CN115667799A - 磁流体动力氢电力产生器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种提供电力和热力中的至少一者的动力产生器，其包括(i)用于反应的至少一个反应池，所述反应涉及可通过独特的分析特征和光谱特征鉴别的原子氢氢产物，(ii)熔融金属注入系统，其包括向所述反应池提供熔融金属料流的至少一个泵诸如电磁泵和接收所述熔融金属料流的至少一个储罐，以及(iii)点燃系统，其包括电力源，所述电力源向所述至少一个熔融金属料流提供低压高电流电能以点燃等离子体从而引发所述反应的快速动力学和能量增益。在一些实施方式中，所述动力产生器可包括：(v)供应至所述等离子体的H2源和O2源，(vi)熔融金属回收系统，和(vii)功率转换器，其能够(a)使用聚光热光伏池将来自所述池的黑体辐射器的高功率光输出转换为电，或者(b)使用磁流体动力转换器将所述高能等离子体转换为电。

Description

磁流体动力氢电力产生器
相关申请的交叉引用
本申请要求以下专利申请的优先权：2020年2月8日提交的美国申请No.62/971,938、2020年2月24日提交的美国申请No.62/980,959、2020年3月20日提交的美国申请No.62/992,783、2020年3月30日提交的美国申请No.63/001,761、2020年4月19日提交的美国申请No.63/012,243、2020年5月13日提交的美国申请No.63/024,487、2020年5月28日提交的美国申请No.63/031,557、2020年6月24日交的美国申请No.63/043,763、2020年7月24日提交的美国申请No.63/056,270、2020年8月28日提交的美国申请No.63/072,076、2020年10月1日提交的美国申请No.63/086,520、2020年11月9日提交的美国申请No.63/111,556、2020年12月18日提交的美国申请No.63/127,985和2021年1月6日提交的美国申请No.63/134,537，特此将这些专利每一者全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开涉及动力产生领域，具体而言，涉及用于产生动力的系统、装置和方法。更具体而言，本公开的实施方式涉及动力产生装置和系统以及相关方法，其产生光动力、等离子体和热力并经由磁流体动力功率转换器、光动力-电力转换器、等离子体-电力转换器、光子-电力转换器或热力-电力转换器产生电力。此外，本公开的实施方式描述了利用水或水基燃料源的点燃以使用光伏功率转换器产生光动力、机械动力、电力和/或热力的系统、装置和方法。本公开中详细描述了这些和其他相关的实施方式。
背景技术
动力产生可以采取多种从等离子体获取动力的形式。等离子体的成功商业化可能取决于能够有效形成等离子体然后捕获所产生的等离子体的动力的动力产生系统。
在点燃某些燃料期间可能形成等离子体。这些燃料可包括水或水基燃料源。在点燃期间，形成由剥离电子的原子构成的等离子体云，并且可以释放高的光动力。等离子体的高光动力可以被本公开的电转换器利用。离子和激发态原子可以复合并经历电子弛豫，从而发出光动力。光动力可以通过光伏转换成电。
发明内容
本公开涉及产生电能和热能中的至少一者的动力系统，其包括：
至少一个容器，其能够维持低于大气压的压力；
反应物，其能够经历产生足够能量以在所述容器中形成等离子体的反应，所述反应物包含：
a)氢气与氧气的混合物，和/或
水蒸气，和/或
氢气与水蒸气的混合物；
b)熔融金属；
质量流量控制器，其用以控制至少一种反应物进入该容器的流量；
真空泵，其用以在一种或多种反应物正流入所述容器时使所述容器中的压力维持低于大气压；
熔融金属注射器系统，其包括容纳所述熔融金属中的一些的至少一个储罐、被构造用于递送所述储罐中的所述熔融金属并穿过注射器管从而提供熔融金属料流的熔融金属泵系统(例如，一个或多个电磁泵)以及用于接收所述熔融金属料流的至少一个非注射器熔融金属储罐；
至少一个点燃系统，其包括电力源或点燃电流源以将电力供应至所述至少一个熔融金属料流以在所述氢气和/或氧气和/或水蒸气正流入所述容器时点燃所述反应；
反应物供应系统，其用以补给在所述反应中消耗的反应物；
功率转换器或输出系统，其用以将从所述反应产生的能量(例如，来自所述等离子体的光和/或热输出)的一部分转换为电力和/或热力。
本公开的动力系统(本文也称为“SunCell”)可以包括：
a.)能够维持低于大气压的压力的至少一个容器，其包括反应腔室；
b)两个电极，其被构造为允许熔融金属在其间流动以完成电路；
c)连接至所述两个电极的动力源，其用以在所述电路闭合时在所述两个电极之间施加电流；
d)用以引发由气体形成第一等离子体的等离子体产生池(例如，辉光放电池)；其中将所述等离子体产生池的流出物引向所述电路(例如，所述熔融金属、所述阳极、所述阴极，浸没在熔融金属储罐中的电极)；
其中当在整个电路上施加电流时，该等离子体产生池的流出物发生反应以产生第二等离子体和反应产物；和
e)动力适配器，其被构造为将来自第二等离子体的能量转换和/或传递成机械能、热能和/或电能。在一些实施方式中，等离子体产生池中的气体是氢(H2)和氧(O2)的混合物。例如，氧与氢的相对摩尔比为0.01％-50％(例如0.1％-20％、0.1-15％等)。在某些具体实施中，熔融金属是镓。在一些实施方式中，反应产物具有至少一种如本文所述的光谱特征(如实例10中描述的那些)。在多个方面中，第二等离子体在反应池中形成，并且所述反应池的壁包括衬里，该衬里对与熔融金属形成合金(例如与熔融金属诸如镓形成合金)具有增加的抵抗力并且该衬里和反应池的壁对反应产物具有高渗透性(例如不锈钢诸如347SS诸如4130合金SS或Cr-Mo SS、镍、Ti、铌、钒、铁、W、Re、Ta、Mo、铌和Nb(94.33重量％)-Mo(4.86重量％)-Zr(0.81重量％))。衬里可以由结晶材料(例如，SiC、BN、石英)和/或难熔金属(诸如Nb、Ta、Mo或W中的至少一者)制成。在某些实施方式中，在反应池中形成第二等离子体，其中反应池腔室的壁包括第一区段和第二区段，第一区段由不锈钢诸如347SS诸如4130合金SS或Cr-Mo SS、镍、Ti、铌、钒、铁、W、Re、Ta、Mo、铌和Nb(94.33重量)-Mo(4.86重量％)-Zr(0.81重量％)构成；
第二区段包含与第一区段中的金属不同的难熔金属；
其中所述不同金属之间的活接头(union)由层合材料(例如，陶瓷诸如BN)形成。
本公开的动力系统可以包括：
a.)能够维持低于大气压的压力的容器，其包括反应腔室；
b)多个电极对，每对包括被构造为允许熔融金属在其间流动以完成电路的电极；
c)连接至所述两个电极的动力源，其用以在所述电路闭合时在所述两个电极之间施加电流；
d)用以引发由气体形成第一等离子体的等离子体产生池(例如，辉光放电池)；其中将所述等离子体产生池的流出物引向所述电路(例如，所述熔融金属、所述阳极、所述阴极，浸没在熔融金属储罐中的电极)；
其中当在整个电路上施加电流时，该等离子体产生池的流出物发生反应以产生第二等离子体和反应产物；和
e)动力适配器，其被构造为将来自第二等离子体的能量转换和/或传递成机械能、热能和/或电能；
其中反应产物中的至少一种(例如，中间体、最终产物)具有至少一种如本文所述(例如，如实例10中所示)的光谱特征。
该动力系统可以包括用于混合氢气和氧气和/或水分子的气体混合器以及氢与氧复合器和/或氢解离器。在一些实施方式中，氢与氧复合器包括等离子体池。等离子体池可以包括中心正电极和接地管状体对电极，其中跨越电极施加电压(例如，50V至1000V范围内的电压)以引发由氢气(H2)和氧气(O2)混合物形成等离子体。在一些实施方式中，氢与氧复合器包含由惰性载体材料担载的复合器催化金属。在某些具体实施中，供应给等离子体产生池以产生第一等离子体的气体混合物包含非化学计量的H2/O2混合物(例如，按混合物的摩尔百分比计，具有小于1/3摩尔％的O2或0.01％至30％、或0.1％至20％、或小于10％、或小于5％、或小于3％的O2的H2/O2混合物)，其流过等离子体池(例如，辉光放电池)以产生能够以足够放热进行反应以产生第二等离子体的反应混合物。非化学计量的H2/O2混合物可穿过该辉光放电以产生原子氢和新生H2O流出物(例如，具有处于一定浓度并且具有足以防止形成氢键的内能的水的混合物)；
辉光放电流出物被引导进反应腔室中，在这里在两个电极之间提供点燃电流(例如，以熔融金属在其间通过)，并且在流出物与经偏压的熔融金属(例如，镓)相互作用时，引发新生水与原子氢之间的反应，例如，在形成电弧电流时。
该动力系统可以包括反应腔室(例如，在其中新生水和原子氢发生等离子体形成反应)和/或储罐中的至少一者，该储罐包括抵抗与熔融金属形成合金的至少一种难熔材料衬里。反应腔室的内壁可以包括陶瓷涂层、衬有W、Nb或Mo衬里、衬有W板的碳衬里。在一些实施方式中，储罐包括碳衬里并且所述碳被储罐中所容纳的熔融金属覆盖。在多种具体实施中，反应腔室壁包含反应产物气体高度可渗透的材料。在多种实施方式中，反应腔室壁包含不锈钢(例如，Mo-Cr不锈钢)、铌、钼或钨中的至少一者。
该动力系统可以包括冷凝器以冷凝熔融金属蒸气及金属氧化物颗粒和蒸气并使它们返回至反应池腔室。在一些实施方式中，该动力系统可还包括真空管线，其中该冷凝器包括该真空管线从反应池腔室到真空泵的区段，该区段相对于反应池腔室垂直并且包括惰性的高表面积填充材料，该材料使熔融金属蒸气及金属氧化物颗粒和蒸气冷凝并使它们返回到反应池腔室，同时允许真空泵维持反应池腔室中的真空压力。
该动力系统可包括黑体辐射器和用以输出来自该黑体辐射器的光的窗。这些实施方式可用于产生光(例如，用于照明)。
在一些实施方式中，该动力系统还可包括用于混合氢气与氧气的气体混合器以及氢与氧复合器和/或氢解离器。例如，该动力系统可包括氢与氧复合器，其中该氢与氧复合器包含由惰性载体材料负载的复合器催化金属。
可以以使反应(具体而言，能够输出足够能量以维持等离子体生成和净能量输出的反应)最大化的参数来操作该动力系统。例如，在一些实施方式中，在操作期间容器的压力在0.1托至50托的范围内。在某些具体实施中，氢质量流量以1.5至1000范围内的倍率超过氧质量流量。在一些实施方式中，该压力可在50托以上，并且还可包括气体再循环系统。
在一些实施方式中，将惰性气体(例如，氩)注入至该容器中。该惰性气体可用于延长某些原位形成的反应物(诸如新生水)的寿命。
该动力系统可包括水微量注射器，该水微量注射器被构造用于将水注入至该容器中，使得由所述反应的能量输出产生的等离子体包含水蒸气。在一些实施方式中，该微量注射器将水注入至该容器中。在一些实施方式中，H2摩尔百分比在水蒸气(例如，由微量注射器注入的水蒸气)的摩尔百分比的1.5倍至1000倍的范围内。
该动力系统还可包括加热器，以使金属(例如，镓或银或铜或它们的组合)熔融而形成熔融金属。该动力系统可还包括被构造用于在反应之后回收熔融金属的熔融金属回收系统，该熔融金属回收系统包括从非注射器熔融金属储罐收集溢流的熔融金属溢流通道。
该熔融金属注射系统还可包括在该熔融金属储罐和该非注射熔融金属储罐中的电极；并且所述点燃系统包括电力源或点燃电流源以将相反电压供应至所述注射器储罐电极和所述非注射器储罐电极；其中所述电力源供应流经所述熔融金属料流的电流和功率，以引起所述反应物的所述反应从而在所述容器内侧形成等离子体。
电力源通常递送足以引起反应物反应而形成等离子体的高电流电能。在某些实施方式中，电力源包括至少一个超级电容器。在多个具体实施中，来自熔融金属点燃系统的电流在10A至50,000A的范围内。
通常，熔融金属泵系统被构造用于将熔融金属从熔融金属储罐泵送至非注射储罐，其中在该熔融金属储罐与该非注射储罐之间形成熔融金属料流。在一些实施方式中，该熔融金属泵系统是一个或多个电磁泵并且每个电磁泵包括以下中的一种：
a)DC或AC导电型，其包括穿过电极提供给所述熔融金属的DC或AC电流源和恒定或同相交替的矢量交叉磁场源，或
b)感应型，其包括穿过熔融金属短接回路的交变磁场源，其在所述金属中感应
产生交变电流；和同相交替的矢量交叉磁场源。
在一些实施方式中，熔融金属点燃系统的电路由用于引起点燃的熔融金属料流闭合以进一步引起点燃(例如，以小于10,000Hz的点燃频率)。该注射器储罐可包括与其中的熔融金属接触的电极，并且该非注射器储罐包括与由注射器系统提供的熔融金属形成接触的电极。
在多个具体实施中，该非注射器储罐在该注射器上方对齐(例如，与该注射器竖直对齐)并且该注射器被构造用于产生朝该非注射器储罐取向的熔融料流，使得来自该熔融金属料流的熔融金属可收集在该储罐中并且该熔融金属料流与非注射器储罐电极形成电接触；并且其中该熔融金属汇集在该非注射器储罐电极上。在某些实施方式中，至非注射器储罐的点燃电流可包括：
a)气密密封的具耐高温能力的馈通件，其穿透该容器；
b)电极汇流条，和
c)电极。
点燃电流密度可至少出于如下原因而与容器几何结构有关：容器几何结构与最终等离子体形状有关。在多个具体实施中，该容器可包括沙漏形几何结构(例如，一种几何结构，其中该容器内表面区域中间部分的横截面比沿长轴的每一远端的横截面小20％或10％或5％以内)并且在横截面的竖直定向上取向(例如，长轴与重力大致平行)，其中该注射器储罐在腰部下面并且经构造而使得该储罐中的熔融金属液位大致临近该沙漏的腰部以增加点燃电流密度。在一些实施方式中，该容器是围绕纵向主轴对称的。在一些实施方式中，该容器可以是沙漏形几何结构并且包括难熔金属衬里。在一些实施方式中，具有沙漏形几何结构的容器的注射器储罐可包括用于点燃电流的正电极。
熔融金属可包含银、镓、银-铜合金、铜或它们的组合中的至少一者。在一些实施方式中，熔融金属具有低于700℃的熔点。例如，熔融金属可包含铋、铅、锡、铟、镉、镓、锑或合金(诸如洛斯金属、Cerrosafe、伍德合金(Wood's metal)、菲尔德金属、Cerrolow 136、Cerrolow 117、Bi-Pb-Sn-Cd-In-Tl和镓铟锡合金(Galinstan))中的至少一者。在某些方面中，该动力产生系统的接触熔融金属的组件中的至少一者(例如，储罐、电极)包含、包覆有或涂覆有抵抗与熔融金属形成合金的一种或多种抗合金材料。示例性的抗合金材料是W、Ta、Mo、Nb、Nb(94.33重量％)-Mo(4.86重量％)-Zr(0.81重量％)、Os、Ru、Hf、Re、347SS、Cr-Mo SS、硅化物涂覆物、碳，以及陶瓷诸如BN、石英、Si3N4、Shapal、AlN、Sialon、Al2O3、ZrO2或HfO2。在一些实施方式中，该容器的至少一部分由陶瓷和/或金属构成。陶瓷可包含金属氧化物、石英、氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铪、碳化硅、碳化锆、二硼化锆、氮化硅和玻璃陶瓷中的至少一者。在一些实施方式中，该容器的金属包含不锈钢和难熔金属中的至少一者。
熔融金属可与水发生反应以原位形成原子氢。在多个具体实施中，熔融金属是镓并且该动力系统还包括镓再生系统以从氧化镓(例如，反应中所产生的氧化镓)再生镓。该镓再生系统可包括氢气和原子氢中的至少一者的源以将氧化镓还原至镓金属。在一些实施方式中，将氢气从在该动力产生系统外部的源递送至该镓再生系统。在一些实施方式中，原位产生氢气和/或原子氢。该镓再生系统可包括将电力递送至在反应中产生的镓(或镓/氧化镓组合)的点燃系统。在若干具体实施中，该电力可将镓表面上的氧化镓电解为镓金属。在一些实施方式中，该镓再生系统可包括电解质(例如，包含碱金属或碱土金属卤化物的电解质)。在一些实施方式中，该镓再生系统可包括碱性pH水性电解系统、用以将氧化镓运输至该系统中的部件和用以使镓返回至该容器(例如，至熔融金属储罐)的部件。在一些实施方式中，该镓再生系统包括撇渣器和斗式提升机以从镓表面移除氧化镓。在多个具体实施中，动力系统可包括通往真空泵的排气管线以维持排放气体流并且还包括在该排气管线中的静电沉淀系统以收集排放气体流中的氧化镓颗粒。
在一些实施方式中，该动力产生系统通过等离子体产生池产生水/氢混合物，该混合物待引向熔融金属池。在这些实施方式中，离子体产生池诸如辉光放电池引发由气体(例如，包含氧和氢的混合物的气体)形成第一等离子体；其中该等离子体产生池的流出物被引向熔融金属回路的任何部分(例如，熔融金属、阳极、阴极，浸没在熔融金属储罐中的电极)。在经偏压的熔融金属与该流出物相互作用时，可以形成第二等离子体(比等离子体产生池所产生的等离子体能量更高)。在这些实施方式中，可以向该等离子体产生池供给具有摩尔过量的氢的氢(H2)和氧(O2)混合物，使得流出物包含原子氢(H)和水(H2O)。该流出物中的水可以是新生水的形式，水被充分能量化并且处于一定浓度而使得它不与流出物中的其他组分发生氢键键合。该流出物可行进到涉及所述H和HOH的第二更高能反应中，该反应形成等离子体，在与熔融金属以及所提供的穿过熔融金属和等离子体中至少一者的外部电流相互作用时该等离子体增强，可产生额外的原子氢(来自流出物中的H2)以进一步传播该第二高能反应。
在一些实施方式中，该动力系统还可包括至少一个热交换器(例如，耦合至容器的壁的热交换器、可将热转移至熔融金属或从熔融金属转移热或者将热转移至熔融金属储罐或从熔融金属储罐转移热的热交换器)。在一些实施方式中，热交换器包括(i)板式热交换器，(ii)壳中块式热交换器，(iii)SiC环形槽式热交换器，(iv)SiC多块式热交换器，以及(v)管壳式热交换器中的一种。在某些具体实施中，管壳式热交换器包括管道、歧管、分配器、热交换器入口管线、热交换器出口管线、外壳、外部冷却剂入口、外部冷却剂出口、挡板、用以使来自储罐的热熔融金属再循环穿过热交换器并将冷熔融金属返回储罐的至少一个泵，以及一个或多个水泵和水冷却剂或者一个或多个空气鼓风机和空气冷却剂用以使冷的冷却剂流经外部冷却剂入口和外壳，其中冷却剂被来自管道的热传递加热并离开外部冷却剂出口。在一些实施方式中，管壳式热交换器包括管道、歧管、分配器、热交换器入口管线和热交换器出口管线、外壳、外部冷却剂入口、外部冷却剂出口和包含不锈钢的挡板，所述管道、歧管、分配器、热交换器入口管线和热交换器出口管线包含碳，所述碳形成衬里并独立于所述管道、歧管、分配器、热交换器入口管线、热交换器出口管线膨胀。热交换器的外部冷却剂包含空气，来自微型涡轮压缩机或微型涡轮回热器的空气迫使冷空气穿过外部冷却剂入口和外壳，其中冷却剂被来自管道的热传递加热并离开外部冷却剂出口，并且从外部冷却剂出口输出的热冷却剂流入微型涡轮机以将热力转化为电。
在一些实施方式中，该动力系统包括反应功率输出的至少一个功率转换器或输出系统，包括以下各者的群组中的至少一者：热光伏转换器、光伏转换器、光电转换器、磁流体动力转换器、等离子体动力转换器、热离子转换器、热电转换器、斯特林发动机(Sterlingengine)、超临界CO2循环转换器、布雷顿循环转换器(Brayton cycle converter)、外部燃烧器型布雷顿循环发动机或转换器、兰金循环发动机或转换器、有机兰金循环转换器、内部燃烧型发动机和热力发动机、加热器和锅炉。该容器可包括将光从容器的内部传输至光伏转换器的透光光伏(PV)窗，以及容器几何结构和包含旋转窗的至少一个挡板中的至少一者。该旋转窗包括用以还原氧化镓的系统，该系统包括氢还原系统和电解系统中的至少一者。在一些实施方式中，该旋转窗包含以下各者或由以下各者构成：石英、蓝宝石、氟化镁或它们的组合。在若干具体实施中，该旋转窗涂覆有抑制镓和氧化镓中的至少一者的粘附的涂层。该旋转窗涂层可包含类金刚石、碳、氮化硼和碱金属氢氧化物中的至少一者。在一些实施方式中，正点燃电极(例如，顶部点燃电极，位于另一个电极上方的电极)更靠近该窗(例如，与负点燃电极相比)，并且该正电极透过该光伏窗发射黑体辐射至光伏转换器。
功率转换器或输出系统可包括磁流体动力(MHD)转换器，该磁流体动力(MHD)转换器包括连接至该容器的喷嘴、磁流体动力通道、电极、磁体、金属收集系统、金属再循环系统、热交换器和任选的气体再循环系统。在一些实施方式中，熔融金属可包含银。在具有磁流体动力转换器的实施方式中，可将氧气递送至该磁流体动力转换器以在与熔融金属料流中的银发生相互作用之后形成银纳米颗粒(例如，其在分子态中的大小是诸如小于约10nm或小于约1nm)，其中该银纳米颗粒穿过磁流体动力喷嘴而被加速度以赋予从反应产生的功率的动能存量。反应物供应系统可将氧气供应至转换器并且控制氧气至转换器的递送。在多个具体实施中，在磁流体动力通道中将银纳米颗粒的动能存量的至少一部分转换为电能。此版本的电能可导致该纳米颗粒的聚结。该纳米颗粒可在磁流体动力转换器的冷凝区段(在本文中也称为MHD冷凝区段)中聚结为至少部分地吸收氧的熔融金属，并且通过金属再循环系统使包含所吸收的氧的熔融金属返回至注射器储罐。在一些实施方式中，可通过容器中的等离子体而将氧从金属释放。在一些实施方式中，使等离子体维持在磁流体动力通道和金属收集系统中以增强熔融金属对氧的吸收。
熔融金属泵系统可包括第一级电磁泵和第二级电磁泵，其中该第一级包括用于金属再循环系统的泵，而该第二级包括金属注射器系统的泵。
由反应物诱发的反应产生足够能量以便引发等离子体在容器中形成。这些反应可产生表征为以下中的一者或多者的氢产物：
a)分子氢产物H2(例如，包含未成对电子的H2(1/p)(p为大于1且小于或等于137的整数))，其产生电子顺磁共振(EPR)谱信号；
b)分子氢产物H2(例如，H2(1/4))，其EPR谱包含g因子为2.0046386的主峰，所述主峰任选分裂成一系列成对峰，其成员以自旋-轨道耦合能分开，所述自旋-轨道耦合能为相应电子自旋-轨道耦合量子数的函数，其中
(i)基于H2(1/4)的反磁化率，所述未成对电子磁矩在所述H2(1/4)分子轨道的成对电子中感应出反磁矩；
(ii)所述固有成对-未成对电流相互作用的相应磁矩和由于绕核间轴的相对旋转运动引起的磁矩产生所述自旋-轨道耦合能；
(iii)每个自旋-轨道分裂峰进一步亚分裂成匹配整数个磁通量子能量的一系列等间距的峰，所述整数个磁通量子能量为与所述跃迁中涉及的角动量分量的数量相对应的电子磁通量子量子数的函数，以及
(iv)此外，由于磁能随分子轨道累积的磁通量链增加而增加，自旋-轨道分裂随所述系列成对峰的低场侧的自旋-轨道耦合量子数而增加。
c)对于9.820295GHz的EPR频率，
(i)由于磁能和H2(1/4)的自旋-轨道耦合能引起的组合位移，低场峰位置
Figure BDA0003817985810000101
为
Figure BDA0003817985810000102
(ii)具有量子化自旋-轨道分裂能ES/O和电子自旋-轨道耦合量子数m＝0.5,1,2,3,5....的高场峰位置
Figure BDA0003817985810000103
为
Figure BDA0003817985810000104
和/或
(iii)对于电子磁通量子量子数mΦ＝1,2,3，在每个自旋-轨道峰位置的整数系列峰的间距ΔBΦ为
Figure BDA0003817985810000105
和
Figure BDA0003817985810000106
d)在共同原子轨道中包含成对和未成对电子的氢负离子H-(例如，H-(1/p))，其展示出通过在400-410nm范围内的高分辨率可见光谱在H-(1/2)上观察到的以h/2e为量子化单位的磁链。
e)当通过拉曼光谱期间的激光辐射以及通过来自电子束的高能电子与H2(1/4)碰撞来激发H2(1/4)的转动能级时，观察到以h/2e为量子化单位的磁链；
f)分子分数氢(例如，H2(1/p))，其具有未成对电子的自旋磁矩与分子转动引起的轨道磁矩之间的自旋-轨道耦合的拉曼光谱跃迁，其中
(i)转动跃迁的能量因这些自旋-轨道耦合能量而发生位移，所述自旋-轨道耦合能量是相应电子自旋-轨道耦合量子数的函数；
(ii)因自旋-轨道能量而发生位移的分子转动峰进一步因磁通量子链能量发生位移，其中每个能量对应于其电子磁通量子量子数，该磁通量子量子数取决于转动跃迁中涉及的角动量分量的数量，和/或
(iii)观察到的拉曼光谱峰的亚分裂或位移是由于在发生转动跃迁时自旋磁矩与分子转动磁矩之间的自旋-轨道耦合期间以磁通量量子h/2e为单位的磁链引起的；
g)H2(1/4)，其具有拉曼光谱跃迁，所述跃迁包括
(i)具有自旋-轨道耦合和磁通量子耦合的纯H2(1/4)J＝0至J'＝3转动跃迁；
ERaman＝ΔEJ＝0→J'+ES/O,rot+EΦ,rot＝11701cm-1+m528cm-1+mΦ31cm-1，
(ii)包括J＝0至J'＝2,3转动跃迁与J＝0至J＝1自旋转动跃迁的协同跃迁：
ERaman＝ΔEJ＝0→J'+ES/O,rot+EΦ,rot＝7801cm-1(13,652cm-1)+m528cm-1+mΦ3/246cm-1，或
(iii)最终转动量子数J'p＝2和Jc'＝1的双跃迁：
Figure BDA0003817985810000111
其中，在纯跃迁、协同跃迁和双跃迁中也观察到了相应的自旋-轨道耦合和磁通量子耦合；
h)H2(1/4)UV拉曼峰(例如，在12,250-15,000cm-1区域中观察到的在复合物GaOOH:H2(1/4):H2O和暴露于反应等离子体的Ni箔上记录的，其中谱线匹配具有自旋-轨道耦合和磁通量子链分裂的协同的纯转动跃迁ΔJ＝3和ΔJ＝1自旋跃迁：
ERaman＝ΔEJ＝0→3+ΔEJ＝0→1+ES/O,rot+EΦ,rot＝13,652cm-1+m528cm-1+mΦ31cm-1)；
i)HD(1/4)拉曼光谱的转动能量相对于H2(1/4)的转动能量位移了3/4倍；
j)HD(1/4)拉曼光谱的转动能量匹配以下的那些能量：
(i)具有自旋-轨道耦合和磁通量子耦合的纯HD(1/4)J＝0至J'＝3,4转动跃迁：
ERaman＝ΔEJ＝0→J'+ES/O,rot+EΦ,rot＝8776cm-1(14,627cm-1)+m528cm-1+mΦ31cm-1，(ii)
包括J＝0至J'＝3转动跃迁与J＝0至J＝1自旋转动跃迁的协同跃迁：
Figure BDA0003817985810000121
或
(iii)最终转动量子数J′p＝3；J′c＝1的双跃迁：
Figure BDA0003817985810000122
其中在纯跃迁和协同跃迁二者中也观察到了自旋-轨道耦合和磁通量子耦合；
k)用电子束的高能电子辐照的H2(1/4)-稀有气体混合物显示出在8.25eV处具有截止值的在紫外(150-180nm)区中的具有相等的0.25eV间隔的谱线发射，所述谱线发射匹配具有对应于H2(1/4)P分支的一系列转动跃迁的H2(1/4)v＝1至v＝0振动跃迁，其中
(i)谱图拟合很好地匹配420.515eV-42(J+1)0.01509；J＝0,1,2,3...。其中0.515eV和0.01509eV分别为普通分子氢的振动能和转动能，
(ii)观察到小卫星线，其匹配同样通过拉曼光谱观察到的转动自旋-轨道分裂能，以及(iii)转动自旋-轨道分裂能间距匹配m528cm-1m＝1,1.5，其中1.5涉及m＝0.5和m＝1分裂；
l)通过电子束激发俘获在KCl晶体基质中的H2(1/4)观察到具有v＝1至v＝0振动跃迁的H2(1/4)P分支转动跃迁的光谱发射，其中
(i)转动峰匹配自由转子的转动峰；
(ii)振动能因由于H2(1/4)的振动与KCl基质的相互作用而引起的有效质量的增加而发生位移；
(iii)谱图拟合很好地匹配包含以0.25eV间隔开的峰的5.8eV-42(J+1)0.01509；J＝0,1,2,3...，以及
(iv)H2(1/4)振动能位移的相对大小匹配由被俘获在KCl中的普通H2引起的对振转谱的相对影响；
m)使用HeCd能量激光器的拉曼光谱显示出在8000cm-1至18,000cm-1区中的具有1000cm-1(0.1234eV)等能量间隔的系列，其中拉曼光谱转换为荧光或光致发光光谱将匹配揭示为H2(1/4)的二阶振转谱，该二阶振转谱对应于由5.8eV-42(J+1)0.01509；J＝0,1,2,3...给出的KCl基质中的H2(1/4)的电子束激发发射光谱，并且包含具有0.25eV能量间隔的转动跃迁峰的基质偏移的ν＝1至ν＝0振动跃迁；
n)在高于4400cm-1的能量区中观察到H2(1/4)的红外转动跃迁，其中强度随着除了固有磁场外的磁场的施加而增加，并且还观察到与自旋-轨道跃迁耦合的转动跃迁；
o)通过X射线光电子能谱(XPS)观察到对应于496eV总能量的康普顿效应允许的H2(1/4)双重电离；
p)考虑到氢和氦具有最快的先前已知迁移速率和相应的最短保留时间，气相色谱法观察到H2(1/4)，其显示出比任何已知气体更快的迁移速率；
q)极紫外(EUV)光谱记录了具有10.1nm截止值的极紫外连续辐射(例如，如对应于由新生HOH催化剂催化的分数氢反应跃迁H至H(1/4)的极紫外连续辐射)；
r)质子魔角自旋核磁共振谱(1H MAS NMR)记录了在-4ppm至-5ppm区域中的高场基质-水峰，
s)当多个氢产物分子的磁矩协同相互作用时的本体磁性诸如顺磁性、超顺磁性以及甚至铁磁性，其中超顺磁性(例如，如使用振动样品磁强计测量包含反应产物的化合物的磁化率所观察到的)；
t)通过独特地观察到M+2多聚体单元(例如，K+[H2:K2CO3]]n和K+[H2:KOH]n，其中n为整数)和由于氢负离子的稳定性而产生的H-强峰，在暴露于来自所述反应产物的分子气体源的K2CO3和KOH上记录的飞行时间次级离子质谱(ToF-SIMS)和电喷雾飞行时间次级离子质谱(ESI-ToF)显示反应产物(例如，H2(1/4)气体)与包含氧阴离子的无机化合物络合，以及
u)由分子氢核组成的反应产物，所述反应产物表现得像有机分子，如有机分子基质柱上的色谱峰所证明的那样，其断裂成无机离子。在多个具体实施中，该反应产生可表征为以下各项中的一者或多者的能量特征：
(i)在包含H原子及新生HOH或H基催化剂的等离子体(诸如氩-H2、H2和H2O蒸气等离子体)中具有超过100eV的H巴耳莫α线的异常多普勒谱线增宽，
(ii)H激发态谱线反转，
(iii)反常的H等离子体余辉持续时间，
(iv)等效于大约10倍摩尔数的火药的冲击波传播速度和相应的压力，其中仅大约1％的所述功率耦合至所述冲击波，
(v)来自10μl水合银喷丸的高达20MW的光功率，和
(vi)在340,000W功率水平下验证的SunCell动力系统的量热法。这些反应可产生表征为以下中的一者或多者的氢产物：
a)在以下的一个或多个范围内具有拉曼峰的氢产物：1900至2200cm-1、5500至6400cm-1和7500至8500cm-1，或者范围1900至2200cm-1的整数倍；
b)具有以0.23至0.25eV的整数倍间隔开的多个拉曼峰的氢产物；
c)在1900至2000cm-1的整数倍的范围具有红外峰的氢产物；
d)具有以0.23至0.25eV的整数倍间隔开的多个红外峰的氢产物；
e)具有在200至300nm的范围内以0.23至0.3eV的整数倍间隔开的多个UV荧光发射光谱峰的氢产物；
f)具有在200至300nm的范围内以0.2至0.3eV的整数倍间隔开的多个电子束发射光谱峰的氢产物；
g)具有在5000至20,000cm-1的范围内以1000±200cm-1的整数倍间隔开的多个拉曼光谱峰的氢产物；
h)具有处于在490至525eV的范围内的能量的X射线光电子能谱峰的氢产物；
i)引起高场MAS NMR基质位移的氢产物；
j)相对于TMS具有大于-5ppm的高场MAS NMR或液体NMR位移的氢产物；
m)包含金属氢化物和进一步包含氢的金属氧化物中的至少一者的氢产物，其中所述金属包含Zn、Fe、Mo、Cr、Cu和W中的至少一者；
o)包含无机化合物MxXy和H2的氢产物，其中M是阳离子且X是阴离子，其具有M(MxXyH2)n的电喷雾电离飞行时间次级离子质谱(ESI-ToF)和飞行时间次级离子质谱(ToF-SIMS)峰中的至少一者，其中n是整数；
p)包含K2CO3H2和KOHH2中的至少一者的氢产物，其具有分别为
Figure BDA0003817985810000151
和
Figure BDA0003817985810000152
的电喷雾电离飞行时间次级离子质谱(ESI-ToF)和飞行时间次级离子质谱(ToF-SIMS)峰中的至少一者；
q)包含金属氢化物和金属氧化物中的至少一者的磁性氢产物，该金属氧化物还包含氢，其中所述金属包含Zn、Fe、Mo、Cr、Cu、W和反磁金属中的至少一者；
r)包含金属氢化物和金属氧化物中的至少一者的氢产物，该金属氧化物还包含氢，其中所述金属包含Zn、Fe、Mo、Cr、Cu、W和通过磁性磁化率测量术(susceptometry)展现磁性的反磁金属中的至少一者；
s)包含在电子顺磁共振(EPR)谱中不活跃的金属的氢产物，其中所述EPR谱包括以下中的至少一者：约2.0046±20％的g因子、EPR谱分裂成具有约1至10G的间隔的一系列峰，其中每个主峰被亚分裂成具有约0.1至1G的间距的一系列峰；
t)包含在电子顺磁共振(EPR)谱中不活跃的金属的氢产物，其中所述EPR谱至少包括约m1 X 7.43X10-27J±20％的电子自旋-轨道耦合分裂能和约m2 X 5.78X10-28J±20％的磁通量子分裂能以及约1.58X10-23 J±20％的二聚物磁矩相互作用分裂能；
v)包含使用氢或氦载气时具有负气相色谱峰的气体的氢产物；
w)具有
Figure BDA0003817985810000153
的四极矩/e的氢产物，其中p是整数；
x)包含分子二聚物的质子氢产物，所述分子二聚物具有在(J+1)44.30cm-1±20cm-1的范围内的整数J至J+1跃迁的翻滚旋转能，其中包含氘的该分子二聚物的对应旋转能是包含质子的该二聚物的相应旋转能的1/2；
y)包含分子二聚物的氢产物，所述分子二聚物具有来自以下各者的群组的至少一个参数：(i)
Figure BDA0003817985810000161
的氢分子的间隔距离，(ii)23cm-1±10％的氢分子之间的振动能，以及(iii)0.0011eV±10％的氢分子之间的范德华能；
z)包含固体的氢产物，所述固体具有来自以下各者的群组的至少一个参数：(i)
Figure BDA0003817985810000162
的氢分子的间隔距离，(ii)23cm-1±10％的氢分子之间的振动能，以及(iii)0.019eV±10％的氢分子之间的范德华能；
aa)具有(i)(J+1)44.30cm-1±20cm-1、(ii)(J+1)22.15cm-1±10cm-1和(iii)23cm-1±10％的FTIR和拉曼光谱特征，和/或显示
Figure BDA0003817985810000163
的氢分子间隔的X射线或中子衍射图案，和/或0.0011eV±10％/分子氢的汽化能的量热测定值的氢产物；
bb)具有(i)(J+1)44.30cm-1±20cm-1、(ii)(J+1)22.15cm-1±10cm-1和(iii)23cm-1±10％的FTIR和拉曼光谱特征，和/或显示
Figure BDA0003817985810000164
的氢分子间隔的X射线或中子衍射图案，和/或0.019eV±10％/分子氢的汽化能的量热测定值的固体氢产物；
cc)包含氢氢负离子的氢产物，所述氢氢负离子是磁性的并且以在其束缚-自由结合能区中的磁单位来连接通量；和
dd)一种氢产物，其中使用有机柱采用含水溶剂，高压液相色谱(HPLC)显示出保留时间长于载体空体积时间的色谱峰，其中通过质谱诸如ESI-ToF检测所述峰显示出至少一种无机化合物的碎片。
在多种实施方式中，氢产物可类似地表征为从各种分数氢反应器形成的产物(诸如通过在包含水蒸气的气氛中的线爆轰形成的那些)。这类产物可以：
a)包含金属氢化物和进一步包含氢的金属氧化物中的至少一者，其中所述金属包含Zn、Fe、Mo、Cr、Cu和W中的至少一者并且所述氢包含H；
b)包含无机化合物MxXy和H2，其中M是金属阳离子且X是阴离子，并且电喷雾电离飞行时间次级离子质谱(ESI-Tof)和飞行时间次级离子质谱(ToF-SIMS)中的至少一者包含M(MxXyH(1/4)2)n的峰，其中n为整数；
c)有磁性并且包含金属氢化物和进一步包含氢的金属氧化物中的至少一者，其中所述金属包含Zn、Fe、Mo、Cr、Cu、W和反磁金属中的至少一者，并且所述氢为H(1/4)；以及
d)包含金属氢化物和进一步包含氢的金属氧化物中的至少一者，其中所述金属包含Zn、Fe、Mo、Cr、Cu、W和反磁金属中的至少一者，并且H为H(1/4)，其中所述产物通过磁性磁化率测量术展现磁性。
在一些实施方式中，通过所述反应形成的氢产物包含与以下中的至少一者络合的氢产物：(i)非氢的元素；(ii)包含H+、普通H2、普通H-和普通
Figure BDA0003817985810000171
中的至少一者的普通氢物质；有机分子物质；和(iv)无机物质。在一些实施方式中，氢产物包含氧阴离子化合物。在多个具体实施中，氢产物(或来自包含吸气剂的实施方式的回收的氢产物)可包含至少一种具有选自以下群组的结构式的化合物：
a)MH、MH2或M2H2，其中M为碱金属阳离子，且H或H2为氢产物；
b)MHn，其中n为1或2，M为碱土金属阳离子，且H为氢产物。
c)MHX，其中M为碱金属阳离子，X为诸如卤素原子之类的中性原子、分子或诸如卤素阴离子之类的带单个负电荷的阴离子中的一者，且H为氢产物；
d)MHX，其中M为碱土金属阳离子，X为带单个负电荷的阴离子，且H为氢产物；
e)MHX，其中M为碱土金属阳离子，X为带双负电荷的阴离子，且H为氢产物；
f)M2HX，其中M为碱金属阳离子，X为带单个负电荷的阴离子，且H为氢产物；
g)MHn，其中n为整数，M为碱金属阳离子，且该化合物的氢内容物Hn包含所述氢产物中的至少一种；
h)M2Hn，其中n为整数，M为碱土金属阳离子，且该化合物的氢内容物Hn包含所述氢产物中的至少一种；
i)M2XHn，其中n为整数，M为碱土金属阳离子，X为带单个负电荷的阴离子，且该化合物的氢内容物Hn包含所述氢产物中的至少一种；
j)M2X2Hn，其中n为1或2，M为碱土金属阳离子，X为带单个负电荷的阴离子，且该化合物的氢内容物Hn包含所述氢产物中的至少一种；
k)M2X3H，其中M为碱土金属阳离子，X为带单个负电荷的阴离子，且H为氢产物；
l)M2XHn，其中n为1或2，M为碱土金属阳离子，X为带双负电荷的阴离子，且该化合物的氢内容物Hn包含所述氢产物中的至少一种；
m)M2XX'H，其中M为碱土金属阳离子，X为带单个负电荷的阴离子，X'为带双负电荷的阴离子，且H为氢产物；
n)MM'Hn，其中n为1至3的整数，M为碱土金属阳离子，M'为碱金属阳离子，且该化合物的氢内容物Hn包含所述氢产物中的至少一种；
o)MM'XHn，其中n为1或2，M为碱土金属阳离子，M'为碱金属阳离子，X为带单个负电荷的阴离子，且该化合物的氢内容物Hn包含所述氢产物中的至少一种；
p)MM'XH，其中M为碱土金属阳离子，M'为碱金属阳离子，X为带双负电荷的阴离子，且H为氢产物；
q)MM′XX’H，其中M为碱土金属阳离子，M'为碱金属阳离子，X和X'为带单个负电荷的阴离子，且H为氢产物；
r)MXX'Hn，其中n为1至5的整数，M为碱金属或碱土金属阳离子，X为带单或双负电荷的阴离子，X'为金属或类金属、过渡元素、内过渡元素或稀土元素，且该化合物的氢内容物Hn包含所述氢产物中的至少一种；
s)MHn，其中n为整数，M为诸如过渡元素、内过渡元素或稀土元素之类的阳离子，且该化合物的氢内容物Hn包含所述氢产物中的至少一种；
t)MXHn，其中n为整数，M为诸如碱金属阳离子、碱土金属阳离子之类的阳离子，X为另一阳离子诸如过渡元素、内过渡元素或稀土元素阳离子，且该化合物的氢内容物Hn包含所述氢产物中的至少一种；
u)(MHmMCO3)n，其中M为碱金属阳离子或其他+1阳离子，m和n各为整数，且该化合物的氢内容物Hm包含所述氢产物中的至少一种；
v)
Figure BDA0003817985810000191
nX-，其中M为碱金属阳离子或其他+1阳离子，m和n各为整数，X为带单个负电荷的阴离子，且该化合物的氢内容物Hm包含所述氢产物中的至少一种；
w)(MHMNO3)n，其中M为碱金属阳离子或其他+1阳离子，n为整数，且该化合物的氢内容物H包含所述氢产物中的至少一种；
x)(MHMOH)n，其中M为碱金属阳离子或其他+1阳离子，n为整数，且该化合物的氢内容物H包含所述氢产物中的至少一种；
y)(MHmM'X)n，其中m和n各为整数，M和M'各为碱金属或碱土金属阳离子，X为带单或双负电荷的阴离子，且该化合物的氢内容物Hm包含所述氢产物中的至少一种；以及
z)
Figure BDA0003817985810000192
nX-，其中m和n各为整数，M和M'各为碱金属或碱土金属阳离子，X和X'为带单或双负电荷的阴离子，且该化合物的氢内容物Hm包含所述氢产物中的至少一种。
由所述反应形成的氢产物的阴离子可以是一个或多个带单个负电荷的阴离子，包括卤离子、氢氧根离子、碳酸氢根离子、硝酸根离子、带双负电荷的阴离子、碳酸根离子、氧化物和硫酸根离子。在一些实施方式中，氢产物嵌入于晶格中(例如，借助使用位于(例如)容器中或排气管线中的吸气剂诸如K2CO3)。例如，氢产物可嵌入于盐晶格中。在多种具体实施中，该盐晶格可包含碱金属盐、碱金属卤化物、碱金属氢氧化物、碱土金属盐、碱土金属卤化物、碱土金属氢氧化物或它们的组合。
还提供电极系统，该电极系统包括：
a)第一电极和第二电极；
b)熔融金属(例如，熔融银、熔融镓)料流，其与所述第一电极和所述第二电极进行电接触；
c)循环系统，其包括泵以从储罐抽吸所述熔融金属并将其传送穿过管道(例如，管)以产生离开所述管道的所述熔融金属料流；
d)电力源，其被构造用于提供所述第一电极与所述第二电极之间的电势差；其中所述熔融金属料流同时与所述第一电极和所述第二电极接触以在所述电极之间产生电流。在一些实施方式中，电力足以产生超过100A的电流。
还提供电路，该电路可包括：
a)加热部件，其用于产生熔融金属；
b)泵送部件，其用于将来自储罐的所述熔融金属传送穿过管道以产生离开所述管道的所述熔融金属的料流；
c)第一电极和第二电极，其与动力供应部件进行电气连通以用于产生跨越所述第一电极和所述第二电极的电势差；
其中所述熔融金属料流同时与所述第一电极和所述第二电极接触以在所述第一电极与所述第二电极之间形成电路。例如，在包括第一和第二电极的电路中，改良可包括跨越所述电极传递熔融金属料流以准许电流在它们之间流动。
另外，提供用于产生等离子体(其可用于本文所述的动力产生系统中)的系统。这些系统可包括：
a)熔融金属注射器系统，其被构造用于从金属储罐产生熔融金属料流；
b)电极系统，其用于产生感应电流以流经所述熔融金属料流；
c)以下各项中的至少一者：(i)被构造用于使计量体积的水与所述熔融金属接触的水注射系统，其中所述水的一部分与所述熔融金属的一部分反应而形成所述金属的氧化物和氢气，(ii)过量氢气和氧气的混合物，以及(iii)过量氢气和水蒸气的混合物，以及
d)动力供应器，其被构造用于供应所述电流；
其中当供应电流穿过所述金属料流时产生所述等离子体。在一些实施方式中，该系统还可包括：
泵送系统，其被构造用于将在产生所述等离子体之后收集的金属转移至所述金属储罐。在一些实施方式中，该系统可包括：
金属再生系统，其被构造用于收集所述金属氧化物并将所述金属氧化物转化为所述金属；其中所述金属再生系统包括阳极、阴极、电解质；其中在所述阳极与所述阴极之间供应电偏压以将所述金属氧化物转化为所述金属。在某些具体实施中，该系统可包括：
a)泵送系统，其被构造用于将在产生所述等离子体之后收集的金属转移至所述金属储罐；和
b)金属再生系统，其被构造用于收集所述金属氧化物并将所述金属氧化物转化为所述金属；其中所述金属再生系统包括阳极、阴极、电解质；其中在所述阳极与所述阴极之间供应电偏压以将所述金属氧化物转化为所述金属；
其中将在所述金属再生系统中再生的金属转移至所述泵送系统。在某些具体实施中，该金属是镓、银或它们的组合。在一些实施方式中，该电解质是碱金属氢氧化物(例如，氢氧化钠、氢氧化钾)。
本公开的用于产生等离子体的系统可包括：
a)熔融金属注射器系统，其被构造用于从金属储罐产生熔融金属料流；
b)电极系统，其用于产生感应电流以流经所述熔融金属料流；
c)以下各项中的至少一者：(i)被构造用于使计量体积的水与熔融金属接触的水注入系统，
其中所述水的一部分与所述熔融金属的一部分反应而形成所述金属的氧化物和氢气，(ii)过量氢气与氧气的混合物，以及(iii)过量氢气与水蒸气的混合物，以及
d)动力供应器，其被构造用于供应所述电流；
其中当供应电流穿过所述金属料流时产生所述等离子体。在一些实施方式中，该系统还可包括：
a)泵送系统，其被构造用于将在产生所述等离子体之后收集的金属转移至所述金属储罐；和
b)金属再生系统，其被构造用于收集所述金属氧化物并将所述金属氧化物转化为所述金属；
其中所述金属再生系统包括阳极、阴极、电解质；其中在所述阳极与所述阴极之间供应电偏压以将所述金属氧化物转化为所述金属；
其中将在所述金属再生系统中再生的金属转移至所述泵送系统。
一种用于生成等离子体的系统，其包括：
a)两个电极，其被构造为允许熔融金属在其间流动以完成电路；
b)动力源，其连接至所述两个电极以在所述电路闭合时在所述两个电极之间施加电流；
c)复合器池(例如，辉光放电池)，以引发从气体形成新生水和原子氢；其中复合器的流出物被引向电路(例如，熔融金属、阳极、阴极，浸没在熔融金属储罐中的电极)；
其中当在整个电路上施加电流时，该复合器池的流出物发生反应以产生等离子体。在一些实施方式中，该系统用于从等离子体生成热量。在多个具体实施中，该系统用于从等离子体生成光。
本公开的系统可以包括网状网络(或者是网状网络的一部分)，该网状网络包括以至少一个频带传输和接收电磁信号的多个动力-系统-发送器-接收器节点，因为能够以短的间隔距离局部定位节点，因此该频带的频率可以是高频率，其中该频率可以在约0.1GHz至500GHz、1GHz至250GHz、1GHz至100GHz、1GHz至50GHz以及1GHz至25GHz的至少一个范围内。
在反应产物中测得的独特光谱特征产生具有独特特性的氢产物。这些氢反应产物可用于多种装置中、本公开的各个部分中。
本公开还包括超导量子干涉装置(SQUID)或SQUID型电子元件，其可包括至少一种分数氢物质H-(1/p)和H2(1/p)(或具有匹配这些物质的光谱特征的物质)以及以下中的至少一者：输入电流和输入电压电路以及输出电流和输出电压电路，以进行以下中的至少一者：感测和改变分数氢氢负离子和分子分数氢中的至少一者的磁链状态。在一些实施方式中，电路包括AC谐振电路，该AC谐振电路包括射频RLC电路。在多个具体实施中，SQUID或SQUID型电子元件还包括至少一种电磁辐射源(例如，微波辐射、红外线辐射、可见光辐射或紫外线辐射中的至少一者的源)以例如在样品中感应出磁场。在一些实施方式中，辐射源包括激光器或微波发生器。激光辐射可以通过透镜或光纤以聚焦的方式施加(例如，施加至所关注的样品)。在一些实施方式中，SQUID或SQUID型电子元件还包括施加至分数氢氢负离子和分子分数氢中的至少一者的磁场源。磁场可以是可调谐的。辐射源和磁场中的至少一者的这种可调谐性可以使得能够选择性地和受控地实现电磁辐射源与磁场之间的共振。SQUID或SQUID型电子元件可以包括在高温下操作的计算机逻辑门、存储元件和其他电子测量或致动器装置诸如磁强计、传感器和开关。
本公开的SQUID可以包括：电连接至超导回路的至少两个约瑟夫森结，其中约瑟夫森结包含EPR活跃的氢物质H2。在某些实施方式中，氢物质是MOOH:H2，其中M是金属(例如，Ag、Ga)。
例如，由本公开的动力产生系统的操作产生的本反应产物可以用作或用于冷冻剂、气态传热剂和/或浮力剂，其包含分子分数氢(例如，具有与分子分数氢相匹配的光谱特征的物质)。
还提供了包含分子分数氢(例如，具有与分子分数氢相匹配的光谱特征的物质)的MRI气体造影剂。
反应产物还可用作激光器中的激发介质。本公开包括分数氢分子气体激光器，其可以包括分子分数氢气体(H2(1/p)p＝2、3、4、5、…、137)(例如，具有与分子分数氢相匹配的光谱特征的物质)、容纳分子分数氢气体的激光器腔体、分子分数氢气体的转动能级的激发源和激光光学器件。在一些实施方式中，激光光学器件包括位于腔体端部的反射镜，该腔体包含处于激发转动状态的分子分数氢气体，并且反射镜中的一者是半透明的以允许激光从腔体发射。在多个具体实施中，激发源包括以下中的至少一者：激光器、闪光灯、气体放电系统(例如辉光等离子体放电系统、微波等离子体放电系统、射频(RF)等离子体放电系统、感应耦合RF等离子体放电系统、电容耦合RF等离子体放电系统或其他等离子体放电系统)。在某些方面，激光器可还包括外部或内部场源(例如，电场或磁场源)以致使至少一个期望的分子分数氢转动能级得以布居，其中该能级包括期望的自旋-轨道能移和磁通量子链能移中的至少一者。激光跃迁可能发生在所选转动状态的反转粒子数(invertedpopulation)至较低粒子数的较低能量的转动状态之间。在一些实施方式中，选择激光器腔体、光学器件、激发源和外部场源以实现所需的反转粒子数和受激发射到所需的较低粒子数的低能量状态。激光器可包含固体激光介质。例如，固体激光介质包括俘获在固体基质中的分子分数氢，其中分数氢分子可以是自由转子并且固体介质代替分子分数氢气体激光器的气腔。在某些具体实施中，固体激光介质包含GaOOH:H2(1/4)、KCl:H2(1/4)和具有俘获的分子分数氢的硅(例如，Si(晶体):H2(1/4))(或具有其光谱特征的物质)中的至少一者。
还提供了方法。例如，该方法可以产生动力或产生光，或产生等离子体。在一些实施方式中，该方法包括：
a)对熔融金属进行电偏压；
b)引导等离子体产生池(例如，辉光放电池)的流出物与经偏压的熔融金属相互作用并引发等离子体的形成。在某些具体实施中，等离子体产生池的流出物由在操作期间穿过等离子体产生池的氢(H2)和氧(O2)气体混合物产生。
附图说明
附图并入本说明书并构成本说明书的一部分，其示出了本公开的多个实施方式，并与说明书一起用于解释本公开的原理。在附图中：
图1为根据本公开实施方式的磁流体动力(MHD)转换器组件(阴极、阳极、绝缘体和汇流条、馈通件凸缘)的示意图。
图2至图3为根据本公开实施方式的包括作为液体电极的双EM泵注射器的
Figure BDA0003817985810000241
动力产生器的示意图，其示出了倾斜储罐和包括一对MHD返回EM泵的磁流体动力(MHD)转换器。
图4为根据本公开实施方式的单级感应注射EM泵的示意图。
图5为根据本公开实施方式的包括作为液体电极的双EM泵注射器的磁流体动力(MHD)
Figure BDA0003817985810000242
动力产生器的示意图，其示出了倾斜储罐、球形反应池腔室、直线磁流体动力(MHD)通道、气体添加壳体和用于注射的单级感应EM泵以及单级感应或DC传导MHD返回EM泵。
图6为根据本公开实施方式的两级感应EM泵的示意图，其中第一级充当MHD返回EM泵而第二级充当注射EM泵。
图7为根据本公开实施方式的两级感应EM泵的示意图，其中第一级充当MHD返回EM泵而第二级充当注射EM泵，其中使洛伦兹泵送力更加优化。
图8为根据本公开实施方式的感应点燃系统的示意图。
图9至图10为根据本公开实施方式的包括作为液体电极的双EM泵注射器的磁流体动力(MHD)
Figure BDA0003817985810000243
动力产生器的示意图，其示出了倾斜储罐、球形反应池腔室、直线磁流体动力(MHD)通道、气体添加壳体、用于注射和MHD返回二者的两级感应EM泵(其各自具有强制风冷系统)和感应点燃系统。
图11为根据本公开实施方式的包括作为液体电极的双EM泵注射器的磁流体动力(MHD)
Figure BDA0003817985810000244
动力产生器的示意图，其示出了倾斜储罐、球形反应池腔室、直线磁流体动力(MHD)通道、气体添加壳体、用于注射和MHD返回二者的两级感应EM泵(其各自具有强制风冷系统)、感应点燃系统和在EM泵管、储罐、反应池腔室和MHD返回管道上的感应耦合加热天线。
图12至图19为根据本公开实施方式的包括作为液体电极的双EM泵注射器的磁流体动力(MHD)
Figure BDA0003817985810000245
动力产生器的示意图，其示出了倾斜储罐、球形反应池腔室、直线磁流体动力(MHD)通道、气体添加壳体、用于注射和MHD返回二者的两级感应EM泵(其各自具有风冷系统)和感应点燃系统。
图20为示出了根据本公开的实施方式的
Figure BDA0003817985810000251
的示例性螺旋形火焰加热器和包括一系列环形圈的火焰加热器的示意图。
图21为示出了根据本公开的实施方式的电解器的示意图。
图22为根据本公开实施方式的包括作为液体电极的双EM泵注射器的
Figure BDA0003817985810000252
动力产生器的示意图，其示出了倾斜储罐和包括一对MHD返回EM泵和一对MHD返回气泵或压缩机的磁流体动力(MHD)转换器。
图25为示出了根据本公开的实施方式的
Figure BDA0003817985810000253
热力产生器的细节的示意图，该
Figure BDA0003817985810000254
热力产生器包括作为液体电极的注射器储罐中的单EM泵注射器和倒置基座。
图26至图28为示出了根据本公开实施方式的
Figure BDA0003817985810000255
热力产生器的细节的示意图，该
Figure BDA0003817985810000256
热力产生器包括作为液体电极的注射器储罐中的单EM泵注射器和部分倒置的基座以及用以遏制PV窗的金属化的锥形反应池腔室。
图29为示出了根据本公开的实施方式的
Figure BDA0003817985810000257
热力产生器的细节的示意图，该
Figure BDA0003817985810000258
热力产生器包括作为液体电极的注射器储罐中的单EM泵注射器、部分倒置的基座；感应点燃系统和PV窗。
图30为示出了根据本公开的实施方式的
Figure BDA0003817985810000259
热力产生器的细节的示意图，该
Figure BDA00038179858100002510
热力产生器包括具有衬里的立方体形反应池腔室以及作为液体电极的注射器储罐中的单EM泵注射器和倒置基座。
图31A为示出了根据本公开的实施方式的
Figure BDA00038179858100002511
热力产生器的细节的示意图，该
Figure BDA00038179858100002512
热力产生器包括沙漏形反应池腔室衬里以及作为液体电极的注射器储罐中的单EM泵注射器和倒置基座。
图31B为示出了根据本公开的实施方式的
Figure BDA00038179858100002513
热力产生器的细节的示意图，该
Figure BDA00038179858100002514
热力产生器包括作为电极的注射器储罐中的单EM泵注射器和倒置基座。
图31C为示出了根据本公开的实施方式的
Figure BDA00038179858100002515
热力产生器的细节的示意图，该
Figure BDA00038179858100002516
热力产生器包括作为电极的注射器储罐中的单EM泵注射器和倒置基座，其中EM泵管包括多个部件的组装件，所述部件抵抗镓合金形成和氧化中的至少一者。
图31D-H为示出了根据本公开的实施方式的
Figure BDA00038179858100002517
泵送的熔融金属-至-空气热交换器的细节的示意图。
图66A-B为根据本公开的实施方式的陶瓷
Figure BDA0003817985810000261
动力产生器的示意图，该陶瓷
Figure BDA0003817985810000262
动力产生器包括双储罐和作为液体电极的DC EM泵注射器，其具有接合以形成反应池腔室的储罐。
图16.19A-C为
Figure BDA0003817985810000263
分数氢动力产生器的示意图，该分数氢动力产生器包括注射器储罐电极中的至少一个电磁泵注射器和电极、至少一个竖直对齐的对电极和连接至顶部凸缘以形成HOH催化剂和原子H的辉光放电池。A.一电极对实施方式的外部视图。B.一电极对实施方式的剖视图。C.双电极对实施方式的剖视图。
图33为根据本公开实施方式的分数氢反应池腔室的示意图，该分数氢反应池腔室包括用以使线爆轰以充当反应物源中的至少一者的装置以及用以传播分数氢反应以形成诸如分子分数氢之类的低能氢物质的装置。
图34示出了从动力系统运行中收集的GaOOH:H2(1/4)的测量EPR谱。Bruker使用两台仪器在两个样品上重复了该EPR谱。(A)EMXnano数据。(B)EMXplus数据。(C)EMXplus数据的扩大，3503G-3508G区。
图35示出了GaOOH:HD(1/4)(3464.65G-3564.65G)区的EPR谱。
图36A-C示出了在Ni箔上使用具有785nm激光器的Horiba Jobin Yvon LabRamARAMIS光谱仪获得的拉曼光谱，该Ni箔是通过浸入维持分数氢等离子体反应10分钟的SunCell的熔融镓中而制备的。(A)2500cm-1至11,000cm-1区域。(B)8500cm-1至11,000cm-1区域。(C)6000cm-1至11,000cm-1区域。所有的新颖谱线都匹配(i)纯H2(1/4)J＝0至J’＝2,3转动跃迁、(ii)包括J＝0至J’＝1,2转动跃迁与J＝0至J＝1自旋转动跃迁的协同跃迁或(iii)最终转动量子数J′p＝2和J'c＝1的双跃迁的谱线。在纯跃迁、协同跃迁和双跃迁中也观察到了相应的自旋-轨道耦合和磁通量子耦合。
图37A为在GaOOH:H2(1/4)上使用具有785nm激光器的Horiba Jobin Yvon LabRamARAMIS光谱仪获得的拉曼光谱(2200cm-1至11,000cm-1)，示出了具有自旋-轨道耦合和磁通量子链位移的H2(1/4)转动跃迁。图37B为在爆轰后的银喷丸电极上使用具有785nm激光器的Horiba Jobin Yvon LabRam ARAMIS光谱仪获得的拉曼光谱(2500cm-1至11,000cm-1)，示出了具有自旋-轨道耦合和磁通量子链位移的H2(1/4)转动跃迁。
图38A-C示出了在GaOOH:HD(1/4)上使用具有785nm激光器的Horiba Jobin YvonLabRam ARAMIS光谱仪获得的拉曼光谱。A.2500cm-1至11,000cm-1区域。B.6000cm-1至11,000cm-1区域。C.8000cm-1至11,000cm-1区域。所有新颖的谱线都匹配(i)纯HD(1/4)J＝0至J'＝3,4转动跃迁、(ii)包括J＝0至J'＝3转动跃迁与J＝0至J＝1自旋转动跃迁的协同跃迁或(iii)最终转动量子数J′p＝3；J′c＝1的双跃迁的谱线。在纯跃迁和协同跃迁二者中也观察到相应的自旋-轨道耦合和磁通量子耦合。
图39A为FTIR谱(200-8200cm-1)，示出了施加磁场对在GaOOH:H2(1/4)上记录的FTIR谱(200cm-1至8000cm-1)的影响。磁场的施加在4164cm-1处产生了FTIR峰，这准确匹配协同的转动和自旋-轨道跃迁J＝0至J'＝1，m＝0.5。观察到在1801cm-1处的峰强度增加，这匹配协同的转动和自旋-轨道跃迁J＝0至J'＝0，m＝-0.5，mΦ3/2＝2.5。
图39B为在GaOOH:H2(1/4)上记录的FTIR谱(4000-8500cm-1)，示出了匹配H2(1/4)转动和自旋-轨道跃迁的4899cm-1、5318cm-1和6690cm-1的非常高能量的附加峰。
图40A示出了在固体网状纤维(Fe网)上使用具有785nm激光器的Horiba JobinYvon LabRam ARAMIS光谱仪获得的拉曼光谱(3420cm-1至4850cm-1)，该固体网状纤维通过使超高纯度Fe线在维持有20托水蒸气的空气中发生线爆轰而制备，示出了一系列周期性的峰，这些峰归属于H2(1/4)协同的转动和自旋-轨道跃迁J＝0至J'＝2，m＝0.5和mΦ3/2＝1期间的磁通量子链。
图40B为使用具有785nm激光器的Horiba-Jobin-Yvon-LabRam ARAMIS光谱仪获得的拉曼光谱(3420cm-1至4850cm-1)，显示图15中的所有拉曼峰均通过用HCl对Fe-网:H2(1/4)样品进行酸处理而消除。
图41为用于测量本公开的动力系统的运行的水浴量热系统的示意图。
具体实施方式
本文公开了动力产生系统和动力产生的方法，其将从涉及原子氢的反应输出的能量转换为电能和/或热能。这些反应可涉及催化剂系统，该催化剂系统从原子氢中释放能量从而形成电子层处于更靠近原子核位置的较低能态。所释放的动力用于动力生成，并且另外，新的氢物种和化合物为所需的产物。这些能态可通过经典物理定律预测，并且需要催化剂来接受来自氢的能量，以便经历相应的能量释放跃迁。
可以解释由本公开的动力产生系统产生的放热反应的理论涉及能量从原子氢非辐射转移至某些催化剂(例如，新生水)。经典物理学给出了氢原子、氢负离子、氢分子离子和氢分子的封闭解，并且预测了具有分数主量子数的相应物质。原子氢可经历与某些物质(包括其本身)的催化反应，所述物质可接受原子氢势能的整数倍的能量m·27.2eV，其中m为整数。所预测的反应涉及共振非辐射能量从原本稳定的原子氢传递至能够接受该能量的催化剂。产物为H(1/p)，其为称作“分数氢原子”的原子氢的分数里德伯态，其中n＝1/2、1/3、1/4、...、1/p(p≤137，为整数)替代用于氢激发态的里德伯方程中的众所周知的参数n＝整数。各分数氢态也包含电子、质子和光子，但来自光子的场贡献增加结合能而非减小结合能，其对应于能量解吸而非吸收。因为原子氢的势能为27.2eV，所以m个H原子充当另外第(m+1)个H原子的m·27.2eV的催化剂[R.Mills,The Grand Unified Theory of ClassicalPhysics；2016年9月版，发布于https://brilliantlightpower.com/book-download-and- streaming/(“Mills GUTCP”)]。例如，一H原子可经由跨空间能量转移(诸如通过磁或感应电偶极-偶极耦合)从另一个H接受27.2eV而充当其催化剂，从而形成随具有短波限和
Figure BDA0003817985810000281
的能量的连续谱带发射而衰减的中间体。除原子H以外，从原子H接受m′27.2eV且伴随分子势能大小减少相同能量的分子也可充当催化剂。H2O的势能为81.6eV。然后，通过相同机理，预测通过金属氧化物的热力学上有利的还原而形成的新生H2O分子(不是以固态、液态或气态键合的氢)充当催化剂，以形成H(1/4)，释放能量为204eV，其包括81.6eV转移至HOH和释放截止波长在10.1nm处的连续辐射(122.4eV)。
在涉及跃迁至
Figure BDA0003817985810000282
态的H原子催化剂反应中，m个H原子充当另外第(m+1)个H原子的m·27.2eV的催化剂。然后，m+1个氢原子之间的反应(借此m个原子从第(m+1)个氢原子以共振和非辐射方式接受m·27.2eV而使得mH充当催化剂)通过以下给出：
Figure BDA0003817985810000283
Figure BDA0003817985810000284
Figure BDA0003817985810000285
并且，总反应为
Figure BDA0003817985810000286
关于新生H2O的势能的催化反应(m＝3)[R.Mills,The Grand Unified Theory ofClassical Physics；2016年9月出版，发布于https://brilliantlightpower.com/book-download-and-streaming/]为
Figure BDA0003817985810000291
Figure BDA0003817985810000292
Figure BDA0003817985810000293
并且，总反应为
Figure BDA0003817985810000294
在能量传递至催化剂(式(1)和(5))之后，形成具有H原子半径和中心场为质子中心场的m+1倍的中间体
Figure BDA0003817985810000295
预测半径随着电子经历径向加速度而减小至稳定态，该稳定态的半径为未经催化的氢原子半径的1/(m+1)，且释放出m2′13.6eV能量。由于
Figure BDA0003817985810000296
中间体引起的极紫外连续辐射谱带(例如式(2)和式(6))预计具有由以下给出的短波限和能量
Figure BDA0003817985810000297
Figure BDA0003817985810000298
并且延伸至比相应的截止波长更长的波长。这里，预测由于H*[aH/4]中间体的衰减而引起的极紫外连续辐射谱带为在E＝m2·13.6＝9·13.6＝122.4eV(10.1nm)处具有短波限[其中在式(9)中，p＝m+1＝4且m＝3]并延伸至更长的波长。观察到对于理论上预测的H向较低能量(所谓的“分数氢”态H(1/4))跃迁而言的10.1nm处且到达更长波长的连续辐射谱带，其仅由包含一些氢的脉冲箍缩气体放电引起。通过式(1)和式(5)预测的另一观察结果为由快H+的复合形成快激发态H原子。这些快速原子引起巴尔莫α发射增宽。大于50eV的巴尔莫α线增宽表明在某些混合氢等离子体中具有动能异常高的氢原子群体，这是一个已经确立的现象，其中原因是由于在分数氢的形成中所释放的能量。在连续发射氢箍缩等离子体中观察到快H。
用以形成分数氢的其他催化剂和反应是可能的。可基于其已知的电子能级来鉴别的特定物质(例如，He+、Ar+、Sr+、K、Li、HCl和NaH、OH、SH、SeH、新生H2O、nH(n＝整数))需要与原子氢一起来催化该过程。该反应涉及非辐射性能量转移，随后是q′13.6eV连续发射或q′13.6eV转移至H以形成异常热的激发态H和能量低于对应于分数主量子数的未反应原子氢的氢原子。也就是说，在氢原子的主能级的式中：
Figure BDA0003817985810000301
n＝1,2,3,... (11)
其中aH为氢原子的波尔半径(52.947pm)，e为电子电荷的大小，且eo为真空电容率，分数量子数：
Figure BDA0003817985810000302
其中p≤137，为整数 (12)
取代用于氢激发态的里德伯式中众所周知的参数n＝整数并表示称为“分数氢”的较低能态氢原子。氢的n＝1态和氢的
Figure BDA0003817985810000303
态为非辐射性的，但经由非辐射性能量转移，两种非辐射状态之间的跃迁(比如n＝1至n＝1/2)是可能的。氢为由式(10)和(12)给出的稳态的特例，其中氢或分数氢原子的相应半径是由下式给出：
Figure BDA0003817985810000304
其中p＝1,2,3,...。为使能量守恒，能量必须以正常n＝1态的氢原子的势能的整数单位从氢原子转移至催化剂，且半径跃迁至
Figure BDA0003817985810000305
通过使普通氢原子与具有以下的净反应焓的合适催化剂反应而形成分数氢：
m′27.2eV (14)
其中m为整数。据信，随着净反应焓更接近地匹配m′27.2eV，催化的速率增加。已经发现，净反应焓在m′27.2eV的±10％、优选±5％范围内的催化剂适于大多数应用。
催化反应涉及两步能量释放：非辐射性能量转移至催化剂，接着随着半径减小，进行另外的能量释放，直至相应的稳定最终状态。因此，一般反应由下式给出：
Figure BDA0003817985810000306
Figure BDA0003817985810000307
Cat(q+r)++re-→Catq++m·27.2eV和 (17)
总反应为
Figure BDA0003817985810000311
q、r、m和p为整数。
Figure BDA0003817985810000312
具有氢原子的半径(对应于分母中为1)和等于质子中心场的(m+p)倍的中心场，且
Figure BDA0003817985810000313
是半径为H半径的
Figure BDA0003817985810000314
的对应稳态。
催化剂产物H(1/p)也可与电子反应而形成分数氢氢负离子H-(1/p)，或者两个H(1/p)可发生反应而形成相应的分子分数氢H2(1/p)。具体而言，催化剂产物H(1/p)也可与电子反应而形成具有结合能EB的新氢负离子H-(1/p)：
Figure BDA0003817985810000315
其中p＝整数>1，s＝1/2，
Figure BDA0003817985810000316
为普朗克常数拔(Planck's constant bar)，μo为真空的磁导率，me为电子的质量，μe为由
Figure BDA0003817985810000317
给出的约化电子质量，其中mp为质子的质量，ao为波尔半径，且离子半径为
Figure BDA0003817985810000318
根据式(19)，氢负离子的计算电离能为0.75418eV，且实验值为6082.99±0.15cm-1(0.75418eV)。分数氢氢负离子的结合能可通过X射线光电子能谱法(XPS)测量。
高场偏移的NMR峰是存在较低能态氢的直接证据，所述低能态氢相对于普通氢负离子半径减小且质子的反磁性屏蔽增大。位移通过两个电子的反磁性和大小为p的光子场的贡献总和给出(Mills GUTCP式(7.87))：
Figure BDA0003817985810000319
其中第一项适用于H-，其中p＝1并且对于H-(1/p)，p＝整数>1，且a为精细结构常数。所预测的分数氢氢负离子峰相对于普通氢负离子异常地向高场偏移。在一个实施方式中，所述峰是TMS的高场。相对于TMS的NMR位移可以比单独的或构成化合物的普通H-、H、H2或H+中的至少一者的已知NMR位移大。该位移可大于以下中的至少一者：0、-1、-2、-3、-4、-5、-6、-7、-8、-9、-10、-11、-12、-13、-14、-15、-16、-17、-18、-19、-20、-21、22、-23、-24、-25、-26、-27、-28、-29、-30、-31、-32、-33、-34、-35、-36、-37、-38、-39和-40ppm。相对于裸质子的绝对位移范围(其中TMS的位移相对于裸质子为约-31.5)可为(p29.9+p22.74)ppm(式(20))，其约在以下中的至少一者的范围内：±5ppm、±10ppm、±20ppm、±30ppm、±40ppm、±50ppm、±60ppm、±70ppm、±80ppm、±90ppm和±100ppm。相对于裸质子的绝对位移的范围可为-(p29.9+p21.59×10-3)ppm(式(20))，其约在以下中的至少一者的范围内：0.1％至99％、1％至50％和1％至10％。在另一个实施方式中，分数氢物质(诸如，分数氢原子、氢负离子或分子)在固体基质(诸如，氢氧化物诸如NaOH或KOH的基质)中的存在可引起基质质子向高场偏移。基质质子(诸如NaOH或KOH的基质质子)可交换。在一个实施方式中，该位移可导致基质峰在相对于TMS约-0.1ppm至-5ppm的范围内。NMR测定可包括魔角旋转1H核磁共振谱法(MAS 1HNMR)。
H(1/p)可与质子反应且两个H(1/p)可发生反应以分别形成H2(1/p)+和H2(1/p)。利用非辐射约束由椭球坐标中的拉普拉斯算子求解氢分子离子和分子电荷和电流密度函数、键距和能量。
Figure BDA0003817985810000321
在长椭球体分子轨道的各焦点处具有+pe的中心场的氢分子离子的总能量ET为：
Figure BDA0003817985810000331
其中p为整数，c为真空中的光速，且μ为约化的核质量。在长椭球体分子轨道的各焦点处具有+pe的中心场的氢分子的总能量为：
Figure BDA0003817985810000332
氢分子H2(1/p)的键解离能ED为对应氢原子的总能量与ET之间的差：
ED＝E(2H(1/p))-ET (24)
其中
E(2H(1/p))＝-p227.20eV (25)
ED由式(23-25)给出：
ED＝-p227.20eV-ET＝-p227.20eV-(-p231.351eV-p30.326469eV)＝p24.151eV+p30.326469eV (26)
H2(1/p)可由X射线光电子能谱法(XPS)鉴别，其中除电离电子之外的电离产物可为以下可能性中的至少一者：诸如包含两个质子和一个电子的那些、氢(H)原子、分数氢原子、分子离子、氢分子离子和H2(1/p)+，其中能量可因基质而位移。
催化产物气体的NMR提供了对H2(1/p)的理论预测的化学位移的确定性测试。一般来讲，由于椭球坐标中的分数半径(其中电子显著更靠近原子核)，H2(1/p)的1H NMR共振预测为在H2的NMR共振的高场。H2(1/p)的预测的位移
Figure BDA0003817985810000341
由两个电子的反磁性和大小为p的光子场的贡献的总和给出(Mills GUTCP式(11.415-11.416))：
Figure BDA0003817985810000342
Figure BDA0003817985810000343
其中第一项适用于H2，其中p＝1，并且对于H2(1/p)，p＝大于1的整数。实验绝对H2气相共振位移-28.0ppm与预测的绝对气相位移-28.01ppm(式(28))十分相符。预测的分子分数氢的峰相对于普通H2异常地向高场偏移。在一个实施方式中，所述峰是TMS的高场。相对于TMS的NMR位移可以比单独的或构成化合物的普通H-、H、H2或H+中的至少一者的已知NMR位移大。该位移可大于以下中的至少一者：0、-1、-2、-3、-4、-5、-6、-7、-8、-9、-10、-11、-12、-13、-14、-15、-16、-17、-18、-19、-20、-21、22、-23、-24、-25、-26、-27、-28、-29、-30、-31、-32、-33、-34、-35、-36、-37、-38、-39和-40ppm。相对于裸质子的绝对位移的范围(其中TMS的位移相对于裸质子为约-31.5ppm)可为-(p28.01+p22.56)ppm(式(28))，其约在以下的至少一者中的范围内：±5ppm、±10ppm、±20ppm、±30ppm、±40ppm、±50ppm、±60ppm、±70ppm、±80ppm、±90ppm和±100ppm。相对于裸质子的绝对位移的范围可为-(p28.01+p21.49×10-3)ppm(式(28))，其约在以下中的至少一者的范围内：0.1％至99％、1％至50％和1％至10％。
氢型分子H2(1/p)从υ＝0跃迁至υ＝1的振动能Evib为：
Evib＝p20.515902eV (29)
其中p为整数。
氢型分子H2(1/p)从J跃迁至J+1的旋转能Erot为：
Figure BDA0003817985810000351
其中p为整数且I为转动惯量。在气体中的和俘获于固体基质中的电子束激发分子上观察到H2(1/4)的旋转振动发射。
旋转能的p2相关性由核间距离的反向p相关性和对转动惯量I的相应影响引起。
H2(1/p)的预测的核间距离2c’为
Figure BDA0003817985810000352
H2(1/p)的旋转能和振动能中的至少一者可通过电子束激发发射光谱、拉曼光谱和傅里叶变换红外(FTIR)光谱中的至少一者来测量。H2(1/p)可俘获于用于测量的基质中(诸如于MOH、MX和M2CO3(M＝碱金属；X＝卤离子)中的至少一者中)。
在一个实施方式中，观察到作为约1950cm-1处的反向拉曼效应(IRE)峰的分子分数氢产物。通过使用包含与支持表面增强拉曼散射(SERS)的拉曼激光波长相当的粗糙度特征物或粒度的导电材料来增强峰，以显示IRE峰。
I.催化剂
在本公开中，诸如分数氢反应、H催化、H催化反应、涉及氢时的催化、氢形成分数氢的反应和分数氢形成反应均是指诸如由式(14)限定的催化剂与原子H形成具有由式(10)和(12)给出的能级的氢态的式(15-18)的反应。当提及进行将H催化至具有由式(10)和式(12)给出的能级的H态或分数氢态的反应混合物时，诸如分数氢反应物、分数氢反应混合物、催化剂混合物、形成分数氢的反应物、产生或形成低能态氢或分数氢的反应物的相应术语也可互换地使用。
本公开的催化低能氢跃迁需要从原子H接受能量以引起跃迁的催化剂，该催化剂可呈未催化原子氢的势能27.2eV的整数m倍的吸热化学反应的形式。吸热催化剂反应可以是从诸如原子或离子之类的物质电离一个或多个电子(例如，对于Li→Li2+，m＝3)，并且可还包含键断裂与一个或多个电子从初始键的一个或多个搭配物电离的协同反应(例如，对于NaH→Na2++H，m＝2)。He+因为以54.417eV(其为2′27.2eV)电离，所以其满足催化剂标准——焓变等于27.2eV的整数倍的化学或物理过程。整数个氢原子也可充当具有27.2eV焓的整数倍的催化剂。催化剂能够以约27.2eV±0.5eV和
Figure BDA0003817985810000353
中的一者的整数单位从原子氢接受能量。
在一个实施方式中，催化剂包含原子或离子M，其中t个电子各自从原子或离子M电离至连续能级，以使得t个电子的电离能的总和大致为m·27.2eV和
Figure BDA0003817985810000361
中的一者，其中m为整数。
在一个实施方式中，催化剂包含双原子分子MH，其中M-H键的断裂加上t个电子各自从原子M电离至连续能级使得键能和t个电子的电离能的总和大约为m·27.2eV和
Figure BDA0003817985810000362
中的一者，其中m为整数。
在一个实施方式中，催化剂包含选自以下的原子、离子和/或分子：AlH、AsH、BaH、BiH、CdH、ClH、CoH、GeH、InH、NaH、NbH、OH、RhH、RuH、SH、SbH、SeH、SiH、SnH、SrH、TlH、C2、N2、O2、CO2、NO2和NO3分子，以及Li、Be、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Kr、Rb、Sr、Nb、Mo、Pd、Sn、Te、Cs、Ce、Pr、Sm、Gd、Dy、Pb、Pt、Kr、2K+、He+、Ti2+、Na+、Rb+、Sr+、Fe3+、Mo2+、Mo4 +、In3+、He+、Ar+、Xe+、Ar2+和H+，以及Ne+和H+原子或离子。
在其他实施方式中，通过如下方式提供用以产生分数氢的MH-型氢催化剂：电子转移至受体A，M-H键断裂以及t个电子各自从原子M电离至连续能级，使得包括MH与A的电子亲和力(EA)之差、M-H键能和t个电子从M电离的电离能的电子传递能量之和为大约m·27.2eV，其中m为整数。能够提供大约m·27.2eV的净反应焓的MH-型氢催化剂为OH-、SiH-、CoH-、NiH-和SeH-。
在其他实施方式中，通过如下提供用以产生分数氢的MH+型氢催化剂：从可带负电的供体A转移电子，M-H键断裂以及t个电子各自从原子M电离至连续能级，使得包括MH与A的电离能之差、M-H键能以及t个电子从M电离的电离能的电子传递能量之和为大约m·27.2eV，其中m为整数。
在一个实施方式中，分子或带正电或带负电的分子离子中的至少一者充当从原子H接受约m·27.2eV的催化剂，其中所述分子或带正电或带负电的分子离子的势能的大小减小约m·27.2eV。示例性的催化剂为H2O、OH、酰胺基NH2和H2S。
O2可充当催化剂或催化剂源。氧分子的键能为5.165eV，并且氧原子的第一、第二和第三电离能分别为13.61806eV、35.11730eV和54.9355eV。反应O2→O+O2+、O2→O+O3+和2O→2O+分别提供约为Eh的2倍、4倍和1倍的净焓并且包括通过接受来自H的这些能量而形成分数氢的催化剂反应，以形成分数氢。
II.分数氢
具有由
Figure BDA0003817985810000371
(其中p为大于1，优选为2至137的整数)给出的结合能的氢原子是本公开的H催化反应的产物。原子、离子或分子的结合能(也被称作电离能)是从原子、离子或分子移除一个电子所需的能量。具有式(10)和式(12)中给出的结合能的氢原子在下文被称作“分数氢原子”或“分数氢”。具有半径
Figure BDA0003817985810000372
(其中aH为普通氢原子的半径且p为整数)的分数氢的标记为
Figure BDA0003817985810000373
具有半径aH的氢原子在下文中被称作“普通氢原子”或“正常氢原子”。普通原子氢的特征在于其结合能为13.6eV。
根据本公开，提供一种具有根据式(19)的结合能的分数氢氢负离子(H-)，所述结合能在p＝2到最高23时大于普通氢负离子的结合能(约0.75eV)，而p＝24(H-)时的结合能小于普通氢负离子的结合能。对于式(19)的p＝2至p＝24，氢负离子结合能分别为3、6.6、11.2、16.7、22.8、29.3、36.1、42.8、49.4、55.5、61.0、65.6、69.2、71.6、72.4、71.6、68.8、64.0、56.8、47.1、34.7、19.3和0.69eV。本文还提供包含新颖氢负离子的示例性组合物。
还提供包含一种或多种分数氢氢负离子和一种或多种其他元素的示例性化合物。此类化合物被称为“分数氢氢化物化合物(hydrino hydride compound)”。
普通氢物质的特征在于以下结合能：(a)氢负离子，0.754eV(“普通氢负离子”)；(b)氢原子(“普通氢原子”)，13.6eV；(c)双原子氢分子，15.3eV(“普通氢分子”)；(d)氢分子离子，16.3eV(“普通氢分子离子”)；和(e)
Figure BDA0003817985810000376
22.6eV(“普通三氢分子离子”)。本文中，关于氢的形式，“正常”与“普通”同义。
根据本公开的另一个实施方式，提供一种化合物，其包含至少一种结合能增加的氢物质，诸如：(a)氢原子，其具有约
Figure BDA0003817985810000374
诸如在
Figure BDA0003817985810000375
的约0.9倍至1.1倍的范围内的结合能，其中p为2至137的整数；(b)氢负离子(H-)，其具有约
Figure BDA0003817985810000381
诸如在
Figure BDA0003817985810000382
的约0.9倍至1.1倍的范围内的结合能，其中p为2至24的整数；(c)
Figure BDA0003817985810000383
(d)三分数氢分子离子
Figure BDA0003817985810000384
其具有约
Figure BDA0003817985810000385
诸如在
Figure BDA0003817985810000386
的约0.9倍至1.1倍的范围内的结合能，其中p为2至137的整数；(e)双分数氢，其具有约
Figure BDA0003817985810000387
诸如在
Figure BDA0003817985810000388
的约0.9倍至1.1倍的范围内的结合能，其中p为2至137的整数；(f)双分数氢分子离子，其具有约
Figure BDA0003817985810000389
诸如在
Figure BDA00038179858100003810
的约0.9倍至1.1倍的范围内的结合能，其中p为整数，优选为2至137的整数。
根据本公开的另一个实施方式，提供一种化合物，其包含至少一种结合能增加的氢物质，诸如：(a)双分数氢分子离子，其具有约
Figure BDA0003817985810000391
，诸如在
Figure BDA0003817985810000392
的约0.9倍至1.1倍的范围内的总能量，其中p为整数，
Figure BDA0003817985810000394
为普朗克常数拔，me为电子的质量，c为真空中的光速，且μ为约化的核质量，以及(b)双分数氢分子，其具有约
Figure BDA0003817985810000393
，诸如在
Figure BDA0003817985810000401
的约0.9至1.1倍的范围内的总能量，其中p为整数且ao为波尔半径。
根据本公开的一个实施方式，其中该化合物包含带负电的结合能增加的氢物质，该化合物还包含一种或多种阳离子，诸如质子、普通
Figure BDA0003817985810000402
或普通
Figure BDA0003817985810000403
本文提供一种用于制备包含至少一种分数氢氢负离子的化合物的方法。此类化合物在下文被称作“分数氢氢化物化合物”。该方法包括使原子氢与净反应焓为约
Figure BDA0003817985810000404
(其中m为大于1的整数，优选为小于400的整数)的催化剂反应，以产生结合能为约
Figure BDA0003817985810000405
(其中p为整数，优选为2至137的整数)的结合能增加的氢原子。该催化的另一产物为能量。结合能增加的氢原子可与电子源反应以产生结合能增加的氢负离子。结合能增加的氢负离子可与一种或多种阳离子反应以产生包含至少一种结合能增加的氢负离子的化合物。
在一个实施方式中，通过在本文中被称作歧化(如Mills GUT第5章中所给出的，将其以引用的方式并入)的过程，氢经历向式(18)中具有高p值分数氢的跃迁，可实现极高功率和能量中的至少一者。氢原子H(1/p)p＝1,2,3,...137可经历向式(10)和(12)所给出的较低能态的进一步跃迁，其中一个原子的跃迁是通过以共振和非辐射方式接受m·27.2eV且伴随有其势能的相反变化的另一个原子来催化。由式(32)给出的由m·27.2eV共振传递至H(1/p')而诱导的H(1/p)至H(1/(p+m))的跃迁的总的一般方程通过以下表示：
H(1/p')+H(1/p)→H+H(1/(p+m))+[2pm+m2-p'2+1]]·13.6eV (32)
来自分数氢过程的EUV光可解离双分数氢分子并且所得分数氢原子可充当催化剂以跃迁至较低能态。示例性的反应包括通过H(1/4)将H催化为H(1/17)，其中H(1/4)可为通过HOH对另一H进行催化的反应产物。预计分数氢的歧化反应产生X射线区域中的特征。如由式(5-8)所示，HOH催化剂的反应产物为
Figure BDA0003817985810000411
考虑在含H2O气体的氢云中很可能有跃迁反应，其中第一氢型原子
Figure BDA0003817985810000412
为H原子，并且充当催化剂的第二受体氢型原子
Figure BDA0003817985810000413
为
Figure BDA0003817985810000414
因为
Figure BDA0003817985810000415
的势能为42′27.2eV＝16′27.2eV＝435.2eV，所以该跃迁反应由以下给出：
Figure BDA0003817985810000416
Figure BDA0003817985810000417
Figure BDA0003817985810000418
并且，总反应为
Figure BDA0003817985810000419
由于
Figure BDA00038179858100004110
中间体引起的极紫外连续辐射谱带(例如式(16)和式(34))预计具有由以下给出的短波限和能量
Figure BDA00038179858100004111
Figure BDA00038179858100004112
Figure BDA00038179858100004113
并且延伸至比相应的截止波长更长的波长。此处，预计由于
Figure BDA0003817985810000421
中间体的衰变而引起的极紫外连续辐射谱带具有在E＝3481.6eV；0.35625nm的短波限并且延伸至更长波长。美国国家航空航天局的钱德拉X射线天文台和XMM-牛顿天文台(E.Bulbul,M.Markevitch,A.Foster,R.K.Smith,M.Loewenstein,S.W.Randall,“Detection of anunidentified emission line in the stacked X-Ray spectrum of galaxy clusters,”The Astrophysical Journal，第789卷，第1期，(2014)；A.Boyarsky,O.Ruchayskiy,D.Iakubovskyi,J.Franse,“An unidentified line in X-ray spectra of theAndromeda galaxy and Perseus galaxy cluster,”(2014),arXiv:1402.4119[astro-ph.CO]]在英仙座星团中观察到具有3.48keV临界值的宽X射线峰，其不匹配任何已知原子跃迁。BulBul等人将其归属于未知身份暗物质的3.48keV特征匹配
Figure BDA0003817985810000422
跃迁并且进一步证实分数氢的身份为暗物质。
物质的新颖氢组合物可包含：
(a)至少一种具有以下结合能的中性、正或负氢物质(在下文中为“结合能增加的氢物质”)
(i)大于对应普通氢物质的结合能，或者
(ii)大于其对应普通氢物质不稳定或因为该普通氢物质的结合能小于环境条件(标准温度和压力，STP)下的热能或者为负而观察不到的任何氢物质的结合能；和
(b)至少一种其他元素。通常，本文描述的氢产物是结合能增加的氢物质。
在此上下文中，所谓“其他元素”意指除结合能增加的氢物质以外的元素。因此，其他元素可为普通氢物质，或除氢以外的任何元素。在一组化合物中，其他元素和结合能增加的氢物质为中性的。在另一组化合物中，其他元素和结合能增加的氢物质带电荷，使得所述其他元素提供平衡电荷以形成中性化合物。前一组化合物表征为分子和配位键合；后一组表征为离子键合。
还提供新颖化合物和分子离子，其包含：
(a)至少一种具有以下总能量的中性、正或负氢物质(在下文中为“结合能增加的氢物质”)
(i)大于对应普通氢物质的总能量，或者
(ii)大于其对应普通氢物质不稳定或因为该普通氢物质的总能量小于环境条件下的热能或为负而观察不到的任何氢物质的总能量；和
(b)至少一种其他元素。
氢物质的总能量为从氢物质移除所有电子的能量的总和。根据本公开的氢物质的总能量大于对应普通氢物质的总能量。根据本公开的总能量增加的氢物质也被称作“结合能增加的氢物质”，即使总能量增加的氢物质的一些实施方式可具有比对应普通氢物质的第一电子结合能小的第一电子结合能。例如，p＝24时式(19)的氢负离子的第一结合能小于普通氢负离子的第一结合能，而p＝24时式(19)的氢负离子的总能量远远大于对应普通氢负离子的总能量。
本文还提供新颖化合物和分子离子，其包含：
(a)多种具有以下结合能的中性、正或负氢物质(在下文中为“结合能增加的氢物质”)
(i)大于对应普通氢物质的结合能，或者
(ii)大于其对应普通氢物质不稳定或因为该普通氢物质的结合能小于环境条件下的热能或为负而观察不到的任何氢物质的结合能；和
(b)任选的一种其他元素。本公开的化合物在下文中被称作“结合能增加的氢化合物”。
可通过使一种或多种分数氢原子与电子、分数氢原子、化合物中的一者或多者反应来形成结合能增加的氢物质，所述化合物含有所述结合能增加的氢物质中的至少一者和至少一种除结合能增加的氢物质以外的其他原子、分子或离子。
还提供新颖化合物和分子离子，其包含：
(a)多种具有以下总能量的中性、正或负氢物质(在下文中为“结合能增加的氢物质”)
(i)大于普通分子氢的总能量，或者
(ii)大于其对应普通氢物质不稳定或因为该普通氢物质的总能量小于环境条件下的热能或为负而观察不到的任何氢物质的总能量；和
(b)任选的一种其他元素。本公开的化合物在下文中被称作“结合能增加的氢化合物”。
在一个实施方式中，提供一种化合物，其包含至少一种选自以下的结合能增加的氢物质：(a)根据式(19)的结合能对于p＝2至最高23大于且对于p＝24小于普通氢负离子的结合能(约0.8eV)的氢负离子(“结合能增加的氢负离子”或“分数氢氢负离子”)；(b)结合能大于普通氢原子的结合能(约13.6eV)的氢原子(“结合能增加的氢原子”或“分数氢”)；(c)具有大于约15.3eV的第一结合能的氢分子(“结合能增加的氢分子”或“双分数氢”)；和(d)具有大于约16.3eV的结合能的分子氢离子(“结合能增加的分子氢离子”或“双分数氢分子离子”)。在本公开中，结合能增加的氢物质和化合物也称作低能氢物质和化合物。分数氢包含结合能增加的氢物质或等同地较低能量的氢物质。
III.化学反应器
本公开还涉及用于产生本公开的结合能增加的氢物质和化合物(诸如双分数氢分子和分数氢氢化物化合物)的其他反应器。根据池类型，其他催化产物为动力以及任选的等离子体和光。此类反应器在下文中被称作“氢反应器”或“氢池”。氢反应器包括用于制备分数氢的池。用于制备分数氢的池可采用以下形式：化学反应器或气体燃料池(诸如气体放电池)、等离子体炬池或微波动力池和电化学池。在一个实施方式中，催化剂为HOH并且HOH和H中的至少一者的来源为冰。冰可具有高表面积以增加从冰形成HOH催化剂和H的速率以及分数氢反应速率中的至少一者。该冰可呈精细切片的形式以增加表面积。在一个实施方式中，池包含电弧放电池，其包括冰至少一个电极以使得放电涉及冰的至少一部分。
在一个实施方式中，电弧放电池包括容器、两个电极、高电压动力源(诸如能够提供在约100V至1MV范围内的电压和在约1A至100kA范围内的电流的动力源)，以及水源(诸如储罐以及形成并供应H2O液滴的部件)。液滴可在电极之间移动。在一个实施方式中，液滴引发电弧等离子体的点燃。在一个实施方式中，该水电弧等离子体包含可发生反应以形成分数氢的H和HOH。可通过控制液滴尺寸以及将液滴供应至电极的速率来控制点燃速率和对应功率比。高电压源可包括至少一个可由高电压动力源充电的高电压电容器。在一个实施方式中，电弧放电池还包括诸如功率转换器之类的部件，所述功率转换器为诸如本公开的功率转换器，诸如用以将来自分数氢过程的动力(诸如光和热)转换成电的PV转换器和热力发动机中的至少一者。
用于制备分数氢的池的示例性实施方式可采用以下形式：液体燃料池、固体燃料池、异质燃料池、CIHT池和SF-CIHT或
Figure BDA0003817985810000441
池。这些池中的每一者包括：(i)包括原子氢源的反应物；(ii)至少一种用于制备分数氢的催化剂，其选自固体催化剂、熔融催化剂、液体催化剂、气态催化剂或它们的混合物；和(iii)用于使氢与催化剂反应来制备分数氢的容器。如本文所使用并且如本公开所设想的，除非另外规定，否则术语“氢”不仅包括氕(1H)，而且还包括氘(2H)和氚(3H)。示例性的化学反应混合物和反应器可包括本公开的SF-CIHT、CIHT或热池实施方式。在此“化学反应器”章节中给出了额外的示例性实施方式。在本公开中给出了在混合物反应期间形成的具有用作催化剂的H2O的反应混合物的实例。其他催化剂可用于形成结合能增加的氢物质和化合物。可在诸如反应物、反应物的重量％、H2压力和反应温度之类的参数方面根据这些示例性情况调节反应和条件。合适的反应物、条件和参数范围是本公开的反应物、条件和参数范围。通过13.6eV整数倍的预测连续辐射谱带、由H线的多普勒线增宽所测得的在其他方面无法解释的超高H动能、H线的反向、在无击穿电场的情况下形成等离子体以及如在Mills先前出版物中所报导的异常等离子体余辉持续时间显示分数氢和分子分数氢是本公开的反应器的产物。其他研究人员已对数据(诸如关于CIHT池和固体燃料的数据)在场外进行了独立验证。通过本公开的池形成分数氢也通过在长的持续时间内连续输出的电能所证实，这些电能是电输入的多倍，其在大多数情况下超过在无替代源情况下的输入的10倍以上。所预测的分子分数氢H2(1/4)通过以下各者而鉴别为CIHT池与固体燃料的产物：MAS H NMR，其显示了约-4.4ppm的预测高场位移基质峰；ToF-SIMS和ESI-ToFMS，其显示了H2(1/4)与吸气基质复合成为m/e＝M+n2峰，其中M为母离子的质量并且n为整数；电子束激发发射光谱和光致发光发射光谱，其显示了具有H2能量的16倍或量子数p＝4平方倍数的H2(1/4)的预测转动和振动光谱；拉曼和FTIR光谱，其显示了1950cm-1的H2(1/4)的转动能，其为H2的转动能的16倍或量子数p＝4平方倍数；XPS，其显示了500eV的H2(1/4)的预测总结合能；以及到达时间在m/e＝1峰之前的ToF-SIMS峰，该m/e＝1峰对应于动能约204eV的H，该动能将所预测的H至H(1/4)的能量释放与传递至第三体H的能量相匹配，如以下中所报导的：Mills先前出版物和R.Mills X Yu,Y.Lu,G Chu,J.He,J.Lotoski,“Catalyst Induced Hydrino Transition(CIHT)Electrochemical Cell”,International Journal of Energy Research,(2013)以及R.Mills,J.Lotoski,J.Kong,GChu,J.He,J.Trevey,“High-Power-Density Catalyst Induced Hydrino Transition(CIHT)Electrochemical Cell”(2014)，将其以全文引用的方式并入本文中。
使用水流热量计和Setaram DSC 131差示扫描量热计(DSC)二者，通过观察到来自形成分数氢的固体燃料的超过最大理论能量60倍的热能，证实通过本公开的池(诸如包括用以产生热力的固体燃料的池)形成了分数氢。MAS H NMR显示了约-4.4ppm的预测H2(1/4)高场基质位移。始于1950cm-1的拉曼峰匹配H2(1/4)的自由空间旋转能(0.2414eV)。这些结果报导于Mills先前出版物以及报导于R.Mills,J.Lotoski,W.Good,J.He,“Solid Fuelsthat Form HOH Catalyst”,(2014)中，将其以全文引用的方式并入本文中。
IV.SunCell和功率转换器
产生电能和热能中的至少一者的动力系统(本文中也称为“SunCell”)可包括：
能够维持压力低于大气压的容器；
反应物，其能够经历产生足够能量以在所述容器中形成等离子体的反应，所述反应物包含：
a)氢气与氧气的混合物，和/或
水蒸气，和/或
氢气与水蒸气的混合物；
b)熔融金属；
质量流量控制器，其用以控制至少一种反应物进入该容器的流量；
真空泵，其用以在一种或多种反应物正流入所述容器时使所述容器中的压力维持低于大气压；
熔融金属注射器系统，其包括容纳所述熔融金属中的一些的至少一个储罐、被构造用于递送所述储罐中的所述熔融金属并穿过注射器管从而提供熔融金属料流的熔融金属泵系统(例如，一个或多个电磁泵)以及用于接收所述熔融金属料流的至少一个非注射器熔融金属储罐；
至少一个点燃系统，其包括电力源或点燃电流源以将电力供应至所述至少一个熔融金属料流以在所述氢气和/或氧气和/或水蒸气正流入所述容器时点燃所述反应；
反应物供应系统，其用以补给在反应中所消耗的反应物；以及
功率转换器或输出系统，其用以将从所述反应产生的能量(例如，来自所述等离子体的光和/或热输出)的一部分转换为电力和/或热力。在一些实施方式中，流出物包含新生水和原子氢(或由新生水和原子氢组成)。在一些实施方式中，流出物包含新生水和分子氢(或由新生水和分子氢组成)。在一些实施方式中，流出物包含新生水、原子氢和分子氢(或由新生水、原子氢和分子氢组成)。在一些实施方式中，流出物还包含稀有气体。
在一些实施方式中，该动力系统可包括：光学整流天线(诸如，A.Sharma,V.Singh,T.L.Bougher,B.A.Cola,“A carbon nanotube optical rectenna”,NatureNanotechnology,第10卷,(2015),第1027–1032页,doi:10.1038/nnano.2015.220所报道的光学整流天线)，该参考文献以全文引用的方式并入)以及至少一个热力-电力转换器。在另一个实施方式中，容器能够具有大气压、高于大气压和低于大气压中的至少一者的压力。在另一个实施方式中，所述至少一个直接等离子体-电转换器可包括以下的群组中的至少一者：等离子体动力功率转换器、
Figure BDA0003817985810000461
直接转换器、磁流体动力功率转换器、磁镜磁流体动力功率转换器、电荷漂移转换器、杆式(Post)或百叶窗式(Venetian Blind)功率转换器、回旋管、光子聚束微波功率转换器和光电转换器。在另一个实施方式中，所述至少一个热-电转换器可包括以下的群组中的至少一者：热力发动机、蒸气机、蒸气涡轮机和发电机、气体涡轮机和发电机、兰金循环发动机、布雷顿循环发动机、斯特林发动机、热离子功率转换器和热电功率转换器。可包括将热量排至环境气氛的闭合冷却剂系统或开放系统的示例性热-电系统为超临界CO2、有机兰金或外部燃烧器气体涡轮机系统。
除本公开的UV光伏和热光伏之外，
Figure BDA0003817985810000471
可包括本领域已知的其他电转换部件，诸如热离子功率转换系统、磁流体动力功率转换系统、涡轮机功率转换系统、微型涡轮机功率转换系统、兰金或布雷顿循环涡轮机功率转换系统、化学和电化学功率转换系统。兰金循环涡轮机可包括超临界CO2、有机物(诸如氢氟烃或氟烃)或蒸气工作流体。在兰金或布雷顿循环涡轮机中，
Figure BDA0003817985810000472
可向涡轮机系统的预热器、回热器、锅炉和外部燃烧器型热交换器级中的至少一者提供热力。在一个实施方式中，布雷顿循环涡轮机包括集成于涡轮机的燃烧区段中的
Figure BDA0003817985810000473
涡轮加热器。
Figure BDA0003817985810000474
涡轮加热器可包括接收来自压缩机和回热器中的至少一者的气流的管道，其中空气被加热并且管道将加热的压缩流引导至涡轮机的入口，以做压力体积功。
Figure BDA0003817985810000475
涡轮加热器可替代或补充气体涡轮机的燃烧室。兰金或布雷顿循环可关闭，其中功率转换器还包括冷凝器和冷却器中的至少一者。
转换器可为Mills先前出版物和Mills先前专利申请中给出的转换器。分数氢反应物(诸如H源和HOH源)和
Figure BDA0003817985810000476
系统可包括本公开或诸如以下的先前美国专利申请中的分数氢反应物和
Figure BDA0003817985810000477
系统：Hydrogen Catalyst Reactor(氢催化剂反应器)，PCT/US08/61455，2008年4月24日提交的PCT；Heterogeneous Hydrogen Catalyst Reactor(非均相氢催化剂反应器)，PCT/US09/052072，2009年7月29日提交的PCT；Heterogeneous HydrogenCatalyst Power System(非均相氢催化剂动力系统)，PCT/US10/27828，2010年3月18日提交的PCT；Electrochemical Hydrogen Catalyst Power System(电化学氢催化剂动力系统)，PCT/US11/28889，2011年3月17日提交的PCT；H2O-Based Electrochemical Hydrogen-Catalyst Power System(基于H2O的电化学氢催化剂动力系统)，2012年3月30日提交的PCT/US12/31369；CIHT Power System(CIHT动力系统)，2013年5月21日提交的PCT/US13/041938；Power Generation Systems and Methods Regarding Same(动力产生系统和与其相关的方法)，PCT/IB2014/058177，2014年1月10日提交的PCT；Photovoltaic PowerGeneration Systems and Methods Regarding Same(光伏动力产生系统和与其相关的方法)，PCT/US14/32584，2014年4月1日提交的PCT；Electrical Power Generation Systemsand Methods Regarding Same(电力产生系统和与其相关的方法)，PCT/US2015/033165，2015年5月29日提交的PCT；Ultraviolet Electrical Generation System MethodsRegarding Same(紫外电力产生系统和与其相关的方法)，PCT/US2015/065826，2015年12月15日提交的PCT；Thermophotovoltaic Electrical Power Generator(热光伏电力产生器)，PCT/US16/12620，2016年1月8日提交的PCT；Thermophotovoltaic Electrical PowerGenerator Network(热光伏电力产生器网络)，PCT/US2017/035025，2017年12月7日提交的PCT；Thermophotovoltaic Electrical Power Generator(热光伏电力产生器)，PCT/US2017/013972，2017年1月18日提交的PCT；Extreme and Deep UltravioletPhotovoltaic Cell(极紫外光伏池和深紫外光伏池)，PCT/US2018/012635，2018年01月05日提交的PCT；Magnetohydrodynamic Electric Power Generator(磁流体动力电力产生器)，PCT/US18/17765，2018年2月12日提交的PCT；Magnetohydrodynamic Electric PowerGenerator(磁流体动力电力产生器)，PCT/US2018/034842，18年5月29日提交的PCT；Magnetohydrodynamic Electric Power Generator(磁流体动力电力产生器)，PCT/IB2018/059646，18年12月5日提交的PCT；以及Magnetohydrodynamic Electric PowerGenerator(磁流体动力电力产生器)，PCT/IB2020/050360，2020/1/16提交的PCT(“Mills先前专利申请”)，将它们以全文引用的方式并入本文中。
在一个实施方式中，点燃H2O而形成分数氢，同时以热、等离子体和电磁(光)动力中的至少一者的形式释放高能量。(本公开中的“点燃”表示H至分数氢的极高反应速率，其可表现为爆发、脉冲或其他形式的高功率释放)。H2O可构成可通过施加高电流(诸如，在约10A至100,000A的范围内的高电流)点燃的燃料。这可通过施加诸如约5,000至100,000V之类的高电压以首先形成高导电等离子体(诸如电弧)而实现。作为另一种选择，可使高电流穿过导电基质，诸如熔融金属如进一步包含诸如H和HOH之类的分数氢反应物的银，或包含H2O的化合物或混合物，其中所得燃料诸如固体燃料的电导率高。(在本公开中，使用固体燃料来指代形成诸如HOH和H之类的催化剂的反应混合物，所述催化剂进一步反应而形成分数氢。等离子体电压可较低，诸如在约1V至100V的范围内。然而，反应混合物可包括除固体以外的其他物理状态。在实施方式中，反应混合物可为以下中的至少一种状态：气态、液态、熔融基质(诸如熔融导电基质，诸如熔融金属，诸如熔融的银、银铜合金和铜中的至少一者)、固态、浆状、溶胶凝胶、溶液、混合物、气体悬浮物、气动流和本领域技术人员已知的其他状态)。在一个实施方式中，具有极低电阻的固体燃料包含含有H2O的反应混合物。低电阻可能是由于反应混合物的导体组分所导致。在实施方式中，固体燃料的电阻为在以下范围内中的至少一者：约10-9欧姆至100欧姆、10-8欧姆至10欧姆、10-3欧姆至1欧姆、10-4欧姆至10-1欧姆以及10-4欧姆至10-2欧姆。在另一个实施方式中，具有高电阻的燃料包含含有痕量或微量摩尔百分比的添加化合物或材料的H2O。在后一种情况下，可使高电流流过燃料，以通过引起击穿来形成高度导电状态(诸如电弧或电弧等离子体)而实现点燃。
在一个实施方式中，反应物可包含H2O源和导电基质，以形成催化剂源、催化剂、原子氢源和原子氢中的至少一者。在另一个实施方式中，包含H2O源的反应物可包含以下中的至少一者：体相H2O、非体相状态的H2O、一种或多种化合物，所述一种或多种化合物经历以下中的至少一者：反应以形成H2O和释放结合H2O。另外，结合H2O可包含与H2O相互作用的化合物，其中H2O处于以下中的至少一者的状态：吸收H2O、结合H2O、物理吸附H2O和水合水。在实施方式中，反应物可包含导体和一种或多种化合物或材料，所述一种或多种化合物或材料经历以下中的至少一者：释放体相H2O、吸收H2O、结合H2O、物理吸附H2O和水合水，以及以H2O作为其反应产物。在其他实施方式中，新生H2O催化剂源和原子氢源中的至少一者可包含以下中的至少一者：(a)至少一种H2O源；(b)至少一种氧源；和(c)至少一种氢源。
在一个实施方式中，分数氢反应速率取决于高电流的施加或形成。在
Figure BDA0003817985810000492
的一个实施方式中，形成分数氢的反应物经受可引起极快反应速率和能量释放的低电压、高电流、高功率脉冲。在一示例性实施方式中，60Hz电压小于15V峰值，电流在100A/cm2至50,000A/cm2峰值之间的范围内，并且功率在1000W/cm2至750,000W/cm2之间的范围内。在这些参数的约1/100倍至100倍的范围内的其他频率、电压、电流和功率是合适的。在一个实施方式中，分数氢反应速率取决于高电流的施加或形成。在一个实施方式中，选择电压以引起在100A至1,000,000A、1kA至100,000A、10kA至50kA中的至少一个范围内的高AC、DC或AC-DC混合电流。DC或峰值AC电流密度可在以下中的至少一者的范围内：100A/cm2至1,000,000A/cm2、1000A/cm2至100,000A/cm2和2000A/cm2至50,000A/cm2。DC或峰值AC电压可在选自以下的至少一个范围内：约0.1V至1000V、0.1V至100V、0.1V至15V和1V至15V。AC频率可在以下范围内：约0.1Hz至10GHz、1Hz至1MHz、10Hz至100kHz和100Hz至10kHz。脉冲时间可在选自以下的至少一个范围内：约10-6s至10s、10-5s至1s、10-4s至0.1s和10-3s至0.01s。
在包括AC或时变点燃电流并且还包括至少一个包括永磁体的DC EM泵的实施方式中，可屏蔽磁体，防止其受到AC点燃电流的AC磁场的影响。屏蔽件可包含Mu-metal、Amumetal、Amunickel、Cryoperm 10和本领域已知的其他磁屏蔽材料。磁屏蔽可以防止永磁体退磁。在示例性实施方式中，每个屏蔽件可包含重铁棒，诸如厚度在约5mm至50mm范围内的重铁棒，其被定位在相应EM泵永磁体的顶部并且在纵向上覆盖该相应EM泵永磁体。这种动力产生系统在图2-3、25和31A-C中进行了说明。
在一个实施方式中，至少一个导电
Figure BDA0003817985810000491
组件诸如反应池腔室5b31或EM泵管5k6可以包括、内衬有或涂覆有电绝缘体诸如陶瓷，以避免引起EM泵磁体退磁的涡电流。在示例性实施方式中，包括不锈钢反应池腔室的
Figure BDA0003817985810000501
包括BN、SiC或石英衬里或陶瓷涂层，诸如本公开中的一者。
在其中点燃功率与时间相关诸如AC功率诸如60Hz功率的实施方式中，DC EM泵的每个EM磁体可包括相对的EM泵磁体之间的磁轭和磁屏蔽件(诸如mu-metal屏蔽件)中的至少一者，以防止EM泵磁体因时变点燃功率而退磁。
在一个实施方式中，EM泵磁体5k4沿与注入的熔融金属料流相同的轴取向，所述注入的熔融金属流连接两个电极，所述两个电极可沿相同的轴相对，如图25-31E所示。该磁体可以位于EM泵管5k6的相对侧上，其中一个沿注入轴定位在与另一个相反的方向上。EM泵汇流条5k2可以各自垂直于注入轴取向并且在远离最近磁体侧的方向上取向。EM泵磁体可各自还包括L形磁轭，用于在相对于EM泵管5k6的横向方向上并垂直于管中熔融金属流动的方向和EM泵电流上的方向引导来自相应竖直取向的磁体的磁通量。点燃系统可包括具有时变波形的点燃系统，该波形包括电压和电流，诸如AC波形，诸如60Hz波形。磁体的竖直取向可以保护它们不被时变点燃电流退磁。
在一个实施方式中，从被催化为分数氢状态的原子氢转移能量导致催化剂的电离。从催化剂电离的电子可积聚在反应混合物和容器中并引起空间电荷累积。该空间电荷可改变后续能量从原子氢转移至催化剂的能级，从而降低反应速率。在一个实施方式中，施加高电流会移除空间电荷，以引起分数氢反应速率的增加。在另一个实施方式中，高电流诸如电弧电流使得可充当H和HOH催化剂源的反应物(诸如水)的温度极快提高。高温可引起水热解为H和HOH催化剂中的至少一者。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000502
的反应混合物包含H源和催化剂(诸如nH(n为整数)和HOH中的至少一者)源。nH和HOH中的至少一者可通过至少一种物理相的水(诸如，固态、液态和气态水中的至少一者)的热解或热分解而形成。热解可在高温(诸如，在约500K至10,000K、1000K至7000K和1000K至5000K的至少一个范围内的温度)下发生。在一示例性实施方式中，反应温度为约3500至4000K，以使得原子H的摩尔分数较高，如J.Lede,F.Lapicque和J Villermaux所示[J.Lédé,F.Lapicque,J.Villermaux,“Production of hydrogen by direct thermal decomposition of water”,International Journal of Hydrogen Energy,1983,第8卷,1983，第675-679页；H.H.G.Jellinek,H.Kachi,“The catalytic thermal decomposition of water and theproduction of hydrogen”,International Journal of Hydrogen Energy,1984,第9卷，第677-688页；S.Z.Baykara,“Hydrogen production by direct solar thermaldecomposition of water,possibilities for improvement of process efficiency”,International Journal of Hydrogen Energy,2004,第29卷，第1451-1458页；S.Z.Baykara,“Experimental solar water thermolysis”,International Journal ofHydrogen Energy,2004,第29卷，第1459-1469页，将它们以引用的方式并入本文中]。热解可由固体表面(诸如池组件中的一者)辅助。可通过输入功率和通过分数氢反应所维持的等离子体将固体表面加热至高温。可冷却热解气体(诸如点燃区域的下游的那些气体)以防止产物复合或逆反应成初始的水。反应混合物可包含处于比产物气体的温度低的温度下的冷却剂，诸如固相、液相或气相中的至少一者。热解反应产物气体的冷却可通过使产物与冷却剂接触而实现。冷却剂可包含低温蒸气、水和冰中的至少一者。
在一个实施方式中，燃料或反应物可包含H源、H2、催化剂源、H2O源和H2O中的至少一者。合适的反应物可包含导电金属基质和水合物，诸如碱金属水合物、碱土金属水合物和过渡金属水合物中的至少一者。水合物可包含MgCl2·6H2O、BaI2·2H2O和ZnCl2·4H2O中的至少一者。作为另一种选择，反应物可包含银、铜、氢、氧和水中的至少一者。
在一个实施方式中，反应池腔室5b31(其为反应物可经历等离子体形成反应的地方)可以在低压下操作以实现高气体温度。然后，可通过反应混合物气体源和控制器增加压力以增加反应速率，其中所述高温通过水二聚物的H键以及H2共价键中的至少一者的热解而维持新生HOH和原子H。用以实现热解的例示性阈气体温度为约3300℃。具有比约3300℃高的温度的等离子体可使H2O二聚物键断裂以形成新生HOH从而充当分数氢催化剂。反应池腔室H2O蒸气压、H2压力和O2压力中的至少一者可在约0.01托至100大气压、0.1托至10大气压和0.5托至1大气压中的至少一个范围内。EM泵送速率可在约0.01ml/s至10,000ml/s、0.1ml/s至1000ml/s和0.1ml/s至100ml/s中的至少一个范围内。在一个实施方式中，可初始维持高点燃功率和低压力中的至少一者以加热等离子体和池从而实现热解。初始功率可包括高频率脉冲、具有高占空比的脉冲、较高电压和较高电流以及连续电流中的至少一者。在一个实施方式中，实现以下各项中的至少一者：可减小点燃功率；以及可在加热等离子体和池以实现热解之后增加压力。在另一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000511
可包括额外的等离子体源(诸如等离子体炬、辉光放电、微波或RF等离子体源)以用于加热分数氢反应等离子体和池从而实现热解。
在一个实施方式中，点燃功率可以处于本公开的初始功率水平和波形，并且可以在反应池腔室达到期望温度时切换到第二功率水平和波形。在一个实施方式中，该第二功率水平可以小于初始功率水平。该第二功率水平可以大约为零。切换功率水平和波形中的至少一者的条件是实现反应池腔室温度高于阈值，其中在以第二功率水平操作的同时分数氢反应动力学可以维持在初始速率的20％至100％内。在一个实施方式中，温度阈值可以在约800℃至3000℃、900℃至2500℃和1000℃至2000℃的至少一个范围内。
在一个实施方式中，将反应池腔室加热至将在没有点燃功率的情况下保持分数氢反应的温度。在一个实施方式中，在点燃功率终止后可以维持或不维持EM泵送，其中在
Figure BDA0003817985810000521
的点燃关闭操作期间维持供应分数氢反应物诸如H2、O2和H2O中的至少一者。在示例性实施方式中，图25中所示的
Figure BDA0003817985810000522
用二氧化硅-氧化铝纤维绝缘体良好绝缘，2500sccmH2和250sccm O2气体在Pt/Al2O3珠粒上方流过，并将
Figure BDA0003817985810000523
加热至在900℃至1400℃范围内的温度。随着H2和O2流以及EM泵送的持续维持，分数氢反应在没有点燃功率的情况下自我维持，这可以通过在没有输入点燃功率的情况下温度随时间推移而升高来证明。
点燃系统
在一个实施方式中，点燃系统包括用于进行以下中的至少一者的开关：引发电流和在实现点燃之后中断电流。可通过熔融金属料流的接触引发电流的流动。可通过部件(诸如以下中的至少一者)以电子方式执行切换：绝缘栅双极晶体管(IGBT)、硅控整流器(SCR)和至少一个金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)。作为另外一种选择，可以机械方式对点燃进行开关。可在点燃之后中断电流以便相对于输入点燃能量优化输出分数氢产生的能量。点燃系统可包括开关以允许可控量的能量流入燃料中以引起爆轰并在其中产生等离子体的阶段期间关掉动力。在一个实施方式中，用以递送高电流电能短脉冲的电力源包含以下中的至少一者：
选择用于产生高AC、DC或AC-DC混合电流的电压，该电流在100A至1,000,000A、1kA至100,000A、10kA至50kA中的至少一者的范围内；
在以下中的至少一者的范围内的DC或峰值AC电流密度：1A/cm2至1,000,000A/cm2、1000A/cm2至100,000A/cm2和2000A/cm2至50,000A/cm2；
其中该电压由固体燃料的电导率确定，其中该电压由所需电流乘以固体燃料样品的电阻而得到；
DC或峰值AC电压在0.1V至500kV、0.1V至100kV和1V至50kV中的至少一者的范围内，以及
AC频率在0.1Hz至10GHz、1Hz至1MHz、10Hz至100kHz和100Hz至10kHz中的至少一者的范围内。
系统还包括诸如蓄电池(诸如锂离子蓄电池)的启动动力/能量源。作为另一种选择，可通过从外部动力源至产生器的连接件提供用于启动的外部动力诸如电网动力。连接件可包括动力输出汇流条。启动动力能量源可进行以下中的至少一者：向加热器供应动力以维持熔融金属导电基质、给注射系统提供动力以及给点燃系统提供动力。
Figure BDA0003817985810000531
可包括高压水电解器，诸如包括质子交换膜(PEM)的电解器，其使水处于高压下以提供高压氢。H2和O2腔室中的每一者可包括分别用以消除污染物O2和H2的复合器。PEM可充当阳极和阴极隔室的分离器和盐桥中的至少一者，以允许在阴极处产生氢并且在阳极处产生氧作为单独的气体。阴极可包含二硫族化物析氢催化剂，诸如包含铌和钽中的至少一者的催化剂，其可进一步包含硫。阴极可包括本领域已知的阴极，诸如Pt或Ni。氢可在高压下产生，并且可直接地或通过渗透通过氢可渗透膜供应至反应池腔室5b31。
Figure BDA0003817985810000532
可包括从阳极室至将氧气递送到储存容器或排气孔的点的氧气管线。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000533
包括传感器、处理器和电解电流控制器。
在另一个实施方式中，可依据以下方式获得氢燃料：水电解；重整天然气；通过使蒸汽与碳发生反应以形成H2和CO以及CO2而进行的合成气反应和水-气变换反应中的至少一者；以及本领域技术人员已知的其他氢产生方法。
在另一个实施方式中，氢可通过使用所供应的水和由
Figure BDA0003817985810000534
产生的热量热解来产生。热解循环可包括本公开或本领域已知的热解循环，诸如基于金属及其氧化物(诸如SnO/Sn和ZnO/Zn中的至少一者)的热解循环。在其中感应耦合加热器、EM泵和点燃系统仅在启动期间消耗功率的实施方式中，氢可通过热解产生，使得附加电力要求极低。
Figure BDA0003817985810000535
可包括蓄电池诸如锂离子蓄电池以提供动力来运行系统诸如气体传感器和控制系统，诸如用于反应等离子体气体的那些。
磁流体动力(MHD)转换器
基于在交叉磁场中形成离子或导电介质的质量流量的电荷分离是众所周知的磁流体动力(MHD)功率转换。阳离子和阴离子在相对的方向上经历洛伦兹方向并且在相应的MHD电极处被接收以影响它们之间的电压。形成离子质量流量的典型MHD方法为通过喷嘴使接种有离子的高压气体膨胀，以产生通过交叉磁场的高速流，其中一组MHD电极相对于偏转场交叉以接收经偏转离子。在一个实施方式中，压力通常大于大气压，并且定向质量流量可通过分数氢反应以形成等离子体和高度导电、高压和高温熔融金属蒸气来实现，所述熔融金属蒸气膨胀以产生通过MHD转换器的交叉磁场区段的高速流。可通过MHD转换器的流动可为轴向或径向的。可通过约束磁体(诸如亥姆霍兹线圈或磁瓶的那些磁体)实现进一步的定向流动。
具体而言，图1至图22中所示的MHD电力系统可包括本公开的分数氢反应等离子体源，诸如包括EM泵5ka、至少一个储罐5c、至少两个电极(诸如包括双熔融金属注射器5k61的电极)、分数氢反应物源(诸如HOH催化剂源和H源)、点燃系统(包括将电压和电流施加至电极以由分数氢反应物形成等离子体的电力源2)的等离子体源，和MHD电力转换器。在一个实施方式中，点燃系统可包括电压和电流源，诸如DC动力供应器和一组电容器，以输送具有高电流脉冲容量的脉冲点燃。在一双重熔融金属注射器实施方式中，电流流经所注入的熔融金属料流以在所述流连接时将等离子体点燃。包括分数氢反应等离子体源和MHD转换器的MHD动力系统的组件可由抗氧化材料(诸如抗氧化金属)、包括抗氧化涂层的金属以及陶瓷中的至少一者组成，使得系统可在空气中操作。
功率转换器或输出系统可包括磁流体动力(MHD)转换器，该磁流体动力(MHD)转换器包括连接至该容器的喷嘴、磁流体动力通道、电极、磁体、金属收集系统、金属再循环系统、热交换器和任选的气体再循环系统。在一些实施方式中，熔融金属可包含银。在具有磁流体动力转换器的实施方式中，可将氧气递送至该磁流体动力转换器以在与熔融金属料流中的银发生相互作用之后形成银纳米颗粒(例如，其在分子态中的大小是诸如小于约10nm或小于约1nm)，其中该银纳米颗粒穿过磁流体动力喷嘴而被加速度以赋予从反应产生的功率的动能存量。反应物供应系统可将氧气供应至转换器并且控制氧气至转换器的递送。在多个具体实施中，在磁流体动力通道中将银纳米颗粒的动能存量的至少一部分转换为电能。此版本的电能可导致该纳米颗粒的聚结。该纳米颗粒可在磁流体动力转换器的冷凝区段(在本文中也称为MHD冷凝区段)中聚结为至少部分地吸收氧的熔融金属，并且通过金属再循环系统使包含所吸收的氧的熔融金属返回至注射器储罐。在一些实施方式中，可通过容器中的等离子体而将氧从金属释放。在一些实施方式中，使等离子体维持在磁流体动力通道和金属收集系统中以增强熔融金属对氧的吸收。
为避免MHD电极被熔融金属蒸汽电短路，电极304(图1)可包括导体，每一者安装于电绝缘体覆盖的导电柱305上，该导电柱充当引线305a的支座且可进一步充当电极与产生器通道308的壁的间隔物。电极304可分段并且可包括阴极302和阳极303。除支座305以外，电极可自由地悬挂在产生器通道308中。沿垂直轴线间隔开的电极可足以防止熔融金属短路。电极可包含难熔导体，诸如W、Ta、Re或Mo。引线305a可连接至可用难熔绝缘体(诸如BN)绝缘的线。该线可接合在线束中，该线束穿透可包含金属的MHD汇流条馈通件凸缘301处的通道。在MHD转换器外，该线束可连接至功率合并器和逆变器。在一个实施方式中，MHD电极304包括液体电极诸如液体银电极。在一个实施方式中，点燃系统可包括液体电极。点燃系统可为DC或AC。反应器可包含陶瓷，诸如石英、氧化铝、氧化锆、氧化铪或派热克斯玻璃。液体电极可包含陶瓷熔块，其还可包括负载有诸如银之类的熔融金属的微孔。
熔融金属料流生成
在一实施方式，诸如图2和图3中所示的实施方式中，
Figure BDA0003817985810000551
包括两个储罐5c，每个包括电磁(EM)泵诸如本公开的DC、AC或另一EM泵和还充当点燃电极的注射器以及用于调平该储罐中的熔融金属液位的储罐入口上升管。熔融金属可包含银、银-铜合金、镓、镓铟锡合金或本公开的另一者。
Figure BDA0003817985810000552
还可包括反应池腔室5b31、储罐与反应池腔室之间的电隔离凸缘(诸如电隔离Conflat凸缘)以及用以将储罐和EM泵彼此电隔离的位于每个储罐顶部的滴落边缘，其中点燃电流流动与两个EM泵注射器的相交熔融金属料流接触。在一个实施方式中，每个储罐5c、反应池腔室5b31和EM泵管5k6的内部中的至少一者涂覆有陶瓷或包括陶瓷衬里诸如以下中的一者：BN、石英、二氧化钛、氧化铝、钇、铪、氧化锆、碳化硅或诸如TiO2-Yr2O3-Al2O3之类的混合物或本发明的另一者。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000553
还包括外部电阻加热器，诸如缠绕在至少一个
Figure BDA0003817985810000554
组件的外表面上的加热线圈诸如Kanthal线。在一个实施方式中，SunCell的至少一个组件(诸如反应池5b3、储罐5c和EM泵管5k6)的外表面涂覆有陶瓷以电隔离缠绕在表面上的电阻加热器线圈诸如Kanthal线。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000555
还可以包括热交换器和热绝缘材料中的至少一者，其可以包裹在至少一个
Figure BDA0003817985810000556
组件的表面上。热交换器和加热器中的至少一者可以被封装在热绝缘材料中。
在一个实施方式中，电阻加热器可包括用于加热元件诸如加热线的支撑件。该支撑件可包括气密地密封的碳。密封剂可包含陶瓷诸如SiC。SiC可以通过Si与碳在真空炉中在高温下反应而形成。
Figure BDA0003817985810000557
加热器415可为电阻加热器或感应耦合加热器。示例性的
Figure BDA0003817985810000558
加热器415包括Kanthal A-1(Kanthal)电阻加热线、能够有至多1400℃的工作温度且具有高电阻率和良好抗氧化性的铁素体-铬-铝合金(FeCrAl合金)。用于合适加热元件的另外的FeCrAl合金为Kanthal APM、Kanthal AF、Kanthal D和Alkrothal中的至少一者。诸如电阻线元件之类的加热元件可包含可在1100℃至1200℃范围内操作的NiCr合金，诸如Nikrothal 80、Nikrothal 70、Nikrothal 60和Nikrothal 40中的至少一者。作为另一种选择，加热器415可包括能够在氧化气氛中在1500℃至1800℃范围内操作的二硅化钼(MoSi2)，诸如KanthalSuper 1700、Kanthal Super 1800、Kanthal Super 1900、Kanthal Super RA、KanthalSuper ER、Kanthal Super HT和Kanthal Super NC中的至少一者。加热元件可包含与氧化铝形成合金的二硅化钼(MoSi2)。加热元件可具有抗氧化涂层诸如氧化铝涂层。电阻加热器415的加热元件可包含可能能够在高达1625℃的温度下操作的SiC。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000561
还可包括熔融金属溢流系统，诸如包括溢流槽、至少一个泵、池熔融金属存量传感器、熔融金属存量控制器、加热器、温度控制系统以及可通过至少一个传感器和控制器确定视需要存储熔融金属并供应至
Figure BDA0003817985810000562
的熔融金属存量的熔融金属溢流系统。溢流系统的熔融金属存量控制器可包括本公开的熔融金属液位控制器，诸如入口上升管和EM泵。溢流系统可包括MHD返回管道310、返回储罐311、返回EM泵312和返回EM泵管313中的至少一者。
电磁泵可各自包括用于液态金属的两种主要类型的电磁泵中的一者：AC或DC传导泵，其中跨越容纳有液态金属的管建立AC或DC磁场，并且将AC或DC电流穿过连接至管壁的电极分别馈送至液体；和感应泵，其中行波场感应出所需电流，如同感应电动机中一样，其中电流可与所施加的AC电磁场交叉。感应泵可包括三种主要形式：环形线性、扁平线性和螺旋形。泵可包括本领域已知的其他泵，诸如机械泵和热电泵。机械泵可包括具有电动机驱动的叶轮的离心泵。给电磁泵的功率可以是恒定的或脉冲式的，以分别引起熔融金属的相应恒定或脉冲式注入。该脉冲式注入可由程序或函数产生器驱动。该脉冲式注入可在反应池腔室中维持脉冲等离子体。
在一个实施方式中，EM泵管5k6包括流量断续器(flow chopper)以引起间歇式或脉冲式熔融金属注入。该断续器可包括阀，诸如进一步包括控制器的电子控制阀。该阀可包括电磁阀。作为另一种选择，该断续器可包括具有至少一个通路的旋转圆盘，该旋转圆盘周期性地旋转而横切熔融金属流以允许熔融金属流动穿过该通路，其中金属流由旋转圆盘不包括通路的区段阻挡。
熔融金属泵可以包括移动磁体泵(MMP)。示例性的商用AC EM泵为CMI NovacastCA15，其中加热和冷却系统可经改良以支持泵送熔融银。
在一个实施方式(图4-22)中，EM泵400可包括AC感应型，其中银上的洛伦兹力由通过银的时变电流和交叉同步时变磁场产生。通过银的时变电流可由第一时变磁场的法拉第感应产生，该第一时变磁场由EM泵变压器绕组电路401a产生。第一时变磁场源可包括初级变压器绕组401，并且银可充当次级变压器绕组，诸如包括电流回路的EM泵管区段405和EM泵电流回路返回区段406的单匝短路绕组。初级绕组401可包括AC电磁体，其中第一时变磁场通过银405和406的周向回路(感应电流回路)由磁性电路或EM泵变压器磁轭402来传导。银可容纳在诸如陶瓷容器405和406之类的容器中，诸如包含本公开的陶瓷，诸如氮化硅(熔点1900℃)、石英、氧化铝、氧化锆、氧化镁或氧化铪的容器。可通过受控被动氧化在亚硝酸硅上形成保护性SiO2层。容器可包括封围磁性电路或EM泵变压器磁轭402的通道405和406。容器可包括扁平区段405，以使得感应电流在垂直于同步时变磁场的方向上具有流动分量和根据相应洛伦兹力的所需的泵流方向。交叉同步时变磁场可通过包括AC电磁体403和EM泵电磁轭404的EM泵电磁电路或组装件403c来产生。磁轭404可在容纳银的容器405的扁平区段处具有间隙。EM泵变压器绕组电路401a的电磁体401和EM泵电磁组装件403c的电磁体403可由单相AC动力源或本领域已知的其他适合的动力源提供动力。磁体可在靠近于回路弯曲部定位，以使得存在所需的电流矢量分量。为变压器绕组401和电磁体绕组403提供动力的AC电流的相位可同步以维持所需的洛伦兹泵送力方向。用于变压器绕组401和电磁体绕组403的动力供应器可为相同或独立的动力供应器。感应电流和B场的同步化可通过模拟部件(诸如延迟线组件)或通过数字部件，两者在本领域中均是已知。在一个实施方式中，EM泵可包括具有多个磁轭的单个变压器，以提供闭合电流回路405和406两者中的电流的感应并且充当电磁体403和磁轭404。由于使用单个变压器，相应的感应电流和AC磁场可同相。
在一个实施方式(图2-22)中，感应电流回路可包括入口EM泵管5k6、电流回路405的EM泵管区段、出口EM泵管5k6以及穿过储罐5c中银的路径，该路径可包括包括这些组件的实施方式中的入口上升管5qa和注射器561的壁。EM泵可包括监测和控制系统，诸如用于初级绕组的电流和电压以及具有泵送参数的SunCell动力产生的反馈控制的监测和控制系统。示例性的测量的反馈参数可为反应池腔室5b31处的温度和MHD转换器处的电。监测和控制系统可包括相应的传感器、控制器和计算机。在一个实施方式中，可对
Figure BDA0003817985810000571
进行以下操作中的至少一者：由诸如手机之类的无线装置监测和由该无线装置控制。
Figure BDA0003817985810000572
可包括天线以发送和接收数据和控制信号。
在其中熔融金属注射器包括至少一个EM泵(其包括电流源和磁体以引起洛伦兹泵送力)的实施方式中，EM泵磁体5k4可包括永磁体或电磁体诸如DC或AC电磁体。在磁体为永磁体或DC电磁体的情形中，EM泵电流源包括DC动力源。在磁体5k4包括AC电磁体的情形中，EM汇流条5k2的EM泵电流源包括AC动力源，该AC动力源提供的电流与施加在EM泵管5k6上的AC EM泵电磁场同相以产生洛伦兹泵送力。在其中将磁体诸如电磁体浸入腐蚀性冷却剂诸如水浴中的实施方式中，可将磁体诸如电磁体气密密封在密封剂诸如热塑性塑料、涂层或壳体中，该密封剂可以是非磁性的，诸如不锈钢壳体。
EM泵可包括多级泵(图6-21)。该多级EM泵可在各自对应于基本上仅允许向前熔融金属流离开EM泵出口和注射器5k61的压力的不同泵级处接收输入金属流，诸如来自MHD返回管道310的输入金属流和来自储罐5c的底座的输入金属流。在一个实施方式中，多级EM泵组装件400a(图6)包括至少一个EM泵变压器绕组电路401a并且还包括至少一个AC EM泵电磁电路403c，所述EM泵变压器绕组电路包括穿过感应电流回路405和406的变压器绕组401和变压器磁轭402，所述AC EM泵电磁电路包括AC电磁体403和EM泵电磁轭404。感应电流回路可包括EM泵管区段405和EM泵电流回路返回区段406。电磁轭404可在容纳有诸如银之类的泵送熔融金属的容器的扁平区段或电流回路405的EM泵管区段处具有间隙。在图7中示出的实施方式中，包括EM泵管区段405的感应电流回路可具有偏离用于区段406中的返回流的弯曲部定位的入口和出口，使得感应电流可更加横向于电磁体403a和403b的磁通量以优化横向于电流和磁通量二者的洛伦兹泵送力。泵送的金属可在区段405中是熔融的并且在EM泵电流回路返回区段406中是固态的。
在一个实施方式中，多级EM泵可包括多个AC EM泵电磁电路403c，其供应垂直于电流和金属流二者的磁通量。该多级EM泵可沿电流回路405的EM泵管区段在其中入口压力适合于局部泵压以实现向前泵流的位置处接收入口，其中压力在下一个AC EM泵电磁电路403c级处增加。在一个示例性实施方式中，MHD返回管道310进入电流回路，诸如在包括AC电磁体403a和EM泵电磁轭404a的第一AC电磁体电路403c之前的入口处的电流回路405的EM泵管区段。来自储罐5c的入口流可在第AC电磁体电路403c之后和在第二AC电磁体电路403c之前进入，这些AC电磁体电路包括AC电磁体403b和EM泵电磁轭404b，其中泵维持电流回路405中的熔融金属压力，该熔融金属压力维持从每入口至下一个泵级或至泵出口和注射器5k61的所需流量。每一泵级的压力可通过控制AC电磁体电路的相应AC电磁体的电流来控制。示例性的变压器包括硅钢层合变压器芯402，并且示例性的EM泵电磁轭404a和404b各自包括层压硅钢(晶粒取向钢)片层叠件。
在一个实施方式中，EM泵电流回路返回区段406诸如陶瓷通道可包括熔融金属流动限制器或可用固体电导体填充，以使得电流回路的电流完整，同时防止熔融金属从EM泵管的较高压力区段回流至较低压力区段。所述固体可包含金属诸如本公开的不锈钢，诸如Haynes 230、
Figure BDA0003817985810000581
合金625、Carpenter L-605合金、
Figure BDA0003817985810000582
Carpenter
Figure BDA0003817985810000583
合金、Haynes230、310SS或625SS。固体可包含难熔金属。固体可包含抗氧化金属。固体可包含金属或导电覆盖层或涂层诸如铱以避免固体导体氧化。
在一个实施方式中，管道406中提供返回电流路径但阻止银回流的固体导体包含固态熔融金属，诸如固态银。可通过在沿管道406的路径的一个或多个位置处将温度维持在低于银的熔点而使得其在管道406的至少一部分中保持固体状态来维持固态银，以阻止银在管道406中流动。管道406可包括缺少管道加热或绝缘的热交换器(诸如冷却剂回路)和远离热区段405的区段中的至少一者，使得管道406的至少一部分的温度可维持在低于熔融金属的熔点。
至少一个管线(图9-21)诸如MHD返回管道310、EM泵储罐管线416和EM泵注射管线417中的至少一者可通过加热器(诸如电阻加热器或感应耦合加热器)加热。SunCell还可包括结构支撑件418(其固定可安装在结构支撑件418上的组件诸如MHD磁体壳体306a、MHD喷嘴307和MHD通道308、电输出、传感器和控制管线419)和热屏障(诸如EM泵储罐管线416和EM泵注射管线417周围的420)。
在另一个实施方式中，点燃系统包括感应系统(图8-21)，其中施加至导电熔融金属以引起分数氢反应点燃的电源提供感应电流、电压和功率。点燃系统可包括无电极系统，其中点燃电流由通过感应点燃变压器组装件410的感应来施加。感应电流可流动穿过来自通过泵(诸如EM泵400)维持的多个注射器的相交熔融金属料流。在一个实施方式中，储罐5c可还包括陶瓷交叉连接通道414，诸如储罐5c的底座之间的通道。感应点燃变压器组装件410可包括感应点燃变压器绕组411和感应点燃变压器磁轭412，该磁轭可延伸穿过由储罐5c、来自多个熔融金属注射器的相交熔融金属流和交叉连接通道414形成的感应电流回路。感应点燃变压器组装件410可与EM泵变压器绕组电路401a的感应点燃变压器组装件类似。
在一个实施方式中，点燃电流源可包括AC感应型，其中诸如银之类的熔融金属中的电流由穿过银的时变磁场的法拉第感应产生。时变磁场源可包括初级变压器绕组、感应点燃变压器绕组411，并且银可至少部分地充当次级变压器绕组，诸如单匝短路绕组。初级绕组411可包括AC电磁体，其中感应点燃变压器磁轭412穿过包含熔融银的周向导电回路或电路传导时变磁场。在一个实施方式中，感应点燃系统可包括多个闭合磁回路轭412，其维持穿过包括熔融银电路的次级绕组的时变通量。至少一个磁轭和相应磁性电路可包括绕组411，其中各自具有绕组411的多个磁轭412的累积通量可并行产生感应电流和电压。可选择各磁轭412绕组411的初级绕组匝数以从施加至各绕组的电压获得所需的次级电压，并且可通过选择具有相应绕组411的闭合回路磁轭412的数目来获得所需的次级电流，其中电压不依赖于磁轭和绕组的数目，并且并联电流是累加的。
在一个实施方式中，加热器415可包括电阻加热器，诸如包括线，诸如Kanthal或本公开的其他线的电阻加热器。电阻加热器可包括可缠绕在待加热组件周围的难熔电阻丝或线。示例性的电阻加热器元件和组件可包含高温导体，诸如碳、镍铬合金、300系列不锈钢、英高合金800和Inconel 600、601、718、625、海恩斯230、188、214、镍、赫史特合金C、钛、钽、钼、TZM、铼、铌和钨。所述丝或线可灌封于灌封化合物中以保护其免受氧化。加热元件(如丝、线或网)可在真空中操作以保护其免受氧化。示例性的加热器包括Kanthal A-1(Kanthal)电阻加热线、能够有高达1400℃的工作温度且具有高电阻率和良好抗氧化性的铁素体-铬-铝合金(FeCrAl合金)。另一示例性的丝是形成非剥落性氧化物涂层的KanthalAPM，该氧化物涂层耐氧化和碳化环境并且可操作至1475℃。在1375K和发射率为1条件下的热损失率为200kW/m2或0.2W/cm2。操作至1475K的市售电阻加热器具有4.6W/cm2的功率。可使用加热元件外部的绝缘体增加加热。
示例性的加热器415包括Kanthal A-1(Kanthal)电阻加热线，其为能够有高达1400℃的工作温度并且具有高电阻率和良好抗氧化性的铁素体-铬-铝合金(FeCrAl合金)。用于合适加热元件的另外的FeCrAl合金为Kanthal APM、Kanthal AF、Kanthal D和Alkrothal中的至少一者。诸如电阻线元件之类的加热元件可包含可在1100℃至1200℃范围内操作的NiCr合金，诸如Nikrothal 80、Nikrothal 70、Nikrothal 60和Nikrothal 40中的至少一者。作为另一种选择，加热器415可包括能够在氧化气氛中在1500℃至1800℃范围内操作的二硅化钼(MoSi2)，诸如Kanthal Super 1700、Kanthal Super 1800、KanthalSuper 1900、Kanthal Super RA、Kanthal Super ER、Kanthal Super HT和Kanthal SuperNC中的至少一者。加热元件可包含与氧化铝形成合金的二硅化钼(MoSi2)。加热元件可具有抗氧化涂层诸如氧化铝涂层。电阻加热器415的加热元件可包含可能能够在高达1625℃的温度下操作的SiC。加热器可包含绝缘体，以增加其效率和有效性中的至少一者。该绝缘体可包含陶瓷诸如本领域技术人员已知的陶瓷，诸如包含氧化铝-硅酸盐的绝缘体。绝缘体可为可移除的或可逆的中的至少一者。绝缘体可在启动之后移除以更有效地将热传递至所需接收器，诸如周围环境或热交换器。绝缘体可以机械方式移除。绝缘体可包括可抽真空的腔室和泵，其中通过抽真空而施加绝缘体，并且通过添加诸如稀有气体(诸如氦)之类的热传递气体使绝缘体逆转。具有可添加或泵离的诸如氦之类的热传递气体的真空腔室可充当可调节绝缘体。
点燃电流可为时变的，诸如约60Hz AC，但可具有其他特性和波形，诸如具有在1Hz至1MHz、10Hz至10kHz、10Hz至1kHz和10Hz至100Hz中的至少一个范围内的频率的波形，在约1A至100MA、10A至10MA、100A至1MA、100A至100kA和1kA至100kA中的至少一个范围内的峰值电流，以及在约1V至1MV、2V至100kV、3V至10kV、3V至1kV、2V至100V和3V至30V中的至少一个范围内的峰值电压，其中波形可包含正弦波、方波、三角形或其他所需波形，该波形可包括诸如在1％至99％、5％至75％和10％至50％中的至少一个范围内的占空比。为了使高频下的集肤效应最小化，点燃系统的绕组(诸如411)可包括编织线、复绞线和利兹线中的至少一者。
在示例性的MHD热力循环中：(i)银纳米颗粒形成于反应池腔室中，其中可通过针对呈分子形态的纳米颗粒进行选择的热泳和热梯度中的至少一者来运输该纳米颗粒；(ii)在存在所释放O的情况下的分数氢等离子体反应形成高的温度和压力的25摩尔％O和70摩尔％银纳米颗粒气体，其流进喷嘴入口中；(iii)25摩尔％O和75摩尔％银纳米颗粒气体经历喷嘴膨胀，(iv)在MHD通道中将所得的射流动能转换为电；(v)纳米颗粒的大小在MHD通道中增加并在MHD通道的端部处聚结为银液体，(vi)液态银吸收25摩尔％O，并且(vii)EM泵将该液体混合物泵回至反应池腔室。
对于氧与银纳米颗粒的气体混合物，氧和呈自由分子形态的银纳米颗粒的温度是相同的，使得理想气体方程适用于估计喷嘴膨胀中的气体混合物的加速度，其中O2与纳米颗粒的混合物在共同温度下具有共同动能。包含熔融金属纳米颗粒(诸如银纳米颗粒)的气体混合物在缩扩喷嘴中的加速可被视为理想气体/蒸气在该缩扩喷嘴中的等熵膨胀。给定滞止温度T0；滞止压力p0；气体常数Rv；以及比热比k，可使用Liepmann和Roshko[Liepmann,H.W.和A.Roshko Elements of Gas Dynamics,Wiley(1957)]的方程来计算热力学参数。滞止音速c0和密度ρ0由下式给出：
Figure BDA0003817985810000611
喷嘴喉部条件(马赫数Ma*＝1)由下式给出：
Figure BDA0003817985810000612
Figure BDA0003817985810000613
u*＝c*,
Figure BDA0003817985810000614
其中u为速度，m为质量流量，A为喷嘴横截面积。喷嘴出口条件(出口马赫数＝Ma)由下式给出：
Figure BDA0003817985810000621
Figure BDA0003817985810000622
u＝cMa,
Figure BDA0003817985810000623
由于纳米颗粒的高分子量，MHD转换参数类似于LMMHD的转换参数，其中MHD工作介质稠密且相对于气态膨胀以低速度行进。
动力系统和构造
在一个示例性实施方式中，具有图25中所示的基座电极的
Figure BDA0003817985810000624
包括(i)注射器储罐5c、EM泵管5k6和喷嘴5q、储罐底板409a以及球形反应池腔室5b31圆顶，(ii)非注射器储罐，其包括套管储罐409d，所述套管储罐可包含焊接至下部半球5b41的SS，在套管储罐409d端部处具有套管储罐凸缘409e，(iii)电绝缘体插入储罐409f，其包括顶部处的基座5c1和底部处的插入储罐凸缘409g，该插入储罐凸缘409g与套管储罐凸缘409e配接，其中插入储罐409f、还可包括滴落边缘5c1a的基座5c和插入储罐凸缘409g可包含陶瓷诸如氮化硼、稳定化的BN(诸如BN-CaO或BN-ZrO2)、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铪或石英，或难熔材料诸如难熔金属、碳或具有保护涂层(诸如SiC或ZrB2)的陶瓷，诸如包含SiC或ZrB2碳的陶瓷，和(iv)储罐底板409a，诸如包括SS(具有用于点燃汇流条的穿透部10a1)和点燃汇流条10的储罐底板，其中底板螺栓连接至套管储罐凸缘409e以包夹插入储罐凸缘409g。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000625
可包括封围且气密地密封接头的真空壳体，所述接头包括套管储罐凸缘409e、插入储罐凸缘409g和储罐底板409a，其中该壳体在电极汇流条10处电隔离。在一个实施方式中，喷嘴5q可以螺纹连接到电磁泵管5k61的喷嘴区段上。喷嘴可包含难熔金属诸如W、Ta、Re或Mo。喷嘴可以是浸没的。
在图25中所示的实施方式中，倒置基座5c2和点燃汇流条和电极10为以下中的至少一者：在池5b3的大致中心取向和在负z轴上对准，其中在适用时，至少一个注射器对电极5k61对抗重力沿正z方向注入来自其储罐5c的熔融金属。在适用时注入的熔体流可对抗重力在基座5c2中维持液态金属的涂层或液池。液池或涂层可至少部分地覆盖电极10。液池或涂层可保护电极免受损坏诸如腐蚀或熔融。在后一情形中，可增加EM泵送速率以增加流动的注入熔融金属进行的电极冷却。也可增加电极面积和厚度来耗散局部热点以防止熔融。基座可经正偏压而注射器电极可经负偏压。在另一个实施方式中，基座可经负偏压而注射器电极可经正偏压，其中注射器电极可浸没于熔融金属中。诸如镓之类的熔融金属可填充反应池腔室5b31的下部的一部分。除了注入熔融金属的涂层或液池以外，电极10诸如W电极也可通过所施加的负偏压而对于腐蚀稳定。在一个实施方式中，电极10可包括涂层诸如惰性导电涂层(诸如铼涂层)以保护电极免受腐蚀。在一个实施方式中，可冷却电极。电极的冷却可降低电极腐蚀速率和与熔融金属形成合金的速率中的至少一者(例如，与不进行电极冷却的操作相比)。冷却可通过诸如中心线水冷之类的手段来实现。在一个实施方式中，通过增加与来自注射器电极的等离子体和熔融金属料流中的至少一者接触的表面的大小而增加对电极的表面积。在一个示例性实施方式中，将大的板或杯附接至电极10的端部。在另一个实施方式中，注射器电极可浸没以增加对电极的面积。图25示出了示例性的球形反应池腔室。其他几何结构诸如矩形、立方形、圆柱形和圆锥形在本公开的范畴内。在一个实施方式中，反应池腔室的基部(反应池腔室在此处连接至储罐的顶部)可以是倾斜的诸如圆锥形的。这样的构造可以利于熔融金属进入EM泵的入口时的熔融金属混合。在一个实施方式中，反应池腔室的外部表面的至少一部分可包覆于具有高传热系数的材料(诸如铜)中以避免反应池腔室壁上的热点。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000631
包括多个泵(诸如EM泵)以在反应池腔室壁上注入熔融金属从而维持熔融金属壁以阻止反应池腔室中的等离子体使该壁熔融。在另一个实施方式中，反应池腔室壁包括衬里5b31a(诸如BN、熔融硅石或石英衬里)以避免热点。一示例性的反应池腔室包括以石英板加衬的立方体上部区段和包括在底部的EM泵的下部球形区段，其中该球形区段促进熔融金属混合。
在一个实施方式中，套管储罐409d可包括点燃汇流条和电极10的紧密配合电绝缘体，以使得熔融金属仅容纳于倒置基座5c2端部处的杯状或滴落边缘5c1a中。具有插入储罐凸缘409g的插入储罐409f可通过储罐底板409a、套管储罐409d和套管储罐凸缘409e安装至池腔室5b3。电极可透过电极穿透部10a1穿透储罐底板409a。电极可透过电极穿透部10a1穿透储罐底板409a。在一个实施方式中，插入储罐409f可以在电极汇流条10上包括涂层。在一个实施方式中，至少一个
Figure BDA0003817985810000632
组件诸如插入储罐409f、反应池腔室衬里或涂层以及汇流条衬里或涂层可以包含陶瓷诸如BN、石英、二氧化钛、氧化铝、氧化钇、氧化铪、氧化锆、碳化硅、莫来石或混合物诸如ZrO2-TiO2-Y2O3、TiO2-Yr2O3-Al2O3或本公开的另一者，或者包含SiO2、Al2O3、ZrO2、HfO2、TiO2、MgO、BN、BN-ZrO2、BN-B2O3中的至少一者的陶瓷，以及用于与组件的金属结合然后与BN或另一陶瓷结合的陶瓷。Oerlikon的包含BN的示例性复合涂层为Ni13Cr 8Fe 3.5Al 6.5BN、ZrO2 9.5Dy2O3 0.7BN、ZrO2 7.5Y2O3 0.7BN和Co 25Cr 5Al 0.27Y1.75Si 15hBN。在一个实施方式中，涂覆有BN的合适金属、陶瓷或碳可充当衬里或涂层。合适的金属或陶瓷能够在BN涂层粘附的
Figure BDA0003817985810000641
温度下操作。在一个实施方式中，可通过加热和在真空下运行中的至少一者来烘烤
Figure BDA0003817985810000642
组件(诸如套管储罐409d、反应池腔室衬里或涂层或者汇流条衬里或涂层)中的粘结剂。作为另一种选择，可以给陶瓷形成或施加钝化涂层。在示例性实施方式中，使BN氧化以形成B2O3钝化涂层。
EM泵管5k6可以包含抵抗与镓形成合金的材料、衬里或涂层，诸如以下中的至少一者：W、Ta、Re、Mo、BN、氧化铝、莫来石、二氧化硅、石英、氧化锆、氧化铪、二氧化钛或本公开的另一者。在一个实施方式中，泵管、衬里或涂层包含碳。碳可以通过悬浮手段施加，例如经固化和脱气的喷雾或液体涂层。在示例性实施方式中，将碳悬浮液倒入泵管中以将其填充，使碳悬浮液固化，然后穿过该管加工出通道以在壁上形成碳衬里。在一个实施方式中，碳涂覆的金属诸如Ni可以抵抗在高温下形成碳化物。在一个实施方式中，EM泵管5k6可包括填充有衬里或涂层材料诸如BN的金属管，对该金属管进行钻孔以形成泵管。EM泵管可以包括组装件，该组装件包括多个部件。所述部件可包括抵抗与镓形成合金的材料或衬里或涂层。在一个实施方式中，所述部件可以单独涂覆和组装。该组装件可以包括以下中的至少一者：容纳两个相对汇流条5k2的壳体、液态金属入口和液态金属出口，以及用于密封该壳体的装置诸如Swageloks。在一个实施方式中，EM泵汇流条5k2可包括与EM泵管内部的镓接触的导电部分，该导电部分抵抗与镓形成合金。该导电部分可以包含抗合金材料诸如Ta、W、Re、Ir或Mo，或者另一金属诸如SS上的抗合金包覆层或涂层，诸如包含Ta、W、Re、Ir或Mo的抗合金包覆层或涂层。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000643
包括入口上升管5qa，以防止热镓流至储罐基部5kk1并抑制镓合金的形成。储罐基部5kk1可以包含衬里、包覆层或涂层以抑制镓合金的形成。
在允许EM泵汇流条5k2与EM泵管5k6中的熔融金属之间的良好电接触的实施方式中，在EM泵汇流条通过诸如焊接之类的手段附接之前施加涂层。作为另一种选择，可以在操作之前通过本领域已知的手段诸如磨削、烧蚀或蚀刻从穿透到熔融金属中的汇流条移除任何涂层。
在另一个实施方式中，可用安装于储罐底板409a中的馈通件替换插入储罐凸缘409g，该馈通件将该馈通件和基座5c1或插入储罐409f的汇流条10与储罐底板409a电隔离。该馈通件可焊接至储罐底板。包括汇流条10的示例性馈通件是Solid SealingTechnology,Inc.(固体密封技术公司)的#FA10775。汇流条10可接合至电极8或汇流条10并且电极8可包括单件。储罐底板可直接接合至套管储罐凸缘。活接头可包括以居间垫圈螺栓连接在一起的Conflat凸缘。该凸缘可包括刀刃以密封软金属垫圈，诸如铜垫圈。包括插入储罐409f的陶瓷基座5c1可钻孔于带埋头孔的储罐底板409a中，其中可以垫圈(诸如碳垫圈或本公开的另一者)密封基座与储罐底板之间的活接头。电极8和汇流条10可在端部处包括端板，在这里发生等离子体放电。可通过推动圆盘(其继而将压力施加至垫圈)施加压力至垫圈以密封基座与储罐底板之间的活接头。该圆盘可旋拧至电极8的端部上，使得转动圆盘会将压力施加至垫圈。馈通件可包括连接至汇流条和连接至电极的环状轴环。该环状轴环可包括在拉紧时将电极锁定就位的螺纹固定螺丝。位置可在由向上拉动基座的端盘施加的张力下以垫圈而锁定。基座5c1可包括用于通往固定螺丝的轴。该轴可以是带螺纹的，使得其可以非导电固定螺丝(诸如陶瓷固定螺丝，诸如BN固定螺丝)密封于基座的外表面上，其中基座可包含BN，诸如BN-ZrO2。在另一个实施方式中，汇流条10和电极8可包括可根端连接的杆。在一个实施方式中，基座5c1可包括两个或更多个螺纹金属轴，每一螺纹金属轴具有抵靠汇流条10或电极8拉紧以在张力下将它们锁定就位的固定螺丝。张力可提供汇流条10与电极8的连接和垫圈上的压力中的至少一者。作为另一种选择，对电极包括缩短绝缘基座5c1，其中电极8和汇流条10中的至少一者包括阳螺纹、垫片和匹配的阴螺母，使得螺母和垫片抵靠该缩短绝缘基座5c1拉紧。作为另一种选择，电极8可包括在一端部上的阳螺纹，其旋拧至在汇流条10的一端部处的匹配阴螺纹中，并且电极8还包括固定垫片，其抵靠基座垫片和储罐底板409a(其可是钻孔的)拉紧该缩短绝缘基座5c1。对电极可包括本领域技术人员已知的固定所述基座、汇流条和电极的其他部件。
在另一个实施方式中，诸如以下各项的至少一个密封可包括湿密封件(图25)：(i)插入储罐凸缘409g与套管储罐凸缘409e之间的密封件，和(ii)储罐底板409a与套管储罐凸缘409e之间的密封件。在后一情形中，可用安装于储罐底板409a中的馈通件替换插入储罐凸缘409g，该馈通件将该馈通件和基座5c1的汇流条10与储罐底板409a电隔离，并且该湿密封件可包括储罐底板409a与馈通件之间的湿密封件。由于镓以1900℃的熔点形成氧化物，因此湿密封件可包含固体氧化镓。
在一个实施方式中，可透过氢渗透膜(诸如结构强化的Pd-Ag或铌膜)将氢供应至池。可通过维持可渗透膜的外表面上的等离子体而增加穿过氢渗透膜的氢渗透速率。
Figure BDA0003817985810000651
可包括半透膜，该半透膜可构成等离子池的电极，诸如等离子池(例如辉光放电池)的阴极。
Figure BDA0003817985810000652
诸如在图25中所示的
Figure BDA0003817985810000653
还可包括外部密封等离子体腔室，其包括包围池5b3的壁的一部分的外壁，其中池5b3的金属壁的一部分构成等离子体池的电极。该密封等离子体腔室可包括在池5b3周围的腔室，诸如壳体，其中池5b3的壁可构成等离子体池电极，并且该壳体或该腔室中的独立电极可构成对电极。
Figure BDA0003817985810000654
还可包括等离子体动力源和等离子体控制系统、气体源诸如氢气供应贮槽、氢供应监测器和调节器以及真空泵。
该系统可以经由两种等离子体的产生来操作。初始反应混合物诸如非化学计量的H2/O2混合物(例如，以混合物的摩尔百分比计，具有小于20％或小于10％或小于5％或小于3％的O2的H2/O2)可穿过等离子体池诸如辉光放电以产生能够以足够放热经历催化反应以产生如本文所述的等离子体的反应混合物。例如，非化学计量的H2/O2混合物可穿过辉光放电以产生原子氢和新生H2O流出物(例如，具有处于一定浓度并且具有足以防止形成氢键的内能的水的混合物)。可将辉光放电流出物引导至反应腔室中，其中在两个电极之间提供电流(例如，以熔融金属在其间通过)。在流出物与偏压的熔融金属(例如，镓)相互作用时，引发新生水与原子氢之间的催化反应，例如在形成电弧电流时。该动力系统可以包括：
a)等离子池(例如辉光放电池)；
b)一组电极，其经由在其间流动的熔融金属彼此电接触而使得可以对熔融金属施加电偏压；
c)熔融金属喷射系统，其使熔融金属在电极之间流动；
其中等离子体池的流出物朝经偏压的熔融金属(例如正极或阳极)取向。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000661
包括至少一个陶瓷储罐5c和反应池腔室5b31诸如包含石英的一者。
Figure BDA0003817985810000662
可以包括两个圆柱形反应池腔室5b31，每个在底部区段包括储罐，其中反应池腔室在顶部沿两者相交的接缝熔合，如图66A-B中所示。在一个实施方式中，由反应池腔室5b31的相交形成的顶点可包括垫圈密封件诸如两个凸缘，该两个凸缘以居间的垫圈诸如石墨垫圈栓接在一起以吸收热膨胀和其他应力。每个储罐可包括诸如入口上升管5qa的装置以维持储罐中时间平均的熔融金属液位。储罐的底部可各自包括储罐凸缘5k17，该容器凸缘5k17可密封至底板5kk1，该底板5kk1在每个底板下包括EM泵组装件5kk，该EM泵组装件5kk包括具有入口和注入管5k61穿透部的EM泵5ka并且还包括EM磁体5k4和EM泵管5k6。在一个实施方式中，永久EM泵磁体5k4(图66A-B)可以用电磁体诸如DC或AC电磁体代替。在磁体5k4包括AC电磁体的情形中，EM汇流条5k2的EM泵电流源包括AC动力源，该AC动力源提供的电流与施加在EM泵管5k6上的AC EM泵电磁场同相以产生洛伦兹泵送力。每个EM泵组装件5kk可以以与相应的储罐5c相同的角度附接至储罐凸缘，使得储罐凸缘可以垂直于倾斜的储罐。EM泵组装件5kk可安装至带有支撑件的滑动工作台409c(图66B)，以安装和对齐相应的倾斜EM泵组装件5kk和储罐5c。底板可以通过湿密封件密封至储罐。底板还可以包括穿透部，每个穿透部具有用于将气体排出或供应至反应池腔室5b31的管，所述反应池腔室5b31包括在其中熔合储罐的区域。储罐还可以包括气体注入管710和储罐真空管711中的至少一者，其中至少一根管可以延伸到熔融金属液位上方。气体注入管线710和真空管线711中的至少一者可包括顶盖诸如碳顶盖或覆盖件诸如碳覆盖件，该顶盖或覆盖件具有侧面开口以允许气体流动同时至少部分地阻止熔融金属进入管中。在另一设计中，融合的储罐区段可以是水平切开的，并且竖直的圆筒可以在该切开区段处附接。圆筒还可以包括密封顶板诸如石英板，或者可以接合至MHD转换器的缩扩喷嘴。该顶板可以包括用于管线诸如真空管线和气体供应管线的至少一个穿透部。在一个实施方式中，该石英可以容纳在紧密配合的套中，该套提供支撑以防止该石英由于在高温和高压下的操作而向外变形。该套可以包含碳、陶瓷和具有高熔点并且在高温下抗变形的金属中的至少一者。示例性的套包含不锈钢、C、W、Re、Ta、Mo、Nb、Ir、Ru、Hf、Tc、Rh、V、Cr、Zr、Pa、Pt、Th、Lu、Ti、Pd、Tm、Sc、Fe、Y、Er、Co、Ho、Ni和Dy中的至少一者。SunCell组件的至少一个密封件，诸如储罐5c、反应池腔室5b31、缩扩喷嘴或MHD喷嘴区段307、MHD膨胀或产生区段308、MHD冷凝区段309、MHD电极穿透部、电磁泵汇流条5k2和将点燃功率提供给储罐的熔融金属的点燃储罐汇流条5k2a1的密封件可包括湿密封件。在示例性实施方式中，储罐凸缘5k17包括与底板5kk1的湿式密封件，其中凸缘的外周边可以通过冷却回路5k18诸如水冷回路来冷却。在另一个示例性实施方式中，EM泵管包括诸如BN衬里之类的衬里，并且电磁泵汇流条5k2和点燃储罐汇流条5k2a1中的至少一者包括湿密封件。
在一个实施方式中，将陶瓷
Figure BDA0003817985810000671
诸如石英
Figure BDA0003817985810000672
安装在金属底板5kk1上(图66B)，其中湿密封件包括进入储罐5c的穿透部，其允许储罐中的熔融金属(诸如银)接触每个EM泵组装件的底板5kk1上的固化熔融金属以形成湿密封件。每个底板可以连接至点燃动力源诸如DC或AC动力源的端子，使得该湿密封件也可充当点燃动力源的汇流条。EM泵可包括感应AC类型，诸如图4和图5中所示的类型。陶瓷
Figure BDA0003817985810000673
可包括多个组件诸如EM泵、储罐、反应池腔室和MHD组件，这些组件用带凸缘垫圈的活接头密封，该活接头可通过螺栓连接在一起。垫圈可以包含碳或陶瓷，诸如Thermiculite。
铼(熔点3185℃)能抵抗来自镓、镓铟锡合金、银和铜的侵蚀，并且能抵抗氧和水以及分数氢反应混合物(诸如包含氧和水的混合物)的氧化；因而，其可以充当金属部件诸如EM泵组装件5kk的金属部件诸如底板5kk1、EM泵管5k6、EM泵汇流条5k2、EM泵注射器5k61、EM泵喷嘴5q、入口上升管5qa、气体管线710和真空管线711的涂层。可通过电镀、真空沉积、化学沉积和本领域已知的其他方法用铼涂覆该组件。在一个实施方式中，穿透部处的汇流条或电连接诸如EM泵汇流条5k2或者MHD产生器通道308中的MHD电极的穿透部可包含在穿透部处通过湿密封件密封的固体铼。
在一个实施方式中(图66A-B)，用于熔化金属以形成熔融金属的加热器包括电阻加热器，诸如围绕储罐5c和反应池腔室5b31诸如包含石英者的Kanthal线加热器。EM泵5kk可以包括热传递块以将热量从储罐5c传递至EM泵管5k6。在示例性实施方式中，加热器包括围绕储罐和反应池腔室缠绕的Kanthal线线圈，其中以陶瓷热传递膏附接至EM泵管5k6的石墨热传递块将热量传递至该管以熔化其中的金属。较大直径的EM泵管可用于更好地将热量传递至EM泵管以导致EM泵管中的熔化。容纳有熔融金属的组件可以用绝缘材料诸如陶瓷纤维或本领域已知的其他高温绝缘材料很好地绝热。可以缓慢加热该组件以避免热冲击。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000681
包括加热器，诸如电阻加热器。该加热器可以包括被定位于反应池腔室、储罐和EM泵管中的至少一者的上方的窑或炉。在其中EM泵管在窑内部的实施方式中，EM泵磁体和湿密封件可通过冷却系统诸如水冷系统选择性地热绝缘和冷却。在一个实施方式中，每个储罐可在熔融金属基部的底板处包括热绝缘体，诸如陶瓷绝缘体。该绝缘体可包含BN或可模压的陶瓷诸如包含氧化铝、氧化镁、二氧化硅、氧化锆或氧化铪的陶瓷。熔融金属基部的陶瓷绝缘体可包括用于EM泵入口和注射器、气体管线和真空管线、热电偶和与熔融金属直接接触的点燃汇流条的穿透部。在一个实施方式中，绝热体通过减少对底板和湿密封件冷却的热损失而允许熔融金属在储罐的基部熔化。可以扩大EM泵入口穿透部的直径以增加从储罐中的熔融金属到EM泵管中的熔融金属的热传递。EM泵管可以包括热传递块以将热量从入口穿透部传递至EM泵管。
在一个实施方式中，底板5kk1可以包含难熔材料或金属，诸如不锈钢、C、W、Re、Ta、Mo、Nb、Ir、Ru、Hf、Tc、Rh、V、Cr、Zr、Pa、Pt、Th、Lu、Ti、Pd、Tm、Sc、Fe、Y、Er、Co、Ho、Ni和Dy，其可以涂覆有衬里或涂层，诸如本公开的抵抗以下中的至少一者的衬里或涂层：O2和H2O中的至少一者的腐蚀和与熔融金属诸如镓或银形成合金。在一个实施方式中，EM泵管可以衬有或涂覆有防止腐蚀或合金形成的材料。EM汇流条可以包含抵抗腐蚀或合金形成中的至少一者的导体。其中熔融金属是镓的示例性EM泵汇流条是Ta、W、Re和Ir。其中熔融金属是银的示例性EM泵汇流条是W、Ta、Re、Ni、Co和Cr。在一个实施方式中，EM汇流条可以包含碳或具有高熔点的金属，其可以涂覆有导电涂层，该导电涂层抵抗与熔融金属诸如镓和银中的至少一者形成合金。示例性涂层包含碳化物或二硼化物诸如钛、锆和铪的碳化物或二硼化物。
在其中熔融金属诸如铜或镓可以与底板诸如包含不锈钢的底板形成合金的实施方式中，底板包括衬里或涂覆有不形成合金的材料诸如Ta、W、Re，或者陶瓷诸如BN、莫来石或氧化锆-二氧化钛-氧化钇。
在图66A-B所示的
Figure BDA0003817985810000691
的实施方式中，熔融金属包含镓或镓铟锡合金，底板5kk1处的密封件包括垫圈诸如Viton O形环或碳(Graphoil)垫圈，并且入口上升管5qa的直径足够大而使得在从两个储罐注入的熔融金属料流接近稳定的情况下，储罐5c中的熔融金属液位保持大致平稳。每个入口上升管的直径应大于银熔融金属实施方式的该直径，以克服镓和镓铟锡合金较高的粘度。入口上升管直径可以在约3mm至2cm的范围内。底板5kk1可以是维持在约500℃以下的不锈钢或者可以是经陶瓷涂覆的以防止镓合金形成。示例性底板涂层是莫来石和ZTY。
在一个实施方式中，穿透部的湿密封可以包括短管(nipple)，熔融银部分地延伸穿过该短管以与固化的银电极连续。在示例性实施方式中，EM泵汇流条5k2包括湿密封件，该湿密封件包括内部的陶瓷涂覆的EM泵管5k6，该EM泵管5k6具有相对的短管，熔融银穿过该短管以接触包括EM泵动力连接器的固化区段，并且至少一个汇流条可任选还包括连接至点燃动力供应器的一根引线的连接器。
EM泵管5k6可以包含抵抗与镓或银形成合金的材料、衬里或涂层，诸如以下中的至少一者：W、Ta、Re、Ir、Mo、BN、氧化铝、莫来石、二氧化硅、石英、氧化锆、氧化铪、二氧化钛或本公开的另一者。在一个实施方式中，泵管、衬里或涂层包含碳。碳可以通过悬浮手段施加，诸如经固化和脱气的喷雾或液体涂层。在一个实施方式中，碳涂覆的金属诸如Ni可以抵抗在高温下形成碳化物。在一个实施方式中，EM泵管5k6可包括填充有衬里或涂层材料诸如BN的金属管，对该金属管进行钻孔以形成泵管。EM泵管可以分区段或者包括组装件，该组装件包括多个部件(图31C)。所述部件可包括抵抗与镓形成合金的材料诸如Ta或衬里或涂层。在一个实施方式中，所述部件可以单独涂覆和组装。该组装件可以包括以下中的至少一者：容纳两个相对汇流条5k2的壳体、液态金属入口和液态金属出口，以及用于密封该壳体的装置诸如Swageloks。在一个实施方式中，EM泵汇流条5k2可包括与EM泵管内部的镓接触的导电部分，该导电部分抵抗与镓形成合金。该导电部分可以包含抗合金材料诸如Ta、W、Re或Mo，或者另一金属诸如SS上的抗合金包覆层或涂层，诸如包含Ta、W、Re、Ir或Mo的抗合金包覆层或涂层。在一个实施方式中，EM泵管的外部(诸如包含Ta或W的外部)可以涂覆有或包覆有本公开的涂层或包覆层以保护外部免受氧化。在示例性实施方式中，Ta EM泵管可涂覆有Re、ZTY或莫来石或包覆有不锈钢(SS)，其中Ta EM泵管的外部的包覆层可包括使用焊接件或极限温度级SS胶诸如J-B Weld 37901粘附在一起的SS件。
在一个实施方式中，衬里可包括抵抗与镓形成合金的薄壁、柔性金属，诸如W、Ta、Re、Ir、Mo或Ta管衬里，该管衬里可以插入到包含另一金属诸如不锈钢的EM泵管5k6中。可将衬里插入预制的EM泵管或直管(然后使其弯曲)中。EM泵汇流条5k2可以在将衬里安装在成形的EM泵管中之后通过诸如焊接之类的手段附接。EM泵管衬里可通过压合接头或密封材料诸如碳或陶瓷密封剂与EM泵汇流条5k2形成紧密密封。
在其中熔融金属和由熔融金属形成的任何合金中的至少一者可以排出气体以产生通过至少部分地阻断洛伦兹电流而干扰EM泵送的气体边界层的实施方式中，磁体5k4位置处的EM泵管5k6可以竖直的以打破该气体边界层。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000701
包括干扰消除器，该干扰消除器包括用以缓解或消除点燃电路的电力源与EM泵5kk的电力源之间的任何干扰的装置。该干扰消除器可包括一个或多个电路元件和一个或多个控制器中的至少一者，以调节点燃和EM泵电流的相对电压、电流、极性、波形和占空比从而防止两个相应供应器之间的干扰。
Figure BDA0003817985810000702
还可包括光伏(PV)转换器和将光传输至PV转换器的窗。在图26-27中所示的实施方式中，
Figure BDA0003817985810000703
包括沿纵轴具有锥形横截面的反应池腔室5b31和在该锥形件顶点处的PV窗5b4。具有配接锥形件的窗可包括容纳PV阵列26a的任何所需几何形状，诸如圆形(图26)或正方形或矩形(图27)。该锥形物可遏制PV窗5b4的金属化以允许通过光伏(PV)转换器26a进行有效的光电转换。PV转换器26a可包括聚光器PV池(诸如本公开的PV池)的密集接收器阵列且还可包括冷却系统诸如包括微通道板的冷却系统。PV窗5b4可包括遏制金属化的涂层。可冷却PV窗以防止PV窗涂层热降解。
Figure BDA0003817985810000704
可包括至少一个部分倒置的基座5c2，其在该倒置基座5c2的端部具有杯或滴落边缘5c1a，其类似于图25中所示的倒置基座，不同之处在于每个基座和电极10的纵轴可相对于纵轴或z轴以一定角度取向。该角度可在1°至90°的范围内。在一个实施方式中，至少一个注射器对电极5k61在适用时对抗重力沿正z方向斜向地注入来自其储罐5c的熔融金属。注射泵送可由安装于EM泵组装件滑动工作台409c上的EM泵组装件5kk提供。在示例性实施方式中，部分倒置的基座5c2和注射器对电极5k61如图26中所示在与水平轴或x轴成135°的轴上对准或如图27中所示在与水平轴或x轴成45°的轴上对准。具有插入储罐凸缘409g的插入储罐409f可通过储罐底板409a、套管储罐409d和套管储罐凸缘409e安装至池腔室5b3。电极可透过电极穿透部10a1穿透储罐底板409a。注射器电极的喷嘴5q可浸没于容纳于反应池腔室5b31和储罐5c的底部中的液态金属(诸如液体镓)中。气体可供应至反应池腔室5b31，或腔室可穿过气体端口诸如409h抽真空。
在图28中所示的备选实施方式中，
Figure BDA0003817985810000711
包括：反应池腔室5b31，其沿着负垂直轴具有渐缩横截面；和PV窗5b4，其在该锥形件的较大直径端(包括反应池腔室5b31的顶部)处，与图26至图27中所示的实施方式的锥形件相反。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000712
包括反应池腔室5b31，其包括直圆柱几何结构。注射器喷嘴和基座对电极可在垂直轴上在该圆柱体的相对端处或沿着相对于垂直轴倾斜的线对准。
在图26和图27所示的实施方式中，电极10和PV面板26a可以互换位置和取向，使得熔融金属注射器5k6和喷嘴5q垂直于对电极10注入熔融金属，并且PV面板26a从侧面接收来自等离子的光。
SunCell可包括透明窗以充当对窗透明的波长的光源。SunCell可包括可充当黑体光源的黑体辐射器5b4。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000713
包括光源(例如，来自该反应的等离子体)，其中在所需的照明应用(诸如居室、街道、商业或工业照明)中或针对加热或处理(诸如化学处理或光刻)而利用透过所述窗发射的分数氢等离子体光。
在一个实施方式中，顶部电极构成正电极。SunCell可以在正电极后面包括光学窗和光伏(PV)面板。正电极可以充当黑体辐射器以提供PV面板的热、光和照明中的至少一者。在后一情形中，PV面板的照明从入射光产生电。在一个实施方式中，光学窗口可以包括真空密封的外窗和内部旋转窗，以防止熔融金属粘附至内部窗并使该窗变得不透明。在一个实施方式中，正电极可以加热黑体辐射器，该黑体辐射器透过PV窗口向PV面板发射光。黑体辐射器可以连接至正极以通过传导以及辐射从正极接收热量。黑体辐射可以包含难熔金属，诸如难熔金属诸如钨(熔点＝3422℃)或钽(熔点＝3020℃)，或陶瓷诸如本公开中的一种，诸如以下群组中的一者或多者：石墨(升华点＝3642℃)、硼化物、碳化物、氮化物和氧化物诸如金属氧化物诸如氧化铝、氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、氧化镁、氧化铪或二氧化钍(ThO2)；过渡金属二硼化物诸如硼化铪(HfB2)、二硼化锆(ZrB2)或硼化铌(NbB2)；金属氮化物诸如氮化铪(HfN)、氮化锆(ZrN)、氮化钛(TiN)，和碳化物诸如碳化钛(TiC)、碳化锆或碳化钽(TaC)以及它们的相关复合材料。具有所需高熔点的示例性陶瓷是氧化镁(MgO)(熔点＝2852℃)、氧化锆(ZrO)(熔点＝2715℃)、氮化硼(BN)(熔点＝2973℃)、二氧化锆(ZrO2)(熔点＝2715℃)、硼化铪(HfB2)(熔点＝3380℃)、碳化铪(HfC)(熔点＝3900℃)、Ta4HfC5(熔点＝4000℃)、Ta4HfC5TaX4HfCX5(4215℃)、氮化铪(HfN)(熔点＝3385℃)、二硼化锆(ZrB2)(熔点＝3246℃)、碳化锆(ZrC)(熔点＝3400℃)、氮化锆(ZrN)(熔点＝2950℃)、硼化钛(TiB2)(熔点＝3225℃)、碳化钛(TiC)(熔点＝3100℃)、氮化钛(TiN)(熔点＝2950℃)、碳化硅(SiC)(熔点＝2820℃)、硼化钽(TaB2)(熔点＝3040℃)、碳化钽(TaC)(熔点＝3800℃)、氮化钽(TaN)(熔点＝2700℃)、碳化铌(NbC)(熔点＝3490℃)、氮化铌(NbN)(熔点＝2573℃)、碳化钒(VC)(熔点＝2810℃)和氮化钒(VN)(熔点＝2050℃)。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000721
包括具有储罐414的交叉连接通道的感应点燃系统、泵诸如感应EM泵、导电EM泵或注射器储罐中的机械泵和充当对电极的非注射器储罐。储罐414的交叉连接通道可包括限流部件以使得非注射器储罐可维持大致充满。在一个实施方式中，储罐414的交叉连接通道可容纳有不流动的导体，诸如固态导体，诸如固态银。
在一个实施方式(图29)中，
Figure BDA0003817985810000722
包括在阴极和阳极汇流条或电流连接器之间的电流连接器或储罐跨接电缆414a。池主体5b3可包含非导体，或者池主体5b3可包含导体诸如不锈钢，其中至少一个电极与池主体5b3电隔离，使得迫使感应电流在电极之间流动。电流连接器或跨接电缆可将基座电极8中的至少一者和电连接器中的至少一者连接至EM泵和与EM泵的储罐5c中的金属接触的汇流条。
Figure BDA0003817985810000723
(诸如图25至图28中所示的
Figure BDA0003817985810000724
)的阴极和阳极(其包括基座电极，诸如倒置基座5c2或与z轴成角度的基座5c2)可包括通过由至少一个EM泵5kk注入的熔融金属料流形成闭合电流回路的阳极与阴极之间的电连接器。金属料流可通过接触熔融金属EM泵注射器5k61和5q或者储罐5c中的金属和基座的电极中的至少一者而闭合导电回路。
Figure BDA0003817985810000725
还可包括在闭合导电回路中具有其轭402的点燃变压器401以感应出充当单回路短接次级绕组的回路的熔融金属中的电流。变压器401和402可在该闭合电流回路中感应出点燃电流。在一个示例性实施方式中，初级绕组可在1Hz至100kHz、10Hz至10kHz和60Hz至2000Hz中的至少一个频率范围内操作，输入电压可在约10V至10MV、50V至1MV、50V至100kV、50V至10kV、50V至1kV和100V至480V中的至少一个范围内操作，输入电流可在约1A至1MA、10A至100kA、10A至10kA、10A至1kA和30A至200A中的至少一个范围内操作，点燃电压可在约0.1V至100kV、1V至10kV、1V至1kV和1V至50V中的至少一个范围内操作，并且点燃电流可在约10A至1MA、100A至100kA、100A至10kA和100A至5kA的范围内。在一个实施方式中，等离子体气体可包含任何气体，诸如稀有气体、氢、水蒸气、二氧化碳、氮、氧和空气中的至少一者。气体压力可在大约1微托至100大气压、1毫托至10大气压、100毫托至5大气压和1托至1大气压中的至少一个范围内。
示例性的测试实施方式包括具有两个交叉EM泵注射器的石英
Figure BDA0003817985810000726
诸如图10中所示的
Figure BDA0003817985810000727
各自包括感应型电磁泵(包括示例性的基于Fe的非晶磁心)的两个熔融金属注射器泵送镓铟锡合金料流，使得它们相交而形成连接1000Hz变压器初级绕组的三角形电流回路。该电流回路包括料流、两个镓铟锡合金储罐和在该储罐的基部处的交叉通道。该回路充当至1000Hz变压器初级绕组的短接次级绕组。该次级绕组中的感应电流以低的功耗在大气中维持等离子体。感应系统使基于银的工作流体
Figure BDA0003817985810000731
(本公开的磁流体动力动力产生器)成为可能，其中根据本公开，将分数氢反应物供应至反应池腔室。具体而言，(i)点燃变压器的初级回路在1000Hz下操作，(ii)输入电压为100V至150V，以及(iii)输入电流为25A。EM泵电流变压器的60Hz电压和电流分别为300V和6.6A。每个EM泵的电磁体通过一系列299μF电容器以60Hz、15-20A提供动力以使所得磁场的相位与EM泵电流变压器的洛仑兹交叉电流匹配。
该变压器由1000Hz AC动力供应器提供动力。在一个实施方式中，点燃变压器可由变频驱动器诸如单相变频驱动器(VFD)提供动力。在一个实施方式中，VFD输入功率经匹配以提供输出电压和电流(其进一步提供所需点燃电压和电流)，其中针对VFD的相应输出电压和电流而选择匝数和线规。感应点燃电流可在约10A至100kA、100A至10kA和100A至5kA中的至少一个范围内。感应点燃电压可在0.5V至1kV、1V至100V和1V至10V中的至少一个范围内。频率可在约1Hz至100kHz、10Hz至10kHz和10Hz至1kHz中的至少一个范围内。示例性的VFD为ATO 7.5kW、220V至240V输出单相500Hz VFD。
另一示例性的测试实施方式包括具有一个EM泵注射器电极和基座对电极(其之间具有连接的跨接电缆414a)的Pyrex
Figure BDA0003817985810000732
诸如图29中所示的
Figure BDA0003817985810000733
包括DC型电磁泵的熔融金属注射器泵送与基座对电极连接以闭合包括该料流、EM泵储罐和跨接电缆(在每一端处连接至相应的电极汇流条)的电流回路并通过60Hz变压器初级绕组的镓铟锡合金料流。该回路充当至60Hz变压器初级绕组的短接次级绕组。该次级绕组中的感应电流以低的功耗在大气中维持等离子体。感应点燃系统使本公开的基于银或镓的熔融金属
Figure BDA0003817985810000734
动力产生器成为可能，其中根据本公开，将分数氢反应物供应至反应池腔室。具体而言，(i)点燃变压器的初级回路在60Hz下操作，(ii)输入电压是300V峰值，并且(iii)输入电流是29A峰值。最大感应等离子体点燃电流是1.38kA。
在一个实施方式中，电力源或点燃动力源包括非直流(DC)源，诸如时变电流源，诸如脉冲或交流(AC)源。峰值电流可在诸如10A至100MA、100A至10MA、100A至1MA、100A至100kA、100A至10kA和100A至1kA中的至少一个范围内。峰值电压可在0.5V至1kV、1V至100V和1V至10V中的至少一个范围内。在一个实施方式中，可选择EM泵动力源和AC点燃系统以避免将导致无效EM泵送和所需点燃波形的畸变中的至少一者的推断。
在一个实施方式中，用以供应点燃电流的电力源或点燃动力源可包括以下中的至少一者：DC、AC以及DC和AC动力供应器，诸如由AC电、DC电以及DC和AC电中的至少一者提供动力的动力供应器，诸如开关式动力供应器、变频驱动器(VFD)、AC至AC转换器、DC至DC转换器和AC至DC转换器、DC至AC转换器、整流器、全波整流器、反相器、光伏阵列产生器、磁流体动力产生器和常规动力产生器，诸如兰金或布雷顿循环提供动力的产生器、热离子产生器和热电产生器。点燃动力源可包括用以产生所需点燃电流的至少一个电路元件，诸如过渡、IGBT、感应器、变压器、电容器、整流器、桥(诸如H-桥)、电阻器、运算放大器或本领域已知的另一电路元件或功率调节装置。在一个示例性实施方式中，点燃动力源可包括全波整流高频源，诸如以约50％占空比或更大占空比供应正方波脉冲的全波整流高频源。频率可约60Hz至100kHz的范围内。示例性的供应器提供在约10kHz至40kHz的范围内的频率下的约30至40V和3000至5000A。在一个实施方式中，用以供应点燃电流的电力可包括可与AC变压器或动力供应器串联的经充电至初始偏移电压(诸如在1V至100V的范围内的电压)的电容器组，其中所得的电压可包括具有AC调变的DC电压。DC组件可以以取决于其正常放电时间常数的速率衰减，或者可增加或消除放电时间，其中点燃动力源还包括将电容器组再充电的DC动力供应器。DV电压组件可辅助起始等离子体，其中此后可以较低电压维持等离子体。点燃动力源诸如电容器组可以包括快速开关诸如由伺服电机或螺线管控制的开关，以将点燃动力与电极连接和断开。
在一个实施方式中，分数氢等离子体和点燃电流中的至少一者可包含电弧电流。电弧电流可具有如下的特性：电流越高，电压越低。在一个实施方式中，选择反应池腔室壁和电极中的至少一者以形成且支持分数氢等离子体电流和包含电弧电流(即在非常高电流下具有非常低电压的电流)的点燃电流中的至少一者。电流密度可在约1A/cm2至100MA/cm2、10A/cm2至10MA/cm2、100A/cm2至10MA/cm2和1kA/cm2至1MA/cm2中的至少一个范围内。
在一个实施方式中，点燃系统可将高起始功率施加至等离子体然后在电阻下降之后降低点燃功率。电阻可由于以下各项中的至少一者而下降：归因于点燃电路中(诸如电极或熔融金属料流上)任何氧化物的还原的电导率增加；以及等离子体的形成。在一个示例性实施方式中，点燃系统包括与AC串联的电容器组以产生高功率DC的AC调制，其中DC电压随着电容器的放电而衰减并且仅剩下较低AC功率。
在一个实施方式中，可对熔融金属进行选择以形成气态纳米颗粒，使其更易挥发或包含更多挥发性组分以增加等离子体的电导率。例如，熔融金属可能比银更易挥发或包含更多挥发性组分(例如，熔融金属的沸点可能低于银的沸点)。在示例性实施方式中，熔融金属可包含镓铟锡合金，其在给定温度下与镓相比具有增加的挥发性，因为与2400℃的镓沸点相比，镓铟锡合金在约1300℃沸腾。在另一个示例性实施方式中，在存在痕量氧的情况下银可在其熔点发烟。锌是另一种呈现纳米颗粒发烟的示例性金属。锌形成不易挥发的氧化物(沸点＝1974℃)，并且ZnO可被氢还原。ZnO可被分数氢反应混合物的氢还原。在一个实施方式中，熔融金属可包含锌金属和镓或镓铟锡合金的混合物或合金。可选择每种金属的比率以实现所需的纳米颗粒形成和增强功率产生和MHD功率转换中的至少一者。由于较高的等离子体电导率而导致的离子复合速率增加可在降低点燃电流或在不存在点燃电流的情况下维持分数氢反应和等离子体。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000751
包括冷凝器以使汽化的金属或雾化的纳米颗粒金属(诸如镓铟锡合金)回流。在一个实施方式中，气相中的回流金属在低至不存在点燃功率的情况下维持分数氢反应。在示例性实施方式中，池在大约镓铟锡合金的沸点下操作，使得回流的镓铟锡合金金属在低至没有点燃功率的情况下维持分数氢反应，并且在另一个示例性实施方式中，回流的银纳米颗粒在低至没有点燃功率的情况下维持分数氢反应。
在一个实施方式中，低沸点或低汽化热的金属相对于其他候选物的一种或多种特性，以及在低于其沸点的温度下形成纳米颗粒烟雾的能力使其适合作为MHD系统的工作气体，其中该工作气体在充分加热后形成气相并对MHD转换系统提供压力-体积功或动能功以产生电。
在一个实施方式中，基座电极8可凹陷于插入储罐409f中，其中所泵送熔融金属填充诸如5c1a之类的口袋以动态地形成与基座电极8接触的熔融金属汇集区。基座电极8可包含在
Figure BDA0003817985810000752
的工作温度下不与熔融金属(诸如镓)形成合金的导体。示例性的基座电极8包含钨、钽、不锈钢或钼，其中低于600℃的工作温度下Mo不与镓形成合金，诸如Mo3Ga。在一个实施方式中，EM泵的入口可包括过滤器5qa1，诸如阻挡合金颗粒同时准许镓进入的筛网或网格。为增加表面积，过滤器可以垂直方式和水平方式中的至少一者延伸并连接至入口。该过滤器可包含抵抗与镓形成合金的材料，诸如不锈钢(SS)、钽或钨。示例性的入口过滤器包括具有等于入口的直径的直径但垂直地升高的SS圆柱体。作为日常维护的部分，可定期清洁过滤器。
在一个实施方式中，非注射器电极可间歇地浸没于熔融金属中以便使其冷却。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000753
包括注射器EM泵及其储罐5c以及至少一个额外的EM泵，并且可包括用于该额外EM泵的另一储罐。使用该额外储罐，该额外EM泵可进行以下操作中的至少一者：(i)将熔融金属可逆地泵送进反应池腔室中以间歇地浸没非注射器电极以便使其冷却；以及(ii)将熔融金属泵送至非注射器电极上以便使其冷却。
Figure BDA0003817985810000761
可包括具有冷却剂的冷却剂储槽、用以使冷却剂循环穿过非注射器电极的冷却剂泵以及用以排放来自冷却剂的热的热交换器。在一个实施方式中，非注射器电极可包括用于冷却剂(诸如水、熔融盐、熔融金属或本领域已知的另一冷却剂)的通道或套管以使非注射器电极冷却。
在图25中所示的倒置的实施方式中，使
Figure BDA0003817985810000762
旋转180°，使得非注射器电极在池的底部并且注射器电极在反应池腔室的顶部，使得熔融金属注入是沿着负z轴。非注射器电极和注射器电极中的至少一者可安装于相应的板中并且可通过相应的凸缘密封件连接至反应池腔室。该密封件可包括垫圈，该垫圈包含不与镓形成合金的材料，诸如Ta、W或陶瓷(诸如本发明或本领域已知的陶瓷)。在底部的反应池腔室区段可充当储罐，可消除前一储罐，并且EM泵可在该新的底部储罐中包括可穿透底部底板、连接至EM泵管并将熔融金属流提供至EM泵的入口升管，其中EM泵管的出口部分穿透顶部板并连接至在反应池腔室内侧的喷嘴。在操作期间，EM泵可泵送来自底部储罐的熔融金属并且将其注入至在反应池腔室的底部的非注射器电极8中。倒置的
Figure BDA0003817985810000763
可通过由池的顶部的注射器电极注入的高镓流来冷却。非注射器电极8可包括用以汇集镓的凹形腔以更好地使电极冷却。在一个实施方式中，非注射器电极可充当正电极；然而，相反极性也是本公开的实施方式。
在一个实施方式中，电极8可通过发射辐射来冷却。为增加热传递，可增加辐射表面积。在一个实施方式中，汇流条10可包括所附接的辐射器，诸如叶片辐射器，诸如平面板。可通过沿着汇流条10的轴固定边缘的面而附接该板。该叶片可包括桨轮模式。叶片可通过从汇流条10的热传导而加热，汇流条10可通过以下中的至少一者来加热：点燃电流以电阻方式加热以及分数氢反应加热。诸如叶片之类的辐射器可包含难熔金属，诸如Ta、Re或W。
在一个实施方式中，PV窗可包括在PV窗前面的静电沉淀器(ESP)以阻挡氧化物颗粒诸如Ga2O。ESP可包括具有中心电晕放电电极(诸如中心线)的管和高压动力供应器以在该线处引起放电(诸如电晕放电)。放电可以使氧化物颗粒带电，这些氧化物颗粒可能被ESP管的壁吸引并迁移到ESP管的壁上，氧化物颗粒在此处可以进行以下中的至少一者：被收集和被移除。ESP管壁可以是高度抛光的以将来自反应池腔室的光反射至PV窗和PV转换器诸如聚光器PV池的密集接收器阵列。
在一个实施方式中，PV窗系统包括以下各项中的至少一者：在固定密封窗前面的透明旋转挡板，其两者皆在xy平面中以使光沿着z轴传播；和窗，其可在xy平面中旋转以使光沿着z轴传播。一个示例性实施方式包括旋转透明圆盘，诸如旋转视窗(https://en.wikipedia.org/wiki/Clear_view_screen)，其可包括挡板和窗中的至少一者。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000771
包括电晕放电系统，该系统包括负电极、对电极和放电动力源。在示例性实施方式中，负电极可以包括可邻近PV挡板或窗(诸如旋转窗)的销、针或线。池主体可构成对电极。可以在PV窗附近维持电晕放电以使在动力产生操作期间形成的颗粒(诸如Ga2O)和PV挡板或窗中的至少一者带负电，使得颗粒被PV挡板或窗排斥。
在一个实施方式中，由EM泵注入的熔融金属料流可能变得未对准或偏离冲击对电极中心的轨迹。EM泵还可包括控制器，其感测该未对准并改变EM泵电流以重新达成适当的料流对准，然后可以重新达到初始EM泵送速率。该控制器可包括传感器诸如至少一个热电偶以感测该未对准，其中当出现未对准时，被监测的至少一个组件的温度升高。在示例性实施方式中，控制器使用传感器诸如热电偶和软件控制EM泵电流以维持喷射稳定性。
在一个实施方式中，注射器喷嘴5q和对电极8轴向对齐以确保熔融金属料流冲击对电极的中心。可以实施本领域已知的制造方法，诸如激光对准和其他方法诸如在插入注射器泵管5k61之后在喷嘴5q中钻孔以实现对准。在另一个实施方式中，凹形对电极可通过将注入的熔融金属容纳在凹陷内来减少未对准的任何不利影响。
维持等离子体生成
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000772
包括真空系统，该真空系统包括通往真空管线的入口、真空管线、阱和真空泵。真空泵可包括具有高泵送速度的真空泵(诸如罗茨泵、多凸轮泵或涡旋泵)并且还可包括可与该真空泵串联或并联连接(诸如在真空泵前面串联连接)的用于水蒸气的阱。在一个实施方式中，包括不锈钢泵送部件的真空泵诸如多凸轮泵或者涡旋泵或罗茨泵可以抵抗由镓合金形成造成的损害。该水阱可包含吸水材料，诸如固体干燥剂或低温冷阱。在一个实施方式中，泵可包括低温泵、低温过滤器或冷却器中的至少一者以进行以下操作中的至少一者：使气体在进入泵之前冷却；以及使至少一种气体(诸如水蒸气)凝结。为增加泵送容量和速率，泵送系统可包括连接至反应池腔室的多个真空管线和连接至真空管线的真空歧管，其中该歧管连接至真空泵。在一个实施方式中，去往真空管线的入口包括用于使反应池腔室中的熔融金属颗粒停止进入真空管线的屏蔽件。示例性的屏蔽件可包括在入口上方但从入口的表面凸起的金属板或圆顶以为从反应池腔室进入真空管线的气体流提供选择性间隙。真空系统还可包括真空管线入口的颗粒流动限制器(诸如一组挡板)以允许气体流动同时阻挡颗粒流动。
真空系统可具有以下能力中的至少一者：超高真空；以及使反应池腔室工作压力维持在至少一个低范围诸如约0.01托至500托、0.1托至50托、1托至10托和1托至5托内。可在以下各项中的至少一者的情形中使压力维持为低：(i)添加H2，同时痕量的HOH催化剂作为痕量的水或作为与H2反应以形成HOH的O2提供；和(ii)添加H2O。在诸如氩之类的稀有气体也供应至反应混合物的情形中，可使压力维持在至少一个高工作压力范围内诸如约100托至100大气压、500托至10大气压和1大气压至10大气压，其中与其他反应池腔室气体相比较，氩可以是过量的。氩压力可增加HOH催化剂和原子H中的至少一者的寿命并且可阻止形成于电极处的等离子体快速扩散从而等离子体强度得以增加。
在一个实施方式中，反应池腔室包括用以通过响应于反应池腔室中的压力改变而改变体积来将反应池腔室压力控制在所需范围内的部件。该部件可包括：压力传感器；可机械扩展的区段；致动器，其用以使该可扩展区段扩展和收缩；和控制器，其用以控制通过该可扩展区段的扩展和收缩而形成的差异体积。该可扩展区段可包括波纹管。该致动器可包括机械致动器、气动致动器、电磁致动器、压电致动器、液压致动器和本领域已知的其他致动器。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000781
可包括(i)气体再循环系统，其具有气体入口和出口，(ii)气体分离系统，诸如能够将稀有气体(诸如氩)、O2、H2、H2O、诸如GaX3(X＝卤离子)或NxOy(x，y＝整数)之类的反应混合物的挥发性物质和分数氢气体中的至少两者的混合物的至少两种气体分开的气体分离系统，(iii)至少一种稀有气体、O2、H2和H2O分压传感器，(iv)流量控制器，(v)至少一个注射器，诸如微注射器，诸如注入水的微注射器，(vi)至少一个阀，(vii)泵，(viii)排放气体压力和流量控制器，和(ix)电脑，用以维持稀有气体、氩、O2、H2、H2O和分数氢气体压力中的至少一者。再循环系统可包括半渗透膜以允许至少一种气体(诸如分子分数氢气体)从循环的气体中移除。在一个实施方式中，可在反应混合物的至少一种气体可从出口流出并且可穿过排气口排放的同时使至少一种气体(诸如稀有气体)选择性地再循环。稀有气体可实现以下各项中的至少一者：增加分数氢反应速率；以及增加反应池腔室中的至少一种物质离开排气口的运输速率。稀有气体可增加过量水的排放速率以维持所需压力。稀有气体可增加排放分数氢的速率。在一个实施方式中，诸如氩之类的稀有气体可由类稀有气体替换，该类稀有气体是以下情形中的至少一者：可容易地从环境气氛中获得；以及容易地排放至环境气氛中。类稀有气体可具有与反应混合物的低反应性。类稀有气体可从大气获得并排放，而非由再循环系统再循环。类稀有气体可由可容易地从大气获得并可排放至大气的气体形成。稀有气体可包含可在流动至反应池腔室中之前与氧分开的氮。作为另一种选择，空气可用作稀有气体源，其中可使氧与来自源的碳反应以形成二氧化碳。氮和二氧化碳中的至少一者可充当类稀有气体。作为另一种选择，可通过与诸如镓之类的熔融金属反应而移除氧。可在镓再生系统(诸如通过氢氧化钠水溶液与氧化镓反应形成镓酸钠并将镓酸钠电解为镓金属和氧(其被排放)的镓再生系统)中再生所得的氧化镓。
在一个实施方式中，可在显著地关闭反应物H2、O2和H2O中的至少一者的添加的情况下操作
Figure BDA0003817985810000791
其中反应池腔室气氛包含反应物以及稀有气体(诸如氩)。可使稀有气体维持在升高的压力下诸如在10托至100大气压的范围内。气氛可以是以以下方式中的至少一者排放或通过再循环系统再循环：连续地和周期性地或间歇地。排放可移除过量的氧。与H2一起添加反应物O2可以是使得O2是次要物质并且在O2与过量H2一起注入至反应池腔室中时基本上形成HOH催化剂。喷枪可注入H2与O2混合物，其立即反应而形成HOH催化剂和过量的H2反应物。在一个实施方式中，可通过以下方式中的至少一者至少部分地从氧化镓释放过量的氧：氢还原、电解还原、热分解以及归因于Ga2O的挥发性的蒸发和升华中的至少一者。在一个实施方式中，存在以下情况中的至少一者：可控制氧存量；以及可通过在存在氢的情况下使氧间断地流至反应池腔室中而至少部分地允许氧存量形成HOH催化剂。在一个实施方式中，可通过与所添加的H2反应而使氧存量作为H2O循环。在另一个实施方式中，过量氧存量可作为Ga2O3移除并且通过本公开的部件(诸如通过本公开的撇渣器和电解系统中的至少一者)而再生。过量氧的源可以是添加O2和添加H2O中的至少一者。
在一个实施方式中，可通过控制泵送速率和再循环速率中的至少一者而至少部分地控制反应池腔室中的气体压力。可通过受压力传感器和控制器控制的阀来控制这些速率中的至少一者。用以控制气流的示例性阀是响应于较高和较低目标压力而打开和关闭的电磁阀以及可变流量限制阀(诸如受压力传感器和控制器控制以维持所需气体压力范围的蝶形阀和节流阀)。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000792
包括用以从反应池腔室5b31排出或移除分子分数氢气体的装置。在一个实施方式中，反应池衬里和反应池腔室的壁中的至少一者对分子分数氢诸如H2(1/4)具有高渗透速率。为了增加渗透速率，可以进行以下中的至少一者：使壁厚度最小以及使壁工作温度最高。在一个实施方式中，储罐5c壁和反应池腔室5b31壁中的至少一者的厚度可以在0.05mm至5mm厚的范围内。在一个实施方式中，反应池腔室壁在至少一个区域中相对于另一区域更薄，以增加来自反应池腔室5b31的分子分数氢产物的扩散或渗透速率。在一个实施方式中，反应池腔室壁的上部侧壁区段，诸如图31的套管储罐凸缘409e正下方的区段变薄。减薄也可能是期望的以减少对套管储罐凸缘409e的热传导。相对于其他壁区域的减薄程度可在5％至90％的范围内(例如，变薄区域的横截面宽度为非变薄区段诸如邻近电极8并在其下方的反应腔室下部侧壁区段的截面横截面宽度的5％至90％)。
Figure BDA0003817985810000801
可包括温度传感器、温度控制器和热交换器(诸如水射流)，以可控地将反应池腔室壁维持在所需温度诸如在300℃至1000℃的范围内，以提供所需的高的分子分数氢渗透速率。
可对壁和衬里材料中的至少一者进行选择以增加渗透速率。在一个实施方式中，反应池腔室5b31可包含多种材料，诸如接触镓的一种或多种材料和通过衬里、涂层或包覆层诸如本公开的衬里、涂层或包覆层与镓分隔的一种或多种材料。被分隔或保护的材料中的至少一者可包括相对于未被分隔或保护以免与镓接触的材料，对分子分数氢的渗透性增加的材料。在示例性实施方式中，反应池腔室材料可包含不锈钢诸如347SS诸如4130合金SS或Cr-Mo SS、镍、Ti、铌、钒、铁、W、Re、Ta、Mo、铌和Nb(94.33重量％)-Mo(4.86重量％)-Zr(0.81重量％)中的一种或多种。结晶材料诸如SiC可能比无定形材料诸如Sialon或石英更易渗透分数氢，使得结晶材料是示例性的衬里。
不同的反应池腔室壁诸如对分数氢具有高渗透性的反应池腔室壁可替换包含另一种渗透性较低的金属(诸如包含347或304SS的金属)的
Figure BDA0003817985810000802
(图31B)的反应池腔室壁。壁区段可以是管状的区段。可通过本领域已知的方法，诸如涉及使用不同热膨胀系数的金属以匹配接合的材料的膨胀率的方法，将替换区段焊接、钎焊或硬钎焊至
Figure BDA0003817985810000803
的其余区段。在一个实施方式中，可通过粘合剂诸如Coltronics公司的粘合剂诸如Resbond或Durabond 954将包含诸如Ta、W、Nb或Mo之类的难熔金属的替换区段粘合至诸如不锈钢之类的不同金属。在一个实施方式中，不同金属之间的活接头可包括层合材料，诸如所粘合的金属之间的陶瓷层合材料，其中每种金属结合至该层合材料的一个面上。陶瓷可包含本公开中的一者，诸如BN、石英、氧化铝、氧化铪或氧化锆。一个示例性活接头为Ta/Durabond 954/BN/Durabond 954/SS。在一个实施方式中，凸缘409e和底板409a可用垫圈或焊接密封。
在一个实施方式中，包括碳衬里的反应池腔室包括具有高传热能力、大直径和高效冷却系统的壁中的至少一者，其中传热能力、大直径和冷却系统足以将碳衬里的温度维持在低于其将与分数氢反应混合物的至少一种组分诸如水或氢反应的温度。示例性的传热能力可在约10W/cm2至10kW/cm2壁面积的范围内；示例性的直径可在约2cm至100cm的范围内，示例性的冷却系统为外部水浴；示例性的期望衬里温度可以约低于700-750℃。反应池腔室壁还可对分子分数氢是高度可渗透的。衬里可以与壁接触以改善从衬里到冷却系统的热传递以维持所需温度。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000811
包括在衬里与至少一个反应池腔室壁之间的间隙和真空泵，其中该间隙包括由该真空泵抽空以移除分子分数氢的腔室。衬里可以是多孔的。在示例性实施方式中，衬里包括多孔陶瓷诸如多孔BN、涂覆有SiC的碳、或石英，以增加渗透速率。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000812
可以包括绝缘体。该绝缘体对于分数氢可以是高度可渗透的。在另一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000813
包含分子分数氢吸气剂，诸如至少在反应池腔室的内部和外部的铁纳米颗粒，其中吸气剂结合分子分数氢以将其从反应池腔室移除。在一个实施方式中，可以将分子分数氢气体泵出反应池腔室。反应混合物气体诸如包含H2O和氢或本公开的另一者的反应混合物气体可包含冲洗气体诸如稀有气体以帮助通过抽空来移除分子分数氢气体。该冲洗气体可排放到大气中或通过本发明的再循环器循环。
在一个实施方式中，衬里可包含氢解离器诸如铌。衬里可以包含多种材料诸如在反应池腔室的最热区带中抵抗镓合金形成的材料和在低于另一材料的镓合金形成温度的温度下操作的至少一个区带中的该另一材料，诸如氢解离器。
在一个实施方式中，可通过归因于Ga2O挥发性的蒸发和升华中的至少一者而从反应池腔室移除氧化镓诸如Ga2O。可通过使气体流过反应池腔室和维持低压力(诸如低于大气的压力)中的至少一个方法实现移除。可通过本公开的再循环器维持气体流。可通过本公开的真空泵送系统维持低压力。氧化镓可凝结在本公开的冷凝器中并返回至反应池腔室。作为另一种选择，可将氧化镓俘获于过滤器或阱(诸如低温冷阱)中，可通过本公开的系统和方法从该过滤器或阱中移出和再生该氧化镓。该阱可在再循环器的至少一个气体管线中。在一个实施方式中，可将Ga2O俘获于真空系统的阱中，其中该阱可包括过滤器、低温冷阱和静电沉淀器中的至少一者。该静电沉淀器可包括高电压电极以维持等离子体以使Ga2O颗粒带静电并俘获该带电颗粒。在一个示例性的实施方式中，至少一组电极中的每一组可包括线(其可产生使Ga2O颗粒带负静电的电晕放电)和带正电的收集电极(诸如使带电颗粒从来自反应池腔室的气体料流沉淀的板式或管式电极)。可通过本领域已知的手段(诸如以机械方式)从每一收集器电极移除Ga2O颗粒，并且可将Ga2O转化为镓并回收。可通过本公开的系统和方法(诸如通过在NaOH溶液中的电解)从Ga2O再生镓。
静电沉淀器(ESP)还可包括用以使至少一种所需物质从来自反应池腔室的气体料流沉淀并使其返回至反应池腔室的部件。该沉淀器可包括运输部件(诸如本发明或本领域已知的螺旋钻、传送带、气动部件、机电部件或其他运输部件)以将沉淀器收集的颗粒往回运输至反应池腔室。沉淀器可安装于真空管线包括通过重力流使所需颗粒返回至反应池腔室的回流器的部分中，其中颗粒可通过重力流(诸如真空管线中的流)沉淀并回流至反应池腔室。该真空管线可在至少一个部分中竖直取向，其允许所需的颗粒经历重力返回流动。
在示例性的测试实施方式中，在具有4ml/分钟H2O注入的情况下使反应池腔室维持在约1至2大气压的压力范围下。DC电压为约30V并且DC电流为约1.5kA。反应池腔室是6英寸直径不锈钢球体，诸如容纳3.6kg的熔融镓的图25中所示的不锈钢球体。电极包括DC EM泵的1英寸浸没式SS喷嘴和对电极，该对电极包括具有由BN基座覆盖的1cm直径引线的4cm直径、1cm厚W圆盘。EM泵速率为约30至40ml/s。借助浸没的喷嘴使镓极化为正，并且使W基座电极极化为负。通过EM泵注射器使镓良好混合。
Figure BDA0003817985810000821
输出功率为约85kW，由镓和SS反应器的质量、比热和温度升高的乘积测量。
在另一测试实施方式中，使2500sccm的H2和25sccm的O2流动穿过保持于与H2和O2气体入口以及反应池腔室在一条线上该的外部腔室中的约2g的10％Pt/Al2O3珠粒。此外，在应用主动真空泵送的同时使氩以维持50托腔室压力的速率流动至反应池腔室中。DC电压为约20V并且DC电流为约1.25kA。
Figure BDA0003817985810000822
输出功率为约120kW，由镓和SS反应器的质量、比热和温度升高的乘积测量。
在一个实施方式中，再循环系统或再循环器(诸如能够在低于大气压力、处于大气压力和高于大气压力中的一者或多者下操作的稀有气体再循环系统)可包括：(i)气体推进器，诸如真空泵、压缩机和鼓风机中的至少一者，其用以使来自反应池腔室的至少一种气体再循环，(ii)再循环气体管线，(iii)分离系统，其用以移除排放气体诸如分数氢和氧，和(iv)反应物供应系统。在一个实施方式中，气体推进器能够泵送来自反应池腔室的气体，推动该气体穿过分离系统以移出排放气体，并使再生的气体返回至反应池腔室。气体推进器可包括泵、压缩机和鼓风机中的至少两者作为同一单元。在一个实施方式中，泵、压缩机、鼓风机或它们的组合可包括低温泵、低温过滤器或冷却器中的至少一者以进行以下操作中的至少一者：使气体在进入气体推进器之前冷却；以及使至少一种气体(诸如水蒸气)凝结。再循环气体管线可包括从真空泵至气体推进器的管线、从气体推进器至用以移出排放气体的分离系统的管线，以及从用以移出排放气体的分离系统至可与反应物供应系统连接的反应池腔室的管线。示例性的反应物供应系统包括至少一个活接头，其管线去往反应池腔室，该反应池腔室具有用于稀有气体(诸如氩)、氧、氢和水中的至少一者的至少一个反应混合物气体补充管线。与H2一起添加反应物O2可以是使得O2是次要物质并且在O2与过量H2一起注入至反应池腔室中时基本上形成HOH催化剂。喷枪可注入H2与O2混合物，其立即反应而形成HOH催化剂和过量的H2反应物。反应物供应系统可包括连接至反应混合物气体供应管线的气体歧管和通往反应池腔室的流出管线。
用以移出排放气体的分离系统可包括低温过滤器或低温冷阱。用以从再循环气体移出分数氢产物气体的分离系统可包括半渗透膜以通过跨越薄膜从再循环气体扩散至大气或扩散至排放腔室或料流而选择性地排放分数氢。再循环器的分离系统可包括从再循环气体移出氧的氧清除器系统。清除器系统可包括容器和该容器中与氧发生反应的吸气剂或吸收剂(诸如金属，诸如碱金属、碱土金属或铁)中的至少一者。作为另一种选择，吸收剂(诸如活性炭或本领域已知的另一吸氧剂)可吸收氧。木炭吸收剂可包括可密封于气体可渗透的料筒(诸如可商购的气体可渗透的料筒)中的木炭过滤器。该料筒可以是可移除的。该清除器系统的吸氧剂可定期替换或通过本领域已知的方法再生。再循环系统的清除器再生系统可包括一个或多个吸收剂加热器和一个或多个真空泵中的至少一者。在一个示例性实施方式中，对木炭吸收剂进行以下操作中的至少一者：通过加热器加热；以及经受真空泵所施加的真空以释放氧，该氧被排放或收集，并重新使用所得的再生木炭。可将来自
Figure BDA0003817985810000831
的热用于再生吸收剂。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000832
包括至少一个热交换器、冷却剂泵和冷却剂流回路，该冷却剂流回路充当清除器加热器以再生诸如木炭之类的吸收剂。该清除器可包括大的体积和面积以有效地清除同时不显著地增加气流阻力。可通过连接至再循环管线的气体推进器维持流动。可使木炭冷却以更有效地吸收待从再循环气体(诸如包含稀有气体诸如氩的混合物)清除的物质。诸如木炭之类的吸氧剂还可清除或吸收分数氢气体。该分离系统可包括多个清除器系统，每一清除器系统包括(i)腔室，其能够维持气体密封，(ii)吸收剂，其用以移出排放气体诸如氧，(iii)入口和出口阀，其可隔离腔室与再循环气体管线且隔离再循环气体管线与腔室，(iv)通过控制器控制的部件诸如机器人机构，其用以将腔室与再循环管线连接和断开该连接，(v)用以再生吸收剂的部件，诸如加热器和真空泵，其中加热器和真空泵可以是通用的以使至少一个其他清除器系统在其再生期间再生，(v)控制器，其用以控制第n个清除器系统的断开连接、第n+1个清除器系统的连接，以及在第n+1个清除器系统充当现用清除器系统的同时第n个清除器系统再生，其中可使该多个清除器系统中的至少一者再生而同时至少一个其他清除器系统可活跃地清除或吸收所需的气体。清除器系统可允许在关闭排放条件下操作
Figure BDA0003817985810000833
其中周期性地控制排放或气体回收。在一个示例性的实施方式中，可通过加热至不同温度而从吸收剂(诸如活性炭)独立地收集氢和氧，在该不同温度下大致独立地释放相应的气体。
在包含稀有气体、氢和氧的反应池腔室气体混合物的一个实施方式(其中反应池腔室气体的稀有气体的分压超过氢的分压)中，由于稀有气体诸如氩的反应物浓度稀释效应，可增加氧分压以补偿氢与氧之间的减小的反应速率从而形成HOH催化剂。在一个实施方式中，可在与诸如氩之类的稀有气体组合之前形成HOH催化剂。可通过复合器或燃烧器(诸如复合器催化剂)、等离子体源或热表面(诸如丝)致使氢和氧发生反应。复合器催化剂可包括：负载于陶瓷载体上的贵金属，诸如氧化铝、氧化锆、氧化铪、硅石或沸石粉末或珠粒上的Pt、Pd或Ir；本公开的另一负载型复合器催化剂；或解离器，诸如雷氏Ni、Ni、铌、钛或呈提供高表面积的形式(诸如粉末、垫、编织物或布)的本公开的其他解离器金属或本领域已知的解离器金属。示例性的复合器包括Al2O3珠粒上的10重量％Pt。等离子体源可包括辉光放电、微波等离子体、等离子体炬、电感或电容耦合的RF放电、介质阻挡放电、压电直接放电、声学放电或本公开或本领域已知的另一放电池。热丝可包括热钨丝、Pt丝或Pt上Pd黑丝或本领域已知的另一催化丝。
反应混合物物质诸如水、氢、氧和稀有气体中的至少一者的入口流可以是连续的或间断的。可控制入口流量以及排放或真空流量以实现所需的压力范围。入口流可是间断的，其中可使流在所需范围的最大压力处停止并且在该所需范围的最小值处开始。在反应混合物气体包含诸如氩之类的高压力稀有气体的情形中，反应池腔室可抽空，用反应混合物填充，并在大致静止的排放流条件下运行，其中在连续或间断流条件下维持反应物(诸如水、氢和氧中的至少一者)的入口流以将压力维持在所需范围内。另外，可使稀有气体以经济上可行的流量和相应的排放泵送速率流动，或者可由再循环系统或再循环器使稀有气体再生或净化和再循环。在一个实施方式中，可以通过叶轮或通过气体射流迫使反应混合物气体进入池中以增加通过池的反应物流量，同时将反应池压力维持在所需范围内。
反应池腔室5b31气体可包含H2、稀有气体(诸如氩)、O2和H2O以及氧化物(诸如CO2)中的至少一者。在一个实施方式中，反应池腔室5b31中的压力可低于大气压。该压力可在约1毫托至750托、10毫托至100托、100毫托至10托和250毫托至1托中的至少一个范围内。
Figure BDA0003817985810000841
可包括水蒸气供应系统，该水蒸气供应系统包括：水储罐，其具有加热器和温度控制器；通道或管道；和阀。在一个实施方式中，反应池腔室气体可包含H2O蒸气。可控制与反应池腔室连接的外部水储罐的温度由该水储罐穿过通道供应水蒸气，其中水储罐可以是水蒸气供应系统的最冷的组件。水储罐的温度可基于取决于温度的水分压来控制水蒸气压力。水储罐还可包括冷冻器以降低蒸气压力。水可包含添加剂，诸如溶解的化合物(诸如盐，诸如NaCl或其他碱金属或碱土金属卤化物)、吸收剂(诸如沸石)、形成水合物的材料或化合物或者本领域技术人员已知的可减小蒸气压的另一材料或化合物。用以降低蒸气压的示例性机制是通过依数性效应或键合相互作用。在一个实施方式中，水蒸气压力源可包括可容纳在储罐中并穿过管道供应至反应池腔室5b31的冰。该冰可具有高表面积以增加从冰形成HOH催化剂和H的速率以及分数氢反应速率中的至少一者。该冰可呈精细切片的形式以增加表面积。可使冰维持在低于0℃的所需温度以控制水蒸气压力。可使载气诸如H2和氩中的至少一者流动穿过冰储罐并流入反应池腔室中。还可通过控制载气流量而控制水蒸气压力。
液态H2O中H2的摩尔浓度当量为55摩尔/升，其中H2气体在STP下占22.4升。在一个实施方式中，将H2作为反应物供应至反应池腔室5b31以形成呈包含液态水和蒸气中的至少一者的形式的分数氢。
Figure BDA0003817985810000851
可包括液态水和蒸气中的至少一者的至少一个注射器。注射器可包括水和蒸气射流中的至少一者。进入反应池腔室中的注射器孔口可较小以防止回流。注射器可包含抗氧化的难熔材料诸如陶瓷或本公开的另一材料。
Figure BDA0003817985810000852
可包括水和蒸气中的至少一者的来源以及压力和流量控制系统。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000853
还可包括超声波发生器、雾化器、烟雾化器或喷雾器以产生小水滴，其可夹带于载气料流中并流入反应池腔室中。该超声波发生器可包括振动器和压电装置中的至少一者。可通过控制水蒸气源的温度或从该源至反应池腔室的流管道的温度来控制载气流中的水的蒸气压。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000854
还可包括氢源和氢复合器(诸如CuO复合器)以通过使氢流动穿过复合器(诸如加热的氧化铜复合器)而将水添加至反应池腔室5b31，使得所产生的水蒸气流入反应池腔室中。在另一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000855
还可包括蒸汽注射器。该蒸汽注射器可包括：控制阀和控制器中的至少一者，其用以控制蒸汽和池气体中的至少一者进入蒸汽注射器的流量；通往汇聚喷嘴的气体入口；缩扩喷嘴；组合锥，其可与水源和溢流出口连接；水源；溢流出口；递送锥；和止回阀。控制阀可包括可由定时器、传感器(诸如池压力或水传感器)或手动激活器控制的电子螺线管或其他电脑控制的阀。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000856
还可包括泵以注入水。可穿过窄横截面管道(诸如细的皮下注射针)递送水，使得来自
Figure BDA0003817985810000857
的热量不使泵中的水沸腾。泵可包括注射泵、蠕动泵、计量泵或本领域已知的其他泵。注射泵可包括多个注射器，使得至少一个注射器可在另一注射器进行注入时进行再填充。注射泵可由于管道相对于注射器的活塞小得多的横截面而放大管道中的水的力。可对管道进行以下操作中的至少一者：散热和冷却以防止泵中的水沸腾。
在一个实施方式中，通过以下方式控制反应池腔室反应池混合物：通过控制反应物的注入速率和控制从反应池腔室5b31排出反应混合物的过量反应物和产物的速率的至少一个部件而控制反应池腔室压力。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000858
包括压力传感器、真空泵、真空管线、阀控制器和阀，诸如响应于处理由传感器测量的压力的控制器而对自反应池腔室至真空泵的真空管线打开和关闭的压力启动阀，诸如电磁阀或节流阀。该阀可控制反应池腔室气体的压力。该阀可保持关闭直至池压力达到第一高设定点，然后该阀可启动以打开，直至通过真空泵使压力下降至第二低设定点，其可致使启动阀以关闭。在一个实施方式中，控制器可控制至少一个反应参数(诸如反应池腔室压力、反应物注入速率、电压、电流和熔融金属注入速率)以维持非脉冲或大致稳定的或连续的等离子体。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000861
包括压力传感器、反应混合物的至少一种反应物或物质的源(诸如H2O、H2、O2和稀有气体(诸如氩)的源)、反应物管线、阀控制器和阀，诸如响应于处理由传感器测量的压力的控制器而对从反应混合物的至少一种反应物或物质的源以及反应池腔室的反应物管线打开和关闭的压力启动的阀，诸如电磁阀或节流阀。该阀可控制反应池腔室气体的压力。该阀可保持打开直至池压力达到第一高设定点，然后该阀可以启动以关闭直至通过真空泵使压力下降至第二低设定点，其可致使启动阀以打开。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000862
可包括注射器，诸如微型泵。该微型泵可包括机械或非机械装置。示例性的机械装置包括移动零件，该移动零件可包括致动膜和微阀膜以及阀瓣。可通过利用来自压电效应、静电效应、热-气动效应、气动效应和磁性效应的群组的至少一种效应而产生微型泵的驱动力。非机械泵可与电-流体动力机构、电渗机构、电化学机构、超声机构、毛细机构、化学机构和本领域已知的另一流产生机构中的至少一者联合。微型泵可包括压电微型泵、电渗微型泵、膜式微型泵、蠕动微型泵、注射器微型泵和无阀微型泵以及毛细和化学动力泵和本领域已知的另一微型泵中的至少一者。注射器诸如微型泵可连续地供应反应物诸如水，或者其可诸如以脉冲模式间断地供应反应物。在一个实施方式中，水注射器包括泵(诸如微型泵)、至少一个阀和水储罐中的至少一者，并且还可包括冷却器或延伸管道以使水储罐和用于反应池腔室的阀移开充分距离，以避免预注入水的过热或沸腾。
Figure BDA0003817985810000863
可包括注入控制器和至少一个传感器，诸如记录压力、温度、等离子体电导率或其他反应气体或等离子体参数的传感器。可通过使用来自至少一个传感器的输入来递送所需功率同时避免由过功率引起的对
Figure BDA0003817985810000864
的损坏的控制器来控制注入序列。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000865
包括多个注射器(诸如水注射器)以注入进反应池腔室内的不同区域，其中由控制器启动注射器以使等离子体热点的位置即时交替以避免对
Figure BDA0003817985810000866
的损坏。注入可以是间断的、周期性间断的、连续的，或者包括实现所需功率、增益和性能优化的任何其他注入模式。
Figure BDA0003817985810000867
可包括响应于泵的注入和填充而打开和关闭的阀，诸如泵入口阀和出口阀，其中打开或关闭的入口阀和出口阀状态可彼此180°异相。泵可形成比反应池腔室压力高的压力以实现注入。在泵注入易于受反应池腔室压力影响的事件中，
Figure BDA0003817985810000868
可包括反应池腔室与将水供应至泵的储罐之间的气体连接以使泵的排出压力与反应池腔室的压力动态地匹配。
在其中反应池腔室压力低于泵压力的一个实施方式中，泵可包括至少一个阀以在泵闲置时实现去往反应池腔室的流的停止。泵可包括至少一个阀。在一个示例性的实施方式中，蠕动微型泵包括串联的至少三个微型阀。顺序地打开和关闭此三个阀以便在称为蠕动的程序中将流体自入口拉提至出口。在一个实施方式中，阀可以是主动的，诸如螺线管形或压电止回阀，或其可被动地起作用，其中通过背压关闭阀，诸如止回阀(诸如球形、摆动、线图或鸭嘴形止回阀)。
在其中待注入至反应池腔室中的水源与反应池腔室之间存在压力梯度的一个实施方式中，泵可包括可周期性地180°异相打开和关闭的两个阀，即储罐阀和反应池腔室阀。可通过具有所需注入体积的泵腔室将该阀分开。在反应池腔室阀关闭的情况下，储罐阀可对水储罐打开以填充泵腔室。在储罐阀关闭的情况下，反应池腔室阀可打开以致使将所需体积的水注入反应池腔室中。可通过压力梯度而驱动流入和流出泵腔室。可通过控制泵腔室的体积以及同步阀打开和关闭的周期而控制水流量。在一个实施方式中，水微量注射器可包括两个阀，即去往约10ul至15ul体积的微腔室的入口阀和出口阀，每一者以机械方式连接并且关于打开和关闭是180°异相。可由凸轮以机械方式驱动该阀。
在另一个实施方式中，反应池混合物的另外的物质诸如H2、O2、稀有气体和水中的至少一者可替换水或者是水之外的附加。在流入反应池腔室中的物质在室温下是气体的情形中，
Figure BDA0003817985810000871
可包括质量流量控制器以控制气体的输入流。
在一个实施方式中，将添加剂添加至反应池腔室5b31以通过在熔融金属中提供H和HOH中的至少一者的来源来增加分数氢反应速率。合适的添加剂可以可逆地形成水合物，其中水合物在大约
Figure BDA0003817985810000872
工作温度下形成并且在更高的温度诸如分数氢反应等离子体内的温度下释放。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000873
工作温度可以在约100℃至3000℃的范围内，并且分数氢反应等离子体的相应温度范围可以在比
Figure BDA0003817985810000874
的工作温度高约50℃至2000℃的范围内。在示例性实施方式中，可以将诸如钒酸锂或氧化铋之类的添加剂添加至熔融金属中，其中添加剂可以结合水分子并将它们释放到等离子体中以提供H和HOH催化剂中的至少一者。可将水源连续地供应至反应池腔室，其中水中的至少一些可与添加剂结合。添加剂可通过如下来增加分数氢反应速率：将水结合为水合水并将所结合的水输送到等离子体中，其中相应的添加剂-水合物可以脱水以向分数氢反应提供H和HOH催化剂中的至少一者。水源可包含液态和气态的水、氢和氧中的至少一者。
Figure BDA0003817985810000875
可包括本发明的水注射器和本公开的氢与氧复合器(诸如负载在诸如氧化铝之类的陶瓷上的贵金属)中的至少一者。可以将氢和氧的混合物供应至该复合器，该复合器使氢和氧复合为水，所述水然后流入反应池腔室中。
在其中待注入至反应池腔室中的水源与反应池腔室之间存在压力梯度的另一个实施方式中，可穿过诸如以下各项中的至少一者的流量控制器或限定器连续地供应入口水流：(i)针型阀，(ii)窄或小内径管，(iii)吸湿材料，诸如纤维素、棉花、聚乙二醇或本领域已知的另一吸湿材料，和(iv)半渗透膜，诸如陶瓷膜、熔块或本领域已知的另一半渗透膜。除诸如针型阀之类的另一限制器之外，吸湿材料诸如棉花还可构成填充物并且可用于对流进行限制。
Figure BDA0003817985810000881
可包括用于吸湿材料或半渗透膜的保持器。流动限制器的流量可经校准，并且真空泵和压力控制的排放阀可进一步维持所需的动态腔室压力和水流量。在另一个实施方式中，反应池混合物的另外的物质诸如H2、O2、稀有气体和水中的至少一者可替换水或者是水之外的附加。在流入反应池腔室中的物质在室温下是气体的情形中，
Figure BDA0003817985810000883
可包括质量流量控制器以控制气体的输入流。
在一个实施方式中，在反应池腔室真空下操作的注射器可包括流动限制器，诸如针型阀或窄管，其中控制长度和直径以控制水流量。示例性的小直径管式注射器包括与用于ESI-ToF注入系统的注射器类似的注射器，诸如具有在约25um至300um的范围内的内径的注射器。流动限制器可与至少一个其他注射器元件(诸如阀或泵)组合。在一个示例性的实施方式中，借助诸如注射泵之类的泵控制小直径管的水排出压力。可借助从管至反应池腔室的阀进一步控制注入速率。可通过在水表面上方给气体加压而施加排出压力，其中气体是可压缩的而水是不可压缩的。可通过泵施加气体加压。可通过管直径、长度、排出压力以及阀打开和关闭频率及占空比中的至少一者来控制水注入速率。管直径可在约10um至10mm的范围内，长度可在约1cm至1m的范围内，排出压力可在约1托至100大气压的范围内，阀打开和关闭频率可在约0.1Hz至1kHz的范围内，并且占空比可在约0.01至0.99的范围内。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000882
包括氢源(诸如氢气)和氧源(诸如氧气)。氢源和氧源中的至少一者包括至少一个或多个气体贮槽、流量调节器、压力计、阀和通往反应池腔室的气体管线。在一个实施方式中，由氢和氧的燃烧产生HOH催化剂。可使氢气和氧气流入反应池腔室中。反应物(诸如氢和氧中的至少一者)的入口流可以是连续的或间断的。可控制流量以及排放或真空流量以实现所需压力。入口流可以是间断的，其中可使流在所需范围的最大压力处停止并且在该所需范围的最小值处开始。可控制H2压力和流量以及O2压力和流量中的至少一者以使HOH和H2浓度或分压中的至少一者维持在所需的范围内以控制并优化来自分数氢反应的功率。在一个实施方式中，氢存量和流量中的至少一者可显著大于氧存量和流量。H2对O2的分压和H2对O2的流量中的至少一者的比率可在约1.1至10,000、1.5至1000、1.5至500、1.5至100、2至50和2至10中的至少一个范围内。在一个实施方式中，可使总压力维持在支持高浓度的新生HOH和原子H的范围内，诸如在约1毫托至500托、10毫托至100托、100毫托至50托和1托至100托中的至少一个压力范围内。在一个实施方式中，可使储罐和反应池腔室中的至少一者维持在一定工作温度，该工作温度比羟基氧化镓和氢氧化镓中的至少一者的分解温度高。该工作温度可以在约200℃至2000℃、200℃至1000℃和200℃至700℃中的至少一个范围内。在抑制羟基氧化镓和氢氧化镓形成的情形中，可将水存量控制在气体状态。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000891
包括气体混合器以混合流入反应池腔室中的至少两种气体，诸如氢和氧。在一个实施方式中，用于水的微量注射器包括混合氢与氧的混合器，其中该混合物在其进入反应池腔室时形成HOH。该混合器还可包括至少一个质量流量控制器，诸如用于每种气体或气体混合物(诸如预混合气体)的质量流量控制器。该预混合气体可以每种气体的所需摩尔比包含所述气体，诸如包含氢和氧的混合物。H2-O2混合物的H2摩尔百分比可显著过量，诸如在O2的摩尔百分比的约1.5至1000倍的摩尔比范围内。质量流量控制器可控制氢和氧流量以及用以形成HOH催化剂的后续燃烧，使得进入反应池腔室的所得气流包含过量的氢和HOH催化剂。在一个示例性的实施方式中，H2摩尔百分比在HOH的摩尔百分比的约1.5至1000倍的范围内。该混合器可包括氢-氧炬。该炬可包括本领域已知的设计，诸如商业氢-氧炬。在示例性实施方式中，通过炬注射器混合O2与H2以致使O2发生反应而在H2料流内形成HOH从而避免氧与镓池组件或电解质发生反应以溶解氧化镓从而通过原位电解(诸如NaI电解质或本公开的另一者)利于其再生为镓。作为另一种选择，通过供应炬的单个流量控制器而非两个流量控制器使包含至少十倍摩尔过量的氢的H2-O2混合物流入反应池腔室中。
将氢作为H2气供应至反应池腔室而非通过使H2O与镓发生反应以形成H2和Ga2O3而将水作为H2源可减少所形成的Ga2O3量。包括气体混合器的水微量注射器可具有由于能够相比于液体流更精确地控制气体流而允许以非常低流量注入精确量的水的能力的有利特性。此外，与包含多个氢键合的水分子的体相水和蒸汽相比，O2与过量H2的反应可形成约100％新生水作为初始产物。在一个实施方式中，使镓维持在低于100℃的温度，使得镓可具有低的通过形成氧化镓而消耗HOH催化剂的反应性。可通过冷却系统(诸如包括用于储罐和反应池腔室中的至少一者的热交换器或水浴的冷却系统)使镓维持在低温。在一个示例性实施方式中，在高流量H2和痕量O2流(诸如99％H2/1％O2)的条件下操作
Figure BDA0003817985810000892
其中可使反应池腔室压力维持为低，诸如在约1至30托的压力范围内，并且可控制流量以产生所需的功率，其中通过形成H2(1/4)而产生的理论上最大功率可为约1kW/30sccm。可通过原位氢等离子体和电解还原来还原任何所得的氧化镓。在能够产生75kW的最大过量功率的示例性实施方式(其中真空系统能够实现超高真空)中，操作条件是大致无氧化物的镓表面、诸如大约1至5托的低工作压力和高H2流量(诸如约2000sccm)以及作为穿过炬注射器的约10至20sccm氧供应的痕量HOH催化剂。
在一个实施方式中，接触镓的
Figure BDA0003817985810000901
组件或组件表面(诸如反应池腔室壁、反应池腔室的顶部、储罐的内侧壁和EM泵管的内侧壁中的至少一者)可涂覆有不容易与镓形成合金的涂层，诸如陶瓷(诸如莫来石、BN或本公开的另一者)或金属(诸如W、Ta、Re、Nb、Zr、Mo、TZM或本公开的另一者)。在另一个实施方式中，该表面可包覆有不容易与镓形成合金的材料，诸如碳、陶瓷(诸如BN、氧化铝、氧化锆、石英或本公开的另一者)或金属(诸如W、Ta、Re或本公开的另一者)。在一个实施方式中，反应池腔室、储罐和EM泵管中的至少一者可包含Nb、Zr、W、Ta、Re、Mo或TZM。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000902
组件或组件的部分(诸如反应池腔室、储罐和EM泵管)可包含不形成合金的材料，在接触镓的温度超过极值(诸如超过约400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃和1000℃的至少一个极值)时除外。可在一定温度下操作
Figure BDA0003817985810000903
其中组件的部分未达到发生镓合金形成的温度。可在通过诸如热交换器或水浴之类的冷却部件以冷却来控制
Figure BDA0003817985810000904
工作温度。水浴可包括冲击水射流，诸如离开水歧管的射流，其中入射于反应腔室上的射流数目和每一射流的流量中的至少一者由控制器控制以将反应腔室维持在所需的工作温度范围内。在一个实施方式(诸如包括至少一个表面的水射流冷却的实施方式)中，
Figure BDA0003817985810000905
的至少一个组件的外部表面可包覆有诸如碳之类的绝缘材料以维持升高的内部温度同时允许操作性的冷却。在其中
Figure BDA0003817985810000906
通过手段诸如悬浮在诸如水之类的冷却剂中或经受射入的冷却剂射流中的至少一者来冷却的实施方式中，EM泵管被热绝缘以防止冷的液态金属注入等离子体中而避免降低分数氢反应速率。在示例性热绝缘实施方式中，EM泵管5k6可以浇注在作为非常好的热绝缘体的水泥型材料(例如，该水泥型材料可以具有小于1W/mK或小于0.5W/mK或小于0.1W/mK的热导率)中。可将高于在
Figure BDA0003817985810000907
操作期间实现的温度极值而形成镓合金的表面选择性地涂覆或包覆不容易与镓形成合金的材料。既接触镓又超过组件的材料(诸如不锈钢)的合金温度的
Figure BDA0003817985810000908
组件的部分可包覆有不容易与镓形成合金的材料。在一个示例性实施方式中，反应池腔室壁可尤其在电极(其中反应池腔室温度是最大的)附近的区域处包覆有W、Ta、Re、Mo、TZM、铌、钒或锆板，或陶瓷(诸如石英)。包覆层可包括反应池腔室衬里5b31a。衬里可包括设置在的衬里与壁之间以防止镓渗漏至衬里后面的垫圈或其他不透镓材料，诸如陶瓷糊料。衬里可通过焊接件、螺栓或本领域已知的另一紧固件或粘合剂中的至少一者附接至壁。
在一个实施方式中，汇流条(诸如10、5k2中的至少一者)和从汇流条至点燃及EM泵动力供应器中的至少一者的相应电引线可充当从反应池腔室5b31移除热量以用于施加的部件。
Figure BDA0003817985810000911
可包括热交换器以从汇流条和相应引线中的至少一者移除热量。在包括MHD转换器的
Figure BDA0003817985810000912
实施方式中，在汇流条及其引线上损失的热量可通过将热量从汇流条转移至熔融银(其通过EM泵从MHD转换器返回至反应池腔室)的热交换器返回至反应池腔室。
在一个实施方式中，反应池腔室的侧壁(诸如立方体反应池腔室的四个垂直侧面或圆柱体池的壁)可涂覆或包覆于诸如W、Ta或Re之类的难熔金属中或由诸如W、Ta或Re衬里之类的难熔金属覆盖。金属可抵抗与镓形成合金。反应池腔室的顶部可包覆或涂覆有电绝缘体或者包括电绝缘衬里诸如陶瓷。示例性包覆层、涂层和衬里材料是以下中的至少一者：BN、gorilla玻璃(例如，可从康宁公司(Corning)获得的碱-铝硅酸盐片状玻璃)、石英、二氧化钛、氧化铝、氧化钇、氧化铪、氧化锆、碳化硅、石墨诸如热解石墨、碳化硅涂覆的石墨，或混合物诸如TiO2-Yr2O3-Al2O3。顶部衬里可具有用于基座5c1的穿透部(图25)。顶部衬里可阻止顶部电极8电短接至反应池腔室的顶部。在一个实施方式中，顶部凸缘409a(图31A-C)可包括衬里(诸如本公开中的一者)或者涂层诸如陶瓷涂层诸如莫来石、ZTY、Resbond或本公开中的另一者或者涂料诸如VHT FlameproofTM。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000913
包括底板409a热传感器、点燃动力源控制器、点燃动力源和切断开关，该切断开关可直接或间接连接至点燃动力源控制器和点燃动力源中的至少一者以在底板409a处发生短路以及过热时终止点燃。在一个实施方式中，陶瓷衬里包括多个区段，其中所述区段提供区段之间的膨胀间隙或接头中的至少一者以及限制沿衬里的所述多个区段的长度的热梯度。在一个实施方式中，衬里可以悬在液态金属水平面上方以避免在衬里的一部分浸没在镓中的情况下形成陡峭的热梯度。衬里区段可以包括用于在操作期间具有不同温度范围的不同区域或区带的不同材料组合。在包括具有至少两类陶瓷的多个陶瓷区段的衬里的示例性实施方式中，最热区带(诸如靠近正电极的区带)中的区段可包含SiC或BN，并且至少一个其他区段可以包含石英。
在一个实施方式中，反应池腔室5b31包括内部热绝缘材料(在本文也称为衬里)诸如至少一个陶瓷或碳衬里，诸如石英、BN、氧化铝、氧化锆、铪或本公开的另一衬里。在一些实施方式中，反应池腔室不包括衬里诸如陶瓷衬里。在一些实施方式中，反应池腔室壁可包含金属，该金属维持在低于与熔融金属形成合金的温度，诸如在不锈钢诸如347SS诸如4130合金SS或Cr-Mo SS或W、Ta、Mo、Nb、Nb(94.33重量％)-Mo(4.86重量％)-Zr(0.81重量％)、Os、Ru、Hf、Re或硅化物涂覆的Mo的情况下低于约400℃至500℃。在实施方式诸如其中反应池腔室浸没在诸如水之类的冷却剂中的实施方式中，反应池腔室5b31的壁厚度可以是薄的，使得内壁温度低于壁材料诸如347SS诸如4130合金SS、Cr-Mo SS或Nb-Mo(5重量％)-Zr(1重量％)与熔融金属诸如镓形成合金的温度。反应池腔室壁厚度可以是约小于5mm、小于4mm、小于3mm、小于2mm和小于1mm中的至少一者。衬里内部的温度可能高得多，诸如在约500℃至3400℃、500℃至2500℃、500℃至1000℃和500℃至1500℃的至少一个范围内。在示例性实施方式中，反应池腔室和储罐包括多个衬里，诸如BN最内层衬里(其可以包括W、Ta或Re镶嵌物并且可以是分区段的)以及一个或多个同心外层石英衬里。底板衬里可以包括内里的BN板和至少一个其他陶瓷板，每一者具有用于穿透部的穿孔。在一个实施方式中，可以用粘固剂诸如陶瓷粘固剂诸如Resbond或抵抗熔融金属合金形成的难熔粉末诸如在熔融镓的情况下的W粉末来密封穿透部。示例性底板衬里是可模压的陶瓷绝缘盘。在一个实施方式中，衬里可以包括难熔的或陶瓷的镶嵌物诸如W或Ta镶嵌物。陶瓷镶嵌物可以包括陶瓷贴片，诸如包括层叠成圆柱体的小高度半圆形环的陶瓷贴片。示例性陶瓷是氧化锆、氧化钇稳定化氧化锆、氧化铪、氧化铝和氧化镁。环的高度可以在约1mm至5cm的范围内。在另一个实施方式中，镶嵌物可以包括可通过高温粘合材料或粘固剂保持在就位的贴片或珠粒。作为另一种选择，可使贴片或珠粒嵌入难熔基质诸如碳、难熔金属诸如W、Ta或Mo、或难熔二硼化物或碳化物诸如Ta、W、Re、Ti、Zr或Hf的二硼化物或碳化物诸如ZrB2、TaC、HfC和WC或本公开的另一者中。
在示例性实施方式中，衬里可包括在镓表层具有石英的分区段环，并且该环的其余部分可包含SiC。石英区段可包括斜切石英板，该斜切石英板形成诸如六边形或八边形环之类的环。在另一个示例性实施方式中，反应池腔室壁可以是涂漆的、碳涂覆的或陶瓷涂覆的，并且衬里可以包含碳，具有内部的难熔金属衬里诸如包含Nb、Mo、Ta或W的衬里。另一内衬可在镓表面处包括难熔金属环诸如六边形或八边形环，诸如包括斜切难熔金属板的难熔金属环，诸如包括Nb、Mo、Ta或W板的难熔金属环。
热绝缘体可包括真空间隙。真空间隙可包括直径小于储罐直径的衬里与反应池腔室壁之间的空隙，其中反应池腔室压力低，诸如约低于50托。为了防止等离子体接触反应池腔室壁，反应池腔室可以包括顶盖或封盖，诸如陶瓷塞，诸如BN塞。分数氢反应混合物气体管线可供应反应池腔室，而真空管线可提供气体抽空。真空间隙可以通过单独的真空管线连接或通过与反应池腔室或反应池腔室的真空管线提供的真空连接来抽真空。为了防止热镓接触储罐壁，储罐壁可以包括衬里诸如至少一个石英衬里，该衬里具有从储罐基部到刚好高于镓水平面的高度，其中衬里取代熔融镓以防止热镓与壁接触而提供热绝缘。
池壁可以是薄的以增强分子分数氢产物的渗透以避免产物抑制。衬里可包括多孔材料诸如BN、多孔石英、多孔SiC或气隙以促进分数氢产物从反应池腔室扩散和渗透。反应池腔室壁可以包括对分子分数氢高度可渗透的材料，诸如Cr-Mo SS，诸如4130合金SS。
在一个实施方式中，至少一个
Figure BDA0003817985810000931
组件，诸如反应池腔室5b31的壁、储罐5c的壁、EM泵管5k6的壁、底板5kk1和顶部凸缘409a可以涂覆有涂层诸如本公开的一者诸如陶瓷，其实现以下中的至少一者：抗与熔融金属形成合金以及抗O2和H2O中的至少一者的腐蚀。涂层与被涂覆组件的热膨胀系数可以大致匹配，诸如在约0.1至10、0.1至5和0.1至2的因子的至少一个范围内。在具有低热膨胀系数的陶瓷涂层的情况下，选择具有相似热膨胀系数的被涂覆金属诸如Kovar或Invar用于被涂覆组件。
在一个实施方式中，EM泵管5k6和附接至EM泵管5k6的EM汇流条5k2具有大致匹配的热膨胀系数。在示例性实施方式中，连接至EM泵汇流条5k2的EM泵管区段包含Invar或Kovar以匹配W汇流条的低热膨胀系数。
在一个实施方式中，包括衬里的至少一个组件可通过冷却系统来冷却。冷却系统可以将组件温度维持在低于与熔融金属诸如镓形成合金的温度。冷却系统可以包括组件浸入其中的水浴。冷却系统还可包括冲击被冷却部件的水射流。在示例性实施方式中，该组件包括EM泵管，并且EM泵管的水浴浸没和水射流冷却可通过利用具有非常低的热导率的EM泵管衬里(诸如包含石英的衬里)对EM泵所泵送的热镓进行最低程度冷却来实施。
新生水和原子氢的形成
在一个实施方式中，反应池腔室还包括解离器腔室，该解离器腔室容纳：氢解离器，诸如在载体诸如碳或陶瓷珠粒(诸如Al2O3、硅石或沸石珠粒)上的Pt、Pd、Ir、Re或其他解离器金属；雷氏Ni或Ni、铌、钛或呈提供高表面积的形式(诸如粉末、垫、编织物或布)的本公开的其他解离器金属。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000932
包括复合器以将供应的H2和O2催化反应成HOH和H，该HOH和H流入反应池腔室5b31中。复合器还可以包括控制器，该控制器包括温度传感器、加热器和冷却系统(诸如热交换器)中的至少一者，其感测复合器温度并控制冷却系统(诸如水射流)和加热器中的至少一者以将复合器催化剂维持在所需的工作温度范围内，诸如在约60℃至600℃的范围内。上限温度受复合器催化剂烧结和失去有效催化剂表面积的温度限制。
H2/O2复合反应的H2O产率可能不是100％，尤其是在流动条件下。移除氧以防止形成氧化物涂层可以使点燃功率降低约10％至100％的范围。复合器可包括通过将流入池中的氧转化为H2O来移除大约所有的氧的装置。复合器还可充当解离器以形成H原子和HOH催化剂，其通过气体管线流至反应池腔室。气体在复合器中较长的流动路径可能会增加在复合器中的停留时间并使O2到H2O的反应更多完成。然而，复合器和气体管线中较长的路径可能允许更多不希望的H复合和HOH二聚化。因此，在复合器中对流动路径长度的竞争效应的平衡进行了优化，并且可以最小化从复合器/解离器到反应池腔室的气体管线的长度。
在一个实施方式中，向反应池腔室供应氧源诸如O2或H2O导致反应池腔室的氧存量增加。在镓为熔融金属的情况下，氧存量可以包括氧化镓、H2O和O2中的至少一者。氧存量对于分数氢反应的HOH催化剂的形成可能是必不可少的。然而，熔融金属上的氧化物涂层(诸如液态镓上的氧化镓)可能会导致分数氢反应受到抑制并且在固定点燃电流下点燃电压增加。在一个实施方式中，对氧存量进行优化。可通过用控制器间歇地使氧流动来实现优化。作为另一种选择，可以使氧高速流动直至积累最优的存量，然后可降低流量以在较低流量下维持所需的最优存量，该较低流量使通过诸如真空泵抽空之类的手段从反应池腔室和储罐移除而消耗的氧存量的速率相平衡。在一个示例性实施方式中，气体流量为约2500sccmH2/250sccm O2持续约1分钟以加载约100-cc反应池腔室和约1kg镓储罐存量，然后此后约2500sccm H2/5sccm O2。氧化物层未形成或正在消耗的指示是恒定点燃电流下点燃电压随时间降低，其中可通过电压传感器监测该电压，并且可通过控制器控制氧流量。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000941
包括点燃功率参数传感器和氧源流量控制器，其感测固定电流下的点燃电压、固定电压下的点燃电流和点燃功率中的至少一者并响应功率参数而改变氧源流量。氧源可以包含氧和水中的至少一者。在示例性实施方式中，氧源控制器可基于点燃电压来控制流入反应池腔室的氧流量，其中点燃功率参数传感器感测到低于阈值电压的电压时响应增加反应池腔室中的氧存量，以及感测到高于阈值电压的电压时响应降低反应池腔室中的氧存量。
为了增加复合器产率，可增加复合器停留时间、表面积和催化活性。可选择具有较高动力学的催化剂。可以增加工作温度。
在另一个实施方式中，复合器包括热丝，诸如贵金属黑涂覆的Pt丝，诸如Pt黑-Pt丝。通过由动力供应器、温度传感器和控制器维持的电阻加热，可将所述丝维持在足够高的温度以维持期望的复合速率。
在一个实施方式中，H2/O2复合器包括等离子体源，诸如辉光放电等离子体、微波等离子体、射频(RF)等离子体、电感或电容耦合RF等离子体。充当复合器的放电池可以是具有高真空能力的。图16.19A-C中所示的示例性放电池900包括不锈钢容器或辉光放电等离子体腔室901，其顶部具有Conflat凸缘902，Conflat凸缘902具有用镀银铜垫圈密封的配合顶板903。该顶板可具有到内部钨杆电极905的高压馈通件904。池主体可以接地以充当对电极。顶部凸缘还可包括用于H2、O2和混合物的至少一个气体入口906。该不锈钢容器的底部板907可包括到反应池腔室的气体出口。辉光放电池还包括动力源，诸如具有约10V至5kV范围内的电压和约0.01A至100A范围内的电流的DC动力源。可根据帕邢定律选择对于所需气体压力、电极间距和放电电流的辉光放电击穿和维持电压。辉光放电池还可包括诸如火花塞点燃系统之类的装置以引起气体击穿而启动放电等离子体，其中辉光放电等离子体功率在维持辉光放电的较低维持电压下操作。击穿电压可以在约50V至5kV的范围内，并且维持电压可以在约10V到1kV的范围内。辉光放电池可与其他
Figure BDA0003817985810000953
组件诸如反应池腔室5b31和储罐5c电隔离，以防止点燃功率的短路。压力波可能会导致辉光放电不稳定，这导致流入反应池腔室5b31的反应物发生变化，并可能损害辉光放电动力供应器。为了防止由于分数氢反应引起的背压波传播到辉光放电等离子体腔室中，反应池腔室5b31可包括挡板诸如拧入到电极汇流条(在此处来自辉光放电池的气体管线进入反应池腔室)上的BN套管中的挡板。辉光放电动力供应器可包括至少一个电涌保护器元件，诸如电容器。可以使放电池的长度和反应池腔室高度最小化以减少从辉光放电等离子体到镓的正表面的距离，用以通过减少可能复合的距离来增加原子氢和HOH催化剂的浓度。
在一个实施方式中，可以使等离子体池与反应池腔室5b31之间的连接区域最小化以避免原子H壁复合和HOH二聚化。等离子体池诸如辉光放电池可直接连接至电隔离器诸如陶瓷隔离器诸如来自固体密封技术公司(Solid Seal Technologies,Inc.)的电隔离器，该电隔离器直接连接至反应池腔室的顶部凸缘409a。电隔离器可通过焊接件、凸缘接头或本领域已知的其他紧固件连接至放电池和凸缘。电隔离器的内径可以是大的，诸如约放电池腔室的直径，诸如在约0.05cm至15cm的范围内。在其中
Figure BDA0003817985810000951
和放电池的主体维持在相同的电压诸如接地电平的另一个实施方式中，放电池可直接连接至反应池腔室，诸如在反应池腔室的顶部凸缘409a处。连接件可以包括焊接件、凸缘接头或本领域已知的其他紧固件。连接件的内径可以大的，诸如约放电池腔室的直径，诸如在约0.05cm至15cm的范围内。
输出功率水平可通过氢和氧流量、放电电流、点燃电流和电压以及EM泵电流和熔融金属温度来控制。
Figure BDA0003817985810000952
可包括用于这些及其他参数中的每一者的相应传感器和控制器，以控制输出功率。熔融金属诸如镓可以维持在约200℃至2200℃的温度范围内。在一个示例性实施方式中，其包括直径为8英寸的4130Cr-Mo SS池(该池具有沿反应池腔室壁的Mo衬里)、通过一组外径为0.75英寸的Conflat凸缘直接连接反应池腔室的凸缘409a的辉光放电氢解离器和复合器，辉光放电电压为260V；辉光放电电流为2A；氢流量为2000sccm；氧流量为1sccm；工作压力为5.9托；用水浴冷却将镓温度维持在400℃；点燃电流和电压为1300A和26-27V；EM泵速率为100g/s，并且对于29kW的输入点燃功率输出功率超过300kW，对应于至少10倍的增益。
在一个实施方式中，可通过诸如水之类的冷却剂来冷却复合器诸如辉光放电池复合器。在示例性实施方式中，复合器的电馈通件可以是水冷的。可以使复合器浸没在搅拌的水浴中进行冷却。复合器可包括安全终止开关，其感测杂散电压并在电压超过阈值诸如约0V至20V(例如0.1V至20V)的值时终止等离子体动力供应。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000961
包括作为驱动等离子体池诸如放电池诸如辉光放电、微波放电或者电感或电容耦合放电池，其中分数氢反应混合物包含本公开的分数氢反应混合物诸如相对于H2(66.6％)对O2(33.3％)摩尔百分比的化学计量混合物，对氧过量的氢。该驱动等离子体池可包括能够抽真空的容器、反应混合物供应器、真空泵、压力计、流量计、等离子体发生器、等离子体动力供应器和控制器。维持分数氢反应的等离子体源在Mills先前专利申请中给出，所述Mills先前专利申请以引用的方式并入本文。等离子体源可以在包含氢和氧的混合物的分数氢反应混合物中维持等离子体，与H2(66.6％)对O2(33.3％)摩尔百分比的化学计量混合物相比，该氢和氧的混合物的氧缺乏。氢-氧混合物的氧缺乏可以在化学计量混合物的约5％至99％的范围内。该混合物可包含约99.66％至68.33％的H2和约0.333％至31.66％的O2的摩尔百分比。这些混合物可在通过等离子体池诸如辉光放电时产生反应混合物，该反应混合物足以在与反应池腔室中的偏压熔融金属相互作用时引发如本文所述的催化反应。
在一个实施方式中，在可通过速度气体料流装置诸如叶轮或通过气体射流迫使在等离子体池的流出处形成的反应混合物气体进入反应池以增加通过该池的反应物流量同时将反应池压力维持在所需范围内。高速气体在被注入反应池腔室之前可穿过复合器等离子体源。
在一个实施方式中，等离子体复合器/解离器通过将原子H和HOH催化剂从外部等离子体复合器/解离器直接注入反应池腔室中而在反应池腔室中维持原子H和HOH催化剂中的至少一者的高浓度。相应的反应条件可能类似于反应池腔室中非常高的温度产生的那些条件，该条件产生非常高的动力学和功率效应。示例性的高温范围为约2000℃-3400℃。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000962
包括多个复合器/解离器诸如注入原子H和HOH催化剂中的至少一者的等离子体放电池复合器/解离器，其中可以通过流动注入到反应池腔室中。
在另一个实施方式中，氢源诸如H2储槽可连接至歧管，该歧管可连接至至少两个质量流量控制器(MFC)。第一MFC可将H2气体供应至第二歧管，该第二歧管接受H2管线和来自稀有气体源(诸如氩储槽)的稀有气体管线。该第二歧管可向连接至壳体中的解离器(诸如催化剂，诸如Pt/Al2O3、Pt/C或本公开的另一者)的管线进行输出，其中该解离器的输出可以是通往反应池腔室的管线。第二MFC可将H2气体供应至第三歧管，该第三歧管接受H2管线和来自氧源(诸如O2储槽)的氧管线。该第三歧管可向通往壳体中的复合器(诸如催化剂，诸如Pt/Al2O3、Pt/C或本公开的另一者)的管线进行输出，其中该复合器的输出可以是通往反应池腔室的管线。
作为另一种选择，第二MFC可连接至由第一MFC供应的第二歧管。在另一个实施方式中，第一MFC可使氢直接流动至复合器或流动至复合器和第二MFC。氩可由第三MFC供应，该第三MFC从供应器诸如氩储槽接纳气体并将氩直接输出至反应池腔室中。
在另一个实施方式中，H2可从其供应器(诸如H2储槽)流动至向第一歧管进行输出的第一MFC。O2可从其供应器(诸如O2储槽)流动至向第一歧管进行输出的第二MFC。该第一歧管可向复合器/解离器进行输出，该复合器/解离器向第二歧管进行输出。诸如氩之类的稀有气体可从其供应器(诸如氩储罐)流动至向反应池腔室进行输出的第二歧管。其他的流方案在本公开的范畴内，其中所述流通过气体供应器、MFC、歧管和本领域已知的连接件以可能有序排列递送反应物气体。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000972
包括以下各项中的至少一者：氢源，诸如水或氢气，诸如氢储槽；用以控制来自该源的流量的部件，诸如氢质量流量控制器；压力调节器；低于腔室中的熔融金属液位的管线，诸如来自该氢源至储罐或反应池腔室中的至少一者的氢气管线；和控制器。可将氢源或氢气直接引入熔融金属中，其中浓度或压力可大于通过引入至金属外部而实现的浓度或压力。较高浓度或压力可增加氢在熔融金属中的溶解度。氢可溶解为原子氢，其中熔融金属诸如镓或镓铟锡合金可充当解离器。在另一个实施方式中，氢气管线可包括氢解离器，诸如载体上的贵金属，诸如Al2O3载体上的Pt。可从反应池腔室中的熔融金属的表面释放原子氢以支持分数氢反应。气体管线可具有来自氢源的入口，该入口处于比进入熔融金属的出口高的海拔处以阻止熔融金属回流进质量流量控制器中。氢气管线可延伸至熔融金属中并且可还在端部处包括用以分配氢气的氢扩散器。管线诸如氢气管线可包括U形区段或阱。该管线可在熔融金属上方进入反应池腔室并且包括在熔融金属表面下面弯曲的区段。氢源(诸如氢储槽)、调节器和质量流量控制器中的至少一者可提供氢源或氢的足够压力以克服熔融金属在管线(诸如氢气管线)的出口处的排出压力以允许所需的氢源或氢气流动。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000971
包括氢源(诸如储槽)、阀、调节器、压力计、真空泵和控制器，并且还可包括至少一个部件以从氢源形成原子氢，诸如氢解离器(诸如本公开的氢解离器，诸如Re/C或Pt/C)和等离子体(诸如分数氢反应等离子体)源、可施加至
Figure BDA0003817985810000981
电极以维持辉光放电等离子体的高电压动力源、RF等离子体源、微波等离子体源或本公开的用以维持反应池腔室中的氢等离子体的另一等离子体源中的至少一者。该氢源可供应加压的氢。加压氢源可以以可逆方式和间断方式中的至少一种方式用氢给反应池腔室加压。加压氢可溶解进熔融金属诸如镓中。用以形成原子氢的部件可增加氢在熔融金属中的溶解度。反应池腔室氢压力可以在约0.01大气压至1000大气压、0.1大气压至500大气压和0.1大气压至100大气压中的至少一个范围内。可在允许吸收的保压时间之后通过抽空而移除氢。该保压时间可在约0.1秒至60分钟、1秒至30分钟和1秒至1分钟中的至少一个范围内。
Figure BDA0003817985810000982
可包括多个反应池腔室和控制器，可对该控制器进行以下操作中的至少一者：用原子氢间断地供应该控制器；以及以协调方式用氢对该控制器加压和减压，其中每反应池腔室可正在吸收氢，而正在对另一反应池腔室加压或供应原子氢、抽空或在操作中维持分数氢反应。用于致使氢吸收进熔融镓中的示例性系统和条件由Carreon[M.L.Carreon,“Synergisticinteractions of H2 and N2 with molten gallium in the presence of plasma”,Journal of Vacuum Science&Technology A,第36卷,第2期,(2018),021303第1-8页；https://doi.org/10.1116/1.5004540]给出，将该文献以引用的方式并入本文。在一个示例性实施方式中，在高氢压力诸如0.5至10大气压下操作
Figure BDA0003817985810000983
其中等离子体显示脉冲行为，其具有比连续的等离子体和点燃电流的情况下低得多的输入功率。然后，使压力维持在约1托至5托，其中在大于90℃下1500sccm H2+15sccm O2流过1g的Pt/Al2O3并然后进入反应池腔室，其中随着镓温度增加额外的H2从镓脱气时形成高输出功率。可重复相应的H2加载(镓吸收)和卸载(H2从镓脱气)。
在一个实施方式中，可在将熔融金属推进至一对电极中的相对电极的方向上将氢源或氢气直接注入至熔融金属中，其中熔融金属浴充当电极。气体管线可充当注射器，其中氢源或氢注入诸如H2气体注入可至少部分地充当熔融金属注射器。EM泵注射器可充当包括至少两个电极和电力源的点燃系统的额外熔融金属注射器。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000984
包括分子氢解离器。该解离器可容纳于反应池腔室中或容纳于与反应池腔室气体连通的单独腔室中。单独的壳体可防止解离器由于暴露于诸如镓之类的熔融金属而失效。解离器可包含解离材料，诸如负载型Pt，诸如氧化铝珠粒上的Pt或者本发明或本领域已知的另一者。作为另一种选择，解离器可包括热丝或等离子体放电源，诸如辉光放电、微波等离子体、等离子体炬、电感或电容耦合的RF放电、介质阻挡放电、压电直接放电、声学放电或本发明或本领域已知的另一放电池。该热丝可由动力源以电阻方式加热，该动力源使电流流过穿透反应池腔室壁的电隔离的馈通件并然后通过该丝。
在另一个实施方式中，可增加点燃电流以增加氢解离速率和等离子体离子-电子复合速率中的至少一者。在一个实施方式中，点燃波形可包括DC偏移(诸如在约1V至100V的电压范围内的DC偏移)以及在约1V至100V的范围内的叠加AC电压。DC电压可充分地增加AC电压以在分数氢反应混合物中形成等离子体，并且AC分量可在存在等离子体的情况下包含高电流诸如在约100A至100,000A的范围内。具有AC调制的DC电流可致使点燃电流以相应的AC频率(诸如在约1Hz至1MHz、1Hz至1kHz和1Hz至100Hz的至少一个范围内的AC频率)产生脉冲。在一个实施方式中，增加EM泵送以减少电阻并增加电流和点燃功率的稳定性。
在一个实施方式中，可借助于微中空阴极放电来维持高压辉光放电。微中空阴极放电可保持在开口直径大致100微米的两个紧密间隔的电极之间。示例性直流放电可维持至多约大气压。在一个实施方式中，高气压下的大体积等离子体可通过叠加平行操作的独立辉光放电来维持。等离子体电流可为DC或AC中的至少一者。
在一个实施方式中，通过供应比H2O或H2更容易解离的氢源而增加原子氢浓度。示例性的源是每个H原子具有较低焓和较低形成自由能中的至少一者的那些源，诸如甲烷、烃、甲醇、乙醇、包含H的另一有机分子。
在一个实施方式中，解离器可包括电极8，诸如图25中所示的电极8。电极8可包括解离器，该解离器能够在高温(诸如高达3200℃的高温)下操作并且可还包含抵抗与诸如镓之类的熔融金属形成合金的材料。示例性的电极包含W和Ta中的至少一者。在一个实施方式中，汇流条10可包括附接的解离器，诸如叶片解离器，诸如平面板。可通过沿着汇流条10的轴固定边缘的面而附接该板。该叶片可包括桨轮模式。叶片可通过从汇流条10的热传导而加热，汇流条10可通过以下中的至少一者来加热：点燃电流以电阻方式加热以及分数氢反应加热。诸如叶片之类的解离器可包含难熔金属，诸如Hf、Ta、W、Nb或Ti。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810000991
包括大致单色光(例如，具有小于50nm或小于25nm或小于10nm或小于5nm的频谱带宽的光)的源和用于该大致单色光的窗。该光可入射于氢气(诸如反应池腔室中的氢气)上。H2的基本振动频率是4161cm-1。可能的多个频率中的至少一个频率可大致与H2的振动能共振。大致共振的辐射可由H2吸收以引起选择性的H2键解离。在另一个实施方式中，光的频率可大致与以下各项中的至少一者共振：(i)H2O的OH键的振动能，诸如3756cm-1，以及本领域技术人员已知的其他者，诸如由Lemus[R.Lemus,“Vibrationalexcitations in H2O in the framework of a local model,”J.Mol.Spectrosc.,第225卷,(2004),第73–92页]给出的那些，将该文献以引用方式并入，(ii)氢键合的H2O分子之间的氢键的振动能，和(iii)氢键合的H2O分子之间的氢键能，其中光的吸收致使H2O二聚物和其他H2O多聚物解离成新生水分子。在一个实施方式中，分数氢反应气体混合物可包含额外的气体，诸如来自源的氨，该源能够与H2O分子进行H键合以通过与水二聚物H键合竞争而增加新生HOH的浓度。新生HOH可充当分数氢催化剂。
在一个实施方式中，分数氢反应形成来自功率、热力、等离子体、光、压力、电磁脉冲和震波的群组的至少一个反应特征。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810001001
包括至少一个传感器和至少一个控制系统以监测所述反应特征并控制诸如反应混合物组成之类的反应参数以及诸如压力和温度之类的条件以控制分数氢反应速率。反应混合物可包含以下各项中的至少一者或以下各项的源：H2O、H2、O2、稀有气体(诸如氩)和GaX3(X＝卤离子)。在一个示例性实施方式中，感测电磁脉冲(EMP)的强度和频率，并且控制反应参数以增加EMP的强度和频率从而增加反应速率，反之亦然。在另一个示例性实施方式中，感测震波频率、强度和传播速度(诸如两个声探头之间的那些)中的至少一者，并且控制该反应参数以增加震波频率、强度和传播速度中的至少一者从而增加反应速率，反之亦然。
熔融金属
H2O可与诸如镓之类的熔融金属反应以形成H2(g)以及诸如Ga2O3和Ga2O之类的相应氧化物、诸如GaO(OH)之类的羟基氧化物以及诸如Ga(OH)3之类的氢氧化物。可控制镓温度以控制与H2O的反应。在一个示例性实施方式中，可使镓温度维持低于100℃以实现以下各项中的至少一者：防止H2O与镓反应以及致使以缓慢动力学发生H2O-镓反应。
在另一个示例性实施方式中，可使镓温度维持高于约100℃以致使以快速动力学发生H2O-镓反应。H2O与镓在反应池腔室5b31中的反应可有利于形成至少一种分数氢反应物诸如H或HOH催化剂。在一个实施方式中，水可注入反应池腔室5b31中并且可与可维持在高于100℃的温度的镓发生反应以实现以下各项中的至少一者：(i)形成H2以用作H源，(ii)致使H2O二聚物形成HOH单体或新生HOH以充当催化剂，以及(iii)减少水蒸气压力。
在一个实施方式中，GaOOH可充当固体燃料分数氢反应物以形成HOH催化剂和H(充当形成分数氢的反应物)中的至少一者。在一个实施方式中，诸如Ga2O3或Ga2O之类的氧化物、诸如Ga(OH)3之类的氢氧化物和诸如GaOOH、AlOOH或FeOOH之类的羟基氧化物中的至少一者可充当用以结合诸如H2(1/4)之类的分数氢的基质。在一个实施方式中，将GaOOH和金属氧化物(诸如不锈钢和不锈钢-镓合金的那些)中的至少一者添加至反应池腔室以充当用于分数氢的吸气剂。可将吸气剂加热至高温(诸如在约100℃至1200℃的范围内的高温)以释放诸如H2(1/4)之类的分子分数氢气体。
在一个实施方式中，合金形成反应实现以下中的至少一者：俘获和吸收分子分数氢于充当吸气剂的合金产物中。浸入液态镓中的固体金属片诸如不锈钢(SS)件可与镓反应而形成充当分子分数氢吸气剂的金属-镓合金。在示例性实施方式中，不锈钢反应池腔室壁和储罐壁中的至少一者可充当反应表面，该反应表面被消耗以形成至少一种不锈钢合金诸如Ga3Fe、Ga3Ni和Ga3Cr中的至少一者，以吸收或俘获分子分数氢。由于渗透屏障，分子分数氢气体可能积聚在壁处。分数氢反应产物的局部浓度增加通常会增加合金中捕获的分子分数氢气体浓度。在吸气剂中吸收反应产物之后，吸气剂可以是分子分数氢气体的源，可通过诸如加热吸气剂之类的手段释放分子分数氢气体。在一个实施方式中，吸气剂包含氧化镓、GaOOH和至少一种不锈钢合金中的至少一者。可将吸气剂溶解在含水碱诸如NaOH或KOH中以形成分子分数氢诸如俘获在GaOOH基质中的H2(1/4)。
在一个实施方式中，本公开的固体燃料诸如FeOOH、碱金属卤化物-氢氧化物混合物和过渡金属卤化物-氢氧化物混合物诸如Cu(OH)2+FeBr2可以通过以下中的至少一者来活化以反应而形成分数氢：施加热量和施加机械动力。后者可通过球磨固体燃料来实现。
在一备选的实施方式中，
Figure BDA0003817985810001011
包括冷却剂流热交换器(包括泵送系统)，借此通过流动的冷却剂使反应池腔室冷却，其中可使流量变化以控制反应池腔室在所需的温度范围内操作。热交换器可包括具有通道的板，诸如微通道板。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810001012
包括池，该池包括反应池腔室531、储罐5c、基座5c1和与分数氢反应等离子体接触的所有组件，其中一个或多个组件可包括池区带。在一个实施方式中，热交换器(诸如包含流动的冷却剂的热交换器)可包括组织于池区带中的多个热交换器以将相应的池区带维持在独立的所需温度。
在一个实施方式(诸如图30中所示的实施方式)中，
Figure BDA0003817985810001013
包括固定在反应池腔室5b31的内侧上处于熔融镓液位处的热绝缘材料或衬里5b31a以防止热镓直接接触腔室壁。该热绝缘材料可包含热绝缘体、电绝缘体和抵抗被诸如镓之类的熔融金属润湿的材料中的至少一者。绝缘材料可实现以下各项中的至少一者：允许镓的表面温度增加；以及减少反应池腔室的壁上的可使壁熔融的局部热点的形成。另外，氢解离器(诸如本公开的氢解离器)可包覆于衬里的表面上。在另一个实施方式中，存在以下情形中的至少一者：增加壁厚度；以及热扩散器诸如铜块包覆于壁的外部表面上以分散壁内的热力以防止局部壁熔融。热绝缘材料可包含陶瓷，诸如BN、SiC、碳、莫来石、石英、熔融硅石、氧化铝、氧化锆、氧化铪、本公开的其他者和本领域技术人员已知的材料。可选择绝缘材料的厚度以实现熔融金属和氧化镓表面涂层的所需面积，其中较小面积可通过分数氢反应等离子体的浓缩而增加温度。由于较小面积可降低电子-离子复合速率，因此该面积可经优化以有利于氧化镓薄膜的消除同时优化分数氢反应功率。在包括矩形反应池腔室的一个示例性实施方式中，将矩形BN块螺栓连接至带螺纹螺柱上，该带螺纹螺柱在熔融镓的表面的液位处焊接至反应池腔室的内侧壁。BN块在此位置处在反应池腔室的内侧上形成连续凸起表面。
在一个实施方式(图25和图30)中，
Figure BDA0003817985810001021
包括在储罐5c的底部穿过EM泵的底板的汇流条5k2a1。该汇流条可连接至点燃电流动力供应器。该汇流条可延伸至熔融金属液位上方。除诸如镓之类的熔融金属之外，该汇流条还可充当正电极。熔融金属可使汇流条散热以使其冷却。在熔融金属包含镓的情形中该汇流条可包含不与熔融金属形成合金的难熔金属诸如W、Ta或Re。从镓表面突出的汇流条(诸如W杆)可使等离子体集中在镓表面。注射器喷嘴(诸如包含W的注射器喷嘴)可浸没于储罐中的熔融金属中以保护其免受热损坏。
在一个实施方式(图25)，诸如其中熔融金属充当电极的实施方式中，可使充当熔融电极的横截面面积最小以增加电流密度。熔融金属电极可包括注射器电极。注入喷嘴可以是浸没的。熔融金属电极可以是正极性。熔融金属电极的面积可以大致为对电极的面积。可使熔融金属表面的面积最小以充当具有高电流密度的电极。该面积可在约1cm2至100cm2、1cm2至50cm2和1cm2至20cm2中的至少一个范围内。反应池腔室和储罐中的至少一者可渐缩至熔融金属液位处的较小横截面面积。反应池腔室和储罐中的至少一者的至少一部分可在熔融金属的液位处包含难熔材料，诸如钨、钽或陶瓷(诸如BN)。在一个示例性实施方式中，可使反应池腔室和储罐中的至少一者在熔融金属液位处的面积最小以充当具有高电流密度的正电极。在一个示例性实施方式中，反应池腔室可以是圆柱形的并且还可包括通往储罐的减径管、锥形区段或过渡区，其中诸如镓之类的熔融金属将储罐填充至一定液位，使得相应熔融金属表面处的镓横截面面积是小的以集中电流并增加电流密度。在一个示例性实施方式(图31A)中，反应池腔室和储罐中的至少一者可包括沙漏形状或双曲面体的一块片材，其中熔融金属液位在约最小横截面面积的水平处。该区可包含难熔材料或包括难熔材料(诸如碳)、难熔金属(诸如W、Ta或Re)或陶瓷(诸如BN、SiC或石英)的衬里5b31a。在示例性实施方式中，反应池腔室可包含不锈钢诸如347SS诸如4130合金SS并且衬里可包含W或BN。在一个实施方式中，反应池腔室包括至少一个等离子体约束结构诸如以电极之间的轴为中心的环形圈，以将等离子体约束在该环形圈内。该环形圈可以使以下中的至少一者：与熔融金属和反应池腔室的壁短接以及通过至少一个电绝缘支撑件电隔离。
反应池或腔室构造
在一个实施方式中，反应池腔室可包括管式反应器(图31B-C)，诸如包括具有真空或高压能力的不锈钢管式容器5b3的管式反应器。容器内的压力和反应混合物可通过经气体入口710流入气体和经真空管线711排出气体来控制。反应池腔室5b31可包括衬里5b31a诸如难熔衬里诸如陶瓷衬里诸如包含BN、石英、热解碳或SiC的陶瓷衬里，其可将反应池腔室5b31与容器5b3壁电隔离并且可以进一步防止镓合金形成。作为另一种选择，难熔金属衬里诸如W、Ta或Re可减少镓合金形成。EM汇流条5k2可包括导电并且抵抗镓合金形成的材料、涂层或包覆层。示例性材料为Ta、Re、Mo、W和Ir。每个汇流条5k2可通过焊接件或紧固件(如Swagelok)固定至EM泵管，该焊接件或紧固件可包括涂层，该涂层包含陶瓷或耐镓合金金属诸如Ta、Re、Mo、W和Ir中的至少一者。
在一个实施方式中，衬里(例如，EM泵的衬里、反应池衬里)包含多种材料的混杂物，诸如多种陶瓷或者陶瓷和难熔金属。陶瓷可以是本公开中的一者，诸如BN、石英、氧化铝、氧化锆、氧化铪，或者二硼化物或碳化物诸如Ta、W、Re、Ti、Zr或Hf的二硼化物或碳化物诸如ZrB2、TaC、HfC和WC。难熔金属可以是本公开中的一者，诸如W、Ta、Re、Ir或Mo。在管状池的示例性实施方式中(图31B-C)中，衬里包括BN管，该管在等离子体最强烈的区域具有凹陷带，其中直径略大于BN管衬里直径的W管区段保持在BN衬里的凹陷带中。在示例性实施方式中，难熔金属管状反应池腔室5b31的衬里诸如包含铌或钒并且涂覆有陶瓷诸如氧化锆-二氧化钛-氧化钇(ZTY)以防止氧化的衬里包括内部BN管，该BN管在所需位置诸如在分数氢反应产生的等离子体强度最高的位置处具有至少一种难熔金属或陶瓷镶嵌物诸如W镶嵌物。
在一个实施方式中，至少一个
Figure BDA0003817985810001032
组件(诸如储罐、反应池腔室和EM泵管)的陶瓷衬里、涂层或包覆层可包含金属氧化物、氧化铝、氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、氧化镁、氧化铪、碳化硅、碳化锆、二硼化锆、氮化硅(Si3N4)、玻璃陶瓷诸如Li2O×Al2O3×nSiO2系(LAS系)、MgO×Al2O3×nSiO2系(MAS系)、ZnO×Al2O3×nSiO2系(ZAS系)中的至少一者。至少一个
Figure BDA0003817985810001031
组件诸如储罐、反应池腔室、EM泵管、衬里、包覆层或涂层可包含难熔材料诸如以下中的至少一者：石墨(升华点＝3642℃)、难熔金属诸如钨(熔点＝3422℃)或钽(熔点＝3020℃)、铌、铌合金、钒、陶瓷、超高温陶瓷以及陶瓷基质复合材料诸如硼化物、碳化物、氮化物和氧化物(诸如早期过渡金属的硼化物、碳化物、氮化物和氧化物诸如硼化铪(HfB2)、二硼化锆(ZrB2)、氮化铪(HfN)、氮化锆(ZrN)、碳化钛(TiC)、氮化钛(TiN)、二氧化钍(ThO2)、硼化铌(NbB2)和碳化钽(TaC)以及它们的相关复合材料)中的至少一者。具有所需高熔点的示例性陶瓷是氧化镁(MgO)(熔点＝2852℃)、氧化锆(ZrO)(熔点＝2715℃)、氮化硼(BN)(熔点＝2973℃)、二氧化锆(ZrO2)(熔点＝2715℃)、硼化铪(HfB2)(熔点＝3380℃)、碳化铪(HfC)(熔点＝3900℃)、Ta4HfC5(熔点＝4000℃)、Ta4HfC5TaX4HfCX5(4215℃)、氮化铪(HfN)(熔点＝3385℃)、二硼化锆(ZrB2)(熔点＝3246℃)、碳化锆(ZrC)(熔点＝3400℃)、氮化锆(ZrN)(熔点＝2950℃)、硼化钛(TiB2)(熔点＝3225℃)、碳化钛(TiC)(熔点＝3100℃)、氮化钛(TiN)(熔点＝2950℃)、碳化硅(SiC)(熔点＝2820℃)、硼化钽(TaB2)(熔点＝3040℃)、碳化钽(TaC)(熔点＝3800℃)、氮化钽(TaN)(熔点＝2700℃)、碳化铌(NbC)(熔点＝3490℃)、氮化铌(NbN)(熔点＝2573℃)、碳化钒(VC)(熔点＝2810℃)和氮化钒(VN)(熔点＝2050℃)，以及涡轮机叶片材料诸如选自以下群组的一者或多者：超合金、包含铬、钴和铼的镍基超合金、包含陶瓷基质复合材料的镍基超合金、U-500、Rene 77、Rene N5、Rene N6、PWA 1484、CMSX-4、CMSX-10、铬镍铁合金、IN-738、GTD-111、EPM-102和PWA 1497。诸如MgO和ZrO之类的陶瓷可以抵抗与H2反应。
在一个实施方式中，每个储罐5c、反应池腔室5b31和EM泵管5k6内部中的至少一者涂覆有陶瓷或包括陶瓷衬里诸如以下中的一者：BN、石英、碳、热解碳、碳化硅、二氧化钛、氧化铝、钇、铪、氧化锆或诸如TiO2-Yr2O3-Al2O3之类的混合物或本公开的另一者。示例性的碳涂层包括Aremco Products公司的Graphitic Bond 551RN，示例性的氧化铝涂层包括Cotronics公司的Resbond 989。在一个实施方式中，衬里包括至少两个同心蛤壳，诸如两个BN蛤壳衬里。蛤壳的竖直接缝(与储罐平行)可以偏移或错开相对旋转角度以避免从反应池腔室内的等离子体或熔融金属到反应池腔室壁的直接电路径。在示例性实施方式中，在该竖直接缝处偏移为90°，其中蛤壳的两个区段允许衬里热膨胀而不会破裂，并且重叠的内衬里和外衬里由于同心蛤壳衬里接缝组的相对偏移而阻止等离子体电短接至反应腔室壁。另一个示例性实施方式包括蛤壳式内衬里和完整的外衬里，诸如BN蛤壳式内衬里和碳或陶瓷管式外衬里。在多个同心衬里的另一个实施方式中，至少内衬里包括竖直层叠区段。内衬里的水平接缝可由外衬里覆盖，其中在外衬里也包括竖直层叠区段的情况下内衬里的接缝与外衬里的接缝处于不同的垂直高度。所产生的接缝偏移可防止反应池腔室内的熔融金属和等离子体中的至少一者与反应池腔室壁之间的电短路。
衬里包括能够高温操作并具有良好抗热震性的电绝缘体。机械加工性、提供热绝缘的能力以及对与分数氢反应物和熔融金属的反应性的抵抗性也是合乎需要的。示例性的衬里材料是BN、AlN、Sialon和Shapal中的至少一者。氮化硅(Si3N4)、碳化硅、Sialon、莫来石和Macor可用作BN内衬里周边的热绝缘材料。衬里可包括多孔类型的衬里材料，诸如多孔Sialon。另外的示例性衬里包括以下中的至少一者：具有Ta或W镶嵌物或内部BN衬里以保护其免受分数氢等离子体影响的SiC-碳釉面石墨、热解涂覆的碳、SiC-C复合材料、氮化硅粘合的碳化硅、氧化钇稳定化氧化锆、具有Ta或W镶嵌物的SiC。衬里可以是水平和垂直分区段中的至少一者以减少热冲击。带衬里的组件(诸如反应池腔室5b31和储罐5c中的至少一者)的温度可以以避免衬里(诸如SiC衬里)的衬里热冲击(例如，由于等离子体加热过快，导致衬里中产生热梯度和基于胀差的应力而产生的冲击，从而导致失效)的速率升高。升温速率可以在约1℃/分钟至200℃/s的范围内。分段的区段可以通过并置区段上的结构特征物诸如搭叠(ship lapping)或榫槽互锁。在一个实施方式中，每一者包括电绝缘体的区段的联锁可防止等离子体电短接至反应池腔室壁5b31。在另一个实施方式中，衬里可包括多孔陶瓷，诸如多孔的SiC、MgO、耐火砖、ZrO2、HfO2和Al2O3以避免热冲击。衬里可包括多个或层叠的同心衬里材料，所述材料组合起来提供所需的衬里特性。最内层可具有高温化学惰性、高抗热震性和高温操作能力。外层可提供电绝缘和热绝缘以及在它们的工作温度下对反应性的抵抗。在示例性实施方式中，石英在低于约700℃下操作以避免与镓反应生成氧化镓。待测的示例性同心衬里层叠件从内到外为：BN-SiC-Si3N4，其中石英、SiC、SiC涂覆的石墨或SiC-C复合材料可代替Si3N4，而AlN、Sialon或Shapal可代替BN或SiC。
在一个实施方式中，衬里可包括反应池腔室5b31周边的壳体。该壳体的壁可包括本公开的陶瓷或带涂层或包覆层的金属。该壳体可填充有热稳定的热绝缘体。在示例性实施方式中，壳体包括双壁式BN管衬里，该BN管衬里包括内部和外部BN管，在两个管之间具有间隙并且BN端板在间隙的顶部和底部密封以形成腔体，其中该腔体可填充有硅胶或其他耐高温热绝缘体诸如内部石英管。
在包括多个同心衬里的实施方式中，至少一个外部同心衬里可以是以下中的至少一者：(i)充当散热器和(ii)从并置的内衬里移除热量。外衬里可包含具有高传热系数的材料诸如BN或SiC。在示例性实施方式中，最内层衬里可包括可分区段的BN，并且相应的外衬里可包括可分区段和层叠的SiC，使得该最内层衬里区段和外衬里区段的接缝偏移或错开。
在一个实施方式中，由于镓沸腾将储罐镓与电极8之间的总压力增加到不能形成等离子体的程度，反应池腔室等离子体可短接至反应池腔室壁而不是连接至储罐镓表面。点燃电压可随着压力增加而增加，直到通过低压本体气体至反应腔室壁的电阻降低。在一个实施方式中，可通过在恒定点燃电流下点燃电压的升高来感测镓蒸发。控制器可以响应电压升高而降低点燃功率、改变气体压力、降低复合器等离子体功率或增加EM泵送和镓混合以减少该蒸发。在另一个实施方式中，控制器可以实现以下中的至少一者：间歇地施加点燃电流以抑制镓沸腾，其中分数氢反应等离子体可在点燃关闭的部分工作周期期间维持，以及使氩从源流入反应池腔室以通过增加压力来抑制镓沸腾，同时避免H原子浓度降低。在实施方式诸如图16.19A-B中所示的实施方式中，EM泵5kk包括多个级或泵以增加熔融金属的搅拌以防止形成可能沸腾的局部热点。在图16.19C所示的实施方式中，
Figure BDA0003817985810001062
可包括具有多个熔融金属注射器5k61的多个EM泵组装件5kk，每个注射器具有相应的对电极8。在一个实施方式中，EM泵可通过多个注射电极5k61将熔融镓注入至至少一个对电极8。该多个电极对可增加电流同时降低等离子体电阻以增加分数氢反应功率和增益。还可以降低由于局部镓表面过度加热导致的镓沸腾而引起的高压。
真空管线711可包括含有诸如金属棉(诸如SS棉)或陶瓷纤维(诸如包含氧化铝、硅酸盐、氧化锆、氧化镁和氧化铪中的至少一者的陶瓷纤维)之类的材料的区段，所述材料具有大表面积，但对气体具有高度扩散性。冷凝材料可冷凝镓和氧化镓(其可以回流进反应池腔室中)，同时允许通过抽空移除诸如H2、O2、氩和H2O之类的气体。真空管线711可以包括竖直区段以增强镓和镓产物回流至反应池腔室5b31。在一个实施方式中，可将镓添加剂诸如至少一种其他金属、元素、化合物或材料添加至镓中以防止沸腾。镓添加剂可包含银，其可进一步在反应池腔室5b31中形成纳米颗粒以降低等离子体电阻和增加分数氢功率增益。
在实验上，由于等离子体电流密度、等离子体密度和相应的等离子体加热效应的增加，使用包括较小直径反应池腔室的
Figure BDA0003817985810001061
增加了分数氢反应功率。随着辉光放电复合器的创新，等离子体浓度不再是必需的，因为放电等离子体产生高温效应，包括制备一定量的新生水，该新生水可表征为具有足以防止氢键形成的内能的水。在包括等离子体复合器诸如辉光放电复合器的实施方式中，通过使衬里与分数氢等离子体保持距离来避免对衬里诸如BN衬里的损害。为了实现该保持距离，与产生类似功率的SunCell相比，衬里可以包括更大的直径。在一个实施方式中，衬里诸如BN衬里接触反应池腔室壁以改善向外部水浴的热传递，从而防止BN破裂。在一个实施方式中，衬里可以是分区段的并且在最强等离子区诸如熔融金属表面与对电极8之间的区带中包含多种材料诸如BN，并且还包括至少一种不同陶瓷的区段，诸如其他区中的碳化硅。此外，某些衬里诸如BN可提高反应产物(诸如分数氢)的钝性，以提供更有效的功率产生。
最内层衬里诸如BN衬里的至少一个区段可包括所需厚度诸如0.1mm至10cm厚，以至少径向地将热量从熔融金属诸如镓传递至外部散热器诸如水冷却剂。在一个实施方式中，衬里诸如BN衬里可以与储罐壁和反应腔室壁中的至少一者进行良好的热接触。可对内层衬里的直径进行选择以将其从反应池腔室的中心充分移除，从而将等离子体损害降低至所需程度。直径可以在0.5cm至100cm的范围内。衬里可以是难熔金属镶嵌物，诸如在等离子体最强烈的区域中的W镶嵌物。在示例性实施方式中，直径为8cm的BN衬里与周边反应池腔室壁和储罐壁接触，其中浸没在熔融金属中的衬里部分包括穿孔以允许熔融金属接触储罐壁从而增加向储罐壁和外部冷却剂诸如水或空气冷却剂的热传递。在另一个示例性实施方式中，内部平头端层叠的BN分区段衬里包括低于熔融金属液位的穿孔，并且外部同心衬里包括单件SiC圆柱体，其在底部切割有凹口以允许径向熔融金属流动和热传递。
在一个实施方式中，内衬里或外衬里中的至少一者包含难熔金属诸如W或Ta，并且另一者包含电绝缘体诸如陶瓷诸如BN，其中该难熔金属衬里可通过热传导和散热中的至少一者耗散局部热点。除了通过将热量从最内层衬里表面转移走来消除暴露于分数氢反应等离子体的最内层衬里上的热应力之外，分数氢渗透速率在具有高传热系数的衬里和反应池腔室材料(诸如Cr-Mo-SS对304-SS，或BN对Sialon)中可能更高，这可通过减少分数氢产物抑制来增加分数氢反应速率。包括同心衬里和反应池腔室壁部件以促进分数氢产物渗透和热传递至外部冷却剂诸如水浴的示例性
Figure BDA0003817985810001071
实施方式包括BN最内层衬里、相应的SiC外衬里和同心Cr-Mo SS反应池腔室壁，在同心部件之间具有良好的热接触。在其中期望热量保留在反应池腔室(诸如包括热交换器诸如熔融镓到空气的热交换器的反应池腔室)中的实施方式中，反应池腔室可包括附加的外部同心热绝缘衬里诸如石英衬里，并且可以进一步包括热绝缘基部诸如包括底部石英衬里的基部。
在一个实施方式中，衬里可包含难熔金属，诸如W、Ta、Mo或Nb中的至少一者，其抵抗与镓形成合金。金属衬里可以与池壁接触以增加向外部冷却剂诸如水的热传递。在一个实施方式中，从电极8的周围边缘到反应池腔室5b31壁的水平距离大于储罐中的熔融金属与电极8之间的竖直间隔，其中反应池腔室和储罐中的至少一者可任选包括衬里。在示例性实施方式中，居中的钨电极8在直径在约6至8英寸范围内的反应池腔室中具有约1至1.5英寸的直径，其中W、Ta、Mo或Nb衬里与反应池腔室壁接触。具有足以避免在壁与电极8之间形成放电的直径的反应池腔室可不包括衬里以改善跨越壁的热传递和分数氢穿过壁扩散以避免分数氢产物抑制中的至少一者。在实施方式诸如图16.19A-B中所示的实施方式中，储罐壁和反应池腔室壁的一部分中的至少一者可以用抵抗镓合金形成的材料诸如金属诸如Nb、Mo、Ta或W代替。与池的其他组件(诸如反应池腔室5b31壁和储罐壁的其余部分)的接头911可以用焊接件、硬钎焊件或粘合剂诸如胶粘合。该粘合可以是在与替带区段重叠的唇缘处。
在一个实施方式中，最内层衬里可包含难熔材料(诸如包含W或Ta的材料)和熔融金属冷却系统中的至少一者。熔融金属冷却系统可包括EM泵喷嘴，该EM泵喷嘴将所注入的熔融金属(诸如镓)的至少一部分引导到衬里上使其冷却。该熔融金属冷却系统可包括多个喷嘴，所述多个喷嘴将熔融金属喷射到对电极上并且还将熔融金属喷射到衬里的壁上以使其冷却。在示例性实施方式中，该熔融金属冷却系统包括可浸没在储罐中容纳的熔融金属中、设置在储罐的中心区域诸如储罐的中心或靠近该储罐中心区域的注射器喷嘴以及衬里内部的环形圈注射器，该环形圈注射器包括一系列孔或喷嘴以将环形喷雾喷射到衬里的内表面上。中心的注射器和环形圈注射器可以由同一个EM泵或独立的EM泵供应。衬里诸如BN或SiC衬里可具有高传热系数。衬里可与反应池腔室壁5b31紧密接触，可冷却反应池腔室壁5b31以冷却衬里。在示例性实施方式中，反应池腔室壁5b31可经水冷或空气冷却。
在一个实施方式中，衬里诸如石英衬里由熔融金属诸如镓冷却。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810001081
包括多喷嘴熔融金属注射器或多个熔融金属注射器以通过搅拌和使反应分布在熔融金属表面上来散布由分数氢反应释放的热量。所述多个喷嘴可以分布反应功率以避免熔融金属的局部过度蒸发。
在一个实施方式中，Ta、Re或W衬里可构成Ta、Re或W容器，该容器包括壁诸如Ta、Re或W圆柱形管、焊接的Ta、Re或W底板和至少一个紧固的穿透组件诸如焊入式的Ta、Re或W EM泵管入口以及注射器出口、点燃汇流条和热电偶套管中的至少一者。在另一个实施方式中，该容器可包含陶瓷诸如SiC、BN、石英或本公开的另一种陶瓷，其中该容器可包括过渡到穿透组件的至少一个凸台，其中紧固件可包括带垫圈的活接头(诸如包括石墨垫片的活接头或本公开的另一者)或胶(诸如陶瓷-金属胶，诸如本公开的Resbond或Durabond)。该容器可以具有开放顶部。该容器可以容纳在金属外壳诸如不锈钢外壳中。穿透部诸如点燃汇流条可通过密封件(诸如Swageloks)或外壳(诸如由凸缘和垫圈形成的外壳)真空密封至该不锈钢外壳。该外壳可以在顶部密封。密封件可包括Conflat凸缘409e和底板409a(图31A-C)。凸缘可用螺栓(可包括弹簧加载的螺栓)、碟形弹簧垫片或锁紧垫片密封。容器衬里还可包括内衬里，诸如陶瓷衬里，诸如至少一个同心BN或石英衬里。包含Re的本公开的组件可包含涂覆有Re的其他金属。
在一个实施方式中，衬里5b31a可以覆盖反应池腔室5b31和储罐5c的所有壁。反应物气体供应管线710和真空管线711中的至少一者可以安装在顶部凸缘409a上(图31B-C)。真空管线可以竖直安装以进一步充当金属蒸气或期望回流的其他冷凝物的冷凝器和回流器。
Figure BDA0003817985810001091
可包括阱，诸如真空管线上的阱。示例性的阱可包括真空管线上的至少一个弯头，以使汽化的镓冷凝和回流。该阱可通过诸如水之类的冷却剂来冷却。衬里可以包括诸如底板、顶板或凸缘板以及管体区段或多个层叠体区段之类的部件。所述组件可包括碳或陶瓷诸如BN、石英、氧化铝、氧化镁、氧化铪或本公开的另一陶瓷。所述组件可以胶合在一起或用带垫圈的活接头接合。在示例性实施方式中，所述组件包括胶合在一起的石英。作为另一种选择，所述组件包括BN，所述BN包括带石墨垫圈的活接头。
在一个实施方式中，熔融金属(诸如镓)的温度可通过热电偶(诸如高温热电偶)监测，该热电偶可进一步抵抗与熔融金属(诸如镓)形成合金。热电偶可包含W、Re或Ta，或者可包括保护套诸如W、Re、Ta或陶瓷保护套。在一个实施方式中，底板可包括用于热电偶的热电偶套管，其突出到熔融金属中并保护热电偶，其中可将传热膏用于在热电偶与套管之间形成良好的热接触。在示例性实施方式中，Ta、Re或W热电偶或Ta、Re或W管式热电偶套管通过Swagelok连接至储罐的底板。作为另外一种选择，可将热电偶插入EM泵管的入口侧。
管式反应器的顶部(图31A-C)可包括带有馈通件的基座电极8和覆盖有电绝缘护套5c2的汇流条10，其中馈通件安装在底板409a中，底板409a通过凸缘409e连接至容器5b3。该容器的底部可包括具有至少一个热电偶端口712以监测熔融金属温度的熔融金属储罐5c和注射器电极诸如具有喷嘴5q的EM泵注射器电极5k61。EM泵5kk的入口可由入口筛网5qa1覆盖。EM泵管5k6可以是分区段的或者包括通过诸如焊接之类的手段固定在一起的多个区段，其中该分区段的EM泵管包含一材料或者衬有、涂覆有或包覆有一材料，所述材料为诸如Ta、W、Re、Ir、Mo或抵抗镓合金形成或氧化的陶瓷。在一个实施方式中，到顶部电极8的馈通件可以被冷却，诸如水冷。点燃电极水冷却系统(图16.19A-B)可包括入口909和出口水910冷却管线。在另一个实施方式中，底板409a可包括支座以使馈通件进一步从反应池腔室5b31移开，以便在操作期间对其进行冷却。
在一个实施方式中，衬里可以包括较薄的上部区段和较厚的下部区段，在所述区段之间具有锥度，使得衬里在一个或多个区域诸如容纳上电极8的区域具有相对较大的横截面积以及在镓液位处具有较小横截面积以增加镓表面的电流密度。顶部区段与底部区段的横截面积的相对比率可以在1.01到100倍的范围内。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810001092
可通过介质(诸如气体诸如空气或液体诸如水)来冷却。
Figure BDA0003817985810001093
可包括热交换器，该热交换器可将热量(例如，反应池腔室的热量)传递给气体(诸如空气)或液体(诸如水)。在一个实施方式中，热交换器包括封闭的容器，诸如容纳
Figure BDA0003817985810001101
或其热部分(诸如反应池腔室5b31)的管。该热交换器还可包括使水流过该管的泵。可以对流进行加压而使得可以抑制蒸汽产生以增加热传递速率。所得的过热水可流至蒸汽发生器以形成蒸汽，并且该蒸汽可以为蒸汽涡轮机提供动力。或者，该蒸汽可以用于加热。
在空气冷却式热交换器的一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810001102
热交换器可包括位于热外表面上的高表面积热翅片和鼓风机或压缩机，以使空气流过该翅片以从
Figure BDA0003817985810001103
移走热量以供加热和电力生产应用。在另一空气冷却式热交换器实施方式中，熔融金属诸如镓通过EM泵诸如5ka泵送至储罐5c之外并通过热交换器，然后在闭合回路中被泵回至储罐5c。
在其中跨反应池腔室壁的热传递至少部分地是通过传导机制的实施方式中，通过增加壁面积、减小壁厚度和选择包含具有比替代物诸如316不锈钢更高的热导率的材料诸如镍或不锈钢诸如铬钼钢的反应池腔室壁中的至少一者来增加跨越壁至冷却剂(诸如空气或水)的热传递。
在一个实施方式(图31A-D)中，热交换器可包括
Figure BDA0003817985810001106
储罐5c、EM泵组装件5kk和EM泵管5k6，其中EM泵管入口与包括EM泵管汇流条5k2的区段之间的EM泵管区段延伸以实现至少一个回路或盘管管道在冷却剂浴诸如水浴、熔融金属浴或熔融盐浴中的期望面积。可以从至少一个供应歧管供料给多个回路或盘管，并且可以通过至少一个收集歧管收集熔融金属流以返回到EM泵。回路或盘管管道和歧管可包含抵抗与熔融金属(诸如镓)形成合金并且具有高传热系数的材料。示例性的管道材料为Cr-Mo SS、钽、铌、钼和钨。该管道可以带涂层或涂漆以防止腐蚀。在示例性实施方式中，EM泵管和热交换器管道包含Ta，所述Ta涂覆有CrN、陶瓷诸如莫来石或ZTY或涂料诸如VHT FlameproofTM，用以防止水腐蚀，并且EM泵汇流条5k2包含Ta。在另一示例性实施方式中，EM泵管和热交换器管道包含Nb，该Nb涂覆有CrN、陶瓷诸如莫来石或ZTY或者涂料诸如VHT FlameproofTM，用以防止水腐蚀，并且EM泵汇流条5k2包含Nb。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810001104
包括至少一个组件诸如反应池腔室和储罐，该组件包括具有高传热系数、足够薄的壁以及足够大的面积以向散热器(诸如水浴)提供足够的热损失从而在产生所需量的功率期间维持所需的熔融金属温度的壁金属(诸如4130CrMo SS、Nb、Ta、W或Mo)。外部热交换器可能不是必需的。壁厚可以在约0.05mm至5mm的范围内。壁面积和壁厚可使用浴和期望的熔融金属温度作为热梯度由传导传热方程计算。
Figure BDA0003817985810001105
的外表面可以涂覆有涂料(诸如VHT FlameproofTM)、陶瓷(诸如莫来石)或电镀的耐腐蚀金属(诸如SS、Ni或铬)，以防止被散热器的冷却剂(诸如水浴的水)腐蚀。
可通过控制EM泵电流来控制管道中的流量。可通过控制喷嘴5q与对电极8的分隔距离来控制通过热交换器和反应腔室喷射器二者的熔融金属流量的点燃电压以将等离子体维持在的期望可调范围内。间隔距离可以在约1mm至10cm的范围内。热交换器还可包括可控管道冷却喷嘴和以下中的至少一者：(i)一个或多个热传感器、(ii)一个或多个熔融金属和冷却剂流量传感器和(iii)控制器。可通过控制冷却管道的射流来进一步控制单回路热交换器到冷却剂浴的热传递。
在另一个实施方式中，热交换器可包括至少一个管道回路或盘管和至少一个泵诸如EM泵或机械熔融金属泵，所述泵独立于EM泵注射组装件5kk。在一个实施方式中，所述泵可布置在熔融金属再循环流动路径的冷侧以避免超过泵的最大工作温度。在一个实施方式中，用于熔融金属注入和热交换器再循环中的至少一者的EM泵可包括AC EM泵。AC EM泵可包括AC动力供应器，该动力供应器是通用的，用于供应直流AC电流至EM汇流条或至感应电流线圈，以及至AC EM泵的电磁体从而使电流和磁场同相以高效地在一个方向上产生洛伦兹泵送力。
熔融金属温度诸如熔融镓可以维持在期望的温度，诸如低于合金形成温度的高温。可以通过控制EM泵电流(其改变热交换器流量)、热交换器上的射流、水冷却剂温度、反应池腔室绝热程度、反应池腔室在水中的浸没程度、反应物H2流量、反应物O2流量、复合器等离子体电压和电流参数以及点燃功率中的至少一者来实现对镓温度的控制。
在一个实施方式中，喷嘴5q可用多个喷嘴代替，或者喷嘴可具有多个开口诸如喷头的开口，以将所注入的镓从多个孔口朝对电极分散。这样的构造可促进以较高的熔融金属注入速率形成等离子体，诸如在与EM泵注射系统(包括EM泵管以及其入口和注入出口)串联的热交换器的单回路管道中维持高流量所需的速率。
热交换器
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810001111
包括用于涡轮机系统诸如包括外部燃烧器类型的涡轮机系统的热源，其中来自热交换器的热量加热来自涡轮压缩机的空气并替换来自燃烧的热量。热交换器可以设置在气体涡轮机内部以接收来自压缩机的空气，或者其可位于涡轮机外部，其中空气从压缩机输送穿过热交换器并返回到气体涡轮机的燃烧区段。热交换器可包括嵌入翅片中的EM泵管路，空气被强制流过该翅片上方。该管路可具有蛇形或之字形的卷绕图案。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810001112
包括热交换器，诸如风冷式或水冷式热交换器。在一个实施方式中，热交换器可包括管壳式设计(图31D-E)。热交换器可包括多个管801，来自
Figure BDA0003817985810001113
812的熔融金属诸如熔融银或熔融镓穿过这些管循环。该热交换器可包括(i)熔融金属储罐诸如储罐5c，其包括从反应池腔室5b31接收热力的熔融金属诸如熔融镓或熔融银，(ii)至少一个循环电磁泵810，其将熔融金属从
Figure BDA0003817985810001121
泵送，穿过热交换器，然后返回
Figure BDA0003817985810001122
(iii)具有入口807和出口808的外壳806，其用于强制外部冷却剂诸如空气或水流动，其中挡板809可以引导外部冷却剂流过该外壳，其中空气流可对于管道中的熔融镓流是逆流的，(iv)外壳806内部的至少一个通道或管道801，其用于熔融金属在内部流动，其中外部冷却剂流过外壳806并越过管道801以将热量从熔融金属传递至外部冷却剂，(v)热交换器入口管线803和热交换器出口管线804，其中循环泵连接在由熔融金属储罐5c、热交换器以及入口和出口管线形成的回路中，(vi)冷却剂泵或鼓风机，以及(vii)用于控制熔融金属和冷却剂流动的传感器和控制系统。热交换器还可包括至少一个热交换器歧管802和分配器805。入口歧管802可接收来自循环EM泵810的热熔融金属并将其分配至多个通道或管道801。熔融金属出口歧管802可通过分配器805接收熔融金属，合并来自多个管道的分布流，并将熔融金属流引导至热交换器出口管线804，该热交换器出口管线804连接回池储罐5c。循环EM泵可通过热交换器入口管线803将热镓泵送至热交换器并通过出口管线804泵回至池储罐5c。热交换器还可包括外部冷却剂入口807和出口808，并可还包括挡板809以引导外部冷却剂流过熔融金属管道801上方。该流动可由外部冷却剂鼓风机或泵811诸如空气鼓风机或压缩机或水泵产生。响应来自至少一个传感器(诸如热电偶和流量计)的输入，
Figure BDA0003817985810001123
熔融金属和外部冷却剂穿过热交换器的流动可由至少一个控制器和控制相应泵或鼓风机的泵送或鼓风机速度的计算机控制。
其他外部冷却剂在本公开的范围内，诸如本领域已知的熔融金属、熔融盐或分别不同于空气和水的另一种气体或液体。在包括具有水冷却剂的水锅炉热交换器的实施方式中，管801可以包含碳。水可以进入入口807并且蒸汽可以离开出口808。在蒸汽锅炉实施方式中，储罐容纳有一定高度的镓，并且镓从储罐的底部再循环以维持从顶部到底部的所需温度梯度，使得蒸汽锅炉管中的镓温度被维持在低于会导致管表面上发生薄膜沸腾的温度。此外，从储罐底部注入较低温度的镓可抑制反应池腔室中的镓沸腾以防止不期望的压力增加。
在图31D中示出了示例性的热交换器(包括可在外部冷却剂与熔融金属之间交换热量的那些)。热交换器可包括Ta组件，诸如Ta管道801、歧管802、分配器805、热交换器入口管线803和热交换器出口管线804中的至少一者。熔融金属可通过入口管线803进入，收集在入口歧管802中，穿过分配器805和管道801到达出口歧管802，最终通过出口管线804离开。示例性的热交换器还包括不锈钢外壳806、外部冷却剂入口807、外部冷却剂出口808和挡板809。冷却剂可进入入口807并越过管道801的外表面通向出口808。冷却剂与管道之间的接触可将热量从熔融金属，透过管道的表面传递，并在冷却剂离开出口管线804之前传递至冷却剂。Ta组件可以焊接在一起。Ta热交换器组件(诸如管道801)的暴露于空气的表面可经阳极化以防止腐蚀。作为另一种选择，Ta管道801可包括涂层或包覆层，诸如包含铼、贵金属、Pt、Pd、Ir、Ru、Rh、TiN、CrN、陶瓷、氧化锆-二氧化钛-氧化钇(ZTY)和莫来石或本公开的另一者中的至少一者的涂层或包覆层，以防止Ta管道的外部氧化。Ta组件可用不锈钢包覆。包覆层可包括通过诸如焊接件或胶(诸如对至少至1000℃具有稳定性的胶诸如额定为1300℃的J-B Weld 37901)之类的手段接合在一起的多个件。钢外壳806可包括至少底部区段的衬里或涂层以收集任何泄漏的镓，诸如Ta衬里或ZTY或莫来石涂层。包含Ta的热交换器诸如包括Ta管道801的热交换器可以是模块化的，其中多个热交换器模块充当热交换器而不是具有所述模块的累积尺寸的单个热交换器以避免热膨胀失效。
作为另外一种选择，至少一个Ta组件可用Ta涂覆的组件诸如Ta电镀组件代替，其中Ta涂覆的组件包含不锈钢或具有大致匹配的热膨胀系数的其他金属(例如Invar、Kovar或其他SS或金属)。铼(熔点为3185℃)可抵抗镓、镓铟锡合金、银和铜的侵蚀，并且可抵抗氧和水的氧化。在另一个实施方式中，热交换器包括至少一个Re涂覆的组件诸如Re电镀组件，其中Re涂覆的组件包括不锈钢或具有大致匹配的热膨胀系数的其他金属(例如Invar、Kovar或其他SS或金属)。在另一个实施方式中，至少一种Ta组件可用包含或涂覆有347SS或Cr-Mo SS、W、Mo、Nb、Nb(94.33重量％)-Mo(4.86重量％)-Zr(0.81重量％)、Os、Ru、Hf、Re和硅化物涂覆的Mo中的至少一者的组件代替。
另一个示例性热交换器包括石英、SiC、Si3N4、氧化钇稳定化氧化锆或BN管道801、歧管802、分配器805、热交换器入口管线803、热交换器出口管线804、外壳806、外部冷却剂入口807、外部冷却剂出口808和挡板809。所述组件可通过熔合、用石英、SiC或BN粘合剂胶合，或通过接头或活接头诸如包括凸缘和垫片(诸如碳(Graphoil)垫片)的接头或活接头来接合。示例性的SiC热交换器包括(i)板式热交换器、(ii)壳中块式热交换器、(iii)SiC环形槽式热交换器和(iv)由制造商诸如GAB Neumann(https://www.gab-neumann.com)提供的壳管式热交换器。可将小重量％诸如小于5重量％的Si添加至熔融金属诸如镓中以防止SiC降解。热交换器可包括鼓风机或压缩机811以迫使空气通过SiC块的通道。示例性EM泵810为Pyrotek 410型，其包括SiC衬里并能够在1000℃下操作。在包括Ga熔融金属冷却剂的实施方式中，至少一个连接件可包含抵抗与镓形成合金的材料诸如本公开的一者。在示例性实施方式中，热交换器入口803、热交换器入口歧管803a、热交换器入口管线803b、热交换器出口804、热交换器出口歧管804a和热交换器出口管线804中的至少一者包含陶瓷诸如BN、碳(其可以是SiC涂覆的)、W、Ta、钒、347SS或Cr-Mo SS、Mo、Nb、Nb(94.33重量％)-Mo(4.86重量％)-Zr(0.81重量％)、Os、Ru、Hf、Re和硅化物涂覆的Mo。
组件之间的密封件，诸如连接泵810、热交换器入口803、热交换器入口歧管803a、热交换器入口管线803b、热交换器出口804、热交换器出口歧管804a和热交换器出口管线804b中的至少两者的密封件可包括胶合的接头、焊接接头或带有垫圈(诸如陶瓷垫圈诸如包含Thermiculite(例如Flexitallic)的陶瓷垫圈或碳垫圈诸如Graphoil或Graphhillor)的凸缘接头。碳垫圈可以用涂层(诸如Resbond、SiC膏或导热膏、包覆层)进行气密密封，或通过壳体防止氧化。在一个实施方式中，密封件可包含延展性金属诸如Ta，其中密封的组件也可包含延展性金属。在一个实施方式中，密封件可包括两个陶瓷面，这两个陶瓷面经精密加工并通过诸如弹簧之类的压缩部件推到一起。
在其中管道801中的熔融金属维持在较低温度诸如低于750℃、650℃、550℃、450℃和350℃中的至少一者的温度的实施方式中，热交换泵810可包括机械泵，诸如具有陶瓷叶轮和壳体以避免合金形成的机械泵。EM泵可包括流量计(诸如电磁流量计)和控制器以监测和控制熔融金属穿过例如热交换器组件，诸如在其入口、出口处、在歧管中、在分配器中、在管道中或它们的组合的流动，其中流量计可设置成感测穿过这些组件中的一者或多者的流动。
在示例性实施方式中，壳中SiC块式热交换器或SiC管壳式热交换器的外壳806可包含热膨胀系数与SiC的热膨胀系数大致匹配而使得外壳的膨胀与SiC块或SiC管的膨胀大致相同的材料诸如Kovar或Invar不锈钢。外壳806可包括膨胀装置诸如波纹管。作为另一种选择，热交换器外壳806可包括重叠以允许膨胀的两个区段。诸如搭叠接头或榫槽接头之类的接头可能会因膨胀而密封。
在一个实施方式中，热交换器包括保护电路和保护软件中的至少一者以控制EM泵而防止至少一个热交换器组件诸如陶瓷组件(诸如壳中块式热交换器的SiC块或管壳式热交换器的SiC管)的热冲击。
热交换器可包括碳组件，诸如碳管道801、歧管802、分配器805、热交换器入口管线803和热交换器出口管线804、806、外部冷却剂入口807、外部冷却剂出口808和挡板809中的至少一者。所述碳组件可以是以下中的至少一者：胶合在一起或用带垫圈的接头诸如包括Graphoil垫圈的接头固定。暴露于空气的表面可涂覆有抗氧化涂层诸如SiC，诸如CVD SiC或SiC釉。示例性的热交换器是盖博诺曼公司(GAB Neumann)(https://www.gab- neumann.com)的管壳式设计，其中外表面诸如管道801的外表面涂覆有SiC。作为另一种选择，外表面可包覆在抗氧化材料诸如不锈钢中。在另一个实施方式中，可将与空气发生反应的
Figure BDA0003817985810001151
组件诸如EM泵组件或热交换器组件诸如碳或钽组件容纳在可气密密封或具有真空能力的壳体中，该壳体可抽空或填充惰性气体(诸如稀有气体诸如氩，或氮)以保护所容纳的
Figure BDA0003817985810001152
组件免于高温下氧化。从EM泵到热交换器入口803的镓管线可包含在工作温度下不与碳反应的金属，从而金属对碳的连接件诸如带垫圈的连接件诸如带碳垫圈的凸缘连接件不反应形成碳化物。在1000℃下不与碳反应的示例性金属是镍或镀镍或镀铼的金属，诸如镀镍或镀铼的不锈钢。
在图31E-G中所示的示例性实施方式中，接触熔融镓的组件包含碳，并且接触空气冷却剂的组件包含不锈钢。管道衬里801a、歧管或阀盖802、热交换器入口管线803和热交换器出口管线804包含碳，并且管道801、分配器805、外壳806、外部冷却剂入口807、外部冷却剂出口808和挡板809包含不锈钢。每个不锈钢管道801在每一端焊接至相应的分配器805。分配器805被焊接至外壳806上而使得空气冷却剂仅接触不锈钢。阀盖802、入口803和出口804位于不锈钢壳体806a的内部，该壳体806a具有连接至壳体806a外部的碳热交换器入口管线803和出口管线804的焊入式入口803c管线和焊入式出口管线804c，其中连接件包括带垫圈的凸缘活接头。垫圈可包含碳。每个分配器805可包括两个件，一个外部件805a包括胶合至衬里801a的端部的碳，而内部件包括焊接至壳体806a和外壳806的不锈钢。从镓循环EM泵810和返回管线804到储罐5c的管线803可包括膨胀接头，诸如波纹管或弹簧加载的接头。
在一个实施方式中，包括碳组件(诸如暴露于空气的组件诸如管道801)的热交换器还包括碳燃烧产物检测器(诸如烟雾检测器)和保护系统以避免组件失效和涉及熔融金属(诸如镓)的潜在火灾。该保护系统可包括灭火系统，诸如本领域已知的那些灭火系统，诸如灭火器系统或关闭通向外壳806的腔室的空气流的一组阀门，诸如在外部冷却剂入口807和出口808处的阀门。
可在钛、锌、镁、铌、锆、铪和钽的表面上形成阳极膜。Nb、Ta和Zr的示例性氧化物比氧化镓更稳定。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810001153
和热交换器的至少一个组件包括形成阳极膜或覆盖层或氧化物膜或覆盖层的金属。氧化物覆盖层可实现以下中的至少一者：(i)保护组件免于与熔融金属诸如镓、镓铟锡合金、银和铜中的至少一者形成合金和(ii)保护组件免于氧化。在一个示例性实施方式中，该组件包含可包括保护性氧化物覆盖层的Nb、Ta和Zr中的至少一者。在
Figure BDA0003817985810001154
组件的一个实施方式中，组件可经阳极化以形成保护性氧化物覆盖层，该氧化物覆盖层可保护组件免于与熔融金属诸如镓、镓铟锡合金、银和铜形成合金，以及保护组件免于被分数氢反应混合物氧化。在热交换器组件的一个实施方式中，暴露于空气的组件可经阳极化以保护其免受空气氧化。
在一个实施方式(图31H中所示)中，交换器包括本公开的热交换器的多个模块化单元813。熔融金属可从储罐5c穿过热交换器入口管线803b流至热交换器入口歧管803a，再到每个热交换器模块813的入口803。可通过EM泵810将熔融金属泵回至储罐5c，该EM泵810维持熔融金属流过每个热交换器出口804、出口歧管804a和热交换器出口管线804b。
在一个实施方式中，热交换器可包括初级回路和次级回路，其中储罐5c的熔融金属在初级回路中与次级回路中的冷却剂诸如熔融金属或熔融盐冷却剂保持分离。通过第一级热交换器将热量从初级回路交换至次级回路，并且通过第二级热交换器将热量传递到负载。在一个实施方式中，次级回路包括熔融金属或熔融盐热交换器。在一个实施方式中，熔融镓对空气热交换器可包括市售的熔融镓对空气热交换器或市售的熔融盐对空气热交换器，其中后者可与包括用熔融镓代替熔融盐的修改形式相兼容。
热交换器可包括多个级诸如两级热交换器，其中第一气体或液体构成第一级中的外部冷却剂，第二气体或液体构成第二级中的外部冷却剂。通过热交换器诸如气体对气体热交换器，热量从第一外部冷却剂传递到第二外部冷却剂。示例性的两级热交换器包括碳管道801、歧管802、分配器805、热交换器入口管线803、热交换器出口管线804、外壳806、外部冷却剂入口807、外部冷却剂出口808和挡板809。所述组件可通过用碳粘合剂胶合或通过接头或活接头诸如包括凸缘和垫片(诸如碳(Graphoil)垫片)的接头或活接头来接合。第一外部冷却剂可包含稀有气体诸如氦或者氮，其通过气体对气体热交换器将热量传递到包含空气的第二外部冷却剂。
在一个实施方式中，第一级热交换器包括碳(诸如石墨)环形槽式热交换器、壳中块式热交换器、来自GAB Neumann(https://www.gab-neumann.com)的管壳式热交换器，其中在第一级中镓与作为外部冷却剂的银进行热交换，而在第二级中银与另一外部冷却剂(诸如空气)交换其热量。第二级热交换器可包括管壳式设计，诸如图31D中所示的管壳式设计。在另一个实施方式中，第一级热交换器诸如管壳式热交换器包含钽。
在一个实施方式中，外部冷却剂鼓风机811包括通过热交换器外部冷却剂入口807供应压缩空气的气体涡轮机的压缩机。空气可在管道801上方流过。经加热的空气可离开热交换器外部冷却剂出口808并流入气体涡轮机的动力区段，其中
Figure BDA0003817985810001161
812和热交换器813构成外部燃烧器型气体涡轮机机械动力或电力产生器的热力源。
在一个实施方式中，至少一个热交换器组件(诸如入口管线803和出口管线804、分配器805、歧管802和管道801)是以下中的至少一者：涂覆有或衬有抵抗与熔融金属诸如镓形成合金的材料，或以其他方式防止组件腐蚀。涂层或衬里可包含本发明中的一者，诸如BN、碳、石英、氧化锆-二氧化钛-氧化钇、莫来石或氧化铝。在示例性实施方式中，熔融金属包含镓，至少一个热交换器组件(诸如入口管线803和出口管线804、分配器805、歧管802和管道801)包含不锈钢，并且衬里包含石英或另一种陶瓷。不锈钢可用Kovar或Invar代替，以避免热膨胀和收缩与陶瓷衬里诸如包含石英的陶瓷衬里不匹配。在备选示例性实施方式中，所述管道包含镍，每一者都具有碳衬里。
在一个实施方式中，热交换器可以在
Figure BDA0003817985810001171
储罐的内部或外部。至少一根热交换器歧管可构成储罐5c。使熔融金属诸如镓循环穿过热交换器管道的EM泵可包括注射器EM泵5ka和另一个泵中的至少一者。
在一个实施方式中，热交换器可包括两个端部歧管802，其具有连接该歧管的多根管801。作为另一种选择，热交换器包括一根或多根连接歧管的之字形管道。歧管还可充当储罐。管道可嵌入冷却翅片的系统或阵列中。热交换器可包括卡车散热器类型，其中水冷却剂由熔融金属代替，并且水泵由熔融金属泵诸如EM泵代替。该散热器可通过诸如空气或水之类的外部冷却剂来冷却。外部冷却剂可分别由鼓风机或水泵输送，该鼓风机或水泵迫使诸如空气或水之类的外部冷却剂流过冷却翅片。翅片可包含具有高传热系数的材料，诸如铜、镍或Ni-Cu合金。
在另一个实施方式中，热交换器可包括板式热交换器，诸如由Alfa-Laval公司制造的板式热交换器，其包括平行的板，诸如空气之类的外部冷却剂和
Figure BDA0003817985810001172
熔融金属在板之间的交替通道中流动。
在一个实施方式中，热交换器可包括锅炉，诸如蒸汽锅炉。在一个实施方式中，液态熔融金属热交换器包括管道，该管道包括锅炉管801，该锅炉管801用于加热包括锅炉的加压容器806中的水。管道801可设置在包括锅炉的加压容器806的内部。熔融金属可被泵送通过管道801，其中热力流入水池以在锅炉中形成过热水和蒸汽中的至少一者。过热水可以在蒸汽发生器中转化为蒸汽。
在示例性实施方式中，锅炉包括圆柱形外壳，在外壳中具有纵向管道，其中外部水冷却剂纵向流过外壳并沿着管道流动，所述管道可包括表面突起以实现以下中的至少一者：增加管道表面积和产生湍流以增强从管道到水的热传递。该圆柱形外壳可以竖直取向的。在一个实施方式中，底板5kk1可具有用于冷却剂流动的开口。此外，底板5kk1可以是以下中的至少一者：包括薄板诸如厚度范围为约0.1mm至5mm的薄板，以及包含具有较高传热系数的金属诸如W、Ta、Nb或Cr-Mo SS板以改善底板冷却。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810001181
和热交换器包括至少一个温度测量装置诸如热电偶或热敏电阻，该温度测量装置可以是以下中的至少一者：表面安装至组件上、浸入熔融金属中以及暴露于反应池腔室5b31中的气体或等离子体。反应池腔室、EM泵管5k6和热交换器组件(诸如管道801、歧管802、分配器805、热交换器入口管线803和热交换器出口管线804中的至少一者)的壁中至少一者的温度可由至少一个表面安装的热电偶监测，该热电偶可粘合至组件的表面。粘结可包括焊接或陶瓷胶，诸如具有高传热系数者。所述胶可包含BN或SiC。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810001182
包括：真空系统，其包括通往反应池腔室的真空管线；和真空泵，其用以在间断或连续地从反应池腔室抽空气体。在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810001183
包括冷凝器以使至少一种分数氢反应反应物或产物凝结。该冷凝器可与真空泵共线或包括与真空泵的气体管道连接件。真空系统还可包括冷凝器以使从反应池腔室流动的至少一种反应物或产物凝结。该冷凝器可致使凝结物(所凝结的反应物或产物)选择性地流回反应池腔室中。可使该冷凝器维持在一温度范围内以致使凝结物选择性地流回反应池腔室。该流动可以是主动或被动运输手段，诸如分别通过泵送或通过重力流。在一个实施方式中，冷凝器可包括用以防止颗粒流(诸如镓或氧化镓纳米颗粒)从反应池腔室进入真空系统的部件，诸如过滤器、之字形通道和静电沉淀器中的至少一者。在一个实施方式中，真空泵可通过诸如水冷或强制风冷之类的手段来冷却。
在示例性的测试实施方式中，当使10sccm的H2流动并每分钟注入4ml的H2O同时施加主动真空泵送时，反应池腔室维持在约1托至20托的压力范围。DC电压为约28V并且DC电流为约1kA。反应池腔室是具有长9英寸的边的SS立方体，其容纳47kg的熔融镓。电极包括DCEM泵的1英寸浸没式SS喷嘴和对电极，该对电极包括具有由BN基座覆盖的1cm直径引线的4cm直径、1cm厚W圆盘。EM泵速率为约30至40ml/s。使镓极化为正并使W基座电极极化为负。
Figure BDA0003817985810001184
输出功率为约150kW，由镓和SS反应器的质量、比热和温度升高的乘积测量。
在一个实施方式中，反应混合物可包含添加剂，该添加剂包含诸如与氧和水中的至少一者反应的金属或化合物之类的物质。可再生该添加剂。可通过
Figure BDA0003817985810001185
的至少一个系统实现再生。再生系统可包括热系统、等离子体系统和电解系统中的至少一者。可将该添加剂添加至包含熔融银的反应混合物。在一个实施方式中，该添加剂可包含可添加至熔融银(构成熔融金属)的镓。在一个实施方式中，可将水供应至反应池腔室。可由注射器供应水。镓可与供应至反应混合物的水反应以形成氢和镓。氢可与充当分数氢催化剂的某些残余HOH反应。可通过电解系统再生氧化镓。可将通过电解系统还原产生的镓金属和氧分别往回泵送至反应池腔室和排放以用于池。
在一个实施方式中，可将氢气添加至反应混合物以避免通过所注入的水与镓反应形成氧化镓薄膜。反应池腔室中的氢气可在约0.1托至100大气压、1托至1大气压和1托至10托中的至少一个压力范围内。可以在约0.001sccm至10升/分钟、0.001sccm至10升/分钟和0.001sccm至10升/分钟中的至少一个范围内的每升反应池腔室体积的速率使氢流入反应池腔室中。
在一个实施方式中，氢可充当催化剂。供应nH(n为整数)作为催化剂和H原子以形成分数氢的氢源可包含H2气，使用质量流量控制器来控制来自高压水电解器的氢流量，透过EM泵管5k4壁中的氢渗透膜(诸如Pd或Pd-Ag如23％Ag/77％Pd合金膜)可供应该H2气。使用氢作为催化剂作为HOH催化剂的替代物可避免至少一个池组件(诸如碳反应池腔室5b31)的氧化反应。反应池腔室中所维持的等离子体可解离H2提供H原子。碳可包含热解碳以遏制碳与氢之间的反应。
固体燃料
Figure BDA0003817985810001191
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810001192
包括发生反应以形成至少一种用以形成分数氢的反应物的固体燃料。分数氢反应物可包含用以形成分数氢的原子H和催化剂。该催化剂可包含新生水、HOH。可在
Figure BDA0003817985810001193
中至少部分地原位再生该反应物。可通过反应池腔室5b31中的等离子体或热驱动的反应而再生固体燃料。可通过在反应池腔室5b31中维持和释放的等离子体和热力中的至少一者实现再生。可通过供应在分数氢或包含分数氢的产物(诸如物质的低能氢化合物和组合物)的形成中消耗的元素的源而再生固体燃料反应物。
Figure BDA0003817985810001194
可包含H和氧的源中的至少一者以替换在
Figure BDA0003817985810001195
中的分数氢反应的传播期间固体燃料所损失的任何H和氧。H和O中的至少一者的源可包含H2、H2O和O2中的至少一者。在示例性的再生实施方式中，通过添加H2和H2O中的至少一者而替换被消耗用于形成H2(1/4)的H2，其中H2O可还充当HOH催化剂和O2中的至少一者的源。最佳地，CO2和诸如氩之类的稀有气体中的至少一者可以是反应混合物的组份，其中CO2可充当用以形成HOH催化剂的氧源。
在一个实施方式中，
Figure BDA0003817985810001196
还包括电解池以由形成于反应池腔室中的任何产物再生至少一种起始材料中的至少一些。起始材料可包含固体燃料的反应物中的至少一者，其中可通过用以形成分数氢反应物的固体燃料反应形成产物。起始材料可包含熔融金属，诸如镓或银。在一个实施方式中，熔融金属与熔融金属是非反应性的。示例性的非反应性熔融金属包含银。电解池可包括储罐5c、反应池腔室5b31和在储罐5c和反应池腔室5b31中的至少一者外部的单独腔室中的至少一者。电解池可至少包括：(i)两个电极，(ii)用于单独腔室的入口和出口通道以及运输机，(iii)电解质，其可包含以下中的至少一者：熔融金属，以及在储罐、反应池腔室和单独腔室中的至少一者中的反应物和产物，(iv)电解动力供应器，以及(v)用于电解的控制器以及用于在适用情况下进入和离开电解池的运输机的控制器和动力源。运输机可包括本公开的运输机。
在一个实施方式中，固体燃料反应形成H2O和H作为产物或中间反应产物。H2O可充当用以形成分数氢的催化剂。反应物包含至少一种氧化剂和一种还原剂，并且反应包含至少一种氧化-还原反应。还原剂可包含金属诸如碱金属。反应混合物可还包含氢源和H2O源，并且可任选包含载体，诸如碳、碳化物、硼化物、氮化物、甲腈(诸如TiCN)或腈类。该载体可包含金属粉末。H源可选自碱金属氢化物、碱土金属氢化物、过渡金属氢化物、内过渡金属氢化物、稀土氢化物和本公开的氢化物的群组。氢源可以是氢气，该氢气还可包括解离器，诸如本公开的那些解离器，诸如载体(诸如碳或氧化铝和本公开的其他者)上的贵金属。水源可包含脱水的化合物，诸如氢氧化物或氢氧化物络合物，诸如Al、Zn、Sn、Cr、Sb和Pb的那些。水源可包含氢源和氧源。氧源可包含含有氧的化合物。示例性的化合物或分子是O2、碱金属或碱土金属氧化物、过氧化物或超氧化物、TeO2、SeO2、PO2、P2O5、SO2、SO3、M2SO4、MHSO4、CO2、M2S2O8、MMnO4、M2Mn2O4、MxHyPO4(x，y＝整数)、POBr2、MClO4、MNO3、NO、N2O、NO2、N2O3、Cl2O7和O2(M＝碱金属；并且碱土金属或其他阳离子可取代M)。其他示例性反应物包括选自以下各项的群组的试剂：Li、LiH、LiNO3、LiNO、LiNO2、Li3N、Li2NH、LiNH2、LiX、NH3、LiBH4、LiAlH4、Li3AlH6、LiOH、Li2S、LiHS、LiFeSi、Li2CO3、LiHCO3、Li2SO4、LiHSO4、Li3PO4、Li2HPO4、LiH2PO4、Li2MoO4、LiNbO3、Li2B4O7(四硼酸锂)、LiBO2、Li2WO4、LiAlCl4、LiGaCl4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2TiO3、LiZrO3、LiAlO2、LiCoO2、LiGaO2、Li2GeO3、LiMn2O4、Li4SiO4、Li2SiO3、LiTaO3、LiCuCl4、LiPdCl4、LiVO3、LiIO3、LiBrO3、LiXO3(X＝F、Br、Cl、I)、LiFeO2、LiIO4、LiBrO4、LiIO4、LiXO4(X＝F、Br、Cl、I)、LiScOn、LiTiOn、LiVOn、LiCrOn、LiCr2On、LiMn2On、LiFeOn、LiCoOn、LiNiOn、LiNi2On、LiCuOn和LiZnOn(其中n＝1、2、3或4)、含氧阴离子、强酸的含氧阴离子、氧化剂、分子氧化剂(诸如V2O3、I2O5、MnO2、Re2O7、CrO3、RuO2、AgO、PdO、PdO2、PtO、PtO2和NH4X，其中X是硝酸根或CRC中给出的其他合适阴离子)和还原剂。另一碱金属或其他阳离子可取代Li。另外的氧源可选自以下各项的群组：MCoO2、MGaO2、M2GeO3、MMn2O4、M4SiO4、M2SiO3、MTaO3、MVO3、MIO3、MFeO2、MIO4、MClO4、MScOn、MTiOn、MVOn、MCrOn、MCr2On、MMn2On、MFeOn、MCoOn、MNiOn、MNi2On、MCuOn和MZnOn(其中M为碱金属并且n＝1、2、3或4)、含氧阴离子、强酸的含氧阴离子、氧化剂、分子氧化剂诸如V2O3、I2O5、MnO2、Re2O7、CrO3、RuO2、AgO、PdO、PdO2、PtO、PtO2、I2O4、I2O5、I2O9、SO2、SO3、CO2、N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5、Cl2O、ClO2、Cl2O3、Cl2O6、Cl2O7、PO2、P2O3和P2O5。反应物可呈形成分数氢的任何所需比率。示例性的反应混合物是0.33g LiH、1.7g LiNO3以及1g MgH2与4g活性C粉末的混合物。表1、2和3中给出了用以形成H2O催化剂和H2中的至少一者的另外的合适示例性反应。
表1.关于H2O催化剂和H2的热可逆反应循环.[L.C.Brown,G.E.Besenbruch,K.R.Schultz,A.C.Marshall,S.K.Showalter,P.S.Pickard和J.F.Funk,NuclearProduction of Hydrogen Using Thermochemical Water-Splitting Cycles，2002年6月19日至13日在佛罗里达州好莱坞举行的国际先进核电站大会(International Congresson Advanced Nuclear Power Plants,ICAPP)上提交的论文的预印本并发表在会议论文集上。]
Figure BDA0003817985810001211
Figure BDA0003817985810001221
Figure BDA0003817985810001231
*T＝热化学，E＝电化学。
表2.关于H2O催化剂和H2的热可逆反应循环.[C.Perkins和A.W.Weimer,Solar-Thermal Production of Renewable Hydrogen,AIChE Journal,55(2),(2009),第286-293页。]
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用以形成H2O催化剂的反应物可包含O(诸如O物质)源和H源。O物质源可包含以下中的至少一者：O2、空气以及包含O的化合物的配混物或共混物。包含氧的化合物可包含氧化剂。包含氧的化合物可包含氧化物、羟基氧化物、氢氧化物、过氧化物和超氧化物中的至少一者。合适的示例性金属氧化物是：碱金属氧化物，诸如Li2O、Na2O和K2O；碱土金属氧化物，诸如MgO、CaO、SrO和BaO；过渡金属氧化物，诸如NiO、Ni2O3、FeO、Fe2O3和CoO；以及内过渡和稀土金属氧化物，以及其他金属和类金属的那些，诸如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se和Te的那些，以及包含氧的这些元素和其他元素的混合物。氧化物可包含：氧化物阴离子，诸如本公开的那些，诸如金属氧化物阴离子；和阳离子，诸如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属阳离子，以及其他金属和类金属的那些，诸如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se和Te的那些，诸如MM’2xO3x+1或MM’2xO4(M＝碱土金属，M'＝过渡金属，诸如Fe或Ni或Mn，x＝整数)和M2M’2xO3x+1或M2M’2xO4(M＝碱金属，M'＝过渡金属，诸如Fe或Ni或Mn，x＝整数)。合适的示例性金属羟基氧化物是AlO(OH)、ScO(OH)、YO(OH)、VO(OH)、CrO(OH)、MnO(OH)(α-MnO(OH)锰榍石和γ-MnO(OH)水锰矿)、FeO(OH)、CoO(OH)、NiO(OH)、RhO(OH)、GaO(OH)、InO(OH)、Ni1/2Co1/2O(OH)和Ni1/3Co1/3Mn1/3O(OH)。合适的示例性氢氧化物是诸如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属之类的金属的那些氢氧化物以及诸如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se和Te之类的其他金属和类金属的那些氢氧化物以及混合物。合适的络离子氢氧化物是Li2Zn(OH)4、Na2Zn(OH)4、Li2Sn(OH)4、Na2Sn(OH)4、Li2Pb(OH)4、Na2Pb(OH)4、LiSb(OH)4、NaSb(OH)4、LiAl(OH)4、NaAl(OH)4、LiCr(OH)4、NaCr(OH)4、Li2Sn(OH)6和Na2Sn(OH)6。额外的示例性的合适氢氧化物是来自Co(OH)2、Zn(OH)2、Ni(OH)2、其他过渡金属氢氧化物、Cd(OH)2、Sn(OH)2和Pb(OH)的至少一者。合适的示例性过氧化物是H2O2、有机化合物的过氧化物和金属的过氧化物诸如M2O2(其中M为碱金属，诸如Li2O2、Na2O2、K2O2)、其他离子过氧化物(诸如碱土金属过氧化物的那些，诸如Ca、Sr或Ba过氧化物)、其他正电性金属的那些(诸如镧系元素的过氧化物)和共价金属过氧化物(诸如Zn、Cd和Hg的过氧化物)。合适的示例性超氧化物是金属的超氧化物(MO2，其中M为碱金属，诸如NaO2、KO2、RbO2和CsO2)以及碱土金属超氧化物。在一个实施方式中，固体燃料包含碱金属过氧化物和氢源(诸如氢化物、烃或储氢材料，诸如BH3NH3)。反应混合物可包含：氢氧化物，诸如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属以及Al、Ga、In、Sn、Pb和可形成氢氧化物的其他元素的氢氧化物；以及氧源，诸如包含至少一个含氧阴离子的化合物，诸如碳酸盐，诸如包含碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属以及Al、Ga、In、Sn、Pb以及本公开的其他者的一者。包含氧的其他合适化合物是以下各项的群组的含氧阴离子化合物中的至少一者：铝酸盐、钨酸盐、锆酸盐、钛酸盐、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、硝酸盐、铬酸盐、二铬酸盐和锰酸盐、氧化物、羟基氧化物、过氧化物、超氧化物、硅酸盐、钛酸盐、钨酸盐和本公开的其他者。氢氧化物和碳酸盐的示例性反应由下式给出：
Ca(OH)2+Li2CO3→CaO+H2O+Li2O+CO2 (60)
在其他实施方式中，氧源是气态的或者容易形成气体诸如NO2、NO、N2O、CO2、P2O3、P2O5和SO2。可通过与氧或其源一起燃烧而将因形成H2O催化剂而产生的还原的氧化物产物(诸如C、N、NH3、P或S)再次转换回氧化物，如Mills先前专利申请中所给出。池可产生可用于加热应用的过量热量，或者可通过诸如兰金或布雷顿系统之类的部件将该热量转换为电。作为另一种选择，可将池用于合成低能氢物质，诸如分子分数氢和分数氢氢负离子以及相应的化合物。
在一个实施方式中，用以形成分数氢以实现产生低能氢物质和化合物和产生能量中的至少一者的反应混合物包含原子氢源和催化剂源，其包含H和O中的至少一者，诸如本公开的那些，诸如H2O催化剂。反应混合物可还包含酸(诸如H2SO3、H2SO4、H2CO3、HNO2、HNO3、HClO4、H3PO3和H3PO4)或酸源(诸如酸酐或无水酸)。后者可包含以下各项的群组中的至少一者：SO2、SO3、CO2、NO2、N2O3、N2O5、Cl2O7、PO2、P2O3和P2O5。反应混合物可包含以下中的至少一者：碱和碱酐诸如M2O(M＝碱金属)、M'O(M'＝碱土金属)、ZnO或其他过渡金属氧化物、CdO、CoO、SnO、AgO、HgO或Al2O3。另外的示例性酐包含对于H2O稳定的金属，诸如Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr和In。酐可以是碱金属或碱土金属氧化物，并且水合化合物可包含氢氧化物。反应混合物可包含羟基氧化物，诸如FeOOH、NiOOH或CoOOH。反应混合物可包含H2O源和H2O中的至少一者。可在存在原子氢的情况下通过水合反应和脱水反应可逆地形成H2O。用以形成H2O催化剂的示例性反应是
Mg(OH)2→MgO+H2O (61)
2LiOH→Li2O+H2O (62)
H2CO3→CO2+H2O (63)
2FeOOH→Fe2O3+H2O (64)
在一个实施方式中，通过至少一种化合物的脱水而形成H2O催化剂，该至少一种化合物包含：磷酸盐，诸如磷酸盐、磷酸氢盐和二氢磷酸盐，诸如阳离子(诸如包含诸如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属之类的金属的阳离子)的那些，以及其他金属和类金属的那些(诸如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se和Te的那些)；以及混合物，其用以形成凝结的磷酸盐，诸如多磷酸盐(诸如[PnO3n+1](n+2)-)、长链偏磷酸盐(诸如[(PO3)n]n-)、环偏磷酸盐(诸如[(PO3)n]n-，其中n≥3)和过磷酸盐(诸如P4O10)中的至少一者。示例性的反应是
Figure BDA0003817985810001311
Figure BDA0003817985810001312
脱水反应的反应物可包含R-Ni，其可包含Al(OH)3和Al2O3中的至少一者。反应物还可包含金属M(诸如本公开的那些，诸如碱金属)、金属氢化物MH、金属氢氧化物(诸如本公开的那些，诸如碱金属氢氧化物)和氢源(诸如H2以及本质氢)。示例性的反应是
2Al(OH)3+→Al2O3+3H2O (67)
Al2O3+2NaOH→2NaAlO2+H2O (68)
3MH+Al(OH)3+→M3Al+3H2O (69)
MoCu+2MOH+4O2→M2MoO4+CuO+H2O(M＝Li,Na,K,Rb,Cs) (70)
反应产物可包含合金。可通过再水化而再生R-Ni。用以形成H2O催化剂的反应混合物和脱水反应可包括和涉及羟基氧化物，诸如本公开的那些，如示例性反应中所给出的：
3Co(OH)2→2CoOOH+Co+2H2O (71)
可通过解离由H2气形成原子氢。氢解离器可以是本公开的那些氢解离器中的一者，诸如R-Ni或在载体上的贵金属或过渡金属，诸如碳或Al2O3上的Ni或Pt或Pd。作为另一种选择，原子H可以是来自透过膜(诸如本公开的那些)的H渗透。在一个实施方式中，池包括膜(诸如陶瓷膜)以允许H2选择性地扩散通过同时阻止H2O扩散。在一个实施方式中，通过包含氢源的电解质(诸如包含H2O的水性或熔融电解质)的电解将H2和原子H中的至少一者供应至池。在一个实施方式中，通过使酸或碱脱水为酐形式而可逆地形成H2O催化剂。在一个实施方式中，通过改变池pH或活性、温度和压力中的至少一者而传播用以形成催化剂H2O和分数氢的反应，其中可通过改变温度来改变压力。可通过添加盐来改变诸如酸、碱或酐之类的物质的活性，如本领域技术人员已知的。在一个实施方式中，反应混合物可包含诸如碳之类的材料，该材料可吸收气体诸如H2或酸酐气体或者是这些气体的源，所述气体用于用以形成分数氢的反应。反应物可呈任何所需的浓度和比率。反应混合物可以是熔融的或包含水性浆料。
在另一个实施方式中，H2O催化剂的源是酸与碱之间的反应，诸如氢卤酸、硫酸、硝酸和亚硝酸中的至少一者与碱之间的反应。其他合适的酸反应物为H2SO4、HCl、HX(X-卤离子)、H3PO4、HClO4、HNO3、HNO、HNO2、H2S、H2CO3、H2MoO4、HNbO3、H2B4O7(M四硼酸盐)、HBO2、H2WO4、H2CrO4、H2Cr2O7、H2TiO3、HZrO3、MAlO2、HMn2O4、HIO3、HIO4、HClO4或有机酸(诸如甲酸或醋酸)的水溶液。合适的示例性碱为氢氧化物、羟基氧化物或氧化物，其包含碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属或稀土金属，或者Al、Ga、In、Sn或Pb。
在一个实施方式中，反应物可包含分别与碱酐或酸酐反应的酸或碱，以分别形成H2O催化剂以及该碱的阳离子和该酸酐的阴离子或者该碱酐的阳离子和该酸的阴离子的化合物。酸酐SiO2与碱NaOH的示例性反应是
4NaOH+SiO2→Na4SiO4+2H2O (72)其中相应酸的脱水反应是
H4SiO4→2H2O+SiO2 (73)
其他合适的示例性酐可包含元素、金属、合金或混合物，诸如来自以下各项的群组的元素、金属、合金或混合物：Mo、Ti、Zr、Si、Al、Ni、Fe、Ta、V、B、Nb、Se、Te、W、Cr、Mn、Hf、Co和Mg。相应的氧化物可包含以下各项中的至少一者：MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、Ni2O3、FeO、Fe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、CrO3、MnO、Mn3O4、Mn2O3、MnO2、Mn2O7、HfO2、Co2O3、CoO、Co3O4、Co2O3和MgO。在一个示例性实施方式中，碱包含氢氧化物，诸如碱金属氢氧化物，诸如MOH(M＝碱)，诸如LiOH，其可形成相应的碱性氧化物(诸如M2O，诸如Li2O)和H2O。碱性氧化物可与酐氧化物反应以形成产物氧化物。在LiOH与酐氧化物的示例性反应(其中释放H2O)中，产物氧化物化合物可包含Li2MoO3或Li2MoO4、Li2TiO3、Li2ZrO3、Li2SiO3、LiAlO2、LiNiO2、LiFeO2、LiTaO3、LiVO3、Li2B4O7、Li2NbO3、Li2SeO3、Li3PO4、Li2SeO4、Li2TeO3、Li2TeO4、Li2WO4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2MnO4、Li2HfO3、LiCoO2和MgO。其他合适的示例性氧化物是以下各项的群组中的至少一者：As2O3、As2O5、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、Bi2O3、SO2、SO3、CO2、NO2、N2O3、N2O5、Cl2O7、PO2、P2O3和P2O5，以及本领域技术人员已知的其他类似氧化物。另一例子由式(91)给出。金属氧化物的合适反应是
2LiOH+NiO→Li2NiO2+H2O (74)
3LiOH+NiO→LiNiO2+H2O+Li2O+1/2H2 (75)
4LiOH+Ni2O3→2Li2NiO2+2H2O+1/2O2 (76)
2LiOH+Ni2O3→2LiNiO2+H2O (77)
其他过渡金属(诸如Fe、Cr和Ti)、内过渡和稀土金属以及其他金属或类金属(诸如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se和Te)可取代Ni，并且其他碱金属(诸如Li、Na、Rb和Cs)可取代K。在一个实施方式中，氧化物可包含Mo，其中在用以形成H2O的反应期间，可形成进一步发生反应以形成分数氢的新生H2O催化剂和H。示例性的固体燃料反应和可能的氧化还原路径是
3MoO2+4LiOH→2Li2MoO4+Mo+2H2O (78)
2MoO2+4LiOH→2Li2MoO4+2H2 (79)
O2-→1/2O2+2e- (80)
2H2O+2e-→2OH-+H2 (81)
2H2O+2e-→2OH-+H+H(1/4) (82)
Mo4++4e-→Mo (83)
反应还可包括氢源(诸如氢气)和解离器(诸如Pd/Al2O3)。氢可以是氕、氘或氚或它们的组合中的任一者。用以形成H2O催化剂的反应可包括两种氢氧化物反应以形成水。氢氧化物的阳离子可具有不同的氧化态，诸如碱金属氢氧化物与过渡金属或碱土金属氢氧化物的反应的那些。该反应混合物和反应可还包含以及涉及来自源的H2，如示例性反应中所给出的：
LiOH+2Co(OH)2+1/2H2→LiCoO2+3H2O+Co (84)
该反应混合物和反应可还包含以及涉及金属M，诸如碱金属或碱土金属，如示例性反应中所给出的：
M+LiOH+Co(OH)2→LiCoO2+H2O+MH (85)
在一个实施方式中，该反应混合物包含金属氧化物和可充当H源的氢氧化物以及任选的另一H源，其中该金属氧化物的金属(诸如Fe)可具有多个氧化态使得其在反应期间经历氧化-还原反应以形成H2O以充当与H反应形成分数氢的催化剂。例子为FeO，其中Fe2+可在反应期间经历氧化至Fe3+以形成催化剂。示例性反应是
FeO+3LiOH→H2O+LiFeO2+H(1/p)+Li2O (86)
在一个实施方式中，至少一种反应物诸如金属氧化物、氢氧化物或羟基氧化物中充当氧化剂，其中诸如Fe、Ni、Mo或Mn之类的金属原子可处于比另一可能的氧化态高的氧化态。用以形成催化剂和分数氢的反应可致使原子经历向至少一个较低氧化态的还原。用以形成H2O催化剂的金属氧化物、氢氧化物和羟基氧化物的示例性反应是
2KOH+NiO→K2NiO2+H2O (87)
3KOH+NiO→KNiO2+H2O+K2O+1/2H2 (88)
2KOH+Ni2O3→2KNiO2+H2O (89)
4KOH+Ni2O3→2K2NiO2+2H2O+1/2O2 (90)
2KOH+Ni(OH)2→K2NiO2+2H2O (91)
2LiOH+MoO3→Li2MoO4+H2O (92)
3KOH+Ni(OH)2→KNiO2+2H2O+K2O+1/2H2 (93)
2KOH+2NiOOH→K2NiO2+2H2O+NiO+1/2O2 (94)
KOH+NiOOH→KNiO2+H2O (95)
2NaOH+Fe2O3→2NaFeO2+H2O (96)
其他过渡金属(诸如Ni、Fe、Cr和Ti)、内过渡和稀土金属以及其他金属或类金属(诸如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se和Te)可取代Ni或Fe，并且诸如Li、Na、K、Rb和Cs之类的其他碱金属可取代K或Na。在一个实施方式中，反应混合物包含对H2O稳定的金属(诸如Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr和In)的氧化物和氢氧化物中的至少一者。另外，反应混合物包含氢源(诸如H2气)和任选的解离器(诸如载体上的贵金属)。在一个实施方式中，固体燃料或高能材料包含金属卤化物(诸如过渡金属卤化物，诸如溴化物，诸如FeBr2)以及金属(其形成羟基氧化物、氢氧化物或氧化物)和H2O中的至少一者的混合物。在一个实施方式中，固体燃料或高能材料包含金属氧化物、氢氧化物和羟基氧化物(诸如过渡金属氧化物诸如Ni2O3中的至少一者)和H2O中的至少一者的混合物。
碱性酐NiO与酸HCl的示例性反应是
2HCl+NiO→H2O+NiCl2 (97)其中相应碱的脱水反应是
Ni(OH)2→H2O+NiO (98)
反应物可包含路易斯酸或碱以及勃朗斯台-洛瑞酸或碱中的至少一者。反应混合物和反应可还包含以及涉及含氧化合物，其中酸与含氧化合物反应而形成水，如示例性反应中所给出的：
2HX+POX3→H2O+PX5 (99)
(X＝卤离子)。与POX3类似的化合物是适合的，诸如其中由S替代P的那些。其他合适的示例性酐可包含：可溶于酸中的元素、金属、合金或混合物的氧化物，诸如氢氧化物、羟基氧化物，或者包含碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属或稀土金属或Al、Ga、In、Sn或Pb(诸如来自Mo、Ti、Zr、Si、Al、Ni、Fe、Ta、V、B、Nb、Se、Te、W、Cr、Mn、Hf、Co和Mg的群组的一者)的氧化物。相应氧化物可包含MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO或Fe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、CrO3、MnO、Mn3O4、Mn2O3、MnO2、Mn2O7、HfO2、Co2O3、CoO、Co3O4、Co2O3和MgO。其他合适的示例性氧化物是以下各项的群组的那些氧化物：Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr和In。在一个示例性实施方式中，酸包含氢卤酸并且产物为H2O和氧化物的金属卤化物。反应混合物还包含氢源(诸如H2气)和解离器(诸如Pt/C)，其中H和H2O催化剂发生反应以形成分数氢。
在一个实施方式中，固体燃料包含H2源(诸如渗透膜或H2气)和解离器(诸如Pt/C)以及H2O催化剂源(包括还原为H2O的氧化物或氢氧化物)。氧化物或氢氧化物的金属可形成充当H源的金属氢化物。碱金属氢氧化物和氧化物(诸如LiOH和Li2O)的示例性反应是
LiOH+H2→H2O+LiH (100)
Li2O+H2→LiOH+LiH (101)
反应混合物可包含：金属的氧化物或氢氧化物，其经历氢还原为H2O，诸如Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr和In的那些；和氢源，诸如H2气；以及解离器，诸如Pt/C。
在另一个实施方式中，反应混合物包含H2源(诸如H2气)和解离器(诸如Pt/C)以及过氧化物化合物(诸如H2O2，其分解为H2O催化剂和包含氧的其他产物诸如O2)。H2和分解产物(诸如O2)中的某些可发生反应以还形成H2O催化剂。
在一个实施方式中，用以形成H2O作为催化剂的反应包括有机脱水反应，诸如醇(诸如多元醇，诸如糖)生成醛和H2O的有机脱水反应。在一个实施方式中，脱水反应涉及从端醇释放H2O以形成醛。该端醇可包括释放可充当催化剂的H2O的糖或其衍生物。合适的示例性醇为内赤藓醇、半乳糖醇或卫矛醇以及聚乙烯醇(PVA)。示例性的反应混合物包含糖+氢解离器，诸如Pd/Al2O3+H2。作为另一种选择，反应包括金属盐(诸如具有至少一个水合水的金属盐)的脱水。在一个实施方式中，脱水包括从诸如水合离子和盐水合物(诸如BaI2 2H2O和EuBr2 nH2O)之类的水合物失去用以充当催化剂的H2O。
在一个实施方式中，用以形成H2O催化剂的反应包括以下各项的氢还原：包含氧的化合物，诸如CO；含氧阴离子，诸如MNO3(M＝碱金属)；金属氧化物，诸如NiO、Ni2O3、Fe2O3或SnO；氢氧化物，诸如Co(OH)2；羟基氧化物，诸如FeOOH、CoOOH和NiOOH；以及含氧物质的化合物、含氧阴离子、氧化物、氢氧化物、羟基氧化物、过氧化物、超氧化物和其他组合物，诸如可氢还原至H2O的本公开的那些。包含氧或含氧阴离子的示例性化合物是SOCl2、Na2S2O3、NaMnO4、POBr3、K2S2O8、CO、CO2、NO、NO2、P2O5、N2O5、N2O、SO2、I2O5、NaClO2、NaClO、K2SO4和KHSO4。用于氢还原的氢源可以是H2气和氢化物(诸如金属氢化物，诸如本公开的那些)中的至少一者。反应混合物可还包含可形成包含氧的化合物或离子的还原剂。含氧阴离子的阳离子可形成包含另一阴离子诸如卤化物、其他硫属元素化物、磷化物、其他含氧阴离子、氮化物、硅化物、砷化物或本公开的其他阴离子的产物化合物。示例性的反应是
4NaNO3(c)+5MgH2(c)→5MgO(c)+4NaOH(c)+3H2O(l)+2N2(g) (102)
P2O5(c)+6NaH(c)→2Na3PO4(c)+3H2O(g) (103)
NaClO4(c)+2MgH2(c)→2MgO(c)+NaCl(c)+2H2O(l) (104)
KHSO4+4H2→KHS+4H2O (105)
K2SO4+4H2→2KOH+2H2O+H2S (106)
LiNO3+4H2→LiNH2+3H2O (107)
GeO2+2H2→Ge+2H2O (108)
CO2+H2→C+2H2O (109)
PbO2+2H2→2H2O+Pb (110)
V2O5+5H2→2V+5H2O (111)
Co(OH)2+H2→Co+2H2O (112)
Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O (113)
3Fe2O3+H2→2Fe3O4+H2O (114)
Fe2O3+H2→2FeO+H2O (115)
Ni2O3+3H2→2Ni+3H2O (116)
3Ni2O3+H2→2Ni3O4+H2O (117)
Ni2O3+H2→2NiO+H2O (118)
3FeOOH+1/2H2→Fe3O4+2H2O (119)
3NiOOH+1/2H2→Ni3O4+2H2O (120)
3CoOOH+1/2H2→Co3O4+2H2O (121)
FeOOH+1/2H2→FeO+H2O (122)
NiOOH+1/2H2→NiO+H2O (123)
CoOOH+1/2H2→CoO+H2O (124)
SnO+H2→Sn+H2O (125)
反应混合物可包含阴离子的源或阴离子以及氧源或氧(诸如包含氧的化合物)，其中用以形成H2O催化剂的反应包括阴离子-氧交换反应，其中任选地，来自源的H2与氧反应而形成H2O。示例性的反应是
2NaOH+H2+S→Na2S+2H2O (126)
2NaOH+H2+Te→Na2Te+2H2O (127)
2NaOH+H2+Se→Na2Se+2H2O (128)
LiOH+NH3→LiNH2+H2O (129)
在另一个实施方式中，反应混合物包含硫属元素化物之间的交换反应，诸如包含O和S的反应物之间的交换反应。示例性的硫属元素化物反应物诸如四面体四硫代钼酸铵含有([MoS4]2-)阴离子。用以形成新生H2O催化剂和任选的新生H的示例性反应包括在存在氨的情况下钼酸盐[MoO4]2-与硫化氢的反应：
[NH4]2[MoO4]+4H2S→[NH4]2[MoS4]+4H2O (130)
在一个实施方式中，反应混合物包含氢源、含氧化合物以及能够与反应混合物的至少一种其他元素形成合金的至少一种元素。用以形成H2O催化剂的反应可包括包含氧的化合物与能够与该氧化合物的阳离子形成合金的元素的氧交换反应，其中氧与来自该源的氢反应而形成H2O。示例性的反应是
NaOH+1/2H2+Pd→NaPb+H2O (131)
NaOH+1/2H2+Bi→NaBi+H2O (132)
NaOH+1/2H2+2Cd→Cd2Na+H2O (133)
NaOH+1/2H2+4Ga→Ga4Na+H2O (134)
NaOH+1/2H2+Sn→NaSn+H2O (135)
NaAlH4+Al(OH)3+5Ni→NaAlO2+Ni5Al+H2O+5/2H2 (136)
在一个实施方式中，反应混合物包含：含氧化合物，诸如羟基氧化物；和形成氧化物的还原剂，诸如金属。用以形成H2O催化剂的反应可包括羟基氧化物与金属形成金属氧化物和H2O的反应。示例性的反应是
2MnOOH+Sn→2MnO+SnO+H2O (137)
4MnOOH+Sn→4MnO+SnO2+2H2O (138)
2MnOOH+Zn→2MnO+ZnO+H2O (139)
在一个实施方式中，反应混合物包含：含氧化合物，诸如氢氧化物；氢源；和至少一种其他化合物，其包含不同的阴离子诸如卤离子或另一元素。用以形成H2O催化剂的反应可包括氢氧化物与其他化合物或元素的反应，其中阴离子或元素与氢氧化物交换以形成该阴离子或元素的另一化合物，并且以该氢氧化物与H2反应而形成H2O。阴离子可包含卤离子。示例性的反应是
2NaOH+NiCl2+H2→2NaCl+2H2O+Ni (140)
2NaOH+I2+H2→2NaI+2H2O (141)
2NaOH+XeF2+H2→2NaF+2H2O+Xe (142)
BiX3(X＝卤离子)+4Bi(OH)3→3BiOX+Bi2O3+6H2O (143)
可选择氢氧化物和卤化物化合物使得用以形成H2O和另一卤化物的反应是热可逆的。在一个实施方式中，通用交换反应是
NaOH+1/2H2+1/yMxCly＝NaCl+6H2O+x/yM (171)
其中示例性的化合物MxCly是AlCl3、BeCl2、HfCl4、KAgCl2、MnCl2、NaAlCl4、ScCl3、TiCl2、TiCl3、UCl3、UCl4、ZrCl4、EuCl3、GdCl3、MgCl2、NdCl3和YCl3。在升高的温度下，式(171)的反应诸如在约100℃至2000℃的范围内具有约0kJ的焓和自由能量中的至少一者并且是可逆的。依据每个反应的相应热力学参数计算该可逆温度。代表性的温度范围是在约800K至900K下的NaCl-ScCl3、在约300K至400K下的NaCl-TiCl2、在约600K至800K下的NaCl-UCl3、在约250K至300K下的NaCl-UCl4、在约250K至300K下的NaCl-ZrCl4、在约900K至1300K下的NaCl-MgCl2、在约900K至1000K下的NaCl-EuCl3、在约＞1000K下的NaCl-NdCl3以及在约＞1000K下的NaCl-YCl3。
在一个实施方式中，反应混合物包含：氧化物，诸如金属氧化物，诸如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属氧化物以及其他金属和类金属的那些氧化物，诸如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se和Te的那些氧化物；过氧化物，诸如M2O2，其中M为碱金属，诸如Li2O2、Na2O2和K2O2；和超氧化物，诸如MO2，其中M为碱金属，诸如NaO2、KO2、RbO2和CsO2；以及碱土金属超氧化物；以及氢源。离子过氧化物可还包含Ca、Sr或Ba的那些离子过氧化物。用以形成H2O催化剂的反应可包含氧化物、过氧化物或超氧化物的氢还原以形成H2O。示例性的反应是
Na2O+2H2→2NaH+H2O (144)
Li2O2+H2→Li2O+H2O (145)
KO2+3/2H2→KOH+H2O (146)
在一个实施方式中，反应混合物包含：氢源，诸如H2、氢化物(诸如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属氢化物中的至少一者)和本公开的那些中的至少一者；以及氢或包含可燃烧氢的其他化合物的源，诸如金属酰胺；以及氧源(诸如O2)。用以形成H2O催化剂的反应可包括H2、氢化物或氢化合物(诸如金属酰胺)氧化以形成H2O。示例性的反应是
2NaH+O2→Na2O+H2O (147)
H2+1/2O2→H2O (148)
LiNH2+2O2→LiNO3+H2O (149)
2LiNH2+3/2O2→2LiOH+H2O+N2 (150)
在一个实施方式中，反应混合物包含氢源和氧源。用以形成H2O催化剂的反应可包括分解氢源和氧源中的至少一者以形成H2O。示例性的反应是
NH4NO3→N2O+2H2O (151)
NH4NO3→N2+1/2O2+2H2O (152)
H2O2→1/2O2+H2O (153)
H2O2+H2→2H2O (154)
本文中所公开的反应混合物还包含氢源以形成分数氢。该源可以是原子氢源(诸如氢解离器)和H2气或金属氢化物，诸如本公开的解离器和金属氢化物。用以提供原子氢的氢源可以是包含氢的化合物，诸如氢氧化物或羟基氧化物。发生反应以形成分数氢的H可以是通过一种或多种反应物的反应而形成的新生H，其中至少一者包含氢源，诸如氢氧化物与氧化物的反应。反应还可形成H2O催化剂。氧化物和氢氧化物可包含相同化合物。例如，羟基氧化物诸如FeOOH可脱水以提供H2O催化剂并且还在脱水期间提供用于分数氢反应的新生H：
4FeOOH→H2O+Fe2O3+2FeO+O2+2H(1/4) (155)其中在反应期间形成的新生H发生反应以形成分数氢。其他示例性反应是氢氧化物与羟基氧化物或氧化物(诸如NaOH+FeOOH或Fe2O3)的那些反应以形成碱金属氧化物诸如NaFeO2+H2O，其中在反应期间形成的新生H可形成分数氢，其中H2O充当催化剂。氧化物和氢氧化物可包含相同化合物。例如，羟基氧化物诸如FeOOH可脱水以提供H2O催化剂并且还在脱水期间提供用于分数氢反应的新生H：
4FeOOH→H2O+Fe2O3+2FeO+O2+2H(1/4) (156)其中在反应期间形成的新生H发生反应以形成分数氢。其他示例性反应是氢氧化物与羟基氧化物或氧化物(诸如NaOH+FeOOH或Fe2O3)的那些反应以形成碱金属氧化物诸如NaFeO2+H2O，其中在反应期间形成的新生H可形成分数氢，其中H2O充当催化剂。氢氧根离子在形成H2O和氧离子中既被还原也被氧化。氧离子可与H2O反应而形成OH-。可以诸如如下的氢氧化物-卤化物交换反应获得相同路径
2M(OH)2+2M′X2→H2O+2MX2+2M′O+1/2O2+2H(1/4) (157)其中示例性的M和M'金属分别为碱土金属和过渡金属，诸如Cu(OH)2+FeBr2、Cu(OH)2+CuBr2或Co(OH)2+CuBr2。在一个实施方式中，固体燃料可包含金属氢氧化物和金属卤化物，其中至少一种金属是Fe。可以添加H2O和H2中的至少一种以再生反应物。在一个实施方式中，M和M'可选自以下各项的群组：碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、第13族元素、第14族元素、第15族元素和第16族元素，以及氢氧化物或卤化物的其他阳离子，诸如本公开的那些。用以形成HOH催化剂、新生H和分数氢中的至少一者的示例性反应是
4MOH+4M′X→H2O+2M′2O+M2O+2MX+X2+2H(1/4) (158)
在一个实施方式中，反应混合物包含氢氧化物和卤化物化合物(诸如本公开的那些)中的至少一者。在一个实施方式中，卤化物可用于促进新生HOH催化剂和H中的至少一者的形成和维持中的至少一者。在一个实施方式中，混合物可用于降低反应混合物的熔点。
酸-碱反应是形成H2O催化剂的另一方法。示例性的卤化物和氢氧化物混合物是Bi、Cd、Cu、Co、Mo和Cd的那些以及Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W和Zn的群组的具有低水反应性的金属的氢氧化物和卤化物的混合物。在一个实施方式中，反应混合物还包含可充当H和催化剂(诸如新生H2O)中的至少一者的源的H2O。水可以是水合物的形式，该水合物在反应期间分解或以其他方式发生反应。
在一个实施方式中，固体燃料包含形成新生H和新生H2O的H2O与无机化合物的反应混合物。该无机化合物可包含卤化物，诸如与H2O反应的金属卤化物。反应产物可以是氢氧化物、羟基氧化物、氧化物、卤氧化物、羟基卤化物和水合物中的至少一者。其他产物可包含含有氧和卤素的阴离子，诸如XO-、
Figure BDA0003817985810001401
和
Figure BDA0003817985810001402
(X＝卤素)。产物还可以是还原的阳离子和卤素气体中的至少一者。卤化物可以是金属卤化物，诸如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属以及Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge和B以及形成卤化物的其他元素的金属卤化物。所述金属或元素可另外为形成氢氧化物、羟基氧化物、氧化物、卤氧化物、羟基卤化物、水合物中的至少一者的金属或元素，以及形成具有包含氧和卤素的阴离子(诸如XO-、
Figure BDA0003817985810001403
和
Figure BDA0003817985810001404
(X＝卤素)的化合物的金属或元素。适合的示例性金属和元素是碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属以及Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge和B中的至少一者。示例性反应是
5MX2+7H2O→MXOH+M(OH)2+MO+M2O3+11H(1/4)+9/2X2 (159)其中M为金属，诸如过渡金属(诸如Cu)，并且X为卤素(诸如Cl)。
在一个实施方式中，固体燃料或高能材料包含单线态氧的源。用以产生单线态氧的示例性反应是
NaOCl+H2O2→O2+NaCl+H2O (160)
在另一个实施方式中，固体燃料或高能材料包含芬顿反应的源或试剂，诸如H2O2。
固体燃料和反应可以是通过至少一种
Figure BDA0003817985810001405
等离子体或热力和本文中以及诸如以下各项的Mills先前专利申请中所公开的方法可再生和可逆中的至少一者：HydrogenCatalyst Reactor(氢催化剂反应器)，PCT/US08/61455，2008年4月24日提交的PC；Heterogeneous Hydrogen Catalyst Reactor(非均相氢催化剂反应器)，PCT/US09/052072，2009年7月29日提交的PCT；Heterogeneous Hydrogen Catalyst Power System(非均相氢催化剂动力系统)，PCT/US10/27828，2010年3月18日提交的PCT；ElectrochemicalHydrogen Catalyst Power System(电化学氢催化剂动力系统)，PCT/US11/28889，2011年3月17日提交的PCT；H2O-Based Electrochemical Hydrogen-Catalyst Power System(基于H2O的电化学氢催化剂动力系统)，PCT/US12/31369，2012年3月30日提交；以及CIHT PowerSystem(CIHT动力系统)，PCT/US13/041938，2013年5月21提交，将这些专利申请全文以引用方式并入本文中。
在一个实施方式中，氢氧化物和卤化物化合物混合物(诸如Cu(OH)2+CuBr2)的再生反应可以是通过添加至少一种H2和H2O。示例性的热可逆固体燃料循环是
T 100 2CuBr2+Ca(OH)2→2CuO+2CaBr2+H2O (161)
T 730 CaBr2+2H2O→Ca(OH)2+2HBr (162)
T 100 CuO+2HBr→CuBr2+H2O (163)
T 100 2CuBr2+Cu(OH)2→2CuO+2CaBr2+H2O (164)
T 730 CuBr2+2H2O→Cu(OH)2+2HBr (165)
T 100 CuO+2HBr→CuBr2+H2O (166)
在一个实施方式中，其中碱金属M(诸如K或Li)以及nH(n＝整数)、OH、O、2O、O2和H2O中的至少一者充当催化剂，H源是以下各项中的至少一者：金属氢化物，诸如MH；以及用以形成H的金属M和金属氢化物MH中的至少一者与H源的反应。一种产物可以是氧化的M，诸如氧化物或氢氧化物。用以形成原子氢和催化剂中的至少一者的反应可以是电子转移反应或氧化-还原反应。反应混合物可还包含H2、H2解离器(诸如
Figure BDA0003817985810001411
和本公开的那些中的至少一者，诸如Ni筛网或R-Ni)和导电载体(诸如这些解离器和其他解离器)以及本公开的载体(诸如碳)以及碳化物、硼化物和碳氮化物中的至少一者。M或MH的示例性氧化反应是
4MH+Fe2O3 to+H2O+H(1/p)+M2O+MOH+2Fe+M (167)
其中H2O和M中的至少一者可充当催化剂以形成H(1/p)。
在一个实施方式中，氧源是具有与水相似生成热的化合物，使得以最少能量释放发生氧源化合物的还原产物与氢之间的氧交换。适合的示例性氧源化合物是CdO、CuO、ZnO、SO2、SeO2和TeO2。诸如金属氧化物之类的其他者还可以是酸或碱的酐，所述酸或碱可在H2O催化剂源是MnOx、AlOx和SiOx时经历脱水反应。在一个实施方式中，氧化物层氧源可覆盖氢源，诸如金属氢化物，诸如氢化钯。可通过将氧化物涂覆的氢源(诸如金属氧化物涂覆的氢化钯)加热而起始用以形成H2O催化剂和原子H(其进一步发生反应以形成分数氢)的反应。在一个实施方式中，用以形成分数氢催化剂的反应和再生反应包含分别在氧源化合物与氢之间以及水与还原的氧源化合物之间的氧交换。合适的经还原氧源是Cd、Cu、Zn、S、Se和Te。在一个实施方式中，氧交换反应可包含用于热形成氢气的那些氧交换反应。示例性的热方法为氧化铁循环、氧化铈(IV)-氧化铈(III)循环、锌氧化锌循环、硫-碘循环、氯化铜循环和混合硫循环以及本领域技术人员已知的其他热方法。在一个实施方式中，用以形成分数氢催化剂的反应和再生反应诸如氧交换反应同时发生在同一反应容器中。可控制诸如温度和压力之类的条件以实现反应的同时性。作为另一种选择，可在至少一个其他的单独容器中移除和再生产物，此可发生在不同于如本公开和Mills先前专利申请中所给出的功率形成反应的那些条件下。
固体燃料可包含不同离子，诸如碱金属阳离子、碱土金属阳离子和其他阳离子以及阴离子，诸如卤离子及含氧阴离子。固体燃料的阳离子可包括以下各项中的至少一者：碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属、稀土金属、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Ga、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr、Sn、In、Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、W，以及本领域已知的形成离子化合物的其他阳离子。阴离子可包括以下各项中的至少一者：氢氧化物、卤化物、氧化物、硫属元素化物、硫酸盐、磷酸盐、磷化物、硝酸盐、氮化物、碳酸盐、铬酸盐、硅化物、砷化物、硼化物、过氯酸盐、过碘酸盐、氧化钴镁、氧化镍镁、氧化铜镁、铝酸盐、钨酸盐、锆酸盐、钛酸盐、锰酸盐、碳化物、金属氧化物、非金属氧化物；碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和土金属以及Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge和B以及可形成氧化物或含氧阴离子的其他元素的氧化物；LiAlO2、MgO、CaO、ZnO、CeO2、CuO、CrO4、Li2TiO3或SrTiO3，包含Mo、Ti、Zr、Si、Al、Ni、Fe、Ta、V、B、Nb、Se、Te、W、Cr、Mn、Hf和Co的群组的元素、金属、合金或混合物的氧化物；MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO或Fe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、CrO3、MnO、Mn3O4、Mn2O3、MnO2、Mn2O7、HfO2、CoO、Co2O3、Co3O4、Li2MoO3或Li2MoO4、Li2TiO3、Li2ZrO3、Li2SiO3、LiAlO2、LiNiO2、LiFeO2、LiTaO3、LiVO3、Li2B4O7、Li2NbO3、Li2PO4、Li2SeO3、Li2SeO4、Li2TeO3、Li2TeO4、Li2WO4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2MnO3、Li2MnO4、Li2HfO3、LiCoO2、Li2MoO4、MoO2、Li2WO4、Li2CrO4和Li2Cr2O7、S、Li2S、MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO或Fe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、P2O3、P2O5、B2O3，以及本领域已知的形成离子化合物的其他阴离子。
在一个实施方式中，酰胺诸如LiNH2的NH2基团充当催化剂，其中势能为约81.6eV或约3×27.2eV。类似于酸或碱与酐之间的可逆H2O消除或加成反应(反之亦然)，酰胺与酰亚胺或氮化物之间的可逆反应致使形成NH2催化剂，NH2催化剂进一步与原子H反应而形成分数氢。酰胺与酰亚胺和氮化物中的至少一者之间的可逆反应也可充当氢源，诸如原子H。
固体燃料熔体和电解池
在一个实施方式中，用以形成热力和低能氢物质(诸如H(1/p)和H2(1/p)，其中p是整数)的反应器包含充当H和HOH催化剂中的至少一者的源的熔融盐。该熔融盐可包含盐混合物，诸如低共熔混合物。该混合物可包含氢氧化物和卤化物中的至少一者，诸如碱金属和碱土金属氢氧化物和卤化物(诸如LiOH-LiBr或KOH-KCl)中的至少一者的混合物。该反应器还可包括加热器、加热器动力供应器和温度控制器以将盐维持在熔融状态。H和HOH催化剂中的至少一者的源可包含水。水可在熔融盐中解离。熔融盐可还包含添加剂，诸如氧化物和金属(诸如氢解离器金属，诸如包含Ti、Ni和贵金属(诸如Pt或Pd)的至少一者)中的至少一者以提供H和HOH催化剂中的至少一者。在一个实施方式中，可通过存在于熔融盐中的氢氧化物、卤化物和水中的至少一者的反应来形成H和HOH。在一个示例性实施方式中，可通过MOH(M＝碱金属)的脱水来形成H和HOH中的至少一者：2MOH→M2O+HOH；MOH+H2O→MOOH+2H；MX+H2O(X＝卤离子)→MOX+2H，其中可由MX催化脱水和交换反应。在固体燃料公开内容中给出了熔融盐的反应的其他实施方式，其中这些反应可包括
Figure BDA0003817985810001431
固体燃料反应物以及反应。
在一个实施方式中，用以形成热力和低能氢物质(诸如H(1/p)和H2(1/p)，其中p是整数)的反应器包括电解系统，该电解系统包括至少两个电极和电解动力供应器、电解控制器、熔融盐电解质、加热器、温度传感器以及用以维持所需温度的加热器控制器以及H和HOH催化剂中的至少一者的源。该电极在电解质中可以是稳定的。示例性的电极为镍电极和贵金属电极。可将水供应至池并且可将电压诸如DC电压施加至该电极。可在阴极处形成氢，而可在阳极处形成氧。氢可与也形成于池中的HOH催化剂反应以形成分数氢。HOH催化剂可来自所添加的水。由形成分数氢而产生的能量可在池中产生热量。池可以是良好绝缘的，使得来自分数氢反应的热量可减少加热器维持熔融盐所需的功率量。绝缘材料可包括真空夹套或本领域已知的其他热绝缘材料，诸如陶瓷纤维绝缘材料。该反应器还可包括热交换器。该热交换器可移出待递送至外部负载的过量热量。
熔融盐可包含氢氧化物和至少一种其他盐(诸如选自一种或多种其他氢氧化物、卤化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐和磷酸盐的一者)。在一个实施方式中，盐混合物可包含金属氢氧化物和具有本公开的另一阴离子的相同金属，诸如卤化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐和磷酸盐。熔融盐可包含选自CsNO3-CsOH、CsOH-KOH、CsOH-LiOH、CsOH-NaOH、CsOH-RbOH、K2CO3-KOH、KBr-KOH、KCl-KOH、KF-KOH、KI-KOH、KNO3-KOH、KOH-K2SO4、KOH-LiOH、KOH-NaOH、KOH-RbOH、Li2CO3-LiOH、LiBr-LiOH、LiCl-LiOH、LiF-LiOH、LiI-LiOH、LiNO3-LiOH、LiOH-NaOH、LiOH-RbOH、Na2CO3-NaOH、NaBr-NaOH、NaCl-NaOH、NaF-NaOH、NaI-NaOH、NaNO3-NaOH、NaOH-Na2SO4、NaOH-RbOH、RbCl-RbOH、RbNO3-RbOH、LiOH-LiX、NaOH-NaX、KOH-KX、RbOH-RbX、CsOH-CsX、Mg(OH)2-MgX2、Ca(OH)2-CaX2、Sr(OH)2-SrX2或Ba(OH)2-BaX2(其中X＝F、Cl、Br或I)的至少一种盐混合物，以及LiOH、NaOH、KOH、RbOH、CsOH、Mg(OH)2、Ca(OH)2、Sr(OH)2或Ba(OH)2，以及AlX3、VX2、ZrX2、TiX3、MnX2、ZnX2、CrX2、SnX2、InX3、CuX2、NiX2、PbX2、SbX3、BiX3、CoX2、CdX2、GeX3、AuX3、IrX3、FeX3、HgX2、MoX4、OsX4、PdX2、ReX3、RhX3、RuX3、SeX2、AgX2、TcX4、TeX4、TlX和WX4(其中X＝F、Cl、Br或I)中的一者或多者。熔融盐可包含盐混合物电解质的阴离子共同的阳离子；或者阴离子是阳离子共同的，并且氢氧化物对混合物的其他盐是稳定的。混合物可以是低共熔混合物。池可在大约低共熔混合物的熔点的温度下操作，但可在更高温度下操作。电解电压可以是约1V至50V、2V至25V、2V至10V、2V至5V和2V至3.5V中的至少一个范围。电流密度可在约10mA/cm2至100A/cm2、100mA/cm2至75A/cm2、100mA/cm2至50A/cm2、100mA/cm2至20A/cm2和100mA/cm2至10A/cm2中的至少一个范围内。
在另一个实施方式中，电解热力系统还包括氢电极，诸如氢可渗透电极。氢电极可包含渗透过金属膜的H2气体，所述金属膜为诸如由Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)或430SS(H2)表示的Ni、V、Ti、Nb、Pd、PdAg或Fe。碱金属电解质的合适的氢可渗透电极包含Ni和合金(诸如LaNi5)、贵金属(诸如Pt、Pd和Au)以及镍或贵金属涂覆的氢可渗透金属，诸如V、Nb、Fe、Fe-Mo合金、W、Mo、Rh、Zr、Be、Ta、Rh、Ti、Th、Pd、Pd涂覆的Ag、Pd涂覆的V、Pd涂覆的Ti、稀土、其他难熔金属、诸如430SS之类的不锈钢(SS)和本领域技术人员已知的其他此类金属。表示为M(H2)(其中M为H2所渗透过的金属)的氢电极可包括Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)和430SS(H2)中的至少一者。氢电极可包括可喷洒H2的多孔电极。氢电极可包含氢化物诸如选自R-Ni、LaNi5H6、La2Co1Ni9H6、ZrCr2H3.8、LaNi3.55Mn0.4Al0.3Co0.75、ZrMn0.5Cr0.2V0.1Ni1.2的氢化物，以及能够储存氢的其他合金，AB5型(LaCePrNdNiCoMnAl)或AB2型(VTiZrNiCrCoMnAlSn)，其中“ABx”名称是指A型元素(LaCePrNd或TiZr)与B型元素(VNiCrCoMnAlSn)的比率，AB5型：MmNi3.2Co1.0Mn0.6Al0.11Mo0.09(Mm＝混合稀土金属：25重量％La、50重量％Ce、7重量％Pr、18重量％Nd)，AB2型：Ti0.51Zr0.49V0.70Ni1.18Cr0.12合金；基于镁的合金，Mg1.9Al0.1Ni0.8Co0.1Mn0.1合金、Mg0.72Sc0.28(Pd0.012+Rh0.012)和Mg80Ti20、Mg80V20、La0.8Nd0.2Ni2.4Co2.5Si0.1、LaNi5-xMx(M＝Mn、Al)、(M＝Al、Si、Cu)、(M＝Sn)、(M＝Al、Mn、Cu)以及LaNi4Co、MmNi3.55Mn0.44Al0.3Co0.75、LaNi3.55Mn0.44Al0.3Co0.75、MgCu2、MgZn2、MgNi2；AB化合物，TiFe、TiCo和TiNi；ABn化合物(n＝5、2或1)，AB3-4化合物，ABx(A＝La、Ce、Mn、Mg；B＝Ni、Mn、Co、Al)；ZrFe2、Zr0.5Cs0.5Fe2、Zr0.8Sc0.2Fe2、YNi5、LaNi5、LaNi4.5Co0.5、(Ce、La、Nd、Pr)Ni5、混合稀土金属-镍合金、Ti0.98Zr0.02V0.43Fe0.09Cr0.05Mn1.5、La2Co1Ni9、FeNi和TiMn2。在一个实施方式中，电解阴极包括H2O还原电极和氢电极中的至少一者。在一个实施方式中，电解阳极包括OH-氧化电极和氢电极中的至少一者。
在本公开的一个实施方式中，电解热力系统包括以下各项中的至少一者：[M”’/MOH-M’卤离子/M”(H2)]、[M”’/M(OH)2-M’卤离子/M”(H2)]、[M”(H2)/MOH-M’卤离子/M”’]和[M”(H2)/M(OH)2-M’卤离子/M”’]，其中M为碱金属或碱土金属，M'为具有氢氧化物和氧化物的金属，该氢氧化物和氧化物是以下情形中的至少一者：不如碱金属或碱土金属的那些氢氧化物或氧化物稳定或者具有与水的低反应性，M”为氢可渗透金属，并且M”'为导体。在一个实施方式中，M'为金属，诸如选自Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr、In、Pt和Pb的金属。作为另一种选择，M和M'可以是金属，诸如独立地选自Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr、Sn、In、Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl和W的金属。其他示例性系统包含[M”/MOH M”X/M’(H2)]和[M’(H2)/MOH M’X/M”)]，其中M、M'、M”和M”'为金属阳离子或金属，X为阴离子，诸如选自氢氧根、卤离子、硝酸根、硫酸根、碳酸根和磷酸根的阴离子，并且M'为H2可渗透的。在一个实施方式中，氢电极包含金属，诸如选自V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr、Sn、In、Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、W和贵金属的至少一者。在一个实施方式中，电化学动力系统包括：氢源；能够提供或形成原子H的氢电极；电极，其能够形成H、H2、OH、OH-和H2O催化剂中的至少一者；O2和H2O中的至少一者的源；阴极，其能够还原H2O和O2中的至少一者；碱金属电解质；以及用以收集和再循环H2O蒸气、N2以及O2和H2中的至少一者的系统。H2、水和氧的源可包括本公开的各者。
在一个实施方式中，供应至电解系统的H2O可充当将在阴极处形成的H原子催化为分数氢的HOH催化剂。由氢电极提供的H还可充当H反应物以形成分数氢，诸如H(1/4)和H2(1/4)。在另一个实施方式中，可通过阳极处的OH-氧化和与来自源的H的反应而形成催化剂H2O。H源可来自电解质(诸如包括氢氧化物和H2O中的至少一者的电解质)的电解和氢电极中的至少一者。H可从阴极扩散至阳极。示例性的阴极和阳极反应是：
阴极电解反应
2H2O+2e-→H2+2OH-(168)
阳极电解反应
1/2H2+OH-to H2O+e- (169)
H2+OH-→H2O+e-+H(1/4) (170)
OH-+2H→H2O+e-+H(1/4) (171)
关于在阳极用以形成HOH催化剂的OH-氧化反应，可通过在阴极还原氧源(诸如O2)来替代OH-。在一个实施方式中，熔融电解质的阴离子可充当阴极处的氧源。合适的阴离子是氧阴离子，诸如
Figure BDA0003817985810001461
和
Figure BDA0003817985810001462
阴离子诸如
Figure BDA0003817985810001463
可形成碱性溶液。示例性的阴极反应是
阴极
Figure BDA0003817985810001464
该反应可涉及可逆半电池氧化-还原反应，诸如
Figure BDA0003817985810001465
将H2O还原为OH-+H可引起阴极反应以形成分数氢，其中H2O充当催化剂。在一个实施方式中，可将CO2、SO2、NO、NO2、PO2和其他类似反应物作为氧源添加至池。
除熔融电解池之外，还可能在熔融或含水碱性或碳酸盐电解池中生成H2O催化剂，其中在阴极上产生H。通过将H2O还原为OH-+H而在阴极形成的H的电极交叉可引起式(171)的反应。作为另一种选择，存在可产生H2O催化剂的涉及碳酸盐的数个反应，诸如涉及可逆内部氧化-还原反应的那些反应，诸如
Figure BDA0003817985810001466
以及半电池反应，诸如
Figure BDA0003817985810001467
Figure BDA0003817985810001468
分数氢化合物或物质的组合物
包含低能氢物质(诸如分子分数氢)的分数氢化合物可通过以下各项来鉴别：(i)飞行时间次级离子质谱(ToF-SIMS)和电喷雾飞行时间次级离子质谱(ESI-ToF)，其可记录独特金属氢化物、氢负离子以及具有束缚H2(1/4)的无机离子的簇，诸如呈M+2单体或多聚物单元的形式，诸如K+[H2(1/4):K2CO3]n和K+[H2(1/4):KOH]]n，其中n为整数；(ii)傅里叶变换红外光谱(FTIR)，其可记录处于约1940cm-1的H2(1/4)旋转能量和在指纹区域中的振动谱带中的至少一者，其中可缺乏其他的已知官能基的高能量特征，(iii)质子魔角自旋核磁共振谱(1H MAS NMR)，其可记录高场基质峰，诸如在-4ppm至-6ppm区域中的高场基质峰，(iv)X射线衍射(XRD)，其可记录由于可包含聚合结构的独特组合物而导致的新颖峰，(v)热重分析(TGA)，其可记录氢聚合物在非常低温度下(诸如在200℃至900℃的区域中)的分解并且提供独特的氢化学计量或组成，诸如FeH或K2CO3 H2，(vi)电子束激发发射光谱，其可记录包括以0.25eV间隔开的峰的260nm区域中的H2(1/4)振转谱带；(vii)光致发光拉曼光谱，其可记录包括以0.25eV间隔开的峰的260nm区域中的二阶H2(1/4)振转谱带；(viii)由电子束激发发射光谱记录的包括以0.25eV间隔开的峰的260nm区域中的一阶H2(1/4)振转谱带和由光致发光拉曼光谱记录的二阶H2(1/4)振转谱带中的至少一者的强度可在由低温冷却器热冷却时随温度可逆地减小；(ix)振转发射光谱，其中H2(1/p)诸如H2(1/4)的振转谱带可由高能量光(诸如至少振转发射的能量的光)激发；(x)拉曼光谱，其可记录由于顺磁位移和纳米颗粒位移中的至少一者导致的在40至8000cm-1的范围内的连续拉曼光谱以及在1500至2000cm-1的范围内的峰中的至少一者；(xi)关于用诸如氦或氢等离子体(诸如微波、RF或辉光放电等离子体)之类的等离子体激发的处于气相中或嵌入于液体或固体(诸如结晶基质，诸如包含KCl的结晶基质)中的H2(1/4)的振转谱带的光谱；(xii)拉曼光谱，其可记录在大约1940cm-1±10％和5820cm-1±10％中的一者或多者处的H2(1/4)转动峰，(Xiii)X射线光电子能谱(XPS)，其可记录在大约495-500eV处的H2(1/4)的总能量，(xiv)气相色谱，其可记录负峰，其中该峰可具有比氦或氢快的迁移时间，(xv)电子顺磁共振(EPR)谱，其可记录具有约2.0046±20％的g因子的H2(1/4)峰、EPR谱分裂成具有约1至10G的间隔的两个主峰(其中每个主峰亚分裂为具有约0.1至1G的间距的一系列峰)和约1.6×10-2eV±20％的质子分裂(诸如质子-电子偶极分裂)能以及包含氢分子二聚物[H2(1/4)]2的氢产物中的至少一者，其中EPR谱显示约9.9×10-5eV±20％的电子-电子偶极分裂能和约1.6×10-2eV±20％的质子-电子偶极分裂能，(xvi)四极矩测量，诸如磁化率和g因子测量，其记录约
Figure BDA0003817985810001471
的H2(1/p)四极矩/e，以及(xvii)高压液相色谱(HPLC)，其采用溶剂(诸如包含水或水-甲醇-甲酸的溶剂)和洗脱液(诸如梯度水+醋酸铵+甲酸以及乙腈/水+醋酸铵+甲酸)，使用有机柱，显示出具有比载体空体积时间更长的保留时间的色谱峰，其中通过质谱诸如ESI-ToF检测所述峰显示出至少一个离子化合物或无机化合物的碎片，诸如来自通过将来自
Figure BDA0003817985810001472
的Ga2O3溶解于NaOH中而制备的样品的NaGaO2型碎片。分数氢分子可形成二聚物和固体H2(1/p)中的至少一者。在一个实施方式中，H2(1/4)二聚物([H2(1/4)]2)和D2(1/4)二聚物([D2(1/4)]2)的整数J至J+1跃迁的翻滚旋转能分别是约(J+1)44.30cm-1和(J+1)22.15cm-1。在一个实施方式中，[H2(1/4)]2)的至少一个参数是(i)约
Figure BDA0003817985810001481
的H2(1/4)分子之间的间距，(ii)约23cm-1的H2(1/4)分子之间的振动能，以及(iii)约0.0011eV的H2(1/4)分子之间的范德华能。在一个实施方式中，固体H2(1/4)的至少一个参数是(i)约
Figure BDA0003817985810001482
的H2(1/4)分子之间的间距，(ii)约23cm-1的H2(1/4)分子之间的振动能，以及(iii)约0.019eV的H2(1/4)分子之间的范德华能。在一个实施方式中，与非分数氢类似物GaOOH相比，分数氢化合物诸如GaOOH:H2(1/4)包含新颖的晶体结构，诸如通过X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)记录的六方晶结构对斜方晶结构，通过TEM或XRD发现了新颖晶体图案。旋转光谱和振动光谱中的至少一者可通过FTIR和拉曼光谱中的至少一者记录，其中键解离能和间距也可从光谱确定。分数氢产物的参数的解析在Mills GUTCP[其以引用的方式并入本文中，可得自https://brilliantlightpower.com]中给出，诸如在第5-6、11-12和16章中给出。
在一个实施方式中，收集呈气态、物理吸收态、液化态或呈其他状态的分子分数氢的设备包括：包含低能氢物质的大聚集体或聚合物的源、容纳包含低能氢物质的大聚集体或聚合物的腔室、热解腔室中的包含低能氢物质的大聚集体或聚合物的部件和收集从包含低能氢物质的大聚集体或聚合物释放的气体的部件。分解部件可包括加热器。加热器可将第一腔室加热至高于包含低能氢物质的大聚集体或聚合物的分解温度的温度，诸如在约10℃至3000℃、100℃至2000℃和100℃至1000℃中的至少一个范围内的温度。收集来自包含低能氢物质的大聚集体或聚合物的分解的气体的部件可包括第二腔室。该第二腔室可包括气泵、气阀、压力计和质量流量控制器中的至少一者以进行以下中的至少一者：储存和转移所收集的分子分数氢气体。该第二腔室可还包括吸收分子分数氢气体的吸气剂或用以液化分子分数氢的冷却器诸如低温系统。冷却器可包括低温泵或杜瓦，该低温泵或杜瓦容纳有低温液体诸如液氦或液氮。
用以形成包含低能氢物质的大聚集体或聚合物的部件还可包括场源，诸如电场或磁场中的至少一者的源。电场源可包括至少两个电极和一电压源以将电场施加至反应腔室，在其中形成聚集体或聚合物。作为另一种选择，电场源可包含带静电材料。该带静电材料可构成反应池腔室诸如包含碳的腔室，诸如Plexiglas腔室。本公开的爆轰可使反应池腔室带静电。磁场源可包括至少一个磁体诸如永磁体、电磁体或超导磁体以将磁场施加至反应腔室，在其中形成聚集体或聚合物。
分子分数氢(诸如可以在本文所述的动力产生系统中产生的那些)可通过它们的光谱特征诸如通过电子顺磁共振谱(EPR)以及电子核双共振谱(ENDOR)确定的光谱特征来独特地鉴别。在一个实施方式中，低能氢产物可包含处于反磁性化学态的金属，诸如金属氧化物，并且另外不存在任何自由的非分数氢自由基物质，其中由于存在H2(1/p)诸如H2(1/4)而观察到电子顺磁共振(EPR)谱峰。包括用以使线爆轰以充当反应物源中的至少一者的装置以及用以传播分数氢反应以形成以下各项中的至少一者的装置的分数氢反应池腔室构成了图33中所示的线爆轰系统：H2(1/4)分子；无机化合物，诸如金属氧化物、氢氧化物；水合的无机化合物，诸如水合的金属氧化物和氢氧化物，其还包含H2(1/p)，诸如H2(1/4)；以及大聚集体或聚合物，其包含低能氢物质，诸如分子分数氢。在一个实施方式中，可调节反应池腔室的气氛以由线爆轰形成网状产物，该气氛除水蒸气之外还包含二氧化碳。二氧化碳可增强分子分数氢键合至正在生长的网状纤维，其中CO2可在爆炸期间与由金属线形成的金属氧化物反应以形成相应的金属碳酸盐或碳酸氢盐。
多个分数氢分子诸如H2(1/4)的电子磁矩可引起永久磁化。当多个分数氢分子的磁矩协同地相互作用时，分子分数氢可产生本体磁性，并且其中可出现多聚物诸如二聚物。包含分子分数氢的二聚物、聚集体或聚合物的磁性可因协同对准的磁矩的相互作用引起。如果磁性是由于具有至少一个未成对电子的额外物质(诸如铁原子)的永久电子磁偶极矩的相互作用，则磁性可大得多。
除了范德华力以外，自组装机制还可包括磁排序。众所周知的是，施加外部磁场会致使悬浮于诸如甲苯之类的溶剂中的胶态磁性纳米颗粒诸如磁铁(Fe2O3)组装成线性结构。由于小的质量和高的磁矩，分子分数氢甚至在不存在磁场的情况下进行磁性自组装。在增强自组装以及控制分数氢产物的备选结构形成的实施方式中，将外部磁场施加于分数氢反应，诸如线爆轰。磁场可通过将至少一个永磁体置放在反应腔室中来施加。作为另一种选择，爆轰线可包含充当磁性颗粒源的金属诸如磁铁以驱动分子分数氢的磁性自组装，其中所述源可为水蒸气中的线爆轰或另外的源。
在一个实施方式中，分数氢产物诸如分数氢化合物或大聚集体可包含至少一种非氢的元素周期表中的其他元素。分数氢产物可包含分数氢分子和至少一种其他元素，诸如金属原子、金属离子、氧原子和氧离子中的至少一者。示例性的分数氢产物可包含H2(1/p)诸如H2(1/4)以及Sn、Zn、Ag、Fe、SnO、ZnO、AgO、FeO和Fe2O3中的至少一者。
分子分数氢也可以形成可通过EPR谱显示的二聚物。考虑与H2(1/4)二聚物的两个轴向对准磁矩的相互作用的分裂能。在将每一轴向对准的磁矩的波尔磁子μB和由Mills式(16.202)针对|r|给出的H2(1/4)二聚物间距代入Mills式(16.223)中，用以使[H2(1/4)]2的两个电子磁矩的自旋方向翻转的能量
Figure BDA0003817985810001491
为
Figure BDA0003817985810001501
能量(Mills式(16.220))可进一步受级数大于二的多聚物(诸如三聚物、四聚物、五聚物、六聚物)存在的影响，并且受分数氢化合物的内部本体磁性影响。可通过由Mills式(16.223)给出的叠加磁偶极子相互作用的向量相加以及相应的距离和角度来确定归因于多个多聚物的能移。当多个分数氢分子的磁矩协同地相互作用时，分子分数氢的未成对电子可产生非零或有限的本体磁性，诸如顺磁性、超顺磁性以及甚至铁磁性。当多个分数氢分子的磁矩协同地相互作用时，分子分数氢可产生非零或有限的本体磁性，诸如顺磁性、超顺磁性以及甚至铁磁性。当分子分数氢大聚集体另外包含诸如铁之类的铁磁原子时，超顺磁性和铁磁性是有利的。超过室温而是稳定的大聚集体可通过磁性组装和键合而形成。磁能变得接近0.01eV，与周围实验室热能相当。具有导致低B场激发和高B场去激发的磁化的化合物的EPR谱可观察到其光谱特征分别具有相应的低场位移和高场位移。尽管该效应可能很小，但由于分裂能非常小，比H兰姆位移小1000到10,000倍，它仍然可以观察到。在GaOOH:H2(1/4)样品的情形中，代尔夫特大学(Delft University)记录的EPR谱[F.Hagen,R.Mills,“Distinguishing Electron Paramagnetic Resonance signature ofmolecular hydrino”,Nature,(2020)，(审稿进行中).]显示由于俘获在构成反磁基质的GaOOH笼中的H2(1/4)分子的稀薄存在而引起的非常窄的线宽。
用以在室温至高温下形成固体的分子分数氢分子H2(1/4)的结合是由于范德华力形成的，分子分数氢的范德华力由于尺寸减小和更紧实(如Mills GUTCP中所示)而比分子氢的范德华力大得多。由于分子分数氢的固有磁矩和范德华力，分子分数氢可自组装成大聚集体。在一个实施方式中，分数氢诸如H2(1/p)诸如H2(1/4)可形成聚合物、管、链、立方体、富勒烯和其他宏观结构。
在一个实施方式中，包含低能氢物质诸如分子分数氢的物质(“分数氢化合物”)的组合物可以磁性方式分离。可使分数氢化合物冷却以进一步增强磁性，然后以磁性方式分离。磁性分离方法可包括将含有所需分数氢化合物的化合物混合物移动通过磁场，使得分数氢化合物的移动性相对于混合物的其余物质来说优选被阻滞，或者在混合物上移动磁体以使分数氢化合物从混合物中分离。在一个示例性的实施方式中，通过将爆轰产物材料浸入液氮中并利用磁性分离，分数氢化合物可与线爆轰的非分数氢产物分离，其中低温可增加分数氢化合物产物的磁性。可在液氮的沸腾表面增强分离。
除带负电之外，在一个实施方式中，分数氢氢负离子H-(1/p)还包括具有不成对电子的双重态，该不成对电子产生一波尔磁子的磁矩。分数氢氢负离子分离器可包括电场源和磁场源中的至少一者以基于差异的和选择性的力(基于分数氢氢负离子的电荷和磁矩中的至少一者而维持于分数氢氢负离子上)而将分数氢氢负离子从离子混合物分开。在一个实施方式中，分数氢氢负离子可在电场中加速并且基于分数氢氢负离子的独特质荷比而偏转至收集器。分离器可包括半球形分析器或飞行时间分析器型装置。在另一个实施方式中，可通过磁分离来收集分数氢氢负离子，其中通过磁体将磁场施加至样品，分数氢氢负离子则选择性地粘至磁体以待分离。分数氢氢负离子可与反离子一起分离。
在一个实施方式中，通过H与OH和H2O催化剂中的至少一者反应合成诸如原子分数氢、分子分数氢或分数氢氢负离子之类的分数氢物质。在一个实施方式中，用以形成分数氢的
Figure BDA0003817985810001511
反应和高能反应(诸如包括本公开的喷丸或线点燃的反应)中的至少一者的产物是分数氢化合物或物质，其包含与以下各项中的至少一者络合分数氢物质诸如H2(1/p)：(i)除氢以外的元素，(ii)普通氢物质，诸如H+、普通H2、普通H-和普通
Figure BDA0003817985810001512
中的至少一者；有机分子物质，诸如有机离子或有机分子，以及(iv)无机物质，诸如无机离子或无机化合物。分数氢化合物可包含含氧阴离子化合物，诸如碱金属或碱土金属碳酸盐或氢氧化物、羟基氧化物(诸如GaOOH、AlOOH和FeOOH)或本公开的其他此类化合物。在一个实施方式中，产物包含M2CO3′H2(1/4)和MOH′H2(1/4)(M＝碱金属或本公开的其他阳离子)络合物中的至少一者。产物可通过ToF-SIMS或电喷雾飞行时间次级离子质谱(ESI-ToF)鉴别为在正谱中的一系列离子，分别包含
Figure BDA0003817985810001513
和
Figure BDA0003817985810001514
其中n为整数并且可用整数p＞1取代4。在一个实施方式中，包含硅和氧的化合物(诸如SiO2或石英)可充当用于H2(1/4)的吸气剂。用于H2(1/4)的吸气剂可包含过渡金属、碱金属、碱土金属、内过渡金属、稀土金属、金属组合、合金(诸如Mo合金，诸如MoCu)和储氢材料，诸如本公开的那些。
通过本公开的方法合成的包含分数氢物质的化合物可具有式MH、MH2或M2H2，其中M为碱金属阳离子，并且H为分数氢物质。该化合物可具有式MHn，其中n为1或2，M为碱土金属阳离子，并且H为分数氢物质。该化合物可具有式MHX，其中M为碱金属阳离子，X为诸如卤素原子之类的中性原子、分子或诸如卤素阴离子之类的带单个负电荷的阴离子中的一者，并且H为分数氢物质。该化合物可具有式MHX，其中M为碱土金属阳离子，X为带单个负电荷的阴离子，并且H为分数氢物质。该化合物可具有式MHX，其中M为碱土金属阳离子，X为带双负电荷的阴离子，并且H为分数氢物质。该化合物可具有式M2HX，其中M为碱金属阳离子，X为带单个负电荷的阴离子，并且H为分数氢物质。该化合物可具有式MHn，其中n为整数，M为碱金属阳离子，并且该化合物的氢内容物Hn包含至少一种分数氢物质。该化合物可具有式M2Hn，其中n为整数，M为碱土金属阳离子，并且该化合物的氢内容物Hn包含至少一种分数氢物质。该化合物可具有式M2XHn，其中n为整数，M为碱土金属阳离子，X为带单个负电荷的阴离子，并且该化合物的氢内容物Hn包含至少一种分数氢物质。该化合物可具有式M2X2Hn，其中n为1或2，M为碱土金属阳离子，X为带单个负电荷的阴离子，并且该化合物的氢内容物Hn包含至少一种分数氢物质。该化合物可具有式M2X3H，其中M为碱土金属阳离子，X为带单个负电荷的阴离子，并且H为分数氢物质。该化合物可具有式M2XHn，其中n为1或2，M为碱土金属阳离子，X为带双负电荷的阴离子，并且该化合物的氢内容物Hn包含至少一种分数氢物质。化合物可具有式M2XX'H，其中M为碱土金属阳离子，X为带单个负电荷的阴离子，X'为带双负电荷的阴离子，并且H为分数氢物质。该化合物可具有式MM'Hn，其中n为1至3的整数，M为碱土金属阳离子，M'为碱金属阳离子，并且该化合物的氢内容物Hn包含至少一种分数氢物质。该化合物可具有式MM'XHn，其中n为1或2，M为碱土金属阳离子，M'为碱金属阳离子，X为带单个负电荷的阴离子，并且该化合物的氢内容物Hn包含至少一种分数氢物质。化合物可具有式MM'XH，其中M为碱土金属阳离子，M'为碱金属阳离子，X为带双负电荷的阴离子，并且H为分数氢物质。该化合物可具有式MM′XX’H，其中M为碱土金属阳离子，M'为碱金属阳离子，X和X'为带单个负电荷的阴离子，并且H为分数氢物质。化合物可具有式MXX'Hn，其中n为1至5的整数，M为碱金属或碱土金属阳离子，X为带单或双负电荷的阴离子，X'为金属或类金属、过渡元素、内过渡元素或稀土元素，并且该化合物的氢内容物Hn包含至少一种分数氢物质。化合物可具有式MHn，其中n为整数，M为诸如过渡元素、内过渡元素或稀土元素之类的阳离子，并且该化合物的氢内容物Hn包含至少一种分数氢物质。化合物可具有式MXHn，其中n为整数，M为诸如碱金属阳离子、碱土金属阳离子之类的阳离子，X为另一阳离子诸如过渡元素、内过渡元素或稀土元素阳离子，并且该化合物的氢内容物Hn包含至少一种分数氢物质。该化合物可具有式(MHmMCO3)n，其中M为碱金属阳离子或其他+1阳离子，m和n各为整数，并且该化合物的氢内容物Hm包含至少一种分数氢物质。该化合物可具有式
Figure BDA0003817985810001521
其中M为碱金属阳离子或其他+1阳离子，m和n各为整数，X为带单个负电荷的阴离子，并且该化合物的氢内容物Hm包含至少一种分数氢物质。该化合物可具有式(MHMNO3)n，其中M为碱金属阳离子或其他+1阳离子，n为整数，并且该化合物的氢内容物H包含至少一种分数氢物质。该化合物可具有式(MHMOH)n，其中M为碱金属阳离子或其他+1阳离子，n为整数，并且该化合物的氢内容物H包含至少一种分数氢物质。包括阴离子或阳离子的化合物可具有式(MHmM'X)n，其中m和n各为整数，M和M'各为碱金属或碱土金属阳离子，X为带单或双负电荷的阴离子，并且该化合物的氢内容物Hm包含至少一种分数氢物质。包括阴离子或阳离子的化合物可具有式
Figure BDA0003817985810001531
其中m和n各为整数，M和M'各为碱金属或碱土金属阳离子，X和X'为带单或双负电荷的阴离子，并且该化合物的氢内容物Hm包含至少一种分数氢物质。阴离子可包含本公开的那些阴离子中的一者。合适的示例性带单个负电荷的阴离子为卤离子、氢氧根离子、碳酸氢根离子或硝酸根离子。合适的示例性带双负电荷的阴离子为碳酸根离子、氧离子或硫酸根离子。
本公开的分数氢化合物的纯度优选大于0.1原子％。更优选地，化合物的纯度大于1原子％。甚至更优选地，化合物的纯度大于10原子％。最优选地，化合物的纯度大于50原子％。在另一个实施方式中，化合物的纯度大于90原子％。在另一个实施方式中，化合物的纯度大于95原子％。
反应产物的特性
由于分数氢化合物(或具有如本文所述的光谱特征的反应产物)在色谱诸如高效液相色谱(HPLC)期间与包含有机填料的柱诸如C18柱相互作用，因此可使用有机溶剂(诸如烃、醇、醚、二甲基甲酰胺和碳酸盐中的至少一者)从水溶液诸如碱水溶液(诸如NaOH或KOH水溶液)中提取分数氢化合物(例如，诸如在
Figure BDA0003817985810001532
运行期间产生的那些)。在一个实施方式中，由于包含低能氢的化合物与固定相之间相互作用，将具有包含有机化合物的固定相的色谱法(诸如具有C18柱填料的HPLC)用于实现以下中的至少一者：分离、纯化和鉴定包含低能氢的化合物(诸如包含分子分数氢的化合物)。还包含至少一种无机部分的化合物的低能氢部分可引起与具有至少一些有机特征的柱的固定相的相互作用，由此在不存在低能氢部分的情况下，该相互作用将可以忽略或不存在。在一个实施方式中，可通过柱色谱或薄膜色谱从化合物的溶液和混合物中的至少一者中纯化包含低能氢诸如分子分数氢的化合物。洗脱剂可包含水和至少一种有机溶剂诸如乙腈、甲酸、醇、醚、DMSO以及本领域已知的另一此类溶剂中的至少一者。柱填料可包括有机型固定相。
约瑟夫森结诸如超导量子干涉装置(SQUID)的约瑟夫森结以磁通量量子或磁通量子
Figure BDA0003817985810001541
为量子化单位连接磁通量。对于以分数氢氢负离子和分子分数氢连接的磁通量，预测和观察到相同的行为。在自由电子与相应原子H-(1/2)结合期间H(1/2)的可见发射光谱中观察到前者。通过涉及在所施加的磁场中微波辐射H2(1/4)的电子顺磁共振谱观察到分子分数氢的磁通量子链接，其中共振吸收引起涉及具有量子化磁链的自旋-轨道耦合的自旋-翻转跃迁。还通过涉及H2(1/4)的红外、可见光或紫外激光辐射的拉曼光谱观察到分子分数氢的磁通量子链接，其中共振吸收引涉及具有量子化磁链的自旋-轨道耦合的转动跃迁。通过涉及H2(1/4)的红外辐射的拉曼光谱进一步观察到分子分数氢的磁通量子链接，其中当施加磁场以改变红外吸收的选择规则时，共振吸收引起涉及具有量子化磁链的自旋-轨道耦合的转动跃迁。分数氢物质诸如H-(1/p)和H2(1/p)的磁链接现象可用于实现分数氢SQUID和分数氢SQUID型电子元件，诸如逻辑门、存储元件和利用这些分数氢反应产物的独特特性的其他电子测量或致动器装置，诸如磁强计、传感器和开关。例如，与低温计算机逻辑门或存储元件相比在更高温度下运行的计算机逻辑门或存储元件可以是单分子分数氢诸如H2(1/4)，其比分子氢小43或64倍。
分数氢SQUID和分数氢SQUID型电子元件可包括输入电流和输入电压电路及输出电流和输出电压电路中的至少一者以实现以下至少一者：感测和改变分数氢氢负离子和分子分数氢中的至少一者的磁链状态。该电路可以包括AC谐振电路，诸如射频RLC电路。分数氢SQUID和分数氢SQUID型电子元件可还包括至少一种电磁辐射源，诸如微波辐射、红外线辐射、可见光辐射或紫外线辐射中的至少一者的源。辐射源可以包括激光器或微波发生器。激光辐射可以通过透镜或光纤以聚焦的方式施加。分数氢SQUID和分数氢SQUID型电子元件还可包括施加到分数氢氢负离子和分子分数氢中的至少一者的磁场源。磁场可以是可调谐的。辐射源和磁场中的至少一者的可调谐性可以使人们能够选择性地和受控地实现电磁辐射源与磁场之间的共振。
在一个实施方式中，固有或外部磁场或磁化可允许包括电子自旋翻转、分子转动、自旋转动、自旋-轨道耦合和磁链跃迁中的至少一者的分子分数氢跃迁。在表面上包含分数氢的金属箔诸如铁磁箔诸如Ni、Fe或Co箔可在拉曼光谱中显示这些分子分数氢跃迁。在另一个实施方式中，分子分数氢化合物诸如GaOOH:H2(1/4)可经受外部施加的磁体的磁场以允许这些分子分数氢跃迁诸如可通过拉曼光谱观察到的分子分数氢跃迁。分子分数氢跃迁也可通过表面增强效应(诸如当分子分数氢在导体表面上诸如在金属表面上时发生的表面增强效应)来增强，诸如通过表面增强拉曼(SER)观察到的。示例性的金属表面是Ni、Cu、Cr、Fe、不锈钢、Ag、Au和其他金属或金属合金的箔。
在一个实施方式中，诸如H2(1/4)之类的分子分数氢气体可溶于凝结的气体诸如稀有气体诸如液氩、液氮、液态CO2或固态气体诸如固态CO2中。在分数氢比氢更易溶的情形中，液态氩可用于选择性地收集并富集来自源(诸如包含H2与分子分数氢气体的混合物的源诸如来自
Figure BDA0003817985810001551
的气体)的分子分数氢气体。在一个实施方式中，使来自
Figure BDA0003817985810001552
的气体鼓泡穿过液态氩，其由于分子分数氢在该液态氩中的溶解性而充当吸气剂。在一个实施方式中，可通过添加另一种气体(诸如保留分子分数氢的氩)来降低密封容器中气体分子分数氢的损失率。
如上所述，本公开的动力产生系统经由与可用于表征该系统的独特特征的反应来操作。可以以多种不同的方式收集这些产物。在一个实施方式中，溶剂用于分数氢收集。在一个实施方式中，溶剂可以是磁性的，诸如顺磁性的，使得分子分数氢由于分子分数氢的磁性而具有某些吸收相互作用。示例性溶剂为液氧、溶解在另一液体诸如水中的氧、NO、NO2、B2、ClO2、SO2、N2O，其中NO2、O2、NO、B2和ClO2是顺磁性的。作为另一种选择，可使分数氢气体鼓泡穿过固态溶剂(诸如在室温下是气体的固体，诸如固态CO2)。可直接收集分数氢气体。作为另一种选择，可将所得溶液过滤、撇取、倾析或离心以收集包含分数氢的不可溶化合物诸如分数氢大聚集体。
固体吸气剂也可用于在一温度(诸如低温)下俘获分数氢气体(诸如
Figure BDA0003817985810001553
中产生的分数氢气体)，并在升温或加热时在较高温度下释放。吸气剂可包括氧化物或氢氧化物，诸如金属氧化物、氢氧化物或碳酸盐。另外的示例性吸气剂是以下中的至少一者：碱金属氢氧化物诸如KOH或碱土金属氢氧化物诸如Ca(OH)2、碳酸盐诸如K2CO3、吸气剂(诸如氢氧化物和碳酸盐)的混合物诸如Ca(OH)2+Li2CO3、碱金属卤化物诸如KCl或LiBr、硝酸盐诸如NaNO3和亚硝酸盐诸如NaNO2。吸气剂诸如FeOOH、Fe(OH)3和Fe2O3可以是顺磁性的。在一个实施方式中，吸气剂可包含磁性化合物、材料、液体或物质，诸如顺磁性纳米颗粒诸如包含Mn、Cu或Ti的顺磁性纳米颗粒，或者磁性纳米颗粒诸如铁磁性金属纳米颗粒，诸如Ni、Fe、Co、CoSm、Alnico和其他铁磁性金属纳米颗粒。磁性化合物、材料、液体或物质可分散在磁体的表面中。可将磁体维持在低温下。在示例性实施方式中，分子分数氢吸气剂包括分散在永磁诸如CoSm或钕永磁体上的铁、镍或钴粉末，该永磁体放置在浸没于诸如液氮之类的冷冻剂中的真空管线区段中。在一个实施方式中，吸气剂诸如磁性材料诸如Fe金属粉末放置在以下中的至少一者：反应池腔室内以及临近和连接至反应池腔室。吸气剂可容纳在容器诸如坩埚中。可覆盖容器以防止熔融金属接触吸气剂。覆盖物可以是以下中的至少一者：能够高温操作、抗与熔融金属形成合金和可渗透分数氢气体。示例性覆盖物是薄多孔碳、BN、二氧化硅、石英或其他陶瓷覆盖物。
在一个实施方式中，分子分数氢可通过用无水酸诸如CO2(碳酸)、HNO3、H2SO4、HCl(g)或HF(g)处理从物质的组合物诸如
Figure BDA0003817985810001561
中使用的包含分数氢的吸气剂中释放。所述酸可在水阱中中和，并且分子分数氢气体收集在来自中和的分离盐和低温冷阱(诸如包含CO2(s)的低温冷阱)中的至少一者中。可选择酸和碱中的至少一者以形成包含分子分数氢的所需化合物。在示例性实施方式中，通过将从
Figure BDA0003817985810001562
收集的氧化镓或羟基氧化镓溶解在NaOH或KOH水溶液中并用HNO3中和该溶液来形成包含分数氢的NaNO3或KNO3。
在一个实施方式中，使CO2鼓泡通过溶液而形成碳酸，用以中和没食子酸钾和没食子酸钠中的至少一者，以形成K2CO3:H2(1/4)和Na2CO3:H2(1/4)。通过镓-ToF-SIMS对碳酸钾类似物的示例性分析显示了K{K2CO3:H2(1/4)}n，n＝正谱中的整数。
在一个实施方式中，强酸中和包含分子分数氢的碱性溶液(诸如来自为
Figure BDA0003817985810001563
分数氢反应运行收集并溶解在碱诸如碱金属或碱土金属氢氧化物诸如NaOH或KOH中的Ga2O3的溶液)导致形成包含分子分数氢的GaOOH诸如GaOOH:H2(1/4)。示例性的强酸为HCl和HNO3。用弱酸诸如碳酸中和导致形成包含分子分数氢的GaOOH及包含镓、氧化物、氢氧化物、碳酸盐、水和碱的阳离子中的至少一者的化合物或化合物的混合物，诸如碳酸镓钾水合物诸如K2Ga2C2O8(H2O)3。
作为另外一种选择，可通过以下中的至少一者从包含分数氢的化合物中释放分子分数氢：施加高温(诸如在约100℃至3400℃的范围内)、施加等离子体、高能离子或电子轰击、施加高功率和高能量光(诸如通过用高功率UV灯或闪光灯照射化合物)中的至少一者和激光辐射(诸如通过UV激光器诸如发射325nm激光、频率倍增的氩离子激光线(244nm)的激光器或HeCd激光器照射)。
在一个实施方式中，可通过形成包含分子分数氢的化合物，然后将该化合物冷却至分子分数氢不再可溶或稳定结合并作为游离分子分数氢气体释放的温度(释放温度)而获得分子分数氢气体。释放温度可以是低温温度，诸如在约0.1K至272K、2K至75K和3K至150K的至少一个范围内的低温温度。该化合物可包含分子分数氢(诸如H2(1/4))和氧化物或羟基氧化物(诸如包含Fe、Zn、Ga和Ag中的至少一者的氧化物或羟基氧化物)。根据本公开，该化合物可通过在包含水蒸气的气氛中高电流引爆相应线材或通过引爆包含夹带的水的喷丸来形成。在示例性实施方式中，将至少一种包含分子分数氢的化合物和以下中的至少一者冷却至低于液氮温度以释放分子分数氢气体：(i)通过在水蒸汽存在的情况下相应金属线的高电流爆轰而形成的Fe和Zn氧化物和羟基氧化物和(ii)通过包含水的银喷丸的空气爆轰而形成的氧化银。
在一个实施方式中，通过以下中的至少一种方法形成俘获在吸气剂或合金、氧化物或羟基氧化物中、吸收于吸气剂或合金、氧化物或羟基氧化物上或键合至吸气剂或合金、氧化物或羟基氧化物的分子分数氢：(i)根据本公开的金属线(诸如包含银、Mo、W、Cu、Ti、Ni、Co、Zr、Hf、Ta和稀土中的至少一者的金属线)的线爆轰，(ii)球磨或加热KOH-KCl混合物、其他卤化物-氢氧化物混合物诸如Cu(OH)2+FeCl3，其他羟基氧化物诸如AlO(OH)、ScO(OH)、YO(OH)、VO(OH)、CrO(OH)、MnO(OH)(α-MnO(OH)锰榍石和γ-MnO(OH)水锰矿)、FeO(OH)、CoO(OH)、NiO(OH)、RhO(OH)、GaO(OH)、InO(OH)、Ni1/2Co1/2O(OH)和Ni1/3Co1/3Mn1/3O(OH)，和(iii)根据本公开的
Figure BDA0003817985810001571
的操作。在后一种情形中，可将添加剂反应物或吸气剂添加至熔融金属诸如镓中。添加剂反应物可形成相应的合金、氧化物或羟基氧化物。示例性的添加剂或吸气剂包含Ga2O3、镓-不锈钢(SS)合金、铁-镓合金、镍镓合金和铬-镓合金、SS合金氧化物、SS金属、镍、铁和铬中的至少一者。通过将吸气剂或材料维持在低的温度诸如低温下，分子分数氢可保存在其结合或掺入的吸气剂或材料中。可以用冷冻剂诸如液氮或CO2(s)来维持低温。
在一个实施方式中，通过将包含分子分数氢的氧化物或羟基氧化物化合物溶解于熔融盐诸如碱金属或碱土金属卤化物或盐的低共熔混合物诸如http:// www.crct.polymtl.ca/fact/documentation/FTsalt/FTsalt_Figs.htm中给出的那些(通过引用将其全部并入本文)中，分子分数氢作为游离气体从该化合物中释放。具有溶解的氧化物的示例性盐混合物为MgCl2-MgO http://www.crct.polymtl.ca/fact/phase_ diagram.php？file＝MgCl2-MgO.jpg&dir＝FTsalt。
在一个实施方式中，使直接从
Figure BDA0003817985810001572
收集的气态产物或从
Figure BDA0003817985810001573
的固态产物释放的气态产物中收集的气态产物流过复合器诸如CuO复合器以移除氢气，并且富集的分数氢气体凝结于低温泵的低温指形件或冷载台上的带阀的可密封冷冻腔室中或低温冷阱(诸如包含由液氮冷却的固体CO2的低温冷阱)中。分子分数氢气体可与至少一种其他气体共同凝结或吸收于共凝结气体(诸如可充当溶剂的氩、氮和氧中的一者或多者)中。在一个示例性实施方式中，将在分数氢反应运行后从
Figure BDA0003817985810001574
收集的氧化镓溶解于含水碱诸如KOH(aq)中，并且使释放的包含分数氢和氢的气体流过包含由液氮冷却的固体CO2的低温冷阱，其中所收集的分数氢气体相对于氢是富集的。当积聚足够液体时，可密封该冷冻腔室并让其升温以蒸发所凝结的液体。所得气体可用于工业或分析目的。例如，可穿过腔室阀将气体注入至气相色谱仪中或注入至用于电子束发射光谱的池中。在一备选实施方式中，可使分子分数氢气体直接流入低温指形件腔室中并凝结，其中可在高于20.3K(H2在大气压力下的沸点)的温度下操作该低温指形件使得氢不共同凝结。
在其中分子分数氢通过诸如低温冷阱或低温泵之类的手段低温冷凝的实施方式中，由于分子分数氢的存在(其可增加氢沸点)，氢可能在纯氢的范围之外的压力和温度下共凝结于低温冷阱或低温泵中。在一个实施方式中，可将分子分数氢气体添加至氢气中以提高其沸点以用于储存液态氢，其中氢储存所需的能量和设备中的至少一者得以减少。
在一个实施方式中，分数氢反应混合物还包含分子分数氢吸气剂，诸如金属、元素和化合物诸如无机化合物诸如金属氧化物中的至少一者。可将分子分数氢吸气剂与反应池腔室和储罐的熔融金属混合以充当反应池腔室中形成的分子分数氢的收集器、粘结剂、吸收剂或吸气剂。分子分数氢可用于粘结所添加的金属或化合物或使所添加的金属或化合物聚集而形成颗粒。分子分数氢可与由熔融金属接触的材料(诸如不锈钢元素或其氧化物)形成的合金或金属氧化物的金属起相同作用。可从熔融金属分离该颗粒。可通过熔化包含该颗粒的熔融金属并让该颗粒分离来分离该颗粒。该颗粒在分离过程中可能会漂浮到混合物的顶部并将其从熔融金属表面撇去。作为另外一种选择，较致密的颗粒可能会下沉，并且可以倾析出熔融金属以富集该混合物中的含分子分数氢的颗粒含量。可通过本领域已知的方法进一步纯化该颗粒，诸如将不需要的组分溶解在合适的溶剂中，其中所需的颗粒发生沉淀。也可通过从合适的溶液中重结晶来实现颗粒的纯化。可通过加热、低温冷却、酸增溶、熔融盐增溶和本公开的其他方法来释放分子分数氢气体。
在一个实施方式中，包含分子分数氢的颗粒的积聚通过诸如产物抑制之类的方式抑制分数氢反应。可通过诸如机械装置之类的手段移除颗粒以减少反应速率抑制。
如上所述，本公开的动力产生系统经由与可用于表征该系统的独特特征的反应来操作。这些产物可以以多种不同的方式收集，诸如通过使用低温泵或低温冷阱。液态气体低温分馏柱根据与冷凝表面积和差异分离次数相关的塔板进行评级。分数氢的冷凝取决于压力、温度、停留时间、流速和冷凝表面积。在一个实施方式中，对这些参数进行控制以优化具有所需纯度的分数氢气体的收集。在另一个实施方式中，低温泵或低温冷阱可包括至少一个表面积增强器以改善分数氢气体的冷凝和分离，诸如以下中的至少一者：结构诸如突起和具有大表面积的微粒材料诸如玻璃或陶瓷珠(砂)、粉末诸如包含无机化合物或金属的粉末，以及网片诸如金属布、编织物或海绵。表面积增强器可位于低温泵或低温冷阱的冷却收集腔体或管(诸如低温泵管)内部。可选择表面积增强器以避免阻塞至少部分地包含分子分数氢的气体流过低温冷泵或低温冷阱。在示例性实施方式中，低温泵或低温冷阱收集容器或管包括色谱柱(诸如填充有沸石或具有大表面积的类似透气性基质以冷凝分子分数氢的不锈钢柱)的区段。
在图33中所示的实施方式中，用以形成包含低能氢物质的大聚集体或聚合物的系统500包括腔室507(诸如Plexiglas腔室)、金属线506、具有可由高压DC动力供应器503充电的接地连接件504的高电压电容器505以及开关诸如12V电开关502和触发式火花隙开关501，该开关闭合从电容器至腔室507内部的金属线506的电路以致使金属线爆轰。该腔室可包含水蒸气和气体诸如大气空气或稀有气体。
用以形成包含低能氢物质的大聚集体或聚合物的示例性系统包括：具有46cm的长度和12.7cm的宽度和高度的封闭的长方体Plexiglas腔室；10.2cm长、0.22～0.5mm直径金属线，其用Mo螺母以距腔室底部9cm的距离安装在两个Mo杆之间；15kV电容器(Westinghouse 5PH349001AAA型，55uF)，其充电至约4.5kV，对应于557J；给该电容器充电的35kV DC动力供应器；以及带有触发式火花隙开关的12V开关(Information Unlimited公司，型号Trigatron10，3kj)，其用于闭合从电容器到腔室内的金属线的电路，以引起金属线爆轰。该线可包含Mo(钼规格，20目，来自0.305mm直径线，99.95％，Alpha Aesar)、Zn(0.25mm直径，99.993％，Alpha Aesar)、Fe-Cr-Al合金(73％-22％-4.8％，31规格，0.226mm直径，KD Cr-Al-Fe合金线部件No#1231201848，Hyndman Industrial Products Inc.)或Ti(0.25mm直径，99.99％，Alpha Aesar)线。在示例性运行中，腔室容纳有包含约20托水蒸气的空气。在闭合触发开关之前关闭高压DC动力供应器。在峰电流为5kA下，约4.5kV的峰值电压作为阻尼谐振子在约300us内放电。在线爆轰之后约3-10分钟内形成包含低能氢物质的大聚集体或聚合物。从腔室底部和壁以及放置在腔室中的Si片上收集分析样品。分析结果匹配本公开的分数氢特征。
在一个实施方式中，可通过低温蒸馏从
Figure BDA0003817985810001591
富集分数氢气体诸如H2(1/4)。作为另一种选择，分数氢气体可为通过维持包含H2O(诸如稀有气体诸如氩中的H2O)的等离子体而原位形成的中的至少一者。等离子体可处于约0.1毫托至1000托的压力范围内。H2O等离子体可包含另一气体，诸如稀有气体，诸如氩。在一个示例性实施方式中，通过等离子体源(诸如本公开的等离子体源，诸如电子束、辉光、RF或微波放电源)维持包含1托H2O蒸气的大气压氩等离子体。
在一个实施方式中，分数氢物质诸如分子分数氢是以下中的至少一者：悬浮和溶解在液体或溶剂诸如水中，使得分数氢物质在该液体或溶剂中的存在改变该液体或溶剂的至少一种物理性质诸如表面张力、沸点、凝固点、粘度、光谱(诸如红外光谱)和蒸发速率中的至少一者。在一个示例性实施方式中，分数氢反应产物的反应产物可增加水的蒸发并改变其FTIR谱，该反应产物包含低能氢，该低能氢包含通过如下方式而形成的白色聚合化合物：将从
Figure BDA0003817985810001592
中的分数氢反应运行收集的Ga2O3和镓-不锈钢金属(约0.1-5％)合金溶解于KOH水溶液中，让纤维生长并漂浮至表面，在该表面处通过过滤收集该纤维。在一个实施方式中，分子分数氢气体鼓泡穿过水并被吸收而改变表面张力以允许在两个装有水的烧杯之间形成水桥。
在通过诸如低温冷阱或低温泵之类的手段对分子分数氢进行低温冷凝的实施方式中，由于分子分数氢的存在(其可增加氢沸点)，氢可能在纯氢的范围之外的压力和温度下共凝结于低温冷阱或低温泵中。在一个实施方式中，可将分子分数氢气体添加至氢气中以提高其沸点以用于储存液态氢，其中氢储存所需的能量和设备中的至少一者得以减少。
在实施方式中，分数氢分子气体激光器包括分子分数氢气体(H2(1/p)p＝2、3、4、5、…、137)或分子分数氢气体源诸如
Figure BDA0003817985810001601
容纳分子分数氢气体的激光器腔体、分子分数氢气体的转动能级的激发源、和激光光学器件。激光光学器件可包括在腔体的端部的反射镜，该腔体包含处于激发转动态的分子分数氢气体。反射镜中的一者可以是半透明的以允许激光从腔体发射。至少一个H2(1/p)转动能级的源激发可包括以下中的至少一者：激光器、闪光灯、气体放电系统(诸如辉光等离子体放电系统、微波等离子体放电系统、射频(RF)等离子体放电系统、感应耦合RF等离子体放电系统、电容耦合RF等离子体放电系统或本领域已知的其他等离子体放电系统)。由源激发的至少一个转动能级可以是由GUTCP的式(22-49)给出的能级的组合并且具有如实例10中所示的示例性能量。分数氢分子激光器可还包括外部或内部场源(诸如电场或磁场源)以致使至少一个期望的分子分数氢转动能级得以布居，其中该能级包括期望的自旋-轨道能移和磁通量子链能移中的至少一者。激光跃迁可能发生在所选转动状态的反转粒子数至较低粒子数的具有较低能量的转动状态之间。对激光器腔体、光学器件、激发源和外部场源进行选择以实现所需的反转粒子数和受激发射到所需的较低粒子数的低能量状态。
分子分数氢激光器可包括固态激光器。该激光器可包括固体激光介质，诸如包含俘获在固体基质中的分子分数氢的固体激光介质，其中分数氢分子可以是自由转子。该固体介质可代替分子分数氢气体激光器的气腔。该激光器可包括位于固体激光介质端部的激光光学器件诸如用于支持从激光介质发射激光的反射镜和窗。该固体激光介质可对激光至少部分透明，所述激光由与包含固体介质的激光器腔体共振的反转的分子分数氢粒子数的激光跃迁产生。示例性的固体激光介质为GaOOH:H2(1/4)、KCl:H2(1/4)和具有俘获的分子分数氢的硅诸如Si(晶体):H2(1/4)。在每种情形中，对激光波长进行选择以通过固体激光介质传输。
在包括在至少一个频带中传输和接收电磁信号的多个SunCell-发射器-接收器节点的SunCell网状网络的实施方式中，因为能够以短的间隔距离局部定位节点，因此该频带的频率可以是高频率。随着节点数的增加，间隔的节点间距可能会减小，从而允许不定使用比手机或无线互联网传输和接收中使用的更高频率的信号，因为与后者的天线间隔相比节点间隔更短，其中较高频率的微波信号具有较短的范围。该频率可在约0.1GHz至500GHz、1GHz至250GHz、1GHz至100GHz、1GHz至50GHz和1GHz至25GHz的至少一个范围内。
实验
实例1：
Figure BDA0003817985810001611
操作
制造图25中所示的
Figure BDA0003817985810001612
并用二氧化硅-氧化铝纤维绝缘材料良好绝缘，使2500sccm H2和250sccm O2气体在Pt/Al2O3珠粒上方流过。将
Figure BDA0003817985810001613
加热至在900℃至1400℃范围内的温度。随着H2和O2流以及EM泵送的持续维持，等离子体形成反应在没有点燃功率的情况下自我维持，这可以通过在没有输入点燃功率的情况下温度随时间推移而升高来证明。
实例2：
Figure BDA0003817985810001614
操作
制造并运行具有两个交叉EM泵注射器的石英
Figure BDA0003817985810001615
诸如图10中所示的
Figure BDA0003817985810001616
以产生可持续的等离子体形成反应。各自包括感应型电磁泵(包括示例性的基于Fe的非晶磁芯)的两个熔融金属注射器泵送镓铟锡合金料流，使得它们相交而形成连接1000Hz变压器初级绕组的三角形电流回路。该电流回路包括料流、两个镓铟锡合金储罐和在该储罐的基部处的交叉通道。该回路充当至1000Hz变压器初级绕组的短接次级绕组。该次级绕组中的感应电流以低的功耗在大气中维持等离子体。具体而言，(i)点燃变压器的初级回路在1000Hz下操作，(ii)输入电压为100V至150V，以及(iii)输入电流为25A。EM泵电流变压器的60Hz电压和电流分别为300V和6.6A。每个EM泵的电磁体通过一系列299μF电容器以60Hz、15-20A提供动力以使所得磁场的相位与EM泵电流变压器的洛仑兹交叉电流匹配。该变压器由1000Hz AC动力供应器提供动力。
实例3：
Figure BDA0003817985810001617
操作
然后制备了具有一个EM泵注射器电极和基座对电极(其之间具有连接的跨接电缆414a)的Pyrex
Figure BDA0003817985810001618
其类似于图29中所示的
Figure BDA0003817985810001619
包括DC型电磁泵的熔融金属注射器泵送与基座对电极连接以闭合包括该料流、EM泵储罐和跨接电缆(在每一端处连接至相应的电极汇流条)的电流回路并通过60Hz变压器初级绕组的镓铟锡合金料流。该回路充当至60Hz变压器初级绕组的短接次级绕组。该次级绕组中的感应电流以低的功耗在大气中维持等离子体。感应点燃系统使本公开的基于银或镓的熔融金属
Figure BDA0003817985810001621
动力产生器成为可能，其中根据本公开，将反应物供应至反应池腔室。具体而言，(i)点燃变压器的初级回路在60Hz下操作，(ii)输入电压是300V峰值，并且(iii)输入电流是29A峰值。最大感应等离子体点燃电流是1.38kA。
实例4：
Figure BDA0003817985810001622
操作
在具有4ml/分钟H2O注入的情况下使反应池腔室维持在约1至2大气压的压力范围下。DC电压为约30V并且DC电流为约1.5kA。反应池腔室是6英寸直径不锈钢球体，诸如容纳3.6kg的熔融镓的图25中所示的不锈钢球体。电极包括DC EM泵的1英寸浸没式SS喷嘴和对电极，该对电极包括具有由BN基座覆盖的1cm直径引线的4cm直径、1cm厚W圆盘。EM泵速率为约30至40ml/s。借助浸没的喷嘴使镓极化为正，并且使W基座电极极化为负。通过EM泵注射器使镓良好混合。
Figure BDA0003817985810001627
输出功率为约85kW，由镓和SS反应器的质量、比热和温度升高的乘积测量。
实例5：
Figure BDA0003817985810001623
操作
使2500sccm的H2和25sccm的O2流动穿过保持于与H2和O2气体入口以及反应池腔室在一条线上的外部腔室中的约2g的10％Pt/Al2O3珠粒。此外，在应用主动真空泵送的同时使氩以维持50托腔室压力的速率流动至反应池腔室中。DC点燃电压为约20V并且DC电流为约1.25kA。
Figure BDA0003817985810001624
输出功率为约120kW，由镓和SS反应器的质量、比热和温度升高的乘积测量。
实例6：
Figure BDA0003817985810001625
操作
SunCell包括直径为8英寸的4130Cr-Mo SS池，具有沿反应池腔室壁的Mo衬里，使用辉光放电氢解离器和复合器，类似于图26中所示的动力产生系统。该辉光放电通过一套0.75英寸外径的Conflat凸缘直接连接反应池腔室的凸缘409a，辉光放电电压为260V；辉光放电电流为2A；氢流量为2000sccm；氧流量为1sccm；操作压力为5.9托；镓温度维持在400℃，以水浴冷却；点燃电流和电压为1300A和26-27V；EM泵速率为100g/s，对于29kW的输入点燃功率输出功率超过300kW，对应于至少10倍的增益。
实例7：
Figure BDA0003817985810001626
操作
在使10sccm的H2流动并每分钟注入4ml的H2O同时施加主动真空泵送时，反应池腔室维持在约1托至20托的压力范围。DC电压为约28V并且DC电流为约1kA。反应池腔室是具有长9英寸的边的SS立方体，其容纳47kg的熔融镓。电极包括DC EM泵的1英寸浸没式SS喷嘴和对电极，该对电极包括具有由BN基座覆盖的1cm直径引线的4cm直径、1cm厚W圆盘。EM泵速率为约30至40ml/s。使镓极化为正并使W基座电极极化为负。
Figure BDA0003817985810001631
输出功率为约150kW，由镓和SS反应器的质量、比热和温度升高的乘积测量。
实例8：
Figure BDA0003817985810001632
操作
制造了具有6英寸直径球形池的SunCell，其包含作为熔融金属的镓铟锡合金。以750sccm H2和30sccm O2供应等离子体形成反应，该H2和O2混合于氢氧炬中并且在大于90℃下流过包含1g 10％Pt/Al2O3的复合器腔室，然后流入池中。另外，向反应池腔室供应1250sccm的H2，该H2在大于90℃下流过包含1g 10％Pt/Al2O3的第二复合器腔室，然后流入池中。通过相应的质量流量控制器控制三个气体供应器中的每一者。H2与O2的组合流提供新生HOH催化剂和原子H，并且第二H2供应器提供额外的原子H。以约30至35V和约1000A的DC输入维持反应等离子体。通过VI积分测得的输入功率为34.6kW，并且通过熔融金属浴量热法测得129.4kW的输出功率，其中储罐和反应池腔室中的镓充当熔融金属浴。
实例9：
Figure BDA0003817985810001633
操作
制造并运行具有4英寸边长的池的SunCell，该池预加载有2500sccm H2和70sccmO2，并且在反应池腔室的壁上包括Ta衬里。由充电至50V的电容器组提供3000A至1500A范围内的电流以点燃等离子体形成反应。该电容器组包括串联的18个电容器(MaxwellTechnologies K2超电容器2.85V/3400F)的3个并联组，此提供51.3V的总组电压能力和566.7法拉的总组电容。输入功率为83kW，而输出功率为338kW。用4000sccm H2和60sccm O2供应6英寸直径球形池，由充电至50V的电容器组供应在3000A至1500A的范围内的电流。输入功率为104kW，而输出功率为341kW。
实例10：光谱测量
通过如WO 2020/148709中所述的实验确认若干分数氢光谱特征，特此将WO 2020/148709以引用的方式全文并入。应当理解，这些光谱特征可以在本文所述的等离子体形成反应的反应产物中找到。本文提供了大量光谱和能量特征测量。
在由氢反应形成的GaOOH:H2(1/4):H2O上记录的EPR和拉曼光谱以及在由GaOOH:H2(1/4):H2O热分解释放的气体上记录的电子束发射光谱都决定性地证实该化合物包含H2(1/4)的光谱特征，并且该气体被鉴定为H2(1/4)气体。EPR峰各自被归属为具有自旋-轨道分裂和磁通量子链分裂的自旋翻转跃迁。拉曼和电子束光谱二者都显示相同的分裂，除了拉曼涉及转动主跃迁。值得注意的是，在GaOOH:H2(1/4):H2O上记录的拉曼谱线匹配DIB的拉曼谱线。L.M.Hobbs等人，Astrophysical Journal 680(2008):1256-1270列出的所有380个DIB都被归属为具有自旋-轨道分裂和磁通量子亚分裂的H2(1/4)转动跃迁。
新生HOH和原子氢反应机理的另一标志性特征是观察到从该反应产生的非常快的H。来自源诸如辉光放电、射频放电和微波放电的等离子体在从光源到材料加工的各种应用中无处不在，现在正日益成为对特定氢“混合气体”等离子体的离子能量表征研究结果解释的争论焦点。在氩和氢的混合物中，氢发射谱线比任何氩谱线都宽得多。
历史上，已通过根据分别测量在656.28、486.13和434.05α处的巴耳莫α线、巴耳莫β线和原子氢谱线中的一者或多者的谱线增宽来确定激发的氢原子能量而表征混合氢-氩等离子体。增宽的巴耳莫线已根据多种模型引起的多普勒增宽进行了解释，所述模型涉及电荷诸如H+、
Figure BDA0003817985810001641
和
Figure BDA0003817985810001642
在阴极下降区中存在的高场(例如，超过10kV/cm)中的加速，本文称为场加速模型(FAM)。然而，场加速机理(其为定向的、位置相关的，并且对任何特定离子没有选择性)无法解释高斯多普勒分布、快速H能量的位置独立性、分子氢和氩谱线没有增宽、氢混合等离子体的气体组成依赖性，并且通常与所测得的密度和横截面不内在一致或不一致。
氢的本公开的高能化学反应作为增宽源解释了原子H谱线增宽的所有方面，诸如施加的场的依赖性的缺乏、观察到仅特定的氢混合等离子体显示出异常增宽。具体地讲，新生HOH和mH可用于通过电离形成快速质子和电子，以保存来自H的m27.2eV能量转移。如Akhtar等人J Phys D:App.Phys 42(2009):135207、Mills等人，Int.J.Hydrogen Energy34(2009):6467和Mills等人，Int.J.Hydrogen Energy 33(2008):802所述，这些快速电离质子与处于激发态的自由电子复合以发射增宽的H谱线。在稀有气体中，HOH独特地存在于氩-H2等离子体中，因为在从空气中纯化的过程中氧与氩共同冷凝，而H催化剂存在于来自H2解离的氢等离子体中。水蒸气等离子体也显示出超过150eV的极端选择性增宽[51,52,55]并且还显示原子氢粒子数反转[58-60]，其也是由于从原子分数氢到HOH催化剂的共振能量转移后的自由电子-热质子复合。
本文给出了氢产物的大量附加光谱特征和能量特征测量结果，该测量结果匹配氢的理论分数氢状态。这些“分数氢信号”不能归属于任何已知物质，因为它们具有一个或多个异常特征，诸如(i)该信号超出已知物质的信号的能量范围，(ii)该信号具有分数氢独特的物理特性，不存在替代归属所需的其他特征，或分数氢具有已知物质所没有的特征的替代组合，(iii)该特征是完全新颖的，并且(iv)在能量学的示例性情形中，能量或功率相关的特征比已知物质的该特征要大得多，不存在替代解释，或者在进一步审查后排除了替代解释。
H2(1/4)的自旋磁矩引起的参数和磁能
原子的模型预测理论上存在分数氢，或存在低于原子氢的-13.6eV能态的氢原子能态。类似于分子氢的情形，两个分数氢原子可反应而形成分子分数氢。基于该理论，分子分数氢H2(1/p)包含(i)两个电子，其束缚在构成分子轨道(MO)的最小能量、等电势、长椭球形、二维电流膜中，(ii)两个Z＝1核，诸如在长椭球的两个焦点处的两个质子，以及(iii)光子，其中每一状态的光子方程不同于激发H2状态的光子方程，这是因光子使中心场增加一整数而非使中心长椭球场减小至以椭球的焦点为中心的每一核的基本电荷的倒数整数(reciprocal integer)，并且H2(1/p)的电子在同一壳层中在相同位置ξ处而非在单独位置处重叠。整数分数氢状态光子电场与MO的每电子(电子1和电子2)的相互作用会产生非辐射径向单极，使得该状态是稳定的。为满足每个相应光子在方向上与每个电子电流匹配并且电子角动量为
Figure BDA0003817985810001652
的边界条件，电子1的一半和电子2的一半可自旋向上并与MO上的这两个电子的两个光子匹配，而电子1的另一半可自旋向上并且电子2的另一半可自旋向下，使得电流的一半是成对的并且电流的一半是不成对的。因此，该MO的自旋为
Figure BDA0003817985810001651
其中每个箭头表示一个电子的自旋矢量。在分子分数氢状态下结合两个电子的两个光子与电子电流锁相，并以相反方向循环。假设每个电子的不可分割性和MO包含两个相同电子的条件，将两个光子的力转移至包含两个完全相同电子的线性组合的电子MO的总体以满足中心力平衡。未成对电流密度的所得角动量和磁矩分别为
Figure BDA0003817985810001653
和波尔磁子μB。
由于其未成对的电子，分子分数氢具有电子顺磁共振(EPR)谱活性。此外，由于在具有成对电子的共同分子轨道中存在未成对电子，EPR谱具有独特的特征并可以鉴别分子分数氢，如Hagen等人“Distinguishing Electron Paramagnetic Resonance Signatureof Molecular Hydrino,”Nature(审稿进行中)中所述，将该文献以引用的方式全文并入本文。
如Hagen所示通过实验方法确认了预测的EPR谱。对通过X射线衍射(XRD)、能量色散X射线谱(EDS)、透射电子光谱(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、时间飞行次级离子质谱(ToF-SIMs)、卢瑟福背散射谱(RBS)和X射线光电子能谱(XPS)鉴定为GaOOH:H2(1/4)的白色聚合化合物上进行9.820295GHz EPR谱。
简而言之，通过如下形成GaOOH:H2(1/4)：将从
Figure BDA0003817985810001654
中的反应运行镓收集的Ga2O3和镓-不锈钢金属合金(约0.1-5％)合金溶于4M KOH水溶液中，让纤维生长，并漂浮到表面，通过过滤在表面收集它们。该白色纤维不溶于浓酸或碱，而对照GaOOH则溶。在对照溶液中没有形成白色纤维。对照GaOOH没有显示EPR谱。图34A-C中所示的实验性EPR由代尔夫特理工大学(TU Delft)的Fred Hagen教授采集，使用了高灵敏度谐振器，微波功率为-28dB，调制幅度为0.02G，该调制幅度可更改为0.1G。表4中给出的峰位置的EPR谱与理论之间的平均误差为0.097G。布鲁克公司(马萨诸塞州比尔里卡市的布鲁克科学有限责任公司(BrukerScientific LLC,Bileria,MA))使用两个仪器对两个样品重复了EPR谱，如图34A-C所示。
这些测得的EPR信号匹配分数氢的理论预测信号。具体地讲，所观察到的在g＝2.0045(5))处的主峰可以归属于g因子为2.0046386的理论峰。该主峰被分裂成一系列成对峰，其成员由匹配对应于每个电子自旋-轨道耦合量子数m的ES/O的能量分开。结果证实了未成对电子的自旋磁矩与成对电子中感应的轨道抗磁矩之间的自旋-轨道耦合，该自旋-轨道耦合是单独的或与绕半长分子轴的旋转电流运动结合，该旋转电流运动使自旋磁矩的翻转能发生位移。该数据进一步匹配理论上预测的自旋-轨道分裂能的单侧倾斜，其中由于自旋-轨道跃迁期间链接的相应磁通量的磁能US/OMag，观察到低场位移随量子数m增加。
以不同频率记录的EPR谱表明，分配给2.0046386的g因子的峰保持在恒定的g因子。此外，相对于该真实g因子峰因固定自旋-轨道分裂能而发生位移的峰准确地维持了自旋-轨道分裂能的间距而与频率无关，正如所预测的。在代尔夫特大学记录的GaOOH:H2(1/4)EPR谱显示了由于俘获在构成反磁基质的GaOOH笼中的H2(1/4)分子的稀薄存在而引起的非常窄的线宽。GaOOH:H2(1/4)的结构和H2(1/4)的电子态允许观察到比H兰姆位移小1000到10,000倍之间的前所未有的低分裂能。对EPR谱所预测的整数间隔峰的模式非常类似于如Mills等人，Int.J.Hydrogen Energy 28(2003):825、Mills等人，Cent Eur J Phys 8(2010):7、Mills等人，J Opt Mat 27(2004):181和Mills等人，Res J Chem Env 12(2008):42以及WO 2020/0148709中所述示出的在分数氢氢负离子上实验观察到的模式(参见，例如图61)(将这些文献每一者以引用的方式全文并入本文)，不同的是在这些参考文献中轨道是原子轨道。
观察到显示出主峰(具有2.0046386的归属g因子)和精细结构的EPR谱叠加在宽背景特征上，中心大约位于该主峰的位置，该精细结构包括自旋-轨道磁能分裂和具有磁通量子亚分裂的自旋-轨道磁能分裂。据观察，随着温度降低到低温范围，精细结构特征增宽成覆盖宽背景特征的连续体，其中归属为对应于电子自旋-轨道耦合量子数m＝0.5的低场成员的峰对温度下降的敏感性低于相应的高场峰。随着微波功率的增加也观察到相同的趋势，其中较高的能量跃迁在较高的功率下饱和。因而，相较于相应的高场峰，选择性地观察归属为对应于电子自旋-轨道耦合量子数m＝0.5的低场成员的峰。高场峰对低温和微波功率的更高灵敏度被排除在外，因为其对应于自旋翻转跃迁期间自旋-轨道能级的去激发，其中自旋-轨道能级需要热激发以进行布居。因而，由于热激发源减少，该粒子数随温度而降低，并且该粒子数小于未激发粒子数，因此其更容易被微波功率耗尽。
此外，通过TEM观察到GaOOH:H2(1/4)样品包含两种不同形态和结晶形式的GaOOH。在形态学上观察到的包含六方晶体结构的形态聚合物晶体对TEM电子束非常敏感，而具有斜方结构的棒对电子束不敏感。后一种晶体的形态和晶体结构匹配缺少分子分数氢包含物的对照GaOOH的文献的形态和晶体结构。六方相可能是精细结构EPR谱的来源，而斜方相可能是宽背景EPR特征的来源。冷却可以选择性地消除(例如，通过微波功率饱和)所观察到的六方晶体基质中所俘获的H2(1/4)的近游离气体样的EPR谱行为。任何与理论的偏差都可能是由于GaOOH的质子和水的质子的影响。此外，磁场中的基质取向、基质相互作用以及一个或多个H2(1/4)之间的相互作用可导致一些位移。
进行氘取代以消除将任何EPR谱线替代归属为是核分裂谱线。当H2被D2替代时，从动力产生系统释放的功率至少减少了1/3。通过所示的拉曼光谱证实了GaOOH:H2(1/4)的氘代类似物GaOOH:HD(1/4)，如下所论述的，其中还通过在等离子体形成反应中使用D2O形成了GaOOH:HD(1/4)。氘代类似物需要一个月才能从4M氢氧化钾形成，而对于GaOOH:H2(1/4)则需要三天时间。图5中所示的氘代类似物的EPR谱仅显示了没有精细结构的单峰。
g因子和轮廓匹配GaOOH:H2(1/4)的单峰，其中两种情形中的单峰都被归属于正交相。该氘代类似物的XRD匹配氢类似物的XRD，两者均包含羟基氧化镓。TEM证实该氘代类似物包含100％正交相。氘代类似物的相偏好可能是由于不同的分数氢浓度和也可能降低了该浓度的动力学同位素效应。
当多个分数氢分子的磁矩协同地相互作用时，分子分数氢的未成对电子可产生非零或有限的本体磁性，诸如顺磁性、超顺磁性以及甚至铁磁性。1H MAS核磁共振谱(NMR)也观察到，由于分子分数氢的磁性，基质磁性表现为向高场偏移的基质峰(参见Mills等人，Int.J.Hydrogen Energy 39(2014):11930，特此将该文献以引用的方式全文并入本文)，并且使用振动样品磁强计测量包含分子分数氢的化合物的磁化率来观察超顺磁性。
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操作期间产生的氢产物的拉曼测量
通过磁偶极子和范德华力吸收在金属表面上及金属和离子晶格中的H2(1/4)的拉曼样品是通过以下方式产生：(i)Fe线在包含水蒸气的气氛中的高压电爆轰，(ii)水合银喷丸的低压、高电流电爆轰，(iii)球磨或加热FeOOH和水合碱金属卤化物-氢氧化物混合物，和(iv)在如本文所述的动力产生系统中维持原子H和新生HOH的等离子体反应(参见例如图16.19A和图16.19B)，该动力产生系统包括熔融镓注射器，该注射器用熔融镓电短接两个等离子体电极以维持电弧电流等离子体状态。通过水浴量热法和熔融金属浴量热法测量了超过300kW的过量功率。使用Horiba Jobin Yvon LabRAM Aramis拉曼光谱仪在这些材料上记录拉曼光谱，该光谱仪具有(i)785nm激光器，(ii)442nm激光器，和(iii)HeCd 325nm激光器，以显微镜模式，放大40倍。
通过将包含2000标准立方厘米/分钟(sccm)H2和1sccm O2的反应混合物流入图16.19A和图16.19B中所示的1升反应体积
Figure BDA0003817985810001681
中来制备镍箔拉曼样品。
Figure BDA0003817985810001682
包含直径为8英寸的4130Cr-Mo钢池，具有沿反应池腔室壁的钼衬里。该
Figure BDA0003817985810001683
还包括储罐中的熔融镓、充当电极并将镓对着W对电极竖直泵送的电磁泵、通过维持电极之间的高电流来维持分数氢反应等离子体的低压高电流点燃动力源以及通过一套0.75英寸外径的Conflat凸缘直接连接至
Figure BDA0003817985810001684
反应池腔室的顶部凸缘的辉光放电氢解离器和复合器。辉光放电电压为260V。辉光放电电流为2A。工作压力为5.9托。镓温度维持在400℃，以水浴冷却。电弧等离子体由1300A的点燃电流和26-27V的电压维持。电磁泵速率为100g/s，对于29kW的输入点燃功率输出功率超过300kW，对应于10倍的增益。将用于制备拉曼样品的Ni箔(1×1×0.1cm)放置在熔融镓中。反应进行10分钟，并使用带有(i)785nm激光器和(ii)442nm激光器以及Horiba Jobin-Yvon Si CCD检测器(型号为DU420A-OE-324)和300线/毫米光栅的HoribaJobin Yvon LabRAM Aramis拉曼光谱仪通过拉曼光谱分析该箔的经布擦拭干净的表面。
图36A-C中示出了使用具有785nm激光器的Horiba Jobin Yvon LabRam ARAMIS光谱仪在Ni箔上获得的拉曼光谱(2500cm-1至11,000cm-1)，该Ni箔是通过浸入维持等离子体反应10分钟的
Figure BDA0003817985810001685
的熔融镓中而制备的。所有新颖谱线的能量ERaman都匹配：
(i)具有自旋-轨道耦合能和磁通量子链能的纯H2(1/4)J'＝3转动跃迁；或
(ii)包括J＝0至J'＝2,3转动跃迁与J＝0至J＝1自旋转动跃迁的协同跃迁；或
(iii)最终转动量子数J'p＝2和J'c＝1的双跃迁，其具有独立跃迁的加和给出的能量。
使用检测能量范围约为4000cm-1的Si CCD检测器与785nm激光器的组合，其中光子能量加上激光器加热能量能够激发能量上限约为14500cm-1的转动发射，使得能够检测光谱窗内的多阶发射谱线集合，该光谱窗非常匹配785nm多阶激光谱线的间距范围。分别在6371、8495、9557、10,193、10,618cm-1的能量ERaman,order m处观察第2、第3、第4、第5和第6阶的激光多阶谱线(图36A-C)，其中所有785nm激光多阶谱线的光子能量为12,742cm-1(1.58eV)。
Figure BDA0003817985810001686
归属至对应于激光激发能量范围和检测器范围的特定光谱范围内的多阶发射谱线各集合与以下相匹配：一个集合的成员之间相比于下一更高能量、更高阶集合的成员之间能量间距降低，以及随着波数增加，给定集合的成员之间的谱线强度减小(图36A-C)。
在用约35,000A的电流爆轰的水合银喷丸以及
Figure BDA0003817985810001691
镓和浸没在该镓中的Cr、Fe和不锈钢箔上也观察到了表7B中归属于H2(1/4)转动跃迁的拉曼峰，其中就像在Ni箔的情形中一样在
Figure BDA0003817985810001692
等离子体反应后运行拉曼光谱。随深度变化的纯镓样品上的拉曼光谱表明，拉曼峰的强度随深度而降低并且在负极化的W电极上仅以痕量存在，这证实了先前的观察结果，即分数氢反应在等离子中在正极(在该情形中为正极化的熔融镓)表面和上方邻近空间处发生。这与复合离子和电子以减少由能量转移到催化剂及其随后的电离引起的空间电荷的速率增加机制是相符的。
通过在能量产生运行后从
Figure BDA0003817985810001693
的熔融镓收集和纯化反应产物，还观察到H2(1/4)的光谱特征作为
Figure BDA0003817985810001694
反应的产物。具体地讲，在
Figure BDA0003817985810001695
中维持10分钟持续时间的反应等离子体运行，并通过如下形成白色聚合化合物(GaOOH:H2(1/4))：将在运行后从
Figure BDA0003817985810001696
镓收集的Ga2O3和镓-不锈钢金属合金(约0.1-5％)溶解于4M KOH水溶液中，让纤维生长，并漂浮到表面，通过过滤在表面收集它们。图37A中所示的拉曼光谱(2200cm-1至11,000cm-1)是使用具有785nm激光器的Horiba Jobin Yvon LabRam ARAMIS光谱仪在GaOOH:H2(1/4)上获得的。所有新颖谱线都匹配(i)纯H2(1/4)J＝0至J'＝3转动跃迁、(ii)包括J＝0至J'＝2,3转动跃迁与J＝0至J＝1自旋转动跃迁的协同跃迁或(iii)最终转动量子数J'p＝2和J'c＝1的双跃迁的谱线。在纯跃迁、协同跃迁和双跃迁中也观察到了相应的自旋-轨道耦合和磁通量子耦合。该峰匹配先前的拉曼实验中测量的峰，不同的是另外观察到第二组峰，相对于在Ni箔上观察到的组峰位移了150cm-1(图36A-C)。这可能是由于存在GaOOH:H2(1/4)的两个相(通过XRD和TEM证实)并且是EPR中两个不同光谱的来源。
使用具有785nm激光器的Horiba Jobin Yvon LabRam ARAMIS，在点燃包含1摩尔％H2O的80mg银喷丸后在铜电极上记录拉曼光谱，其中通过点焊机施加12V35,000A电流来实现爆轰。极紫外发射的峰值光功率为20MW。图37B中示出了拉曼光谱(2200cm-1至11,000cm-1)。
Figure BDA0003817985810001697
的HD(1/4)产物是通过在
Figure BDA0003817985810001698
中传播反应而形成的，其中每30秒将250μl的D2O注入反应池腔室中，代替H2和O2气体混合物作为原子氢和HOH催化剂的源。在
Figure BDA0003817985810001699
中维持10分钟持续时间的反应等离子体运行，并通过如下形成白色聚合化合物(GaOOH:HD(1/4))：将在运行后从
Figure BDA00038179858100016910
镓收集的Ga2O3和镓-不锈钢金属合金(约0.1-5％)溶解于4MKOH水溶液中，让纤维生长，并漂浮到表面，通过过滤在表面收集它们。
使用具有785nm激光器的Horiba Jobin Yvon LabRam ARAMIS光谱仪获得GaOOH:HD(1/4)的拉曼光谱(2500cm-1至11,000cm-1)(图38A-C)。通过比较纯氢分子分数氢的光谱(图36A-C)与图38A-C所示的氘化分子分数氢的光谱，可明显看出在氘取代的情况下拉曼峰明显发生位移。在后一种情形中，所有新颖谱线的能量ERaman都匹配：
(i)具有自旋-轨道耦合能和磁通量子链能的纯H2(1/4)J'＝3,4转动跃迁；
(ii)包括J＝0至J'＝3转动跃迁与具有相应的自旋-轨道耦合能的J＝0至J＝1自旋转动跃迁的协同跃迁；
(iii)最终转动量子数J'p＝3；J'c＝1的双跃迁。
对于没有电偶极矩的对称双原子分子，红外光谱转动跃迁被禁止。然而，由于分子分数氢独特地拥有一个不成对的电子，因此在除了样品的固有磁场的影响之外施加磁场来排列分子分数氢的磁偶极子是打破该选择规则以允许H2(1/4)中的新跃迁的一种手段。协同的转动和自旋-轨道耦合是允许原本禁止的跃迁的另一机制。使用配备有冷却的MCT检测器的Thermo Scientific Nicolet iN10 MX光谱仪的吸光度模式，在存在或不存在使用场强约2000G的Co-Sm磁体施加的磁场的情况下，对GaOOH:H2(1/4)(用SunCell操作产生的氢产物浸渍的GaOOH)的固体样品丸粒进行FTIR分析。图39A中所示的光谱表明，磁场的施加在4164cm-1处产生了FTIR峰，这匹配协同的转动和自旋-轨道跃迁J＝0至J'＝1，m＝0.5。与样品中不存在的H2不同，由于该峰的高能量，没有已知的归属。此外，观察到在1801cm-1处的尖峰强度显著增加。在对照GaOOH的FTIR中未观察到该峰。该峰匹配协同的转动和自旋-轨道跃迁J＝0至J'＝0，m＝-0.5，mΦ3/2＝2.5。4000-8500cm-1区域的更高灵敏度标度(图39B)示出在以下位置的额外峰：(i)4899cm-1处，其匹配协同的转动和自旋-轨道跃迁J＝0至J'＝1，m＝2，mΦ3/2＝-1；(ii)5318cm-1处，其匹配纯转动和自旋-轨道跃迁J＝0至J'＝2,m＝-1，和(iii)6690cm-1处，其匹配纯转动和自旋-轨道跃迁J＝0至J'＝2，m＝1.5，mΦ＝1.5。
研究了磁性材料对选择规则的影响以观察涉及与自由电子相互作用的分子分数氢转动跃迁。通过在长为46厘米、宽和高为12.7厘米的长方体树脂玻璃腔室中对超高纯度Fe线进行线爆轰来制备包含固体网状纤维的拉曼样品。
将10.2厘米长、0.25毫米直径的Fe金属线(99.995％，Alfa Aesar#10937-G1)用Mo螺母以距腔室底部9cm的距离安装在两个Mo杆之间，将15kV电容器(Westinghouse5PH349001AAA型，55μF)通过35kVDC动力供应器充电至约4.5kV，对应于557J，并将带有触发式火花隙开关的12V开关(Information Unlimited公司，型号为Trigatron10，3kJ)用于闭合从电容器到腔室内的金属线的电路以引起金属线爆轰。爆轰腔室容纳有空气，该空气包含由加湿器和水蒸气传感器控制的20托水蒸气。水蒸气充当HOH催化剂和原子H的源以形成分子分数氢H2(1/4)。在闭合触发开关之前关闭高压DC动力供应器。在峰电流为5kA下，约4.5kV的峰值电压作为阻尼谐振子在约300μs内放电。在线爆轰后约3-10分钟内形成网状纤维。从腔室底部和壁以及放置在腔室中的Si片上收集分析样品。使用Horiba Jobin YvonLabRAM Aramis拉曼光谱仪采用HeCd 325nm激光器以具有40倍放大倍数的显微镜模式或采用785nm激光器在该网状材料上记录拉曼光谱。
图40A和40B中示出了使用具有785nm激光器的Horiba Jobin Yvon LabRamARAMIS光谱仪在固体网状纤维上获得的拉曼光谱，该固体网状纤维是通过使超高纯度Fe线在维持具有20托水蒸气的空气中线爆轰而制备。如3420cm-1至4850cm-1拉曼光谱区(图40A)所示，观察到一系列周期性峰。通过用HCl处理Fe-网:H2(1/4)样品，确认该系列峰源自该样品。如图40A中所示，通过对Fe-网样品进行酸处理通过使该样品的氧化铁、羟基氧化铁和氢氧化铁物质反应而形成FeCl3和H2O，所有的拉曼峰都被消除。类似地，在该光谱范围内KCl也没有显示出峰，这进一步证明了该周期性峰不是由于标准具或其他光学器件的伪像造成的。制造商Horiba Instruments，Inc.证实，红外CCD检测器(Horiba Aramis拉曼光谱仪，具有Synapse CCD相机，型号：354308，序列号：MCD-1393BR-2612，1024x256CCD前照式开放电极)是前照式的，这也排除了标准具伪影的可能性。由于异常高的能量，无法将该跃迁归属于任何先前已知的化合物。
实例11：水浴量热法(WBC)
Figure BDA0003817985810001711
的功率平衡由三位专家使用熔融金属浴和水浴量热法独立测量。在4英寸立方体或6英寸球形不锈钢等离子体池上进行熔融金属量热法测试，每个池掺入内部质量的液体镓或镓铟锡合金，其充当熔融金属浴用于量热测定等离子体池中维持的等离子体反应的功率平衡。在极低电压、高电流等离子体的形成和运行中，熔融金属也充当阴极，而在通过电磁泵将熔融金属从阴极注入至阳极而在电极之间形成电接触时钨电极充当阳极。等离子体形成取决于注入2000sccm H2/20sccm O2或3000sccm H2/50sccm O2。表17-18中给出了在197kW至273kW范围内的过量功率，其中增益在维持氢等离子体反应功率的2.3倍至2.8倍的范围内。通过能量色散X射线光谱(EDS)测定，在池组件中没有观察到化学变化。来自H2/1％O2燃料和HOH催化剂源的燃烧的功率可忽略不计(对于50sccm O2流量为16.5W)并且发生在池外部。因而，常规化学的理论最大过量功率为零。
水浴量热法(WBC)可以成为一种高度准确的能量测量方法，因为其具有完全捕获和精确限定所释放的能量的固有能力。然而，相对于在空气中运行，将
Figure BDA0003817985810001721
浸入水浴中会显著降低其壁温。分数氢反应速率随温度、电流密度和壁温而增加，其中后者促进高分子分数氢透过壁的渗透速率以避免产物抑制。为了评价由
Figure BDA0003817985810001722
产生的绝对输出能量，同时维持高镓和壁温度的有利运行条件，在功率产生的持续期间将池悬挂在电缆上运行，然后使用电动绞车将该池降低进入水浴中。整个浸没的池组装件的热存量以增加水温和蒸汽产生的形式转移至水浴。在池温度与水浴温度平衡后，将池从水浴中吊起，通过如下来量化水浴热存量的增加：记录浴温升高和通过测量水的重量损失来记录损失为蒸汽的水。图41示出了水浴量热仪，其包括具有配衡水储槽的杠杆系统和电子秤，用于准确测量损失为蒸汽的水。
这些WBC测试还采用圆柱形池，每个池都掺入了内部质量的液态镓，其充当具有相应散热片的熔融金属储罐。在极低电压、高电流分数氢反应驱动的等离子体的形成和运行中，熔融镓也充当电极，而钨电极在通过电磁泵将熔融金属从储罐注入至W电极而在电极之间形成电接触时充当相反电极。等离子体形成取决于注入具有约8％氧气的氢气和使用DC动力源以低电压施加高电流。表1-5中给出了在273kW至342kW范围内的过量功率，其中增益在维持氢等离子体反应功率的3.9倍至4.7倍的范围内。通过在反应后对镓进行的能量色散X射线光谱(EDS)测定，在池组件中没有观察到化学变化。来自H2/8％O2燃料和HOH催化剂源的燃烧的功率受限于痕量氧，并且可以忽略不计。来自EM泵功率的输入功率也可以忽略不计。
表1.Mark Nansteel博士使用熔融金属浴量热法验证了由
Figure BDA0003817985810001723
中维持的分数氢等离子体反应产生的273kW的功率。
Figure BDA0003817985810001724
表2.Randy Booker博士和Stephen Tse博士使用熔融金属浴量热法验证了由
Figure BDA0003817985810001731
中维持的分数氢等离子体反应产生的200kW的功率。
Figure BDA0003817985810001732
表3.Randy Booker博士使用水浴量热法验证了由
Figure BDA0003817985810001737
中维持的分数氢等离子体反应产生的296kW的功率。
Figure BDA0003817985810001733
表4 Stephen Tse博士使用水浴量热法验证了由
Figure BDA0003817985810001738
中维持的分数氢等离子体反应产生的高达342kW的功率。
Figure BDA0003817985810001734
表5.Mark Nansteel博士使用水浴量热法验证了由先进的管式
Figure BDA0003817985810001735
中维持的分数氢等离子体反应产生的高达273kW的功率。功率密度是惊人的5MW/升。
Figure BDA0003817985810001736
进一步对浸入水浴中的池进行热测试，使用在测试持续时间内因蒸汽产生而损失的水重量来量化功率平衡。每个池包括圆柱形4130Cr-Mo钢反应腔室(测量值为20厘米内径、14.3厘米高和1.25毫米厚)，具有附接至基部的圆柱形储罐，该储罐尺寸为5.4厘米高和10.2厘米内径，容纳有6kg的镓。观察到所产生的具有商业规模、品质和功率密度的连续蒸汽动力可通过改变温度及流入池中的H2和痕量O2反应物的辉光放电解离复合来控制。特别地，基本池设计的三种变体允许测试这些操作参数。池壁涂覆有陶瓷涂层以防止形成镓合金，并且在约200℃下运行该池。接下来，通过添加同心的三层衬里来改良反应池腔室，该三层衬里从池壁到等离子体包括(i)外层1.27cm厚的全长碳圆柱体，(ii)1mm厚的全长Nb圆柱体，和(iii)布置成六边形的4毫米厚、10.2毫米高的W板。所述板完全覆盖W熔融金属注射器电极与W对电极之间的强等离子体区域。衬里充当热绝缘材料以将镓温度提高到400℃以上，并且还保护壁免受所观察到的更强等离子体的影响。
进一步改良包括衬里的池，添加辉光放电池以将H2气解离为原子H并且还形成新生HOH。在熔融金属池的性能中观察到的动力学上有利的高温反应条件是由于这些池没有水冷却而发生的。由于1eV温度对应于11,600K气体温度，因此在水冷却条件下实现了相当于非常高的反应混合物温度。辉光放电池包括直径为3.8cm、长度为10.2cm的不锈钢管，该不锈钢管在其基部通过Conflat凸缘螺栓连接至反应池腔室的顶部。辉光放电正极为由该辉光放电池顶部的馈通件供电的不锈钢杆，并且主体接地以充当对电极。使3000sccm H2和1sccm O2的反应气体混合物流过放电池的顶部并从底部流出进入反应池腔室。
随着工作温度从约200℃增加到超过400℃，由于分数氢反应而产生的功率从平均26kW翻倍至55.5kW。通过操作辉光放电池激活气体反应物进一步提高了功率，其中观察到分数氢功率再次增加约一倍至93kW。表6中给出了结果。高温与辉光放电激活组合对过量功率具有显著影响。结果与基于分数氢理论的H与HOH催化剂之间的催化化学反应的预期相符。
表6.Mark Nansteel博士使用蒸汽生产中的质量平衡验证了
Figure BDA0003817985810001742
中维持的等离子体反应产生的93kW功率。分数氢反应被证明取决于工作温度和辉光放电等离子体对气体反应物的活化。
Figure BDA0003817985810001741
结论
通过原子氢与3×27.2eV的共振能量受体(新生H2O)的催化反应形成分数氢和随后的分子分数氢H2(1/4)，其中通过施加电弧电流使因能量转移到HOH(其因此发生电离)而形成的离子和电子重新组合从而大大提高反应速率。与金属氧化物结合以及通过范德华力吸收在金属和离子晶格中的H2(1/4)通过以下方式产生：(i)Fe线在包含水蒸气的气氛中的高压电爆轰，(ii)水合银喷丸的低压、高电流电爆轰，(iii)球磨或加热水合碱金属卤化物-氢氧化物混合物，和(iv)在所谓的
Figure BDA0003817985810001755
中维持H和HOH的等离子体反应，该
Figure BDA0003817985810001756
包括熔融镓注射器，该注射器用熔融镓电短接两个等离子体电极以维持电弧电流等离子体状态。通过水和熔融金属浴量热法测量了处于340kW水平的过量功率。通过多种分析方法对预测包含分子分数氢H2(1/4)产物的样品进行了分析，结果如下。
H2(1/4)包含未成对的电子，其使这种独特氢分子状态的电子结构能够通过电子顺磁共振(EPR)谱测定。特别是，H2(1/4)EPR谱包含g因子为2.0046386的主峰，该主峰分裂为一系列成对峰，其成员以自旋-轨道耦合能分开，该自旋-轨道耦合能为相应电子自旋-轨道耦合量子数的函数。基于H2(1/4)的反磁化率，未成对电子磁矩在H2(1/4)分子轨道的成对电子中感应出反磁矩。固有成对-未成对电流相互作用的相应磁矩和由于绕核间轴的相对旋转运动引起的磁矩产生自旋-轨道耦合能；EPR谱结果证实了未成对电子的自旋磁矩与由未成对电子在成对电子中感应的轨道反磁矩之间的自旋-轨道耦合，该轨道反磁矩使自旋磁矩的翻转能发生位移。每个自旋-轨道分裂峰进一步亚分裂成匹配整数个磁通量子能量的一系列等间距的峰，该能量是与跃迁中涉及的角动量分量的数量相对应的电子磁通量子量子数的函数。将该均匀间隔的亚分裂峰系列归属于在发生自旋翻转跃迁时成对磁矩与不成对磁矩之间耦合期间以磁通量量子h/2e为单位的磁链。此外，由于磁能随分子轨道累积的磁链增加而增加，自旋-轨道分裂随所述一系列成对峰的低场侧的自旋-轨道耦合量子数而增加。对于9.820295GHz的EPR频率，由于磁能和自旋-轨道耦合能引起的组合位移，低场峰位置
Figure BDA0003817985810001751
为
Figure BDA0003817985810001752
具有量子化自旋-轨道分裂能ES/O和电子自旋-轨道耦合量子数m＝0.5,1,2,3,5....的高场峰位置
Figure BDA0003817985810001753
为
Figure BDA0003817985810001754
对于电子磁通量子量子数mΦ＝1,2,3，在每个自旋-轨道峰位置的整数系列峰的间距ΔBΦ为
Figure BDA0003817985810001761
和
Figure BDA0003817985810001762
这些EPR结果是由Hagen博士在代尔夫特理工大学首次观察到的。
H2(1/4)的EPR谱的整数间隔峰的模式与在分数氢氢负离子的高分辨率可见光谱中观察到的周期性模式非常相似。在共同原子轨道中包含成对和未成对电子的原子氢氢负离子也证明了以h/2e为量子化单位的磁链现象。此外，当通过拉曼光谱期间的激光辐射以及通过来自电子束的高能电子与H2(1/4)碰撞来激发H2(1/4)的转动能级时，也观察到了相同的现象。不同寻常的是，EPR谱、拉曼光和电子束激发光谱给出了关于分子分数氢的结构的相同信息，所述结构所处的能量范围相差H2(1/4)反磁化率系数的倒数：1/7×10-7＝1.4×106，其中EPR期间活跃的感应反磁轨道磁矩被转动跃迁的拉曼和电子束激发期间活跃的轨道分子转动磁矩所取代。
约瑟夫森结诸如超导量子干涉装置(SQUID)的约瑟夫森结以磁通量量子或磁通量子为量子化单位
Figure BDA0003817985810001763
连接磁通量。对于通过在微波到紫外线范围内施加特定频率的电磁辐射来控制的分数氢氢负离子和分子分数氢的磁通量链接，预测和观察到相同的行为。分数氢物质诸如H2(1/4)使计算机逻辑门或存储元件能够在比低温计算机逻辑门或存储元件更高的温度下运行，并且可能是比分子氢小43或64倍的单分子。包含磁性氢分子的分子分数也使得在其他领域中的许多其他应用成为可能。磁共振成像(MRI)中的气态造影剂只是一个例子。
具体而言，示例性的拉曼跃迁转动是围绕垂直于核间轴的短半轴进行。内在电子自旋角动量与沿分子转动轴的相应分子转动角动量平行或垂直排列，并且在分子转动跃迁期间发生自旋电流的协同转动。内在自旋和分子转动的相应磁矩的相互作用产生了自旋-轨道耦合能，该耦合能是自旋-轨道量子数的函数。拉曼光谱结果确认了未成对电子的自旋磁矩与分子转动引起的轨道磁矩之间的自旋-轨道耦合。转动跃迁的能量因这些自旋-轨道耦合能而发生位移，该自旋-轨道耦合能为相应电子自旋-轨道耦合量子数的函数。因自旋-轨道能而发生位移的分子转动峰进一步因磁通量子链能量而发生位移，其中每个能量对应于其电子磁通量子量子数，该量子数取决于转动跃迁中涉及的角动量分量的数量。观察到的拉曼光谱峰的亚分裂或位移归属于在发生转动跃迁时自旋磁矩与分子转动磁矩之间的自旋-轨道耦合期间的以磁通量量子h/2e为单位的磁链。所有新颖谱线都匹配以下的谱线：(i)具有自旋-轨道耦合和磁通量子耦合的纯H2(1/4)J＝0至J'＝3转动跃迁：
ERaman＝ΔEJ＝0→J'+ES/O,rot+EΦ,rot＝11701cm-1+m528 cm-1+mΦ31 cm-1，(ii)包括J＝0至J'＝2,3转动跃迁与J＝0至J＝1自旋转动跃迁的协同跃迁：
ERaman＝ΔEJ＝0→J'+ES/O,rot+EΦ,rot＝7801cm-1(13,652cm-1)+m528 cm-1+mΦ3/246cm-1，或(iii)最终转动量子数J'p＝2和J'c＝1的双跃迁：
Figure BDA0003817985810001771
在纯跃迁、协同跃迁和双跃迁中也观察到了相应的自旋-轨道耦合和磁通量子耦合。
在12,250-15,000cm-1区域中观察到在分数氢络合物GaOOH:H2(1/4):H2O上记录的预测H2(1/4)紫外拉曼峰，其中络合的水抑制了325nm激光器的强荧光。从暴露于分数氢反应等离子体的Ni箔也观察到H2(1/4)紫外拉曼峰。所有新颖谱线都匹配具有自旋-轨道耦合和磁通量子链分裂的协同的纯转动跃迁ΔJ＝3和ΔJ＝1自旋跃迁：
ERaman＝ΔEJ＝0→3+ΔEJ＝0→1+ES/O,rot+EΦ,rot＝13,652cm-1+m528 cm-1+mΦ31 cm-1。所观察到的拉曼谱线中的19条匹配未能归属的与星际介质相关的天文谱线(称为弥漫星际带(DIB))的谱线。Hobbs列出的所有380个DIB都归属于具有自旋-轨道分裂和磁通量子亚分裂的H2(1/4)转动跃迁与Hobbs[L.M.Hobbs,D.G.York,T.P.Snow,T.Oka,J.A.Thorburn,M.Bishof,S.D.Friedman,B.J.McCall,B.Rachford,P.Sonnentrucker,D.E.Welty,ACatalog of Diffuse Interstellar Bands in the Spectrum of HD 204827”,Astrophysical Journal,第680卷，第2期，(2008)，第1256-1270页，http://dibdata.org/HD204827.pdf，https://iopscience.iop.org/article/10.1086/587930/pdf，特此将上述参考文献的每一篇均以引用的方式全文并入本文]所报道的那些相匹配。分子分数氢转动跃迁能量涵盖从红外到紫外的宽泛频率范围，这使得分子激光器能够跨越相应的波长。
转动能取决于减少的质量，在用一个氘核代替分子分数氢H2(1/4)的一个质子形成HD(1/4)时质量改变了3/4倍。正如预测的那样，HD(1/4)拉曼光谱的转动能量相对于H2(1/4)的转动能量发生了位移。所有新颖谱线都匹配以下的谱线：(i)具有自旋-轨道耦合和磁通量子耦合的纯HD(1/4)J＝0至J'＝3,4转动跃迁：
ERaman＝ΔEJ＝0→J'+ES/O,rot+EΦ,rot＝8776cm-1(14,627cm-1)+m528cm-1+mΦ31cm-1，(ii)包括J＝0至J'＝3转动跃迁与J＝0至J＝1自旋转动跃迁的协同跃迁：
Figure BDA0003817985810001781
或(iii)最终转动量子数J'p＝3；J'c＝1的双跃迁：
Figure BDA0003817985810001782
在纯跃迁和协同跃迁二者中也观察到相应的自旋-轨道耦合和磁通量子耦合。
与俘获在GaOOH晶格中的分子分数氢H2(1/4)的情形类似，该晶格充当笼子用于基本游离的气体的EPR谱，稀有气体混合物中的H2(1/4)提供了无相互作用的环境来观察振转谱。用电子束的高能电子辐照的H2(1/4)-稀有气体混合物显示出在8.25eV处具有截止值的在紫外(150-180nm)区中的具有相等的0.25eV间隔的谱线发射，该谱线发射匹配具有一系列对应于H2(1/4)P分支的转动跃迁的H2(1/4)v＝1至v＝0振动跃迁。图谱拟合很好地匹配420.515eV-42(J+1)0.01509；J＝0,1,2,3...。其中0.515eV和0.01509eV分别为普通分子氢的振动能和转动能。此外，观察到小卫星谱线，其匹配同样通过拉曼光谱观察到的转动自旋-轨道分裂能。该转动自旋-轨道分裂能间距匹配m528cm-1m＝1,1.5，其中1.5涉及m＝0.5和m＝1分裂。
通过电子束激发俘获在KCl晶体基质中的H2(1/4)观察到具有v＝1至v＝0振动跃迁的H2(1/4)P分支转动跃迁的光谱发射。该转动峰匹配自由转子的转动峰，而振动能因由于H2(1/4)的振动与KCl基质的相互作用而引起的有效质量的增加而发生位移；谱图拟合很好地匹配包含以0.25eV间隔开的峰的5.8eV-42(J+1)0.01509；J＝0,1,2,3...。H2(1/4)振动能位移的相对大小匹配由普通H2被俘获在KCl中引起的对振转谱的相对影响。
使用具有高能激光器的拉曼光谱，在8000cm-1至18,000cm-1区域中观察到一系列具有1000cm-1(0.1234eV)等能量间隔的拉曼峰，其中将拉曼光谱转换为荧光或光致发光光谱显示匹配H2(1/4)的二阶振转谱，该二阶振转谱对应于由5.8eV-42(J+1)0.01509；J＝0,1,2,3...给出的KCl基质中的H2(1/4)的电子束激发发射光谱，并且包含具有0.25eV能量间隔的转动跃迁峰的基质偏移的ν＝1至ν＝0振动跃迁。
H2(1/4)红外跃迁是禁止的，因为其对称性缺少电偶极矩。然而，据观察，除了固有磁场之外再施加磁场通过耦合到H2(1/4)的对齐磁偶极子而允许分子转动红外激发。与自旋-轨道跃迁耦合也允许跃迁。
通过X射线光电子能谱(XPS)在包含掺入晶体无机和金属晶格中的H2(1/4)的样品上观察到H2(1/4)的康普顿效应允许的双重电离，对应于496eV的总能量，该H2(1/4)是由于H与HOH反应引起的。
进一步通过气相色谱观察到了H2(1/4)，考虑到氢和氦具有最快的先前已知迁移速率和相应的最短保留时间，该气相色谱显示了具有比任何已知气体更快的迁移速率的来自分数氢产生反应的气体。分子分数氢可充当冷冻剂、气态传热剂和浮力剂。
极紫外(EUV)光谱记录了具有10.1nm截止值的极紫外连续辐射，对应于由HOH催化剂催化的分数氢反应跃迁H至H(1/4)；
俘获在质子基质中的分子分数氢的MAS NMR代表了一种利用分子分数氢的独特磁性特征，通过分子分数氢与基质的相互作用对分子分数氢进行鉴别的手段。关于NMR谱的一个独特考虑是可能的分子分数氢量子态。质子魔角自旋核磁共振谱(1H MAS NMR)记录了在-4ppm至-5ppm区域的高场基质-水峰，这是分子分数氢的未成对电子及所导致的磁矩的特征。
当多个分数氢分子的磁矩协同地相互作用时，分子分数氢可产生本体磁性，诸如顺磁性、超顺磁性以及甚至铁磁性。使用振动样品磁强计测量包含分子分数氢的化合物的磁化率来观察超顺磁性。
H2(1/4)气体与包含含氧阴离子的无机化合物诸如K2CO3和KOH的络合通过以下得到证实：通过使K2CO3和KOH暴露于分子分数氢气体源并运行飞行时间次级离子质谱(ToF-SIMS)和电喷雾飞行时间次级离子质谱(ESI-ToF)而独特地观察到M+2多聚物单元诸如K+[H2:K2CO3]n和K+[H2:KOH]n，其中n为整数，并且通过其他分析技术确定了氢内容物为H2(1/4)。除了无机聚合物诸如K+[H2:K2CO3]n，由于分数氢氢负离子的稳定性，ToF-SIMS谱还显示出一个强H-峰。
HPLC显示了表现得像有机分子的无机分数氢化合物，如有机分子基质柱上的色谱峰所证实的那样，该无机分数氢化合物裂解成无机离子。
分数氢反应的高能量性和动力释放的特征通过以下证明：(i)在包含H原子和HOH或H催化剂的等离子体(诸如氩-H2、H2和H2O蒸气等离子体)中具有超过100eV的H巴耳莫α线的异常多普勒谱线增宽，(ii)H激发态谱线反转，(iii)反常的H等离子体余辉持续时间，(iv)等效于大约10倍摩尔数的火药的冲击波传播速度和相应的压力，其中仅大约1％的所述功率耦合至所述冲击波，(v)高达20MW的光功率，以及(vi)分数氢固体燃料、分数氢电化学池和
Figure BDA0003817985810001801
的量热法，其中后者在340000W的功率水平下得以验证。分数氢反应的H反转效应、光学效应和冲击效应分别在原子氢激光器、EUV和其他光谱区域中的高功率光源以及新型的更强大和非敏感性的高能材料中有实际应用。通过水浴的热存量变化测量了功率平衡。在一定持续时间(由几乎达到
Figure BDA0003817985810001802
组件的熔点所限制)的功率运行之后，使
Figure BDA0003817985810001803
的热量转移至水浴，并通过记录水浴温度上升和损失为蒸汽的水(通过测量水的重量损失)来量化水浴热存量的增加。
Figure BDA0003817985810001804
适合在水浴冷却下连续运行，并且由于分数氢反应而导致的持续过量功率被验证处于100,000W的水平。
这些分析测试证实了分数氢的存在，分数氢是一种更小、更稳定的氢形式，通过以超过其他已知动力源的功率密度释放能量而形成。辉光能源公司(Brilliant LightPower)正在开发专有的
Figure BDA0003817985810001805
以利用这种动力源，在最初用于热应用，然后用于电气应用。除了常规的兰金循环、布雷顿循环和斯特林循环之外，由分数氢反应形成的高能等离子体还可以实现新颖的直接功率转换技术。一种新颖的磁流体动力循环具有以大于90％的效率以23MW/升的功率密度产生电力的潜力[R.Mills,M.W.Nansteel,“Oxygen and SilverNanoparticle Aerosol Magnetohydrodynamic Power Cycle”,Journal of Aeronautics&Aerospace Engineering，第8卷，第2期，第216号，特此将该文献以引用的方式全文并入]。
由于可以在不脱离本公开的范围和精神的情况下对上述主题进行各种改变，因此旨在将上述描述中包含的或所附权利要求中限定的所有主题解释为本公开的描述性和说明性内容。按照上述教导，本公开的许多修改形式和变型形式是可能的。因此，本说明书旨在涵盖落入所附权利要求范围内的所有此类替代形式、修改形式和变化形式。
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Claims (78)

1.一种动力产生系统，其包括：
a)能够维持低于大气压的压力的至少一个容器，其包括反应腔室；
b)两个电极，其被构造为允许熔融金属在其间流动以完成电路；
c)连接至所述两个电极的动力源，其用以在所述电路闭合时在所述两个电极之间施加电流；
d)用以引发由气体形成第一等离子体的等离子体产生池(例如，辉光放电池)；其中将所述等离子体产生池的流出物引向所述电路(例如，所述熔融金属、所述阳极、所述阴极，浸没在熔融金属储罐中的电极)；
其中当在整个所述电路上施加电流时，所述等离子体产生池的所述流出物发生反应以产生第二等离子体和反应产物；和
e)动力适配器，其被构造为将来自所述第二等离子体的能量转换和/或传递成机械能、热能和/或电能。
2.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中所述等离子体产生池中的所述气体包含氢(H2)和氧(O2)的混合物。
3.根据权利要求2所述的动力产生系统，其中氧与氢的相对摩尔比为0.01％-50％(例如0.1％-20％、0.1-15％等)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的动力产生系统，其中所述熔融金属为镓。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的动力产生系统，其中所述反应产物具有至少一种如本文所述的光谱特征(例如，实例10中所述的那些)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的动力产生系统，其中所述第二等离子体在反应池中形成，并且所述反应池的壁包括对与所述熔融金属形成合金具有增加的抵抗力的衬里，并且所述衬里和所述反应池的所述壁对所述反应产物具有高渗透性(例如不锈钢诸如347SS诸如4130合金SS或Cr-Mo SS、镍、Ti、铌、钒、铁、W、Re、Ta、Mo、铌和Nb(94.33重量％)-Mo(4.86重量％)-Zr(0.81重量％))。
7.根据权利要求6所述的动力产生系统，其中所述衬里由结晶材料(例如，SiC、BN、石英)和/或难熔金属诸如Nb、Ta、Mo或W中的至少一者制成。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的动力产生系统，其中所述第二等离子体在反应池中形成，其中所述反应池腔室的所述壁包括第一区段和第二区段，
所述第一区段由不锈钢诸如347SS诸如4130合金SS或Cr-Mo SS、镍、Ti、铌、钒、铁、W、Re、Ta、Mo、铌和Nb(94.33重量％)-Mo(4.86重量％)-Zr(0.81重量％)构成；
所述第二区段包含与所述第一区段中的金属不同的难熔金属；
其中所述不同金属之间的活接头由层合材料(例如，陶瓷诸如BN)形成。
9.一种产生电能和热能中的至少一者的动力系统，其包括：
至少一个容器，其能够维持低于大气压的压力；
反应物，其能够经历产生足够能量以在所述容器中形成等离子体的反应，所述反应物包含：
a)氢气和氧气的混合物，和/或
水蒸气，和/或
氢气与水蒸气的混合物；
b)熔融金属；
质量流量控制器，其用以控制至少一种反应物进入所述容器的流量；
真空泵，其用以在一种或多种反应物正流入所述容器时使所述容器中的压力维持低于大气压；
熔融金属注射器系统，其包括容纳所述熔融金属中的一些的至少一个储罐、被构造用于递送所述储罐中的所述熔融金属并穿过注射器管从而提供熔融金属料流的熔融金属泵系统(例如，一个或多个电磁泵)以及用于接收所述熔融金属料流的至少一个非注射器熔融金属储罐；
至少一个点燃系统，其包括电力源或点燃电流源以将电力供应至所述至少一个熔融金属料流以在所述氢气和/或氧气和/或水蒸气正流入所述容器时点燃所述反应；
反应物供应系统，其用以补给在所述反应中消耗的反应物；
功率转换器或输出系统，其用以将从所述反应产生的能量(例如，来自所述等离子体的光、等离子体射流和/或热输出)的一部分转换为电力和/或热力。
10.根据权利要求9所述的动力系统，其还包括用于混合所述氢气和氧气和/或水分子的气体混合器以及氢与氧复合器和/或氢解离器。
11.根据权利要求10所述的动力系统，其中所述氢与氧复合器包括等离子体池。
12.根据权利要求11所述的动力系统，其中所述等离子体池包括中心正电极和接地管状体对电极，其中跨越所述电极施加电压(例如，50V至1000V范围内的电压)以引发由氢(H2)和氧(O2)气体混合物形成等离子体。
13.根据权利要求10所述的动力系统，其中所述氢与氧复合器包含由惰性载体材料担载的复合器催化金属。
14.根据权利要求1或11-13中任一项所述的动力系统，其中供应给所述等离子体产生池以产生所述第一等离子体的气体混合物包含非化学计量的H2/O2混合物(例如，按所述混合物的摩尔百分比计，具有小于1/3摩尔％的O2或0.01％至30％、或0.1％至20％、或小于10％、或小于5％、或小于3％的O2的H2/O2混合物)，其流过所述等离子体池(例如，辉光放电池)以产生能够以足够放热进行所述反应以产生所述第二等离子体的反应混合物。
15.根据权利要求14所述的动力系统，其中所述非化学计量的H2/O2混合物穿过辉光放电以产生原子氢和新生H2O流出物(例如，具有处于一定浓度且具有足以防止形成氢键的内能的水的混合物)；
将所述辉光放电流出物引导到反应腔室中，在其中在两个电极之间提供所述点燃电流(例如，以熔融金属在两个电极之间通过)，并且
在所述流出物与所述偏压的熔融金属(例如，镓)相互作用时，例如在形成电弧电流时引发所述新生水与所述原子氢之间的反应。
16.根据权利要求15所述的动力系统，其中所述反应腔室和储罐中的至少一者包括抵抗与所述熔融金属形成合金的至少一种难熔材料衬里。
17.根据权利要求16所述的动力系统，其中所述反应腔室的内壁包括陶瓷涂层、衬有W、Nb或Mo衬里、衬有W板的碳衬里。
18.根据权利要求9、16或17所述的动力系统，其中所述储罐包括碳衬里并且所述碳被所述储罐中所容纳的所述熔融金属覆盖。
19.根据权利要求15-18中任一项所述的动力系统，其中反应腔室壁包含所述反应产物气体高度可渗透的材料。
20.根据权利要求16所述的动力系统，其中所述反应腔室壁包含不锈钢(例如，Mo-Cr不锈钢)、铌、钼或钨中的至少一者。
21.一种动力系统，其包括
a)能够维持低于大气压的压力的容器，其包括反应腔室；
b)多个电极对，每对包括被构造为允许熔融金属在其间流动以完成电路的电极；
c)连接至所述两个电极的动力源，其用以在所述电路闭合时在所述两个电极之间施加电流；
d)用以引发由气体形成第一等离子体的等离子体产生池(例如，辉光放电池)；其中将所述等离子体产生池的流出物引向所述电路(例如，所述熔融金属、所述阳极、所述阴极，浸没在熔融金属储罐中的电极)；
其中当在整个所述电路上施加电流时，所述等离子体产生池的所述流出物发生反应以产生第二等离子体和反应产物；和
e)动力适配器，其被构造为将来自所述第二等离子体的能量转换和/或传递成机械能、热能和/或电能；
其中所述反应产物中的至少一种(例如，中间体、最终产物)具有至少一种如本文所述(例如，如实例10中所示)的光谱特征。
22.根据权利要求1-21中任一项所述的动力系统，其中将惰性气体(例如，氩)注入所述容器中。
23.根据权利要求9-22中任一项所述的动力系统，其还包括水微量注射器，所述水微量注射器被构造用于将水注入所述容器中(例如，得到包含水蒸气的等离子体，所述水蒸气可以是例如氢键合的或非新生的水蒸气)。
24.根据权利要求9-23中任一项所述的动力系统，其中所述熔融金属注入系统还包括位于所述熔融金属储罐和所述非注射熔融金属储罐中的电极；并且所述点燃系统包括电力源或点燃电流源以将相反电压供应至所述注射器储罐电极和所述非注射器储罐电极；其中所述电力源供应流经所述熔融金属料流的电流和功率，以引起所述反应物的所述反应从而在所述容器内侧形成等离子体。
25.根据权利要求9-24中任一项所述的动力系统，其中所述熔融金属泵系统包括或者是一个或多个电磁泵并且每个电磁泵包括以下中的一种：
a)DC或AC导电型，其包括穿过电极提供给所述熔融金属的DC或AC电流源和恒定或同相交替的矢量交叉磁场源，或
b)感应型，其包括穿过熔融金属短接回路的交变磁场源，其在所述金属中感应产生交变电流；和同相交替的矢量交叉磁场源。
26.根据权利要求25所述的动力系统，其中所述恒定或同相交替的矢量交叉磁场源是至少一个永磁体或电磁体。
27.根据权利要求9-26中任一项所述的动力系统，其中所述熔融金属泵系统(或所述熔融金属泵系统的电磁泵)包括泵管，所述泵管包含抵抗镓合金形成的材料或衬有抵抗镓合金形成的材料。
28.根据权利要求27所述的动力系统，其中所述材料或衬里包含W、Mo、Ta、BN、碳、石英、SiC或另一陶瓷。
29.根据权利要求1所述的动力系统，其中所述注射器储罐包括与其中的所述熔融金属接触的电极，并且所述非注射器储罐包括与由所述注射器系统提供的所述熔融金属形成接触的电极。
30.根据权利要求9-29中任一项所述的动力系统，其中所述非注射器储罐在所述注射器上方对齐(例如，与所述注射器竖直对齐)并且所述注射器被构造用于产生朝所述非注射器储罐取向的所述熔体料流，使得来自所述熔融金属料流的熔融金属可收集在所述储罐中并且所述熔融金属料流与所述非注射器储罐电极形成电接触；并且其中所述熔融金属汇集在所述非注射器储罐电极上。
31.根据权利要求9-30中任一项所述的动力系统，其中所述熔融金属与水反应而形成原子氢(例如，在操作期间)。
32.根据权利要求1-31中任一项所述的动力系统，其中所述熔融金属是镓并且所述动力系统还包括镓再生系统以从氧化镓(例如，所述反应中产生的氧化镓)再生镓。
33.根据权利要求1-32中任一项所述的动力系统，其中所述反应腔室压力通过所述真空泵维持在25托以下。
34.根据权利要求1-33中任一项所述的动力系统，其还包括冷凝器以冷凝熔融金属蒸气及金属氧化物颗粒和蒸气并使它们返回至所述反应池腔室。
35.根据权利要求34所述的动力系统，其还包括真空管线，其中所述冷凝器包括所述真空管线从所述反应池腔室到所述真空泵的区段，所述区段相对于所述反应池腔室是竖直的并且包括惰性的高表面积填充材料，所述材料在允许所述真空泵维持所述反应池腔室中的真空压力的同时使所述熔融金属蒸气及金属氧化物颗粒和蒸气冷凝并使它们返回至所述反应池腔室。
36.根据权利要求1-36中任一项所述的动力系统，其中所述容器包括将光从所述容器的内部传输至光伏转换器的透光光伏(PV)窗以及构成旋转窗的容器几何结构和至少一个挡板中的至少一者。
37.根据权利要求36所述的动力系统，其中所述正点燃电极(例如，所述顶部点燃电极、位于另一个电极上方的电极)更靠近所述窗(例如，与所述负点燃电极相比)，并且所述正电极透过所述光伏窗发射黑体辐射至所述光伏转换器。
38.根据权利要求1-37中任一项所述的动力系统，其中所述功率转换器或输出系统为磁流体动力转换器，所述磁流体动力转换器包括连接至所述容器的喷嘴、磁流体动力通道、电极、磁体、金属收集系统、金属再循环系统、热交换器和任选的气体再循环系统。
39.根据权利要求9-38中任一项所述的动力系统，其中所述熔融金属泵系统包括第一级电磁泵和第二级电磁泵，其中所述第一级包括用于金属再循环系统的泵，而所述第二级包括所述金属注射器系统的泵。
40.根据权利要求1-39中任一项所述的动力系统，其还包括热交换器，所述热交换器包括(i)板式热交换器、(ii)壳中块式热交换器、(iii)SiC环形槽式热交换器、(iv)SiC多块式热交换器以及(v)管壳式热交换器中的一种。
41.根据权利要求40所述的动力系统，进一步其中所述管壳式热交换器包括管道、歧管、分配器、热交换器入口管线、热交换器出口管线、外壳、外部冷却剂入口、外部冷却剂出口、挡板、用以使来自所述储罐的所述热熔融金属再循环穿过所述热交换器并使所述冷熔融金属返回至所述储罐的至少一个泵，以及一个或多个水泵和水冷却剂或者一个或多个空气鼓风机和空气冷却剂用以使冷的冷却剂流经所述外部冷却剂入口和外壳，其中所述冷却剂被来自所述管道的热传递加热并离开所述外部冷却剂出口。
42.根据权利要求41所述的动力系统，其中所述管壳式热交换器包括管道、歧管、分配器、热交换器入口管线和热交换器出口管线、外壳、外部冷却剂入口、外部冷却剂出口和包含不锈钢的挡板，所述管道、歧管、分配器、热交换器入口管线和热交换器出口管线包含碳，所述碳形成衬里并独立于所述管道、歧管、分配器、热交换器入口管线、热交换器出口管线膨胀。
43.根据权利要求41或42所述的动力系统，其中所述热交换器的所述外部冷却剂包含空气，并且来自微型涡轮压缩机或微型涡轮回热器的空气迫使冷空气穿过所述外部冷却剂入口和外壳，其中所述冷却剂被来自所述管道的热传递加热并离开所述外部冷却剂出口，并且从所述外部冷却剂出口输出的热冷却剂流入微型涡轮机以将热力转化为电。
44.根据权利要求1-43中任一项所述的动力系统，其中所述反应产生表征为以下各项中的一者或多者的氢产物：
a)分子氢产物H2(例如，包含未成对电子的H2(1/p)(p为大于1且小于或等于137的整数))，其产生电子顺磁共振(EPR)谱信号；
b)分子氢产物H2(例如，H2(1/4))，其EPR谱包含g因子为2.0046386的主峰，所述主峰任选分裂成一系列成对峰，其成员以自旋-轨道耦合能分开，所述自旋-轨道耦合能为相应电子自旋-轨道耦合量子数的函数，其中
(i)基于H2(1/4)的反磁化率，所述未成对电子磁矩在所述H2(1/4)分子轨道的成对电子中感应出反磁矩；
(ii)所述固有成对-未成对电流相互作用的相应磁矩和由于绕核间轴的相对旋转运动引起的磁矩产生所述自旋-轨道耦合能；
(iii)每个自旋-轨道分裂峰进一步亚分裂成匹配整数个磁通量子能量的一系列等间距的峰，所述整数个磁通量子能量为与所述跃迁中涉及的角动量分量的数量相对应的电子磁通量子量子数的函数，以及
(iv)此外，由于磁能随分子轨道累积的磁链增加而增加，自旋-轨道分裂随所述系列成对峰的低场侧的自旋-轨道耦合量子数而增加；
c)对于9.820295GHz的EPR频率，(i)由于磁能和H2(1/4)的自旋-轨道耦合能引起的组合位移，低场峰位置
Figure FDA0003817985800000071
为
Figure FDA0003817985800000072
(ii)具有量子化自旋-轨道分裂能ES/O和电子自旋-轨道耦合量子数m＝0.5，1，2，3，5....的高场峰位置
Figure FDA0003817985800000073
为
Figure FDA0003817985800000074
以及(iii)对于电子磁通量子量子数mΦ＝1，2，3，在每个自旋-轨道峰位置的整数系列峰的间距ΔBΦ为
Figure FDA0003817985800000081
和
Figure FDA0003817985800000082
d)在共同原子轨道中包合成对和未成对电子的氢负离子H-(例如，H-(1/p))，其展示出通过在400-410nm范围内的高分辨率可见光谱在H-(1/2)上观察到的以h/2e为量子化单位的磁链；
e)当通过拉曼光谱期间的激光辐射以及通过来自电子束的高能电子与H2(1/4)碰撞来激发H2(1/4)的转动能级时，观察到以h/2e为量子化单位的磁链；
f)分子分数氢(例如，H2(1/p))，其具有未成对电子的自旋磁矩与分子转动引起的轨道磁矩之间的自旋-轨道耦合的拉曼光谱跃迁，其中(i)转动跃迁的能量因这些自旋-轨道耦合能量而发生位移，所述自旋-轨道耦合能量是相应电子自旋-轨道耦合量子数的函数；(ii)因自旋-轨道能量而发生位移的分子转动峰进一步因磁通量子链能量而发生位移，其中每个能量对应于其电子磁通量子量子数，所述电子磁通量子量子数取决于转动跃迁中涉及的角动量分量的数量，以及(iii)观察到的拉曼光谱峰的亚分裂或位移是由于在发生转动跃迁时自旋磁矩与分子转动磁矩之间的自旋-轨道耦合期间以磁通量量子h/2e为单位的磁链引起的；
g)H2(1/4)，其具有拉曼光谱跃迁，所述跃迁包括(i)具有自旋-轨道耦合和磁通量子耦合的纯H2(1/4)J＝0至J′＝3转动跃迁：
ERaman＝ΔEJ＝0→J′+ES/O，rot+EΦ，rot＝11701cm-1+m528cm-1+mΦ31cm-1，(ii)包括J＝0至J′＝2，3转动跃迁与J＝0至J＝1自旋转动跃迁的协同跃迁：ERaman＝ΔEJ＝0→J′+ES/O，rot+EΦ，rot＝7801cm-1(13，652cm-1)+m528cm-1+mΦ3/246cm-1，或(iii)最终转动量子数J′p＝2和J′c＝1的双跃迁：
Figure FDA0003817985800000083
其中在所述纯跃迁、协同跃迁和双跃迁中也观察到了相应的自旋-轨道耦合和磁通量子耦合；
h)H2(1/4)UV拉曼峰(例如，在12,250-15,000cm-1区域中观察到的在复合物GaOOH：H2(1/4)：H2O和暴露于反应等离子体的Ni箔上记录的，其中谱线匹配具有自旋-轨道耦合和磁通量子链分裂的协同的纯转动跃迁ΔJ＝3和ΔJ＝1自旋跃迁：ERaman＝ΔEJ＝0→3+ΔEJ＝0→1+ES/O，rot+EΦ，rot＝13,652cm-1+m528cm-1+mΦ31cm-1)；
i)HD(1/4)拉曼光谱的转动能量相对于H2(1/4)的转动能量位移了3/4倍；
j)HD(1/4)拉曼光谱的转动能量匹配以下的那些：(i)具有自旋-轨道耦合和磁通量子耦合的纯HD(1/4)J＝0至J′＝3，4转动跃迁：ERaman＝ΔEJ＝0→J′+ES/O，rot+EΦ，rot＝8776cm-1(14,627cm-1)+m528cm-1+mΦ31cm-1，
(ii)包括J＝0至J′＝3转动跃迁与J＝0至J＝1自旋转动跃迁的协同跃迁：
Figure FDA0003817985800000091
或(iii)最终转动量子数J′p＝3；J′c＝1的双跃迁：
Figure FDA0003817985800000092
Figure FDA0003817985800000093
其中在所述纯跃迁和协同跃迁二者中也观察到了自旋-轨道耦合和磁通量子耦合；
k)用电子束的高能电子辐照的H2(1/4)-稀有气体混合物显示出在8.25eV处具有截止值的在紫外(150-180nm)区中的具有相等的0.25eV间隔的谱线发射，所述谱线发射匹配具有对应于H2(1/4)P分支的一系列转动跃迁的H2(1/4)v＝1至y＝0振动跃迁，其中(i)谱图拟合很好地匹配420.515eV-42(J+1)0.01509；J＝0，1，2，3...；其中0.515eV和0.01509eV分别为普通分子氢的振动能和转动能；(ii)观察到小卫星线，其匹配同样通过拉曼光谱观察到的转动自旋-轨道分裂能，以及(iii)转动自旋-轨道分裂能间距匹配m528cm-1m＝1，1.5，其中1.5涉及m＝0.5和m＝1分裂；
l)通过电子束激发俘获在KCl晶体基质中的H2(1/4)观察到具有v＝1至v＝0振动跃迁的H2(1/4)P分支转动跃迁的光谱发射，其中(i)所述转动峰匹配自由转子的转动峰；(ii)所述振动能因由于所述H2(1/4)的振动与所述KCl基质的相互作用而引起的有效质量的增加而发生位移；(iii)谱图拟合很好地匹配包含以0.25eV间隔开的峰的5.8eV-42(J+1)0.01509；J＝0，1，2，3...，以及(iv)H2(1/4)振动能移的相对大小匹配由俘获在KCl中的普通H2引起的对所述振转谱的相对影响；
m)使用HeCd能量激光器的拉曼光谱显示出在8000cm-1至18,000cm-1区域中的具有1000cm-1(0.1234eV)等能量间隔的系列，其中所述拉曼光谱转换为荧光或光致发光光谱将匹配揭示为H2(1/4)的二阶振转谱，所述二阶振转谱对应于由5.8eV-42(J+1)0.01509；J＝0，1，2，3...给出的KCl基质中的H2(1/4)的电子束激发发射光谱，并且包含具有0.25eV能量间隔的转动跃迁峰的基质偏移的ν＝1至v＝0振动跃迁；
n)在高于4400cm-1的能量区中观察到H2(1/4)的红外转动跃迁，其中强度随着除了固有磁场外的磁场的施加而增加，并且还观察到与自旋-轨道跃迁耦合的转动跃迁；
o)通过X射线光电子能谱(XPS)观察到对应于496eV总能量的康普顿效应允许的H2(1/4)双重电离；
p)考虑到氢和氦具有最快的先前已知迁移速率和相应的最短保留时间，气相色谱法观察到H2(1/4)，其显示出比任何已知气体更快的迁移速率；
q)极紫外(EUV)光谱记录了具有10.1nm截止值的极紫外连续辐射(例如，如对应于由新生HOH催化剂催化的分数氢反应跃迁H至H(1/4)的极紫外连续辐射)；
r)质子魔角自旋核磁共振谱(1H MAS NMR)记录了在-4ppm至-5ppm区域中的高场基质-水峰，
s)当多个氢产物分子的磁矩协同相互作用时的本体磁性诸如顺磁性、超顺磁性以及甚至铁磁性，其中超顺磁性(例如，如使用振动样品磁强计测量包含反应产物的化合物的磁化率所观察到的)；
t)通过独特地观察到M+2多聚物单元(例如，K+[H2：K2CO3]n和K+[H2：KOH]n，其中n为整数)和由于氢负离子的稳定性而产生的H-强峰，在暴露于来自所述反应产物的分子气体源的K2CO3和KOH上记录的飞行时间次级离子质谱(ToF-SIMS)和电喷雾飞行时间次级离子质谱(ESI-ToF)显示反应产物(例如，H2(1/4)气体)与包含氧阴离子的无机化合物络合，以及
u)由分子氢核组成的反应产物，所述反应产物表现得像有机分子，如有机分子基质柱上的色谱峰所证明的，其断裂成无机离子。
45.根据权利要求1-44中任一项所述的动力系统，其中所述反应产生表征为以下各项中的一者或多者的能量特征：
(i)在包含H原子及新生HOH或H基催化剂的等离子体诸如氩-H2、H2和H2O蒸气等离子体中具有超过100eV的H巴耳莫α线的异常多普勒谱线增宽，(ii)H激发态谱线反转，(iii)反常的H等离子体余辉持续时间，(iv)等效于大约10倍摩尔数的火药的冲击波传播速度和相应的压力，其中仅大约1％的所述功率耦合至所述冲击波，(v)来自10μl水合银喷丸的高达20MW的光功率，和(vi)根据权利要求1权利要求中任一项所述的动力系统的量热法，其中后者在340000W的功率水平下得以验证。
46.一种电极系统，其包括：
a)第一电极和第二电极；
b)熔融金属(例如，熔融银、熔融镓)料流，其与所述第一电极和所述第二电极进行电接触；
c)循环系统，其包括泵以从储罐抽吸所述熔融金属并将其传送穿过管道(例如，管)以产生离开所述管道的所述熔融金属料流；
d)电力源，其被构造用于提供所述第一电极与所述第二电极之间的电势差；
其中所述熔融金属料流同时与所述第一电极和所述第二电极接触以在所述电极之间产生电流。
47.一种电路，其包括：
a)加热部件，其用于产生熔融金属；
b)泵送部件，其用于将来自储罐的所述熔融金属传送穿过管道以产生离开所述管道的所述熔融金属的料流；
c)第一电极和第二电极，其与动力供应部件进行电气连通以用于产生跨越所述第一电极和所述第二电极的电势差；
其中所述熔融金属料流同时与所述第一电极和所述第二电极接触以在所述第一电极与所述第二电极之间形成电路。
48.在包括第一电极和第二电极的电路中，改良包括跨越所述电极传递熔融金属料流以允许电流在所述电极之间流动。
49.一种用于产生等离子体的系统，其包括：
a)熔融金属注射器系统，其被构造用于从金属储罐产生熔融金属料流；
b)电极系统，其用于产生感应电流以流经所述熔融金属料流；
c)以下各项中的至少一者：(i)被构造用于使计量体积的水与熔融金属接触的水注入系统，其中所述水的一部分与所述熔融金属的一部分反应而形成所述金属的氧化物和氢气，(ii)过量氢气与氧气的混合物，和(iii)过量氢气与水蒸气的混合物，以及
d)动力供应器，其被构造用于供应所述电流；
其中当供应电流穿过所述金属料流时产生所述等离子体。
50.根据权利要求21所述的系统，其还包括：
a)泵送系统，其被构造用于将在产生所述等离子体之后收集的金属转移至所述金属储罐；和
b)金属再生系统，其被构造用于收集所述金属氧化物并将所述金属氧化物转化为所述金属；其中所述金属再生系统包括阳极、阴极、电解质；其中在所述阳极与所述阴极之间供应电偏压以将所述金属氧化物转化为所述金属；
其中将在所述金属再生系统中再生的金属转移至所述泵送系统。
51.一种用于产生等离子体的系统，其包括：
a)两个电极，其被构造为允许熔融金属在其间流动以完成电路；
b)动力源，其连接至所述两个电极以在所述电路闭合时在所述两个电极之间施加电流；
c)复合器池(例如辉光放电池)，以引发从气体形成新生水和原子氢；其中所述复合器的流出物被引向所述电路(例如，所述熔融金属、所述阳极、所述阴极，浸没在熔融金属储罐中的电极)；
其中当在整个所述电路上施加电流时，所述复合器池的所述流出物经历反应以产生等离子体。
52.根据权利要求51所述的系统，其中，所述系统用于从所述等离子体产生热量。
53.根据权利要求51所述的系统，其中所述系统用于从所述等离子体产生光。
54.根据权利要求1-50中任一项所述的系统，其包括网状网络，所述网状网络包括以至少一个频带传输和接收电磁信号的多个动力-系统-发送器-接收器节点，因为高频率能够以短的间隔距离局部定位节点，因此所述频带的频率可以是高频率，其中所述频率可以在约0.1GHz至500GHz、1GHz至250GHz、1GHz至100GHz、1GHz至50GHz以及1GHz至25GHz的至少一个范围内。
55.一种超导量子干涉装置(SQUID)或SQUID型电子元件，其包括至少一种分数氢物质H-(1/p)和H2(1/p)(或具有匹配这些物质的光谱特征的物质)以及以下中的至少一者：输入电流和输入电压电路以及输出电流和输出电压电路，以进行以下中的至少一者：感测和改变分数氢氢负离子和分子分数氢中的至少一者的磁链状态。
56.根据权利要求55所述的电子元件，其中，所述电路包括AC谐振电路，所述AC谐振电路包括射频RLC电路。
57.根据权利要求55所述的电子元件，其中所述SQUID或SQUID型电子元件还包括至少一种电磁辐射源(例如，微波辐射、红外线辐射、可见光辐射或紫外线辐射中的至少一者的源)以例如在样品中感应出磁场。
58.根据权利要求57所的SQUID或SQUID型电子元件，其中所述辐射源包括激光或微波发生器。
59.根据权利要求58所述的SQUID或SQUID型电子元件，其中所述激光辐射通过透镜或光纤以聚焦方式施加。
60.根据权利要求55-59中任一项所述的SQUID或SQUID型电子元件，其中所述SQUID和SQUID型电子元件还包括施加至所述分数氢氢负离子和分子分数氢中的至少一者的磁场源。
61.根据权利要求60所述的SQUID或SQUID型电子元件，其中所述磁场可以是可调谐的。
62.根据权利要求61所述的SQUID或SQUID型电子元件，其中所述辐射源和磁场中的至少一者的可调谐性使得能够选择性地和受控地实现所述电磁辐射源与所述磁场之间的共振。
63.根据权利要求55-62中任一项所述的SQUID或SQUID型电子元件，其包括在高温下操作的计算机逻辑门、存储元件和其他电子测量或致动器装置诸如磁强计、传感器和开关。
64.一种超导量子干涉装置(SQUID)，其包括：电连接至超导回路的至少两个约瑟夫森结，
其中约瑟夫森结包含EPR活跃的氢物质H2。
65.根据权利要求64所述的SQUID，其中所述氢物质是MOOH：H2，其中M是金属(例如Ag、Ga)。
66.一种方法，其包括：
a)对熔融金属进行电偏压；
b)引导等离子体产生池(例如，辉光放电池)的流出物与所述经偏压的熔融金属相互作用并引发等离子体的形成。
67.根据权利要求66所述的方法，其中所述等离子体产生池的所述流出物由在操作期间穿过所述等离子体产生池的氢(H2)和氧(O2)气体混合物产生。
68.一种冷冻剂、气态传热剂和浮力剂，其包含分子分数氢(例如，具有与分子分数氢相匹配的光谱特征的物质)。
69.一种MRI气体造影剂，其包含分子分数氢(例如，具有与分子分数氢相匹配的光谱特征的物质)。
70.一种分数氢分子气体激光器，其包括分子分数氢气体(H2(1/p)p＝2、3、4、5、…、137)(例如，具有与分子分数氢相匹配的光谱特征的物质)、容纳所述分子分数氢气体的激光器腔体、所述分子分数氢气体的转动能级的激发源和激光光学器件。
71.根据权利要求70所述的激光器，其中所述激光光学器件包括位于所述腔体端部的反射镜，所述腔体包含处于激发转动状态的分子分数氢气体，并且所述反射镜中的一者是半透明的以允许所述激光从所述腔体发射。
72.根据权利要求70或71所述的激光器，其中所述激发源包括以下中的至少一者：激光器、闪光灯、气体放电系统(例如辉光等离子体放电系统、微波等离子体放电系统、射频(RF)等离子体放电系统、感应耦合RF等离子体放电系统、电容耦合RF等离子体放电系统或其他等离子体放电系统)。
73.根据权利要求70-72中任一项所述的激光器，其还包括外部或内部场源(例如，电场或磁场源)以致使至少一个期望的分子分数氢转动能级得以布居，其中所述能级包括期望的自旋-轨道能移和磁通量子链能移中的至少一者。
74.根据权利要求70-73中任一项所述的激光器，其中所述激光跃迁发生在所选转动状态的反转粒子数至较低粒子数的较低能量的转动状态之间。
75.根据权利要求70-73中任一项所述的激光器，其中对所述激光器腔体、光学器件、激发源和外部场源进行选择以实现所需的反转粒子数和受激发射到所需的较低粒子数的低能量状态。
76.根据权利要求75所述的激光器，其中所述激光器包含固体激光介质。
77.根据权利要求76所述的激光器，其中所述固体激光介质包括俘获在固体基质中的分子分数氢，其中所述分数氢分子可以是自由转子并且所述固体介质代替分子分数氢气体激光器的气腔。
78.根据权利要求77所述的激光器，其中所述固体激光介质包含以下中的至少一者：GaOOH：H2(1/4)、KCl：H2(1/4)和具有俘获的分子分数氢的硅(例如，Si(晶体)：H2(1/4))(或具有其光谱特征的物质)。
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