CN101970724A - 生产氢气的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种生产氢气的转动装置，装配并悬挂在抽真空的壳101中的轴承102a-b中，轴承锚定在壳中，其中设置一排独立的扩散器螺旋107b-c-d-e，其对各喷嘴环114a-b-c-d用于从转动装置接受所生产的高压气体H2、O2或CO2以及从分解池110经由热交换器109、108引入通道的沉降材料，热交换器使热量再循环并降低气体的温度，当它们进行转动时，气体变成液体或冰，随后按蒸发次序全部洁净地蒸发，可以在分解池110中供应惰性气体，该装置可以在水电解、热分解、蒸汽重整和引擎方案、或所述工艺的组合之间变化。

Description

生产氢气的装置和方法
技术领域
本发明涉及纯净的高压氢气或液化氢气的生产。
技术背景
若从原料到压缩氢气或液化氢气估算总的能耗，目前氢气的生产是非常耗能的。采用现在的技术，与相同能含量的其他燃料如汽油、柴油等相比，氢气要贵20％-30％。
与此同时，最有效的生产装置不仅体积庞大、操作复杂、价格昂贵。这些设备还要求经常进行例行维护，这使得所生产的氢气价格更高。
目前，氢气的生产多数是通过蒸汽重整完成的，残余CO2被释放到大气中，对气候造成破坏。人们正在研究如何处理这个问题，而采用已知技术，将CO2贮存在例如烃储器(可用于提取更多烃)中时，需要相当于氢气所能产生的能量的20％-30％。
当在生产氢气的过程中需要热量时，人们研究了如何能够循环利用热能，麻省理工学院的研究人员已设法使循环利用率总体达到95％。
早期的挪威专利申请20064407描述了通过电解生产氢气的设备和方法。该设备包含一个紧凑型旋转式氢气生产装置，该装置可在位于设备出口处的调节阀帮助下，将分离出来的气体加压从设备中送出。然而，设在轴端的调节阀和滑动室(slip chamber)容易发生快速磨损、泄漏和受到阻碍。
发明内容
本发明提供从分解介质(split medium)如水、电解液、烃类(单独或它们的混合物)、或在催化剂的辅助下在电场中生产氢气的装置和方法，其中所产生的H2、O2和CO2可有效地分离，且这些气体离开该装置的压力高于送到旋转式设备的分解介质的压力。该设备还可再连接作为引擎。
根据本发明，所述装置体积小、效果好，其生产速率和贯流速(through flowspeed)高。
本发明的优点在于电解池的转动方式能使得产生的气体处于高G条件。“高G”意味着通过分解产生的气泡变小并快速从分解介质中分离。这样，有足够的分解介质始终仅仅是覆盖着电极，这也就是设备以小电极形成但却能以高贯流速(trough flow speed)产生气体的原因。该设备还设计成能够在超临界压力和温度以上(超过222巴和374℃)以上运行。所产生的蒸汽将具有比氢气高得多的密度，很容易分离出来，气体中只留有很少的残余蒸汽或者没有残余蒸汽。该设备以正常的储存压力输送气体和/或以液化形式输送气体。通过以下方式进行旋转：使加压气体通过对各气体/所有气体的独立/组合的喷嘴，到达独立/共同的螺旋-扩散器，其中所述扩散器适合于使一些或所有气体变为冰或液态形式，而这些气体在多个子室(sub chamber)内按蒸发顺序分馏出来。该过程中产生的热流和冷流在该设备的外部和内部再循环。在分解之后，向电解池中按调节的比例加入再循环的冷惰性气体或液态惰性气体，以降低温度，并防止气体发生氧化。惰性气体的加入量必须比所产生的气体多得多，并且由于这些热量，使得惰性气体的压力升高，可以使用能量转换设备对惰性气体进行能量转换，并将转换的能量加入本发明的设备中，例如：输给电极的电能、对输入物质加压、以及进行旋转。通过控制惰性气体的量，所产生的气体可以燃烧。通过在燃烧中加入更多燃料和氧气，可以提高能量转换，该设备因此成为马达。
本发明的范围由所附权利要求书限定。
附图说明
下面结合附图详细描述本发明，其中：
图1示出本发明的一个实施方式，图中显示轴以及一半的旋转设备、锚定真空外壳和扩散器-螺旋(diffusor-spiral)的纵向剖面；另一半与所示的半个结构沿轴的一侧成镜像。
具体实施方式
图1示出本发明的主要部分，即快转转动的产氢高压单元，它通过位于该单元轴端的密封轴承102a、102b悬挂在锚定真空外壳101中。所述产氢单元包括设置在该装置外周的电解池110。该电解池110构造成适于分解经由轴中的通道供应的水、电解液、烃或它们的混合物。还在真空外壳上固定/锚定有扩散器-螺旋(如离心压缩机中所用的一样)107b-c-d-e，其中所产生的气体和物质离开电解池110在用于各气体/物质的独立的通道中输送至各独立喷嘴114a-b-c-d。对于所产生的气体/物质，所述喷嘴在旋转设备/轴上形成直线/环114a-b-c-d，并配装在所述扩散器螺旋内部，喷嘴的外壁与扩散器内壁之间几乎没有距离。来自所述环中喷嘴的气体压力使该设备旋转。所述装置可在马达104辅助下旋转，所述马达可连接到轴上或从轴上断开。用真空泵103在真空保护外壳101内部形成真空/低压。在密度调节阀114d与扩散器内壁107b之间将空气和/或气体经通道吸出到沉积物收集槽124中，该收集槽通过通道与带逆流阀(setback valve)的真空泵103相连接。在生产气体的过程中，在其他喷嘴环114a-b-c与其扩散器内壁107c-d-e之间将产生低压，这样会在保护壳101内维持真空/低压。真空可防止旋转单元上的空气阻力，并隔离该单元以避免热量损失和噪声。使来自电解池110的分解介质可以经由外周上的喷嘴114d和扩散器螺旋107b再循环并对其调控，其中通过动力学对分解介质加压，在将分解介质压回入口105之前，将其调节至合适的温度，形成合适的混合物。分解介质也可以通过单独通道(图中未示出)自电解池110向轴的方向传送进入单独的喷嘴-环(这将在后文提到)并进而到达扩散器螺旋。当出自电解池的分解介质的密度降低至小于向该电解池传送的分解介质的密度时，则出口处的压力将高于入口处的压力，然后，当喷嘴环中的喷嘴指向旋转方向的反方向时，分解介质将提供旋转力。或者，当喷嘴在指向上更趋径向时，压力将升得更高，从而实现更远距离的再循环，一如所述。
当旋转开始，水/电解液将以高压泵入注射喷嘴105，将分解流体(例如水/电解液)通过针形喷嘴泵送，该针形喷嘴带有附连的齐默环(Zimmer ring)(用于紧固)，设置在位于轴端中央的通道中。利用注射器原理将流体注射到该轴通道中，其中流体分入几个收集(sink)通道，到达第二热交换器108(来自分解池的热气体向所述流体提供热量)和主热交换器109(包围分解池110)，并进一步到达分解池110。从该轴的一个端部的触头112a经由绝缘导线向分解池110中的一个电极111供应直流电。若设备是导电的，则一个电极可与该设备以及该轴的另一个端部的触头112b接触。
利用流入池110的电解液流体，在电极111之间保持低电压，所产生的氢气向着该轴浮起/上升，快速分离进入氢气通道113中，通过第二热交换器108和通道进一步到达外周喷嘴114c，氢气迅速流到扩散器螺旋107e，进一步以加压和/或液化形式收集于116(取决于喷嘴环114e之前的压力/温度以及扩散器螺旋107e端部的压力/温度，这种关系适用于所有产生的气体，与生产方法无关)。喷嘴环114a-b-c中的喷嘴适于控制经由其扩散器螺旋107c-d-e收集在119、121、116的所产生气体的压力、旋转和流动。通过侧面上通道117从分解池110移出氧，通道117与电极111顶面处于相同水平面，相应的氧气通道117穿过主热交换器109，然后将来自各侧的氧气通过第二热交换器108收集在氧气通道118a中。然后，各侧的氧气通道118a连接到公共氧气通道118c中，通道118c通向外周喷嘴环114a中的各喷嘴，以高速将氧气推入扩散器螺旋107c和收集器119，被加压和/或液化/冷凝。氧气通道118a中的氢物质经过第二热交换器108后被分离进入专用通道120中、外周喷嘴114b、扩散器螺旋107d和收集器121。自氧气通道118a排出的气体压力可低于通道113中来自池110的氢气的压力，水/蒸汽的水平面在氧气通道118a中将略升高(高于临界压力)，当池110中的水平面等于或低于相对应的氧气通道117时，来自池110的气体物质将鼓泡或流入氧气通道118a。来自池的液体介质将流过沉积物通道131。这样，更多的水/蒸汽/烃残余物/CO(2)-残余物混入，与一排催化剂更好地接触，以在需要时帮助催化。
在水电解时，在如此高的压力下，O2变得比电解液重，因而O2将迅速下沉至外周(因而与H2方向相反)。然后，通过位于外周的密度控制阀125将O2移到喷嘴114d，O2在此被推向扩散器螺旋107b，以液体形式到达收集器124。或者，可利用轴将液化的冷氧导回旋转单元，用于在离开所述设备前将H2冷却。这样，H2也可液化，而O2可进一步冷却旋转单元，以维持其强度。液态O2由于受热而蒸发，或者经通道自轴沿轴向导往扩散器，或者沿径向导往独立的扩散器螺旋，以高于O2的压力进入所述单元，原因是过程中的密度差。通过利用此方法，有可能获得完全清洁的H2和O2。
当通过加热使纯水分解时，可通过增大电极111之间的电压/电流来加热，所述电极可由镍、锆、铱、复合材料、纳米材料或所述材料的组合制成。也可在进料管线中从喷嘴105向分解介质中加入作为电解液的化学试剂/催化剂、碘化物、溴化物或等效材料，以降低分解温度。通过电离和由电离产生的热量生产氢气和氧气。当在分解池中向分解介质(水)补充材料和催化剂以降低分解温度(可能相对较低)时，H2和O2在离开催化剂且水/蒸汽中的温度降低到分解极限时，它们将不会相互反应(燃烧)。然后，所产生的气体(在本例中为H2和O2)将在池110中分离，并按与前面论及电解和电解质时所提到的相同方式导出，电解液、可能的沉渣/沉积材料或密度高于水/蒸汽的材料在外周自池和氧气通道118a经由通道118b、123、131通过密度控制阀125和喷嘴114d排出并送到扩散器107b和收集器124。可调节用于沉渣材料的喷嘴114d，使沉渣材料和一部分的分解材料通过。这样，密度调节阀125就不是那么需要了。
在水的电解和热分解过程中，均可通过上升通道113和氧气通道117或二者之一将所产生的气体H2和O2导出并收集/混合(未示出)。为防止所产生的气体氧化，它们可与惰性气体如CO2混合，所述惰性气体可以是冷却/液化的，可以按适当量由入口106加入管线，(此时)送入惰性气体分配器115，所述气体在分配器中沿电极111之间或其外侧或通过电极的通道上升，以控制冷却作用，然后惰性气体从电极顶部排出，将来自各电极的惰性气体分别导向所产生的气体上方，它们在池110中混合。或者自轴处的专用通道经过外周上升到电极111中的惰性气体通道，或到达池110，其中惰性气体可以从沿着轴周围的环上的一排喷嘴高速供给电极111的顶部，喷嘴可以放在氢气通道113每一侧并在该通道与氧气通道117之间的位置上。用惰性气体方案，就不太需要对侧面出口通道117、131或自池110顶部113的通道进行随后连接。以一定方式控制气体混合物的压力和温度，使得能够从扩散器螺旋107e端部提取/分馏干冰形式的CO2、液态形式的O2、冷气体形式的H2。或者，以液态形式将CO2和O2泵出，并在用于分离目的的模组室(module chamber)中按蒸发顺序进行分离。处于气态的H2在扩散器螺旋107e的端部进行压缩。
在所述惰性气体的方案中，当混合物适合燃烧时，所产生的气体也可以在池中的惰性气体中燃烧；当使气体通过喷嘴时，还可从与所述惰性气体喷嘴相同的区域(电极或池壁)供给适应量的燃料和氧气，以增强其燃烧能力，充当能量转换的涡轮，使该装置变成引擎。当蒸发的水冷凝并回到所述池时，可能只有惰性气体(可以是CO2)在所述涡轮之后可冷凝为液体或干冰，其中一部分泵回/导回该池液化或作为冷气体形式，因而一部分惰性气体被密封在回路中，残余物沉积。所述引擎方案也可与下述重整蒸汽组合。
旋转单元可在其之前和/或之后连接一个附加冷却设施(图中未示出)，在一些情况下用于获取充分的冷却能，使所产生的气体中的一部分得以液化或变成冰，或者使O2之类的气体分馏出来，供本发明作进一步使用。所述冷却装置也可与本发明设备的冷却设施结合，以获得进一步的效果。
在蒸汽重整工艺中，在将水/蒸汽(以及其他有利于分解而可能加入的材料)自喷嘴105通过通道高压注射到分解池110中的同时，用装有齐默环的针形喷嘴将高压烃(冷却或液化)供给始自注射喷嘴106(其原理与另一轴端的注射喷嘴105相同)的管线，并对轴122中心处的通道进行调节，以便向轴通道中注入合适压力的适量烃，其中烃分流至多个收集通道，将烃导向主热交换器109中的烃分配器115，将适量的烃从电极111下面加入分解池110中的水/蒸汽(为减少分解能，可与其他材料混合)，其中适应量的水/蒸汽和烃将在电极之间上升，电极之间的合适电压/电流既产生必要的加热(再循环的)，并且在充分的电压/安培条件下产生电离。所供烃中一部分被来自氧电极的氧氧化，这会使温度进一步升高。由于电极111、池110以及始自池110的通道113、117、118a-b、123、131上面/里面具有合适的催化剂，催化剂适应于当前的压力和温度，所以在始自池110的所述出口通道中的水的反应变化结束后，分解介质最终转化为H2和CO2，池中温度可用热交换器108、109控制，其中所述热交换器之一也可以包围并冷却始自池110的所述出口通道，将一部分蒸汽冷凝并可以回到池110中。来自分解池110的大部分的H2分离进入通道113，其中该通道经过热交换器109、108，分入喷嘴环外周中的喷嘴114c(或者始于池110的通道数量与当前喷嘴环中喷嘴数目相等。对于来自CO2/氧气通道118a的其他气体，可采用类似配置)，进入扩散器螺旋107e，进一步到达收集器116，加压和/或液化。从池110将其他所产生的气体、烃残余物、一部分水/蒸汽和少量残余H2沿池110的两侧导往相轴向对应的CO/CO2通道117(先前相对应的氧气通道)，进而进入CO2通道118a-b(前面是氧气通道)，其中混合物中的残余物经催化/转化，形成更多的H2和CO2，其中沿通道两侧经过第二热交换器109的H2上升到专用公共通道120中，将H2导入喷嘴114b、扩散器螺旋107和收集器121加压和/或液化。在CO2通道118a顶部的一个侧面通道中，自两侧同时将CO2和其他可能存在的副产物(pine-off product)通过热交换器中的一个通道导入共用CO2通道，该通道将CO2导入喷嘴114a，到达扩散器螺旋107c和收集器119，加压和/或液化。通过外周附近的可调式密度差调节阀125除去密度高于电解质/水/蒸汽的流体或材料，送入后面的喷嘴114d，将这些材料送入/压入扩散器螺旋107b和收集器124。
除带有所属扩散器螺旋107b和盘式结构的沉渣喷嘴114d外，在具有共用入口通道105和用于各材料的连接在一起的出口通道113、118c、120的同一轴上，可以有更多的盘式结构和/或电极。当沿外周的内壁类似于一个或多个截短的圆锥时，其中一排喷嘴沿圆锥体直径最大处的外周设置，沉积物材料可收集在共用或较小的出口喷嘴中。真空泵可安装在沉渣槽124上，或直接连接到带供应通道的真空外壳上(也可仅用一个盘式结构实现)。加在电极上的电源/电压可以两极串联或并联连接。
设备中各部件的详细描述。
催化剂110、113、117、118a-b、123的配置
分解池110和通道113、117、118a-b、123的壁可覆盖有一排催化剂或由催化剂组成(所述催化剂可以是镍、铜、锌、锆、铂、铑等)，它们作用于烃残余物，从烃中提取更多的氢气，并且类似地将一氧化碳转化/催化为二氧化碳。通道区域和壁依次如下：池110的内壁，通过第二热交换器108的氢气通道113，氧气通道117、118a-b(可能的二氧化碳通道)，通过第二热交换器108的专用氢气通道120，沉积物通道123、131。还可以用催化剂使电极具有催化性，所述催化剂是特别有效的、并能适应这种电压，其中分解介质可以电离，电极上/中的催化剂可以是例如镍、锆或所述材料的组合，或者是其他催化剂。催化剂也可适应高温、高压。
通风设置127、128、129、130
自位于轴122中的通道中的分解介质里的空气或气体，自空气可进入的调节泵喷嘴105，以及自收集(sink)通道，气体可以自外周的分解介质通道中上升，其中连接空气/气体通道128，分流进入轴122中心的气袋室127。在气袋室127中有浮球129(或另一个合适的阀)，当气袋室127中存在气体/空气时，该浮球向通道130打开。所述通道通向调节泵阀106的齐默环的内侧，它在生产过程中处于低压，从喷嘴注射冷却的液化气体时，因而自通道130拉入气体/空气，它们在其上也变成液体(当烃气体充分冷却并具有足够的量时)，并一起向下通向分解池110，电极111之后的气体将分离至其出口通道中。
通过喷嘴114a-b-c调节压力
喷嘴114a-b-c可适于根据连续的气体产量维持恒定的气体量和压力。当分解介质表面保持在电极111各外侧的相应的氧气/CO2通道117处时，该气体压力是有利的。或者，喷嘴可根据气体量自动调节，但仅在所述有利压力下才打开。喷嘴114a-b-c处的压力是通过以下因素确立的：通道和轴122中经由调节喷嘴105、106的流体上的压力，池110中流体表面的外周速度，以及对应各出口通道的流体和气体之间的密度差，以及相对气柱压力(高密度冷气柱从喷嘴到轴的高度减去低密度的温气柱从池或氧气/CO2-通道118a到轴的高度)。
主热交换器109和第二热交换器108
第二热交换器108和主热交换器109的实施方式在外侧上可以是相似的，看上去像排成环形的管子，在横截面上与轴122具有均匀距离并且平衡。主热交换器109处于紧靠第二热交换器108外侧的环上，它们之间可彼此固定/锚定，还有助于将旋转单元之中的结构结合在一起。旋转单元或者形成多个空心轮辐(spoke)或者是一个大圆盘，固定/锚定在第二热交换器108上的环的内侧。具有从轴开始的供应通道的轴122可以在内部或外部。或者第二热交换器108在切向横截面上更加接近椭圆或者矩形，顶面(环的内侧)可以直接固定在轮轴上。气体通道113、118c、120可以通过第二热交换器108的顶部从侧面在有利点引出，将气体导至喷嘴114a-b-c。
在第二热交换器108中，引入自轴122中的通道的沉降通道，沉降通道中有来自压力调节喷嘴105的分解介质(水/电解液)，使沉降通道有利地最靠近轴分布。分解介质的出口可以是在底部(第二热交换器108的外周)并包围H2通道，将分解介质引出后引入主热交换器109的顶部。这里，向下(向外朝着外周)推动分解介质，均匀地作用于池壁110的各个外侧，以获得更均匀的热交换。当分解介质在热交换器108、109中向外周传递时，在分解介质上的切向加速中的惯性力矩使得热交换器108、109的切线速度相对较高。这对于和在切线相反方向上在通道中对着池110的壁高速运动的气体所进行的热交换更为有利，所述通道可以是第二热交换器109中的管螺旋，该热交换涉及从暖的气体向较冷的分解介质进行有效的热交换。对于在旋转装置中其他地方向外周运动或者从外周运动的材料，将发生与池110中电极111之间相同的切向运动，其中分解介质/气体具有向轴的高上浮速度，因此在电极环111中将获得相对高的切向速度。流过电极而未分解的分解介质从电极的外侧流过，分解介质向外运动到外周，从而与电极111之间介质成为切线相反方向。这样的运动对于分解过程和热交换过程都是非常有利的，这意味着电极111可以很小，池110可以很小，但仍然能够获得高贯流速和生产量。
来自剩余生产气体(来自其它气体上升通道的O2、H2，CO、CO2等)在均匀分布的有利诸点导向第二热交换器108的底部，且所有气体通道在第二热交换器108中继续，该热交换器可以是对各气体组分独立的多根管道。管道沿第二热交换器108设置，以螺旋形状在转动方向上回弯，朝向第二热交换器108的顶部。然后试图保持外周速度的气体则在更大切线角度上沿管道推向轴，使得气体在离开该旋转装置(喷嘴)时离心力的压力损失减小。
氧气-/CO2-通道118a-b
氧气/CO2-通道118a-b的实施方式(未示出)可以是类似的，因为这些通道围绕着主热交换器109，其中氧气/CO2-通道118a-b中的介质与主热交换器109的外壁直接接触。氧气/CO2-通道118a-b的外壁在顶部(最接近轴)附连于第二热交换器108的外侧(外周)，主热交换器109可以在底部附连在一起，它们在底部也是最靠近的，同样在通道118b的底部从各侧进入沉降通道123，该沉降通道现在变得很短，更象是通过主热交换器的一排孔，其中在沿外周的相同位置在氧气/CO2-通道118中的各孔中安装密度调节阀125，该阀带后续的喷嘴114d。从池两侧开始的渣出口通道131如图所示是沿氧气/CO2-通道118b环的一排通道，与轴的距离相同，与相对应的氧气通道117有同样的考虑，从其出口往上是氧气/CO2-通道118a。氧气/CO2在两侧的出口通道最有利于在与热交换器109、108之间的氢气通道113成同一排的顶部设置通道，其中一排管道从主热交换器109的外侧壁顶部开始延伸进入第二热交换器108，将氧气/CO2引入该第二热交换器。从氧气/CO2-通道118a外壁的顶部，有一排H2输出通道引入第二热交换器108。在第二热交换器108外周各气体可以有相等量的通道。当氧气-/CO2-通道包围主热交换器109时，将同时形成可以完整或部分平衡地调适的浮力。当壁每侧的压力大约相同，O2/CO2-通道与主热交换器109之间的壁以及热交换器与池110之间的壁也可以相对较薄。这同样可以改善热交换。在这种情况下，氧气/CO2-通道118a、118b的壁就成为针对高压和离心力设计构造最大的问题。
喷嘴114a-b-c-d
并非从外周穿出的的每一个喷嘴环，比如渣喷嘴114d，其半径范围在轴与其外侧之间的区域，可以与渣喷嘴114d的半径相同。喷嘴114a-b-c的实施方式可以在与各气体的扩散器-螺旋内壁相对的连接环中可以是经典的闭合圆形或正方形横截面。或者，这些喷嘴可以类似于膨胀喷嘴(“熔岩(Laval)”喷嘴)，任意地选择喷嘴类型，它们都可以配置在第二热交换器108和主热交换器109的侧面，将旋转单元中的结构接合在一起，和/或直接接合到轴122上，例如用于各种气体的熔岩喷嘴位于轴周围的相连环/盘中，其中喷嘴管道按转动方向回弯，相连喷嘴管道的外周形成一个环，与轴的距离相同，喷嘴管道外周的外壁与轴在同一横截面中，选择的各出口的截面可以是是矩形的。必须对喷嘴环/盘的直径进行调节，使之与出口速度以及实际气体量和喷嘴排的外周速度成比例关系。关于轻气体，向外吹的速度要比外周的速度快许多倍，使得进入扩散器的气体产生的速度相对较高。设置至少一个喷嘴环114a-b-c在旋转方向上施加推动力。废料喷嘴114d可以是一排会聚型喷嘴，呈正方形，有利地排列在旋转装置的外周，其可以从外周向外径向转到扩散器螺旋107b。
扩散器螺旋107b-c-d-e
扩散器螺旋107b-c-d-e的实施方式锚定在不旋转的真空外壳101中，围绕旋转单元设置，其中对各气体的喷嘴壁的外侧设置成在各气体扩散器螺旋的扩散器壁内侧上，几乎没有空隙，看上去象是离心压缩机的扩散器螺旋。在气体生产过程中，在各排喷嘴(环)之间形成低压，在真空保护外壳101中维持真空/低压。扩散器螺旋的用途是将气体的动态压(运动压)转换成静态压。从扩散器螺旋107b到渣喷嘴114d，扩散器螺旋是相同的，螺旋的横截面积沿该旋转装置的旋转方向增大。如果调节喷嘴使其气体最终进入扩散器的方向与旋转装置的方向相同，扩散器螺旋107c-d-e也可以对其他气体产生相同影响，而如果气体的方向相反，扩散器中的螺旋则必须以相反方式构造。扩散器既可以有定子叶片也可以没有，取决于扩散器的半径。有定子叶片的话，则必须与气体/颗粒的轨迹基本平行。
呈液态或固态(冰)的气体
当旋转装置中的气体具有适当调节的温度和充分的压力时，获得液态或固态(冰)的气体，可以几乎都处于液态或气态，通过以可调节角度来调节喷嘴，在旋转方向上获得推动力，气体中由于推动力和膨胀而损失的能量(包括压力和温度)将在扩散器螺旋中降低。通过精确调节，考虑到气体的临界压力和温度，它们可能会变成液体或固体(冰)或二者的混合物。在扩散器螺旋的端部可以设置组合的泵装置，该装置将冰/半融浆(slush)/液体形式的气体旋转/推动并泵压至较高压力，至模组室，其中通过间加热按蒸发顺序将气体分离成更洁净的气体，这种间接加热是来自通向注射泵106的烃类或者来自周围的空气/水，气体形式的烃类可以通过与所生产的液-冰-气进行间接热交换而变成液体。当上述气体已经分离/蒸发后，对该模组气体蒸发室再次泵送。室的数量和大小必须针对连续生产进行调节。通过这种方式，将热交换之后来自旋转装置的全部气体也可以一起引出导向共同的扩散器螺旋，将这些材料引至立式静态旋风器，随着介质的挤出，固体或液体材料旋转至底部，气体通过上述蒸发室予以分离。从所述旋风气顶部通过高/低压提取的冷的H2，被压缩至其自有通道，供收集或者进一步冷却和膨胀成为液态气体。副产物气体如CO2可以直接旋转/泵出以沉积液态化，或者通过环境加热后沉积。要使旋转装置中的气体获得有利温度以便其可以在扩散器螺旋之后液化或成冰，可以增大经由喷嘴105的冷却介质/分解介质量，其中有通道引向类似于第二热交换器108的第三热交换器，该热交换器设置并附连于内侧环上，并固定于轴以将结构接合在一起，具有与第二热交换器的外周相同的进口/出口通道，在外周的各气体的通道与第二热交换器的外周相同，唯一不同的是所有气体的运行类似于自分解池的氢气通道113，即所有的气体通道都被在第三热交换器中的分解介质通道/水通道包围，气体管道设置可以与第二热交换器108相同并固定于轴上，其余连接可以与前述第二热交换器类似，以将旋转结构接合在一起。气体管道/通道可以从侧面引出，或者在第三热交换器的侧面之间分开。将在池中分解用的经调节后的分解介质在通道中供给第二热交换器108并如前所述进一步输送。现已经受热的过多分解介质通过通道引向例如滑动室(slipchamber)(如前所述)、到到轴的端部、或者经过轴上的径向涡轮机，增大压力后，进一步引出供加热应用和/或引至浮动气体，以便使其蒸发，水通过注射器，在将水经由注射喷嘴105再次推入旋转装置之前，引流下来的水按调节量供旋转装置使用。
在附加第三热交换器，或者在没有第三热交换器的情况，至少一种气体可以引至另一个热交换器，其中将来自喷嘴106的冷却/液化气体/烃类在通道中进入热交换器的底部(外周)。这与第二热交换器108相类似。受热的烃类可以从顶上自一排通道中引出，进一步引至烃分配器115。气体通道可以类似方式引到烃类的出口与底部的出口之间的热交换器的顶部，将气体进一步引到各喷嘴和扩散器，改变气体的相并进一步分离，如上所述。如果不使用或者收集所述液态烃，而是来自该过程的更冷的气体按照与所述烃和惰性气体相同的方式对来自池的产品气体予以冷却。
也可以是从轴端部分支出来的空气冷却通道(未示出)，或者在该端部之中或者在其外部，朝向外周而且进入冷却环室，该室包围整个盘结构并与之附连(除了可附连在冷却环室外部的喷嘴环和烃通道外)。径向板可以沿旋转方向回弯，其中在所述热交换器之间有供应通道，这些通道朝向轴。受热后的空气朝着这个方向上升，可引至相对侧上的轴端部。，或者可以引至轴外通道中。将真空室附连于带有压在轴上的轴承的轴承壳的可以是定子叶片。在空气冷却通道的进口通道上附连有管道，该管道相对于不旋转的真空外壳密封，并且包围轴。旋转装置中的空气冷却通道以几乎没有间隙的方式开始覆盖/围附连于真空外壳的进口管道。在高进口速度时，管道之间具有低压，这也会在真空外壳101内产生低压。在空气冷却通道的出口处，管道通道在相对侧封闭以便在真空外壳中产生低压。可以在空气冷却通道的进口通道中添加水-雾，使水蒸发并在冷却环室和装置中进一步冷却。冷却通道的进口和出口区域可以针对给定的冷却空气量进行调适。可以在外周处在空气冷却环室的进口设置燃烧室，在池中需要热量的情况下可以变成热环室。当从空气通道中排出的受热空气的压力高于内部压力时，可以使该空气通过涡轮机而做功。可以使装置旋转或以其它方式做功。冷却空气可以在进口之前经过压缩机对涡轮机实现更高功效。
轴端部的调节喷嘴105、106。
可以调节轴端部的调节喷嘴105、106的实施方式，以便通过调节旋转装置中的压力对给定气体生产量进一步输送附加的高压分解介质。在齐默环(其附接于针式喷嘴)与喷嘴尖之间的区域中形成低压，将针式喷嘴拉至调节后的有利位点。该通过调节喷嘴外壳105、106中的可调弹簧，使针式喷嘴保持压力平衡。如果装置中的压力太高，则喷嘴和齐默环将被压回，同时部分地或完整地关闭通过喷嘴的介质。随着生产过程中装置内压力的降低，可降低齐默环和喷嘴点105、106中的压力，会逐渐返回到有利的位置并再次增大注射。当喷嘴不处于接触状态，但是能对通向分解池的分解材料进行自动机械调节时，这种方法提供最小旋转阻力、磨损和破裂。
分解池110
分解池110的实施方式沿主热交换器109设置并在该热交换器中居中。它们在底部用同向悬臂板(在渣通道131底部)彼此连接，其中所述板抵靠在与管道(沿主热交换器109的环)类似的烃分配器115上，在设置该板的顶部各侧有一排孔/通道。在主热交换器109壁内部的倾斜板中也有一排孔，分解介质可以提供这些孔到达烃分配器115周围的区域，并通过倾斜板与烃分配器115之间的孔进一步推进到分解池。烃分配器沿外周(边界)还配有一排孔，调节这些孔可以将合适量的烃以适当的压力引出至分解介质，烃将在分解介质中浮起，然后与分解介质一道通过这些孔到达分解池的电极111之间，电极是位于池中央的两个平行环形式的板，各自在外周抵抗各自的倾斜板顶部设置，烃分配器115也附连在倾斜板的相对侧。当旋转装置为导电时，电极中的一个可以与该结构以及连有负电压的一个轴端112b相接触，而其它电极在结构之间电绝缘，但是在连有正电压的另一轴端112a处与绝缘的导电体接触，使滑动环绝缘。在没有导电结构的情况，两个电极则必须通过电绝缘的导体(如导线)从112a加入电流，对于与触点112b相对的另一个电极也是类似的情况。
在电极111(在其外周)和电极所连接的倾斜板之间，有一排短轴向通道，以便改善池中的循环并减少从电极向结构其余部分的传热。电极最好是传孔的或多孔性的，这样可以有利地改善热交换、通过热膨胀更好地保持形状，而且对于较大电解和催化(当电极同时为催化性时)的接触表面也是如此。电极可以使用具有以下性质的材料制造：高耐热、耐腐蚀、低温度膨胀系数，所述材料可以是纯金属、合金、复合材料、陶瓷或纳米技术材料。
当分解池110在包围它的分解材料中产生浮力时，其结构要能够在生产温度完全地或部分地处于浮力平衡，以减少结构应变。同时，池壁可以相对较薄，所用材料是非导电性的，能将来自池的热辐射经池壁传至主热交换器109以及进入池的壁的另一侧的分解介质。
烃类分配器115的形状应使其具备有利的体积，使该分配器的浮力能部分地支撑/增强主热交换器109内的结构，在电极盘111温度膨胀时在其锚定区域有足够的挠性和强度，同时，电极111处于中央并始终保持平衡。烃分配器115中的压力必须大于其外部的压力，使得水和其它材料不会强行进入其中，但是能确保对池的供应。但烃分配器115中的孔可以有反向阀(backward valve)来防止所述问题，其中的一排孔可以设置在任何位置，但这些孔与轴之间的距离必须相同，以便在它们之间得到均匀的物流。
在真正高的压力且气体在分解后充分冷却下来时，可以在旋转单元中液化，液化首先发生在重气体如CO2上，在这种情况下，在高压和低温下在CO2-通道118a-b中沉降到外周进入密度调节阀125，并经过喷嘴114d到达扩散器螺旋107b和收集器125，此时仍然保持液化并加压状态。因此，使温度保持在足够高的温度更为有利，既有利于在CO2-通道118a-b中的催化，也有利于CO2的导出，如前所述。但是，通过调节池中所有气体的生产，可以用主热交换器各侧的自有热交换器包围氧气通道118a-b，外部看与环中的其他类似，但是在内部是管道，相应的氧气-/CO2-通道在分解池110中在各侧都升高至超过水面，从侧面进入热交换器中的通道，其中来自喷嘴105的分解介质从热交换器的底部(外周)的多个通道沿热交换器进入，之后从其顶部导入通道至第二热交换器108的顶部。同时，自氧气-/CO2-通道的通道经热交换器的侧面进入包围烃类通道(如上所述，冷却下来)的通道，其中在所包围的通道上有位于顶部和底部的多个出口通道。顶部的出口通道引导H2残余物，直接引至与来自氢气通道113相同的喷嘴排/环，或者用氢气通道113经过所述调节注射器，底部(外周)出口通道直接引向喷嘴，其中将冷却下来的副产物气体(CO2，CO，O2等)沉降到外周，所述副产物气体在高旋转和高压下引出，如上所述。
氢气通道113、120可以一并经由可调节注射装置从通道113导出，通道113以高压从低压通道120吸取可调量的氢气，并对通道内的压力调整维持恒定，从而将必要的水/蒸汽水面(mirror}保持在CO2-通道118a中的有利位点。这种情况至少有两个气体出口通道。
若只对气体出口通道，(当两种气体皆处于气相时)可以从各轴端经由滑动室引入进口通道，该滑动室包围并密封在轴的周围，其中在滑动室内的轴上的通道分支到在轴中心外的进口通道。在中心，轴端配有附连至通道的独立的针式喷嘴，通道113+120(注射，如上所述)中的氢气引至轴的一个端部，而氧气/CO2通道将氧气或CO2(取决于生产方法)引至轴的另一端部，在各喷嘴上包围一个齐默环，该喷嘴附连于可调管道扩散器，可以将喷嘴调节到一定的有利生产压力(如上所述)，气体将从各轴端以高速被针式喷嘴压出，进入扩散器，在扩散器中速度减慢，静态压力升高，可以如上所述输送气体。
悬挂轴承112a-b
旋动单元的轴承悬挂可以是滚柱轴承、滚珠轴承、流体/气体滑动轴承或超导电磁体，是在各轴端在磁体的两侧都对轴密封，从而密封真空外壳和磁体周围。通过产生的或者已经冷却下来的气体中的一部分发生膨胀，达到使磁体冷却。轴的结构使得磁体轴承受到一个轴端的轴向和径向支撑，而在另一端只受到径向支撑，这可以解释轴承选择的全部情况。施加于电极111的电压可以通过具有必要电压转换的超导电磁体施加(对于氢气生产没有多大意义)，也由此可以调节磁体成为电气发动机或者发电机，当由离开喷嘴的气体对外周的扩散器螺旋和所述轮机的产生高推动力时，做功以便维持旋转或者发电。仅仅是在轴中的进口和出口通道处，超导磁体还可在旋转盘结构的外周支撑渣通道114d的每一侧，用于连续地反作用于在旋转和生产过程中施加在装置上的一部分作用力，使旋转速度和气体压力增大。
尽管图1所示的本发明实施方式将所生产的气体分离至多个通道中，但是，该装置可以配备更多的通道，使得可以将各气体组分分离至独立的通道，例如氢气通道、氧气通道、一氧化碳通道和二氧化碳通道，这些气体的各上升通道的顶部(最接近轴)可以类似于转化方式从从氧气通道118a和H2通道120精细分离H2的残余物，而氧(蒸汽重整时更多地是副产物气体)在氧气通道(最终CO2通道)118c中分离，其中重气体按密度结合，如上所述，应当在第二热交换器108之前进行所述结合。
转动装置必须以具备足以承受高速转动所产生的力的基本强度的材料制造。该结构最好是低密度的，以减小所述作用力。该结构可以由金属形成，电极与结构的其余部分隔离，或者是陶瓷材料的、纳米技术材料的、复合材料的或这些材料的组合。离心力由转动速度和转动单元的直径确定，根据所用材料所许可的力量来调节。
采用蒸汽重整，则压力和温度都应当不高于/低于所用催化剂的最佳功能极限。
为了降低转动速度和置于盘结构上的重量，迄今为止所描述的转动单元可以在进口处提高分解流体的压力。如下所述，分解单元可以以低转速驱动，这意味着作用于盘结构的离心力较低。
为避免电极因结晶而解离，可以间歇地改变电极的极性，没有必要改变装置中的气体出口通道。
附图应当视作仅仅是说明本发明原理的示意图，并不必然表示本发明在真实世界中的物理实现形式。本发明可以用许多不同材料及其组件的排列来实现。此类实现应当属于本领域技术人员能力范围。

Claims (16)

1.一种在电场中生产氢气的装置，其中所述装置转动，所述装置包括轴(122)，该轴悬挂于固定在真空保护外壳(101)上的密封轴承(102a、102b)中，所述真空保护外壳(101)包围固定在轴(122)上的盘式组件，所述轴(122)从其一个端部向进口通道中提供分解介质，进入设置于所述盘式结构外周的一个或多个分解池(110)，所述分解池包括有供电的第一和第二电极，其特征在于，在所述真空外壳上固定/锚定有扩散器螺旋(107b-c-d-e)，其中来自分解池(110)的所产生的气体和残余材料分离进入独立通道，到达喷嘴(114a-b-c-d)，喷嘴设置在所述扩散器螺旋中，喷嘴的外壁与扩散器的内壁之间的空隙很小，并且所述装置设置成由于所产生的气体从所述喷嘴(114a-b-c-d)射出的压力而转动。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，向所述设备提供在分解介质中的烃类。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置设置成能以液态和/或固态产生氢气、氧气、和可能的二氧化碳。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所产生的气体在公共出口通道排出。
5.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所产生的气体经分馏蒸发精细分离。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述进口通道中设置一个或多个自调节喷嘴(105，106)。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电极中的一个设置成与所述盘式结构处于恒定电接触中。
8.如权利要求1所述的所述的装置，其特征在于，在所述进口通道中设置一个第二热交换器(108)，然后是包围所述分解池(110)的一个主热交换器(109)，其中在所述主热交换器之间的间隔空间中设置连接自第二热交换器(108)的通道，所述分解介质由此通道进一步压向所述分解池(110)各外侧的外周，并且所述分解介质在外周进到所述分解池(110)中并在电极(111)之间上升。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，向所述分解池提供惰性气体。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，过剩的转动力可进行能量转换。
11.如权利要求1或4所述的装置，其特征在于，所述扩散器螺旋连接于旋风分离器。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述盘式组件与冷却组件是前面连接和/或后面连接。
13.如权利要求1或10所述的装置，其特征在于，所述盘式组件与至少一个轮机连接。
14.如权利要求1或13所述的装置，其特征在于，所述盘式组件与发电机连接。
15.一种生产氢气的方法，包括向至少一个电极池(110)提供分解介质并使该至少一个电极池(110)转动，其特征在于，冷却由所述池(110)产生的气体并在压力下分离，将来自所述池(110)的所产生的气体和残余材料提供给喷嘴(114a-b-c)，利用所产生气体从所述喷嘴(114a-b-c-d)射出的压力迫使该池(110)转动。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，向所述池(110)提供惰性气体。
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