PL240051B1 - Elektrolizer do produkcji mieszanki wodorotlenowej - Google Patents

Description

PL 240 051 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest elektrolizer do produkcji mieszanki wodorotlenowej, do różnego zastosowania, w szczególności do zastosowania w pojazdach spalinowych do optymalizacji wykorzystania paliwa.

Od momentu zaobserwowania procesu elektrolizy wody w postaci rozkładu na wodór i tlen wprowadzano kolejne rozwiązania, które miały za zadanie poprawę wydajności procesu oraz dostosowanie konstrukcji do miejsca i warunków pracy. Dotychczasowe rozwiązania elektrolizera opiera się na dwóch koncepcjach to jest „sucha cela” lub „mokra cela”.

Elektrolizer typu „sucha cela” posiada elektrody oddzielone uszczelkami, które ograniczają straty prądu na zewnętrznych krawędziach elektrod. Elektrody są wykonane z dolnym otworem uzupełniającym poziom elektrolitu oraz górnym otworem do odprowadzania elektrolitu wraz z gazem. Rozwiązanie takie skutkuje stratami prądu na krawędziach otworów zanużonych w elektrolicie, przy czym im więcej otworów tym większe straty oraz mniejsza produkcja gazu. Dodatkowo, do pracy z reaktorem konieczny jest zewnętrzny zbiornik uzupełniający poziom elektrolitu.

Elektrolizer typu „mokra cela” to jedno naczynie z elektrolitem, w którym zanużone są elektrody. Rozwiązanie nie wymaga zewnętrznego zbiornika do uzupełniania poziomu elektrolitu, ale elektrody posiadają największą powierzchnię strat prądu na całym obwodzie elektrod. Jeżeli elektrody posiadają dodatkowe otwory, wówczas wygenerowane są dodatkowe straty prądu na każdej, dodatkowej krawędzi otworu.

Rozwiązanie typu „mokra cela” jest najbardziej kompaktowym elektrolizerem, lecz posiada bardzo małą wydajność ze względu na ogromną powierzchnie strat prądu.

Aby elektrolizer był w stanie pracować z optymalnym napięciem stałym do produkcji wodoru i tlenu z wody konieczne jest zastosowanie najbardziej optymalnych napięć do tego procesu w okolicy 2V między sąsiednimi elektrodami. Taka sytuacja wymaga zastosowania zasilania całego urządzenia napięciem stałym 2V. Ze względów praktycznych stosuje się do zasilania elektrolizerów napięcie 12V, 12-14,5V, 24V, 24-27V, 48V itd.

W celu uzyskania między elektrodami pożądanego napięcia stałego ok 2V między elektrodami zasilającymi stosuje się elektrody neutralne w takiej ilości aby napięcie zasilania np.12V podzielić na pożądane napięcie 2V między poszczególnymi elektrodami.

Przepływ prądu między elektrodami powinien zmierzać do uzyskania równomiernego rozkładu ładunków elektrycznych na powierzchni elektrod zasilających oraz neutralnych. Niestety, prąd ma tendencje do przejścia po możliwie najkrótszej drodze przez elektrolit oraz powierzchnie elektrod. W przypadku elektrolizerów, newralgicznym punktem elektrody neutralnej są wszystkie krawędzie zanurzone w elektrolicie. Prąd między elektrodami zasilającymi płynie poprzez elektrolit, który stawia najmniejszy opór. Ze względu na skład materiału elektrod prąd nie płynie przez cała powierzchnię elektrody neutralnej ze względu na dużą rezystancję materiału, lecz po krawędzi elektrody zanurzonej w przewodzącym elektrolicie. Największym problemem elektrolizerów do produkcji gazu są nierównomierne rozkłady prądów na elektrodach, co skutkuje niską wydajnością, ponieważ gaz jest produkowany lokalnie w miejscach przejścia prądu, a nie równomiernie na całej powierzchni.

Lokalne przejścia prądu powodują utratę właściwości elektrod, mniejszą wydajność oraz miejscowe przegrzewanie elektrolitu.

Najbardziej skutecznym sposobem na uniknięcie przejścia prądu po krawędziach elektrod neutralnych, które są zanurzone w elektrolicie, jest umiejscowienie otworów powyżej poziomu elektrolitu.

Optymalne przejście prądu z otworami powyżej poziomu elektrolitu wymusza rozwiązania konstrukcyjne, które zapewnią maksymalny poziom elektrolitu poniżej otworów.

Kolejnym problemem konstrukcyjnym jest sposób uzupełniania elektrolitu w komorach między kolejnymi elektrodami. Najbardziej optymalnym rozwiązaniem jest ustawienie całej konstrukcji elektrolizera w pozycję CARO, w której jeden z dwóch otworów pełni funkcję uzupełniania i wyrównywania poziomu elektrolitu w komorach między elektrodami, a drugi otwór pełni funkcje odpowietrzającą wyrównując ciśnienie i gwarantując ten sam poziom we wszystkich komorach.

W pozycji CARO konieczne jest określenie maksymalnego poziomu elektrolitu, który jest równoznaczny z poziomem elektrolitu poniżej otworów w elektrodach w „pozycji pracy”.

Takie rozwiązanie uzupełniania elektrolitu ma szereg zalet, między innymi elektrolit zawsze poniżej otworów w elektrodach, maksymalny możliwy równomierny rozkład prądu na elektrodach, zmniej

PL 240 051 B1 szający się podczas pracy poziom elektrolitu nie ma wpływu na wahania prądu, zmniejszająca się powierzchnia czynna elektrod jest rekompensowana poprzez proporcjonalny wzrost stężenia oraz temperatury elektrolitu, otwór w połowie wysokości reaktora (pozycja CARO) zapobiega mieszaniu elektrolitu z wodą poniżej otworu wyrównującego, po przejściu z pozycji CARO do „pozycji pracy” poziom elektrolitu jest zdecydowanie mniej wrażliwy na przechyły konstrukcji, gaz w „pozycji pracy’’ bez przeszkód wydostaje się nad powierzchnie elektrolitu.

Pozycja CARO jest „pozycją do uzupełniania elektrolitu” i nie zaleca się stosowania jej jako „pozycje pracy” ze względu na występowanie lokalnego przejścia prąciu po krawędziach otworów, które w tej pozycji znajdują się w elektrolicie.

Jednym z najbardziej istotnych walorów użytkowych elektrolizera jest nie tylko jego kompaktowa budowa lecz również odpowiednio długi czas pracy między uzupełnianiem elektrolitu. Do tej pory kompaktowe konstrukcje elektrolizerów cechowały się ogromną powierzchnią krawędzi elektrod neutralnych oraz zasilających przez które przedostawał się prąd generując tylko lokalnie produkcje gazu, tak zwana „mokra cela”.

Elektrolizery typu „sucha cela” to konstrukcje o większej sprawności ze względu na mniejszą ilość krawędzi zanurzonych w elektrolicie, po których przenika prąd. Niestety, konstrukcja „suchej celi” jest zdecydowanie mniej kompaktowa od „mokrej celi”.

Powszechnie znane są i stosowane rozwiązania elektrolizerów, w których wykorzystywane jest zjawisko elektrolizy wody do wytwarzania wodoru i tlenu. Urządzenia te w postaci elektrolizera są przedmiotem szeregu patentów i wzorów użytkowych.

Znany jest z opisu amerykańskiego patentu nr US8168047 HHO elektrolizer zamontowany w pojeździe tworzący wodór, który jest mieszany z paliwem zasilającym dla zwiększenia przebiegu paliwa przez pojazd. Ogniwo elektrolityczne zawiera obudowę komórek do utrzymywania wody. Wiele dodatnich płyt elektrodowych jest osadzonych w obudowie komórkowej i dołączone do dodatniego biegun a zamontowane na górnej powierzchni korpusu komórkowego. Biegun dodatni jest przystosowany do podłączenia do źródła energii elektrycznej pojazdu. Wiele ujemnych płyt elektrodowych jest osadzonych w obudowie, a indeksowane w pewnej odległości między każdym z płyt dodatnich elektrod. Płyty elektrody ujemne są dołączone do ujemnego bieguna zamontowany na górnej powierzchni korpusu komórkowego. Biegun ujemny jest również przystosowany do podłączenia do źródła energii elektrycznej pojazdu. Płyty ujemne elektrody są przymocowane do płyty ruchomej trzpienia zamontowanego wewnątrz obudowy komórek. Jeden koniec ruchomy pręt jest dostosowany do mocowania do zespołu podnośnika połączonego systemu paliwowego pojazdu. Jako przyspieszania prędkości od biegu jałowego, rod płytka przesuwa ujemnych płyt w kierunku dodatnich płyt, a więc zwiększenie ilości elektrolizy wody w obudowie komórek, a tym samym zwiększenie ilości wodoru w nim generowanych. Wodór odprowadza się port Wodór w górnej części obudowy komórkowej do układu paliwowego.

Innym znanym rozwiązaniem według amerykańskiego patentu nr US4369737 jest Elektrolizer do wytwarzania wodoru i tlenu, który składa się z plastikowej obudowy i licznych regularnie rozmieszczonych prętów metalowych elektrod umieszczonych zasadniczo równolegle do dolnej części obudowy; wodnego roztworu soli sodowej siarczanu, w którym pręty są zanurzane. Połowa z tych prętów jest dodatnia i dołączona do źródła prądu stałego, a druga połowa z prętów jest ujemna i dołączona do uziemienia; przy czym pręty są rozmieszczone na przemian tak, że każda dodatnia elektroda przylega wyłącznie ujemne pałeczki i każda ujemna elektroda przylega wyłącznie dodatnie pałeczki. Ogniwo to znajduje szczególne zastosowanie jako generator paliwa do silników spalinowych.

Znany jest również z opisu patentu na wynalazek Nr PL164675 segment elektrolizera typu prasy filtracyjnej, zawierający ramę pionową otaczającą komorę elektrolizy w której znajduje się elektroda utworzona przez parę pionowych blach ażurowych, umieszczonych naprzeciw siebie, pomiędzy którym i znajdują się poziome lub skośne pręty metalowe oraz elementy do łączenia prętów z blachami, która charakteryzuje się tym, że elementy łączące stanowią pary pionowych kształtowników metalowych o przekroju poprzecznym w kształcie litery U lub V, umieszczonych symetrycznie z obu stron prętów i połączonych ze sobą za pomocą pionowych płyt, schodzących się z prętami z wytworzeniem pionowych szybików w komorze elektrolizy.

Istota wynalazku polega na tym, że elektrolizer do produkcji mieszanki wodorotlenowej wyposażony w elektrody w formie metalowych płyt oraz ramkę z tworzywa sztucznego na przewodzącego prąd, charakteryzuje się tym, że każda elektroda elektrolizera posiada co najmniej dwa otwory powyżej poziomu elektrolitu w „pozycji pracy” a ramka posiada szerokość co najmniej 3 mm i umieszczona jest

PL 240 051 B1 pomiędzy elektrodami tworząc zamkniętą komorę na elektrolit, ponadto elektrolizer posiada zewnętrzny wskaźnik poziomu elektrolitu.

Elektrolizer według wynalazku jest połączeniem pozytywnych cech „mokrej celi” i „suchej celi” przy eliminacji negatywnych cech obu tych urządzeń. I tak łącząc kompaktowe wymiary „mokrej celi” oraz mniejsze straty prądu „suchej celi” daje rozwiązanie optymalne pożądane.

Takie założenia w połączeniu z rozwiązaniem stabilnego maksymalnego poziomu elektrolitu poniżej krawędzi otworów w elektrodach realizujemy za pomocą szeregu dużych komór między elektrodami, które w efekcie łącznie dają przestrzeń do zmagazynowania elektrolitu porównywalną z oddzielnym zbiornikiem jak w „suchej celi.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia elektrolizer według wynalazku z boku w przekroju, fig. 2a i 2b - elektrolizer w „pozycji do uzupełniania elektrolitu (pozycja CARO), fig. 3a i 3b - elektrolizer w „pozycji pracy”, fig. 4 - ramkę w widoku z boku, fig. 5 - uproszczony widok elektrolizera w widoku z boku w przekroju ukazujący komory, fig. 6 - uproszczony widok elektrolizera w rzucie izometrycznym z boku i z przodu, w „pozycji pracy”, fig. 7 - uproszczony widok elektrolizera w rzucie izometrycznym z boku i z przodu w „pozycji pracy” wraz z usytuowaniem ramki.

Podczas realizacji prototypu przyjęto następujące założenia, które elektrolizer według wynalazku musi spełniać; nalewanie elektrolitu bez otworu wyrównującego poziom elektrolitu oraz nalewanie elektrolitu bez zjawiska zapowietrzania elektrolizera, zachowanie poziomu elektrolitu w elektrolizerze zawsze poniżej krawędzi otworów w elektrodach oraz wyeliminowanie zjawiska powstawania fali elektrolitu podczas poruszania elektrolizerem.

Założenia te zrealizowano konstrukcyjnie poprzez zastosowanie dwóch otworów 3 i 4 w elektrodach 2 powyżej poziomu elektrolitu 6 a do uzupełniania poziomu elektrolitu 6 zastosowano przestawienie reaktora w „pozycję do uzupełniania elektrolitu” (fig. 2a i 2b) czyli pozycję CARO.

W pozycji CARO dolny otwór 3 pełni funkcje uzupełniania poziomu elektrolitu, górny otwór 4 natomiast pełni funkcję odpowietrzającą w celu wyrównania ciśnień i poziomu elektrolitu 6 we wszystkich przestrzeniach między elektrodami 2 (teoria naczyń połączonych).

Po uzupełnieniu poziomu elektrolitu 6 przestawiamy elektrolizer w „pozycje pracy” (fig. 3a i 3b) otwory w elektrodach znajdują się na tych samych wysokościach czyli powyżej poziomu elektrolitu 6. Od tego momentu w „pozycji pracy” elektrolit 6 znajduje się w komorach bez możliwości wyrównywania poziomu i zawsze znajduje się poniżej otworów 3 i 4 w elektrodach 2. Każda komora 8 elektrolizera 1 stanowi odrębny elektrolizer z własnym elektrolitem.

Przy realizacji prototypu przyjęto również założenie: zwiększenia pojemności wewnętrznej elektrolizera tak, aby mógł pracować długi czas (ok. 10 godzin) bez zewnętrznego zbiornika na elektrolit, zapewnienia szybkiego transportu gazu z powierzchni elektrod na zewnętrz elektrolizera, uzyskanie możliwie największego stężenia elektrolitu (do 20%) w celu zwiększenia odporności na zamarzanie, ustabilizowanie wzrostu prądu względem rosnącej temperatury elektrolitu, ustabilizowanie prądu podczas obniżania poziomu elektrolitu w elektrolizerze ze względu na zużywanie wody.

Założenia zrealizowano poprzez zastosowanie dodatkowej komory 8 w postaci ramki 5 z tworzywa sztucznego nie przewodzącego prąd (fig. 4). Ramka 5 nie tylko pełni funkcję izolatora między elektrodami 2, lecz również pełni funkcję zbiornika na elektrolit 6. Po zamontowaniu ramki 5 w przestrzeni między kolejnymi elektrodami 2 i uszczelkami, ramki 5 tworzą zamknięte komory 8 z przestrzeniami na elektrolit 6 (fig. 5).

Zarówno elektrolit 6 jak i gaz może się przemieszczać między komorami 8 tylko poprzez otwory 3 i 4 w elektrodach 2. W pozycji CARO dolne otwory 3 w elektrodach 2 służą do uzupełniania poziomu elektrolitu i w komorach między elektrodami 2, zaś górne otwory 4 służą do wyrównywania ciśnień (odpowietrzania) w komorach 8 między elektrodami 2, aby uzyskać podczas nalewania ten sam poziom elektrolitu 6 we wszystkich komorach 8 (teoria naczyń połączonych).

W „pozycji pracy” otwory 3 i 4 w elektrodach 2 są ponad poziomem elektrolitu 6, co daje efekt przegród między komorami 8. Każda komora 8 w tej pozycji utrzymuje własny poziom elektrolitu 6 bez możliwości przelewu z sąsiednimi komorami 8. Takie rozwiązanie dzieli elektrolizer 1 na szereg mniejszych elektrolizerów bez możliwości przemieszczania elektrolitu 6 (fig. 6).

Zastosowanie ramki 5 o grubości 15 mm stanowi znacznie większy odstęp między elektrodami 2 w porównaniu do obecnych rozwiązań elektrolizerów, gdzie odstęp wynosił 1-2mm. Tak duży odstęp dzięki ramce 5 nie tylko stanowi dużą komorę na elektrolit 6, dzięki której nie ma potrzeby stosowania

Claims (1)

1. PL 240 051 B1 zbiornika zewnętrznego, lecz co bardzo istotne, daje znacznie większą przestrzeń i szybkość odprowadzania gazu od powierzchni elektrod 2 (fig. 7).

   Aby zapobiec zamarzaniu elektrolitu w temperaturach poniżej zera konieczne jest stosowanie elektrolitu o dużym stężeniu, według zasady, że im większe stężenie tym większa odporność na zamarzanie.

   Zwiększenie stężenia powoduje również zwiększenie przewodności elektrolitu a w efekcie wzrost prądu. W konstrukcji gdzie odstęp między elektrodami wynosi 1-2 mm nie jesteśmy w stanie stosować dużych stężeń, ponieważ elektrolizer będzie pracował z bardzo dużym prądem. Zmniejszenie stężenia w kierunku optymalnych prądów użytkowych powoduje rozrzedzenie elektrolitu do postaci, która zamarza już przy lekkim przymrozku. Kolejną wadą niskiego stężenia jest wzrost przewodzenia elektrolitu wraz ze wzrostem temperatury pracy. W takich rozwiązaniach konieczna jest elektronika do stabilizacji prądów, tak aby podczas pracy był zachowany zbliżony pobór prądu.

   Po zastosowaniu ramki 5 o szerokości 15 mm konstrukcja pracuje na stężeniach, które zapobiegają zamarzaniu nawet do -40°C. Stężenie elektrolitu 6 na poziomie 20% powoduje również stabilny pobór prądu podczas rozgrzewania ponieważ elektrolit 8 posiada maksymalne parametry przewodzenia i wzrost temperatury nie ma już takiego wpływu na przewodzenie jak w przypadku przerwy między elektrodami rzędu 1-2 mm. Do pracy elektrolizera 1 z ramką 5 nie ma potrzeby stosowania awaryjnych elektronicznych regulatorów prądu.

   Konstrukcja elektrolizera z przerwami między elektrodami 1-2 mm do swojej pracy i ciągłego uzupełniania poziomu elektrolitu potrzebuje zewnętrzny zbiornik uzupełniający. Podczas pracy poziom elektrolitu w zbiorniku obniża się ponieważ zostaje zużywana woda. Wraz z mniejszym poziomem wody w zbiorniku poziom elektrolitu w reaktorze jest bez zmian. Zmianie ulega stężenie elektrolitu na roztwór o większym stężeniu. Efektem wzrostu stężenia w tym elektrolizerze jest wzrost prądu, który zmniejsza się po dolaniu wody do zbiornika wyrównawczego (stężenie elektrolitu zmniejsza się).

   W konstrukcji bez zbiornika wyrównawczego elektrolizer 1 z ramką o szerokości 15 mm podczas pracy zużywana jest woda, która zwiększa stężenie elektrolitu 6, lecz w tej konstrukcji zużycie wody powoduje również proporcjonalne zmniejszenie powierzchni reakcyjnej elektrod 2 poprzez obniżenie poziomu elektrolitu 6 w reaktorze. W efekcie prąd nie ulega zmianie podczas zużywania wody.

   Pomiar poziomu elektrolitu 6 przez zewnętrzny wskaźnik poziomu 7 jest możliwy w „pozycji pracy” oraz w „pozycji dolewania wody” (pozycja CARO). Ze względu na sposób montażu korka wlewu wody do elektrolizera (45 stopni podczas pracy urządzenia), dolewanie wody jest możliwe tylko w pozycji CARO (fig. 2a i 2b).

   Po przygotowaniu elektrolitu 6 ustawiamy elektrolizer 1 w „pozycje do uzupełniania elektrolitu lub wody” (pozycje CARO). Tylko w tej pozycji możemy wykonać operacje nalewania. Konstrukcja została tak opracowana, aby zmusić użytkownika do przestawienia elektrolizera 1 z „pozycji pracy” do „pozycji uzupełniania elektrolitu” ponieważ tylko w tej pozycji wlew jest usytuowany prostopadle do podstawy umożliwiając nalewanie. W pozycji CARO odkręcamy korek wlewu i wkładamy w otwór lejek i przez lejek, zachowując zasady bezpieczeństwa, w równym tempie wlewamy elektrolit 8 do elektrolizera 1. Elektrolizer 1 uzupełniamy elektrolitem 8 obserwując wskaźnik 7 do momentu osiągnięcia poziomu MAX. Następnie wyciągamy lejek, zakręcamy dokładnie korek do nalewania i przestawiamy elektrolizer 1 z pozycji CARO do „pozycji pracy” (korek wlewu ustawiony pod kątem 45 stopni do podstawy).

   Zastrzeżenie patentowe

   1. Elektrolizer do produkcji mieszanki wodorotlenowej wyposażony w elektrody w formie metalowych płyt oraz ramkę z tworzywa sztucznego nieprzewodzącego prąd, znamienny tym, że każda elektroda (2) posiada co najmniej dwa otwory (3) i (4) powyżej poziomu elektrolitu (6) w „pozycji pracy” a ramka (5) posiada szerokość co najmniej 3 mm i umieszczona jest pomiędzy elektrodami (2) tworząc zamkniętą komorę (8) na elektrolit (6), ponadto elektrolizer (1) posiada zewnętrzny wskaźnik (7) poziomu elektrolitu (6).