CN1187475C - 一种用于生产氢的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于产生正氢和/或仲氢的设备。该设备包括盛装水的容器，和至少一对紧密间隔放置在容器中并且浸没在水中的电极。第一电源向电极提供特定的脉冲信号。如果还需要生产仲氢，一个线圈也放置在容器中并且浸没在水下。第二电源通过开关向该线圈提供特定的脉冲信号。当第二电源通过开关与线圈不连接时，只有电极接收到脉冲信号，则可以产生正氢。当第二电源与线圈连接时，电极和线圈都接收到脉冲信号，则可以控制第一和第二脉冲信号来产生仲氢。该容器是自动加压的并且容器中的水不需要化学催化剂，就足以高效产生正氢和/或仲氢。不产生热量并且在电极上不形成泡沫。

Description

一种用于生产氢的设备和方法

                           发明背景

发明领域

本发明涉及一种用于生产正氢和仲氢的设备和方法。

相关技术的描述

传统的电解槽能够从水生产氢和氧。这些传统的电解槽通常包括两个放置在池中的电极，向水提供能量从而生产氢和氧。这两个电极通常由两种不同材料制成。

但是，在传统电解槽中产生的氢和氧通常以低效率的方式生产。也就是说，为了生产氢和氧，需要向电极提供大量的电能。另外，必须向水中添加例如氢氧化钠或氢氧化钾等化学催化剂，来将氢或氧泡沫与电极分离。此外，生产得到的气体通常必须运输到加压的容器用于储存，因为传统的槽生产气体较慢。此外，传统的槽容易加热，产生多种问题，包括水的沸腾。此外，传统的槽容易在电极上形成气体泡沫，起到电绝缘体的作用并且降低电解槽的功能。

因此，特别希望仅利用适度数量的输入电能来生产大量的氢和氧。另外，希望利用“常规的”自来水而不需要任何添加的化学催化剂来生产氢和氧，和不需要额外的泵对槽加压来操作它。还希望利用同样的材料构成电极。此外，希望快速生产气体，不需要加热，并且电极上没有泡沫。

正氢和仲氢是氢的两种不同异构体。正氢是氢分子的两个核子的旋转处于平行的状态。仲氢是氢分子的两个核子的旋转处于反向平行的状态。正氢和仲氢的不同特征导致不同的物理属性。例如，正氢是高度易燃的，相反仲氢是氢的较慢燃烧的形式。因此，正氢和仲氢可以用于不同的应用领域。传统的电解槽只生产正氢和氧。仲氢通常很难生产和很昂贵。

因此，希望利用电解槽便宜地生产正氢和/或仲氢，并且能够控制由槽生产的其中任何一种的数量。还希望将生产得到的正氢或仲氢引导到相连接的机器，从而为其提供能量来源。

                     发明概述

因此本发明的一个目的在于提供一种槽，带有电极和盛装水，在相对少的时间中，利用适度量的输入电能，来生产大量的氢和氧，并且不产生热量。

本发明的另一个目的在于，使得该槽产生的氢和氧泡沫不在电极周围或上面形成串。

本发明的再一个目的在于，使得槽没有化学催化剂能恰当地工作。因此，该槽可以仅仅涉及自来水。另外，可以避免与化学催化剂有关的额外的成本。

本发明的另一个目的在于，使得槽自动加压。因此，不需要附加的泵。

本发明的另一个目的在于，提供一种槽，具有由同种材料制成的电极。例如该材料可以是不锈钢。因此，可以简化槽的结构和相应地降低成本。

本发明的另一个目的在于，提供一种槽，能够生产正氢、仲氢或它们的混合物，并且可以控制来生产用户所希望的任何相对数量的正氢和仲氢。

本发明的另一个目的在于，将槽的气体输出与一个装置连接，例如内燃机，使得该装置可以由提供给它的气体提供能量。

考虑到下面参照附图的详细说明和所附的权利要求，可以更清楚本发明的这些和其他目的、特征和特点，其中同样的附图参考编号表示不同图中相对应的部件。

因此，本发明包括用于盛装水的容器。至少一对紧密间隔的电极放置在容器中并且浸没在水下。第一电源向电极提供特定的脉冲信号。一个线圈也放置在容器中并且浸没在水下。第二电源通过开关向该线圈提供特定的脉冲信号。

当只有电极接收到脉冲信号时，则可以产生正氢。当电极和线圈都接收到脉冲信号时，则可以产生仲氢或仲氢和正氢的混合物。容器自动加压并且容器中的水不需要化学催化剂，就足以高效产生正氢和/或仲氢。

一方面，此发明提供一种用于生产氢的方法：提供一容器；把包括水的一种流体注入所说容器，直到所说容器至少部分地被注入；然后把一对电极浸入所说流体中，并把电极定位在彼此之间的间距为5mm或者更小。在把所说电极浸入并定位之后，向其中一个所说电极提供脉冲电信号，所说脉冲电信号具有从10kHz到250kHz的频率，由此产生氢。

所说的流体不含化学催化剂，不含氢氧化钾和氢氧化钠。所说的脉冲信号具有1∶1到10∶1的传号-空号比，具有大约12伏的电压和大约300毫安的电流，而且其频率是可变的。

此外，该方法进一步还包括提供一装置，其有输入部分连接到所说容器的输出部分，此装置选自下面一组：内燃机、活塞式发动机、燃气轮发动机、炉子、加热器、熔炉、分馏单元、水净化单元和氢/氧喷气机，然后操作所说装置。

该方法进一步包括放置一个线圈到所说容器中，然后向所说线圈施加一第二脉冲电信号。上述的脉冲电信号可以是方波、锯齿波或者三角波。

此发明还提供了一种生产氢的装置，它包括一容器，用于盛装包括水的流体溶液；一对电极，放置在所说容器中，所说电极彼此间距5mm或者更小；和，一个电源，此电源与上述电极相连，用来向其中一个所说电极提供脉冲信号，所说脉冲信号具有从10kHz到250kHz的频率，其中所说电极浸没在所说流体溶液中。

该装置进一步包括放置到所说容器中的一线圈；和一第二电源，连接到所说线圈，并施加一第二脉冲点信号到所说线圈。其中所说脉冲电信号具有约1∶1到约10∶1的传号-空号比。

                 附图图面的简要说明

图1是根据本发明的第一个实施例，包括一对电极用来产生正氢的槽的侧视图；

图2是根据本发明的第二个实施例，包括两对电极用来产生正氢的槽的侧视图；

图3是根据本发明的第三个实施例，包括一对圆柱形电极用来产生正氢的槽的侧视图；

图4a表示正方形脉冲波信号图，可以由图5的电路产生并且作用到图1-3的电极上；

图4b表示锯齿形脉冲波信号图，可以由图5的电路产生并且作用到图1-3的电极上；

图4c表示三角形脉冲波信号图，可以由图5的电路产生并且作用到图1-3的电极上；

图5是电路图，表示与图1-3的电极连接的电源；

图6是根据本发明的第四个实施例，包括一个线圈和一对电极用来产生至少仲氢的槽的侧视图；

图7是根据本发明的第五个实施例，包括一个线圈和两对电极用来产生至少仲氢的槽的侧视图；

图8是根据本发明的第六个实施例，包括一个线圈和一对圆柱形电极用来产生至少仲氢的槽的侧视图；及

图9是电路图，表示与图6-8的线圈和电极连接的电源。

             优选实施例的详细描述

图1表示本发明的第一个实施例，包括用于产生氢和氧的槽。如下面结合图6-8将要进行的讨论，仲氢的产生需要一个图1中没有示出的附加线圈。因此，由图1的第一个实施例产生的氢是正氢。

该槽包括一个封闭的容器111，它的底部通过带螺纹的塑料底113和螺纹底109封闭。容器111可以由例如树脂玻璃制成，具有例如43cm的高度和例如9cm的宽度。容器111中盛装有自来水110。

该槽还包括压力计103，用来测量容器111中的压力。出口阀102连接到容器111的顶部，允许容器111中的任何气体溢出到输出管101中。

该槽还包括与底座113连接的紧急安全阀106。如果压力超出预先确定的阈值，通过自动地释放容器111中的压力，紧急安全阀106提供安全功能。例如，紧急安全阀106可以设定成如果容器内的压力超出75p.s.i.(磅/平方英寸)，它将打开。由于容器111设定成承受大约200p.s.i.的压力，该槽设有大的安全极限。

一对电极105a、105b放置在容器111中。电极105a、105b浸没在水110的上水平面下，并在两个电极之间限定一个相互作用的区域112。电极105a、105b最好由同样的材料例如不锈钢制成。

为了生产最优数量的氢和氧，电极105a、105b之间必须保持相同的间距。另外，最好是使得电极105a、105b之间的间距最小。但是，电极105a、105b之间的间距不能设定成特别紧密，因为电极105a、105b之间将产生电弧。已经确定1mm的间距是用来生产氢和氧的最佳间距。达到5mm的间距可以有效地工作，但5mm以上的间距不能很好地工作，除非有足够的功率。

通过输出管101输出的氢和氧可以通过管子101运送到使用这些气体的装置120，例如图1中所示的内燃机。代替内燃机，装置120可以是使用氢和氧的任何装置，包括活塞式发动机、燃气轮发动机、炉子、加热器、熔炉、分馏单元、水净化单元、氢/氧喷气机或使用气体的其他装置。利用本发明的可以充分地生产的例子，使用输出气体的任何这种装置120可以连续地运转，而不需要储存危险的氢气和氧气。

图2表示本发明的第二个实施例，包括多于一对的电极205a-d。与图1中的实施例相同，电极之间的间距小于5mm。虽然图2表示只有一对增加的电极，槽中能够包括更多对(例如，可以达到40对电极)。图2中所示的槽的其余部分与图1中所示的保持一样。多个电极最好是紧密间距的扁平板，彼此平行。图3表示具有圆柱形电极305a，305b的槽。外电极305b包围同轴对齐的内电极305a。电极305a，305b的相等的间距小于5mm并且相互作用的区域同轴地设置在两个电极305a，305b之间。虽然图3表示容器111的顶部由塑料盖301形成，对于本领域普通技术人员来说很清楚，盖子301可以在图1-2的实施例中使用，并且图3的实施例可以采用与图1-2所示相同的容器111。如图3中所建议的，电极几乎可以是任何形状，例如扁平板、棒、管子或同轴的圆柱。

图1的电极105a、105b(或图2中的电极205a-d或图3中的电极305a、305b)分别与电源终端108a、108b连接，使得它们可以接收来自电源的脉冲电信号。该脉冲信号几乎可以是任何波形，并且具有可变的电流值、电压值、频率和传号-空号比(即，单个脉冲的持续时间与两个相邻脉冲之间的间隔时间的比)。例如，向电极提供能量的电源可以是110伏的电力线到12伏的电源或汽车电池。

图4a、图4b和图4c分别表示可以作用到根据本发明的电极105a、105b(或205a-d或305a、305b)上的方波、锯齿波和三角波。图4a-4c中所示的每个波形具有1∶1的传号-空号比。如图4b中所示，锯齿波只在脉冲持续时间的末端达到峰值电压。如图4c中所示，三角波具有较低的峰值电压。已经发现利用方波可以获得在本发明中生产氢和氧的最优结果。

在来自电源的脉冲信号起动之后，电极105a、105b连续地和几乎同时在相互作用的区域112中从水110中产生氢和氧泡沫。另外，只需要最小化地加热水110或槽的任何其他部分就可以产生泡沫。这些泡沫穿过水110上升并聚积在容器111的上部。

产生的泡沫不在电极105a、105b的周围或上面形成串，并因此迅速地漂浮到水110的表面上。因此，不需要添加化学催化剂来帮助溶液的传导或减少在电极105a、105b周围或上面成串的泡沫。因此，在本发明中只需要自来水来产生氢和氧。

在容器内产生的气体是自动加压的(即，通过气体的产生在容器内形成压力，不设置抽气机)。因此，不需要额外的泵与容器111连接，产生的气体不需要运送到加压的容器中。

本发明的电源需要提供只具有12伏和300毫安(3.6瓦)的脉冲信号。已经发现当脉冲信号具有10∶1的传号-空号比和10-250KHz的频率时，产生了最优数量的氢和氧。利用这些参数，本发明的原型槽能够以1p.s.i./分钟的速率产生气体。因此，本发明的槽能以高效率的方式和利用低电源需求快速地产生氢和氧。

如上所述，由图1-3的实施例产生的氢是正氢。如本领域普通技术人员所熟知的，正氢高度易燃。因此，产生的任何正氢可以通过阀门102和输出管101从容器111中向外运送，由例如内燃机等装置使用。

利用足够的电极，本发明可以快速地产生氢和氧，足够直接向内燃机或涡轮发动机提供气体，并且发动机连续地运转而不需要气体的积累和储存。因此，它第一次为氢/氧驱动的发动机提供安全，因为它不需要储存氢气或氧气。

图5表示向图1-3中所示的电极提供例如图4a-4c中所示的直流脉冲信号的示例性的电源。如本领域中的普通技术人员会充分理解的，可以用任何其他能够提供上面所讨论的脉冲信号的电源代替它。

图5中所示的电源包括以下部分和它们的典型元件或值：

     不稳定电路              NE555或当量逻辑电

                      路

     电阻R2                  10K

     电阻R3                  10K

     电阻R4                  10K

     电阻R5                  2.7K

     电阻R6                  2.7K

     晶体管TR1               2N3904

     晶体管TR2               2N3904

     晶体管TR3               2N3055或任何高速、

                             大电流硅开关

     二极管D2                1N4007

     电容(没有示出)          如果需要Vcc旁路

                             电容

不稳定电路通过电阻R2与晶体管TR1的基极连接。晶体管TR1的集电极通过电阻R5与电压电源Vcc连接和通过电阻R3与晶体管TR2的基极连接。晶体管TR2的集电极通过电阻R6与电压电源Vcc连接和通过电阻R4与晶体管TR3的基极连接。晶体管TR3的集电极与槽的一个电极和二极管D2连接。晶体管TR1，TR2，TR3的发射极与地电位连接。电阻R5和R6分别作为晶体管TR1和TR2的集电极负载。槽作为晶体管TR3的集电极负载。电阻R2，R3和R4分别用来保证晶体管TR1，TR2和TR3处于饱和。二极管D2保护电路的其余部分不受槽内任何感应回来的电动势(emf)影响。

不稳定电路用来在特定的时间产生具有特定传号-空号比的脉冲串。该脉冲串通过电阻R2提供给晶体管TR1的基极。晶体管TR1用来作为转换开关。因此，当不稳定电路产生输出脉冲时，晶体管TR1的基极电压变高(即，接近Vcc或逻辑1)。因此，晶体管TR1的集电极的电压值变低(即，接近地电位或逻辑0)。

晶体管TR2还用来作为转换器。当晶体管TR1的集电极电压变低时，晶体管TR2的基极电压同样变低并且晶体管TR2关断。因此，晶体管TR2的集电极电压和晶体管TR3的基极电压变高。因此，晶体管TR3根据由不稳定电路设定的传号-空号比导通。当晶体管TR3导通时，槽的一个电极与Vcc连接而另一个通过晶体管TR3与地电位连接。因此，晶体管TR3可以导通(和关断)，并且因此晶体管TR3有效地作为槽电极的电源开关工作。

图6-8表示槽的其他实施例，分别与图1-3的实施例相似。但是，图6-8中的每个实施例还包括一个设置在电极上面的线圈104，和与线圈104连接的电源接头107。线圈104的尺寸可以是例如5×7cm和具有例如1500匝。线圈104浸没在水110的表面以下。

图6-8的实施例还包括选择开关121，可以由使用者打开或闭合。当开关121没有闭合时，槽形成基本上与图1-3相同的结构，并因此可以以与图1-3所述相同的方式工作，产生正氢和氧。当开关121闭合时，附加的线圈104使得槽能够产生氧和或者(1)仲氢或者(2)仲氢和正氢的混合物。

当开关121闭合(或者不存在)时，线圈104通过终端106和开关121(或者仅通过接头106直接)与电源连接，使得线圈104可以接收脉冲信号。如下面将要讨论的，该电源可以通过图9中所示的电路形成。

当线圈104和电极105a、105b接收脉冲时，能够产生仲氢泡沫或仲氢和正氢的混合物。如图1-3中所讨论的泡沫形成并飘浮到水110的表面上。当线圈施加有更高电流的脉冲时，产生更大量的仲氢。此外，通过改变线圈104的电压，可以产生更大/更小百分比的正氢/仲氢。因此，通过控制提供给线圈104的电压值、电流值和频率(下面将讨论)(以及如上所述的提供给电极105a、105b的例如电压值、电流值、频率、传号-空号比和波形等参数)，可以控制由槽产生的气体的成分。例如，通过简单地不连接线圈104能够只产生氧和正氢。通过向线圈104和电极105a、105b提供适当的脉冲信号，还可以只产生氧和仲氢。结合图1-3的实施例所讨论的全部优点和结果同样可以从图6-8的实施例中获得。例如，图6-8的槽是自动加压的，不需要化学催化剂，不显著地加热水110或槽，和由适度量的输入电能产生大量的氢和氧，电极上没有泡沫。

在下一个脉冲向线圈104提供电流之前，必须经过相当长的时间。因此，脉冲信号的频率远低于提供给电极105a、105b的。因此，利用具有上面所述尺寸的类型的线圈104，脉冲信号的频率可以高达30Hz，但最好是用17-22Hz来得到最优的结果。

仲氢没有正氢那么高的易燃性，因此是氢的较慢燃烧的形式。因此，如果由槽产生的是仲氢，该仲氢可以与蒸机或熔炉这样的适当设备连接，来提供较低火焰的能量源或热源。

图9示例性地表示一种电源，用来向图6-8中所示的电极提供例如图4a-4c中所示的这些直流脉冲信号。另外，该电源可以向线圈提供其它脉冲信号。如本领域中的普通技术人员会充分理解的，可以用任何其他能够向槽的电极和线圈提供上面所讨论的脉冲信号的电源代替它。另外，向电极和线圈提供的脉冲信号可以由两个分开的电源提供。

电源向槽的电极提供脉冲信号的部分(不稳定电路，R2-R6，TR1-TR3，D2)与图5中所示的相同。图9中所示的电源还包括以下元件和它们相对应的示范性取值：

       N计数器分频              4018BPC或当量逻辑

                            电路

       单稳态电路               NE554或当量逻辑电

                            路

       电阻R1                   10K

       晶体管TR4                2N3055或任何高速、

                            大电流硅开关

       二极管D1                 1N4007

由N计数器分频的输入(以下称为“分频器)与晶体管TR1的集电极连接。分频器的输出与单稳态电路连接，单稳态电路的输出通过电阻R1与晶体管TR4的基极连接。晶体管TR4的集电极与线圈和二极管D1的一端连接。线圈和二极管D1的另一端与电压源Vcc连接。电阻R1保证晶体管TR4完全饱和。二极管D2防止线圈内产生的任何感应回来的电动势(emf)损坏电路的其余部分。如图6-8中所示，开关121也可以插入到电路中，来允许用户在(1)产生正氢和氧的槽与(2)至少产生仲氢和氧的槽之间转换。

晶体管TR1的集电极电压的高/低转换向分频器提供脉冲信号。分频器将该脉冲信号分频N次(其中N是正整数)来产生脉冲输出信号。该输出信号用来触发单稳态电路。单稳态电路恢复脉冲长度使得其具有合适的定时。来自单稳态电路的输出信号通过电阻R1提供给晶体管TR4的基极，来转换晶体管TR4的导通/关断。当晶体管TR4导通时，线圈位于Vcc和地电位之间。当晶体管TR4关断时，线圈与电路的其余部分不连接。如参照图6-8进行的讨论，提供给线圈的脉冲信号的频率最好以在17-22Hz之间的速度转换，即，远低于提供给电极的脉冲信号的频率。

如上面所指出的，向线圈提供脉冲信号的电路(分频器、单稳态电路、R1、TR4和D1)不需要与向电极提供脉冲信号的电路(不稳定电路、R2-R6、TR1-TR3、D2)连接。但是，以这种方式连接的电路将提供一种容易使得提供给线圈的脉冲信号起动的方式。

利用上面指出的示范性的和优选的参数，本发明的工作原型已经成功地建立和工作，来由水产生正氢、仲氢和氧。来自该原型的输出气体已经通过管子与小型圆筒式汽油发动机的进气歧管连接，卸去汽化器，并使得这种发动机不需要任何汽油成功地运转。

对于本领域普通技术人员，其它优点和改型很容易发生。因此，本发明不限于这里显示和说明的具体描述和示例性的设备。因此，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的构思或范围的情况下，可以做出各种改进。

Claims (14)

1.一种生产氢的方法，包括：

提供一容器；

把包括水的一种流体注入所说容器，直到所说容器至少部分地被注入；

把一对电极浸入所说流体中；

定位所说电极，使所说电极彼此间距5mm或更小；及

在把所说电极浸入并定位之后，向其中一个所说电极提供脉冲电信号，所说脉冲电信号具有从10kHz到250kHz的频率，由此产生氢。

2.根据权利要求1所说的方法，其中所说流体不含化学催化剂。

3.根据权利要求1所说的方法，其中所说流体不含氢氧化钾和氢氧化钠。

4.根据权利要求1所说的方法，其中所说脉冲电信号具有1∶1到10∶1的传号-空号比。

5.根据权利要求1所说的方法，其中所说脉冲电信号具有约12伏的电压和约300毫安的电流。

6.根据权利要求1所说的方法，其中所说脉冲电信号的频率是可变的。

7.根据权利要求1所说的方法，进一步包括：

提供一装置，其有一输入部分连接到所说容器的输出部分，所说装置选自下面一组：

a.内燃机；

b.活塞式发动机；

c.燃气轮发动机；

d.炉子；

e.加热器；

f.熔炉；

g.分馏单元；

h.水净化单元；和

i.氢/氧喷气机；以及

操作所说装置。

8.根据权利要求1所说的方法，进一步包括：

放置一个线圈到所说容器中；以及

向所说线圈施加一第二脉冲电信号。

9.根据权利要求1所说的方法，其中所说脉冲电信号是可变电压脉冲电信号。

10.根据权利要求1所说的方法，其中所说脉冲电信号是方波。

11.根据权利要求1所说的方法，其中所说脉冲电信号是锯齿波。

12.根据权利要求1所说的方法，其中所说脉冲电信号是三角波。

13.一种生产氢的装置包括：

一容器，用于盛装包括水的流体溶液；

一对电极，放置在所说容器中，所说电极彼此间距5mm或更小；和

一电源，与所说电极连接，用来向其中一个所说电极提供脉冲信号，所说脉冲信号具有从10kHz到250kHz的频率，其中所说电极浸没在所说流体溶液中。

14.根据权利要求13所说的装置，进一步包括放置到所说容器中的一线圈；和一第二电源，连接到所说线圈，并施加一第二脉冲电信号到所说线圈。

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