專利名稱：用于制備特別是用于汽車發(fā)動機的至少一種燃料的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制備特別是用于汽車發(fā)動機的至少一種燃料的方法和裝置；特別地，本發(fā)明涉及一種用于制備氫氣形式的燃料的方法和裝置。
現(xiàn)有技術(shù)考慮到日益短缺的化石能量載體資源，和由于越來越迫切的降低與氣候相關(guān)的二氧化碳(＝CO2＝所謂的“溫室氣體”)的排放以及其它與氣候相關(guān)的排放的必要性，氫氣可以被認為是將來最有前景的能量載體之一。
氫氣在直接燃燒時以及在燃料電池中與氧氣反應(yīng)生成純水，并且在該反應(yīng)過程中釋放出很高的可利用的能量，而在此沒有如含碳的化石能量載體一樣釋放二氧化碳。鑒于持續(xù)的環(huán)境可接受的能量供應(yīng)，這個事實使得氫氣非常有吸引力。
在氫氣與空氣在內(nèi)燃機中和在燃氣渦輪機中(無純的氧氣)燃燒的過程中，在燃燒適當(dāng)進行的條件下，只有非常低至可忽略的排放物產(chǎn)生。假如確實由發(fā)動機油在內(nèi)燃機的燃燒室中的燃燒而產(chǎn)生，則烴和一氧化碳也只可能以痕量產(chǎn)生。氮氧化物(NOx)的排放隨著燃燒溫度呈指數(shù)級增加且由此不受合適的過程控制的影響。
由于目前氫氣比其它燃料提供更多的自由，所以與礦物油或天然氣相比，明顯降低氮氧化物的排放是可能的，只要能夠達到低的燃燒溫度(例如有高的空氣過量)。除了產(chǎn)生自潤滑油的輕微剩余物以外，顆粒和硫的排放將會完全避免。
當(dāng)在具有低溫燃料電池的燃料電池驅(qū)動器中使用氫氣時，所有的有害物質(zhì)的排放都被完全避免。作為由氫氣和空氣氧氣發(fā)電的過程中的反應(yīng)產(chǎn)物，僅產(chǎn)生軟化水。與傳統(tǒng)的熱機相比，在較高溫度水平的燃料電池中使用氫氣產(chǎn)生最高至因子100的較低排放。
由于結(jié)合在水中，氫氣通過封閉的水循環(huán)而在行星地球上以無限量存在。由此，與化石燃料不同，氫氣不會出現(xiàn)資源短缺。
然而，對于氫氣必須考慮到，在恰好需要它的地點和環(huán)境中未必一定能十分簡單地實現(xiàn)它的制備。與此相關(guān)地，一再建議一種所謂的氫氣加油站，在此能為運輸工具，特別是汽車，供應(yīng)氫氣。但在此必須考慮到，這樣的氫氣加油站至少現(xiàn)在一點也不普遍，而它們更是絕對例外，以至這一建議至少對大眾化市場不可行。
而且，對于帶有氫氣的驅(qū)動器還必須考慮，在運輸工具里攜帶氫氣由于高度需要必要的貯存體積而不僅不實際和昂貴，而且因為不安全所以相當(dāng)危險。
發(fā)明描述任務(wù)、解決辦法、優(yōu)點基于上面描述的缺點和不足以及在評價清晰的現(xiàn)有技術(shù)的條件下，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種用于制備特別是以氫氣形式的燃料的方法和裝置，通過該方法和裝置，燃料特別是以氫氣形式，能夠根據(jù)需要以及以簡單、廉價、清潔和安全的方式，而且優(yōu)選在運輸工具里制備。
通過具有在權(quán)利要求1或在權(quán)利要求2或在權(quán)利要求4中所述特征的方法以及具有在權(quán)利要求10或在權(quán)利要求11或在權(quán)利要求13中所述特征的裝置實現(xiàn)這一任務(wù)。本發(fā)明優(yōu)選的設(shè)計和合適的改進在各自從屬權(quán)利要求中描述。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，燃料的制備(下文中，術(shù)語“燃料”在本發(fā)明的范圍之內(nèi)也包括術(shù)語“燃料混合物”)，特別是用作燃料的氫氣(H2)的制備如下進行有利地不僅將三原子臭氧(O3)和/或催化作用的氨氣(NH3)，而且首先是將氮氧化物(NOx)如一氧化氮(NO)或二氧化氮(NO2)，混入到源自儲水箱或蓄水器的水中。
與此相關(guān)地，氮氧化物(NOx)用于合適的多級催化或催化轉(zhuǎn)化過程，通過此過程，水(H2O)被帶入一個不穩(wěn)定的或非穩(wěn)定的狀態(tài)，或亞硝酸銨(NH4NO2)和/或硝酸銨(NH4NO3)以一定的優(yōu)選可通過至少一種調(diào)節(jié)或控制設(shè)備加以調(diào)節(jié)的濃度溶解在水(H2O)中。
“非常不穩(wěn)定”的優(yōu)選摻混有容易分解的亞硝酸銨或硝酸銨的水隨后能夠在顯著簡化的條件下，且用最小的能量消耗，例如消耗由商業(yè)上常用的12伏汽車蓄電池提供的能量而分解，其中形成氮氣(N2)、氧氣(O2)和氫氣(＝燃料H2)的電解法分解可能是合適的。換句話說，這意味著不穩(wěn)定的水或不穩(wěn)定的亞硝酸銨和/或硝酸銨對相應(yīng)的“裂化”是可行的或?qū)τ谶@種“裂化”是非常敏感的。
為了能夠以一種特別低能量的方式在分子水平上分解不穩(wěn)定的水或不穩(wěn)定的亞硝酸銨和/或硝酸銨，根據(jù)創(chuàng)造性的對本發(fā)明方法的改進，從不穩(wěn)定的水或不穩(wěn)定的亞硝酸銨和/或硝酸銨的順磁性部分分離出不穩(wěn)定的水或不穩(wěn)定的亞硝酸銨和/或硝酸銨的反磁性部分可能是合適的。
相關(guān)地，反磁性物質(zhì)是指其(無因次的相對的)磁導(dǎo)率系數(shù)μr小于1或其(無因次的)磁化率κ(＝μr-1)小于0的物質(zhì)，相反，順磁性物質(zhì)是指其(無因次的相對的)磁導(dǎo)率系數(shù)μr大于1或者其(無因次的)磁化率κ(＝μr-1)大于0的物質(zhì)。
燃料生產(chǎn)和燃料利用領(lǐng)域的技術(shù)人員，特別是氫氣生產(chǎn)和氫氣利用領(lǐng)域的技術(shù)人員，例如具有氫氣驅(qū)動器領(lǐng)域的技術(shù)知識的化學(xué)工程師，根據(jù)本發(fā)明將會特別認同，以本發(fā)明為基礎(chǔ)在運輸工具里不再需要大體積的和由此不實際的、昂貴的和不安全的貯存和存儲燃料特別是氫氣；相反，本發(fā)明有可能“按需”，即取決于具體的需求以需要的數(shù)量在原位例如運輸工具里生產(chǎn)燃料特別是氫氣。
假如我們在此以對發(fā)明必要的方式把大約100公里/升水的運輸工具的能量范圍作為基礎(chǔ)，則能夠容易地看出，通過本發(fā)明制備的基于水作為燃料的體系不僅非常廉價而且非常安全(在任何情況下比攜帶由具有給定的箱內(nèi)容物的爆炸危險的化石能量載體獲得的動力燃料更安全)。
考慮到越來越迫切的所謂“溫室效應(yīng)”問題，即由于二氧化碳的排放使地球大氣的溫度升高，可以記作本發(fā)明的另一個顯著優(yōu)點是，在充分進行燃燒的條件下，根本不會產(chǎn)生任何有害的排放；而是只有純水作為整個過程的排放產(chǎn)物或者副產(chǎn)物，以致于根據(jù)本發(fā)明描述的方法和裝置在無污染的意義上是絕對“無廢氣的”。
通過本發(fā)明可以實現(xiàn)的另一個進步是注意到，運動可以不依賴于燃料加油站特別是氫氣加油站而進行。因為對于運動必要的燃料，特別是氫氣，能夠在運輸工具里根據(jù)一種特別創(chuàng)造性的改進而直接和取決于需求產(chǎn)生，因此取消了燃料特別是氫氣的再裝站的占面積的和成本很高的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；相反，通過用于制備燃料特別是氫氣形式的燃料的緊湊和安全的裝置而“在車上”進行。
根據(jù)本發(fā)明有利的設(shè)計，該裝置能夠整合入運輸工具現(xiàn)存的生產(chǎn)過程和系統(tǒng)中。雖然現(xiàn)行方案的修改和改進(所謂“再設(shè)計”)在此是可能的，而且也可能是必要的，然而，可以保留現(xiàn)存(四沖程)內(nèi)燃機的基本布局、設(shè)計以及方案。
換句話說，這意味著本發(fā)明既在工藝上又基于所有類型裝置的設(shè)計，不僅能夠應(yīng)用于內(nèi)燃機(從傳統(tǒng)的、自然吸入式汽化器系統(tǒng)到高科技化的計算機控制的燃料噴射系統(tǒng))，而且能夠應(yīng)用于渦輪機；特別也由此借助本發(fā)明能夠開辟一個廣泛的大眾化市場。
相關(guān)地，借助本發(fā)明的方法和/或通過本發(fā)明的裝置，能夠始終制備至少同樣多的燃料，特別是氫氣，以至在任何情況下，確保內(nèi)燃機或渦輪機的(多于)充足的供應(yīng)。
根據(jù)對本發(fā)明方法和本發(fā)明裝置的創(chuàng)造性必要的改進，制備的燃料，特別是氫氣不是絕對必須直接使用，例如以燃燒的形式；相反，根據(jù)本發(fā)明，燃料，特別是氫氣，也能夠為暫時的貯存和存儲，例如在至少一種燃料電池中而產(chǎn)生，以能夠在隨后的時間內(nèi)供給它真正的目的。
貯存和存儲的選擇按本發(fā)明也為借助按本發(fā)明的方法和/或通過按本發(fā)明的裝置“過多”產(chǎn)生的，即在各自的使用或應(yīng)用中多余的燃料，特別是氫氣而存在。
根據(jù)本發(fā)明方法和本發(fā)明裝置的有利設(shè)計，不需要的液體組分可以從物流中取走并返回循環(huán)。為此，可以合適地提供作為“脫水器”設(shè)計的至少一種再循環(huán)單元，其用作一種所有液體組分用的過濾器，所述的液體組分在不穩(wěn)定的水分解之后，伴隨著燃料，特別是氫氣。這些液體組分用“脫水器”收集，以確保唯一的燃料，特別是氫氣，和可能伴隨的氨氣及氧氣進入內(nèi)燃機或燃氣渦輪機中。
在一種有利的改進中，可以將燃料或不穩(wěn)定的水或亞硝酸銨和/或硝酸銨泵送到-至少一個燃料電池和/或-至少一個燃料緩沖存儲器和/或-至少一個燃料緩沖罐或-至少一個第二反應(yīng)室，特別是至少一個轉(zhuǎn)化單元或轉(zhuǎn)化室。
由此，確保希望的燃料數(shù)量，特別是氫氣數(shù)量，在任何時間都可提供，以至可以可靠地排除潛在的內(nèi)燃機或燃氣渦輪機的熄火。
本發(fā)明最后涉及根據(jù)上面描述的方法和/或通過上面描述的裝置制備的燃料，特別是氫氣，在運動的應(yīng)用領(lǐng)域的范圍之內(nèi)或在靜止的應(yīng)用領(lǐng)域的范圍之內(nèi)的用途，如-用于驅(qū)動至少一種特別配置給運輸工具，特別是汽車的內(nèi)燃機，例如四沖程發(fā)動機、柴油發(fā)動機、轉(zhuǎn)子發(fā)動機等，和/或-用于驅(qū)動至少一種燃氣渦輪機，和/或-用于在至少一種燃料電池中作為燃料儲罐提供和/或-用于加熱的目的和/或-用于在至少一種氫氣燃燒裝置中使用。
附圖簡要說明如上所討論，有許多可能來有利地設(shè)計和改進本發(fā)明的教導(dǎo)。為此，一方面參考從屬于權(quán)利要求1、2和4以及10、11和13的權(quán)利要求，另一方面本發(fā)明進一步的設(shè)計、特性和優(yōu)點隨后借助通過

圖1A-5圖解說明的實施例而進一步闡述。
圖1A表示用于制備根據(jù)本發(fā)明的氫氣形式的燃料的裝置的第一個實施例的示意框圖。
圖1B表示用于制備根據(jù)本發(fā)明的燃料混合物形式的燃料的裝置的第二個實施例的示意框圖。
圖2表示配置給圖1A和圖1B裝置的蓄水器單元的側(cè)視圖。
圖3表示配置給圖1A和圖1B裝置，這里特別是配置給氣體發(fā)生器單元的電子開關(guān)電路的示意框圖。
圖4表示配置給圖1A裝置的反應(yīng)單元的透視圖。
圖5表示配置給圖1A裝置的分離單元的側(cè)視圖。
相同或相似的設(shè)計、元件或特征在圖1A-5中提供相同的參考標(biāo)記。
實施本發(fā)明的最佳方式在圖1A中，在示意性描述中顯示了利用按本發(fā)明的方法用于制備氫氣H2形式的燃料的裝置100的第一實施例。該裝置100安裝在自身已知(出于描述清楚性的原因沒有在圖1A中明確繪出)的汽車中，并用于供給在任何工具狀態(tài)下的汽車，特別是它的內(nèi)燃室90(所謂的“燃燒室”)以足夠數(shù)量的氫氣H2形式的推進劑(“動力燃料”、“發(fā)動機燃料”)。
蓄水器單元10(所謂的“H2O箱”，見圖2)，由非腐蝕性材料，如由玻璃纖維或聚乙烯或不銹鋼制成，其裝有常規(guī)的未處理的自來水或裝有軟化水；水H2O進入置于在蓄水器單元10之后的反應(yīng)單元30(所謂的“反應(yīng)器”，見圖4)中。此外，將氮氧化物NOx如一氧化氮NO或二氧化氮NO2和三原子臭氧O3導(dǎo)入反應(yīng)單元30中。
氮氧化物NOx和三原子臭氧O3，特別通過轉(zhuǎn)化空氣氮氣N2和空氣氧氣O2，在置于反應(yīng)單元30之前的氣體發(fā)生器單元20(所謂的“三原子發(fā)生器”)中獲得。這里，氣體發(fā)生器單元20的第一階段20a設(shè)定為制造氮氧化物NOx，特別是二氧化氮NO2；氣體發(fā)生器單元20的第二階段20b用于制備臭氧O3。
電子開關(guān)電路22(所謂的“三原子電路”，見圖3)是氣體發(fā)生器單元20，特別是氣體發(fā)生器單元20的第一階段20a的集成部件，該電路的基本功能是，將由可通過開關(guān)2422接通的低壓能源24(見圖3)，例如12伏的電壓源形式提供的直流電壓轉(zhuǎn)換成例如至少約30000伏數(shù)量級的以矩形脈沖形式形成的高壓(本發(fā)明的其它設(shè)計方式也允許低于約30000伏數(shù)量級的高壓)。
詳細地，電子開關(guān)電路22中，非穩(wěn)態(tài)振蕩器置于參考標(biāo)記2202表示的“555定時器IC”(IC＝集成電路)周圍。振蕩頻率在此通過電容器2210(示例性數(shù)量級100納法)和借助三個電阻器2212(示例性數(shù)量級10千歐)、2214(示例性數(shù)量級27千歐)和2216(示例性數(shù)量級100千歐；可變的)調(diào)節(jié)到120赫茲。配置給電子開關(guān)電路22的該部件的輸出信號是在12伏的輸入或供電電壓的數(shù)量級內(nèi)一系列具有最大振幅的矩形信號。
電子開關(guān)電路22的“振蕩器部件”的功能和工作方式將在下面詳細闡述。直接由汽車蓄電池24提供的12伏輸入或供電電壓充電之后，電容能夠例如在約0.1微法數(shù)量級內(nèi)移動的電容器2210的電壓，基本上與地電位一致[在圖3中能夠看出，接通另外的電容器2290(示例性數(shù)量級100納法)、2292(示例性數(shù)量級222微法)和2294(示例性數(shù)量級4.7納法)]。
通過在定時器2202的輸入線路2204處的時基“觸發(fā)器”-比較器控制電壓，由此可以設(shè)置定時器2202的內(nèi)部雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，這再次導(dǎo)致在定時器2202的輸出線路2208處的輸出電壓增高或者保持在12伏供電電壓的電壓水平。
結(jié)果，“放電”晶體管斷開，由此，電容器2210能夠經(jīng)過三個電阻器2212(示例性數(shù)量級10千歐)、2214(示例性數(shù)量級27千歐)和2216(示例性數(shù)量級100千歐)而充電。相關(guān)地，在充電時電容器2210逐漸接近12伏的供電電壓，然而在此，當(dāng)達到約三分之二的供電電壓時，即當(dāng)達到約8伏時，閾比較器在定時器2202的輸入線路2206處活化。
這導(dǎo)致內(nèi)部雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的復(fù)位和在定時器2202的輸出線路2208處的輸出電壓返回到地電位水平。接著“放電”晶體管轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，由此，電容器2210經(jīng)過電阻器2216和2214放電，直至電容器2210的電壓降到供電電壓的約三分之一，即約4伏；在此水平上，“觸發(fā)器”-比較器又轉(zhuǎn)換定時器2202的輸出線路2208到“高”態(tài)(或者到接近12伏供電電壓的狀態(tài))，循環(huán)重新開始。
定時器2202的輸出線路2208處的輸出信號反饋給用參考標(biāo)記2220表示的74C74 D-型雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的脈沖輸入線路2222。此集成電路具有雙功能一方面，定時器2202的頻率被雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器2220平分成“同等份”，以至產(chǎn)生額定60赫茲的輸出信號；另一方面，雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器2220同時還提供由隨后的開關(guān)電路需要的兩個互相補償?shù)妮敵鼍€路2224和2226。
雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器2220的輸出信號反饋給的隨后的開關(guān)電路的部分由緩沖晶體管2234和2238組成。相關(guān)地，配置給兩個緩沖晶體管2234或2238的電阻器2232(示例性數(shù)量級3.3千歐)或2236(示例性數(shù)量級3.3千歐)，將作為各緩沖晶體管2234或2238的基礎(chǔ)的電流傳導(dǎo)限定到安全值。電阻器2242(示例性數(shù)量級1千歐)或2244(示例性數(shù)量級1千歐)是作為所謂的“工作”電阻器配置給緩沖晶體管2234或2238各自的收集器。
緩沖晶體管2234或2238的輸出信號各自與通過成對的晶體管2252、2254或晶體管2256、2258形成的所謂的“推挽”式晶體管連接。在此pnp晶體管2252或2256用作晶體管2254或2258的驅(qū)動晶體管，即主功率晶體管的電流需求由pnp晶體管2252或2256滿足，使得能夠達到一個完全的飽和狀態(tài)。
通過pnp晶體管2252或2256提供的驅(qū)動電流強度可以-取決于經(jīng)過換流器的出口接通的電荷-最多達到5安培。各種適當(dāng)選擇的電阻器2262(示例性數(shù)量級49千歐)、2264(示例性數(shù)量級49千歐)、2266(示例性數(shù)量級330歐)、2268(示例性數(shù)量級330歐)、2272和2274連接在單個晶體管2252、2254或2256、2258之前、中間或之后。
在所謂的“推挽”模式中彼此接通在一起的晶體管2254和2258，交替地給變壓器2280的初級線圈2282的各配置半2284、2284’充以電流。相關(guān)地，可變的電流傳導(dǎo)是指在一個晶體管2258或2254剛好在飽和狀態(tài)時，與另一個晶體管2254或2258的接觸中斷(反之亦然)。
由于晶體管2254和2258兩者的交替接通，以磁感應(yīng)方式在變壓器2280的變壓器鐵心2286中產(chǎn)生磁場，這導(dǎo)致向次級線圈2288的“能量轉(zhuǎn)移”。通過相應(yīng)選擇初級線圈2282的匝數(shù)與次級線圈2288的匝數(shù)的比率，在次級線圈獲得數(shù)量級為至少約30000伏的矩形脈沖形式形成的高壓。
空氣，即起始產(chǎn)品空氣氮氣N2和起始產(chǎn)品空氣氧氣O2，在氣體發(fā)生器單元20的第一階段20a中以高壓電弧的方式經(jīng)歷一系列放電過程，該高壓電弧由電子開關(guān)電路22提供的數(shù)量級為至少約30000伏的高壓產(chǎn)生。
結(jié)果是氮氣N2原子化，即分解，并根據(jù)如下方程式，在引入高溫的條件下與氧原子結(jié)合成一氧化氮NO(ΔH＝+90.4千焦/摩爾的吸熱反應(yīng))。
以這種方式在氣體發(fā)生器單元20中產(chǎn)生的一氧化氮NO基于在NO分子中的奇數(shù)電子(→至少一個電子未成對)而被空氣氧氣O2立即氧化為二氧化氮NO2，以至最終二氧化氮NO2到達反應(yīng)單元30(除了臭氧O3以外)；這些二氧化氮NO2可非常好地溶解在水H2O中。
在設(shè)定為產(chǎn)生臭氧O3的氣體發(fā)生器單元20的第二階段20b中，雙原子氧分子O2根據(jù)如下方程式通過冷放電過程轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼜姺磻?yīng)性的三原子臭氧分子O3(ΔH＝+68千卡/摩爾的吸熱反應(yīng))。對于這樣產(chǎn)生的臭氧O3的使用，還將在下面詳細描述。
在反應(yīng)單元30中，通過加入臭氧O3，然而特別是由于氮氧化物NOx的催化作用，將水H2O置于一種具有不穩(wěn)定性特征的狀態(tài)，為此，水H2O、臭氧O3和氮氧化物NOx在反應(yīng)單元30中，通過一種合適的混合和/或攪拌裝置而完全和連續(xù)地混合。
相關(guān)地，在水H2O和主要存在的二氧化氮NO2反應(yīng)的過程中，不僅以本發(fā)明必要的方式形成氫氧根離子OH-(即通過氮氧化物NOx從每一個水分子H2O中取走一個氫原子H+)，而且形成一系列含氮化合物，如一氧化二氮N2O、亞硝酸HNO2或硝酸HNO3；在這些含氮化合物中，氮原子是在低氧化態(tài)下存在。
含氮化合物，其中另外還有一氧化氮NO和二氧化氮NO2以及氮氣N2自身，通過電荷轉(zhuǎn)移而與水H2O反應(yīng)生成元素氫離子(＝質(zhì)子H+)以及生成帶負電荷的過氧化氮離子NO3-，例如根據(jù)下述的反應(yīng)進行
上述的含氮化合物可以是在反應(yīng)單元30中的氧、氮和氫原子的反應(yīng)產(chǎn)物，其中周圍的環(huán)境，例如含氮化合物暴露于的壓力、溫度和/或電流，具有重要的影響。但是，不穩(wěn)定的水不僅對壓力、溫度和/或電流的影響敏感，而且對其它力，例如重力、磁力和/或類似的導(dǎo)致分子“裂化”的力等敏感。
由于如上所述，氮氧化物NOx可溶解在源自蓄水器單元10的水H2O中，所以前述的反應(yīng)在某種程度上能夠解釋為化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物。為此，不穩(wěn)定的水分子在反應(yīng)單元30后連接的分離單元40中(所謂的“分子分離器”，見圖5)分解生成氧氣O2和用作燃料的氫氣H2。在此，為了在分離單元40中在分子水平上分解不穩(wěn)定的水，將不穩(wěn)定水的反磁性部分與不穩(wěn)定水的順磁性部分分開。
為了至少部分地電解分解或分離步驟，能源24，例如以例如12伏電壓源的形式，配置給分離單元40；優(yōu)選能源24是通過它而為氣體發(fā)生器單元20的電子開關(guān)電路(所謂的“三原子電路”)提供要轉(zhuǎn)化為數(shù)量級為約30000伏的高電勢差的直流電壓的能源。
為了實現(xiàn)分解或“裂化”，分離單元40具有至少兩個例如由鋁或由銅制成的電極42，其互相配置的尖端相互間只有非常小的距離，且借助通過例如至少一種商業(yè)上常用的汽車蓄電池的配置能源24進行充電，在溫度約1000攝氏度或更高下進入輝光狀態(tài)。
在這些溫度下，氨氣NH3通過燃燒或煮沸而揮發(fā)，留下混合有離子的溶液，其中，由于在輝光電極尖端間的電流傳導(dǎo)(其可與在水下焊接時的“電弧”相比)，將分子分離成它們各自的元素。在本發(fā)明情況下，這會比通過被集中在電極42的尖端上的電子的躍遷(所謂的“尖端效應(yīng)”)，將單個要分解的不穩(wěn)定分子的潛能超負荷以至能夠克服色散力(所謂的“倫敦力”)更容易。以此方式，為將單個分子分解為其單個的元素，需要基本上比傳統(tǒng)上更少的能量。
在一定程度上用作過濾器的，用于從燃料中取走液體組分的再循環(huán)單元50(所謂的“脫水器”)，置于分離單元40之后，通過此再循環(huán)單元，可以將所有的液體組分如二氧化氮NO2、亞硝酸HNO2或硝酸HNO3以及水H2O自身，從燃料流(＝氣態(tài)氫氣流)中提取并輸送回反應(yīng)單元30。
為此目的，再循環(huán)單元50始終保持以相對恒定的水平裝有水H2O，其中由于引走液體組分如二氧化氮NO2、亞硝酸HNO2或硝酸HNO3以及水H2O自身，因此再循環(huán)單元50持續(xù)需要“新鮮”水H2O；為防止再循環(huán)單元50的內(nèi)容物飽和，例如即用氨氣NH3或用氧氣O2飽和，再循環(huán)單元50持續(xù)不斷地從蓄水器單元10中用“新鮮”水供應(yīng)，如可以從圖1A的描述中看出。
以此方式，由反應(yīng)單元30、分離單元40和再循環(huán)單元50定義的循環(huán)中，催化作用的含氮組分的持續(xù)剩余得以保證；換句話說，由于再循環(huán)單元50的設(shè)置，確保除了氣態(tài)燃料H2以外，獨有或多或少的偶然剩余的氣態(tài)物質(zhì)，例如氨氣NH3或氧氣O2，到達燃燒室90。
燃料泵單元60(所謂的“燃料泵”)置于再循環(huán)單元50的下游；通過此泵單元，燃料能夠從分離單元40泵送至置于燃料泵單元60下游的燃料緩沖罐70(所謂的“緩沖罐”)。由于燃料泵單元60可靠地確保在任何時間備有必需的燃料量(＝氫氣量)，使得可以避免燃燒室90的不充足供應(yīng)和由此內(nèi)燃機(或是燃氣渦輪機)的“熄火”。
上述提及的燃料緩沖罐70用于基本上相同的目的(充足供應(yīng)燃燒室90以燃料和由此避免內(nèi)燃機或燃氣渦輪機的熄火)，在其中能夠儲存從分離單元40轉(zhuǎn)移的氣態(tài)氫氣H2，并且可以從中在需要的情況下，即“按需”取走氫氣H2。
用作中間儲存器的燃料緩沖罐70具有200毫升(液態(tài))氫氣H2的示例性最大容量，使得對于恒定的氫氣產(chǎn)品，由燃燒室90引起的小范圍內(nèi)的(發(fā)動機)轉(zhuǎn)數(shù)的變動也是可能的。相關(guān)地，燃料緩沖罐70還特別具有的對于本發(fā)明必要的重要性在于，在汽車加速期間和在汽車的較高轉(zhuǎn)數(shù)范圍內(nèi)，確保對燃燒室90充足供應(yīng)燃料H2。
在混合物進入燃燒室90之前調(diào)節(jié)從緩沖罐70給料的氫氣H2和從氣體發(fā)生器單元20輸入的臭氧O3的數(shù)量比例或混合比例的燃料調(diào)節(jié)單元80，置于燃料緩沖罐70之后和在燃燒室90之前。為使氫氣產(chǎn)品適合燃燒室90中的氫氣消耗，燃料調(diào)節(jié)單元80例如以電子控制形式設(shè)計，由此可以對燃燒室90“步進給氣”。
從圖1A的框圖中可以看出，氣體發(fā)生器單元20不僅能夠釋放臭氧O3給反應(yīng)單元30，而且能夠甚至也是更大量地釋放給燃料調(diào)節(jié)單元80，為此，將氣體發(fā)生器單元20設(shè)計成兩部分或兩個分離的階段20a、20b(見圖1A)的形式或兩個分離的構(gòu)件是有利的。
供應(yīng)臭氧O3給燃燒室90的背景可以特別從如下事實看出借助臭氧O3-不同于氧氣O2-能夠引起在燃燒室90中或多或少無剩余物，即特別是無廢氣和無污染物地燃燒，因為用從氣體發(fā)生器單元20中供給的臭氧O3，由運輸能量載體氫氣H2的氣流攜帶的氣態(tài)氨NH3在燃燒室90中(幾乎)完全燃燒成氮氣N2和水H2O。
此外，由于使用三原子臭氧O3作為氧化劑，本發(fā)明的裝置100的效率顯著提高，特別也因為三原子臭氧O3比二原子氧O2反應(yīng)更快，并保證提供更高的能量以及非常低的燃料消耗。
圖1B示意性地描述同樣利用本發(fā)明方法的用于提供燃料(混合物)的裝置100’的第二個實施例。至于下文沒有相應(yīng)解釋圖1B的裝置100’的第二個實施例，是為避免不必要的重復(fù)，根據(jù)圖1B的裝置100’的第二個實施例的設(shè)計、元件、特征和/或優(yōu)點參見根據(jù)圖1A的裝置100的第一個由非腐蝕性材料，例如由玻璃纖維或聚乙烯或不銹鋼制成的蓄水器單元10(所謂的“H2O箱”，見圖2)，裝有常規(guī)的未處理的自來水或軟化水；水H2O進入置于蓄水器單元10后的第一反應(yīng)室30’中。此外，將氮氧化物NOx如一氧化氮NO或特別是二氧化氮NO2和亞硝酸HNO2或硝酸HNO3和/或氨NH3引入第一反應(yīng)室30’。
氮氧化物NOx特別通過轉(zhuǎn)化空氣氮氣N2和空氣氧氣O2，在置于第一反應(yīng)室30’之前的氣體發(fā)生器單元20(所謂的“三原子發(fā)生器”)的第一室20a’中獲得(＝催化分解空氣Lu，見圖1B)。相關(guān)地，必須考慮到在氣體發(fā)生器單元20中產(chǎn)生的一氧化氮NO被空氣氧氣O2立即氧化成二氧化氮NO2，以至在第一反應(yīng)室30’中最終到達的是二氧化氮NO2；二氧化氮NO2，非常容易溶解在水H2O中。
替代地或是對催化分解空氣Lu的補充，氮-氧化合物，特別是二氧化氮NO2，也通過將硝酸HNO3解離為二氧化氮NO2，水H2O和氧O2而產(chǎn)生。
此外，臭氧O3還可通過氣體發(fā)生器單元20的第二室20b’而制備；然而，在按圖1B的裝置100’的第二個實施例中，臭氧O3不引入第一反應(yīng)室30’，而是經(jīng)過作為臭氧泵單元設(shè)計的泵單元62直接供給第二反應(yīng)室40’(其還會在下面解釋)。
至于氮-氫化合物，特別是氨氣NH3的制備，根據(jù)本發(fā)明的另一個選擇是供給第一反應(yīng)室30’以氫-氮-氧化合物，特別是亞硝酸HNO2和/或硝酸HNO3，以形成氨氣NH3，特別地有至少一種金屬，例如鋅Zn的協(xié)同作用下(見圖1B)。
在第一反應(yīng)室30’中，通過轉(zhuǎn)化-源自蓄水器單元10的水H2O，-添加的亞硝酸HNO2和/或硝酸HNO3，-添加的催化作用的氨氣NH3以及-氮氧化物NOx，特別是二氧化氮NO2，形成非常不穩(wěn)定特性的化合物亞硝酸銨NH4NO2和/或硝酸銨NH4NO3。為此，水H2O，亞硝酸HNO2或硝酸HNO3和/或氨氣NH3以及氮氧化物NOx，特別是二氧化氮，在第一反應(yīng)室30’中通過合適的混合和/或攪拌裝置完全和連續(xù)地混合。
由此，在第一反應(yīng)室30’中，基于氮氧化物NOx，特別是二氧化氮NO2的催化作用，水H2O也進入一種由電荷轉(zhuǎn)移引起的不穩(wěn)定特性的狀態(tài)。
泵單元60置于第一反應(yīng)室30’之后，通過該泵單元在第一反應(yīng)室30’中生成的亞硝酸銨NH4NO2和/或硝酸銨NH4NO3可以以液體形式，即溶解在水中，從第一反應(yīng)室30’通過泵送而運輸?shù)街糜诒脝卧?0后的第二反應(yīng)室40’(所謂的“燃料轉(zhuǎn)化器”)。
為了使亞硝酸銨NH4NO2和/或硝酸銨NH4NO3在水H2O中的濃度滿足燃料需求，例如汽車發(fā)動機的燃料需求，或取決于燃料需求，例如汽車發(fā)動機的燃料需求而改變，在第一反應(yīng)室30’的末端配置一種調(diào)節(jié)或控制裝置32。
通過由非腐蝕性材料，如由玻璃纖維或熱塑性塑料制成的泵單元60，可靠地確保亞硝酸銨NH4NO2和/或硝酸銨NH4NO3的必需量在任何時間都是可得的，以至避免第二反應(yīng)室40’(→和燃燒室90)的不充足供應(yīng)和由此避免內(nèi)燃機(或還是燃氣渦輪機)的“熄火”。
由于如上所述，氮氧化物NOx溶解在源自蓄水器單元10的水H2O中，上述提及的反應(yīng)可以在一定程度上解釋為化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物。為此，在第二反應(yīng)室40’(所謂的“燃料轉(zhuǎn)化器”)中保持臨界壓力和臨界溫度，例如在150攝氏度-200攝氏度的數(shù)量級，使得亞硝酸銨NH4NO2和/或硝酸銨NH4NO3可以從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，只要必須和/或期望。
假如亞硝酸銨NH4NO2和/或硝酸銨NH4NO3在第二反應(yīng)室40’中也為氣態(tài)存在，則可以與臭氧O3進行混合，該臭氧可以從氣體發(fā)生器單元20的第二室20b’輸送到第二反應(yīng)室40’。在此從圖1B的框圖中可以看出，氣體發(fā)生器單元20的第二室20b’沒有釋放臭氧O3給第一反應(yīng)室30’，而是經(jīng)過臭氧泵單元62專門釋放給第二反應(yīng)室40’，為此，氣體發(fā)生器單元20以兩部分或以兩個分離的室20a’、20b’(見圖1B)或兩個分離的構(gòu)件形式設(shè)計是有利的。
在這個方法階段中，氣態(tài)不穩(wěn)定的亞硝酸銨NH4NO2和/或硝酸銨NH4NO3在第二反應(yīng)單元40’中“原子化”，即通過在第二反應(yīng)室40’中加熱而分解成元素組分氮氣N2、氧氣O2(、臭氧O3)和氫氣H2且這樣成為燃料。
此時，這種燃料以汽化器基供給或通過直接噴射到燃燒室90中，在此，通過燃料的真正的燃燒，臭氧O3與氫氣H2進行放熱反應(yīng)(燃燒爆炸)；非常穩(wěn)定的氮氣N2與作為燃燒的副產(chǎn)物出現(xiàn)的水蒸氣一起通過排氣管排出。
供應(yīng)臭氧O3給第二反應(yīng)室40’的背景可以特別從如下事實看出借助臭氧O3-不同于氧氣O2-能夠?qū)е略谌紵?0中或多或少無剩余物，即特別是無廢氣和無污染物地燃燒，因為用從氣體發(fā)生器單元20中供給的臭氧O3，由運輸能量載體氫氣H2的氣流攜帶的氣態(tài)氨NH3在燃燒室90中(幾乎)完全燃燒成氮氣N2和水(蒸汽)H2O。
此外，由于使用三原子臭氧O3作為氧化劑，本發(fā)明的裝置100的效率顯著提高，特別也因為三原子臭氧O3比二原子氧氣O2反應(yīng)更快，和保證提供更高的能量以及非常低的燃料消耗。
替代或作為對臭氧O3的補充，用簡單的空氣氧氣O2和/或用空氣Lu使產(chǎn)生的燃料燃燒，也在根據(jù)本發(fā)明的裝置100’的第二個實施例的范圍內(nèi)。
與此獨立地或由此結(jié)合，統(tǒng)一地或整體地設(shè)計第二反應(yīng)室40’和燃燒室90，即讓它們空間重疊，也在根據(jù)本發(fā)明裝置100’的第二個實施例的范圍內(nèi)。在這種情況下，將產(chǎn)生的燃料直接引入作為第二反應(yīng)室設(shè)計的燃燒室90，并在那里與空氣Lu、氧氣O2和/或臭氧O3一起爆鳴氣爆炸。
參考標(biāo)記列表100 裝置(第一個實施例)100’ 裝置(第二個實施例)10 蓄水器單元20 氣體發(fā)生器單元20a 氣體發(fā)生器單元20的第一階段20a’ 氣體發(fā)生器單元20的第一室或第一部分20b 氣體發(fā)生器單元20的第二階段20b’ 氣體發(fā)生器單元20的第二室或第二部分22 電子開關(guān)電路2202 計時器2204 計時器2202的輸入線路2206 計時器2202的輸入線路2208 計時器2202的輸出線路2210 電容器2212 電阻器
2214電阻器2216電阻器2220雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器2222雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器2220的脈沖輸入線路2224雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器2220的輸出線路2226雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器2220的輸出線路2232電阻器2234緩沖晶體管2236電阻器2238緩沖晶體管2242電阻器2244電阻器2252pnp晶體管2254晶體管2256pnp晶體管2258晶體管2262電阻器2264電阻器2266電阻器2268電阻器2272電阻器2274電阻器2280變壓器2282變壓器2280的初級線圈2284變壓器2280的初級線圈2282的第一半2284’變壓器2280的初級線圈2282的第二半2286變壓器2280的變壓器鐵心2288變壓器2280的次級線圈2290電容器
2292電容器2294電容器24 能源，特別是汽車蓄電池2422在電子開關(guān)電路22和能源24之間的開關(guān)30 反應(yīng)單元30’ 第一反應(yīng)室32 調(diào)節(jié)或控制裝置40 分離單元40’ 第二反應(yīng)室50 再循環(huán)單元60 第一個泵單元，特別是燃料泵單元62 第二個泵單元，特別是臭氧泵單元70 燃料緩沖罐80 燃料調(diào)節(jié)單元90 燃燒室
權(quán)利要求
1.一種用于制備氫氣(H2)形式的燃料的方法，其特征在于通過加入臭氧(O3)和在至少一種催化劑的協(xié)同作用下，將水(H2O)引入一種不穩(wěn)定狀態(tài)，并且將該不穩(wěn)定的水分解形成氧氣和用作燃料的氫氣。
2.一種用于制備氫氣(H2)形式的燃料的方法，其特征在于通過加入氮氧化物(NOx)和臭氧(O3)，將水(H2O)引入一種由電荷轉(zhuǎn)移引起的不穩(wěn)定狀態(tài)，并且將該不穩(wěn)定的水分解形成氧氣(O2)和用作燃料的氫氣(H2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于為了分解不穩(wěn)定的水，供給能量，特別是低能量，和/或在分子水平上將不穩(wěn)定水的反磁性部分與不穩(wěn)定水的順磁性部分分開。
4.一種制備至少一種燃料或至少一種燃料混合物的方法，其特征在于向至少一個反應(yīng)室，特別是第二反應(yīng)室(40’)中，引入至少一種由水(H2O)和用作反應(yīng)組分的亞硝酸銨(NH4NO2)和/或硝酸銨(NH4NO3)組成的混合物作為燃料或燃料混合物，并將空氣(Lu)、氧氣(O2)和/或臭氧(O3)供給在該反應(yīng)室中，特別是第二反應(yīng)室(40’)中的由于電荷轉(zhuǎn)移而以不穩(wěn)定狀態(tài)存在的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于通過調(diào)節(jié)或通過控制，使亞硝酸銨(NH4NO2)和/或硝酸銨(NH4NO3)在水(H2O)中的濃度滿足燃料的需求，特別是至少滿足汽車發(fā)動機的燃料需求，或取決于燃料的需求，特別是至少一種汽車發(fā)動機的燃料需求而改變。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的方法，其特征在于在至少一個置于第二反應(yīng)室(40’)之前的第一反應(yīng)室(30’)中，將-至少一種氮-氧化合物，特別是二氧化氮(NO2)，-至少一種氫-氮-氧化合物，特別是亞硝酸(HNO2)或硝酸(HNO3)，和/或至少一種氮-氫化合物，特別是氨氣(NH3)，以及-水(H2O)彼此混合，形成由于電荷轉(zhuǎn)移而以不穩(wěn)定狀態(tài)存在的用作燃料或燃料混合物的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于氮-氧化合物，特別是二氧化氮(NO2)，通過將硝酸(HNO3)解離為二氧化氮(NO2)、水(H2O)和氧氣(O2)，或通過空氣(Lu)的催化分解而制備。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的方法，其特征在于將氫-氮-氧化合物，特別是亞硝酸(HNO2)或硝酸(HNO3)，供給第一反應(yīng)室(30’)，以形成氮-氫化合物，特別是氨氣(NH3)，特別地在至少一種金屬，如鋅(Zn)的協(xié)同作用下進行。
9.根據(jù)權(quán)利要求4-8中至少一項的方法，其特征在于將能量供給至少一個反應(yīng)室(30’、40’)。
10.一種用于制備氫氣(H2)形式的燃料的裝置(100)，其特征在于-至少一個用于通過加入臭氧(O3)以及借助至少一種催化劑使水(H2O)置于不穩(wěn)定狀態(tài)的反應(yīng)單元(30)或反應(yīng)室；和-至少一個用于將不穩(wěn)定的水分解成氧氣和用作燃料的氫氣的置于反應(yīng)單元(30)或反應(yīng)室之后或與其平行連接的分離單元(40)或分離室。
11.一種用于制備氫氣(H2)形式的燃料的裝置(100)，其特征在于-至少一個用于通過加入氮氧化物(NOx)和臭氧(O3)，使水(H2O)置于不穩(wěn)定狀態(tài)的反應(yīng)單元(30)或反應(yīng)室；和-至少一個用于將不穩(wěn)定的水分解成氧氣(O2)和用作燃料的氫氣(H2)的置于反應(yīng)單元(30)或反應(yīng)室之后或與其平行連接的分離單元(40)或分離室。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11的裝置，其特征在于至少一個設(shè)計用于從燃料中取走液體組分的再循環(huán)單元(50)或再循環(huán)室置于分離單元(40)或分離室之后，由此，液體組分能夠返回反應(yīng)單元(30)或反應(yīng)室。
13.一種用于制備至少一種燃料或至少一種燃料混合物的裝置(100’)，其特征在于至少一個反應(yīng)室，特別是第二反應(yīng)室(40’)，可向其中導(dǎo)入至少一種由-水(H2O)和-用作反應(yīng)組分的亞硝酸銨(NH4NO2)和/或硝酸銨(NH4NO3)組成的混合物作為燃料或燃料混合物，和可在其中將空氣(Lu)、氧氣(O2)和/或臭氧(O3)供給由于電荷轉(zhuǎn)移而以不穩(wěn)定狀態(tài)存在的混合物。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的裝置，其特征在于至少一個特別配置給至少一個第一反應(yīng)室(30’)的調(diào)節(jié)或控制裝置(32)，通過其使亞硝酸銨(NH4NO2)和/或硝酸銨(NH4NO3)在水(H2O)中的濃度滿足燃料需求，特別是滿足至少一種汽車發(fā)動機的燃料需求，或取決于燃料需求，特別是至少一種汽車發(fā)動機的燃料需求而改變。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14的裝置，其特征在于置于第二反應(yīng)室(40’)之前的第一反應(yīng)室(30’)設(shè)計用于混合-至少一種氮-氧化合物，特別是二氧化氮(NO2)，-至少一種氫-氮-氧化合物，特別是亞硝酸(HNO2)或硝酸(HNO3)，和/或至少一種氮-氫化合物，特別是氨氣(NH3)，以及-水(H2O)，形成由于電荷轉(zhuǎn)移而以不穩(wěn)定狀態(tài)存在的用作燃料或燃料混合物的混合物。
16.根據(jù)權(quán)利要求13-15中至少一項的裝置，其特征在于將能量供給至少一個反應(yīng)室(30’、40’)。
17.根據(jù)權(quán)利要求10-16中至少一項的裝置，其特征在于至少一個特別設(shè)計成兩個階段(20a、20b)或兩個部分(20a’、20b’)的氣體發(fā)生器單元(20)置于反應(yīng)單元(30)或反應(yīng)室或第一反應(yīng)室(30’)之前，其中，通過使用設(shè)計用于產(chǎn)生高壓的，配置給或置于氣體發(fā)生器單元(20)之前的至少一個電子開關(guān)電路(22)，能夠產(chǎn)生氮氧化物(NOx)，特別是二氧化氮(NO2)，以及三原子臭氧(O3)。
18.根據(jù)權(quán)利要求10-17中至少一項的裝置，其特征在于至少一種能源(24)，特別是一種低能源，特別是以至少一個例如12伏的電壓源的形式，配置給或置于氣體發(fā)生器單元(20)和/或分離單元(40)或分離室或第二反應(yīng)室(40’)之前。
19.根據(jù)權(quán)利要求10-18中至少一項的裝置，其特征在于至少一個泵單元(60)，特別是燃料泵單元，置于反應(yīng)單元(30)或反應(yīng)室或第一反應(yīng)室(30’)和/或再循環(huán)單元(50)或再循環(huán)室之后，通過此泵單元，燃料或不穩(wěn)定的水或亞硝酸銨(NH4NO2)或硝酸銨(NH4NO3)能夠泵送至-至少一個燃料電池和/或-至少一個燃料緩沖存儲器和/或-至少一個燃料緩沖罐(70)或-第二反應(yīng)室(40’)。
20.燃料的用途，該燃料如下制備-根據(jù)權(quán)利要求1-9中至少一項的方法制備和/或-通過至少一種根據(jù)權(quán)利要求10-19中至少一項的裝置(100或100’)制備，該燃料-用于驅(qū)動至少一種特別配置給運輸工具，特別是汽車的內(nèi)燃機，例如四沖程發(fā)動機、柴油發(fā)動機、轉(zhuǎn)子發(fā)動機等，和/或-用于驅(qū)動至少一種燃氣渦輪機，和/或-用于在至少一種燃料電池中作為燃料罐提供和/或-用于加熱的目的和/或-用于在至少一種氫氣燃燒裝置中使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制備至少一種燃料，特別是用于汽車發(fā)動機的燃料的方法和裝置(100或100’)，借助本發(fā)明的方法和裝置，燃料可特別以氫氣形式，根據(jù)需要，且以簡單的、廉價的、干凈的和安全的方式，而且優(yōu)選在運輸工具里制備。本發(fā)明建議將至少一種由水(H
文檔編號C01B13/11GK1575257SQ02820877
公開日2005年2月2日 申請日期2002年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月1日
發(fā)明者吉爾·帕戈卡提普南Y埃斯考巴, 埃爾瑪·G·布蘭德施韋德 申請人:伽馬－格雷諾研究發(fā)展有限公司