には、外部の電源１０５が接続されており、電源１０５からの電力供給によっても、充電が可能となっている。この電源１０５は、家庭用コンセントや、充電スタンド（充電スポット）の電力供給プラグへの接続端子であり、その他のバッテリーであってもよい。
【００４９】
制御部１１６は、自動車の駆動に関する全般を制御するＣＰＵであり、操作部２３（アクセルやハンドル等）での操作に応じて、例えば、ガス発生装置１０１への電力や水の供給量や、タービン１０６で必要とされるガス圧や火炎温度の調整、変速機１１２の調整など、各装置の駆動信号を制御する。
【００５０】
なお、本実施形態における水素ガスタービンエンジンについては、単数のガス発生装置を用いたが、例えば、複数のガス発生装置を並列して配置することもできる。
【００５１】
（水素ガスタービンエンジンの動作）
そして、本実施形態では、このような水素ガスタービンエンジンで車輪２４を駆動することによって、省エネ自動車１を走行させる。図４は、水素ガスタービンエンジンで自動車１を走らせるための方法の手順を示すフローチャートである。
【００５２】
先ず、ドライバーがアクセルを踏み込むことで、ガス発生装置１０１には、貯水タンク１０４からの水と、充電器及び蓄電池１１１からの電力が供給される（ステップＳ１０１）。ガス発生装置１０１では、その水を電気分解し、燃料ガスを発生させる（ステップＳ１０２）。そして、この燃料ガスは燃焼器１０２に供給される（ステップＳ１０３）。この際、圧縮機１０７では、外部から空気を吸い込み、その空気を圧縮して、圧縮空気が、燃焼器１０２へ供給される（ステップＳ１０４及びＳ１０５）。
【００５３】
燃焼器１０２では、供給された燃料ガスと、圧縮空気とを混合し、燃焼器１０２の内部で混合ガスを燃焼させて（ステップＳ１０６）、この燃焼されたガスをタービン１０６に供給する（ステップＳ１０７）。タービン１０６では、この燃焼ガスの膨張力によって、タービン（羽根車）を回転させ（ステップＳ１０８）、動力が発生する（ステップＳ１０９）。これにより、このタービンの軸１０６ａに接続された変速機１１２を介して、車軸１１０が回転し、その車軸１１０の両端に繋がった車輪２４が回転駆動されて、自動車１が走行する（ステップＳ１１０）。
【００５４】
この際、制御部１１６は、操作部２３（アクセルやハンドル等）の操作に応じて、ガス発生装置１０１での水素ガス及び酸素ガスの発生量や、燃焼器１０２での燃料ガスの燃焼量、変速機１１２の調整なども同時に行う。上述したように、ガス発生装置１０１には、燃焼器１０２が、移送管１１３を介して、接続され、ガス発生装置１０１から生じた水素ガス及び酸素ガスは、移送管１１３を通じて、燃焼器１０２に供給される。
【００５５】
また、この移送管１１３には燃料ガスの一部を分岐させる機能と、燃料ガスの一部又は全部を利用して、火炎を発生させる機能とを有する分配ユニット２００が備えられている。図５に詳しく示すように、ステップＳ１０２において、制御部１１６は、分配ユニット２００を、以下のように制御する。
【００５６】
先ず、制御部１１６は、燃料ガス及び火炎の必要量を算出し、これらのバランスを算出し（ステップＳ２０１）、この算出結果に基づいて、バルブ２０５の開放量、着火の要否を決定する。
【００５７】
次いで、制御部１１６は、燃料ガスの全部を燃焼器１０２に供給するか、発生ガスの一部を分岐するか、を判断する（ステップＳ２０２）。燃料ガスの一部を分岐させて燃焼器１０２に供給する場合は、バルブ２０５を、必要量だけ開く（ステップＳ２０３）。これにより、ガス発生装置１０１から生じた水素ガス及び酸素ガスが、移送管１１３を通じて、分配ユニット２００に供給されたとき、図８に示すように、その発生ガスの一部は、移送管１１４側へ分岐され、その分岐されたガスは、燃焼器１０２にそのまま供給される（ステップＳ２０４ａ）。
【００５８】
また、その燃料ガスの残りの部分は、移送管１１３の内部空間２２３へ供給され、着火される（ステップＳ２０４ｂ）。この結果、燃焼器１０２には、火炎及び燃料ガスの両方が供給される（ステップＳ２０５及びＳ１１）。
【００５９】
一方、燃料ガスの全部を燃焼器１０２に供給する場合は、バルブ２０５を完全に閉止する（ステップＳ２０６）。そして、制御部１１６は、ステップＳ２０１での決定に応じて、着火するかどうかを判断する（ステップＳ２０７）。着火が不要な場合は（ステップＳ２０７：Ｎ）、図６に示すように、燃料ガスは、着火されることなく、内部空間２２３を通過する。この結果、燃焼器１０２には、燃料ガスのみが直接供給される（ステップＳ２０８及びＳ１１）。
【００６０】
他方、着火が必要な場合は（ステップＳ２０７：Ｙ）、図７に示すように、燃料ガスは、内部空間２２３で着火される（ステップＳ２０９）。この結果、燃焼器１０２には、火炎のみが供給される（ステップＳ２１０及びＳ１１）。
【００６１】
（作用・効果）
上記実施形態によれば、ガス発生装置１０１によって、水から水素ガス及び酸素ガスを発生させ、それらのガスを動力エンジンの燃料ガスとして使用するので、燃料となる原料は、水と一般電源のみであり、燃料コストは安価である。すなわち、その動力エンジンのための燃料が、水と電気であるため、燃料が安価であり、それらを簡単に入手でき、それが経済的となる。したがって、ガソリンのような化石燃料に比べて、コストを大幅に軽減できる。また、水素ガス及び酸素ガスは、燃焼後に水に変化するので、無公害、無汚染、無毒性で、環境を汚染しないクリーン燃焼が実現できる。
【００６２】
さらに本実施形態では、ガス発生装置１０１により発生したガスを利用して自ら火炎を発生させ、その火炎を燃焼器１０２に供給するので、火炎を発生させる装置を製造、配置することがなく、部品点数の減少及び装置全体を小型化することができる。
【００６３】
さらに、本実施形態では、ガス発生装置１０１から発生された発生ガスの一部により火炎を発生させ、その火炎を、残りの発生ガスとともに、圧縮空気と混合して燃焼できる。これにより、ガス発生装置１０１から発生された火炎を、燃焼器１０２に供給し、燃焼器１０２での燃焼を促進させることができる。
【００６４】
本実施形態では、光発電機２１、又は風力発電機２２とをさらに備え、これらの発電機から、ガス発生装置１０１における電気分解で必要な電力を供給するので、光エネルギー、又は風力から生じた電力によってガス発生装置１０１を駆動させることができる。その結果、無公害、無汚染、無毒性で環境を汚染しないクリーン燃焼が実現できる。
【００６５】
（変更例）
上記実施形態では、駆動部として、混合ガスの燃焼による膨張力を利用して回転されるタービンを用いた、水素ガスタービンエンジンを例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、一般的な４サイクルエンジン又は２サイクルエンジンの構造をそのまま利用することができる。図９は、本発明を一般的な４サイクルエンジンに適用した例を示すブロック図である。
【００６６】
すなわち、この変更例では、水素ガスエンジン２０において、有底のシリンダー１２０と、このシリンダー１２０内を上下動するピストン１２１により、シリンダー１２０内に画成された燃焼室１２２を、前記燃焼器及び前記圧縮機として用いる。この場合、本発明の駆動部は、混合ガスの燃焼による膨張力を利用して上下動するピストン１２１となる。
【００６７】
燃焼室１２２には、ガス発生装置１０１が、移送管１１３及び１１４を介して、接続されている。この移送管１１３は、ガス発生装置１０１から生じた水素ガス及び酸素ガスを、燃料ガスとして、燃焼室１２２に供給する。また、燃焼器１０２では、ピストン１２１によって圧縮された圧縮空気と、燃料ガスとの混合ガスが燃焼され、燃焼時における膨張力によりピストン１２１を駆動させる。水素ガス及び酸素ガスの燃焼により生じる水は、ドレインや復水器などによって、燃焼室１２２から排出され、ボイラ１０９へ供給される。
【００６８】
なお、ここでは、分配ユニット２００から燃焼室１２２へ、ガスや火炎を噴射するための圧縮空気を、上述した圧縮器１０７により発生させ、分配ユニット２００に供給している。
【００６９】
このようなエンジンでは、ピストン１２１の上昇により燃料ガス及び空気を吸入し、ピストン１２１の下降により、これらの混合ガスを圧縮し、この圧縮した状態で着火することにより燃焼させ、燃焼後のガスや水を排出する。
【００７０】
このピストン１２１の上下動により発生した動力は、発電機１０８ａと車輪２４の両方に伝達され、それにより、電力を発生させたり、車輪２４を回転駆動されたりする。詳述すると、ピストン１２１は、軸１０６ａを介して、変速機１１２と接続されており、また、変速機１１２には、車輪２４と２４とを連結する車軸１１０が接続されている。ピストン１２１が上下動することで、その動力が軸１０６ａを介して、変速機１１２に伝達される。そして、変速機１１２によって、回転数、速度、トルク等が変換され、動力が車軸１１０に伝達され、車輪１１０に連結された車輪２４と２４が回転駆動し、自動車が走行する。
【００７１】
なお、このような水素ガスエンジンの他の方式としては、例えばロータリーエンジンとすることができる。具体的には、ペリトロコイド曲線で形作られたローターハウジングと、このローターハウジング内を回転する三角形状のローターにより、ローターハウジング内に画成された燃焼室１２２を、前記燃焼器及び前記圧縮機として用いる。この場合、本発明の駆動部は、混合ガスの燃焼による膨張力を利用して回転するローターとなる。
【００７２】
このような本変更例に係る水素ガスエンジンによれば、上述した実施形態と同様に、水から水素ガス及び酸素ガスを発生させ、それらのガスを動力エンジンの燃料ガスとして使用することにより、燃料コストを低減できるとともに、無公害、無汚染、無毒性で、環境を汚染しないクリーン燃焼が実現できる。そして、本変更例によれば、既存のガソリンエンジンと同様の構成を用いることができるため、既存の自動車の構造を大幅に変更することなく、本発明を適用することができる、製造コストを低減することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１０…水素ガスタービンエンジン
２０…水素ガスエンジン
２１…光発電機
２２…風力発電機
２３…操作部
２４…車輪
１０１…ガス発生装置
１０２…燃焼器
１０３…蒸気タービン
１０４…貯水タンク
１０５…電源
１０６…タービン
１０６ａ…タービン軸
１０７…圧縮機
１０８ａ，１０８ｂ…発電機
１０９…ボイラ
１１０…車軸
１１１…充電器及び蓄電池
１１２…変速機
１１３…移送管
１１４…移送管
１１５…排気口
１１６…制御部
１１７…電気モータ
１２０…シリンダー
１２１…ピストン
１２２…燃焼室
２００…分配ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガス及び酸素ガスを燃料ガスとして利用する水素ガスエンジン及びそのエンジンを搭載した省エネ自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化などの環境問題が発生し、自動車に関しては、燃費の効率化や、排気ガスの清浄化が試みられている。ところが、化石燃料を使用した内燃機関のみを備えた自動車では、その改善の限界が生じている。そこで、現在においては、内燃機関と電動機の２つの原動機を備えたハイブリッド自動車が開発され、実用化されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−０２０９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１で開示されたハイブリッド車については、化石燃料のみを燃料に使用する自動車よりも、大気汚染ガスの排出が抑えられている。ところが、そのハイブリッド車では、依然として内燃機関による走行が主となっており、その燃料としてガソリンが使用されていることから、二酸化炭素などの大気汚染物が排出されている。
【０００５】
そこで、本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、化石燃料を使用することなく、温暖化ガスの排出を抑制できる水素ガスエンジン及び、そのエンジンを搭載した省エネ自動車を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、水素ガスエンジンであって、
供給された空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機による圧縮空気と、燃料ガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器における、前記混合ガスの燃焼による膨張力を利用して、動力を発生させる駆動部と、
水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを生成するガス発生装置と、
前記ガス発生装置を前記燃焼器に直接接続させ、前記水素ガス及び酸素ガスを、前記燃料ガスとして前記燃焼器に供給する燃料ガス供給手段と
を備え、前記圧縮手段は、前記タービンにより発生された動力により、空気の圧縮を行う
ことを特徴とする。
【０００７】
なお、上記発明では、前記駆動部は、前記混合ガスの燃焼による膨張力を利用して回転されるタービンとすることができる。
【０００８】
また、前記燃焼器及び前記圧縮機は、有底のシリンダーと、該シリンダー内を上下動するピストンにより、該シリンダー内に画成された燃焼室とすることができ、前記駆動部は、前記混合ガスの燃焼による膨張力を利用して上下動する前記ピストンとすることができる。
【０００９】
この発明では、ガス発生装置によって、水から水素ガス及び酸素ガスを発生させ、その水素ガス及び酸素ガスを、動力エンジンの燃料ガスとして使用している。すなわち、その動力エンジンのための燃料が、水と電気であるため、燃料が安価であり、それらを簡単に入手でき、経済的となる。したがって、ガソリンのような化石燃料に比べて、コストを大幅に軽減できる。また、水素ガス及び酸素ガスは、燃焼後に水に変化するので、無公害、無汚染、無毒性で、環境を汚染しないクリーン燃焼が実現できる。
【００１０】
上記発明において、前記燃料ガス供給手段は、前記ガス発生装置からの発生ガスを利用して火炎を発生させ、その火炎を前記燃焼器に供給することが好ましい。この場合には、火炎を発生するための装置が不要となるため、部品を減少させ、装置を小型化できる。
【００１１】
上記発明において、前記燃焼器は、前記ガス発生装置からの発生ガスの一部により火炎を発生させ、前記圧縮空気を、その火炎を残りの発生ガスと混合させて燃焼させることが好ましい。この場合には、ガス発生装置から発生した火炎を燃焼器に供給することによって、燃焼器での燃焼を促進させることができる。
【００１２】
上記発明において、受光により電力を発生させる、太陽光（ソーラー）発電機などの光発電機をさらに備え、前記ガス発生装置は、前記電気分解に必要な電力を、前記光発電機からも取ることが好ましい。この場合には、光エネルギーから取った電力で、ガス発生装置を駆動するための電力を補うので、環境を汚染しないクリーン燃焼が実現できる。
【００１３】
上記発明において、風力により電力を発生させる風力発電機をさらに備え、前記ガス発生装置は、前記電気分解に必要な電力を、前記風力発電機からも取ることが好ましい。この場合には、風力から取った電力で前記ガス発生装置を駆動するための電力を補うので、環境を汚染しないクリーン燃焼が実現できる。
【００１４】
また、他の発明は、上記発明の水素ガスエンジンにより走行する省エネ自動車である。この発明によれば、化石燃料を使用することなく、温暖化ガスの排出を抑制する自動車を提供することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、化石燃料を使用することなく、温暖化ガスの排出を抑制できる水素ガスエンジン及び、そのエンジンを搭載した省エネ自動車を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本実施形態に係る、自動車１の外観図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る水素ガスタービンエンジン１０を搭載した自動車１の内部構造を示すブロック図である。
【図３】図３（ａ）は、実施形態の分配ユニット２００の内部構造を示す断面図であり、図３（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。
【図４】図４は、本実施形態に係る水素ガスタービンエンジン１０の動作を示すフローチャートである。
【図５】図５は、実施形態に係る分配ユニット２００の動作を示すフローチャートである。
【図６】図６は、実施形態に係る分配ユニット２００の動作（全てのガスを供給する場合）を示す断面図である。
【図７】図７は、実施形態に係る分配ユニット２００の動作（火炎を供給する場合）を示す断面図である。
【図８】図８は、実施形態に係る分配ユニット２００の動作（一部のガスを分配する場合）を示す断面図である。
【図９】図９は、変更例に係る４サイクルエンジンを搭載した自動車１の内部構造を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（水素ガスタービンエンジン１０の構成）
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態においては、本発明の例として、水素ガスタービンエンジンで走行する省エネ自動車を説明する。本実施形態では、駆動部として、混合ガスの燃焼による膨張力を利用して回転されるタービンを用いた、水素ガスタービンエンジンを例に説明する。図１は、本実施形態に係る水素ガスタービンエンジンを動力エンジンとして搭載した省エネ自動車の外観図であり、図２は、その内部構造を示すブロック図である。
【００１８】
なお、本実施形態では、本発明の水素ガスタービンエンジンを、自動車に搭載した場合を例に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、この水素ガスタービンエンジンを、飛行機や船舶など他の乗物にも適用することができる。
【００１９】
図２に示すように、その自動車の水素ガスタービンエンジン１０は、主として、ガス発生装置１０１、燃焼器１０２を備え、さらに、一つの軸に連結されたタービン１０６、圧縮機１０７及び発電機１０８を備えている。
【００２０】
ガス発生装置１０１は、水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを発生する装置であり、燃料としての水が、貯水タンク１０４から供給され、電源１０５又は充電器及び蓄電池１１１からの電力を使って、水を電気分解する。
【００２１】
この装置の動作原理は、交流を、一時的に直流に変換し、陽極と陰極へそれぞれの電流を入力する。そして、その両極が挿入された電解槽において、水を電気分解し、水素ガスと酸素ガスを燃料ガスとして発生させる。その水として、蒸留水又は軟水が使用でき、電源からの電気エネルギーを加えることにより、水素ガスと酸素ガスの混合ガスが発生する。この発生ガスの圧力は、圧力スイッチとコントローラによって自動的に制御され、フロー調整器を経由されることにより、その発生ガスの出力を調整することができる。
【００２２】
ガス発生装置１０１には、燃焼器１０２が、移送管１１３を介して、接続されている。この移送管１１３は、発生ガスを、燃料ガスとして、燃焼器１０２へ供給するための燃料ガス供給手段である。すなわち、ガス発生装置１０１から生じた水素ガス及び酸素ガスは、燃料ガスとして、移送管１１３を通じて、燃焼器１０２に供給される。
【００２３】
また、移送管１１３は、前記燃料ガスを利用して、自ら火炎を発生させる機能として、分配ユニット２００を備えている。図３に示すように、この分配ユニット２００は、燃料ガスに着火する着火装置２０２と、発生した火炎の逆流を防止する逆止弁ユニット２１０と、その火炎を噴射する火炎放射器２２０と、燃料ガスの一部を分岐させる分岐ユニット２３０とから構成される。
【００２４】
逆止弁ユニット２１０は、ガス発生装置１０１からの経路を開閉するバルブ２０４と、燃料ガスが通過する内部空間２１３と、空間２１３の中で移動するボール２１１とから構成される。
【００２５】
内部空間２１３では、ボール２１１の移動を規制するテーパー２１４及びストッパ２１２が形成されている。テーパー２１４は、ガス発生装置１０１方向へ移動するボール２１１を止める形であり、内部空間２１３の圧力が高くなったとき、テーパー２１４がボール２１１によって塞がれ、ボール２１１は、内部空間２１３の中のガスが、ガス発生装置１０１へ、逆流するのを止める。
【００２６】
反対側のストッパ２１２は、下流方向の火炎放射器２２０へ移動するボール２１１を止める４つのフランジであり、図６に示すように、内部空間２１３の圧力が低くなったとき、ストッパ２１２がボール２１１を止めるが、ストッパ２１２，２１２の間の隙間がガスの流路となり、ガスの火炎放射器２２０への流れは止められない。その際、図８に示すように、分岐ユニット２３０のバルブ２０５を開けば、ガスの一部が移送管１１４側へ流出する。
【００２７】
分岐ユニット２３０は、逆止弁ユニット２１０からの経路を開閉するバルブ２０５と、燃料ガスが通過する内部空間２３３と、空間２３３の中で移動するボール２３１とから構成される。
【００２８】
内部空間２３３では、ボール２３１の移動を規制するテーパー２３４及びストッパ２３２が形成されている。テーパー２３４は、内部空間２１３側へ移動するボール２３１を規制する形状であり、内部空間２３３の圧力が高くなったとき、テーパー２３４がボール２３１によって閉塞され、ボール２３１は、内部空間２３３の中のガスが、内部空間２１３側へ、戻るのを規制する。
【００２９】
反対側のストッパ２３２は、下流方向へ移動するボール２３１を止めるフランジであり、内部空間２３３の圧力が低くなったとき（内部空間２１３の圧力が高くなったとき）、ストッパ２３２がボール２３１を規制するが、ストッパ２３２，２３２の間の隙間がガスの流路となり、ガスの移送管２１４への流入は制限されない。
【００３０】
火炎放射器２２０は、内部空間２１３からの燃料ガスが通過する内部空間２２３と、内部空間２２３の中で移動するボール２２１とから構成される。内部空間２２３内に、燃料ガスに着火する着火装置２０２が配置され、また、圧縮器１０７からの導管２０１が接続されている。この内部空間２２３では、ボール２２１の移動を規制するテーパー２２４及びストッパ２２２が形成されている。
【００３１】
テーパー２２４は、内部空間２１３方向へ移動するボール２２１を規制する形であり、内部空間２２３の圧力が高くなったとき、テーパー２２４がボール２２１によって閉塞され、ボール２２１は、内部空間２２３の中のガスが、内部空間２１３へ、逆流するのを規制する。
【００３２】
火炎放射器２２０は、火炎を噴射する圧力として、圧縮機１０７の圧縮空気の一部を使用している。すなわち、この内部空間２２３の圧力を上昇させるために、導管２０１のバルブ２０６を開き、圧縮空気を内部空間２２３の中へ流入させる。このように圧縮空気が吹き込まれることにより、ボール２２１がテーパー２２４へ押しつけられる。そして、図７に示すように、内部空間２２３の圧力が高くなったときに、着火装置２０２がそのガスに着火すれば、発生した火炎が燃焼器１０２側へ放出される。
【００３３】
反対側のストッパ２２２は、下流方向へ移動するボール２２１を規制するフランジであり、図６に示すように、内部空間２２３の圧力が低くなったとき、ストッパ２２２がボール２２１を規制するが、ストッパ２２２と２２２との間の隙間がガスの流路となり、ガスの燃焼器１０２への流れは制限されない。
【００３４】
さらに、燃料ガス供給手段としての移送管１１３は、ガス発生装置１０１からの燃料ガス（発生ガス）の一部又は全部により火炎を発生させる機能も備えている。詳しくは、分岐ユニット２３０のバルブ２３４を閉止し、ガス発生装置１０１からの発生ガスの全部を火炎放射器２２０へ送り出した場合は、火炎放射器２２０では、燃料ガスの全部により火炎を発生させる。
【００３５】
分岐ユニット２３０から、ガス発生装置１０１からの燃料ガスの一部を、火炎放射器２２０へ送り出した場合は、火炎放射器２２０では、燃料ガスの一部により火炎を発生させ、残りの燃料ガスは、移送管１１３とは異なる移送管１１４を通じて、燃焼器１０２に供給される。
【００３６】
そして、燃焼器１０２は、圧縮空気を火炎及び残りの燃料ガスに混合し、それらを燃焼させる。すなわち、分配ユニット２００からの火炎を、燃焼器１０２に供給することによって、燃焼器１０２の中の燃焼を促進させることができる。
【００３７】
上記しくみによって、分配ユニット２００は、燃焼器１０２へ供給される燃料ガス及び火炎の量及びバランスをコントロールすることができる。すなわち、分配ユニット２００は、ガス発生装置１０１からのガスのみを、火炎を加えることなくそのまま、燃焼器１０２へ注入することができ、そればかりでなく、分配ユニット２００は、燃料ガスの一部、又は全部を使って火炎を発生させ、それを燃焼器１０２へ注入することができる。このとき、着火される前のガスを、降温液に通すことによって、火炎の温度を適宜調節することもできる。
【００３８】
なお、図示されていないが、ガス発生装置１０１と燃焼器１０２とを直接接続して、それらを一体化し、移送管１１３、１１４及び分配ユニット２００を省略する構成としてもよい。
【００３９】
圧縮機１０７は、空気を圧縮する装置であり、外部からの吸気を圧縮し、高温高圧の圧縮空気を燃焼器１０２へ供給する。また、圧縮機１０７は、タービン１０６と同一のシャフトに接続されており、タービン１０６による回転力により、空気を圧縮する。
【００４０】
燃焼器１０２は、圧縮機１０７による圧縮空気と、燃料ガスとの混合ガスを燃焼させる装置であり、燃焼させた燃焼ガスをタービン１０６に供給する。なお、水素ガス及び酸素ガスの燃焼により生じる水は、ドレインや復水器などによって、燃焼器１０２から排出され、ボイラ１０９へ供給される。
【００４１】
タービン１０６は、燃焼器１０２における、混合ガスの燃焼による膨張力を利用して、動力を発生させるガスタービン装置である。具体的に、タービン１０６においては、燃焼されて膨張した燃料ガスを、羽根車にぶつけることで、その熱エネルギーを、回転運動エネルギーに変え、動力を発生させる。そして、本実施形態において、この発生した動力は、発電機１０８ａと車輪２４の両方に伝達され、それにより、電力を発生させたり、車輪２４を回転駆動されたりする。
【００４２】
詳しくは、タービン１０６は、タービン軸１０６ａを介して、変速機１１２と接続されており、また、変速機１１２には、車輪２４と２４とを連結する車軸１１０が接続されている。タービン１０６が回転することで、その動力がタービン軸１０６ａを介して、変速機１１２に伝達される。そして、変速機１１２によって、回転数、速度、トルク等が変換され、動力が車軸１１０に伝達され、車輪１１０に連結された車輪２４と２４が回転駆動し、自動車が走行する。
【００４３】
なお、変速機１１２には、補助動力として電気モータ１１７が接続されており、電気モータ１１７からの動力によっても、車軸１１０を回転できるようになっている。すなわち、変速機１１２は、タービン１０６からの動力と、電気モータ１１７の動力とを、いずれか一方を選択的に、或いは両方を同時に、車軸１１０へ伝達できるようになっており、これら２つの動力の、回転数、速度、トルクを調整する。電気モータ１１７への電力は、電源１０５や、充電器及び蓄電池１１１、発電機１０８ａ及び１０８ｂから供給される。このように、電気モータ１１７の動力を、補助的に併用することによって、水素・酸素ガス発生の立ち上がり時における、起動遅延などによる初期タイムラグを解消している。
【００４４】
一方、燃料ガスの燃焼によりタービン１０６が回転されることで、タービン１０６と同じ軸に接続された発電機１０８ａが回転し、その回転によって発電される。そして、発生した電力は、充電器及び蓄電池１１１に供給される。なお、本実施形態において、タービン１０６から排気された燃焼ガスは、ボイラー１０９に供給される。
【００４５】
ボイラ１０９は、燃料ガスによりプロセス蒸気を発生する装置である。詳しくは、本実施形態において、タービン１０６から排気された燃料ガスが、ボイラ１０９に供給され、ボイラにおいて、燃焼器１０２からの水と熱交換によってプロセス蒸気が発生し、このプロセス蒸気が蒸気タービン１０３に供給される。また、ボイラ１０９は、排気口１１５と接続されており、蒸気タービン１０３に供給されないプロセス蒸気を排気口１１５から排出させる。
【００４６】
蒸気タービン１０３は、ボイラ１０９からのプロセス蒸気によって、運動エネルギーを発生させる装置である。具体的に、発電機１０８ｂでは、ボイラ１０９のプロセス蒸気が通過する位置に羽根車を配置し、その羽根車をプロセス蒸気によって回転させることで、運動エネルギーを取得する。そして、本実施形態では、このタービン（羽根車）の回転軸に発電機１０８ｂが接続されており、このタービンの回転によって発電機１０８ｂが発電するようになっている。この発電機１０８ｂも、充電器及び蓄電池１１１と接続されており、発生した電力は充電器及び蓄電池１１１に供給される。
【００４７】
また、本実施形態においては、受光により電力を発生させる光発電機２１と、風力により電力を発生する風力発電機２２とが設けられている。本実施形態では、光発電機２１と風力発電機２２とからの電力を充電器及び蓄電池１１１で貯め、充電器及び蓄電池１１１から、ガス発生装置１０１に電力を供給し、ガス発生装置１０１における電気分解の電力としている。
【００４８】
充電器及び蓄電池１１１は、発電機１０８ａ，１０８ｂ，光発電機２１及び風力発電機２２からの電力を貯める電池と、その充電装置であり、蓄電池としては、リチウムマンガン電池、リチウムイオン電機、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等の蓄電池を使用することができる。このように、電力を充電器及び蓄電池１１１に貯めておくことによって、余剰電力を、水の電気分解や、燃焼ガスの燃焼等に使用できる。なお、この充電器及び蓄電池１１１には、外部の電源１０５が接続されており、電源１０５からの電力供給によっても、充電が可能となっている。この電源１０５は、家庭用コンセントや、充電スタンド（充電スポット）の電力供給プラグへの接続端子であり、その他のバッテリーであってもよい。
【００４９】
制御部１１６は、自動車の駆動に関する全般を制御するＣＰＵであり、操作部２３（アクセルやハンドル等）での操作に応じて、例えば、ガス発生装置１０１への電力や水の供給量や、タービン１０６で必要とされるガス圧や火炎温度の調整、変速機１１２の調整など、各装置の駆動信号を制御する。
【００５０】
なお、本実施形態における水素ガスタービンエンジンについては、単数のガス発生装置を用いたが、例えば、複数のガス発生装置を並列して配置することもできる。
【００５１】
（水素ガスタービンエンジンの動作）
そして、本実施形態では、このような水素ガスタービンエンジンで車輪２４を駆動することによって、省エネ自動車１を走行させる。図４は、水素ガスタービンエンジンで自動車１を走らせるための方法の手順を示すフローチャートである。
【００５２】
先ず、ドライバーがアクセルを踏み込むことで、ガス発生装置１０１には、貯水タンク１０４からの水と、充電器及び蓄電池１１１からの電力が供給される（ステップＳ１０１）。ガス発生装置１０１では、その水を電気分解し、燃料ガスを発生させる（ステップＳ１０２）。そして、この燃料ガスは燃焼器１０２に供給される（ステップＳ１０３）。この際、圧縮機１０７では、外部から空気を吸い込み、その空気を圧縮して、圧縮空気が、燃焼器１０２へ供給される（ステップＳ１０４及びＳ１０５）。
【００５３】
燃焼器１０２では、供給された燃料ガスと、圧縮空気とを混合し、燃焼器１０２の内部で混合ガスを燃焼させて（ステップＳ１０６）、この燃焼されたガスをタービン１０６に供給する（ステップＳ１０７）。タービン１０６では、この燃焼ガスの膨張力によって、タービン（羽根車）を回転させ（ステップＳ１０８）、動力が発生する（ステップＳ１０９）。これにより、このタービンの軸１０６ａに接続された変速機１１２を介して、車軸１１０が回転し、その車軸１１０の両端に繋がった車輪２４が回転駆動されて、自動車１が走行する（ステップＳ１１０）。
【００５４】
この際、制御部１１６は、操作部２３（アクセルやハンドル等）の操作に応じて、ガス発生装置１０１での水素ガス及び酸素ガスの発生量や、燃焼器１０２での燃料ガスの燃焼量、変速機１１２の調整なども同時に行う。上述したように、ガス発生装置１０１には、燃焼器１０２が、移送管１１３を介して、接続され、ガス発生装置１０１から生じた水素ガス及び酸素ガスは、移送管１１３を通じて、燃焼器１０２に供給される。
【００５５】
また、この移送管１１３には燃料ガスの一部を分岐させる機能と、燃料ガスの一部又は全部を利用して、火炎を発生させる機能とを有する分配ユニット２００が備えられている。図５に詳しく示すように、ステップＳ１０２において、制御部１１６は、分配ユニット２００を、以下のように制御する。
【００５６】
先ず、制御部１１６は、燃料ガス及び火炎の必要量を算出し、これらのバランスを算出し（ステップＳ２０１）、この算出結果に基づいて、バルブ２０５の開放量、着火の要否を決定する。
【００５７】
次いで、制御部１１６は、燃料ガスの全部を燃焼器１０２に供給するか、発生ガスの一部を分岐するか、を判断する（ステップＳ２０２）。燃料ガスの一部を分岐させて燃焼器１０２に供給する場合は、バルブ２０５を、必要量だけ開く（ステップＳ２０３）。これにより、ガス発生装置１０１から生じた水素ガス及び酸素ガスが、移送管１１３を通じて、分配ユニット２００に供給されたとき、図８に示すように、その発生ガスの一部は、移送管１１４側へ分岐され、その分岐されたガスは、燃焼器１０２にそのまま供給される（ステップＳ２０４ａ）。
【００５８】
また、その燃料ガスの残りの部分は、移送管１１３の内部空間２２３へ供給され、着火される（ステップＳ２０４ｂ）。この結果、燃焼器１０２には、火炎及び燃料ガスの両方が供給される（ステップＳ２０５及びＳ１１）。
【００５９】
一方、燃料ガスの全部を燃焼器１０２に供給する場合は、バルブ２０５を完全に閉止する（ステップＳ２０６）。そして、制御部１１６は、ステップＳ２０１での決定に応じて、着火するかどうかを判断する（ステップＳ２０７）。着火が不要な場合は（ステップＳ２０７：Ｎ）、図６に示すように、燃料ガスは、着火されることなく、内部空間２２３を通過する。この結果、燃焼器１０２には、燃料ガスのみが直接供給される（ステップＳ２０８及びＳ１１）。
【００６０】
他方、着火が必要な場合は（ステップＳ２０７：Ｙ）、図７に示すように、燃料ガスは、内部空間２２３で着火される（ステップＳ２０９）。この結果、燃焼器１０２には、火炎のみが供給される（ステップＳ２１０及びＳ１１）。
【００６１】
（作用・効果）
上記実施形態によれば、ガス発生装置１０１によって、水から水素ガス及び酸素ガスを発生させ、それらのガスを動力エンジンの燃料ガスとして使用するので、燃料となる原料は、水と一般電源のみであり、燃料コストは安価である。すなわち、その動力エンジンのための燃料が、水と電気であるため、燃料が安価であり、それらを簡単に入手でき、それが経済的となる。したがって、ガソリンのような化石燃料に比べて、コストを大幅に軽減できる。また、水素ガス及び酸素ガスは、燃焼後に水に変化するので、無公害、無汚染、無毒性で、環境を汚染しないクリーン燃焼が実現できる。
【００６２】
さらに本実施形態では、ガス発生装置１０１により発生したガスを利用して自ら火炎を発生させ、その火炎を燃焼器１０２に供給するので、火炎を発生させる装置を製造、配置することがなく、部品点数の減少及び装置全体を小型化することができる。
【００６３】
さらに、本実施形態では、ガス発生装置１０１から発生された発生ガスの一部により火炎を発生させ、その火炎を、残りの発生ガスとともに、圧縮空気と混合して燃焼できる。これにより、ガス発生装置１０１から発生された火炎を、燃焼器１０２に供給し、燃焼器１０２での燃焼を促進させることができる。
【００６４】
本実施形態では、光発電機２１、又は風力発電機２２とをさらに備え、これらの発電機から、ガス発生装置１０１における電気分解で必要な電力を供給するので、光エネルギー、又は風力から生じた電力によってガス発生装置１０１を駆動させることができる。その結果、無公害、無汚染、無毒性で環境を汚染しないクリーン燃焼が実現できる。
【００６５】
（変更例）
上記実施形態では、駆動部として、混合ガスの燃焼による膨張力を利用して回転されるタービンを用いた、水素ガスタービンエンジンを例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、一般的な４サイクルエンジン又は２サイクルエンジンの構造をそのまま利用することができる。図９は、本発明を一般的な４サイクルエンジンに適用した例を示すブロック図である。
【００６６】
すなわち、この変更例では、水素ガスエンジン２０において、有底のシリンダー１２０と、このシリンダー１２０内を上下動するピストン１２１により、シリンダー１２０内に画成された燃焼室１２２を、前記燃焼器及び前記圧縮機として用いる。この場合、本発明の駆動部は、混合ガスの燃焼による膨張力を利用して上下動するピストン１２１となる。
【００６７】
燃焼室１２２には、ガス発生装置１０１が、移送管１１３及び１１４を介して、接続されている。この移送管１１３は、ガス発生装置１０１から生じた水素ガス及び酸素ガスを、燃料ガスとして、燃焼室１２２に供給する。また、燃焼器１０２では、ピストン１２１によって圧縮された圧縮空気と、燃料ガスとの混合ガスが燃焼され、燃焼時における膨張力によりピストン１２１を駆動させる。水素ガス及び酸素ガスの燃焼により生じる水は、ドレインや復水器などによって、燃焼室１２２から排出され、ボイラ１０９へ供給される。
【００６８】
なお、ここでは、分配ユニット２００から燃焼室１２２へ、ガスや火炎を噴射するための圧縮空気を、上述した圧縮器１０７により発生させ、分配ユニット２００に供給している。
【００６９】
このようなエンジンでは、ピストン１２１の上昇により燃料ガス及び空気を吸入し、ピストン１２１の下降により、これらの混合ガスを圧縮し、この圧縮した状態で着火することにより燃焼させ、燃焼後のガスや水を排出する。
【００７０】
このピストン１２１の上下動により発生した動力は、発電機１０８ａと車輪２４の両方に伝達され、それにより、電力を発生させたり、車輪２４を回転駆動されたりする。詳述すると、ピストン１２１は、軸１０６ａを介して、変速機１１２と接続されており、また、変速機１１２には、車輪２４と２４とを連結する車軸１１０が接続されている。ピストン１２１が上下動することで、その動力が軸１０６ａを介して、変速機１１２に伝達される。そして、変速機１１２によって、回転数、速度、トルク等が変換され、動力が車軸１１０に伝達され、車輪１１０に連結された車輪２４と２４が回転駆動し、自動車が走行する。
【００７１】
なお、このような水素ガスエンジンの他の方式としては、例えばロータリーエンジンとすることができる。具体的には、ペリトロコイド曲線で形作られたローターハウジングと、このローターハウジング内を回転する三角形状のローターにより、ローターハウジング内に画成された燃焼室１２２を、前記燃焼器及び前記圧縮機として用いる。この場合、本発明の駆動部は、混合ガスの燃焼による膨張力を利用して回転するローターとなる。
【００７２】
このような本変更例に係る水素ガスエンジンによれば、上述した実施形態と同様に、水から水素ガス及び酸素ガスを発生させ、それらのガスを動力エンジンの燃料ガスとして使用することにより、燃料コストを低減できるとともに、無公害、無汚染、無毒性で、環境を汚染しないクリーン燃焼が実現できる。そして、本変更例によれば、既存のガソリンエンジンと同様の構成を用いることができるため、既存の自動車の構造を大幅に変更することなく、本発明を適用することができる、製造コストを低減することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１０…水素ガスタービンエンジン
２０…水素ガスエンジン
２１…光発電機
２２…風力発電機
２３…操作部
２４…車輪
１０１…ガス発生装置
１０２…燃焼器
１０３…蒸気タービン
１０４…貯水タンク
１０５…電源
１０６…タービン
１０６ａ…タービン軸
１０７…圧縮機
１０８ａ，１０８ｂ…発電機
１０９…ボイラ
１１０…車軸
１１１…充電器及び蓄電池
１１２…変速機
１１３…移送管
１１４…移送管
１１５…排気口
１１６…制御部
１１７…電気モータ
１２０…シリンダー
１２１…ピストン
１２２…燃焼室
２００…分配ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスエンジンであって、
供給された空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機による圧縮空気と、燃料ガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器における、前記混合ガスの燃焼による膨張力を利用して、動力を発生させる駆動部と、
水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを生成するガス発生装置と、
前記ガス発生装置を前記燃焼器に直接接続させ、前記水素ガス及び酸素ガスを、前記燃料ガスとして前記燃焼器に供給する燃料ガス供給手段と
を備え、
前記圧縮手段は、前記駆動部により発生された動力により、空気の圧縮を行う
ことを特徴とする水素ガスエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の水素ガスエンジンであって、
前記駆動部は、前記混合ガスの燃焼による膨張力を利用して回転されるタービンであることを特徴とする水素ガスエンジン。
【請求項３】
請求項１に記載の水素ガスエンジンであって、
前記燃焼器及び前記圧縮機は、有底のシリンダーと、該シリンダー内を上下動するピストンにより、該シリンダー内に画成された燃焼室であり、
前記駆動部は、前記混合ガスの燃焼による膨張力を利用して上下動する前記ピストンである
ことを特徴とする水素ガスエンジン。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の水素ガスエンジンであって、
前記燃料ガス供給手段は前記ガス発生装置からの発生ガスを利用して火炎を発生させ、その火炎を前記燃焼器に供給する。
ことを特徴とする水素ガスエンジン。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の水素ガスエンジンであって、
前記燃料ガス供給手段は前記ガス発生装置からの発生ガスの一部により火炎を発生させ、
前記燃焼器は、前記圧縮空気を前記火炎及び残りの前記発生ガスに混合し、それらを燃焼させる
ことを特徴とする水素ガスエンジン。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の水素ガスエンジンであって、
受光により電力を発生させる光発電機をさらに備え、前記ガス発生装置は、前記電気分解に必要な電力を、前記光発電機から取る
ことを特徴とする水素ガスエンジン。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の水素ガスエンジンであって、
風力により電力を発生させる風力発電機をさらに備え、前記ガス発生装置は、前記電気分解に必要な電力を、前記風力発電機から取る
ことを特徴とする水素ガスエンジン。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の水素ガスエンジンの動力により走行することを特徴とする省エネ自動車。
【請求項１】
水素ガスエンジンであって、
供給された空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機による圧縮空気と、燃料ガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器における、前記混合ガスの燃焼による膨張力を利用して、動力を発生させる駆動部と、
水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを生成するガス発生装置と、
前記ガス発生装置を前記燃焼器に直接接続させ、前記水素ガス及び酸素ガスを、前記燃料ガスとして前記燃焼器に供給する燃料ガス供給手段と
を備え、
前記圧縮手段は、前記駆動部により発生された動力により、空気の圧縮を行う
ことを特徴とする水素ガスエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の水素ガスエンジンであって、
前記駆動部は、前記混合ガスの燃焼による膨張力を利用して回転されるタービンであることを特徴とする水素ガスエンジン。
【請求項３】
請求項１に記載の水素ガスエンジンであって、
前記燃焼器及び前記圧縮機は、有底のシリンダーと、該シリンダー内を上下動するピストンにより、該シリンダー内に画成された燃焼室であり、
前記駆動部は、前記混合ガスの燃焼による膨張力を利用して上下動する前記ピストンである
ことを特徴とする水素ガスエンジン。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の水素ガスエンジンであって、
前記燃料ガス供給手段は前記ガス発生装置からの発生ガスを利用して火炎を発生させ、その火炎を前記燃焼器に供給する。
ことを特徴とする水素ガスエンジン。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の水素ガスエンジンであって、
前記燃料ガス供給手段は前記ガス発生装置からの発生ガスの一部により火炎を発生させ、
前記燃焼器は、前記圧縮空気を前記火炎及び残りの前記発生ガスに混合し、それらを燃焼させる
ことを特徴とする水素ガスエンジン。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の水素ガスエンジンであって、
受光により電力を発生させる光発電機をさらに備え、前記ガス発生装置は、前記電気分解に必要な電力を、前記光発電機から取る
ことを特徴とする水素ガスエンジン。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の水素ガスエンジンであって、
風力により電力を発生させる風力発電機をさらに備え、前記ガス発生装置は、前記電気分解に必要な電力を、前記風力発電機から取る
ことを特徴とする水素ガスエンジン。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の水素ガスエンジンの動力により走行することを特徴とする省エネ自動車。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−８２７６９（Ｐ２０１２−８２７６９Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３０５３３（Ｐ２０１０−２３０５３３）
【出願日】平成２２年１０月１３日（２０１０．１０．１３）
【出願人】（５０４１０５５５３）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１３日（２０１０．１０．１３）
【出願人】（５０４１０５５５３）
【Ｆターム（参考）】
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