专利名称：内燃机废气电气体发电及等离子体化学反应制氢方法
技术领域：
本发明涉及内燃机能源领域，具体涉及利用内燃机废气制取氢气的方法与装置，属于国际专利分类F02B内燃机，F02M“一般燃烧发动机可燃混合物的供给”技术领域。
背景技术：
目前国际石油资源已呈现枯竭状态，石油价格持续攀升，呈上升趋势，而人类的主要交通工具——汽车的数量及其他内燃机却有增无减。其中，仅汽车现已达7亿多辆，消耗了石油燃料的46％，同时也排放出了大量污染环境的废气。化石燃料大量使用的结果，让人类面临能源与环境的双重挑战，迫使人们不得不探索、研究、开发利用清洁和可再生的新能源，而氢正是众所瞩目的新型能源之一。目前，在汽车上实现氢燃料的途径有四种一是高压储氢；二是液态储氢；三是吸附储氢；四是金属氢化物。由于氢的特殊性质，要使氢燃料完全代替目前石油燃料，并非指日可待。这就迫使人们继续寻找制造氢燃料的新途径。其中，低成本氢的大量制取及安全储运和有效使用是最为关键的问题。因此有关氢技术的任何新进展及突破，都将震动整个能源界及汽车工业。以氢为燃料并不仅仅是因为石油短缺或者保护环境的需要，而是历史发展的必然要求。氢的使用必将带动一场新的技术革命，并将人类社会带入新的文明阶段。
发明内容
原理根据内燃机的热平衡，散发热量占28％-33％，排气热量占34-36％，机械损失及其他热量占6-9％，有用功热量仅占22-32％。如果一辆小轿车的功率是100kw，那么它散发热量近似103kw，排气热量近似130kw，机械损失及其他热量约28kw。散发热量和排气热量占内燃机总热量相当大的部分。如何有效利用内燃机的散发热量和排气热量十分关键。
内燃机排气温度一般在600-900℃，有一定压力，对于电气体发电来说，已有相当可观的热效率。利用排出的废气进行电气动力学发电(以下简称电气体发电)，进而等离子体—化学反应制氢，理论上可行，毋庸质疑。问题是电气体发电制氢，所得氢的产量能否维持或满足该内燃机自身运转的需求。现在我们通过数据来说明设一辆汽车的功率是100kw，热效率是27％，散发热量是30％，排气热量是35％，则汽车发动机总热量是100kw÷27％＝370.4kw；排气热量是370.4kw×35％＝130.0kw；散发热量是370.4kw×30％＝111.1kw。
现在利用该汽车废气进行电气体发电，可以产生多少电能？用此电能进行等离子体—化学反应制氢的产量能否满足或维持自身正常运转？
废气—电气体发电，就是采用电气流体动力学方法，用含有一定能量的排出废气，推动带电粒子前进做功，由低电位到高电位的金属电极，实现热能直接转换成电能的过程。整个过程没有机械摩擦损失，所以热—电转变效率最少在50％以上，体积小、结构简单，电流小，电压高。其过程就是该内燃机排气门开启的瞬间，废气温度约600-900℃，压力4个大气压，含有相当的能量，采用废气—电气体发电，其效率按最低50％计算，则可得电能130kw×50％＝65kw。传统电解法制氢1立方米/4.5-5.5kw，65kw产氢13立方米，因传统电解效率只有80％，所以最后只能得到10.4立方米氢。常温常压下1公斤氢气体积是12.2立方米，10.4立方米氢质量为0.852459kg，燃烧能量相当于2.5kg汽油的能量。故传统电解法制氢不能维持其自身运转需要。以此电能，采用等离子体—化学反应制氢，即将散热器水箱的水蒸汽在微压下通入等离子体—化学反应器。水分子在其中发生电离，带电粒子在电场作用下，加速运动，相互碰撞时分解成氢和氧。此法所耗电量是7电子伏/分子，与电解法所耗能量大体相当，但具有非法拉第特性，生产能力则大的多，理论上相当于传统电解法的1万倍。
实际上，这是一种低温常压等离子体制氢，具有非法拉第特性，电解产物中能够得到传统电解所不会出现的产物，而且产物的总生成量超过法拉第定律规定的产量。等离子体—化学反应制氢，其产量不要说是传统电解法的1万倍了，若是传统法的5倍就是4.26kg氢，足够一辆普通轿车行驶500公里。
从化学角度看，等离子体空间富集的离子、电子、激发态原子、分子及自由基，都是极活泼的高活性种。这些高活性种在普通的热化学反应中不易得到，但在等离子体中可源源不断的产生。对于低温等离子体，它的一个重要特点是非平衡性，即电子温度远远高于体系温度，可高达数万至数十万摄氏度，低温等离子体的这种非平衡性对等离子体的化学工艺过程非常重要。一方面使电子有足够高的能量激发，离解和电离反应物分子；另一方面使反应体系保持低温乃至接近室温。采用这种制氢技术，不仅减少了设备投资，节省了能源，而且进行的反应具有非平衡的特性。
等离子体的化学反应机理在交变电压足够高的条件下，反应器中强热介质颗粒开始极化，在每个颗粒的接触点周围便产生强磁场，强磁场导致微放电，产生高能自由电子和原子团等离子体。等离子体中有水蒸汽、电子、离子、活性粒子和原子。这些高能粒子通过辐射、离子流、中性离子流作用于水蒸汽分子，对水分子撞击，将能量转移给水分子，随着能量耗散，引起水分子一系列物理、化学变化，最终导致水分子分解，产生氢和氧。低温等离子体中部分活性粒子的能量比水的化学键的键能高，因此很容易引起水分子分解反应。与传统的电解水方法相比，等离子产生的活性粒子具有较大的化学反应活性及能量，对水分子的离解效果显示出极大的优势。其中高能分子及氢的亚稳状态存在对等离子体—化学反应过程中的非法拉第特性具有决定作用。颗粒周围等离子体反应区内水蒸汽分解成氢和氧，该过程遵循下述机理
另一方面，等离子体中生成的每个带正电的气相离子在等离子体区，被强电场加速，并互相碰撞，把水分子分解成H和OH等活性粒子。H2O+gas能量可达100ev，一个高能H2O+gas分子能激发几个H2O分子，并把它们分解成H2和H2O。总反应式可表示为
后续反应过程为
以水蒸汽为电解介质时，电极周围的部分H2O分子在等离子体作用下分解，生成H2和O2；同时等离子体中的高能H2O+gas又被部分H2O碰撞产生一系列反应后生成H2和O2。因此，等离子体—化学反应制氢的氢气产量比传统电解水制氢的氢产量高出许多。
根据上述机理，本发明内燃机废气电气体发电及等离子体化学反应制氢方法，是一种利用内燃机废气进行电气体发电的方法。
所产生电能经逆变器后，再采用等离子体——化学反应制氢。
所产生的氢气作为内燃机燃料。
所产生的氢气进入储氢器储存。
储存器中的氢作为内燃机燃料。
将部分或全部内燃机排气管改换成电气体发电装置。
利用内燃机散热器产生的水蒸汽进行等离子体——化学反应制氢。
将所产生的电能，再采用水蒸汽等离子体分解水煤浆或煤，制H2和CO混合气体作为内燃机的燃料。
图1为本发明的工艺流程图；图2为本发明化学反应器的物理模型示意图。
具体实施例方式
1、本发明的电器体发电单元可分为三个部分气体电离区、能量转换段和电荷收集段。由一对可以形成不均匀电场的金属电极(例如作为发射极的尖针电极N和作为吸引极的金属圆环A)所组成的气体电离区，接有可以切换的启动高压电源S，其作用是在启动时使极间气体电离，能量转换段通常是一根绝缘介质的圆管，电荷收集段是针尖金属物C或金属圆管，通过高阻值的外负载R而接地(外负载是等离子体—化学反应器)，在高阻值负载中可变动的抽头E反馈到发射极N，在运行时代替启动电源S。当具有一定压力和温度并含有微小尘粒的气体流过电离区时，发射极N以电晕放电的形式向尘粒喷射电荷，形成了单极性带电粒子I。由于气流的推动作用，电荷不被吸引极A捕获，而是通过能量转换段输送到电荷收集段，并为收集电极C接收，当电荷流经高阻值外负载R时就输出了电能。在这个过程中，外负载以及存在于气流中的空间电荷，都形成了一个与气流流动方向相反的轴向电场，使得带电粒子流向集电极时，就象逆水行舟那样花很大气力，因此，气流在推动带电粒子做反抗轴向电场的运动时要消耗能量，即气流的压力和温度都降低了，这样就实现了把废气热能通过流体动能直接转变成电能的过程。
因为通过吸引极A的电流很少，而且N极的电位比收集极的电位通常小一个数量级，所以在正常运行中，反馈部分消耗的能量是很少的。在这里，电器体发电装置本身就是内燃机排气管或排气管的一部分。
2、等离子体—化学反应器是在绝缘的圆柱形的管内，充满强介质的钛酸钡(或其他强介质)颗粒，两端施以高频交流电压，自散热器来的水蒸汽从一端进入反应器，反应器保持高频放电，这样水分子外层失去电子，而处于电离状。被电场加速的离子、电子等活性种彼此作用，因而被分解为氢和氧。这种方法制氢，设备容积小，产氢效率高，相对工艺条件也不太复杂，可以在较低的温度下获得较高的能量转换效率。
3、钛酸钡等强热介质价格较贵，为降低成本，可以用此电能产生的水蒸汽等离子体对水煤浆或煤进行分解，得到H2和CO混合气体作为内燃机的燃料。这样可以避免因使用纯氢燃料而需要对内燃机某些部件的改动。使用H2和CO混合气体燃料的长处明显优于汽油、柴油燃料。
3、内燃机废气——电气体发电——等离子体——化学反应制氢，或者水蒸汽等离子体分解水煤浆或煤制氢，无须额外消耗能源，成本低、体积小、结构简单和可再生、清洁、环保，同时可以充分利用现有的庞大工业体系，是内燃机实现氢能源经济的最佳途径。
权利要求
1.一种内燃机废气电气体发电及等离子体化学反应制氢方法，其特征在于是利用内燃机废气进行电气体发电的方法。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于所产生电能经逆变器后，再采用等离子体——化学反应制氢。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于所产生的氢气作为内燃机燃料。
4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于所产生的氢气进入储氢器储存。
5.根据权利要求1或4的方法，其特征在于储存器中的氢作为内燃机燃料。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于是将部分或全部内燃机排气管改换成电气体发电装置。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于是利用内燃机散热器产生的水蒸汽进行等离子体——化学反应制氢的方法。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于是将所产生的电能，再采用水蒸汽等离子体分解水煤浆或煤，制H2和CO混合气体作为内燃机的燃料。
全文摘要
本发明涉及利用内燃机废气进行电气体发电，再利用此电能进行等离子体——化学反应制氢的方法。所产氢气作为内燃机自身运转的燃料或储存备用。过程为内燃机废气—电气体发电—等离子体一化学反应制氢。无需额外消耗能源，成本低。装置体积小，结构简单，可再生，清洁，环保。并可充分利用现有的庞大工业体系，是在内燃机基础上实现氢能源的最佳途径。氢能的利用，其意义并不仅在于解决石油短缺或环保问题，而是历史发展的必然。氢在内燃机上的广泛使用必将带动一场新的技术革命，并将把人类社会带入一个新的文明阶段。
文档编号C01B3/04GK1884803SQ20061008158
公开日2006年12月27日 申请日期2006年5月30日 优先权日2006年5月30日
发明者宋代轮, 宋晓静 申请人:宋代轮