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。
【技术实现步骤摘要】
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
本技术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。
技术介绍
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-+O2H2O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。
技术实现思路
鉴于上述技术的突破，本技术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本文档来自技高网...
【技术保护点】
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...
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：董长军，董天翔，
申请(专利权)人：嘉兴禾工能源科技有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江;33
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