PARTIAL HYDROGEN INJECTION - MyWeb at WITmyweb.wit.edu/robertsr/students/moralesg2/Courses/Senior Design... · 3 ABSTRACT Research on partial hydrogen injection (PHI) was conducted

1  

Wentworth Institute of Technology By Myles Moore, Nathan Kituuma, Giovany 

Morales & Courtney Zink  

Submitted to:  Professor Richard Roberts 

Date:      August 6, 2010 

PARTIAL  

HYDROGEN 

INJECTION 

2  

TABLE OF CONTENTS Abstract .............................................................. 3 

Introduction & Background Research ................ 4 

What Does PHI Do? ........................................ 4 

How Is Hydrogen Made? ................................ 4 

Electrolytes .................................................... 5 

Details of the Water Electrolyzer ................... 5 

Design ................................................................. 6 

The Basics ....................................................... 6 

Wet Cell vs. Dry Cell ....................................... 7 

Gasket Sealing and Deformation ................... 7 

Endplate Bending ........................................... 8 

Test results ......................................................... 9 

Initial Complications....................................... 9 

Solution Level ............................................. 9 

Solution Contamination ........................... 11 

Solution Bubbling ..................................... 11 

HHO Production of Cell ................................ 11 

Automobile Dynamometer Testing ............. 12 

Automobile Fuel Economy Testing .............. 12 

Health, Pollution, & Compatibility Concerns15 

The Future of the Project ................................. 15 

Works Cited ...................................................... 16 

Contacts ........................................................... 16 

Definitions, Acronyms, Abbreviations ............. 16 

Appendix A (Decision Matrices) ....................... 17 

Appendix B (Electrolyzer Blueprints) ............... 19 

Appendix  C  (Cell  Characterization  Test 

Procedure) ....................................................... 23 

Objective: ..................................................... 23 

Materials: ..................................................... 23 

Testing procedure: ....................................... 23 

Precautions: ................................................. 25 

Test Data: ..................................................... 26 

Appendix (MSDS) ......................................... 27 

Appendix D (Miscellaneous) ............................ 35 

Appendix E (Work Plan) ................................... 36 

3  

ABSTRACT Research  on  partial  hydrogen 

injection  (PHI)  was  conducted  to 

establish  an  understanding  of  the 

current  technology  and  how 

supplementing  hydrogen  during  fuel 

injection  has  an  effect  on  the  performance  of 

internal  combustion  engines  (ICE).    Research 

revealed  that  the  quenching  distance,  the 

distance  at which  the  cessation of  combusting 

gasses  takes  place  due  to  heat  transfer to  the 

cylinder  wall,  is  decreased  when  hydrogen  is 

introduced  to  the  air‐fuel mixture  resulting  in 

more  of  the  injected  fuel  being  burned.    See 

Table  1  for  a  list  of  quenching  distances  and 

other fuel properties. 

A water electrolyzer was designed  and 

constructed  to  produce  the  gas  mixture 

2H2O+O2  (HHO)  that would be  supplied  to  the 

engine. 

Tests  were  conducted  to  characterize 

the performance of the electrolyzer.  Additional 

tests  were  conducted  to  investigate  any 

changes in engine performance. 

Cell  characterization  tests  showed  that 

volumetric  flow of HHO  increased  linearly with 

both  voltage  and  current.    Tests  also  revealed 

that  operating  temperature  does  not  have  an 

effect  on  electrical  resistance,  voltage,  and 

volumetric  flow  of  HHO  when  solution 

temperatures are between 35‐55°C . 

  Shorter  quenching  distances  result  in 

lean  burning  conditions.    In  an  attempt  to 

maintain a 14.7:1 air‐fuel ratio, the oxygen (O2) 

sensor  in  the  exhaust  pipe  tells  the  engine 

control unit  (ECU)  to  inject more  fuel  into  the 

cylinders.     This behavior  is not desirable, as  it 

causes the engine to burn more fuel.  Significant 

increases in fuel efficiency will only appear after 

the engine  is  tuned  to operate at  steady  state 

with the new air‐fuel ratio.  This can be done by 

modifying  the  ECU  parameters  or  augmenting 

the signal from the O2 sensor.   When HHO was 

supplied to the engine at a rate of 1.1  lpm, air‐

fuel  ratio  and power output did not  show  any 

measurable changes.   

  To  investigate  the  possibility  of  power 

increases  too  small  for  the  sensitivity  of  the 

dynamometer,  long  term  fuel  efficiency  tests 

were  conducted.    Tests  revealed  the  following 

net  increases  in  fuel  efficiency when using 0.7 

lpm of HHO: 

‐ 1.4% for city driving 

‐ 5.5% for highway driving 

The  long  term  fuel  economy  tests  are  far 

from complete.  Many more tests are needed to 

obtain results of statistical  importance.   Driving 

conditions,  driving  style  and  ambient 

temperature  all  have  an  effect  on  fuel 

economy.  Time constraints did not allow for an 

in  depth  investigation  that  took  these 

parameters into consideration. 

  It was determined that 1.1  lpm of HHO 

does not have a significant effect on the power 

output  or  air‐fuel  ratio while  0.7  lpm  of  HHO 

was  enough  to  produce marginal  gains  in  fuel 

efficiency.    Therefore,  no modification  needed 

to be made to the engine tuning.  The results of 

this  project  give  rise  to  some  question  for 

future investigations:  

1) What  happens  when  more  HHO  is 

supplied to the engine? 

2) How will the rate of HHO production change in when solution temperatures are between ‐20°C and 70°C (extreme weather temperatures in the U.S.)?

Property  Hydrogen  Gasoline 

Stoichiometric ratio for complete 

combustion (A/F by mass) 

34:1  15:1 

Auto Ignition Temp (⁰C)  585  260‐460 

Flame Temp (⁰C)  2207  2307 

Quenching Distance (mm)  0.64  ~ 2 

Ignition Energy @ stoich (mJ)  0.02  0.24 

Flame Speed @ stoich (m/s)  3.46  0.42 

Table 1: Properties of fuels 

4  

INTRODUCTION & BACKGROUND RESEARCH 

What Does PHI Do? 

  Partial  hydrogen  injection  (PHI)  is  the 

process of feeding a small amount of hydrogen 

into  an  internal  combustion  engine  (ICE) 

through  the  air  intake.    By  doing  so,  the 

quenching  distance1  of  the  air‐fuel mixture  is 

decreased causing more of  the  injected  fuel  to 

be burned and  less waste  fuel  to exit with  the 

exhaust gases (See Table 1 for a comparison of 

fuel properties).    In  theory,  the higher  volume 

of  fuel  being  burned  results  in  an  increase  in 

power output.   There are  two ways  to use  this 

power output: 

1) Keep  the  increased  power  output 

without sacrificing fuel economy. 

2) Lean out the air‐fuel ratio (AFR) ratio to 

achieve  the  original  power  output  and 

benefit  from  increased  fuel  economy 

without sacrificing power. 

How Is Hydrogen Made? 

Water  electrolysis  is  one  of  the many 

ways  to  produce  hydrogen  and  is  done  so  by 

placing  two  electrically  conductive  solids 

(electrodes  or  “plates”) with  opposing  charges 

in  a  bath  of  distilled  water  containing  a 

dissolved electrolyte (e.g. potassium hydroxide, 

sodium  hydroxide,  etc.).    A  current  is  then 

passed  positive  electrode  to  the  negative 

electrode.      Passing  current  through  the  H2O 

breaks  the  chemical  bond  between  hydrogen 

and oxygen.   Oxygen  gas will appear at anode 

and hydrogen  gas  at  the  cathode,  the positive 

                                                            1 The quenching distance is the distance at which the 

cessation  of  combustion  takes  place  due  to  heat 

transfer to  the  piston  wall.    See  Table  1  for 

properties of hydrogen and gasoline. 

and  negative  electrodes,  respectively.    This 

combination of gasses is referred to as HHO. 

The  main  components  of  the 

electrolyzer  are  the  electrodes,  the  electrolyte 

solution  (bath  of  distilled  water),  the 

containment  vessel,  and  the  electric  power 

supply.  It is important to note that the housing, 

or  containment  vessel,  must  be  an  electric 

insulator and  that  the system  is only grounded 

through the negative electrode.   

HHO  production  can  be  controlled  in 

several  ways.    The  dominating  factor  in  HHO 

production  is  the  current.    The  importance  of 

decreasing  the  electrical  resistance  in  the  cell 

can  be  demonstrated  using  the  following 

relation: 

where  the V  is  the  voltage, R  is  the  resistance 

and I is the current.  If voltage is constant based 

on  the  output  from  and  automotive  battery 

(power  supply)  and  resistance  is  another 

constant based on  the architecture of  the  cell, 

then current must yield to the quotient V/R.  As 

resistance decreases, the current will increase.   

Another  way  of  controlling  HHO 

production is to increase the active area2 of the 

electrodes  to  create  a  larger  surface  for 

chemical reactions to take place.   

Finally, if HHO production is higher than 

needed,  but  only  at  certain  times,  the  rate  of 

production  may  be  modulated  by  controlling 

current with a pulse width modulator.   A PWM 

adjusts  the  duty  cycle  by  rapidly  switching 

electric  current on and off.   So, at a 50% duty 

cycle, the electrolyzer would only receive power 

50% of the time, cutting the production of HHO 

in half.   

                                                            2 The active area of an electrode  is the surface area 

that  is both electrically charged and  in contact with 

the electrolyte solution.  

5  

In  industrial  applications,  hydrogen  is 

produced  through  steam  reformation  of 

hydrocarbons such as natural gas or petroleum.  

In  this  process,  high  temperature  steam  is 

reacted with hydrocarbons and passed through 

a nickel catalyst.  Atomic bonds are broken and 

hydrogen  is  filtered  out.    This  process  is  very 

complicated  as  it  involves  careful  temperature 

control.   As a  result,  it has been deemed unfit 

for automotive applications.   

Electrolytes An  electrolyte  is  a  liquid  substance 

which acts as a medium  to  conduct electricity.  Electrolytes  are  full  of  ions,  which  are  atoms that  have  some  sort  of  net  electric  charge, either positive or negative. A dilute electrolyte has  a  relatively  small  amount  of  ions  for  its volume, while a concentrated electrolyte has a high  amount  of  ions.      Electrolytes  can  be divided into two groups; acids and bases.  Acids are defined as H+ proton donors and bases are hydroxide  donors.  These  bases  are  a combination of  a metal  ion  and  the hydroxide ion,  OH1‐.  Pure  H2O  itself  is  not  conductive. However,  if  a  water‐soluble  electrolyte  is added,  the  conductivity  of  the  water  rises considerably.  The  electrolyte  disassociates into cations and  anions;  the  anions  rush towards  the  anode  and  neutralize  the  buildup of  positively  charged  H+ there;  similarly,  the cations  rush  towards  the  cathode  and neutralize  the  buildup  of  negatively  charged OH− there.  This  allows  the  continued  flow  of electricity. 

The  electrolytes  considered  for  this project were salt (NaCl), baking soda (NaHCO3), and potassium hydroxide (KOH). 

NaCl was  determined  to  be  unsuitable for this application because it produces chlorine gas which is extremely poisonous.  

NaHCO3  will  break  down  into  sodium hydroxide during electrolysis.  While doing so, it produces carbon dioxide and a lethal amount of carbon monoxide. What good  is an  increase  in 

fuel economy  if a process  is producing a bunch green house gasses? 

Potassium  hydroxide  was  determined to be best suited for this application because of its  ability  to  remain  unchanged  during electrolysis.  Stainless steel is not susceptible to corrosion  by  KOH.    For  the  same  reason, materials like PVC, LDPE, and polypropylene are commonly  used  to  manufacture  tubing  and fittings. 

Appendix  A  (Decision  Matrices)  contains information  on  the  selection  of materials  and electrolyte type. 

Details of the Water Electrolyzer 

Water  electrolysis  breaks  the  chemical 

bond of H2O:  2 2 .  The resulting 

gas mixture is commonly referred to as HHO. 

Brute  force  electrolysis  requires  a 

minimum of 2 volts to break the chemical bond 

of H2O.    Independent  research has  shown  that 

voltage drops  across neighboring electrodes  in 

excess of 2.3V will produce excessive heat and 

begin vaporizing  the water  (1).   Suppose we’re 

using  an  automotive  battery  to  power  an 

electrolyzer  at  a  constant  12V  using  an 

electrolyzer  similar  to  the one  in  Figure 1, but 

without  the  neutral  plates.    This would mean 

that  the  drop  from  the  positive  to  negative 

electrode  will  be  12V.    As  we  know,  this  will 

Figure 1: ‘Wet Cell’ Electrolyzer 

6  

heat  the solution  to undesirable  temperatures.    

One  way  of  reducing  that  voltage  to  a 

reasonable  level  would  be  by  running  the 

current  through  a  resistor.   However,  this  is  a 

poor  solution  that  would  require  10V  to  be 

dissipated  by  the  resistor.    A  more  practical 

approach is to use the architecture of the cell to 

achieve  those  voltage  drops.    This  is  the 

purpose  of  the  neutral  plates  in  Figure  1.  

Neutral plates act like resistors in series.  When 

neutral plates are  incorporated  into the design, 

we  can  make  use  of  the  entire  12V  and 

eliminate  the  need  for  voltage  reducing 

electronics  that  add  to  the  complexity  of  the 

system.    The  following  equation  is  used  to 

determine  the  required  number  of  neutral 

plates: 

∆1  

This  value  includes  the  positive  and  negative 

electrodes.    The  voltage  drop  takes  place 

between neighboring plates.   So,  if we were to 

be  using  a  12V  supply  and  we  wanted  a 

maximum drop of 2V per plate, we would need 

seven plates in total. 

122

1 7  

DESIGN 

The Basics 

Water  electrolysis  for  PHI  systems 

require the use of corrosion resistant electrode 

materials.    316L  stainless  steel  is  a  common 

material used in less expensive systems, but has 

a  drawback.  Over  time,  the  corrosion  of  the 

electrodes  leads  to  high  concentrations  of 

hexavalent  chromium  in  the  water/electrolyte 

solution, an extremely toxic carcinogen (2).   To 

avoid this, some manufacturers have moved to 

using more  expensive  titanium  electrodes.    It 

has  been  reported  that  hexavalent  chromium 

only leeches out of the surface of stainless steel 

electrodes  for  a  short  time.    Leeching  stops 

after a period of use known as the conditioning 

period  and  may  take  up  to  a  week  of 

continuous operation to complete (1).   

   Cell  components  must  be  made  of 

materials  that  are  resistant  to  the  chemical 

corrosion  by  the  electrolyte  solution  (see 

Appendix  A  (Decision  Matrices)).    Additional 

care  in  the  selection  of  materials  should  be 

taken  with  regards  to  the  minimum  and 

maximum  temperature  appearing  under  the 

hood  of  an  automobile.    These  temperatures 

can  reach  upwards  of  70°C.    Appendix  A 

(Decision  Matrices)  on  page  17  shows  the 

design matrix for various elastomers considered 

for use.     These materials are graded based on 

their  resistance  to  corrosion  in  a  bath  of 

potassium hydroxide (3).   The design matrix for 

elastomers serves as a guide to what materials 

we are allowed to use. 

7  

Wet Cell vs. Dry Cell 

Wet  cells  have  a  series  of  plates 

submerged  in  a  bath  of  electrolyte  solution 

contained  in  a  reservoir  (see  Figure  1).    The 

major  drawback  of  this  design  is  that  the 

electrodes will charge  the solution surrounding 

the  edge  of  the  plate,  but  not  produce  any 

hydrogen.  This is known as current leakage and 

decreases  the overall  efficiency of  the  system.  

These  exposed  edges  also  help  start  and 

accelerate corrosion. 

Dry cells are unique in that the edges of 

the  electrodes  are  not  in  contact  with  the 

solution.    This  eliminates  the  issue  of  current 

leakage  and  greatly  reduces  the  rate  of 

corrosion.    Exposed  edges  are  limited  to  two 

small holes on each plate (See Figure 11).     The 

electrodes  are  sandwiched  between  two 

endplates and separated by gaskets that form a 

void  that  can  fill  with  electrolyte  solution.  

Tierods hold  the  assembly  in  compression  and 

seal  the  gaskets  to  prevent  the  solution  from 

leaking (see Figure 2). 

Figure 3 (page 8) 

&  Figure  6  (page  10) 

show  the  inlet  and 

outlet  hoses  that 

transport  gasses  and 

liquids  to  and  from  the 

cell. When the system  is 

off, both hoses are filled 

with  solution  and  the 

pressure  differential 

between  the  cell  inlet 

and  cell  outlet  is  small.  

When  the  system  is 

running, the outlet hose 

fills  with  a  gas‐liquid 

mixture  of  HHO  and 

solution  that  has  a  low 

density.  The outlet hose 

remains  filled  with  the  more  dense  liquid 

solution.    The  column  of  liquid  produces  a 

higher pressure at the inlet, resulting in a larger 

pressure differential between  the  inlet and  the 

outlet.    This  causes  a  swift  flow  of  electrolyte 

solution from the inlet to the outlet. 

Gasket Sealing and Deformation 

To  determine  the  compressive  force 

required  to  seal  the  gaskets,  ASME  Pressure 

Vessel Codes for m and y procedures were used 

(4).    To  begin  these  calculations,  it  was 

necessary  to  estimate  the maximum  pressure 

that  the  seals would  experience.    To  calculate 

the max pressure P, the pressure of a column of 

fluid was  applied  to  the  situation  in  Figure  3.  

The density ρ of the fluid is assumed to be close 

to that of water and the height h is assumed to 

never be  larger  than 0.5 meters.   Here we will 

apply  a  factor  of  safety  of  2  and  design  the 

system  to  withstand  double  the  expected 

pressure. 

Figure 2: Dry Cell Electrolyzer without reservoir assembly 

8  

. .

Continuing  to  the m and y procedures, we use  the  following equations where D  is  the effective  diameter  of  the  gasket  (m),  b  is  the effective seating width of  the gasket  (m), 2b  is the  effective width  of  the  gasket  for  pressure (m), P  is  the maximum pressure  (Pa), m  is  the gasket  factor  and  y  is  the  seating  load  (Pa).  Because this is a square gasket, D is assumed to be the width of the gasket. 

42

40.1 9810

2 0.0127 0.1 0.5 9810 120   

This  load  is applied equally  throughout 

the  tierods.   Preload  tension  in  the  tierods can 

be  indirectly determined  through  torque using 

the following equation:  

where T  is the torque, d  is the nominal outside 

diameter  of  the  bolt  and  K  (0.2  for  stainless 

steel, 0.22 for zinc coated). 

 The  compressive  load  is applied  to  the 

stack  by  tightening  the  tie‐rods.    Under  this 

load,  the  gaskets  will  compress  and  the 

endplates  will  see  some  degree  of  bending 

stress.    Gasket  deformation  calculations  were 

performed  to  see  if  the  compression  would 

decrease  the  space  between  electrode  plates 

enough to require a thicker gasket.   Where F  is 

the compressive force required to seal, L  is the 

uncompressed thickness of the gasket, A  is the 

area of the gasket, and E  is the elastic modulus 

of the material: 

120 1.62419 10

0.00783  

From  this,  we  may  conclude  that  the 

compressive  force  will  have  no  effect  on  the 

spacing of the electrodes. 

Endplate Bending 

The endplates are 3/8” to allow enough 

material to drill holes to accept NPT fittings.  To 

ensure  that  the  endplate  will  not  bow 

excessively  under  load,  a  beam  in  bending 

Figure 3: Dry Cell System Diagram 

Material  Modulus of Elasticity 

Soft PVC  10 MPa 

Rigid PVC  1.06 GPa 

Table 2: PVC Material Properties 

Cell (stack)

Solution travels to cell via inlet hose 

2H2+O2

gas  and solution bubbles back  to reservoir via  outlet hose 

Reservoir with 

solution 

Figure 4:  Endplate in bending (4) 

9  

calculation  was  used  to  estimate  deflection, 

where P  is one quarter of the  load required for 

sealing the gaskets and the load at points B and 

D  are  the  reacting  forces  from  the  gaskets, 

which  have  been  represented  as  simplified 

point  loads at middle of  the gasket  (See Figure 

4).    For  calculating  I,  B  is  the  width  of  the 

endplate and H  is  the thickness.   The  following 

calculations  show  that  the  deflection  is 

negligible.   

12120 9.5

1213718  

8120 /4 140 3.16

8 1.06 137180.016  

TEST RESULTS 

Initial Complications 

Solution Level Maximum  electrolyte  concentration  was 

determined using the chart  in Figure 5.   During 

the first testing stages the following issues were 

found  while  using  a  22%  KOH  by  weight 

solution: 

1) Low HHO production  

2) Particulate buildup on electrodes 

3) Poor fluid circulation 

The  cell  was  disassembled  and  examined 

for any clues leading to the cause of the issues.    

It  was  found  that  the  burning  covered  a 

different  amount  of  area  on  each  electrode.  

This  area  would  start  at  the  top  where  the 

electrode  first meets  the  solution  and  extend 

down no more than one inch.  The burning was 

thought  to  be  caused  by  electricity  arching 

through  the bubbly  solution  from one plate  to 

another.   However,  it was found that what was 

thought to be burning of the plates was actually 

a  buildup  of  some  brownish‐black  particulate 

contamination.    It  was  also  noted  that  the 

amount  of  contaminated  area  on  each 

electrode  increased  from  the  side  with  the 

barbed fittings.   This was an  indication that the 

solution  level  was  decreasing  in  a  step‐like 

fashion from electrode to electrode.   

In  an  attempt  to  correct  this  inconsistent 

solution  level,  the 0.125” hole shown  in Figure 

11 was  increased to 0.250”.   This had no effect 

on solution level.   

Next,  the  gaskets  were  swapped  out  for 

gaskets  three  times  the  thickness.    It  was 

thought  that  if  there  was  more  solution 

between  electrodes,  it  would  be  easier  for 

gasses to make their way to the top of the cell 

and  to  the  outlet  tube.  This  also  showed  no 

significant changes during operation. 

Finally,  the  primary  and  secondary 

reservoirs  were  moved  from  the  position  in 

Figure  18  (page  35)  to  the  final  position  in 

Figure 6.  The   particulate buildup stopped.  By 

increasing  the value of h  in Figure 3, a greater 

pressure differential was produced between the 

cell inlet and outlet.  This caused the solution to 

circulate  swiftly  through  the  system.        This 

pressure  differential  also  caused  the  solution 

level  to  rise  from  covering  80%  of  the  active 

electrode  area  to  100%.    An  increase  in 

volumetric flow of gasses was seen. 

 Figure  5:  Conductivity  of  various  electrolytes  dissolved  in 

distilled water (8)

10  

Amp meter 

Volt meter 

HHO outlet hose 

Primary to 

secondary hose 

Thermometer 

Primary bubbler 

Secondary bubbler 

Cell outlet hose 

Cell inlet hose 

 Cell 

Tierods 

Figure 6: Dry Cell Electrolyzer Assembly

11  

Solution Contamination After  five  hours  of  operation,  the  solution 

went from clear to having a brownish‐black tint.    

It was assumed that this change in color had to 

been  caused  by  the  same  contamination  that 

was  building  up  on  the  electrodes.    The  stack 

was disassembled and thoroughly cleaned with 

distilled water.  Black ink printing on the gaskets 

was cleaned off with  rubbing alcohol.   The cell 

was  reassembled and  filled with a  fresh mix of 

solution  containing  22%  KOH  by  weight.  

Twenty  additional  hours  of  operation  were 

completed  without  seeing  any  build  up  of 

particulate.   

Solution Bubbling   With  the  electrodes  and  solution 

showing  no  signs  of  contamination,  another 

issue  arose.    It was noted  that  every  time  the 

assembly  was  left  in  a  car  on  a  32‐38°C  (90‐

100°F) day for an extended amount of time, the 

solution  would  begin  to  exhibit  excessive 

bubbling when the system was turned on.  This 

bubbling would cause solution from the primary 

reservoir to migrate to the secondary reservoir, 

which  should  only  contains  distilled  water.  

Once  the  concentration  of  KOH  in  the 

secondary  bubbler  reached  a  certain  point, 

bubbling  would  begin  and  cause  electrolyte 

solution  to  exit  through  the HHO  outlet  hose.  

22% KOH by weight  solution was  swapped out 

for 10% KOH by weight solution.  The excessive 

bubbling  stopped  and  the  cell  showed  no 

change  in  gas  production.    The  cell  was  then 

tested  to  characterize  system  performance 

(results are  to  follow).   After  testing, assembly 

was  stored  without  additional  operation  in  a 

different car subjected to the same weather for 

seven  days,  then  removed  and  used  during 

dynamometer  tests  on  the  test  car.    Solution 

bubbling had returned, but the system was still 

used  for  the  tests.    Solution  temperature was 

not recorded during dynamometer tests. 

  The  assembly  was  stored  for  an 

additional week  in  the  same  car  subjected  to 

the  same weather  and  then  installed  into  the 

test car for long term fuel efficiency tests.  Upon 

first operation, the solution exhibited excessive 

bubbling.  To keep the solution from making its 

way  to  the  HHO  outlet  tube,  a  50/50 mix  of 

distilled  water  and  vinegar  was  added  to  the 

secondary reservoir.   Although this approach  is 

not  intended  to be a  long  term  solution,  it did 

serve  to  neutralize  the  electrolyte.    The 

bubbling  was  eliminated  and  efficiency  tests 

were  conducted.    Solution  bubbling  in  the 

primary  reservoir  stopped  after  about  3 hours 

of operation performed over several days. 

  The cause of  the bubbles has not been 

determined.  What is known is that the solution 

was  subjected  to  high  temperatures  and 

sunlight when  the  assembly was  stored  in  the 

cars.    Additional  tests  should  be  performed 

using solution temperatures up to 75°C to see if 

bubbling only occurs at elevated temperatures. 

HHO Production/ Cell Characterization 

The cell was filled with a distilled water 

solution containing 10% KOH by weight.  Power 

was  applied  to  the  electrodes  to  begin  HHO 

production  and  operating  conditions  were 

recorded to determine the following objectives: 

1) Does  electrical  resistance,  current 

draw  or  voltage  of  the  system 

change with temperature? 

2) Does  electrical  resistance,  current 

draw  or  voltage  effect  HHO 

production? 

The  tests  for  objective  one  revealed 

that  none  of  the  parameters  were  effected 

when  solution  temperatures were between 35 

12  

to  55°C  (see  Figure  10).  

Ideally,  tests would  cover  ‐

20 to 70°C. 

Data  related  to 

objective  two  revealed  a 

strong  relation  between 

volumetric flow and voltage 

and  volumetric  flow  and 

current.  Figure 9 shows the 

linear  relationship  relating 

the  operating  conditions.  

See  Appendix  C  (Cell 

Characterization  Test 

Procedure)  for  testing 

details.  

A  common  question  of  concern  is  the 

rate  of  water  consumption.    Time  constraints 

did not allow  for any  in depth  investigation of 

this  quality.    As  an  overall  average,  the  cell 

converts 8 milliliters of water per hour. 

Automobile Dynamometer Testing 

  In  theory,  substituting  some portion of 

the  air  in  an  air‐fuel mixture will  lean  out  the 

mixture.  By decreasing the quenching distance, 

more fuel  injected  in to the cylinders  is burned 

resulting  in a  lean mixture3.   The dynamometer 

tests were conducted to answer two questions4: 

1) How does HHO effect air fuel ratio? 

2) How  does  HHO  effect  power  output 

from the engine? 

Figure  8  shows  the  results  of  dyno  tests 

with  and  without  using  HHO.    There  was  no 

significant  change  in  either  the  AFR  or  the 

power output.   

                                                            3 Lean mixtures have an AFR higher than 14.7:1. 4 Dyno  tests were performed by Dent Sport Garage 

of Norwood, Massachusetts using a Dyno Dynamics® 

AWD Dynamometer (Serial number: 1977) 

Automobile Fuel Economy Testing 

  Although  there  was  no  measurable 

increase  in  power  output  from  the 

dynamometer, an  increase  in net fuel economy 

may be revealed over  long term road tests.   To 

do this, the system was installed in the same car 

used  for  the  dyno  tests.    The  driver  was 

instructed to:  

1) Fill the fuel tank until the automatic 

stop is engaged on the gas pump. 

2) Reset  the  trip meter  and drive  the 

car 200 miles or more.     

3) Fill  the  tank  again  using  the  same 

pump  until  the  automatic  stop  is 

engaged and  record  the amount of 

fuel  needed  to  fill  the  tank  (fuel 

used). 

4) Calculate fuel economy using the 

following equation:                   

The results of these tests are tabulated 

in Figure 7. 

Test Type 

Miles Driven

Gallons of Fuel Used 

MPG Driving Type 

Average MPG 

City  Highway

No HHO 

329.8 9.8 33.7 City 

33.5  36.7 316.4 9.5 33.3 City 

304.2 8.3 36.7 Highway 

With HHO 

321.1 9.1 35.3 City 

34.0  38.7 251.2 7.7 32.6 City 

212.6 5.5 38.7 Highway 

      % change in MPG  1.4  5.5

Tests were conducted using 0.7 liters per minute of HHO 

Figure 7: Fuel efficiency test results 

13  

 Figure 8:  Dynamometer test results show no change in performance.  The cell was operating at 13.6 volts at 15 amps and 

producing 1.1 lpm of HHO. 

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1500 2500 3500 4500 5500 6500 7500

Air‐Fuel R

atio

Power Output (HP)

RPM

1994 Honda Civic Dynamometer Results

Power Output without HHO Power Output with HHO

AFR without HHO AFR with HHO

14  

 Figure 9: Strong linear relationship between flow rate and current. 

 Figure 10: Chart suggests that temperature plays no role in voltage, flow or resistance between the noted 

temperatures. 

R² = 0.9099R² = 0.9729

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Volumetric Flow (l/min)

Volumetric Flow of HHO from Cell

Flow v Voltage (V) Flow v Current (A)

0

2

4

6

8

10

12

14

35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55

Temperature (°C)

Operating Temperature 

Voltage v Temp Flow v Temp Resist v Temp

15  

Health, Pollution, & Compatibility Concerns 

Water  electrolysis  for  use  in  PHI 

systems employs  the use of corrosion resistant 

electrode  materials.    Stainless  steel  is  a 

common  material  used  in  less  expensive 

systems,  but  has  a  drawback.  Over  time,  the 

corrosion  of  the  electrodes  leads  to  high 

concentrations  of  hexavalent  chromium  in  the 

water/electrolyte  solution,  an  extremely  toxic 

carcinogen  that must  be  disposed  of  properly 

(2).    To  avoid  this,  some manufacturers  have 

moved  to  using  more  expensive  titanium 

electrodes.  Research shows that the hexavalent 

chromium  only  leeches  out  of  the  surface  of 

stainless  steel  electrodes  for  a  short  time.  

Leeching  stops after a period of use  known as 

the conditioning period and may take up to one 

week of continuous operation to do so.  

Electrolyte  solutions  are  made  by 

mixing distilled water with electrolytes  such as 

potassium  hydroxide  or  sodium  hydroxide.  

Caustic  electrolytes  can  end  up  in  the  engine 

and  cause  premature  wearing  of  engine 

components.    Because  of  this,  it  is  important 

that  electrolytes  are  captured  in  the  primary 

and  secondary  reservoirs.    Some  electrolyte 

solutions will produce CO and CO2.  Care should 

be  taken  to choose an electrolyte  that will not 

produce toxic fumes. 

High  flow  rates  of HHO  can  cause  the 

cause  lean  burning  conditions  in  engine 

cylinders.    Overly  lean  air‐fuel  mixtures  will 

result  in  increased  exhaust  temperatures  and 

the  production  of  NOx5  .    Elevated  exhaust 

temperatures  also  pose  a  risk  of  accelerated 

engine wear.    Although  this  study  showed  no 

change  in  AFR,  AFR  and  exhaust  gas 

                                                            5 NOx  refers  specifically  to NO  and NO2.    Both  are 

pollution concerns and harmful to human health. 

temperature should be monitored when higher 

flow rates of HHO are used.   

THE FUTURE OF THE PROJECT Tests  conducted  to  study  volumetric 

production of HHO were done so over a small range  of  solution  temperatures  (35‐55°C).  Additional  tests  should  be  performed  to determine  how  this  process  will  behave  in extreme heat and extreme cold (‐20‐70°C).  It is likely  that  some  components  will  have  to  be replaced  by  components  made  of  materials that can operate under those conditions.  

  As we  lean out an air  fuel mixture,  the exhaust  temperature  starts  to  rise.    If  the mixture becomes too  lean for too  long, engine blocks  may  overheat.    This  overheating  can result  in  detonation  and  ignition  of  fuel  at incorrect  intervals.   Heat, detonation, and pre‐ignition will  all  result  in damages  that  lead  to engine  failure.      The  catalytic  converter provides  an  environment  for  a  chemical reaction wherein toxic combustion by‐products are  converted  to  less‐toxic  substances.    This reaction  relies  on  the  perpetual  switch  of exhaust gas from  lean to rich.   A constant  lean mixture will  result  in  poor  chemical  reactions and emission of greenhouse gasses.   

The results of the dyno tests revealed that a 1994 Honda Civic DX running at 3500 rpm  in 4th gear  showed no  change  in AFR when HHO was  supplied at a  rate of 1.1  lpm.   There was also  no measurable  change  in  power  output.  What would  happen  if more  HHO was  used?  Are  there  boundaries  limiting  the  amount  of HHO that can be  injected given a particular set of operating conditions  (fuel  type, engine size, engine  modifications  such  as  turbo  chargers, rpm, etc.)?   With these concerns of a  lean AFR in mind, additional investigations are necessary to see how PHI and  the quantity of HHO used effects  the  exhaust  gas  temperature  and presence of toxins in exhaust gasses.  

16  

‐  

WORKS CITED 1.  Zero.  FAQ.  Zero  Fossil  Fuel.  [Online]  [Cited: 

March 30, 2010.] http://alt‐nrg.org/faq.html. 

2.  HHO  Generator  Resource  Center.  [Online] 

Dec.  28,  2009.  [Cited:  Feb.  5,  2010.] 

http://www.hhogenerator.com/hho‐and‐the‐

energy‐market‐olympic‐hydrogen‐ti‐hho‐

generators/. 

3.  Chemical  Compatability.  Cole‐Palmer. 

[Online]  [Cited:  Feb.  3,  2010.] 

http://www.coleparmer.com/techinfo/ChemCo

mp.asp. 

4. Dorf, Richard C. The Engineering Handbook, 

Second Edition. 2004. ISBN 978‐0‐8493‐1586‐2. 

5.  Cerini,  John  Housman  and  D.J.  On‐Board 

Hydrogen  Generator  for  a  Partial  Hydrogen 

Injection Internal Combustion Engine. New York, 

New  York :  Society  of  Automotive  Engineers, 

Inc., 1974. 

6.  Mott,  Robert  L.  Machine  Elements  in 

Machine  Design,  Fourth  Edition.  Upper  Saddle 

River,  New  Jersey :  Pearson  Education,  Inc., 

2004. ISBN 0‐13‐161885‐3. 

7.  MatWeb.  [Online]  [Cited:  Feb.  4,  2010.] 

http://www.matweb.com. 

8. Omega Engineering, Inc. [Online] [Cited: April 

10,  2010.] 

http://www.omega.com/green/pdf/CONDUCTI

VITY_REF.pdf. 

CONTACTS 

Myles Moore can be contacted at 

[email protected] 

Nathan Kituuma can be contacted at  

[email protected] 

DEFINITIONS, ACRONYMS, ABBREVIATIONS ⁰C: degrees Celsius 

AFR: air/fuel ratio 

CO: carbon monoxide 

CO2: carbon dioxide 

HHO: a gas mixture composed of 2H2 + O2 

ICE: internal combustion engine 

in: inches 

KOH: potassium hydroxide 

LDPE: low density polyethylene 

lpm: liters per minute 

mm: millimeters 

NO: nitric oxide 

NO2: nitrogen dioxide 

NPT: National Pipe Thread 

PHI: partial hydrogen injection 

PVC: polyvinylchloride 

PWM: pulse width modulator 

rpm: revolutions per minute 

17  

APPENDIX A (DECISION MATRICES)  

USER NOTES     Resistance to Chemical Corrosion from KOH  

Design factors (DF) should be multiplied by ‐1 if the effect of high 

rating factors (RF) are seen as negative.   

Grading Legend  These values are based on information found on 

http://www.coleparmer.com/techinfo/ChemComp.asp.  10=A, 7.5= B, 5=C, 2.5=D 

      2.5 D 

      5 C 

      7.5 B 

      10 A 

   90  % importance    

          n\a  RF units    

Design Alternatives  Totals  Notes  RF  DF  Notes 

Rubber  Buna N (Nitrile)  6.75    7.5 6.75   

EPDM  9    10 9   

Natural Rubber  6.75    7.5 6.75   

Neoprene  6.75    7.5 6.75   

Polyetherether Ketone (PEEK) 

9    10 9   

Silicone  9    10 9   

PTFE  9    10 9   

PVC (Soft)  9    10 9   

Plastic  ABS Plastic  9    10 9   

Acetal (Delrin)  9    10 9   

Nylon  4.5    5 4.5   

Polycarbonate  2.25    2.5 2.25   

Polypropelyne  9    10 9   

Polyurethane  2.25    2.5 2.25   

PVC (Type 1)  9    10 9   

CPVC  9    10 9   

LDPE  9    10 9   

Table 3: Decision Matrix – Elastomers 

18   

USER NOTES 

   Cost  Health Concerns/Safety  Mechanical Compatibility  Electrical Conductivity 

Design factors (DF) should be multiplied by ‐1 if the effect of high rating factors (RF) are seen as negative.   

Grading Legend 

      0 None  0 Not compatible with components       

      3 Low 5

Compatible only with expensive components 

      5 Medium 7

Compatible with moderately priced components 

      8 Concerning 10

Compatible with inexpensive components 

            10 Severe             

   90 % 

importance  100 % 

importance     80  % importance     75 % 

importance    

         $/lb  RF units  $/lb RF units    see legend  RF units     μohm/cm RF units    

Design Alternatives  Totals  Notes  RF  DF  RF  DF  Notes  RF  DF  Notes  RF  DF  Notes 

NaCl+H20 (Salt)  13207.1     1  ‐0.9 0 0    10 8     17600 13200   

NaHCO3+H20 (Baking soda)  39900.1     1  ‐0.9 7 ‐7Produces CO and CO2 

10 8     53200 399001.0% concentration by weight 

KOH + H2O (Potassium Hydroxide)  109503.3     3  ‐2.7 2 ‐2    10 8     146000 1095004.2% concentration by weight 

Table 4: Design Matrix ‐ Electrolyte Solution   

19  

APPENDIX B (ELECTROLYZER BLUEPRINTS) 

 Figure 11: Electrode ‐ No Tabs

20  

 Figure 12: Electrode ‐ With Tabs 

21  

 Figure 13: Gasket 

22  

 Figure 14: Endplate 

23  

APPENDIX C (CELL CHARACTERIZATION TEST PROCEDURE) 

Objective: 

The purpose of this test is to determine the following: 

Does electrical resistance, current draw or voltage of the system change with temperature? 

Does electrical resistance, current draw or voltage effect HHO production? 

Materials: 

1 Electrolyzer System 

o 1 Electrolyzer 

o 7 Electrode plates 

o Gaskets 

o 2 Bubblers 

1000 mL graduated bottle 

500 mL graduated bottle 

Stopwatch 

One 12V 10A power supply – (necessary to send charge to the cell for electrolysis initiation). 

1 DMM (Digital Multi Meter) – (needed to accurately define voltage readings). 

4.17 lbs. KOH flakes 90+ % pure (potassium hydroxide) – (portion of the sample to be added to 

the distilled water). 

1 gallon of distilled water  

Testing procedure: 

1. Mix a solution of distilled water and 10% KOH by weight (4.17 wt.oz of KOH mixed with 40 fl.oz 

of water).  Add the potassium hydroxide to the distilled water and NOT the other way around.  

Mixing too much KOH at once can produce excessive heat and melt the mixing container.  

2. Fill the primary reservoir to until the solution level reaches the 900ml graduation.  Fill secondary 

reservoir with 750ml of distilled water.  

3. Connect the positive and negative leads to the positive and negative electrodes (see Figure 16). 

4. Connect output tube from the secondary reservoir to the flow measurement device and fill the 

measurement device with tap water (see Figure 15). 

5. Turn power supply on.  

6. Supply cell with 11 volts.  

7. Measure the current and the voltage across the cell. 

8. Measure solution temperature at cell inlet.  

9. With cap off, submerge graduated bottle (measurement device) below the starting line (see 

Figure 17).  Cap bottle. 

10. When water level reaches the start line, start the stopwatch and time how long it takes to reach 

the stop line.  Record the time. 

11. Calculate volumetric flow rate  

24  

12. Repeat steps 7‐11 until the solution reaches a steady state temperature.   

13. Repeat steps 7‐12 for 11, 12, 13, 14, and 15 volts.  

 Figure 16: Leads connected to electrodes Figure 15: Flow measurement device 

 Figure 17: Close‐up of flow measurement device 

25    

Precautions: 

While operating the water electrolyzer system, be sure to have protective equipment for your eyes, hands, 

mouth, and nose.  KOH contact with the eyes can cause permanent blindness in as little as 20 seconds.  Skin 

contact with KOH can result in chemical burns.  See MSDS in the Appendix for more information. 

KOH spills can be neutralized by flushing the area with vinegar. 

KOH should be properly disposed of.  Find locations near you that accept KOH waste.  

Hexavalent chromium (Ch+6 ) will leach out of the stainless steel plates during operation.  Ch+6 is a human 

carcinogen and gloves should be worn when handling waste electrolyte solution.  Ch+6 should not be dumped 

down drains, on the ground, in the ocean, etc.  Contact your local hazardous materials handler for information 

on proper disposal.  

26  Test Data: 

Solutioin Concentration 

Primary Reservoir Level 

Secondary Reservoir Level  Amps  Voltage 

Solution Temperature 

Time to fill bottle 

Volume Flow Rate  hrs running

% by weight  ml  ml  A  V  C  min  l/min  hrs 

10  900  6 11.25 37.0 4.12  0.35 0.20

10  5.9 11.3 39.7 4.23  0.34 0.36

10  6.2 11.3 43 4.02  0.36 0.52

10  9.75 12 43.5 2.38  0.61 0.68

10  9.75 12 36.4 2.47  0.59 0.84

10  9.75 12 39.2 2.47  0.59 1.00

10  9.75 12 40.5 2.45  0.60 1.16

10  9.75 12 42 2.47  0.59 1.32

10  6.2 11.3 43.6 3.78  0.39 1.48

10  9.75 12 44 2.28  0.64 1.64

10  9.75 11.9 44.5 2.37  0.62 1.80

10  6.2 11.4 46.6 4.10  0.36 1.96

10  6 11.5 47.5 4.18  0.35 2.12

10  10 11.9 47.7 2.45  0.60 2.28

10  870  750  5.75 11.4 48.5 4.62  0.32 2.44

10  9.75 11.9 48.9 2.47  0.59 2.60

10  9.75 11.9 49.8 2.32  0.63 2.76

10  10.1 12 50.5 2.28  0.64 2.92

10  10 11.9 50.9 2.28  0.64 3.07

10  13.5 12.7 50.8 1.42  1.03 3.27

10  13.5 12.7 51.7 1.45  1.01 3.34

10  13.5 12.7 52.5 1.50  0.97 3.42

10  845  750  13.5 12.7 55 1.48  0.98 3.60

10  825  755  10 11.8 55.1 2.07  0.71 4.05

10  5.5 11.3 53.3 5.80  0.25 4.22

10  5.5 11.3 51.7 6.33  0.23 4.37

10  5 11.5 43.5 8.30  0.18 5.47

10  4 11.4 40.7 8.07  0.18 6.37

10  765  745  5.5 11.3 46.3 4.40  0.33 15.04

10  657  28.04

27  Appendix (MSDS) 

28  

29  

30  

31  

32  

33  

34  

35  

APPENDIX D (MISCELLANEOUS) 

Figure 18:  Initial Electrolyzer Assembly Configuration 

36  

APPENDIX E (WORK PLAN)  

37