TW201631220A - 能量提取系統及方法 - Google Patents

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特拉弗．Ｈ． 肯尼迪
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Abstract

用於從海水提取氫氣的系統，包括：中空室；在該室內的圓柱形構件；用於使導電流體再迴圈通過該室的機構；經由電抗電路與該室壁連接以形成陽極並與該圓柱形構件連接以形成陰極的電源，並且該電源提供與該電抗電路連接的關斷週期室回載電路；與該正電抗電路和該負電抗電路連接的關斷週期室回載電路。該電抗電路和該關斷週期室回載電路：處理在該工作週期的關斷部分中從該室返回的電壓，該返回電壓在該圓柱形構件上無表面反應的情況下由該室中的電化學反應產生；並且將處理過的電壓返回該室，其中該室釋放氫氣。

Description

能量提取系統及方法
本公開案總體上涉及利用能量，且更具體地涉及用於從諸如海水的原料中提取氫氣和任選的二氧化碳的經改良的方法、裝置以及佈置。
在參照或討論了文獻、法條或知識條目的本說明書中，這種參考或討論並非承認：所述文獻、法條或知識條目或它們的任意組合在優先權日是公眾所能夠獲得的、對公眾是已知的、是公知常識的一部分或在適用的法律規定下另外構成現有技術；或者已知與解決有關本說明書的任何問題的嘗試相關。
急迫需要為了產生不含氧氣的氫氣而設計的對環境負責、經濟有效的終端生成系統，所述氫氣用於包括作為燃料源或作為商業級或工業級氫氣來源的工業用途、商業用途和住宅用途。存在與過度依賴於由化石燃料產生的能量有關的許多詳細記載的問題。例如，由溫室氣體的排放造成的污染和氣候變化，碳基能源的有限性和正在減少的儲量，以及OPEC和其他動盪的國家對石油基供應的集中度都有詳細記載。因此，迫切需要可以減少上述問題的替代能源。
除了作為燃料的用途外，氫氣具有許多工業和商業應用。例如，純度為99.9%時，氫氣可以用於電力設施發電機冷卻；鋼鐵生產；浮法玻璃工廠；諸如半導體的電子工業；光伏電池；光學器件；脂肪和油類的氫化；商業、工業和教育實驗室；包括熱處理、光亮退火、釺焊、粉末冶金、玻璃與金屬間的密封在內的材料加工；以及高性能塗層和氣象學用途，如在輕於空氣的設備中替代氦氣。
在純度小於99%的形式時，氫氣可以用於航空航太、動物飼料、汽車業、化學品、乙醇、包括麵包廠在內的食物加工、飲料瓶、薯片和小吃食品的薄片加工、乳製品和肉類加工、常規製造、醫院和醫療中心、酒店、洗衣服務和制服服務、船舶和海洋、軍事設施、礦業、石油和天然氣、紙/瓦楞紙、藥物、度假和娛樂設施、橡膠、鋼鐵和金屬、煙草、交通運輸、電線電纜、以及大學、學院和社區學院。
存在阻止氫氣在商業應用、工業應用以及住宅應用中廣泛使用的諸多重大障礙。這些障礙包括成本、效率以及安全性。首先並且最重要的是，以常規方式生成氫氣是低效且昂貴的，或者甚至在通過天然氣的重整進行生產(即主要商業方法)時對環境是有害的。其次，氫氣的極低的品質和能量密度使得在一個位置安全地獲得足夠品質的氫氣以對用戶具有實用價值而成為挑戰。結果是氫氣的生產、壓縮、低溫冷卻、保持(在壓力和溫度下)、容納(由於其極小的雙原子結構)以及運輸已經變得極其昂貴。壓力、溫度、易燃性、爆炸性以及低點火能量需求均是重大安全問題。
儘管如此，如果產生和應用氫氣的方法用來處理這些問題，那麼其對於全球市場和人類的生活品質將是福音。因此，由於至少上述原因，對於氫氣安全有效的生產和使用存在著日益迫切和急迫的需求。
氫氣通常從水或從天然氣、煤或石油重整中產生。氫氣和氧氣在水中的分離存在效率和安全性障礙。水由按品質或體積計的兩份氫和一份氧組成。無論如何分解，在給定的輸入能量E1時，兩摩爾水將產生一摩爾分子的或雙原子的氧氣(O2)和兩摩爾分子的或雙原子的氫氣(H2)。當通過任何方式結合在一起時，氫氣和氧氣反應形成水，釋放給定的輸出能量E2。通過所有已知的物理和化學原理，E1＞E2，並且由此通過熱力學，該過程不利於直接作用。因此，以理想的可用形式從水中產生氫氣存在許多挑戰。
一些努力已經涉及通過各種技術和佈置來分解水以產生“布朗氣體”。布朗氣體是通過水的電解獲得的氣體，並且是氫氣和氧氣以2:1比率的混合氣體。氫氣和氧氣的組合存在使得布朗氣體極其不穩定且極易爆炸。在燃燒時，布朗氣體還在極高的溫度燃燒。因此，由於至少上述原因，布朗氣體作為燃料源的用途是存在問題的。產生布朗氣體的技術不適於安全、大規模的生產氫氣。
雖然討論了常規技術的某些方面以便於示例性實施方案的描述，但這並非表明申請人排除這些技術方面，並且應當意識到示例性實施方案可以涵蓋或包括本文討論的常規技術方面中的一個或多個。
示例性實施方案解決以上討論的現有技術的問題和缺陷中的一個或多個。然而，也可以解決其他問題和缺陷，以及可以在多個技術領域中實現其他益處和優點。因此，示例性實施方案不應必然地解釋為局限于解決本文討論的任何特殊問題或缺陷。
根據示例性實施方案，用於從導電流體提取氫氣的系統包括：由圓柱形壁限定的中空室；設置在所述室內與所述壁平行的圓柱形構件；用於向所述室提供導電原料的機構；用於使所述導電原料再迴圈通過所述室的第二機構；具有經由正電抗電路與所述室壁連接以形成陽極的正極端子和經由負電抗電路與所述圓柱形構件連接以形成陰極的負極端子的電源，所述電源為工作週期的導通部分提供輸入脈衝DC電壓；以及與所述正電抗電路和所述負電抗電路連接的關斷週期(off-cycle)室回載電路，其中所述電抗電路和所述關斷週期室回載電路：處理在所述工作週期的關斷部分過程中從所述室返回的電壓，所述返回電壓在所述圓柱形構件上無表面反應的情況下由所述室中的電化學反應產生，並且將處理過的電壓返回所述室，其中所述室釋放氫氣。
根據另一示例性實施方案，氫氣提取方法包括：將導電原料提供至由圓柱形壁形成的中空室，其中所述室包括設置在所述室內與所述壁平行的圓柱形構件；經由正電抗電路將電源的正極端子與所述室壁連接以形成陽極；經由負電抗電路將所述電源的負極端子與所述圓柱形構件連接以形成陰極；將所述電抗電路與關斷週期室回載電路連接；在工作週期的導通部分過程中將輸入脈衝DC電壓施加於所述陽極和所述陰極；以及從所述導電原料提取氫氣，其中所述電抗電路和所述關斷週期室回載電路：處理在所述工作週期的關斷部分過程中從所述室返回的電壓，所述返回電壓在所述圓柱形構件上無表面反應的情況下由所述室中的電化學反應產生，並且將處理過的電壓返回所述室。
根據示例性實施方案，應用了來自電源的處於脈衝形式的定時直流電(DC)，以便引發在鹽水液體中電子反應性(即，參考反應性電子科學)電化學狀態變化，所述鹽水液體具有固有的電容特性和電容值以及阻抗特性和阻抗值。通過供應具有過電位(即，克服裝置的自然電位的電位，其中所述自然電位是由異質材料在鹽水存在時所引起的)的定時脈衝，增加駐於所述液體中的勢能，催化在所述液體中的化學反應，以及觸發所述裝置內的電抗特性(術語“裝置”還可以被稱為“單元(cell)”並包括本文所述的佈置或所述佈置的子集)。由所述裝置產生的這些反應特性用於在工作週期的關斷階段過程中調整和維持輸入信號。這些調整在脈衝輸入信號結束時產生並嵌入頻率。每一迴圈(具有波動頻率調整的導通和關斷)產生作為所述化學反應中的一種或多種的結果的氫分子排氣。將所述氫氣從所述系統去除。
此外，根據一個方面，在消除過電位供應時，由於所述液體試圖返回它的原始電化學狀態，因此在所述液體穿過異質材料的電極時存在放電。然而，氫分子的提取和犧牲材料的存在將在放電過程中阻止所述過程的完全逆轉。所述放電通過不同的可逆化學反應的設置而得到延長。
根據一個方面，通過所述液體和裝置排放的自由電子被具體引導至電解電容器並被所述電解電容器捕獲，所述電解電容器被極化以匹配所述裝置並為這些電子提供槽穴(sink)。在所述系統中沒有接地電位。帶電的電容器供應產生經調整的波形的能量，所述經調整的波形具有在所述裝置內通過電抗值控制的頻率的固有設置。在包括關斷週期(即工作週期的關斷階段)的時期內，未耗盡的能量可用於協助過電位的下次施用並可用於完成工作週期。
上述佈置和方法與常規佈置和方法相比可以提供某些益處和優點。例如，根據示例性實施方案，以上描述的和本文進一步詳細描述的方法和佈置，對於通過施加電流以流經陽極與陰極之間的水溶液而產生氫氣是有用的。此外，可以在水溶液內產生空穴作用和/或脈衝電介質極化，由此該作用降低破壞所述水溶液的化學鍵所需的能量的量。
應當理解的是，這些實施方案僅為本文的創新性教導的許多有利應用的實例。通常，本申請的說明書所作的敘述並非必然地對各種要求保護的實施方案進行限制。此外，某些敘述可以應用于一些發明特徵而非其他特徵。通常，除非另外指出，否則單數要素可以為複數，反之亦然，且不喪失普遍性。除非在權利要求中另外指出，否則所公開的方法旨在涵蓋以所公開的相同順序實施的方法，以及以任何順序進行所公開的步驟的方法。
如本文所用，除非上下文另外明確指出，單數形式“一個/一種(a)”、“一個/一種(an)”和“該/所述(the)”旨在也包括複數形式。此外，除非上下文另外明確指出，“或”的使用旨在包括“和/或”。
如本文使用，“脈衝電介質極化”是指在陽極與陰極之間使用不同電位以對所述陰極表面附近的燃料或原料組分產生局部極化。
如本文使用，“電解”是指申請人用於生產氫氣和二氧化碳的一般方案，但是所述術語的使用並非承認該過程與照慣例理解的術語等效。例如，申請人已在本文展示氫氣和二氧化碳通過在含義上與純電解相背離的改良的電化學過程而產生。然而，術語“電解”有時用於簡指本文所述的改良的電化學氫氣生產過程。
如本文進一步描述，至少一個實施方案是包括具有給定內直徑的同軸外部電極圓柱體和具有給定外直徑的固體棒中心電極的單元設計。維持25:1的徑向比以決定所述圓柱體內的電極間距。在單元室設計和導電流體(即，原料)組合物中所用的材料在電化學過程(包括犧牲材料的過程)中起關鍵的、互相依賴的作用。所述單元材料和化學流體混合物的變更會改變反應的類型和強度，並且依次確定產生的排氣、所述排氣的產生流率以及所述排氣的相對組成比。因此，基於電化學反應性所需的化學過程、產出和強度來選擇材料和流體的組合。
例如，已顯示石墨陽極、鎢陰極和鹽水流體的使用主要產生氫氣。大部分氧氣通過供選擇的流體反應或通過室壁內的氧化反應以分子形式保留在裝置中。還產生了少量的二氧化碳氣體。
關於輸入信號和電路，在至少一個實施方案中，電路設計、電容性單元室設計和室流體(即，原料)是電化學電路設計不可或缺的部分。如本文所述，單元室設計基於25:1的比值。一旦承載所述室流體，所述單元室將具有47微法至4700微法的所需電容值，並具有1微亨至1000微亨的平衡阻抗電路。電子元件被用於輸入電路以在操作過程中調節這些值。電子元件的極性對整體操作是至關重要的，因為元件極性佈局分別在輸入脈衝週期的導通和關斷階段期間控制電子流的方向，以與所述室的化學法產生的能量返回相關聯。所述單元室和流體對於所述電子輸入信號並非當作末端負載來看待，而是作為補充的電子電抗元件，其中功能性電抗和整體電路設計功能通過所述輸入脈衝而觸發。所述單元室在其關斷週期放電或流通階段期間以設計的波形儲存並然後產生能量。在這種流通階段期間釋放的能量改變在流體內產生氣泡的電容性單元中的化學過程。所產生的一種此類氣體的實例為氫分子。
根據示例性實施方案，上述圓柱形電極設置和輸入信號以及電路起以下作用：首先，將給定功率水準的間歇性脈衝DC輸入信號、時序以及振幅供應至定制設計的電子功率平衡和預處理電路。然後將所述脈衝信號供給入所述單元內部並供給入所述流體。所述脈衝DC輸入信號的基頻為1 kHz至10 kHz。這種基頻在操作過程中被設置為在基於所需化學反應的序列的所需停止時間增量而給定的範圍內的最佳頻率。所述預處理電路控制和平衡(i) 輸入振幅，和(ii) 所述單元室的無功功率振幅，並且然後在所述工作週期的關斷階段的結束時期將由所述單元產生的多餘能量返回至所述室。
具有返回室能量回應的輸入信號的電子平衡有利於由所述室的電化學特性控制的一組獨特的頻率和波形。這些特性包括所述室的獨特的化學依賴性放電模式。所述室的化學能量放電和電抗性能量放電與無時序或頻率的直線DC振幅類似。嵌入所述室的電抗性能量內的頻率組是獨特的，並落入以下三個區別性範圍：(i) 由650 KHz開始至950 kHz的低的頻率組；(ii) 由1 mHz開始至5 mHz的中範圍的頻率組；以及(iii) 由11 mHz開始至17 mHz的高頻率範圍。
在工作週期的關斷部分(或關斷階段)開始的一納秒內，將獨特的頻率組施加於輸入脈衝波上。與獨特的頻率組相應的信號在電子平衡電路中被捕獲、放大並回饋回單元內部(即室)。由此，它們被引入至所述流體，所述流體在關斷時段內有助於延長輸入週期的時間增量，同時活化實現所需排氣釋放類型的所需化學反應。這些頻率攜帶區別性波形，所述波形具有與輸入脈衝零位參考關聯的正極性。以頻率和波形的形式存在的能量在輸入脈衝處於關斷序列後持續數微秒。這些波形和頻率與平衡電路的電容額定值和阻抗額定值相關，所述平衡電路與所述室放電序列或通量相位相關。
所述室流體為水、鹽和其他微量化學品的溶液。所述溶液設計和單元設計需要特別定時(如上所述的頻率)的互補輸入信號。例如，可以使用經最小的過濾以去除微粒物質的海水或用化學堿處理以便與海水類似的去離子水。這種信號被用於在反應室內確立初始條件。在輸入信號的關斷序列中，所述室能量與定制的電子平衡電路反應以實現所需反應。由所述室的化學反應供應的能量在產生諸如分子氫的所需輸出氣體中還提供較大的電子效率。
根據示例性實施方案的某些例示的、非限制性的方面示意地描述於圖1中。如圖1所示，佈置100形成氫氣和二氧化碳產生佈置或系統。所述佈置100包括第一構件102。根據一個例示實施方案，所述第一構件102被由任何合適的材料形成的壁所限定。所述中空圓柱形構件102可以作為用於流體材料104的容器。
可以使用任何合適的流體材料104，例如包含海水的水基原料。根據進一步任選的實施方案，所述原料可以具有如在美國專利申請序號13/170,132中描述的組合物，所述美國專利申請的整體內容通過引用併入本文。
佈置100還包括設置在所述第一機構102內的第二機構106。根據一個例示實施方案，所述第二機構106以由任何合適的材料形成的實芯圓柱形構件的形式存在。根據另一任選的方面，所述第二構件106相對於所述第一構件102同中心地或同軸地設置。
根據示例性實施方案，當所述第一構件102和所述第二構件106以圓柱形構件形式形成且所述第二構件106設置在所述第一構件102內時，所述構件可以以任何合適的大小或尺寸提供。所述第一構件和第二構件可以以具有這樣的半徑，即，使所述第二構件與所述第一構件的半徑比值約為1:25。
佈置100還可以包括與所述第一構件102和所述第二構件106電連通的電源108，如出現在圖1中的虛線所指。電氣連接的任何合適的裝置可以用於此目的。當與電源連接時，如圖1所示的第一構件102和第二構件106可以完全由導電材料形成。或者，暴露於原料104的所述第一構件102的至少內表面由導電材料形成，並且暴露於原料104的所述第二構件106的至少外表面由導電材料形成。所述第一構件102和第二構件106的其餘部分可以任選地由非導電材料形成。
根據某些實施方案，配置電源108以便將所述第一構件102的至少導電部分(例如內表面)與電源108的正極端子電連接，以及將所述第二構件106的至少外表面與電源108的負極端子電連接。因此，所述第一構件102形成陽極，而所述第二構件106形成陰極。由此，在所述陰極106的內表面和所述陽極102的外表面之間產生電位。
室102的壁可以由石墨組成並且帶正電荷。所述壁的高度可以約為50 mm。所述室的直徑可以約為25 mm (即12.5 mm的半徑)。所述第二構件106可以由鎢組成並且帶負電荷。在此類情況下，鎢棒的直徑可以約為1 mm並且高度或長度約為50 mm。導電流體(例如具有氯化鈉和其他微量化學品的水)可以供應至所述室的腔內(即在所述棒與所述室壁之間)。這種流體可以形成從外部室壁至內部室棒的導電通路。所述流體和室的組合形成具有電容值和電感值的非理想的電容器。
所述電源108的正極端子經由正電抗電路150與室102連接。所述電源108的負極端子經由負電抗電路160與第二構件106連接。電抗電路140和電抗電路150二者還可以與關斷週期回載電路170連接。參照圖3，下文進一步描述了所述電抗電路和所述關斷週期回載電路。與室102的電源連接向室102提供電子流。在所述室內部的化學能提供反極性電子流。這種反極性電子流還可以被稱為感應電動勢(EMF)。在有電子流時，產生可預測順序的磁場。在電子流序列之前，在所述室中的分子的極性處於混亂無序。在開始該序列時，所述流體內的各個分子具有各自的極性取向。一旦能量被供應至所述室且電子流被引發，分子取向則回應所述室內的新磁場極性而改變。脈衝能量引起所述磁場隨著定時電路的每個導通和關斷序列而增強和減弱(collapse)。所述磁場的增強和減弱還引起分子轉動。
在所述室內的磁場順序的增強和減弱過程中，分子轉動產生向量形式的額外的力和速度值。這些轉動引起原子間各自納米尺度距離的增大和減小。在脈衝週期的導通部分和關斷部分中的轉動作用降低原子鍵的強度以有助於構成每個分子成分的原子的分離。由旋轉週期產生的分子間的碰撞還引起化學反應。
在脈衝工作週期的導通階段(或導通部分)中隨著電場和相應磁場的形成而產生磁場通量，以及在工作週期的關斷部分的相反作用中再一次產生磁場通量。當在工作週期的導通階段形成磁場時，在具有偶極力矩的流體104中的分子(例如水)與該磁場對齊。當流體分子被推送穿過迫使流體104穿過構件102的室再迴圈的磁力線y時，流體104的分子取向在所述室中進一步被調整。
在脈衝工作週期的關斷階段，電場變化以反映所述室內的滯後電抗電流動力學以及相應地反映磁場變化。通常，流體104內的分子排列將恢復至越來越隨機的分子取向或極性的平均態，直到工作週期的下一個導通階段。
此外，在工作週期的關斷階段，使用電子流控制電路延緩所述室的放電作用。所述流動控制電路的作用是為了調節電場和磁場的衰退，降低和延長磁通量，以及由此調節在所述室內的偶極流體分子的向量速度的分子轉動。
磁場中的變化具有其自身的第二順序效應。當EMF被磁通量感應時，感應的EMF的極性或電流方向產生反向的電流磁場通量分量。線圈內的感應的磁場起到保持圈內的磁通量不變的作用。
所述室的淨磁場非常複雜。所述室的磁場被設計為對所述室內的導電流體的分子結構具有很強的影響，有助於所述室內的分子分離和能量採集。所述室內的導電流體由於活性再循環系統的使用而處於連續運動。所述室的輸入脈衝引發磁場，以與進入所述室的輸入電子的流動相關的方式對齊。初始磁場線被運動中的導電流體切割。所述流體穿過所述室的運動增加了所述室內的磁場強度。特別地，在初始輸入感應磁場(輸入週期)的影響下的所述流體的運動產生額外的可測量的能量。所述額外的能量經由電子電路的返回路程(return leg)從所述室返回。
經由所述電路的返回路程返回的能量具有頻率值。所述能量頻率被所述室以波形動態地攜帶。這些波在返回電子回路中被捕獲，並且然後以反極性放電回饋週期重新施加用於所述室以調節導電流體的所需分子重置週期，以及協助導電流體內的分子分離。這個過程使分子分離能夠在所述室內以較低的能量態發生。
在工作週期的關斷階段中，由於所述室的上述感應能量返回(即電抗)，電力依然在流動。所述室的獨特的信號返回回路和淨電抗改變關斷週期分子極性重置週期序列。在關斷週期中未衰減的多餘的返回回路能量被添加至工作週期的下一個導通階段。此類添加改變(即有益地干擾)工作週期的下一個導通階段。
圖1的所述室102和構件106(棒)的佈置形成了獨特的形狀，所述獨特的形狀使得形成均勻和非均勻的磁力線。這些磁場遵循電磁感應的法拉第定律，除了分子磁場的影響以外。所述分子磁場在以分子水準引起極性轉變的輸入週期的導通狀態中受到影響。這些分子磁場形成可以以電壓差的形式在電極處測量的反電動勢(EMF)。這些電壓差在施加初始能量之前為至少0.9 VDC並且在施加能量後為至少3.4 VDC。相反或相對的磁場極性的楞氏定律將適用於所述室操作的這種狀態。
這些磁場在中心陰極材料的表面附近形成360°處理區，所述表面是氣體形成發生之處。這些磁場在陽極材料的表面附近形成類似的區，但是在所述室的這個區域無裸眼可見的氣體形成。因此，沿著(i) 所述室壁(陽極)的表面或沿著(ii) 中心的所述棒(陰極)的表面，無表面反應發生。這種情況通過不存在所述陰極和所述陽極的退化而已被確認。此外，在中心電極突起於所述室之下且不經歷絕緣(例如在室102的頂部處的絕緣110)的模擬中，中心電極的退化是明顯的。
室設計在被充填充電流體時形成非常有電抗性的電子電路。如上所述，各種力彼此相互作用。這些力包括電化學力和磁流體力。室控制電路(包括圖1的正電抗電路150和負電抗電路160)被用於阻抗匹配和電容平衡。平衡所述控制電路實現多種功能。這些功能包括，但不限於：電子電路效率，降低電抗電路電流需求和適當的頻率管理。所述控制電路被設計用於將給定基準脈衝頻率的脈衝DC輸入信號引導向反應室。如圖3所示的電路設計包括多個部分。所述電路促進所述反應室處於非常高效率的氣體生產水準，同時限制輸入電壓振幅和電流。
在圖3的電路300中，所述脈衝DC部分310可以與圖1的電源108相對應並在所述電路的輸入階段提供直接脈衝。所述脈衝的振幅可以為0 VPDC至50 VPDC。在輸入振幅上的變化可以基於所需的室性能。所述脈衝DC部分基於在氣體類型和生成量方面所需的室性能，提供脈衝寬度或工作週期的調整。所述脈衝寬度在導通週期和關斷週期定時中可以被設置為所需的長度。組合的接通週期與關斷週期形成一個全週期。所述工作週期的定時為脈衝DC信號確立基頻。這種脈衝基頻可以為例如100 Hz至10 kHz。所述輸入脈衝的定時以此種方式調整以維持優化的增強(rise)時間，同時在增強時間內維持最少量的時間掃描。所述工作週期可以從例如10%至13% (以導通週期相對于關斷週期的時間計)變化。所述工作週期或定時被設置用於相對氣體類型和生成量的所需室效率。
阻塞二極體部分320防止從所述室返回的電壓干擾輸入信號。當所述電路的電抗部分處於恢復狀態時，在320內的所述二極體在關斷週期中隔離下游電路。與輸入端的隔離有助於收集和操作從所述反應室返回的能量。所述反應室具有嵌入DC返回電壓的頻率值。所述返回電壓的振幅可以為0.9 VDC至4.2 VDC，而基於脈衝寬度的所述輸入電壓的平均振幅可以為0.7 VPDC至1.4 VPDC。
正電抗平衡部分330設置和平衡所述反應室內的阻抗和電容。所述反應室具有變化的內部電阻(歐姆)和電壓振幅值。所述變化可以基於輸入脈衝不得不克服的電解質條件。所述電容有助於在適當時間釋放的能量的存儲，以有助於驅動所述室內的反應週期所需的過電位。所述阻抗平衡所述電路，同時在導通週期中提供較低的振幅和穩定狀態的電流消耗。所述電路的這種部分還提供用於使所述返回電路不平衡。輸入至所述反應室的正輸入與所述電路的這種部分連接。
負電抗平衡部分340設置和平衡所述反應室內負返回上的阻抗和電容。所述室在接地時不具有與所述輸入脈衝部分相同的零值。所述室在電路設計的常規意義中並不接地。通過所述電路設計的所述室確立獨特於所述反應室的零參考點。這個零參考點在關斷週期中被用於所述反應室的重置/返回操作。輸入脈衝不得不克服的內部電阻(歐姆)和電壓振幅有助於與正電抗電路相似的部分。阻抗和電容的值與正極側上的那些值不同。所述電容有助於在適當時間釋放的能量的存儲，以有助於驅動所述室的反應週期所需的過電位。所述阻抗平衡所述電路，同時在導通週期中提供較低的振幅和穩定狀態的電流消耗。所述電路的這種部分還使所述回路不平衡。輸入至所述反應室的負輸入與所述電路的這種部分連接。
關斷週期室回載部分350對於所述脈衝DC輸入處於反極性。由處於反極性的發光二極體(定向負載)組成所述電路的這種部分，其通過一組反極性電解電容器而完成所述電路。它們在關斷週期中對於所述室的重置反應起二級負載的作用，並且因此限制電子放電流速。存儲在正電容器組和負電容器組中的能量然後被允許與所述室的重置能量相互作用。這種相互作用有助於確立通過所述室內的分子重置功能產生的一組頻率。這些頻率在關斷週期中根據需求進行確立。此時，所有的輸入能量都處於所述週期的關斷位置。在此時使用的所有能量來自於電容器組中存儲的能量或來自於在所述室推回所述電路時產生的能量。在輸入脈衝的關斷週期中示波器監控證實了來自所述室與系統控制電路的相互作用。所述阻塞二極體部分320防止電子的任何流動到達所述脈衝DC部分310。當下一個導通週期開始時，這限制對所述脈衝DC輸入信號的干擾。
或者，所述陰極106可以由諸如石墨的基體材料形成，在其上有鉑的保護套或層。根據另一選擇，所述陰極106可以由碳化鎢或類似的鎢合金形成。
根據示例性實施方案，暴露於原料104的所述陰極的長度大約與所述陽極的高度H相等。如圖1中所示，所述陰極106的實際長度可以延長超過所述陽極102的高度。在這種情況下，延長超過所述陽極102的高度的所述陰極106的部分可以與所述原料連通的部分電絕緣。這種情況可以通過任何合適的技術實現，例如通過將絕緣材料110的套環放置在所述陰極106的周圍，也如圖1所示。
根據示例性實施方案，用於向至少所述陽極102和陰極106提供電能的電源108經配置和佈置以提供電源的直流(DC)供應。根據佈置100的一個任選的變型，具有多個通道的DC電源被用於向所述陽極102和陰極106提供電能。
通過施加於其上的電源信號的操作可以顯著地提高基於陽極/陰極的系統的效率。例如，根據示例性實施方案，可以配置和佈置電源以便向所述陽極和陰極(例如，102、106)產生電信號。電源108向所述陽極和陰極產生電信號。
可以任選地向所述佈置100提供原料再循環系統118。所述再循環系統118示意性地示於圖1 以及圖5，並且它可以具有本領域技術人員基於本文提供的教導所顯而易見的任何合適的配置。根據一個例示實例，原料104穿過第一導管127經過氣體濃縮器120並進入燃料貯器122。所述原料被移動通過泵124並進入熱交換器126，然後經由第二導管119返回由第一構件102形成的容器。所述貯器122用作預處理區以維持原料和催化劑濃度為所需水準，並且還可以在循環系統內提供探測點。所述熱交換器維持恒溫。所述系統的密閉特性允許選擇和維持特別選擇的操作壓力或壓力範圍。圖5包含一多處理室502、一流體504、一流體519、一氣體分離520、一流體儲器522一流體泵524、一熱交換器526、一流體/氣體527、一真空泵536、一冷捕集538、一流量計540及一氣體收集/輸出542；其連接關係如圖5所示。
所述佈置100還可以包括氣體收集佈置或系統128，如圖1所示，可以具有本領域技術人員基於本文提供的教導所顯而易見的任何合適的配置。根據進一步例示且非限制性的實例，氣體被移動穿過導管127並通過真空泵136從氣體接觸器120穿過冷捕集器138，所述真空泵136然後推動所述氣體穿過流量計140。根據進一步任選的方面，如元件142所指，所述氣體可以在所示的系統或佈置100的外部被收集和使用。
根據示例性實施方案構建的佈置可以進一步包括多個感測器(未示出)以監控和控制所述佈置和系統的各個方面。此類感測器可以包括感測器之一或感測器的組合以監控所述佈置的電磁環境、所述系統的溫度、所述系統的壓力、所述熱交換器的溫度、所述系統內的聲學環境以及所述原料和/或其構成組分中的一種或多種構成組分的濃度。所述聲學和電磁的感測器可以為維持優化的氫氣輸出提供信號。其他環境感測器提供維持最佳操作條件的能力。監控分離氣體的輸出的感測器可以促進、尤其是監控氣體分離過程的效率。
當電源108用作從含水的原料提取氫氣和二氧化碳的系統時，所述電源108導致陰極106帶負電荷而陽極102帶正電荷。因此，在陰極106和陽極102之間產生了電位差。所述電位差使接近於所述陰極的離子極化。隨著電化學反應進行，還產生了一定量的電流。對所述原料104的這些作用導致氫氣和二氧化碳的形成。氣體提取系統去除容器102排出的氣體以用於進一步使用(由箭頭142顯示)，例如為氫氣燃料電池提供燃料、用於直接地對運輸工具的發動機提供電能、或為類似Fischer-Tropsch反應系統的進一步化學過程提供組分。當原料104被消耗且從所述系統100去除成分氣體時，可以通過入口(例如，119)添加額外的原料。
如圖2所示的示例性實施方案，可以包括具有以下的穩定平臺：四個剛性非導電基板230、剛性非導電管231、剛性非導電板235、非導電的剛性管236以及一列六個不銹鋼螺栓232和為不透液支撐結構提供框架的附隨的螺母、墊圈和墊片。兩個基板230和所述管231形成燃料貯器。所述板235形成基底。聚碳酸酯管236在所述基板230與所述板235之間提供支撐。在圖2中顯示的其他元件具有與圖1中的100系列元件相應的特徵，例如，陽極106/206。
根據示例性實施方案的方法示於圖4。在410處，導電原料被提供至所述室。在420處，所述電源的正極端子經由正電抗電路與所述室壁連接。在430處，所述電源的負極端子經由負電抗電路與圓柱形構件連接。在440處，所述電抗電路與關斷週期室回載電路連接。在450處，在工作週期的導通部分中，輸入脈衝DC電壓被施加於所述陽極和所述陰極。在460處，氫氣從所述導電原料中被提取。在470處，所述電抗電路和所述關斷週期室回載電路在工作週期的關斷部分中對從所述室返回的電壓進行處理並將處理過的電壓返回至所述室。所述處理可以包括：平衡所述室內的阻抗和電容，防止返回波干擾被輸入所述室的信號並將處理過的電壓返回所述室。
諸如上文參照圖4所述的過程或方法步驟的示例性實施方案可以在通用電腦上能夠執行的電腦程式內實施。例如示於圖6中的示例性電腦600包括收發器610、處理器620和記憶體630。收發器610、處理器620和記憶體630經由匯流排640可以互相連通。所述電腦程式可以存儲於記憶體630中。電腦600可以與圖1的示例性系統100連接以進行圖4的步驟。
在一個實施方案中，為了使處理器620進行圖4中所示的步驟，記憶體630可以包括具有電腦程式模組的電腦程式(CP) 635，所述電腦程式模組當通過所述處理器620運行時，致使使用者設備600進行圖4中所示的所有或一些步驟。多個感測器(監控系統100的各個方面)可以向所述電腦600提供資料。
所述氫氣的生產率依賴於供應至所述反應室的輸入類型和所述室中的導電流體類型。如所描述的反應室在整個一組設置範圍內產生氣體。諸如脈衝DC寬度工作週期、脈衝振幅和脈衝基頻的這些設置被調節以用於與所需效率相對的所需氣體生產水準。
氣體生產水準的效率是令人滿意的。效率測量通過在氫氣形成中所使用的輸入能量的量與所釋放的能量的量進行比較而測定。基於給定的大氣壓力和溫度，可以獲得數值。在海平面的標準大氣壓和溫度下獲得的實例，大約6.06毫升氫氣等同於一(1)瓦特能量。
在氫氣生產中大於1:1的效率是令人滿意的。如本文所述的獨特的室設計和定制的電子電路有利於獲得此效率。此效率已經在0.387 amps下使用0.73 VPDC的輸入設置而實現。這些設置等同於0.28瓦特。在這種瓦特數設置下，為了實現1:1的氫氣生產率，不得不生產1.71毫升數量的氣體。
在本文所述的系統和方法中，已經實現超過3.42毫升的氫氣量。這種生產率超過1:1速率的2倍。即，所實現的效率為2:1 (3.42 = 1.71 * 2)。在示例性系統中，對於一瓦特的輸入能量，實現了以氫氣形式的兩瓦特能量(200%的水準)。
所述效率和氫氣產生率可以通過與所討論的電路耦合的不同輸入設置而改變。已經實現大於3的效率。在效率大於2時，已經屢次實現了大於5毫升每單元/室的生產率。
鹽橋被用於電解中以在電解流體中的兩個電極間用作導電體。當使用海水時，如果兩個電極彼此相對地接近，那麼有時可以在兩個電極間形成鹽橋。這則會降低生產面積並且最終在電極間形成短路。通過如上所述的不斷再迴圈的鹽水以及電極間較大的距離，已經避免形成此種鹽橋。
電極材料的表面積的大差異引起陰極處的濃度或電子積累。這可以歸因於大面積的陽極使電子離開並移向較小的陰極。當帶負電荷的電子設法尋找所述陰極的通道以離開所述室時，在陰極周圍的區域將不得不變成非常飽和的。
電子沿著形成帶正電荷的陽極的50 mm室高的長度方向從完整360度的所述室壁被射出。當電子流朝向中心(即帶負電荷的陰極)時，它們被迫進入持續遞減區。這在所述陰極的表面附近形成電子飽和區。電子具有相同的負電荷。所述電子設法互相排斥並可以造成沿著鎢棒的表面反應的缺乏。
與上述操作和功能相關的方法和技術可以包括以下中的一種或多種：形成包括任何上述特徵的組合的佈置；以本文前面所述的任何方式向所述佈置的某些構件發射電信號；生成產物(例如，氫氣)；以及以本文前面所述的任何方法捕獲和處理所述產物。
考慮到如本文所公開的示例性實施方案的說明或實踐，在本文權利要求的範圍內的其他實施方案對於本領域的技術人員會是顯而易見的。本說明書意在僅視為示例性的，本公開案的範圍和主旨由權利要求確定。
考慮到以上所述，可見實現了本發明的若干優點和其他獲得的優點。在不偏離本發明的範圍的情況下，可以對上述方法和組合物做出各種改變，這意指在以上描述中包含的所有內容應解釋為示例性的而非限制意義的。
在本說明書中使用的表達成分量、成分、反應條件等的任何數字被理解為在所有情況下用術語“約”修飾。儘管本文提出的數位範圍和參數設置、主題的寬泛範圍是近似值，但還是盡可能精確地指定所陳述的數值。例如，任何數值可固有地含有由它們各自的測量技術中存在的標準差所證實的某些誤差或不準確性。除非明確使用術語“手段(means)”，本文所敘述的特徵都不應當解釋為援引35 U.S.C.§112, 6。
100‧‧‧氫氣提取系統
102‧‧‧第一構件/陽極
104‧‧‧流體材料/原料
106‧‧‧第二構件/陰極
108‧‧‧電源
110‧‧‧絕緣
118‧‧‧再循環系統
119‧‧‧第二導管
120‧‧‧氣體濃縮器
122‧‧‧燃料貯器
124‧‧‧泵
126‧‧‧熱交換器
127‧‧‧第一導管
128‧‧‧氣體收集佈置/系統
130‧‧‧螺栓
132‧‧‧基板
136‧‧‧真空泵
138‧‧‧冷捕集器
140‧‧‧流量計
142‧‧‧用氣元件
150‧‧‧正電抗電路
160‧‧‧負電抗電路
170‧‧‧關斷週期室回載電路
H‧‧‧陽極的高度
200‧‧‧系統
202‧‧‧陽極
204‧‧‧原料
206‧‧‧陰極
210‧‧‧絕緣
219‧‧‧第二導管
227‧‧‧第一導管
230‧‧‧非導電基板
231‧‧‧非導電管
232‧‧‧螺栓
235‧‧‧非導電板
236‧‧‧管
300‧‧‧室控制電路
310‧‧‧脈衝DC
320‧‧‧二極體
330‧‧‧正電抗電路
340‧‧‧負電抗電路
350‧‧‧關斷週期室回載部分
502‧‧‧多處理室
504‧‧‧流體
519‧‧‧流體
520‧‧‧氣體分離
522‧‧‧流體儲器
524‧‧‧流體泵
526‧‧‧熱交換器
527‧‧‧流體/氣體
536‧‧‧真空泵
538‧‧‧冷捕集
540‧‧‧流量計
542‧‧‧氣體收集/輸出
600‧‧‧電腦
610‧‧‧收發器
620‧‧‧處理器
630‧‧‧記憶體
635‧‧‧電腦程式
640‧‧‧匯流排
400～470‧‧‧步驟
圖1示出根據示例性實施方案的系統。
圖2示出根據示例性實施方案的方面。
圖3示出根據示例性實施方案的平衡電路。
圖4示出根據示例性實施方案的方法。
圖5示出圖1的再循環系統。
圖6示出根據用於操作圖1的系統的示例性實施方案的計算裝置。
100‧‧‧氫氣提取系統
102‧‧‧第一構件/陽極
104‧‧‧流體材料/原料
106‧‧‧第二構件/陰極
108‧‧‧電源
110‧‧‧絕緣
118‧‧‧再循環系統
119‧‧‧第二導管
120‧‧‧氣體濃縮器
122‧‧‧燃料貯器
124‧‧‧泵
126‧‧‧熱交換器
127‧‧‧第一導管
128‧‧‧氣體收集佈置/系統
130‧‧‧螺栓
132‧‧‧基板
136‧‧‧真空泵
138‧‧‧冷捕集器
140‧‧‧流量計
142‧‧‧用氣元件
150‧‧‧正電抗電路
160‧‧‧負電抗電路
170‧‧‧關斷週期室回載電路
H‧‧‧陽極的高度

Claims (20)

  1. 從導電流體提取氫氣的系統，包括： 由圓柱形壁限定的中空室； 設置在所述室內與所述壁平行的圓柱形構件； 向所述室提供導電原料的機構； 使所述導電原料再迴圈通過所述室的第二機構； 電源，其具有經由正電抗電路與所述室壁連接以形成陽極的正極端子和經由負電抗電路與所述圓柱形構件連接以形成陰極的負極端子，所述電源提供用於工作週期的導通部分的輸入脈衝DC電壓；以及 與所述正電抗電路和所述負電抗電路連接的關斷週期室回載電路，其中所述電抗電路和所述關斷週期室回載電路： 處理在所述工作週期的關斷部分中從所述室返回的電壓，所述返回電壓在所述圓柱形構件上無表面反應的情況下由所述室中的電化學反應產生，以及 將處理過的電壓返回所述室，其中所述室釋放氫氣。
  2. 如權利要求1所述的系統，其中所述原料為海水。
  3. 如權利要求1所述的系統，其中所述圓柱形構件由鎢形成。
  4. 如權利要求1所述的系統，其中所述壁由石墨形成。
  5. 如權利要求1所述的系統，其中所述室的半徑與所述圓柱形構件的半徑之比為25:1。
  6. 如權利要求1所述的系統，其中所述室的直徑為25 mm。
  7. 如權利要求1所述的系統，其中所述圓柱形構件的直徑為1 mm。
  8. 如權利要求1所述的系統，其中所述壁的高度為50 mm。
  9. 如權利要求1所述的系統，其中所述室由石墨塊形成，所述塊包括多個室，每個室具有各自的圓柱形鎢棒。
  10. 如權利要求1所述的系統，其中只有所述陽極的內表面與所述原料連通。
  11. 如權利要求1所述的系統，還包括用於監控所述系統內的活性的多個感測器。
  12. 從導電流體提取氫氣的方法，包括： 將導電原料提供至由圓柱形壁形成的中空室，其中所述室包括設置在所述室內與所述壁平行的圓柱形構件； 經由正電抗電路將電源的正極端子與所述室壁連接以形成陽極； 經由負電抗電路將所述電源的負極端子與所述圓柱形構件連接以形成陰極； 將所述電抗電路與關斷週期室回載電路連接； 在工作週期的導通部分中，將輸入脈衝DC電壓施加於所述陽極和所述陰極； 從所述導電原料提取氫氣，其中所述電抗電路和所述關斷週期室回載電路： 處理在所述工作週期的關斷部分中從所述室返回的電壓，所述返回電壓在所述圓柱形構件上無表面反應的情況下由所述室中的電化學反應產生，以及 將處理過的電壓返回所述室。
  13. 如權利要求12所述的方法，其中所述原料為海水。
  14. 如權利要求12所述的方法，其中所述陽極和所述陰極是圓柱形的，所述圓柱形陰極對稱地設置在所述圓柱形陽極內。
  15. 如權利要求12所述的方法，其中所述陰極的半徑與所述陽極的半徑之比約為1:25。
  16. 如權利要求12所述的方法，還包括由石墨形成所述陽極和由鎢形成所述陰極。
  17. 如權利要求12所述的方法，其中所述圓柱形陽極具有圓柱形內表面和圓柱形外表面，其中只有所述陽極的所述內圓柱形表面與所述原料連通。
  18. 如權利要求12所述的方法，其中所述工作週期的所述導通部分小於所述工作週期的13%。
  19. 如權利要求12所述的方法，還包括使所述流體再迴圈通過所述室。
  20. 電腦程式，包括用於從導電流體提取氫氣的電腦可讀程式模組，當在與氫氣提取系統連接的電腦上運行時，所述程式致使所述電腦發佈如下指令： 將導電原料提供至由圓柱形壁形成的中空室，其中所述室包括設置在所述室內與所述壁平行的圓柱形構件； 經由正電抗電路將電源的正極端子與所述室壁連接以形成陽極； 經由負電抗電路將所述電源的負極端子與所述圓柱形構件連接以形成陰極； 將所述電抗電路與關斷週期室回載電路連接； 在工作週期的導通部分中，將輸入脈衝DC電壓施加於所述陽極和所述陰極； 從所述導電原料提取氫氣，其中所述電抗電路和所述關斷週期室回載電路： 處理在所述工作週期的關斷部分中從所述室返回的電壓，所述返回電壓在所述圓柱形構件上無表面反應的情況下由所述室中的電化學反應產生，以及 將處理過的電壓返回所述室。
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