ES2926874A2

ES2926874A2 - Combustible de parahidrogeno y de hidrogeno atomico

Info

Publication number: ES2926874A2
Application number: ES202190037A
Authority: ES
Inventors: Jorge Arevalo; Carlos Kiyan
Original assignee: eCombustible Energy LLC
Current assignee: eCombustible Energy LLC
Priority date: 2020-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2041-01-27
Also published as: BR112021017317A8; GB202107267D0; ES2926874R1; WO2021154868A3; CL2021001082A1; US20230062648A1; AU2021213129B2; BR112021017317A2; AU2021213129A1; ES2926874B2; PE20230499A1; GB2596907B; GB2596907A; WO2021154868A2; CO2021007048A2; EP4096954A4; ZA202307283B; EP4096954A2

Abstract

En la presente descripción se describen nuevos sistemas y métodos para llevar a cabo lo siguiente: descomponer agua en hidrógeno usando electrólisis de bajo consumo de energía, convertir el ortohidrógeno en parahidrógeno usando una frecuencia vibratoria, convertir el parahidrógeno en hidrógeno atómico, y mezclar el hidrógeno atómico convertido con gas combustible. El sistema usa una celda única de producción de hidrógeno de baja energía para realizar la electrólisis en agua. La salida de hidrógeno de la celda de producción pasa a través de bobinas bajo una frecuencia vibratoria para convertir óptimamente el ortohidrógeno en parahidrógeno. El sistema comprende además un reactor magnético que se usa para convertir el parahidrógeno en hidrógeno atómico, que a su vez se mezcla con gas combustible para crear un combustible ecológicamente favorable.

Description

DESCRIPCIÓN

COMBUSTIBLE DE PARAHIDRÓGENO Y DE HIDRÓGENO ATÓMICO

CAMPO

La presente tecnología se relaciona con la descomposición de agua en hidrógeno, la conversión de ortohidrógeno en parahidrógeno, la conversión de parahidrógeno en hidrógeno atómico y la mezcla de hidrógeno atómico convertido con gas combustible para crear un combustible ecológicamente favorable.

ANTECEDENTES

El hidrógeno es el elemento más simple y es el elemento más abundante en el universo. A pesar de su simplicidad y abundancia, el hidrógeno puro no se produce naturalmente como un gas en la tierra. El hidrógeno se combina más frecuentemente con otros elementos en moléculas, tales como agua, pero más notablemente en hidrocarburos que componen muchos de nuestros combustibles. Algunos de los hidrocarburos más notables en los que puede encontrarse el hidrógeno son la gasolina estándar, el gas natural, el metanol y el propano. El hidrógeno puede separarse de los hidrocarburos a través de la aplicación de calor en un proceso conocido como reformación. En un proceso diferente conocido como electrólisis, la corriente eléctrica también puede usarse para separar el agua en sus componentes: oxígeno e hidrógeno.

El hidrógeno es muy alto en energía. Sin embargo, cuando un motor quema hidrógeno puro, casi no produce contaminación. La idea de usar hidrógeno como un combustible ha estado presente aproximadamente desde la década de 1970. De hecho, la NASA ha usado hidrógeno líquido como combustible de cohetes desde la década de 1970 para propulsar transbordadores espaciales y otros cohetes hacia la órbita espacial. Las celdas de combustible de hidrógeno que usan hidrógeno como combustible también se usaron para alimentar todos los sistemas eléctricos enteros de los transbordadores, al mismo tiempo que producían un subproducto limpio (es decir, agua). Las celdas de combustible como estas han sido, y siguen siendo, un área prometedora de descubrimiento que tienen el potencial de proporcionar calor y electricidad para edificios, así como una fuente de energía eléctrica para motores eléctricos. Sin embargo, los combustibles fósiles tradicionales aún dominan ciertos sectores de mercado, notablemente el de la generación de energía eléctrica y la industria automotriz.

El combustible fósil, particularmente el combustible de petróleo, es el contribuyente principal para la producción de energía. El consumo de combustible fósil ha aumentado constantemente a lo largo de los años como resultado del crecimiento de la población. La población mundial seguirá creciendo. Además, el consumo de energía seguirá creciendo de manera directamente proporcional al crecimiento de la población. El aumento de la demanda de energía requiere un aumento de la producción de combustible, lo que a su vez implica el drenaje de las reservas actuales de combustibles fósiles a un ritmo cada vez mayor. Esta tendencia se ha manifestado en la fluctuación de los precios de gasolina y las interrupciones del suministro. El agotamiento rápido de las reservas de petróleo y la disminución de la calidad del aire plantea interrogantes sobre el futuro. A medida que aumenta la conciencia mundial sobre la protección del medio ambiente, también aumenta la búsqueda de alternativas al combustible de petróleo.

Se han probado en todo el mundo combustibles alternativos, tales como gas natural comprimido, gas de petróleo licuado, gas natural licuado, biodiesel, biogas, hidrógeno, etanol, metanol y éter dimetílico. Estos combustibles emiten menos contaminantes del aire en comparación con la gasolina, son renovables y la mayoría de ellos son más viables económicamente en comparación con el petróleo. Se ha considerado el uso de hidrógeno como un combustible futuro para motores de combustión interna, pero los sistemas actuales han encontrado obstáculos que evitan una comercialización viable. El hidrógeno mezclado con combustibles tradicionales mejora significativamente la estabilidad de la llama durante la combustión de mezcla pobre. Existe una necesidad a largo plazo de combustibles eficaces que minimicen las emisiones de hidrocarburos no quemados y de CO2.

RESUMEN

La presente tecnología incluye artículos de fabricación, sistemas y procesos que se relacionan con la producción de hidrógeno a partir de la descomposición de agua en moléculas de oxígeno e hidrógeno por medio de corriente eléctrica pulsada de tal manera que se crea principalmente parahidrógeno. La presente tecnología también usa una fusión de hidrógeno con gas oxígeno o gas natural o propano, o combustible diésel gaseoso en el caso de motores diésel.

El hidrógeno producido en una planta de producción de hidrógeno es diatómico; es decir, la molécula consiste en dos átomos, H2. El hidrógeno creado es tanto ortohidrógeno como parahidrógeno, que son isómeros de espín entre sí. El ortohidrógeno es la forma isomérica del hidrógeno molecular donde sus dos espines de protón se alinean en paralelo. Por otra parte, el parahidrógeno es la contraparte isomérica, donde sus dos espines de protón se alinean de manera antiparalela. A temperatura ambiente y equilibrio térmico, el hidrógeno molecular consiste en aproximadamente 75 % de ortohidrógeno y 25 % de parahidrógeno. Para los fines de la presente tecnología, es útil crear y trabajar solo con la forma de parahidrógeno del hidrógeno molecular. En una realización de la presente tecnología, el ortohidrógeno se convierte completamente en parahidrógeno al alimentar el ortohidrógeno a través de una bobina a la que se aplica la frecuencia vibratoria. En otra realización de la presente tecnología, el parahidrógeno se convierte en hidrógeno atómico que puede mezclarse con otro gas para usarse como combustible.

Se crea una mezcla de hidrógeno diatómico (ortohidrógeno y parahidrógeno) mediante una celda de producción de hidrógeno. Después, el ortohidrógeno se convierte en parahidrógeno. Se hace pasar el parahidrógeno a través de una tubería hacia una trampa de agua que elimina la humedad del parahidrógeno. Después, se hace pasar el parahidrógeno a través de un reactor para disociar el parahidrógeno en hidrógeno atómico. La disociación del parahidrógeno en hidrógeno atómico se logra al pasar el parahidrógeno a través de un campo magnético a velocidad baja, en donde el parahidrógeno se expone a un campo magnético de una frecuencia muy cercana a la frecuencia vibratoria del parahidrógeno, de aproximadamente 25.000 Hz (es decir, 25 kHz). Por ejemplo, un reactor magnético puede configurarse para producir un campo magnético que tenga una frecuencia de aproximadamente 13 kHz hasta aproximadamente 37 kHz inclusive para convertir el parahidrógeno de la trampa de agua y filtro en hidrógeno atómico.

Al salir del reactor, el hidrógeno atómico se transporta a un tanque de mezcla. En el tanque de mezclado, el hidrógeno atómico se mezcla con otro gas, tal como hidrógeno, oxígeno o metano, para crear una mezcla de gas combustible ecológicamente favorable. Dentro del tanque de mezcla, el hidrógeno atómico y el gas adicional (p. ej., CH4, hidrógeno, oxígeno u otro gas) pueden mezclarse después de entrar en contacto mediante la atracción magnética de cada uno de los componentes, lo que crea enlaces entre los gases que resultan en un nuevo combustible general. Este nuevo combustible mezclado proporciona las siguientes características beneficiosas: menor velocidad de combustión que la del hidrógeno atómico puro (que ayuda a prevenir la preignición dentro de un motor) y una mejora drástica en el empuje del motor. Una vez mezclado, el gas mezclado sale del tanque de mezcla a través de una tubería hacia un compresor donde la mezcla puede almacenarse y, después, distribuirse como un combustible. El hidrógeno atómico y el combustible mezclado descritos en la presente descripción pueden usarse para la combustión, que incluye, por ejemplo, el combustible para motores de combustión interna, calderas, quemadores y turbinas.

Una realización de la presente descripción es un sistema para convertir el ortohidrógeno en parahidrógeno, convertir el parahidrógeno en hidrógeno atómico y para mezclar el hidrógeno atómico convertido con un gas combustible; el sistema comprende un suministro de agua; una celda de producción de hidrógeno acoplada fluidamente al suministro de agua, en donde la celda de producción de hidrógeno se configura para escindir el agua del suministro de agua en átomos de hidrógeno y oxígeno por medio de electrólisis y para convertir el ortohidrógeno en parahidrógeno; y una trampa de agua y filtro acoplados fluidamente a la celda de producción de hidrógeno, en donde la trampa de agua y el filtro separan trazas de agua del hidrógeno producido en la celda de producción de hidrógeno. Un reactor magnético se acopla fluidamente a la trampa de agua y el filtro, en donde el reactor magnético se configura para producir un campo magnético que tiene una frecuencia de aproximadamente 13 kHz hasta aproximadamente 37 kHz inclusive para convertir el parahidrógeno de la trampa de agua y el filtro en hidrógeno atómico; y un tanque de mezcla acoplado fluidamente al reactor magnético, en donde el tanque de mezcla se configura para mezclar el hidrógeno atómico con un gas combustible.

En realizaciones adicionales, la celda de producción de hidrógeno comprende dos o más microceldas conectadas entre sí en serie, en donde cada microcelda comprende una pluralidad de electrodos, una salida de hidrógeno y una salida de oxígeno. En realizaciones adicionales, el sistema comprende un controlador de energía para enviar pulsos eléctricos a cada microcelda durante la electrólisis para hacer que al menos un electrodo se cargue positivamente y al menos un electrodo se cargue negativamente. En realizaciones adicionales, el sistema comprende una pluralidad de transistores de energía para regular los pulsos eléctricos enviados a cada microcelda, en donde se asigna un transistor de energía a cada microcelda, en donde cada uno de los transistores de energía se conecta operativamente al controlador de energía para permitir que el controlador de energía regule los pulsos eléctricos mediante el control de los transistores de energía para permitir o evitar que se envíen los pulsos eléctricos a las microceldas. En realizaciones adicionales, el sistema comprende una pluralidad de conjuntos de bobinas, en donde un conjunto de bobinas se ubica en la salida de hidrógeno de cada microcelda, y en donde cada uno de la pluralidad de conjuntos de bobinas está adaptado para aplicar una frecuencia vibratoria al hidrógeno que sale a través de la salida de hidrógeno de cada microcelda durante la electrólisis. En realizaciones adicionales, la pluralidad de conjuntos de bobinas está adaptada para aplicar una frecuencia vibratoria que es aproximadamente igual a una frecuencia natural de parahidrógeno. En realizaciones adicionales, el reactor magnético comprende un tubo, tres imanes permanentes dispuestos dentro del tubo y dos bobinas de alambre enrolladas alrededor del exterior del tubo que están conectadas a un oscilador. En realizaciones adicionales, el tubo es cilindrico y se construye de un material no magnético, y en donde los tres imanes permanentes se orientan en la misma dirección. En realizaciones adicionales, los tres imanes permanentes son todos imanes radiales de tamaño y forma uniformes, cada uno que tiene un orificio central de aproximadamente % del diámetro total del tubo. En realizaciones adicionales, el oscilador produce la frecuencia de aproximadamente 13 kHz hasta aproximadamente 37 kHz inclusive. En realizaciones adicionales, el gas combustible es gas oxígeno o gas metano. En realizaciones adicionales, la celda de producción de hidrógeno se configura para proporcionar una frecuencia vibratoria que convierte el ortohidrógeno en parahidrógeno; y el reactor magnético se configura para proporcionar una frecuencia vibratoria que convierte el parahidrógeno en hidrógeno atómico.

Una realización adicional de la presente invención es un método para generar gas parahidrógeno, que comprende suministrar agua a una celda de producción de hidrógeno; escindir el agua en gas hidrógeno y gas oxígeno en la celda usando electrólisis; convertir el gas hidrógeno en gas parahidrógeno al aplicar una vibración al gas hidrógeno; hacer pasar el gas parahidrógeno a través de una trampa de agua y filtro para eliminar la humedad del gas parahidrógeno; y convertir el gas parahidrógeno en hidrógeno atómico al hacer pasar el gas parahidrógeno a través de un reactor magnético que produce un campo magnético que actúa para dividir el gas parahidrógeno en hidrógeno atómico.

En realizaciones adicionales, el método comprende hacer pasar el hidrógeno atómico hacia un tanque de mezcla; y mezclar el hidrógeno atómico con un gas combustible. En realizaciones adicionales, el gas combustible se selecciona del grupo que consiste en gas propano, gas metano, gas oxígeno, combustible diésel gaseoso o gas natural. En realizaciones adicionales, la celda de producción de hidrógeno comprende una pluralidad de microceldas, en donde cada microcelda comprende un electrodo conectado a una fuente de alimentación, y en donde escindir el agua en hidrógeno comprende además someter a ciclos la energía suministrada al electrodo de cada microcelda para crear pulsos a una frecuencia entre 0,1 Hz y x Hz, donde x es el número total de microceldas en la celda de producción de hidrógeno. En realizaciones adicionales, hay al menos siete microceldas, y en donde la frecuencia es de 7 Hz. En realizaciones adicionales, el campo magnético del reactor magnético resuena a una frecuencia de entre aproximadamente 13 kHz y aproximadamente 37 kHz. En realizaciones adicionales, la vibración se aplica al gas hidrógeno por medio de una bobina dispuesta en una salida del sistema de producción de hidrógeno, y en donde la vibración tiene una frecuencia de aproximadamente una frecuencia natural de parahidrógeno. En realizaciones adicionales, el método comprende una pluralidad de transistores, cada uno de los cuales se conecta a uno de los electrodos, en donde un sistema de control se conecta operativamente a la pluralidad de transistores y se configura para activar y desactivar el transistor para controlar la energía suministrada a los electrodos.

Con la tecnología presente, es posible aumentar la producción de hidrógeno atómico en un 30 % en comparación con el sistema, método y aparato descritos en la patente de los EE. UU. núm.

9.701.917 otorgada a Benitez, que se incorpora en la presente descripción como referencia. El rango de frecuencia para el reactor magnético usado en la presente descripción permite además variar la cantidad de parahidrógeno producido, lo que permite proporcionar diferentes valores caloríficos de las mezclas de gas y gas hidrógeno resultantes para producir combustibles personalizados.

Otras áreas de aplicabilidad resultarán evidentes a partir de la descripción proporcionada en la presente descripción. La descripción y los ejemplos específicos en este sumario están destinados únicamente a fines ilustrativos y no pretenden limitar el alcance de la presente descripción.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Las figuras descritas en la presente descripción son solo para fines ilustrativos de las realizaciones seleccionadas y no de todas las implementaciones posibles, y no pretenden limitar el alcance de la presente descripción.

La Figura 1 es un diagrama de flujo de un sistema para crear parahidrógeno e hidrógeno atómico y, después, mezclar el hidrógeno atómico con un gas.

La Figura 2 muestra los pulsos eléctricos que se aplican a la celda de producción de hidrógeno.

La Figura 3 muestra una microcelda compacta de la celda de producción de hidrógeno.

La Figura 4 muestra electrodos en serie para la separación de oxígeno del hidrógeno en la celda de producción de hidrógeno, así como un conjunto de bobinas para convertir el ortohidrógeno en parahidrógeno.

La Figura 5 muestra electrodos en serie con membranas para evitar mezclar gas hidrógeno y gas oxígeno.

La Figura 6 muestra el sistema de control de frecuencia, que se requiere para mantener una frecuencia adecuada de pulsos eléctricos en la celda de producción de hidrógeno.

La Figura 7 muestra el sistema de control de energía, que contiene una serie de transistores que corresponden a cada microcelda de la celda de producción de hidrógeno para amplificar y conmutar señales electrónicas.

La Figura 8 muestra el reactor magnético usado para convertir el parahidrógeno en hidrógeno atómico.

La Figura 9 muestra niveles variables de producción de hidrógeno por la celda de producción de hidrógeno cuando los pulsos eléctricos se encienden y se apagan en ciclos de acuerdo con una frecuencia de pulso.

La Figura 10 es un gráfico que muestra cómo varía el límite superior de inflamabilidad del gas mezclado de metano-hidrógeno con un porcentaje variable de metano en la composición de gas mezclado.

La Figura 11 es un gráfico que muestra cómo varía el límite inferior de inflamabilidad del gas mezclado metano-hidrógeno con un porcentaje variable de metano en la composición de gas mezclado.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

La siguiente descripción de la tecnología es de naturaleza simplemente ilustrativa de la materia, fabricación y uso de una o más invenciones, y no pretende limitar el alcance, la aplicación o los usos de cualquier invención específica reivindicada en esta solicitud o en otras solicitudes que pudieran presentarse para reivindicar prioridad a esta solicitud, o las patentes otorgadas a partir de esta. Con respecto a los métodos descritos, el orden de las etapas presentadas es de naturaleza ilustrativa y, por lo tanto, el orden de las etapas puede ser diferente en varias realizaciones. “Un” y “una”, como se usa en la presente descripción, indican que “al menos uno/a” del elemento está presente; una pluralidad de tales elementos puede estar presente, cuando sea posible. A menos que se indique expresamente de cualquier otra manera, todas las cantidades numéricas en esta descripción deben entenderse como modificadas por la palabra “aproximadamente” y todos los descriptores geométricos y espaciales deben entenderse como modificados por la palabra “sustancialmente” en la descripción del alcance más amplio de la tecnología. “Aproximadamente”, cuando se aplica a valores numéricos, indica que el cálculo o la medición permite una cierta ligera imprecisión en el valor (con alguna aproximación a la exactitud en el valor; aproximadamente o razonablemente cerca del valor; casi). Si, por alguna razón, la imprecisión proporcionada por “aproximadamente” y/o “sustancialmente” no se entiende de cualquier otra manera en la técnica con este significado ordinario, entonces “aproximadamente” y/o “sustancialmente”, como se usan en la presente descripción, indican al menos variaciones que pueden surgir de los métodos ordinarios para medir o usar tales parámetros.

Todos los documentos, incluidas las patentes, solicitudes de patentes y literatura científica, citados en esta descripción detallada se incorporan en la presente descripción como referencia, a menos que se indique expresamente de cualquier otra manera. En caso de que existiera cualquier conflicto o ambigüedad entre un documento incorporado como referencia y esta descripción detallada, la presente descripción detallada prevalece.

Aunque el término abierto “que comprende”, como sinónimo de términos no restrictivos tales como que incluye, que contiene o que tiene, se usa en la presente descripción para describir y reivindicar realizaciones de la presente tecnología, las realizaciones pueden describirse, alternativamente, usando términos más limitantes tales como “que consiste en” o “que consiste esencialmente en”. Por lo tanto, para cualquier realización dada que menciona materiales, componentes o etapas de proceso, la tecnología presente también incluye específicamente realizaciones que consisten en, o que consisten esencialmente en, tales materiales, componentes o etapas de proceso que excluyen materiales adicionales, componentes o procesos (para consistir en) y que excluyen materiales, componentes o procesos adicionales que afectan las propiedades significativas de la realización (para consistir esencialmente en), aun cuando tales materiales, componentes o procesos adicionales no se mencionen explícitamente en esta solicitud. Por ejemplo, la mención de una composición o proceso que menciona los elementos A, B y C contempla específicamente realizaciones que consisten en, y que consisten esencialmente en, A, B y C, con la exclusión de un elemento D que puede mencionarse en la técnica, aun cuando el elemento D no se describe explícitamente como excluido en la presente descripción.

Como se menciona en la presente descripción, las descripciones de los rangos, a menos que se especifique de cualquier otra manera, incluyen los puntos finales e incluyen todos los valores distintos y los rangos divididos adicionales dentro de todo el rango. Por lo tanto, por ejemplo, un rango de “de A a B” o “de aproximadamente A a aproximadamente B” incluye A y B. La descripción de valores y rangos de valores para parámetros específicos (tales como cantidades, porcentajes en peso, etc.) no excluye otros valores y rangos de valores útiles en la presente descripción. Se prevé que dos o más valores ejemplificados específicos para un parámetro dado pueden definir puntos finales para un rango de valores que pueden reivindicarse para el parámetro. Por ejemplo, si el parámetro X se ejemplifica en la presente descripción para tener un valor A y también se ejemplifica para tener un valor Z, se prevé que el parámetro X puede tener un rango de valores de aproximadamente A a aproximadamente Z. Similarmente, se prevé que la descripción de dos o más rangos de valores para un parámetro (ya sea que tales rangos se aniden, se superpongan o se diferencien) incluya toda combinación posible de rangos para el valor que podría reivindicarse usando los puntos finales de los rangos descritos. Por ejemplo, si el parámetro X se ejemplifica en la presente descripción para tener valores en el rango de 1 - 10, o de 2 - 9, o de 3 - 8 , también se prevé que el parámetro X pueda tener otros rangos de valores que incluyen 1 — 9, 1 — 8 , 1 — 3, 1 — 2, 2 - 10, 2 - 8 , 2 - 3, 3 - 10, 3 - 9, etc.

Cuando al referirse a un elemento o capa se dice que está “sobre”, “acoplado a”, “conectado a” otro elemento o capa, este puede estar sobre, acoplado o conectado directamente al otro elemento o capa o puede haber elementos o capas intermedios. Por el contrario, cuando al referirse a un elemento se dice que está “directamente sobre”, “directamente acoplado a” o “directamente conectado a” otro elemento o capa, puede no haber elementos o capas intermedios presentes. Otras palabras usadas para describir la relación entre elementos deben interpretarse de manera similar (p. ej., “entre” frente a “directamente entre”, “adyacente” frente a “directamente adyacente”, etc.). Como se usa en la presente descripción, el término “y/o” incluye cualquiera y todas las combinaciones de uno o más de los elementos enumerados asociados.

Aunque los términos primero, segundo, tercero, etc. pueden usarse en la presente descripción para describir diversos elementos, componentes, regiones, capas y/o secciones, estos elementos, componentes, regiones, capas y/o secciones no deben estar limitados por estos términos. Estos términos pueden usarse solamente para distinguir un elemento, componente, región, capa o sección de otra región, capa o sección. Los términos tales como “primero”, “segundo” y otros términos numéricos, cuando se usan en la presente descripción, no implican una secuencia u orden a menos que el contexto lo indique claramente. Por lo tanto, un primer elemento, componente, región, capa o sección descritos más adelante podrían denominarse un segundo elemento, componente, región, capa o sección sin apartarse de las enseñanzas de las realizaciones ilustrativas.

Los términos espacialmente relativos, tales como “interior”, “exterior”, “por debajo”, “debajo”, “parte inferior”, “por encima”, “parte superior”, y lo similar, pueden usarse en la presente descripción para facilitar la descripción para describir la relación de un elemento o característica con otro(s) elemento(s) o característica(s) como se ilustra en las figuras. Los términos espacialmente relativos pueden pretender abarcar diferentes orientaciones del dispositivo en uso o funcionamiento además de la orientación representada en las figuras. Por ejemplo, si el dispositivo en las figuras se voltea, los elementos descritos como “por debajo” o “debajo” de otros elementos o características se orientarían entonces “por encima” de los otros elementos o características. Por lo tanto, el término ilustrativo “por debajo” puede abarcar tanto una orientación por encima como por debajo. El dispositivo puede orientarse de cualquier otra manera (rotar 90 grados o en otras orientaciones) y los descriptores espacialmente relativos usados en la presente descripción se interpretarán como corresponde.

Con referencia a la Figura 1, una realización específica de un sistema, sistema 100, para crear parahidrógeno e hidrógeno atómico y, después, para mezclar hidrógeno atómico con gas incluye: control del sistema 40, suministro de agua 61, columna de H2O 62, una o más válvulas 67, celda de producción de hidrógeno 10, columna de O266, columna de H264, trampa de agua 68 , filtro 50, reactor magnético 20, alimentador de gas combustible 71, tanque contenedor de gas 72 y un tanque de mezcla 30.

Como se muestra en la Figura 1, el agua para el funcionamiento de la electrólisis comienza desde el suministro de agua 61 y fluye a una válvula 67. Un experto en la técnica podrá apreciar que una o más válvulas pueden colocarse en todo el sistema para controlar el flujo del fluido. Las válvulas pueden controlarse individualmente o mediante el control del sistema 40. La válvula 67 puede ser una válvula solenoide o cualquier otro tipo de válvula conocida en la técnica. El sistema 100 de la Figura 1 puede incluir pausas en el funcionamiento para permitir que el sistema alcance el equilibrio antes de ingresar a la siguiente etapa. Por ejemplo, el sistema 100 puede retener o acelerar el flujo de fluido según sea necesario para evitar la acumulación en cualquier componente individual. La válvula 67 se cierra normalmente cuando el sistema 100 comienza a hacer funcionar el programa. El control del sistema 40, que incluye un controlador de válvula, un controlador de energía y un controlador de frecuencia, puede detectar un nivel bajo de agua para el sistema en la columna de H2O 62 durante el funcionamiento. El control del sistema 40 debe entenderse como uno o más dispositivos informáticos, que funcionan individualmente o en conjunto, que ejecutan sistemas de software conocidos en la técnica que implementan un sistema de control jerárquico genérico. El sistema de control en tiempo real (RCS, por sus siglas en inglés) puede ser un ejemplo de tal software, pero un experto en la técnica puede apreciar que el software codificado en cualquier lenguaje conocido (p. ej., C++ o Java) puede usarse en el control del sistema 40 para proporcionar control en tiempo real de todos los aspectos del sistema 100. En respuesta a una lectura de bajo nivel de agua en la columna de H²O 62, el control del sistema 40 abre la válvula 67 de tal manera que el agua comienza a fluir hacia la columna de H²O 62 hasta que el nivel de agua alcanza un sensor de nivel alto en la columna de H²O 62. En ese punto, el control del sistema 40 cierra la válvula 67. Después, el control del sistema 40 puede detectar a través de un sensor en la columna de H²64 que hay un nivel bajo de agua. El control del sistema 40 responde de manera similar. Enciende una válvula (distinta de la válvula 67, pero no se muestra en la Figura 1), lo que permite que el agua entre en la columna de H²64.

La columna de H²64 se conecta a la celda de producción de hidrógeno 10 mediante tuberías, por ejemplo, en la parte inferior de la celda de producción de hidrógeno 10. La columna de O²66 se conecta de manera similar a la celda de producción de hidrógeno 10. La tubería que conecta la columna de O²66 a la celda de producción de hidrógeno 10 puede ubicarse en la parte superior de la celda de producción de hidrógeno 10, en oposición a la parte inferior, donde puede conectarse la tubería a la columna de H²64. Las tuberías se extienden desde la celda de producción de hidrógeno 10 hasta la columna de O²66 y pueden conectarse en la parte inferior de la columna de O²66. La descripción de las conexiones de tuberías anteriores es para ciertas realizaciones, pero no debe entenderse como una disposición o configuración exclusiva.

En una realización, el proceso de llenado se detiene cuando un sensor en la columna de H²64 detecta la presencia de un nivel alto de agua. El control del sistema 40 en ese punto detectaría que la columna de H²64 ha alcanzado el nivel de funcionamiento. Después, el control del sistema 40 apaga la válvula 67 de tal manera que se detiene el llenado del tanque de la columna de H²O 62. Después, el control del sistema 40 aplica pulsos de corriente eléctrica a la celda de producción de hidrógeno 10. La aplicación puede automatizarse mediante el control del sistema 40, y puede intensificarse en tres etapas. Por ejemplo, se aplica aproximadamente un tercio de la corriente total necesaria para iniciar el proceso, se aplica la mitad de la corriente operativa a los tres minutos y la corriente total dentro de los seis minutos.

Cuando se aplican pulsos eléctricos durante la electrólisis, la celda de producción de hidrógeno 10 comienza a producir oxígeno e hidrógeno (una mezcla de ortohidrógeno y parahidrógeno). El oxígeno sale de la celda de producción de hidrógeno 10 a través de la corriente de salida 65 y el hidrógeno fluye a través de la corriente de salida 63 en otra dirección hacia la columna de H²64. El hidrógeno puede liberarse de la celda de producción de hidrógeno 10 a una presión de aproximadamente 1 psi hasta aproximadamente 15 psi inclusive. Ciertas realizaciones liberarán hidrógeno desde aproximadamente 2 psi hasta aproximadamente 5 psi inclusive. El hidrógeno puede introducirse en la columna de H264 por debajo del agua, lo que produce burbujas que se elevan hasta la parte superior. El hidrógeno que sale de la celda de producción de hidrógeno 10 es totalmente parahidrógeno. Después, el hidrógeno puede fluir desde la columna de H264 del tanque hacia la trampa de agua 68. La trampa de agua 68 puede ser una torre de separación vertical. En la trampa de agua 68, el hidrógeno entra a través del medio y sale en un punto alto de tal manera que cualquier cantidad traza de agua en el hidrógeno puede eliminarse a medida que cae hacia la parte inferior. Por lo tanto, el agua drena del hidrógeno por gravedad.

Después de salir de la trampa de agua 68 , el hidrógeno entra en un filtro 50, donde se filtra nuevamente para atrapar trazas adicionales de agua. Este proceso de filtración en el filtro 50 ocurre al pasar el hidrógeno a través de un filtro para la extracción secundaria de humedad. El filtro 50 comprende una piedra filtradora con sílice. El filtro 50 comprende además un elemento de purificación de hidrógeno, tal como paladio o cualquier otro agente de eliminación de oxígeno conocido en la técnica, para eliminar cualquier oxígeno. El objetivo del filtro 50 es eliminar todas las tazas que quedan de agua y oxígeno para aislar el parahidrógeno.

Después, el parahidrógeno se convierte en hidrógeno atómico al pasar a través del reactor magnético 20, como se muestra en la Figura 1. El reactor magnético 20 se muestra en mayor detalle en la Figura 8 y se describirá en mayor detalle en una parte posterior de la descripción detallada. Al pasar el parahidrógeno a través del reactor magnético 20, lo que proporciona un campo magnético que tiene una frecuencia de aproximadamente 25,58 kHz, el parahidrógeno se convierte en hidrógeno atómico. Una vez que el parahidrógeno se convierte en hidrógeno atómico, se alimenta en el tanque de mezcla 30, donde se mezcla con gas combustible alimentado desde el tanque contenedor de gas 72 y el alimentador de gas combustible 71. El gas combustible se alimenta en el tanque de mezcla 30 desde el tanque contenedor de gas 72. En ciertas realizaciones, el gas combustible puede ser hidrógeno, oxígeno o un hidrocarburo común, tal como metano, propano, combustible diésel gaseoso o gas natural. El gas combustible se introduce por una tubería a una presión de aproximadamente 2 psi a aproximadamente 10 psi cuando el gas combustible es un hidrocarburo, tal como gas metano, y a una presión de aproximadamente 1,0 psi a aproximadamente 2,0 psi cuando el gas combustible es oxígeno. Cuando el gas combustible es gas metano, en algunas realizaciones, el gas combustible entra en el tanque de mezcla 30 a una presión de aproximadamente 5,0 psi. Cuando el gas combustible es gas oxígeno, en algunas realizaciones, el gas combustible entra en el tanque de mezcla 30 a una presión de aproximadamente 1,0 psi. El control del sistema 40 hace que el gas combustible entre en el tanque de mezcla 30 de acuerdo con un sistema de dosificación, de tal manera que el gas combustible entra a aproximadamente 2 % a 4 % en volumen del parahidrógeno total producido en la celda de producción de hidrógeno 10.

La ruta del oxígeno es como sigue. El oxígeno sale a través del lado de la celda de producción de hidrógeno 10 a través de la corriente de salida 63, como se muestra en la Figura 1. Después de salir de la celda de producción de hidrógeno 10, el oxígeno entra en la columna de O266. El oxígeno puede entrar en el tanque por debajo de un nivel interno de agua en la columna de O266 , lo que produce burbujas que se elevan hasta el nivel superior de la columna. Después, el oxígeno puede enviarse de regreso a la columna de H2O 62. Desde allí, el oxígeno puede liberarse de la porción superior de la columna de H2O 62 al aire ambiental. Alternativamente, el oxígeno puede capturarse para un uso alternativo.

Celda de producción de hidrógeno

La descomposición del agua se logra mediante la configuración de una celda de producción de hidrógeno 10 basada en la electrólisis. Se conoce bien el uso de la electrólisis para escindir hidrógeno del agua, pero la presente tecnología proporciona la ejecución de un proceso de electrólisis en la celda de producción de hidrógeno 10 a niveles excepcionalmente bajos de consumo de energía. Al aplicar pulsos eléctricos a una frecuencia de aproximadamente 4 Hz a aproximadamente 10 Hz (en ciertas realizaciones, aproximadamente 7 Hz), los enlaces moleculares entre los átomos de oxígeno e hidrógeno en las moléculas de agua se debilitan. Una forma de trabajo de un pulso se ilustra en la Figura 2. Como se muestra en la Figura 2, cuando los pulsos eléctricos están “encendidos”, se aplica voltaje durante un período de tiempo y, después, cuando los pulsos eléctricos están “apagados”, el voltaje regresa al punto cero virtual. Sin embargo, la celda de producción de hidrógeno 10 sigue produciendo hidrógeno incluso cuando los pulsos se apagan. En la celda de producción de hidrógeno 10, el agua se aplica en una corriente continua sobre placas de acero inoxidable que son electrodos de la celda de producción de hidrógeno (se muestran como los electrodos 11 y 12 en las Figuras 3-5). Se coloca una densidad de corriente eléctrica sobre los electrodos 11,12 de 0,05 amperios por placa de acero inoxidable. La densidad de corriente eléctrica colocada sobre los electrodos puede variar entre aproximadamente 0,01 hasta aproximadamente 0,08 amperios por centímetro cuadrado inclusive de placa de acero inoxidable.

La celda de producción de hidrógeno 10 comprende dos o más microceldas 15 conectadas entre sí. En ciertas realizaciones, la celda de producción de hidrógeno 10 contiene varias microceldas, cada microcelda comprende dos electrodos y una membrana, una después de la otra. Las microceldas se conectan entre sí al colocarlas una después de la otra, esta conexión se denomina, típicamente, conexión en serie. Las Figuras 4-5 muestran ilustraciones representativas de microceldas conectadas en una conexión en serie. Durante el funcionamiento, cuando los pulsos eléctricos se envían a las microceldas, los electrodos 11 y 12 se polarizan, uno cargado positivamente y el otro cargado negativamente. El hidrógeno, que tiene carga positiva, es atraído al punto de conexión eléctrica negativa y el oxígeno, que tiene carga negativa, es atraído al punto de conexión eléctrica positiva. Esta separación del hidrógeno del oxígeno es el objetivo fundamental de la electrólisis. La separación entre el oxígeno y el hidrógeno se muestra en las Figuras 4-5. La Figura 4 es una representación esquemática de “electrodos” dispuestos en serie, en donde el electrodo derecho alejado está cargado positivamente y el electrodo izquierdo alejado está cargado negativamente. Por lo tanto, cada electrodo entre los polos tiene un lado positivo 18 (es decir, un cátodo) y un lado negativo 19 (es decir, un ánodo). Como se indica mediante las líneas, el oxígeno se atrae hacia los lados positivos, mientras que el hidrógeno se atrae hacia los lados negativos.

En cada salida de hidrógeno de cada microcelda, un conjunto de bobinas convierte cualquier ortohidrógeno en parahidrógeno mediante la aplicación de una frecuencia vibratoria que está muy cerca de la frecuencia natural del espín de protón en parahidrógeno. A saber, la frecuencia es, preferentemente aproximadamente 25,58 kHz. Esta frecuencia particular hace que el espín de protón en todo el hidrógeno saliente gire de manera antiparalela. La frecuencia vibratoria hace que la dirección del espín de protón en el ortohidrógeno se desalinee, o se invierta, de tal manera que en lugar de que ambos protones giren en la misma dirección, los protones giran en la dirección opuesta (ocurre, por lo tanto, la conversión en parahidrógeno).

Se muestra una sola microcelda 15 en la Figura 3. La microcelda 15 contiene dos electrodos 11 y 12 y una membrana de separación 13. Cuando se aplican pulsos eléctricos a la microcelda, el electrodo 12 se carga positivamente, mientras que el electrodo 11 se carga negativamente. En una realización, los electrodos son placas de acero que tienen dimensiones de aproximadamente 120 cm * 200 cm. Las placas de acero (es decir, los electrodos) se disponen en varias microceldas. Tal arreglo permite una producción de hidrógeno de 80.000 m3/mes. Para recolectar gas hidrógeno y gas oxígeno producidos durante la electrólisis, cada microcelda está provista de dos orificios que, al ensamblar la celda, se conectan y coinciden entre sí para formar un conducto para la recolección de hidrógeno.

Cuando las microceldas se disponen en una conexión en serie, los electrodos se separan entre sí mediante dos juntas. Las juntas pueden ser de caucho resistente al calor o un material equivalente y su grosor varía de aproximadamente 0,5 mm hasta aproximadamente 0,9 mm inclusive. En una realización, las juntas son de aproximadamente 0,5 mm de grosor y entre ellas hay una membrana de intercambio de protones 13 que no permite el paso de oxígeno de un lado a otro, lo que bloquea de esta manera la posibilidad de que la mezcla de oxígeno con hidrógeno se cree a través de hidrólisis. Las membranas de intercambio de protones se conocen en la técnica. Puede usarse cualquier membrana semipermeable diseñada para conducir protones y, al mismo tiempo, que sea impermeable a los gases, tales como oxígeno e hidrógeno. La Figura 5 muestra una representación esquemática de electrodos dispuestos en serie tal como en la Figura 4, pero también muestra membranas (p. ej., 13) entre cada par de electrodos. La Figura 5 representa cómo la celda de producción de hidrógeno 10 funciona durante la electrólisis, dado que la celda de producción de hidrógeno 10 comprende múltiples microceldas conectadas en serie entre sí. Si bien no ilustra explícitamente la conexión de las microceldas, la Figura 5 muestra la polarización de los electrodos que sería muy similar a cómo se polarizarían los electrodos en las microceldas conectadas. De manera similar a lo que se muestra en la Figura 4, la Figura 5 ilustra el oxígeno que se atrae hacia la cara cargada positivamente de cada electrodo y el hidrógeno que se atrae hacia la cara cargada negativamente de cada electrodo.

El sistema 100 está equipado con un controlador de energía 40. En ciertas realizaciones, el controlador de energía se caracteriza por la salida simultánea de suministro de energía de entre 5 a 1000 microceldas, al mismo tiempo que requiere una cantidad muy baja de energía. De hecho, el controlador de energía 40 se configura para limitar el consumo total de energía eléctrica del sistema al consumo de una única microcelda.

El consumo de energía se reduce a tal grado significativo debido a un sistema de control de frecuencia. El sistema de control de frecuencia es un sistema electrónico controlado por un microcontrolador, que es responsable de generar los pulsos eléctricos para la celda de producción de hidrógeno 10 en la forma de una secuencia organizada. El circuito de control de energía general tiene x número de salidas, 1 a x, donde x corresponde al número total de microceldas en la celda de producción de hidrógeno 10. Los pulsos eléctricos siempre se aplican en orden ascendente de una microcelda a otra microcelda. Los pulsos son por etapas. En otras palabras, el sistema de control de frecuencia controla los pulsos eléctricos de tal manera que se aplica un pulso a la microcelda 1, después a la microcelda 2, después a la microcelda 3, y así sucesivamente a la microcelda x. Después de aplicar el pulso a la microcelda x, entonces el pulso comienza nuevamente en la microcelda 1. Este proceso por etapas de enviar pulsos eléctricos a una microcelda a la vez se repite indefinidamente.

La velocidad de los pulsos y la duración de los pulsos aplicados a cada microcelda individual son variables. Tanto la velocidad como la duración de los pulsos eléctricos pueden controlarse manualmente mediante un controlador electrónico que se usa para ajustar el potencial eléctrico (es decir, el voltaje). El control manual permite cambiar la frecuencia de los pulsos eléctricos. La frecuencia puede establecerse a 1 pulso cada 10 segundos hasta x pulsos por segundo, nuevamente donde x es igual al número total de microceldas. Esto garantiza que dos celdas nunca reciban pulsos eléctricos al mismo tiempo. El resultado es que el consumo de energía de todo el sistema nunca excede el consumo de energía de una sola microcelda.

Por ejemplo, se asume que 10 microceldas están conectadas en serie y cada una consume 1 kW. La energía consumida total sería de 10 kW. Sin embargo, si solo una microcelda está conectada a la corriente eléctrica por vez, entonces el consumo total de energía es de 10 kW. La presente tecnología proporciona (en el contexto de este ejemplo ilustrativo) 10 conmutadores, un conmutador para cada microcelda. Esto permite que la corriente eléctrica se encienda y se apague a voluntad del controlador. Por lo tanto, el controlador puede encender un pulso eléctrico en la primera microcelda durante 1 segundo y, después, apagar el pulso eléctrico. Después, el controlador puede hacer lo mismo con la segunda microcelda y, después, lo mismo con la tercera, y así sucesivamente, hasta que la corriente eléctrica haya pulsado en cada una de las 10 microceldas en la serie. Después de avanzar a través de la serie, los pulsos eléctricos comienzan de nuevo con la primera microcelda. Durante este proceso, puede medirse el consumo de las 10 microceldas. El consumo total en cualquier momento dado será de 1 kW porque solo hay corriente eléctrica que pulsa a través de una microcelda por vez. El controlador de energía 45 es un circuito que somete a ciclos los pulsos eléctricos a una velocidad muy alta. Para cada microcelda, cuando la electricidad está “apagada”, la producción de la microcelda se reduce solo en 4 %, como se muestra en la Figura 9.

Para lograr la frecuencia requerida para garantizar que dos celdas nunca reciban pulsos eléctricos al mismo tiempo, deberá considerarse el número total de microceldas. Para lograr la frecuencia requerida, de acuerdo con la cantidad de celdas que componen la planta entera, la frecuencia variará de 60 Hz a cero (0 Hz). En algunas realizaciones, la energía eléctrica usada para generar los pulsos eléctricos se genera a través de la unidad de alimentación del sistema de electrólisis 43, que incluye un banco de rectificadores (diodos) de silicio configurados para la rectificación de onda completa o de onda media de un suministro de voltaje de corriente alterna de entrada. Pueden usarse uno o más condensadores para suavizar la ondulación de voltaje de la energía de corriente continua resultante hasta un punto no detectable para los transistores de energía, como se muestra en los condensadores C1, C2 y C3 en la Figura 6. Los pulsos eléctricos saltarán de celda en celda sin activar dos celdas al mismo tiempo.

Con referencia a la Figura 7, también se logra mantener un bajo consumo de energía a través de la implementación de transistores de alta energía 42. Los transistores de alta energía 42 son capaces de soportar la corriente pico y cortar la corriente en cada microcelda. La presente tecnología proporciona la siguiente construcción: TRANSISTORES, TRIAC, SCR, IRF, FET, MOSFET, GTO, y RTC, SITIO, LASCR. La función del transistor de energía 42 es conducir la corriente eléctrica solamente cuando recibe una señal y cortar la energía cuando la señal desaparece. Con referencia a la Figura 7, los transistores de energía 42 son responsables de conmutar el pulso eléctrico de una microcelda 15 a la siguiente. Hay un transistor de energía 42 para cada microcelda 15. En otras palabras, si hay celdas x, debe haber transistores x. El sistema de control de energía 40 se comunica con los transistores al enviar una señal cuando el pulso debe conmutarse a la celda siguiente.

Con referencia a la Figura 9, el gráfico muestra que el voltaje puede encenderse y apagarse. Sin embargo, debido al único sistema de control de energía de la presente invención, la producción de hidrógeno no se detiene cuando se apaga el voltaje. En otras palabras, cuando hay un lapso en el pulso eléctrico de microcelda a microcelda, la producción de hidrógeno continúa, aunque a una velocidad de producción reducida. Sin embargo, la caída en la producción desde cuando se aplica un pulso eléctrico en una microcelda hasta cuando no se aplica un pulso eléctrico es más bien mínima, solo 4 %. Si bien la producción se reduce en un 4 %, el consumo de energía se reduce en un 100 %. Intuitivamente, cuando el voltaje está apagado (es decir, no se aplica a ninguna microcelda), el consumo de energía es cero. Sin embargo, la presente invención prevé que la producción de hidrógeno se mantenga durante este período de consumo de energía cero. Se aplican pulsos eléctricos a cada microcelda a una frecuencia de aproximadamente 7 Hz. La frecuencia genera en el agua dentro de las microceldas una vibración interna llamada resonancia. Cuando el agua está en resonancia y la corriente eléctrica se corta, el agua dentro de las microceldas aún vibra a una frecuencia de aproximadamente 7 Hz. La resonancia y la vibración continua mantienen la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno, incluso cuando la energía se apaga en esa microcelda particular.

Reactor magnético

Con referencia a la Figura 8 , el reactor magnético 20 comprende un tubo 25, que está construido de un material no magnético. En un extremo del tubo 25, en un segundo extremo del tubo 25 y en el centro del tubo 25, hay tres imanes permanentes 22a, 22b y 22c. Todos los imanes se orientan en la misma dirección uno con respecto al otro. En otras palabras, si el polo positivo del imán 22a está en el lado izquierdo el polo negativo del imán 22a está en el lado derecho, entonces el polo positivo de los imanes 22b y 22c está en el lado izquierdo de cada imán, respectivamente, y el polo negativo de los imanes 22b y 22c está en el lado derecho de cada imán, respectivamente. Los imanes son imanes radiales, cada uno contiene un orificio central. Todos los imanes 22a-c son uniformes en tamaño y forma. El diámetro del orificio central es aproximadamente igual a % del diámetro total de un imán. En una realización, los orificios centrales de los imanes tienen diámetros de aproximadamente % de pulg.

Dos bobinas de alambre 21 y 23 se envuelven alrededor de la parte exterior del tubo 25. En una realización, ambas bobinas se construyen en alambre para embobinar de calibre 25, con un bobinado progresivo para evitar un montaje de rosca en la parte superior de las bobinas, es decir, el alambre nunca se superpone a sí mismo. En una realización, el grosor del alambre es aproximadamente 3 pulgadas. Las bobinas de alambre 21 y 23 se conectan ambas al oscilador 27, lo que produce una frecuencia de aproximadamente 13.000 Hz hasta aproximadamente 37.000 Hz inclusive. En una realización, la frecuencia suministrada por el oscilador es aproximadamente 25.000 Hz.

El reactor magnético 20 convierte el parahidrógeno en hidrógeno atómico. La conversión se logra por medio de los imanes permanentes 22a-c y las bobinas 21 y 23, que en combinación crean un campo magnético al menos alrededor de la porción del reactor magnético 20 para crear hidrógeno atómico. La fuerza que une los átomos de parahidrógeno se alinea magnéticamente, de tal manera que cuando pasa a través del reactor magnético 20 , la alineación se desalinea. La desalineación es causada por la fuerza producida por la frecuencia vibratoria creada en las bobinas 21 y 23 por el oscilador 27.

Sistema ilustrativo

Especificaciones técnicas de la producción de hidrógeno

Especificaciones eléctricas

Voltaje nominal: 220 VCA, fase

Sistema de control: 110 VCA, 1 fase

Frecuencia nominal: 60 Hz

Capacidad de transformador: 300 KVA

Capacidad rectificadora: 300 KVA

Tolerancias para el voltaje y la frecuencia de la fuente de alimentación general del sistema.

Frecuencia: /- 5 %

Voltaje: /- 5 %

Condiciones de suministro de agua

Tipo: Desmineralizada

Calidad del suministro de agua

Contenido de la preparación química

Las sustancias químicas se aplican al sistema solo una vez, cuando se cargan con agua por primera vez. Estas sustancias químicas tienen dos funciones: (1) evitar la corrosión interna y (2) mejorar la conductividad eléctrica del agua. Las sustancias químicas siempre permanecen dentro de las microceldas y no se descomponen durante el tiempo de funcionamiento del sistema 100. Puede usarse un amplificador de conductividad que incluya la adición de iones libres en forma líquida para mejorar la conductividad en un rango de aproximadamente 25 % a aproximadamente 40 %, dependiendo de la temperatura de trabajo. El amplificador de conductividad puede añadirse cuando el pH no cambia sustancialmente o solo cambia en 10 % o menos, 5 % o menos, 1 % o menos, 0,1 % o menos, o 0,01 % o menos. Por ejemplo, pueden añadirse al agua hidróxido de potasio (KOH) a aproximadamente un 30 % en volumen y óxido de vanadio a aproximadamente un 10 % en volumen.

En esta realización, la unidad de alimentación del sistema de electrólisis 43 puede incluir un rectificador de estado sólido con un voltaje de suministro de 220 VCA trifásica /- 5 %, 60 Hz.

La unidad de alimentación puede tener una salida de CC de 170 V/1300 ACC. Esta realización de la unidad de alimentación del sistema de electrólisis 43 puede incluir un sistema de rectificación de tiristores. El funcionamiento puede ser en modo total o parcialmente automático o manual. La entrada de usuario para controlar la unidad de alimentación del sistema de electrólisis 43 puede realizarse a través de interruptores, botones, relés, bus de datos, microprocesadores, cables y otros conectores electrónicos según sea necesario.

Análisis de las propiedades del gas mezclado: Hidrógeno atómico y metano

Las mezclas de materiales combustibles dispersos se quemarán solo si la concentración de combustible se encuentra dentro de los límites inferior y superior bien definidos y determinados experimentalmente. Los límites inferior y superior se denominan límites de inflamabilidad o límites de explosividad. Se analizaron los límites de inflamabilidad del gas mezclado. El límite inferior de inflamabilidad es la concentración más baja de gas o vapor en el aire capaz de producir un destello de fuego en presencia de una fuente de ignición. Por el contrario, el límite superior de inflamabilidad es la concentración más alta de gas o vapor en el aire capaz de producir un destello de fuego en presencia de una fuente de ignición. Para este análisis, se observó la proporción de las variaciones en la combustión de hidrógeno con la composición variable de la mezcla de gases. En esta realización ilustrativa, el sistema usó metano como el gas de mezcla.

El cálculo de los límites de inflamabilidad de la mezcla de gases se realiza basado en los valores de cada componente mediante la aplicación de la regla de Le Chatelier:

Donde:

LM = límite de inflamabilidad de la mezcla

XJ = fracción volumétrica (porcentaje) de cada componente

LJ = límite superior o inferior de inflamabilidad del componente XJ

Como se mencionó, el análisis de esta realización ilustrativa midió los límites superior e inferior de inflamabilidad de una mezcla con las composiciones variables de hidrógeno y metano. Los resultados fueron los siguientes:

Donde:

LS = límite superior de inflamabilidad del gas mezclado

LI = límite inferior de inflamabilidad del gas mezclado

La Figura 11 muestra que el límite superior de inflamabilidad del gas mezclado disminuye a medida que aumenta la fracción volumétrica de metano. La Figura 12 muestra que el límite inferior de inflamabilidad del gas mezclado aumenta a medida que aumenta la fracción volumétrica de metano. En ciertas realizaciones, un gas tiene una composición de 2 % de metano y 98 % de hidrógeno. Como puede verse en la tabla y las figuras, el límite inferior de inflamabilidad del hidrógeno puro no es significativamente diferente del límite inferior de inflamabilidad de una mezcla de metano al 2 %-hidrógeno al 98 %, solo aumenta a 4,01 de 4,0. Esta condición proporciona una ignición fácil bajo condiciones de oxígeno bajo, lo que es una gran ventaja en el contexto del combustible de automoción.

LISTA DE PIEZAS

10 = Celda de producción de hidrógeno

11 = Electrodo

12 = Electrodo

13 = Membrana

15 = Microcelda

18 = Lado positivo del electrodo

19 = Lado negativo del electrodo

20 = Reactor magnético

21 = Bobina de alambre

22a-c = Imanes

23 = Bobina de alambre

25 = Tubo

27 = Oscilador

30 = Tanque de mezcla

40 = Control del sistema

42 = Transistores de energía

43 = Unidad de alimentación del sistema de electrólisis

45 = Controlador de energía

50 = Filtro

61 = Suministro de agua

62 = Columna de H2O

63 = Corriente de salida

64 = Columna de H2

65 = Corriente de salida

66 = Columna de O2

67 = Válvula

68 = Trampa de agua

71 = Alimentador de gas combustible

72 = Tanque contenedor de gas

100 = Sistema

Se proporcionan realizaciones ilustrativas para que esta descripción sea completa y transmita completamente el alcance a los expertos en la técnica. Se exponen numerosos detalles específicos, tales como ejemplos de componentes, dispositivos y métodos específicos, para proporcionar una comprensión completa de las realizaciones de la presente descripción. Resultará evidente para los expertos en la técnica que no es necesario emplear detalles específicos, que las realizaciones ilustrativas pueden realizarse de muchas formas diferentes, y que ninguna debe interpretarse como limitante del alcance de la descripción. En algunas realizaciones ilustrativas, los procesos bien conocidos, las estructuras de dispositivos bien conocidas y las tecnologías bien conocidas no se describen en detalle. Los cambios, las modificaciones y las variaciones equivalentes de algunas realizaciones, materiales, composiciones y métodos pueden realizarse dentro del alcance de la presente tecnología, con resultados sustancialmente similares.

Claims

REIVINDICACIONES

Un sistema para convertir ortohidrógeno en parahidrógeno, convertir parahidrógeno en hidrógeno atómico, y para mezclar hidrógeno atómico convertido con un gas combustible, que comprende:

un suministro de agua;

una celda de producción de hidrógeno acoplada fluidamente al suministro de agua, en donde la celda de producción de hidrógeno se configura para escindir el agua del suministro de agua en átomos de hidrógeno y oxígeno por medio de electrólisis y para convertir el ortohidrógeno en parahidrógeno;

una trampa de agua y un filtro acoplado fluidamente a la celda de producción de hidrógeno, en donde la trampa de agua y el filtro separan trazas de agua del hidrógeno producido en la celda de producción de hidrógeno;

un reactor magnético acoplado fluidamente a la trampa de agua y el filtro, en donde el reactor magnético se configura para producir un campo magnético que tiene una frecuencia de aproximadamente 13 kHz hasta aproximadamente 37 kHz inclusive para convertir el parahidrógeno de la trampa de agua y el filtro en hidrógeno atómico; y un tanque de mezcla acoplado fluidamente al reactor magnético, en donde el tanque de mezcla se configura para mezclar el hidrógeno atómico con un gas combustible.

El sistema de la reivindicación 1, en donde la celda de producción de hidrógeno comprende dos o más microceldas conectadas entre sí en serie, y en donde cada microcelda comprende una pluralidad de electrodos, una salida de hidrógeno, y una salida de oxígeno.

El sistema de la reivindicación 2, que además comprende un controlador de energía para enviar pulsos eléctricos a cada microcelda durante la electrólisis para hacer que al menos un electrodo se cargue positivamente y al menos un electrodo se cargue negativamente.

El sistema de la reivindicación 3, que comprende además una pluralidad de transistores de energía para regular los pulsos eléctricos enviados a cada microcelda, en donde un transistor de energía se asigna a cada microcelda, y

en donde cada uno de los transistores de energía está conectado operativamente al controlador de energía para permitir que el controlador de energía regule los pulsos eléctricos mediante el control de los transistores de energía para permitir o evitar que se envíen pulsos eléctricos a las microceldas.

5. El sistema de la reivindicación 2, que además comprende una pluralidad de conjuntos de bobinas, en donde un conjunto de bobinas se ubica en la salida de hidrógeno de cada microcelda, y

en donde cada uno de la pluralidad de conjuntos de bobinas se adaptan para aplicar una frecuencia vibratoria al hidrógeno que sale a través de la salida de hidrógeno de cada microcelda durante la electrólisis.

6. El sistema de la reivindicación 5, en donde la pluralidad de conjuntos de bobinas se adaptan para aplicar una frecuencia vibratoria que es aproximadamente igual a una frecuencia natural de parahidrógeno.

7. El sistema de la reivindicación 1, en donde el reactor magnético comprende un tubo, tres imanes permanentes dispuestos dentro del tubo, y dos bobinas de alambre envueltas alrededor de la parte externa del tubo que se conectan a un oscilador.

8. El sistema de la reivindicación 7, en donde el tubo es cilíndrico y se construye de un material no magnético, y en donde los tres imanes permanentes se orientan en la misma dirección.

9. El sistema de la reivindicación 8 , en donde los tres imanes permanentes son todos imanes radiales de tamaño y forma uniformes, teniendo cada uno un orificio central de aproximadamente % del diámetro total del tubo.

10. El sistema de la reivindicación 7, en donde el oscilador produce la frecuencia de aproximadamente 13 kHz hasta aproximadamente 37 kHz inclusive.

11. El sistema de la reivindicación 1, en donde el gas combustible es gas oxígeno o gas metano.

12. El sistema de la reivindicación 1, en donde:

la celda de producción de hidrógeno se configura para proporcionar una frecuencia vibratoria que convierte el ortohidrógeno en parahidrógeno; y

el reactor magnético se configura para proporcionar una frecuencia vibratoria que convierte el parahidrógeno en hidrógeno atómico.

13. Un método para generar gas parahidrógeno, que comprende:

suministrar agua a una celda de producción de hidrógeno;

escindir el agua en gas hidrógeno y gas oxígeno en la celda usando electrólisis; convertir el gas hidrógeno en gas parahidrógeno al aplicar una vibración al gas hidrógeno;

hacer pasar el gas parahidrógeno a través de una trampa de agua y filtro para eliminar la humedad del gas parahidrógeno;

convertir el gas parahidrógeno en hidrógeno atómico al hacer pasar el gas parahidrógeno a través de un reactor magnético que produce un campo magnético que actúa para dividir el gas parahidrógeno en hidrógeno atómico.

14. El método de la reivindicación 13, que comprende además:

hacer pasar el hidrógeno atómico hacia un tanque de mezcla; y mezclar el hidrógeno atómico con un gas combustible.

15. El método de la reivindicación 13, en donde el gas combustible se selecciona del grupo que consiste en gas propano, gas metano, gas oxígeno, combustible diésel gaseoso, o gas natural.

16. El método de la reivindicación 13, en donde la celda de producción de hidrógeno comprende una pluralidad de microceldas,

en donde cada microcelda comprende un electrodo conectado a un suministro de energía, y

en donde escindir el agua en hidrógeno comprende además someter a ciclos la energía suministrada al electrodo de cada microcelda para crear pulsos a una frecuencia entre 0,1 Hz y x Hz, donde x es el número total de microceldas en la celda de producción de hidrógeno.

17. El método de la reivindicación 16, en donde hay al menos siete microceldas, y en donde la frecuencia es 7 Hz.

18. El método de la reivindicación 13, en donde el campo magnético del reactor magnético resuena a una frecuencia entre aproximadamente 13 kHz y aproximadamente 37 kHz.

19. El método de la reivindicación 16, en donde la vibración se aplica al gas hidrógeno mediante una bobina dispuesta en una salida del sistema de producción de hidrógeno, y

en donde la vibración tiene una frecuencia de aproximadamente una frecuencia natural del parahidrógeno.

20. El método de la reivindicación 16, que comprende además una pluralidad de transistores, cada uno de los cuales se conecta a uno de los electrodos, y

en donde un sistema de control se conecta operativamente a la pluralidad de transistores y se configura para activar y desactivar el transistor para controlar la energía suministrada a los electrodos.