專利名稱:蒸汽和氫氣發(fā)生器的制作方法
蒸汽和氫氣發(fā)生器相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)根據(jù)美國(guó)法典第35條119(e)款要求申請(qǐng)日為2005年5月 16曰且名稱為"蒸汽和氫氣發(fā)生器"的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第60/681,165 的優(yōu)先權(quán),該申請(qǐng)的公開通過引用而結(jié)合于此。發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生高溫蒸汽和氫氣的裝置和方法。 發(fā)明背景氫氣被認(rèn)為是將來的清潔燃料。其原因?yàn)槿驅(qū)κ褂檬吞娲?的關(guān)注,該石油替代品作為燃并牛源是環(huán)境友好的,并且因?yàn)檫@樣的事 實(shí)氫氣的燃燒僅僅產(chǎn)生水,而燃料與碳的燃燒則形成C02,其對(duì)大 氣造成污染,從而導(dǎo)致"溫室"效應(yīng)。然而,氫氣的處理及分布是有 問題的,這是由于安全問題及能量成份濃度低的緣故。授權(quán)給Cornish的美國(guó)專利第4,702,894(其公開通過引用而結(jié)合于 此)描述了通過在水中將金屬表面加熱到一定溫度而產(chǎn)生氫氣,金屬與 水在此溫度下反應(yīng),從而產(chǎn)生氫氣。根據(jù)該專利,水中加熱可借助帶 有大約18,000伏特電壓的線,并且在大約1安培的電流下電性地執(zhí)行。了一種處理方法,用于運(yùn)行作為燃燒蒸汽機(jī)的壓縮馬達(dá)。根據(jù)此方法 中,在空氣存在的情況下,鎂和水反應(yīng)從而產(chǎn)生氫氣,并且氫氣在同 樣的室內(nèi)與同樣的空氣燃燒。這是不清楚的為什么鎂沒有直接和空 氣反應(yīng)。發(fā)明概要本發(fā)明的一些實(shí)施例的一方面涉及一種用于從金屬和水的反應(yīng) 中產(chǎn)生氫氣和蒸汽的方法。反應(yīng)通過將金屬點(diǎn)燃的電荷放電而啟動(dòng), 并且在不需要另 一次放電的情況下而繼續(xù)進(jìn)行。從而允許連續(xù)地產(chǎn)生 蒸汽和氫氣,而僅僅需要間歇性的電荷放電。方法依賴于一種發(fā)現(xiàn) 適當(dāng)數(shù)量的水和金屬《1入到反應(yīng)室內(nèi)的時(shí)候,反應(yīng)可在沒有放電的情 況下繼續(xù)進(jìn)行。為此,水應(yīng)當(dāng)多于金屬,但水的數(shù)量足夠小,從而不 會(huì)將金屬冷卻到低于反應(yīng)溫度。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,方法包括將金屬連續(xù)元件,比如金屬或含有金屬的線或桿進(jìn)給到放電源;將水蒸汽供應(yīng)到金屬連續(xù)元件的 附近;通過放電源而間歇性地提供足夠的放電,從而在金屬和水蒸汽 之間啟動(dòng)反應(yīng);及在沒有放電的情況使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。反應(yīng)中沒有放 電的時(shí)間越長(zhǎng),則在提供電荷放電時(shí)消耗的能量越少。元件被認(rèn)為是連續(xù)(contiguous)的,如果它的尺度至少為1厘米的 話,且反應(yīng)可沿著該尺度進(jìn)行的話。其可以具有螺旋、細(xì)長(zhǎng)管路、桿、 線或任何其它形狀,該形狀允許反應(yīng)沿著一定尺度進(jìn)行,以至于離開 從放電電極開始的放電距離。根據(jù)本發(fā)明,任何依賴與水的反應(yīng)而提供氫氣和熱量的物質(zhì)可適 合作為金屬。優(yōu)選地為穩(wěn)定的物質(zhì),該物質(zhì)在周圍溫度下,比如在300K 的溫度下不會(huì)自發(fā)地與水反應(yīng)。這種物質(zhì)的非限制性的示例為鎂、鋁、 硼、鋅、它們的混合物及它們的合金。在示例性的實(shí)施例中,具有桿或線形式的金屬元件以連續(xù)的方式 進(jìn)給到反應(yīng)室內(nèi),并且朝向室內(nèi)的放電電極。當(dāng)金屬線的至少一部分 到達(dá)從放電電極開始的放電距離時(shí)發(fā)生放電,并且金屬元件與水蒸汽 之間開始反應(yīng)。反應(yīng)縮短了線的長(zhǎng)度,并且將其帶離從電極開始的放 電距離。由金屬與水之間的放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱量,足以將金屬元件的 至少 一部分保持于反應(yīng)溫度,并且這種方式使得反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行成為 可能,并且不需要額外的放電。在該示例性實(shí)施例中,金屬的連續(xù)進(jìn) 給補(bǔ)償了線的縮短,并且也存在恒定的水供應(yīng),以便在金屬反應(yīng)部分的附近維持充足的水量,從而使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。金屬的進(jìn)給速度可選 地控制成將反應(yīng)位置保持于反應(yīng)室內(nèi),但保持于從電極開始的放電距 離之外。如果反應(yīng)停止的話,比如因?yàn)榻饘倮鋮s到低于反應(yīng)溫度的緣故, 那么金屬線的連續(xù)進(jìn)給將把金屬帶回到從電極開始的放電距離處,放 電將會(huì)發(fā)生,并且反應(yīng)將會(huì)恢復(fù)。這種實(shí)施例提供了針對(duì)反應(yīng)的系統(tǒng) 自控制,并且減小了反應(yīng)的非故意中斷的可能性。備選地或額外地, 放電源間歇性地打開并關(guān)閉,以便提供間歇性的放電。本發(fā)明方法優(yōu)選地在反應(yīng)室內(nèi)大致沒有液態(tài)水的時(shí)候執(zhí)行。這可 以實(shí)現(xiàn),如果室內(nèi)的溫度高于水在反應(yīng)室內(nèi)部壓力時(shí)的沸點(diǎn)的話,或 者優(yōu)選地高于水的臨界溫度。將水作為在室內(nèi)蒸發(fā)的液滴而卩1入到反 應(yīng)室內(nèi)也是優(yōu)選的。通過這種方式,水的冷卻效果增加,并且用于將 水克服反應(yīng)室的內(nèi)部工作壓力而推到反應(yīng)室內(nèi)的能量較小??蛇x地,水與金屬的適當(dāng)數(shù)量發(fā)現(xiàn)為如下金屬以恒定的速度引 入,并且目標(biāo)溫度設(shè)定成輸出氫氣和蒸汽。測(cè)量輸出溫度,并且如果 已測(cè)量溫度高于目標(biāo)溫度的話,增加水的輸入速度,或者如果被測(cè)量 溫度低于目標(biāo)溫度的話,減小水的輸入速度。當(dāng)已發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)乃斎?速度的時(shí)候,可將放電源關(guān)閉,而反應(yīng)將理想地且完美地繼續(xù)進(jìn)行。 在實(shí)踐中,可能會(huì)發(fā)生波動(dòng),比如由于金屬桿的不規(guī)則性,并且如果 波動(dòng)導(dǎo)致反應(yīng)停止的話,那么在桿的末端到達(dá)從電極開始的放電距離 的下一次,反應(yīng)重新開始。將額外的金屬提供到室內(nèi)的運(yùn)行優(yōu)選地與 將金屬帶到從電極開始的放電距離的運(yùn)動(dòng)相同。本發(fā)明一些實(shí)施例的一方面為執(zhí)行上述方法的裝置。裝置包括其 內(nèi)具有水蒸汽的反應(yīng)室、金屬連續(xù)元件及放電系統(tǒng)。放電系統(tǒng)配置成提供足以將金屬點(diǎn)燃的電荷放電,從而使金屬與水蒸汽反應(yīng)。裝置內(nèi) 的金屬連續(xù)地朝著放電電極移動(dòng),并且放電系統(tǒng)僅僅間歇性地提供放 電。術(shù)語(yǔ)"間歇性地,,用于文中,以便解釋系統(tǒng)僅僅在一部分時(shí)間內(nèi) 提供放電,并且以某種方式放電,該方式可具有規(guī)律性,雖然許多情況下沒有規(guī)律性。在一些實(shí)施例中,僅僅在需要以便使反應(yīng)開始的時(shí) 候才會(huì)發(fā)生放電,既可在運(yùn)行開始時(shí)發(fā)生,也可當(dāng)反應(yīng)在裝置運(yùn)行過 程中停止的時(shí)候發(fā)生。金屬朝著^:電電極移動(dòng)的速度優(yōu)選地低于或等于反應(yīng)速度。在文 中,反應(yīng)速度是金屬元件縮短的速度。當(dāng)進(jìn)給速度低于反應(yīng)速度的時(shí)候,可能會(huì)發(fā)生以下情況反應(yīng)停止,并且在發(fā)生另一次放電之前的 一段時(shí)間內(nèi)室內(nèi)沒有反應(yīng),且裝置在反應(yīng)停止之前輸出蒸汽和氫氣。通過這種方式,對(duì)進(jìn)給速度的制提供了對(duì)反應(yīng)室內(nèi)壓力和溫度的控制。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,裝置允許將多于一個(gè)的金屬連續(xù)元 件,可選地通過多個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)而引入到反應(yīng)室內(nèi),且每個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)對(duì) 一個(gè)元件進(jìn)行進(jìn)給。元件可以具有類似或不同的形狀及尺寸,并且可 以同時(shí)或不同時(shí)地進(jìn)給。這種結(jié)構(gòu)可用于提供具有寬廣動(dòng)力輸出范圍 的氫氣發(fā)生裝置。比如可以使用厚元件,其比較薄的元件提供更高的 輸入。備選地或額外地,多個(gè)同時(shí)地進(jìn)給的元件比該多個(gè)進(jìn)給元件中 的每一個(gè)元件提供更高的動(dòng)力輸出。本發(fā)明的裝置可作為獨(dú)立系統(tǒng)而使用,用于供應(yīng)蒸汽和氬氣,或 者以別的方式,該裝置可集成于發(fā)動(dòng)機(jī)的艙內(nèi)(board),該發(fā)動(dòng)機(jī)適于 將氫氣作為燃料并且利用加壓的高溫蒸汽。當(dāng)與發(fā)動(dòng)機(jī)一起使用的時(shí) 候,引入到反應(yīng)室內(nèi)的金屬量可用來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。此發(fā)動(dòng) 機(jī)可為渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃發(fā)動(dòng)^/U蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)或任何其它動(dòng)力轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)。相應(yīng)地,本發(fā)明的一些實(shí)施例的 一方面涉及一種用于在反應(yīng)室內(nèi) 產(chǎn)生氫氣和蒸汽的方法,該方法包括將金屬連續(xù)元件進(jìn)給到放電源; 通過放電源而間歇性地提供足夠的放電,從而在金屬連續(xù)元件的至少 一部分與水蒸汽之間啟動(dòng)反應(yīng);及在沒有放電的情況使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行??蛇x地,進(jìn)纟會(huì)連續(xù)地進(jìn)行??蛇x地,連續(xù)元件為桿或線。可選地,使反應(yīng)在沒有放電的情況下繼續(xù)進(jìn)行,包括繼續(xù)進(jìn)行至 少一秒鐘??蛇x地,方法沿著一個(gè)時(shí)段而執(zhí)行,并且放電源在小于該 時(shí)段一半的時(shí)間內(nèi)起作用。根據(jù)本發(fā)明的 一 個(gè)實(shí)施例,當(dāng)金屬連續(xù)元件位于從放電源開始的 放電距離處的時(shí)候提供放電,并且反應(yīng)縮短金屬連續(xù)元件,由此將金屬連續(xù)元件從自放電源開始的^:電距離處帶走??蛇x地,只要反應(yīng)繼 續(xù)進(jìn)行,則進(jìn)給不將桿或線帶到從放電源開始的放電距離處。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,方法進(jìn)一步包括停止反應(yīng);及借助連 續(xù)進(jìn)給而使反應(yīng)恢復(fù)??蛇x地,停止反應(yīng)包括將金屬冷卻至低于反應(yīng) 溫度??蛇x地,冷卻包括提供足夠量的水,以便將金屬冷卻到低于反 應(yīng)溫度。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行包括將水提供到反應(yīng) 室內(nèi),從而使反應(yīng)室內(nèi)的水多于金屬。可選地,使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行包括 將數(shù)量足夠小的水提供到反應(yīng)室內(nèi),用于將反應(yīng)室內(nèi)的溫度維持到高 于反應(yīng)室內(nèi)水的沸點(diǎn),或者高于水的臨界溫度。可選地,反應(yīng)室內(nèi)大致沒有氧氣??蛇x地,方法包括在大約高于 20(TC或高于30(TC的出口溫度下將氫氣從反應(yīng)室中放出??蛇x地,方法包括對(duì)所產(chǎn)生的氫氣和蒸汽的溫度進(jìn)行監(jiān)視,并且 以對(duì)應(yīng)于所監(jiān)視溫度的速度而提供水及/或金屬??蛇x地,方法包括將水滴4是供到反應(yīng)室內(nèi),并且將水滴蒸發(fā)???選地,反應(yīng)的熱量將水滴蒸發(fā)。優(yōu)選地,金屬連續(xù)元件內(nèi)的金屬為穩(wěn)定金屬,其不會(huì)在30'C時(shí)自 發(fā)地與水反應(yīng)。可選地,穩(wěn)定金屬選自以下小組鎂、鋁、硼、鋅、 它們的混合物及它們的金屬合金。可選地,方法在移動(dòng)車輛的艙內(nèi)執(zhí) 行。備選地,方法在靜態(tài)裝置內(nèi)執(zhí)行??蛇x地,發(fā)動(dòng)機(jī)選自以下小組 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)??蛇x地,金屬引入到反應(yīng)室內(nèi)的速度控制動(dòng)力輸出。可選地,方法包括將產(chǎn)生的蒸汽可選地借助隔膜而從所產(chǎn)生的氫 氣中分離出去,并且單獨(dú)地使用它們??蛇x地,隔膜包括金屬隔膜。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,氫氣用于燃料電池,而蒸汽則用于蒸 汽發(fā)動(dòng)機(jī)中。備選地或額外地,氫氣和蒸汽作為混合物而用于無氫氣 點(diǎn)燃的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)中,并且在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)膨脹之后,蒸汽部分地冷凝, 而氫氣則^皮分離。本發(fā)明的 一些實(shí)施例的 一方面涉及一種裝置,用于借助金屬與水蒸汽之間的反應(yīng)而產(chǎn)生氫氣和蒸汽,該裝置包括a. 反應(yīng)室,其裝備有放電電極;b. 水入口,用于將水引入到反應(yīng)室內(nèi);c. 電源,其連接到放電電極,并且可連接到金屬連續(xù)元件,從而 當(dāng)金屬桿或線到達(dá)放電電極的時(shí)候發(fā)生放電,該放電足以點(diǎn)燃金屬;d. 金屬進(jìn)給系統(tǒng),其配置成朝著放電電極前移金屬連續(xù)元件;e. 氣體出口,用于將蒸汽和氫氣從反應(yīng)室中輸出;以及f. 控制系統(tǒng),其配置成控制金屬進(jìn)給系統(tǒng)及水入口 ,從而使(i) 裝置大約在目標(biāo)溫度下輸出蒸汽和氫氣,該溫度可選地高于IOO'C, 可選地高于300"C; (ii)反應(yīng)室內(nèi)的溫度高于水在反應(yīng)室內(nèi)壓力處的沸 點(diǎn);以及(iii);故電電極間歇性地運(yùn)4亍??蛇x地,金屬連續(xù)元件為金屬桿或線??蛇x地,根據(jù)本發(fā)明的裝置包括多個(gè)金屬進(jìn)給系統(tǒng),其聯(lián)合起來 能夠?qū)⒍鄠€(gè)金屬線或桿進(jìn)給到反應(yīng)室內(nèi)??蛇x地,裝置具有進(jìn)給系統(tǒng),進(jìn)給系統(tǒng)包括彈性密封件,用于在 沒有將氫氣和蒸汽從反應(yīng)室釋放到環(huán)境中的情況下而將金屬連續(xù)元 件進(jìn)給到反應(yīng)室內(nèi)??蛇x地,水入口將水滴引入到反應(yīng)室內(nèi)。本發(fā)明的一方面涉及一種裝置,用于借助金屬與水蒸汽之間的反 應(yīng)而產(chǎn)生氫氣和蒸汽,該裝置包括其內(nèi)具有金屬連續(xù)元件的反應(yīng)室及 放電系統(tǒng),放電系統(tǒng)配置成提供足以點(diǎn)燃金屬連續(xù)元件的至少 一部分的電荷放電,并且金屬的至少一部分與水蒸汽反應(yīng),而金屬元件則連 續(xù)地朝著放電電極移動(dòng),且放電系統(tǒng)間歇性地提供放電。可選地,反 應(yīng)室內(nèi)的溫度高于水在裝置內(nèi)的壓力下的沸點(diǎn)。優(yōu)選地,反應(yīng)室內(nèi)的 溫度高于水的臨界溫度??蛇x地,裝置包括多個(gè)進(jìn)入反應(yīng)室內(nèi)的金屬連續(xù)元件。可選地,放電電極連接到低于IOO伏特的電壓源上。可選地,在根據(jù)本發(fā)明的裝置中,金屬通過彈性密封件而進(jìn)入反應(yīng)室中。可選地,裝置包括用 于將金屬連續(xù)元件的一部分從水中隔離的隔離部件??蛇x地,裝置包 括用于將金屬連續(xù)元件的一部分從反應(yīng)室中熱隔絕的熱隔絕件。可選 地,裝置包括用于冷卻金屬連續(xù)元件的該部分的熱交換器??蛇x地, 裝置進(jìn)一步包括隔膜,可選地為金屬隔膜,用于將氬氣從蒸汽中分離 出去。附圖簡(jiǎn)述本發(fā)明的示例性非限制性實(shí)施例將結(jié)合附圖而被描述。
圖1示意性地展示了根據(jù)本發(fā)明的用于產(chǎn)生氫氣和蒸汽的裝置的一個(gè)實(shí)施例;圖2示意性地展示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例且具有混合物消耗體的蒸汽和氫氣產(chǎn)生裝置;以及圖3示意性地展示了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的蒸汽和氬氣消耗裝置。 展示于圖中的構(gòu)件和特征的尺寸為方便及表達(dá)清晰而選擇,而并不必按比例顯示出來。發(fā)明實(shí)施例詳述圖1示意性地展示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的裝置100。在該實(shí) 施例中,連接到電源104的金屬線和桿102推進(jìn)到反應(yīng)室106中,該 反應(yīng)室106優(yōu)選地^皮密封起來。線或桿102朝著對(duì)電極(counter electrode)IIO(也稱為"放電電極")而進(jìn)給,對(duì)電極110初始地與金屬線或桿絕緣,并且該對(duì)電極110借助室106的壁體126而電性地連接 到電源104。備選地,放電電極可借助線(圖未示)而連接到電源,該線 可選地且電性地與室的壁體絕鄉(xiāng)彖。圖1也展示了可選的進(jìn)給機(jī)構(gòu)130,其沿著水平線將金屬線或桿 102朝著放電電極110而推到反應(yīng)室106內(nèi)。在其它實(shí)施例中,桿或 線102垂直地進(jìn)入室106內(nèi),或者與地面成其它角度地進(jìn)入室06內(nèi)。如圖所示,放電電極110可選地為桿狀,并且成形為曲棍球棒的 形狀。在其它實(shí)施例中,放電電極可以具有業(yè)界所知的任何其它形狀, 比如網(wǎng)狀、盤狀、桶狀或直線狀。電極110繪制于圖1中的角度以便 容納桿102可具有優(yōu)點(diǎn)當(dāng)金屬桿跑到電極110而沒有放電的時(shí)候(比 如因?yàn)榉烹婋娫磁c電極斷開的原因),金屬桿會(huì)彎曲,而不是與電極沖 撞。備選地或額外地,電極可彈性地附接到室的內(nèi)壁上,從而使電極 在被正在進(jìn)給的金屬桿碰撞的情況下彎曲。備選地或額外地,電極上 可形成有孔,從而使正在進(jìn)給的桿在沒有沖撞的情況下通過該孔。圖1也展示了彈性密封件108,用于將金屬桿進(jìn)給到室內(nèi),而沒 有將氣體從室釋放到環(huán)境中。^H可其它能夠?qū)⒔饘龠M(jìn)給到室內(nèi)而沒有 放出氣體的手段可代替彈性密封件。該手段的非限制性示例為熱噴 嘴。額外地,密封件108可作為隔絕部件而使用,從而將密封件內(nèi)的 線的一部分與室內(nèi)的水蒸汽隔絕開。密封件108可選地設(shè)置于陶資套 筒108A內(nèi),陶瓷套筒108A將密封件與室的壁體126熱隔離開,在運(yùn) 行的時(shí)候,該密封件可能會(huì)被來源于反應(yīng)室的熱量相當(dāng)?shù)丶訜???蛇x 地使用熱交換器108B來冷卻室106外部的金屬線102的一部分。圖1也展示了水入口 114;經(jīng)由水入口 114而插入的水112;氣 體出口 124,用于將產(chǎn)生的氫氣和蒸汽從裝置100中放出去,以便用 于任何消耗系統(tǒng)(圖2中的300);以及安全出口 128,其配置成允許當(dāng) 壓力升到高于預(yù)定值的時(shí)候,將壓力釋放。該實(shí)施例中的反應(yīng)室106進(jìn)一步裝備有可選的溫度傳感器116A、 壓力傳感器116B及可移去的蓋體118。可選的可移去蓋體借助螺釘120而密封于室的壁體上??梢迫ドw體118可被移去,以便為清潔、檢查、維護(hù)等目的而打開室。檢制系統(tǒng)122通過控制將金屬102及/ 或水112引入到室106的速度而控制動(dòng)力輸出??刂葡到y(tǒng)122可選地 也控制氣體出口 124,并且通過該氣體出口 124而控制室內(nèi)的壓力。 額外地或備選地,氣體出口由消耗體(consumer)所控制,該消4毛體接 收從出口 124出來的氫氣和蒸汽。在示例性實(shí)施例中,消耗體通過控 制系統(tǒng)而與裝置導(dǎo)通。在運(yùn)行的過程中,金屬102通過進(jìn)給機(jī)構(gòu)130并且克服反應(yīng)室106 內(nèi)的壓力而朝著電極IIO進(jìn)給。進(jìn)給后的金屬到達(dá)從電極開始的放電 距離,并且這產(chǎn)生電性放電,該電性放電對(duì)金屬102及反應(yīng)室106內(nèi) 的大氣加熱,從而啟動(dòng)與水蒸汽的反應(yīng)。用于反應(yīng)的水112以小滴^i的形式經(jīng)由噴灑器114而噴射到室 106內(nèi)。噴灑器114配置成克刀良反應(yīng)室內(nèi)的壓力而噴灑水。水可選地 在與金屬進(jìn)入的時(shí)間不同的時(shí)間噴射,并且可選地在控制環(huán)路內(nèi)被控 制,該控制環(huán)路不同于金屬進(jìn)纟舍的控制環(huán)路,并且可選地獨(dú)立于金屬 進(jìn)給的控制環(huán)路。在一些實(shí)施例中,水具有其自己的控制環(huán)路。室內(nèi) 的壓力優(yōu)選地低于水在室內(nèi)的溫度下的蒸汽壓力,并且水112在其到 達(dá)金屬102之前而蒸發(fā)。如果液態(tài)水沒有到達(dá)熱金屬的話,那么金屬 由于水的高蒸發(fā)熱量的緣故而相當(dāng)?shù)乇焕鋮s,并且反應(yīng)可能停止或減 慢。水蒸汽與金屬反應(yīng),并且金屬桿102相應(yīng)地收縮,并且通過這種 方式,桿的端部102A離開從電極110開始的放電距離。備選地或額 外地,桿102可借助進(jìn)給機(jī)構(gòu)130而抽回。金屬桿繼續(xù)朝著電極HO進(jìn)給,并且繼續(xù)與水112反應(yīng)。可選地, 金屬桿的進(jìn)給速度及經(jīng)由噴灑器114而噴射的水流借助控制系統(tǒng)112 而得以調(diào)整,從而使金屬線102與電極10之間的距離相對(duì)恒定,即 桿102的端部102A沒有進(jìn)入密封件108內(nèi),并且沒有進(jìn)入從電極開 始的放電距離。金屬與水之間的反應(yīng)產(chǎn)生的熱量使得反應(yīng)得以維持, 并且流經(jīng)噴灑器114的水,控制著室106內(nèi)的溫度水比金屬的量越多,則溫度越低。作為水與金屬之間反應(yīng)副產(chǎn)品的金屬氧化物可借助業(yè)界所知的^f壬何手段,比如描述于美國(guó)專利申請(qǐng)公開第2004/0237499中的手l更而 從裝置100中丟棄。如果水與鎂反應(yīng)并且沒有多余水的話,溫度將可能升高到大約 150(TC,其通常不合需要。為了將溫度維持于大約30(TC到大約600 °C,水與鎂之間的摩爾比應(yīng)當(dāng)在大約3:1到大約6:1。對(duì)于其它金屬, 這些比值不同。控制系統(tǒng)122優(yōu)選地配置成獨(dú)立于壓力而控制溫度。壓力控制可 通過控制金屬引入到室內(nèi)的速度,及/或通過控制氫氣和蒸汽經(jīng)由出口 124而從系統(tǒng)中排出的速度而獲得。金屬引入速度的增加,可選地通過增加金屬朝著電極的進(jìn)給速度 而獲得。額外地或備選地,金屬可以多于一個(gè)桿的形式而引入,從而 當(dāng)需要更高壓力的(或動(dòng)力輸出)時(shí)候,額外的桿經(jīng)由額外的進(jìn)給系統(tǒng) (圖未示)而引入到室內(nèi)??蛇x地,不同的金屬桿朝著不同的放電電極 進(jìn)給,放電電極可連接到相同的或不同的電源上。額外地或備選地, 不同的金屬桿朝著公共放電電極進(jìn)給。溫度控制可通過調(diào)整引入到系 統(tǒng)內(nèi)的水與金屬之間的比值而獲得。每個(gè)金屬單元內(nèi)添加的水越多, 則溫度越低,因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)有更多的材料來吸收反應(yīng)熱量。可選地,控制系統(tǒng)122控制金屬桿或線102的進(jìn)給,從而使電荷 放電僅僅在一部分時(shí)間內(nèi)發(fā)生,比如在90%、 70%、 50%、 30%、 10%、 5%、 1%的時(shí)間內(nèi)發(fā)生,或在任何更低或中間值的時(shí)間內(nèi)發(fā)生。這也 是可選的控制系統(tǒng)控制金屬線或桿的進(jìn)給,從而在一次電荷放電與 另一次電荷》丈電之間,至少為1秒、5秒、30秒或任何其它更高或中 間階段將度過。該階段可在系統(tǒng)運(yùn)行過程中改變,并且可選地由設(shè)備 操作員直接地界定,但也不是必然要這樣。比如,操作員可以一種方 式而為控制系統(tǒng)界定輸出溫度和壓力,而控制系統(tǒng)將控制金屬線或桿 的進(jìn)給、水的噴射及流體從室內(nèi)的流出,該方式維持預(yù)定的參數(shù)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,如上所述,這種控制促使電荷放電僅僅在時(shí) 間的 一部分發(fā)生,或者僅僅在先前放電之后的某個(gè)階段內(nèi)發(fā)生。電極110連接到電源104,用于提供電荷放電。用于將鎂桿在水蒸汽以下點(diǎn)燃的電壓發(fā)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)小于100伏特,并且在許多情況下, 大約IO到大約30伏特之間的電壓足夠。如果系統(tǒng)運(yùn)行的過程中產(chǎn)生 電弧的話,電荷放電電流無規(guī)律地增加,在這種情況下,出于安全的 原因,并且為了有助于進(jìn)一步控制反應(yīng)室內(nèi)的壓力和溫度,控制系統(tǒng) 122可選地從放電電源104斷開。 示例1根據(jù)描述于圖中的實(shí)施例構(gòu)造出一種裝置。直徑為2.4毫米的 鎂線以3.7厘米/秒的速度進(jìn)給入系統(tǒng)內(nèi)。水經(jīng)由噴灑器并以將溫度保 持于35(TC的目標(biāo)溫度所需要的速度而噴射。放電電極由不銹鋼制成, 并且放電電源取自商業(yè)上可獲得的焊機(jī)。使用大約20伏特的放電電 壓??刂葡到y(tǒng)設(shè)定成在20個(gè)大氣壓的總壓力及35(TC的溫度下,維持 恒定的氫氣和蒸汽流出量。當(dāng)壓力達(dá)到30個(gè)大氣壓的時(shí)候,安全閥 變的打開。裝置運(yùn)行3分鐘,然后;^丈電電源從系統(tǒng)中斷開,并且運(yùn)行 額外地持續(xù)3分鐘,此后系統(tǒng)通過停止金屬的進(jìn)給并且通過加水而關(guān) 閉,直到輸出壓力開始減小。示例2如在示例中所用的裝置,運(yùn)行成在高達(dá)554。C及平均為440°C 的多種溫度下輸出蒸汽和氫氣。壓力在12到22個(gè)大氣壓之間,且平 均壓力為20個(gè)大氣壓。通過連續(xù)地且以3.4厘米/秒的平均速度供應(yīng) 直徑為2.4毫米的金屬線,并且通過改變水的輸入量,即增加輸入量 以減小溫度,并且減小輸入量以增加溫度,溫度和壓力得以操控。然 后,水與金屬的輸入量得到穩(wěn)定,并且放電電源斷開。運(yùn)行另外地持 續(xù)1分鐘,并且如上所述的系統(tǒng)關(guān)閉。粗略的系統(tǒng)效能評(píng)估在用于示例和2的系統(tǒng)中,放電產(chǎn)生了大約lkW的電能(電壓大約為20伏特,電流為50安;咅),并且系統(tǒng)產(chǎn)生大約10kW的熱能。 在20%-50%的轉(zhuǎn)換率下,其為典型的將熱轉(zhuǎn)換為電的轉(zhuǎn)換率,這可能 已經(jīng)提供了 2-5kW的電能。相應(yīng)地,如果需要恒定放電的話,那么 20%-50%的能量將消耗于放電中。然而,在本申請(qǐng)中,放電是間歇性 的,并且放電能量與輸出能量之間的比值非常小。比如,當(dāng)系統(tǒng)在放 電電路連接的情況下運(yùn)行3分4中的時(shí)候,然后在放電電路斷開的情況 下運(yùn)行另外3分鐘的時(shí)候,至少節(jié)約了 50%的能量,該能量在以上計(jì) 算中將消耗于放電中。然而,此數(shù)字低估了所獲得的節(jié)省量,因?yàn)楫?dāng) 放電電路連接的時(shí)候,電流間歇性流過該放電電路,并且每次僅僅持所需要時(shí)間的時(shí)候,所需的放電能量相對(duì)于產(chǎn)生的能量可忽略不計(jì)。圖2描述了根據(jù)本發(fā)明 一個(gè)實(shí)施例的裝置200,其位于消耗體300 的輪內(nèi)。所示的裝置200包括出口 224,用于將蒸汽和氫氣放入到消耗體 300中。所示的裝置200也具有兩個(gè)可選的出口 250和260。出口 250 可選地用于當(dāng)裝置200已經(jīng)停止運(yùn)行,并且在裝置200再次運(yùn)行之前, 而將水從裝置200中放出去。出口 260可選地用于將水與金屬之間的 反應(yīng)產(chǎn)生的金屬氧化物放出去。裝置200的其它元件與展示于圖1中 的裝置100的那些元件類似,并且為簡(jiǎn)明起見而在圖2中沒有再現(xiàn)。在圖2中的實(shí)施例中,裝置200用于在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)及電力發(fā)動(dòng)機(jī) 中混合運(yùn)行,并且用于燃料電池350中,而蒸汽則用于蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)360 中。氫氣和蒸汽也可單獨(dú)地用于其它熱與電組合的系統(tǒng)中,且所示的 消耗體300包括用于將氫氣從蒸汽中分離的分離單元304。分離單元 304包括分離隔膜310,其可選地為金屬隔膜,并且其將氫氣從蒸汽 中分離出去。分離單元304具有位于隔膜310的一個(gè)側(cè)邊的氫氣出口 320,及位于隔膜的另一個(gè)側(cè)邊的蒸汽出口 330。在圖3中,根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的裝置400位于汽車410的艙 內(nèi),從而將蒸汽和能量提供給汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)420。在另一個(gè)實(shí)施例中,用于產(chǎn)生蒸汽和氫氣的裝置在高溫和高壓下 將蒸汽和氫氣提供給蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī),蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)沒有點(diǎn)燃?xì)錃?,并且?發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)膨脹之后,蒸汽部分地在冷凝器內(nèi)冷凝,而氫氣則被分離并 可用于其它應(yīng)用中,比如燃料電池。最后,申請(qǐng)人的以US2004/0237499公開的早期申請(qǐng)(其公開通過 引用而結(jié)合于此)描述了許多其它的消耗體與反應(yīng)室的組合,該反應(yīng)室 產(chǎn)生蒸汽和氫氣,并且在所有這些組合中,反應(yīng)室可以為根據(jù)本發(fā)明 實(shí)施例的反應(yīng)室。上述裝置和方法也可用于借助二氧化碳而將金屬氧化,從而產(chǎn)生 一氧化碳。為此,水入口 114 ^^換為二氧化^友入口 ,而經(jīng)由出口 124 輸出的則為一氧化碳。類似的裝置和方法也可用于產(chǎn)生蒸汽與合成氣 (氫氣與一氧化碳的氣態(tài)混合物)。為此,二氧化碳及水與金屬反應(yīng)。 為了實(shí)施用于產(chǎn)生合成氣的方法與裝置,圖1中的裝置可選地通過將 二氧化^炭入口加入到水入口 114而得以修改。本發(fā)明已經(jīng)通過其實(shí)施例的非限制性的詳細(xì)描述而得以描述,非 限制性的詳細(xì)描述通過舉例的形式而提供,且并非旨在限制發(fā)明范 圍。應(yīng)當(dāng)理解針對(duì)一個(gè)實(shí)施例描述的特征及/或步驟可用于其它實(shí)施 例中,并且并非本發(fā)明的所有實(shí)施例都具有展示于特定附圖中或針對(duì) 實(shí)施例中的其中 一個(gè)而描述的所有特征及/或步驟。所述實(shí)施例的變型 將發(fā)生于本領(lǐng)域的技術(shù)人員。此外,當(dāng)用于公開及/或權(quán)利要求中的時(shí) 候,術(shù)語(yǔ)"包括"、"包含"、"具有"及它們的變形將意味著"包 括但并不必局限于"。應(yīng)當(dāng)注意上述實(shí)施例中的一些可能描述了發(fā)明人構(gòu)思出的最佳 方式,并且因此可能包括結(jié)構(gòu)、動(dòng)作或結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)及可能對(duì)發(fā)明不是 基本的但作為示例而描述的動(dòng)作。文中描述的結(jié)構(gòu)與動(dòng)作可被等同物 所替換,如為業(yè)界所知那樣,即使結(jié)構(gòu)或動(dòng)作不同,等同物執(zhí)行相同 的功能。因此,本發(fā)明的范圍僅僅由權(quán)利要求中所用的元件與限制所 限制。
權(quán)利要求
1.一種用于在反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生氫氣和蒸汽的方法,所述方法包括a.將金屬連續(xù)元件朝向放電源進(jìn)給;b.通過所述放電源而間歇性地提供足夠的放電,從而在所述金屬連續(xù)元件的至少一部分與水蒸汽之間啟動(dòng)反應(yīng);及c.在沒有放電的情況使所述反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述進(jìn)給連續(xù)地進(jìn)行。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述連續(xù)元件為 桿或線。
4. 如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所迷的方法,其特征在于,當(dāng)所述 金屬連續(xù)元件位于從放電源開始的放電距離處時(shí)提供放電,并且所述 反應(yīng)縮短所述金屬連續(xù)元件,由此將所述金屬連續(xù)元件從自放電源開 始的放電距離處帶走。
5. 如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,只要所 述反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,則所述進(jìn)給不將所述桿或線帶到從所述^:電源開始 的放電距離處。
6. 如前述權(quán)利要求2-5中任何一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,所 述方法進(jìn)一步包括c. 停止所述反應(yīng);以及d. 通過所述連續(xù)進(jìn)給而使所述反應(yīng)恢復(fù)。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于,停止所述反應(yīng)包括將 所述金屬冷卻到低于反應(yīng)溫度。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法,其特征在于,所述冷卻包括提供足 夠數(shù)量的水,從而將所述金屬冷卻到低于所述反應(yīng)溫度。
9. 如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,使所述 反應(yīng)在沒有放電的情況下繼續(xù)進(jìn)行包括至少繼續(xù)進(jìn)行1秒鐘。
10. 如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,使所述反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行包括將水提供到所述反應(yīng)室內(nèi),從而使所述反應(yīng)室內(nèi) 的水多于所述金屬。
11. 如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,使所 述反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行包括將數(shù)量足夠小的水提供到所述反應(yīng)室內(nèi),從而將 所述反應(yīng)室內(nèi)的溫度維持到高于所述反應(yīng)室內(nèi)的所述水的沸點(diǎn)溫度。
12. 如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,所述 反應(yīng)室內(nèi)的溫度高于所述水的臨界溫度。
13. 如前述權(quán)利要求中任4可一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,所述 反應(yīng)室內(nèi)大致沒有氧氣。
14. 如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,包括 在高于200°C的出口溫度下將所述氫氣從所述反應(yīng)室中放出去。
15. 如前述權(quán)利要求所述的方法,其特征在于,所述出口溫度高 于30(TC。
16. 如前述權(quán)利要求中任^r一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,所述 方法沿著一個(gè)時(shí)段而執(zhí)行,并且所述放電源在小于所述時(shí)段一半的時(shí) 間內(nèi)起作用。
17. 如前述權(quán)利要求中任j可一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,包括監(jiān)視所產(chǎn)生的氫氣和蒸汽的溫度,并且以與所監(jiān)視的溫度對(duì)應(yīng)的速度 提供水。
18. 如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,包括 監(jiān)視所述產(chǎn)生的氫氣和蒸汽的溫度,并且以與所監(jiān)視的溫度對(duì)應(yīng)的速 度提供金屬。
19. 如權(quán)利要求8-18中任何一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,提供 水包括將水滴提供到所述反應(yīng)室內(nèi),并且將所述水滴蒸發(fā)。
20. 如前述權(quán)利要求中任^T一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,所述 金屬為穩(wěn)定金屬,其在3(TC下沒有自發(fā)地與水反應(yīng)。
21. 如前述權(quán)利要求所述的方法,其特征在于,所述穩(wěn)定金屬選 自以下小組鎂、鋁、硼、鋅、它們的混合物及它們的金屬合金。
22. 如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,所述 方法在移動(dòng)車輛的艙內(nèi)執(zhí)行。
23. 如權(quán)利要求22所述的方法,其特征在于,所述發(fā)動(dòng)機(jī)選自以 下小組渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)及蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)。
24. 如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,金屬 《1入到所述反應(yīng)室內(nèi)的所述速度控制動(dòng)力輸出。
25. 如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,包括 將所產(chǎn)生的蒸汽從所產(chǎn)生的氫氣中分離出去,并且單獨(dú)地使用它們。
26. 如前述權(quán)利要求所述的方法,其特征在于,分離包括通過隔 膜而過濾。
27. 如前述權(quán)利要求所述的方法,其特征在于,所述隔膜包括金屬隔膜。
28. 如權(quán)利要求25所述的方法,其特征在于,所述氫氣用于燃料 電池,而所述蒸汽則用于蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)。
29. 如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,所述 氫氣和所述蒸汽作為混合物而用于沒有點(diǎn)燃所述氫氣的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī) 中,并且在所述發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)膨脹之后,所述蒸汽部分地冷凝,而所述氬 氣則被分離。
30. —種用于借助金屬與水蒸汽之間的反應(yīng)而產(chǎn)生氫氣和蒸汽的 裝置,所述裝置包括a. 反應(yīng)室,其裝備有放電電極;b. 水入口,用于將水引入到所述反應(yīng)室內(nèi);c. 電源,其連接到所述放電電極上,并且其可連接到金屬連續(xù)元 件上,從而當(dāng)所述金屬桿或線到達(dá)所述放電電極的時(shí)候發(fā)生放電,所 述放電足以點(diǎn)燃所述金屬;d. 金屬進(jìn)給系統(tǒng),其配置成朝著所述放電電極而前移所述金屬連 續(xù)元件;e. 氣體出口,用于將蒸汽和氫氣從所述反應(yīng)室中輸出;以及f.控制系統(tǒng),其配置成控制所述金屬進(jìn)給系統(tǒng)及水入口,從而使(i)所述裝置在目標(biāo)溫度附近的溫度下輸出蒸汽和氬氣;(ii)所述反應(yīng)室內(nèi) 的溫度高于水在所述反應(yīng)室內(nèi)的壓力下的沸點(diǎn)溫度;以及(iii)所述放 電電極間歇性地運(yùn)行。
31. 如權(quán)利要求30所述的裝置,其特征在于,所述金屬連續(xù)元件 為金屬桿或線。
32. 如權(quán)利要求30所述的裝置,其特征在于,所述目標(biāo)溫度高于 IO(TC。
33. 如權(quán)利要求30所述的裝置,其特征在于,所述目標(biāo)溫度高于 30(TC。
34. 如權(quán)利要求30-33中任何一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于,包 括多個(gè)金屬進(jìn)給系統(tǒng),其聯(lián)合起來能夠?qū)⒍鄠€(gè)金屬線或桿進(jìn)給到所述 反應(yīng)室內(nèi)。
35. 如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于,所述 進(jìn)給系統(tǒng)包括彈性密封件,用于在沒有將氫氣和蒸汽從所述反應(yīng)室釋 放到所述環(huán)境中的情況下而將所述金屬連續(xù)元件進(jìn)給到所述反應(yīng)室 內(nèi)。
36. 如前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于,所述 水入口將水滴引入到所述反應(yīng)室內(nèi)。
37. —種用于借助金屬與水蒸汽之間的反應(yīng)而產(chǎn)生氫氣和蒸汽的 裝置,所述裝置包括其內(nèi)具有金屬連續(xù)元件的反應(yīng)室,以及放電系統(tǒng), 所述放電系統(tǒng)配置成提供足以點(diǎn)燃所述金屬連續(xù)元件的至少 一部分 的電荷放電,并且所述金屬的至少一部分與水蒸汽反應(yīng),而所述金屬 元件則連續(xù)地朝著所述放電電極移動(dòng),且所述放電系統(tǒng)間歇性地提供 放電。
38. 如權(quán)利要求37所述的裝置,其特征在于,所述反應(yīng)室內(nèi)的溫 度高于水在所述裝置內(nèi)的壓力下的沸點(diǎn)溫度。
39. 如權(quán)利要求37或38所述的裝置,其特征在于,所述反應(yīng)室內(nèi)的溫度高于所述水的臨界溫度。
40. 如權(quán)利要求37-38中任何一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于,包 括多個(gè)進(jìn)入所述反應(yīng)室內(nèi)的金屬連續(xù)元件。
41. 如權(quán)利要求37-40中4壬何一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于,所 述放電電極連接到低于100伏特的電壓源上。
42. 如權(quán)利要求37-41中任何一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于,所 述金屬通過彈性密封件而進(jìn)入所述反應(yīng)室中。
43. 如權(quán)利要求37-42中〗壬何一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于,包 括用于將所述金屬連續(xù)元件的一部分與水隔離的隔離部件。
44. 如權(quán)利要求37-43中4壬何一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于,包 括用于將所述金屬連續(xù)元件的 一部分與所述反應(yīng)室熱隔絕的熱隔絕 件。
45. 如前述權(quán)利要求中任^T一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于,包括 用于冷卻所述金屬連續(xù)元件的所述部分的熱交換器。
46. 如權(quán)利要求37-45中〗壬何一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于,進(jìn) 一步包括用于將所述氫氣從所述蒸汽中分離出去的隔膜。
47. 如前述權(quán)利要求中任<可一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于,所述 隔膜為金屬隔膜。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于在反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生氫氣和蒸汽的方法,方法包括將金屬連續(xù)元件朝向放電源進(jìn)給;通過放電源而間歇性地提供足夠的放電,從而在金屬連續(xù)元件的至少一部分與水蒸汽之間啟動(dòng)反應(yīng);并在沒有放電的情況使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。
文檔編號(hào)C01B3/10GK101223102SQ200680025715
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2006年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月16日
發(fā)明者A·約格夫, E·甘宗, M·什穆利 申請(qǐng)人:恩吉紐伊提研究和發(fā)展有限公司