[发明专利]水为原料的低温等离子体制氢方法、工艺及设备

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种制氢方法、工艺及设备，特别涉及到一种电化学水制氢方法、工艺及设备。

背景技术

当前，能源紧张，环保形势严峻，人们在积极开发新的清洁能源，氢能受到人们的关注。氢能是一种理想的新能源，氢能的发热值高，燃烧1公斤氢气可放出142120kj的热量，是汽油的三倍，而且氢燃烧后生成的是水，不污染环境，是一种非常洁净的燃料；氢气可通过燃料电池直接发电，理论上有100％的转换效率，目前的技术达到了80％左右的转换效率，氢气用于燃料电池发电时没有噪声污染也没有热污染，排放的是水，氢能发电是属于环境友好的发电项目；氢能可用于现在所有消耗燃料的燃烧工艺过程，用能设备无需作很大的改动就可适用，可以取代绝大部分化石能源。当前，氢能还不能实现大规模的商业化应用，还有待解决以下关键问题：a.廉价的制氢技术。因为氢是一种二次能源，现有技术的制氢技术不但需要消耗大量的能量，而且制氢效率很低，因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题；b.安全可靠的贮氢和输氢方法，由于氢易气化、着火、爆炸，因此开发储氢容量高、价廉的固态储氢材料成为开发氢能的关键。目前虽然已有储氢合金问世，氢气可以充入储氢合金以固体形态进行储存，需要使用时再放出来，但目前的储氢合金的成本及储氢容量均不能达到实用程度。

水是一种含有氢元素最丰富的物质，每一个水分子由二个氢原子和一个氧原子结合而成，水又是地球上最普遍最易得到的一种物质，地球上70％的面积是水，把水开发成一种能源来应用，不但可解决能源紧张的局面，更是可以消除燃烧时对环境的破坏作用。每M³水中含有111公斤多的氢气，其质量容量大于11.1％，是国际能源署提出的体积储氢容量大于50Kg(H₂)/M³、质量储氢容量大于5％目标的二倍多，因此，水不但是一种理想的廉价制氢原料，而且还是一种非常理想的廉价储氢材料，其储氢容量是目前任何储氢材料都望尘莫及的。然而，水分子里的氢原子和氧原子结合得非常牢固，用高温加热的方法也很难把水分子进行分解，用电流容易把水分子进行分解，用电流来分解水的方法称为电解法，当前，工业上用水制造氢气用的就是电解法，这种方法耗能很大，得不偿失，而且分解速度慢、效率低。

发明内容

本发明的目的是要克服现有技术和设备的缺点，提供一种耗能低、效率高、分解速度快的用水为原料的制氢方法、工艺及设备，解决廉价的制氢技术问题，把水作为储氢材料来使用，从而实现氢能的大规模商业化应用。

为了达到上述的发明目的，本发明应用等离子体技术来活化、分解水分子。等离子体是一种电子和正离子的数量大体相同并且以相当大的浓度存在的状态，通过放电可以形成等离子体。等离子体分为热平衡等离子体和非平衡等离子体，非平衡等离子体也称低温等离子体，在非平衡等离子体状态中，电子的温度可以高达数万度以上，而离子的温度仅略高于常温，因而在放电场内的温度接近常温，在非平衡等离子体的内部和表面都存在着强大的静电场，这种高能量的低温等离子体，使水分子很容易分解，而且耗能极低。在非平衡等离子体发生装置内，水分子失去外层电子形成离子状态，经相互碰撞分解，生成氢和氧。

上述的等离子体活化、分解水分子的方程式是：

e^*+H₂O→H₂O^*+e  或e^*+H₂O→H₂O⁺+2e

H₂O^*+e→H₂O⁺+2e

H₂O⁺+e→H⁺+OH^-

H⁺+e→H         OH^--e→H+O

H+H→H₂

O+O→O₂

式中：e^*-加速电子，e-失速电子，H₂O-水分子，H₂O^*-活化的水分子，H₂O⁺-水分子离子，H⁺-氢离子，OH^--氢氧根离子，H-氢原子，O-氧原子，H₂-氢气分子，O₂-氧气分子。