CN101365826A - 用于生产可燃流体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及以高于65％的效率生产可燃流体的方法和设备。设备(10)包含用于电解水性电解溶液的电解槽(12)；分隔体(16)，其中可燃流体与溶液分离；用于提供1V－6V DC电压的电源；和用于使溶液循环通过该设备的泵。电解槽包括第一电极(18)和与所述第一电极(18)间隔开的第二电极(20)以及置于第一和第二电极之间的多个中间电极(22)。电源跨电极(18)、(20)和(22)施加DC电压以电解所述溶液，且同时使该溶液循环通过设备10。

Description

用于生产可燃流体的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于生产可燃流体的方法和设备。更具体地，本发明涉及通过水性电解溶液的电解而生产氢和氧的方法和设备。
在本说明书中，术语“可燃流体”在其范围内包括主要含有氢和氧的可燃气体。
美国专利4,379,043号公开了一种用于通过电解将水分解并且产生爆鸣气的设备。该设备包括多个在共同的垂直轴周围同心布置的环形电极。这些环形电极穿有孔并且具有上端和下端，对下端定位于近邻密封和绝缘元件以便形成多个用以容纳电解质、例如水的同心布置的槽。在最小的同心电极内并且沿着共同的轴定位实心圆柱形碳电极。通过直流电源向该设备施加12V的电压和80A的电流，以便通过电解从槽中的电解质放出爆鸣气。
上述已知设备的缺点是，消耗的功率和产生的可燃流体之间的比例是不利的，使得其效率相对低，即产生的能量小于在该过程中所消耗的能量的65％。
发明目的
因此本发明的目的是提供用于生产可燃流体的替代方法和设备，该方法和设备通过以相对较高的效率(efficiency rate)、即产生的能量基本上大于在该过程中所消耗的能量的65％来制备可燃流体而克服上述缺点。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供由水性电解溶液生产可燃流体的方法，该方法包括以下步骤：
-提供水性电解溶液；
-提供具有至少两个间隔开的电极的电解槽，所述至少两个间隔开的电极在它们之间限定出通道；和
-使所述溶液沿所述通道经过且同时跨电极施加DC电压以电解所述溶液，所述电压是在1V-6V的范围。
所述两个间隔开的电极可以是第一外电极和第二内电极，并且所述方法可以包括提供多个置于第一和第二电极之间的中间电极、布置成使得在电极之间限定出各具有入口和出口的多个通道的另外步骤，和使溶液沿所述通道经过的步骤，可包括使溶液沿所述通道经过且同时跨电极施加电压的另外步骤。
跨电极施加DC电压的步骤可以包括跨电极施加2V-4V的范围、优选2.75V-3.25V范围的DC电压的步骤。
跨电极施加DC电压的步骤可以包括跨电极施加脉冲DC电压的另外步骤。
跨电极施加脉冲DC电压的步骤可以包括施加具有10％-90％的占空比(duty cycle)和5kHz-20kHz的频率的脉冲DC电压的另外步骤。
该电压是可以按30％-70％、优选40％-60％的占空比脉冲产生的。
该电压是可以按10kHz-15kHz、优选13kHz的频率脉冲产生的。
可以使溶液沿着通道从入口到出口连续经过。
在使溶液沿通道经过中，可将溶液从入口泵送至通道的出口。
在电极之间的通道中，可燃流体可以在电极的表面上和在电极之间以气泡形式产生，并且对溶液进行电解的步骤可包括从电极的表面和从通道物理移除气泡且通过使溶液流沿通道流动而使气泡朝通道的出口移动的另外步骤。
提供水性电解溶液的步骤可以包括提供基于质量/质量计的在水中的1％-5％氢氧化钠、优选在水中的3％氢氧化钠的另外步骤。
根据本发明的第二方面，提供了由水性电解溶液生产可燃流体的设备，该设备包含：
-用于电解水性电解溶液的电解槽，该电解槽具有第一电极和与所述第一电极间隔开的第二电极以及在电极之间所限定的通道，该通道具有入口和出口；
-用于使溶液从入口沿通道循环至出口并通过独立的通道回到入口的循环装置；和
-用于跨电极施加DC电压以电解溶液同时使其沿通道经过的电源，所述电压是在1V-6V的范围。
跨电极施加的DC电压可优选是在2V-4V的范围、更优选在2.75V-3.25V的范围、最优选该电压可以在2.85V-2.95V的范围。
该设备可以包括用于跨电极施加脉冲电压的脉冲装置(pulsingmeans)。
该脉冲装置可适于以10％-90％的占空比和5kHz-20kHz的频率施加脉冲DC电压。
更具体地，该脉冲装置可适于以30％-70％、优选40％-60％的占空比施加脉冲DC电压。
进一步更具体地，该脉冲装置可适于以10kHz-15kHz、优选13kHz的频率施加脉冲DC电压。
电解溶液可以是在水中的氢氧化钠溶液的形式。
电解溶液可以是基于质量/质量计的在水中的1％-5％氢氧化钠溶液、优选在水中的3％氢氧化钠溶液。
电极可以是管状或伸长的，并且可以互相同心地布置。
第一电极可以是外电极，第二电极是置于该外电极内的内电极。
可以在第一和第二电极之间设置多个中间的管状同心布置的电极，布置成使得在近邻电极之间限定出均具有入口和出口且溶液可沿其进行循环的多个通道。
电极的纵轴可垂直延伸从而使得通道也垂直延伸，并且可将入口提供成朝向电解槽的下端且将出口提供成朝向电解槽的上端。
各个通道的入口可由电极的下端限定出且各个通道的出口可由电极的上端限定出。
电极的对置端可插在绝缘体之间。
电极可进一步电连接至两个导体，布置成使得电极以并联构造进行连接，因为每个第二电极可连接至上部导体，该上部导体电连接至电源的一个极，并且其它电极可连接至下部导体，该下部导体电连接至电源的相反极。
或者，可将电极以串联构造进行连接，多个中间的管状同心布置的电极为置于第一和第二电极之间的浮动电极，第一电极具有与第二电极相反的极性。
电极之间的间隔可以为1mm-8mm。
在电极以并联构造进行连接的情况下，电极之间的间隔在所有近邻电极之间可以是相同的。
或者，在电极以串联构造进行连接的情况下，近邻电极之间的间隔可以径向向外地增加。
电极可由导电材料制成并且实际上可以是伸长的，第一外电极通常具有与第二内电极相反的极性。
电极可由导电材料制成，更具体而言，电极可由316级不锈钢制成。
电解槽可完全填充有水性电解溶液，使得电极浸没在溶液中。
循环装置可以是泵的形式并且可在从通道的下部入口到其上部出口的方向向上连续泵送溶液。
循环装置可以通过独立的通道连接至电解槽，从而将溶液从入口沿着通道泵送到出口，并且通过独立的通道回到入口。
根据本发明的第三方面，提供与该设备联合使用的内燃机。
根据本发明的第四方面，提供与该设备联合使用的燃料电池。
根据本发明的第五方面，提供与该设备联合使用的用于切割或焊接的焰炬(torch)。
附图简要说明
现将通过非限制性的实施例并参考附图进一步描述本发明。
图1是根据本发明优选实施方案的用于由水性电解溶液生产可燃流体的设备10的示意图，该设备包括电解槽12、电源14和分隔体16；
图2是图1中示意性表示的电解槽12和分隔体16的纵截面侧视图；
图3A是从电解槽12的电极18、20和22的一端所看到的的透视图；
图3B是从电解槽12的电极18、20和22的另一端所看到的透视图；
图4是从上部绝缘体25的下方看到的视图；
图5是从下部绝缘体23的上方看到的视图；
图6是表示如由工作中的电解槽12而引起的电流测量结果和所计算出的平均电流的图；
图7是表示电解槽12所使用的电压测量结果和平均电压的图；
图8是表示计算出的功率和平均功率以及如电解槽12所消耗的图；
图9是表示由电解槽12而引起的电压的电压测量结果的另一图；和
图10是表示由电解槽12而引起的电流的电流测量结果的另一图。
具体实施方式
参照图1，根据本发明优选实施方案的用于由水性电解溶液生产可燃流体的设备通常指定为参考数字10。
设备10包含用于对水性电解溶液进行电解的电解槽12；用于供给DC电压的电源14；和分隔体16，其中可燃流体与水性电解溶液分离。
进一步参照图2-5，电解槽12包括第一电极18和与第一电极18间隔开的第二电极20。第一电极18是外电极，第二电极20是置于外电极18内的内电极。中间电极22.1至22.6(统作为22)分别置于第一和第二电极18和20之间。
如图3中详细所示，电极18、20和22是管状、伸长的并由316级不锈钢制成，且互相同心布置，它们的纵轴垂直延伸。电极18、20和22的对置端插在下部入口绝缘体23和上部出口绝缘体25之间。电极进一步以并联方式和上部导体26和下部导体28电连接。布置成使得每个第二电极22.1、22.3、22.5和18连接至导体26并且其它电极20、22.2、22.4和22.6连接至下部导体28。上部导体26和因而的电极22.1、22.3、22.5及18电连接至电源14的一个极、在这种情况下连接至负极，并且下部导体28和因而的电极20、22.2、22.4和22.6电连接至电源14的相反极、在这种情况下连接至正极。
电极18、20和22或者可以以串联构造和中间电极22连接，所述中间电极22为置于第一和第二电极18和20之间的浮动电极。第一电极18可具有与第二电极20相反的极性。
入口和出口绝缘体23和25由非导电材料、例如Perspex制成。如图4和5中所示，绝缘体23和25各限定出多个沟槽23.1和25.1，电极18、20和22位于其中。上部绝缘体25进一步限定出出口通道25.2且下部绝缘体限定出入口通道23.2。
电极18、20和22位于绝缘体23和25的沟槽23.1和25.1中，以便保持电极18、20和22在适当的位置并且处于间隔4mm-8mm的距离。电极18、20和22的长度各为350mm。电极20具有25.4mm的直径，电极22.1具有38.1mm的直径，电极22.2具有50.8mm的直径，电极22.3具有63.5mm的直径，电极22.4具有76.2mm的直径，电极22.5具有88.9mm的直径，电极22.6具有101.6mm的直径，以及电极18具有114.3mm的直径。因此，在电极20和22.1之间的距离为4.85mm，在电极22.1和22.2之间的距离为4.85mm，在电极22.2和22.3之间的距离为4.85mm，在电极22.3和22.4之间的距离为4.85mm，在电极22.4和22.5之间的距离为4.85mm，在电极22.5和22.6之间的距离为4.85mm，以及电极22.6和18之间的距离为4.85mm。另外，电极的导电面积(没有减去断路器(cut-outs)、在1.5mm厚电极的内径和外径之间的差异、以及电极中所限定出的孔)如下：
电极20具有79.83mm的周长和0.0279m2的单侧面积；电极22.1具有119.74mm的周长和0.0838m2的双侧面积；电极22.2具有159.66mm的周长和0.1118m2的双侧面积；电极22.3具有199.57mm的周长和0.1397m2的双侧面积；电极22.4具有239.49mm的周长和0.1676m2的双侧面积；电极22.5具有279.40mm的周长和0.1956m2的双侧面积；电极22.6具有319.31mm的周长和0.2235m2的双侧面积，以及电极18具有349.80mm的内周长和0.1224m2的单侧面积。因此电极的导电面积总计1.0723m2。
在电极18、20和22以串联构造进行连接的情况下，在近邻电极18、20和22之间的间隔随着它们坐落于进一步远离第二电极20而径向向外地增加。
由电极18、20和22限定出多个通道30，布置成使得包含在电解槽12内的电解溶液可沿着所述通道30自由经过。通道30各具有由电极18、20和22的下端所限定出的下部入口29以及由电极18、20和22的上端所限定出的上部出口31，并且溶液从下部入口29沿着通道30经过到达上部出口31。
电解槽12具有第一入口32，该入口位于朝向电解槽12的下端，以允许电解溶液通过下部绝缘体23的入口通道23.2经过进入电解槽12。电解槽12进一步具有第一出口34，该出口位于朝向电解槽12的上端，以允许含有可燃流体的溶液从通道30流通过出口通道25.2而至腔室33。因此在应用中，由设备10产生的可燃流体通过第一出口34从电解槽12流至分隔体16，该分隔体16具有通过第一出口34与电解槽12流动地连接的第二入口35。
在使溶液通过下部绝缘体23的入口通道23.2从第一入口32沿通道流动中，溶液以旋涡运动移动。该运动由入口通道23.2的三角形起动。旋涡运动有助于溶液沿通道和在电极18、20和22的表面上均匀流动，因而避免了冷点，其中在电极之间可燃流体的浓缩将降低导电率且因此降低电流密度。入口通道23.2的三角形进一步有助于溶液的流动速率与通道30的直径成比例。因此实现在电极18、20和22的表面上等体积流动的溶液以在所有电极之间维持相等的电流密度。
在分隔体16中，溶液被分离成可燃流体和其溶液组分，并且该流体通过位于朝向分隔体16的顶部的流体出口36从分隔体16流动。分隔体16进一步具有位于朝向其下端的第二出口37。第二出口37通过到达以泵形式的循环装置(未示出)的单独通道连接至第一入口32，使得溶液通过设备10且沿着通道30以向上的方向连续地循环，如图2中的箭头所示。该泵将溶液以约100升/小时的速率循环通过设备10。该泵为12V、600mA的泵。
电源14包括脉冲装置并且以5kHz-20kHz、特别为13kHz的频率和以10％-90％、特别为60％的占空比跨电解槽12的电极18、20和22施加2V-4V、特别为约2.85V的脉冲DC电压。在工作期间，电源14连接至上和下导体26和28，使得电极22.1、22.3、22.5和18连接至电源14的负极以及使得电极20、22.2、22.4和22.6连接至电源14的负极，反之亦然。
电解溶液由99％纯的氢氧化钠制得并且基于质量/质量计为在水中的3％氢氧化钠溶液的形式。然而，有许多本领域中已知的其它电解溶液也可满足需要。
在使用中，用电解溶液完全填充电解槽12和30，使得电极18、20和22浸没在该溶液中，并且用该溶液填充分隔体16约一半(halfway)。泵连续地使溶液沿着电解槽12的通道30循环经过并到达分隔体16。仅当溶液沿通道30循环时，接通电源14以跨电极施加脉冲DC电压。在电解槽12中发生电解。通过溶液沿通道30流动的流，使在电极18、20和22的表面上和在电极18、20和22之间所形成的含有气泡形式流体的溶液从电极18、20和22和从通道30朝向通道30的上部出口31物理移动。流体然后流动通过绝缘体25的出口通道25.2并且进入腔室33。溶液从槽12流动至分隔体16，经由第一出口34到达分隔体的第二入口35，其中可燃流体与溶液分离。在分隔体16中，流体通过流体出口36从分隔体16流出并且该溶液通过第二出口37被泵送至第一入口32。
有时加满分隔体16中的溶液水平，以使得将分隔体填充至其体积的约一半。
实施例1
进行实验以测量在上述电解溶液的电解期间设备10消耗的功率和产生的可燃流体。
结果1
将6V电源连接至设备10以按15kHz的频率和按56.5％的占空比提供脉冲电压。在电池终端测量槽12所得出的电流和平均电流、槽12所使用的电压和平均电压以及该槽消耗的功率和平均功率。计算出槽12所消耗的平均功率为218W。图6-8分别表示由所采取的测量而获得的电流、电压和功率的图。
实施例2
在进行的另一个实验中测量电解过程期间槽和泵所消耗的按时间平均的功率。获得以下结果。
结果2
将6V电源连接至设备10以按15kHz的频率和按约60％的占空比提供脉冲电压。在电池终端测量槽12所得出的电流和平均电流、槽12所使用的电压和平均电压以及该槽消耗的功率和按时间平均的功率。计算出槽12消耗的平均功率为157.73W和泵消耗的平均功率为6.74W。产生250ml可燃流体所花费的时间为10秒并且从而以1.51升/分钟(1/min)的速率产生可燃流体，其为9.12升/千瓦分钟(1/kWmin)。
实施例3
在进行的另一个实验中测量槽所消耗的功率，获得以下结果。
结果3
将电源连接至设备10以按15kHz的频率和按44％的占空比提供脉冲电压。如图9的图中所描绘的，通过槽12得出的平均电压为2.88V，并且如图10的图中所描绘的，通过槽12得出的平均电流为104A。由这些测量结果，计算出槽12所消耗的平均功率为299W。
本申请人发现，设备10表现得比现有技术优异很多，因为其使用相对低的电压和电流并且在可燃流体的生产中比至今公众所知的任何现有设备相对有效很多。另外设备10与现有技术相比是紧凑的并且相对易于操作。
可以将该流体作为能量来源用于许多应用中，例如用于产生热或电、焊接机械、火箭或喷气发动机，或者用于运转车辆或燃料电池车辆的内燃机。
应当理解的是，对于根据本发明的用于生产可燃流体的方法和设备，可不背离所附权利要求书的范围地进行细节改变。例如，电极还可水平布置，具有朝向槽一端的入口和朝向槽另一端的出口。

Claims (46)

1.用于由水性电解溶液生产可燃流体的方法，该方法包括以下步骤：
-提供水性电解溶液；
-提供具有至少两个间隔开的电极的电解槽，所述至少两个间隔开的电极在它们之间限定出通道；和
-使所述溶液沿所述通道经过且同时跨电极施加DC电压以电解所述溶液，所述电压是在1V-6V的范围。
2.根据权利要求1的方法，其中所述两个间隔开的电极是第一外电极和第二内电极，并且所述方法包括另外步骤：提供多个置于第一和第二电极之间的中间电极、布置成使得在电极之间限定出均具有入口和出口的多个通道；以及使溶液沿所述通道经过的步骤包括使溶液沿通道经过且同时跨所述电极施加电压的另外步骤。
3.根据权利要求1的方法，其中跨电极施加DC电压的步骤包括跨电极施加在2V-4V范围的DC电压。
4.根据权利要求3的方法，其中跨电极施加DC电压的步骤包括跨电极施加在2.75V-3.25V范围的DC电压。
5.根据以上权利要求的任一项的方法，其中跨电极施加脉冲DC电压的步骤包括跨电极施加DC脉冲电压的另外步骤。
6.根据权利要求5的方法，其中跨电极施加脉冲DC电压的步骤包括施加具有10％-90％的占空比和5kHz-20kHz的频率的脉冲DC电压的另外步骤。
7.根据权利要求6的方法，其中电压是按30％-70％的占空比脉冲产生的。
8.根据权利要求7的方法，其中电压是按40％-60％占空比脉冲产生的。
9.根据权利要求5-8的任一项的方法，其中电压是按10kHz-15kHz的频率脉冲产生的。
10.根据权利要求9的任一项的方法，其中电压是按13kHz的频率脉冲产生的。
11.根据权利要求2的方法，其中通过将溶液从入口沿着通道泵送到出口并且通过独立的通道回到入口，使溶液沿着通道从入口到出口连续经过。
12.根据权利要求11的方法，其中在电极之间的通道中，可燃流体在电极的表面上和在电极之间以气泡形式产生，并且对溶液进行电解的步骤包括从电极的表面和从通道移除气泡且通过使溶液流沿通道流动而使气泡朝通道的出口移动的另外步骤。
13.根据以上权利要求的任一项所述的方法，其中提供水性电解溶液的步骤包括提供基于质量/质量计的在水中的1％-5％氢氧化钠的另外步骤。
14.根据权利要求13的方法，其中提供水性电解溶液的步骤包括提供在水中的3％氢氧化钠的另外步骤。
15.用于由水性电解溶液生产可燃流体的设备，该设备包含：
-用于电解水性电解溶液的电解槽，该电解槽具有第一电极和与所述第一电极间隔开的第二电极以及在电极之间所限定的通道，该通道具有入口和出口；
-用于使溶液从入口沿通道循环至出口并通过独立的通道回到入口的循环装置；和
-用于跨电极施加DC电压以电解溶液同时使其沿通道经过的电源，所述电压是在1V-6V的范围。
16.根据权利要求15的设备，其中跨电极施加的DC电压是在2V-4V的范围。
17.根据权利要求16的设备，其中跨电极施加的DC电压是在2.75V-3.25V的范围
18.根据权利要求17的设备，其中跨电极施加的DC电压是在2.85V-2.95V的范围。
19.根据权利要求15-18的任一项的设备，其包括用于跨电极施加脉冲电压的脉冲装置。
20.根据权利要求19的设备，其中脉冲装置适于以10％-90％的占空比和5kHz-20kHz的频率施加脉冲DC电压。
21.根据权利要求20的设备，其中脉冲装置适于以30％-70％的占空比施加脉冲DC电压。
22.根据权利要求21的设备，其中脉冲装置适于以40％-60％的占空比施加脉冲DC电压。
23.根据权利要求22的设备，其中脉冲装置适于以10kHz-15kHz的占空比施加脉冲DC电压。
24.根据权利要求23的设备，其中脉冲装置适于以13kHz的占空比施加脉冲DC电压。
25.根据权利要求15-24的任一项的设备，其中电解溶液是在水中的氢氧化钠溶液的形式。
26.根据权利要求25的设备，其中电解溶液是基于质量/质量计的1％-5％的在水中的氢氧化钠溶液。
27.根据权利要求26的设备，其中电解溶液是在水中的3％氢氧化钠溶液。
28.根据权利要求15-27的任一项的设备，其中电极是管状或伸长的，并且互相同心地布置，第一电极是外电极，第二电极是置于该外电极内的内电极。
29.根据权利要求28的设备，其中在第一和第二电极之间设置多个中间的管状同心布置的电极，布置成使得在近邻电极之间限定出均具有入口和出口且溶液沿其进行循环的多个通道。
30.根据权利要求29的设备，其中电极的纵轴垂直延伸从而使得通道也垂直延伸，并且将入口提供成朝向电解槽的下端且将出口提供成朝向电解槽的上端。
31.根据权利要求30的设备，其中各个通道的入口由电极的下端限定出且各个通道的出口由电极的上端限定出。
32.根据权利要求31的设备，其中电极的对置端插在绝缘体之间。
33.根据权利要求32的设备，其中电极进一步电连接至两个导体，布置成使得电极以并联构造进行连接，因为每个第二电极连接至上部导体，该上部导体电连接至电源的一个极，并且其它电极连接至下部导体，该下部导体电连接至电源的相反极。
34.根据权利要求32的设备，其中将电极以串联构造进行连接，多个中间的管状同心布置的电极为置于第一和第二电极之间的浮动电极，第一电极具有与第二电极相反的极性。
35.根据权利要求29-34的任一项的设备，其中电极之间的间隔为1mm-8mm。
36.根据权利要求34的设备，其中，在电极以并联构造进行连接的情况下，电极之间的间距在所有近邻电极之间是相同的。
37.根据权利要求34的设备，其中，在电极以串联构造进行连接的情况下，近邻电极之间的间距径向向外地增加。
38.根据权利要求28-37的任一项的设备，其中电极由316级不锈钢制成并且第一外电极具有与第二内电极相反的极性。
39.根据权利要求29-38的任一项的设备，其中电解槽完全填充有水性电解溶液，使得电极浸没在溶液中。
40.根据权利要求39的设备，其中循环装置是泵的形式并且其在从通道的下部入口到其上部出口的向上方向连续泵送溶液，且通过独立的通道回到下部入口。
41.与权利要求15-40的设备联合使用的内燃机。
42.与权利要求15-40的设备联合使用的燃料电池。
43.与权利要求15-40的设备联合使用的切割焰炬。
44.与权利要求15-40的设备联合使用的焊接焰炬。
45.用于由水性电解溶液生产可燃流体的方法，其基本上如本文参考附图所述的。
46.用于由水性电解溶液生产可燃流体的设备，其基本上如本文参考附图所述的。
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