ES2728901T3 - Reactor electroquímico para la producción de gas oxihidrógeno - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un reactor electroquímico que se compone de un recipiente en forma de cubo, una tapa de cierre hermético que conforma una proyección triangular que define una forma de "V" para lograr el aislamiento de las celdas internas, que albergan en su interior una solución electrolítica y un conjunto de placas conductoras dispuestas paralelamente y separadas entre sí por un aislamiento, las placas son soldadas a unas varillas conductoras para su alimentación eléctrica, de forma que se genera gas oxihidrógeno en el interior del reactor, el cual sale por la parte superior del reactor hacia un circuito de conductos previstos, en el cual la mezcla gaseosa se va enfriando y deshumidificando, de manera que el agua condensada se dirige nuevamente al reactor, y la presión de la mezcla de gas 'seca' genera que el gas salga por las válvulas superiores; el diseño de la tapa y su mecanismo de sellado y apertura mediante mordazas permite que el reactor se rellene fácilmente de agua garantizando el mismo nivel en todas sus celdas por el efecto de vasos comunicantes; la salida del gas está provisto de un dispositivo de seguridad antiexplosión y filtrado de vapores, consiste de una serie de cilindros verticales herméticos que contienen agua en su interior hasta una altura considerada, y el gas, producto de la electrólisis, se hace pasar a través del agua, generando un burbujeo que permite separar el flujo continuo de gas.

Description

DESCRIPCIÓN

Reactor electroquímico para la producción de gas oxihidrógeno

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un reactor electroquímico para la producción de oxihidrógeno, específicamente a una estructura de forma prismática cuyo objetivo primordial es generar una mezcla de gas hidrógeno y oxígeno en una proporción de 2 a 1 a partir de agua y energía eléctrica; la mezcla es producida en demanda y no se almacena.

Antecedentes de la invención

La energía más utilizada en el mundo es la energía fósil. Si se considera todo lo que está en juego, es de suma importancia medir con exactitud las reservas de combustibles fósiles del planeta. Se distinguen las “reservas identificadas” y las “reservas probables”, que se podrían descubrir con las tecnologías futuras. Según los cálculos, el planeta puede suministrar energía durante 40 años más (si sólo se utiliza el petróleo) y más de 200 (si se sigue utilizando el carbón).

Los combustibles fósiles se pueden utilizar en forma sólida (carbón), líquida (petróleo) o gaseosa (gas natural). Son acumulaciones de seres vivos que vivieron hace millones de años y que se han fosilizado formando carbón o hidrocarburos. En el caso del carbón se trata de bosques de zonas pantanosas, y en el caso del petróleo y el gas natural de grandes masas de plancton marino acumuladas en el fondo del mar. En ambos casos la materia orgánica se descompuso parcialmente por falta de oxígeno y acción de la temperatura, la presión y determinadas bacterias de forma que quedaron almacenadas moléculas con enlaces de alta energía.

Las energías renovables han constituido una parte importante de la energía utilizada por los humanos desde tiempos remotos, especialmente la solar, la eólica y la hidráulica.

Con el invento de la máquina de vapor por James Watt, se van abandonando estas formas de aprovechamiento, por considerarse inestables en el tiempo y caprichosas y se utilizan cada vez más los motores térmicos y eléctricos, en una época en que el todavía relativamente escaso consumo, no hacía falta prever un agotamiento de las fuentes, ni otros problemas ambientales que más tarde se presentaron.

Hacia la década de los 70's las energías renovables se consideraron una alternativa a las energías tradicionales, tanto por su disponibilidad presente y futura garantizada (a diferencia de los combustibles fósiles que precisan miles de años para su formación) como por su menor impacto ambiental en el caso de las energías limpias, y por esta razón fueron llamadas energías alternativas. Actualmente muchas de estas energías son una realidad.

Es aquí donde cae la presente invención, la cual deriva de investigación, desarrollo, fabricación, fomentación y utilización de los generadores de gas oxihidrógeno, llamado también gas de Brown en honor a su descubridor Yull Brown, usado como combustible y que puede utilizarse en cualquier aplicación donde sea factible el uso de éste combustible, a cambio de los combustibles fósiles o en combinación con estos últimos.

En distintos países hay muchos investigadores que intentan desarrollar modelos generadores de hidrógeno con características de buena eficiencia y alta producción de gas, existen distintos diseños, formas, materiales, parámetros de construcción, concentraciones de electrolito y químicos utilizados como electrólito, y con lo que se lucha constantemente es en mantener la eficiencia de los equipos.

Se realizó una investigación para determinar el estado de la técnica y se encontraron los siguientes documentos:

Se encontró la patente US 6338786 B1 de Steven J. Thorpe et. al. presentada el 16 de julio de 1999, la cual se refiere a un método mejorado de separación de gas de hidrógeno producido con una primera solución electrolítica acuosa de un electrolizador de agua para la producción de dicho hidrógeno y dicho gas oxígeno arrastrado con una segunda solución electrolítica acuosa. La producción de gas hidrogeno comprende dos fases en una primera descarga de flujo de solución electrolítica; producir una segunda descarga de flujo de dos fases de dicho gas de oxígeno en dicha segunda solución; alimentar dicha primera descarga a una cámara de separación que tiene una primera parte que define una cámara de hidrógeno para efectuar la separación de dicho gas de hidrógeno a partir de dicha primera descarga; alimentar dicha segunda descarga a una cámara de separación que tiene una segunda porción que define una cámara de oxígeno para efectuar la separación de dicho gas de oxígeno a partir de la segunda descarga; recoger el gas de hidrógeno a partir de la cámara de hidrógeno; recoger el gas de oxígeno de la cámara de oxígeno; recoger el gas de la primera descarga; recoger el gas de la segunda de descarga. La mejora en la que al menos una de dichas primera descarga se descarga en dicha cámara de hidrógeno y dicha descarga se descarga en dicha cámara de oxígeno.

Se detecta que este dispositivo presenta la desventaja que se requiere de dos flujos de solución electrolítica, una primera para obtener hidrogeno y una segunda para obtener oxigeno.

Otra desventaja detectada es que el aparato requiere de dos cámaras una primera cámara de separación que tiene una parte que define una cámara de hidrógeno; una segunda cámara de separación que tiene una parte que define una cámara de oxígeno y medios para recoger los gases.

Otra desventaja detectada es que no menciona el tipo de electrolito óptimo para la generación de oxihidrógeno de alta calidad.

También se encontró la patente US 20120103796 A1 de Kenji Taruya et. al. presentada el 22 de septiembre del 2011, la cual se refiere a un sistema de electrólisis de agua que incluye un aparato de electrólisis de agua a alta presión y un dispositivo de separación de gas-líquido. El dispositivo de separación de gas-líquido incluye un miembro de bloqueo que incluye una abertura de separación gas-líquido y una abertura de detección del nivel de agua. La apertura de separación de gas-líquido y la abertura de detección de nivel de agua se extienden verticalmente e incluye respectivas porciones inferiores que comunican una sola pieza con un tubo de descarga. El tubo de descarga está dispuesto en una porción lateral inferior del elemento de bloque. La apertura de detección del nivel de agua incluye una parte superior y una sección de detección de nivel superior del agua. El miembro de bloque incluye además un orificio de entrada en la que se introduce el hidrógeno desde el dispositivo de electrólisis de agua a alta presión. El orificio de entrada está dispuesto en una porción lateral superior del elemento de bloque. El orificio de entrada está situado por encima de la sección de detección de nivel de agua superior de la abertura de detección de nivel de agua.

Se detecta que éste dispositivo presenta la desventaja de que no revela la composición del electrolito.

Otra desventaja detectada es que el dispositivo de electrólisis del agua en la producción de gas de hidrógeno utiliza una membrana de electrolito de polímero sólido (membrana de intercambio iónico), en lugar de un electrolito líquido, para descomponer el agua.

Otra desventaja detectada es que el sistema de electrólisis de agua comprende un cuerpo sustancialmente cilíndrico de vidrio, el cual se puede romper con facilidad debido al tipo de material.

Otra desventaja detectada es que el dispositivo presenta un miembro de bloque metálico que tiene una abertura que acomoda el cuerpo de vidrio, el tipo de metal es altamente corrosivo y se requiere dar mantenimiento constantemente.

También se encontró la publicación internacional WO 2012056751 A1 de Toshiaki Suzuki respecto de la solicitud presentada el 08 de abril del 2011, la cual se refiere a un dispositivo de electrólisis del agua que tiene una excelente capacidad de tratamiento de la electrólisis del agua sin aumentar el tamaño del dispositivo o incurrir en mayor costo del equipo, y para proporcionar un aparato de suministro de combustible económico, seguro, y respetuoso del medio ambiente mediante el uso del dispositivo de electrólisis del agua, este dispositivo de electrólisis de agua está configurado para electrolizar agua en un baño electrolítico en el que se aloja una pluralidad de placas de electrodos, producir una mezcla de gas de hidrógeno y oxígeno, y descarga la mezcla de gas generado, en el que la temperatura de una solución electrolítica se detecta por temperatura de la solución electrolítica y el número de placas de electrodos que contribuyen a la electrólisis entre la pluralidad de placas de electrodos se aumenta o disminuye en función de la temperatura de la solución electrolítica detectada por la temperatura de la solución electrolítica.

Se detecta que dicho dispositivo presenta un muelle helicoidal de miembro elástico que empuja a las placas de electrodo que se encuentran en los extremos interiores de la pluralidad de electrodos, esto provoca que dichas placas requieran ser fabricadas de un espesor mayor para que no se rompan, este empuje provoca que las placas deben ser revisadas constantemente para ver su funcionalidad.

Otra desventaja detectada es que en el sistema de enfriamiento se compone de tubería de enfriamiento y un ventilador de enfriamiento en ambos extremos de la tubería de enfriamiento, esto hace más tardado y por lo tanto menos eficiente el enfriamiento del dispositivo, ya que es enfriado por aire.

También se encontró la patente US 8168047 B1 de Jerry Smith, Littleton presentada el 29 de octubre del 2008, la cual se refiere a una célula de electrólisis de HHO montado en un vehículo para la creación de hidrógeno. El hidrógeno se mezcla con el suministro de combustible de un vehículo para una mayor economía de combustible. La célula de electrólisis incluye una carcasa de la célula para la retención de agua. Una pluralidad de placas de electrodos positivo montadas dentro de la carcasa de la célula y se une a un polo positivo montado en la parte superior de la carcasa de la célula. El polo positivo está adaptado para la conexión a la fuente de energía eléctrica de un vehículo. Una pluralidad de placas de electrodos negativos están montados dentro de la carcasa e indexados en una relación de separación entre cada una de las placas de electrodos positivos. Las placas de electrodos negativos están asociadas a un polo negativo montado en la parte superior de la carcasa de la célula. El polo negativo está también adaptado para la conexión a la fuente de energía eléctrica de un vehículo. Las placas de electrodos negativos están unidos a una varilla de placa móvil montado dentro de la carcasa de la célula. Un extremo de la barra móvil está adaptado para su fijación a un conjunto de articulación conectado al sistema de combustible de un vehículo. A medida que el vehículo acelera, la varilla mueve las placas negativas hacia las placas positivas, aumentando así la cantidad de la electrólisis del agua en la carcasa de la célula y por lo tanto el aumento de la cantidad de hidrógeno generado en el mismo. El hidrógeno es descargado a un puerto de combustible de hidrógeno en la parte superior de la carcasa de la célula para el sistema de combustible.

Este dispositivo presenta la desventaja que requiere de un vehículo para ser accionado y provocar una rotación que mueve una barra que a su vez mueve las placas negativas hacia las placas positivas, aumentando así la cantidad de la electrólisis del agua en la carcasa de la célula y por lo tanto el aumento de la cantidad de hidrógeno generado.

Otra desventaja detectada es que como se requiere de un movimiento rotatorio se requiere de una constante supervisión para realizar mantenimiento preventivo y correctivo de la barra y las placas que giran, debido a que pueden sufrir deterioros frecuentes en tiempos cortos. Otra desventaja detectada en que es diseñado exclusivamente para ser acoplado a vehículos de combustión interna con la finalidad de disminuir su consumo de combustible.

También se encontró la solicitud internacional WO 2012049689 A2 de Thakore Pratik presentada el 10 de octubre del 2011, la cual propone un controlador para la regulación de la producción de gas detonante de agua con la disposición de electrodos con ventilación asimétricamente de módulos electrolizador. El electrolizador tiene electrodos con arreglo asimétrico o no lineal de ventilación de entrada de agua para el flujo de agua en el nivel inferior. Las rejillas de ventilación de entrada de agua son de menor proporción que los difusores de salida de gas. Los difusores de salida de gas con arreglo asimétrico o no lineal para el flujo de gas a nivel superior de los electrodos en la unidad celular electrolizador dispuesto en alternativa de electrodos bipolares en forma de tubo. Los orificios de ventilación asimétricas están dispuestos a la distancia máxima entre el (Vent Salida de gas) GOV y la ventilación de entrada de agua (WRV) en el mismo tubo de electrodo o forma de la placa para evitar la fuga de corriente entre los electrodos. La disposición asimétrica no permite el flujo de agua entre la placa de electrodo en una sola línea y la disposición asimétrica no lineal no permite el flujo de gas en una sola línea. Por lo tanto aumenta la eficiencia global y reduce las pérdidas de calor. Esto elimina la necesidad del sistema de control de la temperatura. El electrolizador está en forma modular de la serie y la combinación en paralelo con el controlador electrónico para la alimentación de cc con frecuencia de conmutación de los transistores de potencia para regular la salida de gas para adaptarse a diversas aplicaciones.

Se detecta que este dispositivo presenta la desventaja de solo puede ser alimentada con corriente continua para que pueda realizar su función.

Se ubicó también la solicitud de patente WO 2011158153 (A1), de Fong Sze Chun y Lam Chi Long Daniel del 15 de junio de 2011 que básicamente consiste en un sistema diseñado para hacer más eficiente la combustión de motores a través de cuatro etapas, la primera consiste en la adquisición de los datos del motor de combustión interna de inyección a través de al menos un sensor, como pueden ser el MAP/MAF/Oxigeno/TPS, la segunda parte transforma estos datos para finalmente en la tercer etapa tomar las acciones de control modificando la inyección de combustible al motor y la inyección de oxihidrógeno proveniente de una unidad generadora con electrodos de acero inoxidable y electrolito, en donde se monitorea y regula su temperatura, presión y nivel de líquido. La información se transmite al usuario mediante indicadores sobre el estatus del sistema. Por otra parte el sistema se conecta a una especie de computadora o sistema electrónico adicional para la visualización de los parámetros del generador de oxihidrógeno y de los sensores del motor y que el instalador pueda manipular la configuración de la unidad de control y el generador para establecer el flujo de oxihidrógeno.

El sistema envía un aviso de mantenimiento por fuga del gas (detectada mediante un sensor), porque el sistema de enfriamiento no trabaja (consistente en una bomba de recirculación de líquido y ventiladores para un radiador térmico), debido a niveles de presión fuera de rango o que el sistema de rellenado no funciona correctamente.

Finalmente esta invención contempla un método (algoritmo) para optimizar la combustión modificando las inyecciones de combustible en base a los parámetros de los sensores del motor.

Es importante señalar que esta invención contempla un método invasivo para el motor, ya que hay que modificar los inyectores originales del motor para ingresar el oxihidrógeno.

A diferencia del documento antes citado, la presente invención no es un método invasivo con los motores, ya que no requiere alterar el motor en ningún aspecto fundamental, y es aplicable a muchas otras aplicaciones gracias a su control electrónico programable.

Además no se alteran las señales originales de los sensores e inyectores de la ECU del motor de combustión para la operación del sistema, la invención genera un volumen de gas oxihidrógeno mucho mayor.

El diseño del reactor es distinto, la forma de los electrodos, su disposición y su forma de rellenarse de agua. Además no cuenta con un sistema de enfriamiento.

Ante la necesidad de contar con un reactor electroquímico para la producción de oxihidrógeno altamente eficiente, con excelente rendimiento, que permita la producción de gas de alta calidad, fue que se generó la presente invención, que logra una gran producción de gas de hasta 12 LPM de buena calidad, es decir, con un bajo contenido de vapor de agua, esto debido al diseño del reactor y a los sensores electrónicos que son leídos por el control electrónico y logra mantener operando al reactor en parámetros de trabajo óptimos.

Objetivos de la invención

El objetivo principal de la presente invención es permitir un reactor electroquímico unitario o modular para la producción de gas hidrógeno y oxígeno a partir de agua y energía eléctrica, controlado por un sistema electrónico para la regulación de la alimentación del reactor que modifica directamente la producción de oxihidrógeno, con capacidad de programar los parámetros de operación como temperaturas, presión, consumo eléctrico, registro de los tiempos de adquisición en una memoria extraíble, sistemas de seguridad contra interrupción de los conductos del gas, mecanismo de apagado por paro de motor de combustión interna y regulación del flujo de oxihidrógeno en función a las revoluciones por minuto (RPM) del motor en este nicho de aplicación.

Otro objetivo de la presente invención es ofrecer un reactor electroquímico modular que permita disminuir los costos operativos, reduciendo también el consumo de combustibles fósiles tradicionales, e incluso en algunas aplicaciones sustituirlos al 100%.

Otro objetivo de la presente invención es ofrecer un reactor electroquímico modular que reduzca las emisiones de gases contaminantes, y de esta manera eliminar el efecto invernadero, ya que es vapor de agua el único residuo de la quema de gas hidrogeno.

Otro objetivo de la presente invención es optimizar la combustión interna en motores que utilicen combustibles fósiles.

Otro objetivo de la invención es adaptar el reactor a los motores que usen cualquier tipo de combustible fósil, convirtiéndolo en híbrido utilizando oxihidrógeno, sin hacer modificaciones de sistemas ya establecidos.

Otro objetivo de la presente invención es ofrecer un reactor electroquímico modular que produce un gran flujo de gas hidrógeno a una alta eficiencia, garantizando la confiabilidad y seguridad en la operación del sistema.

Breve descripción del invento

La invención se refiere a un reactor electroquímico unitario o modular de acuerdo con la reivindicación 1, diseñado para obtener una mezcla pura de gases de hidrógeno y oxígeno, mediante el procedimiento de la electrólisis del agua, el reactor electroquímico está conformado por un gabinete de contención definido por cuatro paredes las cuales forman un cubo prismático con fondo y abierto en su cara superior, dentro del cual se albergan una serie de placas conductoras o semiconductoras situadas paralelamente y aisladas entre sí, conectando el conjunto de las celdas por medio de varillas de conexión eléctrica soldadas, situadas en los extremos del cubo, así como otros dispositivos asociados a la deshumidificación de los gases y la refrigeración del agua condensada. Su configuración interna está diseñada para permitir un reabastecimiento fácil de agua, manteniendo siempre el aislamiento de las celdas durante su operación; en el interior del cubo se produce la citada electrólisis.

El reactor electroquímico cuenta con un diseño que permite cargar y descargar de agua con mucha facilidad y precisión respecto a los niveles de las celdas, cuenta también con medios de seguridad que se encuentran incorporados de tal manera que permitan que el reactor trabaje de en forma óptima dentro de los rangos establecidos y configurados, de igual manera cuenta con un conjunto de cilindros de seguridad que evitan la ignición del gas, y permiten realizar un proceso de filtrado del gas oxihidrógeno de partículas residuales de electrolito, también comprende un sensor de nivel que informa al usuario cuando se debe realizar el llenado de agua. De igual manera el reactor consta de múltiples sensores especiales interconectados a un sistema de control electrónico que realiza las lecturas y regula la alimentación eléctrica del reactor.

El reactor electroquímico permite la generación de una mezcla de gas hidrógeno y oxígeno en una proporción 2 a 1 a partir de agua y energía eléctrica, esta mezcla de gas es producida en demanda, es decir, el gas no se almacena en ningún medio y su diseño permite generar un flujo de gas de hasta 12 Litros Por Minuto (LPM), con un consumo eléctrico máximo de 1.85 KW y con un rendimiento de 1720 litros de oxihidrógeno por litro de agua. Esta eficiencia en su operación se logra debido al aislamiento químico y eléctrico de sus celdas internas, y debido a la incorporación de múltiples sensores especiales: temperatura de electrolito, nivel de electrolito, presión del gas, corriente eléctrica y temperatura del módulo de potencia, así como entradas para la medición de voltaje, identificación de la integridad de conductos del gas y adquisición de las RPM de un motor (en determinadas aplicaciones), todo lo anterior es interconectado con un sistema de control electrónico dinámico que realiza las lecturas y en base a los parámetros obtenidos regula la alimentación eléctrica del reactor a través de su etapa de potencia, logrando así mantener una eficiencia constante, una gran durabilidad de los materiales que conforman al reactor, permitiendo hacer un registro de los datos obtenidos y sobre todo brindando flexibilidad de programar al sistema con determinados parámetros de trabajo de acuerdo al tipo de aplicación, lo último gracias a su interfaz de usuario.

Su configuración interna está diseñada para permitir un fácil y óptimo reabastecimiento de agua, ya que ésta se va consumiendo en el proceso de disociación, manteniendo siempre el aislamiento de las celdas durante su operación debido al diseño de la tapa de sellado del reactor, entre otros factores.

Respecto a la seguridad del sistema, por una parte la brinda el sistema electrónico en conjunto con los sensores que se encuentran incorporados al diseño, que permiten que el reactor trabaje bajo parámetros óptimos de operación dentro de rangos establecidos y configurados, por otra parte cuenta con unos cilindros de seguridad que están diseñados para contener cualquier ignición del gas, y que al mismo tiempo permiten filtrar el gas oxihidrógeno de partículas residuales de electrolito, estos últimos sistemas de seguridad también cuentan con un sensor de nivel que informan al usuario cuando hay que darles mantenimiento rellenándolos de agua.

La presente invención es útil para adaptar el sistema a motores de combustión interna y la industria del automóvil como suplemento de combustible para aumentar la eficiencia y reducir las emisiones de carbono, se puede realizar la aplicación en diversas industrias, como gas aditivo en Hornos e incineradores, la neutralización de residuos Atómica, etc.

Otras ventajas del reactor electroquímico para la producción de oxihidrógeno de conformidad con la invención como se ha descrito, se listan a continuación:

Tiene un buen nivel de integración de sus componentes permitiendo ahorrar espacio para una fácil instalación en las distintas aplicaciones, que además permite la modularidad del equipo para la interconexión de múltiples reactores y así poder generar elevadas producciones de gas oxihidrógeno.

Tiene gran capacidad de producción del gas oxihidrógeno por módulo (hasta 12 LPM).

Tiene un diseño que permite un fácil mantenimiento del reactor, sobre todo en las piezas de mayor desgaste que son los electrodos para su sustitución al fenecimiento de su vida útil.

Ofrece una óptima disposición y conexión de los bloques internos de celdas del reactor que tiene una relación directa con la calidad del gas producido (relación combustible/vapor de agua).

Comprende un control electrónico para la regulación de la alimentación del reactor que modifica directamente la producción de oxihidrógeno, lo anterior en función a los sensores y entradas de medición, con posibilidad de programar los parámetros de operación del reactor como temperaturas, presión, consumo eléctrico, entre otros como los tiempos de adquisición y registro de datos en memoria extraíble, sistemas de seguridad contra interrupción de los ductos del gas, mecanismo de apagado del sistema por paro del motor de combustión interna y regulación del flujo de oxihidrógeno en función a las revoluciones por minuto (RPM) del motor en este nicho de aplicaciones, todo lo anterior con el objetivo de lograr un óptimo desempeño del sistema.

Permite la recopilación de estadísticas de uso del sistema durante sus jornadas de trabajo almacenando los datos en un archivo para ser visualizado en un ordenador y poder re-programar el sistema.

Ofrece una interfaz de usuario muy amigable e innovadora para conocer en todo momento el estatus del sistema y al mismo tiempo configurar el equipo.

Finalmente, es importante resaltar que el reactor está diseñado para ser modular, es decir, que permite que varios reactores en conjunto para obtener flujos de oxihidrógeno mucho más elevados de acuerdo a los requerimientos de la aplicación en particular donde vaya a ser instalado el sistema.

Breve descripción de las figuras

La figura 1 muestra una vista en perspectiva convencional del reactor electroquímico para la producción de oxihidrógeno, de conformidad con la presente invención.

La figura 2 muestra una vista en perspectiva convencional del reactor electroquímico para la producción de oxihidrógeno, en ausencia del gabinete de contención exterior, mostrando los componente internos, de conformidad con la presente invención.

La figura 3 muestra una perspectiva superior del gabinete de contención del reactor electroquímico para la producción de oxihidrógeno, en ausencia de la tapa de cobertura superior, mostrando la disposición de los electrodos.

La figura 4 muestra una perspectiva superior de la tapa de cobertura superior del gabinete de contención del reactor electroquímico con la estructura de aislamiento eléctrico que se aloja en el interior del gabinete.

La figura 5 ilustra una perspectiva lateral del gabinete de contención del reactor electroquímico con los barrenos y preparaciones de conexión de diversos componentes auxiliares.

La figura 6 muestra una perspectiva lateral del gabinete de contención del reactor electroquímico con los barrenos y preparaciones para fijar los elementos de fijación y sujeción de la tapa de cobertura superior.

La figura 7 muestra una vista en perspectiva superior del gabinete de contención del reactor electroquímico mostrando el estriado interior de las paredes laterales opuesta y la pared de fondo, adaptado para recibir los electrodos y que éstos queden equidistantes entre sí.

La figura 8 muestra una perspectiva convencional del gabinete de contención del reactor electroquímico, sin mostrar dos paredes perimetrales adjuntas para ilustrar la disposición de los electrodos y la estructura de asilamiento debajo de la tapa de cobertura superior.

La figura 9 muestra una perspectiva convencional del gabinete de contención del reactor electroquímico, sin mostrar dos de las paredes para ilustrar la disposición de los electrodos y las varillas de conexión eléctrica.

Las figuras 10a y 10b muestran una vista frontal y un corte longitudinal de los cilindros de filtrado y seguridad antiexplosición del reactor electroquímico, de conformidad con la presente invención.

Para una mejor comprensión del invento, se pasará a hacer la descripción detallada de alguna de las modalidades del mismo, mostrada en los dibujos que con fines ilustrativos mas no limitativos se anexan a la presente descripción.

Descripción detallada de la invención

Con referencia a las figuras 1 a 3, el reactor electroquímico para la producción de oxihidrógeno, de conformidad con la presente invención, consta de un gabinete de contención 1 definido por cuatro paredes perimetrales 2a, 2b, 2c y 2d, una pared de fondo 3 y una cara superior abierta 4, las cuales forman un cubo prismático donde se aloja un volumen de una solución electrolítica (agua y catalizador); al menos dos paredes perimetrales opuestas 2c, 2d y la pared de fondo 3 comprenden en su cara interna una pluralidad de estrías equidistantes 5 (ver figura 7) adaptadas para recibir deslizablemente una pluralidad de placas electroquímicas 8 substancialmente rectangulares distribuidas paralelamente con una separación preferentemente de 3 mm entre placa y placa, para permitir el contacto de la solución de electrolito (agua y catalizador) para la reacción de disociación del agua. Dichas placas electroquímicas 8 tocan la pared de fondo 3 y dichas al menos dos paredes perimetrales opuestas 2c y 2d cubriendo el espacio interior de dicho gabinete de contención 1 y que comprenden un rebajo central en forma de “V” 9 en el borde superior consiguiendo un efecto de vasos comunicantes en este rebajo debido a que al momento de rellenarse de solución electrolítica se transfiere el líquido de una celda (definida como espacio entre placa y placa) a otra por rebose de solución, en ausencia de una tapa superior de cobertura 13 y cuando se coloca dicha tapa superior de cobertura dicho efecto de “Vasos comunicantes” o de rebose queda anulado ya que la tapa sella y aísla todas las celdas para mantener la eficiencia y eliminar las perdidas eléctricas; estando adaptadas placas electroquímicas 8 alternantes con medios de fijación 10 (soldadura) en ambos extremos del borde superior para sujetar un par de varillas de conexión eléctrica de cobre 11 alimentadas desde una fuente de suministro de energía eléctrica (no mostrada); estando cada subconjunto de placas electroquímicas 8 (conformado por el bloque de placas que se encuentran entre dos placas con medios de fijación a las varillas de conexión eléctrica) aisladas entre sí mediante empaques separadores de neopreno 12 con la misma forma que dichas placas electroquímicas, que es esencial para una producción de gas de excelente calidad, sin vapor de agua, ya que aísla cada conjunto interno de placas electroquímicas entre sí en aspectos electromagnéticos que afectan directamente el proceso de disociación del agua. Dichos empaques separadores de neopreno separan dichos bloques de celdas mencionados como subconjuntos de celdas, de tal manera que en realidad cada placa con conexión a la varilla está formada por dos placas con un empaque en medio de estas dos placas).

El número de placas electroquímicas 8, así como las conexiones eléctricas a las mismas se realizan de acuerdo a la aplicación y al voltaje a usar (pudiendo usarse corriente directa CD o corriente alterna CA que se rectifica y filtra previamente). Las celdas (conformadas por dos electrodos y la solución electrolítica conductiva entre ellos) se comportan como divisores de voltaje al flujo de los electrones, gracias a esta característica es posible regular y configurar esta diferencia de potencial presente en cada celda (espacio entre electrodo y electrodo), el cual se estableció preferentemente en 2.21 volts de acuerdo a múltiples pruebas.

En la modalidad preferida de la invención, el catalizador de la solución electrolítica consiste preferiblemente en hidróxido de potasio (KOH) con un 99 % de pureza, y a su concentración, que establecimos en un 7.79 % por masa del total de la mezcla, logrando que el agua se vuelva una gran conductora de electricidad con una baja resistencia eléctrica, que como buen catalizador no interviene en la reacción y por lo tanto es un componente que no se consume, solo se llega a degradar por tiempos prolongados de funcionamiento debido a un efecto de evaporación, y es necesario reponer lo perdido.

Para aplicaciones en maquinaria diesel con un sistema a 24 v (operando 27 v aproximados) por ejemplo, se colocan subconjuntos de trece placas electroquímicas 8 con conexión eléctrica a través de las varillas de conexión eléctrica de cobre 11 que se suelda a algunas placas electroquímicas mediante aporte de cobre fosforado y las placas intermedias son neutrales, con el fin de obtener una diferencia de potencial en cada celda lo más cercano a 2.21 V, cada módulo de las características mencionadas es capaz de producir de 2.7 a 4 litros por minuto (LPM) de gas, dependiendo de su temperatura de trabajo. De esta manera es calculado el número de celdas del reactor de acuerdo a su aplicación.

Con referencia a las figuras 1 y 4, una tapa superior de cobertura 13 se fija en la parte superior del gabinete de contención 1, cubriendo la cara superior abierta 4, se ajusta perfectamente para cerrar el reactor electroquímico; dicha tapa superior de cobertura 13 comprende en su cara superior al menos una barra de refuerzo estructural 14 (preferentemente dos barras paralelas de refuerzo estructural 14) y en su cara inferior comprende una proyección triangular 16 que define una forma de “V” con un cuerpo cilíndrico 17 en el vértice; en donde dicha proyección triangular 16 se dispone en el área definida por los rebajos centrales en forma de “V” 9 en el borde superior de dichas placas electroquímicas 8, fungiendo como elemento de aislamiento interno de tal forma que las celdas quedan aisladas, aun cuando se genere la espuma debido a la reacción, lo que garantiza mantener una gran eficiencia en el uso de la energía eléctrica para el proceso de disociación. Medios de fijación 15 montados en la parte superior de dichas paredes perimetrales opuestas 2a y 2b adaptados para sujetar firmemente la tapa superior de cobertura 13. Dichos medios de fijación 15 consisten preferiblemente en mordazas las cuales ejercen una fuerza de sellado entre la tapa superior de cobertura 13 y el borde superior perimetral de sus paredes perimetrales 2a, 2b, 2c y 2d, empleando un empaque perimetral de neopreno (no mostrado), facilitando el cerrado hermético para contener y direccionar la salida del oxihidrógeno y para hacer más fácil su apertura, lo anterior sin necesidad de requerir herramienta para realizar dichas operaciones de cerrado y apertura.

En la modalidad preferida de la invención, dichas placas electroquímicas 8 están compuestas preferentemente de una aleación de 0.03% de carbono, de 16 a 18% de cromo, de 10 a 14% de níquel y de 2 a 3 % de molibdeno para una correcta producción de gas y una larga vida útil, dicha aleación interviene en una correcta producción de gas y además ofrece una larga vida útil de dichas placas electroquímicas. Se eligió este material que a pesar de no ser un excelente conductor eléctrico, cumple con las propiedades magnéticas necesarias y con los estándares de eficiencia energética en la producción del gas, y debido a cuestiones de costo y rentabilidad.

Las placas electroquímicas 8 pueden estar manufacturadas también de platino.

Con referencia a las figuras 1 y 2, en la parte exterior del conjunto de placas electroquímicas 8 se localizan dos conectores 19 como parte de las salidas de gas para lograr un flujo máximo de oxihidrógeno.

Con referencia a las figuras 6 y 7, dichos medios de fijación 15 (ver figura 1) se acoplan en los barrenos 20 practicados en dichas paredes perimetrales opuestas 2a y 2b del gabinete de contención 1 y que permiten ejercer una fuerza de sellado entre la tapa superior de cobertura 13 (ver figura 1) y el borde superior perimetral de sus paredes perimetrales 2a, 2b, 2c y 2d del gabinete de contención 1 a través de un empaque perimetral de neopreno (no mostrado).

También se muestran los barrenos 21 en la zona superior de las esquinas de la pared perimetral 2a para las conexiones de las varillas de conexión eléctricas de cobre 11.

Con referencia a la figura 5, en una de las caras perimetrales 2c del gabinete de contención 1 se comprende un barreno 22 con preparación para la instalación de un sensor de nivel de agua (no mostrado) del reactor que se encuentra colocado en una celda individual del primer módulo a 7 centímetros de altura con respecto al interior de la celda, siendo un indicador de nivel bajo a través de dicho barreno del gabinete del reactor, esto permite que el volumen de líquido de las celdas brinden un cierto tiempo de autonomía de operación antes de requerir ser rellenadas de agua. Lo anterior es posible hacerlo de esta manera debido al que el sensor de nivel opera de manera óptica, es decir, cuando el elemento detector está cubierto de líquido el sensor envía una señal a un control electrónico para informar del nivel, y si el elemento detector está descubierto emite una señal distinta; es importante señalar que el sensor tiene propiedades de resistencia química y de temperaturas de operación adecuadas al tipo de aplicación. La misma cara comprende un segundo barreno adjunto 23 para la instalación de un sensor de temperatura (no mostrado) que se encuentra en la primera celda del sistema que se encuentra llena de electrolito siempre, entonces por conducción y convección se va trasmitiendo la temperatura interna al elemento sensitivo del transductor que cambia su resistencia interna en función de la temperatura detectada. La misma cara comprende en la parte superior un par de barrenos 24 y 25, el barreno 24 para la conexión de un ducto de salida de gas y el barreno 25 para la conexión de un sensor de presión que está en contacto directo con el oxihidrógeno y gracias a su diseño en acero inoxidable con un aislante interno de silicona entre el elemento sensitivo y el medio es posible hacer esta medición en un ambiente tan corrosivo como lo es el interior del reactor con una excelente precisión en la medición.

Con referencia a las figuras 1,5, 10a y 10b, el ducto de salida de gas (no mostrado) conectado en el barreno 24 (ver fig. 5) se conecta a elementos primarios de seguridad anti-explosión 26 y filtrado de vapores de hidróxido de potasio que consiste básicamente en al menos un cilindro vertical hermético 27 de PVC cédula 80 de 7.63 cm (3 pulgadas) de diámetro, dentro del cual se contiene agua hasta máximo 5/8 partes de su altura, y el gas, producto del reactor, se hace pasar a través del agua, generando un burbujeo que permite separar el flujo continuo de gas, es decir, al generar burbujas independientes, en caso de una ignición después del burbujero, para que el agua que existe entre burbuja y burbuja detenga la ignición del gas.

El tipo de material que se utiliza garantiza contener una explosión por arriba de las 250 PSI de presión, lo cual es suficiente para tales efectos, ya que la combustión del gas tiene un efecto muy especial cuando no logra disipar toda la energía de la explosión, generando una implosión en milisegundos después de la explosión primaria (experimentado y filmado).

El cilindro vertical hermético 27 comprende una tapa inferior 28 y una tapa superior 29; las cuales comprenden conectores 30, 31 para la entrada y salida del gas producido en el reactor; en donde dicha tapa superior 29 contiene una malla 32 de acero inoxidable u otro material de propiedades similares, preferentemente de < a 200 hilos por cada 2.54 cm (1 pulgada) que tiene la función de filtrar cualquier espuma que se llegue a formar, debajo de dicha malla 32 comprende un tubo 33 de PVC pegado a la pared interior del cilindro vertical hermético 27, con unas aspas 34 en su interior con la función de rompe olas. Dicho cilindro vertical hermético 27 comprende un medidor de nivel 35.

La altura del burbujero depende del volumen de gas que circulara por estos, por ejemplo, para un volumen de flujo de hasta 20 LPM (Litros Por Minuto), es suficiente con una altura de 30 cm. Se colocan como mínimo dos de esos sistemas, en el primero se queda cualquier residuo de hidróxido de potasio que venga en el gas, y el segundo es el que principalmente contiene cualquier ignición, que si llegase a fallar, el primero es capaz de contenerla.

El reactor además comprende un sistema de filtro de aire/partículas (no mostrado) para filtrar cualquier partícula por arriba de las 5 mieras de diámetro y por supuesto la humedad contenida en el gas, en la parte inferior posee una purga que permite drenar el líquido cuando se ha llenado en filtro. Los materiales con los que es fabricado son: policarbonato para el vaso contenedor, nylon, polipropileno para el elemento filtrante y neopreno y/o nitrilo para los empaques, todos estos materiales son perfectamente compatibles con los elementos que circulan por él (hidrógeno, oxígeno, hidróxido de potasio y agua).

Los elementos sensores son colocados de manera estratégica y son monitoreados y controlados por un sistema electrónico 36 (ver figura 1) con el cual además se realiza la programación de los parámetros de operación y se almacenan los datos recabados.

El reactor está diseñado para ser modular, es decir que permite conectar varios en conjunto para obtener flujos más elevados de oxihidrógeno de acuerdo a los requerimientos de la aplicación donde se vaya a instalar el sistema.

Las figuras 8 y 9 muestran la tapa superior de cobertura 13 se fija en la parte superior del gabinete de contención 1, cubriendo la cara superior abierta 4, mostrando la disposición de las barras de refuerzo estructural 14 en la cara superior y la disposición de proyección triangular 16 que define una forma de “V” con un cuerpo cilíndrico 17 en el vértice que coincide con los rebajos centrales en forma de “V” 9 en el borde superior de dichas placas electroquímicas 8, fungiendo como elemento de aislamiento interno de tal forma que las celdas quedan aisladas, aun cuando se genere la espuma debido a la reacción, lo que garantiza mantener una gran eficiencia en el uso de la energía eléctrica para el proceso de disociación. Se aprecia también la conexión de las varillas de conexión eléctrica de cobre 11 alimentadas desde una fuente de suministro de energía eléctrica (no mostrada).

El invento ha sido descrito suficientemente como para que una persona con conocimientos medios en la materia pueda reproducir y obtener los resultados que mencionamos en la presente invención. Sin embargo, cualquier persona hábil en el campo de la técnica que compete el presente invento puede ser capaz de hacer modificaciones no descritas en la presente solicitud, sin embargo, si para la aplicación de estas modificaciones en un sistema determinado, se requiere de la materia reclamada en las siguientes reivindicaciones, dichos sistemas deberán ser comprendidas dentro del alcance de la invención.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Un reactor electroquímico para producir gas oxihidrógeno a partir de agua a base de electrólisis del agua, que comprende un recipiente (1) hermético definido por cuatro paredes (2a, 2b, 2c y 2d) perimetrales, una pared en la parte inferior (3) y un lado (4) superior abierto formando un cubo prismático que contiene una solución electrolítica;

en donde al menos dos paredes (2a-2d) perimetrales opuestas y la pared (3) inferior incluyen en su cara interna una pluralidad de estrías (5) equidistantes donde se introducen placas (8) electroquímicas, quedando esas placas (8) electroquímicas colocadas en paralelo y separadas entre sí para permitir el contacto con la solución electrolítica;

en donde las placas (8) electroquímicas alternas están fijadas (10) en ambos extremos del borde superior a un par de varilla (11) para conexiones eléctricas alimentadas por una fuente flexible de energía eléctrica;

que comprende además:

- medios (15) de fijación en la parte superior de las paredes (2a-2d) perimetrales opuestas para sujetar y fijar una cobertura (13) superior, y que comprenden un empaque de neopreno en el perímetro para un sellado hermético;

- una pluralidad de conectores (30-31) para el suministro y descarga del gas producido en el reactor, donde dichos conectores sobresalen de la parte exterior del grupo de placas (8) electroquímicas a través de la cobertura (13) superior;

- elementos del sensor de nivel, sensores de temperatura y sensores de presión que son monitorizados y controlados por un sistema (36) electrónico que también se usa para programar los ajustes operativos y para almacenar los datos recolectados;

- un conducto de salida de gas conectado a al menos uno de los barrenos (20) perforados ubicados en las paredes (2a-2d) perimetrales opuestas del contenedor (1);

y caracterizado porque:

- las placas (8) electroquímicas incluyen una estría (9) central en forma de "V" en el borde superior para permitir el efecto de los vasos comunicantes en la operación de llenado;

- la cobertura (13) superior incluye, en su cara inferior, una proyección (16) triangular que define una forma en "V" con un cuerpo (17) cilíndrico en el vértice; y

- en donde dicha proyección (16) triangular se coloca en el área definida por las estrías (9) centrales en el borde superior de dichas placas (8) electroquímicas que aíslan la parte interior del contenedor (1) al colocar la cobertura (13) superior.

2. El reactor electroquímico para producir gas oxihidrógeno de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque cada subconjunto de placas (8) electroquímicas, constituidas por los electrodos encontrados entre dos conexiones eléctricas a través de las varillas (11) de alimentación, están aisladas entre sí mediante el uso de empaques (12) de separación de neopreno con la misma forma que las placas (8) electroquímicas.

3. El reactor electroquímico para producir gas oxihidrógeno de acuerdo con la reivindicación 1, en donde los medios (15) de fijación de la cobertura consisten en agarraderas.

4. El reactor electroquímico para producir gas oxihidrógeno de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho catalizador de la solución electrolítica consiste en hidróxido de potasio.

5. El reactor electroquímico para producir gas oxihidrógeno de acuerdo con la reivindicación anterior, caracterizado porque el hidróxido de potasio tiene una pureza del 99% y una concentración del 7,79% para la masa de la mezcla total.

6. El reactor electroquímico para producir gas oxihidrógeno de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque existe un elemento de seguridad primario para anti-explosión (26) y un filtro de vapor/humo contenido en al menos una celda de cilindro (27) de PVC sellado verticalmente, estando los cilindros conectados al recipiente (1) por medio del conducto de salida de gas.

7. El reactor electroquímico para producir gas oxihidrógeno de acuerdo con la reivindicación anterior, caracterizado porque la celda del cilindro (27) incluye una tapa (28) inferior y una tapa (29) superior, incluye conectores (30, 31) para el suministro y descarga del gas producido en el reactor por esas tapas, teniendo la tapa superior una malla (32) de acero inoxidable y debajo de la malla (32) estando un tubo (33) con aspas (34) internas para romper las olas, y que también comprende un medidor (35) de nivel.

8. El reactor electroquímico para producir gas oxihidrógeno de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dichas placas (8) electroquímicas están compuestas por una aleación de 0.03% de carbono, 16% a 18% de cromo, 10% a 14% de níquel y 2% a 3% de molibdeno.

9. El reactor electroquímico para producir gas oxihidrógeno de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dichas placas (8) electroquímicas están hechas de platino.

10. El reactor electroquímico para producir gas oxihidrógeno de acuerdo con la reivindicación 1, también caracterizado porque el reactor también incluye un sistema de filtro de aire/partículas para filtrar cualquier partícula de más de 5 micras de diámetro y la condensación contenida en el gas, que comprende en su parte inferior una válvula de purga que permite que el líquido sea drenado cuando el filtro está lleno.