CN101479407A - 利用电解方式的燃料气体发生装置及车载用燃料气体发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用电解方式的燃料气体发生装置及车载用燃料气体发生装置。充填有电解液的电解槽内浸渍正电极与负电极，在两电极之间施加脉冲直流电压。在两电极之间设置有多个中间电极。所述电解槽被密闭盖密封住，从设置在密闭盖上的排出口中取出通过电解方式产生的氢与氧的混合气体。根据本发明，可高效率且长时间地产生大量氢与氧的混合气体。

Description

利用电解方式的燃料气体发生装置及车载用燃料气体发生装置

技术领域

本发明涉及一种利用电解方式的燃料气体发生装置及车载用燃料气体发生装置，特别是关于一种以利用电解方式而得到的氢与氧的混合气体作为燃料气体而产生、改进后的燃料气体发生装置。

背景技术

在专利文献1中揭示了，用电分解水而在短时间内大量产生氢与氧的混合气体即褐色气体(ブラウンガス)，并将此应用于熔化炉或者燃烧炉上的技术。并且，市场上也有销售实现了这种技术的褐色气体发生器，例如，B.E.S.T.KOREA CO.，LTD公司制造的褐色气体发生器。(www.browngas.com)

还有，在专利文献2或者专利文献3中揭示了，适用于产生如上所述的褐色气体或者电解发生气体的气体发生装置，这些文献中公开了电解槽、正负电极、以及设置在两电极之间的中间电极的结构。

专利文献1：特许第3130014号

专利文献2：特开2004-137528

专利文献3：特开昭63-303087

发明内容

现有技术所公开的电解气体发生装置无法得到令人满意的效率。其结果，这些装置通常又大又重，而且，这些大型装置只能充当固定型燃料气体发生装置。即，在现有技术中，这些燃料气体发生装置不能作为可移动型或者安装于车内，而不能作为车辆的动力来使用。

为了解决上述问题，本发明提出一种通过电解方式高效率且连续大量地产生氢与氧的混合气体的、具有新结构的装置。

即，本发明是基于，为了高效率地用电分解水、且连续大量地产生气体，必须在正负电极之间施加高电压，从而增加在电解液中流动的电流密度的这一发现而得出。

并且，本发明是基于，为了连续高效率地用电分解水，必须有效地防止、从电解液中通过电解而产生的物质附着在电极周围而降低电解效率的现象的这一发现而得出，并提出了高效率地循环电解液的结构。

进而，本发明的发明人发现：用电分解水而产生的氢与氧的混合气体，在产生之初以气体与液体的混合状态而被取出，此状态下是不能用作良好的燃料气体，由此，本发明的发明人得出高效率地分离气体与液体的方式。

进而，在本发明中还提出一种将所述被分离的液体再次有效地归还到电解槽内，从而，经过长时间并进行较少维护即可以连续运转的装置。

本发明的目的在于提供一种改良的燃料气体发生装置，该装置单独或者组合多个种类的上述几个课题解决方案，通过用电分解水而大量连续地供应氢与氧的混合气体。

权利要求1中所述的本发明提供一种利用电解方式的燃料气体发生装置，其包括：充填有电解液的电解槽；被浸渍在所述电解槽内的电解液中的正电极与负电极；在所述两电极之间，相对于两电极绝缘及彼此相互绝缘设置并且分别分压承受两电极之间的电压的多个中间电极；在所述两电极上施加脉冲直流电压的电源装置；以及密封所述电解槽的同时，具有排出通过电解方式产生的氢与氧的混合气体的排出口的密闭盖。

并且，权利要求2中所述的本发明提供一种利用电解方式的燃料气体发生装置，其包括冷却装置，所述冷却装置包括连接于电解槽的上下两部分的冷却片，使电解槽内的电解液自然循环。

权利要求3中所述的本发明提供一种利用电解方式的燃料气体发生装置，其包括：用于从电解槽中产生的氢与氧的混合气体中分离出液体部分的、至少分两段串联的气液分离装置。

如上所述，在本发明中，可以极高效率地电分解水，并连续地得到大量的氢与氧的混合气体，并且，可实现装置的小型轻量化。

并且，由于装置的小型化，本发明涉及的燃料气体发生装置可以作为车载用装置而被使用，并且可以作为车辆的动力源使用。

附图说明

图1是表示本发明相关的燃料气体发生装置第一实施方式的简略结构示意图。

图2是表示图1中的燃料气体发生装置的重要部位的剖视图。

图3是表示图2中的中间电极14的支撑结构的重要部位的立体图。

图4类似于图3，其表示图2中的中间电极14的支撑结构的重要部位的立体图。

图5是表示第一实施方式相关的电解槽与冷却装置之间关系的平面图。

图6是详细表示第一实施方式相关的第一气液分离装置的平面图。

图7是表示第一实施方式相关的，被设置在电解槽外部的多段气液分离装置的简略说明图。

图8是表示第一实施方式相关的第二气液分离装置的重要部位的剖视图。

图9是表示图8中的气液分离室的内部的平面图。

图10是表示在第一实施方式中第二气液分离装置的上部设置的防爆装置的重要部位的剖视图。

图11是表示第一实施方式中第三气液分离装置的简略说明图。

图12是表示第一实施方式中第四气液分离装置的除湿管的平面图。

图13是表示第一实施方式中第四气液分离装置的其他除湿管的平面图。

图14是表示第一实施方式中第五气液分离装置的简略结构的说明图。

图15是表示第一实施方式中第六气液分离装置的简略剖视图。

图16是表示本发明相关的适用于车载用燃料气体发生装置的实施方式的简略结构示意图。

图17是表示图16的第二实施方式的电解槽的重要部位的立体图。

图18是表示图17中的电解槽的内部结构的分解立体图。

具体实施方式

图1是表示本发明相关的燃料气体发生装置第一实施方式的简略结构示意图。

电解槽10内充填有氢氧化钠或者氢氧化钾等电解液11，该电解液11内浸渍有正、负电极。在本实施方式中，正电极12为被固定在电解槽10的大致中央位置上的金属制电极棒，一侧负电极13由电解槽10自身兼用。

本发明的电极结构为，所述正电极12与负电极13之间设置有多个中间电极14，这些多个中间电极14相对所述两电极12、13被绝缘，并且，中间电极14自身也相互绝缘而被设置，其结果，施加于正电极12与负电极13之间的直流电压通过各中间电极14分别被分压。

为了在所述两电极12、13之间施加用于电解的电压，在两电极之间连接电源装置15。

在本发明中，该电源装置15将在两电极12、13上施加脉冲直流电压。本发明的电源装置15通过在两电极12、13上并非施加简单连续的直流电压，而是施加脉冲状的脉冲直流电压，从而增加所供给的电压，并且，还可以加大电解液11中的电流密度。

并且，通过组合所述正电极12、负电极13、以及中间电极14的电极设置与该施加脉冲直流电压的电源装置15，从而电解液11可以高效率地进行电解。

众所周知，在水的电解中，从电解液产生的生成物质附着在电极上，从而发生电解急速衰减的现象。

为此，在现有技术中，为了强制循环电解液11，通过另外附加设置泵等方式进行改良，但是，在这种强制循环方式中，因为循环而损失能量，其整体效率明显下降。

为了解决这种问题，在本实施方式中，在所述电解槽内设置自然循环型冷却装置。

如图1所示，符号16表示冷却装置，其包括连接在电解槽10上下两端的冷却片17，使电解槽10内的电解液11在冷却片17内自然循环，从而在电解槽10的外部进行冷却，并通过将此再次导入电解槽10内，从而将液温保持在最佳状态下的同时，可以彻底防止因电解物质附着在电极12或13周围上而降低电解功能的现象。

显然，在本发明中，可以不进行通过如上所述的冷却装置17而进行的自然循环，也可以使用其他的强制循环方式。

脉冲直流电压施加在电极12、13之间，则本发明相关的燃料气体发生装置会立即产生氢与氧的混合气体。为了防止该混合气体流失在大气中，在电解槽10上以密闭状态固定设置有密闭盖18，从而密封电解槽。该密闭盖18上设置有排出口19，通过电解产生的混合气体通过该排出口19导出到外部。

在本发明中，极其迅速地产生混合气体，通过电解的混合气体的产生是在自开通电源1分钟以内开始，并继续产生该气体，可以连续产生大量的混合气体。由于急速产生气体，因此，混合气体与电解液以泡沫状混合的状态下通过排出口19导出于外部。因此，在这种气液混合状态下不能作为燃料气体使用，因此，在本发明中，为了从混合气体中分离液体部分，串联连接至少两段气液分离装置20、21。通过各气液分离装置20、21被分离了的液体经过返回通路22返回到电解槽10内。

从而，通过本发明，该装置即使连续运转也几乎不减少电解质，只要补充分解成混合气体的水分，就可以连续产生混合气体。

图2表示图1所示的本发明适用的第一实施方式进一步具体化的燃料气体发生装置的重要部位。

在该实施方式中，电解槽10由纵长的有底筒状金属体构成，其兼用作负电极13。在本实施方式中，电解槽10内充填有氢氧化钠等电解液11，正电极12被浸渍在该电解液11内的状态下固定在电解槽10内。正电极12由金属圆筒构成，其上端通过凸缘23与电极端子24一体结合。

为了将所述正电极12固定设置在电解槽10内，在电解槽10上的正电极12的上下分别设置上侧固定板25以及下侧固定板26。

图3、图4详细表示图2所示的正电极12的上侧固定板25以及下侧固定板26，并且，为了使各电极设置成绝缘状态，这些固定板25、26由塑料、特氟纶(注册商标)、陶瓷等绝缘材料制成。

上侧固定板25的中央设置有贯通正电极12的电极端子24的贯通孔27，而在上侧固定板25的底面设置有可容纳结合所述正电极12与电极端子24的凸缘23的圆柱槽28，正电极12与上侧固定板25被牢固地结合为一体。在上侧固定板25上，沿着半径方向等间距地设置有六个长孔29，通过电解产生的氢与氧的混合气体与电解液被混合，并经过该长孔29以泡沫状排出到电解槽10的上部。

另一方面，下侧固定板26也由电绝缘材料构成，其通过设置在上面的环状电极支撑槽30被支撑在正电极12的下端。

并且，下侧固定板26的中央设置有透孔31，进而，贯通下侧固定板26且沿着径向放射状设置有多个小贯通孔32，由此，电解槽10内的电解液11可以通过下侧固定板26移动。

如图4所示，在下侧固定板26的里面沿着径向放射状设置有六个槽33，由此，可以轻易移动电解液11的同时，还可以使通过电解产生的异物或者混进去的灰尘停留在该槽33内。

如上所述的下侧固定板26被放置在电解槽10内部的、设置在其底部上的圆盘状屉板34之上，在此状态下，所述槽33的一部分向下侧固定板26的侧面延伸，并形成具有开口部35的、通向后述冷却装置的通路。

在本实施方式中，负电极13为电解槽10本身，其与所述正电极12之间施加脉冲直流电压。

此时，所施加的电压值可在6～200V之间任选，此时在电解液11中通过的电流可达到10～400A(ampere)。

并且，本发明的施加电压的脉冲频率设定为10Hz～40kHz。

从而，根据本发明，在正、负电极12、13之间能够施加高电压、高电流，从而可以持续极高效率地进行电解，其结果，可以实现气体发生装置的小型化与轻量化。

若将所述高电压、高电流仅仅施加于正、负电极12、13之间，则，通过急速电解，在电解液内的局部位置上产生激烈的电解，从而电解液11各区域不均匀，由此，在整体上降低电解效率。

在本发明中，为了防止产生如上所述的不均匀分布，在正电极12与负电极13(即，电解槽10)之间设置多个中间电极14，从而可以在电解槽10内均匀实施电解。

如图2至图4所示，符号14表示该中间电极，在此实施方式中，其形成为多个金属制同心圆筒。如图3、图4所示，这些多个中间电极被嵌入在设置于上侧固定板25的底面以及下侧固定板26的上面的多个中间电极支撑槽40、41内，并且，多个中间电极14在各正电极12、负电极13、以及中间电极14之间相互保持绝缘状态而被设置在电解槽10内。

通过设置多个中间电极14，从而电解液11被分离在相邻的电极之间，所施加的电压也被分压在各个被分离的电极对上，由此防止在局部位置上发生激烈的电解现象，从而可以在整个电解液11内得到稳定的电解作用。

如上所述，根据本发明，可以高效率地进行电解，可以连续地产生大量氢与氧的混合气体，但是，为了进一步提高电解效率，有必要在气体发生装置上设置冷却装置。

即，本发明的发明者通过实验发现，当使用氢氧化钠电解液时，为了最有效的进行电解，最好将电解液的温度设定在大致50～80摄氏度为佳。

为此，在本实施方式中，在电解槽10的外侧设置通过自然循环并用空气制冷的冷却装置16。

并且，根据该自然循环型冷却装置16，在电解槽10内依次移动电解液11，通过这样的自然循环，彻底防止电解时产生的生成物质附着于各电极12、13上而降低电解作用的现象。

该冷却装置为，基本上将两张平板状冷却片42、43并列设置在电解槽10的外周，其与电解槽10之间，在上端通过通路44a、44b、45a、45b相结合，并且，下端如同上端，通过通路46a、46b、47a、47b相结合。与这些通路相对向，在电解槽10内设置有开口48、49，并且，电解槽10内的电解液11通过其上部导入到冷却片42、43上，并从各个冷却片42、43流入到电解槽10的下部，由此可以形成自然循环型水冷冷却通路。

在本发明中，该冷却装置16不是必要装置，即使没有冷却装置16也充分可以实现明显优越于现有方案的电解作用，但是，通过设置该冷却装置16，可维持所述最适合的温度条件，同时，通过循环电解液11而不降低电解效率，即，可以得到双重效果，从而可以显著提高装置的有用性。

所述中间电极14可以设置任意个，在本实施方式中，根据电解槽10的大小，各电极之间距离保持1mm～20mm而设置所述中间电极14。

在本发明中，若该电极间距与脉冲直流电压的脉冲频率成比例关系而设置脉冲频率，则有益于提高电解效率。

即，增加电极间距时脉冲频率也要增加，由此，可以将电解效率维持在最佳值。

这样，在如上所述的冷却装置16的作用下，保持最佳温度，并且，防止阻碍电解的化学物质滞留在电极周边的现象。

通过如上所述，根据本发明，利用高电压高电流进行电解，从而可以高效率、连续、大量地产生气体，但是所产生的气体与液体混合呈泡沫状态从电解槽被排出，这种包含液体的状态下的气体是不能用作燃料气体的。在本发明中，不使用外部动力而静态地分离这样的气液混合气体中的气体与液体，从而可以高效率地取出燃料气体。

为此，在本发明中，设置有从电解槽10中产生的氢与氧的混合气体中分离出液体部分的、至少两段串联的气液分离装置。

在本实施方式中，第一段气液分离装置被设置在电解槽10的上部。该第一段气液分离装置为分离出在电解槽10中产生为泡沫状的混合气体与电解液的装置，其包括图6所示的有底圆筒状的塑料制分离室49。该分离室49的中央设有通孔50，所述正电极12的电极端子24通过该通孔50内。

分离室49的内部被分为六个腔室，各腔室之间设有隔壁51。各隔壁51上分别设置有多个开口52，并且，如图6所示，在分离室49的底部，每个腔室均设有开口53。

还有，在分离室49的上面，由绝缘材料板制成的分离盖54密封分离室49，从被设置在该分离盖54上的开口55取出已除去大部分液体成分的混合气体。

如图2所示，在该分离盖54的上部固定有密封电解槽10的密闭盖18，并且，混合气体通过设置在与所述开口55一致的位置上的排出口19输出到电解槽10之外。

图6中的箭头表示导入到第一气液分离室49内的气液混合体通过各隔壁51的开口52并从排出口19被取出的路径，每通过各腔室时，气液混合体的方向被分散，液体成分从分离室49的底部落到电解槽10内，从而高效率地分离气体与液体。

如上所述的正电极12的电极端子24贯通密闭盖19并突出于上方，并通过关闭螺丝56坚固地固定在密闭盖19上，并且，电极端子24与密闭盖19之间通过O型环等气密关闭部57被气密地封住。

如上所述，第一气液分离装置被设置在电解槽内的上部上，但是，在本实施方式中，多段设置的气液分离装置被进一步地多段设置于电解槽10的外部。

图7表示所述实施方式相关的整体结构，通过设置在电解槽10的外部的五段气液分离，并从最终排出口58可以得到直接可用于燃烧的干燥混合气体。

如图7所示，设置在电解槽10外部的气液分离装置包括第二气液分离装置60、第三气液分离装置61、第四气液分离装置62、第五气液分离装置63、以及第六气液分离装置59，混合气体自电解槽10依次按上述顺序通过后导出到最终排出口58。

图8表示本实施方式相关的第二气液分离装置60的最佳实施例。

在电解槽10的密闭盖18之上，对应排出口19而被固定有第二气液分离室64。该分离室64大致呈圆筒状，在其上部设置有多个挡板65，其上部的侧壁上设置有导管66。

图9表示被设置在第二气液分离室64内的挡板65的简略示意图，各挡板65的外周被固定在第二气液分离室64的内壁上，其一部分65a向下方弯曲，并与第二气液分离室64之间设置间隙67，混合气体通过该间隙依次向导管66上升。如上所述，从电解槽10排出的混合气体的温度大致为65摄氏度，第二气液分离室64大致保持常温，其结果，具有高湿度的混合气体被所述挡板65冷却，从而，混合气体中的液体成分被分离。

并且，该第二气液分离装置60的特征为，分离室64的上方同时设置有防爆机构。如图10所示，该防爆机构包括被固定在第二气液分离室64上部的外环68与通过螺丝结合在该外环上的内环69。并且，金属薄板71通过O型环70被夹在两个环68、69之间。从而，通过该防爆机构，通常是金属薄板71紧密密封着第二气液分离室64，但是，当该金属薄板71两面的任何一个方向上被施加压力时，压力达到规定值以上，金属薄板被脱离或者被破坏，从而第二气液分离室64内的压力可以释放到外部。在氢与氧的混合气体中，会发生氢的爆发现象、以及因氢与氧反应还原成水而发生爆缩现象，当爆发时金属薄板71向外侧破裂，并且，当爆缩时，相反的，金属薄板71向内侧破裂，从而保持均匀压力。不管在任何情况，第二气液分离室64可以有效吸收爆发或爆缩现象产生的影响。另外，通过在金属薄板71上设置一些小伤痕，从而可以使其更轻易破裂。

如图8所示，第二气液分离室64的下方侧壁被固定有注水管72的一端，并且，其另一端设置有注水盖73。在本发明中，多段气液分离装置进行使任何被分离的液体返回到电解槽10的操作，因此，即使长时间运转气体发生装置而通过电解大量产生混合气体也不会使电解质泄露于外部。因此，在本发明中，从外部补充的仅仅是水即可，即，通过图8所示的注水管72补充必要的水。

图11表示第三气液分离装置61，分离室74具有双重圆筒形状，其上部被封闭住。并且，内筒75内插入有细抽出管76，该抽出管76的一端开放在内筒75的上部。并且，分离室74的外筒77的下端呈漏斗状细管，如图7所示，该细管77a通过冷却片连接在电解槽10上。另一方面，所述导管66的前端通过收缩部78开放在外筒77的上部，混合气体从该收缩部喷出到外筒77的内部，该混合气体通过内筒75达到抽出管76为止的行程上，液体从混合气体中进一步被分离，并返回到电解槽10。

第四气液分离装置62是混合气体除湿装置，如图12所示，抽出管76的前端连接有螺旋状的除湿管80。该除湿管80的上方设置有冷却片82，混合气体在除湿管80中被除湿，此时产生的液体成分通过设置在混合气体通路上的排水管返回到电解槽10内。

图13表示第四气液分离装置62的其他实施例，该实施例中的除湿管80不同于图12所示的实施例，其被弯曲为接近矩形的形状。如同图12的圆形状除湿管80，对图13所示的除湿管80也通过冷却用冷却片传达冷风，从而进行期望的除湿作用。

图14表示本发明实施例相关的第五气液分离装置63，其结构类似于第三气液分离装置，其包括由外筒81与内筒82构成的双重圆筒以及抽出管83，除湿得到的液体通过细管81a返回到电解槽10。

第五气液分离装置63与第三气液分离装置61的不同点在于，除湿管80的前端从外筒81插入到筒内，混合气体从设置在该除湿管80前端的横孔80a沿着外筒81的内面稍微指向下方而喷出，其结果，如图所示，混合气体在外筒81内螺旋状地向下移动，进而，通过内筒82导入到抽出管83。从而，通过该结构可以得到干燥度高的混合气体。

图15表示第六气液分离装置59，其结构类似于第二气液分离装置，其中，不同之处在于，气体入口设置在分离室82的上部，并且，混合气体从下部排出，在图15中，输入管为83，输出管为84。这样，通过设置不同的出路位置，在第六气液分离装置59中，挡板85的折曲部86指向上方。第六气液分离装置也如同第二气液分离装置，其气液分离室85的上方设置有防爆机构87。从第六气液分离装置排出的液体成分也通过冷却片返回到电解槽10。

如上所述，通过使用多段气液分离装置，被排出的混合气体保持极高的干燥度，可以将其直接当作燃料气体而使用。

图16、图17、图18表示本发明相关的燃料气体发生装置适合于安装在车辆上的实施方式，其基本上构成为矩形箱体状。

该第二实施方式的原理完全相同于第一实施方式，但是其形状为矩形箱体状，例如，取代车载电池等而可设置在发动机室内，从而，其与第一实施方式所述的圆柱形相比，当安装于车辆时的更有效地利用空间。

电解槽100兼有负极功能，其与正电极101之间通过电源装置116被施加脉冲直流电压。并且，电解槽100内设置有多个矩形的中间电极102。

电解槽100的两侧方分别设置有多个冷却片105、106，由此，电解液的温度保持在最佳状态，即50～80摄氏度，并且，通过使电解液自然循环，从而防止通过电解产生的生成物质滞留在电极周围而阻碍电解作用的现象。

并且，有必要时从电解槽100的底部通过配水管107进行排水，此时，可去除滞留在电解槽100底部上的垃圾。在电解槽100的上部设置有第一气液分离装置108。该第一气液分离装置108也通过隔壁109分为多个小腔室，通过电解产生的泡沫状混合气体通过各腔室时进行气液分离，并排出混合气体。

第一气液分离装置包括分离室110与分离盖111，该分离盖111之上设置有进一步紧密封住电解槽100的密闭盖112，该密闭盖上被固定有第二气液分离装置113。该第二气液分离装置113的上部设置有防爆装置114，并且，其下部连接有注水管115。

在第二实施方式中仅表示出两段气液分离装置，但是，如同第一实施方式，可以进一步连接多段气液分离装置。

如上述所说明，根据本发明，利用高电压高电流进行电解，可以连续产生大量的氢与氧的混合气体。由此，实现小型轻量化的装置，从而可以作为车载用或者移动型燃料气体发生装置而被使用。

Claims (5)

1、一种利用电解方式的燃料气体发生装置，其特征在于，包括：

充填有电解液的电解槽；

被浸渍在所述电解槽内的电解液中的正电极与负电极；

在所述两电极之间，相对于两电极绝缘及彼此相互绝缘设置并且分别分压承受两电极之间电压的多个中间电极；

在所述两电极上施加脉冲直流电压的电源装置；以及

密封所述电解槽的同时，具有排出通过电解方式产生的氢与氧混合气体的排出口的密闭盖。

2、如权利要求1所述的利用电解方式的燃料气体发生装置，其特征在于，包括冷却装置，所述冷却装置包括连接于电解槽的上下两部分的冷却片，使电解槽内的电解液自然循环。

3、如权利要求1所述的利用电解方式的燃料气体发生装置，其特征在于，包括：用于从电解槽中产生的氢与氧的混合气体中分离出液体部分的、至少分两段串联的气液分离装置。

4、一种车载用燃料气体发生装置，其特征在于，在车内安装有如权利要求1至3的任一项中所述的装置。

5、如权利要求4所述的车载用燃料气体发生装置，其特征在于，电解槽具有矩形箱体形状结构。

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