水的无碳解离和相关氢的生产制造技术

本发明专利技术提供了产生等离子体场以将水解离成元素氢和氧的装置。元素氢可以直接用来产生动力，或可以储存用作能源或用作商品。本发明专利技术的装置能够在使用原料的地点现场制造元素氢。另外，所述装置能够产生净的正性能量输出。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
在一个方面中，本专利技术涉及产生一定体积的等离子体场的装置，以用于将水解离 成元素氢和水。在另一个方面中，本专利技术涉及解离水以产生元素氢和水的方法。在还另一 个方面中，本专利技术涉及从在等离子体场中产生的氢产生能量。
技术介绍
在过去的十年间，氢已经获得了作为能量来源的明显势头。很长一段时间以来，氢 已经由希望成为未来可再生、无污染的能量来源的优异源头。用于产生能量和用于运输的 油的成本日益增加。例如，美国每年为进口的外国石油要支付数千亿美金。 氢无色、无臭、无味且无毒，这使得其与当今通常所使用的各种其他燃料不同。氢 是用于供给燃料电池动力的优选燃料，其中仅有的排放物是水和一些热。类似地，当氢在内 燃机中燃烧时，产生的排放物仅为水和热。另外，氢是所期望的燃料，用来代替大型发电厂 中、以及大多数其他烃基能量系统中的烃基燃料。 氢是一种元素，是世界上最丰富的元素。氢在水中存在且在所有生物中以水或其 他形式被发现。氢还是最简单、最轻的元素，仅具有一个质子和一个电子。尽管氢无处不在， 但是很少发现其自由浮动或元素的形式。其与其他元素结合而形成普通的物质如水、糖、烃 和碳水化合物。 目前，大约95%的元素氢通过在炼油厂对天然气进行"蒸汽转化"而制得。不幸 的是，所述蒸汽转化工艺使用不可再生的化石燃料且产生含高碳排放物的污染物。因此，将 经济发展和生产清洁能源作为长期目标，期望从可再生的能源如风或太阳能、生物质(植 物)、甚至从水生产氢。 生产氢的三种最适宜的可再生能源中的两个为生物质和水。当使用目前已知的方 法时，两者都不是非常有效，生产速率缓慢且氢的体积收率低。 生物质(即植物材料)是可再生的能源且使用有机工艺以环境友好的方法来清洁 地生产氢。美国的大部分地区具有丰富的生物质资源，包括源自糖用甜菜工厂、罐头工厂、 乙醇和生物柴油制造工厂的废料。长期论证计划表明，未来可以可再生地使用有机生物质 方法(使用酶、催化剂、发酵和藻类)来制氢。富糖的废料制造大部分氢，且认为，在五到十 年内，早期生产规模的设施能够制造有限体积的氢。 利用"电解"法，能够使用水来制氢。在电解中，将电流通过水造成氢和氧的解离 来制氢。然而，这种方法需要大量的电，且当使用电的最普通来源(即燃烧煤、油或气)时， 会产生至少一部分污染。如果通过风或太阳能来提供电能，在制氢时基本上不会产生污染。 不幸的是，没有非常丰富的风或太阳能电力，因此可用于制氢的电力的主要来源基本上为 化石燃料，具有碳基排放。政府和行业的目标是发现一种更有效且产生更少污染的系统和4方法来生产大量的氢和氢相关的电力。 目前的制氢方法，因为制氢的高成本和容量有限而限制了氢作为能源的所有重要 用途。没有足够的氢生产能力或分配系统来与使用煤、燃料油、柴油、汽油和天然气作为能 源进行竞争。方便可行的技术是将电站、加热装置和工业设施转变成燃烧氢而不是燃烧化 石燃料，尽管适宜环境并降低国家对石油的能源依赖性，但是氢的可用性受限严重限制了 所有的这种开发。 很早就已经意识到，如果发现可以在更低成本下提高制氢的效率和容量的方法， 就能够降低或消除许多运输问题，包括交通工具所产生的严重污染。将今天的内燃机转变 成使用氢燃料是完全切实可行的，因为甲烷和天然气作为动力的交通工具通常就是这样做 的。然而，针对氢的方便方法是一个重要限制因素。氢与化石燃料的共混也被认为处于下一 步的早期，因为它不需要独立的分配系统。向化石燃料添加氢可提高性能并降低污染。然 而，即使所述简单步骤也因受限的容量和高成本、以及制氢和分配氢的危险而使得难以推 进。 关于容量，据报道，目前美国每年制造的氢量仅足以供应约100万辆氢动力交通 工具的动力约三天。即使能够制造足够体积的氢，氢的运输和分配也限制了其使用。在氢 制得之后，必须对氢作为气体而进行压縮或冷却成液体(-253°C)并储存在重型圆筒中，然 后运输至使用地点。当试图将大量的体积移动至最终的使用地点时，氢的压縮、储存和运输 实质上产生了费用、安全隐患和分配系统的停滞。关于目前可利用的技术，随着氢的用途的 增加，基础设施、生产和分配系统需要急剧增加。或者，必须发现新技术，既要显著增加制氢 的效率，又要简化氢的分配方法。 成本是限制所有氢方法的用途的主要因素，尤其是以可再生能量为基础的制氢。 现在，从可再生能源制氢的成本是从化石燃料制氢的几倍。并且，其花费的时间是由化石燃 料制氢的几倍(按能量输出计)。明显地，未来制氢的成本仅能螺旋式上升，(与化石燃料相 比)因为工业上试图通过从可再生能源制氢来改善环境效应。本专利技术的设备和方法的主要 目的是在制氢和氢相关动力时，与化石和可再生能源两者相比，降低成本和所产生的污染。 因此，期望有经济有效地制氢的设备和方法，并具有在接近氢的使用地点处制氢 的能力。还期望有设备和方法以提供氢相关动力的来源。 专利技术概述 本专利技术涉及通过解离水来制氢的设备和方法，还涉及从解离的氢来产生能量。本 专利技术使用能够产生高热和高能的等离子体区的等离子体发生器。可以使用所述等离子体发 生器就地将水解离成元素气体，提供氢的现成来源。还可以使用所述等离子体发生器来产 生氢相关动力。通过利用等离子体(即物质的第四态)环境，可以从水分子中释放结合自 由能。已知水的解离在高温下按如下平衡进行 2H20〈_>2H2+02 形成水(g)的标准吉布斯自由能为-228. 61kJ/mol，这表明，必须向系统输入能量 以影响解离。这还表明，温度越高，解离越彻底，残留的H20剩余的越少。 在本专利技术的设备和方法中，在非常高的温度下(典型地超过900(TC)、和在物质的 第四态即等离子体的气氛中进行水的解离。因为这种高温等离子体弧的独特本性，其中分 子的能级可以转变成新的能态。由等离子体弧所产生的产物包括大量的元素氢和氧，这得5自于引入了等离子体弧的水大部分解离。所产生的氢和氧存在于改变的形成自由能下。除 了元素氢和氧，用于帮助向所述弧截留进料的所有材料如水蒸气或惰性气体，也包含在所 述产物流中。优选地，用于帮助向所述弧截留进料的材料，使得氢被用作燃料而不进一步处理。 在本专利技术的优选实施方案中，所述方法和设备使用氢基燃料(例如水)在使得在 毫秒内发生解离反应的环境下制造元素氢和动力。此外，在优选实施方案中，使用电气来建 立体积自由的立式反应器。所述设备和方法的全部优势，使得相对于工艺中所消耗的电力 而具有高的进料通量。由于释放了锁定在水分子内的能量，在输出的动力中获得了净收益(按BTU计)。 本专利技术的设备通常包括一个以上的阴极、优选一个阴极，和一个以上的阳极。在一 个实施方案中，所述设备包括一个阴极和三个阳极，所述三个阳极以围绕所述阴极等间距 的圆形图案排列。所述阳极距离所述阴极一定距离，使得在阴极和阳极之间形成柱形传导 场。提供工具以使得在所述装置运行期间，冷却剂流过阴极和阳极电极、以及围绕在所述阴 极和阳极周围的套环。 所述阴极电极通常为圆柱体，具有通常呈锥形的上部和导电的尖端。所述阴极被套环环绕，所述套环产生阴极的第一气体通路和水蒸气的第二外部通路。 在运行中，在阴极和阳极之间通过电流以产生高热、高能的磁感应的封闭场，从而有效地将水还原成元素氢和氧的气体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造氢和氧的装置，包括：　　（ａ）阴极组件，该阴极组件包括阴极电极和包围所述阴极电极的电极套环，所述电极套环具有第一壁和第二壁，并形成有第一流动通道和第二流动通道；和　　（ｂ）至少一个阳极组件，所述阳极组件包括阳极电极和电极套环，所述电极套环包围所述阳极电极并形成至少一个流动通道。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰W埃文斯，爱德华L科伊尔，
申请(专利权)人：伊瓦可有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]