[发明专利]使用电解燃料电池来改进燃烧的系统和方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及内燃机领域。更具体地，本发明涉及一种使用电解燃料电池来提高燃烧的系统和方法。

背景技术

在过去，已经试图使用氢气燃料喷射系统来改进内燃机的动力和效率，然而，燃料喷射的现有方法已经证明在经济上是不利的、低效率的，并且不能提供有益的环境回报。

基本的电解涉及浸没在具有电解质的水溶液中的两个电极(阳极和阴极)。由于电解质提供用于使直流电的电子流过水的介质，因此电解质在理论上在电化学反应中充当催化剂。然而，实际上，很少电解质在电解应用中是真正的催化剂。催化剂的定义是提高化学反应的速率而不另外改变反应物或产物的化学物质。

用于产生氢气的燃料电池的最常用的电解质是常用碱氢氧化钠(NaOH)和氢氧化钾(KOH)。这两种电解质是强碱，意味着当溶解在水中时它们的离子键分离。电解分裂水中的氢和氧原子之间的键。氧分子一从水分子中的氢分离，氧分子中的一些就随后与阳离子(金属)部分地结合。当氧气与这些离子反应时，它们经过最终导致更多水分子的产生但限制以气体形式产生的氧气的量的过程。理论上，借助理想的催化剂，对于产生的每两个单位的氢气，将产生一个单位的氧气。通过将碱用作电解质(NaOH，KOH等)，电解电池将氢气对氧气的这个比率从3∶1增加到4∶1，而不是2∶1。

已知氢气在燃烧反应中比氧气更有爆炸性；然而，错误的假设是，想当然认为在内部或外部燃烧系统中氢气越多越好。对于任何类型的燃烧，本发明以2∶1比率利用氢气和氧气来改善效率。在燃烧中，氢气具有非常独特的性质，最重要的是它的宽的可燃性范围。在标准温度和压力(1大气压，273.15K)下，氢气和空气的混合物当在混合物中存在仅仅4％氢气或多达75％氢气时将燃烧。当氢气和氧气混合在一起时，可燃性范围进一步增加，从仅仅3％到将近99％。通常仔细检查喷射系统，这是因为据说氢气生产的电解方法获得不足够的量的气体导致在燃烧中产生任何差别。如上所述的混合物中的氢气和氧气的性质证明这是不正确的；因为该气体将辅助燃烧，即使仅仅3％的该气体与大气气体混合。

产生的气体的燃烧温度证明是计算气体物质的能量含量的有效方法。燃烧温度代表给定量的气体中的能量含量。纯氢气的燃烧温度是2318℃。氧气在爬过3000℃的温度下略微更充分地燃烧。然而，以氢气对氧气的2∶1比率的气体在大约5000℃(比单独任一种气体多得多的能量含量)下燃烧。这个增加的量的能量正好是添加较大量的氧气到氢气的效果辅助燃烧过程的原因。虽然5000℃的燃烧温度对于任何通常应用可能看起来太热，但温度仅仅当该气体以100％燃烧时会达到这种水平。

为了保证氢气对氧气的平均2∶1生产，必须使用真正的催化剂，不影响产物和反应物的催化剂。可以最容易地获得的电解质氯化钠(NaCl)符合这种型式。常用食盐氯化钠(NaCl)是电解质，该电解质既不是酸也不是碱，并且因此一旦氧原子从它们的氢对应物分离将不影响氧原子。

采用氢气和氧气燃料喷射系统对环境影响是有益的。燃料喷射系统后面的构思是更彻底地燃烧给定的碳氢化合物。例如，在汽车中，汽油是碳氢化合物。当汽油通过当前的内部燃烧系统时，一定量的碳氢化合物燃料因为不完全燃烧而留下。存在不完全燃烧存在的两种主要原因。不完全燃烧的第一个源是在燃料的燃烧中缺少总热。某些燃料，例如汽油，需要比内燃机的燃烧室中提供的温度更高的燃烧温度。氢气和氧气具有较高的燃烧温度，并且因此升高用于汽油的燃烧室中的温度。因为这个，汽油更完全地燃烧。

不完全燃烧的第二个源在于燃烧室中缺少氧气。虽然燃料的化学组成由特定的原油源实现，但对于给定量的汽油可以计算氧的平均量。根据计算，每克汽油需要7.0032×10^-4克氧气。这意味着在标准温度和压力下，需要15.6872ml氧气。可以假定，在海平面，大气气体的20.95％是纯氧气。因此，当内燃机燃烧一克给定载荷时，需要具有74.88ml大气气体。然而，因为在汽缸的燃烧室中存在不足的空气，经常没有达到这个数。这产生燃料的不完全燃烧。

在环境方面，这意味着更多一氧化碳、六氟化硫和其它这种气体被释放到环境中。此外，更多蒸发的汽油被释放到环境中而没有经过燃烧过程，这与从每一个气体罐将给定百分比的汽油倒出到大气中是相同的事情。