CN108474125A - 用于产生氢的设备 - Google Patents

Abstract

描述了通过电解产生氢的设备(1)。设备(1)包括在使用中适于容纳含水电解质的壳体(2，3)。多个电极(19，22)位于壳体(1)内。电极(19，22)包括多个阴极(19)和多个阳极(22)。电极(19，22)各自具有第一端部(21，18)，并且每个电极(19，22)在第一端部(21，18)处安装在壳体的第一侧壁(24)上，使得第一端部(21，18)适于在使用中耦合到电源(104)。电极(19，22)呈细长部件的形式并且以线性阵列布置，使得每个阳极(22)通过阴极(19)与相邻的阳极(22)分离并且每个阴极(19)通过阳极(22)与相邻的阴极(19)分离。

Description

用于产生氢的设备

技术领域

本发明涉及用于产生氢的设备，尤其是用于产生供应给内燃机的氢的设备。

背景技术

在氢燃料增强过程中在内燃机中使用氢和传统碳氢燃料的混合物是已知的。目前的研究表明，向内燃机引入氢和氧有可能产生更低的排放和更高的热效率，从而提高燃油经济性。由于氢和氧有助于更有效地“燃烧”化石燃料，因此可以实现更低的排放。这种优势有几个原因，包括：

1、广泛的可燃性。与几乎所有其他燃料相比，氢具有更宽的可燃范围(空气体积4-74％，相对于燃油(汽油)的空气体积1.4-7.6％)。这具有通过降低燃料混合物的燃烧温度而使燃料混合物更完全燃烧并由此降低污染物例如氮氧化物(NOX)的排放的优点。易燃范围(爆炸范围)是如果引入点火源会燃烧(或爆炸)的气体或蒸汽的浓度范围。在爆炸或易燃范围以下，混合物过于稀薄而无法燃烧，并超过上限爆炸或易燃极限，混合物过浓而不能燃烧。

2、低点火能量。点燃氢所需的能量数量级低于点燃汽油所需的能量(对于氢的0.02MJ，相对于汽油的0.2MJ)。这有助于确保稀薄混合物的点火并且还能够及时点火。

4、小的扑灭距离。氢具有很小的扑灭距离(对于氢的0.6mm，相对于汽油的2.0mm)，其指的是与燃烧火焰熄灭的内部汽缸壁的距离。因此，扑灭氢焰比其他大多数燃料如汽油或柴油的火焰更难扑灭。这提供了更完整的燃烧循环。

5、高火焰速度。氢以高火焰速度燃烧，当使用化学计量混合燃料时，允许发动机中的氢更接近热力学理想的发动机循环(最有效的燃料对动力比)。

6、高扩散性。氢迅速分散到空气中，允许更均匀的燃料与空气的混合物，并减少氢泄漏造成重大安全问题的可能性。

为此产生氢和氧的一种方式是使用再生氢燃料电池。该方式使用电解水，由于电流通过水，导致水(H₂O)分解成氧气和氢气。这种电解过程产生的气体混合物有时称为羟基气体或布朗斯气体，有时用化学符号HHO表示。

水电解的基本原理是电源连接到两个电极：带负电的阴极和带正电的阳极。电源可以由电池提供，通常为12伏或24伏电池。内燃机可以安装在静止的环境中，例如压缩机或发电机的一部分。在内燃机位于静止的环境中的情况下，电源可以是电池或任何其他方便的或合适的电源。这可能包括变压器和/或AC/DC电压转换器。

在车辆中安装了内燃机的情况下，通常车辆上也安装了电池。包含至少一个阳极和至少一个阴极的电极被放置在水中并且电流通过水。在带负电的阴极处发生还原反应，其中来自阴极的电子被给予氢催化剂以形成氢气。在带正电荷的阳极处发生氧化反应，产生氧气并将电子给予阴极以完成电路。

纯水的电解需要过量能量以超过潜力的形式来克服各种激活屏障。如果没有多余的能量，纯水的电解如果发生则非常缓慢。因此，电解水的功效通常通过添加电解质(例如盐，酸或碱)并且有时通过使用电催化剂来提高。

常规系统使用混合在水中的预定浓度的电解质，并且电解反应通常由30安培至40安培的电流驱动。这种相对较高的电流会增加车载电池的负载并缩短电池和车载电子元件的使用寿命。另外，在电解过程中使用这种高电流会导致电解电池中的电解质溶液达到不希望的高温。

现有氢产生器的另一个问题是，如果电解质水平下降到阈值水平以下，则这也会导致电解质溶液达到不希望的高温。此外，不希望将任何电极暴露于空气中，因为这将导致电池降低其效率，特别是其气体生产能力，因为浸没在电解质中的电极的表面积会损失。

发明内容

根据第一方面，提供了一种用于产生氢的设备，该设备包括适于在使用中容纳含水电解质的壳体；阳极和阴极，阳极和阴极都安装在壳体上，并且阳极和阴极中的每一个均具有适合在使用中浸入含水电解质中的第一部分，以及适于耦合到使用中的电源的第二部分；并且所述设备还包括安装在所述壳体上的电解质液位电极，所述电解质液位电极具有在使用中适于与所述含水电解质接触的第一部分和适于在使用中与所述电源耦合的第二部分，由此当所述含水电解质下降到阈值水平以下，使得电解质液位电极不与电解质接触时，电路检测到电解质液位电极处的电压变化。

根据第二方面，提供了一种操作用于产生氢的设备的方法，所述设备包括含有含水电解质的壳体、阳极、阴极和电解质液位电极、电源和包括处理器的电子电路；电源耦合到阳极和阴极以引起电势差施加到阳极和阴极以及电解质液位电极以引起电流流过电解质液位电极，并且电子电路耦合到电解质液位电极用于检测电解质液位电极处电压的变化；其中所述方法包括所述处理器检测所述电解质液位电极处的电压并且响应于检测到的电压变化，所述电压变化指示所述电解质水平已经下降到阈值水平以下，使得所述电解质液位电极不与所述含水电解质接触，该处理器执行以下至少一项：(I)输出警示信号并且(ii)关断施加到阳极和阴极的电势差。

本发明的优点在于，通过提供电解质液位电极，电解液液位低于阈值水平的下降可以被电路检测到。

优选地，当处理器检测到指示电解质溶液低于阈值水平的电压变化时，可以使电路生成低液位电解质警示信号。

优选地，当电解质降低到阈值水平以下并且检测到电压变化时，电路输出低液位电解液警示信号。

通常，当设备处于正常使用中时，电解质液位电极位于其他电极上方，并且电解质液位电极是在电解质液位下降的情况下要被暴露的第一电极。

然而，电解质液位电极可能安装在与其他电极相同的水平面上，但比其他电极短，使得当电解质溶液下降到阈值水平以下时，其他电极仍然浸没在电解质溶液中，但是电解质液位电极未浸入。

在本发明的一个示例中，如果检测到电解质液位电极处的电压变化，其指示电解质溶液已经下降到阈值水平以下，则电路可以关断所有电极的供电，使得电池安全地关闭。

优选地，检测到的电压变化是随着通过电解质液位电极的电流下降到零时电压的增加。优选地，存在两个或更多个阳极。优选地，可以有两个或更多个阴极。在本发明的一个例子中，可以有不同数量的阳极和阴极。通常，电极布置成线性阵列。优选地，电极的线性阵列包括交替的阴极和阳极，使得相邻的一对阴极由阳极隔开，并且相邻的一对阳极由阴极隔开。

通常，阳极和阴极是细长部件(诸如细长杆)的形式。优选地，阳极和阴极的表面具有脊状结构。这具有提高电解反应的效率和产生的氢气量的优点。通常，在阳极和阴极是细长杆的情况下，脊状结构可以是在每个细长杆的外表面上呈螺纹构造的形式。

优选地，阳极和/或阴极可以由非反应性金属例如2级或更高等级的钛形成。通常，阳极具有防钝化涂层。

根据第三方面，提供了一种用于产生氢的设备，所述设备包括适于在使用中容纳含水电解质的壳体；阳极和阴极，阳极和阴极都安装在壳体上，并且每个阳极和阴极具有第一部分和第二部分，第一部分在使用中适于浸入含水电解质中，第二部分在使用中适于耦合到电路，使得在使用中在阳极和阴极之间施加电势差；并且所述设备还包括安装在所述壳体上的电解质液位电极，所述电解质液位电极具有适于在使用中与所述含水电解质接触的第一部分和适于在使用中与所述电路耦合的第二部分，由此在使用中当含水电解质下降到低于阈值水平以使得电解质液位电极不与电解质接触时，电解质液位电极处的电势变化由电路检测，并且电路产生低液位电解质信号。

根据第四方面，提供了一种检测氢产生设备中的含水电解质是高于还是低于阈值水平的方法，所述方法包括提供电解质液位电极和包括处理器的电路，将电流通过电解质液位电极并检测电解质液位电极处的电压，由此当电解质液位下降到电解质液位电极以下时，处理器检测电解质液位电极处的电压变化并且处理器响应于电压的变化生成低液位电解质信号。

优选地，电压的变化是电压的增加。

通常，当设备处于正常使用中时，电解质液位电极位于其他电极上方，并且如果电解质液位下降，则电解质液位电极是要暴露的第一个电极。

优选地，该设备还包括与电解质液位电极串联的阻抗，并且在阻抗、电解质液位电极和阴极两端施加电压，并且电阻器和电解质液位电极之间的电势由电路检测。

优选地，阻抗包括电阻器。

通常，当电解质接触电解质液位电极时，电解质液位电极和阴极之间的电压降低于所施加电压的50％或更小，并且优选为施加电压的25％或更小。

优选地，当电解质接触电解质液位电极时，通过电阻器、电解质液位电极和阴极的电流小于1A，优选小于1mA，最优选小于0.5mA。施加的电压可以是用于电路的电源的电压，并且电源优选地具有12V或24V的标称电压。在一个示例中，电流为0.24mA，电阻器的电阻为56kΩ，施加的电压在12.5V至14V的范围内。

通常，当电解质水平下降到电解质液位电极以下时，检测到的电压增加到等于施加的电压。在这种情况下，流经阻抗、电解质液位电极和阴极的电流降至0A。

根据第五方面，提供了一种用于通过电解来产生氢的设备，所述设备包括适于在使用中容纳含水电解质的壳体以及位于所述壳体内的多个电极，所述电极包括多个阴极和多个阳极，每个电极具有第一端部，并且每个电极在第一端部处安装在壳体的第一侧壁上，使得第一端部在使用中适于连接到电源，并且其中电极呈细长部件的形式并且以线性阵列布置，使得每个阳极通过阴极与相邻的阳极分离，并且每个阴极通过阳极与相邻的阴极分离。

优选地，远离安装电极的一侧的电极的端部位于壳体的相对侧壁中的凹部中，而不穿透相对的侧壁。

通常，该设备还包括在壳体的顶壁中的通风口，以使得在使用中使所产生的氢离开壳体。

通常，每个电极的第一端部穿透壳体的第一侧壁，并且该设备还包括密封装置，以在电极和第一侧壁之间提供基本上水密封。

优选地，细长部件呈杆的形式。通常，细长部件在其外表面上具有脊状结构。优选地，脊状结构呈螺纹形式。

优选地，电极由非反应性金属形成。更优选地，非反应性金属是钛。

通常，阳极涂覆有防钝化涂层。防钝化涂层可以是混合金属氧化物和氧化铂中的一种。

优选地，电极通过第一端部上的螺纹紧固件分别安装在壳体的第一侧壁上。通常，每个电极的至少第一端部包括螺纹结构，以使第一端部能够借助于互补的螺纹紧固件固定到壳体上，该螺纹紧固件与第一端部上的螺纹结构结合以将每个电极安装到第一侧壁上。

通常，该设备还包括安装在壳体的第一侧壁的外侧上的印刷电路板(PCB)，并且其中每个电极借助于第一部分电耦合到PCB上的电触点。优选地，该设备进一步包括适于耦合到第一侧壁以覆盖使用中的PCB的盖。

优选地，第五方面可以与第一至第四方面中的一个或多个结合使用。

根据第六方面，提供了一种燃料电池，该设备包括适于在使用中容纳电解质的壳体以及位于壳体内的多个电极，所述电极包括多个阴极和多个阳极，每个电极都具有第一端部并且所有电极借助于第一端部和PCB安装在壳体的一个部分上，并且PCB安装在壳体该部分的外侧上，其中每个电极借助于第一部分电耦合到PCB上的电触点。

优选地，壳体的该部分是壳体的侧壁。然而，可选地，壳体的该部分可以是另一个壁，例如壳体的顶壁。

通常，第一端部适于在使用中借助PCB耦合到电源。

优选地，电极呈细长部件的形式并且以线性阵列布置，使得每个阳极通过阴极与相邻阳极分离，并且每个阴极通过阳极与相邻的阴极分离。

燃料电池可以是传统的燃料电池或再生(或反向)燃料电池。

优选地，第六方面可以与第一至第五方面中的一个或多个结合使用。

在所有方面，该设备可以是再生氢燃料电池。

通常，电解质在所有方面都可以是液体形式。

附图说明

现在将参照附图描述根据本发明的用于产生氢的设备的示例，其中：

图1是氢产生电池的透视图；

图2是图1的氢产生电池的分解图；

图3是具有组装的电极和印刷电路板的PCB壳体的透视图，该印刷电路板形成图1的氢产生电池的一部分；

图4是具有形成图1的氢产生电池的一部分的电极的组装后的端盖组装件的透视图；

图5是图1的氢产生电池的俯视图；

图6是图1的氢产生电池的横截面图；

图7是与图1的氢产生电池一起使用的电子控制单元的示意图，其示出了信号处理和控制组件；

图8是示出电源组件的电子控制单元的示意图；以及

图9是示出将图1的氢产生电池和图7的电子控制单元结合到车辆中以将氢供应到内燃机的示意图。

具体实施方式

图1示出了氢产生电池1，有时被称为再生氢燃料电池，其包括主壳体2和端盖组装件3。氢产生电池1包括具有四个安装点4的一体式安装支架9。两个安装点4位于电池1的任一侧上。两个端口5、6位于主壳体2的顶部。其中一个端口5可以通过管道85连接到内燃机90的进气口91(参见图9)，而另一个端口6可以用于添加电池1内的液体。端盖组装件3通过可拆卸的螺栓7固定在主壳体2上。

图2中示出了电池1的分解图，其中可以看出，端盖组装件3包括具有孔11的外端盖10，橡胶套筒12装配在该孔中。橡胶索环/套筒12和孔11允许来自电子控制单元60的电缆13的进入，如图7所示，并且将在下面更详细地解释。

端盖组装件3还包括具有阴极端子电极15和阳极端子电极16的印刷电路板(PCB)14。阴极端子电极15具有三个孔17，阴极19的端部18穿过孔17。类似地，阳极端子电极16具有两个孔20，阳极22的端部21可穿过孔20。

阴极19和阳极22由螺纹金属棒形成，该金属棒优选为钛，最优选为2级钛。另外，阳极22具有诸如混合金属氧化物或氧化铂涂层的防钝化涂层。但是，防钝化涂层可以是任何其他合适的防钝化涂层。阴极22和阳极19的端部18、21分别拧入安装在PCB壳体24上的紧固螺母23中，端部18、21拧入螺母23直到端部18、21从紧固螺母23突出使得端部18、21可以分别插入穿过PCB 14中的孔17、20。然后将垫圈25和螺母26放置在端部18、21上方以将阴极19和阳极22固定到PCB壳体24并将PCB 14固定到端部18、21，使得端部18、21分别接触PCB接触板1、16。

在将端部18、21插入PCB壳体24中之前，阴极19和阳极22插入通过电极密封件27，电极密封件27具有突出部分28，突出部分28插入形成在PCB壳体24中的相应凹部29中。随着螺母26被拧到端部18、21上并被拧紧，突出部分28的截头圆锥形状和凹部29的互补形状压缩突出部分28抵靠凹部29的内侧。这又将部分28压缩到阴极18和阳极21的外侧以形成水密封。这有助于将电极密封到PCB壳体24，并有助于防止电池1内的电解质通过阴极19和阳极22的端部18、21穿过壳体24的PCB壳体24泄漏。螺纹连接到端部18、21上的垫圈25和螺母26的存在有助于确保在阴极19和阴极端子电极15之间以及阳极19和阳极端子电极16之间形成电接触。

图3示出了具有组装在PCB壳体24上的阳极19、阴极22和PCB 14的PCB壳体24。

除了阴极22和阳极19之外，液位感测电极30也安装在电极密封件27上并且通过紧固螺母23和另外的垫圈25和螺母26固定到PCB壳体24。液位感测电极30也优选由诸如钛棒的螺纹棒形成，并且还优选为2级钛。

此外，热敏电阻器31连接到PCB板14并且插入到电极密封件中的凹部32中。图6中更好地示出了热敏电阻器31，其中可以看出，电极密封件27的凹部32被封闭，使得电池1内的电解质不直接接触热敏电阻器31。

在阴极19和阳极22与PCB 14、液位传感器电极30和热敏电阻器32一起固定到PCB壳体24之后，连接到PCB 14的电力电缆13穿过端盖10的孔11并通过装配到端盖10中的孔11中的橡胶索环/套筒12。然后使用螺栓33将端盖10固定到PCB壳体24，所述螺栓33拧入PCB壳体24上的固定螺母40中。图4中还示出了组装的PCB壳体和端盖组装件，其中使用橡胶密封件34将间隔件8安装在PCB壳体24上。另一个密封件34位于间隔件8的与PCB壳体24相反的一侧，并且准备固定到主壳体2。在图4中还示出了间隔元件41，该间隔元件41滑动到阴极19和阳极22的端部上，以保持远离PCB壳体24的阴极19和阳极22的端部彼此间隔开。

如图2所示，使用螺钉33将端盖10附接到PCB壳体24，并且将间隔件8夹在端盖组装件3和壳体1之间。两个橡胶密封件34将间隔件密封到主壳体2和PCB壳体24。间隔件8优选为透明或半透明的以允许目视检查组装电池1内的液体电解质液位。PCB壳体24，间隔件8和壳体2通过穿过PCB壳体24中的孔36、间隔件8中的孔37和壳体2中的孔38的螺栓7彼此固定，并通过铜螺母39固定。如果需要，使用螺栓7和螺母39的优点之一是电池1可以拆卸以进行维护和维修。

在所示的电池1中，间隔件8具有15mm的宽度。然而，可以使用不同尺寸的间隔件来制造具有更大或更小体积的电解质以及更长或更短电极的电池。例如，如果单元尺寸增加100mm，那么钛条的长度将从158mm增加到258mm以适应间隔件尺寸的增加。例如，间隔件8的可能的替代较大宽度尺寸可以是20mm、40mm、60mm、80mm或100mm。但是，这些仅仅是示例，可以使用任何合适的宽度尺寸。使用较大的间隔件8具有能够使用较长的电极的优点，这增加了可用于电解的表面积，从而增加了为单个电池产生的羟基气体的量。因此，这可以用于需要更多羟基气体的较大尺寸发动机的应用中，并且可以具有的优点是使得可以使用单个电池，否则将需要两个电池。

在电池的组装期间，将阴极19和阳极22插入壳体2中，并且将阴极19的端部42和阳极22的与间隔件41相邻的端部43插入形成在壳体2内侧壁上的凹孔44中如图6所示。间隔件41有助于保持端部42、43之间的正确间隔，以帮助将端部42、43插入壳体2的侧壁中的孔44中。当阴极19和阳极22完全插入壳体2中并且具有密封件34的隔离件8抵靠在壳体2的凸缘45上时，PCB壳体和端盖组装件与隔离件8一起使用螺栓7被固定到壳体2。

图5示出了电池1的俯视图，整合的安装支架9位于电池1的背面上。

图6是沿着图5中所示的线AA穿过电池1的截面图。在组装之后，电池1可以通过孔5、6中的任一个注入水基电解质溶液。虚线50表示典型的优选最大电解质溶液液位，虚线51表示电池1中电解质溶液的典型优选最低液位。

引入电池1的电解质溶液主要为水，优选蒸馏水，最优选为双蒸水，并加入电解质。加入的电解质可以是任何合适的电解质，例如任何可溶性盐、酸或碱。优选的电解质是氢氧化钾或碳酸钾。但是，在上述发明的示例中，该电解质是氢氧化钾。

如上所述，电缆13连接到电子控制单元60(参见图7)。控制单元60是挤出的铝或任何其他散热材料的壳体，并包含图7和8中控制单元60内所示的所有组件。壳体最好防溅，但对于某些应用(例如越野车辆，海洋环境或其他恶劣环境)可以完全防水。由于壳体是铝导体，因此形成法拉第笼，因此可以有效屏蔽壳体内的电子元件免受外部电磁辐射，并且还可以防止壳体内组件和电路的任何电磁辐射穿透外部壳体并干扰壳体外的任何电气或电子组件或电路。该壳体还设计用于散发壳体内的组件的热量，例如来自开关功率控制器65的热量。

电子控制单元有效地执行两个功能：首先使用图7中示意性示出的组件和电路来提供信号处理和控制功能；其次使用图8中示意性示出的组件和电路来为电池1提供电源功能。

电子控制单元60从位于车辆中的车辆电池61接收供电，该车辆电池可以是12伏或24伏电池。电压信号被输入到信号处理和调节单元63中，如图7所示。单元63用于处理输入到控制单元60的信号，例如电池电压信号61、电解质温度信号66和电解质液位信号67。单元63将信号缩放到0V到5V之间，对信号进行滤波并在将信号输出到诸如Amtel微控制器的微控制器(MCU)64之前使其平滑。

然后，来自微控制器64的输出被传递到开关功率控制器65以控制对电池1的供电。

图8示出了该电源电路。控制单元60电耦合到电池81，使得来自电池81的电力被馈送到瞬态电压抑制器101，该瞬态电压抑制器101为控制单元60的其他组件提供过压和反向电压保护，例如提供对不希望的电压尖峰的保护，如甩负荷。

然后电力从TVS 101馈送到调节器102。该电路使用两个线性调节器102。其中一个稳压器用于导出10V电源以驱动功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)和降压电源104、发声器71和继电器103。另一个稳压器用于产生3.3V电源以驱动电路的其余部分。微控制器64直接由3.3V电源供电，使得当合适的电源(例如电池81)连接到单元60时，不管发动机是否在运行，微控制器64都被加电。继电器103的目的是双重的：首先将输入与输出隔离(主要用于故障条件)；其次为输出电路提供进一步的保护以防止不需要的瞬态电压。继电器由微控制器64的输出控制。

当继电器由微控制器64接通时，其向高侧/低侧MOSFET驱动器供电以形成同步降压电源，其将产生超过90％或更多的转换效率，这减少了由包围控制单元60的铝壳体。

当微控制器通过将单元60连接到诸如电池81的电源而被通电时，微控制器64执行预安装的引导加载程序，该程序可通过通信接口(编程端口)98来更新。这允许在控制单元60和电池1的生命周期期间以及在需要时固件修复和升级。

当电源首次施加到单元60时(例如，通过将单元60连接到电池81)，程序对连接的电池1执行检查以确保其在预期的参数内操作，这包括确保所有电极19、22、30都在电解质之下，如果电解质过低，则会流出异常低的电流，这将通过电解质液位电极30处的高电压来检测，如下所述，并且产生低电解质警示。此后，单元60等待检测操作(运行的发动机)电压。如别处所述，操作电压通常高于标称电池电压，以便电池在发动机运行时充电。如果没有检测到工作电压，即只检测到标称电池电压，程序将持续检查操作电压是否存在。当检测到操作电压时，单元60将经由端口98通过终端会话向单元60的安装者提供适当的显示输出。如果检测到操作电压，则单元60将尝试变为激活并向电池1提供电流以生成电解反应以产生氢和氧气。而且，一旦激活，程序将检查电池1是否在正常操作参数内，例如温度和电解质水平。如果没有，则激活将被中止，并且LED 99和发声器71将指示错误或故障状况。

如果参数在正常操作限制内，则单元60将变为激活并且将落入控制循环中，直到未检测到操作电压或直到发生超出范围事件。在控制回路内部，微控制器64通过其嵌入式程序监控所有采集的数据，并驱动电池1。

在电池信号61的情况下，在微控制器64从预处理和调节单元63接收它们之后，微控制器首先将模拟电池电压信号转换为数字格式。在电池电压信号已被转换为数字格式之后，微控制器64使用它们来控制开关功率控制器65(包括继电器103和具有MOSFET 104的降压电源)以在电源线105、106上向电池1供电以驱动电池。

电池1基于传统的电解单元进行操作，其中正极电压施加到阳极22并施加负电压到阴极19。阴极19和阳极22之间的电势结合电解质溶液使得电流通过电解质溶液在阳极和阴极之间流动。这导致在负极19处产生氢，并且通过电解将在正极阳极22处形成氧气，该电解将水分解成其氢气和氧气的组成部分以形成羟基气体(HHO)。

电解反应的副作用是产生热量，热敏电阻器31用于监测电池1内电解质溶液的温度。热敏电阻器的输出(电解质温度信号66)通过PCB 14和电缆13反馈给控制单元60，电缆13将信号馈送到信号处理和调节单元63，在信号处理和调节单元63处被平滑。单元63然后将平滑信号输出到微控制器64，微控制器64将来自热敏电阻器31的模拟温度信号转换成数字信号，并使用它来监测电解质的温度以确保其不过热。

另外，微控制器64控制继电器103以通过电阻器107向电解质液位电极30提供小电流。提供的电流通常小于1A，优选小于1mA，最优选小于0.5mA。在所描述的示例中，电流为0.24mA，电阻器的电阻为56kΩ。

微控制器64通过线路108和预处理和调节单元63监测电极30处的电势。当电解质高于电解质液位电极30的水平面时，电解质将电流传导到最近的阴极19，并且电极30处的电势与以下成比例：

R(e)/(R(e)+R(r)

其中R(e)是电解质的电阻并且R(r)是功率控制器65中的电阻器的电阻。当阴极接地时，并且如果由功率控制器65施加的电压是例如13.7V的电池电压，则在电极30处检测到的电压大约为2V。

然而，如果电解质液位下降到电极30之下，则电极30不与电解质接触并且处于空气中。因此，电极30和阴极19之间的电连接断开了，没有电流流过电解质。当没有电流流过电解质并且电极30处的电压是13.7V的电池电压时。

在电极30处检测到的电压表示电解质液位信号67并且被馈送到处理和调节单元63，其使信号平滑并且然后将其输出到微控制器64。微控制器64将检测到的电压信号转换为数字信号，然后由微控制器64监控该数字信号。

如上所述，当电池1中有足够的电解质覆盖电解质液位电极30时，在电极30处检测到的电压将约为2V。然而，如果电解质液位降至最低液位51以下并低于电解质液位电极30的水平面，则检测到的电压将增加至约13.7V的电池电压。微控制器64检测到这种变化，因此，如果电极30处的电压上升到电池电压，或者高于2V和电池电压之间的合适阈值，则表明电解质溶液液位过低。微控制器64然后产生并输出低电解质液位警示信号给蓝牙模块68，蓝牙模块68将警示信号发送到驾驶员或操作员状态指示装置70上的蓝牙模块69，以向驾驶员或操作员指示存在故障状况且需要维护。具体而言，即电池必须通过端口6添加更多的电解质溶液。作为替代或者附加，微控制器64也可以通过扬声器装置71激活可听信号。

在这种情况下，微控制器通常仍然通过开关功率控制器65来驱动电池1给定的时长，例如40小时。如果在给定的时间段内没有执行校正动作，则微控制器单元64将对开关功率控制器65进行切换以停止向电池1提供驱动电流，直到由合适的技术人员复位并且采取必要的纠正措施来重新添加电池1中的电解质溶液。这有助于将电池由于低电解质液位而损坏的风险最小化，并且还有助于确保阴极19和阳极22一直被电解质溶液覆盖以优化电解和氢气生产。如果阴极19和阳极22未被完全覆盖，则这将损害电解过程的效率。

氢产生电池1和控制单元60可以与任何合适的内燃机90(见图9)一起使用，例如柴油发动机或燃油(汽油)和LPG发动机。

内燃机90可以安装在固定位置或者在发动机在使用时不打算移动的位置，例如在压缩机或发电机上。

或者，发动机90可成为车辆的一部分，例如陆地车辆、船只或飞机。可能的交通工具的实例是可以使用内燃机的汽车、摩托车、厢式货车、大货车、卡车、拖拉机、火车、小船、轮船、潜艇、飞机或任何其他交通工具。在这种情况下，电池1和电子单元60安装在车辆中的合适位置。例如，这可能是车辆的发动机舱。

优选的是，电池1位于气流源附近，这有助于冷却电池1并且使电池1内的电解质溶液过热的风险最小化。控制单元60可以位于任何合适的位置，但优选位于发动机舱内并且通常靠近电池或其他电源。

状态指示器装置70优选位于例如车辆的仪表板上或与发动机相关联的显示器或操作员面板上。可选地，状态指示器装置70优选地位于车辆的操作员或驾驶员或发动机或发动机供电的设备的操作员容易看到的另一个位置。

在电池1安装在使用发动机的车辆中或设备上后，使用安装支架9，将管道85(参见图9)连接到孔5，并将管道的另一端连接到进气口内燃机90的内燃机91。

在使用中，控制单元60由电池81持续供电并且当发动机未运行时处于持续循环中，检查来自电池81的电压信号61的增加。当发动机90启动时，运行的发动机通常通过交流发电机给电池充电，并且为此必须将施加到电池的电压升高到大于电池的标称电压。例如，如果标称电池电压是12伏特，则施加到电池上以对其充电的电压通常约为13.7伏特。当借助于微控制器64通过信号预处理和调节电子单元63接收的电池电压信号61启动发动机时，控制单元60并且特别是微控制器64检测电池电压的这种增加。以这种方式，通过监测电池电压，微控制器64知道发动机何时起动并且然后可以控制开关功率控制器65(继电器103和具有MOSFET104的降压电源)以向电池1施加功率以驱动电池使电解槽内发生电解产生氢和氧气。在阴极19和阳极21处产生的氢和氧气然后通过电解质鼓泡到单元的顶部并且通过孔5排放到管道85中并且被供给到发动机的空气入口91。当内燃机运行时，空气通过空气入口91被吸入，并且空气流通过空气入口91产生文丘里效应，以通过管道85将羟基气体混合物从电池1吸入空气入口91，从而羟基气体与通过进气口91吸入的空气混合并进入发动机燃烧室。

随着开关功率控制器65产生热量，温度传感器72被结合到开关功率控制器65中，并且来自温度传感器72的输出被输出到微控制器单元64，使得微控制器单元64可以监测开关的温度功率控制器65用于系统保护目的。

图9示出了将电池1和控制单元60结合到内燃机90中的示意图，其中可以看出，控制单元60接收来自车辆电池61的输入并控制电池1(或者可选地两个电池1)。控制单元还可以将信号输出到车内状态指示器70以向车辆的驾驶员或操作员指示故障状况。状态指示器70还可以用于向发动机的驾驶员或操作员指示控制单元60和电池1在正常工作。

微控制器单元64也连接到LED 10。LED 10可以由微控制器64启动以提供错误状况的视觉指示。

本发明的优点在于，通过提供安装在电池1的一侧上的阳极22和阴极19，可以确保阴极19和阳极22完全浸没在电解质溶液中以优化电解作用的效率并且在不暴露阴极和阳极的表面的情况下可以容忍电解质液位的变化，从而保持提高的电解效率。另外，由于阴极19和阳极22仅穿透电池1的壳体的一个侧壁，所以电池1的制造和组装的复杂性降低并且电解质从电池泄漏的可能性也降低阴极19和阳极22的相对端部42、43分别不穿过壳体2的相对侧壁47。然而，由于定位在相对的侧壁中的凹部的定位，阴极19和阳极22的远端由于发动机和/或车辆振动相对于彼此的相对运动减小，同时将电极的远端保持在位置。

此外，电解质液位传感器电极30将电解质液位下降至一定水平的风险最小化，在该液位下，电解质液位下降至在电解液液位下降之前能够产生电解质液位警示信号而使电池1内的电解反应的效率和操作受到损害电池有效运行受损的程度。

Claims (27)

1.一种用于通过电解来产生氢的设备，所述设备包括适于在使用中容纳含水电解质的壳体以及位于所述壳体内的多个电极，所述电极包括多个阴极和多个阳极，每个电极具有第一端部，并且每个电极在第一端部处安装在所述壳体的第一侧壁上，使得所述第一端部在使用中适于连接到电源，并且其中所述电极呈细长部件的形式并且以线性阵列布置，使得每个阳极通过阴极与相邻的阳极分离，并且每个阴极通过阳极与相邻的阴极分离。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电极的远离安装所述电极的一侧的端部位于所述壳体的相对侧壁中的凹部中，而不穿透所述的相对侧壁。

3.根据权利要求1或2所述的设备，所述设备还包括在所述壳体的顶壁中的通风口，以使得在使用中使所产生的氢离开所述壳体。

4.根据前面任意一项权利要求所述的设备，其特征在于，每个电极的所述第一端部穿透所述壳体的所述第一侧壁，并且所述设备还包括密封装置，以在所述电极和所述第一侧壁之间提供基本上水密封。

5.根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述细长部件呈杆的形式。

6.根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述细长部件在其外表面上具有脊状结构。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述脊状结构呈螺纹形式。

8.根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述电极由非反应性金属构成。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述非反应性金属是钛。

10.根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述阳极涂敷有防钝化涂层。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述防钝化涂层是混合金属氧化物和氧化铂中的一种。

12.根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于，每个所述电极通过所述第一端部上的螺纹紧固件来安装在所述壳体的所述第一侧壁上。

13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，每个电极的至少所述第一端部包括螺纹结构，以使所述第一端部能够借助于互补的螺纹紧固件固定到所述壳体，所述互补的螺纹紧固件与所述第一端部上的螺纹结构结合以将每个电极安装在所述第一侧壁上。

14.根据前述任意一项权利要求所述的设备，还包括安装在所述壳体的所述第一侧壁的外侧上的印刷电路板(PCB)，并且其中每个所述电极借助于所述第一部分电耦合到所述PCB上的电触点。

15.根据权利要求14所述的设备，还包括适于耦合到所述第一侧壁以覆盖使用中的所述PCB的盖。

16.一种用于产生氢的设备，所述设备包括适于在使用中容纳含水电解质的壳体；阳极和阴极，所述阳极和所述阴极都安装在所述壳体上，并且每个所述阳极和所述阴极具有第一部分和第二部分，所述第一部分在使用中适于浸入含水电解质中，所述第二部分适于在使用中用于耦合到电路，使得在使用中在阳极和阴极两端施加电势差；并且所述设备还包括安装在所述壳体上的电解质液位电极，所述电解质液位电极具有适于在使用中与所述含水电解质接触的第一部分和适于在使用中与所述电路耦合的第二部分，由此在使用中当含水电解质下降低于阈值水平以使得所述电解质液位电极不与电解质接触时，在所述电解质液位电极处的电势变化由电路检测，并且电路产生低液位电解质信号。

17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，电压的所述变化是电压的增加。

18.根据权利要求16或17所述的设备，其特征在于，当所述设备处于正常使用中时，所述电解质液位电极位于其他电极上方，并且如果电解质液位下降，则所述电解质液位电极是要暴露的第一电极。

19.根据权利要求16至18所述的设备，其特征在于，所述设备还包括与所述电解质液位电极串联的阻抗，并且在所述阻抗、所述电解质液位电极和所述阴极两端施加电压，并且阻抗和电解质液位电极之间的电势由电路检测。

20.根据权利要求16至19中任一项所述的设备，其特征在于，当所述电解质接触所述电解质液位电极时，所述电解质液位电极和所述阴极之间的电压降是所施加的电压的50％或更小。

21.一种用于通过电解来产生氢的设备，所述设备包括适于在使用中容纳电解质的壳体以及位于所述壳体内的多个电极，所述电极包括多个阴极和多个阳极，每个所述电极都具有第一端部并且所有电极借助于所述第一端部和PCB安装在所述壳体的一个部分上，并且PCB安装在所述壳体的所述部分的外侧上，其中每个所述电极借助于所述第一部分电耦合到所述PCB上的电触点。

22.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，所述壳体的所述部分是所述壳体的侧壁。

23.根据权利要求21或22所述的设备，其特征在于，所述第一端部适于在使用中借助所述PCB耦合到电源。

24.根据权利要求21到23任意一项所述的设备，其特征在于，所述电极呈细长部件的形式并且以线性阵列布置，使得每个阳极通过阴极与相邻的阳极分离，并且每个阴极通过阳极与相邻的阴极分离。

25.根据权利要求21至24中任意一项所述的设备，其特征在于，热敏电阻器也电耦合到所述PCB。

26.根据权利要求21至25中任一项所述的设备，还包括也安装在所述壳体的所述部分上并且电耦合到所述PCB的电解质液位感测电极。

27.根据权利要求21至26中任一项所述的设备，其特征在于，所述电极也机械地安装在所述PCB上。