CN106981674A - 一种水燃料电池氢能发电机及其发电的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造仅需要补充水就可以持久性地发电的机器及其发电的方法，这种机器发电的功率密度与已商品化的碱性燃料电池功率密度相近，发电的成本相对其它燃料电池最低。因为其发电的方法是由一种新发现的水制氢法与传统氢燃料电池技术组合而成，故其名称叫水燃料电池氢能发电机，简称JS发电机或碱水发电机。其特点是直接用水代替氢气和空气或氧气作为燃料及氧化剂，其特征为发电时不需要加入氢气和空气，仅需要加入纯水，不消耗任何其它物质就能够持久性的发电。可制备成为移动式家用发电机；或用于制造各种中小型的发电站；特别适用于制造燃料电池动力车，也特别适用于需要氧气的航天飞机或潜艇等地方应用。

Description

一种水燃料电池氢能发电机及其发电的方法

一、技术领域

本发明涉及一种制造仅需要补充水就可以持久性地发电的机器及其发电的方法，这种机器发电的功率密度与已商品化的碱性燃料电池功率密度相近，因为其发电的方法是由一种新发现的水制氢法与传统氢燃料电池技术组合而成，故其名称叫水燃料电池氢能发电机，简称JS发电机或碱水发电机。其特点是直接用水代替氢气和空气或氧气作为燃料及氧化剂；其特征为发电时不需要加入氢气和空气，仅需要加入纯水，不消耗任何其它的物质，发电时无废气、废水、废渣的排放；发电的成本低于火电厂的上网电价，相对其它燃料电池发电成本最低。可制备成为移动式家用发电机；或用于制造各种中小型的发电站；特别适用于制造燃料电池动力车，可以完全省去投入巨大的加氢站的建设以及氢气的储运过程；也特别适用于需要氧气的航天飞机或潜艇等地方应用。

二、背景技术

众所周知，氢能只有氢气这一种燃料，氢气燃烧发电后的唯一产物是水，且没有任何废气的排放，水又可以制备氢气，所以，理论上氢能是人类最理想的可再生清洁能源。但是百年以来，由于工业化水制氢的成本一直过高，是化石燃料平均价格的4倍以上，所以，水制氢的成本问题一直成为人类大规模利用氢能的一个难以逾越的障碍；尤其是水制氢的电能消耗之成本问题，一直成为水制氢的技术瓶颈问题，所以人们一直想利用光能代替电能实现水制氢，但迄今这种光催化水制氢技术历经数十年也不能够实现工业化。这是因为传统的水制氢原理认定：如果要将水转化为氢气，要么必须从外界输入最低理论分解的能量，例如工业上水电解制氢要求输入的最低理论分解电压为1.23V；要么消耗铝等能与水反应生成氢气的其它物质，例如铝水制氢，二者必居其一。如果说仅仅通过化学催化反应的途径，不消耗任何能量，不消耗任何除水以外的其它物质，而又能够将水分子转化为氢气分子，则是一件不可能想象的事情。然而，本发明的一种水制氢方法，不需要输入电能或光能或热能等任何能量，也不需要消耗铝等任何其它的物质，仅仅凭借离子交换膜和离子迁移推动力的合力，就能够通过离子反应的途径，高产率地将水转化为氢气和氧气，同时释放热能或电能。这显然与传统水制氢的原理相违背，也与经典热力学第二定律的计算公式不相符合，故受到本领域技术人员超常的质疑，质疑这种水制氢的方法能够将水转化为氢气和氧气的能量从何而来？似乎不能符合能量守恒定律？因此，在本说明书的“背景技术”一栏中，必须回答这一问题。

首先，列举早已客观存在也为业内人士熟知的事实，这些事实本质上体现了一种自发地水制氢的方法，请特别注意这些事实中水变氢气的现象，也与传统的水制氢原理相违背，同样存在能量来源的疑问。

“事实1”：即盐水浓差电池发电时水变氢气的现象，其中最典型的实例就是反电渗析电池法盐水发电过程，请参阅“一种利用盐差能反电渗析的发电装置”的专利，专利号为201220103756；请参阅《基于反电渗析法盐差发电实验研究》、《海洋新能源-海水盐差能发电》、《反电渗析法海洋盐差电池的结构优化与能量分析》、《逆向电渗析法海水盐差能发电工艺研究》等文献可知：反电渗析电池发电的同时其阴极室必然产生氢气和氢氧化钠，在阳极室必然产生氯气，其发电的原理是一种现代中学生已知的盐水浓差电池。无疑，其产生氢气的氢元素必定来源于水，不可能是氯化钠或任何其它的物质。而这种浓差渗析电池水变氢气的现象已经清楚地表明：不需要从外界输入电能或光能或热能等任何能量，也不需要消耗铝等任何其它的物质，仅仅凭借离子交换膜和离子浓度差的合力，就可以自发地将氯化钠和水转化为氢气和氢氧化钠和氯气，同时释放电能。显然，这个现象与传统的电解法盐水制碱的原理相违背，同样存在一个能量来源的问题。奇怪的是，反电渗析法的示范样机早就制造成功了，竟然没有一个人质疑产生氢气和氯气的能量来源问题，只说是发出的电能来源于海水的盐差能。而且，反电渗析发电的业内人士只是注意到了利用浓差能发电，却没有注意到反电渗析法主要生产的能量应该是氢气能量；没有注意到：一般氢燃料电池的功率密度至少超过浓差渗析电池功率密度的10倍以上，氢能的发电量至少是浓差能发电量的10倍以上。显而易见：本发明的水制氢法的现象和原理与反电渗析发电过程中产生氢气的现象和原理是相通的。由下述实施例1-11可知：本发明发电的方法利用了反电渗析发电法这一背景技术，利用了原反电渗析法完全没有利用的氢能量(氢气或氢自由基)，因此，本JS发电机在传统反电渗析法的基础上大幅度地提高了发电量；本发明实质上是在反电渗析发电法基础上的一种“顺理成章”的技术改进——有三点实质性的技术改进：第一，将氯化钠水溶液改进为KOH水溶液，由此从电池的阳极室出来的不是氯气而是氧气；第二，将原来的阳离子交换膜和阴离子交换膜改装为统一的阴离子交换膜或阳离子交换膜，以统一的阴离子交换膜为主，将原来的“三室型”改进为“二室型”，由此提高了发电效率；第三，将原来的阳极钛涂钌电极改进为没有钌涂层的纯钛阳极电极，由此在每个单元槽上增加了1.1V的离子迁移推动力。因此这三个改进，在相同的离子交换膜总面积的前提下，本方法的发电量比传统的反电渗析法的发电量至少提高了50倍以上。

“事实2”：在室温下，将电气石粉放在盛水的真空容器中的水平面下，可以永久性地从这个容器中收集氢气和氧气，一直到容器中的水耗尽为止，而不消耗电气石粉。“事实2”体现了一种以水为原料自发地制备氢气的现象，其已经清楚地表明：不需要从外界输入电能或光能或热能等任何能量，也不需要消耗铝等任何其它的物质，仅仅凭借电气石内部的力量，就可以自发地将水转化为氢气，同时释放能量。需要提出的问题是：电气石内部永久性的能量来源于哪里？永久磁铁内部永久性的能量来源于哪里？已有文献报道的理论回答说来源于电气石内部的“自发极化”，来源于铁磁体内部的“自发磁化”。

“事实3”：由业内人士已知的各种水蒸气浓差电池发电的现象可知：不需要从外界输入电能或光能或热能等任何能量，也不需要消耗铝等任何其它的物质，仅仅凭借ZrO₂固体电解质或质子导体的力量，就可以自发地将水蒸气转化为氢气和氧气，同时释放电信号(电能)。而且，氢气和氧气的产量与加入的水蒸气的分压强成直线上升的关系，与通过固体离子导体或质子导体的离子或质子的迁移量成直线上升的关系。(注：理论上完全可以将传统的水蒸气浓差电池改装为一种发电机或发电站，只要配置的离子导体或质子导体的有效面积足够大，配置的水蒸气分压强足够大)。

然后，根据上述早已存在的事实1～3的客观现象以及浓差渗析电池的原理(请参阅《离子交换膜浓差渗析电池对电能转换的探讨》一文)，新开发了如下所述的客观事实：

“事实4”：选择离子膜烧碱生产车间的电解槽，关闭电解的电源，保持该电解槽反电流的电流回路，将质量浓度为40％的氢氧化钠(或氯化钠)热溶液加入该电解槽的阴极室，将纯水加入该电解槽的阳极室，随着时间的进行，阴极室不断地产生氧气(或氯气)，阳极室不断地产生氢气和氢氧化钠，同时该电解槽有反向电流输出，直至两个极室中的钠离子浓度基本平衡，产生氢气和氧气(或氯气)以及反向电流输出的过程即行停止；最后计算得知，产生氢气的量与阳极室钠离子的浓度成正比，与输出的反向电流量成正比，反电流的电流密度可达1KA/m²。

显而易见：上述“事实4”与反电渗析发电或浓差渗析电池发电的现象和原理完全相同。

“事室5”：选择一个氧浓差电池商品，抽干净该电池两个极室的气体，在该电池的阴极室加入不同压力的纯水蒸气，随着过程的进行，用氢气分析仪可测出该电池的阴极室不断地有氢气产生，用氧气分析仪可测出该电池的阳极室不断地有氧气产生，同时用电表可测出不断地有电流输出；最后计算，氢气和电流的产生量与加入的纯水蒸气的压力成直线上升的关系。(注：理论上完全能够把氧浓差电池制造成为大型的水制氢气和氧气的原电池型反应器，只要配置的负离子导体的面积足够大，配置的水蒸气分压强足够大)。

“事实6”：选择离子膜烧碱生产车间的电解槽，关闭电解的电源，切断电流回路，将浓氯化钠盐水加入该电解槽的阳极室，将纯水加入该电解槽的阴极室，随着过程的进行，阳极室不断地产生氯气，阴极室不断地产生氢气和氢氧化钠，同时阴极室内水溶液的温度升高，直至二个极室的钠离子浓度基本平衡，产生氯气和氢气的过程即行停止，氯气和氢气的产量与阴极室内氢氧化钠的浓度成正比，即与钠离子从阳极室移动至阴极室的迁移量成正比。

“事实6”与扩散渗析回收碱过程的现象相同，与反电渗析法和“二室型浓差渗析电池”的现象及原理相同，

上述事实4-6也已经清楚地表明：不需要从外界输入电能或光能或热能等任何能量，不需要消耗铝等任何其它的物质，仅仅依靠离子交换膜或固体电解质和离子浓度差或气体分压强差的合力，就能够通过自发地化学反应的途径，将水分子转化为氢气和氧气分子，或者将氯化钠分子转化为氢氧化钠及氯气和氢气分子，同时释放能量；不存在水制氢的“二者必居其一”的问题，也不存在必定需要从外界输入氯化钠的最低理论分解电压(2.2V)的问题。因此，上述事实1-6已经充分证明：完全可以通过一个自发的化学放热反应过程，通过提高离子定向迁移量的途径，将水高产率地转化为氢气和氧气，而并非一定要从外界输入能量或消耗铝等其它的物质；上述事实1-6也充分表明：制造只需要加水就能够持续发电的发电机或发电站是完全可行的，且与盐水浓差电池一样，完全符合能量守恒定律，符合热力学第一定律。而且，它们的过程也简单易行，其核心部件为离子交换膜。只要安装相应面积的离子交换膜或离子导体，就能够设计和生产所需的氢气量和氧气量以及发电量；只要离子交换膜的寿命足够长，就能够持久性地发电或输出能量，从而设计和生产所需求的发电机或发电站，或者为太空飞船和潜艇设计制造所需要的氧气供应装置，或者为石化企业设计制造所需要的氢气供应装置。

但应该提出的焦点问题是：上述事实1-6能够自发地将水转化为氢气的能量来源于那里？而且，象反电渗析发电那样仅仅回答能量来源于盐差能或浓差能或所谓的化学势能是不够的，是不能令人信服的。我们通过研究和实验，找到了这个焦点问题的答案：即水自发地转化为氢气和氧气的能量来源于定向迁移的钾离子或钠离子的内能；或来源于电气石的内电场驱动氢离子定向迁移导致水分子不断地离解的内能；或来源于定向迁移的氢氧根负离子的内能。因此，上述事实1-6的现象完全符合能量守恒定律，但不符合传统的电解水制氢的原理，也不符合教科书上的热力学第二定律的计算公式和吉布斯自由能计算公式。

能量来源于离子内能的具体答案如下所述：我们通过总结大量的离子反应事例后，归纳出一条规律：“正在定向移动的水合离子，容易自发地发生氧化或还原反应，同时释放或吸收能量；其中碱金属水合离子的定向移动，能够自发地将水转化为氢气和氢氧根离子，同时释放化学能”。这个规律包括的现象之范围很广：包括一切盐水原电池的现象，在其阴极室不可避免地有氢气产生，同时阴极室的碱性增强，只是产生氢气的量微小时不易目测；包括一切金属电镀的过程，不可避免地产生氢气；包括在真空箱中稀释固体氢氧化钾，即最常见的固体KOH之溶解过程，放出大量热能的同时，若用氢气分析仪和氧气分析仪检测，可确定该溶解过程中有氢气和氧气的生成；包括上述事实1-6的现象与过程；包括一切盐水或碱水的扩散渗析分离过程；特别是包括细胞的“生物电起源”过程……，等等。所以，从这一规律出发，我们找到了一个未知的产生自由基离子的渠道，也找到了一种未知的离子内能源，即一种离子的原子核外轨道中由电子自旋运动自发激发的能源，一种不符合经典热力学第二定律以及教科书上吉布斯自由能计算公式的内能源。为此，举上述“事实4”为例，祥细说明这种“离子内能”能够象“生物电起源”那样自发地“起电”的具体机理，即说明上述事实1-6能量来源的具体机理：

“事实4”属于一种典型的由离子浓度差力推动的定向迁移。我们已知，当在离子膜电解槽的阴极室加入浓氢氧化钠溶液后，依靠钠离子浓度差的推动力，钠正离子必定渗析透过阳离子交换膜，从该电解槽的阴极室进入阳极室，而氢氧根负离子却不能够渗析透过阳离子交换膜，仍然滞留在该电解槽的阴极室，由此导致阴极室氢氧根负离子过剰，同一时刻阳极室的钠正离子过剰；我们也已知：过剰离子是一种带电粒子，因此，该电解槽阴极室的负电荷必然过剩，同一时刻，该电解槽阳极室的正电荷也必然过剩，由此二个极室溶液的电中性必然被扰乱，必然不遵守溶液的电荷守恒定律，而电中性被扰乱的溶液必然处于一种不稳定的激发态。根据溶液的电荷守恒定律，为了满足溶液的电中性，为了满足能量守恒定律，这种激发态的溶液必然要通过某种可变化的途径恢复达到新的平衡稳定态，要么形成稳定的电容式双电层；要么通过化学反应形成新的物质，从而重新达到溶液的电中性或电荷能量守恒。从“事实4”的阳极室产生氢氧化钠和氢气的现象可知：为满足阳极室的电中性，在阳极室必然发生了某种化学反应过程。通过研究确定：阴极室中低能的水合钠离子渗析透过阳离子交换膜进入阳极室后成为过剰钠离子，成为多余的带正电荷的钠离子。而我们已知，每个带电荷的离子具有过剰离子磁矩(也称为不等于零的离子磁矩)，具有过剰的电子自旋磁矩，这一性质与带有未成对电子的钠金属原子的性质相同；也与永久磁铁中原子磁矩不等于零的原子的性质相同；也与电气石中的永久性带电粒子的性质相同。我们也已知，凡带有未成对电子的分子、原子、离子都具有电子自旋过剰磁矩(不等于零的磁矩)，它们吸收外界能量后，容易发生电子自旋共振现象或原子激励现象，即离原子核较近的低能级电子自发地跃迁至远离原子核的高能级的地方，成为一种不稳定的激发态电子，随后迅即发生自发辐射跃迁，即电子从高能级的地方自发地回迁至距离原子核较近的低能级轨道，从而从激发态重新恢复到稳定的平衡态，同时释放光子。因此，“事实4”阳极室的过剰钠离子中的原子核外某电子吸收能量后必然自发地发生与电子自旋共振类同的低能级至高能级的电子跃迁(一种量子跃迁)，由此被激发为超高能的钠自由基正离子，随后迅即与水发生自由基型的化学反应，合成氢氧化钠和氢自由基及其氢气，同时产生由电子自发辐射跃迁所释放的能量，从而以此途径消除了“事实4”的阳极室溶液中的过剰钠离子，消除了多余的带正电荷钠离子，又重新达到了阳极室溶液的电荷守恒，重新满足了溶液的电中性，使被扰乱了电中性的溶液恢复至稳定态。同样的理由，在该电解槽阴极室的过剰氢氧根离子，为满足阴极室中溶液的电中性，必然通过自发的电子能级跃迁转化为羟基自由基负离子，必然发生自由基型二聚反应直接或通过过氧化氢中间体转化为氧气和水。这里需要特别注意的是：这个生产氧气的能量主要来源于NaOH中的氢氧根离子，而不是传统水电解原理所谓的完全来源于水解离的氢氧根离子，所谓的“KOH不参与电极反应”的说法明显是错误的，因为不能说水解离的氢氧根离子能够参加电极反应生成氧气，而KOH解离的水合氢氧根离子就不能够参与电极反应生成氧气，只能作为一种离子迁移的导体或载体，这种说法明显地违反了关于氢氧根离子的定义，只要是属于OH^-离子的化学结构式，其化学反应的性质就应该是一致的。因此，以氢氧根离子参与反应生成氧气的途径，消除了阴极室溶液中的过剩氢氧根离子，从而满足了阴极室溶液的电中性。而且，这一时刻因为钠离子朝阳极室方向的迁移，使“事实4”中电解槽的原阴极室变成了实质上的阳极室，原阳极室变成了实质上的阴极室，因此产生了与电解电流方向相反的反向电流，这正是离子膜烧碱生产企业的电解槽突然停电时必然产生反向电流从而损坏阴极电极涂层及离子膜之现象的原理。其实，上述“事实4”正是根据离子膜烧碱生产企业普遍存在的电解槽反向电流现象开发而成。所以，“事实4”是铁的现象，“事实4”是铁的事实；“事实4”是本发明的水制氢技术的背景技术之一，是本发明的JS发电机(碱水发电机)的背景技术之一。

然而在这里需要解答的问题是：电子自旋共振或原子激励现象都是吸收外界的能量才自发地发生了原子核外电子从低能级至高能级的跃迁，而并未见上述“事实4”从外界输入电能或光能或热能等任何能量的过程，那么，“事实4”的过剰钠离子能够自发地发生电子从低能级至高能级的跃迁吗？或者说“事实4”的过剰钠离子自发地发生电子能级跃迁转化为超高能的自由基离子的过程，其吸收的能量来源于哪里？如果有条件采用电子自旋共振仪在线检测“事实4”生成氢氧化钠和氢气和氧气的过程，就可以得到相应光谱图的实证。我们因为没有这个条件，故参阅了早就已知的铁磁体自发磁化现象，参阅了《关于磁性物质的自发磁化》和《自发磁化的交换作用理论》等一系列文献，推导如下所述的过剰钠离子自发地吸收能量之机理：溶液中的过剰钠离子，在扩散或迁移过程中必然发生踫撞，就好象铁磁体中二个最相邻的原子一样。二个相互碰撞的过剰钠离子自发地发生了象铁磁体中最相邻原子那样的“自发磁化的静电交换作用”，即一个过剰钠离子吸收了另一个相互碰撞的过剰钠离子的“过剰电子自旋磁矩”(一种有方向性且释放微波的能量)后，相互间产生了由微波频率激发的“静电交换作用”，使碰撞的过剰钠离子中距离原子核较近的电子会自发地跃迁至原子核的最外层，成为一个未成对电子，从而以此通道自发地转化为钠自由基正离子。由《自由基化学》可知，绝大多数自由基离子为超高能粒子，且很不稳定，必然迅即发生自由基型反应生成新产物，同时通过自发辐射跃迁的通道释放化学能。故“事实4”的钠自由基正离子必然迅即与水发生自由基抽氢反应，转化为氢氧化钠和氢气，同时释放化学能。由此可知，“事实4”过程的能量来源于过剰离子中原子核外电子的一种释放微波频率的电子运动所产生的自由基能量，来自于过剩离子中的原子内部而非外界的能源。通过搜索文献和资料，发现这是一种未知的产生自由基离子的通道，一种未知的过剰离子内能源或未知的原子内能源。因此，“事实4”的整个过程完全符合能量守恒定律，只是不符合教科书上的热力学计算公式。(注：我们已知，一切自发磁化现象都不符合经典热力学计算公式)。值得注意的是，通过大量的对比性研究，发现大多数的电极反应现象与自由基型氧化或还原反应的现象相通，故电极反应与自由基离子反应之间，应该存在一种紧密的内在联系，还需要进行深入的基础研究工作去探讨这种联系。而且，以过剰离子的内能作为化学反应的推动力，理论上可以将一切低能的水合离子转化为相应的超高能自由基离子，从而可以将一切水溶性的矿物盐还原为可燃物，同时释放能量。例如，在大自然环境的条件下，仅仅依靠KOH催化剂的力量，就可以自发地将碳酸钾水溶液不可逆(100％)地转化为碳水化合物等有机物，联产等当量的KOH，该KOH吸收空气中的二氧化碳又转化为等当量的碳酸钾，通过这种循环过程，可以在无光照的条件下，不断地吸收空气中的二氧化碳与水一起转化为碳水化合物等有机物，这是一个无光照的光合作用过程，该过程也是本发明的水制氢方法的背景技术之一。(注：这个过程已经成为铁的事实，一个普通的中学生也能够复制这个事实)。因此，所谓“离子内能源”，正是离子交换膜(包括一切离子导体和质子导体)能够直接作为一种自由基型反应的催化剂用途之原理；正是上述事实1-6能够自发地将水转化为氢气的原理；实验已证明：这也正是能够自发地将碳酸盐或硝酸盐或硫酸盐与水反应还原为各种可燃物并副产电能的自由基型反应之原理；这也正是能够解释二氧化碳浓差电池传感器这个商品的能量来源之原理；这也正是能够解释盐水浓差电池水制氢的能量来源之原理；这也正是能够解释采用离子交换膜后就大幅度地降低了盐水制碱的直流电耗之原理……，等等，可以用众多新开发和“早已熟知”的事实证明：上述事实1-6的现象或过程的能量来自于一种未知的离子内能源，而离子的“定向”迁移产生的过剩离子正是这些现象的内在联系，是能量转换的内在联系；由离子定向迁移引发的自由基离子能，正是以水为原料能够自发地制备氢气和氧气并释放化学能的力量源泉；离子交换膜(或一切选择性离子导体)是催生水合离子定向迁移生成过剩离子的量之核心部件，其面积的大小是决定氢气和氧气产量的关键因素之一，从而是氢能发电量的决定因素之一；另一个决定因素就是离子定向迁移的推动力的大小，即电位差力或浓度差力或压强差力或它们混合的推动力的大小。

总而言之，溶液中离子的定向迁移必定在溶液的局部区域产生过剰离子；游离的过剰离子必定转化为相应的自由基离子；游离的自由基金属正离子必定能够与水发生反应产生氢气和金属氢氧化物；离子交换膜的有效面积和选择性以及离子迁移速率是氢气产量的决定因素。实验证明：这种自由基反应的速率与离子的定向迁移速率成正比，与离子交换膜的选择性和有效面积成正比。离子交换膜的选择性越高，膜的有效面积越大，离子定向迁移的推动力越大，则单位时间生产氢气的量也就越大，同时释放的功率密度也越大。这是能够制造出可大规模产业化的水燃料电池氢能发电机或发电站之原理，从而也是一种能够为国家及时地解决大气雾霾问题和永久性地保障国家能源安全的最佳方案之原理。

另外，评审专家们说因为上述“事实4”不符合经典热力学第二定律，不符合吉布斯自由能的计算公式，所以“事实4”的过程是不可能实现的。故在此特别需要补充说明：不符合“经典”热力学第二定律的化学现象早已存在，例如，由《B-Z振荡反应》等系列文献可知：由于化学振荡反应现象与经典热力学第二定律的理论矛盾，因此它的发现遭到了许多人的嘲笑，所写论文6年内不能刊登发表。然而，今天的一个普通中学生也能够复制化学振荡反应的实验，化学振荡反应现象已进入现代中学化学辅助教材，用于解释振荡反应现象用的是所谓《现代热力学》而不是“经典”热力学第二定律。我们已知：一切振荡反应现象都不符合教科书上的热力学第二定律，不符合教科书上的吉布斯自由能计算公式，故采用经典计算公式来鉴定一个事实的真与假的做法或评审，只会对原始科技创新造成伤害。因为“经典理论”与“原始创新”在逻辑概念上总是相反的；而且，上述“事实4”的过程非常简单，鉴定其是真是假，用不着采用复杂的计算公式，简单地亲自做一做实验就可以得出明确的结论。

由上述可知，离子定向迁移速率是决定发电的电流密度大小的关键因素之一。而我们已知，推动离子定向移动的力量主要有三种：电位差力、浓度差力、压强差力。浓度差力的力量有限，尤其是海水盐的浓度为3.5％左右，更是缺乏浓度差的力量。一般燃料电池中离子定向迁移所依靠的力量主要是电位差力，这也是一般的电解法或原电池法电极反应的主要推动力。本发明的水燃料电池氢能发电机与传统的反电渗析法发电装置相比较，具有二大优势：a、综合利用了原电池电位差力和KOH离子浓度差力，而反电渗析发电仅仅依靠有限的氯化钠离子的浓度差力；b、本发电机主要利用氢气或氢自由基氧化反应的能量，而传统的反电渗析法没有利用阴极室所产氢气的能量发电，故本发电机的离子膜利用率远远超过反电渗析法发电的离子膜利用率，其单位发电量与已经商品化的燃料电池的单位发电量相近，远远超过反电渗析法的发电量。而且，组装JS发电机的部件和材料全部可用已有的商品，故本发明的方法已具备制造实用性发电机或发电站的应用价值。但是有一个具体的技术问题需要在此回答，业内人士众所周知：原电池电位差力的产生一般需要消耗铝、锌、铁等阳极电极材料，例如传统的“盐水发电机”商品或金属燃料电池，需要消耗铝阳极电极材料，难道JS发电机依靠的原电池电位差力不消耗阳极电极材料吗？答案是不需要。为了降低水制氢的成本，提高离子迁移的推动力，并达到“不消耗任何其它的物质”的要求，我们已经针对易腐蚀的阳极电极材料的选择进行了大量的研发工作，发现纯钛电极表面在浓KOH的溶液中被钝化为致密且十分惰性的一氧化钛膜，其使用寿命可达到惰性电极的要求，尤其是这种非化学计量的一氧化钛膜的电极电位仍然较低，为-1.1V～-0.7V，由此在强碱性介质中，把纯钛作为阳极电极材料与阴极的钛涂钌惰性电极组成的电动势可达1.4V以上，实际运行时单元槽的原电池电位差力也超过1.1V以上，已经超过了常规的质子膜燃料电池的单元电池的电位差推动力，从而构建了本发明的水燃料电池反应器及其以水为原料制备氢气的方法，以该法制备氢气的成本低于化石燃料的平均售价；这也是本发明的背景技术之一，为制造实用可行的水燃料电池氢能发电机奠定了坚实的基础。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种制造只需要加水就能够持久性地发电的机器之方法，这种机器的名称叫水燃料电池氢能发电机，以下简称JS发电机或碱水发电机。是在传统反电渗析发电和碱性燃料电池基础上的技术改进，只要配置KOH溶液的离子发生定向迁移的推动力和离子交换膜，就必定能够输出相应的电能，而不需要专门配置氢气燃料，可以用水代替氢气作为直接的燃料；由此省去了原碱性燃料电池必需要的氢气储运过程，省去了加氢站的配套建设。本方法配置的离子推动力主要为原电池电动势，并结合了浓度差推动力，离子的推动力越大，离子定向迁移速率就越大，离子定向的迁移量也越大，从而输出的电量和功率密度就越大。本发明的JS发电机主要以纯钛电极与钛涂钌电极组合的原电池电动势(1.4V)为离子的推动力，并结合KOH浓度差的推动力，采用阴离子交换膜或阳离子交换膜作为确定离子迁移的方向及其迁移量的核心部件，输出的功率密度大于传统碱性燃料电池，又不需要加入比水贵得多的氢气，因此大幅度地降低了传统碱性燃料电池发电的成本；同时不需要加入空气或氧气，彻底解决了传统碱性燃料电池易被空气中二氧化碳污染的缺陷，拓展了碱性燃料电池的应用领域。其原理是根据“溶液中离子的定向迁移容易发生自由基离子反应”的规律，将新发现的一种水制氢的方法与已经商业化的燃料电池技术串联装配一体，制造一种A型JS发电机；或者将已工业化的离子膜电解槽改装为一种K型JS发电机；或者将已工业化的电渗析器改装为D型JS发电机或椭圆形JS发电机。发电时仅仅需要补充的原料为纯水，统称为“水燃料电池氢能发电机”，既可以用于建造各种中小型的发电站，又可以用于制造各种动力车的发动机。其核心部件为离子交换膜，离子交换膜的寿命越长，离子交换膜的面积越大，离子交换膜的选择性越高，则能够提供的能量就越大，提供的能量也越持久。JS发电机独一无二的特点是：即使是在没有空气的地方，只要有水，也能够产生氢气和氧气以及供电。

1、一种以水为原料制备氢气和氧气的方法

选择氯碱工业的离子膜电解槽，将该电解槽的阳离子交换膜改装为阴离子交换膜，同时将该电解槽的阳极钛涂钌电极改装为阴极电极，将没有涂层的纯钛电极作为阳极电极；电极安装的标准不变；并且在阴极室一侧与每个阴离子交换膜平行，补充安装一个正渗透技术中的半透膜，半透膜与阳极室的水道联通；原离子膜电解槽的其它装置及其控制系统基本不变；由此改装后的电解槽作为一种水制氢气和氧气的反应器，叫水燃料电池反应器；其特征为采用该反应器，不需要输入电能或光能或热能等任何能量，也不需要消耗任何其它的物质，就可以自发地将水按需所求地转化为氢气和氧气，同时发出电流。

采用水燃料电池反应器水制氢气和氧气的方法，包括以下次序的几个步骤：

在该水燃料电池反应器的每个阴极室分别加入计算量的质量浓度为40-45％的KOH水溶液，在每个阳极室分别加入计算量的质量浓度为20-25％的KOH水溶液，保持阴极室的水平面高于阳极室的水平面；按照碱性燃料电池的工艺条件及原离子膜电解槽的操作规程和控制条件进行操作，随着过程的进行直至反应器平稳运行，从阴极室不断地产生氢气，从阳极室不断地产生氧气，同时不断地释放出电流；这时阳极室的KOH溶液被稀释，阴极室的KOH溶液被浓缩，导致二个极室的渗透压差增大，在该渗透压差的驱动下，阳极室的水自动地渗透通过半透膜进入阴极室，由此保持了阳极室的水平面与KOH浓度不变，同时通过在阴极室定时定量地补充纯水，保持了阴极室的水平面与KOH浓度也不变，由此保持了该反应器生产氢气和氧气同时发电的过程连续性地进行。

上述步骤中KOH的K表示钾、钠、锂等一切碱金属元素；也可以采用雷尼镍电极代替上述反应器阳极室的纯钛电极，采用银电极代替上述反应器阴极室的钛涂钌电极，由此构建成为原电池电动势驱动氢氧根离子定向迁移的推动力；或者说在上述水燃料电池型反应器中，也可以采用传统碱性燃料电池中的由雷尼镍电极与银电极组合的电极电对作为氢氧根离子定向迁移的电位差推动力。

2、一种水燃料电池氢能发电机及其发电的方法

2.1、一种A型水燃料电池氢能发电机及其发电的方法：将上述水燃料电池反应器与传统的燃料电池，按照常规的装配技术，串联组合装配一体成为A型水燃料电池氢能发电机或发电站，其中水燃料电池反应器作为传统燃料电池氢气和氧气的供应设备，其特征为发电时仅需要补充纯水，不需要加入氢气等任何其它的燃料，同时不需要加入空气或氧气，不排放废气和废水和废渣；或者作为在无空气的地方供应氧气的设备；

采用A型水燃料电池氢能发电机发电的方法，包括以下次序的几个步骤：

在水燃料电池反应器的阳极室加入质量浓度为20-25％的KOH水溶液，在阴极室加入质量浓度为40-45％的KOH水溶液，保持阴极室的水平面高于阳极室的水平面；按照传统碱性燃料电池的工艺和控制条件进行操作，这时从水燃料电池反应器的阴极室产生的氢气进入传统燃料电池的阳极室进行反应，释放的化学能转化为电能，从水燃料电池反应器的阳极室产生的氧气进入传统燃料电池的阴极室进行反应，释放的化学能转化为电能，发出的电功率密度与传统的碱性燃料电池发出的电功率密度相近。

2.2、一种K型水燃料电池氢能发电机及其发电的方法：选择氯碱工业的离子膜电解槽或已商品化的碱性燃料电池设备，将离子膜电解槽的阳离子交换膜改装为均相阴离子交换膜，将没有涂层的纯钛电极作为该电解槽的阳极电极，将该电解槽的钛涂钌阳极电极改装为阴极电极，安装或改装的标准不变；在该电解槽或碱性燃料电池的阴极室一侧，与每个均相阴离子交换膜平行安装一个正渗透技术的半透膜，与阳极室的水道联通，并且将每个单元槽阴极室的气体管道依次与相邻的单元槽阳极室的气体管道串联，原电解槽其它的装置与控制系统基本不变；或者在碱性燃料电池电堆的每一个单元电池中补充安装一个碱性阴离子交换膜，而且，将单元电池阴极室的气体管道依次与另一个相邻的单元电池阳极室的气体管道串联，其它装置与控制系统基本不变；由此制造成为一种K型水燃料电池氢能发电机，其特征为发电时仅需要补充纯水，不需要加入氢气等任何其它的燃料，不需要加入空气或氧气，不消耗任何其它的物质，就能够持久性地发出所需的电能，发电时不排放废气和废水和废渣。

采用K型水燃料电池氢能发电机发电的方法，包括以下次序的几个步骤：

在该发电机的每个阴极室分别加入计算量的质量浓度为40-45％的KOH水溶液，在每个阳极室分别加入计算量的质量浓度为20-25％的KOH水溶液，保持阴极室的液位高于阳极室的液位，按照传统碱性燃料电池的工艺和控制条件进行操作；这时阴极室中KOH的氢氧根负离子在原电池电位差和浓度差二种力量的推动下，渗析透过阴离子交换膜进入阳极室，成为过剩氢氧根负离子，自发地转化为羟基自由基负离子，与从串联的另一个单元电池的阴极室中过来的氢气进行化学反应生成水，并释放化学能，通过电极集电作用转化为电能；同时阴极室中KOH的钾正离子不能通过阴离子交换膜，滞留在阴极室成为过剩钾正离子，自发地转化为钾自由基正离子，迅即与阴极室的水反应生成氢气和氢氧化钾，并释放化学能，通过电极集电作用转化为电能，该阴极室产生的氢气进入另一个串联的单元电池的阳极室，与该阳极室中的羟基自由基负离子反应生成水，并发出电能；因此，这时阳极室的水分子增加，KOH浓度降低，而阴极室的水分子减少，KOH浓度增高，导致二个极室的渗透压差增大，由此在渗透压差力的推动下，阳极室的水自动地透过半透膜进入阴极室，自动地调节阴极室的液位和KOH浓度一直是高于阳极室的液位和KOH浓度，从而保持氢氧根离子的定向迁移速率不变，保持K型水燃料电池氢能发电机可以持久性地连续平稳发电；由于水蒸气的蒸发损失，需要不断地在阴极室补充水，但不需要加入空气或氧气。

2.3、一种D型水燃料电池氢能发电机及其发电的方法：选择已经商品化的电渗析器，将该电渗析器的离子交换膜全部改换成为统一的阴离子交换膜，或改换成为统一的阳离子交换膜；按照离子膜烧碱零极距电解槽的标准，在每一张阴离子交换膜或阳离子交换膜的两侧分别安装无涂层的纯钛电极和钛涂钌电极，纯钛电极作为阳极电极，钛涂钌电极作为阴极电极，采取电极串联电路的方式组装为电渗析器膜堆，原电渗析器的其它装置和控制系统基本不变，由此改装的电渗析器，叫D型水燃料电池氢能发电机，其特征为不需要加入氢气等任何燃料，不需要加入空气或氧气，不消耗金属等任何其它的物质，仅仅需要加入纯水，就能够持久性地发出所需的电能，发电时无废气和废水和废渣的排放。

采用D型水燃料电池氢能发电机发电的方法，包括以下次序的几个步骤：

在该发电机的每一个隔室中，加入计算量的质量浓度为40-45％的KOH水溶液，或加入计算量的质量浓度为28-32％氢氧化钠水溶液；按照电渗析海水淡化的工艺和控制条件进行操作，直至发电机平稳运行；这时某隔室内KOH的水合氢氧根负离子或水合钠正离子在原电池电位差力的推动下，渗析透过阴离子交换膜朝着阳极的方向或渗析透过阳离子交换膜朝着阴极的方向进入相邻的另一个隔室，而原某隔室内KOH的水合钾正离子不能透过阴离子交换膜，或原某隔室内氢氧化钠的氢氧根离子不能透过阳离子交换膜，因此隔室内的局部区域溶液的电中性必定被扰乱，而为了满足电中性，游离的过剩氢氧根负离子自发地转化为羟基自由基负离子，游离的过剩钾正离子或过剩钠正离子自发地转化为钾自由基正离子或钠自由基正离子，同一隔室内的正负自由基离子自发地发生中和反应生成KOH或氢氧化钠，同时释放该中和反应的化学能，通过电极集电作用转化为电能；由于该发电机中的每个隔室内的KOH或氢氧化钠的浓度可保持不变，故能够持久性地发出电能；(注：该发电机中的每个隔室内的KOH都参与了中和反应，是某隔室迁移的氢氧根离子与相邻隔室不能迁移的钾离子发生中和反应，可能因为该中和反应的产物仍然是KOH，每个隔室的钾离子浓度并不改变，使反应的结果是每个隔室的KOH浓度也不改变，故从表观上看现象，似乎KOH没有参与反应，从而导致所谓的“KOH不参与反应”的误解)。

上述步骤中KOH的K表示钾、钠、锂等一切碱金属元素；而且，由于上述步骤的能量来源是因为KOH中的离子反应的结果，所以，氢氧根离子渗析透过阴离子交换膜的离子迁移量决定了JS发电机的发电量，故离子交换膜的总面积的大小是JS发电机发电量大小的决定因素之一。只要配置相应足够的离子交换膜的总面积，就可以制造各种所需发电量的发电机或发电站，而且只要有水而没有空气的地方也可以应用JS发电机发电。

在上述K型或D型JS发电机中，也可以用氯化钠或氯化钾等盐代替KOH，发电的效果相近，但是不可避免地有氯气泄漏，并对阳极的纯钛电极有腐蚀性，缩短JS发电机发电的寿命；加上氯气有毒，必须配套安装氯气处理装置。而采用KOH水溶液，泄漏的是氧气和氧负离子，有利于净化环境，可直接进入大气层。

在水燃料电池反应器以及水燃料电池氢能发电机或发电站中也可以采用阳离子交换膜，但除非制造成为如“实施例11”所述的椭圆形JS发电机，否则每个隔室内的KOH浓度必定发生明显的变化。值得注意的是：若把阳离子交换膜用于传统的碱性水电解制氢过程，则其每个隔室的KOH浓度可明显地发生变化，由此可知KOH中的钾离子明显地参与了反应。这时的水合钾离子而不是水合氢氧根离子成为了定向迁移的离子，故钾离子的迁移量成为了氢气产量或发电量的决定因素，但是这种离子迁移方式不能保持二个极室的钾离子浓度持久性地不变，随着过程的进行，阳极室的钾离子浓度越来越低，阴极室的钾离子浓度越来越高，当阴极室的钾离子浓度高于阳极室的钾离子浓度时，产生了反电动势，且该反电动势随着过程的进行也越来越大，由此大幅度地降低了正常的发电量，直至发电量为零。(注：该过程与产生生物电的过程和原理完全相同)。因此采用阳离子交换膜发电，应该如本“实施例11”所述，制造成为360角度的圆形离子循环轨道的发电机，才能够持久性地发电。

综上所述可知，本发明的水燃料电池氢能发电机发电的成本相对其它燃料电池最低，而且，不仅保留了传统燃料电池全部的应用范围，而且还可以在太空或深海等缺少氧气的地方应用。

四、具体实施方案

实施例1、

按照ZMBCH-2.7型复极式离子膜电解槽的标准制造水燃料电池反应器的电堆，电堆主要参数：(1)额定功率5KW；(2)电堆单元槽数为10个；(3)每个单元槽的阴离子交换膜的有效面积为280cm²。将原ZMBCH-2.7型电解槽的阳离子交换膜改装成为阴离子交换膜，将原电解槽的阳极钛涂钌电极安装成为阴极电极，将原没有钌涂层的纯钛基体安装为阳极电极，安装的标准不变，原电解槽的其它装置及控制系统基本不变，由此制造成为a型水燃料电池反应器。

实施例2、

在实施例1的a型水燃料电池的每个单元槽中的阴极室一侧，与阴离子交换膜并排平行安装一个正渗透技术的半透膜，并与阳极室的水道联通，半透膜有效面积为280cm²，半透膜与阴离子交换膜之间的距离为0.5-1cm，其它装置及控制系统基本不变，由此制造成为b型水燃料电池反应器。

实施例3、

在a型或b型水燃料电池反应器的每个阳极室中，加入质量浓度为20-25％的KOH水溶液270-300克，在该反应器的每个阴极室中，加入质量浓度为40-45％的KOH水溶液330-350克；按照ZMBCH-2.7型电解槽的操作规程及控制条件进行操作，直至水燃料电池反应器平稳运行；这时，从该反应器的阳极室气体出口不断地产生氧气，从阴极室的气体出口不断地产生氢气，平稳运行100天，为保持该反应器阴极室的水平面不变，注意定时定量加纯水；运行的电流密度为250mA/cm²。

实施例4、

选择实施例2的b型水燃料电池反应器，与碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)串联装配一体，电路系统串联一体；AAEMFC电池的阴离子交换膜的有效面积和单元槽数与b型水燃料电池反应器相同；将水燃料电池反应器的每个阴极室的气体管道依次与AAEMFC电池的每个阳极室的气体管道联通，将水燃料电池反应器的每个阳极室的气体管道依次与AAEMFC电池的每个阴极室的气体管道联通，其它的装置与控制系统基本不变，由此制造成为A型水燃料电池氢能发电机(A型JS发电机)。

实施例5、

在A型JS发电机的每个阴极室中，加入40-45％的KOH水溶液330-350克，在该发电机的每个阳极室中，加入20-25％的KOH水溶液270-300克，按照AAEMFC电池的工艺和ZMBCH-2.7型复极式离子膜电解槽的控制条件进行操作，直至A型JS发电机平稳运行100天，为了保持该发电机阴极室的水平面不变，注意定时定量加纯水；该发电机的输出直流电压为15V，输出直流功率密度为130mW/cm²。

实施例6、

按照常规的燃料电池安装标准，将实施例2的b型水燃料电池反应器中每个单元槽的阴极室气体管道与相邻单元槽的阳极室气体管道依次串联，其它装置和控制系统基本不变，由此制造成为K型水燃料电池氢能发电机(K型JS发电机)。

实施例7、

在K型JS发电机的每个阴极室中，加入质量浓度为40-45％的KOH水溶液330-350克，在该发电机的每个阳极室中加入质量浓度为20-25％的KOH水溶液270-300克，按照AAEMFC电池的工艺和离子膜电解槽的控制条件进行操作，直至该发电机平稳运行100天，为保持阴极室的水平面不变，注意定时定量加纯水；该发电机的输出功率为11V，输出功率密度为140mW/cm²。

实施例8、

选择已经工业化应用的电渗析器，将其中的阳离子交换膜全部统一改装为阴离子交换膜，用阴离子交换膜分隔为10个隔室，每张阴离子交换膜的有效面积为280cm²；而且，按照零极距电解槽的安装标准，在每张阴离子交换膜的阳极一侧，安装没有涂层的纯钛电极，在该阴离子交换膜的阴极一侧，安装钛涂钌电极，原电渗析器的其它装置和控制系统不变，由此制造成为D型水燃料电池氢能发电机(D型JS发电机)。

实施例9、

在统一安装阴离子交换膜的D型JS发电机的每个隔室中，加入质量浓度为40-45％的KOH水溶液330-350克，按照电渗析器的工艺条件和操作规程进行操作，这时每个隔室内的钾正离子不能透过阴离子交换膜只能滞留在原隔室中成为过剩钾正离子，而原隔室内的氢氧根负离子朝阳极一侧纯钛电极的方向渗析透过阴离子交换膜依次进入相邻的隔室，并迅即与这个相邻的隔室中的过剩钾正离子发生中和反应生成KOH，由此保持了每个隔室的KOH浓度不变，同时由该中和反应释放的化学能通过电极集电作用转化为输出的电能；只要氢氧根负离子的迁移过程连续地进行，该发电的过程也就连续地进行；该发电机平稳运行100天，为保持每个隔室中的水平面不变，注意定时定量加纯水；该发电机的输出的直流电压为13V，输出功率密度为150mW/cm²。

实施例10、

选择ZMBCH-2.7型复极式离子膜电解槽的实验室样机，其离子交换膜的有效面积比工业品的电解槽缩小了一万倍以上；按照离子膜烧碱电解槽的操作规程进行计算和操作，在该实验室样机的每个阴极室内加入32％的氢氧化钠水溶液，在该实验室样机的每个阳极室内加入去离子水，随着过程的进行，从该样机的阴极室原氢气出口不断地产生氧气，在该样机的阳极室原氯气出口不断地产生氢气，同时输出与原输入的电解电流方向相反的电流，即离子膜电解槽反电流，该反电流的强度逐渐降低，同时在该实验室样机的每个阳极室中不断地生成氢氧化钠，过程可持续5小时以上，该反电流的输出电流密度为4mA/cm²-100mA/cm²，产生的氢气量和氧气量与阳极室中生成的氢氧化钠浓度成正比关系。

实施例11、

将二台统一安装阳离子交换膜的D型JS发电机的阳极室与阴极室分别串联装配一体成为椭圆形或圆形JS发电机，在椭圆形或圆形JS发电机的每个隔室内分别加入质量浓度为28-32％的氢氧化钠水溶液330-350克，按照电渗析器的工艺条件和操作规程进行操作；这时在纯钛电极与钛涂疗电极组合的电位差力的推动下，每个隔室内氢氧化钠的钠正离子朝阴极一侧钛涂钌电极的方向渗析透过阳离子交换膜依次进入相邻的隔室，而氢氧根离子不能透过阳离子交换膜仍滞留在原隔室内成为过剩氢氧根负离子，因此每个隔室内氢氧化钠的钠正离子沿着该发电机的360角度的圆形轨道不断地依次经过每个隔室循环迁移，不断地依次与每个隔室中不能迁移的过剩氢氧根负离子发生自由基型的中和反应重新生成氢氧化钠，从而保持每个隔室内的氢氧化钠浓度基本不变，保持了钠正离子连续性的定向迁移及其中和反应，连续不断地释放化学能，并通过电极的集电作用连续不断地转化为输出的电能；该发电机平稳持续运行发电100天，为保持该发电机中的水平面不变，注意定时定量加入纯水；该发电机输出的直流电压为23V，输出的功率密度为130mW/cm²。

Claims (4)

1.一种以水为原料制备氢气和氧气的方法

选择氯碱工业的离子膜电解槽，将该电解槽的阳离子交换膜改装为阴离子交换膜，同时将该电解槽的阳极钛涂钌电极改装为阴极电极，将没有涂层的纯钛电极作为阳极电极，电极安装的标准不变；并且在阴极室一侧与每个阴离子交换膜平行安装一个正渗透技术中的半透膜，半透膜与阳极室的水道联通；原离子膜电解槽的其它装置及其控制系统基本不变；由此改装后的电解槽作为一种水制氢的反应器，叫水燃料电池反应器；其特征为采用该反应器水制氢气和氧气，不需要输入电能或光能或热能等任何能量，也不需要消耗任何其它的物质，就可以自发地将水按需所求地转化为氢气和氧气，同时发出电流；

采用水燃料电池反应器水制氢气和氧气的方法，包括以下次序的几个步骤：

在该水燃料电池反应器的每个阴极室分别加入计算量的质量浓度为40-45％的KOH水溶液，在每个阳极室分别加入计算量的质量浓度为20-25％的KOH水溶液，保持阴极室的水平面高于阳极室的水平面；仿造碱性燃料电池的工艺条件及原离子膜电解槽的操作规程和控制条件进行操作，随着过程的进行直至反应器平稳运行，从阴极室不断地产生氢气，从阳极室不断地产生氧气，同时不断地释放出电流；这时阳极室的KOH溶液被稀释，阴极室的KOH溶液被浓缩，导致二个极室的渗透压差增大，在该渗透压差的驱动下，阳极室的水自动地渗透通过半透膜进入阴极室，由此保持了阳极室的水平面与KOH浓度不变，同时通过在阴极室定时定量地补充纯水，保持了阴极室的水平面与KOH浓度也不变，由此保持了该反应器生产氢气和氧气同时发电的过程连续性地进行；

上述步骤中KOH的K表示钾、钠、锂等一切碱金属元素；也可以采用雷尼镍电极代替上述反应器阳极室的纯钛电极，采用银电极代替上述反应器阴极室的钛涂钌电极，由此构建成为原电池电动势驱动氢氧根离子定向迁移的推动力；或者说在上述水燃料电池反应器中，也可以采用传统碱性燃料电池中的由雷尼镍电极与银电极组合的电极电对作为氢氧根离子定向迁移的电位差推动力。

2.一种A型水燃料电池氢能发电机及其发电的方法：将上述水燃料电池反应器与传统的燃料电池，按照常规的装配技术，串联组合装配一体成为A型水燃料电池氢能发电机或发电站，其中水燃料电池反应器作为传统燃料电池氢气和氧气的供应设备，其特征为发电时仅需要补充纯水，不需要加入氢气等任何其它的燃料，同时不需要加入空气或氧气，不消耗任何其它的物质，就能够持久性地发出所需的电能；发电时不排放废气和废水和废渣；

采用A型水燃料电池氢能发电机发电的方法，包括以下次序的几个步骤：

在水燃料电池反应器的阳极室加入质量浓度为20-25％的KOH水溶液，在阴极室加入质量浓度为40-45％的KOH水溶液，保持阴极室的水平面高于阳极室的水平面；仿造传统碱性燃料电池的工艺和控制条件进行操作，这时从水燃料电池反应器的阴极室产生的氢气进入传统燃料电池的阳极室进行反应，释放的化学能转化为电能，从水燃料电池反应器的阳极室产生的氧气进入传统燃料电池的阴极室进行反应，释放的化学能转化为电能，发出的电功率密度与传统的碱性燃料电池发出的电功率密度相近。

3.一种K型水燃料电池氢能发电机及其发电的方法：选择氯碱工业的离子膜电解槽或已商品化的碱性燃料电池设备，将离子膜电解槽的阳离子交换膜改装为阴离子交换膜，将没有涂层的纯钛电极作为该电解槽的阳极电极，将该电解槽的钛涂钌阳极电极改装为阴极电极，安装或改装的标准不变；在该电解槽或碱性燃料电池的每个阴极室一侧，与每个阴离子交换膜平行安装一个正渗透技术的半透膜，与阳极室的水道联通，并且将每个单元槽阴极室的气体管道依次与相邻的单元槽阳极室的气体管道串联，原电解槽其它的装置与控制系统基本不变；或者在碱性燃料电池电堆的每一个单元电池中补充安装一个碱性阴离子交换膜，而且，将单元电池阴极室的气体管道依次与另一个相邻的单元电池阳极室的气体管道串联，其它装置与控制系统基本不变；由此制造成为一种K型水燃料电池氢能发电机，其特征为发电时仅需要补充纯水，不需要加入氢气等任何其它的燃料，不需要加入空气或氧气，不消耗任何其它的物质，就能够持久性地发出所需的电能；发电时不排放废气和废水和废渣；

采用K型水燃料电池氢能发电机发电的方法，包括以下次序的几个步骤：

在该发电机的每个阴极室分别加入计算量的质量浓度为40-45％的KOH水溶液，在每个阳极室分别加入计算量的质量浓度为20-25％的KOH水溶液，保持阴极室的液位高于阳极室的液位，按照传统碱性燃料电池的工艺和控制条件进行操作；这时阴极室中KOH的氢氧根负离子在原电池电位差和浓度差二种力量的推动下，渗析透过阴离子交换膜进入阳极室，成为过剩氢氧根负离子，自发地转化为羟基自由基负离子，与从串联的另一个相邻的单元电池的阴极室中过来的氢气进行化学反应生成水，并释放化学能，通过电极集电作用转化为电能；同时阴极室中KOH的钾正离子不能通过阴离子交换膜，滞留在阴极室成为过剩钾正离子，自发地转化为钾自由基正离子，迅即与阴极室的水反应生成氢气和氢氧化钾，并释放化学能，通过电极集电作用转化为电能，该阴极室产生的氢气进入另一个串联的单元电池的阳极室，与该阳极室中的羟基自由基负离子反应生成水，并发出电能；因此，这时阳极室的水分子增加，KOH浓度降低，而阴极室的水分子减少，KOH浓度增高，导致二个极室的渗透压差增大，由此在渗透压差力的推动下，阳极室的水自动地透过半透膜进入阴极室，自动地调节阴极室的液位和KOH浓度一直是高于阳极室的液位和KOH浓度，从而保持氢氧根离子的定向迁移速率不变，保持K型水燃料电池氢能发电机可以持久性地连续平稳发电；由于水蒸气的蒸发损失，需要不断地在阴极室补充水，但不需要加入空气或氧气。

4.一种D型水燃料电池氢能发电机及其发电的方法：选择已经商品化的电渗析器，将该电渗析器的离子交换膜全部改换成为统一的阴离子交换膜，或改换成为统一的阳离子交换膜；按照离子膜烧碱零极距电解槽的标准，在每一张阴离子交换膜或阳离子交换膜的两侧分别安装无涂层的纯钛电极和钛涂钌电极，纯钛电极作为阳极电极，钛涂钌电极作为阴极电极，采取电极串联电路的方式组装为电渗析器膜堆，原电渗析器的其它装置和控制系统基本不变，由此改装的电渗析器，叫D型水燃料电池氢能发电机，其特征为不需要加入氢气等任何燃料，不需要加入空气或氧气，不消耗金属等任何其它的物质，仅仅需要加入纯水，就能够持久性地发出所需的电能，发电时无废气和废水和废渣的排放；

采用D型水燃料电池氢能发电机发电的方法，包括以下次序的几个步骤：

在该发电机的每一个隔室中，加入计算量的质量浓度为40-45％的KOH水溶液，或加入计算量的质量浓度为28-32％氢氧化钠水溶液；按照电渗析海水淡化的工艺和控制条件进行操作，直至发电机平稳运行；这时某隔室内KOH的水合氢氧根负离子或水合钠正离子在原电池电位差力的推动下，渗析透过阴离子交换膜朝着阳极的方向或渗析透过阳离子交换膜朝着阴极的方向进入相邻的另一个隔室，而原某隔室内KOH的水合钾正离子不能透过阴离子交换膜，或原某隔室内氢氧化钠的氢氧根离子不能透过阳离子交换膜，在这一时刻，隔室内局部区域溶液的电中性必定被扰乱，而为了满足电中性，过剩氢氧根负离子自发地转化为羟基自由基负离子，过剩钾正离子或过剩钠正离子自发地转化为钾自由基正离子或钠自由基正离子，由此同一隔室内的正负自由基离子自发地发生中和反应生成KOH或氢氧化钠，同时释放该中和反应的化学能，通过电极集电作用转化为电能；由于该发电机中的每个隔室内的KOH浓度保持不变，故能够持久性地发出电能；

上述步骤中KOH的K表示钾、钠、锂等一切碱金属元素。