CN101010255B - 用于非导电材料中阳离子-电子侵入和碰撞的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种引起H+离子和电子侵入到非导电材料(2)内部以促进它们之间以低能发生碰撞。更特别地，本发明涉及用于从含氢化合物(3)和至少一个阴极(4)开始，碰撞至少一个H+离子和至少一个电子的装置，该装置的特征在于其包括：至少一个电磁场发生器，用于从所述含氢化合物(3)提取所述H+离子，并且朝向所述阴极(4)转移所述H+离子；和至少一个非导电材料，位于至少一部分所述含氢化合物和所述阴极(4)之间；在所述非导电材料内发生所述碰撞。

Description

用于非导电材料中阳离子-电子侵入和碰撞的系统
技术领域
本发明涉及通过物质中电场、磁场和电磁场的操纵粒子的领域。
更特别地，本发明涉及H+离子和电子侵入到非导电材料中以促进它们低能碰撞的装置。
背景技术
现有技术公开了电解产生氢的原理。图1表示电解的总原理。例如，阴极被放在酸化水中。在电流的作用下，水中的H+离子被吸引到阴极。然后，阴极释放电子，电子与H+离子一起形成氢原子，然后是氢分子。通过液体中气泡的出现可以观察到氢的存在。根据阴极的物理化学特性，氢的一部分可以通过扩散渗入阴极。
美国专利US-A-4 466 820中，利用电解从陶瓷提取离子。然后，各种带电离子根据它们的电荷被吸引到阴极或阳极。
用于产生氢或用于迁移粒子的现有电解方法的缺点是氢原子产生后不能被储存，并且它们，例如以微气泡形式逃脱。
发明内容
本发明尤其包括克服现有技术这种缺点的申请，它利用电解原理储存氢，不同于在常规的压缩气罐中储存氢。
CNRS实验室(http://ulysse.glvt-cnrs.fr/lcmtr/hydrures.html)已经进行了金属氢化物中具有氢储存的实验。构成这些实验基础的概念是在接近环境压力和温度的条件下，许多金属和金属间化合物可以可逆地吸引氢。它们形成氢化物，该氢化物具有每个金属原子至少一个氢原子的氢储存容量。通过比较，该容量体积上是液体氢容量的双倍。从金属氢化合物的基本性质和它们的应用方面研究了金属氢化物。通过高频感应电炉中或电弧炉中可控空气中纯元素的共熔，或者通过机械合成获得金属间化合物。通过在容量仪器(Sievert的方法)中与气体氢反应合成这些化合物的氢化物。所述的实验装置可以测定氢化反应的热力学性质(形成的平衡压力、容量、焓和熵)。也可以在电化学反应中通过离解水分子合成氢化物，该方法被广泛地应用在碱性Ni-MH类型电池中。金属间化合物的结构和它们的氢化物通过X射线和中子衍射表征。通过磁测量、Mossbauer光谱学和X射线吸收研究它们的物理性质。
更通常地，现有技术也公开了多孔材料中离子转移过程。标题“电场对混凝土中氯化物扩散作用的理论和实验研究”(by O.Amiri，A.
Figure G05819823820061220D000021
A.Seigneurin，A.Ammar-B entitled“Etude théorique et experimentale de l’action d’un champ électriquesur la diffusion des chlorures dans les bétons”，15th Rencontres Universitaires de GénieCivil，Strasbourg，5月9-10日，259-265页，1997)的文献包括了例如，与孔结构中包含的电解质的电毛细吸附层相互作用的主要离子转运机理。
本发明的装置不是通过氢化反应，而是在阴极和电转移场存在的情况下，通过将H+离子插入到材料中可以在非导电材料(例如，晶体或陶瓷)内储存氢(图4)。
例如，本发明特别地适于至少一个H+离子与电子的低能碰撞(从几电子伏特到几百电子伏特)，该碰撞牢记预定选定的电场和磁场条件和非导电材料的选择，这可以产生中子以获得低能中子源。
例如，本发明也特别地适于H+离子与电子的低能碰撞，该碰撞牢记预定选定的电场和磁场条件和非导电材料的选择，这可以在非导电材料内产生氢原子以产生氢储存单元。
为此，本发明具有上述类型，并且其最广泛的方面值得注意，因为它提供了一种用于从含氢化合物和至少一个阴极开始，碰撞至少一个H+离子和至少一个电子的装置，该装置的特征在于其包括：
至少一个电磁场发生器，其用于从所述含氢化合物提取所述H+离子和朝向所述阴极转移所述H+离子；和
至少一种非导电材料，其位于至少一部分所述含氢化合物和所述阴极之间；
在所述非导电材料内发生所述碰撞。
优选地，所述电磁场发生器由以电势差放置的两块导电板构成。
在一个实施方式中，所述阴极与所述导电板之一是一体的。
在一个实施方式中，所述含氢化合物是含水酸性电解液。
在实施方式之一中，所述含氢化合物是液体、固体或气体化合物，或者是等离子体。
有利地，所述非导电材料是陶瓷。
优选地，所述非导电材料由至少一层陶瓷构成。
有利地，所述非导电材料由至少一层晶体和至少一层陶瓷构成。
在一个实施方式中，所述陶瓷包括六角氮化硼(HBN)。
在变化形式中，所述非导电材料包覆至少部分所述阴极。
在进一步变化形式中，所述非导电材料包覆整个所述阴极。
优选地，所述非导电材料防止所述含氢化合物和所述阴极之间的任何接触。
优选地，该装置也包括阳极。
在一个实施方式中，所述非导电材料内所述H+离子的能量能够使所述碰撞引起中子产生。
在进一步的实施方式中，所述非导电材料内所述H+离子的能量能够使所述碰撞引起氢原子的产生。
本发明也提供了从含氢化合物和至少一个阴极开始，产生至少一个氢原子的方法，该方法的特征在于它包括至少下面的步骤：
在至少部分所述含氢化合物和所述阴极之间设置至少一种非导电材料；
从所述含氢化合物提取至少一个H+离子；和
将所述H+离子插入到所述非导电材料中，所述H+离子与所述非导电材料内所述阴极提供的至少一个电子碰撞。
优选地，通过电磁场方法进行从所述含氢化合物提取至少一个H+离子的步骤。
有利地，通过离子转移进行将所述H+离子插入到所述非导电材料中的所述步骤。
从单纯地通过本发明实施方式的示例性解释以及参考附图进行的下面描述可以更好地理解本发明。
附图说明
图1表示现有技术中电解的原理和氢的产生。
图2表示本发明的实施方式。
图3表示氢原子侵入到晶格中。
图4表示在接近阴极板上，关于非导电材料内氢原子形成的机理。
具体实施方式
在图2的实施方式中，本发明的装置包括电场发生器1，可选地其连有磁场发生器，含有全部或部分的离子、等离子体、气体、液体或固体形式氢的固体、液体或气体类型元素3，和阴极板4，这样非导电材料2位于阴极板4和含上述至少一种形式氢的元素3之间。可选地，阴极板4和电磁场发生器可以整体制造成单件。
上述装置的总原理是发生器1产生的电磁场产生、加速和定向H+离子(氢同位素的质子或离子，诸如氘核或氚核)，该H+离子来源于元素3中所含有的不同状态氢。非导电材料2被定向，这样在这些力的作用下，H+离子(质子)在与阴极接触前渗入到材料中。
例如，因为材料2是非导电的，阴极释放的电子将不会通过该材料和与基于氢的物质连接在一起，引起如同在水中一样常规的电解反应。因此，这种材料的存在用于“固定”电子，使得它们不进入电解液，因此能够在H+离子和电子之间产生有利的反应位置。
在非导电材料内，后来通过阴极板4，电子e-被供应给H+离子(质子)。然后，H+离子(质子)捕获这种电子用于转换成氢，因此在非导电材料2中产生氢储存单元。
应该注意实验上，系统中电流的出现揭示了所述电子渗入到非导电材料中。
与常规的电解系统比较，因为材料2是非导电的，电子不能在电流的单独作用下与H+离子结合。发电机产生的电场允许这些H+离子通过非导电材料2朝向阴极板移动。
当H+离子接近阴极板时，由于离子的静电效应，电子从阴极板被分离，通过非导电材料朝向这些离子。这种现象背后的物理原理是公知的-量子力学隧道效应，电子微击穿(electronic micro breakdown)或场论静电发射。
最后，无论如何，阴极板必须没有与含氢化合物接触的区域，以避免在物质中引起反应。因此，例如，如图1中所示，该装置包括孔洞以允许H+离子通过，但是阻止它们和阴极之间的任何接触。
而且，为了使阴极与外部环境分开，以与外部环境的电势差设置阴极，用绝缘体部分地覆盖阴极，该绝缘体防止通过空气的离子转运，并且防止碰撞反应所需的电子损失。例如，该绝缘体可以是非导电材料2本身，或者其它绝缘材料。
如果所用的场和材料的各种参数被充分地控制，上述总的原理可以清楚地适用。
在非导电陶瓷或晶体类型材料中储存氢的上下文中，通过固定上述装置的各种参数，下面描述具体的实施方式。
应该理解本发明不限于所用的非导电材料类型。特别地，该装置适于相同类型或不同类型的连续陶瓷层，或者适于连续的晶体层，或者适于连续的陶瓷和晶体层。
对于两个3mm(毫米)板之间的距离“d”和可以在1000伏特和30000伏特
之间变化的高电压电源，所获得的最大电场是：
E＝ΔV/D＝107V/m
如图3中所示，例如，所用的非导电材料2是六角氮化硼，HBN，其具有适于包含氢的物理化学特性。使用范德瓦尔斯半径(Van der waals radii)对原子模造晶格，以达到第一近似值计算氢适合占据的实际空间。该空间非常适于原子或分子氢的范德瓦尔斯半径。
应该注意氢的原子状态和分子状态的范德瓦尔斯半径是相等的，因此不仅可以在非导电材料中形成氢原子，还可以是分子状态的氢。
氢3的来源是可以提供足够量H+离子的含水酸性溶液H3O+。举例说明，它可以获自通过下面反应的硫酸(H2SO4)：
H2SO4+2H2O→SO4 2-+2H3O+
由于适合的场强而产生的充足能量的帮助下，H+离子可以离开水分子，其中所述H+离子通过电力(氢键)结合水分子。即使电装置板末端的电压不得不增加，电场E至少在统计学上可以使一些H+离子(质子)离开水溶液。
装置的电场所产生的电力(107V/m)理论上比水中质子的氢键能量更低。然而，因为H+离子可以在水分子的分子或聚集物之间移动，因此即使来源于场的电力比H键低，也可以提取一部分这些离子。
应该注意优选地，装置也包括可以中和介质的阳极。当H+离子从硫酸被提取时，由于负电荷SO4 2-离子占优势引起的电荷差异倾向于通过静电吸引保留H+离子，并且阻止它们朝向非导电材料。通过吸引负电荷SO4 2-离子，因此，阳极可以中和介质，这有利于H+离子迁移产生氢。在这个特定方法中，电磁场由被升高到高电压的阳极和阴极板产生。
在这个实施方式中，对应于电场E的作用下H+离子移动的方向，阴极板4可以与高电压板1制成一体。
然后，通过已知的离子转移类型机理，该装置产生的电场吸引H+离子到陶瓷中。
因为陶瓷HBN是电绝缘体，H+离子通过陶瓷接近阴极板。当它距离阴极板几个纳米时，通过捕获来源于阴极板的电子，其转化成氢，如图3所示。
因此，陶瓷构成了氢储存单元，该氢储存单元可以用作例如，燃料电池的能量矢量。
特别地，在燃料电池里面，本发明所用的非导电材料变成了可再填装的氢罐。
温度，例如300K的作用将给氢原子动能，该动能允许氢原子在它们所储存的非导电材料内从一个晶格到另一个晶格移动。因此，通过由于电池工作的扩散或加热，陶瓷一点一点地释放其所包含的氢。根据非导电材料的晶格大小也可以控制扩散时间。陶瓷越密集，氢扩散时间越长。
最后，应该注意根据供应给H+离子的能量，和含氢化合物上电磁场的电力，H+离子和电子的非导电材料中反应是产生质子的核反应。
因此，阴极发射的低能质子和电子之间的碰撞后，非导电材料变成了中子源。
通过实施例给出了本发明的上述描述。清楚地，本领域技术人员可以任意地产生本发明的不同变通，这并没有偏离本发明的范围。

Claims (17)

1.一种用于从含氢物质和至少一个阴极开始，碰撞至少一个H+离子和至少一个电子的装置，所述的含氢物质是含水酸性电解液或等离子体，该装置的特征在于其包括：
至少一个电磁场发生器，用于从所述含氢物质提取所述H+离子，并且朝向所述阴极转移所述H+离子；和
至少一个非导电材料，所述的非导电材料是包括六角氮化硼(HBN)的陶瓷，位于至少一部分所述含氢物质和所述阴极之间；
在所述非导电材料内发生所述碰撞。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述发生器由以电势差放置的两个导电板构成。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述阴极与所述导电板之一制成一体。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的非导电材料包覆至少部分所述的阴极。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的非导电材料包覆整个所述的阴极。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的非导电材料防止所述的含氢物质和所述的阴极之间的任何接触。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：它进一步包括阳极。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的非导电材料内所述H+离子的能量使所述碰撞引起至少一个氢原子的产生。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的非导电材料内所述H+离子的能量使所述碰撞引起至少一个中子的产生。
10.一种由权利要求1所述的装置和燃料电池构成的系统，其中由该装置释放的氢供应该燃料电池。
11.一种从含氢物质和至少一个阴极开始，碰撞至少一个H+离子和至少一个电子的方法，所述的含氢物质是含水酸性电解液或等离子体，该方法的特征在于：它包括至少下面的步骤：
在至少一部分所述含氢物质和所述阴极之间设置至少一个非导电材料，所述的非导电材料是包括六角氮化硼(HBN)的陶瓷；
从所述的含氢物质提取所述的至少一个H+离子；和
向所述的非导电材料中插入所述的至少一个H+离子，所述的H+离子与所述
非导电材料内所述阴极所提供的至少一个电子碰撞。
12.如权利要求11所述的一种从含氢物质和至少一个阴极开始，碰撞至少一个H+离子和至少一个电子的方法，其特征在于：利用电磁场进行从所述含氢物质提取至少一个H+离子的步骤。
13.如权利要求11所述的一种从含氢物质和至少一个阴极开始，碰撞至少一个H+离子和至少一个电子的方法，其特征在于：通过离子转移进行向所述非导电材料插入所述H+离子的所述步骤。
14.如权利要求11所述的一种从含氢物质和至少一个阴极开始，碰撞至少一个H+离子和至少一个电子的方法，其特征在于：所述非导电材料内所述H+离子的能量使所述碰撞引起氢原子产生。
15.如权利要求11所述的一种从含氢物质和至少一个阴极开始，碰撞至少一个H+离子和至少一个电子的方法，其特征在于：所述非导电材料内所述H+离子的能量使所述碰撞引起中子产生。
16.如权利要求11所述的一种从含氢物质和至少一个阴极开始，碰撞至少一个H+离子和至少一个电子的方法，其特征在于：非导电材料被加热以释放氢。
17.如权利要求16所述的一种从含氢物质和至少一个阴极开始，碰撞至少一个H+离子和至少一个电子的方法，其特征在于：所释放的氢供应给燃料电池。
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