CN103917695A - 可燃燃料以及用于生成可燃燃料的设备和方法 - Google Patents

Abstract

适于水溶液反应器的特征包括场发生器。场发生器包括一系列平行的导体板，所述导体板包括一系列中间中性极板。中间中性极板以交错组布置于阳极和阴极之间。水溶液反应器的其它特征可包括密闭的反应容器、流体循环歧管、电力调节器、真空端口以及屏障膜。使用场发生器的方法包括浸没于电解质溶液内以及施加外部电压和真空以便生成氢气和氧气。该反应器和相关组件可布置成生成气态燃料或液态燃料。在一种使用中，添加碳基材料和液态烃类的混合物。优选的碳基材料是煤粉。

Description

可燃燃料以及用于生成可燃燃料的设备和方法

技术领域

本技术涉及可燃燃料以及用于生成有效和更清洁可燃燃料所需的方法和设备的领域。

背景技术

在所施加的电场下利用各种形式的设备电解水生成氢气和氧气是众所周知的。布朗气体（HHO）发生器也是公知的，其利用电解将水转化成其组成成分，而不是一旦释放将氢气和氧气分离。将烃重整成氢气或氢气增强的气体也是如此。但是需要用于生成这类燃料的更加实用的工艺。

发明内容

本技术涉及利用所施加的电场来启动或维持由其生成清洁可燃燃料的反应的水溶液反应器的各方面以及用途。

在本技术的第一独立方面，提供适用于水溶液反应器中的电场发生器。电场发生器包括成阵列的一系列间隔开的平行导电板。位于阵列第一端部处的阵列的一个或多个第一极板连接到第一极性（例如正或负）的施加电力（electric power）的电源（source）。位于与第一端部相对的阵列端部处的阵列的一个或多个第二极板连接到第二极性（与第一极性相反）的施加电力的电源。阵列的一组第三极板优选介于一个或多个第一极板（以下称为“阴极板”）和一个或多个第二极板（以下称为“阳极板”）之间。第三极板优选不连接到任何施加电力的电源以便用作中性电极。第三极板可以子组（subset）布置，每一个子组包括阵列中的至少三个极板。在每个子组内的所有极板可彼此相互电连接。

上述的技术还可包括子组、阴极板和阳极板，所述子组不连接到其它子组，除非通过水溶液反应器的场。子组优选布置成使得每个子组包括至少一个极板，所述至少一个极板介于相邻子组、阴极板或阳极板的两个极板之间，并且还包括至少两个极板，所述至少两个极板围绕另一相邻子组、阴极板或阳极板的一个极板设置（即，介于其间）。极板子组的这种布置在本文中称为“交错”或“交替”。由三个极板构成的子组在本文中可被称为“三元组”。

上述技术还可包括耦接到电力调制器相反电极上的阳极板和阴极板。电力调制器可以小于100％的占空比将步进调制（step modulated）或阶梯变换（ladder switched）的直流电流波形供应给场发生器。例如，功率调制器可以50％的占空比供应步进调制的直流电流波形。波形可以为下述特征：具有相对低的峰值电压（例如大约在14-24伏特范围内的峰值电压），以及在零和峰值电压之间交替。然而，该技术并不将峰值电压局限于该范围内。

上述技术可进一步包括水溶液工作流体（aqueous working fluid），以便生成施加到场发生器、反应容器和/或如上所述其它方面的氢气和氧气气体，诸如HHO。场发生器优选浸没于工作流体中并且如上所述将电力施加到场发生器的相反电极上。水溶液工作流体优选包括纯蒸馏水和盐氢氧化物的溶液，盐氢氧化物例如氢氧化钾（KOH）。盐氢氧化物用作电解质且不被消耗掉。蒸馏水在优选约115°F至130°F之间的温度下被电解成氢气和氧气。可作为水添加的补给水被消耗掉以便维持一个恒定的水位。可优选使用非蒸馏水，但会导致设备的腐蚀增加或结垢。

上述技术还可包括非导电性的且基本上不透气的屏障膜，例如聚合物薄膜或薄片材料，其在阳极和阴极之间的液面上方延伸。隔膜形成屏障以便防止从阳极和阴极所生成的气体混合。

氢气和氧气气体的混合物可用真空泵从反应容器抽出。反应器的输出可由操作过程中在容器内所维持的压力和温度而改变。因此，下述是有利的，即将反应容器中的真空保持在约0.2至0.9个大气压，更优选约0.2至0.5个大气压的范围内，而利用流体再循环将工作流体的温度保持在优选介于约115°F至130°F之间的限定范围内。真空和温度达到平衡以便防止水沸腾或达到在过程中大量水会蒸发的点。

上述技术也可被替代性地采用以便包括施加到场发生器、反应容器和/或如上所述其它方面的水溶液工作流体以便从包含碳基材料的溶液生成液态烃类燃料。诸如优选为碳或煤粉的碳基材料以悬浮的形式分散于如在此之前所述的水溶液工作流体内。水溶液工作流体优选包括初始充注的烃燃料，诸如煤油、柴油或下降到并包括汽油分子量的其它此类燃料，以保持碳基材料悬浮。

如上面所论述的那样，反应器的输出可由操作过程中在容器内所维持的压力和温度而改变。工作流体的温度利用无压力的流体再循环（fluidrecirculation）保持在介于约180°F至200°F之间的限定范围内，再次避免沸腾或大量生成水蒸汽。在压力下，温度的上限可相应地升高。

在由碳基材料形成烃类燃料的过程中，可凭经验调节条件以确保过程中烃类燃料的还原以具有降低的平均分子量。例如，大多数烃类可重整为具有8个或更少碳原子的烃类。所描述的方面优选使用根据如下述申请中所述的方法，所述申请为由本发明的申请人共同待决（co-pending）的序列号为12/885617的美国专利申请，其全部内容通过引用并入本文。

在本技术的又一个单独的方面中，阳极板和阴极板包括孔的图案，所述孔延伸穿过大致整个极板以便提供大于极板所占据面积的开放面积。阳极板和阴极板的公称尺寸类似于中性极板的面积。所有极板优选由高导电性金属制成，诸如铜-钨，以减少热量和确保良好的导电性。所述板也被镀以在电解过程中的诸如活性（interactive）镍的催化剂。在电解过程中钯、铂或其它催化剂也可用于在较低温度下促进所需的反应。

上述技术还可包括可组合以便获得更佳效果的上述方面的任何方面。

因此，本技术的目的可包括提供新的特征和组合，以增强利用所施加电场的水溶液反应器（aqueous reactor）的操作，以便启动或维持反应器中的化学反应或生成等离子体，例如从水生成氢气和氧气气体，或碳或有机化合物的羟基化/加氢反应，来自这种技术和方法的燃料输出适于使用这些特征和组合。将在下文中显现其它的和进一步的目的和优势。

附图说明

图1示出了关于场发生器的本技术一种实施方式的示意图。

图2示出了适于一种实施方式的场发生器的中性子组、阴极板和阳极板的布置的框图。

图3示出了适于在场发生器中使用的极板实例的俯视图（plan view）。

图4A至图4B示出了适于在场发生器中的极板的替代性构造的示意图。

图5为含有场发生器的水溶液反应器的透视剖视图。

图6A为一种包括水溶液反应器以便从水溶液工作流体生成氢气和氧气的设备的示意框图。

图6B示出了包括用于气体分离的中间屏障的水溶液反应器的替代性构造的详细示意图。

图7示出了用于操作水溶液反应器以便从水溶液工作流体生成氢气和氧气的方法实例的流程图。

图8示出了可与图7中所示的方法一起使用的附加操作的流程图。

图9示出了本技术的替代性构造实施方式的示意图。

图10为阳极板或阴极板的一种实施方式的俯视图。

具体实施方式

参照图1，适用于水溶液反应器中的场发生器100优选包括由非导电性的框架或构件106支撑的阵列102的间隔开的平行导电性极板104a-104j。极板的阵列102可包括在所述阵列第一端部处的一个或多个阴极板104a、104c（统称为108），在阵列102的与第一端部相对的第二端部处的一个或多个阳极板104h、104j（统称为110）。极板的阵列102还可包括介于阴极板108和阳极板110之间的多个中性极板104b、104d-104g、104i。中性极板104b、104d-104g、104i可以交错的中性子组112、114布置，每一个子组包括至少三个电连接的极板。如上所述，中性子组的交错意味着每个子组112、114包括至少一个极板（例如，104b，104f，104i），所述至少一个极板介于相邻子组、阴极板或阳极板的两个极板之间，并且还包括至少两个极板（例如，子组112的104d和104f，子组114的104e和104g），所述至少两个极板围绕另一相邻子组、阴极板或阳极板的一个极板设置。每个中性子组112、114可与中性子组的其它子组、与阴极板、以及与阳极板电隔离。例如，每个中性子组112、114可以每隔一个的方式与中性子组电隔离。

在低功耗模式下，阴极板108可配置成用于连接到施加电力的负极性的电源以便生成氢气。阳极板110可配置成用于连接到施加电力的正极性的电源以便生成氧气。中性子组不连接到施加电力的任何电源。

极板104a-104j优选为铜-钨或其它高导电性材料。为了生成烃基燃料，该高导电性材料包括催化表面，诸如通过镀镍提供。导电极板的镀镍表面处理据观察具有对水溶液反应器操作的催化效果。

极板104a-104j优选基本上是平面的且具有基本上均匀的厚度“t”。据信期望使得极板足够厚以便在反应器的操作过程中是耐久性的和刚性的，因此最优的厚度可取决于所选择的极板材料和极板安装细节。如果使用铜-钨，则极板有利地为0.125′′，以避免柔软材料的意外弯曲。阵列中的极板将优选彼此基本上均匀地以约0.125英寸范围内的距离“d”间隔开。场发生器“极板”的其它方面在下面结合图3及图10进行描述。

非导电性框架或构件106包括在极板外缘周边间隔开的边缘支撑件。边缘支撑件据信有利于确保在操作过程中每块极板保持在位。支撑构件优选包括其它特征，例如如本文所论述的适于再循环歧管的喷嘴106。在一个实施方式中，极板边缘由形成的聚合物材料块（block）的槽支撑，以便围绕极板边缘的周边支撑阵列。然而，可以使用任何合适的支撑结构。

虽然场发生器并不限于极板104a-104j的特定数量，但是在一个实施方式中，所述设备优选包括不少于9个且不超过48个中性极板。使用总共25个极板，包括两个阴极板202，两个阳极板204，以及分为七个三元组206a-206g的21个中性极板，具有如本文所述性质的阵列据信是有效的，且可能是最佳有效的。这种阵列200以图2中的高度示意性形式示出，图2未按比例绘制，且绘制其主要是为了示出适于场发生器200的交错极板拓扑的一个实例。在三元组的阳极或阴极中连接极板的图示方式是高度示意性的，而并不应被理解成表示或暗示实际物理构造，除了所示和所述拓扑的方面之外。

每一中性子组206a-206g优选包括奇数的极板，例如三个或五个。每一中性子组具有三个极板（即，三元组）据信是有利的，但是三个或更大的任何奇数使得中性子组能够交错（interleaving），如在图1和图2中清楚地描绘的那样。交错据信有利于场发生器的操作以便进行水的电解以及其它反应，至少可与如本文所述的施加电力的波形一起使用。在图2中所示的交错实施方式中，阴极板202与第一中性三元组206a交错，以及阳极板204与最后的中性三元组206g交错。第一和最后的三元组206a、206g分别与它们的相邻三元组206b、206f交错。中间三元组206b-206f各自与相邻的三元组交错。图1示出了类似的布置。

阵列200可包括奇数或偶数的中性子组，诸如三元组206a-206g。中性子组为奇数据信是有利的，至少适于与如本文所述的施加电力的波形一起使用。

图3示出针对用于构造如本文所述的场发生器的极板300实例的平面图和尺寸。如图所示，极板300用于图1、图10的中性极板104b、104d-104g、104i。高导电性的材料会是合适的，例如铜；镀镍的铜；镍、镀铂或镀钯的金属；或石墨。也可以使用其它金属。可使用任何结构性的导电材料，其或者被涂覆或者在使用过程中不会因水溶液反应器的工作流体明显地腐蚀。所选择的任何表面材料可对场发生器的操作具有一定的效果。当在电解过程中镍镀层覆盖极板104a-104j时呈现所观察到的催化效果。此外，镍、钯、铂或其它催化剂的存在可有助于促进在较低温度下的所期望的反应。各种表面处理可以增强场发生器的操作，虽然使用未经处理的316L不锈钢甚至可观察到在氢氧化钾溶液中水的强烈水解。

极板300可以相对的大致平行主表面为特征。在图3的俯视图（planview）中示出这些表面302的其中之一。极板300的相对表面包括第二表面。该特征使得能够构造如结合图1和图2所述的场发生器。这些主表面没有必要是平坦的和平面的，且可成形为一定的轮廓，只要相对于其最接近的相邻极板的相邻表面保持大致平行的定向即可。

图3中所示的尺寸和形状仅作为实例的方式提供，而并不作为限制性的。所描绘的尺寸和形状据信有利于场发生器的构造，但不是关键性的。极板300包括中心孔304以便适应用于支撑场发生器中极板的非导电性支撑构件。极板300可优选包括任何数量的孔或切口，并且可以各种形状制成。极板300可包括连接片306，其适于用作电连接器连接到相邻极板、连接到外部电源、或者连接到相邻极板和外部电源。如本文所用，“极板”并不限于大致平面的组件或并不限于由极板堆料（stock）而制成的组件。相反，“极板”应理解成优选大致平坦的、弯曲的或折叠的，具有任何数量的通孔以及由任何合适的材料制成。例如，网格或金属丝网材料只要具有足够的刚性以在操作中保持其形状即可配置成如本文所述的场发生器中的“极板”。

参照极板300的几乎所有上述内容适用于阳极板104h、104j和阴极板104a、104c。在某些上述工艺（或过程）中，发现阳极板104h、104j和阴极板104a、104c利用在这些极板中的孔更为有效。对于烃和碳的转化过程而言尤其如此。在图10中示意性地示出这种阳极板和阴极板。代表性的极板310包括孔312的图案。但是这是可应用的孔的图案的大多数之一。目的在于显著覆盖具有孔312的极板310。已发现采用适于阳极和阴极的这种类型的极板可减少功率需求以及增加气体产量。在该具体的实施方式中，镀有镍且具有公称高度/宽度/深度为6′′×6′′×1/8′′的铜-钨极板在电镀之前均匀地穿有5/16′′平方的孔。孔312间隔开1/8′′，使得孔在相邻孔之间的中心到中心的距离为7/16′′。稍宽的结构边界314围绕极板310的周边延伸。

尽管极板300、310可以是大致平坦的或平面的，但是场发生器并不限于使用平面的极板元件。例如，具有一定的轮廓或折叠可用于增加极板的表面积，同时与相邻的极板保持大致平行的关系。图4A示出在构造400中的两个相邻的轮廓仿形极板402、404的顶视图，其中每个极板402、404包括相应的轮廓表面406、408，其保持大致针对它们整个相应延伸程度的共线（或接近共线）法线。这种构造的缺陷在于在由面积相等的极板制成的阵列中，在不对每个极板单独设定轮廓的情况下，在相邻的极板之间就不可能保持精确的平行。通过使用如图4B中所示的替代性构造450可避免上述，在该替代性构造450中折叠的相邻极板452、456存在限定大致平行的相应虚拟表面456、458的多个折叠部（或褶皱）。因此相邻的极板452、456可共用大致相同或等同轮廓的几何形状，同时仍提供相邻极板之间的平行方面。另一种构造400、450目前未经测试，且总的来说可能并不优于平坦的极板。平坦极板的优势包括制造简单，成本较低、容易实现平行以及对于相邻极板之间的流体流动而言的阻力较小。

图5示出组装成水溶液反应器500的场发生器502的一个实例。反应器500包括大致封闭的器皿或容器504，构造成用于容纳液体工作流体以便浸没场发生器502。场发生器502可包括由非导电性框架506支撑的极板阵列，例如如图3中所示的中性极板300以及图10中所示的阳极/阴极板310。圆柱形非导电性支撑构件（未示出）可穿过极板中的中心孔507来将极板固定到支撑框架上。利用在发生器502的上端部处跨接（across）所选定的用于连接的连接片放置的连接器（未示出），所述极板可连接以便提供如本文中所述阴极板组、阳极板组和中性极板组。在操作期间，容器504中的液位可保持低于用于连接连接片（tab）的极板的水平，例如，连接到电缆510以将电力提供到场发生器502的连接片508。在该视图中不可见的互补电缆可类似地连接到位于阵列502的相对端部处的相反极性的极板。

电缆510或其互补部分可利用设计成保持密封的馈通512通过容器504壁。其中在浴中采用配电盘以便分配电流，所述配电盘也可涂覆镍以及由高导电性材料制成以便减少热量积聚并提供更大的催化表面积。除了控制入口和出口端口之外，容器504可基本上密封，其实例将在下面进行论述。在所示的单元500中，O-形环密封件514设置于基部516周围，但是也可以使用任何合适的密封。

在基部516中的液体入口518和出口520可提供成用于连接到再循环系统，其可包括泵、热交换器、和连接线。除了其它之外，再循环系统可使得工作流体通过基部516中的喷嘴阵列进行循环。喷嘴优选将工作流体喷入到场发生器502的单独极板之间。在极板之间的流体喷射据信有助于增强极板之间的流体运动、传热和混合，并有助于从极板表面剥离积聚的气泡。上部端口包括用于添加和补充工作流体成分的一个或多个液体添加端口524和526和固体入口/检查端口528。

如上所述的水溶液反应器可在设备600中使用，以便使得水溶液工作流体在电场中反应，其另外的方面在图6A中示出。该设备600优选包括如前面所述的连接到水溶液反应器601的阴极板和阳极板的施加电力的电源602。电源602优选包括也被称为波形发生器的脉宽调制器604，其优选包括可编程逻辑控制器（PLC）或电子控制单元（ECU）611。优选地，所述波形发生器604可将直流（DC）驱动信号606供应给三相交流发电机610的场绕组608。直流驱动信号优选具有在约10％至90％范围内的占空比，在约1至32kHz范围内的频率以及在约5至50伏范围内的峰值电压。更优选地，直流驱动信号606取决于场发生器603的尺寸具有约50％的占空比和约14-24伏的峰值电压。当步进切换和脉冲切换时，在电源604处消耗25％的电流情况下50％的占空比给场发生器提供驱动信号。

例如，PLC或其它电源611优选在第一频率和第一占空比下产生驱动信号605以便驱动切换装置613，诸如固态继电器。电源611优选在第二频率和第二占空比下将脉宽调制（PWM）的功率信号607提供给切换装置613的输入端。在一个实施方式中，第一和第二占空比可优选等于以及设置到50％或约50％，并且所述第二频率可比第一频率高得多，例如至少10倍大。例如，在一个实施方式中，针对驱动信号605可以使用在24V下占空比为50％的1kHz的第一频率，针对PWM功率信号607也可以使用在12V下占空比为50％的60kHz的第二频率。因此，切换装置产生直流驱动信号606，其具有的频率和占空比等于所述第一频率和占空比。电容器609优选跨接切换装置613的输入端子和输出端子连接以便滤除更高的第二频率，并降低从电源611的电流消耗。驱动信号606的峰值电压和功率由功率信号607确定，在该实例中为12V。

通过将驱动信号606施加到三相交流发电机610的场绕组608，通/断开关可通过构建和撤销（collapsing）磁场来实现，而不是通过结点切换来实现。因此，电源602将鲁棒性的可靠电力提供给所述水溶液反应器601，优选无需使用金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）或其它精密的切换装置。优选地，来自三相交流发电机610的AC信号利用三相全波整流器612进行整流以便给场发生器603的各电极提供直流驱动输出。冷却装置615（例如风扇和冷却塔）优选跨接驱动输出连接或连接到用于冷却交流发电机610的另一电源。

设备600优选还包括真空泵614，其具有与适于反应器601的容纳器皿的内部流体连通的入口，例如从场发生器601上方的顶部空间616抽吸。真空计618也用于测量所述反应器601内的压力。为了使得水电解，已发现需要在顶部空间616内保持真空，真空具有的幅度低于针对水的操作温度而言将导致沸腾或生成大量蒸汽的幅度。一定的真空（一个实例是在约0.5个大气压的真空下运行）操作成启动或维持更强烈的电解反应，且在较低的温度下生成气体。真空泵614优选还可用于从反应器601抽出析出的气体。利用水溶液工作流体620，在非分离的顶部空间616内的析出气体应包括约60％的氢分子、30％的氧分子、以及余量水蒸汽或其它杂质，其中所述水溶液工作流体620包括场发生器603浸没于其中的盐氢氧化物在纯水中溶解的电解质溶液。优选地，析出的气体通过热交换器622或冷却器传送以便排放用于存储或最终使用之前冷却和干燥气体。可以使用任何合适的流量计624来测量流率。

氢气和氧气混合物的用途可包括在常规烃类燃烧发动机中与其它燃料混合以改变燃烧条件或排放，或作为原料供给到化学过程以便生成包括但不限于纯化水的产物。针对移动式或固定式的应用而言，如果氢气从氧气分离，分离出的氢气和氧气可被提供给质子交换膜（PEM）燃料电池以便产生电力。此外，氢气可在氢气燃烧发动机或燃气轮机中燃烧以便产生电力或动力。例如，氢气可利用具有可变占空比的诸如太阳能、风能或波能的可再生资源来生成，并存储以便针对需求匹配的目的用于在氢气发动机或燃气轮机中燃烧。对于从反应器601析出的气体而言，本技术不限于任何特定的最终用途。

在如图6B中所示的水溶液反应器650的替代性实施方式中，一个或多个非导电性屏障膜652或薄膜可设置于在阳极板和阴极板之间的场发生器654中的至少两个极板之间，将所述顶部空间658分成两个或多个隔室660、662。屏障应在液面下方延伸并进入场发生器654的极板阵列内，而不是完全延伸直到液面下方的阵列底部。屏障可大致放置于阵列的中间或其它中间位置处；例如，在25个极板阵列中放置于第十二极板和第十三极板之间，或放置于第十三极板和第十四极板之间。在屏障中可形成槽或其它切口以便使得连接阵列中性子组中极板的跳接器或电连接器664通过屏障652。顶部空间的每个分隔部分660、662可以单独的流清空（evacuated）。在低功率下，氢气应集中到包含阴极的隔室660内，以及氧气应集中到包含阳极的隔室662内。

相对于其中不进行氢气和氧气分离的实施方式，这些替代性实施方式中，有利于减小驱动信号的峰值电压。例如，对于如本文所述的配置有单个屏障652的示例性反应器650而言，其可有利于将驱动信号的电压减小到以在大约6到8V的范围内的某一值，以便实现氢气和氧气更好的分离。在这种实施方式中，通常可观察到气泡形成于靠近阳极板或阴极板位置的极板上，但不形成于屏障652附近的中间极板上。如果使用两个或多个屏障（未示出）提供既不包含阳极也不包含阴极的中间隔室，则其应该包含氢气和氧气的混合物，该混合物也可分别清空。

再次参照图6A，设备600优选还包括液泵626，其具有耦接到反应器620中的再循环歧管的出口。上面已经结合图1和图5对再循环歧管进行了描述。再循环歧管可位于将再循环工作流体的一个或多个喷流引导到场发生器603的极板阵列中的极板之间。泵626还可驱动再循环工作流体通过热交换器628或其它设备以便对工作流体进行温度控制。对于各种反应而言，使用受控的加热或冷却过程可有利于将所述工作流体620的温度控制到设定点。例如，在如本文所述的水溶液电解过程中，取决于环境温度或其它因素，已发现有利于冷却或加热工作流体以便保持温度设定点。作为维持较低温度的一项功能，可有利地采用较高浓度的电解质。

设备600还优选包括蒸馏水贮器630，以及控制阀632，用于将补给水供应到反应容器以便在水溶液反应器601的操作过程中保持工作流体620的体积不变。虽然使用蒸馏水来制备工作流体，但是本技术并不限于使用蒸馏水。例如，其可从过滤井水或海水来制备可用的工作流体。在工作流体中使用海水，也可能在对水进行蒸馏和纯化过程中操作水溶液反应器，通过燃烧析出的氢气和氧气以获得纯水，其中燃烧的热量被单独使用。

根据以上所述，在图7中示出了用于将氢气和氧气从水中解离的方法700。方法700优选包括如本文所述将场发生器浸没于水溶液工作流体内（步骤702）。水溶液工作流体可包括盐氢氧化物在纯的蒸馏水或去离子水中溶解的溶液或由盐氢氧化物在纯的蒸馏水或去离子水中溶解的溶液构成。

方法700优选还包括将电力供应到一个或多个阴极板和在场发生器相对端部处的一个或多个阳极板（步骤704），所述场发生器包括如本文所述的间隔开的平行导体板构成的阵列。极板阵列优选包括介于本文所述类型的阴极板和阳极板之间的多个中性极板。中性极板优选以交错的中性子组布置，每一子组包括至少三个电连接极板。每一中性子组可与中性子组的其它子组、与阴极板、以及与阳极板电隔离。例如，每一中性子组与其他的一个中性子组电隔离。

在供应电力的同时，方法700优选还包括解离布置于极板阵列周围的包括水的流体，以便释放气相的氢气和氧气（步骤706）。

此外，图8示出可实施以便在用于执行方法700的设备中采用的另外任选操作800。操作800可以任何操作顺序来执行；或者部分地或全部地同时执行，而不需要行为的特定时间顺序。操作可独立地但非相互排斥地进行。因此可不管是否执行另一项下游或上游的操作来执行这种操作中的任何一项。例如，如果方法700包括图8中的至少一项操作，则方法700可在至少一项操作之后终止，而无须包括示出的任何随后的下游操作。

操作800可包括通过供应直流电流波来供应电力（步骤802），所述直流电流波具有在10％至90％范围的占空比、在1kHz至32kHz范围内的频率、以及在5V至50V范围内的峰值电压。例如，50％的占空比据信是有利的。频率可被调节以便对于水溶液反应器的给定构造而言进行最大化地生产，且不限于所述范围。类似地，峰值电压可取决于在操作条件下的反应器的大小和阻抗。

操作800可包括保持配制包括盐氢氧化物在纯蒸馏水中溶解的溶液的工作流体（步骤804）。在一个实施方式中，120-220克（例如约120克）氢氧化钾盐可溶解于1.5加仑的蒸馏水中以便提供工作流体的初始体积。在气体析出过程中通过添加水以保持反应器中工作流体的恒定体积而保持上述配制。将所述工作流体中KOH（或其它盐氢氧化物）的浓度降低至显著低于所述范围可减少通过场发生器的电流以及减少气体析出量。

操作800可包括例如使用上述的再循环歧管和泵将至少一流体喷射流引导到阵列中极板的极板之间（步骤806）。操作800可包括将构成场发生器极板阵列保持在大致密闭的反应容器中（步骤808）。此外，操作800可包括保持极板阵列处于大致密闭的反应容器内的压力小于大气压力（步骤810）。例如，保持真空压力可包括将大致密闭的反应容器中的内部压力降低至约0.3至0.8个大气压范围内的压力。对于进一步的实例而言，约0.5个大气压的真空可有助于启动和维持从场发生器强烈地生成析出气体。

在解离流体时，操作800可包括保持流体温度处于设定点（步骤812）。在一个实施方式中，在操作之前流体最初可处于高于工作流体凝固点并低于工作流体沸点的环境温度下，并且在水溶液反应器的操作过程中保持在或者接近120°F的设定点。

操作800可包括利用泵将氢气和氧气的混合物从反应容器中去除（步骤814）。在低功率的实施方式中，这可包括从反应容器的靠近阴极板且远离阳极板的第一部分去除主要包括氢气的第一气流。在这种实施方式中，去除还可包括从反应容器的靠近阳极板且远离阴极板的第二部分去除主要包括氧气的第二气流。这假设在反应容器中水面上方的顶部空间的第一和第二部分由设置于所述阵列的至少两个极板之间的非导电性屏障膜分隔开。在这些和其它实施方式中，可将氢气和氧气的混合物一起从组合的顶部空间抽出。

当使用水而不是碳基材料来生成布朗气体（HHO）时，如上所述，通常观察到所述水溶液反应器内的温度介于115°F和130°F之间。已经观察到水溶液反应器900内的真空变化到高达1.5个大气压，在过程开始时典型观察到的真空幅度为约0.67至0.8个大气压，以及当过程在115°F至130°F之间操作时典型观察到的真空幅度为约0.33至0.5个大气压。在稳态下，产生场的功率可以改变以便达到适当的温度设定点。在操作中，观察到水溶液反应器内部的电场以在12至24伏下在1和25安培之间的功率供应。已经观察到在12到14伏下在反应器900中的功率消耗为大约为6至6.5安培。通过下述可实现燃料的类似输出产出，即串联电连接4个反应器900以及给反应器900在12伏下供以2.4安培的电流，如同利用在12伏下供以6.5安培功率的一个反应器900产生的那样。为了在传统的发动机应用中使用，这将有可能从通过从两个交流发电机和两个桥放大整流器塔供应必要功率的四个反应器900如此布置的电解槽（cell）来产生足够的燃料产量，两个交流发电机和两个桥放大整流器塔的每一个都具有公知的常规设计。

在图9中示出技术的另一方面。在该构造中，该技术利用此前所述类型的水溶液反应器900，其包括一系列的电极板组902a和902b以及水溶液工作流体。用于该过程的阳极板和阴极板优选如上所述且如图1中所示那样是代表性的极板30，并且可使用镀有催化剂的极板。工作流体优选从流体槽904供给到如上所述的反应器900，并优选使用去离子水。在水溶液工作流体还包括烃类组分的情况下，所述组分优选从液压燃料箱906供给。优选地，根据需要所述工作流体是碳基材料（诸如煤粉）与一种或多种液态烃类和水混合的悬浮液。提供液态烃类以助于更容易地使煤溶解，所述液态烃类优选为煤油、柴油、或下降到并包括汽油分子量的一些其它液态烃类。

在该技术利碳基材料的情况下，液压燃料混合器908还设置成将液体和碳基材料的混合物供给到工作的水溶液反应器。液压燃料箱906优选包括搅拌器908，以保持碳基材料悬浮于液压燃料箱906的流体中。在优选的实施方式中，碳基材料将为煤，其研磨成具有在2微米至50微米以及优选在5微米和10微米之间的中值粒径的微细粉末。在碳粉末通过涡轮机纺工艺或导致具有电荷的研磨碳微粒的其它工艺来制备的情况下，已经发现存在该技术的增强效果。液压燃料箱906包括驱动马达909，其将在必要时操作搅拌器908以便保持碳基材料颗粒悬浮于液体中。

优选地，在过程开始时，所述水溶液反应器将包含大约两加仑的水，8盎司的研磨碳基材料（诸如煤），以及4至6盎司的液态烃类。已证明煤油、柴油、或降低到汽油分子量的其它液态烃类在该过程中工作。液态烃类在引入到水溶液反应器之前与碳材料混合。在反应器中，该混合范围显现为通过存在于所施加电场中的解离的氢气和氧气进行更好地重整。在存在电解解离元素的情况下消耗液态烃类和碳基材料。组分在水溶液反应器中的这些比率通过在控制器910的命令下从水箱904供应另外的水或从液压燃料箱906供应烃类和悬浮的碳基材料的另外的液体混合物来控制。在优选实施例中，如上所述，控制器优选是Mitsubishi FX3PLC，其通过Mitsubishi GT1055用户接口911进行接口连接。该控制器910还监测液压箱906的悬浮状态，并根据需要操作驱动马达909保持相同的悬浮状态。

水溶液反应器优选在电场下通过此前所述的占空比操作，其中流体运动优选通过使用循环泵912（其也由控制器910控制）以上文中所述的方式并如图9中所示的那样通过所述水溶液反应器900增强。水溶液反应器的燃料产物从反应器900借助于真空泵920通过气体出口914a、914b抽出。

在本技术的优选实施方式中，从反应器900去除的燃料产物通过干燥器916以便从气体去除任何液体并通过消焰器918，以便最大程度地减小由从反应器900的挥发性燃料输出呈现的潜在风险。该技术还优选包括诸如爆破隔室922的设计成在爆炸时爆破的其它安全设备，以及一系列止回阀928a、928b、928c以便防止任何火源到达水溶液反应器900。

反应器900的燃料输出可以气态或液态形式使用。如果燃料以气态形式使用，则燃料气体通过热交换器924加热，然后通过沉降过滤器926传送。它随后被供给到燃烧室中以便用作气态燃料。替代性地，如果燃料气体用作液化气燃料，则燃料气体通过冷却器925冷却。它随后被供给到燃烧室中以便用作液态燃料。在任一种情况下，针形阀（或具有适当预选压力等级的止回阀）930介于爆破隔室和冷却器925/热交换器924之间，以便控制压力。真空泵920和冷却器925或热交换器924也由主控制器910控制。

当碳基材料和烃类燃料利用如上文所述的图9中所示的技术添加到水溶液反应器900中的工作流体，实验结果表明该系统可在0.5个大气压的真空中进行操作。在操作系统中，没有真空或压力施加到所述水溶液反应器900。在水溶液反应器过程开始时，实验结果表明在12伏电压约3.8安培的功率足以启动反应器电解槽中的反应。一旦反应器内流体的温度达到大约180°F和200°F之间，已观察到功率需求降低到在12伏下为约2.8安培。据信等离子体在水溶液反应器中形成，上述甚至在电力输入已被关闭的时间内继续产生气体输出直到等离子体消散。在这些生产水平下，已经观察到图9中所示的技术9每小时消耗约8盎司煤。

图9中示出的技术输出的变化可通过控制水溶液反应器内部的温度和压力、以及氢氧化钾的水平和含量和/或所选择的碳基材料燃料量来控制。例如，在反应容器内的氢氧化钾水平的增加会将额外的功率拉到系统中，但可使得输出产量较低。采用没有压力的液体再循环，工作流体的温度保持在介于180°F和200°F之间的限定范围内，以便避免大量产生水蒸汽或沸腾。在一定压力下，温度的上限可相应升高且据信可提高产量。

对于商业生产的设备，据信在大约2巴和300°F下操作水溶液反应器900可构造成利用图9中所示的技术制备商业数量的燃料。

燃料输出特性的其它变型可通过控制其它参数例如压力进行控制。已观察到较高的压力提高从图9中所示的技术的气体产量。在较高压力下产生的气体将倾向于具有更高分子数的氢气。然而更轻的燃料可通过降低反应容器内的压力来生产。图9中所示的技术不受到温度、压力、电场、电压和/或电流强度任何特定组合的限制或不限于温度、压力、电场、电压和/或电流强度任何特定组合，也不受到任何选定碳基材料的任何浓度、大小或者选择的限制或不限于任何选定碳基材料的任何浓度、大小或者选择。

实施例

如图3中所示的两个25个极板构成的场发生器（每个场发生器具有不锈钢极板）根据图2中所示的拓扑在密闭反应容器中进行配置并且并联连接到电源上。布置真空泵以便将析出气体从每个容器抽出。配制包含约1.5加仑纯蒸馏水以及120克氢氧化钾（KOH）盐的工作流体并供应给每个反应容器，浸没场发生器。不存在屏障膜。真空泵用于将每个水溶液反应器中的顶部空间清空到低于大气压约7英寸（汞柱）（即，7英寸真空），在120伏下消耗约600瓦特。如上所述，使用在220V下消耗约400瓦特的再循环泵将工作流体的温度保持在大约180°F下，使得通过工作流体通过冷却器传送，并在场发生器下排放到再循环歧管。方波、50％占空比的直流输入供应给场发生器，并导致观察到在约15V峰值消耗约7.3安培的最大气体析出。纯蒸馏的补足水在气体析出过程中添加到水溶液反应器，以保持反应容器中的液面水平。观察到在场发生器的所有极板上均匀地出现非常强烈的气体析出。析出的气体使用真空泵从顶部空间抽出，其在反应容器中保持大约7英寸汞柱的恒定真空。从真空泵的排放物通过浮球流量计传送，然后排放到大气中。将排出的样本捕获于实验室气体取样袋内，并用气相色谱进行分析。获得约60％氢气和约30％氧气的样品结果。从水溶液反应器的混合排放观察到在标准温度和压力（STP）下的约100升/分钟的总流速，相当于约60升/分钟的氢气或每小时约1/3千克的氢气。每小时由设备消耗三公斤多一点的水，正如在排放物中可能存在一些水蒸汽或冷凝水的所特定预期的那样。

测试如图6B中所示的利用分离阳极板和阴极板的单一气体屏障的另一种设备，其它条件如在前面段落中所述的那样。然而，将DC输入电压调节到6至8伏的范围内。在这些条件下，从屏障（或阻挡层）的阴极侧获得约40升/分钟的气体流率，并从阳极侧获得约20升/分钟的气体流率。从阴极侧所获得的气体观察到在空气中可燃，但不具有爆破性。从阳极侧得到的气体是不可燃的。这些观察与从屏障相对侧生成分离的氢气和氧气相一致。

诸如铂、钯或镍的催化剂的使用可用于降低用于产生等离子体的温度，从而降低将烃类重整为燃料的温度。

因此，已公开了水溶液反应器和反应器的各种用途。虽然已经示出和描述了该技术的实施例和应用，但是对于本领域的技术人员而言显而易见的是在不脱离本文的发明性理念下许多更多的修改是可能的。因此，本发明不受到限制，除非在所附权利要求的精神内受到限制。

Claims (16)

1.用于产生电场的设备，该设备包括：

极板的一个或多个阵列，第一阵列包括由非导电性框架支撑的间隔开的平行导电性极板，其中，极板的所述第一阵列包括能够在阵列的第一端部处作为阴极的一个或多个极板，能够在与第一端部相对的阵列的第二端部处作为阳极的一个或多个极板，以及能够作为阴极和阳极的介于极板之间的一个或多个中性极板，其中，所述中性极板以交错的中性子组布置，第一中性子组包括至少三个中性极板，所述至少三个中性极板电连接到一起并与能够作为阴极和阳极的极板以及任何其它中性子组电隔离。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，每个子组的极板与其它子组的极板相交错。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述极板基本上包括镀有用于电解的活性催化剂的高导电性的材料。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述活性催化剂为镍。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的设备，其中，阳极板和阴极板具有通过板的孔的图案，所述极板的公称尺寸类似，并且在每个阳极板和每个阴极板上的孔的图案的面积大于每个阳极板和每个阴极板的剩余实心区域的面积。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，该设备还包括连接到所述阴极板和阳极板的施加电力的包括波形发生器的电源，其中，所述波形发生器产生直流电流波形，所述直流电流波形具有在10％至90％范围内的占空比、在1kHz至32kHz范围内的频率以及在5V至50V范围内的峰值电压。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，该设备还包括设置于阳极和阴极之间、延伸以防止气体从水上方混合的非导电屏障膜。

8.一种在反应容器中从水中解离出氢气和氧气的方法，该方法包括：

将电力供应给在间隔开的平行导电性极板的一个或多个阵列的相对端部处的一个或多个阴极板以及一个或多个阳极板，其中，所述极板的阵列包括介于阴极板和阳极板之间的多个中性极板，所述中性极板以交错的中性子组布置，每个中性子组包括至少三个电连接的极板，且每个中性子组可与中性子组的其它子组、与阴极板、并与阳极板电隔离；且

供应电力的同时，解离含有设置于极板阵列周围的电解质的水以析出气相的氢气和氧气。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，供应电力进一步包括供应直流电流波形，所述直流电流波形具有在10％至90％范围内的占空比、在1kHz至32kHz范围内的频率以及在5V至50V范围内的峰值电压。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，该方法还包括：在解离水的同时，将水的温度保持在约115°F和130°F的范围内，且在真空下低于水的沸点。

11.一种用于制备可燃流体的方法，该方法包括：

保持液态燃料原料，液态燃料原料包括碳基材料在具有电解质的水中的悬浮液；

穿过液态燃料原料施加电流以便生成气体输出；

提取所述气体输出。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述碳基材料在悬浮于水中之前具有电荷。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述碳基材料包括煤，所述煤具有不大于约10微米的中值颗粒直径。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，在施加所述电场的过程中，液态燃料原料保持在大约180°F或以上的温度，以及在解离水的同时，在足够的压力下以保持液态燃料原料低于水的沸点。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述液态燃料原料还包括液态烃类燃料。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，烃类液体与碳基材料的体积比为从约0.75比1到约1比1。