[发明专利]等离子辅助的储氢和气体吸附方法与设备

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年9月21日提交的U.S.S.N.11/525,197的优先权益处，该在先申请又要求2006年2月21日提交的临时申请No.60/774,867的优先权益处，本文以引用的方式结合这两份申请的全部内容。

技术领域

本发明涉及非平衡等离子辅助气体吸收方法和设备，即在含有正电性的活化极性可渗吸物质中，如活性炭或超级活性炭，利用产生负氢离子的方法和设备可逆地存放负离子化氢气。该方法也可应用于其它气体的储存。

背景技术

氢是宇宙中最简单和最丰富的元素。预计氢燃料电池将被广泛应用在各种产业，因为该电池利用氢化学能量发电，不产生燃烧或污染。然而，长期以来氢储存是一个主要技术瓶颈。目前氢存贮有四个主要方法[1，2]：压缩氢气、液体氢、深冷吸附系统和金属氢化物系统[3]。一方面，作为可再生能源，氢的优点是可储存和可移动。另一方面，鉴于氢物理密度很低，如果直接用于车载能源贮存，因容量过低对汽车和其它应用没有实用价值。目前最常用方法是把高压压缩氢气放入加压燃料箱内。虽然该方法能提供一定的行驶里程，但燃料箱体积过于庞大，并且很难用于其它领域。虽然将氢液化能够使燃料密度增加1倍以上，但该方法需要巨大能量来降低温度(-253℃和一个大气压)，并需使用昂贵的绝热燃料箱以维持深冷温度，而且至今也未达到期望的行驶里程。金属氢化物方法利用氢化物内的晶体结构来储存氢气，使用时通过加热释放氢。该方法所获得的能量密度仍然不够大，并且成本高昂。

众所周知，可渗吸活性炭粉末也能将中性氢分子吸附在其微小内孔。但使用该材料作储氢媒介面临许多问题。例如，为了让中性氢分子进入内孔必须应用高气压。在深冷低温和约45-60气压下，大约只有5.2wt％的氢可被吸附在活性炭内[5，6]。在室温温度和以60个大压力吸附，则只有大约0.5wt％[4-14]。因此许多研究者相信，使用可渗吸活化炭方法无法满足美国能源部为汽车业车载氢存贮所制定的6.5wt％的指标。

目前，电磁负性气体和等离子体技术主要应用于表面处理、大气科学和环境研究中的气体处理等领域。由于负电性离子在当代等离子物理学中扮演的重要角色，其基本性质获得了广泛的研究[15，16和17]。负电性等离子体也常在生产负电性离子射线时使用[18]。氢的电离技术是对气体放电等离子体的应用。气体带电等离子体是活性和动态的媒介。等离子体被理解为部分电离的气体。当气体原子的某一部份或分子与电子碰撞时，电离形成离子。这些带电物质相互作用。在电磁场中可引起离子移动的驱动力。等离子体要求连续的电能供应。将电力输入气体而引起电离的过程构成了等离子体源。除带电粒子以外，等离子体还包括内电子状态改变(激发态)的中性粒子，或反应性增强的粒子(离解分子和自由基)。因此，等离子体可被认为是带电和激发粒子不断生成和衰亡的动态系统。

在电晕的过程中，于中性流体(如氢或氧气)中放置的电极可发出高电势电流。通过流体电离化，在电极附近会产生等离子体。生成的离子最终传递电子至邻近低电势区域，或活化极性可渗吸材料或粉末的离子缺陷点，再度形成中性粒子。电晕极性可正可负，由电极电压的极性来确定。就负氢产生过程而言，在氢流体流过电势梯度足够大的点，由于巨大的电子能量传递给了氢分子，流体会在该点发生电离并且获得更强的导电性。如果一个氢所附着的物体也有锋利的尖端，则电子密度非常高，电子会碰撞氢原子。另一方面，由于原来氢原子核外仅有的一个孤立电子，不足以屏蔽氢原子核自身产生的磁场而达到能量最小的稳定状态。它倾向于俘获另一个电子以达到稳定。于是，当缓慢的电子碰撞到氢原子，就可能黏附在氢原子表面而形成稳定负氢离子。如果沿着尖锐的几何形状和梯度，电离区域可以持续增加而不是停止在某一半径区域内，从而形成一个完全导电通道，造成短暂火花或连续的火弧。在这个区域以外，带负电的氢粒子会倾向于寻找带反向电性的物体-如活化极性可渗吸物质中的正电性点实现中和，产生吸附效应。

发明内容

本发明涉及非热等离子体处理方法和设备，这一设备采用电晕技术在一个多层微粒床，如活性炭微粒床上方产生等离子体和气体负氢离子，可以帮助气体非平衡等离子，例如含有负氢离子的等离子，储存在活化极性可渗吸微粒当中。

本发明的方法运用由电晕放电产生的电子激发负离子气体在活性极化的多孔粉末，例如，活性炭或其它类似活化极性物质上获得可逆吸附；这些物质最好具有活化极性点，例如，正电性或离子化表面，而气体的负离子则可由非热等离子体产生部件产生。