专利名称：水为原料的低温等离子体制氢方法、工艺及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制氢方法、工艺及设备，特别涉及到一种电化学水制氢方法、工艺及设备。
背景技术：
当前，能源紧张，环保形势严峻，人们在积极开发新的清洁能源，氢能受到人们的关注。氢能是一种 理想的新能源，氢能的发热值高，燃烧1公斤氢气可放出142120kj的热量，是汽油的三倍，而且氢燃烧 后生成的是水，不污染环境，是一种非常洁净的燃料；氢气可通过燃料电池直接发电，理论上有100%的转 换效率，目前的技术达到了 80%左右的转换效率，氢气用于燃料电池发电时没有噪声污染也没有热污染， 排放的是水，氢能发电是属于环境友好的发电项目；氢能可用于现在所有消耗燃料的燃烧工艺过程，用能 设备无需作很大的改动就可适用，可以取代绝大部分化石能源。当前，氢能还不能实现大规模的商业化应 用，还有待解决以下关键问题a.廉价的制氢技术。因为氢是一种二次能源，现有技术的制氢技术不但需 要消耗大量的能量，而且制氢效率很低，因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题; b.安全可靠的贮氢和输氢方法，由于氢易气化、着火、爆炸，因此开发储氢容量高、价廉的固态储氢材料 成为开发氢能的关键。目前虽然已有储氢合金问世，氢气可以充入储氢合金以固体形态进行储存，需要使 用时再放出来，但目前的储氢合金的成本及储氢容量均不能达到实用程度。
水是一种含有氢元素最丰富的物质，每一个水分子由二个氢原子和一个氧原子结合而成，水又是地球 上最普遍最易得到的一种物质，地球上70%的面积是水，把水开发成一种能源来应用，不但可解决能源紧 张的局面，更是可以消除燃烧时对环境的破坏作用。每M"乂中含有111公斤多的氢气，其质量容量大于 11.1%，是国际能源署提出的体积储氢容量大于50Kg (H2) /M3、质量储氢容量大于5%目标的二倍多，因 此，水不但是一种理想的廉价制氢原料，而且还是一种非常理想的廉价储氢材料，其储氢容量是目前任何 储氢材料都望尘莫及的。然而，水分子里的氢原子和氧原子结合得非常牢固，用高温加热的方法也很难把 水分子进行分解，用电流容易把水分子进行分解，用电流来分解水的方法称为电解法，当前，工业上用水 制造氢气用的就是电解法，这种方法耗能很大，得不偿失，而且分解速度慢、效率低。
发明内容
本发明的目的是要克服现有技术和设备的缺点，提供一种耗能低、效率高、分解速度快的用水为原料 的制氢方法、工艺及设备，解决廉价的制氢技术问题，把水作为储氢材料来使用，从而实现氢能的大规模 商业化应用。
为了达到上述的发明目的，本发明应用等离子体技术来活化、分解水分子。等离子体是一种电子和正 离子的数量大体相同并且以相当大的浓度存在的状态，通过放电可以形成等离子体。等离子体分为热平衡 等离子体和非平衡等离子体，非平衡等离子体也称低温等离子体，在非平衡等离子体状态中，电子的温度 可以高达数万度以上，而离子的温度仅略高于常温，因而在放电场内的温度接近常温，在非平衡等离子体 的内部和表面都存在着强大的静电场，这种高能量的低温等离子体，使水分子很容易分解，而且耗能极低。 在非平衡等离子体发生装置内，水分子失去外层电子形成离子状态，经相互碰撞分解，生成氢和氧。
上述的等离子体活化、分解水分子的方程式是
e*+H20 — H20*+e 或e*+H20 — H20++2e H20*+e ^ H20++2e H20++e ~* H++OH—
H++e ^ H OH—-e ^ H + O
H+H — H2 O+O — o2
式中e'—加速电子，e—失速电子，H20"水分子，&0*—活化的水分子，&0+—水分子离子， H+—氢离子，OH——氢氧根离子，H—氢原子，Q^氧原子，H2—氢气分子，02—氧气分子。本发明的水为原料的低温等离子体制氢方法有二种第一种方法是把水蒸汽送入非平衡等离子体发生 装置内，用装置内形成的非平衡等离子体来使水分子活化、分解，生成氢气和氧气；所述的水蒸汽采用把 水加热汽化的方法获得或利用工业废汽，所述的非平衡等离子体采用非导电材料隔离电极而进行放电的方 法形成；所述的非导电材料包括玻璃、陶瓷、玻璃钢、塑料、环氧树脂板、胶木、电工绝缘材料、半导体 材料。第二种方法是把水通过水泵加压后由水雾喷嘴向非平衡等离子体发生装置内的非平衡等离子体形成 空间喷发水雾，用形成的非平衡等离子体来使水分子活化、分解，生成氢气和氧气；所述的非平衡等离子 体采用非导电材料隔离电极而进行放电的方法形成；所述的非导电材料包括玻璃、陶瓷、玻璃钢、塑料、 环氧树脂板、胶木、电工绝缘材料、半导体材料。
本发明的一种水为原料的低温等离子体制氢工艺是把水蒸汽送入非平衡等离子体发生装置内的非平 衡等离子体形成空间，水分子被电离、活化、分解，生成氢气和氧气，生成的氢气和氧气在装置内自行分 离，氢气上升、氧气F降；上升的氢气和部分未分解的水蒸汽相混合从装置的上部输出，再将该混合物进 行分离净化，获得氢气，把分离出的水送回锅炉循环利用；下降的氧气和部分未分解的水蒸汽相混合由装 置的下部输出，再将该混合物进行分离，获得副产品氧气，分离出的水送回锅炉循环利用。
本发明的另一种水为原料的低温等离了体制氢工艺是把水经水泵加压后由水雾喷嘴向非平衡等离子 体发生装置内的非平衡等离子体形成空间喷发水雾，使水分子电离、活化、分解，生成氢气和氧气，生成 的氢气和氧气在装置内自行分离，氢气上升、氧气下降；从装置的上部获得粗品氢气，粗品氢气可直接燃 用，如需获得精品氢气，可再将粗品氢气通过净化装置制取；从装置的下部获得副产品氧气；装置内的余 水回至水泵进行循环利用。
本发明的一种水为原料的低温等离子体制氢设备，其特征是非平衡等离子体发生装置主要由中心电 极、外电极、集氢室、集氧室、壳体组成，其中中心电极为金属圆棒，用玻璃套管进行封装，外电极为 金属金属圆管，中心电极与外电极同心设置；中心电极与外电极分别连接到电源的两极；集氢室在装置内 的上部，集氧室在装置内的下部。所述的中心屯极与外电极至少设置一对，优选设置多对；所述的玻璃套 管还可用瓷套管或其它绝缘套管代替；所述的金属圆管可用金属网管或螺线管代替。
本发明的另一种水为原料的低温等离子体制氢设备，其特征是非平衡等离子体发生装置主要由阳极平 板电极、阴极平板电极、平板玻璃、集氢室、集氧室、壳体组成，阳极平板电极、阴极平板电极、平板玻 璃、集氢室、集氧室在壳体内，其中阳极平板电极与阴极平板电极平行设置，阳极平板电极与阴极平板 电极之间用平板玻璃进行隔离，阳极平板电极接电源的正极，阴极平板电极接电源的负极，阳极平板电极、 平板玻璃、阴极平板电极之间有放电空间；阳极平板电极、平板玻璃、阴极平板电极垂直安装；集氢室在 装置内的上部，集氧室在装置内的下部。所述的阴、阳极平板电极可用金属网片代替；所述的平板玻璃可 用陶瓷板、塑料板、环氧板、玻璃钢及其它绝缘材料代替。
上述非平衡等离子体发生装置的工作原理是这样的把水蒸汽送入装置内，经预热、排出冷凝水后， 再在阳极电极和阴极电极接通电源，装置内就进行放电，形成非平衡等离子体，在非平衡等离子体的内部 和表面产生强大的静电场，装置内的水蒸汽被电离、活化、分解，分解为氢气和氧气，根据动力学原理， 分解的氢气往上运动进入到装置上部的集氢室，氧气往下运动进入到装置下部的集氧室。在氢气输出接口 可获得氢气，在氧气输出接口可获得氧气；工作过程中没来得及反应的部分水蒸汽因冷却而形成的冷凝水 由装置最下方的冷凝水接口排出，可回收利用。
本发明的又另一种水为原料的低温等离子体制氢设备，其特征是非平衡等离子体发生装置主耍由阳极 平板电极、阴极平板电极、水雾喷口、集氢室、集氧室、壳体组成，阳极平板电极、阴极平板电极、集氢 室、集氧室在壳体内，其中阳极平板电极和阴极平板电极分别用非导电材料进行封装，阳极平板电极接 电源的正极，阴极平板电极接电源的负极，阳极平板电极与阴极平板电极对应垂直安装，它们之间有放电 空间，水雾喷口指向阴、阳极平板电极之间的放电空间；集氢室在装置的上部，集氧室在装置的下部或侧 方；装置的最低位有回水出口，回水出口连接到外置水泵的进水口，外置水泵的出水口连接到水雾喷嘴。 所述的阴、阳极平板电极可用金属网片代替；所述的平板玻璃还可用陶瓷板、塑料板、环氧板、玻璃钢及 其它绝缘材料代替。
本发明把电极设计成平板电极，多层设置，电极的面积大，放电空间内电场强度均匀、放电范围大、制氢速度快，有利于提高产量。
本发明的有益效果是采用低温等离子体技术来活化、分解水分子，具有能耗低、反应速度快、 效率高的优点。本发明还适合分散应用，易于普及。当前，工业上制氢主要以石油、天然气、煤为原料， 这要消耗本来就日趋紧缺的化石能源，本发明用水为原料制氢不消耗化石能源，把水作为一种制氢原料及 储氢材料来应用，解决了氢能的储运难题，作为能源来利用，还可以使燃烧设备大大减少对环境的污染， 为我国的节能减排作出有益的贡献。本发明可作为水制氢设备、气化设备的气化剂发生装置及锅炉设备的 助燃设备。
本发明提供下列附图作进一步的说明，但各附图及以下的具体实施方式
均不构成对本发明的限制 图1是本发明的其中一种水为原料的低温等离子体制氢工艺的流程方框图。 图2是本发明的另一种水为原料的低温等离子体制氢工艺的流程方框图。 图3是本发明的其中一个实施例的结构图。
图4是本发明的另一个实施例的结构图。
图5是本发明的又另一个实施例的结构图。 图6是本发明的又另一个实施例的结构图。
图中l.氢气出口， 2.集氢室，3.平板玻璃，3b.中心电极的玻璃套管，3c.封装玻璃板，4.水蒸汽 入口， 5.阳极平板电极，5b.中心电极，6.集氧室，7.冷凝水出口， 8.氧气出口， 9.阴极平板电极，9b.外 电极，IO.壳体，11.阴极电源线插口， 12.同心度固定件，13.阳极电源线插n， 14.下花孔板，15.排水孔， 16.瓷套管或玻璃套管，17.排水槽，18.绝缘联接件，19.上花孔板，20.保温层，21.绝缘花孔套管，22.水 雾喷嘴，23.回水出口， 24.定位夹。
具体实施例方式
图3所示的实施例中非平衡等离子体发生装置主要由阳极平板电极(5)、阴极平板电极(9)、平板 玻璃(3)、集氢室(2)、氢气出口 (1)、集氧室(6)、氧气出口 (8)、水蒸汽入口 (4)、冷凝水出口 (7)、 壳体(10)组成，阳极平板电极(5)、阴极平板电极(9)、平板玻璃(3)、集氢室(2)、集氧室(6)在 壳体(10)内，壳体(10)用玻璃钢材料制作，其中阳极平板电极(5)、阴极平板电极(9)的之间用 平板玻璃(3)进行隔离；集氢室(2)在装置内的上部；集氧室(6)在装置内的下部；在集氢室(2) 有氢气出口 (1);在集氧室(6)有氧气出口 (8);水蒸汽入口 (4)在装置的中部位置接入，装置的最 低部位有冷凝水出口 (7)。本实施例中，阳极平板电极(5)、阴极平板电极(9)设计为多对电极，与平 板玻璃(3)垂直平行安装。本实施例采用多层平板电极，面积大，放电空间内电场强度均匀、放电范围 大、制氢速度快，有利于提高产量。
图4所示的实施例中，非平衡等离子体发生装置主要由中心电极(5b)、外电极(恥)、瓷套管或玻璃 套管(16)、上花孔板(19)、下花孔板(14)、同心度固定件(12)、集氢室(2)、氢气出口 (1)、集氧 室(6)、绝缘联接件(18)、氧气出口 (8)、水蒸汽入口 (4)、冷凝水出口 (7)、壳体(10)、保温层(20) 组成，中心电极(5b)、外电极(9b)、瓷套管或玻璃套管(16)、集氢室(2)、集氧室(6)在壳体(10) 内，其中中心电极(5b)为金属圆棒，中心电极(5b)用玻璃套管(3b)进行封装，中心电极(5b)穿 过同心度固定件(12)安装在外电极(9b)的中心轴线位置，中心电极(5b)固定在下花孔板(14)上； 外电极(9b)设计为网孔管状电极或螺线管电极，外电极(9b)的上端固定在上花孔板(19)上，外电极 (9b)的下端通过瓷套管或玻璃套管(16)固定在下花孔板(14)上，放电在外电极(9b)的内空间进行； 在下端的绝缘联件(18)上有排水孔(15)和排水槽(17);阳极电源线插口 (13)穿过下端的绝缘联件 (18)连接到下花孔板(14)上；阴极电源线插口 (11)穿过上端的绝缘联件(18)连接到上花孔板(19) 上；集氢室(2)在装置的上部，集氢室(2)有氢气出口 (1);集氧室(6)在装置的下部，集氧室(6) 有氧气出口 (8);装置的中部有水蒸汽入口 (4)，水蒸汽先进入装置内外电极(9b)的外侧，通过网孔 再进入到外电极(9b)内的放电空间；装置的最低位有冷凝水出口 (7);保温层(20)安装在壳体的外侧。 本实施例中，中心电极和外电极采用多对设置。
图5所示的实施例中，非平衡等离子体发生装置主要由中心电极(5b)、外电极(9b)、集氢室(2)、集氧室(6)、上花孔板(19)、下花孔板(14)、同心度固定件(12)、绝缘花孔套管(21)、绝缘联接件(18)、 氢气出口 (1)、氧气出口 (8)、水蒸汽入口 (4)、冷凝水出口 (7)、壳体(10)、保温层(20)组成，其 中外电极(9b)为金属圆管，中心电极(5b)为金属圆棒，中心电极(5b)用玻璃套管(3b)进行封装， 中心电极(5b)穿过同心度固定件(12)安装在外电极(9b)的中心轴线位置，中心电极(5b)固定在绝 缘花孔套管(21)上，外电极(9b)的上端固定在上花孔板(19)上，外电极(9b)的下端固定在下花 孔板(14)上，放电在外电极(9b)的内空间进行；阴极电源线插口 (11)穿过上端的绝缘联件(18)连 接到中心电极(5b)上；阳极电源线插口 (13)穿过下端的绝缘联件(18)连接到下花孔板(14)上；集 集氢室(2)在装置内的上部，氢室(2)有氢气出口 (1);集氧室(6)在装置内的下部，集氧室(6)有 氧气出口 (8);装置的下部有水蒸汽入口 (4)，水蒸汽由外电极(9b)的下端口进入到管内的放电空间； 装置的最低位有冷凝水出口 (7);保温层(20)安装在壳体及外电极(9b)的外侧。本实施例中，中心电 极和外电极采用多对设置。
图6所示的实施例中，非平衡等离子体发生装置主要由阳极平板电极(5)、阴极平板电极(9)、水雾 喷嘴(22)、集氢室(2)、集氧室(6)、壳体(10)组成，阳极平板电极(5)、阴极平板电极(9)、水雾 喷嘴(22)、集氢室(2)、集氧室(6)在壳体(10)内，壳体(10)采用玻璃钢材料制作，其中阳极平 板电极(5)和阴极平板电极(9)分别用玻璃板(3c)进行封装，阳极平板电极(5)与阴极平板电极(9) 相对垂直安装，通过定位夹(24)及紧固螺栓进行固定，它们之间有放电空间；水雾喷嘴(22)指向阴、 阳极板之间的放电空间；集氢室(2)在装置内的上部，集氧室(6)在装置内的下部；集氢室(2)有 氢气出口 (1)，集氧室(6)有氧气出口 (8)，装置的最低位有回水出口 (23)。本实施例还有外置水泵 (图中未示出)，回水出口 (23)连接到外置水泵的进水口，外置水泵的出水口连接到水雾喷嘴(22);阴 极电源线插口 (11)接电源的负极，阳极电源线插口 (13)接电源的正极。本实施例在运行时，先使装置 内的电极接通电源，装置内的阴、阳极板间便进行放电，形成非平衡等离子体，这时启动水泵，使水雾喷 嘴(22)向装置内的放电区喷入水雾，水分子便被活化、分解成氢气和氧气，在氢气出口 (1)和有氧气 出口 (8)可分别获得氢气和氧气；装置内未反应的水通过回水出口 (23)回至水泵进行循环利用。本实 施例把水作为一种储氢材料来应用，采用平板电极多层设置，面积大，因而具有放电空间内电场强度均匀、 放电范围大、制氢速度快的优点。
权利要求
1.一种水为原料的低温等离子体制氢方法，包括电解水技术，其特征是把水蒸汽送入非平衡等离子体发生装置内，用装置内形成的非平衡等离子体来使水分子活化、分解，生成氢气和氧气；所述的水蒸汽采用把水加热汽化的方法获得或利用工业废汽，所述的非平衡等离子体采用非导电材料隔离电极而进行放电的方法形成。
2. —种水为原料的低温等离子体制氢方法，其特征是把水通过水泵加压后由水雾喷嘴向非平衡等离 子体发生装置内的非平衡等离子体形成空间喷发水雾，用形成的非平衡等离子体来使水分子活化、分解， 生成氢气和氧气；所述的非平衡等离子体采用非导电材料隔离电极而进行放电的方法形成。
3. 根据权利要求1或2所述的一种水为原料的低温等离子体制氢方法，其特征是所述的非导电材料 包括玻璃、陶瓷、玻璃钢、塑料、环氧树脂板、胶木、电工绝缘材料、半导体材料。
4. 一种水为原料的低温等离子体制氢工艺，其特征是把水蒸汽送入非平衡等离子体发生装置内的非 平衡等离子体形成空间，使水分子电离、活化、分解，生成氢气和氧气，生成的氢气和氧气在装置内自行 分离，氢气上升、氧气下降；上升的氢气和部分未分解的水蒸汽相混合从装置的上部输出，再将该混合物 进行分离净化，获得氢气，把分离出的水送回锅炉循环利用；下降的氧气和部分未分解的水蒸汽相混合由 装置的下部输出，再将该混合物进行分离，获得副产品氧气，分离出的水送回锅炉循环利用。
5. —种水为原料的低温等离子体制氢工艺，其特征是把水经水泵加压后由水雾喷嘴向非平衡等离子 体发生装置内的非平衡等离子体形成空间喷发水雾，使水分子电离、活化、分解，生成氢气和氧气，生成 的氢气和氧气在装置内自行分离，氢气上升、氧气下降；从装置的上部获得氢气，从装置的下部获得氧气； 装置内的余水回至水泵进行循环利用。
6. —种水为原料的低温等离子体制氢设备，其特征是非平衡等离子体发生装置主要由中心电极、外 电极、集氢室、集氧室、壳体组成，其中中心电极为金属圆棒，用玻璃套管进行封装；外电极为金属圆 管；中心电极与外电极同心设置；中心电极与外电极分别连接到电源的两极；集氢室在装置内的上部，集 氧室在装置内的下部。
7. 根据权利要求6所述的一种水为原料的低温等离子体制氢设备，其特征是所述的中心电极与外电 极至少设置一对，优选设置多对；所述的玻璃套管还可用瓷套管或其它绝缘套管代替；所述的金属圆管可 用金属网管或螺线管代替。
8. —种水为原料的低温等离子体制氢设备，其特征是非平衡等离子体发生装置主要由阳极平板电极、 阴极平板电极、平板玻璃、集氢室、集氧室、壳体组成，阳极平板电极、阴极平板电极、平板玻璃、集氢 室、集氧室在壳体内，其中阳极电极与阴极电极平行设置，阳极平板电极与阴极平板电极之间用平板玻 璃进行隔离，阳极平板电极接电源的正极，阴极平板电极接电源的负极，阳极平板电极、平板玻璃、阴极 平板电极之间有放电空间；阳极平板电极、平板玻璃、阴极平板电极垂直安装；集氢室在装置内的上部， 集氧室在装置内的下部。
9. 一种水为原料的低温等离子体制氢设备，其特征是非平衡等离子体发生装置主要由阳极平板电极、 阴极平板电极、水雾喷口、集氢室、集氧室、壳体组成，阳极平板电极、阴极平板电极、集氢室、集氧室 在壳体内，其中阳极平板电极和阴极平板电极分别用非导电材料进行封装，阳极平板电极接电源的正极， 阴极平板电极接电源的负极，阳极平板电极与阴极平板电极对应垂直安装，它们之间有放电空间，水雾喷 口指向阴、阳极电极板之间的放电空间；集氢室在装置的上部，集氧室在装置的下部或侧方；装置的最低 位有回水出口。
10. 根据权利要求8或9所述的一种水为原料的低温等离子体制氢设备，其特征是所述的阴、阳极平 板电极可用金属网片代替；所述的平板玻璃可用陶瓷板、塑料板、环氧板、玻璃钢及其它绝缘材料代替。
全文摘要
水为原料的低温等离子体制氢方法、工艺及设备，涉及一种电化学水制氢的方法、工艺及设备。本发明把水蒸汽送入非平衡等离子体发生装置内，水分子被电离、活化、分解，生成氢气和氧气。本发明的非平衡等离子体发生装置主要由阳极电极、阴极电极、平板玻璃或玻璃套管、集氢室、集氧室、壳体组成，阳极电极与阴极电极之间通过平板玻璃或玻璃套管进行隔离。本发明把水作为一种制氢原料及储氢材料来应用，获得氢气和氧气，并且具有能耗低、反应速度快、效率高的优点。本发明还适合分散应用，易于普及。本发明可作为水制氢设备、气化设备的气化剂发生装置及锅炉设备的助燃设备。应用本发明可以为我国的节能减排作出有益的贡献。
文档编号C25B1/04GK101284644SQ20071011231
公开日2008年10月15日 申请日期2007年6月4日 优先权日2007年6月4日
发明者周开根 申请人:周开根