CN101842520A - 使用氢气的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用氢气的方法和装置。所述方法的特征在于，首先使用太阳能预加热来自海水或其它来源的水，接着进行加热步骤以便获得蒸汽，其在低温下转换成水等离子体，随后通过使用电极进行水解来分解等离子体，并随后分离所获得的氢气和氧气。氢气然后输送到打算产生水的地点，氢气经历氧化反应并回收自此产生的能量，再生水以供直接使用。

Description

使用氢气的方法和装置

技术领域

本发明是经设计用于公布一种使用氢气的方法和其相应装置，这使得在期望地点获得氢气并使用所述氢气产生液态水变得可行，且本发明具有新颖性和独创性步骤的显著特征。

背景技术

众所周知，当前我们生活在一个沙化问题日趋严重的时代，并且这正影响着地中海边缘地区，包括例如西班牙、希腊和意大利等国家。此外，由于所谓的温室效应引起气候发生变化，因此沙漠蔓延进程变得愈加严重。

情况如此严峻，以至于学术界和意识到此问题的人们在数年前就警告说，如果我们不寻求方案解决沙漠化问题，危险马上将会到来。为此，本项目的开发是为了防止这些问题发生，并作为这些问题的战略解决方案。

本发明是经设计用于提供一种经济上可行且技术上令人满意的获得氢气的方案，目的是允许随后使用氢气就地重构水，且任选地也用于产生能量。

现有技术中已知当前可用于例如基于例如天然气等有机物质获得氢气的各种方法。然而，天然气作为来源显然不足，因为其储量不够丰富并且还有其它应用。只有在工业部门需要非常纯的氢气的情况下才使用天然气。发酵方法也能提供氢气，但产量却很小。为此，本项目涉及最丰富的氢气源，即海水。

当前用于获得氢气的方法是通过电解液体等离子体使其分解，换句话说，就是使用电流裂解物理学上称为等离子体(导电流体)的物质，所述等离子体是使用碳酸钠的盐水溶液制备而来。

存在从蒸汽获得等离子体的其它方法，例如基于放电形成电容等离子体，其中放电会导致低密度气体经历转变过程，如此所述气体转化为极佳的导体。问题在于，如果水等离子体发生分解且形成氢气和氧气，那么当这两种气体以爆炸性方式重组后，装置可能会爆炸。也曾经尝试用热蒸汽中的可溶性盐产生水性等离子体，但产率很低。

最终，有可能产生所谓的热等离子体，其是通过聚集太阳辐射或使用核电站释放的热能将蒸汽加热到非常高的温度(3700℃)而获得。所有这些方法都需要非常高的能量消耗。第一种方法的成本低，但依赖于太阳辐射的存在，而在核电站的情况下产率则很低，因为等离子体的分解仅达到40％的值，除此之外还必需为此目的重新设计新的核电站。

发明内容

发明人已进行了大量的研究和实验，以便改进获得氢气的方法。具体来说，本发明是经设计用于从蒸汽获得低温等离子体，因为在发明人所开发的理论模型中已经发现，通过施加具有正弦波形式(其频率在微波范围内)的标量电场从蒸汽获得低温等离子体是可行的，所述标量电场与微波范围内的蒸汽波谱的吸收峰发生谐振作用。这意味着受到微波强辐射的蒸汽经历转变过程，且获得等离子体(即具有极佳传导性且吸收峰的值很低的抗磁性流体)的性质。选择容器的几何形状通过谐振实现该目的。由发明人设计以实施所述方法的装置基本上包含具有二十面体结构的电磁波加热器和具有八面体结构的等离子体发生器，其中可改变蒸汽的压力和温度，从而将蒸汽转化成等离子体，并且包含使用微波标量电场(或具有标势的场)形式的电磁波以便最优化所述方法。因此优选存在多个(例如3个)并联装置，以便维持恒定的生产率。

基于水等离子体，有可能通过电解来分解水并分离相应气体，其中在具有一定几何形式且类似于等离子体发生器起作用的装置中使用两个以直流电供电的电极。氢气和氧气将独立地分离到压力罐中。

在分离气体之后，将其供应到储罐，在储罐中压缩，并准备用最适当的程序进行输送。对用于此过程的泵(以及整个设备的泵)所供应的动力是通过可再生能量或电力网的夜间供电提供。

如同等离子体发生器中那样，提供三个与后者串联并行排列的元件，以便维持恒定的生产率。向每一等离子体发生器的电解器的供料，不发生任何交叉流动。

在获得氢气之后，根据本发明的使用氢气的方法包括将氢气输送到所需地点，在此处氢气与空气中的氧气重组以便在所需地点再次获得水。上述重组可用替代性热机、涡轮机或燃料电池进行，这使得再次获得可用于一般目的的水和能量成为可能。关于本发明，必须考虑在八面体内部获得的标量电场具有更大的效应，因为材料内的转变会过大。实际上，标量电场的能量降低材料的内部能量，但这种降低事实上是无限的，因为其直接作用于材料的结构，而不是用于产生电流。基于对水自身组分的作用，氢和氧之间的键变弱，且键最终分离。

标量电场的一个特征是既不涉及电流也不涉及磁场，并且这是等离子体的整个分解过程的基础事实。实际上，如果打算分解通过组合两种初始气体而形成的水，必需作用于等离子体，以便通过用标量电场改变氢和氧之间的键来获得这两者的分离。然而，如果在等离子体内部出现热梯度或任何类型的不稳定性，那么这些矢量场会产生电流，电流又会产生矢量磁场，包括标量电场，其效应与上述标量电场相反，换句话说，存在使打算分离的水的各组分的能量复原的趋势。总而言之，由任何类型的不稳定性诱导的电流促进气体的重组和过程效率的损失。为此，优先事项是选择有助于提供具有稳定性的等离子体的“稳定”几何结构。

一般来说，任何类型的不稳定性都会对等离子体以及任何中间过程提供能量，且因此最大稳定性的标准将用作氢气制造的不同阶段所用的所有元件或装置的设计标准。

关于为等离子体发生器和电解器选择几何结构，已经发现柏拉图立体(十二面体除外)具有稳定的几何性质，但程度不同。如果我们用立方体开始分析，那么会发现此物体具有最低的能级。此外，立方体几何结构不适用，且因此不适合于我们的目标。然后用二十面体，最后用八面体开始分析。因为蒸发过程和等离子体产生过程中的任何类型的不稳定性都会促进能量损失和所有过程的效率降低，所以选择二十面体作为最适合于蒸发器的几何结构，且选择八面体作为最适合于电解器的几何结构。

就材料的选择而言，在蒸发器的二十面体中不存在重大问题，因为欲蒸发的水在高蒸汽压力下不可能含有污染物，且因此足以用于选择由钢或镍钢组成的稳定材料。然而，二十面体的上表面不仅用作所述形状的包围面，而且打算用作天线，或用作发射微波辐射且加热二十面体内所容纳的水的定向天线的载体。这些表面只有当水是海水或不含污染物时才与蒸汽接触。

必须考虑到，在八面体内，与等离子体接触的内表面除了作为包围面外，还用作与发射与该微波频率范围内的蒸汽波谱吸收峰谐振的微波场的天线，且可能会因影响发射器天线并使材料迅速劣化的冷聚变过程而受损。为此，鉴于等离子体具有高水平的反应性，这些表面必须用耐久且稳定的材料覆盖。

海水将经由位于二十面体下部的管道进入蒸发器，而盐水将经由所述管道排出。

总的来说，将使用距海岸法定距离处收集的海水，且通过优选在可再生能量装置中产生的能量或通过电力网的夜间供电将海水供应到泵。然后使用用于生活热水等的已知技术，用太阳能预加热水，且使用热能-太阳能程序可能会直接产生蒸汽。当水处于特定温度时，将其引入加热器以便通过使用电磁波获得适当温度和压力，使得当水蒸发时，其将留下呈盐水形式的残余物，所述盐水将送回到大海或能够在特定条件下出售。

为了更好地理解本发明，且经由说明性而非限制性的实施例，附上解释本发明的示意图。

附图说明

图1示意性地展示根据本发明用于产生氢气的一组元件。

图2详细展示水的捕集和预加热。

图3以放大比例示意性地展示加热器-蒸发器。

图4是等离子体发生器的透视图。

具体实施方式

本发明是基于丰富的水源，例如来源于大海或另一种类型的水，如图1中数字1所示，并且基于分开产生电，例如借助于用于供应太阳能的设备2，预加热水并在加热器-蒸发器装置3中用矢量电磁波将水转化为蒸汽，之后在发生器4中将蒸汽转换为等离子体。产生的等离子体随后转移到电解器5，其中借助于电极并通过电磁波活化使等离子体分解为氢气和氧气。氢气和氧气分别经由八面体的上顶点和下顶点从电解器排放出来，储存在储罐6中。借助于加压和泵送站7，所述氢气和氧气经由管道、储罐或其它装置从储罐6转移到供应地点。

图2展示三个并联单元8、8’和8”，其用于预加热通过管道9从大规模海水或另一种类型的水1收集的水。

先前将水加热到约50℃的水平，随后在加热装置中用微波矢量电场进行加热，所述矢量电场与水的吸收峰处于谐振关系，以便在动力充足时由所述微波矢量电场加热并蒸发水，且微波矢量电场有助于降低水的内能，因此帮助等离子体的产生过程。如果在大于大气压的压力下发生相转变，那么潜热降低，并且随着压力下降而增大。为了维持产生蒸汽的连续过程，确立介于0.5巴与约2巴之间的恒定压力值，最大限度为5巴。

蒸汽将通过施加2.16GHz的矢量电场来产生，所述矢量电场与先前用太阳能加热的水的吸收峰处于谐振关系。换句话说，水是通过焦耳效应用处于谐振的矢量电场所耗散的能量来加热。

蒸汽将经由对应于八面体的水平正方形的四个顶点进入电解器，以便获得均匀分布。

蒸发器优选具有稳定的几何机构，例如二十面体，其大部分容积由水占据且其余容积由蒸汽占据。

电极优选是扁平的，用作位于水外部的定向天线，因为海水可导电。

减少磁场的可能形成的方法是使用位于二十面体的一些表面上的离散电极。

为了避免腐蚀问题，电极表面将用稳定金属例如镍或基于耐腐蚀的特殊钢覆盖。

关于二十面体的尺寸，设想包围二十面体的球体的半径是3米。因此：

$V=\frac{5}{12}{a}^3(3+\sqrt{5})\≅\mathrm{2,1817}{a}^3$

其中当半径R是3米时a＝3.15438米，且V＝2.5359991 R³＝68.47m³。

在分别获得氢气和氧气且适当储存后，氧气可能用于工业部门，且氢气能够在合适压力和温度下通过管道或其它装置输送到希望产生水的地点，因为氢气在自然界很短缺，且通过先前所述的任何装置使用所述氢气。

虽然已参考仅作为实施例的优选实施方案描述了本发明，但这些优选实施方案不应理解为限制本发明，本发明是由以下权利要求的最广泛的解释限定范围。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种制造氢气的方法和装置，其特征在于所述氢气是来源于海水或另一种类型的水源，其中使用太阳能预加热所述水，随后是加热阶段以便通过微波矢量场的焦耳效应加热所述水来获得蒸汽，所述蒸汽通过微波标量场在低温下转换成水等离子体，所述微波标量场是通过处于相同频率且由定向天线发射的微波矢量电场的叠加而产生，所述微波矢量电场的矢量和为零(或不同强度的叠加矢量电场的能量的部分，其部分和为零)，且不通过在气体内放电或加热气体，而是通过所述蒸汽内的转换作用来产生水等离子体，其传导性非常剧烈地增加，且无需额外供应热即引起相转变，且作为热能的替代物，所述等离子体接着通过用电极水解而发生分解，随后分离所得的氢气和氧气，所述氢气接着输送到打算产生水的位置，氧化所述氢气并回收能量，并再生水以供直接使用。

2.根据权利要求1所述的使用氢气的方法，其特征在于用太阳热能预加热所述水是通过将所述水加热到约40℃与60℃之间的温度来进行。

3.根据权利要求2所述的使用氢气的方法，其特征在于预加热所述水是在约50℃下进行。

4.根据权利要求1所述的使用氢气的方法，其特征在于加热所述水以形成蒸汽是用微波矢量电场进行，所述矢量电场与在所述波长范围内的所述水的吸收峰处于谐振关系。

5.根据权利要求4所述的使用氢气的方法，其特征在于加热所述水会形成压力大约在0.5巴与5巴之间的蒸汽。

6.根据权利要求5所述的使用氢气的方法，其特征在于所述蒸汽压力是大约2巴。

7.根据权利要求1所述的使用氢气的方法，其特征在于从所述蒸汽形成所述等离子体是用微波标量场进行，所述微波标量场是通过处于相同频率且由定向天线发射的微波矢量电场的叠加而产生，所述微波矢量电场的矢量和为零(或不同强度的叠加矢量的能量的部分，其部分和为零)，且可无需在气体内放电或加热气体，而是通过所述蒸汽内的转换作用来产生水等离子体，其传导性非常剧烈地增加，且无需额外供应热即引起相转变，且作为热能的替代物。

8.一种实施根据权利要求1到7所述的方法的装置，其特征在于加热以便产生所述蒸汽是在具有二十面体结构的反应器中进行，且产生所述等离子体和用电极电解所述等离子体以使其分解是在具有八面体结构的反应器中进行。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于进料和残余物排放是经由呈二十面体形状的所述反应器的下部进行。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于经设计用于加热所述水的所述电极是扁平电极，其用作定向天线且位于所述水外部。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于所述电极位于所述反应器含有的所述水的外部。

12.根据权利要求10和11所述的装置，其特征在于所述电极由耐腐蚀的稳定金属覆盖。

13.根据权利要求8所述的装置，其特征在于等离子体发生器和电解器的八面体的每一表面用作天线，其在与每一表面垂直的方向上发射辐射，由此产生为零的矢量电场，或产生标量电场。

14.根据权利要求8所述的装置，其特征在于在等离子体产生阶段和电解阶段排列多个八面体发生器，以便调整容积生产流量。

15.根据权利要求8所述的装置，其特征在于所述八面体的各个面的内表面覆盖有对于所述等离子体的反应性展现稳定性的材料层。

16.根据权利要求8所述的装置，其特征在于蒸汽进入到所述电解器中是经由所述八面体形状的水平正方形的四个顶点进行。

17.根据权利要求8所述的装置，其特征在于所述氢气和氧气从所述电解器排放是分别经由对应于所述等离子体电解器的八面体形状的上顶点和下顶点进行。

18.根据权利要求8所述的装置，其特征在于实现分离所述氢气和所述氧气功能的所述电解器的所述电极是由直流电供电。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于实现分离所述气体的功能的所述电解器的所述电极具有正极和负极，正极靠近用于排放所述氧气的下顶点，负极靠近用于排放所述氢气的上顶点。

Claims (19)

1.一种使用氢气的方法，其特征在于所述氢气是来源于海水或另一种类型的水的供应源，其中使用太阳能预加热所述水，随后是加热所述水阶段以便获得蒸汽，所述蒸汽在低温下转换成水等离子体，所述等离子体接着通过用电极水解而发生分解，随后分离所得的氢气和氧气，所述氢气接着输送到打算产生水的位置，氧化所述氢气并回收能量，并再生水以供直接使用。

2.根据权利要求1所述的使用氢气的方法，其特征在于用太阳热能预加热所述水是通过将所述水加热到约40℃与60℃之间的温度来进行。

3.根据权利要求2所述的使用氢气的方法，其特征在于预加热所述水是在约50℃下进行。

4.根据权利要求1所述的使用氢气的方法，其特征在于加热所述水以形成蒸汽是用微波矢量电场进行，所述矢量电场与在所述波长范围内的所述水的吸收峰处于谐振关系。

5.根据权利要求4所述的使用氢气的方法，其特征在于加热所述水会形成压力大约在0.5巴与5巴之间的蒸汽。

6.根据权利要求5所述的使用氢气的方法，其特征在于所述蒸汽压力是大约2巴。

7.根据权利要求1所述的使用氢气的方法，其特征在于从所述蒸汽形成所述等离子体是用微波标量电场进行，所述标量电场与在所述波长范围内的所述蒸汽吸收峰处于谐振关系。

8.一种实施根据权利要求1到7所述的方法的装置，其特征在于加热以便产生所述蒸汽是在具有二十面体结构的反应器中进行，且产生所述等离子体和用电极电解所述等离子体以使其分解是在具有八面体结构的反应器中进行。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于进料和残余物排放是经由呈二十面体形状的所述反应器的下部进行。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于经设计用于加热所述水的所述电极是扁平电极，其用作定向天线且位于所述水外部。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于所述电极位于所述反应器含有的所述水的外部。

12.根据权利要求10和11所述的装置，其特征在于所述电极由耐腐蚀的稳定金属覆盖。

13.根据权利要求8所述的装置，其特征在于等离子体发生器和电解器的八面体的每一表面用作天线，其在与每一表面垂直的方向上发射辐射，由此产生为零的矢量电场，或产生标量电场。

14.根据权利要求8所述的装置，其特征在于在等离子体产生阶段和电解阶段排列多个八面体发生器，以便调整容积生产流量。

15.根据权利要求8所述的装置，其特征在于所述八面体的各个面的内表面覆盖有对于所述等离子体的反应性展现稳定性的材料层。

16.根据权利要求8所述的装置，其特征在于蒸汽进入到所述电解器中是经由所述八面体形状的水平正方形的四个顶点进行。

17.根据权利要求8所述的装置，其特征在于所述氢气和氧气从所述电解器排放是分别经由对应于所述等离子体电解器的八面体形状的上顶点和下顶点进行。

18.根据权利要求8所述的装置，其特征在于实现分离所述氢气和所述氧气功能的所述电解器的所述电极是由直流电供电。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于实现分离所述气体功能的所述电解器的所述电极具有正极和负极，正极靠近用于排放所述氧气的下顶点，负极靠近用于排放所述氢气的上顶点。

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