WO2000049205A1 - Procedimiento para la obtencion de hidrogeno por electrolisis gravitacional y electrolizador gravitacional - Google Patents

Procedimiento para la obtencion de hidrogeno por electrolisis gravitacional y electrolizador gravitacional Download PDF

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WO2000049205A1
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hydrogen
solution
electrolyte
electrolyzer
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Vladimir Fateev
Ricardo Blach Vizoso
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David Systems Technology, S.L.
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Definitions

  • the invention relates to a process for gravitational electrolysis of water and a gravitational electrolyser.
  • the invention if coupled to an internal combustion engine, takes advantage of the thermal losses of said engines, so that together with an applied electrical energy and a rotational movement of the electrolyser it allows gravitational electrolysis to obtain hydrogen and oxygen from the water.
  • the concentration of electrons is exceeded with an electrical energy consumption, by raising the electrical voltage between the electrodes to the level of electrolyte decomposition and even with the application of more voltage electric to compensate for the effect of its polarization.
  • the electrolyte solution is carried at a higher speed than the critical one and by braking the ions within the magnetic field in the electrodes the necessary potential difference is created.
  • the third method is the object of the present invention, and energy is spent to change the speed of movement of the solution.
  • the hydrogen is obtained from water by heating and rotating the aqueous solution of the electrolyte through a special mechanism and at a certain frequency.
  • One of the methods of obtaining hydrogen from water involves the use of carbon or hydrocarbons at a temperature of 1,000-1,300 ° K, with or without catalysts, using thermal energy, according to the reactions
  • the decomposition of the water molecule under normal conditions requires a working contribution of 228.71 kJ / mol and a heat amount of 13,211 kJ / mol.
  • the amount of work can be supplied in the form of electrical energy, with 2.83 Kwh required for the production of 1 m 3 of hydrogen and in case of replacing heat with electricity, the total amount of work in electrical energy is 3.00- 4.00 Kwh If the work is replaced by heat, the The temperature required for the decomposition of the water molecule is of the order of 5,000 ° K.
  • Vehicles powered by electric motors can receive electric energy from accumulators or from a fuel cell. Those that use the batteries as a power source suffer from low power and low maximum speed, while raising problems due to the weight of the batteries in the accumulators, the small autonomy and the excessive recharge time of the batteries.
  • Hydrogen can be obtained from various sources such as water, methane, methanol, oil, etc., through electric, solar, wind, etc. For more than 40 years almost all industrialized countries have been developing high-tech programs in order to use hydrogen as a source of energy.
  • the standard fuel cell operates at a temperature of 80 ° C and an inverse reaction to the electrolysis of water takes place inside.
  • the main components are two electrodes and one electrolyte. Water breaks down into two protons and two electrons. The electrons go outside in the electrode-electrolyte device producing electrical energy before returning to the other electrode where they reduce oxygen, being the result of the water reaction.
  • the electricity generated is used for the power-charge of batteries that, in the case of a car, give the electric power to the electric motors of the car.
  • Shell / Daimler-Benz / Ballard have signed a Collaboration Agreement to accelerate such use. The contribution of each participant is as follows, Daimler-Benz: vehicles and engines, Ballard: fuel cells (Fuel Cell) and
  • Mercedes is currently testing a modified Mercedes Class A that runs 400 km with 40 liters of methanol.
  • Plasma flow a) CH 4 + H 2 0 -> 3 H, + CO [the energy to obtain hydrogen is 1.6 Kwh / J.
  • the external formation of the mixture implies that one third of the volume of the intake is practically hydrogen, which results in a loss of volumetric efficiency and an additional loss due to the low calorific value.
  • the irresolvable problem of the aforementioned methods in the case of wanting to produce the hydrogen necessary for the operation of the engine, on board the vehicle that uses said engine, is that none from them you can positively close the energy equation; that is to say, the capacity of production and storage of the electrical energy by the dynamo and the accumulator coupled to the motor group that uses hydrogen as fuel, is not sufficient to cover the need of the precise electrical energy so that the most modern electrolysis system can produce the amount of hydrogen necessary for engine operation.
  • This mixture can be carried out in two different ways: - initially preparing a mixture of said components, stabilized with polymers, such as resins, etc .; the maximum concentration of water is 50 ' c of the weight.
  • This method offers several problems such as instability of the mixture, which causes instability in the engine operation when different concentrations of water-gasoline reach the combustion chamber, engine stop when the water concentration of the mixture is greater than 50%, and problems of freezing the water in the mixture; or by forming the mixture at the entrance of the motor power system.
  • This method requires mixing systems to achieve the desired proportions.
  • the amount of hydrogen in the mixture was 3 to 30 ml / s, produced by electrolysis (electrolytic cell or polymer membrane electrolyzer). Hydrogen is added in the injection system of the mixture.
  • electrolysis electrolytic cell or polymer membrane electrolyzer.
  • Hydrogen is added in the injection system of the mixture.
  • the results of these experiments indicate that: the physical-chemical conditions of the process involve more explosive mixtures. As hydrogen has a high diffusion rate, it allows to obtain homogeneous mixtures that react easily with oxygen; the speed of these reactions and the speed of radicals and diffusion of molecules is higher than in the case of organic radicals; and hydrogen accelerates the oxidation of gasoline (if there is enough oxygen), while H 2 and H + easily reduce NOx and CO.
  • Figure 1 represents a schematic sectional view of the hydrogen generator object of the invention.
  • Figure 2 represents a sectional view of the hydrogen generating equipment similar to that of Figure 1 in which the separators and the internal heat exchanger are not used.
  • Figure 3 represents section A-A included in figure 2.
  • Figure 4 represents section B-B of the same figure 2.
  • Figure 5 represents the scheme of the three interaction variants of heavy peripheral ions with water molecules in the field of artificial gravity force.
  • This invention relates to a method for the Obtaining hydrogen by gravitational electrolysis and a gravitational electrolyzer to obtain hydrogen.
  • FIG 1 shows the scheme of the hydrogen generator [gravitational electrolyzer] object of the present invention, which operates on the basis of the proposed procedure.
  • the generator has a frame [1], within which, on the bearing supports [2], the composite shaft [3], kinematically linked with the source of mechanical energy, for example, an internal combustion engine, is fixed flexibly (the figure does not indicate), rotor tank [4], supplied by the heat exchanger [5] and separator [6].
  • the shaft body [3] there are ducts [7],
  • the frame is fixed on the shaft [3] by means of the flanges [14], electro-insulated from the latter by the joints [15].
  • the separator [6] is made of plastic and is fixed on the metal discs
  • the separator can also be manufactured in the form of thin mesh or membrane covers fitted with a necessary clearance on the discs [16].
  • the lateral surfaces of the discs [16] are perforated, which creates conditions for the normal circulation of the solution in the axial direction.
  • the trolley [17] is connected to the outer surface of the rotor frame [4] and to the exit end of the ee [3], through the sliding contacts, with an external payload (in the figures it is not indicated) .
  • the ee [3] It should be manufactured from coaxial tubes.
  • the heat exchanger [5], is full of thermo-carrier and through the channels [10], is connected to the external heat source, for example, in series with the internal combustion engine cooling systems and outlet of the Exhaust gases, and the rotor tank [4], with the aqueous electrolyte solution.
  • the inner surface of the rotor reservoir [4] has a conical shape and has helical, spiral or circular gutters [18] and [19], which serve to drain liquid products from electrolysis and in this way the active surface is cleaned of the electrodes, of the precipitated substances, which leads to a reduction in the frequency of rotation and an increase in the production of the generator.
  • radial fins [20] which have sharp (sharp) edges [21] at their peaks.
  • the fins can be made by instrumental threading or embossing pattern of rolled metal, bending the cut petals.
  • the lateral surfaces of the fins [20] make up an acute angle and are inclined towards the rotating part of the rotor [4].
  • the valves [22] are incorporated, which are opened after obtaining the frame rotor [4] for the programmed rotation frequency.
  • the electrolyte solution can fulfill the function of heat exchanger and therefore the internal heat exchanger [5] is not used.
  • at least one of the disks [16] has radial holes [23] (type Pitot tubes) next to which there are projections [24], which are deepened in a radial gutter [19] (see Figure 4) .
  • This disk is installed in a mobile way on the shaft [3] and is placed in advanced rotation with respect to the frame [4], due to the interaction with the circular currents of the solution that arise as a result of energizing the electrolysis products and the transmission of the amount of movement, acquired by them in the periphery to the central layers of the liquid that have lower absolute speed.
  • said disc [16] is braked with the brake [25], that is, it has a lower rotation frequency than the rotor of the frame [4] and with this it is ensured, thanks to the dynamic pressure of the solution in front of the projections [24], through the holes [23] and the corresponding channels in the shaft [3], the liquid feeding from the rotor tank [4], to the external heat exchanger of the source of The thermal energy and the relative laminar currents of the solution along the electrode surfaces perform the effective cleaning of the electrolysis products.
  • water is added to the solution outside the rotor cavity [4] (not indicated in the figures).
  • the cover [26] is created, which creates a hermetic cavity that communicates through a return valve with the air intake system of the internal combustion engine or a vacuum pump and this lowers the Air pressure and energy consumption by friction and reduces the noise level during operation.
  • the generator can fulfill the function of the flywheel, as well as that of the recuperator of the kinetic energy of the means of transport, which allows saving up to 10% of the hydrocarbon fuel in every 100 km.
  • the generator in the system of the hydrogen supply to the combustion chambers of the engine, it is necessary to provide for the installation of a gas storage tank.
  • Figure A shows section A-A of Figure 2.
  • FIG 5 shows the scheme of the three variants of interaction of heavy peripheral ions with water molecules in the field of artificial gravity: a) functioning the device in the lower limit of the frequency of rotation or in the regime of the hydrogen generator; b) transitional state (economic regime of the hydrogen generator); or c) operating in the hydrogen electrogenerator regime when achieving the rotation frequency that considerably exceeds the lower limit (obtaining the saturation state).
  • the rotation frequency ( ⁇ ) in the process of the present invention is determined by equation (3):
  • q ⁇ q ⁇ are anion and cation electric charges of electrolyte, Kr; T is the absolute temperature of the solution, ° K; ⁇ m is the mass difference of cations and hydrated anions, kg; p is the linear concentration of heavy ions,
  • the internal radius of the rotor reservoir, r is 0.3 m
  • the height of the column of the electrolyte solution, h is 0.23 m
  • the average radius of the column of the solution, r cp is 0.185 m
  • the electrolyte is an aqueous solution of bromic acid (HBrOJ, at a temperature T of 18 ° C, a concentration, C, of 6 M and a degree of dissociation, 0.85 K
  • the process for obtaining hydrogen by gravitational electrolysis takes advantage of the thermal losses of internal combustion engines in said the process of obtaining hydrogen by means of gravitational electrolysis.
  • said process of obtaining hydrogen by gravitational electrolysis comprises the steps of: a) rotating an aqueous solution of an electrolyte in the rotor [4] of a gravitational electrolyzer, at a frequency that is defined by equation (3) previously mentioned, generating as a consequence of said rotation a centrifugal force that creates an artificial gravity field that allows the ionic species present to be separated based on their weight, which migrate to their respective electrodes; and b) effect the reduction of the protons in the cathode to generate hydrogen.
  • the previously prepared aqueous solution of the electrolyte, in a dosed volume, is sent to the tank in rotation [4] through the channel [9].
  • the solution level covers the disks [16].
  • the rotor [4] rotates to the set rotation frequency for said device and electrolyte by the formula (3). If the indicated parameter is lower than the calculated value (threshold), the effectiveness of the water disintegration process is lowered sharply and the electrolysis will be impossible.
  • the valves [22] open, leaving the metered free entry of the water or solution to the rotor tank [4] and extraction of the hydrogen and oxygen deposit through the corresponding channels [7], [ 8] and [9].
  • Under the action of the centrifugal force is created in the deposit [4] a force field of artificial gravity, in which the ions in the form of formula type solvates (4) move towards their inner surface and stick to it.
  • X is the amount of ions in solvate; / * is the heavy ion; and is the amount of water molecules in the hydrated envelope; and ⁇ is the ion charge.
  • the operation of the equipment at the intermediate frequency when the parameter indicated above is close to the value (r c - + r u ), ensures operation at an economic rate, in which the optimum correlation between the mechanical work spent and the thermal energy consumed by a unit of mass of a working body (solution), that is to say maximum specific performance.
  • This parameter is characteristic for each specific electrolyte and for the generator construction.
  • the equilibrium will be, first of all, broken precisely at the cathode, if the achieved value of its potential is sufficient for the partial or total deformation, due to the action of the electric field of the hydrated envelopes of the light ions. In this case, they will approach the surfaces of the discs [16] and will discharge releasing a large amount of heat according to the reaction (8).
  • the mechanism of ion discharge in the electrode is different.
  • the ions do not contact the electrode directly, and the electrons pass from the electrode to the ion or in the opposite direction by means of supershort interaction with the chain of water molecules in the hydrated envelope found in the space adjacent to the electrode, as well as water polo players who pass the ball in one touch, therefore, the electrons bombard the surface of the anode and, when leaving the cathode, create a reverse polarization electron cloud that ionizes molecular and atomic hydrogen and hinders the normal performance of the procedure, reaching an increase in the tension for the decomposition of water (overvoltage).
  • the potential of the exit of the electrons from the cathode and the capture of the electrons by the water molecules, or their negative ionization without taking into account the overvoltage, is the electrical potential of the decomposition of the water.
  • the heavier ions, compressed by centrifugal force against the internal surface of the tank [4], cannot exist in the solution individually independently of the light ions, therefore, they will also deliver their charge to the electrode and with this they will change their chemical composition to the electro-neutral according to the exothermic reaction (11), if its chemical interaction with the water does not arise according to the secondary reactions.
  • the electric current flows through the trolley [17]. This process will be irreversible and will obtain a stable character since the final products of the chemical reactions leave the solution.
  • the reactions of the recovery of oxygen and hydrogen ions to the molecular state are exothermic, the field of artificial gravity is a constant value and over time and in exchange for the discharged ions, new ones come from the remote layers of the liquid
  • the determining factor here is the value of the electric field created by the light ion space charge.
  • the effective electrode area in which they are discharged in the cathode area [16])
  • the effective electrode area in which they are discharged is the linear function of the radius of the deposit, and its numerical value depends on the depth or volume of the spatial charge, or be of the frequency of rotation of the tank [4], and the area of the other electrode (anode) remains practically constant, in the end only the density of the electric current passing through the area is changed. This electric current is maximum when it reaches the saturation state. It is very important to note that all electrochemical processes that take place in the cathode are absolutely identical to the classic electrolysis process but with high solution pressure.
  • the increase of the frequency leads to the rapid growth of the voltage and the reduction of the coefficient of performance, having the presence of the force of the electric current.
  • the upper limit of the rotation frequency is limited only by the constructive strength of the specific device.
  • Its hydrogen production is determined by the magnitude of the saturation current, which in each case is the characteristic parameter of the electrolyzer generator. Taking into account that electrolysis products in conditions of high solution pressure, which exceeds the criticism for hydrogen and oxygen, are produced in a compact form in the form of liquid vapor, this Index for different electrolytes can reach more than 35 mol. m ' J c "1 at current densities up to 5.10 2 - A.cnT 2 .
  • the liquid hydrogen drains towards the center of rotation from the active surfaces of the fins [20], the sharp edges [21] that are formed by the lateral surfaces of the fins [20], are responsible for the detachment of the drops of the surface of the electrodes on a larger scale than the round ones and in addition they concentrate on their surface the conduction electrons thus increasing the intensity of the electric field between the cathode and cations, which leads to a reduction in the frequency of the threshold of the rotation of the deposit of the rotor [4].
  • the centrifugal force acting on the conduction electrons of the cathode contributes, in part, by displacing them to their periphery, that is, in the direction towards the anode.
  • the intensification of the Self-cleaning of the electrodes is useful to periodically create in the disks [16] the high frequency brake pulses (0.3 - 0.5 kHz), which will stimulate the scumming of gases to the channels [18] and [19], they will create micro-molds in the border film of the solution and ensure separation from the surface of the anode and cathode of sediments by taking them to the central area of the reservoir [4].
  • the power consumption for the solution is defined by the change of the electric current in the external load, adding to the tank [4] through the channel [9] the water or electrolyte solution, if used as a heat carrier.
  • the process for obtaining hydrogen is easily regulated by changing the frequency of rotation of the tank [4] or the magnitude of the ohmmeter resistance of the external load. Liquid hydrogen and oxygen do not mix with each other and chemically do not react if there is no initiator of this interaction, for example, a spark, a local thermal source, shock waves, etc. Therefore, special safety measures must be provided in the device.
  • W B (1, 6xl0 "19 ) 2 [4x3, 14x80x8, 85xl0 " 12 .
  • the condition for performing the electrolysis procedure is the decrease in the entropy of the thermochemical potential of the electrolyte solution by means of action on the last of the gravitation field.
  • means of action on the last of the artificial exterior gravitation field which ensures the displacement of the chemical equilibrium of the reactions (5) (11) to the right side of the equations, in charge of mechanical work against the hydration energy of the ions to the simultaneous compensation of inevitable reduction, of the thermal content of the system (enthalpy) by the influx of heat from the environment or from an external source.
  • dA is the elementary mechanical work of the gravitation field to overcome the forces of the hydrated bonds of the ions with the water molecules
  • dQ is the elemental thermal energy absorbed by the solution
  • ⁇ is the electromotive force of the gravitation field.
  • the main peculiarity of the realization of the process object of the present invention in a strong field of gravitation, is the permanence of the amount of the movement of the solution during the operation of the generator in the established regime.
  • the mechanical work of the external source (a) which is spent to increase the kinetic energy of the water that enters the rotor tank for the decomposition and decantation of the electrolyte ions, is compensated considerably by the kinetic energy of the gases that they emerge towards the ee of rotation and by mixing the solution by moving the light electrons through the heavy ones [see equations (8) and (11)].
  • ⁇ is the general hydromechanical performance of the hydrogen generator.
  • the weight, G d is 1.75 kg, and the area of the anode is determined by equation (31):
  • the pressure of the water molecules does not influence much on the mechanism of approximation of the heavy ions and on the growth of their concentration in the space adjacent to anodes. This is confirmed by the fact that the displacement (forward movement) of the ions in the solution of the dissolved gas molecules or the Bro n particles.
  • the fundamental idea is to achieve, in the generator, the conditions for the movement of heavy ions towards the periphery and consume the mechanical work numerically equivalent to the energy of the gravitational field or to the energy potential of the cathode capable to overcome the resistance of the hydrated bonds of the cations with the water molecules and ensure their spontaneous discharge according to the exothermic reaction (8).
  • the productivity of the generator is proportional to the rotating moment. Coupled to the internal combustion engine, its overall performance will grow to 0.7-0.85.
  • the specific productivity of the hydrogen generator can be defined based on the following positions:
  • the minimum and maximum effective distance between the cathode and anode is determined by the Equations (41) and (42):
  • the difference in the anode and cathode potentials is due to the difference in the activity of the cations and anions during discharge or their temporary volumetric concentration in the area adjacent to the electrodes. Cations are the initiator of the download process. Therefore, its concentration in front of the cathode will always be less than that of the anions in front of the anode. That is to say, in the cathode some deficit of the conduction electrons will be felt, which means that it will conditionally receive a small positive potential with respect to the anode which will create the electrical voltage between them and will numerically equal several decivolts.
  • the veracity of the result obtained can confirm the fact that the determining factor that influences the productivity of the generator is the value of the effective area of the cathode that has to be smaller than the area of the anode and the density of the electric current greater.
  • the area of the thin disc of the cathode being the radio function for its two lateral surfaces is equivalent to:
  • the cathodic density of the current is greater than the anodic one, it grows rapidly closer to the anode, and in the direction towards the axis of the deposit from the reference mark (r-dmax) decreases with the same rapidity.
  • the average value of the density of the cathodic current is approximately :
  • the mass of the charge-free carriers was experimentally used to obtain the electromotive force in an inert mechanical field. It is clear that the mass of the electron is about 2,355.10 5 times less than the mass of the bromate anion, so the electromotive force that arises and of short duration, measured in a few parts of tenths of mkV, could not be an optimistic cause to look for the field of practical application of this phenomenon until today.
  • the physics of the state and the behavior of free charges in metals differs considerably from their characteristics in electrolyte solutions.
  • the generator will absorb and transform from 36 to 44 units of low potential thermal energy into high potential chemical energy of hydrogen recovered per kilogram of solution, which can, later, stay stored and be used for energy, industrial, etc.
  • the hydrogen gravitational generator has the specific performance 4-5 times greater than the refrigerating machine, because the most powerful ionic bonds act on it and this opens up good prospects for application in the systems of air conditioning, heating and cold production appliances.
  • the most important index of the effectiveness of the transformation of thermal energy is the thermal coefficient of its transformation that reflects the degree of concentration of low potential heat.
  • Tj is the temperature of the hydrogen-oxygen flame during its combustion, ° K;
  • the hydrogen generator allows the use of secondary heat not only for heating but also for industrial processes for obtaining secondary mechanical and electrical energy.
  • the "accumulation regime" of the generator's work when part of the time it works by consuming the electrolyte, and in the disconnected state it recovers its previous composition. For this it is necessary to use a good electrolyte quality, for example, the well dissolved salt of a metal heavy asset.
  • this metal will decant in the anode, and in the solution the acid will accumulate, then, in the second regime, the metal will dissolve in the acid and the electrolyte will acquire its initial composition.
  • the generator constantly produces hydrogen, but with different intensity.
  • the objective of moving to the hydrogen electrogenerator regime can be solved by changing any linear parameter of the procedure (r, h, K, T, C), of the rotation frequency (W) or of the whole, but that does not It is the objective of the present calculations.
  • the formation of voids (caverns) that are constantly created and disappear during the thermal movement of water molecules is achieved, especially during the rotary movement ( ⁇ ! .10 ⁇ 12 oscillations per second) in which they are asymmetrically volumetric and during the reconstruction of the structure they create caverns with the transverse dimensions, between 4 and 7.10 10 m and the duration of their existence is of the order of 1.10 "10.
  • the constant" cavernous reconstruction "of the liquid structure in the force field it ensures the directed movement of the ions during electrolysis.
  • the slsctrc ⁇ can enter organically in the ccrr.pcsicicn of the ivr of automotive force rr (automotive) and ccr. -er. ccn all the parts, especially with the electrc ⁇ er-era ⁇ or tea turbine in the car Together with the solution of the " main technical-economic objective (increase of fuel economy and reduction of the emission of engine pollution) it does not offer any safety problem since during the operation of the device no excess gas reserve is created
  • the material requirements for the operation of the electrogenerator can be preserved for a long time in the form of water and detached in the necessary quantity and in the time determined only before the immediate feeding to the engine cylinders or the combustion chamber of the turbine.
  • the absence of complicated problems, linked to the conservation of hydrogen in the form of gas, is one of the advantages of the device proposed by this invention.
  • the fuel mixture is enriched by oxygen, which leads to the increase in the average temperature of the thermodynamic cycle of the engine and that. Due to its consequences, it is equivalent to the increase in the coefficient of performance (useful force), the reduction of the content of oxides in the exhaust gases, the complete combustion of the fuel and the better formation of the mixture.
  • the construction of the electrogenerator allows hydrogen to be obtained at pressures below 2 MPa, which does not require an additional compressor for the diesel and turbine engines.
  • This invention allows not only to improve the technical-economic indexes of the energy force device of a traditional car, but also to create the premises for developing in the near future a new, more modern means of transport, including its transmission, electrical system, and brake and control.
  • the main conclusion that can be made based on the analysis of the results of the calculations performed, is that the proposed procedure of decomposition of water in the artificial gravitational field is achievable by applying ordinary technical construction solutions.
  • the specific productivity of the generator and its performance is more than enough to match it with internal combustion engines, including cars, airplanes, etc.
  • the cathode and anode must be electrically isolated from each other, preferably by the surface of the rotor body joining with the axis of rotation.
  • the evacuation of the gases from the generator can be carried out at its excessive pressure, of the order of 1 to 2 MPa. Combined evacuation is possible, when oxygen is separated and hydrogen is sent to the combustion system of the engine in vapor-liquid form.
  • the generator should be coupled to the turbine disk or to the engine steering wheel, in the latter case it acquires the properties of the recuperator, that is, a device that effectively transforms its mechanical energy into the chemical energy of hydrogen in the movement, for example, of the car On a mountain descent.
  • an accumulator tank In the construction of the hydrogen feed system to the combustion chambers of the engine, an accumulator tank must be provided.

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Abstract

El procedimiento comprende (a) hacer rotar una solución acuosa de un electrolito en el rotor de un electrolizador gravitacional a una frecuencia de rotación determinada, con lo que se genera una fuerza centrífuga que crea un campo de gravedad artificial que permite separar las especies iónicas presentes en función de su peso, las cuales migran a sus electrodos respectivos; y (b) efectuar la reducción de los protones en el cátodo para generar hidrógeno.

Description

PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE HIDROGENO POR ELECTRÓLISIS GRAVITACIONAL Y ELECTROLIZADOR GRAVITACIONAL
CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un procedimiento para la electrólisis gravitacional del agua y a un electrolizador gravitacional . La invención, si se acopla a un motor de combustión interna, aprovecha las perdidas térmicas de dichos motores, para que conjuntamente con una energia eléctrica aplicada y un movimiento de giro del electrolizador permite la electrólisis gravitacional para obtención de hidrógeno y oxigeno del agua.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En principio son posibles tres métodos para separar electrones de una solución, concretamente, a través de la aplicación de campos eléctricos, electromagnéticos o de gravitación. Sin embargo, en la práctica solo han encontrado aplicación los primeros dos métodos. Asi la aplicación de un campo eléctrico en la electrólisis clásica lleva al aumento de la concentración de electrones al lado de los electrodos correspondientes y al aumento de su carga, en el cátodo son cationes y en el ánodo son aniones. El efecto análogo se observa si sobre la solución en movimiento aplicamos el campo magnético constante (efecto de Holl), el cual impide el proceso de la separación de los iones al actuar las fuerzas de Culombio de los enlaces hidratados junto el movimiento térmico de las moléculas del electrolito, estas dos circunstancias actúan intentando nivelar la concentración.
En el primer método conocido, la concentración de electrones se supera con un consumo de energia eléctrica, a través de la elevación de la tensión eléctrica entre los electrodos hasta el nivel de descomposición del electrolito e incluso con la aplicación de más tensión eléctrica para compensar el efecto de .su polarización.
En el segundo método, la solución del electrolito se lleva a una velocidad mayor que la critica y al frenar los iones dentro del campo magnético en los electrodos se crea la necesaria diferencia de potenciales.
El tercer método es el objeto de la presente invención, y se gasta la energia para cambiar la velocidad del movimiento de la solución. La obtención de hidrógeno del agua se realiza por medio del calentamiento y rotación de la solución acuosa del electrolito a través de un mecanismo especial y a una frecuencia determinada.
Uno de los métodos de obtención de hidrógeno del agua implica el empleo de carbono o hidrocarburos a una temperatura de 1.000-1.300°K, con o sin catalizadores, utilizando energia térmica, de acuerdo con las reacciones
(i) y (2)
(Carbono) C + H,0 - H_ + CO - 132 Julios (1) (Hidrocarburo) CH4 + H,0 - 3H_ + CO - 80,9 Julios (2)
Actualmente la producción de hidrógeno a partir del agua es considerado como el único método práctico para la energética del hidrógeno del futuro.
Es conocida teóricamente la posibilidad de producir hidrógeno a partir del agua usando únicamente el calor aplicado y extraído de distintas temperaturas.
La descomposición de la molécula del agua en condiciones normales necesita de una aportación de trabajo de 228,71 kJ/mol y una cantidad de calor de 13,211 kJ/mol . La cantidad de trabajo puede suministrarse en forma de energia eléctrica, necesitándose 2,83 Kwh para la producción de 1 m3 de hidrógeno y en caso de sustituir el calor por electricidad, la cantidad total de trabajo en energia eléctrica es de 3,00-4,00 Kwh. En caso de sustituir el trabajo por calor, la temperatura necesaria para la descomposición de la molécula del agua es del orden de los 5.000°K.
La experiencia teórica demuestra que la descomposición directa del agua en un solo paso puede llevarse a cabo únicamente mediante el aporte de calor sin gastar ninguna cantidad de trabajo, en cuyo caso la energia de la cantidad de calor que debe sustituir al trabajo necesario debe ser igual, al menos, a la energia libre de Gibbs para este proceso. Un proceso de expansión-compresión basado en la utilización de calor y los procesos termoquimicos, con sustancias reductoras, disminuyen considerablemente la temperatura necesaria para la reacción a niveles de los 700°K y con la presencia de algunos reactivos se elimina la necesidad de membranas para la separación de los gases.
En lo que se refiere a los motores de combustión interna que son los soportes físicos utilizados para la aplicación de la invención, existen actualmente dos tipos de motores, los que funcionan con el ciclo Otto, en los cuales la mezcla de combustible se inflama al final de la carrera de compresión mediante la acción iniciada por una chispa y los motores de ciclo Diesel, en los que la compresión del aire se alcanza solamente mediante émbolos para alcanzar la presión y la temperatura adecuadas para inflamar el combustible inyectado al final de la carrera de compresión de los émbolos . Los ciclos anteriormente mencionados tienen un rendimiento energético máximo del 30% (Otto) y del 45% (Diesel).
Los motores actuales que funcionan con los ciclos Otto y Diesel usan derivados del petróleo como combustible, habitualmente gasolina para los de ciclo Otto y gasóleos para los de ciclo Diesel. Alternativamente, variantes de mezclas de alcohol y GLP se inyectan con el aire en motores de ciclo Otto y esteres de aceite vegetal con los de ciclo Diesel. Los combustibles derivados del -petróleo crean un grave problema y una disminución de las reservas de petróleo mundiales, junto con el problema de contaminación. La dependencia del petróleo tiene como consecuencia un elevado coste estratégico, al tener que mantener la seguridad de las fuentes de suministro.
Hace tiempo que se está trabajando en soluciones alternativas a la utilización de los hidrocarburos como combustibles, tal es el caso de la utilización de energia eléctrica para la propulsión de vehículos y la utilización del hidrógeno como combustible de motores de combustión interna y turbinas.
Los vehículos propulsados por motores eléctricos, pueden recibir la energia eléctrica de acumuladores o bien de una célula de combustible. Los que utilizan como fuente de alimentación los acumuladores adolecen de baja potencia y baja velocidad máxima, a la vez que plantean problemas debido al peso de las baterías de los acumuladores, la pequeña autonomía y el excesivo tiempo de recarga de las baterías.
Los vehículos que utilizan una célula de combustible, que se alimenta con hidrógeno, para el suministro de la energia eléctrica, tienen problemas semejantes a los vehículos que utilizan hidrógeno como combustible. El uso del hidrógeno como combustible en un motor de combustión interna empezó hace más de 100 años cuando el Reverendo Cecil lo empleó por primera vez en el año 1820. En 1870 Otto utilizó como combustible un gas sintético con un 50% de hidrógeno. La idea se extendió a un gran número de inventores y pequeñas compañías y en 1930 Rudolf Erren transformó los motores de 1.000 vehículos para que funcionaran con hidrógeno o con una mezcla de hidrógeno y gasolina .
Durante la Segunda Guerra Mundial el alemán Oechmichen informó de rendimientos superiores al 50% en un motor que solo funcionaba con hidrogeno.
El hidrógeno puede obtenerse de varias fuentes tales como el agua, el metano, el metanol, el petróleo, etc., a través de energia eléctrica, solar, eólica, etc. Desde hace más de 40 años casi todos los países industrializados han ido desarrollando programas de alta tecnología con el fin de utilizar el hidrógeno como fuente de energia.
Existen numerosas patentes relativas a sistemas y métodos para alimentar un motor de combustión interna con hidrógeno, mezclas de hidrogeno con otros elementos, o mejoras en el funcionamiento de un motor de combustión interna, alimentado con gasolina, añadiéndole hidrogeno.
También existen patentes relativas al uso del agua como combustible. En general, estas patentes consisten en suministrar agua a un dispositivo para producir la electrólisis del agua, utilizándose el hidrógeno obtenido como combustible para el motor. El hidrogeno se inyecta en la cámara de combustión solo, mezclado con otros gases, con otros elementos, con sobrecarga, etc.
Actualmente existen plantas experimentales que producen energia eléctrica mediante células de combustible y los gobiernos de diferentes países han lanzado programas de ayuda para financiar los programas que utilizan el hidrogeno.
Prácticamente todos los fabricantes de vehículos tienen un modelo experimental que funciona con un motor alimentado por hidrogeno directamente o con una célula de combustible [Mercedes Benz, BMW, Ford, Volvo, Toyota, Mazda y Renault están a la cabeza de los programas de desarrollo de estos vehículos] .
En la actualidad casi todos los programas que usan hidrogeno como combustible para motores de combustión interna y programas de células de combustible emplean hidrogeno liquido o gaseoso almacenado en depósitos especiales, lo que plantea problemas logisticos y de seguridad.
La infraestructura de las redes de producción y distribución del hidrógeno para recargar los vehículos no existe todavía y su comienzo tardara en producirse.
La célula de combustible standard funciona a 80°C de temperatura y en su interior se produce una reacción inversa a la electrólisis del agua. Los componentes principales son dos electrodos y un electrolito. El agua se descompone en dos protones y dos electrones. Los electrones se van al exterior en el dispositivo electrodos-electrolito produciendo energía eléctrica antes de volver al otro electrodo donde reducen el oxigeno, siendo el resultado de la reacción agua. La electricidad generada se utiliza para la alimentacion-carga de baterías que, en el caso de un automóvil, dan la energía eléctrica a los motores eléctricos del coche. Shell/Daimler- Benz/Ballard han firmado un Acuerdo de Colaboración para acelerar dicha utilización. La aportación de cada participante es la siguiente, Daimler-Benz : vehículos y motores, Ballard: células de combustible (Fuel Cell) y
Shell: tecnología de reforma de combustibles clásicos
(metanol) en gas rico en hidrogeno (oxidación parcial) .
Actualmente Mercedes esta probando un Mercedes Clase A modificado que recorre 400 km con 40 litros de metanol.
Mercedes estima que en el año 2.000 se fabricarán alrededor de 40.000 vehículos con célula de combustible.
Recientemente se ha presentado una célula de combustible para uso domestico que produce entre 5 y 10 Kw. También se puede usar el calor desprendido durante su funcionamiento para calefacción.
Varias investigaciones apuntan a que el mejor método para la obtención de hidrogeno, destinado al funcionamiento de los motores alimentados por ese gas, es a través del metano, debido principalmente a la gran cantidad de este hidrocarburo existente en muchos países. Se han desarrollado varios sistemas muy eficientes utilizando procesos plasma-quimicos para la obtención del hidrógeno a partir del metano, los cuales requieren descargas de diferentes microondas y radiofrecuencias con diferentes potencias, hasta un máximo de 150 Kw. Estos métodos utilizan Pirólisis en Plasma (Plasma pyrolisis), Flujo de Plasma o Reformadores de C02.
Pirólisis en Plasma: a) CH4 + H20 —> 1/2 C H + 3/2 H_ [la energia para obtener el hidrógeno es de 2,4 Kwh/πrJ ; b) CH4 —> C + 2 H2 [la energia para obtener el hidrógeno es de 0,6 Kwh/nr1] ; y c) CH4 —> 1/2 C2H + H [este proceso está en investigación] .
Flujo de Plasma: a) CH4 + H20 --> 3 H, + CO [la energia para la obtención del hidrógeno es de 1,6 Kwh/ J .
Otros procesos que comprenden la adición de oxigeno se están experimentando actualmente.
Los procesos de obtención de hidrógeno a través de plasma, tendrán, sin ninguna duda, grandes oportunidades de aplicaciones comerciales en la producción de combustibles sintéticos.
Se han desarrollado dos métodos para la formación de una mezcla combustible basada en el hidrógeno para la alimentación de los motores de combustión interna: a) la formación externa de la mezcla, en la que la mezcla se inyecta a baja presión en el colector de admisión; y b) la formación interna de la mezcla, en la que el hidrógeno es inyectado a alta presión, directamente en la cámara de combustión, durante la carrera de compresión del cilindro.
La formación externa de la mezcla implica que una tercera parte del volumen de la admisión prácticamente es hidrógeno, con lo que se produce una pérdida de la eficiencia volumétrica y una pérdida adicional debido al bajo valor calorífico.
El método de formación externa de la mezcla ha sido estudiado por numerosos Institutos de Investigación y fabricantes de vehículos, entre ellos Mercedes Benz . Este método produce numerosos problemas de autoencendido, preignición, baja potencia del motor, etc. Para evitar dichos problemas se han ensayado alternativas de inyección de agua junto con el hidrógeno, refrigeración de las cámaras de combustión y recirculacion de los gases de escape .
Independientemente de que el hidrógeno se mezcle a temperatura ambiente o baja temperatura, no se logró evitar totalmente la preignición, solamente algunos progresos con un motor rotativo Wankel han permitido un limitado éxito en la formación externa de la mezcla, dando potencias de un 60% en comparación con el mismo motor alimentado por gasolina. La eliminación de la válvula de escape y la separación física en diferentes cámaras del proceso de admisión, combustión y escape podría dar lugar a la eliminación del autoencendido y preignición.
El método de formación externa de la mezcla ha sido descartado por todas las compañías e Institutos de Investigación que están realizando pruebas con motores alimentados por hidrógeno.
Actualmente todos los motores experimentales utilizan el método de formación interna de la mezcla, utilizando turbo-compresores para lograr las presiones necesarias de inyección del hidrógeno entre 10 y 15 atm [1.000 y 1.500 KPa] , para el funcionamiento de dicho método. Los parámetros medios de los vehículos que funcionan con hidrógeno son:
Tipo: Coche medio para 5 personas Motor: Otto 85 Kw Consumo: 2,2 kg LH2/100 km
Volumen Tanque: 130 L/LH2
Precio medio de 1 Kg de LH2 : 3,05 US$ (dólares USA)
En cualquiera de los casos de formación externa o interna de la mezcla, el problema irresoluble de los métodos antes mencionados, en el caso de querer producir el hidrógeno necesario para el funcionamiento del motor, a bordo del vehículo que utiliza dicho motor, es que ninguno de ellos puede cerrar positivamente la ecuación energética; es decir, la capacidad de producción y almacenamiento de la energia eléctrica por la dinamo y el acumulador acoplados al grupo motor que utiliza el hidrógeno como combustible, no es suficiente para cubrir la necesidad de la energia eléctrica precisa para que el más moderno sistema de electrólisis pueda producir la cantidad de hidrógeno necesaria para el funcionamiento del motor .
Dasytec ha llevado a cabo varias investigaciones con varias mezclas de combustible, formado por combinaciones de varios elementos, tales como vapor de agua, agua, hidrógeno, aire y gasolina. Algunos de los resultados obtenidos han sido los siguientes: a) Gasolina-Agua-Aire
Esta mezcla se puede realizar de dos formas diferentes : - preparando inicialmente una mezcla de dichos componentes, estabilizada con polímeros, tales como resinas, etc.; la concentración máxima de agua es del 50'c del peso. Este método ofrece varios problemas tales como inestabilidad de la mezcla, lo que produce inestabilidad en el funcionamiento del motor cuando concentraciones diferentes de agua-gasolina alcanzan la cámara de combustión, parada del motor cuando la concentración de agua de la mezcla es superior al 50%, y problemas de congelación del agua de la mezcla; o bien formando la mezcla en la entrada del sistema de alimentación del motor. Este método requiere sistemas de mezclado para lograr las proporciones deseadas.
En la mezcla de combustible formada por gasolina y agua normalmente se forman pequeñas gotas de vapor cubierto por una capa de gasolina, durante el calentamiento de la mezcla, las pequeñas gotas explotan haciendo posible la pulverización más fina del combustible, por lo tanto, se aumenta la efectividad de la combustión y se aumenta el rendimiento del motor disminuyéndose las emisiones de contaminación. También esta mezcla de combustible puede llevar a la formación de partículas energosaturadas de tipo carbónico que inician el proceso de ignición. b) Hidrógeno-Gasolina Aire
La cantidad de hidrogeno de la mezcla fue de 3 a 30 ml/s, producida por electrólisis (cuba electrolítica o electrolizador de membranas de polímeros) . El hidrógeno se añade en el sistema de inyección de la mezcla. Los resultados de estos experimentos indican que: las condiciones físico-quimicas del proceso, implican mezclas mas explosivas. Como el hidrógeno tiene una alta velocidad de difusión, permite obtener mezclas homogéneas que reaccionan fácilmente con el oxigeno; la velocidad de estas reacciones y la velocidad de los radicales y difusión de las moléculas es más alta que en el caso de radicales orgánicos; y el hidrógeno acelera la oxidación de la gasolina (si hay suficiente oxigeno) , mientras que H2 y H+ fácilmente reducen el NOx y el CO.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:
La figura 1 representa una vista en sección esquemática del generador de hidrógeno objeto de la invención.
La figura 2 representa una vista en sección del equipo generador de hidrogeno similar al de la figura 1 en el cual se no usan los separadores ni el termopermutador interno .
La figura 3 representa la sección A-A incluida en la figura 2.
La figura 4 representa la sección B-B de la misma figura 2.
La figura 5 representa el esquema de las tres variantes de interacción de los iones periféricos pesados con las moléculas de agua en el campo de fuerza de gravedad artificial.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a un procedimiento para la obtención de hidrógeno por electrólisis gravitacional y a un electrolizador gravitacional para la obtención de hidrógeno.
En la Figura 1 se muestra el esquema del generador de hidrógeno [electrolizador gravitacional] objeto de la presente invención, que funciona sobre la base del procedimiento propuesto.
El generador tiene un armazón [1], dentro del cual, en los soportes de cojinetes [2], se fija flexiblemente el eje compuesto [3], vinculado cinemáticamente con la fuente de la energía mecánica, por ejemplo, un motor de combustión interna (en la figura no se indica) , deposito del rotor [4], abastecido por el termopermutador [5] y separador [ 6] . En el cuerpo del eje [3] existen los conductos [7],
[8], [9] y [10] para sacar el hidrogeno, el oxigeno, suministrar el agua y circular el termoportador a través de acoplamientos [11], [12] y [13]. El armazón se fija en el eje [3] por medio de las bridas [14], electro-aisladas de las ultimas por las juntas [15]. El separador [6] está hecho de plástico y esta fijado en los discos metálicos
[16], intercomunicados entre si, los cuales a su vez están montados en el e e [3] con la posibilidad de rotación independiente con respecto al armazón [4] y juegan el papel de otro electrodo.
El separador también puede fabricarse en forma de fundas de malla fina o membranicas puestas con una holgura necesaria sobre los discos [16]. Las superficies laterales de los discos [16] están perforadas, lo que crea condiciones para la circulación normal de la solución en la dirección axial.
A la superficie exterior del armazón del rotor [4] y al extremo de salida del e e [3], esta conectado el trole [17], a través de los contactos deslizantes, con una carga útil exterior (en las figuras no se indica) . El e e [3], convendría fabricarlo de tubos coaxiales. El termopermutador [5], está lleno de termo-portador y por medio de los canales [10], se conecta con la fuente exterior de calor, por ejemplo, en serie con los sistemas de enfriamiento del motor de combustión interna y salida de los gases de escape, y el depósito del rotor [4], con la solución acuosa de electrolito. La superficie interior del depósito del rotor [4], tiene forma cónica y tiene canaletas helicoidales, espirales o circulares [18] y [19], que sirven para el desagüe de productos líquidos de la electrólisis y de esta manera se limpia la superficie activa de los electrodos, de las sustancias precipitadas, lo que lleva a una reducción de la frecuencia de rotación y al aumento de la producción del generador. Con el mismo objetivo, en las superficies laterales de los discos [16], existen aletas radiales [20] , que tienen en sus picos unos bordes afilados (agudos) [21]. Las aletas pueden hacerse por el roscado instrumental o estampado de embutición del metal laminado, doblando los pétalos cortados. Las superficies laterales de las aletas [20] , componen entre si un ángulo agudo y las mismas están inclinadas hacia la parte de rotación del rotor [4]. En los canales [7], [8] y [9] están incorporadas las válvulas [22], las cuales se abren después de obtener el rotor del armazón [4] la frecuencia programada de rotación.
En la Figura 2 se muestran los detalles de fabricación del electrogenerador gravitacional de hidrógeno .
Al unir el generador con el motor de combustión interna, no es necesario separar el hidrógeno de oxigeno, y como los dos se envían a la combustión posterior no se utiliza el separador [6] . Además, la solución de electrolito puede cumplir la función de termo-permutador y por esto no se utiliza el termopermutador interno [5] . Para asegurar la circulación de la solución de electrolito, como minimo uno de los discos [16] tiene orificios radiales [23] (tipo tubos Pitot) al lado de los cuales están unos salientes [24], que se profundizan en un canalete radial [19] (véase la Figura 4) . Este disco está instalado de forma móvil sobre el eje [3 ]y se pone en rotación adelantada con respecto al armazón [4], debido a la interacción con las corrientes circulares de la solución que surgen en resultado de energetización de los productos de electrólisis y la transmisión de la cantidad de movimiento, adquiridas por ellos en la periferia a las capas centrales del liquido que tienen menor velocidad absoluta. A la necesidad de intensificar la circulación dicho disco [16] se frena con el freno [25], o sea, tiene ya menor frecuencia de rotación que el rotor del armazón [4] y con esto se asegura, gracias a la presión dinámica de la solución por delante de los salientes [24], a través de los orificios [23] y los canales correspondientes en el eje[3], la alimentación del liquido desde el depósito del rotor [4], al termopermutador exterior de la fuente de la energia térmica y las corrientes laminares relativas, de la solución a lo largo de las superficies de electrodos, realizan la limpieza efectiva de los productos de la electrólisis. En este caso el agua se añade a la solución fuera de la cavidad del rotor [4] (no se indica en las figuras) .
En el caso del funcionamiento en el régimen de la generación de hidrógeno, o sea, en la frecuencia de umbral de la rotación del rotor [4], su cuerpo puede estar conectado eléctricamente con los discos [16] (cortocircuitado) y por esto no se utiliza el trole [18]. Para la disminución del consumo energético y el ruido, en el armazón [1] se fija la funda [26] que crea una cavidad hermética que se comunica a través de una válvula de retorno con el sistema de toma de aire del motor de combustión interna o una bomba al vacio y esto rebaja la presión del aire y el consumo energético por la fricción y reduce el nivel de ruido durante el funcionamiento.
Al compaginar el generador con el motor de combustión interna, el generador puede cumplir la función del volante, asi como la del recuperador de la energia cinética del medio de transporte, lo que permite ahorrar hasta 10% del combustible hidrocarburo en cada 100 km. Para esto en el sistema de la alimentación de hidrógeno a las cámaras de combustión del motor, es necesario prever la instalación de un deposito acumulador de gas.
En la Figura 3 se muestra la sección A-A de la Figura 2.
En la Figura 4 se muestra la sección B-B de la Figura 2. En la Figura 5 se muestra el esquema de las tres variantes de interacción de los iones periféricos pesados con las moléculas de agua en el campo de fuerza de gravedad artificial: a) funcionando el dispositivo en el limite inferior de la frecuencia de rotación o en el régimen del generador de hidrógeno; b) estado transitorio (régimen económico del generador de hidrógeno); o c) funcionando en el régimen de electrogenerador de hidrógeno al conseguir la frecuencia de rotación que supera considerablemente el limite inferior (obtención del estado de saturación) . La frecuencia de rotación (ω) en el procedimiento de la presente invención viene determinada por la ecuación (3) :
ω > { [qαqκ(l- T) ] [16πeenΔmphκ(r-0,5h) (2rp+rμ) ]-1}1/¿ (3)
donde qαqκ son cargas eléctricas de anión y catión de electrolito, Kr; T es la temperatura absoluta de la solución, °K; Δm es la diferencia de masas de los cationes y aniones hidratados, kg; p es la concentración lineal de los iones pesados,
M-1; p = 10 (C x N) 1/3, donde
C concentración molécula-gramo de la solución, mol x l"1; N es el número de Avogadro, mol"1; h es la altura de la columna de la solución, m; K es el grado de disociación de electrolito, 10"2%; r es el radio interior del depósito del rotor, m; OÍ es el coeficiente de temperatura de cambio de la longitud del enlace hidratado, T1; e0 es la constante dieléctrica absoluta, φ.πf1; s es la constante dieléctica relativa del agua; rβ es el radio efectivo de la molécula del agua, m; rμ es el radio efectivo del ion pesado, m; y π es 3,141.
En una realización particular de esta invención, el radio interno del depósito del rotor, r, es 0,3 m, la altura de la columna de la solución de electrolito, h, es 0,23 m, y el radio medio de la columna de la solución, rcp, es de 0, 185 m, y el electrolito es una solución acuosa de ácido brómico (HBrOJ , a una temperatura T de 18°C, una concentración, C, de 6 M y un grado de disociación, K, de 0,85. Los parámetros críticos son los siguientes:
- del hidrógeno, P = 1,3 MPa, T = -240°C, p - 0,07.103 kg.nf3;
- del oxigeno, P = 5,0 MPa, T = -118°C, p = 1,14.103 kg.m3. Aqui y más adelante, los datos iniciales y de consulta se tomaron en el rotor [4] . •
Masa de los iones y de la molécula del agua, m, 1.10"26 kg:
Br04 ": 23,92 Br03 ": 21,26
H30+: 3,16 H+: 0,166 H20: 2,99 Calor volumétrico (integral) de hidratación, kJul.gr- ion-1 (Julio . ion"1) :
H+: 1107,7 (184.10--'") H,0+: 401,28 ( 66, 65.10"-'J Br": 317,68 ( 52, 77.10" !J OH": 180,7 (79,85.10"-') Los limites orientativos de la energia (calor) completa de un enlace lineal hidratado de ion para diferentes electrolitos, 1.10"-' julio. ion"1: inferior: 4,69 (28,24 kJulio . gr-ion"1) superior: 23 (138,46 kJulio . gr-ion _1) medio: 13,845 (83,35 kJulio . gr-ion"1)
Radio efectivo, 1.10"1'' m: Br": 1,96 Br03 ": 2,93 H20: 1,38 02 ": 1,36
H+ : 0,46 Energia (calor) de enlace OH: W0H: 23,71.1o"1" Julio, que es un poco mayor que el limite superior de la energia (calor) de un enlace lineal hidratado.
El procedimiento para la obtención de hidrógeno por electrólisis gravitacional proporcionado por esta invención, que incluye el empleo del electrolizador gravitacional mencionado previamente, aprovecha las pérdidas térmicas de los motores de combustión interna en dicho el procedimiento de obtención de hidrógeno por medio de la electrólisis gravitacional . En general, dicho procedimiento de obtención de hidrógeno por electrólisis gravitacional comprende las etapas de: a) hacer rotar una solución acuosa de un electrolito en el rotor [4] de un electrolizador gravitacional, a una frecuencia que viene definida por la ecuación (3) previamente mencionada, generándose como consecuencia de dicha rotación una fuerza centrifuga que crea un campo de gravedad artificial que permite separar las especies iónicas presentes en función de su peso, las cuales migran a sus electrodos respectivos; y b) efectuar la reducción de los protones en el cátodo para generar hidrógeno. Estas etapas se describirán de forma más detallada a continuación, con referencia al electrolizador gravitacional proporcionado por esta invención.
De forma más concreta, el procedimiento seguido para el funcionamiento del electrolizador gravitacional, se realiza del modo que se describe a continuación.
La solución acuosa, previamente preparada, del electrolito, en un volumen dosificado, se envia al deposito en rotación [4] a través del canal [9]. El nivel de la solución cubre los discos [16] . El rotor [4] gira hasta la frecuencia de rotación fijada para dicho dispositivo y electrolito por la formula (3) . Si el parámetro indicado es inferior al valor calculado (umbral) se baja bruscamente la efectividad del proceso de disgregación del agua y la electrólisis será irrealizable. Al llegar a esta frecuencia de rotación las válvulas [22] se abren, dejando la entrada libre dosificada del agua o solución al deposito del rotor [4] y extracción del depósito de hidrogeno y oxigeno a través de los correspondientes canales [7], [8] y [9]. Bajo la acción de la fuerza centrifuga se crea en el depósito [4] un campo de fuerza de gravedad artificial, en el cual los iones en forma de solvatos tipo fórmula (4) se desplazan hacia su superficie interior y se pegan a ella.
(X/*- y H20)±Z (4)
donde
X es la cantidad de iones en solvato; /* es el ion pesado; y es la cantidad de moléculas de agua en la envoltura hidratada; y ± es la carga de ion.
El esquema de la interacción, a la fuerza, de los iones con las moléculas del agua en el campo de la fuerza de gravedad artificial [véase a y b en la Figura 5] indica que a la frecuencia inferior del umbral de rotación del depósito del rotor [4], la distancia mínima entre las cargas homónimas para la mayoría de electrolitos en caso de llegar al estado de saturación [véase la Figura 5] , es un poco mayor de 2rμ.
El funcionamiento del equipo en la frecuencia intermedia, cuando el parámetro anteriormente indicado está próximo al valor (rc-+ru) , asegura el funcionamiento a un régimen económico, en el cual se consigue la correlación óptima entre el trabajo mecánico gastado y la energia térmica consumida por una unidad de masa de un cuerpo de trabajo (solución) , o sea rendimiento especifico máximo. Este parámetro es característico para cada electrolito concreto y para la construcción del generador.
A medida que aumente la frecuencia de la rotación del depósito [4], se va hacia la disminución de la constante dieléctrica relativa, ya que en el espacio entre los iones homónimos se quedan solamente los iones de electrolito, las moléculas de agua se desplazan casi por completo por los iones, esta circunstancia limita, • en lo fundamental, la interacción especifica de los iones hidratados con el campo de fuerza de gravedad artificial.
Debido a que el catión y el anión tienen una masa considerablemente diferente, la fuerza centrifuga actúa sobre ellos de diferente manera. Los iones diez veces más pesados, por ejemplo, los aniones, actuarán con su campo unos sobre otros y conjuntamente desplazarán a los cationes más ligeros ya que ellos, en mayor escala, responden a la influencia de la gravitación, y los ligeros prácticamente no la sienten pero son más sensibles a los cambios del campo eléctrico e interaccionan con él activamente .
En el procedimiento objeto de la presente invención, se crea una zona con una concentración elevada de aniones, lo que equivale al surgimiento de una carga espacial
(tridimensional) la cual induce en la superficie exterior del depósito [4] una carga adecuada (véanse las propiedades del cilindro de Faraday) ; a su vez, los iones ligeros se concentran al lado de las superficies de los discos [16] creando una carga potencial de valor contrario. En la solución se crea, entre las cargas volumétricas de aniones y cationes asi como en el circuito exterior entre los electrodos correspondientes, un campo eléctrico cerrado de peso uniforme de una gran tensión interna. Lo más importante es que la distancia entre los aniones y los cationes en la frontera de contacto de las cargas volumétricas en la solución siempre es mayor que la distancia entre los cationes hasta el cátodo, la cual es aproximadamente la mitad del espesor de la envoltura de los hidratados y por esto la interacción de fuerza de los cationes con los aniones y con el cátodo será diferente. Por esta causa el equilibrio será, en primer lugar, quebrado precisamente en el cátodo, si el valor conseguido de su potencial es suficiente para la deformación parcial o total, debido a la acción del campo eléctrico de las envolturas hidratadas de los iones ligeros. En este caso, se acercaran a las superficies de los discos [16] y se descargaran desprendiendo gran cantidad de calor conforme a la reacción (8) .
En la electrólisis clasica, el mecanismo de la descarga de iones en el electrodo es diferente. Los iones no contactan directamente con el electrodo, y los electrones pasan del electrodo al ion o en la dirección contraria por medio de interacción por turno supercorto con la cadena de moléculas de agua de la envoltura hidratada que se encuentran en el espacio adyacente al electrodo, asi como los jugadores de water-polo que pasan el balón en un solo toque, por lo tanto, los electrones bombardean la superficie del ánodo y, al salir del cátodo, crean una nube de electrones de polarización inversa que ioniza el hidrogeno molecular y atómico y dificulta la realización normal del procedimiento alcanzándose un aumento de la tensión para la descomposición del agua (sobretensión) . El potencial de la salida de los electrones del cátodo y la captura de los electrones por las moléculas del agua, o su ionización negativa sin tener en cuenta la sobretensión, es el potencial eléctrico de la descomposición del agua. Los iones mas pesados, comprimidos por la fuerza centrifuga contra la superficie interna del deposito [4], no pueden existir en la solución individualmente de forma independientemente de los iones ligeros, por esto, ellos también entregaran su carga al electrodo y con esto cambiaran su composición química a la electro-neutral conforme a la reacción exotérmica (11) , si no surge su interacción química con el agua conforme a las reacciones secundarias. A través del trole [17] circula la corriente eléctrica continua. Este proceso sera irreversible y obtendrá un carácter estable ya que los productos finales de las reacciones químicas abandonan la solución. Las reacciones de la recuperación de los iones de oxigeno e hidrógeno hasta el estado molecular son exotérmicas, el campo de la fuerza de gravedad artificial es una constante por el valor y en el tiempo y a cambio de los iones descargados, vienen nuevos de las capas alejadas del liquido.
Asi que, el factor determinante aqui es el valor del campo eléctrico creado por la carga espacial de iones ligeros. Por esta causa, el área efectiva de electrodo en el que se descargan (en el área del cátodo [16]), es la función lineal del radio del depósito, y su valor numérico depende de la profundidad o volumen de la carga espacial, o sea de la frecuencia de rotación del depósito [4], y el área del otro electrodo (ánodo) queda prácticamente constante, al final se cambia solo la densidad de la corriente eléctrica que pasa por el área. Esta corriente eléctrica es máxima al llegar al estado de saturación. Es muy importante remarcar que todos los procesos electroquímicos que tienen lugar en el cátodo son absolutamente idénticos al proceso de electrólisis clásico pero con una alta presión de la solución.
El aumento de la frecuencia lleva al rápido crecimiento de la tensión y a la reducción del coeficiente de rendimiento, al tener la presencia de la fuerza de la corriente eléctrica. El limite superior de la frecuencia de rotación está limitado solo por la resistencia constructiva del dispositivo concreto. Su producción de hidrógeno se determina por la magnitud de la corriente de saturación, la cual en cada caso es el parámetro característico del generador electrolizador. Teniendo en cuenta que los productos de la electrólisis en condiciones de alta presión de solución, que sobrepase la critica para hidrógeno y oxigeno, se producen en forma compacta en forma de vapor liquido, este Índice para diferentes electrolitos puede llegar a más de 35 mol .m'J c"1 a las densidades de la corriente hasta 5.102- A.cnT2. Las gotas de los gases anódicos líquidos que tienen mayor densidad que la solución se escurren bajo la acción de la fuerza centrifuga por la superficie cónica del depósito [4], caen en los canales [18], [19], se expanden y se extraen del depósito a través del orificio [23], hacia el sistema de termopermutadores donde se mezclan con el agua o la solución fresca, las más ligeras, por ejemplo, oxigeno liquido, emergen en dirección radial hacia el centro de rotación, donde contornean los anillos del separador [6], desviándose en la dirección de la pared lateral [14] (en la Figura 1 a la derecha) y se acumulan sobre el liquido por delante del canal [8] . El hidrógeno liquido se escurre hacia el centro de rotación desde las superficies activas de las aletas [20], los bordes agudos [21] que se forman por las superficies laterales de las aletas [20] , son los responsables del despegue de las gotas de la superficie de los electrodos en mayor escala que las redondas y además concentran en su superficie los electrones de conducción aumentando asi la intensidad del campo eléctrico entre el cátodo y cationes, lo que lleva a una reducción de la frecuencia del umbral de la rotación del depósito del rotor [4]. Además, en el logro del objetivo deseado, contribuye, en parte, la fuerza centrifuga que actúa sobre los electrones de conducción del cátodo, desplazándolos a su periferia, o sea, en la dirección hacia el ánodo. El hidrógeno emerge por delante del canal [7], las salpicaduras de la solución se pegan por la fuerza centrifuga a la superficie del liquido, y los gases anódicos entran en reacción entre si y las moléculas del agua en reacciones secundarias, creando la solución inicial de electrolito.
El hidrógeno y el oxigeno evaporados y secados de esta manera salen del dispositivo a través de los canales correspondientes. Para la intensificación de la autolimpieza de los electrodos es útil crear periódicamente en los discos [16] los impulsos de freno de alta frecuencia (0,3 - 0,5 kHz) , los cuales estimularán el escummiento de gases a los canales [18] y [19], crearán microrremolmos en la película fronteriza de la solución y asegurarán la separación desde la superficie del ánodo y cátodo de sedimentos llevándolos al área central del depósito [4] .
La alimentación para el consumo de la solución lo define el cambio de la corriente eléctrica en la carga exterior, añadiendo al deposito [4] por el canal [9] el agua o solución de electrolito, si se utiliza como termoportador . El procedimiento de obtención de hidrógeno se regula fácilmente con el cambio de la frecuencia de rotación del depósito [4] o de la magnitud de la resistencia ohmimétrica de la carga exterior. El hidrógeno y oxigeno líquidos no se mezclan entre si y químicamente no reaccionan si no existe el iniciador de esta interacción, por ejemplo, una chispa, una fuente local térmica, ondas de choque, etc. Por ésto en el dispositivo deben estar previstas medidas especiales de seguridad.
La descomposición del agua en oxigeno e hidrógeno se acompaña con la disminución de la entalpia de la solución debido a que se ba a constantemente su temperatura y si no se completan las pérdidas térmicas la solución se congela y se para el procedimiento.
En el caso de que la temperatura de la solución sea menor de la del ambiente se crean las premisas necesarias para la absorción por el generador de su calor en el régimen de una bomba térmica electroquímica, la cual transforma la energia térmica de bajo potencial en la energia química de alto potencial del hidrógeno y oxigeno recuperados del agua, lo que permite después de su combustión obtener de nuevo la energía térmica pero ya de un potencial más alto, o sea, concentrándola al máximo para su aplicación útil. En el electrolito:
Br2 + H20 —> HBr + HBrO (5) 4HBr + 02 --> 2Br_ + 2 H20 (6) 3HBrO —> HBr03 + 2HBr (7) En el cátodo:
2H+ + 2e" + H20 --> HJ (8) En el ánodo:
2Br03 " - 2e" + H20 —> 02í + HBr04 + HBrO (9)
2Br04 " - 2e" + H20 --> OJ + HBrO, + HBrO (10)
Br03 " 2e" 0 + BrO" (11)
[La frecuencia y el equipo de rotación del electrolizador gravitacional es uno de los aspectos más importantes ya que un mal cálculo o diseño dan como resultado que se produzcan varios procesos colaterales con las siguientes reacciones al mismo tiempo que las reacciones principales, cuyas consecuencias son que en el cátodo no se produce el H_ y se restablece el bromo y sus uniones ]
Reacción electródica Potencial electródico estandard. E.B
2BrO" +2H20 + 2e" = Br + 40H- 0,45
Br03- + 2H20 + 1/e" = BrO" + 40H~ 0,54 Br03 " + 3H20 + 6e" = Br" + 60H" 0,61 BrO" + H20 + 2e" = Br- + 20H" 0,76 Br2 + 2e" = 2Br" 1,0652 HBrO" + Hτ + 2e" = Br" + H20 1,33 Br03- + 6H+ + 5e- = l/2Br2 +3 H_0 1,44 HBrO- + H+ + e- = l/2Br, + H-0 1,52
La fuerza y la energia de la interacción (repulsión) de dos aniones hidratados en la distancia efectiva (de reacción) en el caso del funcionamiento del generador en el régimen cercano al económico viene- determinada por la ecuación (12) :
FB = e2(4πee0d2)"1 = e { 4πee0 [2 (rp+rμ) 2 ] K1 (12)
donde e es la carga del electrón, KL; d es la distancia entre los núcleos [d = 2 (rb + ru) ] , m; y π, e, e0, rβ y rμ son los definidos previamente.
WB = e2[4πee,[2(rc.+r. )-] ] ~l (13)
donde e, π, e, e0, rβ y rμ son los definidos previamente.
Para los iones hidratados H.OxBrO,
FB = (1, 6xl0"19)2[4x3, 14x80x8, 85x10 - 12
2 (2, 93x 10"ιυ + 1, 38x10 -1- "1 = 3, 8787xl0"12 H (14)
WB = (1, 6xl0"19)2[4x3, 14x80x8, 85xl0"12.
2(2,93xl0"10 + l,38xl0"u')] = 3,33xl0"21 Jul (15)
Las magnitudes obtenidas de la energia de interacción de aniones en este régimen de trabajo del generador son menores en casi un orden de magnitud del calor inferior del umbral de hidratación de un enlace lineal lo que indica el carácter intermedio de este régimen.
[Nota: La energia cinética media del movimiento térmico de las moléculas del liquido es alrededor de 6.10"21 Julio] .
La condición para la realización del procedimiento de electrólisis, es la disminución de la entropía del potencial termoquimico de la solución de electrolito por medio de acción sobre el último del campo de gravitación medio de acción sobre el último del campo de gravitación exterior artificial, el cual asegura el desplazamiento del equilibrio químico de las reacciones (5) (11) a la parte derecha de las ecuaciones, a cargo del trabajo mecánico contra la energia de hidratación de los iones a la compensación simultánea de inevitable reducción, del contenido térmico del sistema (entalpia) por la afluencia del calor del ambiente o de una fuente exterior.
Es conocido que en la solución el ion está rodeado habitualmente por dos capas de moléculas de agua (llamado "abrigo") . La energia volumétrica integral (calor) de la interacción del "abrigo" con el ion es la energia de hidratación. Aproximadamente la mitad de la energia recae sobre la primera capa hidratada, la más cercana al ion, que está compuesta supuestamente por 4 moléculas de agua. Por esta causa, para la deformación completa (por turno - por capa) de la envoltura hidratada es necesario y suficiente que la acción energética exterior sobre el ion fuera en los limites de la magnitud de energia de un enlace lineal evaluado al máximo en 138,46 kJ x g-ion"1 ó 23x10 "20 y x ion ": (volumétrica en 8-10 veces mayor) .
En la forma analítica, la energia completa del sistema en la forma diferencial es:
dU = dA + dQ = Ψe + dQ (16)
donde dA es el trabajo mecánico elemental del campo de gravitación para superar las fuerzas de los enlaces hidratados de los iones con las moléculas de agua; dQ es la energía térmica elemental absorbida por la solución; y Ψ es la fuerza electromotriz del campo de gravitación. El coeficiente del rendimiento de la máquina frigorífica del procedimiento y de la fuerza electromotriz del campo de gravitación en la forma integral es:
UA"1 = 1 + QA"1 = X (17)
Ψ = (U-Q) e"1 > 0, 018B (18)
La particularidad principal de la realización del procedimiento objeto de la presente invención en un campo fuerte de gravitación, es la permanencia de la cantidad del movimiento de la solución durante el funcionamiento del generador en el régimen establecido. El trabajo mecánico de la fuente externa (a) , que se gasta para el incremento de la energía cinética del agua que entra al depósito del rotor para la descomposición y decantación de los iones del electrolito se compensa considerablemente por la energía cinética de los gases que emergen hacia el e e de rotación y por la mezcla de la solución al desplazar los electrones ligeros por los pesados [véanse las ecuaciones (8) y (11) ] .
El hidrógeno y el oxigeno, moviéndose hacia la superficie del campo gravitacional fuerte, entregando su energía cinética adquirida a las moléculas cercanas del agua, crean flujos vertiginosos circulares tangencial- radiales en el liquido y con esto también del depósito [4], ayudando a la caída de la película de vapor-gas desde los electrodos y a la salida de los iones mas ligeros a las capas superiores del liquido. El movimiento relativo de la solución por la superficie del cátodo y el contorno de sus bordes agudos llevara a la ionización de las moléculas del agua y su desplazamiento a las capas más alejadas, donde entregaran su carga negativa mduccional a los cationes aumentando asi el volumen de reacción alrededor del cátodo. De esta manera, en la electrólisis gravitacional, el trabajo mecánico de la fuente externa- de energia se gasta principalmente en superar las fuerzas de fricción con el aire y los soportes del rotor de electrogenerador de hidrógeno, decantación de los iones pesados del electrolito, fricción liquida y la circulación del agente frigorífico en el sistema de termopermutación. La magnitud de estas necesidades de energia mecánica depende del sistema cinético adoptado para la unión del dispositivo con la fuente de la energia mecánica, perfección de los aparatos de termopermutación y circulación. Asi, en el caso del dispositivo con el motor eléctrico a través del multiplicador tenemos las pérdidas más grandes que se evalúan aproximadamente en 1,2 A, y uniendo directamente con el motor de combustión interna este Índice puede ser reducido hasta 0,2 A. Por tanto, el rendimiento general hidromecánico del generador oscilará entre 0,45 y 0,85.
Durante su trabajo en el diapasón de las frecuencias de rotación, que aseguran la fuerza electromotriz del campo gravitacional Ψ<0,018V, toda la energia eléctrica producida es interna y se consume en superar sus propias resistencias óhmicas, o sea, en asegurar las necesidades mínimas del generador. Este régimen de trabajo obtuvo la denominación de la generación de hidrógeno. Si el generador funciona con las frecuencias que sobrepasan el umbral arriba indicado, paralelamente con la realización de la electrólisis, el exceso de la energia mecánica suministrada se transformó en electricidad capaz de realizar el trabajo útil externo, ya que con Ψ»0,018V la densidad de la corriente catódica llega a su magnitud máxima (corriente de saturación) , cercano por la magnitud a la anódica y la tensión en el circuito externo crece considerablemente .
Este régimen de trabajo del generador recibió el nombre de electrogeneración de hidrógeno. Hay que remarcar, que la temperatura de la solución juega un papel sustancial en el proce-dimiento analizado. Con su elevación, se aumenta la longitud del enlace hidratado y la energia interna cinética de las moléculas de agua, crece la cantidad de colisiones con los iones lo que en conjunto lleva a la disminución de la resistencia del desplazamiento de estos últimos en el campo de gravitación y con este se crean las premisas para la intensificación de la transformación de la energia térmica y la minimización de la frecuencia de rotación del rotor. El diapasón óptimo de las temperaturas de trabajo es de 30-70°C, pero representa un interés especial el funcionamiento del generador con la solución sobrecalentada, esta posibilidad es actualmente objeto de las investigaciones del solicitante. A la temperatura normal, teniendo en cuenta la masa del ion del hidrógeno, debido a su valor insignificante, se determina la frecuencia minima o umbral de rotación del depósito del rotor de generador que represente en el régimen próximo al económico.
(3) ω > { [qαqκ(l- T) ] [ 16πee„Δmphκ (r-0, 5h) (2rβ+rμ) 2] _1 } 1 2 =
{ [1, 6xl0"19]2. [16x3, 14x80x8, 85xl0"12 (21, 26xl0"26 +
2, 99xl0"2b) x 10 (6x6, 02xl0-3) 1/x0 , 23x0 , 85 ( 0 , 3-
0,5x0,27) (l,38xl0"1C) + 2, 93xl0"10)2 T1 Y_ = 568,966 rad.s"1 (19)
Se toma la rotación minima de trabajo del rotor de generador como N = 5.500 min" (N, = 91,666 s _1, W = 575, 666 rad.s-1) . En este caso la velocidad periférica del centro de gravedad de la columna de la solución y de los iones periféricos (en el caso concreto serán aniones) equivaldrá a:
vr = 2πrrp.n1 = 2.3,14.0,185.91,666-106,6 M.c"1 (20) vn = 2πr.n! = 2.3,14.0,3.91,666-172,7 M.c"1 (21)
Se determina la fuerza centrifuga máxima que actúa sobre el ion periférico en el campo de gravitación:
Fμ max = ΔmphKv^r^"1 = (22)
(21 , 26 . 10" 26 + 2 , 99 . 10
26) .10(6.6,02.1023)1/3.0,23.0,85. 16, 52.0, 185"1 = 4,447.10"12 H
La energia propia de este ion es:
Wμ = 0,5Δmvn 2 = 0,5(21, 26.10"-h + 2, 99.10"2b) .172, 72 = = 3,61.1o-21 .2,173 (kJ.g-ion-1) (23)
La energia suma de la columna de iones sin contar con su deformación, la que actúa sobre el ion periférico y como consecuencia sobre los electrones de conducción concentrados sobre la superficie del cátodo:
Σ = 0,5Δmphvcp 2 = 0,5(21,26.10"2fa + 2,99.10"
26) .10 (6.6,02.10") .
0,23.0,85.106,5- = 4,113.1o"1- Julios (24)
Es mucho mayor que el trabajo de la salida y por supuesto mayor que la energia lineal y volumétrica de hidratación, lo que permite hacer la suposición previa pero bien argumentada sobre la posibilidad de la realización de este procedimiento con los parámetros dados.
La propia fuerza electromotriz del anión periférico en el campo gravitacional viene determinada por la ecuación (25)
ΨΣ = μβ'1 = 3, 61.10"-"-. (1, 6.10-1-"Γ: = 2,256.10B (25) La fuerza motriz externa integral de la columna de aniones (mejor dicho, potencial eléctrico interno inicial de ánodo y cátodo)
ΨΣ = μe"α = 4,113.10"13. (1, 6.10"19)"1 = 2,57.106B (26)
La energia (volumétrica) gravitacional del disco de los iones pesados del electrolito sin contar el desplazamiento del centro de gravedad.
7 = 0 , 5ΔmNCKUmed 2 -
0, 5 (21, 26.10"- + 2, 99.10 " 26) .6, 02.1023.6, 085.106, 5-4,222κ (Julios) (27)
El trabajo útil del campo gravitacional para el desplazamiento de los iones pesados del disco viene determinado por la ecuación (28)
7 P = 0,5(Δm-mβ)NCKUraed- = = 0,5.21,26.10"26.6, 02.102\6, 085.106, 52 = 3,7 Kj (28)
La potencia instalada del generador viene determinada por la ecuación (29) :
v - 3.η"! = 4,222.0,8"'' = 5,277R (watios) (29)
donde η es el rendimiento general hidromecánico del generador de hidrógeno.
La densidad de la solución en este caso es de 1,75 g.cm"3, mientras que la anchura del disco de la solución con el volumen de 1 litro viene determinado por la ecuación (30) : sd = ιooo{π[r2-(r-h2) }} =
= 1000{3,14[302- (30-23)2] l"1 = 0,374 cm (30)
El peso, Gd, es de 1,75 kg, y el área del ánodo viene determinado por la ecuación (31) :
SQ = 2πrSd = 2.3,14.30.0,374 - 70,46 c 2 (31)
La presión centrifuga del liquido sobre la superficie interna del rotor (ánodos) viene determinada por la ecuación (32) :
Pmax =
Figure imgf000035_0001
" 1 = 0,00175.23.10650-.980"1.18, 5"1 = = 251,8 kg.cm" (25,18 MPa) (32)
donde g es la aceleración de la fuerza de la gravedad, cm. s
El área de la superficie lateral del disco de liquido bien determinada por la ecuación (33) :
SSL = 2π[T:- (T-h)2] - 3, 14 [30— (30-23)-] = 2672,2 cm2 (33)
La presión de las moléculas de agua no influye mucho sobre el mecanismo de aproximación de los iones pesados y sobre el crecimiento de su concentración en el espacio adyacente a ánodos. Esto se confirma por el hecho de que el desplazamiento (movimiento de avance) de los iones en la solución de las moléculas del gas disuelto o de las partículas de Bro n.
La idea fundamental es lograr en el generador, las condiciones para el desplazamiento de los iones pesados hacia la periferia y consumir el trabajo mecánico equivalente numéricamente a la energia del campo gravitacional o al potencial energético del cátodo capaz de superar la resistencia de los enlaces hidratados de los cationes con las moléculas de agua y asegurar su descarga espontánea conforme a la reacción exotérmica (8) .
A = WP P = Uκ (34)
Con la N constante para la realización de este trabajo es necesario tener una reserva del momento rotatorio que mueve el rotor en el motor. Después de conseguir la frecuencia critica de la rotación, el incremento del trabajo mecánico pasa a la energia química potencial de los productos de la electrólisis y este proceso se acompaña con la absorción del calor desde la solución. El rendimiento de las transformaciones se aproxima a una unidad.
El balance energético del procedimiento será el determinado por la ecuación (35) :
U = η"]A + Q = r^W (35)
donde
Q es la energia térmica absorbida, y U es la energia suma del procedimiento
La productividad del generador es proporcional al momento rotatorio. Acoplado al motor de combustión interna, su rendimiento general crecerá hasta 0,7-0,85.
Para el régimen del generador eléctrico del hidrógeno, como se dijo antes, la frecuencia laboral de rotación del rotor debe ser mucho mayor que la critica
N, » N , (36)
Es evidente que esta variante de uso del generador para el automóvil es preferible ya que su dirección se realiza, en lo principal, por el modo -de frecuencias.
A la conexión o desconexión, después de una larga pausa, del circuito eléctrico del generador de hidrógeno que trabaja en el régimen estable, son posibles los saltos de la corriente eléctrica, incluso hasta algunos kA.cm"1 de la sección del conductor, lo que habrá que tener en cuenta durante la construcción.
La productividad especifica del generador de hidrógeno se puede definir partiendo de las siguientes posiciones:
- de los datos iniciales se ve que la densidad de aniones en el ánodo es
p = [2(Tβ + Tμ)]"2 = [2(1,38.10"" + 2,93.10"8) ]"2 = (37) 1,3.10'" ion.cm"2
- es conocido que en el espacio entre los electrodos la intensidad del campo eléctrico en la electrólisis clásica es constante y en la distancia del cátodo equivalente al espesor de la envoltura hidratada más el radio efectivo del ion de hidrógeno
de = 4Tp + Tμ (4.1,38 + 0,46).10lü = 5,98.10ιυ 0B)
- con el potencial mínimo de la descomposición del agua en el electrodo de platino
Ee = Uα- = 1,07 (5, 98.10"1 )"• = 178, 9.108 (B.πf1) (39)
y en el electrodo de hierro
EeH = U2de = 1,17(5, 98.10": ) " = 195,6.10H (B.nf1) (40)
En este caso, la distancia efectiva minima y máxima entre el cátodo y ánodo viene determinada por las ecuaciones (41) y (42) :
dmax = Ψ∑-Ee-T1 = 2,57.106. (178, 9.107)"1 = 0,0014365 (m) (41) d^n = ΨjE^"1 = 2,57.10b. (195, 6.107)"1 = 0,001314 (m) (42)
El tiempo de descarga en la distancia máxima entre electrodos viene determinado por la ecuación (43) :
t = RC.LηΨ. (43)
donde
R es la resistencia eléctrica del circuito externo del generador, Om [se considera R = 0,750 Om - la corriente de cortocircuito] ; Ce es el depósito eléctrico del sistema "cátodo- ánodo", φ
t = O^ReeoSad.^LηΨj. = 0, 5.0, 75.80.8, 85.10"12.70, 46.10"1.
( l , 436 . 10"3 ) -J 6 . Lη 2 , 57 = 0,74.107c
La velocidad del desplazamiento de los aniones viene determinada por la ecuación (44) :
Uc = 2 (rp + Tμ) t"1 = 2. (l,38.10-: + 2, 93.10'10) ( 0, 74.10"7) "x
10, 19.10"' m.c"1 (44)
Se corresponde bastante bien con la velocidad del movimiento de los cationes en la solución en la electrólisis clásica que se realiza en las condiciones de intensidad media del campo eléctrico ya que el valor obtenido no es mucho mayor. En este caso, con la potencia establecida anteriormente del generador en un segundo se descargará en una unidad del área:
q = p.t"1 = 1, 3.1014. (0,74.1o-7)"1 = (45)
= 1,756.1021 ion.cm"2.c":
lo que equivale al avance de la corriente eléctrica
Iη = q.e = 1,756.1021.1, 6.10"12 = 281 A.cπf2 (46)
El área del anillo del ánodo, Sa = 70,46 cm2, por lo que la corriente anódica es
Ia - I.Sa = 281.70,46 = 19799,3 A (47)
La diferencia de los potenciales del ánodo y cátodo se debe a la diferencia de la actividad de los cationes y aniones durante la descarga o su concentración volumétrica temporal en la zona adyacente a los electrodos. Los cationes son el iniciador del proceso de la descarga. Por esto, su concentración delante del cátodo siempre será menor que la de los aniones delante del ánodo. Es decir, en el cátodo se sentirá algún déficit de los electrones de conducción, lo que significa que condicionalmente recibirá un pequeño potencial positivo con respecto al ánodo lo que creará la tensión eléctrica entre ellos y equivaldrá numéricamente a varios decivoltios.
La gran resistencia interior del generador en el proceso de descarga lleva a la calda interna de la tensión y por esto la potencia del generador en la carga externa será:
Nβ - Ia.Ψ = 19799,3.0,02256 = 446,67 V (48)
Conociendo el equivalente electroquímico del hidrógeno se puede determinar la masa del gas- desprendido en el cátodo según la ecuación (49)
Mμ = F.Ia = 1,045.10"M9799,3 = 2,069.10"4 kg.c"1 (49)
La densidad del hidrógeno es pH = 0,09.10"3 kg.L-1, en cuyo caso el volumen del gas desprendido viene determinado por la ecuación (50) :
Vs = Mμ.p^1 - 2,069.10"4. ( 0, 09.10"3) "α = 2,3 L.s"1 (50)
La veracidad del resultado obtenido puede confirmar el hecho de que el factor determinante que influye sobre la productividad del generador es el valor del área efectiva del cátodo que tiene que ser menor que el área del ánodo y la densidad de la corriente eléctrica mayor.
El área del disco fino del cátodo siendo la función de radio para sus dos superficies laterales equivale a:
Skmax = 2π[T2- (r-dmax) ]2 = 2.3, 14 [30- (30-0, 14365) 2] = (51)
= 54 cm2 Skmιn = 2π[T2- (T-dmin) ]2 = 2.3, 14 [30:- (30-0, 1314)2] = (52)
= 49,4 cπr
La densidad catódica de la corriente es mayor que la anódica, crece rápidamente más cerca del ánodo, y en la dirección hacia el eje del depósito a partir de la marca de referencia (r-dmax) disminuye con la misma rapidez.
De aquí los valores máximos y mínimos de la densidad de la corriente catódica son:
jKmi n = Ia ( S κ ml n ) -l = 1 97 99 , 3 . 4 9 , -1 = 4 00 , 35 A . Cltl"2 (53 ) jKmax = Ia(Sκ max )-ι = 19799, 3.54"1 = 366,65 A.cm"2 (54)
El valor medio de la densidad de la corriente catódica es aproximadamente :
jxmed o = o,5(Iκ max + I„mιn) = 0,5. (400,35 + 366,65) =
(55) = 383,5 A.cm κmedxo > ja j_0 ~ue ]a]DjLa qUe demostrar.
Una prueba más de la veracidad de los resultados obtenidos puede ser la referencia al experimento cuantitativo de Tolmen y Stuart, realizado en 1916 (5) .
Por primera vez fue experimentalmente utilizada la masa propia de los portadores libres de la carga para obtener la fuerza electromotriz en un campo mecánico inerte. Está claro que la masa del electrón es unas 2,355.105 veces menor que la masa del anión bromato, por lo que la fuerza electromotriz surgida y de corta duración, medida en unas cuantas partes de décimas de mkV, no podría ser una causa optimista para buscar el campo de la aplicación práctica de este fenómeno hasta hoy en dia. Además, la física del estado y el comportamiento de las cargas libres en metales se diferencia considerablemente de sus características en las soluciones de electrolitos.
Uμ = Uκ+Q = A+Q = ΔH2Q8V- = 285 , 56 . 0 , 1 * 28 , 56 kJulios (56)
donde
ΔH2g8 es la energia estándar de la formación del agua al quemar el hidrógeno; ΔH298 = 285,56 kJulio. mol"1, lo que corresponde a la potencia térmica especifica equivalente a 4MAT.m"2 del área del ánodo.
El coeficiente de masa del rendimiento de la máquina frigorífica a la descomposición del agua por el procedimiento propuesto viene determinado por la ecuación (57) : X = UμA^Gd " 1 (57 )
En caso de que el régimen establecido de trabajo del generador, los iones pesados, decantados sobre la superficie interior del depósito como electrolitos, por ejemplo, ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido perclórico, etc., en la descarga en el ánodo se transforman en los gases anódicos líquidos con una densidad menor que la de la solución, y emergiendo en la dirección radial conjuntamente con el oxigeno hacia la superficie de la solución, entregan el hidrógeno al liquido, o sea al depósito, casi toda la energia cinética reservada del movimiento rotatorio, por lo que disminuyen los consumos energéticos en el accionamiento del generador de hidrógeno. El efecto menor se puede conseguir utilizando el bromo para mejorar la calidad del electrolito o sus uniones de hidrógeno. Para esto es necesario un trabajo mecánico complementario para trasladar los aniones con el contenido de bromo y del bromo liquido hacia el centro de rotación del depósito.
Estos gastos están incluidos en el rendimiento general hidromecánico del generador y equivalen aproximadamente a un 10-12o del trabajo útil _ . En este caso, el coeficiente, arriba indicado, del rendimiento de la máquina frigorífica equivaldrá a:
Xμ = Uμ( e p) -j.Ga"1 * 28,55.3,7"M,75-1« 36,17 -i- 44,09 (58)
Esto significa que para cada unidad del trabajo mecánico gastado, con el rendimiento relativamente alto, el generador absorberá y transformará de 36 hasta 44 unidades de la energia térmica de bajo potencial en la energia química de alto potencial de hidrógeno recuperado por cada kilogramo de solución, la cual puede, después, quedarse almacenada y ser utilizada para los objetivos energéticos, industriales, etc. En comparación con las bombas térmicas de los compresores, en los cuales se utilizan las fuerzas débiles de Van der Waals de la interacción mtermolecular de las partículas del cuerpo de trabajo, el generador gravitacional de hidrógeno tiene el rendimiento especifico 4-5 veces mayor que la máquina frigorífica, porque en él actúan los enlaces iónicos más potentes y esto abre buenas perspectivas de aplicación en los sistemas de aparatos del aire acondicionado, calefacción y producción de frío. Además, el Índice más importante de la efectividad de la transformación de la energia térmica es el coeficiente térmico de su transformación que refleja el grado de concentración del calor de bajo potencial.
Q = T, . T" (59)
donde Tj es la temperatura de la llama hidrógeno-oxigeno durante su combustión, °K;
Q = TLT" = 2873.291"1 (60)
En las bombas térmicas de los compresores este Índice es un poco mayor de 1. Por esto, el generador de hidrógeno permite utilizar el calor secundario no solamente para la calefacción sino para los procesos industriales de obtención de la energía mecánica y eléctrica secundaria. En algunos casos es razonable utilizar lo que el solicitante ha denominado "régimen de acumulación" del trabajo del generador, cuando una parte del tiempo funciona consumiendo el electrolito, y en el estado desconectado recupera su composición anterior. Para esto es necesario utilizar una buena calidad de electrolito, por ejemplo, la sal bien disuelta de un metal activo pesado.
En el primer régimen, este metal se decantará en el ánodo, y en la solución se acumulará el ácido, después, en el segundo régimen, el metal se disolverá en el ácido y el electrolito adquirirá su composición inicial. Como en el primer y en el segundo régimen de trabajo, el generador produce constantemente el hidrógeno, pero con distinta intensidad.
Las variantes de los cálculos realizados llevan al mismo resultado cualitativo, lo que demuestra que con valores mínimos dados y técnicamente conseguibles de los parámetros (r, h, W, K, T, C) y sobre todo de la condicionalidad admitida en la definición del tiempo de la descarga de iones (t) , se asegura el funcionamiento del generador en el régimen de obtención de hidrógeno con el rendimiento de la máquina frigorífica próximo al óptimo.
El objetivo de pasar al régimen de electrogenerador de hidrógeno puede resolverse por medio del cambio de cualquier parámetro lineal del procedimiento (r, h, K, T, C) , de la frecuencia de rotación (W) o de su conjunto, pero eso no es el objetivo de los cálculos presentes.
En el caso dado es suficiente constatar el hecho de que el procedimiento propuesto es realizable, el dispositivo es capaz de funcionar y existen reservas sustanciales para garantizar los índices específicos así como perspectivas satisfactorias para la introducción a la práctica industrial.
En la electrólisis gravitacional el factor determinante de su capacidad de trabajo no es el valor de la fuerza electromotriz, sino es el valor del potencial interno eléctrico catódico, el cual, incluso con la fuerza electromotriz insignificante a primera vista, para tener perspectivas de la aplicación industrial es capaz de crear condiciones para un proceso efectivo de alta productividad de recuperación de iones de oxígeno e hidrógeno en los gases moleculares y esto sirvió de base teórica del procedimiento propuesto. En este caso, es importante el mismo hecho de que los resultados cualitativos y cuantitativos del experimento anterior teniendo en cuenta la masa crecida en muchas veces del portador sustituido de la carga eléctrica corresponden totalmente a los resultados del presente cálculo, extrayendo las siguientes deducciones prácticas.
La obtención de la cantidad de volumen de hidrógeno sin tener en cuenta el rendimiento del generador es igual a la absorción y transformación de la energia térmica.
En el electrogenerador se logra, en el liquido, la formación de vacios (cavernas) que constantemente se crean y desaparecen durante el movimiento térmico de las moléculas de agua, sobre todo durante el movimiento rotatorio (~!.10~12 oscilaciones al segundo) en el que volumétricamente son asimétricas y durante la reconstrucción de la estructura crean cavernas con las dimensiones transversales, entre 4 y 7.1010 m y la duración de su existencia es del orden de 1.10"10. La constante "reconstrucción cavernosa" de la estructura del liquido en el campo de fuerza asegura el movimiento dirigido de los iones durante la electrólisis.
La diferencia en la movilidad de los iones se explica por la frecuencia del surgimiento de las cavernas de dimensiones aceptables para los iones de un electrolito concreto. En los fuertes campos de fuerza que tienen lugar en la electrólisis gravitacional, ocurre también la introducción forzosa de los iones grandes en las cavernas con menores dimensiones transversales, por esto aparece el efecto térmico de la resistencia óhmica de la solución del electrolito. En el caso de la electrólisis clásica, la velocidad del movimiento de los iones es proporcional a la tensión del campo eléctrico y constante en el espacio interelectrodos . A la superposición sobre el electrolito del campo mecánico centrífugo o gravitacional se cambia radicalmente el carácter del movimiento de iones y se convierte en dinámico.
Los enlaces hidratados conforme se acerca el ion a la periferia, se deforman paulatinamente, pero su descarga no se realiza de golpe contra la superficie del electrodo. Esto, en parte, explica la alta efectividad de la electrólisis gravitacional. Es muy importante el hecho de que en este proceso participan activamente solamente aquellos iones que en el momento dado de tiempo están cerca de electrodos como en el caso de la electrólisis clásica, donde la masa principal de iones está en el estado de desplazamiento pasivo esperando en cola su momento de descarga. Hay que notar que en el electrodo central, en este caso el cátodo, durante la electrólisis gravitacional el carácter del comportamiento de iones (cationes) , prácticamente es idéntico al clásico y la escala de las diferencias depende completamente del valor relativo de la masa propia de iones (cationes) y la profundidad de inmersión del electrodo (cátodo) en la solución. Para los cationes de hidrógeno estas diferencias son insignificantes debido a su pequeña masa en comparación con la masa de los aniones.
Partiendo de esto se pueden hacer las siguientes conclusiones argumentadas: a) la resistencia del material del ánodo y del cátodo en la electrólisis gravitacional es considerablemente mayor; y b) el hidrógeno, el oxigeno y el bromo en los electrodos correspondientes se desprenderán en forma de vapor-liquido .
La última circunstancia asegura una mayor densidad de la corriente eléctrica en comparación con un sistema análogo. Aproximadamente con las mismas dimensiones, las gotas de los productos líquidos que- se forman en los electrodos tienen una densidad mayor, casi en 3 órdenes (secuencias), en comparación con las burbujas de gases que están bajo baja presión. Para minimizar las consecuencias negativas del efecto de polarización de electrodos, su superficie de trabajo ha de ser construida y fabricada de manera que los productos líquidos pesados se escurran por las canaletas helicoidales y espiral en dirección al eje, y los ligeros, moviéndose en dirección contraria se caigan, y el electrolito se mezcle intensivamente pero en régimen laminar del flujo de la solución.
Estas condiciones se logran, no solamente por los flujos internos circulares del liquido, provocado por la energeción de los gases y el frenado de los discos del cátodo, sino también en parte por la pulsación de la frecuencia de rotación del rotor, generada por la inestabilidad en el tiempo del momento rotatorio del motor y su insuficiente estado de compensación, sobre todo cuando se trata de un motor de combustión interna. La energeción de las gotas de vapor liquido se acompaña con el cambio de su estado de conjuntarse y como consecuencia un enfriamiento intensivo de la solución en la proximidad del ánodo y del cátodo. La masa principal de gases se evapora en la superficie de la solución, lo que puede llevar a la creación de hielo, sobre todo en los canales de evacuación en caso de que el agua que entra para la descomposición, no esté calentada suficientemente o exista una demora de evacuación de gases desde el depósito del rotor . En este caso seria razonable aplicar la circulación forzada de la solución por medio de un termopermutador y añadirle dosificadamente el agua fuera del volumen del rotor del generador de hidrógeno. Para esto se recomienda compartir los procesos de la mezcla de la solución con el bromo liquido desprendido en el ánodo (productos que contienen bromo) y la circulación de los mismos a través del termopermutador introduciendo en la construcción del rotor un disco con orificios radiales que se comunican por medio de los canales axiales correspondientes con el sistema de termopermutador (véase la Figura 2) .
Esta solución técnica asegurará la posibilidad de orientar los flujos radiales y axiales, o sea, el proceso de termopemutación y el trabajo del generador en el régimen de seguimiento con respecto a los cambios del desprendimiento de calor de la fuente externa y de la energia mecánica del motor de combustión interna.
A continuación se dan algunos datos en el ejemplo de la perspectiva de la aplicación del electrolizador- generador en un automóvil con un motor de combustión interna con la capacidad de 110 Kw.
Tabla
Figure imgf000049_0001
Nota: En los motores sin el generador de hidrógeno: *) 45 40 **) 20 12 ***) 0,5 de residuo seco
El slsctrc~: puede entrar orgánicamente en la ccrr.pcsicicn del ivc de fuerza rr.otriz del automóvil (motor) y se ccr. -er. ccn tedas las piezas, sobre todo con la turbina té electrcσer-eraαor en el automóvil conjuntamente con la solución del" objetivo técnico- económico principal (aumento de la economía del combustible y reducción de la emisión de polución del motor) no ofrece ningún problema de seguridad ya que durante el funcionamiento del dispositivo no se crea ninguna reserva de gas en exceso. Las necesidades de materia para el funcionamiento del electrogenerador pueden conservarse mucho tiempo en forma de agua y desprenderse en la cantidad necesaria y en el tiempo determinado solamente antes de la alimentación inmediata a los cilindros del motor o a la cámara de combustión de la turbina. La ausencia de los complicados problemas, vinculados con la conservación del hidrógeno en forma de gas, es una de las ventajas del dispositivo propuesto por esta invención.
Simultáneamente con el hidrógeno la mezcla combustible se enriquece por el oxigeno, lo que lleva al aumento de la temperatura media del ciclo termodinámico del motor y eso. Por sus consecuencias, equivale al aumento del coeficiente de rendimiento (fuerza útil), a la reducción del contenido de óxidos en los gases de escape, a la combustión completa del combustible y la mejor formación de la mezcla. La construcción del electrogenerador permite obtener el hidrógeno a presiones por debajo de 2 MPa lo que no exige un compresor adicional para el motor de diesel y de turbina .
La utilización de hidrógeno en la mezcla combustible- aire permite aumentar la escala de compresión y utilizar los combustibles más baratos de menor cantidad de octanos. Durante la explotación de tal automóvil a la temperatura baja del aire ambiental el depósito de agua ha de fabricarse con medios de calentamiento eléctrico y termoaislamiento y dotación de un termostato. El arranque del motor en frió es más fácil con la mezcla de hidrógeno. En el funcionamiento del electrogenerador en el régimen óptimo, consume menos del 12 o de la energía, de la formación del agua. En este caso es capaz de transformar directamente la mayor parte del calor útil producido por el motor de combustión interna, en energía eléctrica (hasta 80%) , lo que implica que el rendimiento térmico del motor bajará de 70-68% hasta 56-54% (véase la tabla anterior) . En otras palabras, en la transmisión del automóvil o en otros nudos, piezas y puestos de mando, en vez de energía mecánica puede utilizarse la corriente eléctrica continua y eso prácticamente ya es un electromovil con la fuente termoquimica de la corriente eléctrica .
Esta invención permite no solo mejorar los índices técnico-económicos del dispositivo de fuerza energética de un automóvil tradicional, sino crear las premisas para elaborar en un futuro próximo un medio de transporte nuevo, de construcción mas moderna, incluyendo su transmisión, sistema eléctrico, de freno y de mando. La conclusión principal que se puede hacer en base al análisis de los resultados de los cálculos realizados, consiste en que el procedimiento propuesto de descomposición de agua en el campo gravitacional artificial es realizable aplicando soluciones técnicas constructivas ordinarias. También es evidente que es posible utilizar diferentes soluciones de construcción del generador o electrogenerador de hidrogeno y que también es posible la utilización de una gama amplia de electrolitos aptos para la utilización en estos dispositivos, e incluso con las propiedades mas ventajosas desde el punto de vista tecnico-economico y ecológico, o sea que tengan mayor diferencia de masa de cationes y aniones, mejor solubilidad, alto nivel de disociación y menor salinidad.
La productividad especifica del generador y su rendimiento es más que suficiente para compaginarlo con los motores de combustión interna, incluyendo automóviles, aviones, etc.
Los parámetros del campo gravitacional indicados en los cálculos no son máximos y en la práctica pueden ser superados considerablemente utilizando en la construcción del rotor del generador materiales ligeros de alta resistencia. Esto crea las premisas para la construcción del electrogenerador de hidrógeno como dispositivo muy efectivo y performante, sobre todo en automóviles. Esto abre las posibilidades a la creación de un medio de transporte principalmente nuevo que se diferenciará del automóvil por su ahorro de combustible, seguridad ecológica, etc. Seria razonable enlazar el electrogenerador de hidrógeno con el motor de turbina de combustión interna. La misma solución constructiva es viable en la aviación, energia eléctrica, asi como en los casos donde el bloque mecánico del electrogenerador está alejado del motor o de la fuente de energia a una distancia considerable.
Al proyectar (diseñar) el generador de hidrógeno es razonable utilizar el rotor de cortocircuito.
En relación con la alimentación de calor hacia el generador, resulta óptimo hacerla inyectando la solución del electrolito a través de un termopermutador externo, utilizando también un portador térmico intermedio.
En el electrogenerador de hidrógeno de la invención, el cátodo y ánodo deben estar eléctricamente aislados uno del otro, preferentemente por la superficie de unión del cuerpo del rotor con el eje de rotación.
Además, sería más conveniente unir los discos de la bomba y del cátodo en un solo módulo constructivo del rotor, al frenarlos simultáneamente se aseguraran mejores condiciones para el escurrimiento de hidrógeno de su superficie. La holgura radial entre el cátodo y el ánodo debe ser minima, y en el caso del generador de hidrógeno puede no existir o ser de unos micrometros.
En los sistemas de alimentación de agua y evacuación de gases deben instalarse filtros efectivos
La evacuación de los gases del generador puede realizarse a su presión excesiva, del orden de 1 a 2 MPa. Es posible la evacuación combinada, cuando el oxigeno está separado y el hidrógeno se envía al sistema de combustión del motor en forma vapor-liquido . El generador debería acoplarse al disco de la turbina o al volante del motor, en este último caso adquiere las propiedades del recuperador, o sea un dispositivo que transforma efectivamente su energía mecánica en la energía química de hidrógeno en el movimiento, por ejemplo, del auto en un descenso de la montaña. En la construcción del sistema de la alimentación de hidrógeno a las cámaras de combustión del motor debe estar previsto un depósito acumulador.
Es posible que cuando la frecuencia de rotación del rotor sea mayor que la que se necesita para la obtención estable y económica de hidrógeno, la energia eléctrica producida que no sea requerida por el electrogenerador puede ser destinada para la carga de la batería del automóvil, y el generador eléctrico tradicional puede ser desconectado.
Si la potencia del generador es grande, la producción de hidrógeno y oxigeno puede hacerse bajo la presión excesiva en forma liquida, dirigiéndolos después al termopermutador externo. Esta solución técnica es aplicable para las bombas térmicas y equipos de refrigeración.
En la construcción del generador se recomienda utilizar los siguientes materiales:
Para el cuerpo del deposito en forma de dos discos acoplados y piezas de fijación utilizar el acero 30 x 9CH A [composición química: %: 0,27 --- 0,34 de carbono, 0,9 -- 1,2 de silicio; 1 -f- 1,3 de manganeso; 0,9 --- 1,2 de cromo; 1,4 -f 1,8 de níquel, menos de 0,025 de fósfor y 0,025 de azufre, el resto hierro] después del tratamiento mecánico previo a 900°C, enfriado hasta unos 550°C, prensado en esta temperatura a 40-70%, templado en lubricante (aceite) a 900°C, esperar durante 6 horas a 275°C y tratamiento con frió a -80°C con el limite final de fluidez O > 2.200 H.mm2.
Aplicar la potencia establecida del orden de 6 KVH, con con el regulador sin producir escalones de frecuencia de rotación del rotor y tacómetro para disminuir la fricción del rotor y el ruido con el sistema de alimentación de aire o bomba de vacio.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento para la obtención de hidrógeno por electrólisis gravitacional del agua que incluye el empleo de un electrolizador gravitacional, que comprende las etapas de: a) hacer rotar una solución acuosa de un electrolito en el rotor de un electrolizador gravitacional, a una frecuencia que viene definida por la ecuación (3) :
ω > { [qαqκ(l-αT) ] [16πeenΔmphκ(r-0,5h) (2rβ+rμ)2]-1}1/2 (3)
donde qαqκ son cargas eléctricas de anión y catión de electrolito, Kr;
T es la temperatura absoluta de la solución, °K; Δm es la diferencia de masas de los cationes y aniones hidratados, kg; p es la concentración lineal de los iones pesados, M"1; p = 10 (C x N) l " , donde
C concentración molécula-gramo de la solución, mol x l"1; N es el número de Avogadro, mol"1; h es la altura de la columna de la solución, m;
K es el grado de disociación de electrolito, 10_2%; r es el radio interior del depósito del rotor, m; o. es el coeficiente de temperatura de cambio de la longitud del enlace hidratado, °K_1; e0 es la constante dieléctrica absoluta, φ.m"1; e es la constante dieléctica relativa del agua; rβ es el radio efectivo de la molécula del agua, m; rμ es el radio efectivo del ion pesado, m; y π es 3, 141, generándose como consecuencia de dicha rotación una fuerza centrífuga que crea un campo de gravedad artificial que permite separar las especies iónicas presentes en función de su peso, las cuales migran a sus electrodos respectivos; y b) efectuar la reducción de los protones en el cátodo para generar hidrógeno.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho electrolito es una disolución acuosa de un ácido inorgánico .
3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que dicho ácido inorgánico se selecciona del grupo formado por ácido brómico, ácido nítrico, ácido sulfúrico y ácido perclórico .
4. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho electrolito es una disolución acuosa de ácido brómico 6 M con un grado de disociación, K, de 0,85.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dichos electrodos son electrodos metálicos.
6. Electrolizador gravitacional, utilizado para la obtención de hidrógeno y oxígeno del agua, caracterizado por utilizar conjuntamente energia eléctrica, energía calorífica y campos gravitacionales .
7. Electrolizador gravitacional, según la reivindicación 6a caracterizado porque dispone de un armazón en el cual se fija un eje compuesto (3) que recibe el movimiento de una fuente de energia mecánica, un deposito del rotor (4) abastecido por el termopermutador (5) y un separador (6)
8. Electrolizador gravitacional según las reivindicaciones 6a y 7a caracterizado porque para su empleo en conjunción con un motor de combustión interna no seria necesario la separación del hidrógeno y oxigeno producidos, no siendo necesaria la incorporación del separador (6) ni del termopermutador interno (5) al cumplir el electrolito la función de termopermutador.
9. Electrolizador gravitacional según las reivindicaciones 6a a 8a caracterizado porque el armazón (1) se fija en el eje (3) por medio de bridas (14) electroaisladas de estas ultimas por la juntas (15), mientras que el separador (6) se encuentra fijado a los discos metálicos (16) intercomunicados entre si los cuales a su vez están montados en el eje (3) con la posibilidad de rotación independiente con respecto al armazón (4) jugando el papel del otro electrodo.
10. Electrolizador gravitacional según las reivindicaciones 6a a 9a caracterizado porque el separador puede fabricarse en forma de fundas de malla fina o pequeñas membranas colocadas con una holgura necesaria sobre los discos metálicos (16), discos metálicos que se encuentran perforados para favorecer la circulación normal de la solución en dirección axial .
11. Electrolizador gravitacional según las reivindicaciones 6a a 10a caracterizado porque a la superficie externa del armazón del rotor (4) y al extremo del eje de salida del eje (3) está conectado un trole (17), a través de los contactos deslizantes con una carga útil exterior.
12. Electrolizador gravitacional según las reivindicaciones 6a a 11a caracterizado porque para asegurar la circulación de la solución del electrolito al menos uno de los disco (16) posee orificios radiales (23) al lado de los cuales están unos salientes (24) que se profundizan en un canalete radial (19) , disco (16) instalado de forma móvil sobre el eje (3) y que se pone en rotación adelantada con respecto al armazón (4).
13. Electrolizador gravitacional según las reivindicaciones 6a a 12a caracterizado porque el disco (16) se frena con el freno (25) por lo que ya tiene menor frecuencia de rotación que el rotor del armazón (4) asegurándose gracias a la presión dinámica de la solución por delante de los salientes (24) a través de los orificios (23) y los canales correspondientes en el eje (3) la alimentación del liquido desde el deposito del rotor (4) al termopermutador exterior de la fuente de energia térmica y las corrientes laminares relativas de la solución a lo largo de las superficies de electrodos, realizando la limpieza efectiva de los productos de la electrólisis .
14. Electrolizador gravitacional según las reivindicaciones 6a a 13a caracterizado porque la generación de calor secundario durante el proceso puede ser utilizado como calefacción, obtención de energía mecánica y energia eléctrica.
15. Electrolizador gravitacional según las reivindicaciones 6a a 14a utilizando un procedimiento para la obtención de hidrógeno según se describe en las reivindicaciones Ia a 5a.
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