专利名称：利用水的热分解生产氢气的方法
技术领域：
本发明的领域本发明属于利用水的热分解生产氢气的方法和装置。
本发明的背景氢气早就被视为一种理想的可燃能源。氢气在空气中燃烧的产物基本上是水，但在某些条件下也可产生痕量的氮氧化物。氢气燃烧不产生任何二氧化碳，二氧化碳是一种“温室”气体，明显导致人们对环境，尤其是市区环境恶化的关注。燃料电池技术上的最新进展以及燃料电池的高总体能量效率已形成了有利于更广泛采用和利用氢气燃料的各种条件。
氢气主要通过重整烃，如甲烷来生产，较少利用水的电解。这些方法通常包括使用能够产生污染的能源。例如，在某些电解工艺中，热电站的烃消耗就是氢气生产链的一部分。因此，长期需要能够将水直接或间接转化成氢气的有效方法。
由水生产氢气的许多热方法可利用太阳能。其中一种方法是在非常高的温度下，通常在2200-2500℃下，将水在太阳能炉中直接分解。许多这些方法并不特别有效，有效氢气产率仅为10-15％。许多参考文献都公开了由太阳能热水离解反应得到氢气的方法，其中将氢气或氧气通过多孔材料，如金属镍选择性地提取(参见美国专利5397559、4233127、4053576、5306411；以及“在日光炉中分离水热解产物的可能性”，Shakhbazov等人，1977,Gelioteknika,13卷，№6,71-72页，UDC 621.472)。这些扩散法在商业实施时的一个明显重要的局限在于，气体分离速率明显取决于有效扩散表面的面积。大规模生产氢气就需要非常大的扩散表面或膜表面。因此，可能需要将大扩散表面加热至非常高的温度才能在气体冷却之前分离出所需分子，这样可防止氢气和氧气的再化合。这种大面积物质的加热可能会由于辐射能损失和相应的低效而产生明显的工业化问题。
美国专利4030890和4071608(Diggs)提出利用离心力从氧气中分离出氢气。Diggs公开了一种用于分离氢气和氧气的具有氧气出口和氢气出口的腔。氧气出口环绕在该腔的圆周壁中，靠近腔的底部，位于该腔的末端(由此加入水蒸汽)。Diggs设备中的氢气出口轴向位于该腔的上端，与加入水蒸汽的腔端相对。Diggs设备中氢气和氧气出口的这种排列方式是基于在反应腔的涡流中氧气和氢气出口具有特殊的空间分布。但加热气体在涡流管中行为复杂。在一种有时称作Ranque效应的工艺中，气流可在涡流管中分离成两股出口流，相对气体进料的温度，一股较热，另一股则较冷(参见美国专利1952281)。在该方法中，本领域知道，在管的轴向和径向都形成了压力和组成梯度而涡流芯包含一种沿着涡流周围与加热气体流向相反的方向流动的冷却气体。这种效应可用于从气流中分离蒸汽，如美国专利4343772和5843801所公开的。相反，美国专利3922871公开了其它的流动参数，据说可在涡流内产生相反的气体温度层化作用，位于涡流芯中的气体较热。尽管该参考文献没有给出具体的气体分离方法，但这说明了在涡流气流中可能遇到的各种情况。
需要有利用水的热解来生产氢气的替代方法和设备，特别是适合利用太阳能的方法和设备。
本发明的综述一方面，本发明提供了一种由水生产氢气的方法，包括将水加热至水的离解温度，形成包含氢气和氧气的离解水反应混合物。形成反应混合物的涡流，使该反应混合物围绕涡流管反应器内部空间的纵向轴经受离心力，这样涡流管反应器内部空间中的氢气和氧气就发生径向层化。氢气优先在沿着涡流管反应器内部空间纵向轴的隔离点上从反应混合物中提取出来。或者，该方法可包括优先在沿着涡流管反应器圆周的纵向隔离点上从涡流的圆周部分中提取出氧气。水可通过聚焦在涡流管反应器上的集中的太阳能辐射而加热至离解温度，水的离解温度可以是约1800-3000℃。反应混合物可与催化剂接触，这样可将水催化离解成氢气和氧气。可施加真空以优先提取出氢气或氧气。
另一方面，本发明提供了一种涡流管反应器，包括具有第一端面和第二端面的细长壁，该壁和端面共同限定了一个具有纵向轴且适合容纳涡流的内部空间。第一端面上配有入口孔，用于将气体以正切角度引入内部空间，引发所述气体在内部空间围绕纵向轴进行圆周运动以形成涡流。氢气导管可沿着纵向轴同轴位于内部空间，氢气导管在纵向隔离点处可透过氢气。或者，氧气导管可同轴位于与圆柱壁相邻的内部空间，氧气导管在纵向隔离点处可透过氧气。该反应器可由适合经受水离解温度的耐火材料组成。
尽管太阳能可用于本发明以将水离解成氢气和氧气，但可以使用其它的热源。辐射能捕集装置也可用于太阳能蒸馏工艺，而且可用于产生蒸汽(用于加热和用于涡轮机)太阳能加热锅炉体系，尤其可用于太阳能涡轮机电力体系。
通过从涡流管反应器中去除一种离解产物，可进一步驱动离解反应平衡朝向完成。氧气和氢气在涡流管反应器中的层化作用也可推动离解反应平衡朝向完成。优选的是，保持最终反应器中的操作温度接近原反应器，这有助于快速平衡。如果停留时间不足或最终反应器温度下降，留在最终反应器中的来自过渡区的残余物可在重尾馏分出口孔分离出来并进行回收。对于绝热良好的体系，离开最终反应器的氧气可在与给水热交换之前输送到一个或多个附加的精制层化阶段。如需要，可对氢气实施相同过程。
太阳能可利用多排计算机控制镜供给化学工艺工段，通常要产生将水部分分解成氢气和氧气所需的温度(约2500℃)。
本发明工艺的给水有利地通过已知方法，优选在通过第一热交换器之前进行过滤纯化。来自第一热交换器的预热水以管输送到热交换器和太阳能蒸馏装置的组合上，在此将水进一步蒸馏纯化。然后将蒸馏水在第一热交换器中冷却，将热量转移到进料水。然后可在第三级将水进一步纯化，如利用反渗透。纯化水可随后输送到辐射能捕集体系，该体系可捕集热辐射的大部分能量(否则会损失)。然后将来自该捕集装置的热水以管输送到特殊设计的第三热交换器中，该热交换器利用来自太阳能反应器最后一级的热将水加热成过热蒸汽。该蒸汽在约10个大气压的压力下继续通过第一级太阳能反应器。该管道通向可积聚压力的反应器内的开口。这种高压使热传递更好且由于其高压可保持水不分解。
氢气可通过较小直径的内部导管从靠近涡流稳定区的位置上取出。该步骤可利用相对真空来帮助，这种真空并不强到可在中间区和圆周区破坏气体动力学的程度。
可以使用RH涡流管中的内管来实现气体分离。在一个实施方案中，内核芯的直径可以是涡流管直径的约20-30％。已经发现，有效提取单点位于芯的下方距离切向流入物约25％处。该芯可以是多孔的或开孔的且长度较长，这样可促进从涡流管取出氢气。
除水离解之外的反应可按照本发明加速或催化。例如，氨可按照类似方式分解。可以考虑甲烷重整。其它体系也是可能的，只要反应物和产物具有合适的物质分布。
可以使用其它的热源，如来自热电站的废热。尽管这种热量低于水离解所需，但它可作为该工艺的预热。以后的加热阶段可使用电能。其选择物包括化石燃料和核电厂。地热是另一种不污染的热源。同样，地热也可用作该工艺的预热，其中二级加热来自地热电能、太阳能或其它。
因此，本发明一方面提供了一种将集中太阳能或其它热量转化成水蒸汽流的方法，包括具有限定通道的第一级反应器，其中蒸汽流发生定向改变，从而将蒸汽撞向腔壁，产生湍流并更有效地进行能量交换。这可通过各种反应器配置(包括螺旋状的、圆锥形的或锯形的通道)，或通过反应器中可产生湍流的突起，或通过其它方式而促进，在所述其它方式中，定向变化可在增加的压力下将蒸汽撞向反应器壁，或高湍流可增加从反应器壁的能量能转移。在某些实施方案中，可利用从通道(蒸汽由此经过)壁上突出的翅片来增加蒸汽流内的表面积，这样可更有效地进行能量交换。可以有一个用于限制第一级反应器输出量的孔，由于孔的限制可增大蒸汽压，这样可增加水蒸汽的密度并提高将能量转移到水蒸汽的效率。高蒸汽压有助于防止水蒸汽的离解，从而增加热导性。
另一方面，本发明提供了一种在第二级反应器中离解水的方法，其中水蒸汽部分离解并进一步吸收热能。可在第二级反应器的输出处配置孔限制装置以限制蒸汽流。可从第二级反应器的输出处施加真空，在第二级反应器产生部分真空，使得水蒸汽部分离解。部分真空可造成蒸汽流吸热膨胀，这时可另外加入太阳能或热能以促使进一步离解。气体在第二级反应器中的路径可以如上述连接于第一级反应器，以有助于将热能转移给气体。可在第二级反应器中采用催化剂以有助于蒸汽流的离解。
另一方面，本发明提供了以下方法在第三级涡流管反应器中，在离解温度下，水蒸汽通过高涡流速度而经受离心力(图25)，这样反应混合物在反应器内部(区36)产生层化，优选利用质量作用将水进一步分解成氢气和氧气。氢气或氧气或这两种气体可选择性地从涡流反应器内部空间内的层化区取出，优选沿着层化区的一部分轴长度，推动离解反应平衡转移向进一步分解水蒸汽。在另一实施方案中，可以使用真空泵(图2的49和52)来施加部分真空，可调地应用到反应器36的氧气排气孔39(图2)和氢气排气孔38(图2)上，这样有助于将水蒸汽分解成氢气和氧气。氢气收集管的压差也可通过改变涡流速度(通过调节参数，如喷射器的数目和气体的喷射速率)以及通过调节管中的真空来调节，这样可优化氢气的收集。集中太阳能或热能可连续加入第三级反应器以促使水蒸汽进一步连续离解。可以在第二级反应器内使用催化剂以促进水蒸汽的离解，而且催化剂可放置在陶瓷基材上。还可自动控制以测定离开氢气和氧气排气孔的水蒸汽的量，而且这种信息可用于自动调节反应器的氢气和氧气排气孔之间的部分真空的平衡以减少任何可检测的不平衡或用以优化数值，这样可促进将水蒸汽分解成氢气和氧气。在某些实施方案中，第三级反应器的氢气和氧气排气管中的真空都可得以平衡，这样可保留受控层化区。类似地，可以调节第三级反应器中的总分压以保持优选的离解和层化条件。
在各方面，本发明都提供了促进有效能量转移的配合方式。一方面，本发明提供了一种有助于从集中日光进行热能吸收的成形的靶37(图2)。该靶的形状可以是凹的，优选适合捕集更多的热能和光能。另一方面，通过使用一种辐射能再捕集装置可以改进辐射能损失，其中光阀(图4的16和20)可让集中太阳能通过窗户(图5)、有形棱镜、或有形反射器d58(图7A和图7B)进入反应器区。反射光的多向散射以及反应器的辐射能可通过优化总体内折射和角反射由该窗户、有形棱镜、或有形反射器再导向反应器区。可以使用光阀(窗户、有形棱镜、有形反射器或其相当物)吸收的能量来预热流入反应器的水。这些机械结构可通过流过通道(图4的16、以及图5和5A的63)的水保持冷却，然后可以使用该热水来预热反应器输入物。该光阀可限定尺寸，尽可能只让集中太阳能进入，这样可使外部能量损失最小化。除了光阀，反应器的周围区域可适合将辐射能反射到反应器上(图4的18、22和23)。能量反射器(图4的16和17)可通过水流冷却，且可以将水流吸收的能量用于预热进料到反应器的水。除了光阀，包围反应器的该反射器组件的外部(图4的21)可由反射材料组成，且可以使用所吸收的任何能量来预热进料到反应器的水。辐射能再捕集装置中流动通道(图4的16)内的冷却水压可以调节以补偿流过该体系的水流变化。该反应器通过适配，可将撞击能量再捕集装置的支撑压杆的集中太阳能反射到反应器上。可在高温热交换器中使用来自反应器的氢气和氧气的热排气，而进料水则在相反的流动方向上。根据以上讨论，热交换器中的气流可通过适配将气体撞在交换器壁上以更有效地进行热传递。该热交换器可由陶瓷材料构成，其中通过一种自支撑的连续结构来保持结构完整性，该结构中导热性热交换的长通道相互层积，并使用绝热材料隔离这些导热通道，实现结构完整性。可使用导热材料沿着高温热交换器的导热通道的长度方向建立热障，这样可使热通道穿过绝热材料(
图11)。组合热交换器/蒸馏器(图2的8)可采用来自高温热交换器的较低温度排气，在所述高温热交换器中，热流出气体与流入水进行热交换以使流入水蒸发。在热流出排气不能提供足够的能量时，聚焦在热交换器/蒸馏器上的集中太阳能可用于加热流入水。低温热交换器可由不锈钢之类的金属制成。能量可通过冷凝来自组合热交换器/蒸馏器的蒸汽取回，用于加热(图2的6)进料水。蒸汽可冷却至接近环境进料水温度并通过反渗透体系进一步过滤，然后用于冷却其它流程，如能量再捕集装置。进料水可以，例如通过逆流法预热，这样可将来自热交换器/蒸馏器的热蒸汽冷凝并将进料到热交换器/蒸馏器的水预热。该热交换器可构成组合热交换器/蒸馏器的一个整体部分，且可用于回收将水转化成蒸汽时的熔化热。水蒸汽可在离解、分离和冷却之后由氢气和氧气气流冷凝出来(图2的50和53)。该气流可冷却以冷凝水蒸汽，然后将冷凝水加料回到流程中，这有助于减少整个体系所需纯化水的量(通过减少所需新鲜进料水的量)。本发明的一个方面提供了一种从反射表面回收能量的方法，其中使用水来冷却该表面且该水又用于加热反应器输入物。
附图的简要描述图1是用作太阳能氢气生产工艺的本发明优选实施方案的示意图。
图2是精确按照图1工艺的本发明优选实施方案的横截面示意图。
图3是太阳能氢气塔的外部视图，指出了入射太阳能辐射在何处轰击该塔。
图4是用于太阳能氢气生成器的辐射能捕集体系的压杆和单向窗户设计的侧视图和一般放置方式。
图5是辐射能捕集装置的单向窗户和压杆的详细俯视图。
图6是辐射能捕集装置的单向窗户和压杆的详细侧视图。
图7是去除了圆顶的太阳能氢气塔的俯视图。在中心处可看见中心支撑结构、反应器芯和太阳能靶。该反应器组件周围是基于平板玻璃元件的单向窗户和压杆设计的一个实施方案。
图7A和7B给出了有形棱镜、或有形反射器d58。
图8给出了与图7相同的视图，但给出了玻璃结构的另一实施方案，其中并不需要压杆且锥形单向玻璃锥构成了结构部件以及辐射能捕集窗户。
图9给出了螺旋状通道，表示水及其产物在图10热交换器内的路径。
图10给出了高温热交换器结构的优选实施方案，该热交换器具有螺旋状加水通道(向上加料到该交换器的中心通路)、以及将氢气和氧气产物向下加料的逆流较小螺旋通路。还给出了防止热短路的热障。
图10A、10B、10C、10D给出了具有较高表面积用于更好热障特性的流体转移通道的其它实施方案。
图11给出了热交换器的另一详细实施方案。图10螺旋线的截面分，其中沿着该螺旋线的通路可显然看见热障。
图12给出了图10热交换器的线路示意图。波浪线表示如图10所示的螺旋线，其中中心线是向上的水进料线路且每侧的4条线是向下的氢气和氧气出料线路。
图13给出了图10热交换器的另一实施方案，其中氢气和氧气出料的双螺旋线(水进料螺旋线周围的螺旋线)构成复合螺旋线。
图14给出了图10热交换器的又一实施方案，其中存在三螺旋线，该三螺旋线(热交换器周围的螺旋线)构成复合螺旋线。
图15给出了图10热交换器另一实施方案的俯视图，其中热传递通道在一平面层上，而非处于螺旋态。
图16给出了图15的侧视图。每一平面层都与另一层连接，通过热障层隔离，这样可防止热短路。
图17给出了图18所示第一级太阳能反应器内的螺旋状通路，图18表示第一级太阳能反应器的剖面图。
图19给出了图20所示第二级太阳能反应器内的螺旋状通路。
图20给出了第二级太阳能反应器的剖面图。
图21给出了第三级反应器内涡流管外部的示意图。
图22给出了带有进料歧管的第三级太阳能反应器内涡流管的横截面侧视图。
图23给出了第三级太阳能反应器内涡流管的喷射器喷嘴的细节。
图24给出了第三级反应器内涡流管的另一实施方案的详细视图，给出了一个以上的喷射器并给出了进料歧管。
图25给出了加入涡流管的第三级太阳能反应器的详细结构的优选实施方案。
图25A给出了具有附加氧气导管的第三级太阳能反应器的另一实施方案。
图26给出了第三级太阳能反应器内并安装在第二级太阳能反应器上方的多个涡流管组件的剖面图。
图27给出了根据第二级太阳能反应器螺旋线放置的第三级太阳能反应器的另一实施方案。
图28给出了图27所示第三级太阳能反应器的另一实施方案的近视侧视图。
图29给出了图28所述第三级太阳能反应器实施方案的俯视图。
图30给出了第三级太阳能反应器的另一实施方案。
图31给出了地理上位于离赤道不远纬度(此处太阳光线直射)上的典型太阳能氢气站的侧视图。
图32给出了图31的俯视图。
图33给出了地理上位于离赤道远纬度(此处太阳在水平线上的角度低)上的典型太阳能氢气站的侧视图。给出了第三级太阳能反应器的另一实施方案。
图34给出了图33的俯视图。
图35给出了使用特殊形状反射盘并直接接受阳光的小型太阳能氢气站。
本发明的详细描述以下说明涉及本发明说明性、例举性和优选的实施方案。显然，本发明所公开的许多特殊部件并不是实现本发明所有实施方案所必需的，而且所公开的许多具体实施方案都可进行等效替换以实现本发明的目的。除非具体阐述本发明某一元件对本发明的重要性，该元件不是所有实施方案所必需的，因此本发明的公开内容考虑和包括了本发明该部件在所有范围内的等效物。
参考说明性实施方案中的图1和图2，水供料和加料泵1通过供料管2将水加料到水过滤器3。水过滤器3去除粒状物质，部分纯化水。然后将该部分纯化水通过导管4加料，并与来自导管55的回收水合并，并且通过导管5加料到横流或逆流热交换器6。热交换器6利用所述流程另一部分传递来的热量加热流入水。然后通过导管7将来自热交换器6的热水加料到组合太阳能蒸馏器热交换器8。太阳能蒸馏器热交换器8在流程开始时使用太阳能将水蒸馏；但在流程进行之后，来自导管44和43的热排气通过横流热传递法将热量经过热交换器通道45和46转移到交换器装置8内的蒸馏段9。因此，一旦本发明流程达到操作温度，可能不需要太阳能进行蒸馏。
来自组合太阳能蒸馏器热交换器8的蒸馏水可通过导管10加料回到热交换器6，在此回收来自蒸馏工艺的热量并用于预热来自导管5的进料水。这样，可以回收用于蒸馏的能量以提高总工艺的效率。来自热交换器6的蒸馏水通过导管11加料到最终水纯化阶段12。最终水纯化阶段12可以是反渗透或其它高纯化法。反渗透法是一种低能法，但通常由于过滤膜堵塞而需要定期养护。但来自太阳能蒸馏器热交换器8的蒸馏水应该不含了大多数矿物污染物，这样在反渗透或其它高纯化方法12时可减少养护。最终水纯化体系12的输出物可在足够压力下抽吸，将水抬高到太阳能氢气塔56上。来自水纯化和加压体系12的这种加压纯化水通过导管13加料到压力调节器14。尽管纯化水是优选用于离解的原料，但并不是所有实施方案所需要的。
该调压高纯水可通过导管15加料到辐射能回收体系16-25、58-67。压力调节器14将压力限制在安全水平上，这样不会由于辐射能回收体系16-25、58-67中的压力过大而产生破坏。辐射能回收体系适合再捕集可能会由于在反应器段32、33、34和36以及热交换器29中的辐射热量损失而损失掉的能量。
该调压高纯水可通过导管15向上到达外窗户支撑结构17和内窗户支撑结构18之间。这些支撑结构可以由微抛光不锈钢或其它高反射导热材料制成。外窗户支撑结构17的反射性会将落到该表面上的集中太阳能57反射。内窗户支撑结构18的反射性适合将该结构内的辐射能反射回到该结构中。传导吸收的热量可通过结构17和18之间的水流16转移。该热水可用于预热。
在该说明性实施方案中，水还向上到达外单向窗户19与内单向窗户20之间的辐射能回收结构16-25、58-67。这些窗户由石英玻璃构成。窗户19和20可以是单向窗户，允许集中太阳能57进入辐射能捕集装置16-25、58-67并抑制辐射能逃逸离开该装置。这些窗户19和20所吸收的能量可通过向上到达窗户之间的冷却水流16而散失。水流16所吸收的能量可加入总流程中以提高效率。水还可向上到达该结构的圆顶，该圆顶如图所示由外壳21和内壳22组成。这些圆顶可由微抛光不锈钢或其它高反射导热材料构成。外圆顶21的反射性可将落在该表面上的集中太阳能57反射。内圆顶22的反射性可将该结构内的辐射能反射回到该结构中。传导吸收的热量可转移到结构21和结构22之间的水流16。该热水可用于预热。外圆顶21和内圆顶22可通过间隔板或其它各种构造方法隔离，以将圆顶固定在一起并在圆顶之间产生均匀空隙。圆顶的形状不是必需的，可以采用其它形状。
水最后向下到达中空支撑结构23的中心25。在某些实施方案中，该支撑结构24的表面可由微抛光不锈钢或其它高反射、不会失泽的导热材料制成。来自反应器芯各元件以及能量捕集装置16-25、58-67中其它元件的辐射能被反射回到能量捕集装置16-25、58-67。所有吸收的能量都可再用于预热。
由辐射能捕集装置16-25、58-67吸收的辐射能可用于加热辐射能捕集装置16-25、58-67的冷却水。该热水可通过导管26加料到加压泵27。可使用加压泵27将该水的压力提高至约10个大气压。其它压力也是可能的。将该高压水通过导管28加料到高温热交换器29。高温热交换器29可用于将水过热。经过热交换器29的通道30的水可通过由相邻通道41和42的过热排气转移的热量的热传导而加热。该过热蒸汽可随后之间加料到第一级反应器32，仍然是在约10个大气压的压力下(在某些实施方案中)。可在某些实施方案中使用高压来提高水热解的平衡温度，并保持蒸汽不离解成氢气和氧气。这使得可更多地热吸收轰击第一级反应器32的太阳能。轰击反应器靶37的集中太阳能57可分别热传导到第一级反应器32以及第二和第三级反应器34和36。反应器靶37具有能够最好吸收太阳能57并使反射损失最小的形状。
在说明性实施方案中，第一级反应器32的顶部或输出部分连接到孔33上。孔33可用于限制气流，使得在第一级反应器32中形成较高压力。在某些实施方案中，高压可增加流过反应器32、34和36的体积，而且总体上可增加流过该体系的产物流的量。在某些情况下，如果太阳能辐射57较高，可以使用泵27来增加压力并因此提高该体系的氢气生产速率。孔33的输出物直接加料到第二级反应器34。在孔的这一侧，特别是在部分真空是由流程平衡泵49和52产生时，压力立即下降(以下参考该工艺的其它方面详细描述)。较低的压力使得过热气体吸热膨胀，这有助于吸收用于离解过热蒸汽的附加热能。较低的压力还可降低平衡离解温度。可在第二级反应器34的流动通道35内放置合适的催化剂。第二级反应器34的通道35在某些实施方案中足够长，使得水分解达成平衡。
如图所示，第二级反应器34的输出物可加料到第三级反应器36。可并联使用一个或多个第三级反应器36。第三级反应器36是一种涡流管反应器，其中将反应混合物(通常由H、H2、O、O2、含羟基物质和水组成)在涡流中旋转，使反应混合物经受离心力。氢气和氧气在涡流管反应器的内部空间发生径向层化。氧气通常迁移到第三级反应器36的涡流外部，在此将其取出，而较轻成分H和H2则通常向涡流的轴心迁移。从涡流的轴芯区域移走氢气或从涡流周边部分移走氧会推动所述分解反应平衡的移动。还可在反应器36内使用催化剂以降低分解H2O所需的温度。催化剂结构可以某种方式适应气体在第三级反应器36中的螺旋状流动，使得不影响气体的螺旋状流动。涡流管反应器36一般是长圆柱状，但可具有许多配置以有助于离解，如锥形或渐细的配置。该反应器的管状壁在一般围绕该反应器的纵向轴对称，这有助于形成涡流。
氢气可通过高温管道结构40的孔38排出，而氧气可通过孔39排出，管道结构40是由32、33、34、36和37组成的整个反应器结构的一部分。热氢气和氧气可加料到高温热交换器29的上方。如图所示，氢气通过高温热交换器29的通道42加料，而氧气则通过通道41加料。热能通过热传导以及排气通道42和41的热辐射而转移到蒸汽输入通道30。该排气热可用于将加料到第一级反应器32的蒸汽过热。
冷却的氢气和氧气可通过分别连接导管43和44，由高温热交换器29加料到组合太阳能蒸馏器热交换器8，其中氢气通过通道46加料，而氧气则通过通道45加料。热能由这些通道转移到通道9，在此该热能用于将流入水加热至蒸馏温度。在高温热交换器29将水蒸馏之后，组合太阳能蒸馏器热交换器8中仍保持足够热能。冷却的氢气可随后从组合太阳能蒸馏器热交换器8中取出并通过导管47加料到氢气真空泵49。氢气真空泵49的输出物可加料到水洗器50，在此将水从氢气中去除。可以理解，氢气排气可能不是100％氢气，氧气也类似可能不是100％纯净。随着温度通过高温热交换器29进行冷却，离开高温导管38的来自第三级反应器的任何氧气氢气混合物可再结合为水。通过水洗器50去除水之后，然后将剩余的氢气送到氢气存储器51。从水洗器50去除的水可通过导管55回收。冷却的氧气也类似从组合太阳能蒸馏器热交换器8中取出，然后通过导管48加料到氧气真空泵52。氧气真空泵52的输出物可加料到水洗器53，在此可从氧气中去除水。通过水洗器53去除水之后，然后将剩余的氧气送到氧气存储器54。从水洗器53去除的水可通过导管55回收。
可以分别使用真空泵49和52，产生用于第二和第三级反应器34和36的真空。这些泵可保持一种平衡真空以使第三级反应器36最佳发挥作用。在某些实施方案中，氢气真空泵49相对氧气真空泵52真空太高会导致将过多氧气抽到氢气排出线路。类似地，氧气真空泵52相对氢气真空泵49真空太高会导致将过多氢气抽到氧气排出线路。真空泵可在自动或计算机控制下操作，遵循可变操作条件的算法和查表。
图3给出了太阳能氢气塔的外部视图。该塔56的上部结构可使用各种熟知的技术构建。该塔的上部表示辐射能捕集装置16-25、58-67。可以看见外部上圆顶21、水冷压杆58、外单向反射窗户19和外窗户支撑结构17。集中太阳能57进入反射单向窗户19。集中太阳能57来自图31、图32、图33、图34和图35所示的计算机控制导向镜81、82或83。在一天开始启动流程的过程中，可在组合太阳能蒸馏器热交换器8上使用一部分该集中太阳能57。在流程启动之后，可将所有的集中太阳能57集中到辐射能捕集装置16-25、58-67内的反应器靶37(图2)。
图4给出了用于太阳能氢气生成器的辐射能捕集装置16-25、58-67的压杆和单向窗户设计的简化剖面侧视图和一般放置方式。纯化水16分别在内和外结构18和17之间通过。结构18和17可由微抛光不锈钢或其它高反射且不会失泽的材质制成。高反射性可防止该材料在误导向该结构内集中太阳能57和高温辐射能时熔化。在该结构内流动的纯化水16还可通过热导吸收能量。
纯化水向上流到单向反射玻璃窗户19和20之间。集中太阳能57可由外部进入辐射能捕集装置16-25、58-67，但该结构内的辐射能被反射回到该结构中。用于窗户19和20的材质可以是石英玻璃。纯化水16还分别向上流到外和内窗户19和20之间。该水可保持玻璃冷却，同时通过热导和热辐射吸收能量。图4还给出了由内压杆59、外压杆58和中心压杆60组成的压杆结构，在图5和图6中详细给出。这些构建压杆构成了辐射能捕集装置16-25、58-67结构的一部分，用于将单向反射玻璃窗户19和20固定和连接在一起。
图5给出了辐射能捕集装置的单向窗户和压杆设计的自上向下详细视图。通过硅橡胶密封61将平板石英玻璃单向反射玻璃窗户19和20连接在一起。这些密封还可由任何材质制成，只要能够水密密封、耐热水温度、并具有一定的柔韧性，这样可由于热膨胀和收缩而发生小位移。中心压杆60是一种间隔压杆，将外玻璃窗户19和内玻璃窗户20保持分开。压杆60保持冷却，因为水存在于该压杆的两侧。
外压杆58的形状使得撞击它的入射集中太阳能反射到辐射能捕集装置16-25、58-67，然后到靶37上。压杆形状是长尖形，这样集中太阳能57的入射角以低反射角反射，并因此进入辐射能捕集装置16-25、58-67。具有较小角的较短压杆使得，集中太阳能57反射离开辐射能捕集装置16-25、58-67。该压杆可由微抛光不锈钢或高反射热导体的其它材质构成。将该压杆镀铬可使其高度反射。压杆58内的内冷却通道63可使水通过，以保持其冷却。水通过热对流由压杆底部移动到压杆上部。在某些实施方案中，压杆变得越热，通过其的水越多。压杆58内的内冷却通道63可以是任何形状，甚至可以显示出该压杆一般外部形状的轮廓。这种造型可更好地冷却该压杆。
内压杆59的形状使得来自靶37的辐射能反射回到辐射能捕集装置16-25、58-67内的靶37。该压杆可由微抛光不锈钢或高反射热导体的其它材质构成。将该压杆镀铬可使其高度反射。压杆59内的内冷却通道66可使水通过，以保持其冷却。水通过热对流由压杆底部移动到压杆上部。压杆变得越热，流经其的水越多。压杆59内的内冷却通道66可以是任何形状，甚至可以显示出该压杆一般外部形状的轮廓。这种造型可更好地冷却该压杆。
图6给出了辐射能捕集装置16-25、58-67的单向窗户和压杆设计的详细侧视图。平板石英玻璃单向反射玻璃窗户19和20夹在外压杆58、中压杆60和内压杆59之间。中心压杆60是一种间隔压杆，将外玻璃窗户19和内玻璃窗户20保持分开。压杆60保持冷却，因为水存在于该压杆的两侧。
在外压杆58上，可以看见水冷通道63。水通过热对流经过孔62，然后通过热对流向上移动到压杆58内的通道63，最终离开孔64。按照类似方式，将冷却水通过孔65移动到内压杆59中。然后通过热对流将水向上移动到内压杆59内的通道66，最终离开孔67。
图7给出了太阳能氢气塔的俯视图，其中移开了上圆顶。中心支撑结构23、反应器芯区40、和太阳能靶37可在中心看见。该反应器组件周围是基于平板玻璃元件的单向窗户和压杆设计的一个实施方案。外“单向石英玻璃镜”19围绕辐射能捕集装置16-25、58-67的外周界。也可看见内“单向石英玻璃镜”20。也可看见外压杆58、内压杆59和中心压杆60。这些压杆的数目可根据辐射能捕集装置16-25、58-67的设计和尺寸进行改变。集中太阳能57从各个方向进入，这样可从各个方向上均匀地加热反应器芯靶37。
图8给出了与图7相同的视图，但给出了玻璃结构的另一实施方案，其中并不需要压杆且锥形单向反射玻璃锥19和20构成了结构部件以及辐射能捕集窗户。该实施方案简化了复杂性，但并不需要如图7所示的独特压杆设计。该外锥形单向反射石英玻璃锥19可让集中太阳能57进入。集中太阳能57经过冷却水流16，然后经过内锥形单向反射玻璃锥20。夹在外锥19和内锥20之间的水流16可保持外锥19和内锥20冷却。外锥19、或内锥20、或水流16吸收的所有能量都加入流程中，将水预热用于下游进一步处理。
图9给出了螺旋状通道30，表示水及其产物在图10热交换器内的路径。该螺旋结构基本上是弹簧形状。图9给出了该螺旋的长方形或正方形结构；但任何横截面形状都是可能的，如环状、椭圆形或其它形状。
图10给出了高温热交换器29的一个实施方案，该热交换器具有向上螺旋到热交换器29多螺旋结构的螺旋状加水通道30。该螺旋结构可在小体积空间中具有大热传递面积。该螺旋结构还可产生离心力，将水和蒸汽撞到进料螺旋结构30的外壁。将水和蒸汽撞到进料螺旋结构30内部的力可增加从导热材料68(构成螺旋结构材质)的热量转移。较小的流出螺旋结构41和42将氧气和氢气产物按照与螺旋状通道30的进料水和蒸汽相反的方向，向下加料到螺旋结构。这些流出螺旋结构41和42相邻并实际上与进料螺旋结构30平行。图10给出了4个氧气流出螺旋结构41和4个氢气螺旋结构42。这些螺旋结构相互平行。流出螺旋结构的数目并不重要，但优选数目较高，这样可有效地用作大量的流出螺旋结构41中的氧气排气以及流出螺旋结构42中的氢气的热传递导管。一般来说，流出螺旋结构41和42数目较高，所产生的热传递效果更好。流入螺旋结构30、以及流出螺旋结构41和42的内表面并不需要一定是正方形、环状、或长方形。流入螺旋结构30、以及流出螺旋结构41和42的横截面形状可使得表面积显著增加，如图10A、10B、10C和10D所示。增加表面积可更有效地热传递至导热材料68。
材料68在其它实施方案中可以是任何合适的导热材料，只有能够经受热交换器29中所需的高温。典型材料可包括导热陶瓷，如锆的氧化物以及许多其它材料(本文以上提及的专利包括对相关材料的公开，在此将其作为参考完全并入本发明)。图10所示的材料69是绝热材料，能够经受高温热交换器29所需的高温。典型绝热材料可包括氧化铝或适用于该应用的任何其它材料。绝热材料69可防止螺旋结构的导热材料68相邻环绕结构发生短路。材料69形成一种绝热屏障，防止在螺旋状材料68中发生热短路。
在一个实施方案中，生产高温热交换器29的一种方法可利用蜡模铸造。高温热交换器29的内中空形状可由可机加工蜡构成。用于构成高温热交换器29的材料可在这些蜡模周围倾倒。陶瓷材料可用作粉末，与液体粘合剂材料混合形成一种淤浆。该材料叠放在一起，形成传导材料68与绝热材料69的交替层。在某些实施方案中，可机加工蜡材料在整个长度的螺旋结构中可能不能支撑其自身重量，这时可以分层构建。但在某些实施方案中，可能需要迅速装配出装置29，这样陶瓷就仍然为生坯态。这种要求的目的是使材料68和69在以后烧结时能熔化到一起。在装配出整个结构之后，并不需要仅包括高温热交换器29，而且还可包括反应器的其它元件，然后可将陶瓷材料硬化。硬化之后，将该结构加热，以使内蜡模熔化出来。整个模的设计要使得，蜡在结构任何部位中都会流出，不会因蜡会聚而留在模中。一旦蜡熔化出来，烧结整个结构。另一种生产方法可以是使用轻度固化液体聚合物，其中整个结构的三维(3D)模型在计算机中构建。可以使用计算机程序一层一层地切割3D模型，然后使用激光器(LASER)描绘该层在聚合物内的图案。激光可使该层聚合物硬化。硬化聚合物层上的叠层可在整个陶瓷结构内形成总体内中空结构的形状。然后将陶瓷倒入整个硬化聚合物结构周围的合适层中。一旦陶瓷硬化，将聚合物熔化出该结构，然后烧结剩余的陶瓷。另一种生产方法可以是加工陶瓷材料的固体块。
图10A、10B、10C和10D给出了图10螺旋30、41和42的内部结构的各种其它形状。这些形状可以是一种有效提高内部结构表面积的方式，因此可促进热传递到或热传递自流过这些结构的流体。牙形突出部在流体流动通道(如，图10B的螺旋状通道30)壁附近可以较宽，并随着突向通道中心而变窄。按照与设计出用于冷却电子设备的散热器类似方式，这样较宽的基体可提供更多的热传递材料。这些突出部可在其上再有突起，这样可进一步增加其表面积，这在图10D中详细给出。各种替代形状的螺旋结构可用于图10高温热交换器的螺旋结构30、41和42的其它实施方案。这些形状可用于图18第一级太阳能反应器的螺旋结构31、以及图20第二级太阳能反应器的螺旋结构35。
图11详细给出了图10高温热交换器29的另一实施方案。图11给出了图10螺旋结构的一部分，其中沿着螺旋结构的通路可看见热障。这些热障由可以与图10材料69相同的绝热材料70组成。
图12给出表示图10高温热交换器29的优选实施方案的线径通路。波浪线表示高温热交换器29中所示的螺旋结构，其中中心线是向上加料的水进料通道30，且每侧的4条线是向下加料的氢气通道42和氧气通道41。这种排列是一种平行螺旋状排列。平行螺旋结构的线径通路表示是在图13和图14中讨论图10高温热交换器29的其它实施方案时的一个参考。
图13给出了图10高温热交换器的另一实施方案，其中由出料氢气通道42和出料氧气通道41组成的双螺旋结构螺旋式围绕着水进料螺旋结构30，形成一种复合螺旋结构。在该实施方案中，氢气和氧气的流出气体的体积要大于流入水和蒸汽的体积，无需如图12的平行通道那样。
图14给出了图10高温热交换器的另一实施方案，其中存在一种三螺旋结构。该三螺旋结构螺旋围绕交换器周围形成一种复合螺旋结构。另一种形式是相互平行的非复合三螺旋排列，排列上类似于图26的第三级太阳能反应器36。这些较小的螺旋结构可产生更大的离心力。较小的螺旋结构还可用于图10高温热交换器29、图18第一级太阳能反应器32、和图20第二级太阳能反应器34的其它实施方案。其它实施方案也是可能的。
图15给出了图10高温热交换器29的另一实施方案的俯视图，其中热传递通道在一平面层上，而非螺旋态。在高温热交换器的该实施方案中，导热材料68形成一盘，其中加工有流体通道。可由绝热材料或气隙组成的热障70可防止高温热交换器盘内的热短路。水和蒸汽进料通道30放置在氧气出料通道41和氢气出料通道42之间。通道30中的水和蒸汽按照与通道41和42中氧气和氢气相反的方向流动。许多这些高温热交换器盘串联在一起，如图16的侧视图所示。
图16给出了图15的侧视图，它是图10高温热交换器的另一实施方案。由导热材料68组成的每一热交换层都通过通道30、41和42中的相同高温材料连接到另一层。每层都通过由绝热材料69组成的热障层隔离，这样可防止热短路。
图17给出了图18所示第一级太阳能反应器内的螺旋状通道31。该螺旋状通道类似于图10高温热交换器29的螺旋状通道30。该螺旋状通道31的变型可具有与图10A、10B、10C和10D所示相同的变型。
图18给出了第一级太阳能反应器32的剖面图。整个结构可由相同的导热材料制成。来自图10高温热交换器29的过热蒸汽进入第一级太阳能反应器32的底部。蒸汽螺旋向上到达通道31。蒸汽螺旋运动的离心力使其撞击到通道31的外壁，因此提高了由导热材料(第一级反应器由其制成)热传递的效率。这可以是与图10高温热交换器29的导热材料68相同的材料。蒸汽还在压力下进一步提高其热传递效率。该压力通过图1和图2的孔33、以及图1和图2的加压泵27来保持。图18的高温气体出口通道38和39分别用于氢气和氧气的流出气体，进一步沿着该流程进行。
图19给出了图20所示第二级太阳能反应器内的螺旋状通路35。该螺旋状通道类似于图18的螺旋状通道31、以及图10高温热交换器29的螺旋状通道30。该螺旋状通道35的变型可具有与图10A、10B、10C和10D所示相同的变型。在第二级反应器34的另一实施方案中，螺旋状通道35还可具有放置在蒸汽流动通道35内的催化剂材料。该催化剂具有使蒸汽在较低温度下离解的作用。铂、铂族或其它催化剂合金都是可能的。
图20给出了第二级太阳能反应器的剖面图。在导热反应器材料的外边缘附近，向上可以看见螺旋状通道35。由于图2的集中太阳能57轰击图2反应器芯32、34和36的外边缘，该螺旋结构最好靠近外边缘，如同图18的第一级反应器和图20的第二级反应器。
在通过图1和图2的孔33之后，来自图18第一级太阳能反应器32的过热蒸汽进入第二级太阳能反应器34的底部。该蒸汽螺旋向上到达第二级太阳能反应器的通道35。蒸汽螺旋运动的离心力使其撞击到通道35的外壁，因此提高了由导热材料(第二级反应器由其制成，可以是与图10高温热交换器29的导热材料68相同的材料)热传递的效率。蒸汽还可处于部分真空，这样可降低平衡温度。该部分真空可通过图1和图2的孔33、以及图1和图2的真空泵49和52来保持。在图20第二级太阳能反应器34的通道35内加入催化剂材料可进一步降低平衡温度。图20的高温气体出口通道38和39分别用于氢气和氧气的流出气体，进一步沿着该流程进行。
图21给出了第三级太阳能反应器36的涡流管71的示意图。从该外视图可看见涡流旋转喷嘴72和氧气流出门76。图22、图23和图24给出了该涡流管的横截面视图。
图22给出了具有进料歧管74的第三级太阳能反应器36内的涡流管71的横截面视图。来自图20第二级太阳能反应器通道35的部分离解蒸汽的平衡混合物加入歧管74。该歧管将主要由蒸汽(还有氢气、氧气和含羟基物质)组成的平衡混合物导向涡流旋转喷嘴72，其中喷射器通路73在切线上将蒸汽喷射到涡流管71中。该蒸汽75在涡流管71内部周围涡旋或螺旋，然后离开氧气流出门76。涡流管内的其它具体工艺将在图25中解释。
图23给出了涡流管式第三级太阳能反应器的喷射器喷嘴的一个实施方案的详细底端视图。图23给出了具有一个喷射器孔73的喷射器喷嘴72。在该特殊附图中，由喷射器孔73进入的蒸汽在涡流管72内部的周围按照逆时针方向旋转。可以改进设计成顺时针旋转。旋转方向在本发明的全部实施方案中并不都是一个要素。蒸汽向下移动到图22涡流管71的内部75。
图24给出了涡流管第三级反应器的另一实施方案的详细视图，给出了一个以上的喷射器73并给出了进料歧管74。实验测试表明，喷射器的数目可能不会明显影响涡流管各种实施方案的操作，但它可增加经过该管的蒸汽量。在各种实施方案中，已使用了1-8个喷射器。在这些实施方案中，蒸汽流量几乎与喷射器数目成比例增加。
图25给出了图2第三级太阳能反应器的详细结构的一个实施方案，其中加入了涡流管。用于图25第三级太阳能反应器的材料可以是高温导热陶瓷或能够经受高温的其它材料。可在本发明的其它部分使用类似材料，例如图18和20相应的第一和第二级太阳能反应器以及图10所示高温热交换器29的部分。图25所示的不同底纹使得明显看出第三级太阳能反应器内的涡流管及其元件，即使整个使用相同的材料。
来自图20第二级太阳能反应器通道35的部分离解蒸汽的平衡混合物进入图25的歧管74。歧管将主要由蒸汽(还有氢气、氧气和含羟基物质)组成的平衡混合物导向涡流旋转喷嘴72，其中喷射器通路73在切线上将蒸汽喷射到涡流管71中。该蒸汽75在涡流管71内部周围涡旋或螺旋，然后离开氧气流出门76。尽管该蒸汽由喷射器喷嘴73传送到氧气流出门76，但它是以螺旋或涡流的方式进行的。这种涡流作用可在平衡混合物75上产生离心力。该离心力使得该平衡混合物层化，其中较重的氧气成分迁移到涡流管71的外圆周，而较轻的氢气成分则迁移到涡流管71的中心。
中空导管77可渗透氢气并通过小孔或孔眼排出氢气。在说明性实施方案中，除了导管的段79，整个长度的氢气导管都具有多孔部分(porion)。氢气由高温导管38排出。导管77的段79有助于防止氧气流出门76附近的氧气浓缩物吸入导管77。取出氢气可推动反应混合物的平衡，促使更多的蒸汽和含羟基物质离解成更多的氢气和氧气，这样可保持温度平衡。图2的集中太阳能57由靶37热传导和辐射到第三级太阳能反应器36。第三级太阳能反应器36的外表面围绕着涡流管71，这可从图25中看出。在图25的第三级太阳能反应器中，需要连续供应热能，因为蒸汽连续离解成氢气和氧气需要连续供应能量。尽管在第一和第二级太阳能氢气反应器中提供了许多能量，但在第三级太阳能反应器中要进一步增加。
第三级太阳能反应器中的平衡扰动优选产生比原可获得的离解百分数更高的离解百分数。这种特性可用于降低回收量，因此可降低该流程中的能量损失量。由于回收较少，这还增加了该体系的生产量。
留在图25涡流管71中的氧气可在氧气流出门76流出。流出门出口的角度优选使得其遵循离开气体的自然流动。图25给出了氧气流出门在一个实施方案中的离开角度，这已实验确定。也可采用其它角度。流出氧气流出门76的氧气被吸入腔80。腔80的形状使得不影响氧气由氧气流出门76过渡流向高温氧气流出导管39。腔80要能够防止流动中断，否则会妨碍在涡流管71内的涡流。
在本发明工艺的说明性实施例中，如图21-24所示的钢涡流管反应器71配有如图25所示的黄铜氢气导管，然后将氢气与氮气的混合物以正切角度加入反应器中，形成涡流。向导管施加真空，使用导管由涡流的轴线区域吸走富含氢气的可燃气流。从流出门76可得到富氮气流。
在涡流管71的另一实施方案中，催化剂材料78可放置在平衡混合物75内，这有助于气流的低温离解。在一个试验中，使用陶瓷管基材上的铂催化剂将离解所需温度降至约1300℃，而在另一试验中，不同的催化剂配置达到1426℃(反应器在每一试验中不用于支撑涡流)。蒸汽流优选不受催化剂结构78的干扰，这样层化作用不被破坏。在一个实施方案中，催化剂材料沉积在陶瓷结构上，该催化剂材料在与蒸汽流75通过涡流管71的相同通路中螺旋放置。
由图1和图2的工艺平衡泵49和52产生的部分真空可使得，需要较低的温度就可得到相同平衡浓度的蒸汽、氢气、氧气和含羟基物质。在图10高温热交换器中进行冷却时，未反应的含羟基物质可稍后与氧气或氢气再结合形成水。
图25A给出了第三级太阳能反应器的另一实施方案，其中氧气导管85放置在涡流管71中。氧气由涡流管71的外周取出。取出氢气或氧气或两者时，可发生平衡的扰动。
图26给出了第三级太阳能反应器36内并安装在第二级太阳能反应器34上方的多个涡流管组件的剖面图。图26给出了安装在第二级太阳能反应器上方圆柱状外形内的8个第三级太阳能反应器。第三级太阳能反应器36内的较小内径的涡流管可产生高离心力以层化该平衡反应混合物。在某些实施方案中，对于相同体积的产物蒸汽，较小直径的涡流管产生明显比较大直径涡流管要高的离心力；但在小直径涡流管的某些实施方案时，层化作用可能非常差。在某些实施方案中，较大直径的涡流管产生优异的层化作用。在某些实施方案中，涡流管中蒸汽的角速度可远低于蒸汽在用于较大直径涡流管时的分子速度。
图27、28、39给出了相对第二级太阳能反应器螺旋结构35放置的第三级太阳能反应器36的另一实施方案。在该实施方案中，螺旋结构的直径明显较小。蒸汽、氢气、氧气、和含羟基物质(蒸汽)的平衡混合物随着蒸汽沿螺旋传送而层化。随着蒸汽混合物靠近第一螺旋结构的末端，一组刀子提取物流，通过流出孔38从内径取出氢气浓缩物，并通过流出孔39从外径取出氧气浓缩物，这可从该实施方案的顶视图(图29)看出。
蒸汽的中间产物连续达到下一级，这可从第三级太阳能反应器的图27和近景视图28看出。该实施方案给出了三个级，但可以考虑更多或更少的级。图28表明，每一级的直径低小于前一级的直径。这是因为，蒸汽越来越少，而且为了在螺旋结构内保持速度以有效分离，需要半径越来越小。图28给出了图27所示第三级太阳能反应器的另一实施方案的近景视图。图29给出了图28所述实施方案的俯视图。
图30给出了第三级太阳能反应器的另一实施方案。在该实施方案中，使用了另一种涡流管。在该实施方案中，随着反应混合物沿第三级反应器36的涡流管71向下迁移，由涡流喷嘴72迁移向氢气流出孔38和氧气流出孔39，这时发生层化。涡流内的环状刀由物流的内径提取氢气产物，然后使其通过氢气流出孔38离开，同时提取已层化到涡流管外部的较重氧气，然后通过氧气流出孔39离开。蒸汽和含羟基物质的中间产物迁移到直径较小的第二级反应器涡流管，因为其中存在的蒸汽较少且在蒸汽离解成其各组成组分时需要足够的离心力来层化该蒸汽。可以使用任何数目的级。
图31给出了地理上位于离赤道不远纬度(此处太阳光线大致直射)上的典型太阳能氢气站的侧视图。镜81跟踪太阳并将太阳能辐射57集中到塔56上方的太阳能反应器圆顶。
图32给出了图31的顶视图。计算机控制镜81跟踪太阳，将太阳能辐射集中到塔56上方。将这些镜子都在塔的周围。
图33地理上位于离赤道远纬度(此处太阳在水平线上的角度低)上的典型太阳能氢气站的侧视图。计算机控制镜可处在北纬地区塔的北方，或在南纬地区塔的南方。来自镜81的某些太阳能辐射57被控制朝向镜82。镜82将太阳能辐射57反射到否则不能接受到太阳能辐射57的塔56部分上。镜82的形状可将光线集中到塔56的上方。反射离开镜82的太阳能辐射的量可以非常集中。因此，镜82要水冷却。来自冷却镜82的热水可用于预热。
图34给出了图33的俯视图，并给出了镜82将集中太阳能57反射到塔56阴暗面所需的特殊曲率。
图35给出了使用特殊形状反射盘并直接跟踪太阳的小型太阳能氢气站。这时，塔56圆顶的阴影大小明显与收集区镜83的大小有关。镜面锥形反射器84放置在塔56圆顶的上方。锥形反射器84反射太阳能57，这样不会撞击圆顶，但反射到镜83的特殊外形边缘。镜83的边缘轮廓将该太阳能57反射到塔56上方的圆顶。
权利要求
1．一种由水生产氢气的方法，包括(a)将水加热至水的离解温度，形成包含氢气和氧气的离解水反应混合物；(b)形成该反应混合物的涡流，使该反应混合物围绕涡流管反应器内部空间的纵向轴经受离心力，这样涡流管反应器内部空间中的氢气和氧气就发生径向层化；然后(c)优先在沿着涡流管反应器内部空间纵向轴上的隔离点从反应混合物中提取氢气。
2．一种由水生产氢气的方法，包括(a)将水加热至水的离解温度，形成包含氢气和氧气的离解水反应混合物；(b)形成该反应混合物的涡流，使该反应混合物围绕涡流管反应器内部空间的纵向轴经受离心力，这样涡流管反应器内部空间中的氢气和氧气就发生径向层化；然后(c)优先在沿着涡流管反应器圆周的纵向隔离点从涡流的圆周部分中提取氧气。
3．根据权利要求2的方法，它还包括优先在沿着涡流管反应器内部空间纵向轴的隔离点上从反应混合物中提取氢气。
4．根据权利要求1、2或3的方法，其中所述水通过聚焦在涡流管反应器上的集中太阳能辐射而加热至离解温度。
5．根据权利要求1、2、3或4的方法，其中所述水离解温度为约1800-3000℃。
6．根据权利要求1、2、3、4或5的方法，其中所述反应混合物与一种能够将水催化离解成氢气和氧气的催化剂接触。
7．根据权利要求1-6中任何一项的方法，其中所述优先提取步骤包括施加真空以提取所述气体。
8．一种涡流管反应器，包括(a)具有第一端面和第二端面的细长壁，所述壁和端面共同限定了一个具有纵向轴且适合容纳涡流的内部空间；(b)第一端面上的入口孔，用于将气体以正切角度引入内部空间，引发所述气体在内部空间围绕纵向轴进行圆周运动以形成涡流；(c)沿着纵向轴同轴位于内部空间的氢气导管，所述氢气导管在纵向隔离的点处可透过氢气。
9．一种涡流管反应器，包括(a)具有第一端面和第二端面的管状壁，所述壁和端面共同限定了一个具有纵向轴且适合容纳涡流的内部空间；(b)第一端面上的入口孔，用于将气体以正切角度引入内部空间，引发所述气体在内部空间围绕纵向轴进行圆周运动以形成涡流；(c)与圆柱壁相邻同轴位于内部空间的氧气导管，所述氧气导管在纵向隔离的点处可透过氧气。
10．根据权利要求9的涡流管反应器，它还包括一个沿着纵向轴同轴位于内部空间的氢气导管，所述氢气导管在纵向隔离的点处可透过氢气。
11．根据权利要求8、9或10的涡流管反应器，其中所述反应器由能够经受水离解温度的耐火材料制成。
12．根据权利要求11的涡流管反应器，其中所述水离解温度为约1800-3000℃。
13．根据权利要求8-12中任何一项的涡流管反应器，它还包括一种被放置与涡流接触并能够将水催化离解成氢气和氧气的催化剂。
14．根据权利要求8-13中任何一项的涡流管反应器，它还包括与所述导管流体相通的真空泵，用于在所述导管中产生比在涡流管反应器内部空间中要低的压力。
15．根据权利要求8-14中任何一项的涡流管反应器，它还包括一种将集中太阳能聚焦到涡流管反应器上的装置。
全文摘要
本发明提供了由水生产氢气的方法和装置,包括将水加热至水的离解温度,形成包含氢气和氧气的离解水反应混合物。形成反应混合物的涡流,使该反应混合物围绕涡流管反应器内部空间的纵向轴经受离心力,这样涡流管反应器内部空间中的氢气和氧气就发生径向层化。氢气或氧气优先在沿着涡流管反应器内部空间长度方向的隔离点上从反应混合物中提取。
文档编号F24J2/10GK1301235SQ99801085
公开日2001年6月27日 申请日期1999年5月5日 优先权日1998年5月5日
发明者J·T·贝克 申请人:Shec实验室－太阳氢气能公司