使用氫氣的方法和裝置的製作方法

2023-05-06 15:23:56 2

專利名稱：使用氫氣的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明是經設計用於公布一種使用氫氣的方法和其相應裝置，這使得在期望地點 獲得氫氣並使用所述氫氣產生液態水變得可行，且本發明具有新穎性和獨創性步驟的顯著 特徵。
背景技術：
眾所周知，當前我們生活在一個沙化問題日趨嚴重的時代，並且這正影響著地中 海邊緣地區，包括例如西班牙、希臘和義大利等國家。此外，由於所謂的溫室效應引起氣候 發生變化，因此沙漠蔓延進程變得愈加嚴重。情況如此嚴峻，以至於學術界和意識到此問題的人們在數年前就警告說，如果我 們不尋求方案解決沙漠化問題，危險馬上將會到來。為此，本項目的開發是為了防止這些問 題發生，並作為這些問題的戰略解決方案。本發明是經設計用於提供一種經濟上可行且技術上令人滿意的獲得氫氣的方案， 目的是允許隨後使用氫氣就地重構水，且任選地也用於產生能量。現有技術中已知當前可用於例如基於例如天然氣等有機物質獲得氫氣的各種方 法。然而，天然氣作為來源顯然不足，因為其儲量不夠豐富並且還有其它應用。只有在工業 部門需要非常純的氫氣的情況下才使用天然氣。發酵方法也能提供氫氣，但產量卻很小。為 此，本項目涉及最豐富的氫氣源，即海水。當前用於獲得氫氣的方法是通過電解液體等離子體使其分解，換句話說，就是使 用電流裂解物理學上稱為等離子體(導電流體)的物質，所述等離子體是使用碳酸鈉的鹽 水溶液製備而來。存在從蒸汽獲得等離子體的其它方法，例如基於放電形成電容等離子體，其中放 電會導致低密度氣體經歷轉變過程，如此所述氣體轉化為極佳的導體。問題在於，如果水等 離子體發生分解且形成氫氣和氧氣，那麼當這兩種氣體以爆炸性方式重組後，裝置可能會 爆炸。也曾經嘗試用熱蒸汽中的可溶性鹽產生水性等離子體，但產率很低。最終，有可能產生所謂的熱等離子體，其是通過聚集太陽輻射或使用核電站釋放 的熱能將蒸汽加熱到非常高的溫度(3700°C )而獲得。所有這些方法都需要非常高的能量 消耗。第一種方法的成本低，但依賴於太陽輻射的存在，而在核電站的情況下產率則很低， 因為等離子體的分解僅達到40%的值，除此之外還必需為此目的重新設計新的核電站。

發明內容
發明人已進行了大量的研究和實驗，以便改進獲得氫氣的方法。具體來說，本發明 是經設計用於從蒸汽獲得低溫等離子體，因為在發明人所開發的理論模型中已經發現，通 過施加具有正弦波形式(其頻率在微波範圍內)的標量電場從蒸汽獲得低溫等離子體是可 行的，所述標量電場與微波範圍內的蒸汽波譜的吸收峰發生諧振作用。這意味著受到微波 強輻射的蒸汽經歷轉變過程，且獲得等離子體(即具有極佳傳導性且吸收峰的值很低的抗
4磁性流體)的性質。選擇容器的幾何形狀通過諧振實現該目的。由發明人設計以實施所述 方法的裝置基本上包含具有二十面體結構的電磁波加熱器和具有八面體結構的等離子體 發生器，其中可改變蒸汽的壓力和溫度，從而將蒸汽轉化成等離子體，並且包含使用微波標 量電場(或具有標勢的場)形式的電磁波以便最優化所述方法。因此優選存在多個(例如 3個)並聯裝置，以便維持恆定的生產率。基於水等離子體，有可能通過電解來分解水並分離相應氣體，其中在具有一定幾 何形式且類似於等離子體發生器起作用的裝置中使用兩個以直流電供電的電極。氫氣和氧 氣將獨立地分離到壓力罐中。在分離氣體之後，將其供應到儲罐，在儲罐中壓縮，並準備用最適當的程序進行輸 送。對用於此過程的泵(以及整個設備的泵)所供應的動力是通過可再生能量或電力網的 夜間供電提供。如同等離子體發生器中那樣，提供三個與後者串聯並行排列的元件，以便維持恆 定的生產率。向每一等離子體發生器的電解器的供料，不發生任何交叉流動。在獲得氫氣之後，根據本發明的使用氫氣的方法包括將氫氣輸送到所需地點，在 此處氫氣與空氣中的氧氣重組以便在所需地點再次獲得水。上述重組可用替代性熱機、渦 輪機或燃料電池進行，這使得再次獲得可用於一般目的的水和能量成為可能。關於本發明， 必須考慮在八面體內部獲得的標量電場具有更大的效應，因為材料內的轉變會過大。實際 上，標量電場的能量降低材料的內部能量，但這種降低事實上是無限的，因為其直接作用於 材料的結構，而不是用於產生電流。基於對水自身組分的作用，氫和氧之間的鍵變弱，且鍵 最終分離。標量電場的一個特徵是既不涉及電流也不涉及磁場，並且這是等離子體的整個分 解過程的基礎事實。實際上，如果打算分解通過組合兩種初始氣體而形成的水，必需作用於 等離子體，以便通過用標量電場改變氫和氧之間的鍵來獲得這兩者的分離。然而，如果在等 離子體內部出現熱梯度或任何類型的不穩定性，那麼這些矢量場會產生電流，電流又會產 生矢量磁場，包括標量電場，其效應與上述標量電場相反，換句話說，存在使打算分離的水 的各組分的能量復原的趨勢。總而言之，由任何類型的不穩定性誘導的電流促進氣體的重 組和過程效率的損失。為此，優先事項是選擇有助於提供具有穩定性的等離子體的「穩定」 幾何結構。一般來說，任何類型的不穩定性都會對等離子體以及任何中間過程提供能量，且 因此最大穩定性的標準將用作氫氣製造的不同階段所用的所有元件或裝置的設計標準。關於為等離子體發生器和電解器選擇幾何結構，已經發現柏拉圖立體(十二面體 除外)具有穩定的幾何性質，但程度不同。如果我們用立方體開始分析，那麼會發現此物體 具有最低的能級。此外，立方體幾何結構不適用，且因此不適合於我們的目標。然後用二十 面體，最後用八面體開始分析。因為蒸發過程和等離子體產生過程中的任何類型的不穩定 性都會促進能量損失和所有過程的效率降低，所以選擇二十面體作為最適合於蒸發器的幾 何結構，且選擇八面體作為最適合於電解器的幾何結構。就材料的選擇而言，在蒸發器的二十面體中不存在重大問題，因為欲蒸發的水在 高蒸汽壓力下不可能含有汙染物，且因此足以用於選擇由鋼或鎳鋼組成的穩定材料。然而， 二十面體的上表面不僅用作所述形狀的包圍面，而且打算用作天線，或用作發射微波輻射且加熱二十面體內所容納的水的定向天線的載體。這些表面只有當水是海水或不含汙染物 時才與蒸汽接觸。必須考慮到，在八面體內，與等離子體接觸的內表面除了作為包圍面外，還用作與 發射與該微波頻率範圍內的蒸汽波譜吸收峰諧振的微波場的天線，且可能會因影響發射器 天線並使材料迅速劣化的冷聚變過程而受損。為此，鑑於等離子體具有高水平的反應性，這 些表面必須用耐久且穩定的材料覆蓋。海水將經由位於二十面體下部的管道進入蒸發器，而鹽水將經由所述管道排出。總的來說，將使用距海岸法定距離處收集的海水，且通過優選在可再生能量裝置 中產生的能量或通過電力網的夜間供電將海水供應到泵。然後使用用於生活熱水等的已知 技術，用太陽能預加熱水，且使用熱能-太陽能程序可能會直接產生蒸汽。當水處於特定溫 度時，將其引入加熱器以便通過使用電磁波獲得適當溫度和壓力，使得當水蒸發時，其將留 下呈鹽水形式的殘餘物，所述鹽水將送回到大海或能夠在特定條件下出售。為了更好地理解本發明，且經由說明性而非限制性的實施例，附上解釋本發明的 示意圖。


圖1示意性地展示根據本發明用於產生氫氣的一組元件。圖2詳細展示水的捕集和預加熱。圖3以放大比例示意性地展示加熱器_蒸發器。圖4是等離子體發生器的透視圖。
具體實施例方式本發明是基於豐富的水源，例如來源於大海或另一種類型的水，如圖1中數字1所 示，並且基於分開產生電，例如藉助於用於供應太陽能的設備2，預加熱水並在加熱器-蒸 發器裝置3中用矢量電磁波將水轉化為蒸汽，之後在發生器4中將蒸汽轉換為等離子體。產 生的等離子體隨後轉移到電解器5，其中藉助於電極並通過電磁波活化使等離子體分解為 氫氣和氧氣。氫氣和氧氣分別經由八面體的上頂點和下頂點從電解器排放出來，儲存在儲 罐6中。藉助於加壓和泵送站7，所述氫氣和氧氣經由管道、儲罐或其它裝置從儲罐6轉移 到供應地點。圖2展示三個並聯單元8、8 』和8 」，其用於預加熱通過管道9從大規模海水或另一 種類型的水1收集的水。先前將水加熱到約50°C的水平，隨後在加熱裝置中用微波矢量電場進行加熱，所 述矢量電場與水的吸收峰處於諧振關係，以便在動力充足時由所述微波矢量電場加熱並蒸 發水，且微波矢量電場有助於降低水的內能，因此幫助等離子體的產生過程。如果在大於大 氣壓的壓力下發生相轉變，那麼潛熱降低，並且隨著壓力下降而增大。為了維持產生蒸汽的 連續過程，確立介於0. 5巴與約2巴之間的恆定壓力值，最大限度為5巴。蒸汽將通過施加2. 16GHz的矢量電場來產生，所述矢量電場與先前用太陽能加熱 的水的吸收峰處於諧振關係。換句話說，水是通過焦耳效應用處於諧振的矢量電場所耗散 的能量來加熱。
蒸汽將經由對應於八面體的水平正方形的四個頂點進入電解器，以便獲得均勻分布。
蒸發器優選具有穩定的幾何機構，例如二十面體，其大部分容積由水佔據且其餘 容積由蒸汽佔據。電極優選是扁平的，用作位於水外部的定向天線，因為海水可導電。減少磁場的可能形成的方法是使用位於二十面體的一些表面上的離散電極。為了避免腐蝕問題，電極表面將用穩定金屬例如鎳或基於耐腐蝕的特殊鋼覆蓋。關於二十面體的尺寸，設想包圍二十面體的球體的半徑是3米。因此 其中當半徑R 是 3 米時 a = 3· 15438 米，且 V = 2· 5359991 R3 = 68. 47m3。在分別獲得氫氣和氧氣且適當儲存後，氧氣可能用於工業部門，且氫氣能夠在合 適壓力和溫度下通過管道或其它裝置輸送到希望產生水的地點，因為氫氣在自然界很短 缺，且通過先前所述的任何裝置使用所述氫氣。雖然已參考僅作為實施例的優選實施方案描述了本發明，但這些優選實施方案不 應理解為限制本發明，本發明是由以下權利要求的最廣泛的解釋限定範圍。
權利要求
一種使用氫氣的方法，其特徵在於所述氫氣是來源於海水或另一種類型的水的供應源，其中使用太陽能預加熱所述水，隨後是加熱所述水階段以便獲得蒸汽，所述蒸汽在低溫下轉換成水等離子體，所述等離子體接著通過用電極水解而發生分解，隨後分離所得的氫氣和氧氣，所述氫氣接著輸送到打算產生水的位置，氧化所述氫氣並回收能量，並再生水以供直接使用。
2.根據權利要求1所述的使用氫氣的方法，其特徵在於用太陽熱能預加熱所述水是通 過將所述水加熱到約40°C與60°C之間的溫度來進行。
3.根據權利要求2所述的使用氫氣的方法，其特徵在於預加熱所述水是在約50°C下進行。
4.根據權利要求1所述的使用氫氣的方法，其特徵在於加熱所述水以形成蒸汽是用微 波矢量電場進行，所述矢量電場與在所述波長範圍內的所述水的吸收峰處於諧振關係。
5.根據權利要求4所述的使用氫氣的方法，其特徵在於加熱所述水會形成壓力大約在 0.5巴與5巴之間的蒸汽。
6.根據權利要求5所述的使用氫氣的方法，其特徵在於所述蒸汽壓力是大約2巴。
7.根據權利要求1所述的使用氫氣的方法，其特徵在於從所述蒸汽形成所述等離子體 是用微波標量電場進行，所述標量電場與在所述波長範圍內的所述蒸汽吸收峰處於諧振關 系。
8.一種實施根據權利要求1到7所述的方法的裝置，其特徵在於加熱以便產生所述蒸 汽是在具有二十面體結構的反應器中進行，且產生所述等離子體和用電極電解所述等離子 體以使其分解是在具有八面體結構的反應器中進行。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於進料和殘餘物排放是經由呈二十面體形狀 的所述反應器的下部進行。
10.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於經設計用於加熱所述水的所述電極是扁 平電極，其用作定向天線且位於所述水外部。
11.根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於所述電極位於所述反應器含有的所述水 的外部。
12.根據權利要求10和11所述的裝置，其特徵在於所述電極由耐腐蝕的穩定金屬覆蓋.
13.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於等離子體發生器和電解器的八面體的每 一表面用作天線，其在與每一表面垂直的方向上發射輻射，由此產生為零的矢量電場，或產 生標量電場。
14.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於在等離子體產生階段和電解階段排列多 個八面體發生器，以便調整容積生產流量。
15.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於所述八面體的各個面的內表面覆蓋有對 於所述等離子體的反應性展現穩定性的材料層。
16.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於蒸汽進入到所述電解器中是經由所述八 面體形狀的水平正方形的四個頂點進行。
17.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於所述氫氣和氧氣從所述電解器排放是分 別經由對應於所述等離子體電解器的八面體形狀的上頂點和下頂點進行。
18.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於實現分離所述氫氣和所述氧氣功能的所 述電解器的所述電極是由直流電供電。
19.根據權利要求18所述的裝置，其特徵在於實現分離所述氣體功能的所述電解器的 所述電極具有正極和負極，正極靠近用於排放所述氧氣的下頂點，負極靠近用於排放所述 氫氣的上頂點。
全文摘要
本發明涉及一種使用氫氣的方法和裝置。所述方法的特徵在於，首先使用太陽能預加熱來自海水或其它來源的水，接著進行加熱步驟以便獲得蒸汽，其在低溫下轉換成水等離子體，隨後通過使用電極進行水解來分解等離子體，並隨後分離所獲得的氫氣和氧氣。氫氣然後輸送到打算產生水的地點，氫氣經歷氧化反應並回收自此產生的能量，再生水以供直接使用。
文檔編號C25B1/04GK101842520SQ200880114319
公開日2010年9月22日 申請日期2008年11月11日 優先權日2007年11月14日
發明者亞歷山德拉·米格爾桑切斯, 菲德爾·佛朗科岡薩雷斯, 阿爾佩託·魯伊斯羅德裡格斯 申請人:菲德爾·佛朗科岡薩雷斯;亞歷山德拉·米格爾桑切斯;阿爾佩託·魯伊斯羅德裡格斯