CN211227359U - 一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置 - Google Patents

Abstract

一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置，涉及电解水制氢领域。包括用于热解水的热等离子体炬、高压水柱，用于阻止等离子体复合的线圈、铁芯、电离导管、导电板、接地线，用于储存氢离子气体的引风机、氢离子气体管、储气囊壳、储气囊膜，用于驱动氢离子气体的压缩机、压缩气体管等部件。所述高压水柱与热等离子体炬在铁芯磁场的电离导管内部空间汇合热解成等离子体，感应电场作用等离子体的电子经导电板流向接地线，等离子体相变为带正电荷的氢离子气体。所述压缩机通过压缩气体管端口对接储气罐阀门进行压缩氢离子气体的灌装，罐装氢离子气体可作为氢内燃机的燃料。实现了对水中氢离子气体的开采、储藏及转换动能利用的理想。

Description

一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置

技术领域

本实用新型属于电解水制氢的领域，尤其涉及的是以热等离子体加磁场感应热解电解水制带电氢离子气体的装置。

背景技术

近百年来，人们逐渐疯狂的开采地球内部的石油、煤炭、天然气等化石矿物，通过燃烧化石矿物获得热能来满足人类社会生存和高速发展的需要。但是，过渡消耗化石能源造成了环境污染的危机。在近几十年，人们注意到，水也是自然界存在的一种矿物。因水中存在氢元素，不但能够燃烧，且燃烧过程没有二氧化碳排放。因此，有人提出了电解水制氢及在工业上大规模分布应用的设想。目前，比较成熟和清洁的电解水制氢技术有：

1.碱性电解池水电解制氢技术；

2.固体聚合物电解水制氢(SPE)技术；

3.高温固体氧化物电解水制氢技术；

由于上述电解水制氢技术存在电能消耗大、制氢成本高、效率低的缺陷，至今也没能在工业上大规模分布应用。

2005年1月，清华大学毛宗强教授在《氢能——21纪的绿色能源》一书的第68---69页[1]中指出：

水的裂解反应为

这是一个很强的吸热反应，常温下平衡转化率极小，一般在2500℃时才有少量水分解。实际上，水裂解时产生H、H₂、O、O₂、OH、HO₂和H₂O。其组分与温度的关系如图1所示。

水直接热分解为氢和氧的反应，氢的平衡摩尔比在2000k(1727℃)时为0.036，3000k(2727℃)时为0.1。即必须将水加热至3000℃以上，反应才有实际应用的可能。

由于操作温度太高，在高温条件下出现许多问题，可以归纳为以下三个方面：

1.热源。由于水直接裂解的温度在2000℃以上，所以热源本身就是大问题。现在看来有希望的热源只有太阳能和核聚变热。而后者的可能性更大，但热核聚变工业化还有很长的时间。

2.材料问题。在2000℃以上的温度，材料也成为大问题。金属材料几乎都不能胜任，只能寄希望于非金属材料，如陶瓷材料，碳材料等。还可以通过结构设计来强化材料的强度，使之能在2000℃的高温下工作，但寿命问题还没有答案。

3氢和氧的分离。高温直接热解水生成氢、氧、原子氢、原子氧等多种组分，这些组分混合在一起，如何安全，有效的将氢和氧分离也是重要的难点。利用氢和氧的差别，特别是重力场，磁场等差别，可以分离，但尚未见文献报道。

鉴于毛宗强教授上述三个方面的难点，人们一直认为高温热解水制氢不具备普遍的实用意义。

分析现有制氢装置存在电解水制氢效率低的技术缺陷是：电解水的电压、电流数值小，反应温度一般在1000K以下。其反应过程中能量传递与交换的数值小，电解水汽化蒸发释放氢分子气体的反应速度慢。这种电化学反应过程仅仅只是分解了H₂O的分子，所得到的是分子层次的H气体。其化学反应过程产生的是分子反应热：H+H→H₂(432.9kJ/mol)。因此，其制氢效率低。

然而，由地球化学理论可知，地球内部高温也能进行热解水的物理反应而离解氢原子H→H⁺+e^-。其热解水的过程能够吸收更多的能量。而当H⁺+e^-气体在地球内部与H₂O反应可释放更大数值的氢原子反应热H⁺+e^-→H(1306kJ/mol) [2]。

当然，高温热解电解H₂O需要大数值能量。所用电源的电压需达到100V以上，且电流密度达到180A/cm²，可形成物理电弧放电。电弧温度达5000K以上，电弧热解H₂O先生成H、H、O₂气体，继续反应裂解为H⁺、H⁺、e^-、e^-、O₂等离子体气体。水的高温热解电解反应吸收的能量为

H₂O→H⁺+e^-+H⁺+e^-+O₂，ΔH＝2612kj/mol

从氢原子热解电解产生的物理反应热数值大约是氢分子电解化学反应热数值的6倍情况看，高温热解电解水制氢的效率高。

由于近年来工业技术的进步与发展，以上毛宗强教授所述的高温热解水制氢存在的3个难点，目前在技术上都是可以克服的。

首先，热源问题。在热等离子体喷涂的非转移弧等离子体发生器的正柱电弧空间，已达到32000K的高温。若选择热等离子体喷涂的热等离子体作为局部空间的热源，将适量的高压水柱喷射到热等离子体7000k温度段的位置点即可进行热解水的反应。虽然，热解水反应生成等离子体气体的同时能够引起温度降，使等离子体气体中氢离子、电子复合。但在此局部空间适当的施加一个当量磁场，等离子体与磁场相互感应的作用就能够阻止氢离子、电子复合。那么，所感应的电场强度E值是多少呢？文献《气体放电》[3]给出：在半径R 为1cm的球面处产生的电场强度E＝15000v·m^-1。这也就是说，在等离子体存在的局部空间施加一个能够感应电场强度E≥15000v·m^-1的外磁场，就能利用等离子体与磁场相互感应的电场作用控制等离子体中电子的振动频率及振动速度，从而对电子的行为进行调制。根据电工学原理，地球地壳表面以下紧密连接岩石圈其电势等于零。这样，处于E≥15000v·m^-1高电位的电子就必然向地表以下放电。如果将接地线上面一端的导线连接一块金属板放入E≥ 15000v·m^-1的电场空间内，此空间的等离子体中高频、高速(10¹⁵m/s²)振荡的电子就会瞬间通过金属板流入地表放电而消失。这样，电中性的等离子体气体就相变为带正电荷的氢离子气体，将其收集到容器中就得到了可实际应用的带正电荷氢离子气体。从而，实现高温热解电解水制氢(原子氢)的理想。

其次，材料问题。热等离子体喷涂的等离子体发生器产生的热等离子体放置在空间某一点，不需要容器。高压水柱射流喷射到热等离子体7000k温度的位置点即可热解所喷射的水。氧原子O₂最外层有6个电子，其裂解温度在 5500k以上。而氢原子H最外层只有1个电子，其裂解温度在4500k左右。高压水柱射流喷射到等离子体7000k温度的位置点热解所喷射水的同时也引起热等离子体的瞬间温度降。因此，位置点局部空间气体的温度迅速下降至2000k 以下，热等离子体仅仅热解H₂O中的H₂，反应式

H₂O→H⁺+e^-+H⁺+e^-+O₂

H₂O经过热解反应生成H⁺、H⁺、e^-、e^-、O₂等离子体气体。这样，收集H⁺、 H⁺、e^-、e^-、O₂等离子体气体的容器材料也就不是什么问题了。一般的耐高温非金属陶瓷材料、玄武岩纤维聚合物材料等，都可以通过循环水降温的设计来解决容器的抗高温问题，使其能在2000℃以下的高温进行工作。

再次，仅将H⁺和O₂组分的氢离子气体混合在一起，密封存放在陶瓷材料、玄武岩纤维及其复合材料或高分子聚合物基复合材料制成的压力容器中，只要容器内H⁺和O₂组分的氢离子气体与水隔离密封就可以长期保存。

发明内容

鉴于上述技术的突破，本实用新型提供一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置。其在结构上进行了以下改进：

1.采用热等离子体发生器产生的等离子体作为热源；

2.将高压水柱喷射到热等离子体7000K温度段位置点进行水的热解；

3.将电离导管前端内腔安装在热等离子体7000K温度段的位置点空间；

4.在电离导管外径固定安装铁芯，使电离导管内径空间分布具有一定磁场强度的均匀磁场；

5.在电离导管内腔底部固定安装一条金属板，并将金属板与接地线连接；

6.电离导管外径管壁固定循环水道，水道内流通冷却水对电离导管降温；

7.在电离导管后端固定安装引风机，引风机驱动电离导管内部的氢离子气体迅速流动到储气囊；

由此改进，高压水柱喷射到热等离子体7000K温度段热解为H⁺、H⁺、e^-、 e^-、O₂等离子体气体，由于电离导管内部感应电场作用阻止其气体中氢离子、电子复合。因此，高压水柱引起热等离子体7000K温度段温度瞬间降至 2000K以下时氢离子、电子不会复合。电子e^-、e^-感应电势加速振荡碰撞金属板经接地线传入地球表面放电。引风机转动驱动相变为H⁺和O₂组分的氢离子气体流动，最终将H⁺和O₂组分的氢离子气体输送到储气囊存储。

上述热解电解水制氢技术与现有电解水制氢技术相比，有益效果如下：

1.制氢成本低，能够克服现有技术制氢成本高的缺陷；

2.H⁺和O₂组分的氢离子气体压缩灌装到压力容器可长期保存，储藏简便；

3.H⁺和O₂组分的氢离子气体带正电荷只能在大数值电流的电弧作用下点燃反应还原成水，因此，只要避免雷击就不会发生容器的爆炸。氢离子气体泄漏遇到明火也不会燃烧，其使用安全；

4.H⁺和O₂组分的氢离子气体的燃烧过程无二氧化碳排放；

5.H⁺和O₂组分的氢离子气体热焓值高；

6.H⁺和O₂组分的氢离子气体带正电荷，可以作为单向导电线圈用于磁流体循环发电机，也可作为大电流电弧点火氢气内燃机或喷水雾点火氢气内燃机的新型燃料；

附图说明

图1为水热分解时生成物与温度的关系示意图。

图2为本实用新型一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置制氢部分结构示意图的侧视图。

图3为本实用新型一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置制氢部分结构示意图的俯视图。

图4为本实用新型一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置储氢部分结构示意图的侧视图。

图5为本实用新型一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置设备部分结构示意图的侧视图。

图6为本实用新型一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置制氢原理图。

图7为本实用新型一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置线圈并连电路图。

图8为本实用新型一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置铁芯结构示意图的侧视图。

图9为本实用新型一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置电气设备接线图。

图2、图3、图4、图5、图6图、7、图8、图9中：1、底座，2、冷水管接头，3、压力水管，4、工作气体管接头，5、高压水泵，6、电缆线，7、回水管接头，8、支撑架，9、散热器，10、热等离子体发生器，11、喷头，12、高压水柱，13、热等离子体，14、联通水管，15、循环水管，16、线圈， 17、热水管，18、铁芯，19、铁芯固定架，20、电离导管，21、引风机，22、单向阀，23、导电线，24、变相开关，25、负载正极，26、负载，27、负载负极，28、接地线，29、冷却水道，30、导电板，31、储水箱，32、氩气瓶， 33、氢气瓶，34、控制箱，35、200kw逆变电源，36、100kw逆变电源，37、避雷针，38、压缩气体管，39、压缩机，40、密闭阀门，41、地基基础，42、储气囊壳，43、阻升网，44、储气囊膜，45、氢离子气体管，46、氢离子气体。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明：

如图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，底座(1)的下端面放置在地表某一水平地面，底座(1)上平面的左侧与高压水泵(5)的底部固定连接，高压水泵(5)左侧下部的孔固定连接冷水管接头(2)的一端，高压水泵(5)左侧上部的孔固定连接压力水管(3)的一端，压力水管(3) 由三通接头分为两条管路，压力水管(3)的一条分管与喷头(11)的一端内径孔固定连接，压力水管(3)的另外一条分管与热等离子体发生器(10)后端内径的冷却水道固定连接，热等离子体发生器(10)的外径上部右侧的孔与循环水管(15)的一端内径固定连接，热等离子体发生器(10)外径上部左侧的孔与工作气体管接头(4)的一端固定连接，热等离子体发生器(10)右端的内径由内向外喷射热等离子体(13)，热等离子体(13)中部的某一段位置点与喷头(11)喷出的高压水柱(12)交汇，热等离子体发生器(10)的外径下部两边与两根支撑架(8)的上端固定连接，两根支撑架(8)的下端与散热器(9)的上端面固定连接，散热器(9)的左侧孔与回水管接头(7)的一端固定连接，散热器(9)的右侧孔与热水管(17)的一端外径固定连接，散热器(9)的底部与底座(1)左侧的上平面固定连接，散热器(9)的右侧由左向右横向排列放置8个铁芯固定架(19)，8个铁芯固定架(19)的底部分别与底座(1)中部上平面固定连接，每个铁芯固定架(19)上端面备制有若干个螺丝孔，8块铁芯(18)分别竖向由螺丝固定安装在铁芯固定架(19) 的凹槽中，每块铁芯(18)的上部铁芯穿越一组线圈(16)的内径，每块铁芯 (18)的侧边中部都有一空气间隙，8块铁芯(18)横向前、后交叉排列，其侧边中下部空气间隙形成的横向长方体空间内固定安装电离导管(20)的长方体外壳，电离导管(20)的长方体外壳内部空间的容积大于热等离子体 (13)的圆柱体体积若干倍，电离导管(20)内部底面固定安装长度与电离导管(20)长度相等的长方体导电板(30)，导电板(30)的右侧一端与导电线 (23)的一端固定连接，导电线(23)的另外一端与变相开关(24)的可变相闸刀固定连接，变相开关(24)的竖向导线与负载正极(25)的导线连接，变相开关(24)的横向导线与接地线(28)的一端以及负载负极(27)的导线连接，接地线(28)的另外一端与地球表面以下埋放的导电金属板连接，负载 (26)的底部与底座(1)右侧上平面的位置固定连接，电离导管(20)外壳的前后两边壳分别固定安装一根冷却水道(29)，后边冷却水道(29)外壳右侧的孔与循环水管(15)的另外一端内径固定连接，后边冷却水道(29)外壳左侧上面的孔与联通水管(14)的一端连接，联通水管(14)的另外一端与电离导管(20)前边的冷却水道(29)外壳左侧上面的孔固定连接，前边冷却水道(29)外壳右侧的孔与热水管(17)的一端内径固定连接，电离导管 (20)的右侧端口与引风机(21)的左侧进风孔密封固定连接，引风机(21) 的底部与底座(1)右侧上平面的位置固定连接，引风机(21)的右侧排风孔与单向阀门(22)的左侧管道的外径密封固定连接，单向阀门(22)的右侧管道外径与氢离子气体管(45)的一端管道内径密封固定连接，氢离子气体管 (45)的另外一端管道内径与储气囊壳(42)的右侧进风孔密封固定连接，储气囊壳(42)圆形圈的上端部与储气囊膜(44)的有盖无底圆桶形囊膜下部膜边密封固定连接，储气囊壳(42)圆形圈的下端部与地基基础(41)右侧的上平面胶合密封固定连接，地基基础(41)上平面固定的若干个拉环与阻升网 (43)的若干根尼龙缆线固定连接，阻升网(43)覆盖在充足气体的储气囊膜 (44)的外表面，储气囊壳(42)圆形圈的左侧外径的圆孔与密闭阀门(40) 的一端管道外径胶合密封固定连接，储气囊壳(42)上端圆边与储气囊膜 (44)下部膜边胶合的可伸缩空间内储藏氢离子气体(46)，密闭阀门(40) 的另外一端管道外径与压缩机(39)右侧的进气圆孔密封固定连接，压缩机 (39)左侧的输出气体孔与压缩气体管(38)的一端外径密封固定连接，压缩机(39)的底部与地基基础(41)左侧的上平面位置固定连接，地基基础 (41)下端面置放在距离底座(1)后边约5m-20m的地表某一水平位置，地基基础(41)的左侧地面与避雷针(37)的支撑杆下端固定连接，避雷针(37) 的金属导线与地表以下深埋的导电金属板连接联通，储水箱(31)的底部放置在地基基础(41)左侧地表的某一水平位置，储水箱(31)左侧下部的管道接头与水管的一端内径固定连接，水管的另外一端内径与冷水管接头(2)的外径固定连接，储水箱(31)上部的管道接头与水管的一端内径固定连接，水管的另外一端内径与回水管接头(7)的外径固定连接，氩气瓶(32)的底部放置在地基基础(41)左侧地表的某一水平位置，氩气瓶(32)的气体输出阀门与左侧压力软管一端的外径密封固定连接，左侧压力软管另外一端的外径与三通气管左侧分管的内径密封固定连接，氢气瓶(33)的底部放置在地基基础 (41)左侧地表的某一水平位置，氢气瓶(33)的气体输出阀门与右侧压力软管一端的外径密封固定连接，右侧压力软管另外一端的外径与三通气管右侧分管的内径密封固定连接，三通气管上部分管内径与主压力软管一端的外径密封固定连接，主压力软管另外一端的内径与工作气体管接头(4)的外径密封固定连接，控制箱(34)的底部放置在地基基础(41)左侧地表的某一水平位置，控制箱(34)左侧的4个圆形接线柱分别与电网的火线、零线、接地线连接，控制箱(34)上部引出的两根导线输出的是220V交流电，控制箱(34) 上部引出的两根导线分别与200kw逆变电源(35)左侧的2个圆形接线柱连接形成控制电路，200kw逆变电源(35)上部引出的2根正、负接线柱分别与热等离子体发生器(10)左侧端面引出的电缆线(6)的正、负极连接，200kw逆变电源(35)的底部放置在地基基础(41)左侧地表的某一水平位置，控制箱 (34)上部引出的2根导线分别与100kw逆变电源(36)左侧的2个圆形接线柱连接形成控制电路，100kw逆变电源(36)上部引出的2根正、负接线柱分别与8组线圈(16)并联后再并联1个电阻的2条导电线连接，100kw逆变电源(36)的底部放置在地基基础(41)左侧地表的某一水平位置，控制箱 (34)右侧引出的4根导线分别与压缩机(39)、控制箱(34)、抽风机 (21)、高压水泵(5)、散热器(9)的电动机绕组引出的4根导线连接联通构成开关电路。

本实用新型一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置，其结构由44件固态部件和2件气态材料组成。各个部件及材料的技术要求和材料特性分别叙述如下。

上述的底座(1)是由一定质量数值的金属制造的，底座(1)下端面放置在地球表面某一水平地面所建造的通风良好的建筑物内。

上述的冷水管接头(2)是一根金属无缝水管。

上述的压力水管(3)是一根压力水管，压力水管的压力大于8.0MPa。。

上述的工作气体管接头(4)是一根无缝金属管，工作压力大于10.0MPa。

上述的高压水泵(5)是一台卧式三缸往复单作用活塞泵式水泵。由30kw 交流电动机驱动。工作压力大于10.0MPa。

上述的电缆线(6)是直径Φ＝9.4mm的铜质外包绝缘橡胶软线。

上述的回水管接头(7)是用无缝钢管制造的接头，其工作压力大于 10.0MPa。

上述的两根支撑架(8)是金属制造的300mm×50mm×50mm长方形方钢。

上述的散热器(9)是安装有风冷散热片的冷却装置，散热器(9)由10kw 交流电动机驱动。散热器(9)的出水温度小于20-30℃。

上述的热等离子体发生器(10)是一个非转移弧等离子体发生器。热等离子体发生器(10)内部空间固定安装有阴极和阳极。阳极为正柱，接在喷嘴上。阴极和阳极与逆变电源接通，在热等离子体发生器(10)内腔的阴极和喷嘴与内壁之间产生电弧。选择气稳，当工作气体围绕着电弧压力送入，通过阴极和喷嘴之间的电弧把工作气体加热压缩造成全部或部分电离形成高温等离子体。之后，由喷嘴喷出形成等离子火焰炬(或叫等离子射流)。此高温等离子体内部约有1％以上的气体被电离，离子、自由电子具有动能且接近于热平衡，中心温度可达32000k(相当于2.7eV)。工作气体经电离形成数值很大的电子、离子群，其电子浓度大约在10¹⁰个/cm²～10¹⁵个/cm³之间，离子与电子的浓度相等。电子与离子之间的库仑力作用范围的距离x＞10^-5m。由热等离子体发生器(10)喷嘴出口喷出的热等离子体(13)最左侧中心温度能够达 20000k～15000k。热等离子体(13)的功率约200kw。电弧功率高，几乎全部工作气体都转变为活性等离子体粒子流。热等离子体发生器(10)喷嘴出口喷出的热等离子体(13)的焰流速度大约1000m～2000m/s。热等离子体发生器(10)采用机装式。

上述的喷头(11)是金属材料制作的。其喷口直径的大小与循环水的压力决定高压水柱(12)的压力及流量数值。其喷口直径可调范围1mm----8mm。

上述的高压水柱(12)是一个水柱直径数值可以通过调整喷头(11)的喷口直径数值而改变直径大小的高压水柱。高压水柱(12)直径可调范围1mm--- -8mm。高压水柱(12)的压力以不击穿热等离子体(13)的焰流圆柱体为宜，大约0.01Mpa----0.10Mpa。

上述的的热等离子体(13)的焰流直径30mm，焰流温度20000k～ 15000k，焰流速度大约1000～2000m/s。

上述的联通水管(14)是金属材料制作的水管，几何外形由其所在空间条件设计制作。

上述的循环水管(15)是一条压力水管。内径Φ＝50mm，压力F＞0.5Mpa。流入循环水管(15)的循环水的温度为20--30℃。

上述的线圈(16)是由直径Φ＝2.2mm的铜质漆包线绕制的线圈，线圈 (16)的内径为成正方形，边长L＝300mm，外径为正方形，边长L＝784mm，线圈(16)的径向长度L＝400mm，线圈(16)的匝数为20000匝。线圈(16) 的电阻113.5Ω。采用8组线圈(16)并联，电阻为14.19Ω。8组线圈(16) 并联后再与1个7.80Ω的电阻并联，其总电阻为10.99Ω。两端导线分别与

上述的储气囊膜(44)是由耐高温非金属非导电纤维柔性材料做骨架；两面胶合TP-2型四氟丙橡胶制成的柔性密闭气囊软壳。储气囊膜(44)所用的 TP-2型四氟丙橡胶耐温、耐碱、耐蒸汽等性能优良，适用于碱性环境使用，其拉伸强度为714Mpa。在接触过热蒸汽时具有长达一年的寿命，在碱液中能使用 3000小时。可在260度至290度摄氏度下长期使用[4]。储气囊膜(44)制造成无底有盖的桶形，内直径Φ＝10m，高度h＝7m，盖的直径Φ＝10m，容积≈ 628.32m³。

上述的氢离子气体管(45)是由耐高温非金属非导电材料制成的管道，氢离子气体管(45)的内直径Φ≥300mm。可耐高温600℃。

上述的氢离子气体(46)是存在于自然水中的带正电荷阳离子(H⁺)粒子群。带正电荷氢离子气体(46)的离子浓度为10¹⁰个/cm³～10¹⁵个/cm³，电离度≥1，是电导率很大的导电气体。

本实用新型一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置，其结构所需要的44件固体部件准备好以后，先按照图2、图3、图4、图5、图 6、图7、图8、图9所示的结构图、接线图及电路图组装。

准备的44件固体部件按图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9 所示的结构组装好后，本实用新型实施例即可启动试运行。

启动试运行前，首先检查制氢装置的各机组是否具备启动条件：

1.检查机组周围是否有障碍物，辅助启动工具、记录表等是否已准备好；

2.检查电机、电气、仪表、灯光信号、水管、冷却水、阀门是否连接、联通正常；

3.压缩机润滑系统是否正常(油箱油位、油箱底部有无积水、辅助油泵及油路正常)；

4.冷却水系统管路及冷却水情况(水压、水温、阀门是否灵活等)；

5.气体管道管路是否贯通，控制阀门是否灵活好用，是否能按照要求关闭和打开；

本实用新型实施例热解电解水制氢装置的各机组具备启动条件，首先合上控制箱(34)与电网的开关，获得电网提供的380V交流电。接着启动200kw 逆变电源(35)和100kw逆变电源(36)运行工作。启动底座(1)左侧上平面固定安装的高压水泵(5)，高压水泵(5)通过冷水管接头(2)连接的水管从储水箱(31)抽取冷却水并压送到压力水管(3)及热等离子体发生器 (10)，冷却水经过热等离子体发生器(10)右侧上部的孔流入循环水管 (15)。之后，冷却水受压力注入电离导管(20)后面的冷却水道(29)，再经过联通水管(14)流入电离导管(20)前面的冷却水道(29)右侧的孔经过热水管(17)流入散热器(9)，冷却水经过与散热器(9)的回水管接头(7)连接的水管回流到储水箱(31)。

冷却水按照设计技术要求正常循环流动后，开启200kw逆变电源(35)与热等离子体发生器(10)的电路开关，直流电流由电缆线(6)的负极流向热等离子体发生器(10)内部的负极，在与热等离子体发生器(10)外壳连接的正极之间放电形成电弧后回流到电缆线(6)的正极形成电路。

此时，打开氩气瓶(32)和氢气瓶(33)的阀门，调节氩气瓶(32)的氩气流量为90％，调节氢气瓶(33)的氢气流量为10％，在三通气管接头内部空间混合成工作气体。工作气体流经工作气体管接头(4)到达支撑架(8)上端固定安装的热等离子体发生器(10)内部的电弧腔；助燃提高电弧温度电离工作气体形成热等离子体。热等离子体中心温度可达32000k(相当于2.7eV)。热等离子体发生器(10)的激励功率为200kw。

热等离子体向右侧喷嘴出口喷出形成热等离子体(13)。热等离子体 (13)内部约有1％以上的气体被电离，离子、自由电子具有动能接近于热平衡。热等离子体(13)中的电子浓度大约为10¹⁰个/cm³～10¹⁵个/cm³。电子与离子之间的库仑力作用范围距离x＞10^-5m。喷嘴出口的热等离子体(13)的温度可达20000k～15000k。热等离子体(13)的焰流速度在喷嘴出口大约 2000m/s。因空间空气阻力和降温的作用，热等离子体(13)的焰流速度减小，且温度下降。因此，热等离子体(13)的焰流温度具有梯度。

热解电解水制氢与温度和水的质量有关。即热解的水质量大，需要的温度高。另外，考虑到不能将水中的氧原子同时热解的情况，热解水的热源温度选择并不是任意的。应由实验先确定高压水柱(12)单位质量与热等离子体 (13)温度最佳汇合的位置点，即热等离子体(13)的温度选择在既可热解氢原子相变为等离子体又不热解破坏氧原子结构的位置点。确定了合适的位置点，调整固定好高压水柱(12)的入射角度后方可进行试运行。

本实用新型实施例确定喷头(11)喷射的高压水柱(12)流量为20g/s。高压水柱(12)的压力调节到不能击穿热等离子体(13)的焰流炬为宜。确定高压水柱(12)前端斜角入射到热等离子体(13)前部7000K温度段的交汇位置点。质量20g的水在7000K温度段的交汇位置点汇合，热等离子体 (13)热解20g水生成0.22m³等离子体气体。热解20g水消耗热能造成交汇位置点的温度急剧下降至4000k以下。在热源未将水中氧原子同时热解的情况下，20g水热解汽化为H⁺、e^-、H⁺、e^-、O₂组分的等离子体气体，该气体化学活性强迅速膨胀，其中的正、负离子、分子在其自身气体中的扩散系数[5]：

H⁺＝0.123×10^-4m²/s

e^-＝0.19×10^-4m²/s

O⁺＝0.026×10^-4m²/s

O^-＝0.039×10^-4m²/s

以上的扩散系数表明，气体中H⁺、e^-组合的原子H膨胀速度大，而氧原子的阴、阳离子的膨胀速度小。小近1个数量级。0.22m³等离子体气体中主要是氢原子H膨胀相变的等离子体。当然，氢原子H仅仅只是体积膨胀了大约4个数量级，其并没有完全裂解。如果热等离子体(13)与高压水柱(12)交汇位置点的温度继续下降至3000K以下，那么，H⁺、e^-将复合为H，而其膨胀自然消失，等离子体气体则相变为水蒸气。

为了避免因交汇位置点温度降引起等离子体逆反应，交汇位置点的空间位置确定在电离导管(20)左侧端口向右插入内部2cm的空间。电离导管(20) 横向嵌入铁芯固定架(19)凹槽固定的铁芯(18)空气间隙中。铁芯(18)共计8块。8块铁芯(18)横向前、后交叉排列。8块铁芯(18)上部分别套一组线圈(16)，每组线圈(16)的匝数为20000匝，电阻113.5Ω。8组线圈 (16)并联后电阻为14.19Ω。8组线圈(16)并联后再与1个7.80Ω的电阻并联，其总电阻大约为11Ω。8组线圈(16)并联后两边导线分别与100kw逆变电源(36)的正极、负极连接。100kw逆变电源(36)的电压为220V。8组线圈(16)流通直流电流20A。每一块铁芯(18)空气间隙长度L＝50mm，每一块铁芯(18)空气间隙的磁阻Ω

(式中μ₀为真空磁常数，μ₀＝1.257×10^-6)。

每一块铁芯(18)空气间隙的磁通Φ

每一块铁芯(18)空气间隙的磁感应强度B_x

热等离子体(13)以υ＝630m/s流动速度驱动0.22m³等离子体按90度角由左至右穿越8块铁芯(18)空气间隙，0.22m³等离子体在8块铁芯(18) 空气间隙中的感应电场强度E₁[6]

E₁＝B_xlυsinθ

(式中B_x为磁感应强度，l为导电气体穿越磁场的长度，υ为导电气体的流动速度)

E₁＝10.06T×2.4m×630m·s^-1×1＝15210.7V·m^-1

E₁≥E。E₁的感应电场均匀分布在电离导管(20)内部，E₁感应电场的作用能阻止0.22m³中H⁺、e^-、H⁺、e^-、O₂等离子体的阴、阳离子复合。因此，交汇位置点热解电解的等离子体中的H⁺、e^-不会因温度降低至3000K以下而复合。

由于，在电离导管(20)内部固定安装有一条长方体金属导电板(30)，并且，导电板(30)的一端与接地线(28)的一端导电线连接。受到E₁＝15177 (v·m^-1)感应电场作用，0.22m³等离子体中的电子e^-、e^-在高频、高速 (10¹⁵m/s²)振荡时将碰撞导电板(30)。这样，电子e^-、e^-会瞬间流入导电板 (30)经接地线(28)传入地表以下放电而消失(例如用于切割金属的等离子体发生器的转移电弧就是利用接地线作为正极引弧)。而剩下的H⁺和O₂气体就相变为带正电荷氢离子气体(46)。如图6所示。

因热解水产生温度降及冷却水道(29)、联通水管(14)的冷却作用，电离导管(20)内部温度降低至2000K以下。此时，引风机(21)处于转动工作状态，驱动带正电荷氢离子气体(46)向右侧流动，其流速大约300m/s，远远大于氢分子燃烧的速度(2.70M/s)。因此，0.22m³等离子体气体不会燃烧，只能相变为带正电荷氢离子气体(46)。受引风机(21)向右侧驱动，带正电荷电荷氢离子气体(46)流经单向阀门(22)、氢离子气体管(45)最终向储气囊壳(42)与储气囊膜(44)之间可伸缩空间流动。

高压水柱(12)以20g/s的流量将水连续注射到热等离子体(13)前部 7000K温度段的交汇位置点，经过若干分钟的时间，可将储气囊壳(42)与储气囊膜(44)之间大约628.32m³的可伸缩空间充满。储气囊壳(42)与储气囊膜(44)之间可伸缩空间充满带正电荷氢离子气体(46)后具有升力1013kg。在储气囊膜(44)表面的阻升网(43)张拉可增强储气囊膜(44)的张力，阻升网(43)的若干根尼龙绳固定在地基基础(41)表面预制的拉环上，地基基础(41)的质量m≈22.6吨，阻升网(43)可以将储气囊壳(42)与储气囊膜(44)固定在地基基础(41)表面。

储气囊壳(42)与储气囊膜(44)之间可伸缩空间充满550m³带正电荷氢离子气体(46)后，同时关闭热等离子体发生器(10)、喷头(11)的电路开关，且停止200kw逆变电源(35)的工作。继而，将压缩气体管(38)的输出端口与电离导管(20)的左侧端口密封连接。之后，打开密闭阀门(40)，启动压缩机(39)。压缩机(39)抽取储气囊壳(42)与储气囊膜(44)之间可伸缩空间内的带正电荷氢离子气体(46)进行多级压缩，使带正电荷氢离子气体(46)的H⁺和O₂离子浓度增加。之后，压缩机(39)输出气体的压缩气体管(38)将带电氢离子气体(46)在相对铁芯(18)90度角的位置以 300m/s的流速喷向电离导管(20)的左侧端口，带正电荷氢离子气体(46)穿越切割电离导管(20)内部长度L＝2.4m的8块铁芯(18)的空气间隙，因空气间隙中磁感应强度B_x＝10.06T，带正电荷氢离子气体(46)将在空气间隙中感应电动势E₂

因为

E₂＝B_xlυsinθ

所以

E₂＝10.06T×2.4m×300m·s^-1×1＝7243.2V·m^-1

此时，将变相开关(24)的闸刀垂直放置，带正电荷氢离子气体(46)通过导电板(30)的导线与导电线(23)、负载正极(25)连接联通，负载(26) 的负载负极(27)与接地线(28)的上部中段连接形成电路，负载(26)启动工作。负载(26)可输出电功率5500kVA。

若需要负载(26)连续输出电功率，压缩机(39)必须连续抽取带正电荷氢离子气体(46)进行多级压缩后，压缩气体管(38)以300m/s的流速将带正电荷氢离子气体(46)喷向电离导管(20)的左侧端口，使带正电荷氢离子气体(46)循环流动。当负载(26)出现超负荷运行情况，应立即增加压缩机 (39)的转动速度，通过提高带正电荷氢离子气体(46)的压力和浓度以及喷射流速提高感应电动势E₂的数值来达到负荷平衡。如果负载(26)出现低负荷运行情况，应立减小压缩机(39)的转动速度，通过降低带正电荷氢离子气体 (46)的压力和浓度以及喷射流速减小感应电动势E₂的数值来达到负荷平衡。

带正电荷氢离子气体(46)循环流动将在循环流动的环形空间产生电磁场，该电磁场对向地表空间放电引起的雷电具有吸引力。本实用新型实施例在带正电荷氢离子气体(46)循环流动的环形空间附近安装了避雷针(37)，避雷针(37)可以将空间引起的雷电引入地球地壳。

本实用新型实施例的底座(1)应放置在甲类厂房内的地面，厂房宜采用单层建筑结构。地基基础(41)下端面置放在厂房外距离底座(1)后边约5m- 20m的地表某一水平位置。其耐火等级及防火分区的面积应严格满足GB 4962- -2008《氢气使用安全技术规程》要求。所有电气设备及控制仪表均选择使用防爆类型。并且，所有电器设备、管道、构架、风管等都要接到防雷电感应接地装置上。

本实用新型实施例调试合格正常运行时，其高压水柱(12)喷出的水量若选择20g/s的流量，在1个大气压情况下，其每小时喷射72kg水。经过热等离子体(13)、铁芯(18)的磁感应电场热解电解的带正电荷氢离子气体 (46)：

72kg÷0.0893kg/m³＝806.27m³

本实用新型实施例热解电解水制带正电荷氢离子气体(46)启动了200kw 逆变电源(35)、100kw逆变电源(36)、30kw水泵(5)、10kw散热器 (9)、15kw抽风机(21)、300kw压缩机(39)。共计消耗电功率655kw。每小时消耗电能655kw/时。热解电解1立方米带正电荷氢离子气体(46)所消耗电能0.812kw/时。比现有电解水制氢的效率高。

在夜间，仅启动压缩机(39)、100kw逆变电源(36)、15kw抽风机 (21)工作，驱动带正电荷氢离子气体(46)从储气囊壳(42)与储气囊膜 (44)之间可伸缩空间经压缩机(39)、压缩气体管(38)、电离导管 (20)、抽风机(21)、氢离子气体管(45)连续循环流动，使带正电荷氢离子气体(46)在电离导管(20)内腔连续切割铁芯(18)空气间隙中的磁场感应电动势E₂。带正电荷氢离子气体(46)与导电板(30)、导电线(23)、变相开关(24)、负载正极(25)、负载(26)、负载负极(27)及接地线 (28)串联可形成放电回路，向负载(26)传递电功率。负载(26)可直接向居民生活小区或生产工厂供电。

在白天，启动热等离子体发生器(10)、压缩机(39)等等部件连续工作，并将压缩气体管(38)的输出端口对接压力储气罐输气阀门进行带正电荷氢离子气体(46)的连续压缩、灌装。将灌装了压缩带正电荷氢离子气体 (46)的储气罐阀门密封后可以异地转运。转运的压缩带正电荷氢离子气体 (46)的储气罐可以向大电流点火或缸内喷水点火氢气内燃机提供带正电荷氢离子气体燃料。氢气内燃机可作为动力源用于汽车、轮船、火车等交通工具。

本实用新型实施例热解电解水制氢的成本低，所获得的带正电荷氢离子气体(46)是存在于自然水中结构最简单、储量巨大的物质。带正电荷氢离子气体(46)储藏简便、使用安全、无二氧化碳排放、热焓值高、气体利用效率高，是一种人们尚未认识而自然真实存在的化石气体燃料，开发及应用带正电荷氢离子气体燃料可谓是颠覆性新能源利用技术。其制氢工艺流程能够克服现有电化学制氢技术中的所有缺陷。普遍应用本实用新型实施例，从而，能够实现带正电荷氢离子气体在工业上大规模分布应用的理想。

参考文献

[1]毛宗强编著，《氢能——21纪的绿色能源》[M]，化学工业出版社，2005年1月，第68-69P。

[2]杜乐天著，《新地球科学原理导论》[M]，2017.06，第362P。

[3]武占成，张希军，胡友志编著。《气体放电》[M]，国防工业出版社。2012年1月第一版，42P。

[4]李战雄，王标兵，欧育湘编著，《耐高温聚合物》[M]，化学工业出版社。2007年5月北京第一版。第246P。

[5]武占成，张希军，胡友志编著，《气体放电》[M]，国防工业出版社，2012年1月第一版，第22P。

[6]董长军著，《地球天体表面地震成因的多物理耦合数学模型》[J]，《国际地震动态》，2017年，第 6期，第24P。

Claims (6)

1.一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置，包括底座(1)，冷水管接头(2)，压力水管(3)，工作气体管接头(4)，高压水泵(5)，电缆线(6)，回水管接头(7)，支撑架(8)，散热器(9)，热等离子体发生器(10)，喷头(11)，高压水柱(12)，热等离子体(13)，联通水管(14)，循环水管(15)，线圈(16)，热水管(17)，铁芯(18)，铁芯固定架(19)，电离导管(20)，引风机(21)，单向阀门(22)，导电线(23)，变相开关(24)，负载正极(25)，负载(26)，负载负极(27)，接地线(28)，冷却水道(29)，导电板(30)，储水箱(31)，氩气瓶(32)，氢气瓶(33)，控制箱(34)，200kw逆变电源(35)，100kw逆变电源(36)，避雷针(37)，压缩气体管(38)，压缩机(39)，密闭阀门(40)，地基基础(41)，储气囊壳(42)，阻升网(43)，储气囊膜(44)，氢离子气体管(45)，氢离子气体(46)，底座(1)的下端面放置在地表某一水平地面，底座(1)上平面的左侧与高压水泵(5)的底部固定连接，高压水泵(5)左侧下部的孔固定连接冷水管接头(2)的一端，高压水泵(5)左侧上部的孔固定连接压力水管(3)的一端，压力水管(3)由三通接头分为两条管路，压力水管(3)的一条分管与喷头(11)的一端内径孔固定连接，压力水管(3)的另外一条分管与热等离子体发生器(10)后端内径的冷却水道固定连接，热等离子体发生器(10)的外径上部右侧的孔与循环水管(15)的一端内径固定连接，热等离子体发生器(10)外径上部左侧的孔与工作气体管接头(4)的一端固定连接，热等离子体发生器(10)右端的内径由内向外喷射热等离子体(13)，热等离子体(13)中部的某一段位置点与喷头(11)喷出的高压水柱(12)交汇，热等离子体发生器(10)的外径下部两边与两根支撑架(8)的上端固定连接，两根支撑架(8)的下端与散热器(9)的上端面固定连接，散热器(9)的左侧孔与回水管接头(7)的一端固定连接，散热器(9)的右侧孔与热水管(17)的一端外径固定连接，散热器(9)的底部与底座(1)左侧的上平面固定连接，散热器(9)的右侧由左向右横向排列放置8个铁芯固定架(19)，8个铁芯固定架(19)的底部分别与底座(1)中部上平面固定连接，每个铁芯固定架(19)上端面备制有若干个螺丝孔，8块铁芯(18)分别竖向由螺丝固定安装在铁芯固定架(19)的凹槽中，每块铁芯(18)的上部铁芯穿越一组线圈(16)的内径，每块铁芯(18)的侧边中部都有一空气间隙，8块铁芯(18)横向前、后交叉排列，其侧边中下部空气间隙形成的横向长方体空间内固定安装电离导管(20)的长方体外壳，电离导管(20)的长方体外壳内部空间的容积大于热等离子体(13)的圆柱体体积若干倍，电离导管(20)内部底面固定安装长度与电离导管(20)长度相等的长方体导电板(30)，导电板(30)的右侧一端与导电线(23)的一端固定连接，导电线(23)的另外一端与变相开关(24)的可变相闸刀固定连接，变相开关(24)的竖向导线与负载正极(25)的导线连接，变相开关(24)的横向导线与接地线(28)的一端以及负载负极(27)的导线连接，接地线(28)的另外一端与地球表面以下埋放的导电金属板连接，负载(26)的底部与底座(1)右侧上平面的位置固定连接，电离导管(20)外壳的前后两边壳分别固定安装一根冷却水道(29)，后边冷却水道(29)外壳右侧的孔与循环水管(15)的另外一端内径固定连接，后边冷却水道(29)外壳左侧上面的孔与联通水管(14)的一端连接，联通水管(14)的另外一端与电离导管(20)前边的冷却水道(29)外壳左侧上面的孔固定连接，前边冷却水道(29)外壳右侧的孔与热水管(17)的一端内径固定连接，电离导管(20)的右侧端口与引风机(21)的左侧进风孔密封固定连接，引风机(21)的底部与底座(1)右侧上平面的位置固定连接，引风机(21)的右侧排风孔与单向阀门(22)的左侧管道的外径密封固定连接，单向阀门(22)的右侧管道外径与氢离子气体管(45)的一端管道内径密封固定连接，氢离子气体管(45)的另外一端管道内径与储气囊壳(42)的右侧进风孔密封固定连接，储气囊壳(42)圆形圈的上端部与储气囊膜(44)的有盖无底圆桶形囊膜下部膜边密封固定连接，储气囊壳(42)圆形圈的下端部与地基基础(41)右侧的上平面胶合密封固定连接，地基基础(41)上平面固定的若干个拉环与阻升网(43)的若干根尼龙缆线固定连接，阻升网(43)覆盖在充足气体的储气囊膜(44)的外表面，储气囊壳(42)圆形圈的左侧外径的圆孔与密闭阀门(40)的一端管道外径胶合密封固定连接，储气囊壳(42)上端圆边与储气囊膜(44)下部膜边胶合的可伸缩空间内储藏氢离子气体(46)，密闭阀门(40)的另外一端管道外径与压缩机(39)右侧的进气圆孔密封固定连接，压缩机(39)左侧的输出气体孔与压缩气体管(38)的一端外径密封固定连接，压缩机(39)的底部与地基基础(41)左侧的上平面位置固定连接，地基基础(41)下端面置放在距离底座(1)后边约5m-20m的地表某一水平位置，地基基础(41)的左侧地面与避雷针(37)的支撑杆下端固定连接，避雷针(37)的金属导线与地表以下深埋的导电金属板连接联通，储水箱(31)的底部放置在地基基础(41)左侧地表的某一水平位置，储水箱(31)左侧下部的管道接头与水管的一端内径固定连接，水管的另外一端内径与冷水管接头(2)的外径固定连接，储水箱(31)上部的管道接头与水管的一端内径固定连接，水管的另外一端内径与回水管接头(7)的外径固定连接，氩气瓶(32)的底部放置在地基基础(41)左侧地表的某一水平位置，氩气瓶(32)的气体输出阀门与左侧压力软管一端的外径密封固定连接，左侧压力软管另外一端的外径与三通气管左侧分管的内径密封固定连接，氢气瓶(33)的底部放置在地基基础(41)左侧地表的某一水平位置，氢气瓶(33)的气体输出阀门与右侧压力软管一端的外径密封固定连接，右侧压力软管另外一端的外径与三通气管右侧分管的内径密封固定连接，三通气管上部分管内径与主压力软管一端的外径密封固定连接，主压力软管另外一端的内径与工作气体管接头(4)的外径密封固定连接，控制箱(34)的底部放置在地基基础(41)左侧地表的某一水平位置，控制箱(34)左侧的4个圆形接线柱分别与电网的火线、零线、接地线连接，控制箱(34)上部引出的两根导线输出的是220V交流电，控制箱(34)上部引出的两根导线分别与200kw逆变电源(35)左侧的2个圆形接线柱连接形成控制电路，200kw逆变电源(35)上部引出的2根正、负接线柱分别与热等离子体发生器(10)左侧端面引出的电缆线(6)的正、负极连接，200kw逆变电源(35)的底部放置在地基基础(41)左侧地表的某一水平位置，控制箱(34)上部引出的2根导线分别与100kw逆变电源(36)左侧的2个圆形接线柱连接形成控制电路，100kw逆变电源(36)上部引出的2根正、负接线柱分别与8组线圈(16)并联后再并联1个电阻的2条导电线连接，100kw逆变电源(36)的底部放置在地基基础(41)左侧地表的某一水平位置，控制箱(34)右侧引出的4根导线分别与压缩机(39)、抽风机(21)、高压水泵(5)、散热器(9)的电动机绕组引出的4根导线连接联通构成开关电路。

2.根据权利要求1所述的一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置，其特征在于：所述的铁芯(18)的侧边中部空气间隙中分布均匀磁场强度的电磁场。

3.根据权利要求1所述的一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置，其特征在于：所述的导电板(30)的右侧一端与导电线(23)、变相开关(24)、接地线(28)串联形成电路传递等离子体中的电子向地表以下埋放的金属导电板放电。

4.根据权利要求1所述的一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置，其特征在于：所述的电离导管(20)的前后管壁外面固定冷却水道(29)，冷却水道(29)内部循环流通冷却水对电离导管进行降温。

5.根据权利要求1所述的一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置，其特征在于：所述的高压水柱(12)喷射到热等离子体(13)适当温度段的位置点汇合热解成等离子体，其位置点位于电离导管(20)左侧插入内腔2cm的空间。

6.根据权利要求1所述的一种热等离子体炬在电场空间高温热解电解水制氢的装置，其特征在于：所述的氢离子气体(46)是水热解电解为H⁺和O₂组分的碱性带正电荷的气体。

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