可燃燃料以及用于生成可燃燃料的設備和方法
【專利摘要】適于水溶液反應器的特征包括場發(fā)生器。場發(fā)生器包括一系列平行的導體板，所述導體板包括一系列中間中性極板。中間中性極板以交錯組布置于陽極和陰極之間。水溶液反應器的其它特征可包括密閉的反應容器、流體循環(huán)歧管、電力調節(jié)器、真空端口以及屏障膜。使用場發(fā)生器的方法包括浸沒于電解質溶液內以及施加外部電壓和真空以便生成氫氣和氧氣。該反應器和相關組件可布置成生成氣態(tài)燃料或液態(tài)燃料。在一種使用中，添加碳基材料和液態(tài)烴類的混合物。優(yōu)選的碳基材料是煤粉。
【專利說明】可燃燃料以及用于生成可燃燃料的設備和方法
【技術領域】
[0001]本技術涉及可燃燃料以及用于生成有效和更清潔可燃燃料所需的方法和設備的領域。
【背景技術】
[0002]在所施加的電場下利用各種形式的設備電解水生成氫氣和氧氣是眾所周知的。布朗氣體(HHO)發(fā)生器也是公知的，其利用電解將水轉化成其組成成分，而不是一旦釋放將氫氣和氧氣分離。將烴重整成氫氣或氫氣增強的氣體也是如此。但是需要用于生成這類燃料的更加實用的工藝。

【發(fā)明內容】

[0003]本技術涉及利用所施加的電場來啟動或維持由其生成清潔可燃燃料的反應的水溶液反應器的各方面以及用途。
[0004]在本技術的第一獨立方面，提供適用于水溶液反應器中的電場發(fā)生器。電場發(fā)生器包括成陣列的一系列間隔開的平行導電板。位于陣列第一端部處的陣列的一個或多個第一極板連接到第一極性(例如正或負)的施加電力(electric power)的電源(source)。位于與第一端部相對的陣列端部處的陣列的一個或多個第二極板連接到第二極性(與第一極性相反)的施加電力的電源。陣 列的一組第三極板優(yōu)選介于一個或多個第一極板(以下稱為“陰極板”)和一個或多個第二極板(以下稱為“陽極板”)之間。第三極板優(yōu)選不連接到任何施加電力的電源以便用作中性電極。第三極板可以子組(subset)布置，每一個子組包括陣列中的至少三個極板。在每個子組內的所有極板可彼此相互電連接。
[0005]上述的技術還可包括子組、陰極板和陽極板，所述子組不連接到其它子組，除非通過水溶液反應器的場。子組優(yōu)選布置成使得每個子組包括至少一個極板，所述至少一個極板介于相鄰子組、陰極板或陽極板的兩個極板之間，并且還包括至少兩個極板，所述至少兩個極板圍繞另一相鄰子組、陰極板或陽極板的一個極板設置(即，介于其間)。極板子組的這種布置在本文中稱為“交錯”或“交替”。由三個極板構成的子組在本文中可被稱為“三元組”。
[0006]上述技術還可包括耦接到電力調制器相反電極上的陽極板和陰極板。電力調制器可以小于100%的占空比將步進調制(step modulated)或階梯變換(ladder switched)的直流電流波形供應給場發(fā)生器。例如，功率調制器可以50%的占空比供應步進調制的直流電流波形。波形可以為下述特征:具有相對低的峰值電壓(例如大約在14-24伏特范圍內的峰值電壓)，以及在零和峰值電壓之間交替。然而，該技術并不將峰值電壓局限于該范圍內。
[0007]上述技術可進一步包括水溶液工作流體(aqueous working fluid),以便生成施加到場發(fā)生器、反應容器和/或如上所述其它方面的氫氣和氧氣氣體，諸如ΗΗ0。場發(fā)生器優(yōu)選浸沒于工作流體中并且如上所述將電力施加到場發(fā)生器的相反電極上。水溶液工作流體優(yōu)選包括純蒸餾水和鹽氫氧化物的溶液，鹽氫氧化物例如氫氧化鉀(Κ0Η)。鹽氫氧化物用作電解質且不被消耗掉。蒸餾水在優(yōu)選約115° F至130° F之間的溫度下被電解成氫氣和氧氣?？勺鳛樗砑拥难a給水被消耗掉以便維持一個恒定的水位?？蓛?yōu)選使用非蒸餾水，但會導致設備的腐蝕增加或結垢。
[0008]上述技術還可包括非導電性的且基本上不透氣的屏障膜，例如聚合物薄膜或薄片材料，其在陽極和陰極之間的液面上方延伸。隔膜形成屏障以便防止從陽極和陰極所生成的氣體混合。
[0009]氫氣和氧氣氣體的混合物可用真空泵從反應容器抽出。反應器的輸出可由操作過程中在容器內所維持的壓力和溫度而改變。因此，下述是有利的，即將反應容器中的真空保持在約0.2至0.9個大氣壓，更優(yōu)選約0.2至0.5個大氣壓的范圍內，而利用流體再循環(huán)將工作流體的溫度保持在優(yōu)選介于約115° F至130° F之間的限定范圍內。真空和溫度達到平衡以便防止水沸騰或達到在過程中大量水會蒸發(fā)的點。
[0010]上述技術也可被替代性地采用以便包括施加到場發(fā)生器、反應容器和/或如上所述其它方面的水溶液工作流體以便從包含碳基材料的溶液生成液態(tài)烴類燃料。諸如優(yōu)選為碳或煤粉的碳基材料以懸浮的形式分散于如在此之前所述的水溶液工作流體內。水溶液工作流體優(yōu)選包括初始充注的烴燃料，諸如煤油、柴油或下降到并包括汽油分子量的其它此類燃料，以保持碳基材料懸浮。
[0011]如上面所論述的那樣，反應器的輸出可由操作過程中在容器內所維持的壓力和溫度而改變。工作流體的溫度利用無壓力的流體再循環(huán)(fluid recirculation)保持在介于約180° F至200° F之間的限定范圍內，再次避免沸騰或大量生成水蒸汽。在壓力下，溫度的上限可相應地升高。
[0012]在由碳基材料形成烴類燃料的過程中，可憑經驗調節(jié)條件以確保過程中烴類燃料的還原以具有降低的平均分子量。例如，大多數烴類可重整為具有8個或更少碳原子的烴類。所描述的方面優(yōu)選使用根據如下述申請中所述的方法，所述申請為由本發(fā)明的 申請人:共同待決(co-pending)的序列號為12/885617的美國專利申請，其全部內容通過引用并入本文。
[0013]在本技術的又一個單獨的方面中，陽極板和陰極板包括孔的圖案，所述孔延伸穿過大致整個極板以便提供大于極板所占據面積的開放面積。陽極板和陰極板的公稱尺寸類似于中性極板的面積。所有極板優(yōu)選由高導電性金屬制成，諸如銅-鎢，以減少熱量和確保良好的導電性。所述板也被鍍以在電解過程中的諸如活性(interactive)鎳的催化劑。在電解過程中鈀、鉬或其它催化劑也可用于在較低溫度下促進所需的反應。
[0014]上述技術還可包括可組合以便獲得更佳效果的上述方面的任何方面。
[0015]因此，本技術的目的可包括提供新的特征和組合，以增強利用所施加電場的水溶液反應器(aqueous reactor)的操作，以便啟動或維持反應器中的化學反應或生成等離子體，例如從水生成氫氣和氧氣氣體，或碳或有機化合物的羥基化/加氫反應，來自這種技術和方法的燃料輸出適于使用這些特征和組合。將在下文中顯現其它的和進一步的目的和優(yōu)勢。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1示出了關 于場發(fā)生器的本技術一種實施方式的示意圖。[0017]圖2示出了適于一種實施方式的場發(fā)生器的中性子組、陰極板和陽極板的布置的框圖。
[0018]圖3示出了適于在場發(fā)生器中使用的極板實例的俯視圖(plan view)。
[0019]圖4A至圖4B示出了適于在場發(fā)生器中的極板的替代性構造的示意圖。
[0020]圖5為含有場發(fā)生器的水溶液反應器的透視剖視圖。
[0021]圖6A為一種包括水溶液反應器以便從水溶液工作流體生成氫氣和氧氣的設備的示意框圖。
[0022]圖6B示出了包括用于氣體分離的中間屏障的水溶液反應器的替代性構造的詳細示意圖。
[0023]圖7示出了用于操作水溶液反應器以便從水溶液工作流體生成氫氣和氧氣的方法實例的流程圖。
[0024]圖8示出了可與圖7中所示的方法一起使用的附加操作的流程圖。
[0025]圖9示出了本技術的替代性構造實施方式的示意圖。
[0026]圖10為陽極板或陰極板的一種實施方式的俯視圖。
【具體實施方式】
[0027]參照圖1，適用于水溶液反應器中的場發(fā)生器100優(yōu)選包括由非導電性的框架或構件106支撐的陣列102的間隔開的平行導電性極板104a-104j。極板的陣列102可包括在所述陣列第一端部處的一個或多個陰極板104a、104c (統(tǒng)稱為108)，在陣列102的與第一端部相對的第二端部處的一個或多個陽極板104h、104j (統(tǒng)稱為110)。極板的陣列102還可包括介于陰極板108和陽極板110之間的多個中性極板104b、104d-104g、104i。中性極板104b、104d-104g、104i可以交錯的中性子組112、114布置，每一個子組包括至少三個電連接的極板。如上所述，中性子組的交錯意味著每個子組112、114包括至少一個極板(例如，104b, 104f, 104i)，所述至少一個極板介于相鄰子組、陰極板或陽極板的兩個極板之間，并且還包括至少兩個極板(例如，子組112的104d和104f，子組114的104e和104g)，所述至少兩個極板圍繞另一相鄰子組、陰極板或陽極板的一個極板設置。每個中性子組112、114可與中性子組的其它子組、與陰極板、以及與陽極板電隔離。例如，每個中性子組112、114可以每隔一個的方式與中性子組電隔離。
[0028]在低功耗模式下，陰極板108可配置成用于連接到施加電力的負極性的電源以便生成氫氣。陽極板110可配置成用于連接到施加電力的正極性的電源以便生成氧氣。中性子組不連接到施加電力的任何電源。
[0029]極板104a_104j優(yōu)選為銅-鎢或其它高導電性材料。為了生成烴基燃料，該高導電性材料包括催化表面，諸如通過鍍鎳提供。導電極板的鍍鎳表面處理據觀察具有對水溶液反應器操作的催化效果。
[0030] 極板104a_104j優(yōu)選基本上是平面的且具有基本上均勻的厚度“t”。據信期望使得極板足夠厚以便在反應器的操作過程中是耐久性的和剛性的，因此最優(yōu)的厚度可取決于所選擇的極板材料和極板安裝細節(jié)。如果使用銅-鎢，則極板有利地為0.125''，以避免柔軟材料的意外彎曲。陣列中的極板將優(yōu)選彼此基本上均勻地以約0.125英寸范圍內的距離“d”間隔開。場發(fā)生器“極板”的其它方面在下面結合圖3及圖10進行描述。[0031]非導電性框架或構件106包括在極板外緣周邊間隔開的邊緣支撐件。邊緣支撐件據信有利于確保在操作過程中每塊極板保持在位。支撐構件優(yōu)選包括其它特征，例如如本文所論述的適于再循環(huán)歧管的噴嘴106。在一個實施方式中，極板邊緣由形成的聚合物材料塊(block)的槽支撐，以便圍繞極板邊緣的周邊支撐陣列。然而，可以使用任何合適的支撐結構。
[0032]雖然場發(fā)生器并不限于極板104a_104j的特定數量，但是在一個實施方式中，所述設備優(yōu)選包括不少于9個且不超過48個中性極板。使用總共25個極板，包括兩個陰極板202，兩個陽極板204，以及分為七個三元組206a-206g的21個中性極板，具有如本文所述性質的陣列據信是有效的，且可能是最佳有效的。這種陣列200以圖2中的高度示意性形式示出，圖2未按比例繪制，且繪制其主要是為了示出適于場發(fā)生器200的交錯極板拓撲的一個實例。在三元組的陽極或陰極中連接極板的圖示方式是高度示意性的，而并不應被理解成表示或暗示實際物理構造，除了所示和所述拓撲的方面之外。
[0033]每一中性子組206a_206g優(yōu)選包括奇數的極板，例如三個或五個。每一中性子組具有三個極板(即，三元組)據信是有利的，但是三個或更大的任何奇數使得中性子組能夠交錯(interleaving)，如在圖1和圖2中清楚地描繪的那樣。交錯據信有利于場發(fā)生器的操作以便進行水的電解以及其它反應，至少可與如本文所述的施加電力的波形一起使用。在圖2中所示的交錯實施方式中，陰極板202與第一中性三元組206a交錯，以及陽極板204與最后的中性三元組206g交錯。第一和最后的三元組206a、206g分別與它們的相鄰三元組206b、206f交錯。中間三元組206b-206f各自與相鄰的三元組交錯。圖1示出了類似的布置。
[0034]陣列200可包括奇數或偶數的中性子組，諸如三元組206a_206g。中性子組為奇數據信是有利的，至少適于與如本文所述的施加電力的波形一起使用。
[0035]圖3示出針對用于構造如本文所述的場發(fā)生器的極板300實例的平面圖和尺寸。如圖所示，極板300用于圖1、圖10的中性極板104b、104d-104g、104i。高導電性的材料會是合適的，例如銅；鍍鎳的銅；鎳、鍍鉬或鍍鈀的金屬；或石墨。也可以使用其它金屬?？墒褂萌魏谓Y構性的導電材料，其或者被涂覆或者在使用過程中不會因水溶液反應器的工作流體明顯地腐蝕。所選擇的任何表面材料可對場發(fā)生器的操作具有一定的效果。當在電解過程中鎳鍍層覆蓋極板104a-104j時呈現所觀察到的催化效果。此外，鎳、鈀、鉬或其它催化劑的存在可有助于促進在較低溫度下的所期望的反應。各種表面處理可以增強場發(fā)生器的操作，雖然使用未經處理的316L不銹鋼甚至可觀察到在氫氧化鉀溶液中水的強烈水解。
[0036]極板300可以相對的大致平行主表面為特征。在圖3的俯視圖(planview)中示出這些表面302的其中之一。極板300的相對表面包括第二表面。該特征使得能夠構造如結合圖1和圖2所述的場發(fā)生器。這些主表面沒有必要是平坦的和平面的，且可成形為一定的輪廓，只要相對于其最接近的相鄰極板的相鄰表面保持大致平行的定向即可。
[0037]圖3中所示的尺寸和形狀僅作為實例的方式提供，而并不作為限制性的。所描繪的尺寸和形狀據信有利于場發(fā)生器的構造，但不是關鍵性的。極板300包括中心孔304以便適應用于支撐場發(fā)生器中極板的非導電性支撐構件。極板300可優(yōu)選包括任何數量的孔或切口，并且可以各種形狀制成。極板300可包括連接片306，其適于用作電連接器連接到相鄰極板、連接到外部電源、或者連接到相鄰極板和外部電源。如本文所用，“極板”并不限于大致平面的組件或并不限于由極板堆料(Stock)而制成的組件。相反，“極板”應理解成優(yōu)選大致平坦的、彎曲的或折疊的，具有任何數量的通孔以及由任何合適的材料制成。例如，網格或金屬絲網材料只要具有足夠的剛性以在操作中保持其形狀即可配置成如本文所述的場發(fā)生器中的“極板”。
[0038]參照極板300的幾乎所有上述內容適用于陽極板104h、104j和陰極板104a、104c。在某些上述工藝(或過程)中，發(fā)現陽極板104h、104j和陰極板104a、104c利用在這些極板中的孔更為有效。對于烴和碳的轉化過程而言尤其如此。在圖10中示意性地示出這種陽極板和陰極板。代表性的極板310包括孔312的圖案。但是這是可應用的孔的圖案的大多數之一。目的在于顯著覆蓋具有孔312的極板310。已發(fā)現采用適于陽極和陰極的這種類型的極板可減少功率需求以及增加氣體產量。在該具體的實施方式中，鍍有鎳且具有公稱高度/寬度/深度為6' / X6' / X 1/8' /的銅-鎢極板在電鍍之前均勻地穿有5/16' /平方的孔?？?12間隔開1/8'，，使得孔在相鄰孔之間的中心到中心的距離為7/16'，。稍寬的結構邊界314圍繞極板310的周邊延伸。
[0039]盡管極板300、310可以是大致平坦的或平面的，但是場發(fā)生器并不限于使用平面的極板元件。例如，具有一定的輪廓或折疊可用于增加極板的表面積，同時與相鄰的極板保持大致平行的關系。圖4A示出在構造400中的兩個相鄰的輪廓仿形極板402、404的頂視圖，其中每個極板402、404包括相應的輪廓表面406、408，其保持大致針對它們整個相應延伸程度的共線(或接近共線)法線。這種構造的缺陷在于在由面積相等的極板制成的陣列中，在不對每個極板單獨設定輪廓的情況下，在相鄰的極板之間就不可能保持精確的平行。通過使用如圖4B中所示的替代性構造450可避免上述，在該替代性構造450中折疊的相鄰極板452、456存在限定大致平行的相應虛擬表面456、458的多個折疊部(或褶皺)。因此相鄰的極板452、456可共用大 致相同或等同輪廓的幾何形狀，同時仍提供相鄰極板之間的平行方面。另一種構造400、450目前未經測試，且總的來說可能并不優(yōu)于平坦的極板。平坦極板的優(yōu)勢包括制造簡單，成本較低、容易實現平行以及對于相鄰極板之間的流體流動而言的阻力較小。
[0040]圖5示出組裝成水溶液反應器500的場發(fā)生器502的一個實例。反應器500包括大致封閉的器皿或容器504，構造成用于容納液體工作流體以便浸沒場發(fā)生器502。場發(fā)生器502可包括由非導電性框架506支撐的極板陣列，例如如圖3中所示的中性極板300以及圖10中所示的陽極/陰極板310。圓柱形非導電性支撐構件(未示出)可穿過極板中的中心孔507來將極板固定到支撐框架上。利用在發(fā)生器502的上端部處跨接(across)所選定的用于連接的連接片放置的連接器(未示出)，所述極板可連接以便提供如本文中所述陰極板組、陽極板組和中性極板組。在操作期間，容器504中的液位可保持低于用于連接連接片(tab)的極板的水平，例如，連接到電纜510以將電力提供到場發(fā)生器502的連接片508。在該視圖中不可見的互補電纜可類似地連接到位于陣列502的相對端部處的相反極性的極板。
[0041]電纜510或其互補部分可利用設計成保持密封的饋通512通過容器504壁。其中在浴中采用配電盤以便分配電流，所述配電盤也可涂覆鎳以及由高導電性材料制成以便減少熱量積聚并提供更大的催化表面積。除了控制入口和出口端口之外，容器504可基本上密封，其實例將在下面進行論述。在所示的單元500中，O-形環(huán)密封件514設置于基部516周圍，但是也可以使用任何合適的密封。
[0042]在基部516中的液體入口 518和出口 520可提供成用于連接到再循環(huán)系統(tǒng)，其可包括泵、熱交換器、和連接線。除了其它之外，再循環(huán)系統(tǒng)可使得工作流體通過基部516中的噴嘴陣列進行循環(huán)。噴嘴優(yōu)選將工作流體噴入到場發(fā)生器502的單獨極板之間。在極板之間的流體噴射據信有助于增強極板之間的流體運動、傳熱和混合，并有助于從極板表面剝離積聚的氣泡。上部端口包括用于添加和補充工作流體成分的一個或多個液體添加端口524和526和固體入口 /檢查端口 528。
[0043]如上所述的水溶液反應器可在設備600中使用，以便使得水溶液工作流體在電場中反應，其另外的方面在圖6A中示出。該設備600優(yōu)選包括如前面所述的連接到水溶液反應器601的陰極板和陽極板的施加電力的電源602。電源602優(yōu)選包括也被稱為波形發(fā)生器的脈寬調制器604，其優(yōu)選包括可編程邏輯控制器(PLC)或電子控制單元(E⑶)611。優(yōu)選地，所述波形發(fā)生器604可將直流(DC)驅動信號606供應給三相交流發(fā)電機610的場繞組608。直流驅動信號優(yōu)選具有在約10%至90%范圍內的占空比，在約I至32kHz范圍內的頻率以及在約5至50伏范圍內的峰值電壓。更優(yōu)選地，直流驅動信號606取決于場發(fā)生器603的尺寸具有約50%的占空比和約14-24伏的峰值電壓。當步進切換和脈沖切換時，在電源604處消耗25%的電流情況下50%的占空比給場發(fā)生器提供驅動信號。
[0044]例如，PLC或其它電源611優(yōu)選在第一頻率和第一占空比下產生驅動信號605以便驅動切換裝置613，諸如固態(tài)繼電器。電源611優(yōu)選在第二頻率和第二占空比下將脈寬調制(PWM)的功率信號607提供給切換裝置613的輸入端。在一個實施方式中，第一和第二占空比可優(yōu)選等于以及設置到50%或約50%，并且所述第二頻率可比第一頻率高得多，例如至少10倍大。例如，在一個實施方式中，針對驅動信號605可以使用在24V下占空比為50%的IkHz的第一頻率，針對PWM功率信號607也可以使用在12V下占空比為50%的60kHz的第二頻率。因此，切換 裝置產生直流驅動信號606，其具有的頻率和占空比等于所述第一頻率和占空比。電容器609優(yōu)選跨接切換裝置613的輸入端子和輸出端子連接以便濾除更高的第二頻率，并降低從電源611的電流消耗。驅動信號606的峰值電壓和功率由功率信號607確定，在該實例中為12V。
[0045]通過將驅動信號606施加到三相交流發(fā)電機610的場繞組608，通/斷開關可通過構建和撤銷(collapsing)磁場來實現,而不是通過結點切換來實現。因此，電源602將魯棒性的可靠電力提供給所述水溶液反應器601，優(yōu)選無需使用金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)或其它精密的切換裝置。優(yōu)選地，來自三相交流發(fā)電機610的AC信號利用三相全波整流器612進行整流以便給場發(fā)生器603的各電極提供直流驅動輸出。冷卻裝置615 (例如風扇和冷卻塔)優(yōu)選跨接驅動輸出連接或連接到用于冷卻交流發(fā)電機610的另一電源。
[0046]設備600優(yōu)選還包括真空泵614，其具有與適于反應器601的容納器皿的內部流體連通的入口，例如從場發(fā)生器601上方的頂部空間616抽吸。真空計618也用于測量所述反應器601內的壓力。為了使得水電解，已發(fā)現需要在頂部空間616內保持真空，真空具有的幅度低于針對水的操作溫度而言將導致沸騰或生成大量蒸汽的幅度。一定的真空(一個實例是在約0.5個大氣壓的真空下運行)操作成啟動或維持更強烈的電解反應，且在較低的溫度下生成氣體。真空泵614優(yōu)選還可用于從反應器601抽出析出的氣體。利用水溶液工作流體620，在非分離的頂部空間616內的析出氣體應包括約60%的氫分子、30%的氧分子、以及余量水蒸汽或其它雜質，其中所述水溶液工作流體620包括場發(fā)生器603浸沒于其中的鹽氫氧化物在純水中溶解的電解質溶液。優(yōu)選地，析出的氣體通過熱交換器622或冷卻器傳送以便排放用于存儲或最終使用之前冷卻和干燥氣體。可以使用任何合適的流量計624來測量流率。
[0047]氫氣和氧氣混合物的用途可包括在常規(guī)烴類燃燒發(fā)動機中與其它燃料混合以改變燃燒條件或排放，或作為原料供給到化學過程以便生成包括但不限于純化水的產物。針對移動式或固定式的應用而言，如果氫氣從氧氣分離，分離出的氫氣和氧氣可被提供給質子交換膜(PEM)燃料電池以便產生電力。此外,氫氣可在氫氣燃燒發(fā)動機或燃氣輪機中燃燒以便產生電力或動力。例如，氫氣可利用具有可變占空比的諸如太陽能、風能或波能的可再生資源來生成，并存儲以便針對需求匹配的目的用于在氫氣發(fā)動機或燃氣輪機中燃燒。對于從反應器601析出的氣體而言，本技術不限于任何特定的最終用途。
[0048]在如圖6B中所示的水溶液反應器650的替代性實施方式中，一個或多個非導電性屏障膜652或薄膜可設置于在陽極板和陰極板之間的場發(fā)生器654中的至少兩個極板之間，將所述頂部空間658分成兩個或多個隔室660、662。屏障應在液面下方延伸并進入場發(fā)生器654的極板陣列內，而不是完全延伸直到液面下方的陣列底部。屏障可大致放置于陣列的中間或其它中間位置處；例如，在25個極板陣列中放置于第十二極板和第十三極板之間，或放置于第十三極板和第十四極板之間。在屏障中可形成槽或其它切口以便使得連接陣列中性子組中極板的跳接器或電連接器664通過屏障652。頂部空間的每個分隔部分660、662可以單獨的流清空(evacuated)。在低功率下，氫氣應集中到包含陰極的隔室660內，以及氧氣應集中到包含陽極的隔室662內。
[0049]相對于其中不進行氫氣和氧氣分離的實施方式，這些替代性實施方式中，有利于減小驅動信號的峰值電壓。例如，對于如本文所述的配置有單個屏障652的示例性反應器650而言，其可有利于將驅動信號的電壓減小到以在大約6到8V的范圍內的某一值，以便實現氫氣和氧氣更好的分離。在這種實施方式中，通常可觀察到氣泡形成于靠近陽極板或陰極板位置的極板上，但不形成于屏障652附近的中間極板上。如果使用兩個或多個屏障(未示出)提供既不包含陽極也不包含陰極的中間隔室，則其應該包含氫氣和氧氣的混合物，該混合物也可分別清空。
[0050]再次參照圖6A，設備600優(yōu)選還包括液泵626，其具有耦接到反應器620中的再循環(huán)歧管的出口。上面已經結合圖1和圖5對再循環(huán)歧管進行了描述。再循環(huán)歧管可位于將再循環(huán)工作流體的一個或多個噴流引導到場發(fā)生器603的極板陣列中的極板之間。泵626還可驅動再循環(huán)工作流體通過熱交換器628或其它設備以便對工作流體進行溫度控制。對于各種反應而言，使用受控的加熱或冷卻過程可有利于將所述工作流體620的溫度控制到設定點。例如，在如本文所述的水溶液電解過程中，取決于環(huán)境溫度或其它因素，已發(fā)現有利于冷卻或加熱工作流體以便保持溫度設定點。作為維持較低溫度的一項功能，可有利地采用較高濃度的電解質。
[0051] 設備600還優(yōu)選包括蒸餾水貯器630，以及控制閥632，用于將補給水供應到反應容器以便在水溶液反應器601的操作過程中保持工作流體620的體積不變。雖然使用蒸餾水來制備工作流體，但是本技術并不限于使用蒸餾水。例如，其可從過濾井水或海水來制備可用的工作流體。在工作流體中使用海水，也可能在對水進行蒸餾和純化過程中操作水溶液反應器，通過燃燒析出的氫氣和氧氣以獲得純水，其中燃燒的熱量被單獨使用。
[0052]根據以上所述，在圖7中示出了用于將氫氣和氧氣從水中解離的方法700。方法700優(yōu)選包括如本文所述將場發(fā)生器浸沒于水溶液工作流體內(步驟702)。水溶液工作流體可包括鹽氫氧化物在純的蒸餾水或去離子水中溶解的溶液或由鹽氫氧化物在純的蒸餾水或去離子水中溶解的溶液構成。
[0053]方法700優(yōu)選還包括將電力供應到一個或多個陰極板和在場發(fā)生器相對端部處的一個或多個陽極板(步驟704)，所述場發(fā)生器包括如本文所述的間隔開的平行導體板構成的陣列。極板陣列優(yōu)選包括介于本文所述類型的陰極板和陽極板之間的多個中性極板。中性極板優(yōu)選以交錯的中性子組布置，每一子組包括至少三個電連接極板。每一中性子組可與中性子組的其它子組、與陰極板、以及與陽極板電隔離。例如，每一中性子組與其他的一個中性子組電隔離。
[0054]在供應電力的同時，方法700優(yōu)選還包括解離布置于極板陣列周圍的包括水的流體，以便釋放氣相的氫氣和氧氣(步驟706)。
[0055]此外，圖8示出可實施以便在用于執(zhí)行方法700的設備中采用的另外任選操作800。操作800可以任何操作順序來執(zhí)行；或者部分地或全部地同時執(zhí)行，而不需要行為的特定時間順序。操作可獨立地但非相互排斥地進行。因此可不管是否執(zhí)行另一項下游或上游的操作來執(zhí)行這種操作中的任何一項。例如,如果方法700包括圖8中的至少一項操作，則方法700可在至少一項操作之后終止，而無須包括示出的任何隨后的下游操作。
[0056]操作800可包括通過供應直流電流波來供應電力(步驟802)，所述直流電流波具有在10%至90%范圍的占空比、在IkHz至32kHz范圍內的頻率、以及在5V至50V范圍內的峰值電壓。例如，50%的占空比據信是有利的。頻率可被調節(jié)以便對于水溶液反應器的給定構造而言進行最大化地生產，且不限于所述范圍。類似地，峰值電壓可取決于在操作條件下的反應器的大小和阻抗。
[0057]操作800可包括保持配制包括鹽氫氧化物在純蒸餾水中溶解的溶液的工作流體(步驟804)。在一個實施方式中，120-220克(例如約120克)氫氧化鉀鹽可溶解于1.5加侖的蒸餾水中以便提供工作流體的初始體積。在氣體析出過程中通過添加水以保持反應器中工作流體的恒定體積而保持上述配制。將所述工作流體中KOH (或其它鹽氫氧化物)的濃度降低至顯著低于所述范圍可減少通過場發(fā)生器的電流以及減少氣體析出量。
[0058]操作800可包括例如使用上述的再循環(huán)歧管和泵將至少一流體噴射流引導到陣列中極板的極板之間(步驟806)。操作800可包括將構成場發(fā)生器極板陣列保持在大致密閉的反應容器中(步驟808 )。此外，操作800可包括保持極板陣列處于大致密閉的反應容器內的壓力小于大氣壓力(步驟810)。例如，保持真空壓力可包括將大致密閉的反應容器中的內部壓力降低至約0.3至0.8個大氣壓范圍內的壓力。對于進一步的實例而言，約0.5個大氣壓的真空可有助于啟動和維持從場發(fā)生器強烈地生成析出氣體。
[0059]在解離流體時，操作800可包括保持流體溫度處于設定點(步驟812)。在一個實施方式中，在操作之前流體最初可處于高于工作流體凝固點并低于工作流體沸點的環(huán)境溫度下，并且在水溶液 反應器的操作過程中保持在或者接近120° F的設定點。
[0060]操作800可包括利用泵將氫氣和氧氣的混合物從反應容器中去除(步驟814)。在低功率的實施方式中，這可包括從反應容器的靠近陰極板且遠離陽極板的第一部分去除主要包括氫氣的第一氣流。在這種實施方式中，去除還可包括從反應容器的靠近陽極板且遠離陰極板的第二部分去除主要包括氧氣的第二氣流。這假設在反應容器中水面上方的頂部空間的第一和第二部分由設置于所述陣列的至少兩個極板之間的非導電性屏障膜分隔開。在這些和其它實施方式中，可將氫氣和氧氣的混合物一起從組合的頂部空間抽出。
[0061]當使用水而不是碳基材料來生成布朗氣體(HHO)時，如上所述，通常觀察到所述水溶液反應器內的溫度介于115° F和130° F之間。已經觀察到水溶液反應器900內的真空變化到高達1.5個大氣壓，在過程開始時典型觀察到的真空幅度為約0.67至0.8個大氣壓，以及當過程在115° F至130° F之間操作時典型觀察到的真空幅度為約0.33至0.5個大氣壓。在穩(wěn)態(tài)下，產生場的功率可以改變以便達到適當的溫度設定點。在操作中，觀察到水溶液反應器內部的電場以在12至24伏下在I和25安培之間的功率供應。已經觀察到在12到14伏下在反應器900中的功率消耗為大約為6至6.5安培。通過下述可實現燃料的類似輸出產出，即串聯電連接4個反應器900以及給反應器900在12伏下供以2.4安培的電流，如同利用在12伏下供以6.5安培功率的一個反應器900產生的那樣。為了在傳統(tǒng)的發(fā)動機應用中使用，這將有可能從通過從兩個交流發(fā)電機和兩個橋放大整流器塔供應必要功率的四個反應器900如此布置的電解槽(cell)來產生足夠的燃料產量，兩個交流發(fā)電機和兩個橋放大整流器塔的每一個都具有公知的常規(guī)設計。
[0062]在圖9中示出技術的另一方面。在該構造中，該技術利用此前所述類型的水溶液反應器900，其包括一系列的電極板組902a和902b以及水溶液工作流體。用于該過程的陽極板和陰極板優(yōu)選如上所述且如圖1中所示那樣是代表性的極板30，并且可使用鍍有催化劑的極板。工作流體優(yōu)選從流體槽904供給到如上所述的反應器900，并優(yōu)選使用去離子水。在水溶液工作流體還包括烴類組分的情況下，所述組分優(yōu)選從液壓燃料箱906供給。優(yōu)選地，根據需要所述工作流體是碳基材料(諸如煤粉)與一種或多種液態(tài)烴類和水混合的懸浮液。提供液態(tài)烴類以助于更容易地使煤溶解，所述液態(tài)烴類優(yōu)選為煤油、柴油、或下降到并包括汽油分子量的一些其它液態(tài)烴類。
[0063]在該技術利碳基材料的情況下，液壓燃料混合器908還設置成將液體和碳基材料的混合物供給到工作的水溶液反應器。液壓燃料箱906優(yōu)選包括攪拌器908，以保持碳基材料懸浮于液壓燃料箱906的流體中。在優(yōu)選的實施方式中，碳基材料將為煤，其研磨成具有在2微米至50微米以及優(yōu)選在5微米和10微米之間的中值粒徑的微細粉末。在碳粉末通過渦輪機紡工藝或導致具有電荷的研磨碳微粒的其它工藝來制備的情況下，已經發(fā)現存在該技術的增強效果。液壓燃料箱906包括驅動馬達909，其將在必要時操作攪拌器908以便保持碳基材料顆粒懸浮于液體中。
[0064]優(yōu)選地，在過程開始時，所述水溶液反應器將包含大約兩加侖的水，8盎司的研磨碳基材料(諸如煤)，以及4至6盎司的液態(tài)烴類。已證明煤油、柴油、或降低到汽油分子量的其它液態(tài)烴類在該過程中工作。液態(tài)烴類在引入到水溶液反應器之前與碳材料混合。在反應器中，該混合范圍顯現為通過存在于所施加電場中的解離的氫氣和氧氣進行更好地重整。在存在電解解離元素的情況下消耗液態(tài)烴類和碳基材料。組分在水溶液反應器中的這些比率通過在控制器910的命令下從水箱904供應另外的水或從液壓燃料箱906供應烴類和懸浮的碳基材料的另外的液體混合物來控制。在優(yōu)選實施例中，如上所述，控制器優(yōu)選是Mitsubishi FX3PLC，其通過Mitsubishi GT1055用戶接口 911進行接口連接。該控制器910還監(jiān)測液壓箱906的懸浮狀態(tài)，并根據需要操作驅動馬達909保持相同的懸浮狀態(tài)。
[0065]水溶液反應器優(yōu)選在電場下通過此前所述的占空比操作，其中流體運動優(yōu)選通過使用循環(huán)泵912 (其也由控制器910控制)以上文中所述的方式并如圖9中所示的那樣通過所述水溶液反應器900增強。水溶液反應器的燃料產物從反應器900借助于真空泵920通過氣體出口 914a、914b抽出。
[0066]在本技術的優(yōu)選實施方式中，從反應器900去除的燃料產物通過干燥器916以便從氣體去除任何液體并通過消焰器918，以便最大程度地減小由從反應器900的揮發(fā)性燃料輸出呈現的潛在風險。該技術還優(yōu)選包括諸如爆破隔室922的設計成在爆炸時爆破的其它安全設備，以及一系列止回閥928a、928b、928c以便防止任何火源到達水溶液反應器900。
[0067]反應器900的燃料輸出可以氣態(tài)或液態(tài)形式使用。如果燃料以氣態(tài)形式使用，則燃料氣體通過熱交換器924加熱，然后通過沉降過濾器926傳送。它隨后被供給到燃燒室中以便用作氣態(tài)燃料。替代性地，如果燃料氣體用作液化氣燃料，則燃料氣體通過冷卻器925冷卻。它隨后被供給到燃燒室中以便用作液態(tài)燃料。在任一種情況下，針形閥(或具有適當預選壓力等級的止回閥)930介于爆破隔室和冷卻器925/熱交換器924之間，以便控制壓力。真空泵920和冷卻器925或熱交換器924也由主控制器910控制。
[0068]當碳基材料和烴類燃料利用如上文所述的圖9中所示的技術添加到水溶液反應器900中的工作流體，實驗結果表明該系統(tǒng)可在0.5個大氣壓的真空中進行操作。在操作系統(tǒng)中，沒有真空或壓力施加到所述水溶液反應器900。在水溶液反應器過程開始時，實驗結果表明在12伏電壓約3.8安培的功率足以啟動反應器電解槽中的反應。一旦反應器內流體的溫度達到大約180° F和200° F之間，已觀察到功率需求降低到在12伏下為約2.8安培。據信等離子體在水溶液反應器中形成，上述甚至在電力輸入已被關閉的時間內繼續(xù)產生氣體輸出直到等離子體消散。在這些生產水平下，已經觀察到圖9中所示的技術9每小時消耗約8盎司煤。
[0069]圖9中示出的技術輸出的變化可通過控制水溶液反應器內部的溫度和壓力、以及氫氧化鉀的水平和含量和/或所選擇的碳基材料燃料量來控制。例如，在反應容器內的氫氧化鉀水平的增加會將額外的功率拉到系統(tǒng)中，但可使得輸出產量較低。采用沒有壓力的液體再循環(huán)，工作流體的溫度保持在介于180° F和200° F之間的限定范圍內，以便避免大量產生水蒸汽或沸騰。在一定壓力下，溫度的上限可相應升高且據信可提高產量。
[0070]對于商業(yè)生產的設備，據信在大約2巴和300° F下操作水溶液反應器900可構造成利用圖9中所示的技術制備商業(yè)數量的燃料。
[0071]燃料輸出特性的其它變型可通過控制其它參數例如壓力進行控制。已觀察到較高的壓力提高從圖9中所示的技術的氣體產量。在較高壓力下產生的氣體將傾向于具有更高分子數的氫氣。然而更輕的燃料可 通過降低反應容器內的壓力來生產。圖9中所示的技術不受到溫度、壓力、電場、電壓和/或電流強度任何特定組合的限制或不限于溫度、壓力、電場、電壓和/或電流強度任何特定組合，也不受到任何選定碳基材料的任何濃度、大小或者選擇的限制或不限于任何選定碳基材料的任何濃度、大小或者選擇。
[0072]實施例[0073]如圖3中所示的兩個25個極板構成的場發(fā)生器(每個場發(fā)生器具有不銹鋼極板)根據圖2中所示的拓撲在密閉反應容器中進行配置并且并聯連接到電源上。布置真空泵以便將析出氣體從每個容器抽出。配制包含約1.5加侖純蒸餾水以及120克氫氧化鉀(KOH)鹽的工作流體并供應給每個反應容器，浸沒場發(fā)生器。不存在屏障膜。真空泵用于將每個水溶液反應器中的頂部空間清空到低于大氣壓約7英寸(汞柱)(即，7英寸真空)，在120伏下消耗約600瓦特。如上所述，使用在220V下消耗約400瓦特的再循環(huán)泵將工作流體的溫度保持在大約180° F下，使得通過工作流體通過冷卻器傳送，并在場發(fā)生器下排放到再循環(huán)歧管。方波、50%占空比的直流輸入供應給場發(fā)生器，并導致觀察到在約15V峰值消耗約7.3安培的最大氣體析出。純蒸餾的補足水在氣體析出過程中添加到水溶液反應器，以保持反應容器中的液面水平。觀察到在場發(fā)生器的所有極板上均勻地出現非常強烈的氣體析出。析出的氣體使用真空泵從頂部空間抽出，其在反應容器中保持大約7英寸汞柱的恒定真空。從真空泵的排放物通過浮球流量計傳送，然后排放到大氣中。將排出的樣本捕獲于實驗室氣體取樣袋內，并用氣相色譜進行分析。獲得約60%氫氣和約30%氧氣的樣品結果。從水溶液反應器的混合排放觀察到在標準溫度和壓力(STP)下的約100升/分鐘的總流速，相當于約60升/分鐘的氫氣或每小時約1/3千克的氫氣。每小時由設備消耗三公斤多一點的水，正如在排放物中可能存在一些水蒸汽或冷凝水的所特定預期的那樣。
[0074]測試如圖6B中所示的利用分離陽極板和陰極板的單一氣體屏障的另一種設備，其它條件如在前面段落中所述的那樣。然而，將DC輸入電壓調節(jié)到6至8伏的范圍內。在這些條件下，從屏障(或阻擋層)的陰極側獲得約40升/分鐘的氣體流率，并從陽極側獲得約20升/分鐘的氣體流率。從陰極側所獲得的氣體觀察到在空氣中可燃，但不具有爆破性。從陽極側得到的氣體是不可燃的。這些觀察與從屏障相對側生成分離的氫氣和氧氣相—致。
[0075]諸如鉬、鈀或鎳的催化劑的使用可用于降低用于產生等離子體的溫度，從而降低將烴類重整為燃料的溫度。
[0076]因此，已公開了水溶液反應器和反應器的各種用途。雖然已經示出和描述了該技術的實施例和應用，但是對于本領域的技術人員而言顯而易見的是在不脫離本文的發(fā)明性理念下許多更多的修改是可能的。因此，本發(fā)明不受到限制，除非在所附權利要求的精神內受到限制。
【權利要求】
1.用于產生電場的設備，該設備包括: 極板的一個或多個陣列，第一陣列包括由非導電性框架支撐的間隔開的平行導電性極板，其中，極板的所述第一陣列包括能夠在陣列的第一端部處作為陰極的一個或多個極板，能夠在與第一端部相對的陣列的第二端部處作為陽極的一個或多個極板，以及能夠作為陰極和陽極的介于極板之間的一個或多個中性極板，其中，所述中性極板以交錯的中性子組布置，第一中性子組包括至少三個中性極板，所述至少三個中性極板電連接到一起并與能夠作為陰極和陽極的極板以及任何其它中性子組電隔離。
2.根據權利要求1所述的設備，其中，每個子組的極板與其它子組的極板相交錯。
3.根據權利要求1所述的設備，其中，所述極板基本上包括鍍有用于電解的活性催化劑的高導電性的材料。
4.根據權利要求1所述的設備，其中，所述活性催化劑為鎳。
5.根據權利要求1至4中任意一項所述的設備，其中，陽極板和陰極板具有通過板的孔的圖案，所述極板的公稱尺寸類似，并且在每個陽極板和每個陰極板上的孔的圖案的面積大于每個陽極板和每個陰極板的剩余實心區(qū)域的面積。
6.根據權利要求1所述的設備，其中，該設備還包括連接到所述陰極板和陽極板的施加電力的包括波形發(fā)生器的電源，其中，所述波形發(fā)生器產生直流電流波形，所述直流電流波形具有在10%至90%范圍內的占空比、在IkHz至32kHz范圍內的頻率以及在5V至50V范圍內的峰值電壓。
7.根據權利要求1所述的 設備，其中，該設備還包括設置于陽極和陰極之間、延伸以防止氣體從水上方混合的非導電屏障膜。
8.—種在反應容器中從水中解離出氫氣和氧氣的方法，該方法包括: 將電力供應給在間隔開的平行導電性極板的一個或多個陣列的相對端部處的一個或多個陰極板以及一個或多個陽極板，其中，所述極板的陣列包括介于陰極板和陽極板之間的多個中性極板，所述中性極板以交錯的中性子組布置，每個中性子組包括至少三個電連接的極板，且每個中性子組可與中性子組的其它子組、與陰極板、并與陽極板電隔離；且 供應電力的同時，解離含有設置于極板陣列周圍的電解質的水以析出氣相的氫氣和氧氣。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，供應電力進一步包括供應直流電流波形，所述直流電流波形具有在10%至90%范圍內的占空比、在IkHz至32kHz范圍內的頻率以及在5V至50V范圍內的峰值電壓。
10.根據權利要求8所述的方法，其中，該方法還包括:在解離水的同時，將水的溫度保持在約115° F和130° F的范圍內，且在真空下低于水的沸點。
11.一種用于制備可燃流體的方法，該方法包括: 保持液態(tài)燃料原料，液態(tài)燃料原料包括碳基材料在具有電解質的水中的懸浮液； 穿過液態(tài)燃料原料施加電流以便生成氣體輸出； 提取所述氣體輸出。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，所述碳基材料在懸浮于水中之前具有電荷。
13.根據權利要求11所述的方法，其中，所述碳基材料包括煤，所述煤具有不大于約10微米的中值顆粒直徑。
14.根據權利要求11所述的方法，其中，在施加所述電場的過程中，液態(tài)燃料原料保持在大約180° F或以上的溫度，以及在解離水的同時，在足夠的壓力下以保持液態(tài)燃料原料低于水的沸點。
15.根據權利要求11所述的方法，其中，所述液態(tài)燃料原料還包括液態(tài)烴類燃料。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，烴類液體與碳基材料的體積比為從約0.75比1到約I比I1。
【文檔編號】C25C7/02GK103917695SQ201280036234
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年5月23日 優(yōu)先權日:2011年5月23日
【發(fā)明者】G·J·貝休雷姆 申請人:先進燃燒技術股份有限公司