氫按需電解燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】氫按需電解燃料電池系統(tǒng)
[0001]要求較早提交的臨時串請的受益的聲明
[0002]此申請是按照35USC § 119(E)提交的，并要求較早提交的序列號為61/787，465，由同一發(fā)明人于2013年3月15日提交的臨時申請的受益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本說明書總體地描述了被設(shè)計成按需產(chǎn)生氫氧(HHO)氣體和供應(yīng)這些氣體進入內(nèi)燃發(fā)動機的燃燒室的電解燃料電池系統(tǒng)。更具體地，本說明書描述了一種氫按需(HOD)系統(tǒng)的新配置，其與發(fā)動機控制模塊(ECM)或調(diào)節(jié)內(nèi)燃發(fā)動機運作的其它控制系統(tǒng)整合，以供應(yīng)HHO至發(fā)動機并提高發(fā)動機的整體燃油效率。這個系統(tǒng)還被設(shè)計成產(chǎn)生HHO的連續(xù)流，HHO通過電解從水性流體產(chǎn)生，然后將其與發(fā)動機的空氣供給混合。這個系統(tǒng)通過提供整合系統(tǒng)以有助于這些功能，整合系統(tǒng)包括配備液位、壓力和溫度傳感器的絕緣電解質(zhì)流體貯存器；栗和熱交換器；獨特地配置的電解器；和過濾器。組合發(fā)動機和HOD系統(tǒng)通過電子控制系統(tǒng)(ECS)和燃燒控制模塊(CCM)被控制和調(diào)節(jié)。CCM被安裝在發(fā)動機上，使得其積極地截取來自發(fā)動機制造商的ECM的電子信號，以連續(xù)地協(xié)調(diào)HOD系統(tǒng)和發(fā)動機的功能和運作。
【背景技術(shù)】
[0004]氫是宇宙中最豐富的元素。由于氫的高可燃性，原子和分子氫具有作為能源的顯著潛力，但是自然產(chǎn)生的原子氫的氣體是罕見的，因為氫易于與非金屬元素形成共價化合物。氫也存在于大多數(shù)有機物和水中。電力生產(chǎn)工程師已經(jīng)多年尋求利用氫的能源潛力的機制，但迄今這些努力幾乎沒有開發(fā)出多少潛力。在很多或大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中普遍的一個顯著的不利是，需要使用這些系統(tǒng)以產(chǎn)生足夠量的氫的能量和資源通常超過了隨后可從如此產(chǎn)生的氫中獲得的能量。
[0005]大部分工業(yè)生產(chǎn)的氫氣是烴燃料精煉的副產(chǎn)品的結(jié)果。氫也可通過更耗能的電解水方法生產(chǎn)，其中陰極和陽極被浸沒到水溶液中，并且電流傳遞穿過它們。如所指出的，這一過程是消耗大量能源的，而且低效以至于產(chǎn)生氫氣需要比最終能從該氫氣中回收的更多的能量。這個過程破壞水分子的鍵，導(dǎo)致產(chǎn)生的氫氣和氧氣是以2:1摩爾比的雙原子比和O2氣體的摩爾比，這與水的比例是相同的。考慮到氫的能源潛力，添加HHO進入內(nèi)燃發(fā)動機的空氣流將大大增加該發(fā)動機的效率，這是本領(lǐng)域眾所周知的。在理論上有可能單獨地制造ΗΗ0，在貯槽下壓縮存儲氣態(tài)氫和/或氧，然后將這些氣體供給至空氣流，為內(nèi)燃發(fā)動機供以動力以便獲得這種效率。然而，由于所需的氣體存儲系統(tǒng)的重量和體積，實施存儲系統(tǒng)的這種方式是完全不切實際的。
[0006]形成雙原子4和O2氣體的水解過程是本領(lǐng)域眾所周知且理解的。具體而言，當(dāng)陰極和陽極被浸沒在純水中，還原反應(yīng)發(fā)生在帶負(fù)電荷的陽極，導(dǎo)致來自陰極的電子(e)被給至氫陽離子以形成氫氣。在帶正電荷的陽極，發(fā)生氧化反應(yīng)，其產(chǎn)生氧氣并提供電子給陰極，從而完成電路。當(dāng)還原和氧化反應(yīng)相結(jié)合并均衡時，總體反應(yīng)使得對于每兩分子的液態(tài)水，形成2分子的雙原子氣態(tài)氫(H2)和一分子的雙原子氣態(tài)氧(O2)。形成的雙原子氫分子的數(shù)量因此是雙原子氧分子的數(shù)量的兩倍。在適當(dāng)?shù)臈l件下，產(chǎn)生雙原子HjP 02氣體所需的能量的量將至少與經(jīng)由添加這些氣體至內(nèi)燃發(fā)動機中的燃燒過程可實現(xiàn)的效率改善相當(dāng)。
[0007]因此，如現(xiàn)有技術(shù)中所示出的，已經(jīng)進行了許多嘗試來設(shè)計和實施以按需方式從存儲的水溶液產(chǎn)生HHO氣體然后供應(yīng)該氣體至內(nèi)燃發(fā)動機的電解系統(tǒng)。然而，大多數(shù)這些嘗試已經(jīng)被證明是不充分的、低效的或不安全的。這些系統(tǒng)存在的一些問題包括，例如，生產(chǎn)的HHO氣體量不足；電解器的腐蝕和快速衰退；以及潛在的安全問題，由于過量的HHO累積沒有安全或關(guān)斷控制，導(dǎo)致在遠離內(nèi)燃發(fā)動機的環(huán)境中發(fā)生爆炸燃燒。此外，將水分子分裂成其氣態(tài)組分所需要的能量通常超過當(dāng)組分氣體被燃燒時收回的能量是公認(rèn)的。因此，目前依然面臨的挑戰(zhàn)是如何使用安全的、穩(wěn)定的和耐腐蝕的按需系統(tǒng)產(chǎn)生足夠量的HHO氣體，使得HHO氣體提高整體效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，需要有一種HOD生產(chǎn)系統(tǒng)，其可被整合到新的或現(xiàn)有的內(nèi)燃發(fā)動機或其它能量產(chǎn)生裝置中，以提供在該發(fā)動機的效率的最大改進。這個系統(tǒng)將針對、處理并解決現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)呈現(xiàn)出的許多問題。它將進一步利用并優(yōu)化HHO生產(chǎn)，它通過產(chǎn)生氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)，并且將如此以連續(xù)方式以維持足夠和穩(wěn)定的HHO氣體流進入供給發(fā)動機的空氣流，同時將電解系統(tǒng)的控制和操作整合進內(nèi)燃發(fā)動機本身的基本控制和操作中。此夕卜，該系統(tǒng)必須與發(fā)動機制造商的調(diào)節(jié)空氣和燃料流入發(fā)動機的計算機化發(fā)動機控制模塊(ECM)無縫整合。
[0009]還需要一種用于與由化石燃料供給動力的內(nèi)燃發(fā)動機一起使用的新型HOD電解系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以被直接結(jié)合入用于新的發(fā)動機的操作設(shè)計中，或者它可以被后裝配到現(xiàn)有的發(fā)動機。期望的是，這樣的系統(tǒng)也與柴油、汽油、天然氣或其它替代燃料燃燒發(fā)動機一起工作。
[0010]還進一步需要一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用現(xiàn)有的電力供給，其產(chǎn)生用于內(nèi)燃發(fā)動機以提供動力給電解池的電功率。該系統(tǒng)還包括一種新型的燃燒控制系統(tǒng)，其直接與控制和調(diào)節(jié)內(nèi)燃發(fā)動機的運轉(zhuǎn)的發(fā)動機控制模塊接口。
[0011]更進一步地，需要部件以構(gòu)成用于與內(nèi)燃發(fā)動機一起使用的新型的HOD系統(tǒng)，以及用于實現(xiàn)和利用該系統(tǒng)及其部件的方法。在本說明書中描述的其它方法包括一種利用新型的HOD系統(tǒng)以改善車輛的燃油經(jīng)濟性的方法；一種用于通過提供清潔燃燒空氣和燃料混合物進入燃燒室以降低車輛排放的方法，該混合物用一種新型的HOD系統(tǒng)產(chǎn)生；一種通過改進的燃燒系統(tǒng)增加傳遞到車輛傳動系的動力的方法，其改進由一種新型的HOD系統(tǒng)提供；以及一種過濾從車載車輛電解系統(tǒng)產(chǎn)生的HHO的方法，其最小化或消除流體流入發(fā)動機的空氣供給的潛在可能。本發(fā)明的電解燃料電池系統(tǒng)的這些和其它特征將在閱讀本說明書之后對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員變得明顯。
【附圖說明】
[0012]圖1是示出電解燃料電池系統(tǒng)的一個實施例的部件和這些部件之間的流體流動的示意性流程圖。
[0013]圖2是示出電解燃料電池系統(tǒng)的一個實施例的部件和這些部件之間的電氣連接的另一個實施例示意性流程圖。
[0014]圖3A是，可與電解燃料電池系統(tǒng)的一個實施例一起使用的流體貯存器和過濾器的變體的整體立體圖。圖3B是流體貯存器和過濾器的側(cè)視圖。圖3C是流體貯存器和過濾器的俯視圖。圖3D是流體貯存器和過濾器的剖視圖，示出了貯存器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和過濾器的內(nèi)部部件。
[0015]圖4是過濾器組件的另一個剖視圖，放大以示出過濾柱的細(xì)節(jié)。
[0016]圖5A是可與過濾器組件結(jié)合使用的多段過濾罐的側(cè)視圖。圖5B是多段過濾罐的剖視圖，圖5C是該過濾器組件的整體立體圖。
[0017]圖6是可與過濾器組件中的多段過濾罐一起使用的過濾器柱部件的放大圖。
[0018]圖7A和7B描繪了被用于過濾器組件的內(nèi)部過濾器墊片。
[0019]圖8A是可與電解燃料電池系統(tǒng)的一個實施例一起使用的水解器部件的展開圖，圖SB是該水解部件被完全組裝時的側(cè)視圖。
[0020]圖9是根據(jù)本說明書配置的完全組裝并準(zhǔn)備好安裝在由柴油內(nèi)燃發(fā)動機供給動力的車輛的架上的水解按需系統(tǒng)的一個實施例的整體立體圖。
【具體實施方式】
[0021]概要
[0022]表示HOD系統(tǒng)的一個實施例的部件的示意性流程在圖1中描繪。如其中所示，該系統(tǒng)包括流體槽或貯存器1，其包括至少整合的傳感器2a，2b和2c，以檢測，例如，流體液位以及貯存器I內(nèi)的氣體壓力和流體溫度。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，附加的或不同的傳感器可以被包括在內(nèi)。栗5控制流體的流動從貯存器到熱交換器3并進入電解器7。熱交換器3被利用來調(diào)節(jié)存儲在貯存器I并通過系統(tǒng)被栗入電解器7的電解質(zhì)流體的溫度。熱交換器3優(yōu)選地還包括整合的風(fēng)扇4，風(fēng)扇4在熱交換器上方傳遞空氣以冷卻電解液并消散熱交換器內(nèi)產(chǎn)生的任何多余的熱量?？删植康乩冒l(fā)光二極管(LED’ s)6或其它視覺指示器以顯示該系統(tǒng)的操作狀態(tài)。HHO氣體，以及電解質(zhì)流體和其它副產(chǎn)物從電解器7傳遞到貯存器1，然后進入過濾器8，其從其它成分分離所需的HHO氣體。HHO氣體隨后被供給到用于向發(fā)動機9提供動力的空氣流中。燃燒控制模塊(CCM) 10包括計算機化的編碼和控制件，以截取發(fā)送到發(fā)動機的ECM的電子信號，包括例如，發(fā)動機油壓和發(fā)動機轉(zhuǎn)速。CCM協(xié)調(diào)這些信號與HOD系統(tǒng)的操作以方便組合發(fā)動機和HOD系統(tǒng)的完全整合的和連續(xù)的操作。該系統(tǒng)還可以包括一個或多個可視指示器，如發(fā)光二極管11，其被安裝在儀表板或發(fā)動機的操作者可以容易地觀測到它們的一些其它位置。發(fā)光二極管11通知操作者該系統(tǒng)是在運行中，以及是否和在何種程度上系統(tǒng)按照其規(guī)范運作。整個系統(tǒng)的功能和操作由電子控制系統(tǒng)(ECS) 12進行監(jiān)測和控制，電子控制系統(tǒng)以“握手”模式與CCMlO接口，以確認(rèn)該發(fā)動機和HOD系統(tǒng)的操作是同步的。該系統(tǒng)本身是由直流電源供電的，如電池13，其也能提供直流功率到與發(fā)動機結(jié)合操作的其它電氣系統(tǒng)。
[0023]在標(biāo)準(zhǔn)操作中，電池13的充電是通過一個與發(fā)動機9 一起安裝的交流發(fā)電機14維持的。在沒有HOD系統(tǒng)的典型操作中，牽引式掛車卡車將吸取40至50安培以供電給燈或其他電氣設(shè)備。在理想的操作條件下，在此所述的