CN113874556A - 用于提高燃料效率的制氢系统和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种可优化的氢气生成系统，用于制造氢气并将氢气作为燃料补充物注入内燃机和/或柴油发动机的进气口。氢气(H2)和氧气(O2)由一对或多对小室产生，以调节供应给发动机的氢气量，同时将氧气排放到大气中。

Description

用于提高燃料效率的制氢系统和装置
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2018年12月19日提交的美国申请US 62/782,202的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。
发明背景
技术领域
本发明总体上涉及氢气制造装置，更具体地，涉及一种便携式氢气补充系统，其可与各种尺寸的内燃机和/或柴油发动机一起使用，以减少排放并提高燃料效率。
背景技术
由于环境问题，废气排放正在成为一个问题。内燃机本质上是低效的。在内燃机中，无论是汽油机还是柴油机，进入燃烧室的燃料在燃烧过程中都不会100％燃烧。所有内燃机的废气都包括一氧化碳、未燃烧的碳氢化合物和氮氧化物。对于汽油发动机，催化转化器用于通过催化化学反应将燃烧产生的一些有毒副产物转化为毒性较小的物质。柴油发动机的燃烧过程与汽油发动机不同。汽油发动机使用火花塞来启动汽油的燃烧，而柴油发动机则依靠压缩来启动柴油燃料的燃烧。由于柴油发动机燃烧过程的不同，柴油发动机的尾气中还含有气体和非常小的颗粒的混合物，如果控制不当，会对健康造成危害。柴油颗粒物是构成柴油机尾气的复杂混合物的一部分。然而，应该注意的是，即使汽油燃烧与柴油燃烧不同，也会产生颗粒物，并且是构成汽油尾气的复杂混合物。
柴油机尾气由气体或颗粒两种相组成，并且两相都有可能造成一定危险。气相由许多城市有害空气污染物组成，例如乙醛、丙烯醛、苯、1,3-丁二烯、甲醛和多环芳烃。颗粒相也有许多不同类型的粒子，可以按大小或组成进行分类。对健康影响最大的柴油颗粒物的大小是属于细颗粒和超细颗粒类别中的那些颗粒物。这些细颗粒和超细颗粒的组成可以由元素碳和吸附的化合物组成，例如有机化合物、硫酸盐、硝酸盐、金属和其他微量元素。柴油机尾气是从广泛的柴油发动机中排放出来的；卡车、公共汽车和汽车的道路柴油发动机以及包括机车、船舶和重型设备在内的非道路柴油发动机。
减少颗粒物的现有技术基于结合颗粒物排气过滤器或使用排气系统，一旦颗粒物到达排气口就尝试将颗粒物燃烧掉。排气过滤器的使用需要主动监测以确定排气过滤器是否已达到其最大容量。此外，燃烧颗粒物的排气系统通常是复杂且昂贵的系统。
氢共燃已被证明可有效减少内燃机和/或柴油发动机中的排放。市场上有许多设备会产生HHO气体，也称为布朗气体，用作汽油和柴油发动机的补充，以减少废气排放。HHO气体由两份氢气和一份氧气组成。这些装置通常包括电解器，该电解器使用诸如氢氧化钾或小苏打之类的电解质将电解水分解成氢氧气体。
然而，从来没有一种系统可以用于所有内燃机和/或柴油发动机，而不管发动机尺寸大小为何。减少排放和提高效率所需的氢气量随发动机的大小而变化。例如，减少小型柴油车的1.6升发动机的排放所需的氢气与校车或军用悍马的6.5升柴油发动机或者可用于发电机、船舶、直升机等的50-100升的发动机所需的氢气显著不同。因此，需要一种便携式氢气补充系统，该系统可与各种尺寸的内燃机和/或柴油发动机一起使用，以减少排放并提高燃料效率。
发明内容
本发明基于以下发现：可以使用模块化方法形成电解器系统，其中，根据所连接的内燃机和/或柴油发动机的氢补充需要，所述电解器系统包括一个或多个筒。
因此，在一个方面，本发明提供了一种用于向内燃机或柴油发动机供应氢气的便携式氢气补充系统。该系统包括一对小室，其中每个小室包括氧基板，该氧基板包括内表面、外表面和多个通孔；第一扩散层，其设置在氧基板的内表面上并与多个通孔流体连通；阳极，其设置在第一扩散层上；膜，其包括第二表面和涂有第一催化剂的第一表面，其中所述膜的第一表面设置在阳极上；阴极，其设置在所述膜的第二表面上；第二扩散层，其设置在阴极上；氢基板，其包括内表面、外表面和配置为使气体从中流过的输出口，所述内表面设置在第二扩散层上；以及间隔件，其设置在氧基板的外表面上。在各种实施例中，所述氧基板的外表面彼此密封连接，从而形成具有间隔件的储液器，所述储液器被配置为容纳水、将水供应到每个小室中并将氧气排出每个小室，其中每个小室的阳极彼此电连接，并且其中每个小室的阴极彼此电连接。在各种实施例中，所述系统的该对小室可以安装在机架中，所述机架被配置为将所述系统安装在具有内燃机或柴油发动机的车辆中。
在各种实施例中，所述系统包括与阳极和阴极电连通的电源，其中当从电源供应电力时，每个小室从水产生氢气和氧气，并且其中氢气从输出端口排出。在各种实施例中，所述膜可以是选择性渗透膜，例如离子交换膜。在各种实施例中，所述膜的第二表面涂覆有第二催化剂，其与第一催化剂可以相同或不同。在各种实施例中，所述第一和第二催化剂独立地选自由铂黑和铱钌氧化物组成的组。
在各种实施例中，所述第一和第二扩散层中的每个层都可以由非导电材料形成，例如编织聚丙烯网。在各种实施例中，所述第一扩散层可以被配置为向氧基板和阳极施加张力，并且所述第二扩散层可以被配置为向氢基板和阴极施加张力。在各种实施例中，所述阳极和阴极中的每个可由编织导电网形成，例如不锈钢网。在各种实施例中，所述间隔件可以作为单个单元在氧基板的外表面上形成。
在各种实施例中，每个小室的输出端口被配置为使氢气流到内燃机或柴油发动机的进气歧管。在各种实施例中，每个小室还包括设置在每个氢基板的外表面上的框架，每个框架被配置为将该对小室彼此密封连接。
所述系统还可以包括收集器，其被配置为从所收集的氢气中分离水。在各种实施例中，所述收集器包括与每个小室的输出端口流体连通的输入端口、配置为使氢气流到内燃机或柴油发动机的进气歧管的输出端口以及配置为流出来自收集器的分离水的液体端口。在各种实施例中，所述收集器还包括设置在外壳内的保护罩，该保护罩与输入端口和输出端口流体连通；与保护罩分离并配置为使水流过液体端口的腔室；设置在保护罩内的阀门，该阀门被配置为使水流入所述腔室；以及设置在保护罩内并固定连接到阀门的浮子，其中该浮子被配置为打开阀门以使分离水从其流过。在各种实施例中，所述系统还包括与液体端口流体连通并被配置为从分离水中过滤杂质的过滤器。在各种实施例中，所述收集器和过滤器中的一者或两者设置在水箱中，该水箱包括输入端口和输出端口并且被配置为向储液器供应流体。
所述系统还可以包括设置在所述水箱的输出端口和储液器之间的泵，该泵被配置为将流体从水箱泵送到储液器。在各种实施例中，所述系统还可包括设置在所述水箱中并与泵电连通的传感器，该传感器被配置为当所述水箱接收预定量的水时向泵供电。在各种实施例中，所述系统还可以包括设置在储液器中并与泵电连通的传感器，该传感器被配置为当储液器中的水达到预定水平时向泵供电。
所述系统还可以包括一对或多对附加小室，其中每对的储液器彼此流体连通，每个氢基板的各输出端口彼此流体连通，每对小室的各阴极彼此电连通，并且每对小室的各阳极彼此电连通。在各种实施例中，通过将第一对的一个氧基板的外表面与另一对的另一氧基板的外表面连接起来的管道提供每个储液器之间的流体连通。
所述系统还可包括设置在车辆中并与系统电连通的控制器。在各种实施例中，所述控制器响应于来自安装在车辆中的传感器产生的信号控制被引导至所述系统阳极和阴极的电力，并且可以在如此设置时进一步控制被引导至泵的电力。在各种实施例中，所述传感器可以安装在车辆的发动机中并且被配置为在发动机运转时检测真空压力。
在另一方面，本发明提供一种用于向内燃机和/或柴油发动机供应氢气的方法。该方法包括向本文提供的便携式氢气补充系统供电，其中收集器的输出端口与车辆的进气歧管流体连通。在各种实施例中，该方法还包括向所述系统的储液器供应水，向所述系统的小室的阴极和阳极供应电力以产生氢气和氧气，将产生的氢气供应到车辆的进气歧管并将产生的氧气排放到大气中，以及将收集的水泵回所述系统的储液器。
附图说明
图1是示出所述系统的示例性实施例的示意图。
图2是示出带有附加组件的所述系统的示例性实施例的示意图。
图3A是示出所述系统中使用的示例性小室对的透视图的示意图。
图3B是示出具有间隔件的示例性小室对的透视图的示意图。
图4A是示出彼此附接并形成储液器的示例性小室对的透视图的示意图。
图4B是示出彼此附接并形成储液器的示例性小室对的透视图的示意图。
图5是示出用于系统中的示例性小室的横截面图的示意图。
图6是示出所述系统的示例性小室的各部件的分解图的示意图。
图7是示出所述系统的示例性收集器的截面图的示意图。
图8是示出具有发动机和安装在其上的系统的车辆的局部截面图的示意图。
具体实施方式
本发明基于以下发现：可以使用模块化方法形成电解器，其中，根据所连接的内燃机和/或柴油发动机的氢补充需要，所述电解器包括一对或多对小室，用于从水产生氢气。
在描述本发明的组合物和方法之前，应理解本发明不限于所述的具体构造、方法和实验条件，因为这些构造、方法和条件能够进行变化。还应该理解，本文使用的术语仅仅是为了描述特定实施例，而不是为了限制，因为本发明的范围将仅限定于所附的权利要求。
除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员的通常理解相同的含义。尽管在本发明的实践或测试中可以使用与本文描述的那些相似或等效的任何方法和材料，但现在描述优选的方法和材料。
如在本文说明书和所附权利要求中所使用的，除非上下文另有明确说明，否则单数形式的“一”、“一个”和“所述”包括复数形式。因此，例如，对“一小室”或“所述小室”的引用包括本领域技术人员在阅读本公开等时显而易见的一个或多个本文所述类型的小室。
与“包含”、“含有”或“以……为特征”可互换使用的术语“包括”是包容性或开放式语言，并且不排除附加的、未列举的元件或方法步骤。短语“由……组成”不包括权利要求中未指定的任何元件、步骤或成分。短语“基本上由……组成”将权利要求的范围限制到指定的材料或步骤以及那些不会实质上影响本发明的基本和新颖性特征的那些材料或步骤。本公开考虑与这些短语中的每一个的范围相对应的本发明组合物和方法的实施例。因此，包括所列举的要素或步骤的组合物或方法考虑了其中组合物或方法基本上由那些要素或步骤组成或由这些要素或步骤组成的特定实施例。
如本文所用的，除非另有说明，否则“或”是指“和/或”。此外，术语“包括(including)”以及其他形式(例如“包括(includes)”和“包括(included)”)的使用不是限制性的。
现在参考图1、2和8，本发明提供了一种用于向内燃机或柴油发动机供应氢气的便携式氢补充系统1，该系统可以牢固地安装在车辆200中或紧邻发电装置(如独立的柴油发电机)的内燃机或柴油机。氢气可被引导至发动机220的进气口，以改善燃料在发动机220的燃烧室中的燃烧。在各种实施例中，根据车辆200的发动机220的需求，可以以特定速率并在特定气体压力值下将氢气引导至进气口(即，进气歧管)230。因此，系统1可以利用真空开关215或其他发动机传感器来调节提供给系统1的电能，并因此，仅当发动机220运行和/或在污染物增加(即空闲时)以一定速度运行时控制氢气产生。
系统1包括至少一对小室10，它们一起形成与一对电解器3相邻并与其流体连通的储液器105，使得储液器105通过重力将水7供应给该对小室10(参见图4A和4B)。在各种实施例中，根据系统所附接的发动机的尺寸，系统1可以包括多于一对的小室10。例如，小型内燃机可能只需要具有单对小室10的系统1，而大型柴油发动机可能需要两对小室10(如图1和图2所示)或更多对来提供足够量的氢气。在使用多于一对小室10的实施例中，每对小室10的每个储液器105可以相互连接，以便在它们之间提供流体连通。在各种实施例中，所述系统还可以包括管子或管道195，该管子或管道195设置在每对小室10的一部分外表面上并且被配置为在每对小室10的每个储液器105之间流过水。在各种实施例中，供应到系统1的水是非电解质水。
所述系统1还包括在电解器3处的阳极12和阴极14，它们被提供为与电源100电连通。所述电源110可以是车辆电气系统(即，车辆的交流发电机和/或车辆的电池)、独立电池、太阳能电池或它们的任何组合。因此，当以电压的形式提供电力至系统1的阳极12和阴极14时，在储液器105中提供水，电解器3在所产生的电场的影响下形成质子、电子和气态氧。气态氧以气泡形式通过储液器105离开电解器3，而质子在所施加电场的影响下移动通过电解器3并且电子移动通过其中产生的电路。质子和电子在带负电荷的电极(即阴极70)处结合，形成纯气态氢，通过输出端口95排出。然后，小室对10的每个小室5的输出端口95可以组合成单个氢气供应管115，其可以被配置为将气态氢气输送到车辆的发动机。
现在参考图3A、3B、4A和4B，通过将来自小室对10的一个小室5的氧基板15密封连接至另一个小室的氧基板15上而形成小室对10。因此，每个小室对10可被理解为包括将水供给到一对电解器3的单个储液器105，其中每个电解器在每个小室内形成。
现在参考图5和6，每个小室5包括具有内表面20、外表面25和穿过其中设置的多个通孔30的氧基板15。通孔30被配置为允许水从储液器105流入每个小室的电解器3。氧基板15可由任何刚性非导电材料形成，例如塑料、玻璃或涂覆有非导电层(例如塑料层)的金属。在各种实施例中，氧基板15由聚碳酸酯形成。
第一扩散层35设置在氧基板15的内表面20上并且与多个通孔30流体连通。第一扩散层35的尺寸和形状可以设计为覆盖多个通孔30并且可以向氧基板15的外边缘延伸。在各种实施例中，第一扩散层35可以由非导电材料形成，例如编织或非编织材料，前提是第一扩散层35被配置为捕获和保持水滴(例如，通过表面张力)同时还在氧基板15和小室5的下一层之间提供张力，以最大化小室5的各层之间的表面接触面积(见图6)。在各种实施例中，第一扩散层35可由编织聚丙烯形成。
阳极40设置在第一扩散层35上。阳极40的尺寸和形状可以被设计成基本上覆盖第一扩散层35并且可以包括延伸超过氧基板15的外表面25的阳极延伸部42。在各种实施例中，阳极40可由导电材料形成，例如金属丝网。在各种实施例中，阳极40由不锈钢丝网形成。因此，当小室5完全组装好时，第一扩散层35被配置为向氧基板15和阳极40施加张力，以最大化阳极40和小室5的下一层之间的表面接触面积。
设置在阳极40上的是膜45，其具有第一表面47和第二表面49，其中第一表面47设置为与阳极接触。膜45通常是选择性渗透膜，例如离子交换膜。在各种实施例中，膜45可以是包含磺酸基团(SO3H)的含氟聚合物膜。这种膜是从特拉华州威明顿市的E.I.du Pont deNemours and Company商业购得的，其商品名为
Figure BDA0003219304020000051
这种膜允许离子的快速转移，同时对气体，如氧气和氢气，基本上是不可渗透的。不受理论的束缚，磺酸基很容易通过以下等式以带正电的原子或质子的形式释放它们的氢：SO3H→SO3 -+H+。这些离子或带电形式允许水渗透到膜结构中但不允许产物气体，即分子氢H2和氧O2。得到的水合质子H3O+.可自由移动，而磺酸根离子SO3 -保持固定在膜45的聚合物侧链上。因此，当横跨膜45施加电场时，水合质子被吸引到带负电的电极(即，阴极70，如下所述)。由于移动电荷与电流相同，因此膜45充当电导体。因此，膜45用于在小室5内分离反应物和传输质子。
在各种实施例中，膜45的第一表面47可以用第一催化剂55处理或涂覆，使得第一催化剂设置在阳极40和膜45的第一表面47之间。第一催化剂55可以通过本领域已知的用于表面改性的任何方法施加到膜45的第一表面47。例如，可以由第一催化剂55形成浆液，并且可以将所得浆液油漆、喷涂或接枝到膜的第一表面47上。同样，膜45的第二表面49可以用第二催化剂65处理，使得第二催化剂65设置在膜45和小室5的下一层之间。与第一催化剂55一样，第二催化剂65可以通过本领域已知的用于表面改性的任何方法施加到膜45的第二表面49。应当理解，虽然附图示出了第一催化剂55和第二催化剂65两者的结合，但是小室5可以仅使用第一催化剂55或仅使用第二催化剂65形成。可用于第一催化剂55和第二催化剂65的示例性材料包括但不限于铂黑和铱钌氧化物。尽管附图例示了第一催化剂55和第二催化剂65中的每个使用不同材料形式，但是应当理解，第一催化剂55和第二催化剂65可以由相同材料形成。
设置在膜45的第二表面上的是阴极70。然而，在包含设置在膜45的第二表面49上的第二催化剂65的实施例中，可以理解的是，第二催化剂65设置在膜45的第二表面49和阴极70之间。与阳极40一样，阴极70的尺寸和形状可以设计成基本上覆盖膜45，并且可以包括延伸超出氧基板15的外表面25的阴极延伸部72。在各种实施例中，阴极70可由导电材料形成，例如金属丝网。在各种实施例中，阴极70由不锈钢丝网形成。
第二扩散层75设置在阴极70上。与第一扩散层35一样，第二扩散层75的尺寸和形状可以设置为覆盖或基本覆盖阴极70并且可以向氧基板15的外边缘延伸。在各种实施例中，第二扩散层75可以由非导电材料形成，例如编织或非编织材料，并且可选地，可以类似地配置为捕获和保持水滴(例如，通过表面张力)同时还在阴极70和小室5的下一层之间提供张力，以进一步增加小室5的各层之间的表面接触面积(见图6)。在各种实施例中，第二扩散层75可由编织聚丙烯形成。
设置在第二扩散层75上的是氢基板80，其具有内表面85、外表面90和输出端口95，其中输出端口95是穿过其设置的通孔。输出端口95被配置为使由施加到阳极40和阴极70的电压产生的气态氢流出小室5。因此，氢基板80的内表面85被设置为与第二扩散层75接触。因此，第二扩散层75可以被配置为在阴极70和小室5的氢基板80之间提供额外的张力，以进一步增加小室5的各层之间的表面接触面积(见图6)。与氧基板15一样，氢基板80可由任何刚性非导电材料形成，例如塑料、玻璃或涂覆有非导电层(例如塑料层)的金属。在各种实施例中，氢基板80由聚碳酸酯形成。
如图3A和3B所示，氧基板15的内表面20和氢基板80的内表面85可以彼此密封连接，上述各层夹在它们之间(参见图6)。任何已知的用于将氧基板15和氢基板80所用的材料彼此连接的方法都可以在本文中使用，前提是所得连接是防水的，以防止小室5的意外泄漏。例如，可以使用环氧类胶(即，环氧树脂)或其他已知粘合剂，通过将材料彼此熔合(例如，使用定向加热或激光)，或者通过使用围绕每个基板的外周设置的粘合膜或粘合胶带，将氧基板15和氢基板80彼此结合，以形成防水密封。在各种实施例中，粘合膜或粘合胶带92(例如3M VHB 4905和/或VHB 4910)被施加到氢基板80的内表面85的外周。应当理解，可以使用多层粘合膜或粘合胶带92来计算由小室5的上述各层形成的厚度。所得的单个小室5随后可以彼此匹配，使得一个小室5的氧基板15的多个通孔30面向另一个小室5的氧基板15的多个通孔30，从而形成一对小室10。
如图3B所示，小室对10还可以包括一个或多个间隔件100，其设置在小室对10的一个或两个氧基板15的外表面25上。应当理解，虽然图3B示出了设置在一个小室5的外表面25上的三个间隔件100，但可以使用任何合理数量的间隔件100。间隔件100可由任何刚性非导电材料形成，例如玻璃、塑料或涂有塑料层的金属。在各种实施例中，间隔件100由与氧基板15的材料相同的材料形成，并且可以进一步集成到氧基板15的外表面25中，使得间隔件100和氧基板15形成为单个单元。应当理解，在一个小室5上形成的间隔件100的数量可以不同于在小室对10中的另一个小室5的氧基板15的外表面25上形成的间隔件100的数量。例如，一个小室5的氧基板15的外表面25可以形成有两个间隔件100，而另一个小室5的氧基板15的外表面25可以形成有一个间隔件。类似地，一个小室的氧基板15的外表面25可以形成有单个间隔件100，而另一个小室的氧基板15的外表面25可以形成为没有间隔件100。
因此，如图4A和4B所示，当一个小室5的氧基板15的外表面25与另一个小室5的氧基板15的外表面25配合时，间隔件100使两个氧基板15的至少一部分发生位移(即，弯曲)以在其间形成储液器105，并且还用于增加阳极40和阴极70与膜45的表面接触面积。因此，形成储液器和增加表面接触所需的间隔件100的数量可以从一个到三个或更多不等。每个小室的氧基板15可以使用任何已知的方法将形成氧基板15的材料密封地相互连接，前提是所形成的连接是防水的，以防止小室对的意外泄漏。在间隔件100未与氧基板15的外表面15一体形成的实施例中，间隔件100可在一个小室5密封连接到另一个之前、期间或之后插入每个小室5的相应氧基板15之间。在各种实施例中，小室对10还可包括围绕每个小室5的氢基板80的外表面90的外周设置的框架110。当如此使用时，框架110可被配置为向每个氧基板15施加额外的压缩力，以确保一个小室5与另一个的防水连接。在各种实施例中，框架110可以形成为一对单个单元，每个单个单元围绕氢基板80的外表面90的外周设置，或者每个框架110可以由围绕氢基板80的外表面90设置的多个单元(如图所示)形成。所述框架还可包括多个紧固件112，其被配置为密封地横穿每个小室5的氢基板80和氧基板15。
一旦形成具有对应储液器105的一对小室10，每个小室5的阳极延伸部42可以彼此电结合，从而形成用于该对小室10的单个阳极/电极12。例如，第一小室5的阳极延伸部42可以在该对中的第二小室5的氢基板80的方向上折叠，而第二小室5的阳极延伸部42朝向第一小室5的氢基板80折叠，并且两个阳极延伸部42可以彼此结合。因此，小室对10的所得单个阳极12将位于小室对10的侧表面18上。同样，每个小室5的阴极延伸部72可以彼此电结合，从而形成用于小室对10的单个阴极/电极14。与阳极延伸部42一样，第一小室5的阴极延伸部72可以在该对中的第二小室5的氢基板80的方向上折叠，而第二小室5的阴极延伸部72朝向第一小室5的氢基板80折叠，并且两个阴极延伸部72可以彼此结合。因此，小室对10的所得单个阴极14将位于小室对10的侧表面24上。在各种实施例中，小室对10的每个侧表面(18和24)彼此相对。可以使用用于电结合两种金属材料的任何方法来分别结合阳极和阴极延伸部(42、72)。例如，假设在每对相应的延伸部(42、72)之间存在电连通，则相应的延伸部(42、72)可以使用焊接、钎焊或通过导电粘合剂来结合。
在系统1的操作期间，当氢气和氧气分别从一对小室10的输出端口95和储液器105排出时，氢气和氧气中含有少量水7。可以预料，当氧气排放到大气中时，氧气中包含的水分被储液器105中包含的残余水7捕获。为了解决氢气中所含的水，如图2所示，系统1还可以包括收集器120，该收集器120设置为与系统1的氢气供应管115流体连通并被配置为在氢气被供应到发动机220的进气歧管230之前从收集的氢气中分离水。在各种实施例中，收集器120还可被配置为在将氢气流到车辆的发动机之前将氢气储存在其外壳122内。如图7所示，收集器120包括外壳122、输入端口130、输出端口135和液体端口145。输入端口130设置为与每个小室5的输出端口95流体连通，例如，通过氢供应管115。输出端口135被设置为与发动机的进气歧管流体连通并且被配置为使干燥或基本干燥的氢气流到发动机的进气歧管。液体端口145设置在外壳122内并且被配置为将分离的水147流出收集器120。在各种实施例中，液体端口145被设计为与系统的储液器105流体连通，以将分离的水再循环回到系统中以产生额外的氢气。收集器120还可包括设置在外壳122内的保护罩140，其中保护罩140被设置成与其输入端口130和输出端口135流体连通。这样，分离水147通过重力流到保护罩140的底部并被收集在其中直到收集到预定量的分离水147。保护罩140内可以设置阀门150，该阀门被配置为使水流入腔室152，该腔室152与保护罩分离并且被配置为使分离水147流过液体端口145。浮子155固定连接到阀门150，该浮子被配置为当分离水147的水位达到相对于保护罩140的底部的预定高度时打开阀门。当阀门150打开时，分离水147可以流过液体端口145。
回到图2，系统1还可包括过滤器165，其设置为与收集器120的液体端口145流体连通。过滤器165可整合到系统1中以在将水再循环回到系统1的储液器105之前过滤分离水147中的任何杂质。因此，如图所示，收集器120和过滤器165可以设置在固定安装在车辆中的水箱170中。水箱170可以具有输入端口172和输出端口180，其中水箱170被配置为接收和储存要供应到系统1的储液器105的水。这样，在收集器120和过滤器165设置在水箱170内的实施例中，过滤器165可以将从收集器120接收的分离水直接供应到要提供给储液器105的水供应处。该系统还可包括设置在水箱170的输出端口180和系统的储液器105之间的泵185。在各种实施例中，泵185被布置成经由管道182使水箱170和储液器105之间流体连通。该泵可以设置为与系统1的电源100电连通，并且可以被配置为在以下情况下将水从水箱泵送到储液器105：(i)水箱接收预定量的水；(ii)当储液器中的水量达到预定水平时(并且因此系统需要额外的水)；或(iii)车辆发动机对氢气的需求使得由于使用该系统而导致储液器105内的水不断减少。因此，所述系统还可包括设置在所述水箱中并与泵电连通的传感器300，该传感器300被配置为当所述水箱170接收预定量的水时向泵185供电。同样地，系统1还可以包括设置在储液器105中并与泵185电连通的传感器310，传感器310被配置为当储液器105中的水达到预定水平时向泵185供电。可以理解，系统1可以包括一个或多个上述传感器，其可以被配置为串联或独立地向泵185供电。
如图8所示，系统1可以固定地安装在车辆200的发动机220附近。系统1可包括机架或支架205，其被配置为将系统牢固地固定在原位，同时免于由移动发动机220或车辆200的各部件造成的可能损坏。因此，系统1的小室对10可以安装成允许容易地维修系统1的各种部件。例如，该小室对10可以安装成能容易接近该对小室10的储液器105，以方便在不使用单独的水箱170的配置中添加水。在各种实施例中，所述系统还可以包括整合到车辆200中或设置在车辆200内的控制器210，其中控制器210与电源100电连通。当控制器210被整合并入系统1中时，泵185(如果使用)和所有传感器(300、310、真空开关215和/或其他发动机传感器)都将与控制器210电连通，使得控制器210被配置为响应于从一个或多个传感器接收的信号向系统1的阳极12和阴极14和/或泵185供电。
当发动机220上的负载不超过预定水平并且由系统1产生并供应给发动机220的氢气量落在预设范围时，所述便携式氢气补充系统1在汽油或柴油发动机中以最佳方式运行。在运行中，根据发动机的运行特性，随着发动机220上的负载增加，对氢气的需求可以增加或减少。此后向系统1供电以在每个小室5的电解器3内产生电场，从而从供应的水中产生氢气和氧气。如上所述，所述产生的氢气被引导至发动机220的进气歧管230，而所产生的氧气被排放到大气中。
虽然已经参考上述公开描述了本发明，但是应当理解，各种修改和变化包括在本发明的实质和范围内。因此，本发明仅受所附权利要求的限制。

Claims (27)

1.一种用于供应氢气的便携式氢气补充系统，包括一对小室，每个小室包括：
(a)氧基板，其包括内表面、外表面和多个通孔；
(b)第一扩散层，其设置于氧基板的内表面并与多个通孔流体连通；
(c)阳极，其设置于第一扩散层上；
(d)膜，包括涂有第一催化剂的第一表面，以及第二表面，其中所述膜的第一表面设置在阳极上；
(e)阴极，其设置在所述膜的第二表面上；
(f)第二扩散层，其设置于阴极上；
(g)氢基板，其包括内表面、外表面和配置为使气体从其流过的输出端口，所述内表面设置在第二扩散层上；以及
(h)间隔件，其设置在氧基板的外表面上，
其中，所述氧基板的外表面彼此密封连接，从而形成具有间隔件的储液器，所述储液器被配置为容纳水、将水供应到每个小室中并将氧气排出每个小室，其中每个小室的阳极彼此电连接，并且其中每个小室的阴极彼此电连接。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括与阳极和阴极电连通的电源，其中当从电源供应电力时，每个小室从水产生氢气和氧气，并且其中氢气从输出端口排出。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述膜是选择性渗透膜。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述膜是离子交换膜。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述膜的第二表面涂覆有第二催化剂。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一和第二催化剂独立地选自由铂黑和铱钌氧化物组成的组。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二扩散层由非导电材料形成。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一和第二扩散层由编织聚丙烯网形成。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一扩散层被配置为向所述氧基板和所述阳极施加张力，并且所述第二扩散层被配置为向所述氢基板和所述阴极施加张力。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述阳极和阴极均由编织导电网形成。
11.根据权利要求10所述的系统，其中编织网由不锈钢形成。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述间隔件形成在所述氧基板的外表面上。
13.根据权利要求1所述的系统，其中每个小室的输出端口被配置为使氢气流到内燃机或柴油发动机的进气歧管。
14.根据权利要求1所述的系统，其中每个小室还包括设置在每个氢基板的外表面上的框架，每个框架被配置为将该对小室彼此密封连接。
15.根据权利要求1所述的系统，还包括被配置为从收集的氢气中分离水的收集器，所述收集器包括：
(a)输入端口，其与每个小室的输出端口流体连通；
(b)输出端口，其被配置为使氢气流到内燃机或柴油发动机的进气歧管；以及
(c)液体端口，其被配置为从其流出分离水。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述收集器还包括：
(d)设置在外壳内的保护罩，该保护罩与输入端口和输出端口流体连通；
(e)腔室，其与防护罩分离并被配置为使水流过液体端口；
(f)设置在保护罩内的阀门，该阀门被配置为使水流入腔室；以及
(g)浮子，其被设置在保护罩内并固定连接到阀门，其中所述浮子被配置为打开阀门以使分离水经其流过。
17.根据权利要求15所述的系统，还包括与所述液体端口流体连通并被配置为从分离水中过滤杂质的过滤器。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述收集器和过滤器中的一者或两者设置在水箱中，所述水箱包括输入端口和输出端口并且被配置为向储液器供应流体。
19.根据权利要求18所述的系统，还包括设置在所述水箱的输出端口和所述储液器之间的泵，所述泵被配置为将流体从所述水箱泵送到所述储液器。
20.根据权利要求19所述的系统，还包括设置在所述水箱中并与所述泵电连通的传感器，所述传感器被配置为当所述水箱接收到预定量的水时向所述泵供电。
21.根据权利要求19所述的系统，还包括设置在所述储液器中并与所述泵电连通的传感器，所述传感器被配置为当所述储液器中的水达到预定水平时向所述泵供电。
22.根据权利要求1所述的系统，还可以包括一对或多对附加小室，其中每对的储液器彼此流体连通，每个氢基板的各输出端口彼此流体连通，每对小室的各阴极彼此电连通，并且每对小室的各阳极彼此电连通。
23.根据权利要求22所述的系统，其中通过将第一对的一个氧基板的外表面与另一对的另一氧基板的外表面连接起来的管道提供每个储液器之间的流体连通。
24.根据权利要求1所述的系统，其中成对小室被安装在机架中，所述机架配置为将所述系统安装在具有内燃机或柴油发动机的车辆中。
25.根据权利要求24所述的系统，还包括设置在车辆中并与所述系统电连通的控制器，其中控制器响应于安装在车辆中的传感器产生的信号来控制被引导至所述系统的阳极和阴极的电力。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述传感器安装在车辆的发动机中，所述控制器传感器被配置为在发动机运转时检测真空压力。
27.一种向发动机供应氢气的方法，包括：
(a)在车辆中提供权利要求19所述的系统，其中收集器的输出端口与车辆的进气歧管流体连通；
(b)向所述系统的储液器供应水；
(c)向所述系统的各小室的阴极和阳极供电，以产生氢气和氧气；
(d)将产生的氢气供应到车辆的进气歧管并将产生的氧气排放到大气中；以及
(e)将收集的水泵回系统的储液器。
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