專利名稱：內(nèi)燃機(jī)廢氣電氣體發(fā)電及等離子體化學(xué)反應(yīng)制氫方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)能源領(lǐng)域，具體涉及利用內(nèi)燃機(jī)廢氣制取氫氣的方法與裝置，屬于國際專利分類F02B內(nèi)燃機(jī)，F(xiàn)02M“一般燃燒發(fā)動機(jī)可燃混合物的供給”技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前國際石油資源已呈現(xiàn)枯竭狀態(tài)，石油價格持續(xù)攀升，呈上升趨勢，而人類的主要交通工具——汽車的數(shù)量及其他內(nèi)燃機(jī)卻有增無減。其中，僅汽車現(xiàn)已達(dá)7億多輛，消耗了石油燃料的46％，同時也排放出了大量污染環(huán)境的廢氣。化石燃料大量使用的結(jié)果，讓人類面臨能源與環(huán)境的雙重挑戰(zhàn)，迫使人們不得不探索、研究、開發(fā)利用清潔和可再生的新能源，而氫正是眾所矚目的新型能源之一。目前，在汽車上實現(xiàn)氫燃料的途徑有四種一是高壓儲氫；二是液態(tài)儲氫；三是吸附儲氫；四是金屬氫化物。由于氫的特殊性質(zhì)，要使氫燃料完全代替目前石油燃料，并非指日可待。這就迫使人們繼續(xù)尋找制造氫燃料的新途徑。其中，低成本氫的大量制取及安全儲運(yùn)和有效使用是最為關(guān)鍵的問題。因此有關(guān)氫技術(shù)的任何新進(jìn)展及突破，都將震動整個能源界及汽車工業(yè)。以氫為燃料并不僅僅是因為石油短缺或者保護(hù)環(huán)境的需要，而是歷史發(fā)展的必然要求。氫的使用必將帶動一場新的技術(shù)革命，并將人類社會帶入新的文明階段。

發(fā)明內(nèi)容
原理根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的熱平衡，散發(fā)熱量占28％-33％，排氣熱量占34-36％，機(jī)械損失及其他熱量占6-9％，有用功熱量僅占22-32％。如果一輛小轎車的功率是100kw，那么它散發(fā)熱量近似103kw，排氣熱量近似130kw，機(jī)械損失及其他熱量約28kw。散發(fā)熱量和排氣熱量占內(nèi)燃機(jī)總熱量相當(dāng)大的部分。如何有效利用內(nèi)燃機(jī)的散發(fā)熱量和排氣熱量十分關(guān)鍵。
內(nèi)燃機(jī)排氣溫度一般在600-900℃，有一定壓力，對于電氣體發(fā)電來說，已有相當(dāng)可觀的熱效率。利用排出的廢氣進(jìn)行電氣動力學(xué)發(fā)電(以下簡稱電氣體發(fā)電)，進(jìn)而等離子體—化學(xué)反應(yīng)制氫，理論上可行，毋庸質(zhì)疑。問題是電氣體發(fā)電制氫，所得氫的產(chǎn)量能否維持或滿足該內(nèi)燃機(jī)自身運(yùn)轉(zhuǎn)的需求。現(xiàn)在我們通過數(shù)據(jù)來說明設(shè)一輛汽車的功率是100kw，熱效率是27％，散發(fā)熱量是30％，排氣熱量是35％，則汽車發(fā)動機(jī)總熱量是100kw÷27％＝370.4kw；排氣熱量是370.4kw×35％＝130.0kw；散發(fā)熱量是370.4kw×30％＝111.1kw。
現(xiàn)在利用該汽車廢氣進(jìn)行電氣體發(fā)電，可以產(chǎn)生多少電能？用此電能進(jìn)行等離子體—化學(xué)反應(yīng)制氫的產(chǎn)量能否滿足或維持自身正常運(yùn)轉(zhuǎn)？
廢氣—電氣體發(fā)電，就是采用電氣流體動力學(xué)方法，用含有一定能量的排出廢氣，推動帶電粒子前進(jìn)做功，由低電位到高電位的金屬電極，實現(xiàn)熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的過程。整個過程沒有機(jī)械摩擦損失，所以熱—電轉(zhuǎn)變效率最少在50％以上，體積小、結(jié)構(gòu)簡單，電流小，電壓高。其過程就是該內(nèi)燃機(jī)排氣門開啟的瞬間，廢氣溫度約600-900℃，壓力4個大氣壓，含有相當(dāng)?shù)哪芰?，采用廢氣—電氣體發(fā)電，其效率按最低50％計算，則可得電能130kw×50％＝65kw。傳統(tǒng)電解法制氫1立方米/4.5-5.5kw，65kw產(chǎn)氫13立方米，因傳統(tǒng)電解效率只有80％，所以最后只能得到10.4立方米氫。常溫常壓下1公斤氫氣體積是12.2立方米，10.4立方米氫質(zhì)量為0.852459kg，燃燒能量相當(dāng)于2.5kg汽油的能量。故傳統(tǒng)電解法制氫不能維持其自身運(yùn)轉(zhuǎn)需要。以此電能，采用等離子體—化學(xué)反應(yīng)制氫，即將散熱器水箱的水蒸汽在微壓下通入等離子體—化學(xué)反應(yīng)器。水分子在其中發(fā)生電離，帶電粒子在電場作用下，加速運(yùn)動，相互碰撞時分解成氫和氧。此法所耗電量是7電子伏/分子，與電解法所耗能量大體相當(dāng)，但具有非法拉第特性，生產(chǎn)能力則大的多，理論上相當(dāng)于傳統(tǒng)電解法的1萬倍。
實際上，這是一種低溫常壓等離子體制氫，具有非法拉第特性，電解產(chǎn)物中能夠得到傳統(tǒng)電解所不會出現(xiàn)的產(chǎn)物，而且產(chǎn)物的總生成量超過法拉第定律規(guī)定的產(chǎn)量。等離子體—化學(xué)反應(yīng)制氫，其產(chǎn)量不要說是傳統(tǒng)電解法的1萬倍了，若是傳統(tǒng)法的5倍就是4.26kg氫，足夠一輛普通轎車行駛500公里。
從化學(xué)角度看，等離子體空間富集的離子、電子、激發(fā)態(tài)原子、分子及自由基，都是極活潑的高活性種。這些高活性種在普通的熱化學(xué)反應(yīng)中不易得到，但在等離子體中可源源不斷的產(chǎn)生。對于低溫等離子體，它的一個重要特點是非平衡性，即電子溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于體系溫度，可高達(dá)數(shù)萬至數(shù)十萬攝氏度，低溫等離子體的這種非平衡性對等離子體的化學(xué)工藝過程非常重要。一方面使電子有足夠高的能量激發(fā)，離解和電離反應(yīng)物分子；另一方面使反應(yīng)體系保持低溫乃至接近室溫。采用這種制氫技術(shù)，不僅減少了設(shè)備投資，節(jié)省了能源，而且進(jìn)行的反應(yīng)具有非平衡的特性。
等離子體的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理在交變電壓足夠高的條件下，反應(yīng)器中強(qiáng)熱介質(zhì)顆粒開始極化，在每個顆粒的接觸點周圍便產(chǎn)生強(qiáng)磁場，強(qiáng)磁場導(dǎo)致微放電，產(chǎn)生高能自由電子和原子團(tuán)等離子體。等離子體中有水蒸汽、電子、離子、活性粒子和原子。這些高能粒子通過輻射、離子流、中性離子流作用于水蒸汽分子，對水分子撞擊，將能量轉(zhuǎn)移給水分子，隨著能量耗散，引起水分子一系列物理、化學(xué)變化，最終導(dǎo)致水分子分解，產(chǎn)生氫和氧。低溫等離子體中部分活性粒子的能量比水的化學(xué)鍵的鍵能高，因此很容易引起水分子分解反應(yīng)。與傳統(tǒng)的電解水方法相比，等離子產(chǎn)生的活性粒子具有較大的化學(xué)反應(yīng)活性及能量，對水分子的離解效果顯示出極大的優(yōu)勢。其中高能分子及氫的亞穩(wěn)狀態(tài)存在對等離子體—化學(xué)反應(yīng)過程中的非法拉第特性具有決定作用。顆粒周圍等離子體反應(yīng)區(qū)內(nèi)水蒸汽分解成氫和氧，該過程遵循下述機(jī)理
另一方面，等離子體中生成的每個帶正電的氣相離子在等離子體區(qū)，被強(qiáng)電場加速，并互相碰撞，把水分子分解成H和OH等活性粒子。H2O+gas能量可達(dá)100ev，一個高能H2O+gas分子能激發(fā)幾個H2O分子，并把它們分解成H2和H2O?？偡磻?yīng)式可表示為
后續(xù)反應(yīng)過程為
以水蒸汽為電解介質(zhì)時，電極周圍的部分H2O分子在等離子體作用下分解，生成H2和O2；同時等離子體中的高能H2O+gas又被部分H2O碰撞產(chǎn)生一系列反應(yīng)后生成H2和O2。因此，等離子體—化學(xué)反應(yīng)制氫的氫氣產(chǎn)量比傳統(tǒng)電解水制氫的氫產(chǎn)量高出許多。
根據(jù)上述機(jī)理，本發(fā)明內(nèi)燃機(jī)廢氣電氣體發(fā)電及等離子體化學(xué)反應(yīng)制氫方法，是一種利用內(nèi)燃機(jī)廢氣進(jìn)行電氣體發(fā)電的方法。
所產(chǎn)生電能經(jīng)逆變器后，再采用等離子體——化學(xué)反應(yīng)制氫。
所產(chǎn)生的氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料。
所產(chǎn)生的氫氣進(jìn)入儲氫器儲存。
儲存器中的氫作為內(nèi)燃機(jī)燃料。
將部分或全部內(nèi)燃機(jī)排氣管改換成電氣體發(fā)電裝置。
利用內(nèi)燃機(jī)散熱器產(chǎn)生的水蒸汽進(jìn)行等離子體——化學(xué)反應(yīng)制氫。
將所產(chǎn)生的電能，再采用水蒸汽等離子體分解水煤漿或煤，制H2和CO混合氣體作為內(nèi)燃機(jī)的燃料。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；圖2為本發(fā)明化學(xué)反應(yīng)器的物理模型示意圖。
具體實施例方式
1、本發(fā)明的電器體發(fā)電單元可分為三個部分氣體電離區(qū)、能量轉(zhuǎn)換段和電荷收集段。由一對可以形成不均勻電場的金屬電極(例如作為發(fā)射極的尖針電極N和作為吸引極的金屬圓環(huán)A)所組成的氣體電離區(qū)，接有可以切換的啟動高壓電源S，其作用是在啟動時使極間氣體電離，能量轉(zhuǎn)換段通常是一根絕緣介質(zhì)的圓管，電荷收集段是針尖金屬物C或金屬圓管，通過高阻值的外負(fù)載R而接地(外負(fù)載是等離子體—化學(xué)反應(yīng)器)，在高阻值負(fù)載中可變動的抽頭E反饋到發(fā)射極N，在運(yùn)行時代替啟動電源S。當(dāng)具有一定壓力和溫度并含有微小塵粒的氣體流過電離區(qū)時，發(fā)射極N以電暈放電的形式向塵粒噴射電荷，形成了單極性帶電粒子I。由于氣流的推動作用，電荷不被吸引極A捕獲，而是通過能量轉(zhuǎn)換段輸送到電荷收集段，并為收集電極C接收，當(dāng)電荷流經(jīng)高阻值外負(fù)載R時就輸出了電能。在這個過程中，外負(fù)載以及存在于氣流中的空間電荷，都形成了一個與氣流流動方向相反的軸向電場，使得帶電粒子流向集電極時，就象逆水行舟那樣花很大氣力，因此，氣流在推動帶電粒子做反抗軸向電場的運(yùn)動時要消耗能量，即氣流的壓力和溫度都降低了，這樣就實現(xiàn)了把廢氣熱能通過流體動能直接轉(zhuǎn)變成電能的過程。
因為通過吸引極A的電流很少，而且N極的電位比收集極的電位通常小一個數(shù)量級，所以在正常運(yùn)行中，反饋部分消耗的能量是很少的。在這里，電器體發(fā)電裝置本身就是內(nèi)燃機(jī)排氣管或排氣管的一部分。
2、等離子體—化學(xué)反應(yīng)器是在絕緣的圓柱形的管內(nèi)，充滿強(qiáng)介質(zhì)的鈦酸鋇(或其他強(qiáng)介質(zhì))顆粒，兩端施以高頻交流電壓，自散熱器來的水蒸汽從一端進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)器保持高頻放電，這樣水分子外層失去電子，而處于電離狀。被電場加速的離子、電子等活性種彼此作用，因而被分解為氫和氧。這種方法制氫，設(shè)備容積小，產(chǎn)氫效率高，相對工藝條件也不太復(fù)雜，可以在較低的溫度下獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率。
3、鈦酸鋇等強(qiáng)熱介質(zhì)價格較貴，為降低成本，可以用此電能產(chǎn)生的水蒸汽等離子體對水煤漿或煤進(jìn)行分解，得到H2和CO混合氣體作為內(nèi)燃機(jī)的燃料。這樣可以避免因使用純氫燃料而需要對內(nèi)燃機(jī)某些部件的改動。使用H2和CO混合氣體燃料的長處明顯優(yōu)于汽油、柴油燃料。
3、內(nèi)燃機(jī)廢氣——電氣體發(fā)電——等離子體——化學(xué)反應(yīng)制氫，或者水蒸汽等離子體分解水煤漿或煤制氫，無須額外消耗能源，成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡單和可再生、清潔、環(huán)保，同時可以充分利用現(xiàn)有的龐大工業(yè)體系，是內(nèi)燃機(jī)實現(xiàn)氫能源經(jīng)濟(jì)的最佳途徑。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機(jī)廢氣電氣體發(fā)電及等離子體化學(xué)反應(yīng)制氫方法，其特征在于是利用內(nèi)燃機(jī)廢氣進(jìn)行電氣體發(fā)電的方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所產(chǎn)生電能經(jīng)逆變器后，再采用等離子體——化學(xué)反應(yīng)制氫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于所產(chǎn)生的氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于所產(chǎn)生的氫氣進(jìn)入儲氫器儲存。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4的方法，其特征在于儲存器中的氫作為內(nèi)燃機(jī)燃料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于是將部分或全部內(nèi)燃機(jī)排氣管改換成電氣體發(fā)電裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于是利用內(nèi)燃機(jī)散熱器產(chǎn)生的水蒸汽進(jìn)行等離子體——化學(xué)反應(yīng)制氫的方法。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于是將所產(chǎn)生的電能，再采用水蒸汽等離子體分解水煤漿或煤，制H2和CO混合氣體作為內(nèi)燃機(jī)的燃料。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用內(nèi)燃機(jī)廢氣進(jìn)行電氣體發(fā)電，再利用此電能進(jìn)行等離子體——化學(xué)反應(yīng)制氫的方法。所產(chǎn)氫氣作為內(nèi)燃機(jī)自身運(yùn)轉(zhuǎn)的燃料或儲存?zhèn)溆谩＿^程為內(nèi)燃機(jī)廢氣—電氣體發(fā)電—等離子體一化學(xué)反應(yīng)制氫。無需額外消耗能源，成本低。裝置體積小，結(jié)構(gòu)簡單，可再生，清潔，環(huán)保。并可充分利用現(xiàn)有的龐大工業(yè)體系，是在內(nèi)燃機(jī)基礎(chǔ)上實現(xiàn)氫能源的最佳途徑。氫能的利用，其意義并不僅在于解決石油短缺或環(huán)保問題，而是歷史發(fā)展的必然。氫在內(nèi)燃機(jī)上的廣泛使用必將帶動一場新的技術(shù)革命，并將把人類社會帶入一個新的文明階段。
文檔編號C01B3/04GK1884803SQ20061008158
公開日2006年12月27日 申請日期2006年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月30日
發(fā)明者宋代輪, 宋曉靜 申請人:宋代輪