化学能电能转换机的制作方法

本发明涉及一种电化学反应装置，尤其是让离子状态的物质进行电化学反应，并能够将物质蕴含化学能以电能形式释放。

背景技术：

人类已知，物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和围绕原子核有规律运动的电子组成，化学反应的本质是电子围绕原子核进行空间上的重组！有记录以来，人类发明了各种化学反应装置，以求利用化学反应为人类自身服务，其主要目的有二，一是利用化学反应生成新的物质为人类服务，二是利用化学反应释放的能量为人类服务。在利用能量方面，已知的化学反应释放能量的方式主要有两种，一是直接释放热能或将化学反应直接释放的热能转换为别的能量形式，比如灶具、锅炉、蒸汽机、内燃机、喷气式发动机、火箭等，灶具利用燃烧直接释放热量对饭菜加热，锅炉利用燃烧直接释放热量对循环水加热，蒸汽机、内燃机、喷气式发动机、火箭利用燃烧释放热能，然后再把热能转化为动能。已知的释放化学反应能量的第二种方式是直接释放电能，比如人类已发明的各种原电池、燃料电池，直接将化学能以电能形式释放。在利用化学反应生成新的物质为人类服务方面，人类已经发明了各种化学反应装置，特别的，某些化学反应不能自行维持或反应特慢时，人类还发明了各种催化剂以促进反应！

正是人类认识并利用了燃烧这个化学反应现象，人类才进入到文明时代！正是因为人类发明了蒸汽机，将燃烧释放的热能变为动能，从而走进了工业时代！正是因为人类发明了内燃机、喷气式发动机、火箭，在较小的体积内释放了巨大的热能，并把热能转变为动能，从而走进了现代工业时代！人类开始飞离地球，走向更遥远的未知世界！

虽然人类已经发明了各种各样的化学反应装置，但是，在利用化学反应制造新的物质方面我们还有大的缺陷，总体表现为经济效益差或有些反应不能实现，比如，有些化学反应我们需要非常复杂的反应装置甚至需要复杂的催化剂才能够实现，有些反应我们明知可以最终实现但在现有装置下几乎无法实现。在利用化学能方面，截至目前，我们几乎只能将化学能以热能形式释放，然后利用蒸汽机、内燃机、喷气式发动机、火箭等装置将热能再转变为动能，特别的，为了共用能量，我们发明了发电机，我们将蒸汽机、内燃机释放的动能转变为电能，通过电网让人们共享能量。在化学能转变为动能或电能的过程中，最终仅有40％左右的能量真正转变为动能或电能被人们使用，其他的都以热能形式浪费掉了！事实上，造成地球升温的一个重要因素是人类向大自然排放了大量热量。虽然我们已经发明了原电池、各种燃料电池，但他们目前均有巨大的缺陷，比如经济效益差、能量密度小、总体功率小等，在既有技术下难以大规模推广使用，以至目前我们依然以蒸汽机、内燃机、喷气式发动机、火箭为主，燃料电池和原电池我们仅小范围小规模使用。

技术实现要素：

为了克服现有化学反应装置的缺点，本发明提供一种电化学反应装置，在常温常压下，它不仅可以将难以反应的气相物质进行化学反应，而且，在反应过程中，能将反应蕴含的化学能以电能形式释放。

本化学能电能转换机(简称化电转换机或化电机)由离子源、混合腔、反应腔、阳极、出料口、外阴极、逆变器、控制系统组成。离子源负责将中性气体分离为正离子和电子并输出，其中，电子输出端通过导线和逆变器负极输入端连接，正离子气通入混合腔。混合腔为封闭的、化学性质稳定的、绝缘的空腔，其一端接一个或多个进气口，欲参加反应的各类正离子气和中性气体通过进气口通入该腔体内进行充分混合。混合腔另一端接反应腔。反应腔为封闭的、化学性质稳定的、绝缘的空腔，内置阳极。正离子气及中性气体混合气在阳极表面和自由电子复合，发生电化学反应，生成新的物质。反应腔一端接混合腔，另一端设有一个或多个出料口，在阳极生成的新的物质经出料口排出。由于生成物可能为气体，也可能为液体或固体，所以，出料口应灵活设置，必要时，要设置特殊的出料系统，以便于将生成物排出，并保持反应腔和混合腔内压强恒定。阳极由化学性质稳定的、导电的材料制成，为增加其表面积，阳极可为栅形、网格形、蜂窝形等。阳极通过导线和逆变器的正极输入端相连。外阴极由导电材料制成，覆盖在混合腔、反应腔外壁，至少要覆盖从混合腔进气口到阳极末端的反应腔的外壁。外阴极通过导线和逆变器的负极输入端连接。逆变器的输出端接负载，化学反应释放的能量将以电能形式在逆变器输出端输出。控制系统负责控制各参与反应的气体按一定比例流入，它可以由控制电路和流量泵组成，也可以由控制电路和节流阀组成，控制信号可以来自于流量传感器，也可以采集外阴极和阳极的输出电压(不同的反应比例对应于不同的电压)，特别的，由于某些离子源输出正离子气的量由离子源输入功率决定，控制系统也可以向离子源电源端输入功率控制信号以控制进入混合腔的正离子气的量。由于控制系统可实现的方式较多且都比较成熟，本说明书不再详述。

特别的，为便于离子气混合，进气口的进气角度、混合腔的形状可灵活设置。

特别的，逆变器可以以直流负载代替。

下面以氧气和氢气的化学反应为例说明本发明的工作原理。

常温常压下，氢气在空气中燃烧，释放光和热量，忽略光所释放的能量不计，其化学反应式为：

2h2+o2＝燃烧＝2h2o+571.6kj(热)

利用本发明，1mol氧气和2mol氢气的化学反应如下：

首先将氧气和氢气分别通入各自的离子源进行离子化生成氧气和氢气的正离子气，设氧气的电离能为1166kj/mol，氢气的电离能为1493kj/mol，并设氧离子源和氢离子源拥有同样的能量耗费率η，能量耗费率＝(离子源生产单位正离子实际需要能量-单位被分离物质电离能)/单位被分离物质电离能，则氧离子源生产1mol氧正离子所需能量为：

w入1＝(1+η)*1166kj(电)

氢离子源生产2mol氢气正离子所需能量为：

w入2＝(1+η)*1493*2kj(电)

氧气和氢气在离子源内被离子化为正离子和电子的反应式可记为：

经过离子源对氧气和氢气的离子化，1mol氧气生成了1mol氧气正离子和1mol电子，使用了(1+η)*1166kj电能，2mol氢气生成了2mol氢气正离子和2mol电子，使用了(1+η)*1493*2kj电能，正离子气经过混合腔充分混合后运动到阳极表面。在阳极表面，若阳极拥有3mol自由电子，根据化学反应的原理，电子和原子核重组后趋向于能量最低，则3mol自由电子、2mol氢气正离子、1mol氧气正离子必然重组生成2molh2o分子，而此时，离子源分离氧气和氢气后生成的3mol自由电子已到达逆变器负极输入端，逆变器正极输入端和阳极相连，所以，离子源电子输出端、逆变器、阳极和正离子混合气已经形成通路，自由电子对逆变器做功(即逆变器输出能量)后即到达阳极和正离子复合，并生成h2o分子。生成物h2o分子将通过排料口排出。根据化学原理，电子对逆变器做的功为：

w＝1166+1493*2+571.6kj(电)

正离子混合气在阳极和自由电子复合生成中性分子的反应式可表示为：

设逆变器的能量输出率为γ，能量输出率是指逆变器输出能量和输入能量的比率，则，逆变器对负载做功输出的能量为：

w出＝〔1166+1493*2+571.6〕*γkj(电)

由此，1mol氧气和2mol氢气经过本发明，总的化学反应式如下：

离子源消耗能量，逆变器输出能量，由上式可以看出，1mol氧气和2mol氢气经过本发明，总的输出净能量为：

w净输出＝〔1166+1493*2+571.6〕*γ-〔(1+η)*1166+(1+η)*1493*2〕kj(电)

＝571.6*γ-(1166+1493*2)*(1+η-γ)kj(电)

定义能量转化率ξ＝实际输出能量值/蕴含能量值*100％，则本发明的能量转换率为：

ξ＝{[571.6*γ-(1166+1493*2)*(1+η-γ)]/571.6}*100％

从上式可以看出，若逆变器能量输出率足够高，离子源能量耗费率足够低，则本发明的能量转化率则可趋近100％，即化学反应蕴含的化学能几乎可全部直接以电能形式释放。

以上就是本发明的工作原理。

需要说明的是，由于不同的化学反应蕴含的化学能和参与反应物质的电离能不同，即使使用同一个化学能电能转换机，最终的能量转换率也不同。

特别的，参与反应的物质不一定全部通过离子源分离为正离子气，但至少有一种参与反应的物质是应为正离子气。比如，氧气和氢气反应，只需将其中一种物质离子化后即可在反应腔内进行反应，并释放电能，这样，能量转化率可进一步提高。

特别的，有些化学反应是吸热反应，逆变器输出能量小于离子源输入能量。

特别的，本发明输入的参与反应的物质也可以为液体物质。

本发明的有益效果是：

1、化学反应物蕴含的化学能直接以电能的形式释放，而不是以热能形式释放，且能量转化率较高，便于大规模推广使用。

2、常温常压下不能或难以反应的化学反应可轻松在本装置内反应。比如，n2和h2常温常压下不能反应生成nh3，但使用本发明可轻松合成氨。

3、用途广泛。本发明不仅可替代很多复杂的化工设备进行化工生产，更重要的是，本发明作为一种新的发电设备可直接代替既有的各类蒸汽机发电机组、内燃机发电机组、燃料电池等为人类提供电能。

需要说明的是，当本发明作为发电设备使用时，为达到较高的能量转化率，要求逆变器的能量输出率尽量高，离子源的能量耗费率尽量低(推荐使用孙保胜先生发明的自分离离子源)，并尽量只让参与反应的其中一种物质离子化，其他输入物质为中性。

4、成本低、经济效益高。本发明结构简单，易于制造，成本较低，更重要的是，本发明的能量转化率实际可达90％以上，这是目前既有的发电设备所不能比拟的，会为人类带来较高的经济效益。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的由两种反应物参与反应的化学能电能转换机结构原理图

图2是本发明用于发电的由甲烷和纯氧作为反应物的化学能电能转换机结构原理图，

图3是本发明用于发电的由甲烷和空气作为反应物的化学能电能转换机结构原理图

图4是本发明由氮气和氢气作为反应物用于合成氨的化学能电能转换机

图1中，1是离子源，2是混合腔，3是反应腔，4是阳极，5是排料口，6是逆变器，7是外阴极，8是控制系统，控制系统和离子源连接的粗实线表示控制导线组。由于进入混合腔的全是正离子气，控制系统控制离子源的功率以达到控制正离子的产量从而保证反应物按一定比例进入混合腔。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

图2中，甲烷和氧气分别进入各自的离子源，控制系统控制离子源功率，保证甲烷和氧气正离子气按1比2比例通人混合腔，充分混合的离子气向阳极运动，在阳极和离子源释放的自由电子复合生成二氧化碳和水，生成物经排料口排出，所释放的能量由逆变器输出端输出。逆变器的输入端电压约为16.9伏。

图3中，仅将甲烷通入离子源，生成甲烷正离子气，空气经受控流量泵9进入混合腔，设空气中氧气含量为20％，控制系统控制离子源功率和流量泵功率，确保进入混合腔的甲烷正离子气和空气的比例比低于1比10即可。

图4中，氮气和氢气分别从各自的离子源进入，控制系统控制离子源功率，确保和按1比3比例进入混合腔，即在阳极生成氨。