V dnešnej dobe, keď sa veľa hovorí o globálnom otepľovaní dôsledkom spaľovania fosílnych palív, ktoré produkujú veľké množstvo NOX, CO, CO2 si musíme priznať že automobilový priemysel v tomto hra veľkú rolu . Možností ako oslobodiť svet od závislosti na fosílnych palivách je dnes už viacero, ale tu nastáva ďalší problém, ktorý nám hovorí o tom, že drvivá väčšina z nich vyžaduje ešte veľa času a hlbší výskum nato, aby sa dali použiť v praxi a to znamená že sa nedajú využiť v blízkej budúcnosti. V tejto práci sa pokúsime rozobrať jeden zo spôsobov, ktorý sa dá použiť už dnes v každom vznetovom a zážihovom motore bez väčších úprav. Jednoduchá technológia, ktorá je založená na spaľovaní vodíka s uhľovodíkovými palivami . Za celým princípom sa skrýva to, že pridaním vodíka sa zlepší kvalita horenia a skráti sa čas horenia. Veľa ľudí pred nami už dokázalo, že pridaním malého množstva (do 10%) vodíka do spaľovanej zmesi sa zníži spotreba uhľovodíkového paliva. Takže to znamená, že v aute alebo inom dopravnom prostriedku so spaľovacím motorom musíme mať dostatočné množstvo vodíka. Prvé čo každého napadne je umiestniť do auta veľkú nádrž, do ktorej sa bude tankovať už vyrobený vodík. Lenže tu prichádza ďalší závažný problém! Vodík je veľmi výbušný plyn a pri aj pri najmenšom úniku by mohlo dôjsť k výbuchu. Preto potrebujeme zariadenie, ktoré by vyrábalo vodík priamo na mieste, v požadovanom množstve tak, aby bol všetok vyrobený plyn odsávaný do motora a nikde sa nestláčal alebo neakumuloval a tak nám riziko výbuchu kleslo na nulu.
V tejto práci sa budeme zaoberať jedným konkrétnym spôsobom výroby vodíka pre automobilový priemysel za pomoci elektrolýzy a zariadenia, v ktorom bude prebiehať. Práca ďalej popisuje samotnú konštrukciu zariadenia na výrobu vodíka – elektrolýzera a jeho ďalších časti ako je napr. zásobník na H2O . Ďalší problém ktorý sme pri konštrukcií HHO generátora riešili bol ten, že motor nám stále nepracuje na konštantnom výkone a preto nie sú ani požiadavky na objem plynu stále rovnaké, preto sme do môjho systému zakomponovali riadiacu elektroniku, ktorá redukuje celkový prúd, ktorý prechádza systémom a tak reguluje výron plynu.

1. Metodika práce

Pri zostavovaní práce sme využili viacero metód. V prvom rade to bolo štúdium literatúry a dostupných článkov na internete, diskusia v rôznych diskusných kluboch zaoberajúcich sa problematikou elektrolýzy vody a rozkladu vody na Brownov plyn, aplikáciou pri spaľovacích motoroch. V nasledujúcich etapách sme kombinovali metódu komparácie ( porovnávania) dostupných dokumentov a informácií o jednotlivých častiach elektrolyzéra a konštrukcii tohto zariadenia. Samozrejme, v procese sumarizácie zozbieraných faktov sme využívali metódu analýzy pri vyhodnocovaní jednotlivých informácií aj metódu syntézy pri vytváraní ucelenej predstavy o konštrukcii a praktickej aplikácií skonštruovaného zariadenia.
Predložená práca pozostáva z piatich hlavných kapitol. Úvod práce obsahuje dôvody, ktoré nás ovplyvnili pri výbere danej témy. V prvej číslovanej kapitole s názvom Metodika práce uvádzame stručnú charakteristiku jednotlivých kapitol. Táto časť popisuje postup a všetky metódy výskumu a interpretácie pri písaní práce. V druhej kapitole teoreticky rozoberáme princíp elektrolýzy vody a komponenty vznikajúce pri elektrolýze. Tretia kapitola sa zaoberá samotnou konštrukciou zariadenia a riešením problémov, ktoré pri konštrukcii vznikali. Záver je venovaný hodnoteniu splnených cieľov a možnému rozšíreniu práce. Vo foto dokumentácií sú fotografie z priebehu tvorby práce.

2. Elektrolýza vody

Elektrolýza vody je elektrochemický oxidačno-redukčný dej, pri ktorom sa pomocou dodanej energie jednosmerného prúdu voda elektrolytický rozkladá na vodík a kyslík. V procese elektrolýzy vody sa vodík vylučuje na katóde a na anóde sa vylučuje ekvivalentné množstvo kyslíka . (Obr. 2.1) Obe vylučované látky sú v plynnom skupenstve a vzniká spaľovateľná zmes plynov .

Obr. 2.1.: Schéma jednoduchej elektrolýzy

2.1 Vylučované produkty elektrolýzy

Kyslík

Kyslík je chemický prvok s protónovým číslom 8. Jeho výskyt je na Zemi pomerne veľký. V atmosfére tvorí približne 21% objemu. Vo vode, ktorá pokrýva dve tretiny zemského povrchu, tvorí kyslík viac ako 80% jej hmotnosti. Za bežných podmienok, teda štandardnej teplote a tlaku sa vyskytuje ako dvojatómová molekula O2. Jedná sa o bezfarebný plyn, ktorý má v kvapalnom a tuhom stave svetlomodrú farbu. Kyslík je veľmi reaktívny prvok. Jeho reakcie s inými látkami bývajú najčastejšie exotermické, teda také, pri ktorých sa uvoľňuje teplo. Reakciou s vodíkom, horenie zmesi kyslíka a vodíka sa dá dosiahnuť teplota viac ako 3000 °C.

Vodík

Vodík je chemický prvok s protónovým číslom 1. Ide o najrozšírenejší prvok v celom vesmíre a o tretí najrozšírenejší na Zemi. Avšak voľný vodík sa na Zemi nevyskytuje. Môžeme ho nájsť len vo forme zlúčenín. Asi najznámejšia zlúčenina vodíka je voda (H2O). Vodík ako dvojatómová molekula H2 je veľmi stabilný. Je to číry bezfarebný plyn bez chuti a zápachu. Je veľmi horľavý, preto s ním treba zaobchádzať opatrne.

2.2 Konštrukcia elektrolyzéra

Existuje aj iná alternatíva zlúčeniny vodíka s kyslíkom, o ktorej sa vie už 40 rokov, avšak o tejto možnosti je veľmi málo bežne dostupných informácií. Ide o takzvaný Brownov plyn - oxyhydrogen (HHO). Je zložený z vodíka a kyslíka, ale tvorí horľavú zmes týchto plynov. HHO plyn horí zhruba 7x rýchlejšie a intenzívnejšie ako benzínové pary. Dá sa vyrábať priamo na mieste elektrolýzou vody. Základom celej sústavy HHO generátora je elektrolyzér – zariadenie, v ktorom sa voda rozkladá na vodík a kyslík za pomoci energie jednosmerného prúdu. Samotný elektrolyzér bude v podstate tvoriť skupina elektrolyzérov, ktoré sú zapojené do série.

Elektródy tvoria kovové pláty z nerezovej ocele typu 316L. Každá elektróda má v sebe kruhové otvory, ktoré umožňujú cirkuláciu elektrolytu a plynu medzi jednotlivými elektrolyzérmi. Požadovanú vzdialenosť medzi elektródami zabezpečuje tesnenie, ktoré zároveň slúži aj ako tesniaci materiál medzi elektródami a zabezpečuje, aby sa z elektrolyzéra nedostal von elektrolyt a ani HHO zmes a zároveň vytvára medzi jednotlivými elektródami priestor, ktorý vyplňuje elektrolyt. Tesnenie musí odolávať elektrolytu a elektrickému prúdu, týmto požiadavkám dokonale vyhovuje guma.

Na jednotlivých elektródach je pripojené napätie a preto je celé zariadenie uložené v polyamidovom obale, aby nedošlo ku skratu a zároveň slúži ako priestor na pripevnenie vstupov a výstupov, na prívod elektrolytu do elektrolyzéra a odvod už vyrobeného plynu.

Obr. 2.2.: Nákres elektrolyzéra

2.3 Čistenie zmesi HHO

Na čistenie zmesi HHO plynu sa používa nádoba tvaru valca, ktorá je do určitého objemu naplnená elektrolytom. Do nádoby vedie vstup z elektrolyzéra. Vstup ústi až pod hladinou elektrolytu, teda zmes HHO vstupujúca z elektrolyzéra do čističky musí prebublať cez elektrolyt nachádzajúci sa vo válcovej nádobe. Vyčistená zmes HHO sa hromadí nad hladinou elektrolytu a odvádza sa výpustným ventilom. Toto zariadenie plní v systéme hneď niekoľko úloh . Zmes plynu HHO vychádzajúceho z elektrolyzéru musíme pred vpustením do spaľovacieho priestoru valca vyčistiť preto, že zmes môže obsahovať elektrolyt a to v kvapalnej prípadne plynnej forme. Elektrolyzér sa správa ako odpor a pri prechode prúdu sa zahrieva, čo spôsobuje odparovanie H2O.

Obr. 2.3.: Válcovitá nádoba na čistenie plynu HHO

Ako som už spomenul funkcií je viacero . Ďalšia z nich je tá, že prechodom elektrického prúdu cez elektrolyzér, dochádza k jeho zahrievaniu a nasledovnému odparovaniu H2O, takže čistička slúži aj ako zásobník na elektrolyt.

V spodnej časti nádoby sa nachádza otvor, prostredníctvom ktorého elektrolyt núteným obehom cirkuluje medzi elektrolyzérom a čističkou HHO. Obehom dochádza k chladeniu elektrolyzéra, to je dôležité aby nedochádzalo k jeho prehrievaniu a neznižovala sa tak jeho účinnosť, ďalej vytláča vyrobený plyn von z priestoru elektrolyzéra tak, aby boli elektródy čo najviac zaplavené elektrolytom.

2.4 Napájanie elektrolyzéra

Celé zariadenie je konštruované na napájanie konštantným napätím U=12V aké nájdeme v každom aute. Ako zdroj tohto napätia nám poslúži alternátor, ktorý je primárnym zdrojom elektrickej energie v automobile . Alternátor má v automobile za úlohu zásobovať všetky elektrické súčiastky dostatočným množstvom energie a dobíjať autobatériu, ktorá slúži v podstate len vtedy, keď nie je alternátor v činnosti. Jedná sa teda hlavne o štart motora. Alternátor je v podstate točivý elektrický stroj, zapojený v generátorickom režime. Keďže nám bude elektrolyzér odoberať pomerne veľký prúd bolo by dobré ho vymeniť za silnejší a efektívnejší model.

3. Konštrukcia HHO generátora

Obr. 3.1.: Bloková schéma HHO generátora

Napájanie:

Pri prvých skúškach a zapojeniach sme ako zdroj použili nami navrhnutý a doma vyrobený transformátor, pri ktorého konštrukcií sme využili znalosti z hodín elektrotechniky. Jedná sa o sieťový transformátor s výkonom 2000 VA a s napätím na výstupe zo sekundárnej cievky U = 12 V. Maximálny prúd, ktorý sa dá odoberať po usmernení je I = 50 A. Túto možnosť sme zvolili ako alternatívu k autobatérii. Použitie autobatérie by bolo dosť drahé a bolo by potrebné časté oživovanie pomocou nabíjačky a takýmto tempom by sme ju jednoducho účinne a hlavne rýchlo zničili. Takže tento transformátor nám poslúžil ako náhrada celej elektrickej sústavy v aute.

Obr. 3.2.: Transformátor a usmerňovač

Po transformovaní sieťového napätia na 12V je potrebné napätie usmerniť. Na usmernenie napätia sme použili usmerňovací mostík KBPC 5010. Tento mostík je pripojený na chladič a zároveň je ponorený v nádrži s olejom na prídavné chladenie.

Návrh transformátora:

Rozmery jadra, na ktorom sú navinuté cievky transformátora

Vodič na primárnej strane má prierez 2,5 mm²

Vodič na sekundárnej strane má prierez 6 mm², kvôli predpokladanému prúdovému odberu 50 A.

Zapojenie elektrolyzéra:

Spôsobov zapojenia elektród v elektrolyzáry je viacero. Hlavný rozdiel medzi nimi je veľkosť odoberaného prúdu a veľkosť napätia medzi jednotlivými elektródami. V našom HHO generátore sme použili bipolárne zapojenie elektród . Je to hlavne preto, že pri takomto zapojení je celkový prúd menší a zároveň tak dosiahneme ideálne napätie medzi jednotlivými elektródami, ktoré má mať hodnotu od 1,3V do 2V. Každý elektrolyzér je iný a tak pri zapojeniach elektród je potrebné mať veľa trpezlivosti, aby sme dosiahli maximálnu účinnosť. Po každom zapojení nasleduje meranie a experimentálne overovanie. V našom bipolárnom zapojení je použitých 62 elektród, pričom sú zapojené nasledovne: -NNNN+NNNN-NNNN+NNNN-

Obr. 3.3.: Bipolárne zapojenie elektród

Výkon a zároveň prúd prechádzajúci celým systémom je regulovaný pomocou PWM (Pulse-width modulation). Pulzáciou elektrického prúdu na jednotlivých elektródach dosiahneme ešte väčší výron plynu.

Elektrolyzér o rozmeroch 160x160x90 mm obsahuje 62ks elektród z nerezovej ocele typu 316L o rozmeroch 100x100x1mm . Každá elektróda má oblúkovou zváračkou prizváraný kontakt, ktorý slúži na privedenie napájacieho napätia na jednotlivé elektródy, ktoré sú od seba odizolované gumovým tesnením. Tesnenie je vyrobené zo starého kusu gumy, v ktorom je vnútorný otvor 80x80 mm . Slúži na ochranu pred skratom medzi jednotlivými elektródami a ďalej zabezpečuje, aby sa elektrolyt nedostal von z elektrolyzéra. Celé zariadenie je potrebné z oboch strán stlačiť, aby sa zabezpečila tesnosť celého systému . Preto bolo potrebné nájsť na to vhodný materiál, ktorý by spĺňal nároky na neho kladené. Izolačný materiál bol veľmi finančne náročný, avšak bez neho by sme nemohli ďalej pokračovať. Preto sme daný materiál vyrobili sami! Materiál sa vyrábal roztopením plastových vrchnákov z PETfliaš, nasledovne sa roztopený plast vylial do kovovej formy o rozmeroch 160x160x30mm. Tvar formy sme navrhli sami a tiež sme ju sami skonštruovali. Vzniknutý materiál sa ďalej opracoval trieskovým obrábaním. Po dokončení bol použitý na stlačenie elektród a tesnení. Ďalej sa použil na upevnenie holendrov, ktoré slúžia na prívod elektrolytu a odvod vyrobeného plynu z elektrolyzéra.

Filter plynu:

Filter na HHO plyn je vyrobený z PVC rúry, ktorá ma priemer 160 mm. Na vrchu nádoby sa nachádza uzáver, prostredníctvom ktorého sa nádoba naplní do určitého objemu elektrolytom. Vo vrchnej časti nádoby sa nachádza otvor odkiaľ uniká vyrobený a čistý plyn, v spodnej časti nádoby sa nachádza otvor, prostredníctvom ktorého sa elektrolyt odvádza do elektrolyzéra . Na boku je pripevnená mierka hladiny elektrolytu . V fotodokumentácií sú podrobné fotografie jednotlivých častí HHO generátora.

Riadenie:

Na riadenie napájania sme použili časovací obvod 555 zapojený podľa schémy na obr. 3.3. Jeho úlohou je obmedziť celkový prúd odoberaný zo zdroja, aby v prípade inštalácie zariadenia do automobilu sa stihol dobíjať akumulátor. To znamená, že neovplyvňovali by sme činnosť iných elektrických zariadení v aute.

Obr. 3.4.: Riadenie napájania

4. Záver

Výsledný produkt našej práce je funkčný model HHO generátora. Cieľom práce bolo skonštruovať zariadenie, ktoré by sa v konečnom dôsledku dalo namontovať do automobilu, kde by slúžilo jednak na výrazne zníženie spotreby klasického paliva, jednak by bolo šetrné k životnému prostrediu, lebo pri spaľovaní HHO plynu nevznikajú škodlivé emisie. V práci je popísaná funkčnosť a využitie HHO generátora v automobilovom priemysle. Bol vytvorený vyvíjač vodíka, ktorý sa dá použiť v každom spaľovacom motore. Keďže je zariadenie konštruované pre automobilový priemysel je našim ďalším cieľom pokračovať v tejto práci a navrhnúť automatický systém pre reguláciu množstva vyrobeného plynu .

Aby sa také to zariadenie dalo požiť v automobile, musí spĺňať aj určité nároky na bezpečnosť. Ak by sa nám podarilo skonštruovať elektrolyzér, ktorý by vyrábal vodík zvlášť od kyslíka a tieto dva plyny by sa zmiešali až vo valci, rapídne by sa nám zväčšila bezpečnosť celého systému . Ďalej pri inštalácií zariadenia do automobilu musíme hľadať také miesto, aby pri prípadnom uniku sa plyn nikde nezhromažďoval a nehrozilo riziko výbuchu alebo zabezpečiť v okolí generátora nútený obeh vzduchu.