JP2014518585A - H2oベース電気化学的水素−触媒パワーシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2011年4月5日に出願の米国仮出願番号第61/472,076号の;2011年5月5日に出願の米国仮出願番号第61/482,932号の;2011年5月13日に出願の米国仮出願番号第61/485,769号の;2011年5月27日に出願の米国仮出願番号第61/490,903号の;2011年6月17日に出願の米国仮出願番号第61/498,245号の;2011年7月8日に出願の米国仮出願番号第61/505,719号の;2011年8月5日に出願の米国仮出願番号第61/515,505号の;2011年9月23日に出願の米国仮出願番号第61/538,534号の;2011年11月14日に出願の米国仮出願番号第61,559,504号の;2011年12月2日に出願の米国仮出願番号第61,566,225号の;2011年12月21日に出願の米国仮出願番号第61/578,465号の;2012年1月27日に出願の米国仮出願番号第61/591,532号の;及び2012年3月19日に出願の米国仮出願番号第61/612,607号の優先権の利益を主張し、そして、これら全ては完全に参照によってここに組み込まれる。
本開示は、電気及び熱エネルギーの少なくとも1つを生成し、雰囲気に密閉させた容器を有する電気化学パワーシステムに関し、その容器は、少なくとも1つのカソード、少なくとも1つのアノード、少なくとも1つのバイポーラ板と、単独の電子流とイオン質量輸送(ion mass transport)を伴うセル動作中にハイドリノ反応物を構成する反応物を有し、その反応物は少なくとも2つの構成要素を有し、その構成要素は下記から選択され、a)少なくとも1つのH2O源、b)少なくとも1つの触媒源又はnH、OH、OH−、発生期のH2O、H2S又はMNH2から選択される群の少なくとも1つを有する触媒、ただし、nは整数であり、Mはアルカリ金属である、c)少なくとも1つの原子状水素源又は原子状水素、また、前記容器は、前記触媒源、前記触媒、前記原子状水素源及び前記原子状水素の少なくとも1つを形成する1つ以上の反応物を有し、前記容器はまた、前記原子状水素の触媒を開始させる1つ以上の反応物を有し、前記容器はまた支持体を有する、そこでは、前記カソード、アノード、反応物及びバイポーラ板の組み合わせが、各カソードとそれに対応したアノード間の化学ポテンシャルを維持しそれにより前記原子状水素の触媒が伝播し、前記システムはさらに電解システムを有する。一実施形態において、前記電気化学パワーシステムの前記電解システムは、断続的にH2Oを電気分解して前記原子状水素源又は原子状水素を供給し、前記セルを放出することによりシステムの正味のエネルギー収支を増加させる。前記反応物は、下記から選択した少なくとも1つの電解質を有してもよい。少なくとも1つの溶融水酸化物、少なくとも1つの共晶塩混合物、溶融水酸化物と少なくとも1つの他の構成要素からなる少なくとも1つの混合物、少なくとも1つの溶融水酸化物と塩からなる少なくとも1つの混合物、溶融水酸化物とハロゲン化物塩とからなる少なくとも1つの混合物、アルカリ性水酸化物とアルカリハロゲン化物とからなる少なくとも1つの混合物、LiOH−LiBr、LiOH−LiX、NaOH−NaBr、NaOH−NaI、NaOH−NaX及びKOH−KX(ただし、Xはハロゲン化物を表す)、少なくとも1つのマトリックス、少なくとも1つの添加物。前記電気化学パワーシステムはさらにヒーターを有してもよい。電解質の融点を超える、前記電気化学パワーシステムのセルの温度は、下記から選択した少なくとも1つの範囲内に入ってもよい。前記融点より高い0から1500℃の範囲、前記融点より高い0から1000℃の範囲、前記融点より高い0から500℃の範囲、前記融点より高い0から250℃の範囲、前記融点より高い0から100℃の範囲。実施例において、電気化学的パワーシステムは、オキシアニオン化合物、アルミン酸塩、タングステン酸塩、ジルコン酸、チタン酸塩、硫酸塩、リン酸塩、炭酸塩、硝酸塩、クロム酸塩、及びマンガン酸塩、酸化物、窒化物、ホウ化物、カルコゲニド、ケイ化物、リン化物、及び炭化物、金属、金属酸化物、非金属、及び非金属酸化物;アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、及び土類金属の酸化物、及びAl、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge、及びB、及び酸化物又はオキシアニオンを形成する他の元素の少なくとも1つ;アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、及び希土類金属、及びAl、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge、及びB、及び酸化物又はオキシアニオンを形成する他の元素の1つのような少なくとも1つの酸化物、を含み、更に、アルカリ、アルカリ土類、遷移、内部遷移、及び希土類の群からの少なくとも1つのカチオン、及びAl、Ga、In、Sn、及びPbカチオン;LiAlO2、MgO、Li2TiO3、又はSrTiO3;アノード材料の酸化物及び電解質の化合物;電解質のカチオン及び酸化物の少なくとも1つ;電解質MOH(M=アルカリ)の酸化物;Mo、Ti、Zr、Si、Al、Ni、Fe、Ta、V、B、Nb、Se、Te、W、Cr、Mn、Hf、Co、及びM’(M’はアルカリ土類金属を表す)の群の元素、金属、合金、又は混合物を含む電解質の酸化物;MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO、又は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、及びMgO;カソード材料の酸化物及びオプションとして電解質の酸化物;Li2MoO3若しくはLi2MoO4、Li2TiO3、Li2ZrO3、Li2SiO3、LiAlO2、LiNiO2、LiFeO2、LiTaO3、LiVO3、Li2B4O7、Li2NbO3、Li2SeO3、Li2SeO4、Li2TeO3、Li2TeO4、Li2WO4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2MnO4、Li2HfO3、LiCoO2、及びM’O(M’はアルカリ土類金属を表す)、及びMgO;アノードの元素又は同じ群の元素の酸化物、及びMoアノードについてLi2MoO4、MoO2、Li2WO4、Li2CrO4、及びLi2Cr2O7、を含み、そして、添加剤は、S、Li2S、酸化物、MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO又はFe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、CrO3、MgO、TiO2、Li2TiO3、LiAlO2、Li2MoO3又はLi2MoO4、Li2ZrO3、Li2SiO3、LiNiO2、LiFeO2、LiTaO3、LiVO3、Li2B4O7、Li2NbO3、Li2SeO3、Li2SeO4、Li2TeO3、Li2TeO4、Li2WO4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2MnO3、又はLiCoO2、MnO、及びCeO2の少なくとも1つを含む。電気化学的パワーシステムの操作の間に、次の反応の少なくとも1つが起きてよい。a)H2Oの電気分解から放電アノードにおいて、H及びH2の少なくとも1つが形成される。b)H2Oの電気分解から放電カソードにおいて、O及びO2の少なくとも1つが形成される。c)反応混合物の反応によって水素触媒が形成される。d)電気的パワー及び熱的パワーの少なくとも1つを生産するために放電の間、ハイドリノが形成される。e)ハイドリノ触媒として機能する発生期のH2Oを形成するために、OH−が酸化されHと反応する。f)OH−が酸化され酸素イオン及びHになる。g)酸素イオン、酸素、及びH2Oの少なくとも1つが放電カソードで還元される。h)H及び発生期のH2O触媒が反応してハイドリノを形成する。そして、i)放電の間にハイドリノが形成されて電気的パワー及び熱的パワーの少なくとも1つを生産する。電気化学的パワーシステムの実施例において、OH−の酸化、及び酸素イオン、酸素、及びH2Oの少なくとも1つの還元、の少なくとも1つの反応が、断続的な電気分解の電気分解フェーズの間の時間あたり電流を超える時間あたり電流を生成するように、セル放電の間に起きる。1つの実施例において、アノード半電池反応は、以下のようであるかもしれない。
OH−+2H → H2O+e−+H(1/4)
ここで、H2O触媒及びe−を形成するようなOH−と第1のHとの反応は、第2のHがハイドリノになるH2O触媒作用と協調する。幾つかの実施例において、放電アノード半電池反応は、標準水素電極に対して操作温度に対し熱力学的に補正を行った約1.2V、及び、25℃で標準水素電極に対して操作温度に対し熱力学的に補正された、約1.5Vから0.75V、1.3Vから0.9V、及び1.25Vから1.1Vの範囲のうちの少なくとも1つの範囲における電圧のうちの少なくとも1つの電圧を備え、そして、カソード半電池は、標準水素電極に対して操作温度に対し熱力学的に補正を行った約0V、及び、25℃で標準水素電極に対して操作温度に対し熱力学的に補正された、約−0.5Vから+0.5V、−0.2Vから+0.2V、及び−0.1Vから+0.1Vの範囲のうちの少なくとも1つの範囲における電圧のうちの少なくとも1つの電圧を備える。
O2+5H++5e− → 2H2O+H(1/p)
ここで、対の半電池反応は、次の式で与えられる。
H2 → 2H++2e−、及び
全体の反応は、次の式で与えられる。
3/2H2+1/2O2 → H2O+H(1/p)
そのシステムは、
分離した電子流れ及びイオン質量輸送(ion mass transport)を伴うセル・オペレーションの間にハイドリノ反応物を構成する反応物と、
カソードを含むカソード・コンパートメントと、
アノードを含むアノード・コンパートメントと、水素源とを含む。
a)(i)Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Fe(H2)、Nb(H2)、又は、LaNi5H6、TiMn2Hx、及びLa2Ni9CoH6(xは整数)から選択される1つのような金属水素化物と、(ii)MOH若しくはM(OH)2,、又は、M及びM’がLi、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、及びBaから独立に選択される1つ以上のような金属であり、水酸化物、ハロゲン化物、硫酸塩、及び炭酸塩から選択される1つのようにXはアニオンであるところ、M’X若しくはM’X2を備えるMOH若しくはM(OH)2から選択される1つのような溶融電解質と、(iii)アノードの金属と同じであり、更に、空気又はO2を含むカソードと、を含むセル。
b)(i)R−Ni、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、及びPbから選択される1つのような少なくとも1つの金属を含むアノードと、(ii)約10Mから飽和するまでの範囲の濃度を持つアルカリ水酸化物水溶液を含む電解質と、(iii)オレフィン・セパレータと、(iv)カーボン・カソードと、更に、空気又はO2と、を含むセル。
c)(i)溶融NaOH及びNiのような水素透過膜及び水素ガスを含むアノードと、(ii)βアルミナ固体電解質(BASE)を含む電解質と、及び、(iii)NaCl−MgCl2、NaCl−CaCl2、又はMX−M’X2’(Mはアルカリで、M’はアルカリ土類で、X及びX’はハライド)のような溶融共晶塩を含むカソードと、を含むセル。
d)(i)溶融Naを含むアノードと、(ii)βアルミナ固体電解質(BASE)を含む電解質と、及び、(iii)溶融NaOHを含むカソードと、を含むセル。
e)(i)LaNi5H6のような水素化物を含むアノードと、(ii)約10Mから飽和するまでの範囲の濃度を持つアルカリ水酸化物水溶液を含む電解質と、(iii)オレフィン・セパレータと、(iv)カーボン・カソードと、更に、空気又はO2と、を含むセル。
f)(i)Liを含むアノードと、(ii)オレフィン・セパレータと、(iii)LP30及びLiPF6を含む1つのような有機電解質と、及び、(iv)CoO(OH)のようなオキシ水酸化物を含むカソードと、を含むセル。
g)(i)Li3Mgのようなリチウム合金を含むアノードと、(ii)LiCl−KCl又はMX−M’X’(M及びM’はアルカリであり、X及びX’はハライドである)のような溶融塩電解質と、及び、(iii)CeH2、LaH2、ZrH2、及びTiH2から選択される1つのような金属水素化物及びカーボンブラックを含むカソードと、を含むセル。
h)(i)Liを含むアノードと、(ii)LiCl−KCl又はMX−M’X’(M及びM’はアルカリであり、X及びX’はハライドである)のような溶融塩電解質と、及び、(iii)CeH2、LaH2、ZrH2、及びTiH2から選択される1つのような金属水素化物及びカーボンブラックを含むカソードと、を含むセル。
本開示は、更に、Ni(H2)と称される水素電極が、透過性の、分散性の、及び断続的な電気分解による水素の源の少なくとも1つを含む[Ni(H2)/LiOH−LiBr/Ni]セルと、Ni(H2)と称される水素電極が、透過性の水素の源を含む、[PtTi/H2SO4(約5M水溶液)又はH3PO4(約14.5M水溶液)/PtTi]断続的電気分解、及び[NaOHNi(H2)/BASE/NaCl MgCl2]セルと、の少なくとも1つを含む電気化学パワーシステムに関する。妥当な実施例において、水素電極は、NiOのような保護性の酸化物コーティングを持つように調製されるニッケルのような金属を含む。酸化物コーティングは、酸素を含む雰囲気のような酸化性の雰囲気において酸化又は陽極酸化されることにより形成されるかもしれない。
a)(i)透過の、散布の、及び断続的な電気分解の水素の源の少なくとも1つを含むNi(H2)と称される水素電極を含むアノードと、(ii)MOH若しくはM(OH)2、又は、M及びM’がLi、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、及びBaから独立に選択される1つ以上のような金属であり、水酸化物、ハロゲン化物、硫酸塩、及び炭酸塩から選択される1つのようにXはアニオンであるところ、M’X若しくはM’X2を備えるMOH若しくはM(OH)2から選択される1つのような溶融電解質と、(iii)アノードの金属と同じであり、更に、空気又はO2を含むカソードと、を含み、
b)(i)透過の、散布の、及び断続的な電気分解の水素の源の少なくとも1つを含む、Ni(H2)と称される水素電極を含むアノードと、(ii)LiOH−LiBr、NaOH−NaBr、又はNaOH−NaIのような溶融電解質と、(iii)空気又はO2を更に含む、アノードのそれと同じであるものであるかもしれない金属を含むカソードと、を含み、
c)(i)Pt/Tiのような貴金属を含むアノードと、(ii)それぞれ、1から10M及び5から15Mの濃度範囲にあるかもしれないH2SO4又はH3PO4のような酸性水溶液電解質と、及び(iii)空気又はO2を更に含む、アノードのそれと同じであるものであるかもしれない金属を含むカソードと、を含み、
d)(i)透過の水素の源を含むNi(H2)と称される水素電極及び溶融NaOHを含むアノードと、(ii)ベータアルミナ固体電解質(BASE)を含む電解質と、及び(iii)NaCl−MgCl2、NaCl−CaCl2、又はMX−M’X2’(Mはアルカリ、M’はアルカリ土類、並びにX及びX’はハライド)のような溶融共晶塩を含むカソードと、を含む。
原子水素の触媒作用のための反応セルと、
反応容器と、
真空ポンプと、
反応容器に連通する原子水素の源と、
反応容器に連通するバルク材料を含む水素触媒の源と、
原子水素及び水素触媒の少なくとも1つがそのような源から形成されるように、原子水素及び水素触媒の少なくとも1つを形成する1又はそれ以上の元素を含む、少なくとも1つの反応物、及び少なくとも1つの他の元素を含む反応混合物を含む水素触媒の源及び原子水素の源の少なくとも1つの源と、
触媒作用を引き起こす少なくとも1つの他の反応物と、
容器のためのヒータと、を含むパワー源であって、
それによって、原子水素の触媒作用が、1水素モルあたり、約300kJより大きな量において、エネルギーを放出する、パワー源に関する。
(i)触媒の源又は触媒、原子水素の源又は原子水素、原子水素又は原子水素の源及び触媒の源又は触媒を形成する反応物、原子水素の触媒作用を開始させる1以上の反応物、そして、触媒作用を可能にする支持体から選択される少なくとも2つの構成要素を含む化学的な燃料混合物。
(ii)複数の容器を含む反応生成物から燃料を熱的に再生するような交換反応を逆転させるような少なくとも1つの熱的なシステムであって、
ここで、その混合物の反応の生成物から初期の化学的な燃料混合物を形成する反応を含む再生反応が、パワー反応を被る少なくとも1つの反応容器において行われ、
その熱的な再生のためのエネルギーを提供するために再生を被る少なくとも1つの容器へ、少なくとも1つのパワー・生成容器からの熱が流れ、
それらの容器は、熱流れを達成するように移動媒体の中に埋め込まれ、
少なくとも1つの容器は更に真空ポンプ及び水素の源を備え、そして、より冷たいチャンバーに種が優先的に蓄積されるようにより熱いチャンバーとこのより冷たいチャンバーの間で維持される温度差を持つ2つのチャンバーを更に含むかもしれず、
水素化反応がより熱いチャンバーへ回収される少なくとも1つの初期反応物を形成するようにより冷たいチャンバー内で行われる、少なくとも1つの熱的なシステム。
(iii)熱バリアを間に挟みパワー・生成反応容器から熱を受容するヒートシンク。
(iv)ランキン又はブレイトンーサイクルエンジン、蒸気機関、スターリングエンジンのような熱機関を含むかもしれない、熱電式の又は熱イオン式の変換器を含むかもしれない、パワー変換システム。特定の実施例において、そのヒートシンクは、電気を生産するために、パワー変換システムへパワーを移動させるかもしれない。
(i)触媒の源又は触媒、原子水素の源又は原子水素、原子水素の源又は原子水素及び触媒の源又は触媒を形成する反応物、原子水素の触媒作用を開始させる1以上の反応物、及び触媒作用を可能にする支持体から選択される少なくとも2つの構成要素を含む化学的な燃料混合物。
(ii)少なくとも1つの反応容器を備える反応生成物から燃料を熱的に再生するような交換反応を逆転させるための熱的なシステムであって、
その混合物の反応の生成物から初期の化学的な燃料混合物を形成する反応を含む再生反応が、パワー反応と連動してその少なくとも1つの反応容器において行われ、パワー生成反応からの熱が熱的な再生のためエネルギーを提供するために再生反応に流れ、少なくとも1つの容器が、1つのセクションで断熱され、そして、種が優先的により冷たいセクションに蓄積するようにその容器のより熱いセクション及びより冷たいセクションのそれぞれの間に熱勾配を達成するように別のセクションで熱伝導性の媒体に接触している、熱的なシステム。
(iii)少なくとも1つの熱的なバリアをオプションとして隔てて、熱伝導性の媒体を通して移動されるパワー生成反応からの熱を受容するヒートシンク。
(iv)ランキン又はブレイトンーサイクルエンジン、蒸気機関、スターリングエンジンのような熱機関を含むかもしれず、熱電式の又は熱イオン式の変換器を含むかもしれず、そして、ヒートシンクからの熱の流れを受容する、パワー変換システム。
本開示は、原子水素からエネルギーを放出し、電子殻が核に相対的により近い位置にある、より低いエネルギー状態を形成する、触媒システムに関する。放出されたパワーは発電に利用され、そして、新たな水素種及び化合物は所望の生成物である。これらのエネルギー状態は従来の物理的法則により予測され、対応するエネルギー放出遷移をするために水素からエネルギーを受け取る触媒を必要とする。
En = −e2/n28πε0αH = −13.598eV/n2 (1)
n = 1,2,3,... (2)
ここで、n=1,2,3,・・・であり、aHは、水素原子(52.947pm)のボーア半径であり、eは電子の電荷の大きさ、ε0は真空の誘電率であり、分数の量子数は、次のようになる。
n = 1,1/2,1/3,1/4,...,1/p, (3)
ここで、p≦137は整数
ここで、pは、p≦137となる整数であるが、励起状態の水素に対するリュードベリ式におけるn=整数のよく知られるパラメータに置き換わり、「ハイドリノ」と呼ばれるより低いエネルギー状態の水素原子を表す。そして、マクスウェル方程式の解析解を持つ励起励起状態と同様に、ハイドリノ原子もまた、電子、陽子、及び光子を含む。しかし、後者の電場は、励起状態にあるので、エネルギーの吸収で中心場を減少させるよりむしろ、エネルギーの脱離に対応して結合力を増加させ、ハイドリノの結果として起こる光子−電子相互作用が放射性というよりはむしろ安定である。
r = aH/p (4)
ここで、p=1,2,3,・・・・である。エネルギーの保存のため、エネルギーは水素原子から触媒へ次のような単位で移動しなければならない。
m・27.2eV, m = 1,2,3,4,... (5)
そして、半径遷移は、aH/(m+p)へとなる。触媒反応はエネルギー放出の2つのステップ:触媒への非放射的なエネルギーの移動、及び、それに続いて起きる対応する安定な最終状態に半径が減少する際の追加のエネルギー放出を含む。触媒作用の速度は、反応の正味のエンタルピーが、m・27.2eVにより近くに合うと増大すると信じられている。m・27.2eVの±10%以内好ましくは±5%以内の正味の反応のエンタルピーを持つ触媒が大抵の応用に対して好ましいことが見出されてきた。より低いエネルギー状態への水素原子の触媒作用の場合は、m・27.2eV(式(5))の反応のエンタルピーが、ハイドリノ原子のポテンシャルエネルギーと同じファクターによって相対論的に補正される。
m・27.2eV+Catq++H[aH/p] →
Cat(q+r)++re−+H*[aH/(m+p)]+m・27.2eV
(6)
H*[aH/(m+p)] →
H[aH/(m+p)]+[(p+m)2−p2]・13.6eV
−m・27.2eV (7)
Cat(q+r)++re− → Catq++m・27.2eV (8)
更に
ここで、全反応は、次式の通りである。
H[aH/p] →
H[aH/(m+p)]+[(p+m)2−p2]・13.6eV (9)
ここで、q、r、m、及びpは整数である。H*[аH/(m+p)]は、水素原子の半径(分母において1に相当)、及び陽子の(m+p)倍に等価な中心場を持ち、H[аH/(m+p)]は、Hのそれの1/(m+p)の半径を備える安定した状態に相当する。電子が、水素原子の半径からこの距離の1/(m+p)の半径へと半径方向加速度を受けて、エネルギーは、特徴的な発光として、又は、第三体の運動エネルギーとして、放出される。発光は、[(p+m)2−p2−2m]・13.6eV又は91.2/[(p+m)2−p2−2m]nmで端を持ち、より長い波長に及ぶ極端紫外線連続放射の形態であるかもしれない。放射に加えて、高速Hを形成する共鳴する運動エネルギーの移動が起こるかもしれない。その代わりに、高速Hは、触媒として機能するH又はハイドリノの直接の生成物であるが、共鳴エネルギー移動の受領は、イオン化エネルギーというよりむしろポテンシャルエネルギーとみなす。エネルギーの変換は、前者の場合はポテンシャルエネルギーの半分に対応する運動エネルギーの陽子を与え、後者の場合は本質的に停止した触媒イオンを与える。高速陽子のH再結合放射は、過剰なパワーバランスに合致する高温水素の在庫に不釣り合いな広がったバルマ−α発光を引き起こす。
H(1/p’)+H(1/p) →
H(1/(p+m))+[2pm+m2−p’2+1]・13.6eV
(10)
衝突相手の第3の水素原子から54.4eVを2つの原子が共鳴的に及び非放射的に受取り、2Hを形成するように、極めて高速のHが1つの分子と衝突するとき、2つの原子触媒2Hに対する速度は高いかもしれない。同じメカニズムによって、2つの高温H2の衝突は、第4の水素原子に対して3・27.2eVの触媒として機能するように3Hを供給する。22.8nm及び10.1nmでのEUV連続体、異常な(>100eV)バルマ−α線の広がり、高く励起されたH状態、生成ガスH2(1/4)、及び大きなエネルギー放出は、予告に一致して観測される。
ED=E(2H(1/p))−ET (16)
ここで、次のようになる。
E(2H(1/p))=−p227.20eV (17)
EDは、式(16−17)及び(15)によって与えられる。
ED=−p227.20eV−ET
=−p227.20eV−(−p231.351eV−p30.326469eV
=p24.151eV+p30.326469eV (18)
H2(1/p)は、X線光電子分光法(XPS)によって同定されるかもしれないが、ここで、イオン化された電子に加えて、イオン化の生成物は、2つのプロトン及び1つの電子を含むそれら、1つのH原子、1つのハイドリノ原子、分子イオン、水素分子イオン、及びH2(1/p)+、ここで、それらのエネルギーは、マトリックスによってシフトされるかもしれないが、そのような可能性の少なくとも1であるかもしれない。
(20)
ここで、最初の項は、H2(1/p)に対して、p=整数>1及びp=1であるときH2に適用される。−28.0ppmの実験での絶対H2ガス−フェーズ共鳴シフトは、−28.01ppmの予測された絶対ガス−フェーズシフトと非常に良く一致している(式(20))。予測される分子ハイドリノ・ピークは、通常のH2に相対して非常に高磁場にシフト(upfield shifted)している。1つの実施例において、複数のピークはTMSの高磁場(upfield)にある。TMSに相対するNMRシフトは、通常のH−、H、H2、又はH+単独、或いは、化合物を含むものの少なくとも1に対して知られるそれよりも大きいかもしれない。シフトは、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、及び−40ppmの少なくとも1よりも大きいかもしれない。裸のプロトンに相対する絶対シフトの範囲は、ここで、TMSのシフトが裸のプロトンに相対して約−31.5であるが、±5ppm、±10ppm、±20ppm、±30ppm、±40ppm、±50ppm、±60ppm、±70ppm、±80ppm、±90ppm、及び±100ppmの少なくとも1つあたりの範囲内にある−(p28.01+p22.56)ppm(式(20))であるかもしれない。裸のプロトンに相対する絶対シフト(absolute shift)の範囲は、約0.1%から99%、1%から50%、及び1%から10%の少なくとも1つくらいの範囲内にある−(p28.01+p21.49X10−3)ppm(式(20))かもしれない。
Evib = p20.515902eV (21)
ここで、pは整数である。
81.0319eV+Li(m)+H[aH/p] →
Li2++2e−+H[aH/(p+3)]
+[(p+3)2−p2]・13.6eV (24)
Li2++2e−+ → Li(m)+81.0319eV
(25)
そして、全反応は次のようになる。
H[aH/p] →
H[aH/(p+3)]+[(p+3)2−p2]・13.6eV (26)
ここで、式(5)において、m=3である。触媒反応の間に与えられるエネルギーは、触媒に向かって失うエネルギーよりもずっと大きい。解放されるエネルギーは、従来の化学反応に比べて大きい。例えば、水素及び酸素ガスが燃焼して水を形成するときは、水形成の知られているエンタルピーは、水素原子あたり、ΔHf=−286kJ/mole又は1.48eVである。
H2(g)+1/2O2(g) → H2O(l) (27)
対照的に、n=1/2となる触媒工程を経る各通常の水素原子(n=1)は、40.8eVの正味のエネルギーを放出する。更に、触媒的な遷移が更に起こるかもしれない:n=1/2→1/3、1/3→1/4、1/4→1/5等である。一度触媒反応が開始すると、ハイドリノは、不均化と呼ばれるプロセスにおいて更に自触しするが、H又はH(1/p)は、別のH又はH(1/p’)のための触媒として機能する(pはp’に等しくてもよい)。
54.35eV+NaH →
Na2++2e−+H[aH/3]+[32−12]・13.6eV (28)
Na2++2e−+H → NaH+54.35eV (29)
そして、全反応は、次のようになる。
H → H[aH/3]+[32−12]・13.6eV (30)
54.417eV+He++H[aH] →
He2++e−+H*[aH/3]+54.4eV (32)
H*[aH/3] → H[aH/3]+54.4eV (33)
He2++e− → He++54.417eV (34)
そして、全反応は次の通りである。
H[aH] → H[aH/3]+54.4eV+54.4eV (35)
ここで、H*[aH/3]は、水素原子の半径、及び、陽子のそれの3倍に等しい中心場を持ち、H[aH/3]は、Hの1/3のそれの半径を持つ対応する安定状態である。電子が、水素原子の半径からこの距離の1/3の半径へとの半径加速を経ると、エネルギーが特徴的な光の発光又は第3体運動エネルギーとして解放される。22.8nm(54.4eV)から開始し、より長い波長に続く特徴的な連続発光は、エネルギーあるれるハイドリノ中間体が崩壊すると、この遷移反応として予測されるように、観測された。発光は、水素でヘリウムのパルス状の放電により記録されるEUVスペクトルによって観測されてきた。その代わりとして、高速Hを形成するような共鳴運動エネルギーは、高い運動エネルギーのHに対応する異常なバルマーのα線の広がりの観測と一致して生じるかもしれない。
54.4eV+2H+H →
2Hfast ++2e−+H*[aH/3]+54.4eV (36)
H*[aH/3] → H[aH/3]+54.4eV (37)
2Hfast ++2e− → 2H+54.4eV (38)
そして、全反応は次の通りである。
H → H[aH/3]+[32−12]・13.6eV (39)
式(37)のH*[aH/3]中間物は、式(33)のそれに等価であり、連続発光は、触媒としてHe+に関するそれと同じであると予測される。2つのHへのエネルギーの転位は、触媒の励起された状態のポンピングを引き起こし、高速Hが式(36−39)によって与えられるように、更に、触媒としてのHe+の場合におけるように共鳴運動エネルギーの移動によって、直接生成される。22.8nmの連続放射、H励起状態のポンピング、及び高速Hはまた、2Hが触媒として機能するところ、水素プラズマに関して観測された。
81.6eV+3H+H →
3Hfast ++3e−+H*[aH/4]+81.6eV (40)
H*[aH/4] → H[aH/4]+122.4eV (41)
3Hfast ++3e− → 3H+81.6eV (42)
そして、全反応は次の通りである。
H → H[aH/4]+[42−12]・13.6eV (43)
式(40)のH*[aH/4]中間体による極紫外線連続放射バンドは、122.4eV(10.1nm)で短波長カットオフを持つと予測され、そして、より長い波長に延びると予測される。この連続バンドは、実験的に確認された。一般に、m・27.2eVの受け取りによって、HのH[aH/(p=m+1)]への遷移は、次の式で与えられるエネルギー:
E(H→H[aH/p=m+1])
及び短波長カットオフを持つ連続バンドを与える。
E(H→H[aH/p=m+1]) = m2・13.6eV (44)
λ(H→H[aH/p=m+1]) = 91.2/m2 nm (45)
そして、それは対応するカットオフよりも長波長側に延びている。10.1nm、22.8nm、及び91.2nmの連続帯の水素発光シリーズは、実験的に観察された。
以下の式で与えられる結合エネルギーを持つ水素原子は、pが1より大きい整数で、好ましくは2から137であるところ、本開示のH触媒反応の生成物である。
結合エネルギー = 13.6eV/(1/p)2 (46)
イオン化エネルギーとしても知られる、原子、イオン、又は分子の結合エネルギーは、原子、イオン、又は分子から1つの電子を取り除くために必要とされるエネルギーである。式(46)で与えられる結合エネルギーを有する水素原子は、以降「ハイドリノ原子」又は「ハイドリノ」と称される。半径aH/p(式中aHは、通常の水素原子の半径であり、pは整数である)のハイドリノの記号表示は、H[aH/p]である。半径aHの水素原子は、以降、「通常の水素原子」又は「普通の水素原子」と称される。通常の原子水素は、13.6eVの結合エネルギーで特徴付けられる。
m・27.2eV (47)
ここで、mは整数である。正味の反応エンタルピーがm・27.2eVにより厳密に一致すると、触媒作用の速度が上昇すると考えられている。m・27.2eVの±10%(好ましくは±5%)以内の正味の反応エンタルピーを持つ触媒が、大抵の適用にふさわしいと発見されてきた。
27.05135eV+Cs(m)+H[aH/p] →
Cs2++2e−+H[aH/(p+1)]
+[(p+1)2−p2]・13.6eV (48)
Cs2++2e− → Cs(m)+27.05135eV (49)
及び全反応は次の通りである。
H[aH/p] →
H[aH/(p+1)]+[(p+1)2−p2]・13.6eV (50)
81.7767eV+K(m)+H[aH/p] →
K3++3e−+H[aH/(p+3)]+[(p+3)2−p2]・13.6eV
(51)
K3++3e− → K(m)+81.7426eV (52)
また、全体的な反応は、以下の通りである。
H[aH/p] →
H[aH/(p+3)]+[(p+3)2−p2]・13.6eV (53)
パワー源として、触媒作用の間に放たれるエネルギーは、触媒に持って行かれるエネルギーより非常に大きい。放出されるエネルギーは、従来の化学反応に比べ大きい。例えば、水素及び酸素ガスが水を形成するように燃焼したときには、水の生成の既知のエンタルピー変化は、ΔHf=−286kJ/mole又は1水素原子あたり1.48eVである。
H2(g)+1/2O2(g) → H2O(l) (54)
対照的に、触媒作用を受ける各通常の水素原子(n=1)は、正味40.8eVを放出する。更に、n=1/2→1/3,1/3→1/4,1/4→1/5,等のようにさらなる触媒の遷移が生じ得る。一旦触媒作用が始まると、ハイドリノは、不均化と呼ばれるプロセスにおいて自動触媒化する。このメカニズムは、無機イオン触媒のそれと類似している。しかし、ハイドリノ触媒作用は、m・27.2eVへのエンタルピーのより良いマッチングのために、無機イオン触媒のそれより高い反応速度を持つであろう。
H[aH/p]+e− → H−(n=1/p) (55)
H[aH/p]+e− → H−(1/p) (56)
(a)結合エネルギーを有する少なくとも1つの中性、陽性、又は陰性の水素種(以下、「結合エネルギー増大水素種」という)であって、この結合エネルギーは、
(i)対応する通常の水素種の結合エネルギーより大きいか、又は、
(ii)通常の水素種の結合エネルギーが周囲条件(標準温度及び圧力(standard temperature and pressure)、STP)での熱エネルギーより低いか、又は、負であるのて、不安定であるか、又は、観察されない対応する通常の水素種に対する如何なる水素種の結合エネルギーよりも大きい、水素種、及び、
(b)少なくとも1つの他の元素。以下、本開示の化合物は「結合エネルギー増大水素化合物」という。
(a)次のような総エネルギーを有する少なくとも1つの中性、陽性、又は陰性の水素種(以下、「結合エネルギー増大水素種」とする)であるが、この総エネルギーは、
(i)対応する通常の水素種の総エネルギーより大きいか、又は、
(ii)通常の水素種の総エネルギーが周囲条件での熱エネルギーより低い、又は負であるので、対応する通常の水素種は不安定であるか、又は観測できない、如何なる水素種の総エネルギーより大きい、水素種;及び、
(b)少なくとも1つの他の元素。
水素種の総エネルギーは、水素種から全ての電子を除去するエネルギーの合計である。本開示による水素種は、対応する通常の水素種の総エネルギーより大きい総エネルギーを持つ。本開示による増加した全エネルギーを持つ水素種がまた、「結合エネルギー増大水素種」とされる。たとえ、増大した総エネルギーを有する水素種のいくつかの実施例が、対応する通常の水素種の第1の電子結合エネルギーより小さい第1の電子結合エネルギーを持っていたとしてもである。例えば、p=24に対する式(57−58)の水素化物イオンは、通常の水素化物イオンの第1の結合エネルギーより小さい第1の結合エネルギーを有し、一方、p=24に対する式(57−58)の水素化物イオンの総エネルギーが、対応する通常の水素化物イオンの総エネルギーよりもかなり大きい。
(a)結合エネルギーを有する複数の中性、陽性、又は陰性の水素種(以下、「結合エネルギー増大水素種」という)であって、この結合エネルギーは、
(i)対応する通常の水素種の結合エネルギーより大きいか、又は、
(ii)通常の水素種の結合エネルギーは周囲条件での熱エネルギーより低いか、又は負であるので、対応する通常の水素種は不安定であるか、観測できない、如何なる水素種の結合エネルギーより大きい、水素種;及び、
(b)オプションとして、1つの他の元素。以下、本開示の化合物は「結合エネルギー増大水素化合物」とする。
(a)総エネルギーを有する複数の中性、陽性、又は陰性の水素種(以下、「結合エネルギー増大水素種」という)であって、この総エネルギーは、
(i)通常の分子水素の総エネルギーより大きいか、又は、
(ii)通常の水素種の総エネルギーは周囲条件での熱エネルギーより低いか、負であるので、対応する通常の水素種は不安定であるか、又は観測できない、如何なる水素種の総エネルギーより大きい、水素種;及び、
(b)オプションとして、1つの他の元素。以下、本開示の化合物は「結合エネルギー増大水素化合物」という。
(a)p=2から23までに対して、通常の水素化物イオンの結合(約0.8eV)より大きく、p=24にたいしては、それよりも小さい、式(57−58)に従う結合エネルギーを有する水素化物イオン(「結合エネルギー増大水素化物イオン」又は「ハイドリノ水素化物イオン」);(b)通常の水素原子の結合エネルギー(約13.6eV)より大きい結合エネルギーを有する水素原子(「結合エネルギー増大水素原子」又は「ハイドリノ」);(c)約15.3eVより大きい第1の結合エネルギーを有する水素分子(「結合エネルギー増大水素分子」又は「ジハイドリノ」);及び(d)約16.3eVより大きい結合エネルギーを有する分子水素イオン(「結合エネルギー増大分子水素イオン」又は「ハイドリノ分子イオン」)から選択される少なくとも1つの結合エネルギー増大水素種からなる。本開示において、増加された結合エネルギー水素種及び化合物はまた、より低いエネルギーの水素種及び化合物(lower−energy hydrogen species and compounds)と呼ばれる。ハイドリノは、増加された結合エネルギーの水素種又は等価により低いエネルギー状態となる水素種(lower−energy hydrogen species)を含む。
NaOH+2Na → Na2O+NaH (−44.7kJ/mole)
(61)
発熱反応は、NaH(g)の形成を駆動することができる。このように、NaへのNaH分解または金属缶は、触媒NaH(g)をつくるために、還元剤の役割をする。ある実施例において、式(61)によって与えられるようなNaH触媒を生み出す反応の生成物として形成されるNa2Oは、NaH触媒の源として機能することができるNaOHを形成するように水素の源と反応する。ある実施例において、原子の水素が存在するところ、式(61)からのNaOHの再生反応は、以下のようになる。
Na2O+1/2H → NaOH+Na
ΔH=−11.6kJ/mole NaOH (62)
NaH → Na+H(1/3)
ΔH=−10,500kJ/mole H (63)
及び
NaH → Na+H(1/4)
ΔH=−19,700kJ/mole H (64)
これにより、原子状水素源または原子状水素を伴った、Na金属やNaHなどのソースからの少量のNaOHとNaが、NaH触媒の触媒源として作用し、順に、式(61−64)で与えられる反応などの再生反応の複数のサイクルを経由して、ハイドリノの大収量を得る。式(62)で与えられる反応は、水素解離子を使用することにより高められ、H2から原子Hを形成する。好適な解離子は、貴金属、遷移金属、Pt、Pd、Ir、Ni、Ti、支持体上のこれらの素子からなる群の少なくとも1つの構成要素を含む。反応混合物は、NaHまたはNaH源とNaOHとNaOH源を含んでもよく、さらにMgなどのアルカリ土類金属などの還元剤と炭素などの支持体またはTiC、YC2、TiSiC2、WCなどのカーバイドを含んでよい。その反応は、反応物やNi、Ag、Niめっきされた、AgめっきされたまたはAl2O3容器などの製造物に不活性な容器で実施してもよい。
KOH+2K → K2O+KH −5.4kJ/mole (65)
KHの形成の間に、ハイドリノ反応が起こる。1つの実施例において、K2Oは、式(65)による反応物として更に機能することができるKOHを形成するための水素の源と反応する。1つの実施例において、原子状の水素の存在下での式(65)からKOHの再生反応は、次の通りである。
K2O+1/2H2 → KOH+K
ΔH=−63.1kJ/mole KOH (66)
KH → K+H(1/4) ΔH=−19,700kJ/mole (67)
これにより、原子状水素源または原子状水素を伴った、K金属やKHなどのソースからの少量のKOHとKが、KH触媒の触媒源として作用し、順に、式(65−67)で与えられる反応などの再生反応の複数のサイクルを経由して、ハイドリノの大収量を得る。式(66)で与えられる反応は、水素解離子を使用することにより高められ、H2から原子Hを形成する。好適な解離子は、貴金属、遷移金属、Pt、Pd、Ir、Ni、Ti、支持体上のこれらの素子からなる群の少なくとも1つの構成要素を含む。反応混合物は、KHまたはKH源とKOHとKOH源を含んでもよく、さらに、還元剤と炭素などの支持体、カーバイドまたはTiC、YC2、TiSiC2、MgB2、WCなどのホウ酸化物を含んでよい。一実施形態においては、支持体は無反応かまたはKOHに対して低反応性を示す。反応混合物は、さらにR−Ni、KOH、KHなどのKOHでドープされた支持体の少なくとも1つを含んでよい。
一般に、t電子の結合エネルギーとイオン化エネルギーの合計がおよそmが整数である2・27.2eVであるように、連続したエネルギーレベルに各々M−H結合の切断プラス原子Mからのt電子のイオン化により提供されるハイドリノを生成するMHタイプ水素触媒は、表3Aにおいて与えられる。各々のMH触媒は第1欄に与えられ、そして、対応するM−H結合エネルギーは第2欄に与えられる。第1欄に与えられるMH種の原子Mは、イオン化されるが、第2欄で、結合エネルギーの追加に関するm・27.2eVの正味の反応エンタルピーを提供する。触媒のエンタルピーは、第8欄に与えられるが、mの値は第9欄に与えられる。イオン化に寄与する電子は、イオン化ポテンシャル(イオン化エネルギー又は結合エネルギーとも呼ばれる)に関し与えられる。例えば、NaHの結合エネルギー(1.9245eV)は、欄2に与えられる。原子又はイオンの第n番目の電子のイオン化ポテンシャルは、IPnによって指定され、CRCによって与えられる。即ち、例えば、Na+5.13908eV → Na++e−及びNa++47.2864eV → Na2++e−。それぞれ、第1のイオン化ポテンシャル、IP1=5.13908eVと、第2のイオン化ポテンシャル、IP2=47.2864eVは、第2、及び、第3コラムにおいて与えられる。NaH結合の切断及びNaの二重イオン化のための正味の反応エンタルピーは、54.35eVであり、第8のコラムで与えられ、また、式(47)においてm=2であり、第9のコラムで与えられる。BaHの結合エネルギーは、1.98991eVであり、IP1、IP2、及びIP3は、それぞれ、5.2117eV、10.00390eV、及び、37.3eVである。BaH結合の破壊及びBaの3つのイオン化のための反応の正味のエンタルピーは第8欄において与えられるように54.5eVであり、第9欄において与えられるように式(47)においてm=2である。SrHの結合エネルギーは、1.70eVであり、IP1、IP2、IP3、IP4、及びIP5は、それぞれ、5.69484eV、11.03013eV、42.89eV、57eV、及び71.6eVである。SrH結合の破壊及びSrからSr5+へのイオン化エネルギーは、第8欄に与えられるように、190eVであり、第9欄に与えられるように式(47)においてm=7である。追加的に、Hは、表3Aで与えられるMH触媒のH(1/p)生成物の各々と反応することができ、それにより、典型的な式(31)によって与えられるように、MH単独の触媒反応生成物に相対して、1つだけ量子数pが増加させられる(式(10))ハイドリノを形成する。
81.6eV+H2O+H[aH] →
2H++O++3e−+H*[aH/4]+81.6eV (69)
H*[aH/4] → H[aH/5]+122.4eV (70)
2H++O++3e− → H2O+81.6eV (71)
そして、全反応は次のようになる。
H[aH] → H[aH/4]+81.6eV+122.4eV (72)
ここで、H*[aH/4]は、水素原子の半径、及び、陽子のそれの4倍に等しい中心場を持ち、H[aH/4]は、Hの1/4のそれの半径を持つ対応する安定状態である。電子が、水素原子の半径からこの距離の1/4の半径へとの半径加速を経ると、エネルギーが特徴的な光の発光又は第3体運動エネルギーとして解放される。0℃の氷から100℃の水へと行く際における振動熱における10%のエネルギー変化に基づき、沸騰する水において水分子あたりのH結合の平均の数は、3.6である。このようにして、1つの実施例において、H2Oは、ハイドリノを形成するための触媒として機能するために妥当な活性化エネルギーを持つ孤立した分子として化学的に形成されなければならない。1つの実施例において、H2O触媒は、発生期のH2Oである。
2MHS → M2S + H2S (73)
この可逆反応は、ハイドリノにHを触媒できる生成物H2Sに対して、遷移状態においてアクティブな触媒状態のH2Sを形成してもよい。反応混合物は、H2Sを形成する反応物質および原子H源を含んでもよい。分子ハイドリノのようなハイドリノ生成物は、MAS NMRのような手段によって観測される高磁場マトリックス・シフト(upfield matrixshift)を引き起こすかもしれない。
80.4eV+OH+H[aH/p] →
Ofast 2++2e−+H[aH/(p+3)]
+[(p+3)2−p2]・13.6eV (74)
Ofast 2++2e− → O+80.4eV (75)
そして、全反応は次の通りである。
H[aH/p] →
H[aH/(p+3)]+[(p+3)2−p2]・13.6eV
(76)
ここで、式(5)において、m=3である。運動エネルギーはまた、高温電子においても保存され得る。水蒸気プラズマにおけるH反転分布の観察が、このメカニズムの証拠である。分子ハイドリノのようなハイドリノ生成物は、MAS NMRのような手段によって観測される高磁場マトリックス・シフト(upfield matrixshift)を引き起こすかもしれない。FTIR、ラマン、及びXPSのような分子ハイドリノ生成物を同定する他の方法は、本開示に与えられる。
燃料電池とバッテリー400の実施例は、図1に示される。固体燃料または不均一系触媒から成っているハイドリノ反応物は、対応する半電池反応のために反応物から成る。触媒誘導ハイドリノ遷移(CIHT)セルは、触媒されたハイドリノ遷移のユニークな特質により可能となる。本開示のCIHTセルは、より低いエネルギー(ハイドリノ)状態へとの水素の触媒反応から起電力(EMF)を発生させる水素燃料電池である。このようにして、ハイドリノ反応から解放されたエネルギーの電気への直接の返還のための燃料電池として機能する。
V=−ΔG/nF (77)
ここで、Fはファラデー定数である。
自由エネルギーが、H(1/4)への遷移に対する約−20MJ/モルHだと仮定すると、化学物質、電解液と、電極などの他のセル構成要素に応じて、電圧が高くなることがある。電圧がこれらのまたは他の構成要素の酸化還元電位によって制限される一実施形態において、エネルギーは、より高い電流として明らかになり、ハイドリノの形成から対応する電力の寄与となることがある。式(6−9)で示されるように、ハイドリノ遷移のエネルギーは、連続放射として放出されることがある。具体的には、エネルギーは、非放射的に触媒に転送され、準安定中間体を形成し、電子が初期から最終的な半径に変わるに従った連続放射の放出を伴い、プラズマシステムにおいて崩壊する。CIHTセルなどの凝縮物質では、このエネルギーは、セル電流として明らかなエネルギー電子と、セル反応物の化学ポテンシャルと同様の電位での電力に寄与という形に、内部で転換することがある。これにより、電力は、式(77)で与えられたよりも低い電圧においてより高い電流として明らかになることがある。電圧は反応速度論によって制限される;よって、ハイドリノを形成する高い反応速度は、電流と電圧の少なくとも1つを増加させることによって電力を増加することが好ましい。セル反応は、ハイドリノを形成する触媒を使用して、Hの大きな発熱反応によって駆動できるので、一実施の形態では、ハイドリノを形成する反応物の形成を目的とした従来の酸化還元セル反応の自由エネルギーは、可能な任意の値であってもよい。好適な範囲は、約+1000kJ/モルから−1000kJ/モル、約+1000kJ/モルから−100kJ/モル、約+1000kJ/モルから−10kJ/モル、約+1000kJ/モルから0kJ/モルである。ハイドリノを形成するための負の自由エネルギーに起因して、少なくとも一つのセル電流、電圧、電力は、電流、電圧、電力に寄与することができる非ハイドリノ反応の自由エネルギーに起因するものよりも高い。これは、開放回路電圧と負荷を伴う開放回路電圧に適用される。従って、一実施形態では、CIHTセルは、任意の従来技術に対して下記のことにより区別される:セルがロードされる時に任意の分極電圧による電圧の補正を含む非ハイドリノ関連化学のためのネルンストの式により予測よりも高い電圧を有する少なくとも1つ;従来化学によって駆動されるよりも高い電流;従来化学によって駆動されるよりも高い電力。
典型的な反応は以下の通りである。
カソード半電池反応:
Catq++qe−+H[aH/p] →
H[aH/(m+p)]+[(p+m)2−p2]・13.6eV+ER
(78)
ここで、ERは、Catq+の還元エネルギーである。
アノード半電池反応:
Cat+ER → Catq++qe− (79)
他の適当な還元剤は、遷移金属のような金属である。
セル反応:
H[aH/p] →
H[aH/(m+p)]+[(p+m)2−p2]・13.6eV (80)
塩橋又は電解質を通る触媒カチオンの移動と共に、触媒は、カソードコンパートメントで再生され、アノードで置換されるかもしれない。そして、燃料電池反応は、ハイドリノを形成するように反応されたカソードコンパートメント水素の置換により維持されるかもしれない。水素は、水の電気分解からあるかもしれない。
水は、実施例において、電解質又は含水化合物によって、大気から吸収され又は外部源から得られるかもしれない。
セルからの生成物は、ハイドリノ原子の反応によって形成される分子ハイドリノかもしれない。H(1/4)が生成物である場合、これらの反応のエネルギーは次の通りである。
2H(1/4) → H2(1/4)+87.31eV (81)
H2O+2.962eV → H2+0.5O2 (82)
アノード半電池反応:
m・27.2eV+Cat+H[aH/p] →
Catr++e−+H[aH/(m+p)]
+[(p+m)2−p2]・13.6eV (83)
カソード半電池反応:
r/2(MH2+2e−+ER → M+H−) (84)
ここでは、ERはMgH2の還元エネルギーである。適当な酸化剤は、希土類水素化物、チタン水素化物、ジルコニウム水素化物、イットリウム水素化物、LiH、NaH、KH、及びBaH、カルコゲニド、及び、Li−N−HシステムのようなM−N−Hの化合物である。触媒カチオン、又は、適当な塩橋を通る水素化物イオン、又は、電解質の移動により、触媒及び水素はアノードコンパートメントで再生されるかもしれない。触媒の安定した酸化状態がCatである場合には、塩橋反応又は電解質反応は以下の通りである。
塩橋反応:
Catr++rH− →
Cat+H+(r−1)/2H2+
(((r−1)/2)4.478−r(0.754))eV (85)
ここで、0.754eVは水素化物イオン化エネルギーである、そして、4.478eVはH2の結合エネルギーである。触媒又は触媒の源は、Hの源の役割をしもするかもしれない水素化物であるかもしれない。それから、塩橋反応は以下の通りである。
塩橋又は電解質反応:
Catr++rH− →
CatH+(r−1)/2H2+(m・27.2eV+
((r−1)/2)4.478−r(0.754))eV
+EL) (86)
ここでは、ELはCatHの格子エネルギーである。
そして、燃料電池反応は、アノードコンパートメントへ水素の置換を与えて、又は、MH2を形成するようなMと反応する電解質内でCatHを与えて維持されるかもしれない。M=Laの典型的な反応は以下の通りである。
La+H2 → LaH2+2.09eV (87)
前者の場合、Catr+の還元で作られるアノードコンパートメントからの過剰な水素のリサイクリングからの水素かもしれない。H(1/4)を形成しH2(1/4)にするために消費あれた水素の代わりの水素は、水の電気分解からかもしれない。
1つの実施例において、アノード半電池反応は、次のように与えられる。
OH−+2H → H2O+e−+H(1/p) (88)
ここで、H2O触媒及びe−を形成するOH−と第1のHとの反応は、第2のHのハイドリノへのH2O触媒反応と協調される。OH−と反応するHは、M−Hからなってもよく、そこでは、Mは、金属などのアノード材料である。一実施形態において、触媒は3X27.2eVを受けとり、それは、式(68)で与えられるように、形成されたH2O分子のポテンシャルエネルギーに一致し、式(5)中のm=3に対応し、その結果、H(1/4)の形成をもたらす。第2のHから受け入れ後に触媒から放出されるエネルギーとともに、ハイドリノ状態への第2のH遷移の電子として放出された連続エネルギーが、アノードの充電を引き起こしてもよい。その充電は、電解質または電極の少なくとも一種の電解質または酸化のイオンの容量充電を含んでもよい。これにより、H2O触媒を形成するための電気化学反応で放出されるエネルギーとハイドリノを形成するための協調H触媒作用反応が、外部回路を通る電流の流れにパワーを与える。電解質はH2Oと、水素、酸素、および水の酸化還元生成物を含む化学種を含むので、電圧は、水素と酸素セル反応のものであってもよい。セル反応は、式(171−173)により与えられたもののうちの少なくとも1つを含んでよい。回路を完成するための電解質を通るイオン経路は、Li+、OH−、酸化物および過酸化物イオンの少なくとも1つなどの電解質のイオンを含み、LiOH−LiBrまたはマトリックスのイオンを含む電解質の場合Br−を含んでよい。従って、一実施形態では、マトリックスは、イオン伝導媒体として働き、そこでは、伝導は、電荷移動またはイオン輸送によって提供されてもよい。別の実施形態では、マトリックスは、酸化物の混合物または複数の酸化物、水酸化物または複数の水酸化物、混合金属酸化状態、電解質イオンおよび他のイオンのうちの少なくとも1つを含む。イオン伝導は、イオンホッピングによるものであってもよい。輸送は、酸素および水素の少なくとも1つ含むものなどの負イオンなどのイオン種の電荷移動またはイオン輸送を含んでもよい。好適な種は、O2、O3、O3 +、O3 −、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH−、HOOH、OOH−、O−、O2−、O2 −、及びO2 2−から選ばれる酸素種の少なくとも1つと、H2、H、H+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH−、HOOH、及びOOH−から選ばれる水素種及びH種である。1つの典型的な実施例において、輸送される種は、典型的な種であるO2、O3、O3 +、O3 −、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH−、HOOH、OOH−、O−、O2 −、及びO2 2−から形成されるカソードで形成されるO2−のような酸素を含むより還元された状態の種である。より還元された種はアノードで酸化されてよい。
R−NiHx+OH− → R−NiHx−1+H2O+e− (90)
実施例において、ニッケル水素化物は、アノードのような半電池反応物として機能するかもしれない。それは、水素化されるニッケルカソードを用いて水溶液電気分解によって形成されるかもしれない。電極は、KOH又はK2CO3のような塩基性のものであるかもしれず、アノードはまた、ニッケルであるかもしれない。カソードは、ニッケルオキシハイドライド(nickeloxyhydroxide)(NiOOH)のような金属酸化物のような水と反応するかもしれない酸化剤を含むかもしれない。一実施形態では、ニッケル水素化物は、アノードなどのハーフセル反応物として働いてもよい。これは、水素化されているニッケルカソードを用いて、水性電解質によって形成してもよい。電解質は、KOHまたはK2CO3などの塩基物であってもよく、また、アノードは、ニッケルであってもよい。カソードは、オキシ水酸化ニッケル(NiOOH)などの金属酸化物などの、水と反応し得る酸化剤を含んでもよい。
典型的なカソード反応は次の通りである。
NiO(OH)+H2O+e− → Ni(OH)2+OH− (91)
ハイドリノは、アノードにおいて形成されるH2O触媒によって形成されるかもしれない。セルは、KOHのようなアルカリ水酸化物のような電解質を含んでよく、更に、親水性のポリオレフィンのようなスペーサを含んでよい。典型的なセルは、[R−Ni、ラネーコバルト(R−Co)、ラネー銅(R−Cu)、LaNi5H6、La2Co1Ni9H6、ZrCr2H3.8、LaNi3.55Mn0.4Al0.3Co0.75、ZrMn0.5Cr0.2V0.1Ni1.2、CoH、CrH、FeH、MnH、NiH、ScH、VH、CuH、ZnH、AgH/ポリオレフィンKOH(aq)、NaOH(aq)、又はLiOH(aq)/NiO(OH)]である。追加的な好適な酸化剤は、WO2(OH),WO2(OH)2,VO(OH),VO(OH)2,VO(OH)3,V2O2(OH)2,V2O2(OH)4,V2O2(OH)6,V2O3(OH)2,V2O3(OH)4,V2O4(OH)2,FeO(OH),MnO(OH),MnO(OH)2,Mn2O3(OH),Mn2O2(OH)3,Mn2O(OH)5,MnO3(OH),MnO2(OH)3,MnO(OH)5,Mn2O2(OH)2,Mn2O6(OH)2,Mn2O4(OH)6,NiO(OH),TiO(OH),TiO(OH)2,Ti2O3(OH),Ti2O3(OH)2,Ti2O2(OH)3,Ti2O2(OH)4,及びNiO(OH)である。更に、典型的な好適なオキシ水酸化物は、ベークウェルアイト(bracewellite)(CrO(OH))、ダイアスポア(diaspore)(AlO(OH))、ScO(OH)、YO(OH)、VO(OH)、ゲータイト(goethite)(α−Fe3+O(OH))、グラウト鉱(groutite)(Mn3+O(OH))、グヤナ鉱(guyanaite)(CrO(OH))、モンローズ石(montroseite)((V,Fe)O(OH))、CoO(OH)、NiO(OH)、Ni1/2Co1/2O(OH)、及びNi1/3Co1/3Mn1/3O(OH)、RhO(OH)、InO(OH)、ツムガライト(tsumgallite)(GaO(OH))、水マンガン鉱(manganite)(Mn3+O(OH))、イットロ重石華(yttrotungstite)−(Y)YW2O6(OH)3、イットロ重石華(yttrotungstite)−(Ce)((Ce、Nd、Y)W2O6(OH)3)、無名の(unnamed)(Nd−イットロ重石華(yttrotungstite)のアナログ−(Ce))((Nd、Ce、La)W2O6(OH)3)、フランクホーゾーネアイト(frankhawthorneite)(Cu2[(OH)2[TeO4])、ケヒン鉱(khinite)(Pb2+Cu3 2+(TeO6)(OH)2)、及びパラケヒン鉱(parakhinite)(Pb2+Cu3 2+TeO6(OH)2)の群から少なくとも1つである。一般に、酸化剤は、MxOyHzであってよく、ここで、x、y、zは整数で、Mは、遷移、内部遷移、又は希土類金属のような金属であり、金属水酸化物のようなものである。他の実施例において、他の水素化カルコゲニド又はカルコゲニドは、オキシ水酸化物を置換してもよい。セルは、充電により再生されてよく、或いは、R−Niのような金属水素化物を再水素化することのような化学的な処理によって再生されてよい。
対応する典型的な反応は次の通りである。
アノード
M’Hx+OH− → M’Hx−1+H2O+e− (92)
ここで、OHは、中間体として形成され、ハイドリノを形成するように触媒として機能するかもしれない。或いは、H2Oは、触媒として機能するように形成されるかもしれない。
カソード
1/2O2+H2O+2e− → 2OH− (93)
その代わりとして、カソード反応は、正極で、水単独が含まれる。
H2O+e− → 1/2H2+OH− (94)
反応式(94)を実行するカソードは、水還元触媒および、任意には、カーボンなどの導電性のマトリックスと混合されるポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレンなどの導電性をもつ、支持された金属、ゼオライトおよびポリマーなどのO2還元(式(93))触媒である。好適なH2O還元触媒は、効率的に、アルカリ溶液などの溶液中で、H2Oを還元する。典型的な触媒は、下記の群のものである;Ni、多孔質のNi、焼結ニッケル粉末、Ni−Ni(OH)2、R−Ni、Fe、遷移金属の金属間化合物、Hf2Fe、Zr−Pt、Nb−Pd(I)、Pd−Ta、Nb−Pd(II)、Ti−Pt、ナノ結晶NixMo1−x(x=0.6、0.85原子%)、MmNi3.6Co0.75Mn0.42Al0.27などのNi−Mo、Mm合金、Ni−Fe−Mo合金(64:24:12)(重量%)、Ni−S合金、Ni−S−Mn合金。電解質は、トリス(エチレンジアミン)Co(III)塩化物錯体とNa2MoO4またはEDTA(エチレンジアミン四酢酸)と鉄などのイオン活性化剤の各または組み合わせなどの活性化剤を含んでもよい。典型的なセルは下記である:[M/KOH(飽和水溶液)/水還元触媒とできるならO2還元触媒];M=合金またはZn、Sn、Co、Sb、Te、W、Mo、Pb、Geなどの金属;水還元触媒遷移と可能ならO2還元触媒=Pt/Ti、Pt/Al2O3、蒸気炭素、ペロブスカイト、Ni、多孔質Ni、焼結Ni粉末、Ni−Ni(OH)2、R−Ni、Fe、遷移金属の金属間化合物、Hf2Fe、Zr−Pt、Nb−Pd(I)、Pd−Ta、Nb−Pd(II)、Ti−Pt、ナノ結晶NixMo1−x(x=0.6、0.85原子%)、MmNi3.6Co0.75Mn0.42Al0.27などのNi−Mo、Mm合金、Ni−Fe−Mo合金(64:24:12)(重量%)、Ni−S合金、Ni−S−Mn合金の少なくとも1つ。
典型的な金属Mの反応は次の通りである。
カソード
O2+H2O+2e− → OOH−+OH− (95)
アノード:
M+OOH− → MO+OH+e− (96)
MH又はMOH +OOH− → M又はMO +HOOH+e− (97)
ここで、OOH−及び可能性のあるO2 2−、そして、HOOHの少なくとも1つは、OH及びH2Oの少なくとも1つのような触媒の源として機能する。OOH−は、また、酸素を形成する及びBASEのような固体電解質を更に含むかもしれない、水酸化物のカソード又はアノード反応物を含むセルにおいて触媒の源として機能するかもしれない。触媒は、H2Oであってよい。典型的なセルは、[Na/BASE/NaOH]であり、超酸化物、過酸化物、及び酸化物を含む典型的な反応は次の通りである。
Na+2NaOH → NaO2+2NaH →
NaOOH+2Na → Na2O+NaOH+1/2H2 (98)
2Na+2NaOH → Na2O2+2NaH →
NaOOH+2Na+NaH (99)
2NaOH → NaOOH+NaH → Na2O+H2O (100)
後者の反応において、H2Oは、Naと反応するかもしれない。Na2O及びOHを形成するような反応をするNaOOH(M=アルカリ)のような中間体MOOHを形成する反応は、供給された水素を含むかもしれない。典型的なセルは、[Ni(約1から1.5atmの範囲内のようなH2)NaOH/BASE/NaCl−NiCl2又はNaCl−MnCl2又はLiCl−BaCl2]及び)[Ni(H2)Na2O及びNaOHの少なくとも1つ/BASE/NaCl−NiCl2又はNaCl−MnCl2又はLiCl−BaCl2]、これは以下のような反応を経由してハイドリノを形成することにより電気的なパワーを生成するかもしれない。
カソード:
2Na++2e−+M’X2 → 2NaCl+M’ (101)
アノード:
1/2H2+3NaOH → NaOOH+NaH+H2O+Na++e−
(102)
NaOOH+NaH → Na2O+H2O (103)
Na2O+NaOH → NaOOH+2Na++2e− (104)
ここで、M’は金属、Xはハライド、他のアルカリ金属は、Naを置換するかもしれない。NaH又はOOH−は触媒の源として機能するかもしれない。又は、OHは、中間体として形成され、触媒として機能するかもしれない。
例えば、カルボン酸塩の群からのCO2は次の式のように反応するかもしれない。
2KOH+CO2 → K2CO3+H2O (105)
ここで、OHは酸化され、CO2が還元される。プロセスは、ハイドリノを形成するメカニズムを含むかもしれない。活性化されたカーボンを含むPtC及び活性化されたカーボンは、ハイドリノを形成するようにこのように反応するかもしれない。同様に、R−Niは、OH−の酸化を含むH2O及びAl2O3を形成するようにOH−と反応し、ハイドリノを形成する直接のメカニズムを提供する。このようにして、ハイドリノは、直接反応によりR−Niアノード又はカーボンカソードで形成されるかもしれない。
カソード
CO3 2−+4e−+3H2O → C+6OH− (106)
反応は、次のような可逆半電池酸化−還元反応を含むかもしれない。
CO3 2−+H2O → CO2+2OH− (107)
H2OからOH−+Hへの還元は、H2Oが触媒として機能するところ、ハイドリノを形成するカソード反応という結果となるかもしれない。典型的なセルは、KOH−K2CO3電解質を持つ[Zn、Sn、Pb、Sb/KOH(飽和水溶液)+K2CO3/CB−SA]である。1つの実施例において、CO2、SO2、PO2及び他の類似の反応物は、酸素の源としてセルに添加されるかもしれない。
カソード:
MOOH+e− → MO+OH− (108)
2MOOH+2e−+H2O → M2O3+2OH−+H2 (109)
2MOOH+2e−+1/2O2 → M2O3+2OH− (110)
その代わりとして、酸化物はOH−を形成するように酸素の源として機能するかもしれない。還元された金属生成物は、酸化物、オキシ水酸化物、又は、より低い酸化の状態にある金属を持つ水酸化物であるかもしれない。金属Mを含む典型的なカソード反応は、次の通りである。
カソード:
yMOx+re−+qH2O →
MyOyx+q−r+rOH−+(2q−r)/2H2 (111)
ここで、y,x,r,及びqは整数である。妥当な酸化物は、MnO2,Mn2O3,Mn3O4,M’O(M’=遷移金属),SeO2,TeO2,P2O5,SO2,CO2,N2O,NO2,NO,SnO,PbO,La2O3,Ga2O3,及びIn2O3であり、ここで、ガスは、カーボンに吸収されるようにマトリクスに維持されるかもしれない。電解質は、約6.1Mから飽和までの範囲においてのような濃い塩基性であるかもしれない。典型的なセルは、[PtCB,PdC,又はPt(20%)Ru(10%)(H2,〜1000Torr)のような解離剤及び水素,又は種々の組成のR−Niのような金属水素化物,R−Co,R−Cu,LaNi5H6,La2Co1Ni9H6,ZrCr2H3.8,LaNi3.55Mn0.4Al0.3Co0.75,ZrMn0.5Cr0.2V0.1Ni1.2又は表5の水素化物/KOH(aq)電解質のような水溶性の塩基(>6.5Mから飽和迄又は>11Mから飽和迄)/MnO2,Mn2O3,Mn3O4,M’O(M’=遷移金属),SeO2,TeO2,P2O5,SO2,CO2,N2O,NO2,NO,SnO,PbO,La2O3,Ga2O3,そしてIn2O3のようなオキシ水酸化物又は酸化物(ガスは、カーボン又はCoOOH,MnOOH,LaOOH,GaOOH,又はInOOHに吸収されるようにマトリクス内に維持される)],[M/KOH(飽和水溶液)/MOx(x=1又は2)妥当な金属M=Zn,Sn,Co,Sb,Te,W,Mo,Pb,Ge],及び[M/KOH(飽和水溶液)/M’OOH妥当な金属M=Zn,Sn,Co,Sb,Te,W,Mo,Pb,Ge;M’=Mn,Co,La,Ga,Inである。
金属Mの典型的な反応は次の通りである。
アノード:
M+OH− → M(OH)+e− (112)
そして、
M(OH)+OH− → MO+H2O+e− (113)
M+2OH− → M(OH)2+2e− (114)
そして、
M(OH)2 → MO+H2O (115)
M+2OH− → MO+H2O+2e− (116)
ここで、水という生成物のOHは、中間体として最初形成され、ハイドリノを形成するための触媒として機能するかもしれないし、或いは、H2Oが形成され触媒として機能するかもしれない。アノード金属は、濃い塩基との反応を導くのに安定であるかもしれず、また、遅い速度で反応するかもしれない。妥当な金属は、遷移金属、Ag,Cd,Hg,Ga,In,Sn,Pb,及びこれら及び他の金属の1又はそれ以上を含む合金である。アノードは、MOH(M=アルカリ)のような塩基のような電解質及び粉末としての金属のペーストを含むかもしれない。典型的なペーストアノード反応物は、KOHと混合されたCd粉末又は飽和KOHと混合されたZn文末である。アノードのための妥当な陽性の金属は、Al,V,Zr,Ti,Mn,Se,Zn,Cr,Fe,Cd,Co,Ni,Sn,In,及びPbの群からの1又はそれ以上である。その代わりとして、低い水との反応性を持つ妥当な金属は、Cu,Ni,Pb,Sb,Bi,Co,Cd,Ge,Au,Ir,Fe,Hg,Mo,Os,Pd,Re,Rh,Ru,Se,Ag,Tc,Te,Tl,Sn,及びWである。他の実施例において、アノードは、Co(OH)2,Zn(OH)2,Sn(OH)2,及びPb(OH)2のようなこれらの金属の1つのような水酸化物又はオキシ水酸化物を含むかもしれない。妥当な金属水酸化物は、酸化物又はオキシ水酸化物である。電解質は、約6.1Mから飽和までの範囲内のような濃い塩基であるかもしれない。典型的なセルは、[Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ag,Cd,Hg,Ga,In,Sn,Pbのような金属,又はCu,Ni,Pb,Sb,Bi,Co,Cd,Ge,Au,Ir,Fe,Hg,Mo,Os,Pd,Re,Rh,Ru,Se,Ag,Tc,Te,Tl,Sn,及びWの群からの1つのような低い水との反応性を持つ金属,又は飽和MOHとでペーストとなるこれらの金属又はCo(OH)2,Zn(OH)2,Sn(OH)2,又はPb(OH)2のような金属水酸化物/KOH(aq)電解質(>6.5Mから飽和まで又は>11Mから飽和まで)のような水溶性の塩基/MnO2,Mn2O3,Mn3O4,M’O(M’=遷移金属),SeO2,TeO2,P2O5,SO2,CO2,N2O,NO2,NO,SnO,PbO,La2O3,Ga2O3,及びIn2O3のようなオキシ水酸化物又は酸化物(ガスは、カーボン又はCoOOH,MnOOH,LaOOH,GaOOH,又はInOOHに吸収されるようにマトリクス内に維持される)又はカーボンでO2又は空気のような炭素,酸素電極,蒸気活性化カーボンのようなC(O2)x又は酸化されたカーボン,又はCB,PtC,PdC,CB(H2),PtC(H2),PdC(H2),Pt,Pd,Ir,Ru,Rh,AuのようなO2又はH2O又はH2発生の少なくとも1つの還元のための低い過電圧をもつ導体,又はカソード半電池反応物のようなH2O及びO2の少なくとも1つを備えるカソードのようなカーボン又はチタンのような導電性の支持体の上のこれらの金属],[Zn,Sn,Co,Sb,Te,W,Mo,Pb,又はYの水酸化物/KOH(飽和水溶液)/蒸気カーボン],及び[Zn−飽和MOHペースト/MOH(飽和水溶液)/CB,活性炭又はO2で蒸気活性化されたカーボン]である。
アノード:
M → M2++2e− (117)
M+2OH− → M(OH)2+2e− (118)
カソード
M2++2e−+1/2O2 → MO (119)
M2++2e−+H2O+1/2O2 → M2++2OH− → M(OH)2
(120)
ここで、あるOHラジカル中間体は、多分、H2O触媒を形成することにより、ハイドリノを形成するようにさらに反応するカソード又はアノードで形成される。別の実施例において、水と反応する酸素の源は、MnOOH又はCoOOHのようなオキシ水酸化物である。OHは、カソードで、O又はO2からOH−へとの還元及びアノードでのOH−の酸化により形成されるかもしれない。Oはオキシ水酸化物のそれであるかもしれない。エネルギーバランスは、ハイドリノを形成する反応を伝播する条件下で、OH及びH2Oの少なくとも1つの形成を容易にならしめるかもしれない。他の実施例において、酸化剤は、ガスであるかもしれず、又は、不活性であるかもしれない別の酸化剤及び酸素の混合物であるかもしれない。妥当な典型的な混合物は、CO2,NO2,NO,N2O,NF3,CF4,SO2,SF6,CS2,He,Ar,Ne,Kr,及びXeの少なくとも1つと混合されるO2である。
Na+2NaOH →
Na2O+OH+NaH → Na2O+NaOH+1/2H2 (121)
塩基性の水溶性電解質を含む電気分解セルの実施例において、OH及びハイドリノを形成する反応のメカニズムは、式(92−121)及び(128)のそれに従う。例えば、電解質が、H2Oへの中間体としてM2O及びOHを形成するアルカリ金属イオンM+及びOH−を供給するMOH又はM2CO3のようなアルカリ(M)塩基を含むかもしれない。例えば、式(121)に続く典型的なカソード反応は、次の通りである。
K++e−+2KOH → K2O+OH+KH → K2O+KOH+1/2H2
(122)
水性電気分解セルの別の実施形態では、アノードからの酸素は、カソードでの金属または金属水素化物と反応して、アノードで酸化されてOHを形成するOH−(式(93))を形成する。OHはまた、カソードにおける中間体として形成されてもよい。OHは、さらに、おそらく、触媒として働くH2Oを形成することにより、ハイドリノを形成するように反応する。カソードにおけるO2とH2OのOH−への還元は、炭素または炭素被覆金属カソードを使用することによって促進されてもよい。炭素は、K2CO3などの炭酸アルカリなどのカーボネート電解質から電気めっきされてもよい。セルは、O2濃度を高め、O2減少率を増加させるために、外部の再結合器なしに動作させてもよい。
アノード
H2+2OH− → 2H2O+ 2e−
又は
H2 +OH− → H2O+e−+H(1/p)
(123)
カソード
2(CoOOH+e−+H2O → Co(OH)2+OH−)
又は
CoOOH+2e−+2H2O → Co(OH)2+2OH−+H(1/p)
(124)
典型的なセルは、[R−Ni,H2及びPd/C,Pt/C,Ir/C,Rh/C,又はRu/C又は遷移金属、内部遷移金属、希土類水素化物のような金属水素化物,又はAB5又はAB2タイプのアルカリ電池の1つのような合金/KOHのようなMOH(Mはアルカリ金属)(約6Mから飽和迄)ここで塩基はK又は2K+のように触媒又は触媒の源として機能するかもしれず,又はNH4OHのような他の塩基,塩基性の水溶液電解質のようなOH−導体,第四級アルキル・アンモニウム水酸化群及び塩基性水溶液を伴うそれのようなセパレータ,イオン性の液体、又は固体OH−導体/MO(OH)(M=Co,Ni,Fe,Mn,Alのような金属),AlO(OH),ScO(OH),YO(OH),VO(OH),CrO(OH),MnO(OH)(α−MnO(OH)グラウト鉱及びγ−MnO(OH)マンガナイト),FeO(OH),CoO(OH),NiO(OH),RhO(OH),GaO(OH),InO(OH),Ni1/2Co1/2O(OH),及びNi1/3Co1/3Mn1/3O(OH)又は他のHがインターカレーションしたカルコゲニド,又はHY].他の実施例において、電解質は、有機溶媒における塩又はイオン性液体であってよい。セルは、化学処理により又は充電により再生されてよい。
アノード
H2O → OH+e−+H+ → 1/2O2+e−+H++H(1/p)
(125)
MHx+H2O → OH+2e−+2H+ →
1/2O2+2H++2e−+H(1/p) (126)
カソード
H++e− → 1/2H2
又は
H++e− → H(1/p) (127)
MHx(MはH以外の元素で例えば金属)のようなアノード反応物の存在は、式(353)により与えられる反応を完成するようにO2の発生のよりも、OHの形成を有利にする。ハイドリノを形成する反応は、水素化物からのHの利用可能性によって限定されるかもしれない。従って、H濃度を上げる条件は、最適化されるかもしれない。例えば、温度は、上げられるかもしれず、H2は消費された如何なるものも補充するように水素化物に供給されるかもしれない。分離は、上げられた温度でセル内においてテフロン(登録商標)であるかもしれない。
Na++e− → Na;
Na+NaOH → Na2+OH → Na2O+1/2H2 (128)
[Na/BASE/NaOH]などの実施形態では、Na+の搬送速度は、Na2とHの形成の少なくとも1つの速度を増加させるために、温度を上昇させるか、またはその厚さを減少させることによって、BASE抵抗を下げるなどの手段によって、最大化される。その結果、OHとH2Oの少なくとも1つの実際の速度、およびその後のハイドリノ生成が起こる。
同様に、Liは、[Li/セルガードLP30/CoOOH]などのセルにおけるLi+の還元によって形成してもよく、そこでは、CoOOHとの反応が、下記のように、一時的な中間体として、OHを形成することができる:
Li++e− → Li;
3Li+2CoOOH → LiCoO2+Co+Li2+2OH →
LiCoO2+Co+2LiOH (129)
また、有機電解質セル[Li/セルガードLP30/CoOOH]において、メカニズムは、アノードへのOH−の移動であってよく、そこでは、ハイドリノを形成するための触媒または反応物として働くnO、OHおよびH2Oの少なくとも1つに酸化される。典型的な反応は、次式により表される。
カソード
CoOOH+e− → CoO+OH− (130)
アノード
OH− → OH+e−;
OH → O+H(1/p) (131)
Oは、Liと反応し、Li2Oを形成してもよい。オキシ水酸化および電解質を、移動イオンとしてOH−に有利であるように選択してもよい。一実施形態では、OH−の移動を容易にする電解質は、LiCl−KClなどのアルカリハロゲン化物の共融混合物などの溶融塩などのイオン電解質である。アノードは、金属または水素化物などのOH−またはOHとの反応物であってよく、カソードは、本開示で与えられたものなどのオキシ水酸化物または水酸化物などのOH−源であってよい。典型的なセルは、[Li/LiCl−KCl/CoOOH、MnOOH、Co(OH)2、Mg(OH)2]である。
放電
アノード:
LaNi5Hx又はR−NiHx +OH− →
H2O+ LaNi5Hx−1又はR−NiHx−1 +e− (132)
カソード
H2O+e− → OH−+1/2H2(炭素中(C(Hx)) (133)
電解再充電
カソード
LaNi5Hx−1又はR−NiHx−1 +H2O+e− →
OH−+ LaNi5Hx又はR−NiHx (134)
アノード
C(Hx)+OH− → H2O+C(Hx−1)+e− (135)
ここで、これらの反応(式(132−133))の間に生産されるH、OH、及びH2Oの少なくとも1つは、ハイドリノを形成するための触媒として機能する。
セルは、ハイドリノを形成している水素を置き換えるために水を消費するように動作してもよい。酸素を、酸素に対する選択的反応物によって、選択的に、ゲッター除去、すなわち取り除いてもよい。また、水素はセルに戻してもよい。セルは、電極間のH在庫残を含むように、別の方法で、密封してもよい。少なくとも1つの電極は、セル作動中に連続的または断続的に再水素化してもい。水素は、電極内にH2を流すガスラインによって供給されてもよい。セルは、少なくとも一つの電極を通る流れを維持するために、H2を削除する別のラインを含んでもよい。内部水素在庫、電気分解による内部で発生した水素、外部から供給された水素のうちの少なくとも1つによる再水素化は、カソードまたはアノードまたは反応物と水素との直接反応によるものであってもよい。一実施形態では、水素化物などのアノード反応物は、さらに、R−Ni、LaNi5H6、La2Co1Ni9H6、ZrCr2H3.8、LaNi3.55Mn0.4Al0.3Co0.75、またはZrMn0.5Cr0.2V0.1Ni1.2などの水素化物などのアノード反応物によるH2の吸収の量および速度の増加の少なくとも1つを実行するための薬剤を含む。その薬剤は、水素流出触媒であってもよい。適切な薬剤は、CB、PtC、PdCおよび他の水素解離子と支持材料上の水素解離子である。水素圧は、約0.01から1000気圧の範囲であってもよい。LaNi5を再水素化する好適な範囲は、約1から3気圧である。
アノード
NaOH+1/2H2 → H2O+Na++e− (136)
カソード
Na++e−+1/2MgCl2 → NaCl+1/2Mg (137)
ハーフセルアノードは、さらに、ナトリウムハロゲン化物などのアルカリまたはアルカリ土類ハロゲン化物の塩を含有してもよい。放電の後、アノードは、水または水の供給源を添加することによって再生してもよい。セルは、また、式(137)で与えられた反応の自由エネルギーが、+46kJ/モル(500℃)であるので、H2Oの付加により、逆に自発的に動作することがある。水の供給源は水蒸気であってもよく、そこでは、ハーフセルは封止される。あるいは、水の供給源は水和物であってもよい。典型的な水和物は下記である:リン酸マグネシウム五または八水和物、硫酸マグネシウム七水和物、ナトリウム塩水和物、アルミニウム塩水和物、ならびにSrBr2、SrI2、BaBr2またはBaI2などのアルカリ土類ハロゲン化物水和物。供給源は、NaOHを含有する溶融塩の混合物を含んでもよい。代替の典型的な機械的な再生方法において、NaClがMgと反応し、MgCl2とNaを生成するのにともない、MgCl2はNaを蒸発させることによって再生される。Naを水と反応させ、再生アノード反応物であるNaOHおよびH2を形成することができる。セルは、フローシステムを備えてもよく、そこでは、カソードとアノード反応物が対応するハーフセルを流れ、別個のコンパートメントで再生され、フローの流れに戻される。また、Naを、セル[NA/BASE/NaOH]で、アノード反応物として、直接使用してもよい。セルは、カスケード接続してもよい。
O2+2H++2e− → H2O2 (139)
O2+2H2O+4e− → 4OH− (140)
O2+H++e− → HO2 (141)
O2+H2O+2e− → HO2 −+OH− (142)
O2+2H2O+2e− → H2O2+2OH− (143)
O2+e− → O2 − (144)
HO2 −+H2O+2e− → +3OH− (145)
2HO2 − → 2OH−+O2 (146)
H2O2+2H++2e− → 2H2O (147)
2H2O2 → 2H2O+O2 (148)
2H2O+2e− → H2+2OH− (149)
H2O+HO2 − → H2+O2+OH− (150)
O2+2OH− → 2HO2 − (151)
HO2 −+H2O → H2+O2+OH− (152)
H2O → 2H2+O2 (153)
別の実施例において、H2O及びO2 2−及びO3 2−+のような触媒の源又は触媒は、O2とのOH−の反応によって形成されるかもしれない。例示的な反応は以下の通りである。
1/2O2+2OH− → O2 2−+H2O (154)
O2+2OH− → O3 2−+H2O (155)
3/2O2+2OH− → 2O2 −+H2O (156)
カソード:
MHx+1/2O2+e− → MHx−1+OH− (157)
アノード
2M’+3OH− → 2M’O+H+H2O+3e−;
H → H(1/p) (158)
好適で典型的な熱化学反応混合物は、Sn+KOH(飽和水溶液)+CBまたはSC+大気、およびZn+KOH(飽和水溶液)+LaNi5H6、R−Ni、またはPtC+大気である。
H2O2+H → H2O+ 1/2O2又はO +H(1/p) (159)
典型的な脱水反応は、水酸化物のHの存在下での、対応する酸化物とH2Oへの分解であり、例としては、Hを放出しながらのR−NiのAl(OH)3のAl2O3とH2Oへの分解である。脱水反応は、さらに、水和KOHまたはNaOHの分解などの水和H2Oを含んでもよい。
典型的な反応は、次式により表される。
アノード
1/2H2+OH− → H2O+ e−
又は
H2 +OH− → H2O + e− + H(1/p) (160)
カソード
M++e− → M (161)
Mは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属もしくは希土類金属などの金属、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Se、及びTeであってもよいし、S又はPなどの別の元素であってもよい。水酸化物のそれ以外のカチオンの還元は、塩性のカチオン間の陰イオン交換においてもたらしてもよい。典型的なセルは、[M’(H2)/MOHM’’X/M’’’であり、ここで、M、M’、M’’、及びM’’’は、金属などのカチオンであり、Xは、ハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、及びリン酸塩などの水酸化物又は別のアニオンであってもよいアニオンであり、M’は、浸透性のH2である。別の実例は[Ni(H2)/M(OH)2−M’X/Ni]であり、ここで、Mは、アルカリ土類金属であり、M’は、アルカリ金属であり、Xは、ハロゲン化物(例えば[Ni(H2)/Mg(OH)2−NaCl/Ni]、[Ni(H2)/Mg(OH)2−MgCl2−NaCl/Ni]、[Ni(H2)/Mg(OH)2−MgO−MgCl2/Ni]、及び[Ni(H2)/Mg(OH)2−NaF/Ni]など)。H2O及びHは、ハイドリノをさらに形成するために陽極で形成し反応する。また、Mg金属は、熱力学的に、陰極反応からの最も安定した生成物である。他の好適な典型的なセルは、[Ni(H2)/MOH−M’ハロゲン化物/Niが]、[Ni(H2)/M(OH)2−M’ハロゲン化物/Ni]、[M’’(H2)/MOH−M’ハロゲン化物/M’’]、及び[M’’(H2)/M(OH)2−M’ハロゲン化物/M’’]である。ここで、Mは、アルカリ金属又はアルカリ土類金属であり、M’は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属ほど安定していないもの、又は水との低い反応性を有するもの(例えばCu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、及びWのグループからの1つ)の少なくとも1つである水酸化物及び酸化物を有する金属であり、M’’は、水素浸透性金属である。あるいは、M’はAl、V、Zr、Ti、Mn、Se、Zn、Cr、Fe、Cd、Co、Ni、Sn、In、及びPbのグループのうちの1つ以上などの、陽電性の金属であってもよい。別の実施形態において、M及びM’の少なくとも1つは、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、及びWのグループからの1つを含んでもよい。1つの実施形態において、カチオンは、塩混合物電解質のアニオンと共通であってもよいし、又は、アニオンは、カチオンと共通であってもよい。あるいは、水酸化物は、混合物の他の塩類に対して安定していてもよい。電極は、Ni粉末のような多孔質又は焼結金属粉末のような高表面積電極を含んでよい。典型的なセルは、[Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)、又は430SS(H2)/LiOH−LiX、NaOH−NaX、KOH−KX、RbOH−RbX、CsOH−CsX、Mg(OH)2−MgX2、Ca(OH)2−CaX2、Sr(OH)2−SrX2、もしくはBa(OH)2−BaX2(ここで、X=F、Cl、Br、又はI)/Ni)]、[Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)、又は430SS(H2)/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、及びRbNO3−RbOH/Ni]、及び[Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)、又は430SS(H2)/LiOH、NaOH、KOH、RbOH、CsOH、Mg(OH)2、Ca(OH)2、Sr(OH)2、又はBa(OH)2+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及びWX4のうちの1つ以上(ここで、X=F、Cl、Br、又はI)/Ni]。他の適当なH2浸透性の金属は、Ni陽極と置き換わってもよいし、安定した陰極電極は、Niと置き換わってもよい。1つの実施形態において、電解質は、オキシ水酸化物、又は水酸化物、ハロゲン化物、硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、リン酸塩、及びオキシ水酸化物のうちの1つ以上などの塩類の混合物を含んでもよい。1つの実施形態において、セルは、BASE又はNASICONなどの塩橋を含んでもよい。1つの実施例において、セルは、BASE又はNASICONのような塩橋を備えるかもしれない。1つの実施例において、電解質は、M(OH)4 2−、M(OH)4 −、又はM(OH)6 2−(ここで、Mは例示的にZn、Sn、Pb、Sb、Al、又はCrであってよい。)のようなイオン又は錯体を含む水酸化物を含んでよい。水酸化物は、アルカリ・カチオンのようなカチオンを更に含んでよい。水酸化物は、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、及びNa2Sn(OH)6であってよい。追加的な好適な水酸化物は、Co(OH)2、Zn(OH)2、Ni(OH)2、他の遷移金属水酸化物、Cd(OH)2、Sn(OH)2、及びPb(OH)からの少なくとも1つである。
陰極
M++e−+H2O → MOH+1/2H2 (162)
M++2e−+1/2O2 → M2O (163)
その後、H2Oは、その反応が以下の式で表されるように、添加されてもよい。
M2O+H2O → 2MOH (164)
O2が供給される場合には、全体としてバランスの取れた反応は、H2Oの別の電気分解によって再生されるH2の燃焼であってもよい。一実施形態では、H2は、アノードで供給され、H2Oと任意にO2が、カソードで供給される。H2は、選択的に、膜を介した透過により適用されてもよく、H2Oが、選択的に、バブリング蒸気によって適用されてもよい。一実施形態では、制御されたH2O蒸気圧が、溶融電解質にわたって維持される。H2Oセンサは、蒸気圧を監視して蒸気圧を制御するために使用してもよい。センサは、赤外線発光分光センサなどの光学的なもの、または当該技術分野で知られているようなものであってよい。H2O蒸気圧は、N2またはArなどの不活性キャリアガスによって搬送される加熱される水槽から供給してもよく、そこでは、槽の温度および流量は、センサによって監視される蒸気圧を決定する。セルは下記により連続的に動作してもよい:未反応の補給物やそれぞれアノードとカソードで形成されるガスなどのセルからの蒸気とH2を収集し、H2Oの縮合などの手段によりガスを分離し、アノードにH2を、カソードにH2Oを再供給する。一実施形態では、水蒸気は約20から100℃の温度範囲内に維持された水発生器によって供給される。別の実施形態では、温度は、約30から50℃の範囲に維持される。水蒸気圧は、約0.01トールから10気圧の範囲に維持されてもよい。別の実施形態では、水蒸気圧は、約31トールから93トールの範囲内に維持される。一実施形態において、カチオンは、塩混合物電解質のアニオンに共通であってもよいし、また、アニオンはカチオンに共通であってもよい。あるいは、水酸化物は、混合物の他の塩に安定であってもよい。典型的なセルは、[Ni(H2)/Mg(OH)2−NaCl/Ni芯(H2Oおよび状況に応じてO2)]、[Ni(H2)/Mg(OH)2−MgCl2−NaCl/Ni芯(H2Oおよび状況に応じてO2)]、[Ni(H2)/Mg(OH)2−MgO−MgCl2/Ni芯(H2Oおよび状況に応じてO2)]、[Ni(H2)/Mg(OH)2−NaF/Ni芯(H2Oおよび状況に応じてO2)]、[Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、またはFe(H2)/LiOH−LiX、NaOH−NaX、KOH−KX、RbOH−RbX、CsOH−CsX、Mg(OH)2−MgX2、Ca(OH)2−CaX2、Sr(OH)2−SrX2、またはBa(OH)2−BaX2(ここで、Xは、F、Cl、Br、またはI/NiH2Oおよび状況に応じてO2)]、[Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、またはFe(H2)/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、およびRbNO3−RbOH/Ni芯(H2Oおよび状況に応じてO2)]、および[Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、またはFe(H2)/LiOH、NaOH、KOH、RbOH、CsOH、Mg(OH)2、Ca(OH)2、Sr(OH)2、またはBa(OH)2+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、およびWX4のうちの1つ以上(ここで、Xは、F、Cl、Br、またはI/Ni芯(H2Oおよび状況に応じてO2)]である。[Ni(H2)/MOH(ここで、Mはアルカリである)M’X2(ここで、M’はアルカリ土類である)および状況に応じてMX(ここで、Xはハロゲン化物である)/Ni]などのセルは、高温で反応物質が水酸化物とハロゲン化物との交換に対して熱力学的に安定するように動作されてもよい。
カソード:
O2+2e− → O2 2− (165)
O2+H2O+2e− → HO2 −+OH− (166)
アノード
H+HO2 − → H2O+1/2O2+e− (167)
H2+HO2 − → H2O+OH+e− (168)
一実施形態では、セル反応物は、過酸化物の供給源または過酸化物を含む。好適な過酸化物はLi2O2とNa2O2である。過酸化物または過酸化物イオンは、OHおよびH2Oの少なくとも1つなどのハイドリノ触媒を形成してもよい。典型的な反応経路は、式(138−148)と(165−168)で与えられる。好適なセルは下記である:[Ni(H2)/LiOHおよびNaOHの少なくとも1つとおそらく、LiXまたはNaX(X=ハロゲン)および過酸化物またはLi2O2またはNa2O2/Niなどのアルカリ過酸化物などの他の塩]。一実施形態において、電解質は、水酸化物および酸素の還元による1つ以上の酸素種の形成に有利に働く他の塩との混合物のうちの少なくとも1つを含む。電解質は、さらに従属触媒形成とハイドリノを形成するための反応を最適化する所望の酸素還元生成物への酸素の還元を最適化するように選択される。典型的な実施形態では、NaOHまたはKOHの1つ以上がハイドリノ形成からの電力を最適化するために、LiOH−LiBrの共融混合物に添加される。別の実施形態では、H2OまたはH2Oの供給源が、過酸化物および超酸化物などの高い酸化物の水酸化物への変換を引き起こすために、カソード反応物に添加される。好適な反応は、直接的または、過酸化物、超酸化物、酸化物イオン、HOO−およびHOOHの少なくとも1つなどの中間体種を介してOH−を形成するためのO2およびH2Oの還元である。
Li2O → H2O → 2LiOH (169)
Li2O+2OH− → 2LiO−+H2O (170)
一実施形態において、電解質は、溶融水酸化物、任意の他の塩と、M、MH、M2O、MO2またはM2O2の少なくとも1つを含み、そこでは、Mはアルカリ金属などの金属である。一実施形態では、酸化物、H2O、過酸化物、および超酸化物平衡の少なくとも1つがシフトしている。
アノード:
OH−+H2 → H2O+e−+H(1/p) (171)
カソード:
O2+2H2O+4e− → 4OH− (172)
全反応は次のようであってよい。
3/2H2+1/2O2 → H2O+H(1/p) (173)
溶融水酸化物塩電解質の場合には、セルに供給される水の分圧は、過酸化物、超酸化物および酸化物の少なくとも1つを形成するものなどのO2とH2O還元反応に対して、OH−生成反応に有利に制御されてもよい。一実施形態では、温度、O2圧力、H2O圧力、H2圧力、およびOH−濃度の少なくとも1つは、ハイドリノの最適な形成をもたらす触媒を形成するハーフセル反応と反反応に有利に制御される。1つ以上の対応する反応は、式(171−173)で与えられる。好適で典型的なセルは、[Ni(H2)/LiOH−LiBr/Ni+空気]、[Ni(H2)/NaOH−NaBr/Ni+空気]、[Ni(H2)/NaOH−NaI/Ni+空気]、[Ni(H2)/Sr(OH)2/Ni+空気]および本開示の同様のセルであり、そこでは、空気はいくらかのH2Oを含む。
O2+H2O+2e− → HO2 −+OH− (174)
O2+2H2O+2e− → HOOH+2OH− (175)
O2+e− → O2 − (176)
1つの実施例において、O2濃度又はカソード材料は、所望のポテンシャルで反応を達成するために変更されるかもしれない。好適な例示的セルは、[MH/KOH(飽和水溶液)/SC、Pd、Pt、Au、Ag、又は多の酸素還元カソード+空気]及び本開示の類似のセルである。ここで、MHはLaNi5Hxのような金属水素化物である。
PtOOH+2OH− → PtO+H2O+H(1/4)+O2+2e−
(177)
Pt(OH)2+OH− → PtO2+H2O+H(1/4)+e− (178)
3Pt(OH)2+OH− → Pt3O4+3H2O+H(1/4)+e−
(179)
2KOH+NiO → K2NiO2+H2O (180)
3KOH+NiO → KNiO2+H2O+K2O+1/2H2 (181)
4KOH+Ni2O3 → 2K2NiO2+2H2O+1/2O2 (182)
放電アノード:
2OH− → 2H+O2 −+e− (183)
2H → 2H(1/p) (184)
ここで、H2O触媒は、例えば、式(171)の反応によって形成される。
放電カソード:
O2 −+H2O+e− → 1/2O2+2OH− (185)
全反応は以下のとおりであってよい。
H2O → 1/2O2及び2H(1/p) (186)
H2O → 1/2O2及びH2 (187)
放電アノード:
2OH− → H+HOO−+e− (188)
H → H(1/p) (189)
ここで、H2O触媒は、例えば式(171)の反応によって形成される。
放電カソード:
HOO−+1/2H2O+e− → 2OH−+1/4O2 (190)
全反応は、式(186)及び(187)によって与えられるかもしれない。
放電アノード:
3OH− → O2+H2O+H+3e− (191)
H → H(1/p) (192)
ここで、H2O触媒はまた、例えば式(171)の反応によって形成される。
放電カソード:
1/2O2+H2O+2e− → 2OH− (193)
全反応は、式(186)及び(187)によって与えられるかもしれない。式(183)、(185)、(188)、(190)、および(191)の水素および酸素は、式(171)および(172)に従って、それぞれ、OH−およびH2Oを形成してもよい。酸化物、過酸化物、超酸化物、およびHOO−などの酸素種および(式(138から153))などの本開示で与えられた反応は、H、触媒およびハイドリノの少なくとも1つの供給源を形成するために、H2Oの自発的な電気分解に関与していてもよい。一実施形態において、Hは放電アノードとカソードで、形成されてもよく、そこでは、触媒が形成されているので、ハイドリノは、優先的にアノードなどの電極で形成される。典型的なセルは、Ni放電アノードとNiOの放電カソードを有し、そこでは、ハイドリノは、優先的にNi電極で形成される。上記反応に加えて、放電カソードでの反応は、H2OのOH−とH2の還元であってよく、アノードでの反応は、上記の反応で与えられるOH−の酸化であってもよいし、さらに、アノードの金属酸化物を形成する反応を含んでいてもよい。あるいは、NiOなどの金属酸化物などの酸化物は、カソードで還元されてもよい。還元はまた、H2Oなどの他の反応物を含んでもよい。典型的な還元反応は、NiOからNiおよび酸化物、過酸化物、および超酸化物などの酸素を含んだ負イオンへの還元、およびNiOおよびH2OのNiや水酸化物への還元である。また、一実施形態では、H2Oなどの触媒は、放電アノードで形成されてもよい。セルは、一実施形態では、連続放電モードで実行してもよく、そこでは、Hとその後のハイドリノの自然発生は、セルからの所望の電気出力を維持するのに十分である。H2Oを、電気的出力を維持するためにセルに供給してもよい。代わりにおよび組み合わせて、セルは、本開示のシステムおよび方法に従って断続的な電気分解で実行してもよい。断続的または自発的な電気分解からの余分な水素は、別の商業的利用のために収集してもよい。一実施形態では、ハイドリノ反応からのエネルギーによって維持される過剰な電流は、式(183−193)の反応によって例示される自発的な水の電気分解として、明白であってもよいし、また、伝播してもよい。一実施形態では、ハイドリノ、電気、酸素、または、酸素を含む化合物または化学種へのH2Oの変換を伴うハイドリノ反応は、加水分解反応を含んでもよい。
例示的な反応は以下のとおりである。
SH−+O → OH−+S (194)
S化学種は、溶融あるかり塩の塩基度を変更してもよい。SのようなS化学種が、ハイドリノに対するゲッターとして働いてもよい。
NiO+H2 → Ni+H2O (195)
別の実施形態では、電気分解に対するデューティーサイクルを増加させ、それにより、十分な水素が、腐食から放電アノードを保護するために生成される。パラメータは、腐食から保護されるのに十分な水素を生成しながら、電気エネルギー利得などのエネルギー利得を達成するように選択される。セル温度は、また、透過、電気分解などの手段により供給された水素を制御しながら、耐食性を改善するように制御してもよい。腐食に耐性のある放電カソードは、セルの動作条件に適するように選択してもよい。約350から450℃以下の温度については、カソードは、Niを含んでよい。より高い温度のために、好適で安定したカソードは、NiOまたはCoOまたはAg−Al2O3などのAgに支持されたAgなどの酸化物を含む1つなどとして使用してもよい。
追加的に、OHは、OHのポテンシャル・エネルギーが以下のようになるので、触媒として機能してよい。
O2+5H++5e− → 2H2O+H(1/p) (197)
対半電池反応は以下のとおりである。
H2 → 2H++2e− (198)
全体の反応は、次のとおりである。
3/2H2+1/2O2 → H2O+H(1/p) (199)
ここで、H2O、OH、O2、nH、及びnO(n=整数)の少なくとも1つは、触媒として機能してよい。水素はH+の反応によって前記カソードで生成しても良く、そこでは、いくつかの水素が前記触媒と反応してハイドリノを形成する。もう1つの方法として、前記カソードに過剰の水素を供給し、前記触媒と反応してハイドリノを形成する。一実施形態において、温度、O2圧力、H2O圧力、H2圧力およびH+濃度の中の少なくとも1つを制御して、最適なハイドリノの形成につながる触媒形成ハーフセル反応とカウンター反応を有利に働かせる。一実施形態において、25℃でのSHEに対する前記カソードハーフセル電位は、約±0.5V内の約1.23Vである。一実施形態において、SHEに対する前記アノードハーフセル電位は、約±0.5V内の約0Vである。好適で典型的なハーフセル反応は、それぞれ、式(197)と式(198)で示される。ハイドリノを形成するための反応全体は式(199)で示される。好適で典型的なセルは{Pt/C+H2/ナフィオン/Pt/C+空気+H2または水素化物等のH源、または本開示の他のH貯蔵物質}および、{Pt/C+H2/H2SO4/Pt/C+空気+H2または水素化物等のH源、または本開示の他のH貯蔵物質}であり、ナフィオン等の分離子はH2SO4等の1つの酸性電解液と一緒に使用しても良い。
電気分解アノード
H2O → 1/2O2+2H++2e− (200)
電気分解カソード
2H2O+2e− → H2 → 2OH− (201)
溶液反応は以下のとおりである。
2H++2OH− → 2H2O (202)
全反応は、以下のとおりである。
H2O → H2+1/2O2 (203)
放電フェースの間、H2O,OH,O2,nH,及びnO(n=整数)の少なくとも1つが触媒として機能してよいところ、ハイドリノは、次のようになる。
カソード
1/2O2+3H++3e− → H2O+H(1/p) (204)
アノード
H2+OH− → H2O+e−+H(1/p) (205)
溶液反応は次のようになるであろう。
3H++3OH− → 3H2O (206)
全反応は、次のようになる。
3H2+1/2O2 → H2O+4H(1/p) (207)
前記電解液はおよその中和pHで良い。およその中和の好適な電解質は、水性硝酸塩、硫酸塩、ハロゲン化合物、過塩素酸塩、過ヨウ素酸、クロム酸塩、および本開示にあるその他の強酸金属塩である。カチオンは、アルカリ、アルカリ土類、遷移、内部遷移、希土類、およびIII、IV、V、およびVI族金属等のアンモニウム、または金属で良い。前記濃度は約0.01Mから飽和までの水溶性の所望の濃度であって良い。
2LiOH → Li2O+H2O (208)
前記脱水反応は、間欠電気分解、ハイドリノ形成反応、および熱の中の少なくとも1つによって供給されるエネルギーを吸収して発生しても良い。一実施形態において、前記CIHTまたは電解セルアノードは、Moまたは、Haynes242、MoNi、MoCu、またはH2Oと発エルゴン反応を有するMoCo等のMo合金等の金属等の材料を含む。H2Oのセル源はアノードとの全体反応においてエネルギーを吸収する脱水反応でも良い。典型的な反応は、Mo酸化物、Li2O、および水素を形成するLiOH電解質のMoとの反応である。そこでは、前記アノードの有意な劣化もなく好適な期間、前記セルが稼働しエネルギーを形成する。動作温度等のセル条件は、前記電解質が前記アノードとの大きな反応もなく再生できるように変更しても良い。例えば、セル温度を下げ、前記電解質に水分を再供給するためにH2Oを加えることができる。再生したセルはそこで、標準的な動作条件でさらに動作可能になる。
カソード:
Al+Li++e− → LiAl (209)
又は
3Mg+Li++e− → Mg3Li (210)
アノード:
2H−+Ni+ → NiH+H(1/p)+2e− (211)
全反応は次のようになるであろう。
2LiH+2Al+Ni → 2LiAl+NiH+H(1/p) (212)
又は
2LiH+6Mg+Ni → 2Mg3Li+NiH+H(1/p) (213)
前記セルは間欠的な電気分解電圧を印加することで断続的に再生させても良い。前記印加セル電圧は前記電気分解カソードでLiAlまたはMg3Liが形成されるもので良い(式(209−213))。
Na+3NaOH → 2Na2O+H2O+1/2H2;
H → H(1/p) (214)
OHおよびH2Oの少なくとも1つは、触媒として機能してもよい。1つの実施形態において、[Na/BASE/NaOH]などのH2Oを形成してもよい水酸化物を含むセルは、さらに、BaI22H2Oなどの水和物を含んでもよいし、または、H2Oが、陰極に添加されてもよい。セルは、Ni(H2)などの浸透膜を通じて供給される水素化物またはH2ガスなどのH源をさらに含んでもよい。
LaNi5H6+KOH+ FeCl3又はFe(OH)3 →
KCl又はKOH + FeCl2又はFe(OH)2
+LaNi5H5+H2O (215)
多価であることが可能なカチオンを含む化合物が不溶性である場合に、それは陰極半セル反応物質を含んでもよい。それは、炭素、カーバイド、硼化物、またはニトリルなどの導電性支持体と混合されてもよい。本開示または金属の別の水素化物は、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、およびWのグループのうちの1つなどの陽極として機能してもよく、ここで、陽極反応は、式(337)から与えられてもよい。水素、およびOHおよびH2Oのうちの少なくとも1つなどの触媒を形成するために、金属は、水酸化物などの電解質と反応してもよい。他の水酸化物は、本開示のものなどの電解質として機能しKOHと置き換わってもよい。K2Sn(OH)6またはFe(OH)3などの多価であることが可能なカチオンを有する他の塩類は、FeCl3と置き換わってもよい。1つの実施形態において、化合物の還元電位は、H2Oの還元電位よりも大きい。典型的なセルは、[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、及びWのうちの1つなどの酸化可能な金属、LaNi5H6などの金属水素化物、又はH2、及びV、Nb、Fe、Fe−Mo合金W、Mo、Rh、Ni(Zr)、Be、Ta、Rh、Ti、Th、Pd、PdがコーティングされたAg、PdがコーティングされたV、及びPdがコーティングされたTi/KOH(飽和水溶液)のうちの1つなどの水素浸透膜+K2Sn(OH)6、Fe(OH)3などの多価であることが可能なカチオンを有する塩、又は炭素又は粉末金属などのFeCl3/導体]、[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、及びWのうちの1つなどの酸化可能な金属、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr、Sn、In、Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、O、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、及びW、LaNi5H6などの金属水素化物、又はH2、及びV、Nb、Fe、Fe−M合金、W、Mo、Rh、Ni(Zr)、Be、Ta、Rh、Ti、Th、Pd、PdがコーティングされたAg、PdがコーティングされたV、及びPdがコーティングされたTi/KOH(飽和水溶液)/炭素又は粉末金属などの導体と混合されたFe(OH)3、Co(OH)3、Mn(OH)3、Ni2O3、又はCu(OH)2などの多価であることが可能なカチオンを有する塩のうちの1つなどの水素浸透膜]、[Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)、又は430SS(H2)/LiOH−LiX、NaOH−NaX、KOH−KX、RbOH−RbX、CsOH−CsX、Mg(OH)2−MgX2、Ca(OH)2−CaX2、Sr(OH)2−SrX2、又はBa(OH)2−BaX2(ここで、Xは、F、Cl、Br又はI、及びK2Sn(OH)6、Fe(OH)3、又はFeCl3/Niなどの多価であることが可能なカチオンを有する塩である)]、[Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)、又は430SS(H2)/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、及びRbNO3−RbOH+K2Sn(OH)6、Fe(OH)3、又はFeCl3/Niなどの多価であることが可能なカチオンを有する塩]、[i(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)、又は430SS(H2)/LiOH、NaOH、KOH、RbOH、CsOH、Mg(OH)2、Ca(OH)2、Sr(OH)2、又はBa(OH)2+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、及びWX4のうちの1つ以上(ここで、Xは、F、Cl、Br又はI+K2Sn(OH)6、Fe(OH)3、又はFeCl3/Niなどの多価であることが可能なカチオンを有する塩]、[LaNi5H/KOH(飽和水溶液)/フェロセニウムSCなどの有機金属化合物]、及び[LaNi5H6/KOH(飽和水溶液)/フェロセニウムなどの有機金属化合物]である。セルは、電気分解により、又は機械的に再生されてもよい。
カソード外壁
H2O+e− → 1/2H2+OH− (216)
カソード内壁
1/2H2+M → MH (217)
前記化学物質は、分解するために、前記カソード・コンパートメントで形成される任意の水素化物を加熱することで熱的に再生させても良い。前記水素は前記の最初のアノード反応体を再生するために、前記アノード・コンパートメントに流入させる、または送りこんでも良い。前記再生反応は、前記カソードおよびアノード・コンパートメントで起こっても良く、または、前記のコンパートメントの1つ、または両方における前記化学物質を再生させるために、1つ以上の反応槽に移動させても良い。または、前記の最初のアノード金属または水素化物、および金属等のカソード反応体は、その場でまたは、離れた場所で再生させても良い。典型的なセルは、{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、LaNi5H6等の金属水素化物、またはH2、およびV、Nb、Fe、Fe−Mo合金、W、Mo、Rh、Ni、Zr、Be、Ta、Rh、Ti、Th、Pd、Pd被膜Ag、Pd被膜V、ならびにPd被膜Ti/KOH(飽和・水溶性)/M(M’)}の中の1つの水素透過膜}の中の1つの酸化性金属であり、ここで、MはV、Nb、Fe、Fe−Mo合金、W、Mo、Rh、Ni、Zr、Be、Ta、Rh、Ti、Th、Pd、Pd−被膜Ag、Pd被膜V、およびPd被膜Tiの中の1つの水素透過膜であり、M’は、アルカリ、アルカリ土類、遷移、内部遷移、希土類金属、合金、またはこれらの混合物等の水素化物を形成する金属、または水素貯蔵物質でも良い。前記セルは高温・高圧で走らせても良い。
アノード
OH−+H → H2O+e− (218)
EOx n−+2H → H2O+ EOx−1 (n−m)−+me− (219)
EHyOx n−+H → H2O+EHy−1Ox−1 (n−m)−+me−
(220)
カソード
EOx−1 (n−m)−+me−+1/2O2 → EOx n− (221)
EHy−1Ox−1 (n−m)−+(m+1)e−+H2O+1/2O2
+EHyOx n−+OH− (222)
O2+2H2O+4e− → 4OH− (223)
特定の例において、CO3 2−が酸素の源として機能するところ、H2O触媒を形成する好適な反応は、以下のとおりである。
アノード
CO3 2−+2H → H2O+CO2+2e− (224)
カソード
CO2+1/2O2+2e− → CO3 2− (225)
その代わりに、水素は以下のようなメカニズムによって更に反応する対応する水素化物を形成するように、Ni又はCoのような金属M’を含んでよいアノードと反応してよい。
アノード
2M+H2 → 2MH (226)
MH+CO3 2− → OH−+CO2+e− (227)
2MH+OH− → 2M+H2O+e−+H(1/p) (228)
MH+1/2H2+OH− → M+H2O+e−+H(1/p) (229)
同様の反応は他のオキシアニオンに対して起こっても良い。他の実施形態では、オキシアニオンと対応するガス等の酸化種がそれぞれ、CO3 2−とCO2に取り替わる。典型系的なアニオン、ガス、および化合物はそれぞれ、SO4 2−とNO3 −、PO4 3−とSO2、ならびにNO2、とP2O5である。前記セルには、前記生成物ガスまたは、CO2、SO2、またはNO2等の化合物を供給しても良い。または、CO2、SO2、またはNO2等の前記ガスや化合物を前記セル内でリサイクルさせても良い。前記セルは、空気に曝せた1つのオープンセルと、任意でO2またはH2Oを追加した1つのセルを維持しながら、前記ガスや化合物を保留するための半透過膜等の手段を含んでも良い。前記セルはO2やH2O等のこれらのガスを供給するラインを含んでも良い。前記ラインはオキシアニオンの酸化生成物の漏れを防止するための方向流量制御弁を有しても良い。一実施形態において、前記酸化生成物はSまたはP等の元素、または化合物である。前記生成物はリンの硫化物のような対応する化合物を形成するために還元を受けても良い。または、前記生成物は前記セルに供給される酸素と反応して、SO4 2−またはPO4 3−等の元の反応性オキシアニオンのようなオキシアニオンを形成する。前記セルは、クローズドセルであるか、または、前記酸素と水素がその場で生成される間欠電気分解の場合には、セミクローズドであっても良い。続いて、メイクアップガスを、前記電解質やハイドリノを形成するための水素源を維持するために定期的に加えても良い。CO2、SO2、またはNO2等のガスを内部でリサイクルしても良い。
CO3 2−+H2O → 2OH−+CO2 (230)
アノード
OH−+1/2H2 → H2O+e− (231)
カソード
CO2+H2O+2e− → CO3 2−+H2 (232)
前記アノード反応は、前記触媒として機能するためにCO3 2−のH2Oへの酸化を含む式(224)で与えられても良い。次に、前記Hの一部は、nH、O、nO、OH、およびH2O(n=整数)が前記触媒として機能しても良いことを特徴とするH(1/p)に転換される。前記水素源は、浸透、散布、発泡、および断続的電気分解の中の少なくとも1つであっても良い。前記反応は、熱発電実施形態でのように、電極がない中で、協調的に起こっても良い。特定の熱的な実施形態は、水素加圧槽と、K2CO3等のアルカリ性炭酸塩等の炭酸塩を含む2つ目の反応槽への透過によって水素を供給する水素透過膜を含む。
アノード
O2−+1.5H2 → H2O+H(1/p)+2e− (233)
カソード
0.5O2+2e− → O2− (234)
前記カソードおよびアノードは、ニッケルまたは、PtまたはPd等の貴金属の触媒を含んでも良い。前記電極はさらに、サーメットなどの支持体材料を含んでも良い。典型的なセルは、[PtC(H2)、Ni(H2)、CeH2、LaH2、ZrH2またはLiH/YSZ/NiまたはPt(O2または酸化物)]である。
カソード
H+e− → H− (235)
アノード
H−+OH− → H+e−, OH+e−,
又は H2O+2e− (236)
典型的なセルは、[Ni(Li)/LiH−LiOH/Ni(H2)]、[Ni/LiH−LiOH/Ni(H2)]、[Ni(Li)/NaH−NaOH/Ni(H2)]、[Ni/NaH−NaOH/Ni(H2)]、[Ni(Li)/KH−KOH/Ni(H2)]、および[Ni/KH−KOH/Ni(H2)]である。前記の溶融水酸化物電解質の混合物を含む好適で典型的な溶融水素化物は、約503℃の溶融温度を有する、約43+57モル比のNaH−KBH4、約390℃溶融温度を有する、約66+34モル比のKH−KBH4、約395℃溶融温度を有する、約21+79モル比のNaH−NaBH4、約103℃の溶融温度を有する、約53+47モル比のKBH4−LiBH4、約213℃の溶融温度を有する、約41.3+58.7モル比のNaBH4−LiBH4、そして453℃の溶融温度を有する約31.8+68.2モル比のKBH4−NaBH4の共融混合物であり、ここで、前記混合物はさらにアルカリ、またはLiH、NaH、またはKH等のアルカリ土類水素化物を含んでも良い。その他の典型的な水素化物は、Mg(BH4)2(MP260℃)とCa(BH4)2(367℃)である。少なくともハーフセルの前記反応体は、金属水素化物のような水素貯蔵物質、LiNH2、Li2NH、またはLi3N等のM−N−H系の化学種を含んでも良く、アルカリ金属水素化物はさらにホウ化水素等のホウ素、または水素化アルミニウム等のアルミニウムを含む。さらに好適な水素水素貯蔵物質は、金属水素化物、MgH2等のアルカリ土類金属水素化物、BaReH9、LaNi5H6、FeTiH1.7、およびMgNiH4等の金属合金水素化物、Be(BH4)2、Mg(BH4)2、Ca(BH4)2、Zn(BH4)2、Sc(BH4)3、Ti(BH4)3、Mn(BH4)2、Zr(BH4)4、NaBH4、LiBH4、KBH4、およびAl(BH4)3等の水素化ホウ素金属、AlH3、NaAlH4、Na3AlH6、LiAlH4、Li3AlH6、LiH、LaNi5H6、La2Co1Ni9H6、TiFeH2、NH3BH3、ポリアミノボラン、アミンボラン等のアミンボラン錯体、水素化ホウ素アンモニア化物、ヒドラジン・ボラン錯体、ジボランdiammoniate、ボラジン、オクタヒドロ三ホウ酸アンモニウム、テトラヒドロ、アルキル(アリール)−3−メチルN−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミデート塩等のイミダゾリウムイオン液体、ホスホニウムホウ酸、およびカーボナイト物質である。さらに典型的な化合物は、アンモニアボラン、リチウムアンモニアボラン等のアルカリアンモニアボラン、ボランジメチルアミン錯体、ボラントリメチルアミン複合体、および、アミノジボラン、n−ジメチルアミノボラン、トリス(ジメチルアミノ)ボラン、ジ−n−ブチルボランアミンボラン、ジメチルアミノボラン、トリメチルアミノボラン、トリメチルアミノボラン、アンモニア−トリメチルボラン、およびトリエチルアミノボランである。さらに好適な水素貯蔵材料は、9−(2−エチルヘキシル)カルバゾール、9−エチルカルバゾール、9−フェニルカルバゾール、9−メチルカルバゾール、および4、4’−ビス(N−カルバゾリル)−1、1’−ビフェニル等のカルバゾールと誘導体のような水素を吸収した有機液体である。典型的なセルは[Ni(Li)/LiBH4−LiOH/Ni(H2)]、[Ni/LiBH4−LiOH/Ni(H2)]、[Ni(Li)/NaBH4−NaOH/Ni(H2)]、[Ni/NaBH4−NaOH/Ni(H2)]、[Ni(Li)/KBH4−KOH/Ni(H2)]、[Ni/KBH4−KOH/Ni(H2)]、[Ni(Li)/LiH−LiBH4−LiOH/Ni(H2)]、[Ni/LiH−LiBH4−LiOH/Ni(H2)]、[Ni(Li)/NaH−NaBH4−NaOH/Ni(H2)、[Ni/NaH−NaBH4−NaOH/Ni(H2)]、[Ni(Li)/KH−KBH4−KOH/Ni(H2)]、および[Ni/KH−KBH4−KOH/Ni(H2)]である。
アノード
N3−+3H → NH3+3e− (237)
カソード
1/N2+3e− → N3− (238)
典型的なセルは[Ni(H2)/LiCl−KCl Li/Ni+N2]であり、ここでNi(H2)は、水素透過性電極であり、NH3は一実施形態において選択的に除去しても良い。NH3は、濃縮、選択膜、炭素、またはゼロライト等のゲッター、酸との反応、または水等の溶媒の中での回収によって除去しても良い。
アノード:
2H−+OH− → H2O+3e−+H(1/p) (239)
カソード:
H2+2e− → 2H− (240)
典型的なセルは、[Pt/C/溶融水酸化物−水素化物/M’(H2)]であり、ここでM’はNi、Ti、V、Nb、Pt、およびPtAg等の水素透過性金属を含んでも良く、前記電解質は、MOH−M’’H(M、M’=アルカリ)等の水酸化物と水素化物を含み、そして、他の金属および支持体はPt/Cに取り替わっても良い。前記電解質はさらに、アルカリ金属ハロゲン化合物等の少なくとも別の塩を含んでも良い。
本発明に係るセルは図1に示されるものであり、カソード・コンパートメント401とカソード405、アノード・コンパートメント402とアノード410ならびに塩橋440を含み、前記カソード・コンパートメント401はハイドリノ水素化物イオンを含む化合物を含む。一実施形態において、前記酸化化合物は、ナトリウムハイドリノ水素化物を含み、前記ナトリウムは少なくとも2+の酸化状態にあっても良い。前記酸化物はNa(H(1/p)を含んでも良く、ここでxは整数で、H(1/p)はハイドリノ水素化物イオンである。一実施形態において、pは安定したNa2+化合物を形成するために選択される。一実施形態において、pは少なくとも、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、および21の中の1つである。一実施形態において、前記塩橋440はNaイオン導体である。好適なナトリウムイオン導体は、β−アルミナ固体電解質(BASE)NASICON(Na3Zr2Si2PO12)およびNaxWO3等の本開示のものである。前記還元剤はナトリウム金属等のナトリウムイオン源であっても良い。前記セルはさらに、ヒータを含んでもよく、又、Na金属の融点以上のような高い作動温度で前記セルを維持するために外部絶線等の絶縁を含んでも良い。前記のセル反応は、Na+イオンの前記ナトリウム導体塩橋440を介して前記アノード・コンパートメント402から前記カソード・コンパートメント401への移動を伴う、ナトリウム金属還元剤による前記水素化ナトリウム酸化物の還元を含んでも良い。典型的なバッテリ反応は以下のとおりである。
カソード:
NaHx+e− → MHx−1+H− (241)
アノード:
Na → Na++e− (242)
全体:
NaHx+Na → NaHx−1+NaH (243)
一実施形態において、前記セルは式(241−243)により示されるような放電反応の逆反応によって再充電可能である。一実施形態において、前記ハーフセルコンパートメントは前記対応の電極として機能する。前記セル400は、セルケースで密封しても良い。
カソード:
2H2O+O2+4e− → 4OH− (244)
アノード:
Li → Li++e− (245)
全体:
4Li+2H2O+O2 → 4LiOH (246)
1つの実施例において、H及びH2O触媒は、再充電の間に放電カソードにおいて形成され、Hは、再充電プロセスを助けるようにエネルギーを放出するためにハイドリノを形成するためにH2Oによって触媒反応をさせられるが、これにより、ハイドリノのエネルギー寄与がない条件下であるよりも、エネルギーは少なくしか必要とされない。
本開示は、ジハイドリノ分子及びハイドリノ・ヒドリド化合物のような、本開示の増加した結合エネルギーの水素種及び化合物を生産するための他の反応器にもまた、関係する。触媒作用の更なる生成物は、セルのタイプによるが、パワー及びオプションとしてプラズマ及び光である。そのような反応器は、以下「水素反応器」又は「水素セル」と称する。水素反応器は、ハイドリノを作るためのセルを含む。ハイドリノを作るためのセルは、ガス放電セル、プラズマトーチ・セル、又は、マイクロ波パワー・セル、及び、電気化学セルのような化学反応器又は気体燃料電池の形であるかもしれない。ハイドリノを作るためのセルの典型的な実施例は、液体燃料電池(セル)、固体燃料電池(セル)、及び、不均−燃料電池(セル)、及び、CIHTセルの形であるかもしれない。これらのセルの各々は、(i)原子状水素の源と;(ii)ハイドリノを作るための固体触媒、融解触媒、液体触媒、ガス状触媒、又はそれらの混合物から選ばれる少なくとも1つの触媒と;及び(iii)反応している水素のための容器及びハイドリノを作るための触媒とを含む。ここに使われ、本開示によって考慮された、用語「水素」は、特に明記しない限り、プロチウム(proteum)(1H)だけでなく、デューテリウム(2H)もとトリチウム(3H)をも含む。ハイドリノ反応の反応物としてのデューテリウムが使用される場合、不均−系燃料と固体燃料のヘリウム生成物又はトリチウム生成物の相対的な極微量は予想される。典型的な化学反応混合物と反応器(リアクター)はCIHTセル、または本開示の熱セルの実施形態を含んでも良い。典型的な実施形態はさらに、この「化学反応器」セクションで示される。前記混合物の反応中に形成される触媒としてH2Oを有する反応混合物の例は本開示で示されている。表1と3で示されるようなその他の触媒は増大した結合エネルギー水素種や化合物を形成するために機能しても良い。表3Aの典型的なM−Hタイプの触媒はNaHである。1つの好適な反応混合物は水素化ナトリウムや、アルカリハロゲン化合物、NaCl等の化合物、および、任意に、R−NiやR−Ni2800等の解離子である。各反応体の重量%は任意で、所望のもので良い。一実施形態において、NaClの重量%はNaHの10倍であり、R−Niの重量%も同様に、もし使用されたら、10倍であっても良い。前記セル温度は、約300℃から550℃の範囲のように高くても良い。高磁場シフトの観察に基づいて、前記のNMR結果を伴う、少なくとも1つのハイドリノ生成物を有する他の好適な反応混合物は:(1)Li+LiF(各、5+95重量%)/Niスクリーン解離子600℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.17と−0.273ppm、(2)Li+LiBr(各、5+95重量%)/Niスクリーン解離子600℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.13と−2.462ppm、(3)Li3N+LiH+LiBr(各、5+10+85重量%)/R−Ni解離子450℃で観察された1H MAS NMRのピーク:−2.573ppm、(4)Li2NH+Li+LiBr(各、5+10+85重量%)/R−Ni解離子500℃で観察された1H MAS NMRのピーク:−2.512ppm、(5)LiNH2+Li+LiBr(各、5+10+85重量%)/R−Ni解離子500℃で観察された1H MAS NMRのピーク:−2.479ppm、(6)LiNH2+LiBr(各、5+95重量%)/R−Ni解離子450℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.165と−2.625ppm、(7)Li+LiI(各、5+95重量%)/R−Ni解離子550℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.122と−2.038ppm、(8)LiNH2+Li+LiI(各、5+10+85重量%)/R−Ni解離子450℃で観察された1H MAS NMRのピーク:−2.087ppm、(9)Na+NaCl(各、25+75重量%)/Ni銀とPt/Ti解離子500℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.174と−3.802ppm、(10)NaH+NaCl(各、10+90重量%)/R−Ni解離子500℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.057と−3.816ppm、(11)NaH+NaCl(各、10+90重量%)/500℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.093と−3.672ppm、(12)Na+NaBr(各、18+82重量%)/Pt/Ti解離子500℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.129と−3.583ppm、(13)NaH+NaI(各、18+82重量%)/500℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.05と−2.454ppm、(14)K+KF(10+90重量%)/R−Ni解離子500℃で観察された1H MAS NMRのピーク:0.987と−5.143ppm、(15)K+KCl(各、8+92重量%)/Niスクリーン解離子600℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.098、−4.074と−4.473ppm、(16)K+KBr(各、10+90重量%)/Niスクリーン解離子450℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.415と−4.193ppm、(17)K+KI(各、5+95重量%)/R−Ni解離子500℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.113と−2.244ppm、(18)Cs+CsF(各、45+55重量%)/R−Ni解離子500℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.106と−3.965ppm、(19)Cs+CsCl(各、45+55重量%)/R−Ni解離子550℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.073と−3.478ppm、(20)Cs+CsI(各、45+55重量%)/R−Ni解離子400℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.147と−1.278ppm、(21)NaCl+KHSO4(各、85+15重量%)/600℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.094、−3.027と−3.894ppm、(22)NaCl+NaHSO4(各、85+15重量%)/600℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.085、−3.535と−4.077ppm、そして(23)CsCl+NaHSO4(各、95+5重量%)/550℃で観察された1H MAS NMRのピーク:1.070と−2.386ppm。なお、ここで、H2圧力は5PSIGであり、解離子の重量は前記反応体の、約50%から300%であった。前記反応と条件は、反応体、反応体重量%、H2圧力、および反応温度等のパラメータにおける、これらの典型的なケースから調節しても良い。好適な反応体、条件、およびパラメータの範囲は本開示のものである。一実施形態において、これらの反応混合物はさらに、H2と反応するステンレス鋼反応器、およびH2O触媒を形成するために存在するその他の反応体、ならびに、前記反応期間中に形成される水酸化物のもののように、高磁場マトリックスシフトを起こすハイドリノを含む。
3NH4NO3+2CH3NO2 → 4N2+2CO2+9H2O (247)
ここで、Hの幾つかはまた、p=4のようなH2(1/p)及びH−(1/p)のようなより低いエネルギーの水素種へと変換される。1つの実施例において、水素、窒素、及び酸素のモル比率は、式C3H6N6O6を持つRDX内のように類似する。
KNO3+9/2H2 → K+NH3+3H2O (249)
KNO3+5H2 → KH+NH3+3H2O (250)
KNO3+4H2 → KOH+NH3+2H2O (251)
KNO3+C+2H2 → KOH+NH3+CO2 (252)
2KNO3+C+3H2 → K2CO3+1/2N2+3H2O (253)
窒素酸化物を形成する典型的な再生反応は式(248)によって与えられる。K,KH,KOH,及びK2CO3のような生成物は、KNO2又はKNO3を形成するために水への窒素酸化物の添加によって形成される硝酸と反応させられてよい。反応物H2O触媒及びH2の少なくとも1つを形成するための追加的な好適な典型的な反応は、表6、7、及び8に与えられる。
Mg(OH)2 → MgO+H2O (254)
2LiOH → Li2O+H2O (255)
H2CO3 → CO2+H2O (256)
2FeOOH → Fe2O3+H2O (257)
2Al(OH)3 + → Al2O3+3H2O (260)
Al2O3+2NaOH → 2NaAlO2+H2O (261)
3MH+Al(OH)3 + → M3Al+3H2O (262)
反応生成物は合金を含んでよい。R−Niは、再水和によって再生されてよい。H2O触媒を形成する脱水反応及び反応混合物は、次の典型的な反応において与えられるような本開示のそれらのようなオキシ水酸化物を包含し及び含んでよい。
3Co(OH)2 → 2CoOOH+Co+2H2O (263)
前記原子状水素は解離によってH2ガスから形成しても良い。前記水素解離子は、Ni、または、Pt、または、Pd、または炭素、またはAl2O3等の支持体上のR−Ni、または貴金属、または遷移金属等の本開示の中の1つでも良い。または、前記原子状水素は本開示の膜を通してのHの透過からであっても良い。一実施形態において、前記セルは、一方でH2Oの拡散を防止しながら、選択的にH2の拡散を可能にするセラミック膜等の膜を含む。一実施形態において、H2および原子状水素の中の1つは、H2Oを含む水溶性、または溶融電解質等の水素源を含む電解質の電解によって前記セルに供給される。一実施形態において、H2O触媒は無水形態への酸または塩基の脱水によって可逆的に形成される。一実施形態において、H2O触媒およびハイドリノを形成するための反応は、前記セルのpH、活性、温度、および、圧力(温度を変えること変えられる圧力)の中の少なくとも1つを変えることで伝搬される。酸、塩基、または酸無水物などの化学種の活性は、当業者が周知の塩を添加して変更しても良い。一実施形態において、前記反応混合物はハイドリノを形成するための反応に対するH2または、酸無水物ガス等のガス源である炭素等の物質を含んでも良い。前記反応体は任意で所望の濃度および比率であって良い。前記反応混合物は溶融性であっても、水溶性のスラリーを含んでも良い。
4NaOH+SiO2 → Na4SiO4+2H2O (264)
ここで、対応する酸の脱水反応は次のとおりである。
H4SiO4 → 2H2O+SiO2 (265)
他の好適な典型的な無水物は、Mo,Ti,Zr,Si,Al,Ni,Fe,Ta,V,B,Nb,Se,Te,W,Cr,Mn,Hf,Co,及びMgの群から1つのような、元素、金属、合金、又は混合物を含んでよい。対応する酸化物は、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,及びMgOの少なくとも1つを含んでよい。典型的な実施例において、塩基は、Li2O,及びH2OのようなM2Oのような対応する塩基性の酸化物を形成するかもしれないLiOHのようなMOH(M=アルカリ)のようなアルカリ水酸化物のような水酸化物を含む。その塩基性の酸化物は、生成酸化物を形成する無水酸化物と反応してよい。H2Oの放出を伴う無水の酸化物とLiOHの1つの典型な反応において、生成酸化物化合物は、Li2MoO3又はLi2MoO4,Li2TiO3,Li2ZrO3,Li2SiO3,LiAlO2,LiNiO2,LiFeO2,LiTaO3,LiVO3,Li2B4O7,Li2NbO3,Li2SeO3,Li2SeO4,Li2TeO3,Li2TeO4,Li2WO4,Li2CrO4,Li2Cr2O7,Li2MnO4,Li2HfO3,LiCoO2,及びMgOを含んでよい。他の好適な典型的な酸化物は、As2O3,As2O5,Sb2O3,Sb2O4,Sb2O5,Bi2O3,SO2,SO3,CO2,NO2,N2O3,N2O5,Cl2O7,PO2,P2O3,及びP2O5,並びに当該技術分野における当業者に知られている他の類似の酸化物の群からの少なくとも1つである。もう1つの例は、式(257)によって与えられる。金属酸化物の好適な反応は次のとおりである。
2LiOH+NiO → Li2NiO2+H2O (266)
3LiOH+NiO → LiNiO2+H2O+Li2O+1/2H2
(267)
4LiOH+Ni2O3 → 2Li2NiO2+2H2O+1/2O2
(268)
2LiOH+Ni2O3 → 2LiNiO2+H2O (269)
Fe、Cr、およびTi等の他の遷移金属、内部遷移、希土類金属、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se、およびTe等の他の金属と半金属をNiに代えても良く、Li、Na、Rb、およびCs等の他のアルカリ金属をKに代えても良い。前記反応はさらに、水素ガス等の水素源やPd/Al2O3等の解離子を含む。前記水素は軽水素、重水素、トリチウムまたはこれらの組み合わせのどれでも良い。H2O触媒を形成するための前記反応は、水を形成するための2つの水酸化物の反応を含んでも良い。前記水酸化物のカチオンはアルカリ金属水酸化物と遷移金属またはアルカリ土類水酸化物との反応とは異なる酸化状態であっても良い。反応混合物及び反応は、次のような典型的な反応において与えられるように源からのH2を更に包含し含んでよい。
LiOH+2Co(OH)2+1/2H2 → LiCoO2+3H2O+Co
(270)
反応混合物及び反応は、更に、次の典型的な反応において与えられるようにアルカリ又はアルカリ土類金属のような金属Mを包含し、かつ、含んでよい。
M+LiOH+Co(OH)2 → LiCoO2+H2O+MH (271)
1つの実施例において、反応混合物は、金属酸化物のFeのような金属がハイドリノを形成するためにHと反応する触媒として機能するH2Oを形成する反応の間に酸化−還元反応を経るように複数の酸化状態を持つことができるところ、Hの源及びオプションとしてHのもう1つの源として機能してよい金属酸化物及び水酸化物を含む。1つの例は、FeOであるが、ここで、触媒を形成する反応の間にFe2+がFe3+へと酸化を経ることができる。典型的な反応は、次のとおりである。
FeO+3LiOH → H2O+LiFeO2+H(1/p)+Li2O
(272)
1つの実施例において、Fe,Ni,Mo,又はMnのような金属原子がもう1つの可能性のある酸化の状態よりも高い酸化の状態にあってよいところ、金属酸化物、水酸化物、又はオキシ水酸化物のゆな少なくとも1つの反応物は、酸化剤として、機能する。H2O触媒を形成するための金属酸化物、水酸化物、又はオキシ水酸化物の典型的な反応は以下のとおりである。
2KOH+NiO → K2NiO2+H2O (273)
3KOH+NiO → KNiO2+H2O+K2O+1/2H2 (274)
2KOH+Ni2O3 → 2KNiO2+H2O (275)
4KOH+Ni2O3 → 2K2NiO2+2H2O+1/2O2 (276)
2KOH+Ni(OH)2 → K2NiO2+2H2O (277)
3KOH+Ni(OH)2 → KNiO2+2H2O+K2O+1/2H2
(278)
2KOH+2NiOOH → K2NiO2+2H2O+NiO+1/2O2
(279)
KOH+NiOOH → KNiO2+H2O (280)
2NaOH+Fe2O3 → 2NaFeO2+H2O (281)
Ni,Fe,Cr,及びTiのような他の遷移金属、内部遷移金属、及び希土類金属、並びに、Al,Ga,In,Si,Ge,Sn,Pb,As,Sb,Bi,Se,及びTeのような他の金属又は半金属は、Ni又はFeを置換してよく、そして、Li,Na,K,Rb,及びCsのような他のアルカリ金属はK又はNaを置換してよい。1つの実施例において、反応混合物は、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,及びInのようなH2Oに安定な金属の水酸化物及び酸化物の少なくとも1つを含む。追加的に、反応混合物は、H2ガスのような水素の源、及び、オプションとして、支持体の上にある貴金属のような解離剤を含む。
2HCl+NiO → H2O+NiCl2 (282)
ここで、対応する塩基の脱水反応は次のとおりである。
Ni(OH)2 → H2O+NiO (283)
反応物は、ルイス酸又は塩基及びブレンステッド−ローリーの酸又は塩基の少なくとも1つを含んでよい。反応混合物及び反応は、酸が次の典型的な反応において与えられるように水を形成するために酸素を含む化合物と反応するところ、酸素を含む化合物を更に包含し、且つ、含んでよい。
2HX+POX3 → H2O+PX5 (284)
(X=ハロゲン)。POX3として類似の化合物は、SがPを置換するそれらのように好適である。他の好適な典型的な無水物は、Mo,Ti,Zr,Si,Al,Ni,Fe,Ta,V,B,Nb,Se,Te,W,Cr,Mn,Hf,Co,及びMgの群からの1つのような、アルカリ、アルカリ土類、遷移、内部遷移、又は希土類金属、或いは、Al,Ga,In,Sn,又はPbを含む水酸化物、オキシ水酸化物、又は酸化物のような酸において溶解できる元素、金属、又は混合物の酸化物を含んでよい。対応する酸化物は、MoO2,TiO2,ZrO2,SiO2,Al2O3,NiO,FeOorFe2O3,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,及びMgOを含んでよい。他の好適な典型的な酸化物は、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,及びPbの群のそれらのものである。1つの典型的な実施例において、酸は、ハロゲン化水素酸を含み、そして、生成物はH2O及びその酸化物の金属ハロゲン化物である。反応混合物は、H及びH2O触媒がハイドリノを形成するように反応するところ、Pt/Cのような解離剤及びH2ガスのような水素の源を更に含む。
LiOH+H2 → H2O+LiH (285)
Li2O+H2 → LiOH+LiH (286)
反応混合物は、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のそれらのような水素還元を受けてH2Oになる金属の水酸化物又は酸化物、及び、H2ガスのような水素の源、及びPt/Cのような解離剤を含んでよい。
4NaNO3(c)+5MgH2(c) →
5MgO(c)+4NaOH(c)+3H2O(l)+2N2(g)
(287)
P2O5(c)+6NaH(c) →
2Na3PO4(c)+3H2O(g) (288)
NaClO4(c)+2MgH2(c) →
2MgO(c)+NaCl(c)+2H2O(l) (289)
KHSO4+4H2 → KHS+4H2O (290)
K2SO4+4H2 → 2KOH+2H2O+H2S (291)
LiNO3+4H2 → LiNH2+3H2O (292)
GeO2+2H2 → Ge+2H2O (293)
CO2+H2 → C+2H2O (294)
PbO2+2H2 → 2H2O+Pb (295)
V2O5+5H2 → 2V+5H2O (296)
Co(OH)2+H2 → Co+2H2O (297)
Fe2O3+3H2 → 2Fe+3H2O (298)
3Fe2O3+H2 → 2Fe3O4+H2O (299)
Fe2O3+H2 → 2FeO+H2O (300)
Ni2O3+3H2 → 2Ni+3H2O (301)
3Ni2O3+H2 → 2Ni3O4+H2O (302)
Ni2O3+H2 → 2NiO+H2O (303)
3FeOOH+1/2H2 → Fe3O4+2H2O (304)
3NiOOH+1/2H2 → Ni3O4+2H2O (305)
3CoOOH+1/2H2 → Co3O4+2H2O (306)
FeOOH+1/2H2 → FeO+H2O (307)
NiOOH+1/2H2 → NiO+H2O (308)
CoOOH+1/2H2 → CoO+H2O (309)
SnO+H2 → Sn+H2O (310)
2NaOH+H2+S → Na2S+2H2O (311)
2NaOH+H2+Te → Na2Te+2H2O (312)
2NaOH+H2+Se → Na2Se+2H2O (313)
LiOH+NH3 → LiNH2+H2O (314)
NaOH+1/2H2+Pd → NaPb+H2O (315)
NaOH+1/2H2+Bi → NaBi+H2O (316)
NaOH+1/2H2+2Cd → Cd2Na+H2O (317)
NaOH+1/2H2+4Ga → Ga4Na+H2O (318)
NaOH+1/2H2+Sn → NaSn+H2O (319)
NaAlH4+Al(OH)3+5Ni →
NaAlO2+Ni5Al+H2O+5/2H2 (320)
2MnOOH+Sn → 2MnO+SnO+H2O (321)
4MnOOH+Sn → 4MnO+SnO2+2H2O (322)
2MnOOH+Zn → 2MnO+ZnO+H2O (323)
2NaOH+NiCl2+H2 → 2NaCl+2H2O+Ni (324)
2NaOH+I2+H2 → 2NaI+2H2O (325)
2NaOH+XeF2+H2 → 2NaF+2H2O+Xe (326)
その水酸化物及びハロゲン化物化合物は、H2Oを形成するような反応が熱的に可逆であるように、選択されてよい。1つの実施例において、一般的な交換反応は次のとおりである。
NaOH+1/2H2+1/yMxCly = NaCl+6H2O+x/yM
(327)
ここで、典型的な化合物MxClyは、AlCl3,BeCl2,HfCl4,KAgCl2,MnCl2,NaAlCl4,ScCl3,TiCl2,TiCl3,UCl3,UCl4,ZrCl4,EuCl3,GdCl3,MgCl2,NdCl3,及びYCl3である。昇温された温度において、約100℃から2000℃の範囲内のように、式(327)の反応は、エンタルピー及び約0kJの自由エネルギーの少なくとも1つを持ち、かつ、可逆的である。可逆温度は、各反応の対応する熱力学的なパラメータから計算される。代表的な温度範囲は、NaCl−ScCl3で約800−900K,NaCl−TiCl2で約300−400K,NaCl−UCl3で約600−800K,NaCl−UCl4で約250−300K,NaCl−ZrCl4で約250−300K,NaCl−MgCl2で約900−1300K,NaCl−EuCl3で約900−1000K,NaCl−NdCl3で約>1000K,及びNaCl−YCl3で約>1000Kである。
Na2O+2H2 → 2NaH+H2O (328)
Li2O2+H2 → Li2O+H2O (329)
KO2+3/2H2 → KOH+H2O (330)
2NaH+O2 → Na2O+H2O (331)
H2+1/2O2 → H2O (332)
LiNH2+2O2 → LiNO3+H2O (333)
2LiNH2+3/2O2 → 2LiOH+H2O+N2 (334)
NH4NO3 → N2O+2H2O (335)
NH4NO3 → N2+1/2O2+2H2O (336)
H2O2 → 1/2O2+H2O (337)
H2O2+H2 → 2H2O (338)
4FeOOH → H2O+Fe2O3+2FeO+O2+2H(1/4)
(339)
ここで、前記反応中に形成される発生期のHはハイドリノに対して反応する。他の典型的な反応は、NaFeO2+H2O等のアルカリ金属酸化物を形成するための水酸化物とオキシ水酸化物または、NaOH+FeOOHまたはFe2O3等の酸化物の反応であり、ここで前記反応中に形成される発生期のHはハイドリノを形成することが出来るが、この際、H2Oが前記触媒として機能する。
4MH+Fe2O3 →
+ H2O+H(1/p)+M2O+MOH+2Fe+M (340)
前記反応混合物はさらに、塩等の化合物、ハロゲン化合物塩、アルカリハロゲン化合物塩、KClまたはKI等のハイドリノ用のゲッターを含んでも良い。前記生成物はMHX(M=アルカリ等の金属、Xはハロゲン化合物等の対イオン、Hはハイドリノ種)であっても良い。他のハイドリノ触媒は本開示のMや表1のMと置き換わっても良い。
MH(1/p)+H2 → MH+H2(1/p) (341)
MH(1/p)+MH → 2M+H2(1/p) (342)
MH(1/p)+H2O → MOH+H2(1/p) (343)
爆発または推進反応は、前記ハイドリノ水素化物イオン含有化合物と、酸素または超酸等のH+源、または前記水素源の急速な混合によって開始される。前記急速な混合は、ハイドリノ水素化物化合物または反応混合物の近位にある従来の爆発剤、または推進剤の爆発によって発生させても良い。爆発または推進反応を生成するためのハイドリノ水素化物化合物、または反応混合物の急速な熱分解、または反応において、前記分解、または反応は、前記ハイドリノ水素化物化合物または混合物のパーカッション加熱によって、ハイドリノ水素化物化合物または反応混合物の近位にある従来の爆発剤、または推進剤を爆発させることで発生させても良い。例えば、弾丸はハイドリノ水素化合物、またはハイドリノ水素化合物を含む反応混合物、および恐らくプロトン源、またはパーカッション加熱を介しての衝撃で爆発する水素等のその他の反応物をその先に付けても良い。
A.典型的なCIHTセル試験結果
不活性アルミナ坩堝に、アノード、、共融電解質、およびカソードをそれぞれ含む溶融塩CIHTセルを、無酸素のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で組み立てて、該グローブボックス内で、アルゴン雰囲気下で加熱した。前記アノードは、BASE管においてNaOHとNi(H2)等のH源を、そして前記カソードは、Ni等の電極においてMgCl2−NaClのような共融混合物を含んでいた。2つ目のタイプはNi(H2)等の水素透過アノード、LiOH−LiBr等の溶融水酸化物電解質、および空気に曝されているNiカソードを含んでいた。3つ目のタイプは、H2O容器を通してアルゴンキャリアガスを発泡することで、または30から50℃(31トールから93トールH2O)の典型的な温度範囲で維持された水生成装置を用いてH2Oが供給されたクローズドセルを含んでいた。前記電解質はLiOH−LiBr等の溶融塩と、任意にMgO等のマトリックスを含んでいた。前記セルは間欠電気分解下で動作され、そこではH2Oから放電アノードで水素が、そして、放電カソードで酸素が形成された。放電時、正味余剰の電気エネルギーバランスが達成されるように、発生期のH2O触媒とハイドリノを形成し、過電流とエネルギーを生成させるために、反応および電流を逆転させた。別の形では、このセルのタイプは空気に曝せて動作させた。4つ目のタイプは飽和したKOH等の水溶性電解質、および空気に曝された間欠的な電解条件下で動作された異なるカソードとアノードを含んでいた。典型的なセルからの結果は、[Ni(H2)/MOHまたはM(OH)2−M’XまたはM’X2/Ni 空気]のような(アノード/電解質/カソード)を指定し、ここでMとM’はLi、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、およびBaの中の1つであり、Xは水酸化物、ハロゲン化合物、硫酸塩、および炭酸塩の中の1つであり、そしてMはR−Ni、Zn、Sn、Co、Cd、Sb、およびPbである。なお、[NaOH Ni(H2)BASE/NaCl MgCl2/Ni]、[Ni/LiOH−LiBr−MgO/NiO(クローズド、または空気)]、および[Sn5V5/KOH(飽和aq)/Ni(空気)]は下記に示す。
− 032012GZC1−1023:Mo/210g LiOH+1.05kg LiBr+420g MgO一層において/NiO(10層);アノード:Moフォイル;カソード:プリオキシダイズド(preoxidized)CNi6C;Tset=420℃,Treal=420℃;8Vまで充電,もしV>6Vなら、4s間放電。
−030112GZC3−1005:Mo/0.5” LiOH+LiBr ペレット− LiOH+LiBr+MgO ペレット− LiOH+LiBr ペレット2個/NiO;アノード:1.5インチ直径Mo,カソード:1.5”X1.5”圧縮プリオキシダイズド(プリオキシダイズド)CNi6(1層)溶融電解質により予め濡らされた;Tset=500℃,Treal=440℃;0.8Vまで充電,もしV>0.6Vならば4s間放電
−031312GZC2−1012:Ni−Mo−Ni/LiOH:LiBr:MgO=1:5:10/NiO;アノード:CNi8+Mo+CNi8,プレスされた,電解質で予め濡らされた;カソード:CNi8−プレスされたCNi6C−CNi8,電解質で予め濡らされた;セパレータ:0.5インチ径の4 ペレットが使用された;Tset=440℃,Treal=440℃;0.8Vまで充電,もしV>0.6Vなら4s間放電
−031212GZC1−1008:Ni−C−Ni/10g LiOH+50g LiBr+20g MgO/NiO;アノード:1.5”X1.5”CNi6+1”X1”グラファイト+1.5”X1.5”CNi6,圧縮された;カソード:1.5”X1.5”プリオキシダイズドCNi6(2layer);Tset=515℃,Treal=440℃;0.8Vまで充電,もしV>0.6Vならば4s間放電
−031212GZC2−1009:Ni−Niパウダー−Ni/10g LiOH+50g LiBr+20g MgO/NiO;アノード:1.5”X1.5”CNi6+0.67g Niナノ・パウダー+1.5”X1.5”CNi6,圧縮された;カソード:1.5”X1.5”プリオキシダイズドCNi6(2層);Tset=500℃,Treal=440℃;0.8Vまで充電,もしV>0.6Vならば4s間放電
−021012GZC2−974:Moフォイル/10g LiOH+50g LiBr+20g MgO/NiO;アノード:9”直径Moフォイル,カソード:9”直径プリオキダイズドCNi6C(2片);Tset=410℃,Treal=440℃;8Vまで充電,もしV>6Vならば、4s間放電
−030112GZC2−1004:C/10g LiOH+50g LiBr/NiO;アノード:1.5”X1.5”グラファイト,カソード:1.5”X1.5”プレスされプリオキシダイズされたCNi6(2層);Tset=460℃,Treal=440℃;0.6Vまで充電,もしV>0.4Vならば4s間放電
−021712GZC2−983:CNi6−Mo−CNi6/10g LiOH+50g LiBr+30g MgO/NiO;アノード:1.5”X1.5”CNi6−Mo−CNi6圧縮された,カソード:1.5”X1.5”プリオキシダイズドNiFeCrAl,空孔サイズ:1.2mm;Tset=460℃,Treal=440℃;0.8Vまで充電,もしV>0.6Vならば4s間充電
−010912GZC1−934:Mo+Ni/8g LiOH+40g LiBr+15g MgO/NiO;2.75”アルミナ坩堝;アノード:1.5”X1.5”3.831g Mo+0.623g CNi8,カソード:1.5”X1.5”プリオキシダイズドCNi6C(2個);Tset=460℃,Treal=440℃;0.8Vまで充電,もしV>0.6Vならば、4s充電
温度450℃;Arによる流れ(予め湿潤化された)
温度450℃;Arによる流れ(予め湿潤化された)
−121311GZC1−904:Ni/10g LiOH+50g LiBr+20g MgO/NiO;2.75”アルミナ坩堝;アノード:1.5”X1.5”2.975g CNi6C,カソード:2個の1.5”X1.5”プリオキシダイズドCNi6C;Tset=440℃,Treal=440℃;結果:(1)実験をすることなく,セルを清浄化するため30SCCM Ar流れを使用(水泡器を通らない)。14:40,OCV=0.920V;16:57,OCV=0.737V(2)Dec14.ガス流れを停止。Arの入口及び出口の両方を閉じ、もしV>0.6Vならば4s間放電し、0.8Vまで充電する。60℃の温度のヒータへウォータ・リザーバーを置く。
−121511GZC1−908:Niトレイ内のMo/LiOH+LiBr(1:5wt)+MgO/NiO;2.75”アルミナ坩堝;アノード:直径1.75”厚さ0.01”のMoホイルカソード:2個の直径1.75”のプリオキシダイズドCNi6C.バイポーラ・プレート及びアノード・ホルダー:厚み0.010”のNiトレイ.MoホイルがNiトレイ上にスポット溶接された;Tset=500℃,Treal=440℃;スケジュール:1.6Vまで充電,もしV>1.2Vならば、4s間放電.各スタックの状態をチェックするために3個のリードを出させる。
−120111GZC3−887:Cr6Mo4/飽和KOH/Ni;2.75”アルミナ坩堝;アノード:0.5”OD Cr6Mo4,カソード:CNi8;RT,1.2Vまで充電,もしV>0.8Vならば4s間放電。
高温T溶融電解質-Ar流れのある密閉系ステンレス製セル,しかし入口に水泡器無
−112811GZC1−877:Ni/10g LiOH+50g LiBr+20g MgO/NiO;2.75”アルミナ坩堝;アノード:1.5”X1.5”3.201g CNi6C,カソード:2個の1.5”X1.5”プリオキシダイズド(予備酸化)CNi6C;Tset=500℃,Treal=440℃;連続的に放電
−112211GZC2−872:Ni/10g LiOH+50g LiBr+20g MgO/NiO;2.75”アルミナ坩堝;アノード:1.5”X1.5”2.926g CNi6C,カソード:1.5”X1.5”プリオキシダイズド(予備酸化)CNi6C;Tset=500℃,Treal=440℃;0.8Vまで充電,もしV>0.6であれば4s間放電
−111411GZC1−858:Ni/12g LiOH+60g LiBr+20g MgO/NiO;2.75”アルミナ坩堝;アノード:1.5”X1.5”3.028g Ni CNi6C,カソード:2個の1.5”X1.5”プリオキシダイズド(予備酸化)CNi6C;Tset=460℃,Treal=440℃;0.8Vまで充電,V>0.6ならば4s間放電;結果:(1)OCV=0.943V,セルを空にするOCV=0.860.その後、水泡器を通してArを密閉セル内に充填する;(2)OCV=0.920V,セルを空にするOCV=0.872.その後水泡器を通してArを密閉セル内に充填する;(3)OCV=0.902V,セルを空にするOCV=0.858.その後水泡器を通してArを密閉セル内に充填する;(4)OCV=0.842V,セルを空にするOCV=0.793.その後水泡器を通してArを密閉セル内に充填する;(5)OCV=0.823V,セルを空にするOCV=0.790.その後水泡器を通してArを密閉セル内に充填する;(6)OCV=0.809V,セルを空にするOCV=0.777.その後水泡器を通してArを密閉セル内に充填する;(7)OCV=0.796V,セルを空にするOCV=0.768.その後水泡器を通してArを密閉セル内に充填する;(8)OCV=0.790V.その後実験スケジュールを開始する:0.8Vまで充電,もしV>0.6であれば4s間放電。テストは進行中である。
−110811GZC5−845:Ni/20gLiOH+100gLiBr/NiO;2.75”アルミナ坩堝;アノード:1.5”X1.5”NiCNi6C,カソード:4個の1.5”X1.5”プリオキシダイズド(予備酸化)CNi6C;Tset=500℃,Treal=440℃;0.8Vまで充電,もしV>0.6であれば4s間放電
空気カソード;アノード:Mo1”X1”1.753g;カソード:NiOロール,2”高さMoO2に埋め込まれた;電解質:LiOH−LiBr;V=1.0Vまで@10mAで充電;4s間又はV=0.6Vまでの何れか早くやって来た方で、@−10mAで放電。
空気カソード;アノード:Mo1”X1”1.658g;カソード:NiOロール,2”高さ,Li2ZrO3で埋め込まれた;電解質:LiOH−LiBr;V=1.0Vまで@10mAで充電;2s間又はV=0.6Vまでの内の何れか早くやって来る方で@−10mAで放電;ゲインは、7日に渡って9から11倍。
負荷15オーム:V=0.81V;(最大);Eout=35614.4J(今まで)
温度450℃
200mAでのそのような構成のセルの長期間の性能(パフォーマンス)テスト
−051611GZC1−497:Ni(H2)/0.5gLiOH+2.5g LiBr+1.5g MgO/Ni(Air)(MP.264C);2.75”アルミナ坩堝;電極:6.4cm2 Ni 0.005インチの厚み(アノード),6.4cm2 断面二重層CNi8+CNi4マット(カソード,溶融電解質により予備処理済み),セラミック保護付カソード,セラミック管カバー無のカソード・ニッケル・ワイヤ;T=460℃(メルト中の実際温度T:420℃),PH2〜800torr;結果:(1)OCV=0.94V;(2)50オーム負荷,T=479C,PH2=798torr,CCV=0.812V,パワー=13.2mW
表9の各エントリの右側に記載されている触媒反応混合物のエネルギーおよびパワーバランスは、容積が約43cm3(内径(ID)x1”、全長x5”、および内部熱電対さやを有する壁厚x0.060”)の円筒形ステンレススチール反応器を用いて得て、そして、各セルと前記セル内で放出されたエネルギーの99+%を回収する外部水冷却コイルを含む真空槽を備える水流熱量計は、<±1%の誤差を達成した。前記エネルギーの回収は経時的な総出力電力PTを合計して測定した。パワーは、次の式で与えられた。
Enet = ET−Ein (345)
エネルギーバランスから、如何なる過剰の熱Eexは、次のように、最大理論値Emtに相対的に決定された。
Eex = Enet−Emt (346)
10.1と22.8nmでの連続放射バンドと理論的に予測されるHの低エネルギー、ハイドリノ状態への遷移のためのより長い波長は、パルスピンチ水素放電から初めて、BlackLight Power,Inc.(BLP)社により観察され、Harvard Center for Astrophysics(CfA)で再生された[R.L.Mills,Y.Lu,“Time−Resolved Hydrino Continuum Transitions with Cutoffs at 22.8 nm and 10.1 nm(22.8nmと10.1nmでのカットオフを伴ったハイドリノの時間分解された連続遷移),”Eur.Phys.J.D,64,(2011),pp.63,DOI:10.1140/epjd/e2011−20246−5]。H*[aH/(m+1)]中間体のエネルギー減衰工程中のハイドリノ触媒と共振運動エネルギー伝達として機能した高速Hの再結合を含むメカニズムによって形成された異常に高速のHも又確認された[K.Akhtar,J.Scharer,R.L.Mills,“Substantial Doppler broadening of atomic−hydrogen lines in DC and capacitively coupled RF plasmas(DCと容量結合プラズマにおける原子状水素ラインの大幅なドップラー広がり),”J.Phys.D,Applied Physics,Vol.42,(2009),42 135207(2009)doi:10.1088/0022−3727/42/13/135207]。前記の水素からの高エネルギー連続放射の発見は、水素がより安定した形を形成するにつれて、ハイドリノがダークマターおよび、その対応の放射が高エネルギーの天体と恒星の連続放射の源であることを同定するための候補となるといった天体物理学的な意味がある[R.L.Mills,Y.Lu,“Hydrino continuum transitions with cutoffs at 22.8 nm and 10.1 nm(22.8nmと10.1nmでのカットオフを伴ったハイドリノ連続遷移),”Int.J.Hydrogen Energy,35(2010),pp.8446−8456,doi:10.1016/j.ijhydene.2010.05.098]。最近の天体測定およびマッピングによると、ダークマターは宇宙の質量の98%を含み、至る所に存在する。さらに、ダークマターは、銀河衝突の残骸からの大量の重力体のの再構築によって宇宙内にあることが示されており、ここでこれらの重力体の力学は大量の目に見えない重力的物質を必要とする[F.Bournaud,P.A.Duc,E.Brinks,M.Boquien,P.Amram,U.Lisenfeld,B.Koribalski,F.Walter,V.Charmandaris,“Missing mass in collisional debris from galaxies(銀河系からの衝突の残骸で行方が分からない質量),”Science,Vol.316,(2007),pp.1166−1169;B.G.Elmegreen,“Dark matter in galactic collisional debris(銀河衝突の残骸におけるダークマター),”Science,Vol.316,(2007),pp.32−33]。そして、ダークマターは衝突することが下記で示されている:[M.J.Jee,A.Mahdavi,H.Hoekstra,A.Babul,J.J.Dalcanton,P.Carroll,P.Capak,“A study of the dark core in A520 with the Hubble Space Telescope: The mystery deepens(ハッブル宇宙望遠鏡を使ってのA520のダーク核の研究−謎の深まり),”Astrophysical J.,Vol.747,No.96,(2012),pp.96−103]。このように、ダークマターは、ここで示されるハイドリノの回収と分析的な同定のためのゲッターとして機能することが発見された化合物の分析で確認されたように、地球の至る所に存在することが予想される。
Claims (25)
- 電気及び熱エネルギーの少なくとも1つを発生する、大気に対して閉鎖された容器を備える、電気化学パワーシステムにおいて、その容器は、
少なくとも1つのカソードと、
少なくとも1つのアノードと、
少なくとも1つのバイポーラープレートと、及び
分離した電子の流れ及びイオン質量輸送と共にセル・オペレーションの間にハイドリノ反応物を構成する反応物と、ここで、その反応物は、
a)H2Oの少なくとも1つの源、
b)nH、OH、OH−、発生期のH2O、H2S、又はMNH2(nは整数で、Mはアルカリ金属)から選ばれる群の少なくとも1つを含む、少なくとも1つの触媒又は触媒の源、及び
c)少なくとも1つの原子状水素又は原子状水素の源、
から選ばれる少なくとも2つの要素を含み、
触媒の源、触媒、原子状水素の源、及び原子状水素の中の少なくとも1つを形成する1又はそれ以上の反応物と、
原子状水素の触媒反応を開始する1又はそれ以上の反応物と、及び
支持体と、を含み、
カソード、アノード、反応物、及びバイポーラ−プレートの組合せが、原子状水素の触媒反応の伝播を可能にするように、各カソード及び対応するアノードの間の化学ポテンシャルを維持し、そして、
電気分解システムを更に含むシステム。 - 前記電気分解システムが原子状水素又は原子状水素の源を提供するようにH2Oを断続的に電気分解し、及び、サイクルの正味のエネルギーバランスにおいてゲインがあるようにセルを放電する、請求項1に記載の電気化学パワーシステム。
- 前記反応物が、
少なくとも1つの溶融水酸化物;
少なくとも1つの共晶塩混合物;
溶融水酸化物及び少なくとも1つの他の化合物の少なくとも1つの混合物;
溶融水酸化物及び塩の少なくとも1つの混合物;
溶融水酸化物及びハロゲン化物塩の少なくとも1つの混合物;
アルカリ性水酸化及びアルカリハライドの少なくとも1つの混合物;
LiOH−LiBr、LiOH−LiX、NaOH−NaBr、NaOH−NaI、NaOH−NaX、及び、KOH−KX(Xはハロゲン),
少なくとも1つのマトリックス、及び
少なくとも1つの添加剤、から選ばれる少なくとも1つの電解質を含む、請求項1の電気化学パワーシステム。 - 更にヒータを含む、請求項1の電気化学パワーシステム。
- 前記電解質の融点を超えるセル温度が、約0から1500℃だけ融点より高い、約0から1000℃だけ融点より高い、約0から500℃だけ融点より高い、0から約250℃だけ融点より高い、及び、約0から100℃だけ融点より高い、から選ばれる少なくとも1つの範囲にある、請求項1の電気化学パワーシステム。
- 前記マトリックスが、
オキシアニオン化合物、アルミン酸塩、タングステン酸塩、ジルコン酸塩、チタン酸塩、硫酸塩、リン酸塩、炭酸塩、硝酸塩、クロム酸塩、及び、マンガン酸塩、酸化物、ニトリド、ホウ化物、カルコゲニド、ケイ化物、リン化物、及び、炭化物、金属、金属酸化物、非金属、及び、非金属酸化物;
アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、及び土類金属、及び、Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge、及びBの酸化物、及び、酸化物又はオキシアニオンを形成する他の元素;
アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、及び土類金属、及び、Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge、及びBの1つのような少なくとも1つの酸化物、及び、酸化物又はオキシアニオンを形成し、及び、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、及び希土類金属、及びAl、Ga、In、Sn、及びPbのカチオンの群からの少なくとも1つのカチオンを更に含む他の元素、
LiAlO2、MgO、Li2TiO3、又はSrTiO3;
アノード材料の酸化物及び電解質の化合物;
電解質のカチオン及び酸化物の少なくとも1つ;
電解質MOH(M=アルカリ)の酸化物;
Mo、Ti、Zr、Si、Al、Ni、Fe、Ta、V、B、Nb、Se、Te、W、Cr、Mn、Hf、Co、及びM’(M’はアルカリ土類金属を表す)の群からの元素、金属、合金、又は混合物を含む電解質の酸化物;
MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO若しくは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、及びMgO;
カソード材料の酸化物及びオプションとして電解質の酸化物;
Li2MoO3若しくはLi2MoO4、Li2TiO3、Li2ZrO3、Li2SiO3、LiAlO2、LiNiO2、LiFeO2、LiTaO3、LiVO3、Li2B4O7、Li2NbO3、Li2SeO3、Li2SeO4、Li2TeO3、Li2TeO4、Li2WO4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2MnO4、Li2HfO3、LiCoO2、及びM’O(M’はアルカリ土類金属を表す)、及びMgO;
前記アノードの元素又は同じ群の元素の酸化物、及び、Li2MoO4、MoO2、Li2WO4、Li2CrO4、及び、Moアノードに関するLi2Cr2O7,及び
添加剤が、S、Li2S、酸化物、MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO若しくはFe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、CrO3、MgO、TiO2、Li2TiO3、LiAlO2、Li2MoO3若しくはLi2MoO4、Li2ZrO3、Li2SiO3、LiNiO2、LiFeO2、LiTaO3、LiVO3、Li2B4O7、Li2NbO3、Li2SeO3、Li2SeO4、Li2TeO3、Li2TeO4、Li2WO4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2MnO3、又はLiCoO2、MnO、及びCeO2の少なくとも1つを含むが、
上述のものの少なくとも1つを含む、請求項1の電気化学パワーシステム。 - 以下の反応の少なくとも1つのが起きる、請求項1の電気化学パワーシステム。
a)H及びH2の少なくとも1つがH2Oの電気分解から放電アノードで形成される。
b)O及びO2の少なくとも1つがH2Oの電気分解から放電カソードで形成される。
c)水素触媒が反応混合物の反応によって形成される。そして、
d)ハイドリノが電気的パワー及び熱的パワーの少なくとも1つを生産するように放電の間に形成される。 - 以下の反応の少なくとも1つのが起きる、請求項1の電気化学パワーシステム。
a)OH−が酸化され、Hと反応して、ハイドリノ触媒として機能する発生期のH2Oを形成する。
b)OH−が酸化されて酸素イオン及びHになる。
c)酸素イオン、酸素、及びH2Oの少なくとも1つが放電カソードで還元される。
d)H及び発生期のH2O触媒が反応してハイドリノを形成する。そして、
e)ハイドリノが、電気的パワー及び熱的パワーの少なくとも1つを生産するように放電の間に形成される。 - OH−の酸化、並びに、酸素イオン、酸素、及びH2Oの少なくとも1つの還元の少なくとも1つの反応が、断続的な電気分解の電気分解フェーズの間の経時的な電流を超える経時的な電流を生産するようにセル放電の間に起きる、請求項1の電気化学パワーシステム。
- アノード半電池反応が、
OH−+2H→H2O+e−+H(1/4)
であり、H2O触媒及びe−を形成するためのOH−と第1のHとの反応が、第2のHのハイドリノへとのH2Oの触媒反応と協調される、請求項1の電気化学パワーシステム。 - 放電アノード半電池反応が、
標準水素電極に相対する、作動温度に対して熱力学的に補正された約1.2ボルト、及び
標準水素電極及び25℃に相対する、約1.5Vから0.75V、1.3Vから0.9V、及び1.25Vから1.1Vの範囲の少なくとも1つの範囲内の電圧、の少なくとも1つの電圧を持ち、及び、
カソード半電池反応が、
作動温度に対して熱力学的に補正された約0V、及び
標準水素電極及び25℃に相対する、約−0.5Vから+0.5V、−0.2Vから+0.2V、及び−0.1Vから+0.1Vの範囲の少なくとも1つ内にある電圧、の少なくとも1つの電圧を持つ、請求項1の電気化学パワーシステム。 - カソードがNiOを含み、アノードがNi、Mo、H242合金、及びカーボンの少なくとも1つを含み、及びバイメタルの接合が、アノードのものとは異なる金属である、ハステロイ、Ni、Mo、及びH242の少なくとも1つを含む、請求項1の電気化学パワーシステム。
- バイポーラ−プレートが、アノード及びカソードを分離するバイメタルの接合を含むところ、セルの少なくとも1つのスタックを含む、請求項1の電気化学パワーシステム。
- セルがH2Oを供給され、H2O蒸気が、約0.001 Torrから100 atm、約0.001 Torrから0.1 Torr、約0.1 Torrから1 Torr、約1 Torr から10 Torr、約10 Torrから100 Torr、約100 Torrから1000 Torr、及び約1000 Torrから100 atmから選ばれる少なくとも1つの範囲内の圧力にあり、
少なくとも大気圧を達成できるような圧力の均衡が、希ガス及びN2の少なくとも1つを含む適用される不活性ガスによって提供される、請求項1の電気化学パワーシステム。 - そのシステムにH2Oを供給するための水蒸気発生器を更に備える、請求項1の電気化学パワーシステム。
- セルが、充電及び放電フェーズの間を断続的にスイッチングされ、
(i)充電フェーズが、逆の電圧極性の電極で水の電気分解を少なくとも含み、そして、(ii)放電フェーズが一方又は両方の電極でのH2O触媒の形成を少なくとも含み、
(i)充電及び放電フェーズの間で行ったり来たりとスイッチングする際に、カソード又はアノードとして各セルの各電極の役割が、逆転し、(ii)充電及び放電フェーズの間で行ったり来たりとスイッチングする際に、電流極性が逆転し、
充電が、印加された電流及び電圧の少なくとも1つの印加を含む、請求項1の電気化学パワーシステム。 - 印加される電流及び電圧の少なくとも1つが、
約0.001%から約95%の範囲内でのデューティサイクル;
約0.1Vから10Vの範囲内の、セルあたりのピーク電圧;
約0.001W/cm2から1000W/cm2の、セルあたりのピークパワー密度;及び
約0.0001W/cm2から100W/cm2の範囲内の平均パワー;を含む、波形を持ち、
印加される電流及び電圧は、更に、直流電圧、直流電流、及び、波形が約1から約1000Hzの範囲内の頻度を含んでいる交流電流及び電圧波形、の少なくとも1つ、を含む、請求項16の電気化学パワーシステム。 - 断続的なサイクルは、断続的なサイクルの電気分解及び放電フェーズの少なくとも1つのために、定電流、パワー、電圧、及び抵抗、可変電流、パワー、電圧、及び抵抗、の少なくとも1つを含み、そのサイクルの少なくとも1つのフェーズのためのパラメータは、
断続的なフェーズの頻度が、約0.001Hzから10MHz、約0.01Hzから100kHz、及び約0.01Hzから10kHzから選ばれる少なくとも1つの範囲にあり、
セルあたりの電圧が、約0.1Vから100V、約0.3Vから5V、約0.5Vから2V、及び約0.5Vから1.5Vから選ばれる少なくとも1つの範囲にあり、
ハイドリノを形成するように活性な電極面積あたりの電流が、約1μAcm−2から10Acm−2、約0.1mAcm−2から5Acm−2、及び約1mAcm−2から1Acm−2から選ばれる少なくとも1つの範囲にあり、
ハイドリノを形成するように活性な電極面積あたりのパワーが、約1μWcm−2から10Wcm−2、約0.1mWcm−2から5Wcm−2、及び約1mWcm−2から1Wcm−2から選ばれる少なくとも1つの範囲にあり、
ハイドリノを形成するように活性な電極面積あたり定電流が、約1μAm−2から1Acm−2の範囲にあり、
ハイドリノを形成するように活性な電極面積あたり定パワーが、約1mWcm−2から1Wcm−2の範囲にあり、
時間間隔が、約10−4sから10,000s、10−3sから1000s、及び10−2sから100s、及び10−1sから10sから選ばれる少なくとも1つの範囲にあり、
セルあたりの抵抗が、約1mΩから100MΩ、約1Ωから1MΩ、及び10オームから1kΩから選ばれる少なくとも1つの範囲にあり、
ハイドリノを形成するように活性な電極面積あたりの好適な負荷の導電率が、約10−5から1000Ω−1cm−2、10−4から100Ω−1cm−2、10−3から10Ω−1cm−2、及び10−2から1Ω−1cm−2から選ばれる少なくとも1つの範囲にあり、
放電電流、電圧、パワー、又は時間間隔の少なくとも1つは、サイクルに渡ってのパワー又はエネルギーのゲインの少なくとも1つを生じる電気分解フェーズのそれよりも大きい、
ということを含む、請求項17の電気化学パワーシステム。 - 放電の間の電圧が、アノードが過度に腐食することを防止できるものよりも上に維持される、請求項1の電気化学パワーシステム。
- 触媒形成反応が、次の式で与えられ、
O2+5H++5e−→2H2O+H(1/p);
対半電池反応が次の式で与えられ、
H2→2H++2e−; 及び
全反応が、次の式で与えられる、請求項1の電気化学パワーシステム。
3/2H2+1/2O2→H2O+H(1/p)。 - 以下の生成物の少なくとも1つが水素から形成される、請求項1の電気化学パワーシステム。
a)0から2000cm−1の範囲内に、マトリックスシフトを加えて、0.23から0.25の整数倍でラマンピークを持つ水素生成物。
b)0から2000cm−1の範囲内に、マトリックスシフトを加えて、0.23から0.25の整数倍で赤外のピークを持つ水素生成物。
c)0から10eVの範囲内に、マトリックスシフトを加えて、500から525eVの範囲内のエネルギーでX線光電子分光スペクトルピークを持つ水素生成物。
d)高磁場側のMAS NMRマトリックスシフトを引き起こす水素生成物。
e)TMSに相対して−5ppmよりも大きい高磁場側MAS NMR又は液体NMRシフトを持つ水素生成物。
f)0から5000cm−1の範囲内に、マトリックスシフトを加えて、0.23から0.3cm−1の整数倍のスペースを持つ200から300nmの範囲内に少なくとも2つの電子ビーム発光スペクトルピークを持つ水素生成物。
g)0から5000cm−1の範囲内に、マトリックスシフトを加えて、0.23から0.3cm−1の整数倍のスペースを持つ200から300nmの範囲内に少なくとも2つのUV蛍光発光スペクトルピークを持つ水素生成物。 - 水素透過電極を含む水素アノードと;
水酸化物を含む溶融塩電解質と;及び
O2及びH2Oカソードの少なくとも1つと、を備え、
水素透過状態にある膜及び溶融状態の電解質の少なくとも1つを維持するセル温度が、約25から2000℃、約100から1000℃、約200から750℃、及び約250から500℃から選ばれる少なくとも1つの範囲内であり、
約0から1500℃だけ融点より高い、0から1000℃だけ融点より高い、0から500℃だけ融点より高い、0から250℃だけ融点より高い、及び0から100℃だけ融点より高い、のうち少なくとも1つの範囲にある、電解質の融点より上のセル温度;
膜厚が、約0.0001から0.25cm、0.001から0.1cm、及び0.005から0.05cmから選ばれる少なくとも1つの範囲にあり、
水素圧力が、約1Torrから500atm、10Torrから100atm、及び100Torrから5atmから選ばれる少なくとも1つの範囲に維持され、
水素透過速度が、約1X10−13mole・s−1・cm−2から1X10−4mole・s−1・cm−2、1X10−12mole・s−1・cm−2から1X10−5mole・s−1・cm−2、1X10−11mole・s−1・cm−2から1X10−6mole・s−1・cm−2、1X10−10mole・s−1・cm−2から1X10−7mole・s−1・cm−2、及び1X10−9mole・s−1・cm−2から1X10−8mole・s−1・cm−2から選ばれる少なくとも1つの範囲にある、請求項1の電気化学パワーシステム。 - 水素スパージング電極を含む水素アノードと;
水酸化物を含む溶融塩電解質と;及び
O2及びH2Oカソードの少なくとも1つと;を含み、
溶融状態の電解質を維持するセル温度が、約0から1500℃だけ融点より高い、0から1000℃だけ融点より高い、0から500℃だけ融点より高い、0から250℃だけ融点より高い、及び0から100℃だけ融点より高いから選ばれる少なくとも1つの範囲にあり;
H2バブリング又はスパージング電極の幾何学上の面積あたりの水素流速度が、約1X10−13mole・s−1・cm−2から1X10−4mole・s−1・cm−2、1X10−12mole・s−1・cm−2から1X10−5mole・s−1・cm−2、1X10−11mole・s−1・cm−2から1X10−6mole・s−1・cm−2、1X10−10mole・s−1・cm−2から1X10−7mole・s−1・cm−2、及び1X10−9mole・s−1・cm−2から1X10−8mole・s−1・cm−2から選ばれる少なくとも1つの範囲にあり、
対電極での反応の速度が、水素が反応する電極での速度に、一致又はその速度を超え、
H2O及びO2の少なくとも1つの還元速度が、H又はH2の反応速度を維持するのに十分であり、
対電極が、十分な速度を支持するだけ十分な材料及び表面を持つ、請求項1の電気化学パワーシステム。 - 熱的なエネルギーを発生するパワーシステムであって、
大気圧の、大気圧より上の、大気圧より下の、少なくとも1つの圧力を可能にする少なくとも1つの容器と、
少なくとも1つのヒータと、
ハイドリノ反応物を構成する反応物と、ここで、該反応物は、
a)発生期のH2Oを含む触媒又は触媒の源、
b)原子状水素の源又は原子状水素、
c)触媒の源、触媒、原子状水素の源、原子状水素の少なくとも1つを形成する反応物、を含み、そして、
反応物の混合及び加熱の少なくとも1つをすると反応が起きるところ、原子状水素の触媒反応を開始する1又はそれ以上の反応物と、を含むパワーシステム。 - 触媒の源、触媒、原子状水素の源、及び原子状水素の少なくとも1つを形成する反応は、
脱水反応;
燃焼反応;
ルイス酸又は塩基及びブレンステッド・ローリーの酸又は塩基の反応;
酸化物ベースの反応;
酸無水物ベースの反応;
酸ベースの反応;
塩基−活性金属の反応;
酸化−還元反応;
分解反応;
交換反応,及び
少なくとも1つのOHを持つ化合物と、ハライド、O、S、Se、Te、NH3との交換反応;
Oを含む化合物の水素還元反応,から選ばれる少なくとも1つの反応を含み、
Hの源が、反応物が反応を受けるときに形成される発生期のH、及び水素化物又はガス源及び解離剤からの水素の少なくとも1つのである、請求項24のパワーシステム。
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