CN105112935B - 一种过电位控制结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种过电位控制结构及方法，属于氢气电解设备及方法领域，具体涉及一种过电位控制结构及方法。该过电位控制结构及方法采用控制电解单元过电位，调节氢气发生器氢气流量，减低能耗。具体是在氢气发生器电流回路内串联过电位控制单元组，通过对过电位控制单元组内电极的切换，增加或减少氢气发生器内参与电解单元的数量，控制电解单元的过电位，达到对氢气的流量按需进行实时、高效、低能耗控制。

Description

一种过电位控制结构及方法

技术领域

本发明涉及一种过电位控制结构及方法，属于氢气电解设备及方法领域，具体涉及一种过电位控制结构及方法。

背景技术

由于石化燃料燃烧不充分而造成的内燃发动机严重污染排放物HC,CO，特别是其中大量PM2.5已经成为城市的最主要污染源之一。世界上几乎所有汽车制造公司和空气环保研究机构都在研发提高发动机燃烧效率，减低排放污染，降低油耗的技术和产品。

由于氢气的热值高于汽油和柴油等石化燃料，没有污染及其他诸多有益的特性，近年来被越来越多的应用于以石化为燃料的内燃发动机的节能减排应用中。

无存储按需生产(HOD:Hydrogen On Demand)方式的电解水氢气发生器(简称HGHydrogen Generator)的技术成熟，安全性高，设备简单，成本低，多年来在世界上得到广泛应用。

向以石化为燃料的内燃发动机加入适量的由水电解产生的氢氧气HHO，(可参阅美国氢技术应用公司的PCT/US2004/012498专利)与空气和燃油混合燃烧，催化燃油燃烧，提高燃油的燃烧效率，减少污染排放，增加动力，节约能源的作用早已从理论上和实践中得到证实，这方面，国际国内已有大量论文，实验报告，实例，专著和专利。

如果不对HG的HHO流量和能耗进行有效控制，虽然可以实现减排的环保作用，由于能量守恒，在增加动力，减少油耗的同时，HG也在同时消耗电能，又反过来增加了油耗，很难实现明显减少油耗的效果，甚至可能比不添加HHO更耗能。如果加入过量HHO，不但增加无用能耗，还会造成发动机温度过高，损害发动机，增加氮氧化物排放。所以必须对HHO的流量和耗能进行有效控制。

世界上绝大部分用于内燃发动机的旨在节能减排用的HG，对HHO流量和耗能控制方法上，是在HG外部与电源之间以串联方式采用不同形式的PWM和CCPWM调制器，简称PWM；作为控制器件，调整流经HG的电流，控制氢气流量，如图1所示。

由于车辆的供电电源电压和HG的温度是在随时变化的，当电源电压或温度降低，例如预热，起步，低速时，需要较多HHO流量时，要提高过电位；反之当电源电压或温度升高，例如发动机在正常连续或高速运行状态，需要减小HHO流量时，要减低过电位。由于PWM是安装在HG之外，在发动机正常连续或高速运行状态时，PWM不但不能高效控制流量和能耗，其本身也成为一个消耗无功电能的器件。氢气发生器所需产氢功耗越低时，外部控制器件自身无用功耗与氢气发生器所需的有用功耗的比例越大。

HOD方式的氢气发生器的电解单元数量的设计，目前世界上普遍以车载电源电池的标称电压为基准，按每个电解单元电压2V甚至2.4V计算，以不同类型的PWM在HG外部与电源以串联方式连接进行控制。

因为电解单元过电位的高低是影响HHO流量和功耗的最主要因素之一，因此按以上计算结果设计制造的HG在低温或者电源电压低的情况下，由于过电位低，HG不能产生足够的HHO流量；而当温度升高或电源电压升高后，由于过电位太高，电流过大，而在HG外部与电源之间串联的PWM在控制过程中产生很大的无功损耗，造成大量电能以热量的方式形成无功消耗。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的氢气发生器氢气流量难以控制并且能耗高的技术问题，提供了一种过电位控制结构及方法。该电位控制结构及方法通过增加或减少氢气发生器内参与电解的单元数量，控制电解单元的过电位，达到对氢气的流量按需进行实时、高效、低能耗控制。

为了解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种过电位控制结构，包括：

电解极板，数量为两个以上，并且相邻的两个电解极板间构成电解单元；

控制开关，用于在控制器的控制下增加或减少连接于回路中的电解单元的数量。

优化的，上述的一种过电位控制结构，所述控制器在检测到通过所述电解极板的电流低于预设值时将减少回路中的电解单元的数量从而提高过电位；并且，当所述控制器在检测到通过所述电解极板的电流高于预设值时将增加回路中的电解单元的数量从而减低过电位。

优化的，上述的一种过电位控制结构，所述电解单元包括：

第一电解单元，由第一电解极板相互间连接后构成电解单元组；

第二电解单元，由第二电解极板相互间连接后构成过电位控制单元组；

其中：所述控制开关与第二电解单元相连，所述电解单元组与所述过电位控制单元组之间串联，并且由同一个电源供电。

优化的，上述的一种过电位控制结构，所述第一电解单元间相互串联和/或并联。

优化的，上述的一种过电位控制结构，所述第二电解单元间相互串联。

优化的，上述的一种过电位控制结构，所述控制开关和过电位控制单元组内的第二电解极板相连，当所述控制开关闭合时，和所述控制开关相接的第二电解极板与可以使参与电解的电解单元过电位升高的其它电极短接。

优化的，上述的一种过电位控制结构，所述控制开关设置于过电位控制单元组内的第二电解极板之间；当所述控制开关闭合时，与所述控制开关相接的第二电解极板和该第二电解极板所属的电解单元内的另一块第二电解极板间短接。

优化的，上述的一种过电位控制结构，所述电解单元组内的第一电解极板的数量N1基于公式(1)获得：

N1＝R(V1/(P1+OP1)) 公式(1)

式中，R(X)为四舍五入函数，V1为供电电源正常最低工作电压；P1为第一电解极板所采用电极材料在所采用的电解液中的标准电位，OP1为第一电解极板所采用电极材料在采用的电解液中，并且在最低工作温度时，所需的正常工作电流的最大过电位；

并且所述过电位控制单元组内的第二电解极板的数量N2基于公式(2)获得：

N2＝R(V2/(P2+OP2))-N1+1 公式(2)

式中,V2为供电电源正常最高供电电压；P2为第二电解极板所采用电极材料在使用的电解液中的标准电位；OP2为第二电解极板所采用电极材料在使用的电解液中，在最高工作温度时所需的正常工作电流的最小过电位。

为了解决上述问题，根据本发明的另一方面，提供了一种过电位控制方法，包括：通过增加或减少连接于回路中的电解单元的数量来调整电解单元的过电位。

优化的，上述的一种过电位控制方法，包括：通过增加或减少连接于回路中的电解单元的数量来调整电解单元的过电位。

优化的，上述的一种过电位控制方法，在检测到通过所述电解极板的电流低于预设值时减少回路中的电解单元的数量从而提高过电位；

并且，当检测到通过所述电解极板的电流高于预设值时增加回路中的电解单元的数量从而减低过电位。

因此，本发明具有如下优点：通过在氢气发生器电流回路内串联过电位控制单元组，通过对过电位控制单元组内电极的切换，增加或减少氢气发生器内参与电解单元的数量，控制电解单元的过电位，达到对氢气的流量按需进行实时、高效、低能耗控制。

附图说明

附图1是现有技术中的氢气流量调节原理图；

附图2是本发明的一种工作原理图；

附图3是本发明的另一种工作原理图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

图1中，电源1，电流表2，电解单元组3，过电位控制单元组4，控制器5。

实施例1：

如图2所示，本实施例的可控式氢气发生器由电解单元组3和过电位控制单元组4及控制器5构成，电解极板之间构成电解单元。通过增加或减少参与电解的电解单元数量，调节电解单元过电位，控制HHO流量和能耗。

电解单元组3内的第一电解极板a-n的数量N1按所需适应的最低工作环境温度和最低正常工作电源电压按公式1计算:

N1＝R(V1/(P1+OP1)) 公式(1)

式中，R(X)为四舍五入函数，V1为供电电源正常最低工作电压；P1为第一电解极板所采用电极材料在所采用的电解液中的标准电位，OP1为第一电解极板所采用电极材料在采用的电解液中，并且在最低工作温度时，所需的正常工作电流的最大过电位；

过电位控制单元组4内的第二电解极板op1-opn的数量N2按所需适应的最高工作环境温度和最高电源电压设计，按公式(2)计算：

N2＝R(V2/(P2+OP2))-N1+1 公式(2)

式中,V2为供电电源正常最高供电电压；P2为第二电解极板所采用电极材料在使用的电解液中的标准电位；OP2为第二电解极板所采用电极材料在使用的电解液中，在最高工作温度时所需的正常工作电流的最小过电位。

例如：某种材料的极板在碱性电解液环境下的标准电位1.23V，最低工作环境温度的最大过电位1.4V；最高工作温度时所需的最小过电位0.6V,电源正常最低供电电压12V,电源正常最高供电电压14.5V:

则有：N1＝R(12/(1.23+1.4))＝5；通过四舍五入N1取整数5

N2＝R(14.5/(1.23+0.6))+1-N1＝9-5＝4。

过电位控制单元组4与电解单元组3以串联方式连接于同一个电源。过电位控制单元组4既可以采用与电解单元组3相同规格和材料；也可以采用与电解单元组3不同规格和材料。电解单元组3内的第一电解极板可以采用如图2所示的串联方式也可以采用如图3所示的并联方式。

以公式1和公式2的计算结果进行设计制造的可控式氢气发生器(组)，由控制器5在可控式氢气发生器(组)供电电流回路内部，即图1，2中A,B点之内，增加或减少HG内部参与电解的电解单元的数量，对电解单元的过电位进行有效的，连续的，低能耗调节和控制，使得HG的HHO流量在低温低电压和高温高电压条件下都能有效被控制。

低温状态下，或电源低电压的情况下，电解单元过电位减低，电流减小，HHO流量也随之减少，控制器5则按照预设的程序和参数，对过电位控制单元组内的第二电解极板进行切换，减少连接的电解单元的数量，提高电解单元的过电位，增加电解电流，增大氢气的流量。

温度升高或电源的电压升高，电解单元过电位增大，电流增加，控制器5则按照预设的程序和参数，对过电位控制单元组内的第二电解极板进行切换，增加连接的电解单元的数量，减低电解单元的过电位，降低耗能减少HHO的流量。

其中，控制器5内的预设程序和参数可以根据诸如发动机所需要的氢气流量来预先设定。

实施例2

设计制作一个HOD方式的可控式氢气发生器，采用316L不锈钢材料作阴极和阳极极板材料，采用KOH与蒸馏水混合的电解液。

正常供电电源范围从12V到14.5V。

在最低工作环境温度中，所需的最高过电位1.4V,在最高温度时所需的最低过电位0.6V；

按公式1，2算出，电解单元组内的第一电解极板为5片,过电位控制单元组内的第二电解极板4片。共9块电解极板构成8个电解单元，按已知的常规的连接和密封方式排列连接而成。

采用装有4个开关的控制器进行控制；开关K1至开关Kn分别与对应的过电位控制极板op1至opn连接；

电解单元组中最左侧的极板a与电源正极连接，过电位控制单元组安装在电解单元组板n的右侧，过电位控制极op1至opn各自与控制器对应的K1至Kn连接。参考图2。

初始位置所有开关都处于断开状态；按常规完成设置后，开启电源，观察电流表2，如果电流低于设定值，逐一闭合Kn至K1，直到电流达到设定值；

经过一段时间运行，温度会自然升高或电源电压升高，电流超过设定值时，逐一断开K1至Kn，直到电流等于设定值，如此反复，控制电流稳定在设定值范围内。

需要指出的是，控制开关的连接不限于相邻的两个第二电解极板之间。但是，任何可以改变参与电解的电解单元过电位变化的其它电极都可以作为控制开关的连接对象。例如：可以通过控制开关将第二电解极板直接与电源相连，也可以用控制开关将非相邻的两个第二电解极板相连。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了电源1，电流表2，电解单元组3，过电位控制单元组4，控制器5等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种过电位控制结构，其特征在于，包括：

电解极板，数量为两个以上，并且相邻的两个电解极板间构成电解单元；

控制开关，用于在控制器的控制下增加或减少连接于回路中的电解单元的数量。

2.根据权利要求1所述的一种过电位控制结构，其特征在于，

所述控制器在检测到通过所述电解极板的电流低于预设值时将减少回路中的电解单元的数量从而提高过电位；

并且，当所述控制器在检测到通过所述电解极板的电流高于预设值时将增加回路中的电解单元的数量从而减低过电位。

3.根据权利要求1所述的一种过电位控制结构，其特征在于，所述电解单元包括：

第一电解单元，由第一电解极板相互间连接后构成电解单元组；

第二电解单元，由第二电解极板相互间连接后构成过电位控制单元组；

其中：所述控制开关与第二电解单元相连，所述电解单元组与所述过电位控制单元组之间串联。

4.根据权利要求3所述的一种过电位控制结构，其特征在于，所述第一电解单元间相互串联和/或并联。

5.根据权利要求3所述的一种过电位控制结构，其特征在于，所述第二电解单元间相互串联。

6.根据权利要求3所述的一种过电位控制结构，其特征在于，所述控制开关和过电位控制单元组内的第二电解极板相连，当所述控制开关闭合时，和所述控制开关相接的第二电解极板与可以使参与电解的电解单元过电位变化的其它电极短接。

7.根据权利要求6所述的一种过电位控制结构，其特征在于，所述控制开关设置于过电位控制单元组内的第二电解极板之间；当所述控制开关闭合时，与所述控制开关相接的第二电解极板和该第二电解极板所属的电解单元内的另一块第二电解极板间短接。

8.一种过电位控制方法，其特征在于，包括：通过增加或减少连接于回路中的相邻的两个电解极板间构成的电解单元的数量来调整电解单元的过电位。

9.根据权利要求8所述的一种过电位控制的方法，其特征在于，

在检测到通过所述电解极板的电流低于预设值时减少回路中的电解单元的数量从而提高过电位；

并且，当检测到通过所述电解极板的电流高于预设值时增加回路中的电解单元的数量从而减低过电位。