CN1321879C - 产生氢气的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明披露一种从水产生氢气的装置。该产生氢气的装置包括：工作流体供给元件，其用于在将水高度净化并且用预定的压力加压水之后供应工作流体，该工作流体是水；筒体，其具有工作流体流动的通道；电介质植入管，其用于使工作流体通过通道槽并且通过气蚀散发产生具有高电势的电脉冲，该电介质植入管植入在筒体的通道内；分离装置，其用于通过将磁场提供给被电脉冲电离的工作流体的流路而基于离子的电极性分离工作流体的离子；和收集装置，其用于分别收集被分离装置分离的离子并且获得氢气。

Description

产生氢气的装置
技术领域
本发明涉及一种产生氢气的装置；更特别地，涉及一种从水中产生氢气的装置。
现有技术的描述
可以从基础工业资源制得的氢气具有极大的潜能，以广泛用于目前各种领域的能源体系，例如普遍分布的燃料、氢气作燃料的汽车和飞机、燃料电池和核聚变能源。
如果氢气在合适控制的条件下化学燃烧，则氢气可以被用作能源，比如普遍提供的城市燃气。氢气和氧气以2∶1的体积比燃烧，产生蒸汽状态的水。此时，产生了约28,620千卡/千克，该数量的卡路里(calorie)足以将约0.3吨水的温度从约0℃提高到约100℃。
同样，氢气能够通过燃料电池产生电能以及能够通过核聚变反应产生巨大数量的能量，比如氢弹。氢气可以直接燃烧以产生能量并且还是便利的能源，例如燃料电池。另外，氢气是一种产生几乎无穷数量的水的资源并且作为水循环，从而是一种可再生的能源。
尽管氢气以约0.1份每百万(ppm)的痕量存在于大气中，但氢气存在于几乎无穷量的各种化合物中。在各种化合物中，水(H2O)是最普遍发现的含有氢的化合物。同样，由含有碳和氢的各种碳化合物组成的原油和天然气是优良的氢气资源。
有两种典型的产生氢气的方法。一种方法是通过电解水获得氢气。另一种方法是通过热分解从天然气或原油的碳化合物中获得氢气。
更特别地，氢气和氧气应该从由一个氧原子和两个氢原子组成的水分子中分离，以达到从水中获得氢气的目的。对于电解水，可以从约36克水获得约4克氢气。理论上，电解水需要约1.23伏特。然而，由于设备的内电阻，在实际的实践中需要更高的电压。
由于电是可以直接用于工业中的能源，因此使用电获得氢气，氢气反过来又作为能源使用，降低了能源的使用效率。因此，通过使用多余的电例如在晚上发的电，电的使用有限地用于电解水、通过合适的方法储存获自电解的氢气和通过使用燃料电池重新产生电。
对于另一种获得氢气的方法，在高温下将通过精制天然气或原油而获得的烃，例如萘，与蒸汽反应。然而，天然气和原油是高度有效的，但是不可再生的能源。因此，在使用这种能源获得氢气中有限制。
发明概述
因此，本发明的一个目的是提供一种不需要使用不可再生的能源例如含烃的矿物燃料而从水中产生氢气的装置。
本发明的另一个目的是提供一种使用少量能源不采用电解而产生大量氢气的装置。
根据本发明的一个方面，提供一种产生氢气的装置，其包括：用于在将水高度净化并且用预定的压力加压水之后供应工作流体的工作流体供给元件，该工作流体是水；筒体(body)，其具有工作流体流动的通道(passage)；电介质植入管(dielectric implant)，其用于使工作流体通过通道槽并且通过气蚀散发(cavitation emmision)产生具有高电势的电脉冲，该电介质植入管植入在筒体的通道内；分离装置，其通过将磁场提供给被电脉冲电离的工作流体的流路而基于离子的电极性分离工作流体的离子；和收集装置，其用于分别收集被分离装置分离的离子并且产生氢气。
筒体是由对筒体内部产生的气蚀散发现象具有耐受性的电介质材料形成的。即，该筒体由选自陶瓷、红宝石和蓝宝石的材料制成。电介质植入管形成在筒体通道内。此处，电介质植入管具有一个或多于一个的允许工作流体流动的通道槽。通道槽的内壁和内壁周围的部分由容易导致气蚀散发现象的电介质材料例如石棉制得。而且，在通道槽的出口侧形成了横截面扩大的膨胀元件。特别地，该膨胀元件起到突然降低工作流体的压力的作用。
分离元件与筒体连接并且包括具有预定长度的孔道(channel)和分离孔道。此处，磁体形成在孔道的侧面以使一组磁体的北极和另一组磁体的南极互相面对。分离孔道形成在孔道的后端并且起到将工作流体分成两个路径的作用。此时，工作流体以垂直于由磁体提供的磁场的方向分离。
收集元件是封闭的罐。在收集元件的底部有输入管，向该输入管供应分别含有大量氢离子和氢氧离子的工作流体。输入管与分离孔道的各个后端连接。而且，该罐包括催化板和用于选择性地使在催化板产生的氢气通过的隔膜，该催化板在宽的表面区域接触工作流体并且具有允许从催化板的接触面产生的气体上升的特殊结构。此处，隔膜形成在槽的上部。
罐的上部包括：第一排放管，其形成在隔膜上部并且与第一氢气罐连接；第二排放管，其形成在隔膜底部并且与第二氢气罐连接的；以及第三排放管，其形成在催化板顶部周围的高度。此处，第一排放管将通过隔膜而高度净化的氢气排出。第二排放管将由不通过隔膜而低度净化的氢气排出。第三排放管重新收集通过催化板的水并且将水送回工作流体供给元件。
第一氢气罐储存高度净化的氢气，同时第二氢气罐储存含有氧气或蒸汽的低度净化的氢气。在第一和第二氢气罐的各个入口优选具有止回阀，以阻止气体逆向流动。
催化板优选由钯和铑之一制成。催化板具有吸收或渗透大量氢气的性能。由于渗透的氢气的活性强，从催化板渗透的氢气在室温下可以引起剧烈的还原反应。
将详细描述产生氢气的装置的操作。
产生氢气的装置首先将作为工作流体的水电离。然后将磁场施加于电离的工作流体的流路。通过利用由磁场产生的洛伦兹力，基于它们的电极性，分离含有大量离子的工作流体。此时，收集元件形成在两个分别的位置的每一个，分离的正电荷离子和负电荷离子到达该位置，以由此产生氢气。
工作流体供给元件通过净化步骤提供高度净化的水。通过位于工作流体供给元件出口侧的泵，采用预定的均匀压力给水加压，并且随后将水提供给筒体的输入管。此时，脉冲产生器连接到出口侧的管上，以由此提供具有预定频率的脉冲。预定的频率与产生气蚀散发现象的电介质植入管的通道槽的单一振动(unique oscillation)数目相关。
水流入筒体的通道内并且迅速通过电介质植入管的通道槽。当水通过形成在通道槽出口侧的膨胀元件时，膨胀元件的内径增加。该增加的内径降低了压力，由此降低了沸点。因此，在工作流体的流路中产生细的泡沫，这些泡沫膨胀并且最终冒出(burst out)。
当这些泡沫在形成在通道槽出口侧的膨胀元件的尾部周围冒出时，产生了非常高的压力波并且影响了电介质植入管。此时，产生的压力波几乎等于约10,000巴的大气压。
由于高的压力波，在电介质植入管的通道槽的内壁上产生了细的裂痕。由于用于内壁的材料的性能，即容易导致气蚀散发现象的性能，从细的裂痕中散发出电子。散发的电子分散于工作流体内，由此导致Vavilov-Cheronkov效应。
由于散发出具有负电荷的电子，因此通道槽的出口侧变成带正电的。由于上述性能，内壁和临近内壁的区域可以带有高的电势而不造成电子排出。由高的电势产生的电震(electric shock)部分地电离水。
上述电离的理由可以用于其他含有氢的电介质流体，例如矿物油、煤油和丙酮。因此，可以将这些含有氢的电介质流体用作工作流体。
将磁场提供到含有氢离子和氢氧离子的工作流体的流路中。作为所提供的磁场的结果，氢离子和氢氧离子受到在与磁场垂直方向上的洛伦兹力的影响，由此基于它们的电极性，即正电荷离子和负电荷离子而分离。
分离的离子朝着各自对应的收集元件移动。在收集元件——封闭的罐内，分别含有氢离子和氢氧离子的工作流体接触催化板，催化板反过来吸收高度还原的氢并且排出氢气，以由此产生氢气。
产生的氢气从各个收集元件中上升并且通过储存于第一氢气罐的隔膜。如果氢气不通过隔膜，则氢气储存在第二氢气罐内。
附图简述
参照附图，本发明的其它目的和方面将从下面描述的实施方案中变得明显，其中：
图1是表示本发明优选实施方案的产生氢气的装置的示意图；
图2是表示本发明优选实施方案的产生氢气的装置的筒体结构的透视图；
图3是表示本发明优选实施方案的产生氢气的装置的筒体内部结构的横截面图；
图4A是表示本发明优选实施方案的发热装置的分离元件的俯视图；
图4B是表示本发明优选实施方案的发热装置的分离元件的横截面图；
图5是阐明根据本发明优选实施方案的分离元件的基本概念的图；
图6是表示本发明优选实施方案的产生氢气的装置的工作流体供给元件的示意图。
优选实施方案的详述
在下文中，将参照附随的附图详细描述本发明的优选实施方案。
图1是表示本发明优选实施方案的产生氢气的装置的整体结构的示意图。该产生氢气的装置包括：筒体10、电介质植入管20、通道槽21、分离元件50和收集元件60。特别地，筒体10具有工作流体即水可以流动的通道。电介质植入管20植入在筒体10内并且使工作流体通过通道槽21。而且，电介质植入管20通过气蚀散发产生具有高电势的电脉冲。分离元件50将电场提供给被电脉冲电离的工作流体的流路并且基于离子的电极性将离子分离。各收集元件60收集通过所提供的电场而分离的氢离子并且产生氢气。
分离元件50具有：电离的工作流体流动的孔道51；磁体52，其具有设置在孔道51的侧面而北极(N)和南极(S)互相面对的，并且将磁场提供给孔道51；以及第一和第二分离孔道53，通过磁场将工作流体的流路分离成两个单独的物流的第一和第二分离孔道53。
收集元件60是封闭的罐。各个收集元件60包括：输入管61，通过连接到各个分离孔道53的后端，向该输入管输入分别含有大量氢离子和氢氧离子的工作流体；催化板62，其形成为Z字形，且在大的表面区域接触工作流体并且使得在接触面的表面产生的气体上升，和隔膜63，其使氢气选择性通过。此处，输入管61和隔膜63分别位于收集元件60的底部和上部。
在各个收集元件60的上部有：第一排放管64，其形成在隔膜63的上部并且与第一氢气罐71连接；第二排放管65，其形成在隔膜63的下面并且与第二氢气罐72连接；和第三排放管66，其形成在催化板62顶部周围的高度。尤其是，第一排放管64将高度净化的氢气当通过隔膜63时排出。第二排放管65将不能通过隔膜63的低度净化的氢气排出。第三排放管66收集通过催化板62的水并且将水送回工作流体供给元件。
用于阻止气体逆向流动的止回阀74形成在第一氢气罐71和第二氢气罐72的各个入口处。
图2是表示本发明优选实施方案的产生氢气的装置的筒体结构的透视图。
产生氢气的装置包括：形成为管道型式或者孔道型式的筒体10、入口侧处的管11和出口侧处的另一管12。在下文中，入口侧的管11和出口侧的管12是指入口管和出口管。筒体10通过与入口管11、出口管12、法兰15和分压器(volt)17组合而起到防止工作流体渗漏的作用。法兰15的连接元件可以包括高压密封构件。
此处，筒体10由对气蚀散发现象具有高耐受性的材料制成。即，使用了在气蚀散发期间不容易发出电子的材料。例如，陶瓷、蓝宝石和红宝石是这种用于筒体10的材料的优选例子。而且，作为烧结剂的碳化硅(SiC)是陶瓷的示例性材料。
图3是表示本发明优选实施方案的产生氢气的装置的筒体内部结构的横截面图。产生氢气的装置包括：工作流体可以流动的通道的筒体10和电介质植入管20，该植入管植入在筒体10的内部并且具有至少多于1个的通道槽21，其中工作流体通过该通道槽以借助于气蚀散发现象产生具有高电势的电脉冲。而且，这里有其内径在通道槽21的出口侧23扩大的膨胀元件22。工作流体即水，被电脉冲电离。
电介质植入管20由蓝宝石和红宝石之一制成。同样，接触工作流体的通道槽21的内壁由对气蚀散发敏感的材料，即容易通过气蚀发出电子的材料制成。石棉和含氟的合成聚合物是这种材料的例子。如上所述，电介质植入管20包括至少多于1个的通道槽21。特别地，形成为圆筒体形状的通道槽21优选长度约25mm-约30mm，直径约1mm-约2mm。
基于另一个优选实施方案，电介质植入管20可以由石棉制成。
图4A是表示本发明优选实施方案的发热装置的分离元件的俯视图。图4B是表示在图4A的线A-A′方向上该分离元件的横截面图。如图所示，这里有磁体52，磁体52被设置以使得磁体的北极(N)和南极(S)互相面对。磁体52沿着孔道51提供磁场，孔道51是工作流体的通道。而且，磁体52具有在1特(1T)-2特(2T)范围内的感应水平。特别地，磁体52优选为矩形，其具有对应于各个磁体52的长度的较长长度，以将影响工作流体流路的磁场效应最大化。
图5是表示本发明优选实施方案的分离元件的基本概念的图。如图所示，如果以垂直于包括有正离子和负离子的工作流体的流动方向提供磁场B，则由于离子的流动，通过磁场B与电流I之间的相互作用产生洛伦兹力。因此，带正电的氢离子(H+)在垂直于离子流动的方向上向上分离。另一方面，带负电的离子(OH-)在垂直于离子流动的方向上向下分离。分离的离子的各个流路进入两个分开的分离孔道53。
图6是表示本发明优选实施方案的产生氢气的装置的工作流体供给元件的示意图。工作流体供给元件包括：入口41、第一净化元件31、第一储存罐32、第二净化元件33、第二储存罐34、输出泵35和出口43。具体地，第一净化元件31通过入口41接收来自外部源头或者接受来自图1中所示的收集元件60的第三排放管66的工作流体，并且净化工作流体。第一储存罐32储存通过第一净化元件31而净化的工作流体。第二净化元件33再次暂时净化储存在第一储存罐32中的工作流体。而且，第二储存罐34暂时储存来自于第二净化元件33的高度净化的工作流体。输出泵35位于第二储存罐34的出口侧43，并且在用约5MPa-约7MPa的压力加压高度净化的工作流体之后通过出口43将工作流体提供到筒体10的入口管11。
储存在第二储存罐34中的工作流体是电阻率优选为1012Ω·m的高纯水。如同已知的典型高净化装置那样，第一和第二净化元件31和33包括微过滤器、渗透过滤器或者以上两种的组合过滤器。而且，第一和第二净化元件31和33可以进一步包括一个和几个中间加压泵36。有许多类型的中间加压泵36，例如旋转泵、往复泵和离心泵。输出泵35优选具有旋转泵类型，以保持均匀的压力。
根据本发明的另一个优选实施方案，产生氢气的装置可以进一步包括脉冲产生器(未示出)，其位于通过输出泵35时被加压的工作流体被提供到筒体10的入口管11的路径上。该脉冲产生器可以将具有均匀频率的压力波施加于提供到筒体10的工作流体。
尽管出于说明性目的已经披露了本发明的优选实施方案，但本领域那些技术人员将理解的是：在不偏离如附随的权利要求中所披露的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、添加和替换是可能的。

Claims (20)

1.一种产生氢气的装置，包括：
工作流体供给元件，其用于在将工作流体高度净化并且用预定的压力加压工作流体之后供应工作流体；
筒体，其具有工作流体流动的通道；
电介质植入管，其用于使工作流体通过通道槽并且通过气蚀散发产生具有高电势的电脉冲，该电介质植入管植入在筒体的通道内；
分离装置，其通过将磁场提供给被电脉冲电离的工作流体的流路而基于离子的电极性分离工作流体的离子；和
收集装置，其用于分别收集被分离装置分离的离子，然后产生氢气。
2.如权利要求1所述的装置，其中筒体由选自陶瓷、红宝石和蓝宝石的材料制成。
3.如权利要求2所述的装置，其中筒体由碳化硅制成。
4.如权利要求1所述的装置，其中电介质植入管由红宝石和蓝宝石之一制成，并且接触工作流体的通道槽的内壁包括对气蚀散发敏感的电介质层。
5.如权利要求4所述的装置，其中对气蚀散发敏感的电介质材料是石棉。
6.如权利要求1所述的装置，其中由于在通道槽的出口侧具有横截面扩大的膨胀元件，电介质植入管的通道槽使得通过通道槽的工作流体的压力急剧降低。
7.如权利要求1所述的装置，其中分离装置包括：
工作流体流动的孔道；
磁体，其用于将磁场提供给工作流体的流路且形成在孔道的侧面以使一组磁体的北极和另一组磁体的南极互相面对；和
分离孔道，其基于离子的电极性，以垂直于磁场的方向，将从工作流体中分离的离子导入不同的路径。
8.如权利要求1所述的装置，其中收集装置包括封闭的罐，该罐包括：
输入管，向该输入管供应被分离装置分离成氢离子和氢氧离子的工作流体；
催化板，其形成为Z字形，且在宽的表面区域接触工作流体并且允许在接触面的表面产生的气体上升；
隔膜，其用于选择性地使在催化板产生的并且之后上升的氢气通过，该隔膜设置在罐的上部；
第一排放管，其形成在隔膜的上部并且将高度净化的氢气在通过隔膜时排出；
第二排放管，其形成在隔膜的底部并且将不通过隔膜的低度净化的氢气排出；和
第三排放管，其重新收集通过催化板的工作流体并且将工作流体送回工作流体供给元件，其中所述工作流体是水。
9.如权利要求8所述的装置，其中收集装置包括：
第一氢气罐，其通过与第一排放管连接而储存高度净化的氢气；
第二氢气罐，其通过与第二排放管连接而储存低度净化的氢气；和
止回阀，其通过形成在第一和第二氢气罐的各个入口侧而防止气体逆向流动。
10.如权利要求8所述的装置，其中催化板采用铑和钯之一形成。
11.如权利要求1所述的装置，其中工作流体是水。
12.如权利要求1所述的装置，其中工作流体供给元件包括输出泵，其采用5MPa-7MPa的压力加压高度净化的水并且将加压的高度净化的水供应为工作流体。
13.如权利要求12所述的装置，其中工作流体供给元件进一步包括脉冲产生器，其通过与输出泵的后端连接，将预定频率的压力波施加至工作流体的流路。
14.一种产生氢气的装置，包括：
工作流体供给元件，用于在将水高度净化然后用预定的压力加压水之后供应水为工作流体；
筒体，其具有工作流体流动的通道并且用对气蚀散发具有强耐受性的陶瓷材料形成；
植入在筒体通道内的电介质植入管，其使工作流体通过通道槽和其横截面在出口侧扩大的膨胀元件，并且通过在膨胀元件处发生的气蚀散发而产生具有高电势的电脉冲，所述通道槽具有由对气蚀散发敏感的电介质层形成的内壁；
分离装置，其具有：被电脉冲电离的工作流体流动的孔道；磁体，其形成在孔道的各个侧面，以使具有一组磁体的北极和另一组磁体的南极面对；和分离孔道，其基于电极性，以垂直于磁场的方向，将从工作流体中分离的离子导入两个不同的路径；和
收集装置，其用于分别收集被分离装置分离的离子并且产生氢气。
15.如权利要求14所述的装置，其中收集装置包括封闭的罐，该罐包括：
输入管，从分离孔道的后端，向该输入管供应分别含有大量氢离子和氢氧离子的工作流体；
催化板，其形成为Z字形，且在宽的表面区域接触工作流体并且允许在接触面的表面产生的气体上升；
隔膜，其用于选择性地使在催化板产生的并且之后上升的氢气通过，该隔膜设置在罐的上部；
第一排放管，其形成在隔膜的上部并且将高度净化的氢气在通过隔膜时排出；
第二排放管，其形成在隔膜的底部并且将不通过隔膜的低度净化的氢气排出；和
第三排放管，其重新收集通过催化板的水并且将水送回工作流体供给元件。
16.如权利要求14所述的装置，其中收集装置包括：
第一氢气罐，其通过与第一排放管连接而储存高度净化的氢气；
第二氢气罐，其通过与第二排放管连接而储存低度净化的氢气；和
止回阀，其通过形成在第一和第二氢气罐的各个入口侧而防止气体逆向流动。
17.如权利要求14所述的装置，其中筒体由碳化硅形成。
18.如权利要求14所述的装置，其中电介质植入管由红宝石和蓝宝石之一制成，并且通道槽的内壁由石棉制成。
19.如权利要求15所述的装置，其中催化板由铑和钯之一形成。
20.一种产生氢气的装置，包括：
工作流体供给元件，用于在将水高度净化然后用预定的压力加压水之后供应水为工作流体；
筒体，其具有工作流体流动的通道并且用对气蚀散发具有强耐受性的陶瓷材料形成；
植入在筒体通道内的电介质植入管，其使工作流体通过通道槽和其横截面在出口侧扩大的膨胀元件，并且通过在膨胀元件发生的气蚀散发而产生具有高电势的电脉冲，所述通道槽具有由对气蚀散发敏感的电介质层形成的内壁；
分离装置，其具有：被电脉冲电离的工作流体流动的孔道；磁体，其形成在孔道的各个侧面，以使具有一组磁体的北极和另一组磁体的南极面对；和分离孔道，其基于电极性，以垂直于磁场的方向，将从工作流体中分离的离子导入两个不同的路径；和
收集装置，其通过与含有通过由铑和钯之一制成的催化板分离的氢离子和氢氧离子之一的工作流体接触而产生氢气，该收集装置与分离孔道的各个后端连接。
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