PL192845B1

PL192845B1 - Sposób i urządzenie do wytwarzania wodoru poprzez elektrolizę

Info

Publication number: PL192845B1
Application number: PL344980A
Authority: PL
Inventors: Stephen Barrie Chambers
Original assignee: Xogen Technologies Inc
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1999-06-21
Publication date: 2006-12-29
Also published as: PL344980A1; ID27485A; AU783138B2; WO2000000670A1; CA2335602A1; RU2235151C2; CA2335602C; US20020179453A1; DE69937052D1; EP1088120A1; ATE372400T1; HK1037887A1; US6790324B2; DE69937052T2; JP2002519513A; JP4532737B2; IL140453A0; HUP0103266A2; EP1088120B1; US6126794A

Abstract

1. Sposób wytwarzania wodoru poprzez elektroli- ze wewnatrz zbiornika zawierajacego plyn zawiera- jacy wode, w którym przepuszcza sie elektryczny sygnal w postaci impulsów pomiedzy co najmniej jedna para elektrod co najmniej czesciowo zanurzo- nych w tym plynie, znamienny tym, ze napelnia sie zbiornik (111) plynem (110) zawierajacym wode az do chwili kiedy zbiornik jest co najmniej czesciowo wypelniony, po czym zanurza sie co najmniej jedna pare elektrod (105a,b; 205a,b; 305a,b) w plynie (110), przy czym elektrody (105a,b; 205a,b; 305a,b) umiesz- cza sie tak, aby znajdowaly sie w odleglosci 5 mm lub mniejszej od siebie, nastepnie po zanurzeniu i umieszczeniu elektrod (105a,b; 205a,b; 305a,b) w okreslonym polozeniu doprowadza sie do jednej z elektrod (105a,b; 205a,b; 305a,b) elektryczny sygnal impulsowy majacy stosunek dlugosci znaku do przerwy pomiedzy okolo 1:1 a okolo 10:1, który to impulsowy sy- gnal elektryczny ma czestotliwosc pomiedzy okolo 10 kHz a okolo 250 kHz i uzyskuje sie wodór. PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do wytwarzania wodoru poprzez elektrolizę.

Znane są konwencjonalne ogniwa elektrolityczne, które są zdolne do wytwarzania wodoru i tlenu z wody. W skład tych konwencjonalnych ogniw wchodzą dwie elektrody umieszczone wewnątrz ogniwa, które doprowadzają energię do wody w celu wytwarzania wodoru i tlenu. Te dwie elektrody są konwencjonalnie wykonane z dwóch różnych materiałów.

W amerykańskim opisie patentowym nr US 4184931 ujawniono sposób elektrolitycznego wytwarzania wodoru i tlenu do stosowania w palniku spawalniczym i tym podobnym, w którym wodór i/lub tlen wytwarza się w drodze elektrolizy impulsowej przepuszczając prąd elektryczny w postaci impulsów o częstotliwości nie większej niż 50 mikrosekund pomiędzy co najmniej jedną parą elektrod częściowo zanurzonych w przewodzącej prąd elektryczny wodzie, korzystnie, w roztworze elektrolitycznym zawierającym wodorotlenek potasu, rozmieszczonych w odstępie od siebie w szczelnie zamkniętym zbiorniku zawierającym wodę, tak uzyskany wodór i tlen doprowadza się do dyszy palnika, gdzie wytwarzana jest odpowiednia mieszanina wodoru i tlenu, która ulega zapłonowi. Elektrody są utworzone przez dużą liczbę koncentrycznie względem siebie usytuowanych cylindrów przewodzących prąd elektryczny, rozmieszczonych wewnątrz zbiornika w odstępie wynoszącym jak wynika z rysunku około 2 cm.

Uzyskiwane w konwencjonalnych ogniwach wodór i tlen są na ogół wytwarzane z niską sprawnością. Oznacza to konieczność doprowadzania do elektrod dużej ilości energii elektrycznej w celu wytworzenia wodoru i tlenu. Ponadto, w celu oddzielenia pęcherzyków wodoru i tlenu od elektrod, do wody trzeba dodawać katalizator chemiczny, taki jak wodorotlenek sodowy lub wodorotlenek potasowy. Jednocześnie wytworzony gaz trzeba często transportować do zbiornika ciśnieniowego w celu zmagazynowania go, ponieważ konwencjonalne ogniwa wytwarzają te gazy powoli. Ponadto ogniwa konwencjonalne mają skłonność do ogrzewania się, w wyniku czego powstają różnorodne problemy, w tym wrzenie wody. Ponadto konwencjonalne ogniwa wykazują skłonność do powstawania pęcherzyków na elektrodach, które działają jak izolatory elektryczne i ograniczają aktywność ogniwa.

W związku z tym, bardzo pożądane byłoby wytworzenie dużych ilości wodoru i tlenu używając do tego umiarkowanej ilości energii. Ponadto pożądane byłoby wytwarzanie wodoru i tlenu z „normalnej” wody wodociągowej i bez dodatkowych katalizatorów chemicznych, oraz zapewnienie ogniwa działającego bez konieczności stosowania dodatkowej pompy w celu zwiększenia ciśnienia. Pożądane byłoby również skonstruowanie elektrod z tego samego materiału. Wskazane byłoby również wytwarzanie gazów z dużą wydajnością i bez wydzielania nadmiernego ciepła a także bez powstawania pęcherzyków na elektrodach.

Ortowodór i parawodór są dwoma różnymi izomerami wodoru. Ortowodór jest takim stanem cząsteczek wodoru, w którym spiny dwóch jąder są równoległe. Parawodór jest takim stanem cząsteczek wodoru, w którym spiny dwóch jąder są antyrównoległe. Skutkiem różnych cech ortowodoru i parawodoru są różne właściwości fizyczne. Na przykład, ortowodór jest silnie palny, natomiast parawodór jest postacią wodoru o gorszej palności. Zatem ortowodór i parawodór można używać w różnych dziedzinach zastosowań. Konwencjonalne ogniwa elektrolityczne wytwarzają tylko ortowodór i parawodór, przy czym parawodór jest trudny i drogi w produkcji.

W związku z tym, pożądane byłoby opracowanie sposobu taniego wytwarzania ortowodoru i/lub parawodoru za pomocą ogniwa oraz zapewnienie możliwości sterowania ilością każdego z tych rodzajów wodorów wytwarzanych przez ogniwo. Pożądane byłoby również kierowanie wytworzonego ortowodoru lub parawodoru do sprzężonej maszyny w celu zapewnienia źródła energii do ich wytwarzania.

Sposób wytwarzania wodoru poprzez elektrolizę wewnątrz zbiornika zawierającego płyn zawierający wodę, w którym przepuszcza się elektryczny sygnał w postaci impulsów pomiędzy co najmniej jedną parą elektrod co najmniej częściowo zanurzonych w tym płynie, według wynalazku charakteryzuje się tym, że napełnia się zbiornik płynem zawierającym wodę aż do chwili kiedy zbiornik jest co najmniej częściowo wypełniony, po czym zanurza się co najmniej jedną parę elektrod w płynie, przy czym elektrody umieszcza się tak, aby znajdowały się w odległości 5 mm lub mniejszej od siebie, następnie po zanurzeniu i umieszczeniu elektrod w określonym położeniu doprowadza się do jednej z elektrod elektryczny sygnał impulsowy mający stosunek długości znaku do przerwy pomiędzy około 1:1 a około 10:1, który to impulsowy sygnał elektryczny ma częstotliwość pomiędzy około 10 kHz a około 250 kHz i uzyskuje się wodór.

Korzystnie, stosuje się płyn w zasadzie pozbawiony chemicznego katalizatora.

PL 192 845 B1

Korzystnie, stosuje się płyn w zasadzie pozbawiony wodorotlenku potasu oraz wodorotlenku sodu.

Korzystnie, impulsowy sygnał elektryczny ma napięcie około 12 Voltów a natężenie prądu około 300 mA.

Korzystnie, stosuje się impulsowy sygnał elektryczny o zmiennej częstotliwości.

Korzystnie, ponadto z oknem wylotowym zbiornika łączy się urządzenie, przy czym urządzenie jest wybrane z grupy obejmującej: silnik spalania wewnętrznego, silnik tłokowy, gazowy silnik turbinowy, palenisko, grzejnik, piec, urządzenie do destylacji, urządzenie do oczyszczania wody oraz dyszę płomieniową do wodoru/tlenu, po czym uruchamia się to urządzenie.

Korzystnie, ponadto umieszcza się cewkę wewnątrz zbiornika oraz doprowadza się drugi impulsowy sygnał elektryczny do tej cewki.

Korzystnie, doprowadza się impulsowy sygnał elektryczny, który jest impulsowym sygnałem elektrycznym o zmiennym napięciu.

Korzystnie, doprowadza się impulsowy sygnał elektryczny, który ma prostokątny kształt fali.

Korzystnie, doprowadza się impulsowy sygnał elektryczny, który ma piłokształtny kształt fali.

Korzystnie, doprowadza się impulsowy sygnał elektryczny, który ma trójkątny kształt fali.

Urządzenie do wytwarzania wodoru poprzez elektrolizę wewnątrz zbiornika zawierającego płyn zawierający wodę, które to urządzenie zawiera co najmniej jedną parę elektrod umieszczonych w zbiorniku, co najmniej częściowo zanurzonych w płynie oraz zespół zasilający sprzężony z elektrodami, doprowadzający impulsowy sygnał elektryczny, według wynalazku charakteryzuje się tym, że co najmniej jedna para elektrod jest umieszczona w zbiorniku zawierającym płyn w odległości od siebie wynoszącej 5 mm lub mniej, zaś zespół zasilający doprowadzający do jednej z elektrod impulsowy sygnał elektryczny, doprowadza impulsowy sygnał elektryczny mający stosunek długości znaku do przerwy wynoszący od około 1:1 do około 10:1 oraz częstotliwość wynoszącą pomiędzy około 10 kHz a około 250 kHz.

Korzystnie, urządzenie zawiera ponadto cewkę usytuowaną wewnątrz zbiornika oraz drugie źródło zasilania sprzężone z cewką doprowadzające drugi impulsowy sygnał elektryczny do tej cewki.

Zaleta rozwiązania według wynalazku polega na zapewnieniu ogniwa elektrycznego z elektrodami zawierającego zwykłą wodę, które wytwarza duże ilości wodoru i tlenu w stosunkowo krótkim czasie, przy użyciu umiarkowanej ilości energii i bez wytwarzania ciepła.

Kolejna zaleta rozwiązania według wynalazku polega na wytwarzaniu przez ogniwo pęcherzyków wodoru i tlenu, które nie gromadzą się wokół elektrod lub na elektrodach.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest również prawidłowe działanie ogniwa bez stosowania chemicznego katalizatora. Zatem ogniwo to może pracować głównie na wodzie wodociągowej. Ponadto można uniknąć dodatkowych kosztów związanych ze stosowaniem chemicznego katalizatora.

Dodatkowo według wynalazku zapewniono ogniwu możliwość samoczynnego ciśnieniowania się. Eliminuje to konieczność stosowania dodatkowej pompy.

Dodatkową zaletę stanowi fakt opracowania ogniwa z elektrodami wykonanymi z tego samego materiału. Materiałem tym może być, na przykład, stal nierdzewna. Zatem istnieje możliwość uproszczenia konstrukcji ogniwa i odpowiednie zmniejszenie jego kosztów.

Jeszcze inną zaletą wynalazku jest zapewnienie ogniwa zdolnego do wytwarzania ortowodoru, parawodoru albo ich mieszanki oraz możliwość sterowania pracą ogniwa w taki sposób, żeby wytwarzało dowolne względne ilości ortowodoru i parawodoru potrzebne użytkownikowi.

Kolejną zaletą rozwiązania jest sprzężenie wylotu gazów z ogniwa z urządzeniem, takim jak silnik spalania wewnętrznego, tak, żeby urządzenie to można było zasilać doprowadzanym do niego gazem.

Zalety rozwiązania według wynalazku wynikają z tego, że w skład ogniwa wchodzi zbiornik na wodę. Wewnątrz tego zbiornika znajduje się zanurzona w wodzie co najmniej jedna para leżących blisko siebie elektrod. Do elektrod tych jest doprowadzany konkretny impulsowy sygnał wytwarzany w pierwszym źródle energii. W zbiorniku tym znajduje się również zanurzona w wodzie cewka. Do cewki tej jest doprowadzany przez przełącznik impulsowy sygnał z drugiego źródła energii.

Kiedy ten impulsowy sygnał dopływa tylko do elektrod, to można wytwarzać ortowodór. Kiedy impulsowy sygnał jest doprowadzany zarówno do elektrod jak i do cewki, to można wytwarzać parawodór lub mieszankę parawodoru z ortowodorem. Zbiornik jest urządzeniem samouszczelniającym, a do znajdującej się w nim wody nie ma potrzeby doprowadzać chemicznego katalizatora w celu sprawnego wytwarzania ortowodoru i/lub parawodoru.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia ogniwo do wytwarzania ortowodoru zawierające parę elektrod w pierwszym przykładzie wykonania według wynalazku, w rzucie z boku, fig. 2 - ogniwo do wytwarzania ortowodoru zawierające dwie pary elektrod w drugim przykładzie wykonania według wynalazku, w rzucie z boku, fig. 3 - ogniwo

PL 192 845 B1 do wytwarzania ortowodoru zawierające parę cylindrycznych elektrod w trzecim przykładzie wykonania według wynalazku, w rzucie z boku, fig. 4a - schemat ilustrujący prostokątny sygnał impulsowy, który można wytwarzać za pomocą obwodu z fig. 5 i doprowadzać do elektrod z fig. 1-3, fig. 4b schemat ilustrujący piłokształtny sygnał impulsowy, który można wytwarzać za pomocą obwodu z fig. 5 i doprowadzać do elektrod z fig. 1-3, fig. 4c - schemat ilustrujący trójkątny sygnał impulsowy, który można wytwarzać za pomocą obwodu z fig. 5 i doprowadzać do elektrod z fig. 1-3, fig. 5 - schemat instalacji elektronicznej ilustrujący źródło zasilania podłączone do elektrod z fig. 1-3, fig. 6 - ogniwo do wytwarzania co najmniej parawodoru, zawierające cewkę i parę elektrod w czwartym przykładzie wykonania według wynalazku, w rzucie z boku, fig. 7 - ogniwo do wytwarzania co najmniej parawodoru, zawierające cewkę i dwie pary elektrod w piątym przykładzie wykonania według wynalazku, w rzucie z boku, fig. 8 - ogniwo do wytwarzania co najmniej parawodoru, zawierające cewkę i parę cylindrycznych elektrod w szóstym przykładzie wykonania według wynalazku, w rzucie z boku oraz fig. 9 schemat instalacji elektronicznej ilustrujący źródło energii podłączone do cewki i elektrod z fig. 6-8.

Urządzenie do wytwarzania wodoru poprzez elektrolizę przedstawiono na fig. 1, na której uwidoczniono przykład wykonania według wynalazku z ogniwem do wytwarzania wodoru i tlenu. Jak omówiono dalej w nawiązaniu do fig. 6-8, wytwarzanie parawodoru wymaga stosowania dodatkowej cewki nie pokazanej na fig. 1. Zatem wodór wytwarzany przez urządzenie w pierwszym przykładzie wykonania z fig. 1 jest ortowodorem.

W skład tego ogniwa wchodzi zamknięty zbiornik 111, który jest zamknięty w swojej dolnej części za pomocą gwintowanej podstawy 113 z tworzywa sztucznego oraz wkręcanej na gwint podstawy 109. Zbiornik 111 może być wykonany, na przykład, z pleksiglasu i może mieć przykładową wysokość 43cm i przykładową szerokość 9 cm. W zbiorniku 111 znajduje się woda wodociągowa stanowiąca płyn 110.

W skład tego ogniwa wchodzi również manometr 103 do pomiaru ciśnienia wewnątrz zbiornika 111. Do górnej części zbiornika 111 jest podłączony zawór wylotowy 102 umożliwiający znajdującemu się w zbiorniku 111 gazowi uchodzenie do rurociągu wylotowego 101.

W skład ogniwa wchodzi również zawór bezpieczeństwa106 podłączony do podstawy 113. Zawór bezpieczeństwa 106 realizuje funkcje bezpieczeństwa, zmniejszając automatycznie ciśnienie wewnątrz zbiornika 111, jeżeli przekroczy ono z góry zadaną wartość progową. Na przykład, zawór bezpieczeństwa 106 można ustawić tak, żeby otwierał się jeżeli ciśnienie w zbiorniku przekroczy wartość 0,517 MPa (75 p.s.i.). Ponieważ zbiornik 111 jest wykonany tak, żeby wytrzymał ciśnienie około 1,38 MPa (200 p.s.i.), więc ogniwo to ma duży margines bezpieczeństwa.

Wewnątrz zbiornika 111 znajduje się para elektrod 105a, 105b. Elektrody 105a, 105b są zanurzone pod górnym poziomem płynu 110 i powstaje pomiędzy nimi strefa współdziałania 112. Korzystnie, elektrody 105a, 105b są wykonane z tego samego materiału, na przykład ze stali nierdzewnej.

W celu wytwarzania optymalnej ilości wodoru i tlenu, pomiędzy elektrodami 105a, 105b trzeba zachować równe odstępy. Korzystnie, zaleca się minimalizowanie odstępu pomiędzy elektrodami 105a, 105b. Jednakże odstęp pomiędzy elektrodami 105a, 105b nie może być zbyt mały ze względu na to, że może spowodować to powstanie pomiędzy nimi łuku.

Stwierdzono, że optymalnym odstępem w procesie wytwarzania wodoru i tlenu jest 1 mm. Odstęp do 5 mm może być skuteczny, natomiast odstęp powyżej 5 mm jest zupełnie nieskuteczny chyba, że doprowadzona ilość energii jest o wiele za duża.

Wodór i tlen w postaci gazowej odprowadzane wylotowym rurociągiem 101 mogą być transportowane tym rurociągiem 101 do urządzenia 120 zużywającego te gazy, na przykład do silnika spalania wewnętrznego, takiego jak pokazano na fig. 1. Urządzenie 120 nie musi być silnikiem spalinowym, ale może być dowolnym urządzeniem napędzanym wodorem i tlenem, w tym silnikiem tłokowym, gazowym silnikiem turbinowym, piecem, grzejnikiem, paleniskiem, urządzeniem destylacyjnym, urządzeniem do oczyszczania wody, dyszą wodorowo-tlenową, albo dowolnym innym urządzeniem gazowym. W odpowiednio zalecanym przykładzie wykonania według wynalazku, każde takie urządzenie 120 na gazy wylotowe może pracować w sposób ciągły bez potrzeby magazynowania niebezpiecznego wodoru i tlenu w postaci gazowej.

Na fig. 2 pokazano drugi przykład wykonania urządzenia według wynalazku, w skład którego wchodzi więcej niż jedna para elektrod 205a-d. Odstęp pomiędzy tymi elektrodami wynosi poniżej 5 mm, jak w przykładzie wykonania z fig. 1. Na fig. 1 pokazano tylko jedną dodatkową parę elektrod, ale istnieje możliwość zastosowania w ogniwie większej ilości par (np. nawet 40 par elektrod). Reszta ogniwa widocznego na fig. 2 zostaje taka sama jak widoczna na fig. 1. Korzystnie, elektrody wielokrotne są płaskimi płytami znajdującymi się w bliskiej odległości od siebie i równoległymi do siebie wzajemnie.

PL 192 845 B1

Na fig. 3 pokazano ogniwo z cylindrycznymi elektrodami 305a, 305b. Zewnętrzna elektroda 305b otacza usytuowaną współosiowo wewnętrzną elektrodę 305a. Równy odstęp pomiędzy elektrodami 305a, 305b jest mniejszy niż 5 mm, a pomiędzy tymi dwiema elektrodami 305a, 305b powstaje współosiowa strefa współdziałania. Na fig. 3 pokazano górną część zbiornika 111 wykonaną w postaci kaptura 301 z tworzywa sztucznego, natomiast rozumie się samo przez się w tej dziedzinie, że kaptur 301 może być stosowany w przykładach wykonania z fig. 1-2 a w przykładzie wykonania z fig. 3 można użyć tego samego zbiornika 111 widocznego na fig. 1-2. Jak wynika z fig. 3, elektrody mogą być prawie dowolnego kształtu, takiego jak płaskie płyty, pręty, rury lub współosiowe cylindry.

Elektrody 105a, 105b z fig. 1(lub elektrody 205a-d z fig. 2 lub elektrody 305a, 305b z fig. 3) są odpowiednio połączone z końcówkami instalacji energetycznej 108a i 108b, tak żeby mogły odbierać impulsowe sygnały elektryczne ze źródła zasilania. Impulsowy sygnał może być prawie dowolną falą i może mieć zmienny poziom natężenia, napięcia, częstotliwości i stosunek długości znaku do przerwy (tj. stosunek trwania pojedynczego impulsu do przerwy pomiędzy dwoma kolejnymi impulsami). Na przykład, źródłem energii, z którego jest doprowadzane zasilanie elektrod, może być sieć energetyczna o napięciu 110V do 12 voltów albo akumulator samochodowy.

Na fig. 4a, fig. 4b i fig. 4c przedstawiono, odpowiednio sygnał w postaci fali prostokątnej, fali piłokształtnej i fali trójkątnej, które można doprowadzić do elektrod 105a, 105b (albo 105a-d lub 305a, 305b) według wynalazku. Każda z postaci sygnału pokazanych na fig. 4a-4c ma stosunek długości znaku do przerwy 1:1. Jak widać na fig. 4b, napięcie szczytowe w fali piłokształtnej może wystąpić tylko na końcu trwania impulsu. Jak widać na fig. 4c, napięcie szczytowe dla fali trójkątnej jest niskie. Stwierdzono, że optymalne wyniki w produkcji wodoru i tlenu według wynalazku uzyskuje się za pomocą fali prostokątnej.

Po zainicjowaniu sygnału impulsowego ze źródła energii, elektrody 105a, 105b ciągle i prawie natychmiast zaczynają wytwarzać pęcherzyki wodoru i tlenu z wody stanowiącej płyn 110 znajdującej się w strefie współdziałania 112. Ponadto pęcherzyki mogą powstawać przy tylko minimalnym ogrzewaniu płynu 110 albo też dowolnej innej części ogniwa. Pęcherzyki te unoszą się do góry w płynie 110 (wodzie) i gromadzą w górnej części zbiornika 111.

Powstałe pęcherzyki nie gromadzą się wokół elektrod 105a, 105b ani na nich, a zatem stosunkowo łatwo unoszą się ku powierzchni wody. Z tego względu nie ma potrzeby dodawania chemicznego katalizatora w celu zwiększenia przewodności roztworu albo zmniejszenia gromadzenia się pęcherzyków wokół albo na elektrodach 105a, 105b. Zatem do wytwarzania wodoru i tlenu według wynalazku potrzebna jest wyłącznie woda wodociągowa.

Gazy wytwarzane wewnątrz zbiornika są samociśnieniowe (tj. ciśnienie wewnątrz zbiornika rośnie w wyniku wytwarzania gazu, bez stosowania pompki powietrznej). Zatem w zbiorniku 111 nie jest potrzebna żadna dodatkowa pompka, a wytwarzane gazy nie muszą być transportowane do zbiornika ciśnieniowego.

Źródło energii jest potrzebne według wynalazku do doprowadzania sygnału impulsowego o napięciu tylko 12 voltów przy natężeniu 300 mA (3,6 Watów). Stwierdzono, że optymalna ilość wodoru i tlenu wytwarzano kiedy w sygnale impulsowym stosunek długości znaku do przerwy wynosi 10:1 a częstotliwość 10-250 kHz. Stosując te parametry, prototypowe ogniwo według wynalazku jest zdolne do wytwarzania gazu z wydajnością 69 KPa (1 p.s.i.) na minutę (). W związku z tym, ogniwo według wynalazku jest zdolne do bardzo sprawnego, szybkiego i efektywnego energetycznie wytwarzania wodoru i tlenu.

Jak już wspomniano, wodór wytwarzany w urządzeniu według przykładu wykonania z fig. 1-3 jest ortowodorem. Jak powszechnie wiadomo w tej dziedzinie, ortowodór jest silnie palny. Dlatego cały wytwarzany ortowodór można transportować ze zbiornika 111 przez zawór 102 i rurociąg wylotowy 101 do użycia w urządzeniu, takim jak silnik spalania wewnętrznego.

Urządzenie według wynalazku, wyposażone w odpowiednią liczbę elektrod, może wytwarzać wodór i tlen na tyle szybko, żeby można je było doprowadzać bezpośrednio do silnika spalania wewnętrznego lub silnika turbinowego, napędzając silnik w sposób stały bez konieczności gromadzenia i magazynowania gazów. Stąd zapewniono po raz pierwszy silnik napędzany wodorem/ tlenem, który jest bezpieczny ponieważ nie wymaga magazynowania wodoru ani tlenu w postaci gazowej.

Na fig. 5 pokazano przykładowe urządzenie zasilające dostarczające impulsowe sygnały prądu stałego, takie jak widać na fig. 4a-4c, do elektrod pokazanych na fig. 1-3. Jak łatwo zauważą osoby o odpowiednich kwalifikacjach w tej dziedzinie, źródło energii zdolne do podawania omówionych powyżej sygnałów impulsowych może być zastąpione innym.

PL 192 845 B1

W skład źródła energii pokazanego na fig. 5 wchodzą następujące części o wartościach:

Astabilny obwód

Rezystor R2

Rezystor R3

Rezystor R4

Rezystor R5

Rezystor R6

Tranzystor TR1

Tranzystor TR2

Tranzystor TR3

Dioda D2

Kondensatory (nie pokazane)

NE555 lub równoważny układ logiczny

10K

2,7K

2N3904

2N3055 lub dowolny szybki, wysokoprądowy przełącznik silikonowy 1N4007 w razie potrzeby, kondensatory bocznikowe Vcc

Astabilny obwód jest podłączony do bazy tranzystora TR1 za pośrednictwem rezystora R2. Kolektor tranzystora TR1 jest podłączony do źródła napięcia Vcc za pośrednictwem rezystora R5 i z bazą tranzystora TR2 za pośrednictwem rezystora R3. Kolektor tranzystora TR2 jest podłączony do źródła zasilania Vcc za pośrednictwem rezystora R6 i z bazą tranzystora TR3 za pośrednictwem rezystora R4. Kolektor tranzystora TR3 jest podłączony do jednej z elektrod ogniwa i z diodą D2. Emitery tranzystorów TR1, TR2, TR3 są połączone z masą. Rezystory R5 i R6 służą, odpowiednio, jako obciążenia kolektorów do tranzystorów TR1 i TR2. Ogniwo służy jako obciążenie kolektora do tranzystora TR3. Rezystory R2, R3 i R4 służą, odpowiednio, do zapewnienia nasycenia tranzystorów TR1, TR2 i TR3. Dioda D2 chroni resztę obwodu przed ewentualnymi wzbudzonymi wstecznymi siłami elektromotorycznymi z ogniwa.

Obwód astabilny jest używany do wytwarzania ciągu impulsów w określonym czasie i o określonym stosunku długości znaku do przerwy. Ten ciąg impulsów jest doprowadzany do bazy tranzystora TR1 za pośrednictwem rezystora R2. Tranzystor TR1 pełni rolę przełącznika odwróconego. Zatem, po wytworzeniu przez astabilny obwód impulsu wyjściowego, rośnie napięcie bazy w tranzystorze TR1 (tj. w pobliże Vcc lub wartość logiczna 1). Powoduje to spadek poziomu napięcia na kolektorze tranzystora TR1 (tj. w pobliże masy lub wartość logiczna 0).

Tranzystor TR2 działa również jako przekształtnik. Po spadku napięcia kolektora w tranzystorze TR1 spada również napięcie bazy w tranzystorze TR2 i następuje wyłączenie tranzystora TR2. Stąd rosną napięcie kolektora w tranzystorze TR2 i napięcie bazy w tranzystorze TR3. Powoduje to włączenie tranzystora TR3 o stosunku długości znaku do przerwy zadanym przez obwód astabilny. Po włączeniu tranzystora TR3 jedna elektroda ogniwa jest podłączana do Vcc a druga do masy za pośrednictwem tranzystora TR3. Zatem tranzystor TR3 może zostać włączony (i wyłączony) i dlatego tranzystor TR3 skutecznie służy jako przełącznik zasilania do elektrod w ogniwie.

Na fig. 6-8 pokazano dodatkowe przykłady wykonania ogniwa, które są podobne, odpowiednio, do przykładów wykonania z fig. 1-3. Jednakże w każdym z przykładów wykonania z fig. 6-8 znajduje się dodatkowo cewka 104 usytuowana nad elektrodami i końcówkami 107 źródła zasilania podłączonymi do cewki 104. Wymiary cewki 104 mogą wynosić, na przykład, 5x7 cm, i może ona mieć, na przykład 1500 zwojów. Cewka 104 jest zanurzona pod powierzchnią płynu 110, korzystnie wody.

W skład urządzenia według przykładów wykonania z fig. 6-8 wchodzi ponadto opcjonalny przełącznik 121, który użytkownik może włączać lub wyłączać. Kiedy przełącznik 121 nie jest zwarty, to ogniwo ma w przybliżeniu taką samą budowę jak ogniwo przedstawione na fig. 1-3, a zatem może pracować w taki sam sposób jak opisano na fig. 1-3 z myślą o wytwarzaniu ortowodoru i tlenu. Po zwarciu przełącznika 121, ogniwo, dzięki dodatkowej cewce 104 jest w stanie wytwarzać tlen i albo (1) parawodór albo (2) mieszankę parawodoru z ortowodorem.

Po zwarciu przełącznika 121 (albo kiedy go nie ma) następuje połączenie cewki 104 poprzez końcówki 106 i przełącznik 121 (albo bezpośrednie połączenie tylko przez końcówki 106) do źródła zasilania tak, że cewka 104 może odbierać sygnał impulsowy. Jak wspomniano dalej, źródłem zasilania może być obwód pokazany na fig. 9.

Po odebraniu przez cewkę 104 i elektrody 105a, 105b impulsów, istnieje możliwość powstawania pęcherzyków parawodoru lub mieszanki parawodoru z ortowodorem. Pęcherzyki te tworzą i płyną ku powierzchni wody 110, jak omówiono nawiązując do fig. 1-3. W przypadku zasilania impulsowego cewki prądem o większym natężeniu, powstaje więcej parawodoru. Ponadto zmieniając napięcie cewki 104, można wytwarzać większą/mniejszą zawartość procentową ortowodoru/parawodoru. Zatem regulując poziom napięcia, poziom natężenia i częstotliwość prądu (omówione dalej) doprowadzanego

PL 192 845 B1 do cewki 104 (oraz parametry takie jak poziom napięcia, poziom natężenia, częstotliwość, stosunek długości znaku do przerwy i postać falową sygnału doprowadzanego do elektrod 105a, 105, jak omówiono powyżej) można regulować skład gazu wytwarzanego przez ogniwo. Na przykład, istnieje możliwość wytwarzania tylko tlenu i ortowodoru po zwykłym odłączeniu cewki 104. Istnieje również możliwość wytwarzania tylko tlenu i parawodoru poprzez doprowadzanie odpowiednich sygnałów impulsowych do cewki 104 i elektrod 105a, 105b. Wszystkie korzyści i wyniki omówione w powiązaniu z przykładami wykonania z fig. 1-3 odnoszą się również do przykładów wykonania pokazanych na fig. 6-8. Na przykład, ogniwa z fig. 6-8 są samociśnieniujące, nie trzeba w nich stosować chemicznego katalizatora, nie podgrzewają w znaczącym stopniu wody 110 ani ogniwa i wytwarzają duże ilości wodoru i tlenu w postaci gazowej z umiarkowanych ilości energii wejściowej, bez osadzania się pęcherzyków na elektrodach.

Zanim następny impuls doprowadzi prąd do cewki 104 upływa znaczny czas. Stąd częstotliwość impulsowego sygnału jest znacznie mniejsza niż doprowadzana do elektrod 105a, 105b. W związku z tym, w przypadku cewki 104 o takich wymiarach jak opisano wcześniej, częstotliwość impulsowych sygnałów może dochodzić nawet do 30 Hz, ale, korzystnie, dla uzyskania optymalnych wyników zaleca się stosowanie częstotliwości 17-22 Hz.

Parawodór nie jest tak silnie palny jak ortowodór i stąd jest słabiej palącą się postacią wodoru. Zatem w przypadku wytwarzania w ogniwie parawodoru, parawodór ten można doprowadzić do odpowiedniego urządzenia, takiego jak kuchenka albo piec, gdzie stanie się źródłem energii lub ciepła paląc się słabszym płomieniem.

Na fig. 9 pokazano przykładowe źródło zasilania wytwarzające sygnały impulsowe prądu stałego, takie jakie pokazano na fig. 4a-4c do elektrod pokazanych na fig. 6-8. Dodatkowo, źródło zasilania można dostarczyć inny sygnał impulsowy do cewki. Jak łatwo zorientują się osoby o odpowiednich kwalifikacjach w tej dziedzinie, można tu zastosować każde dowolne źródło zasilania zdolne do dostarczania omawianych powyżej sygnałów impulsowych do elektrod ogniwa i cewki. Alternatywnie, doprowadzane do elektrod i cewki sygnały impulsowe można dostarczać z dwóch oddzielnych źródeł zasilania.

Część źródeł zasilania (obwód astabilny, R2-R6,TR1-TR3, D2) dostarczająca sygnał impulsowy do elektrod ogniwa jest identyczna z pokazaną na fig. 5. W skład źródła zasilania pokazanego na fig. 9 wchodzą ponadto następujące części i ich odpowiednie przykładowe wartości:

Licznik dzielnikowy przez N 4018 BPC lub równoważny obwód logiczny

Obwód monostabilny NE 554 lub równoważny układ logiczny

Rezystor R1 10K

Tranzystor TR4 2N3055 lub dowolny bardzo szybki, wysokoprądowy przełącznik krzemowy

Dioda D1 1N4007

Wejście licznika dzielnikowego przez N (nazywanego dalej „dzielnikiem”) jest podłączone do kolektora tranzystora TR1. Wyjście dzielnika jest podłączone do obwodu monostabilnego a wyjście obwodu monostabilnego jest podłączone do bazy tranzystora TR4 przez rezystor R1. Kolektor tranzystora TR4 jest podłączony do jednego końca cewki i do diody D1. Drugi koniec cewki i dioda D1są podłączone do źródła napięcia zmiennego Vcc. Rezystor R1 zapewnia całkowite nasycenie tranzystora TR4. Dioda D2 uniemożliwia uszkodzenie reszty obwodu przez jakąkolwiek wsteczną siłę elektromotoryczną wytworzoną w cewce. Jak pokazano na fig. 6-8, przełącznik 121 może być również wbudowany w obwód dla umożliwienia użytkownikowi przełączania się pomiędzy (1) ogniwem wytwarzającym ortowodór i tlen, a(2) ogniwem wytwarzającym co najmniej parawodór i tlen.

Przełączanie napięcia na kolektorze tranzystora TR1 dostarcza sygnał impulsowy do dzielnika. Dzielnik dzieli ten sygnał impulsowy przez N (gdzie N jest dodatnią liczbą całkowitą), w wyniku czego powstaje impulsowy sygnał wyjściowy. Ten sygnał wyjściowy jest używany do zwolnienia obwodu monostabilnego. Obwód monostabilny przywraca długość impulsu tak, że ma on odpowiednią synchronizację czasową. Sygnał wyjściowy z obwodu monostabilnego jest dostarczany do bazy tranzystora TR4 przez rezystor R1 w celu włączenia/wyłączenia tranzystora TR4. Po włączeniu tranzystora TR4 cewka zostanie włączona pomiędzy źródło zasilania Vcc a masę. Po wyłączeniu tranzystora TR4, cewka jest odłączana od reszty obwodu. Jak omawiano w nawiązaniu do fig. 6-8, częstotliwość sygnału impulsowego doprowadzonego do cewki jest przełączana z szybkością, korzystnie, 17-22 Hz; tj. znacznie niższą od częstotliwości sygnału impulsowego doprowadzanego do elektrod.

PL 192 845 B1

Jak już wspomniano, nie ma wymogu, żeby obwód (dzielnik, obwód monostabilny, R1, TR4 i D1) dostarczał sygnał impulsowy do cewki, podłączonej do obwodu (obwód astabilny, R2-R6, TR1-TR3, D2) doprowadzającego sygnał impulsowy do elektrod. Jednakże łączenie obwodów w ten sposób stanowi łatwą drogę zainicjowania sygnału impulsowego do cewki.

Zbudowano z powodzeniem prototyp roboczy urządzenia według wynalazku i uruchomiono go z podanymi powyżej parametrami optymalnymi i przykładowymi potrzebnymi do wytwarzania ortowodoru, parawodoru i tlenu z wody. Gaz wylotowy z prototypu urządzenia podłączono za pomocą rurociągu do kolektora wlotowego małego, jednocylindrowego silnika benzynowego ze zdemontowanym gaźnikiem, po czym silnik ten uruchomiono z powodzeniem bez stosowania jakiejkolwiek benzyny.

Dalsze zalety i modyfikacje rozwiązania według wynalazku będą łatwo zrozumiałe dla osób o odpowiednich kwalifikacjach w tej dziedzinie. Ponadto wynalazek nie ogranicza się do konkretnych rozwiązań szczegółowych oraz opisanych tu i pokazanych rozwiązań przykładowych. W związku z tym, istnieje możliwość dokonywania w nim różnorodnych modyfikacji bez wychodzenia poza zakres wynalazku określony w załączonych zastrzeżeniach patentowych.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania wodoru poprzez elektrolizę wewnątrz zbiornika zawierającego płyn zawierający wodę, w którym przepuszcza się elektryczny sygnał w postaci impulsów pomiędzy co najmniej jedną parą elektrod co najmniej częściowo zanurzonych w tym płynie, znamienny tym, że napełnia się zbiornik (111) płynem (110) zawierającym wodę aż do chwili kiedy zbiornik jest co najmniej częściowo wypełniony, po czym zanurza się co najmniej jedną parę elektrod (105a,b; 205a,b; 305a,b) w płynie (110), przy czym elektrody (105a,b; 205a,b; 305a,b) umieszcza się tak, aby znajdowały się w odległości 5 mm lub mniejszej od siebie, następnie po zanurzeniu i umieszczeniu elektrod (105a,b; 205a,b; 305a,b) w określonym położeniu doprowadza się do jednej z elektrod (105a,b; 205a,b; 305a,b) elektryczny sygnał impulsowy mający stosunek długości znaku do przerwy pomiędzy około 1:1 a około 10:1, który to impulsowy sygnał elektryczny ma częstotliwość pomiędzy około 10 kHz a około 250 kHz i uzyskuje się wodór.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się płyn (110) w zasadzie pozbawiony chemicznego katalizatora.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się płyn w zasadzie pozbawiony wodorotlenku potasu oraz wodorotlenku sodu.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że impulsowy sygnał elektryczny ma napięcie około 12 Voltów a natężenie prądu około 300 mA.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się impulsowy sygnał elektryczny o zmiennej częstotliwości.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ponadto z oknem wylotowym zbiornika (111) łączy się urządzenie (120), przy czym urządzenie (120) jest wybrane z grupy obejmującej: silnik spalania wewnętrznego, silnik tłokowy, gazowy silnik turbinowy, palenisko, grzejnik, piec, urządzenie do destylacji, urządzenie do oczyszczania wody oraz dyszę płomieniową do wodoru/tlenu, po czym uruchamia się to urządzenie (120).
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ponadto umieszcza się cewkę (104) wewnątrz zbiornika (111) oraz doprowadza się drugi impulsowy sygnał elektryczny do tej cewki (104).
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że doprowadza się impulsowy sygnał elektryczny, który jest impulsowym sygnałem elektrycznym o zmiennym napięciu.
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że doprowadza się impulsowy sygnał elektryczny, który ma prostokątny kształt fali.
10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że doprowadza się impulsowy sygnał elektryczny, który ma piłokształtny kształt fali.
11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że doprowadza się impulsowy sygnał elektryczny, który ma trójkątny kształt fali.
12. Urządzenie do wytwarzania wodoru poprzez elektrolizę wewnątrz zbiornika zawierającego płyn zawierający wodę, które to urządzenie zawiera co najmniej jedną parę elektrod umieszczonych w zbiorniku, co najmniej częściowo zanurzonych w płynie oraz zespół zasilający sprzężony z elektrodami, doprowadzający impulsowy sygnał elektryczny, znamienne tym, że co najmniej jedna para

PL 192 845 B1 elektrod (105a,b; 205a,b; 305a,b) jest umieszczona w zbiorniku (111) zawierającym płyn (110) w odległości od siebie wynoszącej 5 mmlub mniej, zaś zespół zasilający doprowadzający do jednej z elektrod (105a,b; 205a,b; 305a,b) impulsowy sygnał elektryczny, doprowadza impulsowy sygnał elektryczny mający stosunek długości znaku do przerwy wynoszący od około 1:1 do około 10:1 oraz częstotliwość wynoszącą pomiędzy około 10 kHz a około 250 kHz.
13. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że zawiera ponadto cewkę (104) usytuowaną wewnątrz zbiornika (111) oraz drugie źródło zasilania sprzężone z cewką (104) doprowadzające drugi impulsowy sygnał elektryczny do tej cewki (104).