JP2017174818A - Cihtパワー・システム - Google Patents
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Abstract
【課題】ハイドリノ反応から開放されるエネルギの電気への直接的な変換が可能となる、固体燃料反応混合物の提供。
【解決手段】水酸化カルシウムおよび炭酸塩(炭酸リチウム)を含む。より低いエネルギ(ハイドリノ)状態への水素の触媒反応から、起電力(EMF)を発生する電気化学的パワーシステムに利用される。
【選択図】図1
【解決手段】水酸化カルシウムおよび炭酸塩(炭酸リチウム)を含む。より低いエネルギ(ハイドリノ)状態への水素の触媒反応から、起電力(EMF)を発生する電気化学的パワーシステムに利用される。
【選択図】図1
Description
関連特許出願への相互参照
本願は、2012年5月21日に出願の米国仮出願番号第61/649,606号、2012年7月13日に出願の米国仮出願番号第61/671,348号、2012年8月27日に出願の米国仮出願番号第61/693,462号、2012年10月2日に出願の米国仮出願番号第61/708,869号、2012年10月26日に出願の米国仮出願番号第61/718,959号、2013年3月14日に出願の米国仮出願番号第61/783,698号、及び、2013年5月10日に出願の米国仮出願番号第61/821,594号の優先権の利益を主張し、それら全てはここにおいて参照され組み込まれる。
本願は、2012年5月21日に出願の米国仮出願番号第61/649,606号、2012年7月13日に出願の米国仮出願番号第61/671,348号、2012年8月27日に出願の米国仮出願番号第61/693,462号、2012年10月2日に出願の米国仮出願番号第61/708,869号、2012年10月26日に出願の米国仮出願番号第61/718,959号、2013年3月14日に出願の米国仮出願番号第61/783,698号、及び、2013年5月10日に出願の米国仮出願番号第61/821,594号の優先権の利益を主張し、それら全てはここにおいて参照され組み込まれる。
開示された実施例の概要
本開示は、電圧及び電気及び熱エネルギーの少なくとも1つを発生する電気化学的パワー・システムに関する。ここで、電気化学的パワー・システムは、容器を含み、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・プレート、及び、分離した電子流れ及びイオン質量輸送を持つセル・オペレーションの間のハイドリノ反応物を構成する反応物を含む。その反応物は、a)少なくともH2Oの1つの源、b)酸素の源、c)nH、O、O2、OH、OH−、及び、発生期のH2O(ここで、nは整数)から選択されるグループの少なくとも1つを含む触媒又は触媒の源の少なくとも1つ、及び、d)原子水素又は原子水素の源の少なくとも1つ、原子水素、原子水素の源、触媒、触媒の源の少なくとも1つを形成する1又はそれ以上の反応物、及び原子水素の触媒作用を開始させる1又はそれ以上の反応物、から選択される少なくとも2つの構成要素(component)を含む。実施例において、カソード、アノード、反応物、及び、バイポーラ・プレートの組合せは、各カソード及び対応するアノードの間の電圧又は化学ポテンシャルを維持するように、繁殖するハイドリノを形成する原子水素の触媒反応を許す。そして、システムは更に電解システムを含む。実施例において、電気化学的パワー・システムは、酸素及びH2Oの少なくとも1つがカソードに供給され、H2がアノードに供給されるところ、水素透過性のアノード、ガス拡散電極、及び、多孔性電極の少なくとも1つを含む。電気化学的パワー・システムは、水素透過性のアノードを含む少なくとも1つの表面を持つ閉じられた水素リザーバ及び水素化されたアノードの少なくとも1つを含むかもしれない。電気化学的パワー・システムは、直列又は並列の様式の少なくとも1つにおいて電気的に接続されるセルのスタック(a stack of cells)のユニットを含む対カソード(counter cathodes)を持つ背中合わせの水素透過性のアノードを含むかもしれない。実施例において、電気化学的パワー・システムは、電極に接続されるガス・チャネル(gas channels)、ガス・ライン、及びマニホールドを各々含むガス供給システムの少なくとも1つを更に含む。実施例において、電気化学的パワー・システム・カソードは、その周辺に相対してセルの中央に向かってH2O及びO2の少なくとも1つを輸送する多孔性の層、多孔性の電極、及び周りのミシン目を持つ放射状のガス・チャネル(gas channels)及びキャピラリー・システム(capillary system)の少なくとも1つを含む。水素透過性のアノードは、Coテープ・キャスト(Tape cast)、Niテープ・キャスト(Tape cast)、Moテープ・キャスト(Tape cast)、Mo、Mo合金、MoNi、MoCu、TZM、H242、Ni、Co、Ni合金、NiCo、及び他の遷移金属及び内部遷移金属及び合金、及びCuCoの少なくとも1つを含むかもしれない。透過性のアノードへ供給される水素圧力は、約1Torrから500atm、10Torrから100atm、及び100Torrから5atmの少なくとも1つの範囲内で維持されるかもしれず、水素透過速度は、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の少なくとも1つの範囲内であるかもしれない。実施例において、水素透過性のアノードは、ハイドリノを形成する原子水素の触媒反応を促進することにおいて効果的である材料でコートされた高い透過性の膜を含む。水素透過性のアノードのコーティング材料は、Mo、Mo合金、MoNi、MoCu、MoCo、MoB、MoC、MoSi、MoCuB、MoNiB、MoSiB、Co、CoCu、CoNi、及びNiの少なくとも1つのを含むかもしれず、H透過性の材料は、Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)、Ta(H2)、ステンレス鋼(SS)、及び430SS(H2)の少なくとも1つのを含むかもしれない。実施例において、電気化学的パワーシステムの電解システムは、断続的に、原子水素又は原子水素の源を供給するためにH2Oを電解し、そして、サイクルの正味のエネルギー・バランスにおいてゲイン(gain)があるようにセルを放電する。実施例において、電気化学的パワー・システムの反応物は、少なくとも1つの融解した水酸化物、少なくとも1つの共晶塩混合物、融解した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、融解した水酸化物及び塩の少なくとも1つの混合物、融解した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、本開示の固体燃料を含む電解質添加剤、アルカリ性水酸化物(alkaline hydroxide)及びアルカリハライド(alkaline halide)の少なくとも1つの混合物、アルカリ土類・遷移金属又はBi水酸化物添加剤の少なくとも1つ、Ni(OH)2、Co(OH)2、Cu(OH)2、Ca(OH)2及びBi(OH)3の少なくとも1つを含む添加剤、LiOH−LiBr、LiOH−NaOH、LiOH−LiBr−NaOH、LiOH−LiX−NaOH、LiOH−LiX、NaOH−NaBr、NaOH−NaI、NaOH−NaX、及びKOH−KX(Xはハロゲン)から選択される少なくとも1つの電解質、少なくとも1つのマトリクス、及び少なくとも1つの添加剤、を含む。その添加剤は、陽極[アノード]腐食生成物の少なくとも1つの共通イオンの源である化合物を含み、ここで対応する共通イオン効果は、アノードが腐食することを少なくとも部分的に防ぐ。共通イオンの源は、CoO、NiO、及びMoO2の少なくとも1つの形成を防止するかもしれない。実施例において、その添加剤は、アニオン及びアノードの金属カチオン、水酸化物、ハライド、酸化物、硫酸塩、リン酸塩、硝酸塩、炭酸塩、クロム酸、過塩素酸塩、及び過ヨウ素酸塩を含む化合物、及び、マトリクス及び酸化物、コバルト・マグネシウム・オキサイド(cobalt magnesium oxide)、ニッケル・マグネシウム・オキサイド(nickel magnesium oxide)、銅マグネシウム・オキサイド(copper magnesium oxide)、CuO、CrO4、ZnO、MgO、CaO、MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO若しくはFe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、P2O3、P2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、及びaCrO3を含む化合物、の少なくとも1つを含む。実施例において、電解質は、水溶性であり、アルカリ及び電解質のpH及びセル電圧の少なくとも1は、アノードの達成された安定性に合わせて制御される。断続的な電気分解及び放電の間のセルあたりのセル電圧は、アノードが実質的に酸化されないようなポテンシャルより高く維持されるかもしれない。
本開示は、電圧及び電気及び熱エネルギーの少なくとも1つを発生する電気化学的パワー・システムに関する。ここで、電気化学的パワー・システムは、容器を含み、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・プレート、及び、分離した電子流れ及びイオン質量輸送を持つセル・オペレーションの間のハイドリノ反応物を構成する反応物を含む。その反応物は、a)少なくともH2Oの1つの源、b)酸素の源、c)nH、O、O2、OH、OH−、及び、発生期のH2O(ここで、nは整数)から選択されるグループの少なくとも1つを含む触媒又は触媒の源の少なくとも1つ、及び、d)原子水素又は原子水素の源の少なくとも1つ、原子水素、原子水素の源、触媒、触媒の源の少なくとも1つを形成する1又はそれ以上の反応物、及び原子水素の触媒作用を開始させる1又はそれ以上の反応物、から選択される少なくとも2つの構成要素(component)を含む。実施例において、カソード、アノード、反応物、及び、バイポーラ・プレートの組合せは、各カソード及び対応するアノードの間の電圧又は化学ポテンシャルを維持するように、繁殖するハイドリノを形成する原子水素の触媒反応を許す。そして、システムは更に電解システムを含む。実施例において、電気化学的パワー・システムは、酸素及びH2Oの少なくとも1つがカソードに供給され、H2がアノードに供給されるところ、水素透過性のアノード、ガス拡散電極、及び、多孔性電極の少なくとも1つを含む。電気化学的パワー・システムは、水素透過性のアノードを含む少なくとも1つの表面を持つ閉じられた水素リザーバ及び水素化されたアノードの少なくとも1つを含むかもしれない。電気化学的パワー・システムは、直列又は並列の様式の少なくとも1つにおいて電気的に接続されるセルのスタック(a stack of cells)のユニットを含む対カソード(counter cathodes)を持つ背中合わせの水素透過性のアノードを含むかもしれない。実施例において、電気化学的パワー・システムは、電極に接続されるガス・チャネル(gas channels)、ガス・ライン、及びマニホールドを各々含むガス供給システムの少なくとも1つを更に含む。実施例において、電気化学的パワー・システム・カソードは、その周辺に相対してセルの中央に向かってH2O及びO2の少なくとも1つを輸送する多孔性の層、多孔性の電極、及び周りのミシン目を持つ放射状のガス・チャネル(gas channels)及びキャピラリー・システム(capillary system)の少なくとも1つを含む。水素透過性のアノードは、Coテープ・キャスト(Tape cast)、Niテープ・キャスト(Tape cast)、Moテープ・キャスト(Tape cast)、Mo、Mo合金、MoNi、MoCu、TZM、H242、Ni、Co、Ni合金、NiCo、及び他の遷移金属及び内部遷移金属及び合金、及びCuCoの少なくとも1つを含むかもしれない。透過性のアノードへ供給される水素圧力は、約1Torrから500atm、10Torrから100atm、及び100Torrから5atmの少なくとも1つの範囲内で維持されるかもしれず、水素透過速度は、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の少なくとも1つの範囲内であるかもしれない。実施例において、水素透過性のアノードは、ハイドリノを形成する原子水素の触媒反応を促進することにおいて効果的である材料でコートされた高い透過性の膜を含む。水素透過性のアノードのコーティング材料は、Mo、Mo合金、MoNi、MoCu、MoCo、MoB、MoC、MoSi、MoCuB、MoNiB、MoSiB、Co、CoCu、CoNi、及びNiの少なくとも1つのを含むかもしれず、H透過性の材料は、Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)、Ta(H2)、ステンレス鋼(SS)、及び430SS(H2)の少なくとも1つのを含むかもしれない。実施例において、電気化学的パワーシステムの電解システムは、断続的に、原子水素又は原子水素の源を供給するためにH2Oを電解し、そして、サイクルの正味のエネルギー・バランスにおいてゲイン(gain)があるようにセルを放電する。実施例において、電気化学的パワー・システムの反応物は、少なくとも1つの融解した水酸化物、少なくとも1つの共晶塩混合物、融解した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、融解した水酸化物及び塩の少なくとも1つの混合物、融解した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、本開示の固体燃料を含む電解質添加剤、アルカリ性水酸化物(alkaline hydroxide)及びアルカリハライド(alkaline halide)の少なくとも1つの混合物、アルカリ土類・遷移金属又はBi水酸化物添加剤の少なくとも1つ、Ni(OH)2、Co(OH)2、Cu(OH)2、Ca(OH)2及びBi(OH)3の少なくとも1つを含む添加剤、LiOH−LiBr、LiOH−NaOH、LiOH−LiBr−NaOH、LiOH−LiX−NaOH、LiOH−LiX、NaOH−NaBr、NaOH−NaI、NaOH−NaX、及びKOH−KX(Xはハロゲン)から選択される少なくとも1つの電解質、少なくとも1つのマトリクス、及び少なくとも1つの添加剤、を含む。その添加剤は、陽極[アノード]腐食生成物の少なくとも1つの共通イオンの源である化合物を含み、ここで対応する共通イオン効果は、アノードが腐食することを少なくとも部分的に防ぐ。共通イオンの源は、CoO、NiO、及びMoO2の少なくとも1つの形成を防止するかもしれない。実施例において、その添加剤は、アニオン及びアノードの金属カチオン、水酸化物、ハライド、酸化物、硫酸塩、リン酸塩、硝酸塩、炭酸塩、クロム酸、過塩素酸塩、及び過ヨウ素酸塩を含む化合物、及び、マトリクス及び酸化物、コバルト・マグネシウム・オキサイド(cobalt magnesium oxide)、ニッケル・マグネシウム・オキサイド(nickel magnesium oxide)、銅マグネシウム・オキサイド(copper magnesium oxide)、CuO、CrO4、ZnO、MgO、CaO、MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO若しくはFe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、P2O3、P2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、及びaCrO3を含む化合物、の少なくとも1つを含む。実施例において、電解質は、水溶性であり、アルカリ及び電解質のpH及びセル電圧の少なくとも1は、アノードの達成された安定性に合わせて制御される。断続的な電気分解及び放電の間のセルあたりのセル電圧は、アノードが実質的に酸化されないようなポテンシャルより高く維持されるかもしれない。
本開示は、更に、熱エネルギーを発生するパワー・システムに関し、そのパワー・システムは、大気圧、大気圧より上、及び大気圧より下の少なくとも1つの圧力が可能な少なくとも1つの容器と;少なくとも1つのヒータ、a)発生期のH2Oを含む触媒又は触媒の源、b)原子水素又は原子水素の源、c)原子水素、原子水素の源、触媒、及び触媒の源の少なくとも1つを形成するハロゲン化物化合物(halide compound)及び水酸化物化合物(hydroxide compound)を含む反応物と;及び原子水素の触媒反応を開始させる1又はそれ以上の反応物(ここで、その反応は、反応物を混合及び加熱することの少なくとも1つをしたときに起きるが)と;を含む。水酸化物化合物(hydroxide compound)及びハロゲン化物化合物(halide compound)の少なくとも1つは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、及び希土類金属と、Al、Ga、In、Sn、Pb、Bi、Cd、Cu、Co、Mo、及びNiと、Sb、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、及びZnとの少なくとも1つを含む。実施例において、反応物は、反応物を再生するために生成物と反応するH2Oの源を更に含む。
本開示は、大気から閉じられた容器を含む熱エネルギー及び電気の少なくとも1つをを生成する電気化学的パワー・システムに関する。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・プレート、及び、分離した電子流れ及びイオン質量輸送を持つセル・オペレーションの間のハイドリノ反応物を構成する反応物を含む。その反応物は、a)少なくともH2Oの1つの源、b)nH、OH、OH−、発生期のH2O、H2S、又はMNH2(ここで、nは整数であり、Mはアルカリ金属である)から選択されるグループの少なくとも1つを含む触媒又は触媒の源の少なくとも1つ、及び、c)原子水素又は原子水素の源の少なくとも1つ、原子水素、原子水素の源、触媒、触媒の源の少なくとも1つを形成する1又はそれ以上の反応物、及び原子水素の触媒作用を開始させる1又はそれ以上の反応物、及び、支持体(support)から選択される少なくとも2つの構成要素(component)を含む。ここで、カソード、アノード、反応物、及びバイポーラ・プレートの組合せは、原子水素の触媒反応が伝播するのを許すように、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する。そのシステムは、更に電解システムを含む。実施例において、電気化学的パワーシステムの電解システムは、断続的に、原子水素又は原子水素の源を供給するためにH2Oを電解し、そして、サイクルの正味のエネルギー・バランスにおいてゲイン(gain)があるようにセルを放電する。反応物は、少なくとも1つの融解した水酸化物、少なくとも1つの共晶塩混合物、融解した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、融解した水酸化物及び塩の少なくとも1つの混合物、融解した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、アルカリ性水酸化物(alkaline hydroxide)及びアルカリハライド(alkaline halide)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はハロゲンを表す)から選択される少なくとも1つの電解質、少なくとも1つのマトリクス、及び少なくとも1つの添加、剤を含む。電気化学的パワー・システムは、更にヒータを含むかもしれない。電解質融点を超える電気化学的パワー・システムのセル温度は、融点より約0から1500℃高い範囲、融点より約0から1000℃高い範囲、融点より約0から500℃高い範囲、融点より約0から250℃高い範囲、融点より約0から100℃高い範囲、から選択される少なくとも1つの範囲の内にあってよい。実施例において、電気化学的パワーシステムのマトリクスは、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、窒化物、ホウ化物、カルコゲニド、シリサイド、リン化物、及び炭化物、金属、金属酸化物、非金属、及び非金属酸化物と;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、及び酸化物又はオキシアニオンを形成する他の元素の酸化物と;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、及び、酸化物及びオキシアニオンを形成し、更に、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、及び希土類金属のグループから少なくとも1つのカチオン、及び、Al、Ga、In、Sn、及びPbカチオンを含む他の元素の1つのような少なくとも1つの酸化物と;LiAlO2、MgO、Li2TiO3、又はSrTiO3と;アノード材料の酸化物及び電解質の化合物と;電解質の酸化物及びカチオンの少なくとも1つと;電解質MOH(M=アルカリ)の酸化物と;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)のグループの元素、金属、合金、又は混合物を含む電解質の酸化物と;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と;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と;Li2MoO3若しくはLi2MoO4、Li2TiO3、Li2ZrO3、Li2SiO3、LiAlO2、LiNiO2、LiFeO2、LiTaO3、LiVO3、Li2B4O7、Li2NbO3、Li2PO4、Li2SeO3、Li2SeO4、Li2TeO3、Li2TeO4、Li2WO4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2MnO4、Li2HfO3、LiCoO2、及びM’O(ここで、M’はアルカリ土類金属を表す)、及びMgOと;アノードの元素又は同じグループの元素の酸化物、及び、Moアノードに関するLi2MoO4、MoO2、Li2WO4、Li2CrO4、及びLi2Cr2O7と;のすくなくとも1つを含む。そして、添加物は、S、Li2S、酸化物、MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO若しくはFe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、P2O3、P2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、CrO3、MgO、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。以下の反応のうち少なくとも1つが、電気化学的パワー・システムのオペレーション中において起きる。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り形成される。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。e)OH−が、酸化され、Hと反応し、ハイドリノ触媒として機能する発生期のH2Oを形成する。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、ハイドリノを形成する。そして、i)ハイドリノが放電中に形成されて、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−の酸化の反応及び酸素イオン、酸素、及びH2Oの少なくとも1つの還元の反応の少なくとも1つが、セル放電の間に起き、断続的な電気分解の電気分解フェーズの間にそのエネルギを超えるエネルギを生産する。時間と共に放電電流は、断続的な電気分解の電気分解フェーズの間に時と共にその電流を超えるかもしれない。実施例において、アノード半電池反応は、
OH−+2H → H2O+e−+H(1/4)
であり、H2O触媒及びe−を形成するOH−との第1のHの反応は、ハイドリノになる第2のHのH2O触媒反応と協奏する。実施例において、放電アノード半電池反応は、標準水素電極に対するオペレーション温度に対して熱力学的に補償された約1.2ボルト、並びに、25℃及び標準水素電極に対する約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つにおける電圧を持ち、カソード半電池反応は、オペレーション温度に対して熱力学的に補償された約0V、並びに、25℃及び標準水素電極に対する約−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つにおける電圧を持つ。
OH−+2H → H2O+e−+H(1/4)
であり、H2O触媒及びe−を形成するOH−との第1のHの反応は、ハイドリノになる第2のHのH2O触媒反応と協奏する。実施例において、放電アノード半電池反応は、標準水素電極に対するオペレーション温度に対して熱力学的に補償された約1.2ボルト、並びに、25℃及び標準水素電極に対する約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つにおける電圧を持ち、カソード半電池反応は、オペレーション温度に対して熱力学的に補償された約0V、並びに、25℃及び標準水素電極に対する約−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つにおける電圧を持つ。
本開示の電気化学的パワー・システムの実施例において、カソードはNiOを含み、アノードはNi、Mo、H242合金、及びカーボンを含み、バイメタル接合は、アノードの金属とは異なる金属であるH242、Mo、Ni、及びハステロイの少なくとも1つを含む。電気化学的パワー・システムは、少なくとも1つのセルのスタックを含んでよいが、ここで、バイポーラ・プレートは、アノード及びカソードを分離するバイメタル接合含む。実施例において、セルはH2Oを供給されるが、ここで、H2O蒸気圧は、約0.001Torrから100atm、約0.001Torrから0.1Torr、約0.1Torrから1Torr、約1Torrから10Torr、約10Torrから100Torr、約100Torrから1000Torr、及び、約1000Torrから100atmの範囲から選択される少なくとも1つの範囲内にあり、そして、少なくとも大気圧を達成するための圧力の均衡(balance)は、希ガス及びN2の少なくとも1つを含む供給される不活性ガスによって提供される。実施例において、電気化学的パワー・システムは、そのシステムへH2Oを供給するための水蒸気発生器を含んでよい。実施例において、セルは、充電及び放電フェーズの間を断続的に切り替えられる。ここで、(i)充電フェーズは、逆の電圧極性の電極において水の電気分解を少なくとも含み、そして、(ii)放電フェーズは、その電極の1つ又は両方においてH2O触媒の形成を少なくとも含む。ここで、(i)カソード又はアノードとしての各セルの各電極の役割が充電及び放電フェーズの間で行ったり来たりして切り替えられる際に反転し、(ii)電流極性が充電及び放電フェーズの間で行ったり来たりして切り替えられる際に反転するが、ここで、充電が印加電流及び印加電圧の適用の少なくとも1つを含む。実施例において、印加電流及び印加電圧の少なくとも1つは、約0.001%から約95%の範囲における負荷サイクル(duty cycle)を含む波形と、約0.1Vから10Vの範囲内におけるセルあたりのピーク電圧と、約0.001W/cm2から1000W/cm2のピーク出力密度と、及び、約0.0001W/cm2から100W/cm2の範囲内の平均出力とを持ち、ここで、印加電流及び印加電圧は更に、約1から約1000Hzの範囲内の周波数を持つ波形であるが、交流の電流及び電圧の波形の少なくとも1つ、直流電流、及び直流電圧の少なくとも1つを含む。間欠サイクルの波形は、その間欠サイクルの電気分解及び放電フェーズの少なくとも1つに対して、変化する電流、電力、電圧、及び抵抗、並びに、一定の電流、電力、電圧、及び抵抗の少なくとも1つを含んでよい。実施例において、そのサイクルの少なくとも1のフェーズに対するパラメータは、次のものを含む。間欠フェーズの周波数が約0.001Hzから10MHz、約0.01Hzから100kHz、及び約0.01Hzから10kHzの範囲から選択される少なくとも1の範囲の内にあること。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の範囲から選択される少なくとも1の範囲の内にあること。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の範囲から選択される少なくとも1の範囲の中にあること。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力(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の範囲から選択される少なくとも1の範囲の内にあること。ハイドリノを形成するように活性な電極面積あたりの一定の電流が、約1μAcm−2から1Acm−2の範囲の内にあること。ハイドリノを形成するように活性な電極面積あたりの一定の電力(パワー)が、約1mWcm−2から1Wcm−2の範囲の内にあること。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の範囲から選択される少なくとも1つの範囲の内にあること。セルあたりの抵抗が、約1mΩから100MΩ、約1Ωから1MΩ、及び10Ωから1kΩの範囲から選択される少なくとも1つの範囲の内にあること。ハイドリノを形成するように活性な電極面積あたりの妥当な負荷の伝導率が、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、の範囲から選択される少なくとも1つの範囲の内にあること。そして、放電電流、電圧、電力(パワー)、又は時間間隔の少なくとも1つが、そのサイクルを通して電力(パワー)又はエネルギ・ゲイン(gain)の少なくとも1つを生じさせるように、電気分解フェーズのそれよりも大きいこと。放電の間の電圧は、アノードが過度に腐食されることを防止するほど上に維持されるかもしれない。
電気化学的パワー・システムの実施例において、触媒形成反応は次の式で与えられる。
O2+5H++5e− → 2H2O+H(1/p)
対向する半電池反応は次の式で与えられる。
H2 → 2H++2e−
そして、全反応は次の式で与えられる。
3/2H2+1/2O2 → H2O+H(1/p)
O2+5H++5e− → 2H2O+H(1/p)
対向する半電池反応は次の式で与えられる。
H2 → 2H++2e−
そして、全反応は次の式で与えられる。
3/2H2+1/2O2 → H2O+H(1/p)
以下の生成物の内の少なくとも1つが電気化学的パワー・システムのオペレーションの間に水素から形成されるかもしれない。それらは、a)0から2000cm−1の範囲の内にある、マトリクス・シフト(matrix shift)をプラスした0.23から0.25cm−1の整数倍におけるラマンピークを持つ水素生成物、b)0から2000cm−1の範囲の内にある、マトリクス・シフト(matrix shift)をプラスした0.23から0.25cm−1の整数倍における赤外ピークを持つ水素生成物、c)0から10eVの範囲の内にあるマトリクス・シフト(matrix shift)をプラスした、475から525eV又は257±25eV、509±25eV、506±25eV、305±25eV、490±25eV、400±25eV、又は468±25eVの範囲の内のエネルギにおけるX線光電子分光法のピークを持つ水素生成物、d)高磁場MAS NMRマトリクス・シフト(upfield MAS NMR matrix shift)を引き起こす水素生成物、e)TMSに対して−5ppmを超える、高磁場MAS NMR又は液体NMRシフト(upfield MAS NMR or liquid NMR shift)を持つ水素生成物、f)0から5000cm−1の範囲の内にあるマトリクス・シフト(matrix shift)をプラスした0.23から0.3cm−1の整数倍で、間隔を持つ200から300nmの範囲の内にある、少なくとも2つの電子ビーム発光スペクトルのピーク(electron−beam emission spectral peaks)を備える水素生成物、及び、g)0から5000cm−1の範囲の内にあるマトリクス・シフト(matrix shift)をプラスした0.23から0.3cm−1の整数倍で、間隔を持つ200から300nmの範囲の内にある、少なくとも2つのUV蛍光放射スペクトルのピーク(UV fluorescence emission spectral peaks)を備える水素生成物、である。
本開示は、更に、O2及びH2Oカソードの少なくとも1つと、水酸化物を含む溶融塩電解質と、及び水素透過性の電極を持つ水素アノードと、を含む電気化学的パワー・システムに関する。実施例において、水素透過性の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は、約25から2000℃、約100から1000℃、約200から750℃、及び、約250から500℃の範囲から選択される少なくとも1つの範囲の内にあり、融点より約0から1500℃だけ高い範囲、融点より0から1000℃だけ高い範囲、融点より0から500℃だけ高い範囲、融点より0から250℃だけ高い範囲、及び、融点より0から100℃だけ高い範囲、の少なくとも1つの範囲の内の電解質の融点を超えるセル温度であり;膜の厚みは、約0.0001から0.25cm、0.001から0.1cm、及び0.005から0.05cmの範囲から選択される少なくとも1つの範囲の内にあり;水素圧力は、約1Torrから500atm、10Torrから100atm、及び、100Torrから5atmの範囲から選択される少なくとも1つの範囲の内に維持され;水素透過速度は、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の範囲から選択される少なくとも1つの範囲の内にある。実施例において、電気化学的パワー・システムは、O2及びH2Oカソードの少なくとも1つと、水酸化物を含む溶融塩電解質と、及び水素スパージング電極(hydrogen sparging electrode)を持つ水素アノードと、を含む。実施例において、溶融状態の電解質を維持するセル温度は、融点から約0から1500℃だけより高い範囲、融点から0から1000℃だけより高い範囲、融点から0から500℃だけより高い範囲、融点から0から250℃だけより高い範囲、及び、融点から0から100℃だけより高い範囲から選択される少なくとも1の範囲の内にあり;H2バブリング(bubbling)又はスパージング(sparging)電極の幾何学的面積あたりの水素流速は、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の範囲から選択される少なくとも1つの範囲の内にあり;対向電極での反応速度は、水素が反応する電極での速度に合致する又はその速度を超えるものであり;H2O及びO2の少なくとも1つの還元速度は、H又はH2の反応速度を維持するのに十分であり;並びに、対向電極は、その十分な速度を支持するのに十分な材料及び表面積を持っている。
本開示は、更に、熱エネルギを生成するパワー・システムに関し、そのパワー・システムは、大気圧、大気圧を超える圧力、大気圧を下回る圧力の少なくとも1つの圧力が可能である少なくとも1つの容器と;少なくとも1つのヒータと;a)発生期のH2Oを含む触媒又は触媒の源、b)原子水素又は原子水素の源、及び、c)原子水素、原子水素の源、触媒、触媒の源の少なくとも1つを形成する反応物、を含むハイドリノ反応物を構成する反応物と;を含む。実施例において、原子水素、原子水素の源、触媒、触媒の源の少なくとも1つを形成するようなパワー・システムの反応は、脱水反応;燃焼反応;ルイス酸又は塩基及びプレンステッド・ラウリ酸又は塩基の反応;酸化物塩基反応(oxide−base reaction);酸無水物塩基反応(acid anhydride−base reaction);酸塩基反応(acid−base reaction);塩基性活性金属反応(base−active metal reaction);酸化還元反応(oxidation−reduction reaction);分解反応(decomposition reaction);交換反応(exchange reaction)及び少なくとも1つのOHを持つ化合物とハロゲン化物(halide)、O、S、Se、Te、NH3の交換反応(exchange reaction);及びOを含む化合物の水素還元反応から選択される少なくとも1つの反応を含む。そして、Hの源は、反応を経た時に形成される発生期のH及び水素化物又はガスの源及び解離剤(a hydride or gas source and a dissociator)からの水素の少なくとも1つである。
本開示は、更に、ハイドリノ(hydrino)反応から電気へと開放されるエネルギの直接的な変換を提供する、水素がより低いエネルギ状態(ハイドリノ)になる触媒反応から起電力(EMF)を発生させるバッテリ又は燃料電池システムに関する。そのシステムは、分離した電子流れ及びイオン質量輸送を伴うセル・オペレーション(cell operation)の間にハイドリノ反応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(cathode compartment)と、アノードを含むアノード・コンパートメント(anode compartment)と、水素の源とを含む。
本開示の他の実施例は、ハイドリノ(hydrino)反応から電気へと開放されるエネルギの直接的な変換を提供する、水素がより低いエネルギ状態(ハイドリノ)になる触媒反応から起電力(EMF)を発生させるバッテリ又は燃料電池システムに関する。そのシステムは、触媒又は触媒の源、原子水素又は原子水素の源、触媒又は触媒の源及び原子水素又は原子水素の源を形成する反応物、原子水素の触媒反応を開始させる1又はそれ以上の反応物、及び、触媒反応を可能にするような支持体(support)を含み、ここで、ハイドリノを形成するためのバッテリ又は燃料電池システムは、更に、カソードを含むカソード・コンパートメント(cathode compartment)と、オプション的に塩橋と、分離した電子流れ及びイオン質量輸送を伴うセル・オペレーション(cell operation)の間にハイドリノ反応を構成する反応物と、水素の源とを更に含むことができる。
本開示の実施例において、本開示の交換反応のようなハイドリノ反応を開始させる反応混合物及び反応は、電気的パワーがハイドリノを形成するような水素の反応によって展開されるところ、燃料電池の基礎(basis)である。酸化―還元セル半反応により、ハイドリノ生成反応混合物は、電気回路を完成させるように、外部回路を通しての電子の移動及び分離したパスを通してのイオン質量の移動で構成される。半電池反応の総計によって与えられるハイドリノを生成する全体反応及び対応する反応混合物は、本開示の熱的パワー及びハイドリノ化学生成物に対する反応タイプを含んでよい。
本開示の実施例において、異なる温度、圧力、及び濃度の少なくとも1つのような異なる状態又は条件の下での異なる反応物又は同じ反応物は、コンパートメントの間の電気回路を完成するような電子及びイオンのための分離した導管によって接続される異なるセル・コンパートメント内に供給される。システムの熱的なゲイン又は分離したコンパートメントの電極間のポテンシャル及び電気的なパワー・ゲインは、1つのコンパートメントからもう1つのコンパートメントへの質量流れによってハイドリノ反応が依存することにより発生する。質量流れは、相当な速度で起きるハイドリノ反応を許す条件及びハイドリノを生成するように反応する反応混合物の形成の少なくとも1つを提供する。理想的には、ハイドリノ反応は、電子流れ及びイオン質量輸送がないところでは、起きないか、又は、認識できる速度で起きない。
もう1つの実施例において、セルは、電極を通して適用される電気分解パワーのそれを超える電気的な及び熱的なパワー・ゲインの少なくとも1つを生産する。
実施例において、ハイドリノを形成する反応は、熱的に再生可能又は電解的に再生可能の少なくとも1つである。
本開示の実施例は、分離した電子流れ及びイオン質量輸送でセル・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、アノード、及びカソードを含む、起電力(EMF)及び熱的なエネルギを発生する電気化学的パワー・システムに関する。そのパワー・システムは、a)nが整数でMがアルカリ金属であるところ、nH、OH、OH−、H2O、H2S、又はMNH2の群の少なくとも1つを含む触媒又は触媒の源;b)原子水素又は原子水素の源;c)原子水素、原子水素の源、触媒、及び触媒の源の少なくとも1つを形成する反応物;原子水素の触媒反応を開始させる1又はそれ以上の反応物;及び支持体(support)から選択される少なくとも2つの構成要素を含む。以下の条件の少なくとも1つが、電気化学的パワー・システムにおいて起きるかもしれない。a)原子水素及び水素触媒が反応混合物によって形成される。b)反応を経ることによって1つの反応物が触媒を活性にさせる。そして、c)触媒反応を引き起こす反応が、(i)発熱反応(exothermic reactions)、(ii)共役反応(coupled reactions)、(iii)フリーラジカル反応(free radical reactions)、(iv)酸化―還元反応(oxidation−reduction reactions)、(v)交換反応(exchange reactions)、及び(vi)ゲッター(getter)、支持体(support)、又はマトリクス―支援触媒反応(matrix−assisted catalysis reactions)、から選択される1つの反応を含む。実施例において、a)異なる反応物、又はb)異なる状態又は条件下の同じ反応物の少なくとも1つは、コンパートメントの間に電気回路を完成させるように電子及びイオンのための分離した導管によって接続される異なるセルコンパートメント内に供給される。内部質量流れ及び外部電子流れの少なくとも1つは、生じ得る以下の条件の少なくとも1つを供給するかもしれない。即ち、a)ハイドリノを生成するように反応する反応混合物の形成、及びb)相当な速度でハイドリノ反応が起きることを許す条件の形成である。実施例において、ハイドリノを形成する反応物は、少なくとも1つであるが熱的に又は電解的に再生可能である。電気的な及び熱的なエネルギ出力の少なくとも1つは、生成物からの反応物を再生するために必要とされる出力を超えるかもしれない。
本開示の他の実施例は、分離した電子流れ及びイオン質量輸送を備えるセル・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、アノード、及びカソードを含む起電力(EMF)及び熱的なエネルギを発生する電気化学的パワー・システムに関する。この電気化学的パワー・システムは、a)H種がH2、H、H+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH−、HOOH、及びOOH−、の少なくとも1つを含むところ、OH及びH2Oの少なくとも1つを形成するH種との酸化反応を経るO2、O3、O3 +、O3 −、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH−、HOOH、OOH−、O−、O2−、O2 −、及びO2 2−から選択される少なくとも1つの酸素種を含む触媒又は触媒の源;b)原子水素又は原子水素の源;c)原子水素、原子水素の源、触媒、触媒の源の少なくとも1つを形成する反応物;及び原子水素の触媒反応を開始させる1又はそれ以上の反応物;及び支持体を含む。O種の源は、O、O2、空気、酸化物、NiO、CoO、アルカリ金属酸化物、Li2O、Na2O、K2O、アルカリ土類金属酸化物、MgO、CaO、SrO、及びBaO、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の群からの酸化物、過酸化物、アルカリ金属過酸化物、スーパーオキシド、アルカリ又はアルカリ金属スーパーオキシド、水酸化物、アルカリ、アルカリ土類、遷移金属、内部遷移金属、及び第III族、第IV族、又は第V族、水酸化物、オキシ水酸化物、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)水マンガン鉱)、FeO(OH)、CoO(OH)、NiO(OH)、RhO(OH)、GaO(OH)、InO(OH)、Ni1/2Co1/2O(OH)、及びNi1/3Co1/3Mn1/3O(OH)を含む化合物の少なくとも1つの化合物又は混合物を含むんでよい。H種の源は、H、金属水素化物、LaNi5H6、水酸化物、オキシ水酸化物、H2、H2の源、H2及び水素透過膜、Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)、及び430SS(H2)のようなステンレス鋼(SS)を含む化合物の混合物又は少なくとも1つの化合物を含むかもしれない。
もう1つの実施例において、電気化学パワー・システムは、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つとを含む。水素アノードは、Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)、及び430SS(H2)の少なくとも1つのような水素透過性電極と、H2を散布するかもしれない多孔性の電極と、及び、R−Ni、LaNi5H6、La2Co1Ni9H6、ZrCr2H3.8、LaNi3.55Mn0.4Al0.3Co0.75、ZrMn0.5Cr0.2V0.1Ni1.2、及び水素を貯蔵可能な他の合金、AB5(LaCePrNdNiCoMnAl)又はAB2(VTiZrNiCrCoMnAlSn)タイプ(ここで、「ABx」表記はAタイプ元素(LaCePrNd又はTiZr)対Bタイプ元素(VNiCrCoMnAlSn)の比を表わし)、AB5−タイプ:MmNi3.2Co1.0Mn0.6Al0.11Mo0.09(Mm=ミッシュ・メタル(misch metal):25wt% La、50wt% Ce、7wt% Pr、18wt% Nd)、AB2−タイプ:Ti0.51Zr0.49V0.70Ni1.18Cr0.12合金、マグネシウム基合金、Mg1.9Al0.1Ni0.8Co0.1Mn0.1合金、Mg0.72Sc0.28(Pd0.012+Rh0.012)、及びMg80Ti20、Mg80V20、La0.8Nd0.2Ni2.4Co2.5Si0.1、LaNi5−xMx(M=Mn、Al)、(M=Al、Si、Cu)、(M=Sn)、(M=Al、Mn、Cu)及びLaNi4Co、MmNi3.55Mn0.44Al0.3Co0.75、LaNi3.55Mn0.44Al0.3Co0.75、MgCu2、MgZn2、MgNi2、AB化合物、TiFe、TiCo、及びTiNi、ABn化合物(n=5、2、又は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、ミッシュメタル−ニッケル(Mischmetal−nickel)合金、Ti0.98Zr0.02V0.43Fe0.09Cr0.05Mn1.5、La2Co1Ni9、FeNi、及びTiMn2から選択される水素化物のような水素化物と、の少なくとも1つを含んでよい。溶融塩は、他の水酸化物、ハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、及びリン酸塩の1又はそれ以上から選択される1つのような少なくとも1つの他の塩を備える水酸化物を含んでよい。溶融塩は、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、又はBa(OH)2−BaX2(ここで、X=F、Cl、Br、又はIであり)、及びLiOH、NaOH、KOH、RbOH、CsOH、Mg(OH)2、Ca(OH)2、Sr(OH)2、又はBa(OH)2及び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(ここで、X=F、Cl、Br、又はI)の1又はそれ以上、から選択される少なくとも1つの塩混合物を含んでよい。溶融塩は、塩混合物電解質のアニオンに共通するカチオンを含んでよく、或いは、アニオンは、カチオンに共通し、そして、水酸化物は、他の塩の混合物に対して安定的である。
本開示のもう1つの実施例において、電気化学的パワー・システムは、[M’’(H2)/MOH−M’ハロゲン化物(halide)/M’’’]及び[M’’(H2)/M(OH)2−M’ハロゲン化物(halide)/M’’’]の少なくとも1つを含み、ここで、Mは、アルカリ又はアルカリ土類金属であり、M’は、アルカリ又はアルカリ土類金属の酸化物及び水酸化物より安定でない少なくとも1つであるか、又は、水との低い反応性を持っている酸化物及び水酸化物を持つかの金属であり、そして、M’’’は、導体である。実施例において、M’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から選択される1つのような金属である。或いは、M及びM’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から独立的に選択される複数のもののような金属であってよい。他の例示的なシステムは、[M’(H2)/MOH M’’X/M’’’]を含み、ここで、M、M’、M’’、及びM’’’は、金属カチオン又は金属であり、Xは、水酸化物、ハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、及びリン酸塩から選択される1つのようなアニオンであり、そして、M’は、H2透過性である。1つの実施例において、水素アノードは、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から選択される少なくとも1つのようなもので、放電の間に電解質と反応する金属を含む。もう1つの実施例において、電気化学的パワー・システムは、水素源と;OH、OH−、及びH2O触媒の少なくとも1つを形成することができ、及び、Hを提供できる水素アノードと;O2及びH2Oの少なくとも1つの源と;H2O又はO2の少なくとも1つを還元することができるカソードと;アルカリ電解質と;H2O蒸気、N2、及びO2の少なくとも1つの収集及び再循環のできるオプションとしてのシステムと、及びH2を収集し及び再循環するシステムと、を含む。
本開示は更に、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から選択される1つのような金属と、R−Ni、LaNi5H6、La2Co1Ni9H6、ZrCr2H3.8、LaNi3.55Mn0.4Al0.3Co0.75、ZrMn0.5Cr0.2V0.1Ni1.2、及びAB5(LaCePrNdNiCoMnAl)又はAB2(VTiZrNiCrCoMnAlSn)タイプ(ここで、「ABx」表記は、Aタイプ元素(LaCePrNd又はTiZr)対Bタイプ元素(VNiCrCoMnAlSn)のそれとの比を意味し)、から選択される1つのような水素を貯蔵できる他の合金、AB5−タイプ、MmNi3.2Co1.0Mn0.6Al0.11Mo0.09(Mm=ミッシュ・メタル(misch metal):25wt% La、50wt% Ce、7wt% Pr、18wt% Nd)、AB2−タイプ:Ti0.51Zr0.49V0.70Ni1.18Cr0.12合金、マンガン基合金、Mg1.9Al0.1Ni0.8Co0.1Mn0.1合金、Mg0.72Sc0.28(Pd0.012+Rh0.012)、及びMg80Ti20、Mg80V20、La0.8Nd0.2Ni2.4Co2.5Si0.1、LaNi5−xMx(M=Mn、Al)、(M=Al、Si、Cu)、(M=Sn)、(M=Al、Mn、Cu)及びLaNi4Co、MmNi3.55Mn0.44Al0.3Co0.75、LaNi3.55Mn0.44Al0.3Co0.75、MgCu2、MgZn2、MgNi2、AB化合物、TiFe、TiCo、及びTiNi、ABn化合物(n=5、2、又は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、ミッシュメタル−ニッケル(Mischmetal−nickel)合金、Ti0.98Zr0.02V0.43Fe0.09Cr0.05Mn1.5、La2Co1Ni9、FeNi、及びTiMn2の少なくとも1つを含むアノードと;セパレータと;水溶性アルカリ電解質と;O2及びH2O還元カソードの少なくとも1つと、及び空気及びO2の少なくとも1つと、を含む電気化学的パワー・システムに関する。電気化学的システムは、正味のエネルギー・バランスにおいてゲイン(gain)があるようにセルを断続的に充電及び放電する電気分解システムを更に含んでよい。或いは、電気化学的パワー・システムは、水素化アノードを再水素化することによって、パワー・システムを再生する水素化システムを含んでよく、又は、更に含んでよい。
もう1つの実施例は、起電力(EMF)及び熱的エネルギを発生するもので、溶融アルカリ金属アノードと;ベータ・アルミナ固体電解質(BASE)と、及び水酸化物を含む溶融塩カソードとを含む電気化学的パワー・システムを含む。溶融塩カソードは、表4のそれらの1つのような共融混合物と、水素透過性膜及びH2ガスのような水素の源と、を含んでよい。触媒又は触媒の源は、OH、OH−、H2O、NaH、Li、K、Rb+、及びCsから選択されてよい。溶融塩カソードは、アルカリ水酸化物を含んでよい。そのシステムは、水素リアクタ及び金属−水素化物セパレータを更に含んでよいが、ここで、アルカリ金属カソード及びアルカリ水酸化物カソードは、生成物酸化物の水素化及び結果生成するアルカリ金属及び金属水酸化物の分離によって再生される。
電気化学的パワー・システムはのもう1つの実施は、水素透過性膜及びH2から選択される1つのような水素の源、及び、溶融水酸化物を更に含む水素化物を含むアノードと;ベータ−アルミナ固体電解質(BASE)と;及び溶融元素及び溶融ハロゲン化物塩又は混合物の少なくとも1つを含むカソードとを含む。妥当なカソードは、In、Ga、Te、Pb、Sn、Cd、Hg、P、S、I、Se、Bi、及びAsの1つを含む溶融元素カソードを含む。或いは、カソードは、NaX(Xはハロゲン)と、及びNaX、AgX、AlX3、AsX3、AuX、AuX3、BaX2、BeX2、BiX3、CaX2、CdX3、CeX3、CoX2、CrX2、CsX、CuX、CuX2、EuX3、FeX2、FeX3、GaX3、GdX3、GeX4、HfX4、HgX、HgX2、InX、InX2、InX3、IrX、IrX2、KX、KAgX2、KAlX4、K3AlX6、LaX3、LiX、MgX2、MnX2、MoX4、MoX5、MoX6、NaAlX4、Na3AlX6、NbX5、NdX3、NiX2、OsX3、OsX4、PbX2、PdX2、PrX3、PtX2、PtX4、PuX3、RbX、ReX3、RhX、RhX3、RuX3、SbX3、SbX5、ScX3、SiX4、SnX2、SnX4、SrX2、ThX4、TiX2、TiX3、TlX、UX3、UX4、VX4、WX6、YX3、ZnX2、及びZrX4の群からの1又はそれ以上と、を含む溶融塩カソードであってよい。
起電力(EMF)及び熱エネルギを発生させる電気化学的パワー・システムのもう1つの実施例は、Liを含むアノードと;有機溶媒、並びに無機Li電解質及びLiPF6の少なくとも1つを含む電解質と;オレフィン・セパレータ(olefin separator)と、オキシ水酸化物、AlO(OH)、ScO(OH)、YO(OH)、VO(OH)、CrO(OH)、MnO(OH)(α−MnO(OH)グラウト鉱(groutite)及びγ−MnO(OH)水マンガン鉱(manganite))、FeO(OH)、CoO(OH)、NiO(OH)、RhO(OH)、GaO(OH)、InO(OH)、Ni1/2Co1/2O(OH)、及びNi1/3Co1/3Mn1/3O(OH)の少なくとも1つを含むカソードと、を含む。
もう1つの実施例において、電気化学的パワー・システムは、Li、リチウム合金、Li3Mg、及び一連のLi−N−Hシステムの少なくとも1つを含むアノードと;溶融塩電解質と、及びH2ガス及び多孔性カソード、H2及び水素透過性膜、及び金属水素化物、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、及び希土類水素化物の1つの、少なくとも1つを含む水素カソードと、を含む。
本開示は、a)からh)を含むセルの少なくとも1つに関する。
a)(i)水素透過性金属及びNi(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Fe(H2)、Nb(H2)から選択される1つのような水素ガス又は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を含むアノード;(ii)MOH若しくはM(OH)2、又はMOH若しくはM(OH)2でM’X若しくM’X2を備えるもの(ここで、M及びM’はLi、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、及びBaから独立的に選択される幾つかのような金属であり、Xは水酸化物、ハロゲン化物、硫酸塩、及び炭酸塩から選択される1つのようなアニオンである)から選択される1つのような溶融電解質、及び(iii)アノードのそれと同じであってよい金属を含み、更に空気又はO2を更に含むカソード;
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;(ii)約10Mから飽和までの濃度範囲を持つ水性アルカリ水酸化物を含む電解質;(iii)オレフィン・セパレータ(olefin separator)、及び(iv)空気又はO2を更に含むカーボン・カソード(carbon cathode);
c)(i) 溶融NaOH及びNiのような水素透過性膜及び水素ガスを含むアノード;(ii)ベータ・アルミナ固体電解質(BASE)を含む電解質、及び(iii)NaCl−MgCl2、NaCl−CaCl2、又はMX−M’X2’のような溶融共晶塩(Mはアルカリであり、M’はアルカリ土類であり、そして、X及びX’はハロゲンである)を含むカソード;
d)(i)溶融Naを含むアノード;(ii)ベータ・アルミナ固体電解質(BASE)を含む電解質、及び(iii)溶融NaOHを含むカソード;
e)(i)LaNi5H6のような水素化物を含むアノード;(ii)約10Mから飽和までの濃度範囲を持つ水性アルカリ水酸化物を含む電解質;(iii)オレフィン・セパレータ、及び(iv)空気又はO2を更に含むカーボン・カソード;
f)(i)Liを含むアノード;(ii)オレフィン・セパレータ;(ii)LP30及びLiPF6を含むもののような有機電解質、及び(iv)CoO(OH)のようなオキシ水酸化物を含むカソード;
g)(i)Li3Mgのようなリチウム合金を含むアノード;(ii)LiCl−KCl又はMX−M’X’(ここで、M及びM’はアルカリであり、X及びX’はハロゲンである)のような溶融塩電解質、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を含み、更にカーボンブラックを含むカソード、そして、
h)(i)Liを含むアノード;(ii)LiCl−KCl又はMX−M’X’(M及びM’はアルカリであり、X及びXはハロゲンである)のような溶融塩電解質、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を含み、及び更にカーボンブラックを含むカソード。
a)(i)水素透過性金属及びNi(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Fe(H2)、Nb(H2)から選択される1つのような水素ガス又は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を含むアノード;(ii)MOH若しくはM(OH)2、又はMOH若しくはM(OH)2でM’X若しくM’X2を備えるもの(ここで、M及びM’はLi、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、及びBaから独立的に選択される幾つかのような金属であり、Xは水酸化物、ハロゲン化物、硫酸塩、及び炭酸塩から選択される1つのようなアニオンである)から選択される1つのような溶融電解質、及び(iii)アノードのそれと同じであってよい金属を含み、更に空気又はO2を更に含むカソード;
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;(ii)約10Mから飽和までの濃度範囲を持つ水性アルカリ水酸化物を含む電解質;(iii)オレフィン・セパレータ(olefin separator)、及び(iv)空気又はO2を更に含むカーボン・カソード(carbon cathode);
c)(i) 溶融NaOH及びNiのような水素透過性膜及び水素ガスを含むアノード;(ii)ベータ・アルミナ固体電解質(BASE)を含む電解質、及び(iii)NaCl−MgCl2、NaCl−CaCl2、又はMX−M’X2’のような溶融共晶塩(Mはアルカリであり、M’はアルカリ土類であり、そして、X及びX’はハロゲンである)を含むカソード;
d)(i)溶融Naを含むアノード;(ii)ベータ・アルミナ固体電解質(BASE)を含む電解質、及び(iii)溶融NaOHを含むカソード;
e)(i)LaNi5H6のような水素化物を含むアノード;(ii)約10Mから飽和までの濃度範囲を持つ水性アルカリ水酸化物を含む電解質;(iii)オレフィン・セパレータ、及び(iv)空気又はO2を更に含むカーボン・カソード;
f)(i)Liを含むアノード;(ii)オレフィン・セパレータ;(ii)LP30及びLiPF6を含むもののような有機電解質、及び(iv)CoO(OH)のようなオキシ水酸化物を含むカソード;
g)(i)Li3Mgのようなリチウム合金を含むアノード;(ii)LiCl−KCl又はMX−M’X’(ここで、M及びM’はアルカリであり、X及びX’はハロゲンである)のような溶融塩電解質、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を含み、更にカーボンブラックを含むカソード、そして、
h)(i)Liを含むアノード;(ii)LiCl−KCl又はMX−M’X’(M及びM’はアルカリであり、X及びXはハロゲンである)のような溶融塩電解質、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を含み、及び更にカーボンブラックを含むカソード。
本開示は更に、[Ni(H2)/LiOH−LiBr/Ni](ここで、Ni(H2)で示される水素電極は水素の透過、散布、及び断続的な電気分解の源の少なくとも1つを含む);[PtTi/H2SO4(約5M aq)又はH3PO4(約14.5M aq)/PtTi]の断続的な電気分解、及び[NaOH Ni(H2)/BASE/NaCl MgCl2](ここで、Ni(H2)で示される水素電極は水素の透過源を含む)のセルの少なくとも1つを含む電気化学的パワー・システムに関する。妥当な実施例において、水素電極は、NiOのような保護的な酸化物被膜をもつように準備されるニッケルのような金属を含む。酸化物皮膜は、酸素を含むもののような酸化性の雰囲気における陽極酸化又は酸化により形成されてよい。
本開示は更に、a)からd)を含むセルの少なくとも1つを含む電気化学的パワー・システムに関する。
a)(i)Ni(H2)で示される水素電極であって、少なくとも透過性の、散布性の、及び断続的な電気分解の水素の源を含む水素電極を含むアノード;
(ii)MOH若しくはM(OH)2、又はMOH若しくはM(OH)2でM’X若しくはM’X2を備えるもの(ここで、M及びM’は、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、及びBaから独立的に選択される幾つかのような金属であり、Xは水酸化物、ハロゲン化物、硫酸塩、及び炭酸塩から選択される1つのようなアニオンである)から選択される1つのような溶融電解質、又は(iii)アノードのそれと同じであってよい金属を含み、かつ、空気又はO2を更に含むカソード;
b)(i)Ni(H2)で示される水素電極を含むアノードが、透過の、散布性の、及び断続的な電気分解の水素の源の少なくとも1つを含み;(ii)LiOH−LiBr、NaOH−NaBr、又はNaOH−NaIのような溶融電解質、及び(iii)アノードのそれと同じであってよい金属を含み、そして、更に空気又はO2を含むカソード;
c)(i)Pt/Tiのような貴金属を含むアノード;(ii)それぞれ、1から10M、及び5から15Mの濃度範囲にあってよいH2SO4又はH3PO4のような水性酸性の電解質、及び(iii)アノードのそれと同じであってよい金属を含み、更に空気又はO2を更に含むカソード、及び
d)(i)溶融NaOH及び水素の透過源を含むNi(H2)で示される水素電極を含むアノード;(ii)ベータ・アルミナ固体電解質(BASE)を含む電解質、及び(iii)NaCl−MgCl2、NaCl−CaCl2、又はMX−M’X2’のような溶融共晶塩(Mはアルカリであり、M’はアルカリ土類であり、そして、X及びX’はハロゲンである)を含むカソード。
a)(i)Ni(H2)で示される水素電極であって、少なくとも透過性の、散布性の、及び断続的な電気分解の水素の源を含む水素電極を含むアノード;
(ii)MOH若しくはM(OH)2、又はMOH若しくはM(OH)2でM’X若しくはM’X2を備えるもの(ここで、M及びM’は、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、及びBaから独立的に選択される幾つかのような金属であり、Xは水酸化物、ハロゲン化物、硫酸塩、及び炭酸塩から選択される1つのようなアニオンである)から選択される1つのような溶融電解質、又は(iii)アノードのそれと同じであってよい金属を含み、かつ、空気又はO2を更に含むカソード;
b)(i)Ni(H2)で示される水素電極を含むアノードが、透過の、散布性の、及び断続的な電気分解の水素の源の少なくとも1つを含み;(ii)LiOH−LiBr、NaOH−NaBr、又はNaOH−NaIのような溶融電解質、及び(iii)アノードのそれと同じであってよい金属を含み、そして、更に空気又はO2を含むカソード;
c)(i)Pt/Tiのような貴金属を含むアノード;(ii)それぞれ、1から10M、及び5から15Mの濃度範囲にあってよいH2SO4又はH3PO4のような水性酸性の電解質、及び(iii)アノードのそれと同じであってよい金属を含み、更に空気又はO2を更に含むカソード、及び
d)(i)溶融NaOH及び水素の透過源を含むNi(H2)で示される水素電極を含むアノード;(ii)ベータ・アルミナ固体電解質(BASE)を含む電解質、及び(iii)NaCl−MgCl2、NaCl−CaCl2、又はMX−M’X2’のような溶融共晶塩(Mはアルカリであり、M’はアルカリ土類であり、そして、X及びX’はハロゲンである)を含むカソード。
本開示の更なる実施例は、n=1状態にある原子Hがより低いエネルギ状態を形成させることができるような水素触媒を含む電気化学的セルのそれらのような触媒システム、原子水素の源、及びより低いエネルギの水素を形成するための反応を開始させ伝播させることができる他の種に関する。ある実施例において、本開示は、少なくとも1つの原子水素の源及び少なくとも1つの触媒若しくは触媒の源でハイドリノを形成するように水素の触媒反応をサポートするものを含む反応混合物に関する。固体及び液体燃料に対するここに開示される反応物及び反応は、フェーズの混合物を含む不均一系燃料の反応物及び反応でもある。反応混合物は、水素触媒若しくは水素触媒の源及び原子水素若しくは原子水素の源から選択される少なくとも2つの構成要素を含む。ここで、原子水素及び水素触媒の少なくとも1つは、反応混合物の反応によって形成されてよい。追加的な実施例において、反応混合物は、更に、ある実施例において電気的に導電性であり得る支持体(support)、還元剤、及び、酸化剤を含む。ここで、それが反応を受けることによって少なくとも1つの反応物が触媒反応を活性化させる。反応物は、加熱することによって如何なる非ハイドリノ生成物のために再生されるかもしれない。
本開示はまた、
原子水素の触媒反応のための反応セルと、
反応容器と、
真空ポンプと、
反応容器と連通する原子水素の源と、
反応容器と連通するバルク材料(bulk material)を含む水素触媒の源と、
少なくとも1つの原子水素及び水素触媒及び少なくとも1つの他の元素を形成する元素を含む少なくとも1つの反応物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(ここで、少なくとも1つの原子水素及び水素触媒がその源からそのようにして形成されるが)と、
触媒反応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、を含み、
このようにして原子水素の触媒反応が、水素のモルあたり約300kJを超える量においてエネルギを開放する、パワー源に関する。
原子水素の触媒反応のための反応セルと、
反応容器と、
真空ポンプと、
反応容器と連通する原子水素の源と、
反応容器と連通するバルク材料(bulk material)を含む水素触媒の源と、
少なくとも1つの原子水素及び水素触媒及び少なくとも1つの他の元素を形成する元素を含む少なくとも1つの反応物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(ここで、少なくとも1つの原子水素及び水素触媒がその源からそのようにして形成されるが)と、
触媒反応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、を含み、
このようにして原子水素の触媒反応が、水素のモルあたり約300kJを超える量においてエネルギを開放する、パワー源に関する。
ハイドリノを形成する反応は、1又はそれ以上の化学反応によって活性化させられ或いは開始させられ及び伝播させられるかもしれない。これらの反応は例えば以下のものから選択できる。(i)水素化物交換反応(hydride exchange reactions)、(ii)ハロゲン化物−水素化物交換反応(halide− hydride exchange reactions)、(iii)ある実施例においてハイドリノ反応のための活性化エネルギを供給する発熱反応(exothermic reactions)、(iv)ある実施例においてハイドリノ反応を支持するように触媒又は原子水素の源の少なくとも1つを提供する共役反応(coupled reactions)、(v)ある実施例においてハイドリノ反応の間に触媒からの電子の受容体(acceptor)として機能するフリーラジカル反応(free radical reactions)、(vi)ある実施例においてハイドリノ反応の間に触媒からの電子の受容体(acceptor)として機能する酸化−還元反応(oxidation−reduction reactions)、(vi)1つの実施例において、ハイドリノを形成するように原子水素からエネルギを受け取る際にイオン化されるような触媒の働きを容易にする、ハロゲン化物(halide)、硫化物(sulfide)、水素化物(hydride)、ヒ化物(arsenide)、酸化物(oxide)、リン化物(phosphide)、及び窒化物(nitride)交換を含むアニオン交換のような他の交換反応(exchange reactions)、及び(vii)ゲッター(getter)、支持体(support)、又はマトリクス支援ハイドリノ反応(matrix−assisted hydrino reactions)、であって、それは、(a)ハイドリノ反応のための化学的環境、(b)H触媒の機能を助けるように電子を移動させる作用(act)、(c)可逆フェーズ又は他の物理的変化又は電子的な状態における変化を経ること(undergoe)、及び(d)ハイドリノ反応の程度又は速度の少なくとも1つを増加させるようにより低いエネルギの水素の生成物を結合させること(bind)の少なくとも1つを提供するかもしれない。ある実施例において、電気的に導電性の支持体は、活性化反応を可能にする。
もう1つの実施例において、ハイドリノを形成する反応は、水素化物交換及びハロゲン化物交換の少なくとも1つを含むが、それは2つの金属のような2つの種の間での交換である。少なくとも1つの金属は、アルカリ金属又はアルカリ金属水素化物のようなハイドリノを形成するための触媒の源又は触媒であるかもしれない。水素化物交換は、少なくとも2つの水素化物、少なくとも1つの金属及び少なくとも1つの水素化物、少なくとも2つの金属水素化物、少なくとも1つの金属及び少なくとも1つの金属水素化物、及び、2又はそれ以上の種を含む又はそれらの種の間の交換を備えるそのような他の組合せの間であるかもしれない。ある実施例において、水素化物交換は、(M1)x(M2)yHzのような混合金属水素化物を形成する。ここで、x,y,及びzは整数であり、M1及びM2は金属である。
本開示の他の実施例は、反応物に関するが、活性化反応及び/又は伝播反応における触媒は、インターカレート化合物(intercalation compound)を形成するための材料又は化合物を備える水素の源及び触媒の源又は触媒の反応を含み、反応物はインターカレートされた種の除去によって再生される。ある実施例において、カーボンは酸化剤として機能してよく、カーボンは、例えば、加熱、及び置換エージェント(displacing agent)の使用によって、電解で、又は溶媒を使用することによって、アルカリ金属インターカレートされたカーボンから再生されてよい。
追加的な実施例において、本開示は以下のものを含むパワー・システムに関する。
即ち、
(i)触媒又は触媒の源;原子水素又は原子水素の源;触媒又は触媒の源及び原子水素又は原子水素の源を形成する反応物;原子水素の触媒反応を開始させる1又はそれ以上の反応物;及び触媒反応を可能にする支持体(support)から選択される少なくとも2つの構成要素を含む化学燃料混合物,
(ii)複数の反応容器を含む、反応生成物から燃料を熱的に再生する交換反応を反転させるための少なくとも1つの熱的システム、ここで、混合物の反応の生成物から最初の化学燃料混合物を形成する反応を含む再生反応が、複数の反応容器のうち少なくとも1つの反応容器内で、パワー反応を受けている他の少なくとも1つの反応容器と連動して、実施され、少なくとも1つのパワー生成容器からの熱が、熱的再生のためのエネルギを供給するために再生を受けている少なくとも1つの容器に流れ、容器は、熱流れを達成するために熱移動媒体内に埋め込まれ、真空ポンプ及び水素の源を更に含む少なくとも1つの容器は、また、より低温のチャンバー内に種が優先的に蓄積されるように、より高温のチャンバー及びより低温のチャンバーの間で維持される温度差を持つ2つのチャンバーを備えるかもしれず、ここで、水素化反応は、より高温のチャンバーに戻される少なくとも1つの最初の反応物を形成するため、より低温のチャンバー内で実施され、
(iii)熱バリアを超えてパワー生成反応容器からの熱を受け取るヒート・シンク(heat sink)
及び
(iv)ランキン又はブレイトン−サイクル・エンジン、蒸気エンジン、スターリング・エンジンのような熱エンジンを含むかもしれないパワー変換システム、ここで、パワー変換システムは熱電又は熱電子変換器を含み、
を含む。特定の実施例において、ヒート・シンクは、電気を生成するためにパワー変換システムにパワーを移動させるかもしれない。
即ち、
(i)触媒又は触媒の源;原子水素又は原子水素の源;触媒又は触媒の源及び原子水素又は原子水素の源を形成する反応物;原子水素の触媒反応を開始させる1又はそれ以上の反応物;及び触媒反応を可能にする支持体(support)から選択される少なくとも2つの構成要素を含む化学燃料混合物,
(ii)複数の反応容器を含む、反応生成物から燃料を熱的に再生する交換反応を反転させるための少なくとも1つの熱的システム、ここで、混合物の反応の生成物から最初の化学燃料混合物を形成する反応を含む再生反応が、複数の反応容器のうち少なくとも1つの反応容器内で、パワー反応を受けている他の少なくとも1つの反応容器と連動して、実施され、少なくとも1つのパワー生成容器からの熱が、熱的再生のためのエネルギを供給するために再生を受けている少なくとも1つの容器に流れ、容器は、熱流れを達成するために熱移動媒体内に埋め込まれ、真空ポンプ及び水素の源を更に含む少なくとも1つの容器は、また、より低温のチャンバー内に種が優先的に蓄積されるように、より高温のチャンバー及びより低温のチャンバーの間で維持される温度差を持つ2つのチャンバーを備えるかもしれず、ここで、水素化反応は、より高温のチャンバーに戻される少なくとも1つの最初の反応物を形成するため、より低温のチャンバー内で実施され、
(iii)熱バリアを超えてパワー生成反応容器からの熱を受け取るヒート・シンク(heat sink)
及び
(iv)ランキン又はブレイトン−サイクル・エンジン、蒸気エンジン、スターリング・エンジンのような熱エンジンを含むかもしれないパワー変換システム、ここで、パワー変換システムは熱電又は熱電子変換器を含み、
を含む。特定の実施例において、ヒート・シンクは、電気を生成するためにパワー変換システムにパワーを移動させるかもしれない。
特定の実施例において、パワー変換システムは、ヒート・シンクからの熱の流れを受け取り、そして、特定の実施例において、ヒート・シンクは蒸気エンジンを含み、蒸気は電気を生成するためにタービンのような熱エンジンに流れる。
追加的な実施例において、本開示は、以下のものを含むパワー・システムに関する。それらは、
(i)触媒又は触媒の源;原子酸素及び原子酸素の源;触媒又は触媒の源及び原子酸素及び原子酸素の源を形成する反応物;原子水素の触媒反応を開始させる1又はそれ以上の反応物;及び触媒反応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燃料混合物、
(ii)少なくとも1つの反応容器を含む反応生成物から燃料を熱的に再生するために交換反応を反転させるための熱的システム、ここで、混合物の反応の生成物から最初の化学燃料混合物を形成する反応を含む再生反応が、パワー反応と連結して少なくとも1つの反応容器内において実施され、パワー生成反応からの熱が熱的再生のためにエネルギを供給するように再生反応へと流れ、少なくとも1つの容器が、その容器のそれぞれより高温のセクション及びより低温のセクションの間の熱勾配を達成するように、1つのセクションの上では断熱され、そして、もう1つのセクションの上では熱的に伝導的な溶媒と接触しており、そのようにして、より低温のセクション内に種が優先的に蓄積され、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含み、ここで、水素化反応が、より高温のセクションに戻される少なくとも1つの最初の反応物を形成するようにより低温のセクション内において実施され、
(iii)熱的に伝導性の媒体を通して、そして、オプションとして少なくとも1つの熱バリアを超えて、移動させられるパワー生成反応からの熱を受け取るヒート・シンク、
(iv)ランキン又はブレイトン−サイクル・エンジン、蒸気エンジン、スターリング・エンジンのような熱エンジンを含むかもしれないパワー変換システム(ここで、パワー変換システムは熱電又は熱電子変換器を含み、ここで、変換システムはヒート・シンクからの熱の流れを受け取る)、
である。
(i)触媒又は触媒の源;原子酸素及び原子酸素の源;触媒又は触媒の源及び原子酸素及び原子酸素の源を形成する反応物;原子水素の触媒反応を開始させる1又はそれ以上の反応物;及び触媒反応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燃料混合物、
(ii)少なくとも1つの反応容器を含む反応生成物から燃料を熱的に再生するために交換反応を反転させるための熱的システム、ここで、混合物の反応の生成物から最初の化学燃料混合物を形成する反応を含む再生反応が、パワー反応と連結して少なくとも1つの反応容器内において実施され、パワー生成反応からの熱が熱的再生のためにエネルギを供給するように再生反応へと流れ、少なくとも1つの容器が、その容器のそれぞれより高温のセクション及びより低温のセクションの間の熱勾配を達成するように、1つのセクションの上では断熱され、そして、もう1つのセクションの上では熱的に伝導的な溶媒と接触しており、そのようにして、より低温のセクション内に種が優先的に蓄積され、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含み、ここで、水素化反応が、より高温のセクションに戻される少なくとも1つの最初の反応物を形成するようにより低温のセクション内において実施され、
(iii)熱的に伝導性の媒体を通して、そして、オプションとして少なくとも1つの熱バリアを超えて、移動させられるパワー生成反応からの熱を受け取るヒート・シンク、
(iv)ランキン又はブレイトン−サイクル・エンジン、蒸気エンジン、スターリング・エンジンのような熱エンジンを含むかもしれないパワー変換システム(ここで、パワー変換システムは熱電又は熱電子変換器を含み、ここで、変換システムはヒート・シンクからの熱の流れを受け取る)、
である。
1つの実施例において、ヒート・シンクは、蒸気エンジンを含み、そして、蒸気は電気を生成するためにタービンのような熱エンジンに流れる。
本開示の実施例の詳細な記述
本開示は、電子殻が原子核に相対してより近い位置にある、より低いエネルギ状態を形成する原子水素からエネルギを開放する触媒システムに関する。開放されるパワーは、パワー発生及び追加として新しい水素種のために利用され、化合物は所望の生成物である。これらのエネルギ状態は、古典的な物理法則によって予言され、対応するエネルギ開放遷移を受けるために水素からエネルギを受け取るための触媒を必要とする。
本開示は、電子殻が原子核に相対してより近い位置にある、より低いエネルギ状態を形成する原子水素からエネルギを開放する触媒システムに関する。開放されるパワーは、パワー発生及び追加として新しい水素種のために利用され、化合物は所望の生成物である。これらのエネルギ状態は、古典的な物理法則によって予言され、対応するエネルギ開放遷移を受けるために水素からエネルギを受け取るための触媒を必要とする。
古典的な物理学は、水素原子、水素化物イオン、水素分子イオン、及び水素分子の閉形式解を与え、分数の主量子数を持つ対応する種を予言する。マクスウェルの方程式を用いて、電子の構造は、境界値問題として誘導されたが、ここで、電子は、束縛されたn=1の状態の電子がエネルギを放出できないという制限を備え、遷移の間に、時間依存性の電磁場のソース電流を含んでいる。H原子の解によって予言される反応は、別様に安定な原子水素から、以前に可能と考えられたものよりも低いエネルギ状態にある水素を形成するようにエネルギを受け取ることができる触媒へと、共鳴する非放射性のエネルギ移動を含む。具体的には、古典的な物理学は、原子水素が、特定の原子、エキシマー(excimers)、イオン、及び2原子の水素化物との触媒反応を受けるかもしれないことを予言し、これは、原子水素のポテンシャル・エネルギー Eh=27.2eV(ここで、Ehは1ハートリー(Hartree)である)の整数倍の正味のエンタルピーを備える反応を提供する。既知の電子エネルギ・レベルの基礎に基づいて識別できる特定の種(例えば、He+、Ar+、Sr+、K、Li、HCl、及びNaH、OH、SH、SeH、発生期のH2O、nH(n=整数))は、プロセスに触媒作用を及ぼすための原子水素と共に存在することが要求される。その反応は、並はずれて熱い、励起された状態のH及び分数の主量子数に対応する未反応の原子水素よりもエネルギにおいてより低い原子水素を形成するように、q・13.6eVの連続する発光又はq・13.6eVのHへの移動が続いて起きる非放射性のエネルギ移動を含む。即ち、水素原子の主要なエネルギレベルのための式において次のようになる。
En=−e2/(n28πε0aH) = −(13.598eV)/n2 (1)
n=1、2、3、・・・ (2)
ここで、aHは水素原子に対するボーアの半径であり(52.947pm)、eは、電子の電荷の大きさであり、そして、ε0は、真空の誘電率であり、分数の量子数は、以下の通りである。
n=1、1/2、1/3、1/4、・・・、1/p (3)
ここで、p≦137は整数。
この分数の量子数は、励起された状態にある水素に対するリュードベリ式中の良く知られたパラメータn=整数を置換し、「ハイドリノ」と呼ばれるより低いエネルギ状態の水素原子を表す。そして、マクスウェルの式の解析解を持つ励起された状態に類似するが、ハイドリノ原子はまた、電子、原子核、及び光子(photon)を含む。しかしながら、後者の電磁場は、励起された状態にあるようなエネルギの吸収を備える中心場を減少させるというよりはむしろエネルギの脱離に対応する結合を増加させ、そして、その結果としてのハイドリノの光子−電子相互作用は放射的というよりはむしろ安定的である。
En=−e2/(n28πε0aH) = −(13.598eV)/n2 (1)
n=1、2、3、・・・ (2)
ここで、aHは水素原子に対するボーアの半径であり(52.947pm)、eは、電子の電荷の大きさであり、そして、ε0は、真空の誘電率であり、分数の量子数は、以下の通りである。
n=1、1/2、1/3、1/4、・・・、1/p (3)
ここで、p≦137は整数。
この分数の量子数は、励起された状態にある水素に対するリュードベリ式中の良く知られたパラメータn=整数を置換し、「ハイドリノ」と呼ばれるより低いエネルギ状態の水素原子を表す。そして、マクスウェルの式の解析解を持つ励起された状態に類似するが、ハイドリノ原子はまた、電子、原子核、及び光子(photon)を含む。しかしながら、後者の電磁場は、励起された状態にあるようなエネルギの吸収を備える中心場を減少させるというよりはむしろエネルギの脱離に対応する結合を増加させ、そして、その結果としてのハイドリノの光子−電子相互作用は放射的というよりはむしろ安定的である。
水素のn=1状態及び水素のn=1/整数状態は、非放射性であるが、例えば、n=1からn=1/2への、2つの非放射状態の間の遷移は、非放射性のエネルギ移動によって可能である。水素は、式(1)及び(3)によって与えられる安定な状態の特別なケースであり、このとき、水素又はハイドリノ原子の対応する半径は次の式で与えられる。
r=aH/p (4)
ここで、p=1,2,3,・・・である。
エネルギを保存するために、エネルギは、水素原子から触媒へと移動させなければならず、その単位は、次のようになる。
m・27.2eV (5)
m=1、2、3、4、・・・
そして、半径はaH/(m+p)へと移行する。触媒反応は、2つのステップのエネルギ開放を含む。触媒への非放射性のエネルギ移動と、それに続く追加のエネルギ放出とであり、半径が対応する安定な最終状態に減少する際に起きる。反応の正味のエンタルピーがm・27.2eVにより近く合致すると、触媒反応の速度が増加すると信じられている。m・27.2eVの±10%以内、好ましくは、±5%以内の反応の正味のエンタルピーを持つ触媒が、大抵の適用に対して好ましいと見出されてきた。より低いエネルギ状態への水素原子の触媒反応の場合において、m・27.2eV(式(5))の反応のエンタルピーは、水素原子のポテンシャル・エネルギと同じファクタによって相対論的に補正される。
r=aH/p (4)
ここで、p=1,2,3,・・・である。
エネルギを保存するために、エネルギは、水素原子から触媒へと移動させなければならず、その単位は、次のようになる。
m・27.2eV (5)
m=1、2、3、4、・・・
そして、半径はaH/(m+p)へと移行する。触媒反応は、2つのステップのエネルギ開放を含む。触媒への非放射性のエネルギ移動と、それに続く追加のエネルギ放出とであり、半径が対応する安定な最終状態に減少する際に起きる。反応の正味のエンタルピーがm・27.2eVにより近く合致すると、触媒反応の速度が増加すると信じられている。m・27.2eVの±10%以内、好ましくは、±5%以内の反応の正味のエンタルピーを持つ触媒が、大抵の適用に対して好ましいと見出されてきた。より低いエネルギ状態への水素原子の触媒反応の場合において、m・27.2eV(式(5))の反応のエンタルピーは、水素原子のポテンシャル・エネルギと同じファクタによって相対論的に補正される。
このようにして、一般的な反応は次のように与えられる。
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)
そして、全体の反応は次のように与えられる。
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*[aH/(m+p)]は、水素原子の半径(分母において1に対応する)と、及び、プロトンの半径の(m+p)倍に等しい中心場とを持ち、H[aH/(m+p)]は、Hの1/(m+p)倍の半径を持つ対応する安定的な状態である。電子が水素原子の半径から1/(m+p)の距離の半径へと半径方向加速度受けるとき、エネルギは、第3体の運動エネルギとして又は特徴的な光の放射として開放される。放射は、[(p+m)2−p2−2m]・13.6eV又は91.2/[(p+m)2−p2−2m]nmでエッジを持ち、より長い波長に伸びてゆく極端紫外連続放射の形式においてあるかもしれない。放射に加えて、高速H(fast H)を形成するための共鳴する運動エネルギ移動が起きるかもしれない。背景H2との衝突によるこれらの高速H(n=1)原子の後に続く励起は、対応するH(n=3)高速原子の放射がそれに続いているが、バルマーのα発光のブロード化を生じさせる。或いは、高速Hは、触媒として機能するハイドリノ又はHの直接の生成物であり、ここで、共鳴するエネルギ移動の受け取りが、イオン化エネルギよりもむしろポテンシャル・エネルギとみなされる。エネルギの保存は、前者のケースにおいてポテンシャル・エネルギの半分、及び、後者のケースにおいて本質的に残りである触媒イオンに対応する運動エネルギの部分を生じる。高速プロトン(fast protons)のH再結合半径は、過剰なパワー・バランスと合致する熱い水素の在庫に不釣り合いであるバルマーのα放射のブロード化を生じさせる。
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)
そして、全体の反応は次のように与えられる。
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*[aH/(m+p)]は、水素原子の半径(分母において1に対応する)と、及び、プロトンの半径の(m+p)倍に等しい中心場とを持ち、H[aH/(m+p)]は、Hの1/(m+p)倍の半径を持つ対応する安定的な状態である。電子が水素原子の半径から1/(m+p)の距離の半径へと半径方向加速度受けるとき、エネルギは、第3体の運動エネルギとして又は特徴的な光の放射として開放される。放射は、[(p+m)2−p2−2m]・13.6eV又は91.2/[(p+m)2−p2−2m]nmでエッジを持ち、より長い波長に伸びてゆく極端紫外連続放射の形式においてあるかもしれない。放射に加えて、高速H(fast H)を形成するための共鳴する運動エネルギ移動が起きるかもしれない。背景H2との衝突によるこれらの高速H(n=1)原子の後に続く励起は、対応するH(n=3)高速原子の放射がそれに続いているが、バルマーのα発光のブロード化を生じさせる。或いは、高速Hは、触媒として機能するハイドリノ又はHの直接の生成物であり、ここで、共鳴するエネルギ移動の受け取りが、イオン化エネルギよりもむしろポテンシャル・エネルギとみなされる。エネルギの保存は、前者のケースにおいてポテンシャル・エネルギの半分、及び、後者のケースにおいて本質的に残りである触媒イオンに対応する運動エネルギの部分を生じる。高速プロトン(fast protons)のH再結合半径は、過剰なパワー・バランスと合致する熱い水素の在庫に不釣り合いであるバルマーのα放射のブロード化を生じさせる。
本開示において、ハイドリノ反応、H触媒、H触媒反応、水素に言及する際の触媒反応、ハイドリノを形成するための水素の反応、及びハイドリノ形成反応のような用語は、全て、式(1)及び(3)によって与えられるエネルギ・レベルを持つ水素の状態を形成するように原子Hについて、式(5)によって規定される触媒の式(6−9)のそれのような反応に言及する。ハイドリノ反応物、ハイドリノ反応混合物、触媒混合物、ハイドリノ形成のための反応物、より低いエネルギ状態の水素又はハイドリノを形成する又は清算する反応物のような対応する用語は、また、式(1)及び(3)によって与えられるエネルギ・レベルを持つハイドリノ状態又はH状態へのHの触媒反応を実行する反応混合物に言及する際に交換可能に使用される。
本開示の触媒によるより低いエネルギの水素への遷移は、遷移を引き起こすように原子Hからのエネルギを受け取る、27.2eVの非触媒作用された原子水素のポテンシャルエネルギの整数mの吸熱化学反応の形においてあるかもしれない触媒を必要とする。吸熱触媒反応は、原子又はイオンのような週から1又はそれ以上の電子のイオン化であってよく(例えば、Li→Li2+に対してm=3)、最初の結合のパートナーの1又はそれ以上から1又はそれ以上の電子をイオン化(例えば、NaH→Na2++Hに対するm=2)することを伴う結合の開裂の協奏反応(concerted reaction)を更に含んでよい。He+は、27.2eVの整数倍に等しいエンタルピー変化を持つ化学又は物理プロセスである、触媒基準を実現するが、これは、それが54.417eVでイオン化するところ、それは2・27.2eVであるからである。整数の数の水素原子は、また、27.2eVのエンタルピーの整数倍の触媒として機能するかもしれない。水素原子H(1/p) p=1、2、3、・・・、137は、式(1)及び(3)で与えられるより低いエネルギ状態へと更なる遷移を受けることができる。ここで、1つの原子の遷移は、そのポテンシャル・エネルギにおいて同時に起きる逆の変化と共にm・27.2eVを共鳴的にかつ非放射的に受け取る1又はそれ以上の追加のH原子によって触媒作用を及ぼされる。m・27.2eVからH(1/p’)への共鳴移転によって誘引される、H(1/p)からH(1/(p+m))への遷移に対する全体の一般式は、次のように与えられる。
H(1/p’)+H(1/p) →
H+H(1/(p+m))+[2pm+m2−p’2+1]・13.6eV
(10)
水素原子は、触媒として機能してよく、ここで、触媒として他のために働く、1、2、及び3個の原子に対してそれぞれm=1、m=2、及びm=3である。2つの原子触媒である2Hの割合は、2Hを形成するための分子と並はずれて高速のHが衝突するときは高いかもしれず、ここで、2つの原子は共鳴的に及び非放射的に、衝突パートナーの第3の水素原子から54.4eVを受け取る。同じメカニズムによって、2つの熱いH2の衝突は、第4のものに対して、3・27.2eVの触媒として機能する3Hを提供する。22.8nm及び10.1nmにおけるEUV連続体、極端な(>100eV)バルマーα線のブロード化、高く励起されたH状態、生成物ガスH2(1/4)、及び大きなエネルギ開放は、予言に合致して観測された。
H(1/p’)+H(1/p) →
H+H(1/(p+m))+[2pm+m2−p’2+1]・13.6eV
(10)
水素原子は、触媒として機能してよく、ここで、触媒として他のために働く、1、2、及び3個の原子に対してそれぞれm=1、m=2、及びm=3である。2つの原子触媒である2Hの割合は、2Hを形成するための分子と並はずれて高速のHが衝突するときは高いかもしれず、ここで、2つの原子は共鳴的に及び非放射的に、衝突パートナーの第3の水素原子から54.4eVを受け取る。同じメカニズムによって、2つの熱いH2の衝突は、第4のものに対して、3・27.2eVの触媒として機能する3Hを提供する。22.8nm及び10.1nmにおけるEUV連続体、極端な(>100eV)バルマーα線のブロード化、高く励起されたH状態、生成物ガスH2(1/4)、及び大きなエネルギ開放は、予言に合致して観測された。
H(1/4)は、その多極化に基づいて好ましいハイドリノ状態であり、選択はその形成のために規定する。従って、H(1/3)が形成される場合において、H(1/4)への遷移が式(10)に従って、Hによって急速に触媒作用されるかもしれない。同様に、H(1/4)は、式(5)において、m=3に対応する81.6eVに等しい又はそれを超える触媒エネルギのための好ましい状態である。この場合において、触媒へのエネルギの移動は、中間体の崩壊からの27.2eVのエネルギだけでなく、式(7)のH*(1/4)中間体を形成する81.6eVを含む。例えば、108.8eVのエンタルピーを持つ触媒は、122.4eVのH*(1/4)崩壊エネルギから、27.2eVだけでなく、81.6eVを受け取ることにより、H*(1/4)を形成するかもしれない。95.2eVの残存する崩壊エネルギは、H2(1/4)を形成するように反応する好ましい状態のH(1/4)を形成するように環境に放出される。
妥当な触媒は、従って、m・27.2eVの反応の正味の正のエンタルピーを供給することができる。即ち、触媒は共鳴的に、水素原子からの非放射的エネルギ移動を受け取り、分数の量子エネルギ・レベルへの電子遷移に影響を与えるように周囲にエネルギを放出する。非放射的なエネルギ移動の結果として、水素原子は、不安定になり、式(1)及び(3)によって与えられる主要なエネルギ・レベルを持つより低いエネルギの非放射的な状態を達成するまで、更にエネルギを放出する。このようにして、触媒反応は、水素原子のサイズ、rn=naH(nは式(3)によって与えられる)において釣り合った減少を持つ水素原子からエネルギを放出させる。例えば、H(n=1)からH(n=1/4)への触媒反応は、204eVを放出し、そして、水素半径はaHから(1/4)・aHに減少する。
触媒生成物、H(1/p)は、また、ハイドリノ水素化物イオン、H−(1/p)を形成するように電子と反応するかもしれず、或いは、2つのH(1/p)が、対応する分子ハイドリノ、H2(1/p)を形成するように反応するかもしれない。具体的には、触媒生成物、H(1/p)は、また、結合エネルギ、EBを持つ新規な水素化物イオンH−(1/p)を形成するように電子と反応するかもしれない。
ここで、p=整数>1であり、s=1/2である。
は、換算プランク定数(Planck’s constant bar)であり、μ0は真空の透磁率であり、meは、電子の質量であり、μeは換算電子質量(reduced electron mass)であり、以下の式で与えられる。
ここで、mpはプロトンの質量であり、a0は、ボーアの半径であり、そして、イオン半径は以下の通りである。
式(11)から、水素化物イオンの計算されたイオン化エネルギは、0.75418eVであり、実験値は、6082.99±0.15cm−1(0.75418eV)であった。ハイドリノ水素化物イオンの結合エネルギは、X線光電子分光法(XPS)によって測定されてよい。
上磁場にシフトしたNMRピークは、通常の水素化物イオンに相対して減少した半径を持ち、プロトンの反磁性遮へいにおける増加を持つ、より低いエネルギ状態の水素の存在の直接的な証拠である。このシフトは、マグニチュード(magnitude)p(ミルズのGUTCP式(7.87))の光子場(photon field)及び2つの電子の反磁性の寄与の合計によって与えられる。
ここで、最初の項は、p=1を持つH−に適用され、H−(1/p)に対するp=整数>1に適用され、そして、aは微細構造定数(fine structure constant)である。予測されるハイドリノ水素化物のピークは、通常の水素化物イオンに比べて並はずれて高磁場側にシフトしている(extraordinarily upfield shifted)。1つの実施例において、ピークはTMSの高磁場側(upfield)である。TMSに対するNMRシフトは、化合物を含む又は単独の、通常のH−、H、H2、又はH+の少なくとも1つに対して知られるもの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つよりも大きいかもしれない。裸のプロトンに対する絶対シフトの範囲は、TMSのシフトが裸のプロトンに対して約−31.5であるところ、±5ppm、±10ppm、±20ppm、±30ppm、±40ppm、±50ppm、±60ppm、±70ppm、±80ppm、±90ppm、及び±100ppmの少なくとも1つの公差の範囲内に、−(p29.9+p22.74)ppm(式(12))であるかもしれない。裸のプロトンに対する絶対シフトの範囲は、約0.1%から99%、1%から50%、及び1%から10%の少なくとも1つの公差の範囲内に−(p29.9+p21.59X10−3)ppm(式(12))であるかもしれない。もう1つの実施例において、NaOH又はKOHのような水酸化物のマトリクスのような固体マトリクス内の分子、水素化物イオン、又はハイドリノ原子のようなハイドリノ種の存在は、マトリクス・プロトン(matrix protons)の高磁場側へのシフト(shift upfield)を引き起こす。NaOH又はKOHのそれらのようなマトリクス・プロトンは、交換するかもしれない。1つの実施例において、シフトは、TMSに対して約−0.1から−5ppmの範囲の中に、マトリクス・ピークを存在させるようにするかもしれない。NMR決定は、マジック角回転1H核磁気共鳴分光法(magic angle spinning 1H nuclear magnetic resonance spectroscopy)(MAS 1H NMR))を含んでよい。
H(1/p)は、1つのプロトンと反応するかもしれず、2つのH(1/p)は、それぞれ、H2(1/p)+及びH2(1/p)を形成するように反応するかもしれない。水素分子イオン及び分子電荷及び電流密度作用、結合距離、及びエネルギは、非放射の制限を持つ楕円座標におけるラプラシアンから解かれた。
扁長楕円体分子軌道(prolate spheroid molecular orbital)の各焦点における+peの中心場(central field)を持つ水素分子イオンの全エネルギETは、次のように与えられる。
ここで、pは整数であり、cは真空中の光の速度であり、μは換算核質量である。扁長楕円体分子軌道(prolate spheroid molecular orbital)の各焦点における+peの中心場(central field)を持つ水素分子イオンの全エネルギーETは、次のように与えられる。
水素分子H2(1/p)の結合解離エネルギ、EDは、対応する水素原子の全エネルギ及びETの間の差である。
ED = E(2H(1/p))−ET (16)
ここで、
E(2H(1/p))=−p2・27.20eV (17)
であり、EDは、式(16−17)及び(15)によって与えられる。
ED=−p2・27.20eV−ET
=−p2・27.20eV−(−p2・31.351eV−p3・0.326469eV
=p2・4.151eV+p3・0.326469eV (18)
H2(1/p)は、X線光電子分光法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生成物が、2つのプロトン及び1つの電子、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)+を含むそれらのような可能性の少なくとも1つであるかもしれず、ここで、エネルギはマトリクスによってシフトされるかもしれない。
ED = E(2H(1/p))−ET (16)
ここで、
E(2H(1/p))=−p2・27.20eV (17)
であり、EDは、式(16−17)及び(15)によって与えられる。
ED=−p2・27.20eV−ET
=−p2・27.20eV−(−p2・31.351eV−p3・0.326469eV
=p2・4.151eV+p3・0.326469eV (18)
H2(1/p)は、X線光電子分光法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生成物が、2つのプロトン及び1つの電子、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)+を含むそれらのような可能性の少なくとも1つであるかもしれず、ここで、エネルギはマトリクスによってシフトされるかもしれない。
触媒反応−生成物ガスのNMRは、H2(1/p)の理論的に予測されたケミカル・シフトの最も確実なテストを提供する。一般に、H2(1/p)の1H NMR共鳴は、電子が非常に原子核に近いところ、楕円座標における分数の半径により、H2のそれから高磁場側になると予測される。H2(1/p)に対する予測されるシフト、ΔBT/Bは、マグニチュード(magnitude)pの光子場(photon field)及び2つの電子の反磁性の寄与の合計によって与えられる(ミルズの GUTCP 式(11.415−11.416))
ΔBT/B = −(p・28.01+p21.49X10−3)ppm (20)
ここで、第1の項は、p=1を備えるH2に、そして、H2(1/p)に対するp=整数>1 に適用される。−28.0ppmの実験上の絶対H2ガス−フェーズ共鳴シフトは、−28.01ppm(式(20))の予測される絶対ガス−フェーズ・シフトと優れて合致している。予測される分子ハイドリノ・ピークは、通常のH2に対して並はずれて高磁場側にシフトしている。1つの実施例において、ピークはTMSの高磁場側にある。TMSに対するNMRシフトは、化合物を含み、又は、単独で、通常のH−、H、H2、又はH+の少なくとも1つに対して知られたものよりもより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つよりも大きいかもしれない。裸のプロトンに対する絶対シフトの範囲は、TMSのシフトが、裸のプロトンに対して約−31.5であるところ、±5ppm、±10ppm、±20ppm、±30ppm、±40ppm、±50ppm、±60ppm、±70ppm、±80ppm、±90ppm、及び±100ppmの少なくとも1つの公差の範囲内において−(p28.01+p22.56)ppm(式(20))であるかもしれない。裸のプロトンに対する絶対シフトの範囲は、約0.1%から99%、1%から50%、及び1%から10%の少なくとも1つの公差の範囲内において−(p28.01+p21.49X10−3)ppm(式(20))であるかもしれない。
ここで、第1の項は、p=1を備えるH2に、そして、H2(1/p)に対するp=整数>1 に適用される。−28.0ppmの実験上の絶対H2ガス−フェーズ共鳴シフトは、−28.01ppm(式(20))の予測される絶対ガス−フェーズ・シフトと優れて合致している。予測される分子ハイドリノ・ピークは、通常のH2に対して並はずれて高磁場側にシフトしている。1つの実施例において、ピークはTMSの高磁場側にある。TMSに対するNMRシフトは、化合物を含み、又は、単独で、通常のH−、H、H2、又はH+の少なくとも1つに対して知られたものよりもより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つよりも大きいかもしれない。裸のプロトンに対する絶対シフトの範囲は、TMSのシフトが、裸のプロトンに対して約−31.5であるところ、±5ppm、±10ppm、±20ppm、±30ppm、±40ppm、±50ppm、±60ppm、±70ppm、±80ppm、±90ppm、及び±100ppmの少なくとも1つの公差の範囲内において−(p28.01+p22.56)ppm(式(20))であるかもしれない。裸のプロトンに対する絶対シフトの範囲は、約0.1%から99%、1%から50%、及び1%から10%の少なくとも1つの公差の範囲内において−(p28.01+p21.49X10−3)ppm(式(20))であるかもしれない。
水素−タイプ分子のH2(1/p)の、ν=0からν=1への遷移に対する振動エネルギ、Evibは、次のようになる。
Evib=p2・0.515901eV (21)
ここで、pは整数である。
Evib=p2・0.515901eV (21)
ここで、pは整数である。
水素−タイプの分子H2(1/p)のJからJ+1への遷移に対する回転のエネルギ、Erotは、次のように表わされる。
ここで、pは整数であり、Iは慣性モーメントである。H2(1/4)のRo−振動の放射は、固体マトリクス内にトラップされ、ガス中での電子ビームにより励起された分子について観察された。
回転のエネルギのp2依存性は、慣性モーメントIによる、対応するインパクト及び核間の距離の逆p依存性に起因する。H2(1/p)に対する予測された核間の距離2c’は次の通りである。
H2(1/p)の回転及び振動のエネルギの少なくとも1つは、電子−ビーム励起発光分光法、ラマン分光法、及びフーリエ変換赤外(FTIR)分光法の少なくとも1つによって測定されるかもしれない。H2(1/p)は、MOH、MX、及びM2CO3(M=アルカリ;X=ハロゲン)マトリクスの少なくとも1つにおいてのように測定のためにマトリクスにトラップされるかもしれない。
触媒
He+、Ar+、Sr+、Li、K、NaH、nH(n=整数),及びH2Oは、触媒として機能すると予測される。なぜならば、それらは、触媒基準に合致するからである。ここで、その触媒基準は、原子水素のポテンシャル・エネルギ、27.2eVの整数倍に等しいエンタルピー変化を伴う化学的又は物理的プロセスである。具体的は、触媒システムは、t電子のイオン化エネルギの総和が約m・27.2eV(ここで、mは整数)となるように、原子から連続するエネルギ・レベルへとt電子のイオン化によって提供される。更に、H(1/2)が最初に形成されて、n=1/2→1/3、1/3→1/4、1/4→1/5、等となる場合におけるように、触媒の遷移が起きるかもしれない。一旦触媒反応が始まると、ハイドリノは、H又はH(1/p)が、もう1つのH又はH(1/p’)(pはp’と同じであってよい)のための触媒として機能するところ、不均化と呼ばれるプロセスにおいて更に自動触媒として機能する。
He+、Ar+、Sr+、Li、K、NaH、nH(n=整数),及びH2Oは、触媒として機能すると予測される。なぜならば、それらは、触媒基準に合致するからである。ここで、その触媒基準は、原子水素のポテンシャル・エネルギ、27.2eVの整数倍に等しいエンタルピー変化を伴う化学的又は物理的プロセスである。具体的は、触媒システムは、t電子のイオン化エネルギの総和が約m・27.2eV(ここで、mは整数)となるように、原子から連続するエネルギ・レベルへとt電子のイオン化によって提供される。更に、H(1/2)が最初に形成されて、n=1/2→1/3、1/3→1/4、1/4→1/5、等となる場合におけるように、触媒の遷移が起きるかもしれない。一旦触媒反応が始まると、ハイドリノは、H又はH(1/p)が、もう1つのH又はH(1/p’)(pはp’と同じであってよい)のための触媒として機能するところ、不均化と呼ばれるプロセスにおいて更に自動触媒として機能する。
水素及びハイドリノは触媒として機能してよい。水素原子H(1/p) p=1、2、3、・・・137は、式(1)及び(3)によって与えられるより低いエネルギ状態への遷移を受けることができるが、1つの原子の遷移は、ポテンシャル・エネルギの同時に起きる逆の変化と共に、m・27.2eVを共鳴的に及び非放射的に受け取る第2のものによって触媒作用を受ける。m・27.2eVからH(1/p’)への共鳴伝達によって誘導されるH(1/p)からH(1/(m+p))への遷移に対する全体の一般式は、式(10)によって表わされる。このようにして、水素原子は、触媒として機能してよいが、もう1つに対する触媒として働く、1つ、2つ、及び3つの原子がそれぞれ、m=1、m=2、及びm=3である。2−又は3−原子−触媒に対する割合は、H密度が高い時にのみ、感知できる程度であろう。しかしながら、高いH密度は、珍しい訳ではない。第3又は第4のためのエネルギ受容体として機能する2H又は3Hの高い水素原子の許容濃度は、高度に解離されたプラズマ、特に、挟まれた水素プラズマ内で、多重の単分子層を支持する金属表面の上で、及び温度及び重力に導かれた密度により太陽及び星の表面でのような幾つかの環境下で達成されるかもしれない。加えて、3−体のH相互作用は、熱いHとH2との衝突から2つのH原子が生じるときに、容易に達成される。この事象は、並はずれて高速なHの多大な数を持つプラズマ内において一般に起こり得る。そのような場合において、エネルギ移動は、多極結合を介して数オングストロームが典型的であるが、十分な近接内に1つの水素原子から2つの他のものへと起こり得る。そして、2つの原子が共鳴的に及び非放射的に、第3の水素原子から54.4eVを受け取り、触媒として2Hが機能するように、3つの水素原子の間の反応は、次のように与えられる。
54.4eV+2H+H →
2Hfast ++2e−+H*[aH/3]+54.4eV (24)
H*[aH/3] → H[aH/3]+54.4eV (25)
2Hfast ++2e− → 2H+54.4eV (26)
そして、全体の反応は次の式で与えられる。
H → H[aH/3]+[32−12]・13.6eV (27)
ここで、H*[aH/3]は、水素原子の半径とプロトンの3倍に等しい中心場を持ち、H[aH/3]は、Hのそれの1/3の半径を持つ対応する安定な状態である。電子が、水素原子の半径から、この距離の1/3の半径になる半径方向加速度を受けるときに、特徴的な光の放射又は第3体の運動エネルギーとしてエネルギが放出される。
54.4eV+2H+H →
2Hfast ++2e−+H*[aH/3]+54.4eV (24)
H*[aH/3] → H[aH/3]+54.4eV (25)
2Hfast ++2e− → 2H+54.4eV (26)
そして、全体の反応は次の式で与えられる。
H → H[aH/3]+[32−12]・13.6eV (27)
ここで、H*[aH/3]は、水素原子の半径とプロトンの3倍に等しい中心場を持ち、H[aH/3]は、Hのそれの1/3の半径を持つ対応する安定な状態である。電子が、水素原子の半径から、この距離の1/3の半径になる半径方向加速度を受けるときに、特徴的な光の放射又は第3体の運動エネルギーとしてエネルギが放出される。
[aH/4]状態への直接の遷移を含むもう1つのH−原子触媒反応において、2つの熱いH2分子は、3つのH原子が第4のもののために3・27.2eVの触媒として機能するように、衝突しかつ解離する。そして、このようにして3Hが触媒として機能するように3つの原子が共鳴的に及び非放射的に第4の水素原子から81.6eVを受け取り、4つの水素原子の間の反応は、次のように与えられる。
81.6eV+3H+H →
3Hfast ++3e−+H*[aH/4]+81.6eV (28)
H*[aH/4] → H[aH/4]+122.4eV (29)
3Hfast ++3e− → 3H+81.6eV (30)
そして、全体の反応は、次のようになる。
H → H[aH/4]+[42−12]・13.6eV (31)
式(28)のH*[aH/4]中間体による極端紫外連続放射は、122.4eV(10.1nm)で短波長カットオフを持ち、より長波長へと伸びることを予測する。この連続体バンドは、実験的に確認された。一般に、m・27.2eVの受け取りによるHのH[aH/(p=m+1)]への遷移は、短波長カットオフ及び以下のエネルギを備える連続体バンドを与えるが、
そのエネルギは次のように与えられる。
そして、対応するカットオフよりも長い波長へと伸びて行く。10.1nm、22.8nm、及び91.2nmの連続体の水素放射シリーズは、星間媒質、太陽及び白色矮星において実験的に観測された。
81.6eV+3H+H →
3Hfast ++3e−+H*[aH/4]+81.6eV (28)
H*[aH/4] → H[aH/4]+122.4eV (29)
3Hfast ++3e− → 3H+81.6eV (30)
そして、全体の反応は、次のようになる。
H → H[aH/4]+[42−12]・13.6eV (31)
式(28)のH*[aH/4]中間体による極端紫外連続放射は、122.4eV(10.1nm)で短波長カットオフを持ち、より長波長へと伸びることを予測する。この連続体バンドは、実験的に確認された。一般に、m・27.2eVの受け取りによるHのH[aH/(p=m+1)]への遷移は、短波長カットオフ及び以下のエネルギを備える連続体バンドを与えるが、
H2Oのポテンシャル・エネルギは、81.6eVである(式(43))[ミルズのGUT]。そして、同じ媒体によって、発生期のH2O分子(固体、液体、又はガス状において結合された水素でない)は、触媒として機能するかもしれない(式(44−47))。より低いエネルギ、即ち、「ハイドリノ」へのHの理論的に予測された遷移に対する、10.1nmにおける及びより長波長側に行く連続体放射バンドは、最初にブラックライト・パワー・インク(BLP)で、そして、ハーバード天体物理学センター(CfA)で再生された、パルス状の挟まれた水素放電から生じるだけであると観測された。Hからハイドリノ状態への予測された遷移に合致した10から30nmの範囲にある連続放射は、HOH触媒を形成するH還元を受けることが熱力学的に有利である金属酸化物とのパルス状の挟まれた水素放電から生じるだけであると観測された。一方、有利でないそれらは如何なる連続を示さなかった。たとえ、テストした低い−融点の金属が、よりパワフルなプラズマ源において強い短波長連続体を持つ金属イオンプラズマを形成することに非常に有利であるとしてもである。
或いは、高速Hを形成するための共鳴する運動エネルギ移動は、高い運動エネルギHに対応する並はずれたバルマーα線のブロード化の観測と一致して起きてよい。2つのHへのエネルギ移動はまた、励起された状態の触媒のポンピングを引き起こす。そして、高速Hは、例示的な式(24)、(28)、及び(47)によって、及び、共鳴する運動エネルギ移動によって、与えられるように直接的に生産される。
I.ハイドリノ
結合エネルギを持つ水素原子は次の式で与えられる。
結合エネルギー = 13.6eV/(1/p)2 (34)
ここで、pは整数で1より大きく、好ましくは2から137であり、本開示のH触媒反応の生成物である。イオン化エネルギとしても知られている、原子、イオン、又は分子の結合エネルギは、原子、イオン、又は分子から1つの電子を取り除くのに必要なエネルギである。式(34)で与えられる結合エネルギを持つ水素原子は、以降は、「ハイドリノ原子」又は「ハイドリノ」と呼ばれる。ハイドリノの半径aH/pに対する表記は、aHが通常の水素原子の半径でありpが整数であるところ、H[aH/p]である。半径aH/pを持つ水素原子は、以降、「通常の水素原子」又は「普通の水素原子」と呼ばれる。通常の原子水素は、13.6eVの結合エネルギにより特徴付けられる。
結合エネルギを持つ水素原子は次の式で与えられる。
結合エネルギー = 13.6eV/(1/p)2 (34)
ここで、pは整数で1より大きく、好ましくは2から137であり、本開示のH触媒反応の生成物である。イオン化エネルギとしても知られている、原子、イオン、又は分子の結合エネルギは、原子、イオン、又は分子から1つの電子を取り除くのに必要なエネルギである。式(34)で与えられる結合エネルギを持つ水素原子は、以降は、「ハイドリノ原子」又は「ハイドリノ」と呼ばれる。ハイドリノの半径aH/pに対する表記は、aHが通常の水素原子の半径でありpが整数であるところ、H[aH/p]である。半径aH/pを持つ水素原子は、以降、「通常の水素原子」又は「普通の水素原子」と呼ばれる。通常の原子水素は、13.6eVの結合エネルギにより特徴付けられる。
ハイドリノは、以下に示される反応の正味のエンタルピーを持つ妥当な触媒と通常の水素原子が反応することにより形成される。
m・27.2eV (35)
ここで、mは整数である。触媒反応の速度は、反応の正味のエンタルピーがm・27.2eVにより近く合致すると、増加すると信じられている。m・27.2eVの±10%以内、好ましくは、±5%以内の反応の正味のエンタルピーを持つ触媒は、大抵の適用に対して妥当であることが分かってきた。
m・27.2eV (35)
ここで、mは整数である。触媒反応の速度は、反応の正味のエンタルピーがm・27.2eVにより近く合致すると、増加すると信じられている。m・27.2eVの±10%以内、好ましくは、±5%以内の反応の正味のエンタルピーを持つ触媒は、大抵の適用に対して妥当であることが分かってきた。
触媒反応は、水素原子のサイズ、rn=naHにおける同等な減少とともに水素原子からエネルギを放出させる。例えば、H(n=1)からH(n=1/2)への触媒反応は、40.8eVを開放し、水素の半径は、aHから(1/2)aHに減少する。触媒システムは、t電子のイオン化エネルギがおよそm・27.2eV(mは整数)であるように、各原子から連続エネルギ・レベルへt電子のイオン化により提供される。パワー源として、触媒反応の間に放出されるエネルギは、触媒へ失われるエネルギよりもずっと大きい。放出されるエネルギは、従来の化学反応に比べて大きい。例えば、水素及び酸素が燃焼を経て水を形成するときは、以下のようになる。
H2(g)+(1/2)O2(g) → H2O(l) (36)
水の形成の既知のエンタルピーは、ΔHf=−286kJ/mole又は、1水素原子あたり1.48eVである。対照的に、触媒反応を受ける各(n=1)の通常の水素原子は、正味の40.8eVを開放する。その上、触媒の遷移は、更に、n=1/2→1/3、1/3→1/4、1/4→1/5、等として起こるかもしれない。一旦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動触媒作用を行う。このメカニズムは、無機イオン触媒反応のそれと類似する。しかし、ハイドリノ触媒反応は、m・27.2eVにエンタルピーがよりよく合致することにより、無機イオン触媒のそれよりもより速い反応速度を持っている。
H2(g)+(1/2)O2(g) → H2O(l) (36)
水の形成の既知のエンタルピーは、ΔHf=−286kJ/mole又は、1水素原子あたり1.48eVである。対照的に、触媒反応を受ける各(n=1)の通常の水素原子は、正味の40.8eVを開放する。その上、触媒の遷移は、更に、n=1/2→1/3、1/3→1/4、1/4→1/5、等として起こるかもしれない。一旦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動触媒作用を行う。このメカニズムは、無機イオン触媒反応のそれと類似する。しかし、ハイドリノ触媒反応は、m・27.2eVにエンタルピーがよりよく合致することにより、無機イオン触媒のそれよりもより速い反応速度を持っている。
ハイドリノを生産するように(そのようにしてt電子が1つの原子又はイオンからイオン化されるが)およそm・27.2eV(mは整数)の反応の正味のエンタルピーを供給することができる水素触媒は、表1において与えられる。第1欄に与えられる原子又はイオンは、mが第11の欄に与えられるところ、第10欄において与えられるm・27.2eVの反応の正味のエンタルピーを供給するようにイオン化される。イオン化に参加する電子は、イオン化ポテンシャル(イオン化エネルギ又は結合エネルギとも呼ばれる)と共に与えられる。その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で示され、CRCによって与えられる。即ち、例えば、Li+5.39172eV → Li++e−及びLi++75.6402eV → Li2++e−である。最初のイオン化ポテンシャル、IP1=5.39172eV、及び第2のイオン化ポテンシャル、IP2=75.6402eV、は、それぞれ、第2欄及び第3欄に与えられる。Liの2重イオン化のための反応の正味のエンタルピーは、第10欄に与えられるように、81.0319eVであり、第11欄に与えられるように式(5)においてm=3である。
本開示のハイドリノ水素化物イオンは、ハイドリノ、即ち、約(13.6eV)/n2(ここで、n=1/pであり、pは1より大きい整数である)の結合エネルギを持つ水素原子と電子源との反応により形成され得る。ハイドリノ水素化物は、H−(n=1/p)又はH−(1/p)によって表わされて、以下のようになる。
H[aH/p]+e− → H−(n=1/p) (37)
H[aH/p]+e− → H−(1/p) (38)
H[aH/p]+e− → H−(n=1/p) (37)
H[aH/p]+e− → H−(1/p) (38)
ハイドリノ水素化物イオンは、1つの通常の水素原子核と、約0.8eVの結合エネルギを持つ2つの電子とを含む通常の水素化物イオンから区別される。後者は、以降、「通常の水素化物イオン」又は「普通の水素化物イオン」と呼ばれる。ハイドリノ水素化物イオンは、プロテウム(proteum)、ジュウテリウム(deuterium)、又はトリチウム(tritium)を含む水素核と、式(39)及び(40)による結合エネルギで区別のつかない2つの電子とを含む。
ハイドリノ水素化物イオンの結合エネルギは、以下の式により表わされる。
ここで、pは1より大きい整数であり、s=1/2であり、πはパイである。
は、換算プランク定数であり、μ0は真空の透磁率であり、meは電子の質量であり、μeは以下に与えられるように換算電子質量である。
ここで、mpはプロトンの質量であり、aHは水素原子の半径であり、a0はボーアの半径であり、eは素電荷である。半径は、以下のように与えられる。
pが整数であるところ、pの関数として、ハイドリノ水素化物イオン、H−(n=1/p)の結合エネルギが、表2に示される。
本開示に従って、p=2から23までは通常の水素化物イオンの結合(約0.75eV)よりも大きく、p=24(H−)ではより小さい、式(39)及び(40)に従う結合エネルギを持つハイドリノ水素化物イオン(H−)が提供される。式(39)及び(40)のp=2からp=24に対して、水素化イオンの結合エネルギは、それぞれ、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、及び0.69eVである。新規な水素化物イオンを含む例示的な組成は、また、ここにおいて提供される。
例示的な化合物はまた、1又はそれ以上のハイドリノ水素化物イオン及び1又はそれ以上の他の元素を備えるように、提供される。そのような化合物は、「ハイドリノ水素化物化合物」と呼ばれる。
通常の水素種は、(a)水素化物イオン、0.754eV(「通常の水素化物イオン」);(b)水素原子(「通行の水素原子」)、13.6eV;(c)2原子の水素分子、15.3eV(「通常の水素分子」);(d)水素分子イオン、16.3eV(「通常の水素分子イオン」);及び(e)H3 +、22.6eV(「通常の三水素分子イオン」)の結合エネルギによって特徴づけられる。 ここにおいて、水素の形態に関して、「普通」及び「通常」は、同義語である。
本開示の更なる実施例によれば、以下のような増大された結合エネルギの水素種の少なくとも1つを含むような化合物が提供される。それらは、
(a)pが2から137までの整数であるところ、(13.6eV)/(1/p)2の約0.9倍から1.1倍の範囲の中のような、約(13.6eV)/(1/p)2の結合エネルギを持つ水素原子;
(b)pが2から24の整数であるところ、次のものの約0.9倍から1.1倍の範囲内のようであり、
およそ以下に示される結合エネルギを持つ水素化物イオン(H−);
(c)H4 +(1/p);
(d)pが2から137であるところ、(22.6eV)/(1/p)2eVの約0.9倍から1.1倍の範囲内のような、約(22.6eV)/(1/p)2eVの結合エネルギを持つ、三重ハイドリノ分子イオン(trihydrino molecular ion)、H3 +(1/p);
(e)pが2から137であるところ、(15.3eV)/(1/p)2eVの約0.9倍から1.1倍の範囲内のような、約(15.3eV)/(1/p)2eVの結合エネルギを持つ、二重ハイドリノ(dihydrino);
(f)pが整数であり、好ましくは、2から137の整数であるところ、(16.3eV)/(1/p)2eVの約0.9倍から1.1倍の範囲内のような、約16.3eV)/(1/p)2eVの結合エネルギを持つ二重ハイドリノ分子イオン(dihydrino molecular ion);
である。
(a)pが2から137までの整数であるところ、(13.6eV)/(1/p)2の約0.9倍から1.1倍の範囲の中のような、約(13.6eV)/(1/p)2の結合エネルギを持つ水素原子;
(b)pが2から24の整数であるところ、次のものの約0.9倍から1.1倍の範囲内のようであり、
(d)pが2から137であるところ、(22.6eV)/(1/p)2eVの約0.9倍から1.1倍の範囲内のような、約(22.6eV)/(1/p)2eVの結合エネルギを持つ、三重ハイドリノ分子イオン(trihydrino molecular ion)、H3 +(1/p);
(e)pが2から137であるところ、(15.3eV)/(1/p)2eVの約0.9倍から1.1倍の範囲内のような、約(15.3eV)/(1/p)2eVの結合エネルギを持つ、二重ハイドリノ(dihydrino);
(f)pが整数であり、好ましくは、2から137の整数であるところ、(16.3eV)/(1/p)2eVの約0.9倍から1.1倍の範囲内のような、約16.3eV)/(1/p)2eVの結合エネルギを持つ二重ハイドリノ分子イオン(dihydrino molecular ion);
である。
本開示の更なる実施例に従えば、以下のような増大された結合エネルギの水素種の少なくとも1つを含むように化合物が提供される。それらは、
(a)pが整数であり、
が換算プランク定数であり、meが電子の質量であり、cが真空中の光の速度であり、そして、μが換算原子核質量であるところ、
の約0.9倍から1.1倍の範囲内のような、約
の全エネルギを持つ二重ハイドリノ分子イオン(dihydrino molecular ion);及び
(b)pが整数であり、a0がボーアの半径であるところ、
の約0.9倍から1.1倍の範囲内のような、約
の全エネルギを持つ二重ハイドリノ分子(dihydrino molecular);である。
(a)pが整数であり、
(b)pが整数であり、a0がボーアの半径であるところ、
化合物が負に荷電した増大された結合エネルギの水素種を含むところ、本開示の実施例の1つに従って、その化合物は、更に、プロトン、通常のH2 +、又は通洞のH3 +のような、1又はそれ以上のカチオンを含む。
少なくとも1つのハイドリノ水素化物イオンを含む化合物を準備する方法がここにおいて提供される。そのような化合物は、以降において、「ハイドリノ水素化物化合物」と呼ばれる。その方法は、約(m/2)・27eVの反応の正味のエンタルピーを持つ触媒と原子水素を反応させるステップを含み、ここで、mは1より大きい整数であり、好ましくは400より小さい整数であるが、約(13.6eV)/(1/p)2(pは整数であり、好ましくは2から137の整数である)の結合エネルギを持つ増大された結合エネルギの水素原子を生産する。触媒反応の更なる生産物はエネルギである。増大された結合エネルギの水素原子は、電子源と反応させられることができ、そして、増大された結合エネルギの水素化物イオンを生産する。増大された結合エネルギの水素化物イオンは、1又はそれ以上のカチオンと反応させられることができ、そして、増大された結合エネルギの水素化物イオンの少なくとも1つを含む化合物を生産する。
新規な水素の物質の組成物は、
(a)次の(i)又は(ii)条件の結合エネルギを持つ、中性の、正の、又は負の水素種(以降、「増大された結合エネルギの水素種」という。)の少なくとも1つと、ここで条件は、
(i)対応する通常の水素種の結合エネルギよりも大きい、又は、
(ii)対応する通常の水素種が不安定、又は、通常の水素種の結合エネルギが周囲の条件(標準温度及び圧力、STP)における熱エネルギより小さいために観測されない、又は、負である、ために、如何なる水素種の結合エネルギよりも大きい、ことであり、
(b)少なくとも1つの他の元素と、を含む。本開示の化合物は、「増大された結合エネルギの水素化合物」と以降呼ばれる。
(a)次の(i)又は(ii)条件の結合エネルギを持つ、中性の、正の、又は負の水素種(以降、「増大された結合エネルギの水素種」という。)の少なくとも1つと、ここで条件は、
(i)対応する通常の水素種の結合エネルギよりも大きい、又は、
(ii)対応する通常の水素種が不安定、又は、通常の水素種の結合エネルギが周囲の条件(標準温度及び圧力、STP)における熱エネルギより小さいために観測されない、又は、負である、ために、如何なる水素種の結合エネルギよりも大きい、ことであり、
(b)少なくとも1つの他の元素と、を含む。本開示の化合物は、「増大された結合エネルギの水素化合物」と以降呼ばれる。
本文脈中において、「他の元素」という用語により、増大された結合エネルギの水素種以外の元素を意味する。このようにして、他の元素は、通常の水素種、又は、水素以外の他の如何なる元素であり得る。化合物の1つの群において、他の元素及び増大された結合エネルギの水素種は、中性である。化合物のもう1つの群において、他の元素及び増大された結合エネルギの水素種は、他の元素が中性の化合物を形成するようにバランスをとる電荷を提供するように、荷電される。化合物の前者の群は、分子及び配位結合によって特徴づけられ、後者の群は、イオン結合によって特徴づけられる。
また、新規な化合物及び分子イオンが提供され、それは、
(a)次の(i)又は(ii)の条件の全エネルギを持つ、中性の、正の、又は負の水素種(以降、「増大された結合エネルギの水素種」という。)の少なくとも1つと、ここでその条件は、
(i)対応する通常の水素種の全エネルギよりも大きい、又は、
(ii)対応する通常の水素種が不安定、又は、通常の水素種の全エネルギが周囲の条件における熱エネルギより小さいために観測されない、又は、負である、ために、如何なる水素種の全エネルギよりも大きいことであり、
(b)少なくとも1つの他の元素と、を含む。水素種の全エネルギは、水素種から全電子を取り除くためのエネルギの総和である。本開示による水素種は、対応する通常の水素種の全エネルギよりも大きな全エネルギを持つ。本開示による増大された全エネルギを持つ水素種は、増大された全エネルギを持つ水素種の幾つかの実施例が対応する通常の水初秋の第1電子結合エネルギよりも少ない第1電子結合エネルギを持つかもしれないとしても、「増大された結合エネルギの水素種」と呼ばれる。例えば、p=24に対する式(39)及び(40)の水素化物イオンは、通常の水素化物イオンの第1結合エネルギよりも小さい第1結合エネルギを持ち、ここで、p=24に対する式(39)及び(40)の水素化物イオンの全エネルギは、対応する通常の水素化物イオンの全エネルギよりもずっと大きい。
(a)次の(i)又は(ii)の条件の全エネルギを持つ、中性の、正の、又は負の水素種(以降、「増大された結合エネルギの水素種」という。)の少なくとも1つと、ここでその条件は、
(i)対応する通常の水素種の全エネルギよりも大きい、又は、
(ii)対応する通常の水素種が不安定、又は、通常の水素種の全エネルギが周囲の条件における熱エネルギより小さいために観測されない、又は、負である、ために、如何なる水素種の全エネルギよりも大きいことであり、
(b)少なくとも1つの他の元素と、を含む。水素種の全エネルギは、水素種から全電子を取り除くためのエネルギの総和である。本開示による水素種は、対応する通常の水素種の全エネルギよりも大きな全エネルギを持つ。本開示による増大された全エネルギを持つ水素種は、増大された全エネルギを持つ水素種の幾つかの実施例が対応する通常の水初秋の第1電子結合エネルギよりも少ない第1電子結合エネルギを持つかもしれないとしても、「増大された結合エネルギの水素種」と呼ばれる。例えば、p=24に対する式(39)及び(40)の水素化物イオンは、通常の水素化物イオンの第1結合エネルギよりも小さい第1結合エネルギを持ち、ここで、p=24に対する式(39)及び(40)の水素化物イオンの全エネルギは、対応する通常の水素化物イオンの全エネルギよりもずっと大きい。
また、新規な化合物及び分子イオンがここに提供され、それは、
(a)次の(i)又は(ii)の条件の結合エネルギを持つ、中性の、正の、又は負の水素種(以降、「増大された結合エネルギの水素種」という。)の少なくとも1つと、ここでその条件は、
(i)対応する通常の水素種の結合エネルギよりも大きい、又は、
(ii)対応する通常の水素種が不安定、又は、通常の水素種の結合エネルギが周囲の条件における熱エネルギより小さいために観測されない、又は、負である、ために、如何なる水素種の結合エネルギよりも大きいことであり、
(b)少なくとも1つの他の元素と、を含む。本開示の化合物は、「増大された結合エネルギの水素化合物」と以降呼ばれる。
(a)次の(i)又は(ii)の条件の結合エネルギを持つ、中性の、正の、又は負の水素種(以降、「増大された結合エネルギの水素種」という。)の少なくとも1つと、ここでその条件は、
(i)対応する通常の水素種の結合エネルギよりも大きい、又は、
(ii)対応する通常の水素種が不安定、又は、通常の水素種の結合エネルギが周囲の条件における熱エネルギより小さいために観測されない、又は、負である、ために、如何なる水素種の結合エネルギよりも大きいことであり、
(b)少なくとも1つの他の元素と、を含む。本開示の化合物は、「増大された結合エネルギの水素化合物」と以降呼ばれる。
増大された結合エネルギの水素種は、増大された結合エネルギの水素種以外の他のイオン、分子、又は原子の少なくとも1つ、その増大された結合エネルギの水素種の少なくとも1つを含む化合物、ハイドリノ原子、電子の少なくとも1つと、1又はそれ以上のハイドリノ原子とを反応させることにより形成され得る。
また、新規な化合物及び分子イオンが提供され、それは、
(a)次の(i)又は(ii)の条件の全エネルギを持つ、中性の、正の、又は負の水素種(以降、「増大された結合エネルギの水素種」という。)の少なくとも1つと、ここでその条件は、
(i)対応する通常の水素種の全エネルギよりも大きい、又は、
(ii)対応する通常の水素種が不安定、又は、通常の水素種の全エネルギが周囲の条件における熱エネルギより小さいために観測されない、又は、負である、ために、如何なる水素種の全エネルギよりも大きいことであり、
(b)オプションとして、1つの他の元素と、を含む。本開示の化合物は、「増大された結合エネルギの水素化合物」と以降呼ばれる。
(a)次の(i)又は(ii)の条件の全エネルギを持つ、中性の、正の、又は負の水素種(以降、「増大された結合エネルギの水素種」という。)の少なくとも1つと、ここでその条件は、
(i)対応する通常の水素種の全エネルギよりも大きい、又は、
(ii)対応する通常の水素種が不安定、又は、通常の水素種の全エネルギが周囲の条件における熱エネルギより小さいために観測されない、又は、負である、ために、如何なる水素種の全エネルギよりも大きいことであり、
(b)オプションとして、1つの他の元素と、を含む。本開示の化合物は、「増大された結合エネルギの水素化合物」と以降呼ばれる。
1つの実施例において、以下から選択される増大された結合エネルギの水素種の少なくとも1つを含む化合物が提供される。それらは、(a)式(39)及び(40)に従って、p=2から23までは、通常の水素化物イオンの結合(約0.8eV)よりも大きいが、p=24ではより小さい結合エネルギを持つ水素化物イオン(「増大された結合エネルギの水素化物イオン」又は「ハイドリノ水素化物イオン」と呼ぶ)と;(b)通常の水素原子の結合エネルギ(約13.6eV)よりも大きい結合エネルギを持つ水素原子(「増大された結合エネルギの水素原子」又は「ハイドリノ」と呼ぶ)と;(c)約15.3eVよりも大きな第1結合エネルギを持つ水素分子(「増大された結合エネルギの水素分子」又は「ハイドリノ」と呼ぶ)と;(d)約16.3eVよりも大きな結合エネルギを持つ分子水素イオン(「増大された結合エネルギの分子水素イオン」又は「ハイドリノ分子イオン」と呼ぶ)と;である。本開示において、増大された結合エネルギの水素種及び化合物は、また、より低いエネルギの水素種及び化合物とも呼ばれる。ハイドリノは、増大された結合エネルギの水素種又は、等価に、より低いエネルギの水素種を含む。
D.追加的なMHタイプの触媒及び反応
一般に、mが整数であるところ、t電子の結合エネルギ及びイオン化エネルギの総和がおよそm・27.2eVであるように、原子Mからそれぞれ連続エネルギレベルへとのt電子のイオン化をプラスしたM−H結合の解離により提供されるハイドリノを生産するMHタイプの水素触媒は、表3Aに与えられる。各MH触媒は、第1欄に与えられ、そして、対応するM−H結合エネルギは欄2に与えられる。第1欄に与えられるMH種の原子Mは、欄2にある結合エネルギの追加と共にm・27.2eVの反応の正味エンタルピーを供給するようにイオン化される。触媒のエンタルピーは、mが第9欄に与えられるところ、第8欄に与えられる。イオン化に参加する電子は、イオン化ポテンシャル(イオン化エネルギ又は結合エネルギとも呼ばれる)と共に与えられる。例えば、NaH、1.9245eVの結合エネルギは、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によって示され、CRCによって与えられる。第1のイオン化ポテンシャル、IP1=5.13908eV及び、第2のイオン化ポテンシャル、IP2=47.2864eVは、それぞれ、第2欄及び第3欄に与えられる。NaH結合の破壊及びNaのダブル・イオン化ための反応の正味のエンタルピーは、第8欄に与えられるように54.35eVであり、第9欄に与えられるように式(35)において、m=2である。BaHの結合エネルギは、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結合破壊及びBaの三重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(35)においてm=2である。SrHの結合エネルギは、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+へのイオン化のための反応の正味のエンタルピーは、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(35)においてm=7である。
一般に、mが整数であるところ、t電子の結合エネルギ及びイオン化エネルギの総和がおよそm・27.2eVであるように、原子Mからそれぞれ連続エネルギレベルへとのt電子のイオン化をプラスしたM−H結合の解離により提供されるハイドリノを生産するMHタイプの水素触媒は、表3Aに与えられる。各MH触媒は、第1欄に与えられ、そして、対応するM−H結合エネルギは欄2に与えられる。第1欄に与えられるMH種の原子Mは、欄2にある結合エネルギの追加と共にm・27.2eVの反応の正味エンタルピーを供給するようにイオン化される。触媒のエンタルピーは、mが第9欄に与えられるところ、第8欄に与えられる。イオン化に参加する電子は、イオン化ポテンシャル(イオン化エネルギ又は結合エネルギとも呼ばれる)と共に与えられる。例えば、NaH、1.9245eVの結合エネルギは、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によって示され、CRCによって与えられる。第1のイオン化ポテンシャル、IP1=5.13908eV及び、第2のイオン化ポテンシャル、IP2=47.2864eVは、それぞれ、第2欄及び第3欄に与えられる。NaH結合の破壊及びNaのダブル・イオン化ための反応の正味のエンタルピーは、第8欄に与えられるように54.35eVであり、第9欄に与えられるように式(35)において、m=2である。BaHの結合エネルギは、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結合破壊及びBaの三重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(35)においてm=2である。SrHの結合エネルギは、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+へのイオン化のための反応の正味のエンタルピーは、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(35)においてm=7である。
他の実施例において、受容体Aへの電子の移動によって供給されるハイドリノを生産するMHタイプの水素触媒と、M−H結合エネルギ、MH及びAの電子親和力(electron affinity)(EA)の差を含む電子移動エネルギの総和がおよそm・27.2eV(mは整数)となるように原子Mから各々連続エネルギ・レベルへとt電子のイオン化をプラスするM−H結合の破壊、及び、Mからt電子のイオン化エネルギは、表3Bにおいて与えられる。各MH触媒、受容体A、MHの電子親和力、及びM−H結合エネルギは、それぞれ、第1、第2、第3、及び第4欄に与えられる。イオン化に参加するMHの対応する原子Mの電子は、それに続く欄においてイオン化ポテンシャル(イオン化エネルギ又は結合エネルギとも呼ばれる)と共に与えられ、触媒のエンタルピー及び対応する整数mが最後の欄に与えられる。例えば、OH及びHの電子親和力は、それぞれ、1.82765eV及び0.7542eVであり、電子の移動エネルギは、第5欄に与えられるように1.07345eVである。OHの結合エネルギは4.4556eVであり、欄6に与えられる。原子の第n番目の電子のイオン化ポテンシャルは、IPnによって示される。即ち、例えば、O+13.61806eV → O++e−であり、O++35.11730eV → O2++e−である。第1イオン化ポテンシャル、IP1=13.61806eV及び、第2イオン化ポテンシャル、IP2=35.11730eVは、それぞれ、第7欄及び第8欄に与えられる。電子移動反応、OH結合の破壊、及びOの二重イオン化の正味のエンタルピーは、第7欄において与えられるように、54.27eVであり、第12番目の欄に与えられるように式(35)においてm=2である。他の実施例において、Hがハイドリノを形成するための触媒は、負のイオンのイオン化によって提供され、そして、1又はそれ以上の電子のイオン化エネルギプラスそのEAの合計がおよそm・27.2eV(mは整数)になる。或いは、負のイオンの第1電子は、電子移動エネルギ−プラス1又はそれ以上の電子のイオン化エネルギの総和がおよそm・27.2eV(mは整数)になるように、少なくとも1又はそれ以上の電子のイオン化が後に続くが、受容体へ移動するかもしれない。電子の受容体(acceptor)はHであってよい。
別の実施例において、ハイドリノを生成するMH+タイプの水素触媒は、負に荷電されるかもしれないドナーAから電子の移動、M−H結合の破壊、及び原子Mから各々が連続エネルギ・レベルへのt電子のイオン化によって、提供されるが、そのようにして、MH及びAのイオン化エネルギの差、M−H結合エネルギ、及びMからt電子のイオン化エネルギを含む電子移動エネルギの合計がおよそm・27.2eV(mは整数)となる。
1つの実施例において、原子、イオン、又は分子のような種は、分子水素が、分子ハイドリノH2(1/p)(pは整数)への遷移を経験するように引き起こす触媒として機能する。Hに関する場合と同様に、触媒は、この場合、約m48.6eV(ここで、mは、ミルズGUTCPにおいて与えられるように整数である)であるかもしれない、H2からのエネルギを受け取る。直接のH2の触媒反応によってH2(1/p)を形成する妥当な例示的な触媒は、それぞれ、m=1、m=2、及びm=4に対応する触媒反応の間にO2+、V4+、及びCd5+を形成するO、V、及びCdである。エネルギは、反応が半電池反応を含むところ電気として、又は熱又は光として開放されるかもしれない。
1つの実施例において、触媒は、m・27.2eV、m=1、2、3、4、・・・(式(5))のエネルギを受け取ることができる基底又は励起状態にある、原子、正に若しくは負に荷電したイオン、正に若しくは負に荷電した分子イオン、分子、エキシマー(excimer)、化合物、又はそれらの如何なる組合せのような如何なる種をも含む。触媒反応の速度は、反応の正味のエンタルピーがm・27.2eVにより近くに合致すると、増加すると信じられている。m・27.2eVの±10%以内に、好ましくは±5%以内に反応の正味のエンタルピーを持つ触媒が大抵の適用に対して妥当であることが分かってきた。より低いエネルギ状態へのハイドリノ原子の触媒反応の場合において、m・27.2eV(式(5))の反応のエンタルピーは、ハイドリノ原子のポテンシャル・エネルギと同じファクタによって相対論的に補正される。1つの実施例において、触媒は、原子水素からエネルギを共鳴的に及び無放射的に受け取る。1つの実施例において、受け取られたエネルギは、原子水素から移動させられた大体の量だけ、触媒のポテンシャル・エネルギの大きさ(magnitude)を減少させる。エネルギー・イオン又は電子は、最初に拘束された電子の運動エネルギの保存により結果的に生じるかもしれない。少なくとも1つの原子Hは、受容体の27.2eVのポテンシャル・エネルギが触媒作用を受けたドナーH原子からの27.2eV又は移転によって棒引きされるところ、少なくとも他の1つに対して触媒として機能する。受容体触媒Hの運動エネルギは、高速プロトン又は電子として保存されるかもしれない。加えて、触媒作用を受けたHにおいて形成される中間状態(式(7))は、第3体における誘導された運動エネルギ又は放射の形態において連続エネルギの放射と共に減衰する。これらのエネルギ開放は、CIHTセルにおいて電流の流れという結果になるかもしれない。
1つの実施例において、分子又は正に若しくは負に荷電された分子イオンの少なくとも1つは、約m27.2eVだけの、分子又は正に若しくは負に荷電された分子イオンのポテンシャル・エネルギの大きさにおける減少と共に原子Hから約m27.2eVを受け取る触媒として機能する。例えば、ミルズGUTCPにおいて与えられるH2Oのポテンシャル・エネルギは次の通りである。
同じだけのエネルギによって分子のポテンシャル・エネルギの大きさにおける減少と共に原子Hからm・27.2eVを受け取る分子は、触媒として機能するかもしれない。例えば、H2Oのポテンシャル・エネルギに関する触媒作用の反応(m=3)は、次の通りである。
81.6eV+H2O+H[aH] →
2Hfast ++O++e−+H*[aH/4]+81.6eV (44)
H*[aH/4] → H[aH/4]+122.4eV (45)
2Hfast ++O++e− → H2O+81.6eV (46)
そして、全体の反応は次の通りである。
H[aH] → H[aH/4]+81.6eV+122.4eV (47)
ここで、H*[aH/4]は、水素の半径、及び、プロトンのそれの4倍と等しい中心場を持ち、そして、H[aH/4]は、Hのそれの1/4の半径を持つ対応する安定な状態である。電子が水素原子の半径からこの距離の1/4の半径へとの半径方向加速度を受ける際に、エネルギは、特徴的な光の放射又は第3体の運動エネルギとして開放される。氷の0℃から水の100℃まで行く際における蒸発の熱における10%のエネルギ変化に基づいて、沸騰する水における水分子あたりのH結合の平均数は、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に触媒として機能するために、妥当な活性化エネルギを持つ単離された分子のように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。
81.6eV+H2O+H[aH] →
2Hfast ++O++e−+H*[aH/4]+81.6eV (44)
H*[aH/4] → H[aH/4]+122.4eV (45)
2Hfast ++O++e− → H2O+81.6eV (46)
そして、全体の反応は次の通りである。
H[aH] → H[aH/4]+81.6eV+122.4eV (47)
ここで、H*[aH/4]は、水素の半径、及び、プロトンのそれの4倍と等しい中心場を持ち、そして、H[aH/4]は、Hのそれの1/4の半径を持つ対応する安定な状態である。電子が水素原子の半径からこの距離の1/4の半径へとの半径方向加速度を受ける際に、エネルギは、特徴的な光の放射又は第3体の運動エネルギとして開放される。氷の0℃から水の100℃まで行く際における蒸発の熱における10%のエネルギ変化に基づいて、沸騰する水における水分子あたりのH結合の平均数は、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に触媒として機能するために、妥当な活性化エネルギを持つ単離された分子のように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。
1つの実施例において、nH、O、nO、O2、OH、及びH2O(n=整数)の少なくとも1つは、触媒として機能してよい。触媒としてのH及びOHの生成物は、触媒のエンタルピーが約108.8eVであるところ、H(1/5)であるかもしれない。触媒としてのH及びOHの反応の生成物は、H(1/4)であるかもしれない。ハイドリノ生成物は、更に、より低い状態へと反応するかもしれない。触媒としてのH(1/4)及びHの生成物は、触媒エンタルピーが約27.2eVであるところ、H(1/5)であるかもしれない。触媒としてのH(1/4)及びHの生成物は、触媒エンタルピーが約54.4eVであるところ、H(1/6)であるかもしれない。触媒としてのH(1/5)及びHの生成物は、触媒エンタルピーが約27.2eVであるところ、H(1/6)であるかもしれない。
加えて、OHは触媒として機能するかもしれない。なぜならば、OHのポテンシャル・エネルギが次の通りだからである。
p=1及びp=2のHの状態の間におけるエネルギの差は、40.8eVである。このようにして、OHは、H(1/2)を形成する触媒として機能するHから約40.8eVを受け取るかもしれない。
H2Oに対するのと同様に、ミルズのGUTCPにおいて与えられるNH2アミド官能基のポテンシャル・エネルギは、−78.77719eVである。CRCから、各々対応するΔHfから計算されるKNH2を形成するNH2の反応のためのΔHは、(−128.9−184.9)kJ/mole=−313.8kJ/mole(3.25eV)である。CRCから、各々対応するΔHfから計算されるNaNH2を形成するNH2の反応のためのΔHは、(−123.8−184.9)kJ/mole=−308.7kJ/mole(3.20eV)である。CRCから、各々対応するΔHfから計算されるLiNH2を形成するNH2の反応のためのΔHは、(−179.5−184.9)kJ/mole=−364.4kJ/mole(3.78eV)である。このようにして、ハイドリノを形成するためのH触媒として機能するアルカリ・アミドMNH2(M=K,Na,Li)によって受け取られるかもしれない正味のエンタルピーは、それぞれ、約82.03eV、81.98eV、及び82.56eV(式(5)においてm=3)であり、アミド基からのアミドを形成するためのエネルギ及びアミド基のポテンシャル・エネルギの合計に対応している。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高磁場へのマトリクス・シフトを引き起こすかもしれない。
H2Oに対するのと同様に、ミルズのGUTCPにおいて与えられるH2S官能基のポテンシャル・エネルギは、−72.81eVである。このポテンシャル・エネルギの計算はまた、3p殻の混成と関連付けられるエネルギを除外する。7.49eVのこの混成エネルギは、混成軌道の半径及び最初の原子軌道の半径の比かける殻の全エネルギにより与えられる。加えて、1.10eVの2つのS−H結合の形成によるS3p殻のエネルギ変化は、触媒エネルギに含まれている。このようにして、H2S触媒の正味のエンタルピーは、81.40eV(式(5)においてm=3)である。H2S触媒は、次の反応により、MHS(M=アルカリ)から形成されるかもしれない。
2MHS → M2S + H2S (49)
この可逆反応は、Hをハイドリノへと触媒作用するかもしれない生成物H2Sへの遷移状態において活性な触媒状態にあるH2Sを形成するかもしれない。その反応混合物は、原子Hの源及びH2Sを形成する反応物を含むかもしれない。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高磁場マトリクス・シフトを引き起こすかもしれない。
2MHS → M2S + H2S (49)
この可逆反応は、Hをハイドリノへと触媒作用するかもしれない生成物H2Sへの遷移状態において活性な触媒状態にあるH2Sを形成するかもしれない。その反応混合物は、原子Hの源及びH2Sを形成する反応物を含むかもしれない。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高磁場マトリクス・シフトを引き起こすかもしれない。
更に、原子酸素は、原子水素のボーア半径に等しい同じ半径に2つの対にならない電子を持つ特別な原子である。原子Hが触媒として機能するとき、27.2eVのエネルギは、もう1つのに対して触媒として機能する各イオン化されたHの運動エネルギが13.6eVになるように、受け取られる。同様に、Oの2つの電子の各々は、2つの他の対にならない電子の続いて起こるイオン化と共にOHのO−H結合の破壊のための正味のエンタルピが表3に与えられるように80.4eVであるように、Oイオンへ移動した13.6eVの運動エネルギと共にイオン化され得る。OH−からOHへのイオン化の間、H(1/4)及びO2++2e−への更なる反応のためのエネルギ合致は、204eVの開放されたエネルギがCIHTセルの電気的パワーへ寄与するところ、起きるかもしれない。
その反応は、以下のように与えられる。
80.4eV+OH+H[aH/p] →
Ofast 2++2e−+H[aH/(p+3)]
+[(p+3)2−p2]・13.6eV (50)
Ofast 2++2e− → O+80.4eV (51)
そして、全体の反応は次のようになる。
H[aH/p] →
H[aH/(p+3)]+[(p+3)2−p2]・13.6eV
(52)
ここで、式(5)において、m=3である。運動エネルギはまた、熱い電子においても保存されるであろう。水蒸気プラズマにおけるHの反転分布の観測が、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測定される高磁場マトリクス・シフト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特定する他の方法は、本開示において与えられる。
その反応は、以下のように与えられる。
80.4eV+OH+H[aH/p] →
Ofast 2++2e−+H[aH/(p+3)]
+[(p+3)2−p2]・13.6eV (50)
Ofast 2++2e− → O+80.4eV (51)
そして、全体の反応は次のようになる。
H[aH/p] →
H[aH/(p+3)]+[(p+3)2−p2]・13.6eV
(52)
ここで、式(5)において、m=3である。運動エネルギはまた、熱い電子においても保存されるであろう。水蒸気プラズマにおけるHの反転分布の観測が、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測定される高磁場マトリクス・シフト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特定する他の方法は、本開示において与えられる。
1つの実施例において、酸素を含む化合物又は酸素が、酸化又は還元反応に参加するところ、O2は、触媒又は触媒の源として機能するかもしれない。酸素分子の結合エネルギは、5.165eVであり、そして、第1、第2、及び第3の酸素原子のイオン化エネルギは、それぞれ、13.61806eV、35.11730eV、及び54.9355eVである。O2→O+O2+、O2→O+O3+、及び2O→2O+の反応は、それぞれ、Ehの2、4、及び1倍の正味のエンタルピーを提供し、そして、ハイドリノの形成を引き起こすようにHからのこれらのエネルギを受け取ることによりハイドリノを形成する触媒反応を含む。
IX. 燃料電池及びバッテリ
燃料電池及びバッテリ400の実施例は、図1に示される。固体燃料又は不均一系触媒を含むハイドリノ反応物は、対応する半電池反応のための反応物を含む。触媒−誘導−ハイドリノ−遷移(catalyst−induced−hydrino−transition)(CIHT)セルは、触媒作用を及ぼされたハイドリノ遷移のユニークな属性によって可能となる。本開示のCIHTセルは、より低いエネルギ(ハイドリノ)状態へ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、それは、ハイドリノ反応からのエネルギを電気へと直接変換するための燃料電池として機能する。
燃料電池及びバッテリ400の実施例は、図1に示される。固体燃料又は不均一系触媒を含むハイドリノ反応物は、対応する半電池反応のための反応物を含む。触媒−誘導−ハイドリノ−遷移(catalyst−induced−hydrino−transition)(CIHT)セルは、触媒作用を及ぼされたハイドリノ遷移のユニークな属性によって可能となる。本開示のCIHTセルは、より低いエネルギ(ハイドリノ)状態へ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、それは、ハイドリノ反応からのエネルギを電気へと直接変換するための燃料電池として機能する。
酸化−還元の電池の半反応により、ハイドリノ−生成反応混合物は、外部回路を通しての電子の移動及び電気回路を完成させるための分離した通路を通ってのイオン質量輸送で構成される。半電池反応の合計により与えられるハイドリノを生成する全体反応及び対応する反応混合物は、本開示において与えられる熱パワー生成のために考慮された反応タイプを含んでよい。ハイドリノ反応からの自由エネルギΔGは、ハイドリノ生成反応混合物を構成する酸化−還元化学に依存する酸化又は還元のポテンシャルであるかもしれないポテンシャルを生じさせる。そのポテンシャルは、燃料電池における電圧を発生させるために使用されるかもしれない。ポテンシャルVは、自由エネルギΔGによって表わされるかもしれない。
V = −ΔG/(nF) (53)
ここで、Fはファラデー定数である。その自由エネルギがH(1/4)への遷移に対して約−20MJ/mole Hであるとすると、電圧は、化学種、電解質、及び電極のような他のセルの構成要素に依存して高いかもしれない。電圧がこれら又は他の構成要素の酸化−還元ポテンシャルによって限定されるような1つの実施例において、エネルギは、ハイドリノ形成からのより高い電流及び対応するパワー寄与として明らかであるかもしれない。式(6−9)によって示されるように、ハイドリノ遷移のエネルギは、連続放射として開放されるかもしれない。具体的には、エネルギは、準安定な中間体を形成する触媒に非放射的に移動させられるかもしれず、この中間体は、電子が最初の半径から最終の半径へと移転する際に連続放射の発光を備えるプラズマ・システムにおいて崩壊する。CIHTセルのような凝縮物において、このエネルギは、内的にエネルギ電子へと変換され、セル反応物の化学ポテンシャルと同様なポテンシャルでセル電流及び電力(power)寄与として現れるかもしれない。このようにして、パワーは式(53)によって与えられるそれよりもより低い電圧でより高い電流として発現するかもしれない。電圧は、また、反応の動力学によって限定されるであろうし、そして、ハイドリノを形成する高い動力学は、電流及び電圧の少なくとも1つを増加させることにより電力(power)を増加させるのに有利である。セル反応がハイドリノを形成する触媒とHの大きな発熱反応によって駆動されるかもしれないので、1つの実施例において、ハイドリノを形成する反応物を形成する酸化−還元セル反応の自由エネルギは可能な如何なる値であるかもしれない。妥当な範囲は、約+1000kJ/moleから−1000kJ/mole、約+1000kJ/moleから−100kJ/mole、約+1000kJ/moleから−10kJ/mole、及び約+1000kJ/moleから0kJ/moleである。ハイドリノを形成する負の自由エネルギにより、セル電流、電圧、及び電力(power)の少なくとも1つは、電流、電圧、及び電力(power)に寄与できる非ハイドリノ反応の自由エネルギによるそれらよりも高い。これは、開回路電圧及び負荷を備えるそれにも適用される。このようにして、CIHTセルは、セルに負荷がかけられたとき如何なる分極電圧による電圧の補正を含む非ハイドリノの関連する化学物質のためのネルンストの式によって予測されるよりもより高い電圧、従来の化学物質により駆動されるよりも高い電流、及び従来の化学物質により駆動されるよりも高い電力(power)の少なくとも1つを持つことによって如何なる従来技術からも区別される。
V = −ΔG/(nF) (53)
ここで、Fはファラデー定数である。その自由エネルギがH(1/4)への遷移に対して約−20MJ/mole Hであるとすると、電圧は、化学種、電解質、及び電極のような他のセルの構成要素に依存して高いかもしれない。電圧がこれら又は他の構成要素の酸化−還元ポテンシャルによって限定されるような1つの実施例において、エネルギは、ハイドリノ形成からのより高い電流及び対応するパワー寄与として明らかであるかもしれない。式(6−9)によって示されるように、ハイドリノ遷移のエネルギは、連続放射として開放されるかもしれない。具体的には、エネルギは、準安定な中間体を形成する触媒に非放射的に移動させられるかもしれず、この中間体は、電子が最初の半径から最終の半径へと移転する際に連続放射の発光を備えるプラズマ・システムにおいて崩壊する。CIHTセルのような凝縮物において、このエネルギは、内的にエネルギ電子へと変換され、セル反応物の化学ポテンシャルと同様なポテンシャルでセル電流及び電力(power)寄与として現れるかもしれない。このようにして、パワーは式(53)によって与えられるそれよりもより低い電圧でより高い電流として発現するかもしれない。電圧は、また、反応の動力学によって限定されるであろうし、そして、ハイドリノを形成する高い動力学は、電流及び電圧の少なくとも1つを増加させることにより電力(power)を増加させるのに有利である。セル反応がハイドリノを形成する触媒とHの大きな発熱反応によって駆動されるかもしれないので、1つの実施例において、ハイドリノを形成する反応物を形成する酸化−還元セル反応の自由エネルギは可能な如何なる値であるかもしれない。妥当な範囲は、約+1000kJ/moleから−1000kJ/mole、約+1000kJ/moleから−100kJ/mole、約+1000kJ/moleから−10kJ/mole、及び約+1000kJ/moleから0kJ/moleである。ハイドリノを形成する負の自由エネルギにより、セル電流、電圧、及び電力(power)の少なくとも1つは、電流、電圧、及び電力(power)に寄与できる非ハイドリノ反応の自由エネルギによるそれらよりも高い。これは、開回路電圧及び負荷を備えるそれにも適用される。このようにして、CIHTセルは、セルに負荷がかけられたとき如何なる分極電圧による電圧の補正を含む非ハイドリノの関連する化学物質のためのネルンストの式によって予測されるよりもより高い電圧、従来の化学物質により駆動されるよりも高い電流、及び従来の化学物質により駆動されるよりも高い電力(power)の少なくとも1つを持つことによって如何なる従来技術からも区別される。
図1に関して、燃料電池又はCIHTセル400は、カソード405を備えるカソード・コンパートメント401と、アノード410を備えるアノードコンパートメント402と、塩橋420と、分離した電子流れとイオン質量輸送を備えるセル・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、そして、水素の源とを含む。一般的な実施例において、CIHTセルは、より低いエネルギ(ハイドリノ)状態へ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、それは、ハイドリノ反応から開放されるエネルギの電気への直接の変換のための燃料電池として機能する。もう1つの実施例において、CIHTセルは、電極405及び410を通しての適用される電気分解パワーのそれを超える電気的な及び熱的なパワーの少なくとも1つを生産する。セルは、ハイドリノを形成する際に水素を消費し、かつ、水素追加を要求する。別様に言えば、実施例において、ハイドリノを形成する反応物は、熱的に又は電解的にの少なくとも1つにおいて再生され得る。異なる温度、圧力、及び濃度の少なくとも1つのような異なる状態又は条件の下で、同じ反応物又は異なる反応物は、コンパートメント間で電気回路を完成するために電子及びイオンの分離した導管によって接続される異なるセルコンパートメント内で提供される。システムの熱的なゲイン又は分離したコンパートメントの電極間のポテンシャル及び電気的なパワー・ゲインは、1つのコンパートメントからもう1つのコンパートメントへの質量流れにハイドリノ反応が依存することにより、発生する。質量流れは、実質的な速度で起こるハイドリノ反応を許す条件及びハイドリノを生成するように反応する反応混合物の形成の少なくとも1つを提供する。質量流れは、更に、電子及びイオンが、コンパートメントを接続する分離した導管内を輸送させられることを要求する。電子は、原子、分子、化合物、又は金属のような反応物種の酸化又は還元反応によって、及び、触媒と原子水素との反応の間に触媒のイオン化の少なくとも1つのから生じるかもしれない。アノード・コンパートメント402のようなコンパートメント内の種のイオン化は、(1)その酸化、カソード401のような分離したコンパートメント内の反応物種の還元、及び電子的中性のためコンパートメント内での電荷のバランスをとる移動するイオンの反応、からの有利な自由エネルギの変化と、(2)種の酸化、分離したコンパートメント内の種の還元、及びハイドリノを形成する反応に結果としてなる移動性のイオンの反応、によるハイドリノ形成による自由エネルギ変化と、の少なくとも1つによるかもしれない。イオンの移動は塩橋420を通してかもしれない。もう1つの実施例において、種の酸化、分離したコンパートメント内の種の還元、及びイオンを移動させる反応は、自発的ではないかもしれず、又は、低い速度で起きるかもしれない。質量流れがハイドリノを生産するように反応する反応混合物の形成及び実質的な速度で起きるハイドリノ反応を許す条件の少なくとも1つを提供するところ、電気分解のポテンシャルは、反応を強制するように適用される。電気分解ポテンシャル(electrolysis potential)は、外部回路425を通して適用されるかもしれない。各半電池の反応物は、再生430及び431及び生成物貯蔵のための容器(reservoirs)又は反応物の源への通路460及び461を通して生成物の除去又は反応物の追加によって再生され、維持され、そして供給されることの少なくとも1つを受けるかもしれない。
1つの実施例において、原子水素及び水素触媒の少なくとも1つが、触媒反応を活性化させておく反応を受けているために、反応混合物及び1つの反応物との反応によって形成されるかもしれない。ハイドリノ反応を開始させる反応は、発熱反応(exothermic reactions)、共役反応(coupled reactions)、フリーラジカル反応(free radical reactions)、酸化−還元反応(oxidation−reduction reactions)、交換反応(exchange reactions)、及び、ゲッター、支持体、又はマトリクス−支援触媒作用反応(getter,support, or matrix−assisted catalysis reactions)の少なくとも1であるかもしれない。1つの実施例において、ハイドリノを形成する反応は電気化学的パワーを供給する。本開示の交換反応のようなハイドリノ反応を開始させる反応及び反応混合物は、ハイドリノを形成する水素の反応によって電気的なパワーが展開されるところ、燃料電池の基礎である。酸化−還元セル半反応により、ハイドリノ生成反応混合物は、電気回路を完成させるための分離した通路を通るイオン質量輸送と、及び外部回路を通る電子の移動とで構成されている半電池反応の総計により与えられるハイドリノを生産する対応する反応混合物及び全体の反応は、本開示のハイドリノの化学的な生産及び熱パワーのための反応タイプを含むかもしれない。このようにして、ハイドリノ反応は、電子流れ及びイオン質量輸送の無い条件では、起こらないか、又は、認識できる速度では起こらない。
セルは、触媒の源又は触媒、及び、水素の源又は水素を少なくとも含む。妥当な触媒又は触媒の源及び水素の源は、H2Oのような本開示のそれらである。1つの実施例において、種は、カソードで還元を受けるかもしれない。種は、カソードで還元及び反応の少なくとも1つによって触媒の源になるかもしれない。1つの実施例において、酸化剤は、ハイドリノを形成するようにその後に反応するハイドリノ反応物を形成する反応を受ける。或いは、最終の電子−受容体反応物は、酸化剤を含む。酸化剤又はカソード−セル反応混合物は、カソード405を持つカソード・コンパートメント401内に配置されるかもしれない。或いは、カソード−セル反応混合物は、イオン及び電子の移動からカソード・コンパートメント内に構成されるかもしれない。燃料電池の1つの実施例において、カソード・コンパートメント401はカソードとして機能する。オペレーションの間、正のイオンは、カソード・コンパートメントへアノードから移動するかもしれない。特定の実施例において、この移動は、塩橋420を通して起きる。或いは、負のイオンは、塩橋420を通してアノード・コンパートメントへカソードから移動するかもしれない。移動するイオンは、触媒又は触媒の源のイオン、H+、H−、又はH−(1/p)のような水素のイオン、及び酸化剤のアニオン又は酸化剤と触媒の源若しくは触媒との反応によって形成される化合物の対イオン、の少なくとも1つであるかもしれない。各セル反応は、オプションとして再生430及び431、及び、生成物貯蔵のための容器(reservoirs)又は反応物の源への通路460及び461を通して生成物の除去又は反応物の追加によって再生され、維持され、そして供給されることの少なくとも1つを受けるかもしれない。
図1において示される電気分解セル400は、カソード405を備えるカソード・コンパートメント401と、アノード410を備えるアノード・コンパートメント402と、及び、オプションとして、セパレータ又は塩橋420と、を備える電気分解電力(power)は、ターミナル間に印加される電力(power)源によって供給される。電力(power)源は、第2のCIHTセル又はキャパシタの少なくとも1つであるかもしれない電力貯蔵(power storage)ユニット又はパワーサプライ(power supply)であるかもしれない。第2のCIHTセル又はキャパシタのような電力貯蔵(power storage)は、電力(power)源を含む第1のCIHTセルによって充電(チャージ)されるかもしれない。第2のCIHTセル又はキャパシタのような電力貯蔵(power storage)は、電力(power)源を含む第1のCIHTセルによって充電(チャージ)されるかもしれない。電解質は、本開示のそれらのような、水性、溶融塩、又はそれらの組合せであるかもしれない。電気分解セルの実施例において、電気分解電圧は、断続的か、又は、パルス状である。電解質は、アルカリ又はアルカリ土類水酸化物及びハロゲン化物塩のような溶融水酸化物共晶塩のような溶融塩であるかもしれない。例示的な電解質は、LiOH−LiBrである。電解質はまた、塩基性、酸性、又は大体中性であるかもしれない水性の電解質であるかもしれない。例示的な塩基性の電解質は、KOHのような水性のアルカリ水酸化物のような水性の水酸化電解質である。例示的な酸性の電解質は、水性のH2SO4又はHX(X=ハロゲン)のような水性の酸である。
1つの実施例において、電解質は、塩基性の水溶液を含んでよい。断続的な又はパルス状のサイクルの充電フェーズは、H2OからH2及びO2の電気分解を含んでよい。カソード及びアノード反応は、ハイドリノ形成は不可逆であることを除いて、それぞれ、式(90)及び(92)の逆を含んでよい。カソード放電半電池反応(cathode discharge half−cell reaction)は、H2O及び酸素の少なくとも1つの還元を含んでよい。還元は、式(92)によって与えられてよい。還元反応の過電圧(overpotential)は、半電池電圧が約0になることを引き起こすかもしれない。1つの実施例において、水溶性のアルカリ溶液においてO2及びH2OからOH−への還元(式(90))に対する還元ポテンシャルは、25℃でSHEに対して約0.4 Vである。電極における還元に対する過電圧(overpotential)は、還元半電池反応が約0Vで起きるように、約0.4Vである。アノード放電半電池反応(anode discharge half−cell reaction)は、OH−の酸化、及び、H2Oを形成するようにHとの更なる反応を含むかもしれない(式(90))。H2Oは、ハイドリノを形成する触媒として機能するかもしれない。1つの実施例において、OH−の還元及びH2Oを形成するHとの更なる反応(式(90))のための還元電位(reduction potential)は、25℃でSHEに対して約1.23Vである。電極の上の酸化に対する過電圧(overpotential)は、酸化半電池反応(oxidation half−cell reaction)がSTP条件に対して約1.23Vで起こるようになっている。
セルは、固体、溶融、液体セルを含むかもしれない。後者は溶媒を含むかもしれない。オペレーションの条件は、セル・コンパートメント、塩橋、アノード・セル反応物、及びカソード・セル反応物のそれらのようなセルの構成要素又は少なくとも1つの反応物の所望の特性又は所望の状態を達成するようにコントロールされるかもしれない。妥当な状態は、固体、液体、及びガス状であり、妥当な特性は、イオン及び電子に対する伝導性、物理特性、混和性、拡散速度、及び反応性である。1又はそれ以上の反応物が溶融状態に維持されている場合、コンパートメントの温度は、反応物の融点を超えるようにコントロールされているかもしれない。熱は、水素からハイドリノへの触媒作用からであるかもしれない。或いは、酸化剤及び/又は還元剤反応物は、オーブンであるかもしれない外部ヒータ450によって、又は、燃料電池の内部抵抗によって供給される熱で溶融される。1つの実施例において、CIHTセルは、断熱材に囲まれているが、この分野の当業者に知られている伝導熱及び放射熱の損失のための断熱材で満たされたシート・メタルのジャケットのような二重壁の真空にされたジャケットのような断熱材である。セルは、更に、オペレーション中に起きるハイドリノ生成反応のような反応から内部的に発生する如何なる熱の補充に対する要求に応じて開始及び維持の熱を供給する熱管理システムを含むかもしれない。加えて、システムは、もし必要ならば過剰の熱を除くために熱遮断システムを含むかもしれない熱遮断システムは、伝熱が強制対流、放射、及び伝導の少なくとも1つによるかもしれないところ、クーラント循環器及び熱交換機を含むもののような本分野に知られている1つを含むかもしれない。1つの実施例において、構成は、熱を保持するために最適な体積対表面積の比率を提供する直円柱状のスタックのような熱力学的に効率的な熱のリテーナである。1つの実施例において、カソード及びアノード・コンパートメントの少なくとも1の反応物は、溶媒によって少なくとも部分的に溶媒和されている。
図1の燃料電池は、少なくとも1つのコンパートメントへと、水素を測定し、水素を配達し、水素をコントロールするための、水素システム460、461、430、及び431の少なくとも1つを更に含むかもしれない。そのシステムは、1つのコンパートメントからもう1つのコンパートメントへとガスをポンプするためのポンプ440を含む。水素システムは、ポンプ、少なくとも1つのバルブ、1つの圧力ゲージ及び読み取り機、そして、カソード及びアノード・コンパートメントの少なくとも1つに水素を供給するためのコントロール・システムを含むかもしれない。水素システムは、1つの実施例において、ポンプ440を使用して、1つのコンパートメントからもう1つのコンパートメントへと水素又は他のガスをリサイクルするかもしれない。
生成物は、カソード又はアノード・コンパートメント内で再生されるかもしれない。生成物は、本開示の再生化学物質の如何なるものも最初の反応物を再生するために適用されるかもしれないところ、再生器に送られるかもしれない。ハイドリノ反応を受けているセルは、反応物の再生がされているそれらに熱を供給するかもしれない。
電解質は、アルカリハロゲン化物及びアルカリ土類ハロゲン化物の群から少なくとも2つの化合物のような2又はそれ以上のフッ化物の共晶塩を含むかもしれない。例示的な塩混合物は、LiF−MgF2、NaF−MgF2、KF−MgF2、及びNaF−CaF2を含む。他の妥当な溶媒は、有機クロロアルミン酸溶融塩(organic chloro aluminate molten salts)及び金属ホウ化水素化物及び金属アルミニウム水素化物(metal borohydrides and metal aluminum hydrides)に基づくシステムである。溶融共晶混合物のような溶融混合物であるかもしれない追加の妥当な電解質は、表4に与えられる。
表4に与えられる例示的な塩混合物の少なくとも1つのような溶融塩は、H−イオン伝導体である。実施例において、LiH、NaH、又はKHのようなアルカリ水素化物のようなH−の源は、H−イオン電導性を向上させるために溶融塩電解質に加えられることが本開示において黙示的である。他の実施例において、溶融電解質は、アルカリ金属イオン伝導体であるか、又は、プロトン伝導体であるかもしれない。他の実施例において、電解質は水酸化物を含む。触媒は、水酸化物から形成されるかもしれないH2Oであるかもしれない。
反応混合物は、(1)触媒又は触媒の源及びH2Oのような水素の源、そして少なくとも1つのHと、(2)高いイオン電導性を持つかもしれない電解質として機能するかもしれないものであって、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、及びBaからなる群から少なくとも1つのカチオンとF、Cl、Br、及びIからなる群から少なくとも1つのハロゲン化物とを含む水酸化物が通るのを選択的に許すかもしれない、共晶塩混合物のような溶融塩と、(3)オプションとして、TiCのような炭化物のような電気的に伝導性があるかもしれない支持体と、及び(4)オプションとして、還元剤、及び、アルカリ土類金属又はアルカリ土類水素化物のような水素化物交換反応物と、を含む。
反応物は、水素解離剤(hydrogen dissociator)としても機能するかもしれない支持体(support)を少なくとも1つ含むかもしれない。支持体は、カーボン、炭化物、又はホウ化物を含むかもしれない。妥当なカーボン、炭化物、及びホウ化物は、カーボンブラック、TiC、Ti3SiC2、TiCN、SiC、YC2、TaC、Mo2C、WC、C、HfC、Cr3C2、ZrC、VC、NbC、B4C、CrB2、ZrB2、GdB2、MgB2、及びTiB2である。水素解離剤としても機能するかもしれない妥当な支持体は、Pd/C、Pt/C、Pd/MgO、Pd/Al2O3、Pt/MgO、及びPt/Al2O3である。
セルは、電気分解及び断続的な放電の少なくとも1つをされるかもしれない。電気分解カソード及びアノードは、CIHTセル・アノード及びカソードであるかもしれない。ここで、役割は、CIHTから電気分解セルへと切り替える際に逆転し、セルが再生された後に再度元に切り替わる際に逆転する。逆電流又は電圧は、パルスとして適用されてよい。パルス状の逆極性及び波形は、如何なる振動数範囲、ピーク電圧、ピーク電力、ピーク電流、デューティ・サイクル、及びオフセット電圧にあってもよい。パルス状の反転はDCであってよく、印加される電圧は交流であってよく、又は波形を持っていてよい。印加は所望の頻度でパルス状であってよく、波形は所望の振動数を持っていてよい。妥当なパルス状の振動数は、約1から約1000Hzの範囲内であり、デューティ・サイクルは、約0.001%から約95%でよいが、この範囲内で2刻みのファクタでより狭い範囲ないでもよい。1つの実施例において、セルは、放電フェーズの間にハイドリノに反応しHの単原子層を形成するように入力エネルギを最小化する最適の運転高振動数で維持されるセルあたりのピーク電圧は、約0.1Vから10Vの少なくとも1つの範囲内でよいが、この範囲外で2の刻みのファクタのより狭い範囲内でもよい。もう1つの実施例において、高い電圧パルスが適用され、セルあたり約10Vから100kVの範囲内であり、しかし、この範囲内で桁(order)の規模のインクリメントのより狭い範囲内でもよい。波形は、約0.1Hzから約100MHz、約100MHzから10GHz、及び約10GHzから100GHzの少なくとも1つのの範囲内の振動数を持ってよいが、この範囲内で桁(order)の規模のインクリメントのより狭い範囲内でもよい。デューティ・サイクルは、約0.001%から約95%、及び約0.1%から約10%の範囲の少なくとも1つであってよいが、この範囲内で桁(order)の規模のインクリメントのより狭い範囲内でもよい。パルスのピーク電力密度は、約0.001W/cm2から1000W/cm2の範囲内でよいが、この範囲内で桁(order)の規模のインクリメントのより狭い範囲内でもよい。パルスの平均電力密度は、約0.0001W/cm2から100W/cm2の範囲内でよいが、この範囲内で桁(order)の規模のインクリメントのより狭い範囲内でもよい。1つの実施例において、断続的な充電−放電の頻度は、充電−放電の抵抗を減少させるために増加されてよい。
1つの実施例において、短寿命の反応物は、充電及び放電の繰り返されるサイクルのCIHTセル放電の間に対応する電気的なパワー及びハイドリノ形成という結果となる電気分解の間に発生させられる。電気分解の電力は、入力エネルギに相対的なハイドリノの形成からのエネルギを最適化するように適用されてよい。電圧、波形、デューティ・セル、振動数及び他のそのようなパラメータの電気分解条件は、セルからの電気的なエネルギ・ゲインを増加させるために調整されてよい。
1つの実施例において、水素電極、及びオプション的に酸素電極、は、図2において示されるようにバイポーラ・プレート(bipolar plate)507の要素によって置き換えられる。セルの設計は、セルが電圧を積み上げる(build voltage)ために積み重ねられる(stacked)かもしれないところ、平坦な正方形の幾何学的な構成に基づいているかもしれない。各セルは、アノード電流コレクタ、多孔性のアノード、電解質マトリクス、多孔性のカソード、及びカソード電流コレクタを含む繰り返しのユニットを形成してよい。1つのセルは、ガス・セパレータ及び連続する電流コレクタの両方として機能するバイポーラ・プレートを含むかもしれないセパレータによって次のものから分離されるかもしれない。そのプレートは、クロス−フローガス構成(cross−flow gas configuration)又は内部多岐管(internal manifolding)を持ってよい。図2に示されるように、相互接続部又はバイポーラ・プレート507は、アノード501を、複数の個別のCIHTセルを含むCIHTセル・スタック500にある隣のカソード502から分離する。アノード又はH2プレート504は、波形をつけられる(corrugated)かもしれず、或いは、ポート503を通って供給される水素を分配するチャネル505を含むかもしれない。チャネル505を備えるプレート504は、他の実施例の断続的な電気分解カソード(放電アノード)又は水素透過性膜と置き換わる。ポートは、タンクのような水素源によって順に供給されるポート503にそってマニホールドから水素を受け取るかもしれない。そのプレート504は、電気化学的反応が起きるところ、活性な場所にバブリング又は散布する水素を理想的には均一に更に配布するかもしれない。バイポーラ・プレートは、酸素マニホールドが酸素ポート506に沿う供給から酸素を供給するところ、活性な場所へ酸素を配布するためH2プレートのそれと類似する構造を持つバイポーラ・プレートの酸素プレートを更に含むかもしれない。これらのコルゲートされた又はチャネル化されたプレートは、電気的に伝導性であり、活性な場所におけるカソード電流コレクタ及びアノードに接続されており、電気的な接触を維持する。1つの実施例において、全ての相互接続又はバイポーラ・プレートは、アノードの及びカソードのガスの分離を許すガス分配ネットワークを構成する。湿潤シールは、2つの個々のプレートの間でプレスされるLiOH−LiBr/Li2TiO3又はMgOタイルのような電解質/マトリクスの延長により形成される。そのシールは、反応物ガスの漏れを防止するかもしれない。電解質は、本開示のプレスされたペレットを含むかもしれない。MgOのようなマトリクス及びLiBrのようなアルカリハロゲン化物及びLiOHのようなアルカリ水酸化物のような水酸化物を含む1つのような電解質ペレットを形成する圧力は、平方インチあたり約1から500トンの範囲にある。スタックは、更に、電極及びペレット電解質のような電解質の間の所望の接触を維持するためセルに圧力を加えるためスタックの端部でプレッシャー・プレートを保持するタイ・ロッド(tie rods)を更に含むかもしれない。LiOHのような水酸化物のしょうな化合物又は電解質が、蒸発のような手段によって移動するような1つの実施例において、電解質は収集され、そして、リサイクルされるかもしれない。移動する種は、電解質を吸収する燈芯又は収集構造のような構造において収集されるかもしれず、そして、リサイクルは、逆移動を引き起こすような燈芯構造又は収集構造を加熱するような手段により熱的に達成されるかもしれない。
CIHTセル・システムは、溶融炭酸塩タイプ又は改質アルカリのような修正された従来の燃料電池をふくむかもしれない。1つの実施例において、CIHTセルは、酸素及びH2Oの少なくとも1つがカソードに供給され、H2がアノードに供給されるところ、図2に示されるようにバイポーラ・プレートは、のスタックを含む。ガスは、多孔質の又は拡散電極を通して拡散により供給されるかもしれず、H2はまたは、妥当な水素透過性の電極を通して透過により供給されるかもしれない。水素透過性の電極は、Mo、MoNi、MoCu、MoCoのようなMo合金、TZM、及びH242、Ni、Co、NiCoのようなNi合金、及び他の遷移金属及び内部遷移金属及びCuCoのような合金の少なくとも1つを含むかもしれない。H2の適用は、電気的なパワー・ゲインを維持しつつ、アノード腐食を遅らせるため十分な量だけなされる。透過性のアノードは、水素透過速度において比例的な増加で増加する電流密度で作用させられる。水素透過速度は、Mo合金のような合金の金属の重量%のような膜組成を変化させること、膜の厚みを減少させること、セル温度を上昇させること、幕への水素圧力を上昇させること、の少なくとも1つによってコントロールされてよい。1つの実施例において、Pt又はPdのような貴金属のような水素解離剤は、透過速度を上昇させるため原子Hの量を増加させるためMo又はMoCuアノードのような透過アノードの内面にコーティングされる。水素圧力は、約1Torrから500atm、10Torrから100atm、又は100Torrから5atmの少なくとも1つの範囲内で維持されるかもしれない。水素透過速度は、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、又は1X10−9mole s−1 cm−2から1X10−8mole s−1 cm−2の少なくとも1つの範囲内であるかもしれない。透過により消費される水素は、ハイドリノ形成によりCIHTセルのパワーよりも非常に少ないH2Oを形成することからの対応する理論的なパワーを持つかもしれない。従って、マニホールド(manifolds)、ライン(lines)、及びチャネル(channels)のような水素供給システム、及び透過アノードは、従来の水素−酸素燃料電池のそれらよりも比例的によりコンパクトであるかもしれない。1つの実施例において、アノードは、その場での電気分解、透過、及び散布の少なくとも1つのような源からH2のガス境界層を、トラップするかもしれない。MgOのようなマトリクスは、アノードでのH2ガスをトラップすることにおいて支援するかもしれない。1つの実施例において、アノードの活性表面は、垂直に拡散するとき、H2がトラップされるように面を下向きにしている。1つの実施例において、水素透過圧力は、アノードの膨張又は物理的な変形を避けるように大気圧より低いかもしれない。水素透過性アノードは、MoNi、MoCu、MoCo、Co、CoCu、CoNiのようなMo合金又はMoのようなハイドリノ反応を容易にすることに効果的な材料でコーティングされた非常に透過性のある膜を含むかもしれない。例示的なH透過性の材料は、Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)、Ta(H2)及び430SS(H2)のようなステンレス鋼(SS)である。電解質は、LiOH−LiBrのような本開示のそれらの1つのような溶融塩を含むかもしれない。透過速度は、放電パワーの約1%から50%の範囲内であることに対応する1つのように高いかもしれない。1つの実施例において、ベータ−Ti及びVのようなH透過性の材料の酸化物表面層は、アルゴン・ガス・イオン・エッチングのようなエッチングのような手段によって取り除かれ、それに続くスパッタでPdの薄い層ができる(例えば、2−3ミクロン)。
セルは、拡散、流れ、又は透過によってアノードへまた供給される水素に関し断続的な電気分解条件の下で維持されるかもしれない。供給の速度は、水素添加がアノードを腐食から保護するところ、CIHTセルによって過剰な電気的なパワー発生を維持するようコントロールされる。Mo合金のようなアノード材料、透過性膜の厚み、セル温度、及び、水素透過速度に影響する他のパラメータと同様に内部水素圧力は、所望の水素流れ(flow)速度を達成するために選択されるかもしれない。アノードを負職から保護することを達成する水素流れ(flow)速度は、従来の水素−酸素から水となる燃料電池反応を介してセルによって発生する電気的なパワーを維持するのに必要とされるものに比べて低いかもしれない。更に、1つの実施例において、水素供給は、断続的な電気分解の充電フェーズの間に逆方向に透過する水素を受け取るかもしれない。このようにして、マニホールド及びガスアノードのようなアノード・ガス供給システムは、比例してよりコンパクトに作られるかもしれない。カソードへの水素の供給は、電気分解又はH2Oからかもしれない。CIHTセルの断続的な電気分解の充電−放電の頻度は、アノードへ適用されるH2ガスに関するよりも高い頻度であるかもしれない。その頻度は、0.1Hzから10,000Hzの範囲内又は本開示のもう1つの妥当な範囲内であるかもしれない。1つの実施例において、セルへ供給されるH2及びO2は、断続的な電気分解のためのH2Oの在庫の少なくともいくらかを供給する。電解質は、Li2Oのような酸化物、又は、所望の電解質濃度を維持するためH2Oを可逆的に結合させるKMgCl3、MgCl2、及びCaCl2の少なくとも1つのような本開示の含水化合物を含むかもしれない。ガス圧力は、各セルからの所望のパワー出力、H2透過速度、アノードのH2保護、カソードでの酸素還元速度の少なくとも1つを維持するために如何なる所望のものとされるかもしれない。水素及び酸素圧力の少なくとも1つは、0.01atmから1000atm、0.1から100atm、及び1から10atmの少なくとも1つの範囲内であるかもしれない。
1つの実施例において、セルの周辺に供給されるH2O蒸気は、周辺から電解質層内に拡散するかもしれず、そして、カソードに輸送するかもしれない。1つの実施例において、カソードのようなセルへのH2Oの配給は、周辺部に対してセルの中央部の中にH2Oを配給する周部のミシン目を持つ放射状のガス・チャネル又は毛細管(capillary)システムを使用することで達成できるかもしれない。1つの実施例において、カソードは、O2ガス又は空気のような周囲の雰囲気のようなO2ガスの囲んでいる外部の源及び周部のミシン目を備える放射状のガス・チャネルを備える。1つの実施例において、H2Oは、標準的なMCFC−タイプのガス・カソードを通して、及び、周辺から電解質による吸収の少なくとも1つによって、カソードへ供給されるかもしれない。H2O供給に対する要求は、50MJ/mole H2Oまで供給するある消費に関するオペレーションの間のH2O保存に基づいて、低いかもしれない。1つの実施例において、消費される水は、ハイドリノ及びO2を生産する。50MJ/mole H2Oまで清算する如何なる正味の消費に関しても、セル・サイクルに渡って、H2O分解反応及び再結合反応に基づいて、標準MCFCガス・カソードのようなガス供給システムのような本開示の1つのようなH2O配給システムのサイズは、プロトン交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell)(PEMFC)又は溶融炭酸塩年燃料電池(molten carbonate fuel cell)(MCFC)の1つのような標準燃料電池のガス・カソードに比べて、比較的小さいかもしれない。O2圧力は、その場で発生させられるので、幾分静的であるかもしれない。O2の最初の在庫は、放電の間イオン電流のイオンの源がH2Oからが圧倒的である場合において、時間に対して比較的一定であるかもしれない。1つの実施例において、質量バランスは圧倒的に、H2Oからハイドリノ及びO2に変換することを含み、そのようにして、過剰のO2は、取り除かれ、そして、O2容器(reservoir)又はO2在庫と関係しているかもしれない。圧倒的に、H2Oは、セルに供給されるかもしれず、そして、生成物酸素及びハイドリノの流れ出るようなセル内に質量流れの主なものを構成するかもしれない。H2Oは、水和によって電解質の一部になるかもしれず、そして、電解質は2LiOH→Li2O+H2Oのような反応及び水和H2Oの脱水によるH2Oの容器(reservoir)として機能するかもしれない。更に、透過性の膜のH2在庫は、H2Oのその場の電気分解に基づいて再生されるかもしれない。断続サイクルの充電フェーズの間加えられる電力(power)による電気分解に加えて、H2Oは、ハイドリノ反応により供給されるH2O分解のエネルギを持つHの源として機能するかもしれない。H2Oからハイドリノ及び酸素を究極的に形成する例示的反応は、本開示のそれらである。1つの実施例において、Hの在庫は、電気分解の充電の適用がないことへの要求がより少ないハイドリノ反応によるH2Oの分解により、部分的に、実質的に、及び全体的にの少なくとも1つの様式で維持されるかもしれない。このようにして、H2透過性の電極のH2の在庫は、時間の経過に伴って比較的一定であるかもしれない。1つの実施例において、同じことが本開示のもう1つの水素化物の場合に適用される。H2及びO2圧力は、電気分解をコントロールすることでコントロールされるかもしれない。ここで、H2及びO2の少なくとも1つの圧力は、対応するがすに対するネルンストの式に基づく1つのような電極によりモニタされるかもしれない。電圧は、各ガスを独立に記録するため妥当な参照電極に対するものであるかもしれない。
1つの実施例において、アノードの周部は、周囲の源からの酸素及びH2Oの少なくとも1つの拡散に対してシールされる。1つの実施例において、カソードは、酸素及びH2Oの少なくとも1つのガス状の輸送のような輸送を支持するように多孔質である。1つの実施例において、カソードは、少なくとも1つの層を含む。そのような化合物カソードは、酸素及びH2Oの少なくとも1つの輸送を支持する層を含むかもしれない。輸送は、ガス状の拡散を含むかもしれない。拡散は、酸素及びH2Oの少なくとも1つの周囲の大機のような周部源からかもしれない。大気の組成及び圧力は、本開示のそれらのような如何なる所望のものであるかもしれない。1つの実施例において、セルのH2O圧力は、大気圧より大きい1つのような上げられた圧力で維持される。H2Oは、内部圧力に抗してポンプを使用して、セルに供給されるかもしれない。或いは、内部H2O容器(reservoir)は、低い温度でセルで満たされるかもしれない。ここで、その後、セル温度及び容器(reservoir)温度は、上げられたH2O圧力を作るために上げられる。CIHTセル・ハウジングは、圧力的に気密性があるかもしれず、周囲よりも高い圧力を支持できるかもしれない。
透過性のアノード5及びガス供給(gas feed)6を含むCIHTセル・スタックの繰り返しユニットは、図3Aに示される。H2O及びO2の少なくとも1つは、多孔性の又は化合物カソードを含むかもしれないカソードへ入れられる。化合物カソードは、ガス輸送のための多孔性層2及び酸素を還元するNiOのような触媒層のような多層を含むかもしれない。1つの実施例において、化合物カソードのようなカソードは、H2O及びO2の少なくとも1つのの輸送を容易にすべく、多孔性である。カソードは、並べて置かれたカソードが電気的絶縁体1によって分離されているところ、電流コレクタ2を更に含む。セルは更に、MgOのようなマトリクスのようなセパレータをオプションとして含む電解質層4を含む。1つの実施例において、透過アノード5及びガス供給(gas feed)6は、図3Bに示されるように対応する対向セルに対する対向する側から電気化学的反応を支持し、及び、混成されるかもしれないアノード7によって置換される。
1つの実施例において、化合物カソードは、O2及びH2Oの少なくとも1つを還元するための触媒層及びガス拡散層のような輸送層を含む。触媒層は、電解質と接触しており、更に、PtをドープされたNiOのような輸送層及び本開示の他のカソード材料とは異なる材料を含むかもしれない。輸送層は、輸送を支持するための触媒層よりも多孔性であるかもしれない。触媒層は、電解質が、カソード内に過剰に燈芯機能を果たして、溢れさせることを防止するように、より少ない孔又はより小さい孔サイズを持つかもしれない。触媒層に相対的な輸送層のより高い気孔率により、圧力勾配が、輸送層から触媒層へと存在する。圧力は、カソードの電解質の洪水状態を防止することに寄与するかもしれない。化合物カソードの拡散そうの相対的な気孔率及び拡散するガスの大気の外部圧力は、層間の所望の圧力勾配を達成するように調整されるかもしれない。カソード層は、スタック内の機械的な圧力により過剰の圧縮から電極を防ぐ、Ni、NiO、又はMgOビーズ(beads)のような支持体要素を含むかもしれない。もう1つの実施例において、電解質は、電極が、カソード内に過剰に燈芯機能を果たすことを防止するマトリクスを含む。マトリクスの孔サイズは、カソード内における燈芯機能を防止するように所望の毛細管力を達成するように調整されるかもしれない。
1つの実施例において、CIHTセルのH2及びO2の在庫は、比較的静的であるかもしれず、そして、各ガスは外部又は内部電気分解により生産されるかもしれない。H2及びO2は、外部の源から供給される補充のガス及び最初の在庫とで、内部の電気分解により再び供給されるかもしれない。1つの実施例において、酸素在庫は、カソードで所望のO2圧力を維持するように、可逆的に形成及び分解することができる酸素化合物によって供給されるかもしれない。酸素の源である妥当な例示的な化合物は、本開示の酸化物、過酸化物、スーパーオキシド、及びオキシ水酸化物である。H2Oは、水和物のような拘束されたH2Oを持つ化合物の脱水によって又はガスとして供給されるかもしれない。水和物は、ガス供給システム温度又はセル温度のような化合物の選択され維持される温度で所望のH2O圧力を達成するように選択される。アノードH2及びカソードO2及びH2O流れの要求は、従来の燃料電池のそれらに比べて比較的低いかもしれないので、H2散布アノード又は水素透過性膜アノードへの水素供給マニホールド(hydrogen supply manifold)及びチャネルを含む1つ及びガス・カソードの1つのようなガス供給システムは、比較的小さいかもしれない。1つの実施例において、水素透過性アノードは、水素供給の水素圧力が一定を維持し又は増加するかもしれないように、水素で飽和される。水素の外部の源は、ハイドリノ反応により供給されるエネルギでのH2Oの分解であるかもしれない。代表的な反応は本開示のそれらである。水素化物は、放電サイクルのそれらと同様に、充電電圧、充電期間、及び電流のような電気分解波形のような電気分解波形及び条件のそれらである。水素化物状態は、参照電圧に相対するかもしれない電極電圧によってモニタされるかもしれない。電圧は、ネルンストの式によって決定されるかもしれない。もう1つの実施例において、水素透過性アノードのようなアノードは、外部の水素供給が必要でないように、水素−飽和状態にあることが前提条件とされるかもしれない。この場合、セル・スタックは、アノード及びカソードを含むバイポーラ・プレートのアノードが水素化されるように予め処理されているところ、本開示のそれのようなバイポーラ・プレート設計を含むかもしれない。その前処理は、水素水素透過によるかもしれない。その前処理は、水素流れが静的になるまで、水素透過でもってCIHTセル・オペレーションによるものであるかもしれない。1つの実施例において、アノードは、H2Oのその場の電気分解によって、又は、H2Oの外部の電気分解によって、予め水素化される。後者は、カソードがCIHTアノードであるところ、水性のアルカリ電気分解セルにおいて実行されるかもしれない。外部の電気分解による水素化のための対電極は、Niであるかもしれない。そのアノードはまた、H2ガスを適用することにより水素化されるかもしれない。
1つの実施例において、透過アノードは、低い水素透過性の膜に付けられる水素−透過性の膜を含むかもしれない。より低い透過性の層は、透過性の膜が電解質に面し、より低い透過性の膜がバイポーラ電極を含むスタックの接触しているセルのカソードに接触するように、バイポーラ・プレートの電流コレクタとして機能するかもしれない。
1つの実施例において、本開示の背中合わせの透過アノードは、Ni(約95原子%)Co(約5原子%)、Ni(約94原子%)Co(約5原子%)Cu(約1原子%)及びNi、Mo、又はMo合金アノードのような水素化されたテープキャスト(tapecast)Ni、NiCoのような水素化物アノードによって置換されるかもしれない。水素化されたアノードの2つの面は、対応するカソードを持つ背中合わせのセルに対するアノードとして機能するかもしれない。水素は、アノードの水素化物状態を維持するように背中合わせのセルによって背中合わせのアノードの両表面の上に生成されるかもしれない。このようにして、1つの水素化されたアノードを含むそのような実施例は、内部の水素容器(reservoir)によって分離されるアノード層を持つ透過性の膜アノードを置換するかもしれない。ここで、後者の内側の水素の外部供給は、前者の対向する表面の上の電気分解によって発生する水素で置き換えられる。
1つの実施例において、アノードのような水素透過電極は、異なる構造又は異なる組成を持つ材料のような異なる材料の少なくとも2つの層の複合材料を含むかもしれない。例示的な複合材料アノードは、それに拘束される少なくとも1つの他の層を支持する基盤として機能する金属ホイルのような水素透過性膜のような水素透過性層を含む。他の層は、スパッタされた、金属溶射された、蒸気蒸着された、テープキャストされた、及びアニールされた層のような高い表面を持つかもしれない。本開示のそれらのような当技術分野において知られた他の方法は、高い表面積を持つかも知らないMo又はMo合金層のような金属又は合金層のような他の層を適用するために使用されるかもしれない。他の層は、本開示のそれらのようなNi、Co、Cu、NiCo、NiCoCu、Mo、及びMo合金の少なくとも1つを含む1つのようなハイドリノを形成するための高い触媒反応速度を持つかもしれない。
1つの実施例において、アノードは、Ni、Mo、NiCo、Mo合金、及び本開示の他のものを含む1つのような焼結された又はテープ・キャストされた金属アノードのような多孔質の材料を含む。ここで、腐食に対する保護はH2を散布することにより提供される。水素の流れは、過剰な電気的パワー・ゲイン(electrical power gain)が達成されるように、コントロールされるかもしれない。H2バブリング又は散布電極の幾何学的な面積当たりの水素流れ速度(flow rate)は、約1X10−13mole s−1 cm−2から1X10−4mole s−1 cm−2、1X10−12mole s−1 cm−2から1X10−5 mole 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、又は1X10−9mole s−1 cm−2から1X10−8 mole s−1 cm−2の範囲内にあるかもしれない。水素は、下層の水素透過性膜を通して透過により多孔質の電極に均一に供給されるかもしれない。もう1つの実施例において、多孔質の電極は、水素が下部のメッシュから供給されるところ、端でシールされ、及び多孔質電極でコーティングされる細かなメッシュ・スクリーン(fine mesh screen)のような水素拡散部(hydrogen diffuser)の上にキャスト(cast)されるかもしれない。
ガス、蒸気、又は液体の少なくとも1つとしてのH2Oの適用は、電解質層内に拡散及び移動の少なくとも1つにより供給されるカソードへの供給を備える電解質の端での吸収されるH2Oの必要性をなくしてカソード表面への急速な供給を可能にする。1つの実施例において、カソードに供給されるO2のモル%は、0.01%から100%の範囲内にあるかもしれず、かつ、空気のそれよりも大きいかもしれない。カソードの酸素還元速度は、マニホールド(manifolds)、ライン(lines)、チャネル(channels)、及びガス・カソード(gas cathodes)のようなカソード・ガス供給システムが比例してよりコンパクトになるかもしれないように、空気に比べてO2の濃度がより高いガスを使用することにより増加するかもしれない。酸素の供給は、電気分解の電力(power)がCIHTセルによって提供されるかもしれないところ、H2Oの電気分解によって提供されるかもしれない。この場合、そのシステムは、水素−酸素セパレータを含むかもしれない。カソード半電池システムは、20%O2を持つ空気よりもむしろカソードへ純粋なO2の供給の結果、5倍のファクタでよりコンパクトに作られるかもしれない。スケールにおける更なる減少は、O2の部分的な圧力低下で酸素が使い尽くされるので、空気からN2を取り除く別様な必要性を欠くために、可能であるかもしれない。カソードは、酸化されたNiセルメント(Ni celment)又はNiテープキャスト(Ni tape cast)を含むかもしれないNiOのような本開示のそれらを含むかもしれない。カソードは、Pt、Pd、Ir、Ru、Rh、Re、及びクロロ−アルカリ電気分解(chlor−alkali electrolysis)のような他の位置関係的に安定なアノード材料(dimensionally stable anode materials)(DSAMs)の少なくとも1つのようなドーパントを含むかもしれない。そのDSAMsは、CIHTセルのオペレーション条件の下で、金属ハロゲン化物を形成することに対して安定であるかもしれない。そのドーパントは、カソードの表面であって、0.001から20at%の範囲内のような如何なる所望のat%内にあるかもしれない。水素透過電極は、MoNi、MoCu、MoB、MoC、MoSi、MoCuB、MoNiB、MoSiB及び本開示のその他の少なくとも1つのようなMo及びMo合金の少なくとも1つを含むかもしれない。1つの実施例において、Niのような水素透過膜は、テープキャストMo(tape cast Mo)、Mo合金、Niセルメット(Ni celmet)、Co、Niセルメット上のCoCuテープキャスト(CoCu tapecast on Ni celmet)、CoCuテープキャスト(CoCu tape cast)、Niテープキャスト(Ni tape cast)、又は95/5wt%のようなNi−Coテープキャスト(Ni−Co tape cast)のような高い表面積材料でコーティングされる。1つの実施例において、コーティングは、テープキャスト(tape cast)材料をH透過性の膜で被覆することにより達成される。その膜の上へのテープキャスト・クラッディング(tape cast cladding)は、構成要素の圧縮により達成できるかもしれない。1つの実施例において、Coのようなテープキャスト・アノード材料(tape casting anode materials)のための支持体は、Coクレメント(Co clement)又はカーボンメッシュ(carbon mesh)である。
1つの実施例において、電解質は、LiOH及びLiBrの混合物、LiOH及びNaOHの混合物、又はLiOH、LiBr、及びNaOHの混合物、そして、オプションとしてMgOのようなマトリクスを含み、更に、MOH及びM’OH(M及びM’は、Na、K、Rb、及びCsからなる群から選択される)の少なくとも1つのような酸素還元速度を増加させるもう1つの塩を含む。1つの実施例において、LiOH−LiBrのようなLiを含む電解質よりも高い酸素還元速度を提供するアルカリ・カチオンは、MXのような塩(MはNa、K、Rb、及びCsからなる群から選択されてよく、X=Brのようなハロゲンである)及びKAlO2、NaAlO2、NaxNiO2及びKxNiO2の少なくとも1つのようなマトリクス材料として供給される。1つの実施例において、MOH及びM’OHの少なくとも1つは、正の電極の近くの層を含む。Li+のより高い易動度は、それが負の電極の近くのより高い濃度を持つことを引き起こすかもしれない。1つの実施例において、MOH及びM’OHの原子%(at%)は、過酸化物(peroxide)及びスーパーオキシド(superoxide)のような他の酸素イオンに対して水酸化イオンの形成への反応の道を優先するところ、酸素還元速度を最大化するように調整される。1つの実施例において、酸素イオン過酸化物、H過酸化物イオン、スーパーオキシド、及び酸化物イオンの少なくとも1つは、カソード側で形成される。LiOHを含む電解質のH2Oは、酸素及びOH−の少なくとも1つを形成するように過酸化物又はスーパーオキシドのような酸化物イオンの1又はそれ以上と反応するかもしれない。1つの実施例において、H2O圧力は、この反応を達成するためにコントロールされる。1つの実施例において、そのシステムは、大気圧よりも高い圧力を維持するように圧力容器を含む。その圧力は、液体H2O、高圧H2O蒸気、水蒸気、及び過飽和水蒸気の少なくとも1つを維持するように高いかもしれない。その圧力は、約1atmから500amt、約2atm及び100atm、及び約2atm及び10atmの少なくとも1つの範囲内のような所望の範囲内にあるかもしれない。1つの実施例において、カソードは、空気、Ar−O2、又はO2をカソードの活性表面に適用するため、図2に示すようなバイポーラ・プレートのそれらのようなガス・マニホールド及びチャネルのようなシステムを含む。そのガス圧力は、大気圧よりも上であるかもしれない。加圧されたガスは、質量流れ(mass flow)を増加させることにより、燈芯に吸い込まれた電解質を吹き飛ばし、O2還元速度を増加させるかもしれない。
CIHTセル・システムの1つの実施例において、アノードは、対応するアノード半電池に背中合わせに面する2つのサイドの上に水素透過性の膜を含む。水素透過電極は、MoNi、MoCu、MoCo、MoB、MoC、MoSi、MoCuB、MoNiB、MoSiB、及び、Co、CoCu、Ni、及びNiCoのような本開示の他のもの、の少なくとも1つのようなMo及びMo合金の少なくとも1つを含むかもしれない。各セルは更に、カソード半電池及びカソードを含む。そのカソードは、NiO又は本開示のもう1つのものを含むかもしれない。そのカソード及びアノード半電池は、LiOH−LiBrのような混合溶融水酸化物−ハロゲン化物塩のような1つの電解質層と、オプションとして、MgOのようなマトリクスを含むかもしれない。そのようなセルの少なくとも2つの対応するカソード及びアノードは、所望に応じて、直列に又は並列に配線される。1つの実施例において、セルのスタックのセルは、2つの面を持つアノードのようなものをそれぞれ含むかもしれない。或いは、少なくとも1つのセルは、バイポーラ・プレートであるかもしれない。システムは更に、少なくとも1つのセルのカソード及びアノードの少なくとも1つに対するガス供給を含む。そのシステムは更に、各二重の面を持ったアノードへの共通の供給を持つかもしれない水素ガス供給を含む。1つの実施例において、カソードは、その対応するカソード半電池に各々面することについて、二重の面を持ち及び背中合わせである。1つの実施例において、その背中合わせのカソードは、その2つの面を電気的に分離する絶縁体を含むかもしれない。1つの例示的な実施例において、MgOのようなアルカリ土類金属酸化物は、カソード・プレートの間の電気的なスペーサとして機能するかもしれない。各カソードは、酸素及びH2Oの源の少なくとも1つを含むガス供給を持つかもしれない。各二重の面を持つカソードは、共通のガス供給を持つかもしれない。その供給は、各二重の面を持つカソードが互いから電気的に絶縁状態が維持されるようになっているかもしれない。その絶縁体は、電気的に分離された層の間でO2が拡散することを許すMgOビーズ(MgO beads)のようなビーズ(beads)を含むかもしれない。1つの実施例において、供給における汚染ガスは、ゲッタで取り除かれるかもしれない。1つの例示的な実施例において、酸素及びH2Oの少なくとも1つは、不揮発性の化合物を形成する汚染物質と反応するゲッタによってアノードに供給される水素ガスから取り除かれる。そのゲッタは、金属、半金属、又は、アルカリ、アルカリ土類、遷移、内部遷移、及び土類金属のような他の酸化され得る材料、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(oxyanions)を形成する他の元素であるかもしれない。各背中合わせの電極は、入口及び出口ガス・ラインを持つかもしれない。その入口及び出口ガス・ラインの少なくとも1つは、汚染物質を取り除くために、ライン中にゲッタを持つかもしれない。そのガスは、汚染物質を取り除くためのゲッタの上又はゲッタを通す流れを備える電極へ及び電極から再循環されるかもしれない。
KOH対LiOHの水溶解度における大きな違いのため、1つの実施例において、CIHTセルは、2つの層を含む。1つは、カソードで支配的にKOHを含むものであり、もう1つは、アノードで支配的に沈殿したLiOHを含むものである。その電解質は、より低い融点を持つLiOHとの混合物が形成されるように、LiBrのようなハロゲン化物を更に含むかもしれない。そのセルは、LiOH−LiBrのようなLiOH混合物又はLiOHの融点に到達するように、加圧されるかもしれない。例示的な電解質は、約300℃で溶融するLiOH−LiBrの共晶混合物であるKOHは高い酸素還元速度を持ち、及びLiOH又はLiOH−LiBr電解質は、妥当に非腐食性である。そのようにして、Ni、Mo、又は、Ni又はMo合金のようなアノードは安定であり、特に、透過又は散布のような手段でアノードにおいて水素が適用されても安定である。このようにして、二重の層のセルは、高い電流に対して長寿命であり妥当である。電解質内にH2Oを維持するために、セルは、密閉された容器(sealed vessel)内で加圧されるかもしれない。例示的な実施例において、セル温度は300℃であり、圧力は約85atmである。妥当なKOH−H2Oモル比は、例示的な80−20mole%のように、約50−50%から99−1%の範囲にある。1つの実施例において、電解質は更に、MgOのような本開示のそれらのようなマトリクスを含む。1つの実施例において、KOHを含む電解質は更にMgOを含む。KOH−MgO比は、約100から0.01の範囲内、又は約2から0.2の範囲内にあるかもしれない。1つの実施例において、電解質は、2つの層を含むが、LiAlO2又はAlO2のような非移動性のマトリクスを備えるLiOH又はLiOH−LiBrのアノード層、及び、KOHを含むカソード層である。KOHセルのカソードは、本開示のそれらのような4−電子還元触媒を含むかもしれない。アノードは、MoNi合金のようなMo合金のような合金を含むかもしれない。カソードは、Ptのような過酸化物イオンを非活性化するための触媒を含むかもしれない。KOHを含む層は、過酸化物イオンを水酸化物に変換するため水の濃度を増加するための含水化合物(hydroscopic compound)を含むかもしれない。妥当な含水化合物は、MgBr2のような本開示のそれらである。
1つの実施例において、カソードは、OH−のようなより低い反応性の種に対する酸素ラジカルを分解する化合物又は材料を含む。カソードは、酸素を吸収する化合物又は材料を含むかもしれない。その化合物又は材料は、カーボンのような支持体の上のPt又はPd或いはカーボンを含むかもしれない。H2Oは、散布によって、カソードへ供給されるかもしれない。H2Oは、OH−のようなより低い活性度の種を少なくとも1つ形成するために、O2、酸素ラジカル、又は酸素イオンのような活性な酸素種と反応するかもしれない。O2は、カソードを通して散布されるかもしれない。H2O及び酸素の両方は、カソードを通して散布されるかもしれない。
1つの実施例において、H2Oは、ガス、蒸気、又は液体の少なくとも1つとして、水素散布アノードに適用される。H2Oは、OH−を形成するため酸素又は酸素ラジカル又はイオンと反応するかもしれず、そして、腐食を防ぐように、アノードに対して保護的であるかもしれない。
1つの実施例において、KOH電解質を含む1つのような水性の電解質CIHTセルは、本開示の中に与えられるようにアノードが腐食することを防ぐために十分な電圧をもって維持されるかもしれない。例示的な水性CIHTセルは、[R−Ni、MoB、MoC、MoSi、MoNi、MoCo、又はMoCu/KOH又はK2CO3/Ni、NiO、NiAg、Ag、スチーム・カーボン(steam carbon)、MnO2、MnO2/C、Mn2O3/C、又はMnOOH]である。1つの実施例において、アノードは、MoO2及びMoO3の少なくとも1つのようなMoの酸化物のような酸化物を含むかもしれない。
アルカリ水性電解質セルの1つの実施例において、電解質のpH及び電圧の少なくとも1つが、アノードの達成された安定性に合わせてコントロールされる。妥当なアルカリ電解質は、KOH、K2CO3、K2HPO4、K3PO4、及びK2SO4であり、別のアルカリ又はアルカリ土類金属がKに置き換わるかもしれない。1つの実施例において、pHは、緩衝剤を含む電解質によって維持されるかもしれない。妥当な例示的な緩衝剤及びpH範囲は、炭酸ナトリウム/炭酸水素ナトリウム(9.2−10.8)、四ホウ酸ナトリウム(Na2B4O7・10H2O又はNa2[B4O5(OH)4]・8H2O)/水酸化ナトリウム(9.3−10.7)、重炭酸ナトリウム/水酸化ナトリウム(9.60−11.0)、リン酸水素ナトリウム/水酸化ナトリウム(11.0−11.9)、塩化カリウム/水酸化ナトリウム(12.0−13.0)である。安定な電圧及びpHは、プールベダイアグラム(Pourbaix diagram)を用いて決定されるかもしれない。1つの実施例において、pHは塩基性であり、約7.1から14、7.1から13、7.1から12、7.1から11、7.1から10、7.1から9及び7.1から8の少なくとも1つの範囲内にあるかもしれない。モル濃度は、pH又は電気的な伝導率のような所望の特性を確立するそれのような如何なる要求であるかもしれない。モル濃度は、約0.001Mから30M、0.01Mから20M、及び0.1Mから20Mの少なくとも1つの範囲内にあるかもしれない。負のポテンシャルでアルカリ電解質中において安定な妥当な金属は、Ag、As、Au、Bi、Cd、Cu、Fe、Hg、Mo、Ni、Os、Pb、Pd、Pt、Rh、Ru、Sb、Sn、Tc、及びTe、そして、Co及びCoCu又はCoNiのような合金である。腐食生成物添加剤は、アノードを守るために添加されるかもしれない。添加剤は、腐食生成物の共通イオン効果を作り出すかもしれない。例えば、CoBr2のようなハロゲン化物のようなコバルト又は銅化合物又はCuBr2の少なくとも1つは、CoCuアノードを含むセルに添加されるかもしれない。電圧、及び、不動態化された電極として固相のアノード金属又は金属酸化物を安定化するための添加剤に対する濃度は、プールベ・ポテンシャル−pHダイアグラムから決定されるかもしれない。例として、Mo又はCo材料は、約pH11より小さいような妥当なpH範囲において、0.1Vの過電圧(over potential)より少ないところで、0.9から1Vの範囲内で、オペレーションされるかもしれない。過電圧(over potential)は、電流と共に増加し、そして、1つの実施例において、高い表面積材料が、より低い電流密度及び過電圧(over potential)により、より良い。
LiOHを含む電解質のより低い腐食及びKOHを含む電解質の高い酸素還元速度を利用するために、1つの実施例において、CIHTセルは、カソードでKOHを備える2つの層の電解質及びLiOHを含み、更に、オプションとして、アノードで、LiBrのような別の塩を含む。電解質層は、異なる物理的状態を持っているかもしれない。セルは、より低い限定的な温度でオペレーションされるかもしれず、このとき、トップのKOH層は液体であり、LiOH−LiBrのような底のLiOH層は固体又は半固体である。1つの実施例において、KOHはカソード内に浸されるかもしれず、セルは更にアノードにLiOH−LiBr電解質を含む。1つの実施例において、セルは、マトリクス及びカソードの間の分離のために選択する電解質の間の毛細管力における違いにより2つの層を選択的に作り出す異なる空孔サイズを持つカソード及びマトリクスを含む。1つの実施例において、分離されたKOH及びLiOH−LiBr流れのストリームは、カソードでKOHを及びアノードでLiOH−LiBrを備えるセルへ供給される。電解質は、MgOのようなマトリクスを更に含むかもしれない。
1つの実施例において、電解質は、KOHのような水性アルカリ電解質を含むかもしれない。その電解質は、LiOH及びKOHのような1つの水酸化物以上を含むかもしれず、また、LiBrのような別の塩を更に含むかもしれない。少なくとも2つの異なる水酸化物は、フマペム(fumapem)(フマテック、ドイツ(fumatech Germany))のようなOH−交換膜のようなセパレータによって分離されるかもしれない。LiOHのような1つの水酸化物は、腐食性が低いかもしれない。それは、その膜により規定されるアノード・コンパートメントに局所化されるかもしれない。KOHのような別のものは、高い酸素の還元速度を許すかもしれない。それは、対応するカソード・コンパートメントに局所化されるかもしれない。そのカソードは、スチームカーボン(steam carbon)、又は、NiO及びAg含浸NiOの1又はそれ以上の、少なくとも1つのようなカーボンを含むかもしれない。アノードは、Mo、Mo合金、Ni、遷移金属、CoCuのような遷移金属合金、CoCu+Moのような別の金属の少なくとも1つを含むかもしれない。アノードは、テープキャスト・アノードを含むかもしれない。カソードは、O2又は空気のようなO2の源を供給されているかもしれない。そのカソードは、電解質内に沈み込まれていない部分を持つかもしれない。
1つの実施例において、電解質は、共晶塩電解質を含むかもしれないCu(OH)2+CuBr2のような固体燃料を含むかもしれない。Cu(OH)2は、融点より低い温度で、脱水されて、H2O+CuOとなるので、アルカリ水酸化物が添加されるかもしれない。例えば、KOH又はLiOHは、CuO又はCu(OH)2+CuBr2に添加されて、KOH+CuOが例えばK2CuO2になる。
1つの実施例において、LiOH−LiBrのような溶融塩電解質を、及びオプションとしてMgOのようなマトリクスを含むCIHTセルの温度は、抵抗加熱により挙げられた温度で維持される。1つの実施例において、セルは抵抗加熱を含む。1つの実施例において、その抵抗加熱は、スタックの縁に対して軸的に真ん中に位置する少なくとも1つの発熱体を含む。1つの実施例において、発熱体は、スタックの各電極の中央部に実質的にあり、そして、電極を貫通する。発熱体は、スタックのセルがショートしないように、非導電性であるかもしれない。発熱体は、MgOのようなセラミック被膜(coating)のような非導電性の被膜を含むかもしれない。抵抗加熱のための電力(power)は、CIHTセルによって供給されるかもしれない。1つの実施例において、セルの縁での温度は、いわゆる湿潤シールを供給するためにその縁で電解質が凝固するように中央でのそれよりも低い温度で維持される。1つの実施例において、電解質は、その縁から内側のそれから各セルの縁において異なる組成を含むかもしれない。縁の電解質は、湿潤シールがその縁で形成されるように、中央におけるそれよりも高い粘度、及び、より高い融点の少なくとも1つを持つかもしれない。縁の電解質は、塩のような電解質のすくなくとも1つの構成要素及びマトリクスの異なるモル比を持つかもしれず、また、異なる又は追加の塩、マトリクス、及び添加剤も同様に含むかもしれない。その縁において異なるかもしれないマトリクスは、アルカリ土類酸化物を含むかもしれない。
もう1つの実施例において、電解質が少なくとも1つの電極及び(オプションとして)MgOのような添加されたマトリクスに関して毛細管力により定位置に維持されるように、電解質層の厚みがなっている。電極の分離は、所望の電極分離に対応するサイズのMgOビーズのようなMgOのような不活性スペーサ材料によって維持されるかもしれない。電極分離は、少なくとも、約1μmから1cm、約5μmから5mm、及び約10μmから1mmの範囲内にあるかもしれない。1つの実施例において、マトリクスは、異なるマトリクス粒子サイズの層化された層を含むかもしれない。マトリクスが、カソード及びアノード領域のような異なる領域で、それぞれ、より高密度又は低多孔性及びより低密度又は高多孔性であるところ、アノードの活性エリア封鎖を避けようとしつつ、層化は、NiOのようなカソード材料がカソード領域に閉じ込められることを許すかもしれない。もう1つの実施例において、マトリクスは、電解質に可溶であり、そして、層化は異なる密度又は粘度を含むかもしれない。
中央ヒータ201を備えるCIHTセルスタック200の模式図は、図4に示される。電力(power)リード202及び203を持つヒータ201は、スタックのセルに対して中央にあり、夫々が、カソード205、アノード206、及び電解質207を含み、カソード及びアノードは、示されるようにバイポーラ・プレートを含むかもしれず、また、更に、カソード及びアノードの間のバイメタル接合又は導電性のセパレータを含むかもしれない。CIHTセルスタックは、更に、1つ(210)が示されるような2つのターミナル、ケーシング211、212−216のような絶縁層、及び電気的に絶縁されるエンド・キャップ230を含むかもしれない。
電解質はペレットを含むかもしれない。その代わり、電解質は、MgOリングのような非導電性のO−リングのような妥当な構造要素において、収容されるかもしれない。1つの実施例において、MgO構造要素は、酸化されるとMgOになるが、リングを形成するようにMg金属を使用したO−リングのそれのようなものの所望の形態に合わせるように作り出される。電解質は、要素を挟むように、トップ及びボトムの上において圧縮されるかもしれない。電解質は、そのように形成された電極間間隙において閉じ込められるかもしれない。1つの実施例において、MgはAl又は希土類金属のような酸化され得る別の金属で置換される。1つの実施例において、対応する酸化物は不溶性であり、又は、電解質に対して低い溶解度を持つ。その構造要素に代わるものにおいて、電解質は、セルの縁で不溶融の電解質を含む電解質の湿潤シールによって定位置に保持されるが、ここで、実施例であるスタックは、中央から加熱される。電極は、湿潤シールを容易にするように縁において小さなギャップを作るように機械加工されるかもしれない。電解質及びマトリクスの少なくとも1つの空孔サイズの少なくとも1つは、調整されるかもしれず、マトリクスの比は、毛細管作用をコントロールすることにより電極を所望に湿潤することを供給するように調整されるかもしれない。バイポーラ・プレートの1つの実施例において、アノード及びカソードは、2つの対応するセルの間の電気的なショート回路を電解質が引き起こさないようにするセパレータによって分離されるが、ここで、電解質は少なくとも1つの電極内に燈芯を垂らすかもしれない。セパレータは、金属の又はグラファイトのシートのような導電体を含むかもしれない。セパレータは、バイメタル接合としても機能するかもしれない。
1つの実施例において、バイポーラ・プレートの対向するサイドの電極の金属は、一方がNiで他方がNiOのように異なっているが、ここで、NiOは一方のサイドがより高い重量パーセントを持つようにして、両サイドにおいて使用されるかもしれない。或いは、Ni対242合金又はMoのように、一方のサイドが1つの金属であり、他方のサイドが別の金属であるかもしれない。異なる金属がスタックを通して交互になるかもしれない。もう1つの実施例において、バイポーラ・プレートは、アノード及びカソード間の電気的に伝導性なセパレータを含むかもしれない。セパレータは、カソード及びアノードの少なくとも1つのそれとは異なる金属のような異なる材料を含むかもしれない。セパレータ及び少なくとも1つの電極は、バイメタル電極を含むかもしれない。バイメタルはバイメタル接合を含むかもしれない。バイメタルは、第2の金属又は合金のような少なくとも1つの他の導体の上に電気めっきされた金属又は合金のような少なくとも1つの導体を含むかもしれない。バイメタル電極又は接合の少なくとも1つは、ハイドリノ反応速度を増加させる固有電圧という結果になるかもしれない。1つの実施例において、バイメタルは、アルカリ金属酸化物のような化合物を更に含むかもしれない金属の酸化物のような酸化物及びNiのような金属のような2つの導体を含む。妥当な例示的なアルカリ金属酸化物は、リチウム化酸化ニッケル(lithiated nickel oxide)である。増加は、ハイドリノ遷移を許す触媒及びHのより良いエネルギ合致のためかもしれない。もう1つの実施例において、バイポーラ・プレートの反対側の上の電解質は異なる。電解質の違いは、少なくとも1つの異なる成分を持つ異なる組成を含むかもしれず、電解質の同じ成分の濃度は異なるかもしれない。例えば、電解質は、一方の側にMgOのようなマトリクスを、他方の側にLiAlO2を含むかもしれない。或いは、電解質は、一方の側にLiOH−LiBrを、他方の側にLiOH−LiClを含むかもしれない。加えて、一方の側は、NaOHのある重量パーセントを含むかもしれない。1つの実施例において、バイポーラ・プレートの電極の一方の側及び他方の側の間の違いは、各半電池に対する電極の電圧、フェルミ・レベル、又は化学ポテンシャルがそれぞれの電解質のそれから異なるようにさせる。もう1つの実施例において、非導電的な材料又は絶縁体のような分離させる媒体又はスペーサが、そのバイポーラ・プレートの反対の側を分離して、その電解質に接触する電極のその側の電圧、フェルミ・レベル、又は化学ポテンシャルが、その分離させる媒体に接触するものとは異なるようにする。1つの実施例において、電圧、フェルミ・レベル、又は化学ポテンシャルにおける違いが、ハイドリノを形成するため水素の触媒反応を容易にする。1つの実施例において、異なる電極金属、バイメタル接合、電解質、マトリクス及び水和及び温度のような条件の少なくとも1つは、スタックを通して、互い違いにされる。1つの実施例において、カソードは、アノードのそれとは異なる金属のような異なる材料である。アノードのそれに対するカソードの異なる材料は、バイポーラ・プレートのバイメタル・アノードに対する要求を取り換えるかもしれない。1つの実施例において、アノード及びカソードを区別するバイポーラ・プレートのバイメタル性質は、異なる金属のような異なるカソード材料で1つの層のアノードを使用することにより満足される。妥当な例示的なカソードは、本開示のそれらの1つを含む。
もう1つの実施例において、少なくとも1つの電極は、少なくとも2つの異なる材料を含む複数の層を含む。それらの電極は、異なる材料の積層体(laminates)を含むかもしれない。内部の層は、その電解質に接触する、又は、その電解質により多く接触する外部の層の電極ポテンシャルを変化させるかもしれない。外部の層は、腐食に対する抵抗性があるように選択されるかもしれない。外部の層のための妥当な安定な材料は、Ni、貴金属、及び本開示のそれらのような腐食に対する抵抗性のある合金である。電極ポテンシャルを変化させる内部の層又は複数の層のための妥当な材料は、V、Cr、Ti、Mn、Co、Cu、又はZnのような遷移金属、Zr、Ag、Cd、Hf、Ta、Wのような内部遷移金属、Laのような希土類金属又はLaNi5のような合金、又はAl、Sn、In、及びPbのような他の金属又は半金属又は合金、及びMoCo、MoCu、MoMn、MoNi、及びMoCrのような他の合金だけでなく、Mo及びH242である。電極は、アノード又はカソードとして機能するかもしれない。アノードとして機能する、例示的な多層、複数金属電極、又はラミネートされた電極は、プレスされたNi/Mo/Ni、プレスされたNi/H242/Ni、及びプラスされたNi/H242/Mo/Niである。1つの実施例において、電極は、水酸化物又は炭酸塩電解又は本開示のその他のもののような水性の電解質又はLiOH−LiBrのような本開示のそれらのようなアルカリのそれらのような水酸化物及びハロゲン化物塩の混合物のような溶融塩であるかもしれない。
ラミネートされた電極の1つの実施例において、金属又は複数の金属は、Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、及びZnのような低い水との反応性を持つ群からの少なくとも1つを含む。1つの実施において、H2Oと金属との反応の理論自由エネルギは、−500から+500kJ/moleの範囲内において、又は、好ましくは−100から+100kJ/moleの範囲内において、約ゼロである。
構造、材料、及び方法は、本技術分野における当業者に知られる溶融炭酸塩又はアルカリ燃料電池のそれらから適用させられるかもしれない。例示的な妥当な構造、材料、及び方法は、以下の通りである。セパレータ又は電流コレクタは、310S/316LのようなNi又はCu被覆ステンレス鋼であるかもしれない。電流コレクタは穿孔されているかもしれない。被膜は約50ミクロンであるが、他の厚みは、1ミクロンから1mmのような妥当なものである。他の例示的な妥当な材料は、304L、309S、310S、314、316L、347、405、430、446、17−4PH 18−18+、18SR、A118−2、A126−1S、A129−4、A1439、ガラス・シール27(Glass Seal 27)、フェラリウム255(Ferralium 255)、RA253mA、ニトロニック50(Nitronic 50)、20Cb3、330、クルテンプ−25(Crutemp−25)、クルテンプ−25(Crutemp−25)+La、サニクロ−33(Sanicro−33、310)+Ce、IN800、IN840、A−286、及びニッケル(nickel)のような鉄基合金、IN600、IN601、IN671、IN690、IN706、IN718、IN825、IN925、MA956、RA333、Ni200、Ni201、Ni270、ハイネス230(Haynes 230)、ハイネス625(Haynes 625)、ハイネス188(Haynes 188)、ハイネス556(Haynes 556)、ニクロム(Nichrome)、モネル400(Monel 400)のようなコバルト基合金、及び、GE−2541、FeCrAl+Hf、ハイネス214(Haynes 214)、FeCr合金、IJR(406)、85H、カンタルAF(Kanthal AF)、及びNi3Alのようなアルミニウム含有合金である。妥当なコーティング方法は、クラッディング(cladding)であるが、他の方法も、スルファミン酸浴(sulfamate bath)からのような電解Niメッキ又は無電解メッキのようなものが使用されるかもしれない。少なくとも1つの電極は、特殊な鋼のようなこれらの材料及び耐食性合金のような合金の1又はそれ以上を含むかもしれない。アノードは、M1Ni3.65Al0.3Mn0.3又はM1(NiCoMnCu)5のようなM1:Laリッチ・ミッシュメタル(M1:La−rich mischmetal)のようなミッシュメタル、Ni、R−Ni、R−Ni+約8wt%バルカンXC−72(Vulcan XC−72)、LaNi5、Cu、又はNi−Al、約10%CrのようなNi−Cr、約3/90/7wt%のようなCe−Ni−Cr、Cu−Al、又はCu−Ni−Al合金、のような本開示のそれらのような水素貯蔵材料であるかもしれない。アノードは、MnO、CeO2、及びLiFeO2のような酸化物でドーピングされているかもしれず、又は、これら又は他の酸化物を含む。アノードは、導電性の酸化物を、或いは、導電性の酸化物被膜を含むかもしれない。アノードは、NiO、又は、リチウム化されたNiOのようなアルカリイオンをドーピングさせたNiOを含むかもしれない。カソードは、NiOであるかもしれず、また、LiFeO2、Li2MnO3、又はLiCoO2をドープされているかもしれない。アノード、カソード、及び電解質の少なくとも1つは、イットリア安定化ジルコニア(yttria−stabilized zirconia)の構成要素酸化物のような本開示の酸化物をドープされているかもしれない。マトリクスは、セラミックのような不活性な材料を含むかもしれない。マトリクス材料は、イオン輸送を容易にするように移動するかもしれない種を含む化合物を含むかもしれない。妥当な例示的なマトリクス材料は、アルミン酸塩(aluminate)、タングステン酸塩(tungstate)、ジルコン酸塩(zirconate)、チタン酸塩(titanate)のようなオキシアニオン化合物、同様に、硫酸塩(sulfate)、リン酸塩(phosphate)、炭酸塩(carbonate)、硝酸塩(nitrate)、クロム酸塩(chromate)、及びマンガン酸塩(manganate)のような本開示の他のもの、酸化物、窒化物、ホウ化物、カルコゲニド、ケイ化物、リン化物、及び炭化物である。マトリクス材料は、金属、金属酸化物、非金属、及び非金属酸化物を含むかもしれない。酸化物は、アルカリ、アルカリ土類、遷移、内部遷移、及び土類金属、更に、Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge、及びB、並びに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つを含むかもしれない。マトリクスは、アルカリ、アルカリ土類、遷移、内部遷移、及び希土類金属、そして、Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge、及びB、並びに、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つのようなものの酸化物の少なくとも1つを含むかもしれず、そして、更に、アルカリ、アルカリ土類、遷移、内部遷移、及び希土類金属、並びに、Al、Ga、In、Sn、及びPbカチオンの少なくとも1つのカチオンを含むかもしれない。妥当な例は、LiAlO2、MgO、Li2TiO3、又はSrTiO3である。1つの実施例において、マトリクス化合物は、アノード材料、電解質のカチオン及び酸化物の少なくとも1つのような電解質の化合物を含むかもしれない。1つの例示的な実施例において、電解質は、Li2OのようなM2Oのような対応する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み、そして、電解質は、Mo、Ti、Zr、Si、Al、Ni、Fe、Ta、V、B、Nb、Se、Te、W、Cr、Mn、Hf、Co、並びに、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のような対応する酸化物を形成するかもしれないMgのようなM’(M’=アルカリ土類)、のような元素、金属、合金、又は混合物を含み、更に、マトリクスは、カソードの酸化物を含み、更に、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のようなM’O(M’=アルカリ土類)の例示的な妥当な材料に対応するLi2Oのような電解質の酸化物をオプションとして含む。マトリクスは、アノードの元素又は同じ群の元素の酸化物を含むかもしれない。例えば、Moアノードに関し、同じ元素又は群のマトリクスは、Li2MoO4、MoO2、Li2WO4、Li2CrO4、及びLi2Cr2O7であるかもしれない。マトリクスは、支持体を提供するかもしれない。マトリクスは、ペースト状であるかもしれない。粒子サイズは、サブミクロンであるかもしれないが、ミクロンからミリメータのような他のサイズも実施例において妥当である。
1つの実施例において、アノード半電池反応は以下の通りである。
OH−+2H → H2O+e−+H(1/p) (54)
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、ハイドリノへの第2のHのH2O触媒反応と連結されている。OH−と反応するHは、Mが金属のようなアノード材料であるところ、M−Hからであるかもしれない。1つの実施例において、触媒は、式(43)により与えられる形成されたH2O分子のポテンシャルエネルギに合致する、そして、H(1/4)の形成という結果になる式(5)におけるm=3に対応する、3×27.2eVを受け取る。第2のHからの受け取りに続く触媒から開放されたエネルギだけでなく、ハイドリノ状態に第2のHの移行の電子として開放される連続エネルギは、アノードの充電を引き起こすかもしれない。充電は、電解質のイオンの容量性充電、又は電解質又は電極の少なくとも1種の酸化を含むかもしれない。このようにして、H2O触媒を形成する電気化学的反応、及びハイドリノを形成する協奏水素の触媒反応において開放されるエネルギは、外部回路を通る電流の流れに電力を供給する。電解質が、水素、酸素、及び水の酸化及び還元生成物を含む種及びH2Oを含むので、電圧は、水素及び酸素セル反応のそれであるかもしれない。セル反応は、式(90−93)によって与えられるそれらの少なくとも1つを含むかもしれない。回路を完成するような電解質を通るイオンの道は、LiOH−LiBr又はマトリクスのイオンを含む電解質の場合における、Li+、OH−、酸化物及び過酸化物イオン、及びBr−の少なくとも1つのような電解質のイオンを含むかもしれない。このようにして、1つの実施例において、マトリクスは、導電が電荷移動又はイオン輸送によって供給されるかもしれないところ、イオン導電媒体として機能する。もう1つの実施例において、マトリクスは、酸化物又は複数の酸化物、水酸化物又は複数の水酸化物、混合金属酸化状態、電解質イオン、及び他のイオンの混合物の少なくとも1つを含む。イオン伝導は、イオン・ホッピングによるのかもしれない。輸送は、酸素及び水素の少なくとも1つを含む1つのような負のイオンのような種のイオン輸送又は電荷移動を含むかもしれない。妥当な種は、O2、O3、O3 +、O3 −、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH−、HOOH、OOH−、O−、O2−、O2 −、及びO2 2−から選択される酸素種、及び、H2、H、H+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH−、HOOH、及びOOH−から選択されるH種及び水素種の少なくとも1つである。1つの例示的な実施例において、輸送される種は、例示的な種である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るかもしれない。
OH−+2H → H2O+e−+H(1/p) (54)
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、ハイドリノへの第2のHのH2O触媒反応と連結されている。OH−と反応するHは、Mが金属のようなアノード材料であるところ、M−Hからであるかもしれない。1つの実施例において、触媒は、式(43)により与えられる形成されたH2O分子のポテンシャルエネルギに合致する、そして、H(1/4)の形成という結果になる式(5)におけるm=3に対応する、3×27.2eVを受け取る。第2のHからの受け取りに続く触媒から開放されたエネルギだけでなく、ハイドリノ状態に第2のHの移行の電子として開放される連続エネルギは、アノードの充電を引き起こすかもしれない。充電は、電解質のイオンの容量性充電、又は電解質又は電極の少なくとも1種の酸化を含むかもしれない。このようにして、H2O触媒を形成する電気化学的反応、及びハイドリノを形成する協奏水素の触媒反応において開放されるエネルギは、外部回路を通る電流の流れに電力を供給する。電解質が、水素、酸素、及び水の酸化及び還元生成物を含む種及びH2Oを含むので、電圧は、水素及び酸素セル反応のそれであるかもしれない。セル反応は、式(90−93)によって与えられるそれらの少なくとも1つを含むかもしれない。回路を完成するような電解質を通るイオンの道は、LiOH−LiBr又はマトリクスのイオンを含む電解質の場合における、Li+、OH−、酸化物及び過酸化物イオン、及びBr−の少なくとも1つのような電解質のイオンを含むかもしれない。このようにして、1つの実施例において、マトリクスは、導電が電荷移動又はイオン輸送によって供給されるかもしれないところ、イオン導電媒体として機能する。もう1つの実施例において、マトリクスは、酸化物又は複数の酸化物、水酸化物又は複数の水酸化物、混合金属酸化状態、電解質イオン、及び他のイオンの混合物の少なくとも1つを含む。イオン伝導は、イオン・ホッピングによるのかもしれない。輸送は、酸素及び水素の少なくとも1つを含む1つのような負のイオンのような種のイオン輸送又は電荷移動を含むかもしれない。妥当な種は、O2、O3、O3 +、O3 −、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH−、HOOH、OOH−、O−、O2−、O2 −、及びO2 2−から選択される酸素種、及び、H2、H、H+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH−、HOOH、及びOOH−から選択されるH種及び水素種の少なくとも1つである。1つの例示的な実施例において、輸送される種は、例示的な種である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るかもしれない。
マトリクスを持たない1つの実施例において、イオン伝導は、セル放電の間において電解質を通すものであるかもしれない。輸送される種は、少なくとも部分的にセルに対して外側で、供給されるかもしれない。セルは、大気に開放であるように開放系であるかもしれない。1つの例示的な実施例において、外部酸素及びH2Oの少なくとも1つは、カソードで還元され、そして、外部酸素及びH2Oの少なくとも1つの還元生成物のような還元された種は、アノードで酸化されるかもしれない。輸送は、Hのハイドリノ状態への触媒反応のため、エネルギによって駆動されるかもしれない。外部酸素及びH2Oの少なくとも1つのような外部酸化剤による電流は、アノードの腐食のような腐食をコントロールするためにコントロールされる。1つの実施例において、アノードは、OH−、HOOH、OOH−、O−、O2 −、及びO2 2−のような酸素種のような空気派生の種によって運搬される電流に対する腐食耐性がある又は安定性がある。腐食耐性のあるアノードは、本開示の1つであるかもしれない。或いは、カソードは、NiO又はMoSのような硫化物又は酸化物のような安定な種を含むかもしれない。1つの実施例において、断続的な電気分解及び放電のの間においてセルあたりのセル電圧は、Niアノードの場合において、約0.8Vのように、実質的に酸化性であることからアノードを防ぐようポテンシャルを超えるように維持される。
熱力学の視点から、負のイオンのような種は、アノードでイオン化されるかもしれず、そして、アノードでのイオン又は電子温度がカソードでのそれよりも高いときに、同じ種が、外部回路において消散された電力(power)で放電カソードで還元により作られるかもしれない。半電池の温度差動を含む非ハイドリノ例は、[Na(熱い)/BASE/Na(冷たい)]セルである。LiOH−LiBr塩における例示的なイオンは、それぞれに、OH及びBrへと酸化され、外部回路を通してカソードへと配達される電子で還元されるかもしれないOH−及びBr−である。或いは、O及びHの少なくとも1つを含む種は、イオン電流を運ぶかもしれない。ハイドリノ反応は、回路に配達される電力(power)を生成するよう、熱に等価なエネルギを供給する。1つの実施例において、マトリクスは、カソード及びアノード電極又は半電池がショートすることを防ぐようにセパレータとして機能する。防止されたショートは、熱力学的な及び電気的なセンスの少なくとも1つにおいてあるかもしれない。マトリクスは、外部回路を通す電流を駆動するためにカソードに対してアノードにおいて起電力(EMF)を作るハイドリノ反応の速度、有効性、又は程度をを増加させるように、半電池反応を分離するかもしれない。1つの実施例において、H2O形成が第1のHとの反応及びOH−の酸化により起こり、及び、触媒を形成する酸化反応が式(54)によって与えられるようなハイドリノを形成する第2のHの触媒反応に協奏しているところ、アノード及びカソード半電池反応の分離は、H2O触媒による第2のHから受け取られたエネルギのより良い合致を引き起こす。1つの実施例において、マトリクスは、H2Oを拘束するかもしれず、そして、断続的な電気分解反応へのH2O源として機能するかもしれない。H2Oの拘束及び供給は、ハイドリノ形成反応の速度又は程度を増加させるエネルギで、あるかもしれない。H2O拘束エネルギは、H2Oのような触媒へHから移動されるエネルギのより良い合致を引き起こすかもしれない。誘電体、セパレータ、又はH2Oバインダー及び容器(reservoir)の少なくとも1つ、の少なくとも1つとして機能するマトリクスを含む例示的な電解質は、LiOH−LiBrのようなアルカリ性の水酸化アルカリ・ハロゲン化物混合物、及び、如何なる所望のモル比において構成要素を持つかもしれない本開示のマトリクス材料である。アルカリ・ハロゲン化物及びマトリクス材料の重量%は、類似するかもしれない。マトリクスを含む電解質は、約75℃から700℃の範囲内のようなセルのオペレーション温度で固体又は半固体を含むかもしれない。例示的な電解質は、それぞれ±1から30wt%で、約10wt%、45wt%、及び45wt%の範囲にあるwt%を持つLiOH−LiBr−MgOである。
1つの実施例において、電解質は、溶融又は水性の水酸化物のような水酸化物を含み、そして、加えて、ハロゲン化物を含むかもしれない。電解質は、Liのような少なくとも1つのアルカリ金属カチオンを含む1つのような、溶融水酸化物−ハロゲン化物混合物を含むかもしれない。電解質は、LiOH−LiBrを含むかもしれず、そして、オプションとして、MgOのようなマトリクスを含むかもしれない。電解質は、更に、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、及びZnのような低い水との反応性を持つグループの金属の水酸化物又はハロゲン化物の少なくとも1つとして本開示の固体燃料反応物の少なくとも1つの種を含むかもしれない。
電極は、テープキャスト(tape casting)、電気泳動析出(electrophoretic deposition)、熱ロール・ミル(hot roll milling)、又はホットプレスのような方法により製造されるかもしれない。バイポーラ・プレートの湿潤シール部(wet sealing area)は、コーティングを含むかもしれないアルミニウム又はアルミニウム合金を含むかもしれない。妥当なアルミめっき方法は、溶融熱処理及び拡散浸透処理が後に続くかもしれない、塗布、熱溶射、又は真空蒸着である。ステンレス鋼の例示的な結果的な拡散コーティング(resultant diffusion coating)は、MAl−M3Al構造を含む(M=鉄、ニッケル、プラス5−15mol%クロム)。或いは、FeCrAlY、MAl、又はM3Al(M=Ni、Fe)のようなアルミニウム含有合金粉末は、例示的な実施例において、熱溶射されるかもしれない。
1つの実施例において、バインダー及び電極材料を含むテープキャスト電極は、最終電極を形成する、又は、最終の電極を形成するステップとして、バインダーを開放又は分解するように処理されるかもしれない。その処理は、焼結を含むかもしれない。その処理は、その場で起こるかもしれない。その処理は、CO2を開放するかもしれない。そのCO2は、水酸化物のような電解質と反応することにより炭酸塩を形成するかもしれない。その反応は、式(60)の反応に従って、H2Oとの反応によって逆転されるかもしれない。そのCO2は、取り除かれるかもしれない。ポンピングのような手段による除去は、約40から100%又は80から100%の範囲内で、炭酸塩の水酸化物への完全な変換の反応を駆動することに寄与するかもしれない。
水素が透過又は断続的な電気分解によって供給されるような1つのような実施例において、セルは、電解質を保持するようにマトリクスを含む。そのマトリクスは、不活性化合物のような、電解質を燈芯のように吸い込み又はより粘性が高くなるようにさせる、化合物であるかもしれない。妥当な例示的なマトリクス材料は、アスベスト、Al2O3、MgO、又は他のアルカリ土類金属酸化物、Li2ZrO3、LiAlO2、Li2MoO4、Li2TiO3、又はSrTiO3、の少なくとも1つである。その電解質は、ペーストのように固定化させられるかもしれない。薄い層のような層として電解質を保持するマトリクスは、高温に加熱されたとき本来完了まで燃焼する溶媒、粒子材料、又はバインダーのような他の材料の少なくとも1つと、マトリクス材料とを混合するステップと、そして、そのマトリクスを形成するように、その混合物を加熱するステップとを含む。妥当な化合物は、ポリビニルホルマール(poly(vinyl formal)(PVFO))及びエタノール溶媒及びポリエチレン・グリコール(polyethylene glycol(PEG))である。アルカリ土類酸化物固体マトリクスは、MO及びM(OH)2(M=Mg、Ca、Sr、及びBaの少なくとも1つ)、そして、オプションとして、ポリビニルアルコールのような可燃性のバインダーと、の混合物をプレスすることにより、そして、1000℃及び2000℃までの間でステップ状に加熱するようなことによりバインダーを加熱分解(burn off)するように酸素雰囲気中で加熱することにより形成されるかもしれない。そのマトリクスは、高温で焼結されるかもしれない。固体マトリクスは、溶融塩中に浸漬することによりLiOH−LiBrのような電解質で湿潤されるかもしれない。そのマトリクスの気孔サイズ及び密度は、粒子サイズ及びマトリクス材料と他の化合物の少なくとも1つとの比を変えることにより、変化させられるかもしれない。1つの実施例において、電解質はマトリクス材料に添加される。気孔サイズ及び密度は、電解質の表面張力に対するマトリクスの毛細管作用を調整するにコントロールされるかもしれないが、そのようにして、電解質がカソード又はアノードで過剰にあふれることなく、層において実質的に維持される。マトリクスの気孔サイズは、約10nmから10mm、約100nmから100マイクロメータ、又は、約1マイクロメータから10マイクロメータの範囲であるかもしれない。そのマトリクスは、セラミックのような固体を含むかもしれない。妥当な例示的な固体マトリクスは、MgO、ZrO2、又はイットリア安定化酸化ジルコニウムである。そのマトリクスは、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)(しばしば、8%型Y8SZ)、酸化スカンジウム安定化ジルコニア(ScSZ)(通常、9mol%Sc2O3−9ScSZ)及びガドリニウムをドープしたセリア(GDC)のように、酸素イオンを伝導するかもしれない固体酸化物燃料電池の1つであるかもしれない。そのマトリクスは、酸素イオンを伝導するかもしれない塩橋を含むかもしれない。酸化物導体の典型的な例は、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、ガドリニアをドープしたセリア(gadolinia doped ceria)(CGO)、ガリウム酸ランタン(lanthanum gallate)、及び(BiCuVOx)のようなビスマス銅バナジウム酸化物(bismuth copper vanadium oxide)である。La1−xSrxCoyO3−のような幾つかのペロブスカイト材料はまた、混合された酸化物及び電子伝導性を示す。そのマトリクスは、アルカリ水酸化物のような水酸化物のような共晶塩電解質のような電解質で含浸されているかもしれない。妥当な例示的な電解質は、MgO固体マトリクス内に含浸されるかもしれないLiOH−LiBrである。固体マトリクスは、更に、MgO又は本開示の他のマトリクス材料の粒子のような粒子マトリクスを含むかもしれない。1つの実施例において、アノードは、Niマット電極(Ni mat electrode)のような多孔性の電極のような水素散布又はバブリング電極、或いは、断続的な電気分解電極を含む。1つの実施例において、電極及び電解質の少なくとも1つは電解質があふれることに対して耐性がある。電解質は、電解質を安定化させるためのマトリクスを含むかもしれない。電解質がMgO又はLi2TiO3のようなマトリクス材料を含むしれないところ、アノードは、マット、Ni粉末のようなテープキャスト粉末、又は、電解質を燈芯のように吸い込むための閾値未満である毛細管力を持つ大きな気孔サイズを持つ溶融アルカリ又は炭酸塩燃料電池の分野において知られている他のアノード、であるかもしれない。電極は、溢れる電解質を除去するために定期的に濯がれるかもしれない。オペレーション条件は、溢れることを防止するために変えられるかもしれない。例えば、電極の洪水(溢れること)を防ぐために、電解質粘度、表面張力、及び毛細管作用を変更するように、温度は調節されるかもしれない。
1つの実施例において、カソード、アノード、及び電解質の1つのようなセル構成要素の層の少なくとも1つは、テープキャストによって作成される。テープキャスト・システムは、テープキャスト・テーブル、スラリ・ボックス、及びドクターブレードを含むかもしれないが、後者は、高さを調節するカリパスを更に含み、それによって、キャストされた膜の厚みを調節する。セル構成要素の層は、キャストの後に続いて、取り除かれるかもしれないマイラー(Mylar)のようなプラスチックのような支持膜の上にキャストされるかもしれない。スラリは、層材料及び妥当な溶媒を含むかもしれない。カソード及びアノード・スラリは、ポリビニルアルコール、セルロース、又はヒドロキシプロピル・メチルセルロースのようなアルコールのようなバインダの溶媒にそれぞれ懸濁される、NiO、Ni、及びNi粉末の少なくとも1つを含むかもしれない。妥当な溶媒は、低硫黄ポリアクリル酸アンモニウム又はポリアクリル酸溶液のような分散剤を更に含むかもしれないH2Oである。テープキャスト膜は、例えば、ファン又は送風機で乾燥させられるかもしれない。乾燥させられた膜は、次に、膜をコンパクトにするために、又は、膜密度を上げるために、プレスされるかもしれない。プレスは、カレンダー(calender)又はプレス機(press)のようなプレス手段で達成されるかもしれない。プレスは、平方インチあたり約0.01から200トン、約0.01から200MPa、又は約0.5から50MPaのような高い圧力であるかもしれない。次に、膜は焼結されるかもしれない。カソードは、大気のような酸素を含む雰囲気中で焼結されるかもしれない。温度範囲は、約400から2000℃又は600から800℃の範囲内であるかもしれない。アノードは、真空中、不活性雰囲気、又はH2雰囲気中において焼結されるかもしれない。温度範囲は、約400から3000℃又は1000から2000℃の範囲内であるかもしれない。
NiOカソードは、リチウム化されるかもしれない。カソードのLiのmole%は、約0.1%から90%、1%から75%、及び5%から50%の少なくとも1つの範囲内にあるかもしれない。1つの実施例において、リチオ化(litiation)は、導電性を増加させる。リチオ化(lithiation)は、膜に添加されたLi2O又はLi2CO3のようなLi源の反応のような当該分野における当業者に知られた方法により達成されるかもしれない。Li源の添加は、キャストの前後において、スラリにその源を添加することによりなされるかもしれない。1つの実施例において、リチオ化反応(lithiation reaction)は、焼結段階の間のような上げられた温度で達成される。NiOとのLi2Oの例示的なチオ化反応(lithiation reaction)は、約1200℃のような上げられた温度で大気中で加熱されたとき、次のようになる。
(1/2)xLi2O+(1−x)NiO+(1/4)xO2
→ Lix +Ni1−2x 2+Nix 3+O (55)
2つのプロセスを含むLixNi1−xO固溶体を形成するためのNiOとLi2CO3との例示的なリチオ化反応(lithiation reactions)は以下の通りである。
(x/2)Li2CO32 → (x/2)Li2O+(x/2)CO2 (56)
(x/2)Li2O+(1−x)NiO → LixNi1−xO (57)
ここで、炭酸塩の分解が、約640℃より高い温度で起き、そして、酸化リチウムの酸化ニッケル中へのバルク拡散は、約750℃よりも高い温度で速い速度で起きる。Ni(Li)O固溶体を形成するために、約500から700℃の範囲内のような上げられた温度で大気中において加熱されるとき、NiとLi2CO3との例示的なリチオ化反応(lithiation reaction)は、次の通りである。
(1−x)Ni+(x/2)Li2CO3+(x/4)O2
→ LixNi1−xO+(x/2)CO2 (58)
1つの実施例において、約0.01から200MPa又は約0.5から50MPaの範囲内の1つのようなプレス圧力及び電極のための出発材料の選択の少なくとも1つは、その気孔率及び平均気孔直径に影響を及ぼす。1つの実施例において、LixNi1−xOのようなカソード材料のような電極材料の気孔率及び平均気孔直径に影響を及ぼすパラメータは、気孔率が約20から90%、30から80%、及び40から80%の少なくとも1つの範囲内にあるように、選択される。パラメータは、マイクロメータにおいて平均気孔直径が約0.01から100、0.1から50、及び0.1から15であるように、選択される。もう1つの実施例において、LixNi1−xOは、約1から10時間又は約2時間のような10分よりも長い間、約500から1000℃又は約700℃で、大気のような酸化性の雰囲気において上げられた温度で水酸化ニッケル及び水酸化リチウムを反応させることにより形成される。
(1/2)xLi2O+(1−x)NiO+(1/4)xO2
→ Lix +Ni1−2x 2+Nix 3+O (55)
2つのプロセスを含むLixNi1−xO固溶体を形成するためのNiOとLi2CO3との例示的なリチオ化反応(lithiation reactions)は以下の通りである。
(x/2)Li2CO32 → (x/2)Li2O+(x/2)CO2 (56)
(x/2)Li2O+(1−x)NiO → LixNi1−xO (57)
ここで、炭酸塩の分解が、約640℃より高い温度で起き、そして、酸化リチウムの酸化ニッケル中へのバルク拡散は、約750℃よりも高い温度で速い速度で起きる。Ni(Li)O固溶体を形成するために、約500から700℃の範囲内のような上げられた温度で大気中において加熱されるとき、NiとLi2CO3との例示的なリチオ化反応(lithiation reaction)は、次の通りである。
(1−x)Ni+(x/2)Li2CO3+(x/4)O2
→ LixNi1−xO+(x/2)CO2 (58)
1つの実施例において、約0.01から200MPa又は約0.5から50MPaの範囲内の1つのようなプレス圧力及び電極のための出発材料の選択の少なくとも1つは、その気孔率及び平均気孔直径に影響を及ぼす。1つの実施例において、LixNi1−xOのようなカソード材料のような電極材料の気孔率及び平均気孔直径に影響を及ぼすパラメータは、気孔率が約20から90%、30から80%、及び40から80%の少なくとも1つの範囲内にあるように、選択される。パラメータは、マイクロメータにおいて平均気孔直径が約0.01から100、0.1から50、及び0.1から15であるように、選択される。もう1つの実施例において、LixNi1−xOは、約1から10時間又は約2時間のような10分よりも長い間、約500から1000℃又は約700℃で、大気のような酸化性の雰囲気において上げられた温度で水酸化ニッケル及び水酸化リチウムを反応させることにより形成される。
1つの実施例において、アノードは、発泡Niにより支持されるNi板を含む。アノードは、発泡Ni支持体上にスラリからNi板をテープキャストすることにより準備されるかもしれない。スラリの準備は、分散剤で過剰に水を混ぜるステップ、粉末を堆積するステップ、過剰の水をデカンテーション(decantation)するステップ、水性であるかもしれないセルロース溶液のようなバインダーを含む溶液又はバインダーと混合するステップ、スラリから脱気するステップ、板の形成ステップを含むかもしれない。当該分野において知られている例示的な100gスラリ組成は、約35−45gのNi+35−45gのH2O、1−3gのセルロース+10−20gのH2O、及び1gの分散剤である。テープキャスト方法は、手塗(hand pasting)、垂直テープキャスト(vertical tape casting)、及び水平テープキャスト(horizontal tape casting)の少なくとも1つを含むかもしれない。そして、材料は乾燥され、その後、焼結されるかもしれない。乾燥は、25から150℃の範囲内の温度であるかもしれず、そして、焼結は、真空又は不活性ガス若しくはH2雰囲気のような非酸化性の雰囲気内であるかもしれない。100% H2雰囲気内における例示的焼結プロセスは、約800から1200℃の範囲内である温度で1から60分であるかもしれない。
1つの実施例において、NiOカソード材料は、導電性にされる。導電率は、リチオ化によって、又は、炭素、炭化物、窒化物、若しくは本開示の他の支持体のような導電性の支持体の追加によって向上されるかもしれない。炭素は、電解質と非反応性であり、又は、酸化に対する耐性を備えるかもしれない。例示的な化学的に耐性がある導電性炭素は、ナノチューブ及びフラーレン(nanotuubes and fullerenes)である。
1つの実施例において、電気的な接触は、NiOのような酸素還元反応触媒材料のようなカソード材料と、カソード電流コレクタとの間で、導電性接着剤、はんだ、又はペーストによって、なされる。例示的な材料は、Hg、Ga、Al、Sn、In、Zn、及びPbのような低融点金属又は合金である。例えば、Znは419℃で融解し、Snは232℃で融解するが、これらはLiOH−LiBr電解質の融点より低い。導電性媒体は、カソードの背に適用されるかもしれない。電流コレクタは、導電性媒体に接触するかもしれない。電流コレクタは、導電性媒体の上に配置されるかもしれないが、後者はカソード材料及び電流コレクタの間で挟まれる。
1つの実施例において、O2の還元は、2つの電子を含む過酸化物通路を通って開始する。過酸化物通路に有利となる妥当なカソードは、グラファイト及び大抵の他のカーボン、金、ニッケル若しくはコバルトのような金属で覆われた酸化物、幾つかの遷移金属大環状化合物、及び遷移金属酸化物である。MnO2のような酸化マンガンは、O2還元触媒として機能するかもしれない。或いは、酸素は、4つの電子により、OH−又はH2Oへ直接還元されるかもしれない。この通路は、白金及び白金族金属のような貴金属、ペロブスカイト又はパイロクロア構造を持つ幾つかの遷移金属酸化物、鉄フタロシアニンのような幾つかの遷移金属大環状化合物、及び銀の上で、支配的である。1つの実施例において、カソードは、LiOH、NaOH、又はKOHのような水性又は溶融アルカリ水酸化物のようなアルカリ電解質による腐食に対して耐性がある。妥当なカソードは、NiOを含む。
電極は、酸素還元及び酸素発生のための化合物電極を含むかもしれない。後者は、再生のために使用されるかもしれない。活量が対応する分離した触媒層によって供給されるところ、電極は酸素還元及び酸素発生できるという2つの機能を有するかもしれないか、或いは、電解触媒が2つの機能を有するかもしれない。電極及びセル設計は、当該分野における当業者によって知られる妥当なそれに関する変更、又は、Fe又はZn−空気バッテリのような金属−空気バッテリに対して当該分野において知られるそれらかもしれない。妥当な電極構造は、電流コレクタ、カーボン及びバインダを含むかもしれないガス拡散層、及び2つの機能を有する触媒であるかもしれない活性な層を含む。或いは、電極は、電流コレクタの1つの側の上にO2還元層と、及び、他方の側の上にO2発生層と、を含むかもしれない。前者は、電流コレクタと接触する多孔性の疎水性触媒層及び酸素の源と接触する外部のガス拡散層を含むかもしれず、これに対して、後者は多孔性の親水性触媒層を、その層の1つの側の上に電極と接触して含むかもしれず、そして、電流コレクタをその他方の側の上に含むかもしれない。
源から酸素を還元する触媒として機能するかもしれない妥当なペロブスカイト型酸化物は、一般式ABO3を持つかもしれず、そのような置換ペロブスカイトは、一般式A1−xA’xB1−yB’yO3を持つことができる。AはLa、Ndであるかもしれず、A’はストロンチウム、バリウム、カルシウムかもしれず、そして、Bはニッケル、コバルト、マンガン、ルテニウムであるかもしれない。カソードで酸素を還元するための他の妥当な触媒は、金属酸化物、MNiO2(M=アルカリ)、MM’O2(M=アルカリ、M’=遷移金属)、La1−xCaxCoO3、La1−xSrxCoO3(0≦x≦0.5)、又はLa0.8Sr0.2Co1−yByO3(B=Ni、Fe、Cu、又はCr;0≦y≦0.3)をドープされたLa0.6Ca0.4CoO3、La0.5Sr0.5CoO3、LaNiO3、LaFexNi1−xO3、置換LaCoO3、La1−xCaxMO3、La0.8Ca0.2MnO3、La1−xA’xCo1−yB’yO3(A’=Ca;B’=Mn、Fe、Co、Ni、Cu)、La0.6Ca0.4Co0.8Fe0.2O3、La1−xA’xFe1−yB’yO3(A’=Sr、Ca、Ba、La;B’=Mn)、La0.8Sr0.2Fe1−yMnyO3のようなペロブスカイト型触媒、及び、Mn及びある遷移金属若しくはランタノイド、又はCo3O4若しくはNiCo2O4のようなスピネル、Pb2Ru2Pb1−xO1−y若しくはPb2Ru2O6.5のようなパイロクロア、Na0.8Pt3O4のような他の酸化物、コバルトポルフィリン(colbalt porphyrin)のような有機金属化合物、又はCo添加剤を備える熱分解大員環に基づくペロブスカイト型酸化物である。妥当なパイロクロア型酸化物(pyrochlore−type oxides)は、Pb2Ir2O7−y、PbBiRu2O7−y、Pb2(PbxIr2−x)O7−δ、及びNd3IrO7のような、一般式A2B2O7又はA2B2−xAxO7−y(A=Pb/Bi,B=Ru/Ir)を持つ。妥当なスピネルは、ニッケル・コバルト酸化物、純粋な又はリチウムをドープされたコバルト酸化物(Co3O4)、MxCO3−xO4(M=Co、Ni、Mn酸素還元)及び(M=Co、Li、Ni、Cu、Mn酸素還元)タイプの輝コバルト鉱スピネルである。酸素還元触媒は、ニッケル、R−Ni、銀、Ag−Al2O3のようなAg支持体、Pt、Au、Ir、Rh、又はRuのような貴金属、NiCo2O4のようなニッケル・コバルト酸化物、及び、CuCo2O4のような銅コバルト酸化物であるかもしれない。酸素還元又は発生触媒は、更に、カーボンブラック、グラファイト状カーボン、ケッチェンブラック(Ketjen black)、又は、黒鉛化バルカンXC72(graphitized Vulcan XC 72)のような導電性の支持体を含むかもしれない。例示的なセルは、[Zn、Sn、Co、Sb、Te、W、Mo、Pb、Ge/KOH(飽和水溶液)/空気+カーボン+酸化物、La1−xCaxCoO3、La1−xSrxCoO3(0≦x≦0.5)、又はLa0.8Sr0.2Co1−yByO3(B=Ni、Fe、Cu、又はCr;0≦y≦0.3)をドープされたLa0.6Ca0.4CoO3のようなペロブスカイト型触媒のようなO2還元触媒、又は、Co3O4又はNiCo2O4のようなスピネル、Pb2Ru2Pb1−xO1−y又はPb2Ru2O6.5のようなパイロクロア、Na0.8Pt3O4のような他の酸化物、又はCo添加剤を備える熱分解大員環]である。もう1つの実施例において、カソードは、水還元触媒を含む。
カソードは、H2O及びO2の少なくとも1つの還元を支持することができる。カソードは、カーボンブラック、活性炭、及び水蒸気賦活性炭(steam activated carbon)のようなカーボンのような高表面積導体を含むかもしれない。カソードは、カソード半電池反応物としてH2Oを備えるカソードとしてカーボン又はチタンのような導電性支持体の上にある、Pt、Pd、Ir、Ru、Rh、Au、又はこれらの金属のような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(over potential)を持つ導体を含むかもしれない。
1つの実施例において、アニオンはカソードで酸素の源として機能できる。妥当なアニオンは、CO3 2−、SO4 2−、及びPO4 3−のようなオキシアニオン(oxyanions)である。CO3 2−のようなアニオンは、塩基性溶液を形成するかもしれない。例示的なカソード反応は以下の通りである。
カソード
CO3 2−+4e−+3H2O → C+6OH− (59)
反応は、以下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− (60)
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ためカソード反応という結果となるかもしれない。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
CO3 2−+4e−+3H2O → C+6OH− (59)
反応は、以下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− (60)
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ためカソード反応という結果となるかもしれない。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。
セルは、電解質における体積変化に適合するように容器(reservoir)を持つかもしれない、直列又は並列に接続されたセルのスタックを含むかもしれない。セルは更に、湿度及びCO2管理システムの少なくとも1つのを含むかもしれない。金属電極は、表面積を2倍にするように2つの酸素電極の間に挟まれるかもしれない。酸素は、酸素拡散電極を含む多孔性のテフロン(登録商標)−ラミネートされた空気電極を通して空気から拡散するかもしれない。1つの実施例において、カソードからの電子は、還元された水及び酸素種を形成するよう酸素拡散電極の濡らされた部分の触媒サイトで酸素と反応する。1つの実施例において、アノードは浸漬され、カソードは、電解質で濡れた部分及び空気又はO2のようなO2の源と直接接触する部分を含む。1つの実施例において、酸素還元電流は、より多くの酸素暴露カソード表面積を加えることにより、与えられた電解質インターフェイス面積に対して空気に曝される材料を増やすことにより増加する。1つの実施例において、カソードは浸漬され、そして、酸素は電気分解により供給される。1つの実施例において、カソードは、アノードの腐食のような過剰な腐食を避けるところ、ハイドリノを形成するセルの効率を最適化するよう電気分解により供給される追加に対する空気に暴露される表面積部分がより小さくなるように大抵浸漬される。1つの実施例において、酸素及び不活性ガスの混合物は、添加されるH2O蒸気を備えるセルに供給される。酸素は、約0.001から10モル%又は約0.5から2モル%の範囲内にあるかもしれない。酸素は、約31Torrから93Torrのおよその範囲の範囲内において、H2Oに関し約1から10モル%の範囲内にあるかもしれない。H2Oを供給されるCIHTセルの実施例において、H2O蒸気は、約0.001Torrから100atm、約0.001Torrから0.1Torr、約0.1Torrから1Torr、約1Torrから10Torr、約10Torrから100Torr、約100Torrから1000Torr、及び約1000Torrから100atmの少なくとも1つの圧力範囲内にある。残りは、窒素のような部活性ガスであるかもしれない。1つの実施例において、O2は約5モル%である。1つの実施例において、空気は、当該分野における当業者に知られる手段により、ガスの所望の比を達成するように、膜又は低温ろ過され或いは処理される。源からの酸素は、O2又は空気のような酸素を含むガスを散布するような手段によって、又は、断続的な電気分解によって、供給されるかもしれない。断続的な電気分解の電極は、金属、炭化物、ホウ化物、窒化物、及びカルボニトリル(carbonitrile)からなる群から選択される異なる電極のような本開示の異なる材料又は異なる金属のような異なる材料であるかもしれない。カソードが浸漬される1つの実施例において、O2分圧が電解質に対して上昇されたO2圧力を維持することにより増加させられるところ、酸素は、電解質のような源により供給される。その上昇された圧力は、約0.5atmから200atm又は約1atmから10atmの範囲内にあるかもしれない。1つの実施例において、電解質は、酸素に対する増加させられた溶解度を持つように選択される。或いは、カソード材料は、酸素に対する親和性を持つように選択される。
1つの実施例において、アノードは、放電アノードが電解質に浸漬されない少なくとも一部の表面を持つところ、部分的に浸漬される。1つの実施例において、少なくとも1つの電極は部分的に浸漬される。各電極は電解質と接触する。1つの実施例において、少なくとも1つの電極は、電極の表面積の一部だけが電解質に接触する。少なくともある表面積は、電解質に直接的に接触していない。電極がバイポーラ・プレートの側面を含むところ、非接触の表面積は、バイポーラ・プレートの対向する側面又はプレート・セパレータのようなセルのもう1つの構成要素又はセル雰囲気に曝されるかもしれない。電解質内に電極の一部が浸漬されない条件は、浸漬された場合又は浸漬されている部分に対して、異なる化学ポテンシャル、フェルミ・レベル、又は電圧を提供する。異なる化学ポテンシャル、フェルミ・レベル、又は電圧は、ハイドリノ反応を容易にするかもしれない。
1つの実施例において、放電カソードは、セル雰囲気又はカソード・ガスから独立に電解質内に浸漬されない表面を少なくとも一部、持つかもしれない。カソード・ガスは、供給される空気、酸素、及びH2O及び電気分解で生成される酸素の少なくとも1つである。水は、H2O、HOD、D2O、T2O、DOT、及びHOTの少なくとも1つのような、水素、ジュウテリウム、及びトリチウムを含むかもしれない。カソード・ガスは、N2のような不活性ガス又はArのような希ガスであるかもしれない。この場合、酸素は電気分解からであるかもしれない。部分的な非浸漬カソードは、浸漬されたアノードに対して、たとえ両者が同じ材料であっても、異なる化学ポテンシャル、フェルミ・レベル、又は電圧を提供する。異なる化学ポテンシャル、フェルミ・レベル、又は電圧は、ハイドリノ反応を容易にする。それに部分的に浸漬される放電カソードを持つ電解質は、MgO、LiAlO2、Li2TiO3、LiVO3、TiO2、CeO2及び本開示のその他のようなマトリクス材料を含むかもしれない。マトリクスを含む電解質は、電解質の融点で又はそれを超えているかもしれないセルのオペレーション温度で固体又は半固体であるかもしれない。電解質は、MOH−MX(Mはアルカリ、Xはハロゲン)のようなアルカリ塩又は共晶塩又は混合物のような溶融塩のような本開示のそれらを含むかもしれない。水素及び酸素の少なくとも1つが断続的な電気分解により少なくとも部分的に再生されるかもしれない、1つの実施例において、水素及び酸素は、およそ、H2Oの化学量論比にある。実施例において、その比は、公差が約±300%以内において、約±100%以内において、約±50%以内において、約±25%以内において、又は約±10%以内において、およそ2パートのH2対1パートのO2である。セル・ガスの残りは、パワーを最適化する又は所望のパワーを達成する圧力で水蒸気を含むかもしれず、そして、更に希ガス又はN2のような不活性ガスを含むかもしれない。水蒸気圧は、約0.01Torrから10atmの範囲内に維持されるかもしれない。もう1つの実施例において、水蒸気圧は、約31Torrから93Torrの範囲内に維持される。全圧力は、約1atmから500atm、約1atmから100atm又は約1amtから10atmのような大気圧以上又は以下の如何なる所望のものであってもよい。1つの実施例において、セルは、少なくとも電解質に接触する源からセルスタックを貫くようH2O蒸気のためのチャネル又は通路の少なくとも1つを含む。1つの実施例において、H2Oは、ヒートパイプのそれのような燈芯構造を通してスタックへと供給される。燈芯の材料は、金属酸化物のような酸化物又は非導電性の化合物を含むかもしれない。その酸化物又は他の化合物は、本開示のそれらのような含水化合物であるかもしれない。もう1つの実施例において、ガス状のH2O又は液体状のH2Oのような圧力下のH2Oは、電解質層の中に導管又はチャネルを通して注入されるかもしれない。1つの実施例において、電解質層は、スタックの各セルの電解質層にH2Oスループットを輸送する燈芯又は毛細管構造を含む。その構造は、約10から100Torrの範囲内の電解質と平衡状態にあるH2O蒸気の分圧に等価なもののような最適なレベルでのH2O濃度を維持するよう層内で急速な輸送を達成する気孔率及び気孔サイズを持つ電解質に埋め込まれ、混合されるマトリクスを含むかもしれない。
1つの実施例において、触媒を形成する反応は、もう1つのHのために触媒として機能するH2Oを形成する反応を含む。エネルギは、反応が半電池反応を含むところ、熱又は光又は電気として開放されるかもしれない。反応物が触媒として機能するH2Oを形成する、1つの実施例において、反応物は、H2Oに酸化されるかもしれないOH−を含むかもしれない。例示的な反応は本開示において与えられている。反応は、CIHTセル又は電気分解セルにおいて起きるかもしれない。触媒反応は、生成物への遷移状態にあるH2Oになり易いかもしれない。セルは、原子Hの源を更に含む。Hの源は、水酸化物及びH2Oの少なくとも1つを含む1つのような電解質の断続的な電気分解からであるかもしれない。その源は、水素化物、水素ガス、電気分解で生成される水素、水酸化物、又は本開示において与えられる他の源であるかもしれない。例えば、アノードは、半電池反応が水及び金属酸化物へのOH−の酸化を含むところ、Zn又はSnのような金属を含むかもしれない。その反応はまた、H2Oがハイドリノを形成するために触媒として機能するところ、H2Oの形成の存在下に原子Hを形成する。アノードは、半電池反応が水素化物により供給されるHを備えるH2OへのOH−の酸化を含むところ、LaNi5H6のような水素化物を含むかもしれない。酸化反応は、形成されたH2Oによるハイドリノへの触媒作用がされる水素化物のようなH源からのHの存在下で起こる。アノードは、OH−が金属酸化物又は水酸化物の形成と共にH2Oに酸化され、そして、Hが水素化物により供給されるところ、金属及び水素化物の組合せを含むかもしれない。Hは、触媒として機能するH2Oの形成によりハイドリノへと触媒作用される。もう1つの実施例において、CO2のような酸化剤又はR−NiのAl又はZnのような還元剤は、Hの幾つかが反応の間にH2Oによってハイドリノへの触媒反応させられるところ、中間体としてH及びH2Oを形成するようにOH−と反応するかもしれない。もう1つの実施例において、H2O及びHの少なくとも1つは、H2、H、H+、O2、O3、O3 +、O3 −、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH−、HOOH、OOH−、O−、O2−、O2 −、及びO2 2−のようなH及びOの少なくとも1つを含む種の少なくとも1つの還元反応によって形成されるかもしれない。Oの源は、水酸化物及びH2Oの少なくとも1つを含む1つのような電解質の断続的な電気分解からであるかもしれない。もう1つの実施例において、H2O及びHの少なくとも1つは、H2、H、H+、O2、O3、O3 +、O3 −、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH−、HOOH、OOH−、O−、O2−、O2 −、及びO2 2−のようなH及びOの少なくとも1つを含む種の少なくとも1つを含む酸化反応によって形成されるかもしれない。反応は、本開示のそれらの1つを含むかもしれない。反応は、CIHTセル又は電気分解セルにおいて起きるかもしれない。反応は、プロトン交換膜、リン酸、及び固体酸化物燃料電池のような燃料電池において起きるそれらであるかもしれない。反応は、CIHTセル・アノードで起きるかもしれない。反応はCIHTセル・カソードで起きるかもしれない。分解されたH2Oを備える水溶性又は溶融溶媒において起きるかもしれないカソード及びアノード(逆反応)の1つ又は両方で、H2O触媒及びHを形成するかもしれない中間体種を形成する、又は、H2O及びHを形成する再生カソード反応は、以下の通りである。
O2+4H++4e−→2H2O (61)
O2+2H++2e− → H2O2 (62)
O2+2H2O+4e− → 4OH− (63)
O2+H++e− → HO2 (64)
O2+H2O+2e− → HO2 −+OH− (65)
O2+2H2O+2e− → H2O2+2OH− (66)
O2+e− → O2 − (67)
HO2 −+H2O+2e− → +3OH− (68)
2HO2 − → 2OH−+O2 (69)
H2O2+2H++2e− → 2H2O (70)
2H2O2 → 2H2O+O2 (71)
2H2O+2e− → H2+2OH− (72)
H2O+HO2 − → H2+O2+OH− (73)
O2+2OH− → 2HO2 − (74)
HO2 −+H2O → H2+O2+OH− (75)
H2O → 2H2+O2 (76)
O2+4H++4e−→2H2O (61)
O2+2H++2e− → H2O2 (62)
O2+2H2O+4e− → 4OH− (63)
O2+H++e− → HO2 (64)
O2+H2O+2e− → HO2 −+OH− (65)
O2+2H2O+2e− → H2O2+2OH− (66)
O2+e− → O2 − (67)
HO2 −+H2O+2e− → +3OH− (68)
2HO2 − → 2OH−+O2 (69)
H2O2+2H++2e− → 2H2O (70)
2H2O2 → 2H2O+O2 (71)
2H2O+2e− → H2+2OH− (72)
H2O+HO2 − → H2+O2+OH− (73)
O2+2OH− → 2HO2 − (74)
HO2 −+H2O → H2+O2+OH− (75)
H2O → 2H2+O2 (76)
もう1つの実施例において、H2O及びO2 2−及びO3 2−のような触媒の源又は触媒は、O2とOH−と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 (77)
O2+2OH− → O3 2−+H2O (78)
3/2O2+2OH− → 2O2 −+H2O (79)
1/2O2+2OH− → O2 2−+H2O (77)
O2+2OH− → O3 2−+H2O (78)
3/2O2+2OH− → 2O2 −+H2O (79)
1つの実施例において、還元された酸素種は、固体燃料反応において化学的に生成される又はCIHTセルのアノードで酸化されるかもしれないOH−のようなHOの源である。CIHTセルのアノード反応物のようなセル反応物は更にH2を含む。そのH2は、Hとの反応によってハイドリノを形成する触媒としてH2Oが機能するために活性状態にあるH2O及びHを形成するためOHと反応する。或いは、反応物は、水素化物又はH2のようなHの源及び解離剤を含むが、それによって、HがOHと反応して活性なH2Oハイドリノ触媒を形成し、更に、もう1つのHと反応してハイドリノを形成する。
1つの実施例において、セルは、水酸化物を含む溶融塩電解質を含む。電解質は、塩混合物を含むかもしれない。1つの実施例において、塩混合物は、金属水酸化物、及び、ハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、及びリン酸塩のような本開示のもう1つのアニオンを備える同じ金属を含むかもしれない。妥当な塩混合物は、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である。その混合物は共晶混合物であるかもしれない。セルは、共晶混合物の融点のそれくらいの温度でオペレーションされるかもしれず、より高い温度でオペレーションされるかもしれない。触媒H2Oは、源からHとの反応及びアノードでのOH−の酸化によって形成されるかもしれない。Hの源は、水酸化物及びH2Oの少なくとも1つを含む1つのような電解質の断続的な電気分解からであるかもしれない。もう1つの水素源は、Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)、又は430SS(H2)によって示される、Ni、V、Ti、Nb、Pd、PdAg、又はFeのような金属膜を通して透過されるH2ガスを含む。アルカリ電解質に対する妥当な水素透過性電極は、Ni及びLaNi5のような合金、Pt、Pd、及びAuのような貴金属、V、Nb、Fe、Fe−Mo合金、W、Mo、Rh、Zr、Be、Ta、Rh、Ti、Th、Pd、Pd被覆Ag、Pd被覆V、Pd被覆Tiのようなニッケル又は貴金属被覆水素透過性の金属、希土類、他の耐火金属、430SSのようなステンレス鋼(SS)、及び当該分野の当業者に知られる他のそのような金属を含む。例示的なアノード反応は以下の通りである。
アノード
1/2H2+OH− → H2O+e− 又は
H2+OH− → H2O+e−+H(1/p) (80)
アノード
1/2H2+OH− → H2O+e− 又は
H2+OH− → H2O+e−+H(1/p) (80)
1つの実施例において、酸素及びH2Oの少なくとも1の源は、セルに供給され、選択的にカソードに供給されるかもしれない。1つの実施例において、H2は、アノード反応が式(80)によって与えられるように、アノードへ選択的に供給されるかもしれない。1つの実施例において、O2及びH2Oの少なくとも1は、セルに供給されるかもしれない。1つの実施例において、O2又はH2Oは、カソード半電池に添加されるかもしれず、そこでの反応は以下の通りである。
カソード
M++e−+H2O → MOH+1/2H2 (81)
M++2e−+1/2O2 → M2O (82)
そして、H2Oが添加され、その反応は以下の通りである。
M2O+H2O → 2MOH (83)
O2が供給される場合において、全体のバランスされた反応は、H2Oの分離された電気分解によって再生されるH2の燃焼であるかもしれない。1つの実施例において、H2がアノードで供給され、そして、H2O及びオプションとしてO2がカソードで供給される。そのH2は、膜を通した透過によって選択的に適用されるかもしれず、H2Oは蒸気をバブリングすることによって選択的に適用されるかもしれない。1つの実施例において、コントロールされたH2O蒸気圧は、溶融電解質に渡って維持される。H2Oセンサは、蒸気力をモニタし、蒸気力をコントロールするために使用されるかもしれない。そのセンサは、赤外発光分光センサ又は当該分野において知られるそれらのような光学的なものであるかもしれない。H2O蒸気圧は、N2又はArのような不活性なキャリアガスによって搬送され、加熱された水容器(reservoir)から供給されるかもしれない。ここで、容器(reservoir)温度及びフロー速度は、センサによってモニタされる蒸気圧を決定する。セルは、夫々アノード及びカソードを形成するガス及び未反応の供給物のようなセルからのH2及び蒸気を集め、H2Oの凝縮のような手段によってガスを分離し、及び、H2Oを備えるカソード及びH2を備えるアノードに再度供給することによって、連続的に運転されるかもしれない1つの実施例において、水蒸気は、約20−100℃の温度範囲で維持される水発生器によって供給される。もう1つの実施例において、温度は、約30から50℃の範囲に維持される。水蒸気圧は、約0.01Torrから10atmの範囲内に維持されるかもしれない。もう1つの実施例において、水蒸気圧は、約31Torrから93Torrの範囲内に維持される。
カソード
M++e−+H2O → MOH+1/2H2 (81)
M++2e−+1/2O2 → M2O (82)
そして、H2Oが添加され、その反応は以下の通りである。
M2O+H2O → 2MOH (83)
O2が供給される場合において、全体のバランスされた反応は、H2Oの分離された電気分解によって再生されるH2の燃焼であるかもしれない。1つの実施例において、H2がアノードで供給され、そして、H2O及びオプションとしてO2がカソードで供給される。そのH2は、膜を通した透過によって選択的に適用されるかもしれず、H2Oは蒸気をバブリングすることによって選択的に適用されるかもしれない。1つの実施例において、コントロールされたH2O蒸気圧は、溶融電解質に渡って維持される。H2Oセンサは、蒸気力をモニタし、蒸気力をコントロールするために使用されるかもしれない。そのセンサは、赤外発光分光センサ又は当該分野において知られるそれらのような光学的なものであるかもしれない。H2O蒸気圧は、N2又はArのような不活性なキャリアガスによって搬送され、加熱された水容器(reservoir)から供給されるかもしれない。ここで、容器(reservoir)温度及びフロー速度は、センサによってモニタされる蒸気圧を決定する。セルは、夫々アノード及びカソードを形成するガス及び未反応の供給物のようなセルからのH2及び蒸気を集め、H2Oの凝縮のような手段によってガスを分離し、及び、H2Oを備えるカソード及びH2を備えるアノードに再度供給することによって、連続的に運転されるかもしれない1つの実施例において、水蒸気は、約20−100℃の温度範囲で維持される水発生器によって供給される。もう1つの実施例において、温度は、約30から50℃の範囲に維持される。水蒸気圧は、約0.01Torrから10atmの範囲内に維持されるかもしれない。もう1つの実施例において、水蒸気圧は、約31Torrから93Torrの範囲内に維持される。
セルは、カソードでのような空気又はO2ガスのような酸素の源を更に含むかもしれない。セルは、電気分解、H2の添加、又は機械的に再生されるかもしれない。1つの実施例において、反応容器は、ニッケル又はモネル合金(Monel alloy)のような溶融水酸化物による腐食に対する耐性のある材料を含むかもしれない。1つの実施例において、カソード及びアノードの少なくとも1は、LiNiOを含むNiのようなリチウム化されたNi電極のようにリチウム化される。実施例において、電流が少なくとも1つの周期の間一定に維持されるところ、第1回は充電し第2回は放電するような波形をもって断続的に又は連続的に放電される溶融塩又は水溶液アルカリセルのアノードは、ニッケル水素化物、LaNi5H6、又はLa2CoNi9H6のような水素化物を含むかもしれない。
酸素の還元からカソードでのO2 2−及びHOO−のような過酸化物イオンを形成する妥当な溶融水酸化物電解質は、LiOH及びNaOHである。OH、H2O、O2、nH、及びnO(nは整数)の少なくとも1つのようなハイドリノ触媒を形成する例示的な反応は以下の通りである。
カソード
O2+2e− → O2 2− (84)
O2+H2O+2e− → HO2 −+OH− (85)
アノード
H+HO2 − → H2O+1/2O2+e− (86)
H2+HO2 − → H2O+OH+e− (87)
1つの実施例において、セル反応物は、過酸化物の源又は過酸化物を含む。妥当な過酸化物は、Li2O2及びNa2O2である。過酸化物又は過酸化物イオンは、OH及びH2Oの少なくとも1つのようなハイドリノ触媒を形成するかもしれない。例示的な反応の経路は、式(61−79)及び(80−83)によって与えられる。妥当なセルは、[Ni(H2)/LiOH及びNaOH及び場合によってLiX又はNaX(X=ハロゲン)のようなもう1つの塩及びLi2O2又はNa2O2のようなアルカリ過酸化物又は過酸化物の少なくとも1つ/Ni]である。1つの実施例において、電解質は、水酸化物、及び、酸素の還元による1又はそれ以上の酸素種の形成に有利な他の塩の混合物の少なくとも1つを含む。電解質は、ハイドリノを形成する反応及び従属する触媒形成を最適化する所望の酸素還元生成物へとの酸素の還元を最適化するように選択される。例示的な実施例において、1又はそれ以上のNaOH又はKOHは、ハイドリノを形成することから電気的パワーを最適化するためLiOH−LiBr共晶混合物に添加される。もう1つの実施例において、H2O又はH2Oの源は、過酸化物及びスーパーオキシドのようなより高い酸化物の水酸化物への変換を引き起こすカソード反応物に添加する。妥当な反応は、過酸化物、スーパーオキシド、及び酸化物イオン、並びに、HOO−、及びHOOHの少なくとも1つのような中間体を通して又は直接的にOH−を形成するようなO2及びH2Oの還元である。
カソード
O2+2e− → O2 2− (84)
O2+H2O+2e− → HO2 −+OH− (85)
アノード
H+HO2 − → H2O+1/2O2+e− (86)
H2+HO2 − → H2O+OH+e− (87)
1つの実施例において、セル反応物は、過酸化物の源又は過酸化物を含む。妥当な過酸化物は、Li2O2及びNa2O2である。過酸化物又は過酸化物イオンは、OH及びH2Oの少なくとも1つのようなハイドリノ触媒を形成するかもしれない。例示的な反応の経路は、式(61−79)及び(80−83)によって与えられる。妥当なセルは、[Ni(H2)/LiOH及びNaOH及び場合によってLiX又はNaX(X=ハロゲン)のようなもう1つの塩及びLi2O2又はNa2O2のようなアルカリ過酸化物又は過酸化物の少なくとも1つ/Ni]である。1つの実施例において、電解質は、水酸化物、及び、酸素の還元による1又はそれ以上の酸素種の形成に有利な他の塩の混合物の少なくとも1つを含む。電解質は、ハイドリノを形成する反応及び従属する触媒形成を最適化する所望の酸素還元生成物へとの酸素の還元を最適化するように選択される。例示的な実施例において、1又はそれ以上のNaOH又はKOHは、ハイドリノを形成することから電気的パワーを最適化するためLiOH−LiBr共晶混合物に添加される。もう1つの実施例において、H2O又はH2Oの源は、過酸化物及びスーパーオキシドのようなより高い酸化物の水酸化物への変換を引き起こすカソード反応物に添加する。妥当な反応は、過酸化物、スーパーオキシド、及び酸化物イオン、並びに、HOO−、及びHOOHの少なくとも1つのような中間体を通して又は直接的にOH−を形成するようなO2及びH2Oの還元である。
1つの実施例において、酸素は、触媒として機能するカソードにおける種に、又は、触媒を形成するように更に反応する中間体として機能する種に還元される。その種又は更なる反応生成物は、H2、H、H+、O2、O3、O3 +、O3 −、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH−、HOOH、OOH−、O−、O2−、O2 −、及びO2 2−のようなH及びOの少なくとも1つを含む種の少なくとも1つである。もう1つの実施例において、カソード反応は、アノード反応と協奏するかもしれない。酸素を含むカソード反応は、Hはハイドリノを形成するように反応するかもしれないとこr、アノードで形成されるH及び触媒の両者の間のエネルギ合致を引き起こす種を形成するかもしれない。カソードで形成される例示的な種は、O−、O2−、O2 −、O2 2−、OH−、HOO−、H、H2、O、OH、H2O、O2、O3、及びO3 −である。アノード反応は、OH、H2O、O、及びO2の少なくとも1つが触媒として機能するかもしれないところ、OH、H2O、O、及びO2の少なくとも1つへのHO−の酸化を含むかもしれない。1つの実施例において、協奏される反応は、OH及びH2Oの少なくとも1つへのOH−のアノード反応(式(90)及び(91))を含むかもしれず、そして、カソード反応は、O2をO2 2−へと還元することを含むかもしれない(式(84))。O2 2−を優先的に形成するための妥当な電解質は、LiOH及びNaOHの少なくとも1つを含む。1つの実施例において、H2Oは、還元された酸素種の少なくとも1つと反応するために更に供給される。少なくとも1つの生成物はOH−であるかもしれない。酸素及び水の少なくとも1つの源は、空気であるかもしれない。1又はそれ以上の酸素及びH2Oの濃度は、ハイドリノの形成からの電気的及び熱的なパワー出力の少なくとも1つをコントロールすることでコントロールされるかもしれない。1つの実施例において、セルの電気的なパワー出力は、最適化される。1つの実施例において、CO2及びCOは、セル内へと流れ込む前に、空気から取り除かれる。その除去は、当該技術分野における当業者に知られているスクラバー(scrubber)を使用することにより達成されるかもしれない。1つの実施例において、水酸化物電解質は、CO及びCO2から炭酸塩形成を抑制するように酸化物のような添加剤を含む。妥当な添加剤は、高い水濃度のMg、Sb、及びSiの酸化物、ピロリン酸及びペルオキソ硫酸塩のようなオキシアニオンである。特定の例は、SiO2、MgO、Sb2O3、Na2S2O8、及びNa4P2O7である。溶融アルカリ水酸化物塩のような溶融電解質を含む1つの実施例において、炭酸塩は、アルカリ金属のような活性金属との反応により取り除かれるかもしれない。断続的に充電及び放電されるセルを含む1つの実施例において、セルは、CO及びCO2を避けるために空気に対して閉じている。1つの実施例において、少なくとも1つの半電池反応の酸素は、H2O及びOH−の少なくとも1つの酸化のような電気分解からである。
1つの実施例において、溶融水酸化物電解質及び溶融水酸化物を含む混合物は、更に、アルカリ酸化物(M2O)又はアルカリ土類酸化物(M’O)のような酸化物を含む。濃度は飽和するまでであるかもしれない。酸化物は、平衡濃度を形成するように、水酸化物又は水と反応するかもしれない。例示的な反応は次の通りである。
Li2O → H2O → 2LiOH (88)
Li2O+2OH− → 2LiO−+H2O (89)
溶融水酸化物電解質は、更に、アルカリ金属(M)を含むかもしれない。1つの実施例において、電解質は、溶融水酸化物、オプションとして他の塩、及び、M、MH、M2O、MO2、又はM2O2(Mはアルカリ金属のような金属)の少なくとも1を含む。1つの実施例において、酸化物、H2O、過酸化物、及びスーパーオキシド平衡の少なくとも1つはシフトする。
Li2O → H2O → 2LiOH (88)
Li2O+2OH− → 2LiO−+H2O (89)
溶融水酸化物電解質は、更に、アルカリ金属(M)を含むかもしれない。1つの実施例において、電解質は、溶融水酸化物、オプションとして他の塩、及び、M、MH、M2O、MO2、又はM2O2(Mはアルカリ金属のような金属)の少なくとも1を含む。1つの実施例において、酸化物、H2O、過酸化物、及びスーパーオキシド平衡の少なくとも1つはシフトする。
1つの実施例において、H2O、OH、O2、nH、及びnO(n=整数)の少なくとも1つのような触媒を形成するセル反応のエネルギは、真空中において起きる反応のそれと等価である。反応は、液相又は固相のような凝縮された相又はガス中において起きるかもしれない。液体は、電解質のような水性の又は溶融塩媒体であるかもしれない。触媒を形成する反応は、半電池反応を含むかもしれない。1つの実施例において、触媒を形成する対半電池反応は、標準水素電極(SHE)に対して約0Vである電圧で起きるかもしれない。妥当な電圧は、SHEに対して、約−0.5Vから+0.5V、−0.2Vから+0.2V、及び−0.1Vから+0.1Vの範囲の中にある。触媒形成半電池反応の触媒は、H2O、OH、O2、nH、及びnO(n=整数)の少なくとも1つであるかもしれない。触媒形成反応及び対半電池反応は、次のようであるかもしれない。
アノード:
OH−+H2 → H2O+e−+H(1/p);
H2+2OH− → 2H2O+2e−; (90)
OH− → OH+e−;
OH → O+H(1/p) (91)
カソード:
O2+2H2O+4e− → 4OH− (92)
全体反応は次のようであるかもしれない。
2H2+1/2O2 → H2O+2H(1/p) (93)
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するかもしれない。溶融水酸化物塩電解質の場合において、セルに供給される水の部分圧力は、過酸化物、スーパーオキシド、及び酸化物の少なくとも1つを形成するそれらのような他のO2及びH2O還元においてOH−生成反応を有利にするようにコントロールされるかもしれない。1つの実施例において、温度、O2圧力、H2O圧力、H2圧力、及びOH−濃度の少なくとも1つは、触媒形成半電池反応及びハイドリノの最適な形成という結果になる対反応に有利となるようにコントロールされる。対応する反応の1又はそれ以上は、式(90−93)によって与えられるかもしれない。妥当な例示的なセルは、[Ni/LiOH−LiBr/NiO]又は本開示の類似のセルであるが、H2Oはセルに供給され、そして、Hは断続的な電気分解により発生させられる。
アノード:
OH−+H2 → H2O+e−+H(1/p);
H2+2OH− → 2H2O+2e−; (90)
OH− → OH+e−;
OH → O+H(1/p) (91)
カソード:
O2+2H2O+4e− → 4OH− (92)
全体反応は次のようであるかもしれない。
2H2+1/2O2 → H2O+2H(1/p) (93)
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するかもしれない。溶融水酸化物塩電解質の場合において、セルに供給される水の部分圧力は、過酸化物、スーパーオキシド、及び酸化物の少なくとも1つを形成するそれらのような他のO2及びH2O還元においてOH−生成反応を有利にするようにコントロールされるかもしれない。1つの実施例において、温度、O2圧力、H2O圧力、H2圧力、及びOH−濃度の少なくとも1つは、触媒形成半電池反応及びハイドリノの最適な形成という結果になる対反応に有利となるようにコントロールされる。対応する反応の1又はそれ以上は、式(90−93)によって与えられるかもしれない。妥当な例示的なセルは、[Ni/LiOH−LiBr/NiO]又は本開示の類似のセルであるが、H2Oはセルに供給され、そして、Hは断続的な電気分解により発生させられる。
1つの実施例において、ハイドリノ反応は、OH−、OOH−、又はH2OのようなHの源の反応の間に形成される発生期のHからカソードにおいて起きる。1つの実施例において、カソード反応の間に形成される発生期のH2Oは、触媒として機能する。1つの実施例において、ハイドリノはまた、式(92)のそれのような本開示のカソード反応の間に形成される。
1つの実施例において、H2O触媒を形成する反応は、オペレーション温度に対する補正を熱力学的に行った約1.2ボルトである。1つの実施例において、25℃及びSHEに対する触媒を形成する半電池反応の電圧は、約1.2Vである。妥当な電圧は、SHE及び25℃に対して、約1.5Vから0.75V、1.3Vから0.9V、及び1.25Vから1.1Vの範囲内である。セルは、約200℃から1000℃の温度範囲内、又は、約250℃から600℃の範囲内、でオペレーションされるかもしれない。妥当な反応は、H2Oが式(90)及び(92)並びに式(121)及び(122)によって与えられるように触媒として機能するかもしれないところ、H2Oを形成するそれらである。所望の電圧を達成する妥当な電解質は、ハロゲン化物のようなもう1つの塩を更に含むかもしれない、溶融アルカリ又はアルカリ土類水酸化物である。妥当な混合物は、LiOH−LiBr、NaOH−NaBr、及びNaOH−NaIのようなアルカリ金属水酸化物及びハロゲン化物のような共晶塩混合物である。例示的なアルカリ土類水酸化物は、Sr(OH)2である。水素は、断続的な電気分解、透過、及びバブリングによるものの少なくとも1つによりアノードに供給されるかもしれない。妥当な酸性の電解質は、水溶性H2SO4又はHX(X−ハロゲン)又は酸性イオン液体のような水溶性の酸性電解質である。
1つのアルカリ水溶性セル実施例において、反応を形成する触媒は、式(90)によって与えられるかもしれず、約0VのSHEに対する還元ポテンシャルを持つ対半電池反応は、以下の少なくとも1である。
O2+H2O+2e− → HO2 −+OH− (94)
O2+2H2O+2e− → HOOH+2OH− (95)
O2+e− → O2 − (96)
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ように変更されるかもしれない。妥当な例示的なセルは、[MH/KOH(飽和水溶液)/SC、Pd、Pt、Au、Ag、又は他の酸素還元カソード+空気]及び本開示の類似のセルであり、ここで、MHはLaNi5Hxのような金属水素化物である。或いは、アノードは、Niのような導体かもしれず、Hは断続的な電気分解により発生させられる。
O2+H2O+2e− → HO2 −+OH− (94)
O2+2H2O+2e− → HOOH+2OH− (95)
O2+e− → O2 − (96)
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ように変更されるかもしれない。妥当な例示的なセルは、[MH/KOH(飽和水溶液)/SC、Pd、Pt、Au、Ag、又は他の酸素還元カソード+空気]及び本開示の類似のセルであり、ここで、MHはLaNi5Hxのような金属水素化物である。或いは、アノードは、Niのような導体かもしれず、Hは断続的な電気分解により発生させられる。
1つの実施例において、Ni+1/2O2→NiO反応は、ハイドリノを形成するH2+1/2O2→H2O反応と大体同じ電圧を持ち、そして、NiO反応はハイドリノ形成を支持するかもしれない。セル温度は、250℃kら1000℃の範囲内にあるかもしれない。他の実施例において、アノードは、セル電圧がセルオペレーション温度でH2+1/2O2→H2Oの反応のそれに大体なるように、酸化物、水酸化物、又はオキシ水酸化物の少なくとも1つのような酸素を含む化合物を形成する金属のような材料を含む。電圧は、約±0.001から0.5V又は約±0.01から0.2Vの範囲内にマッチするかもしれない。更に、LiOHは、Hがハイドリノに変換されるかもしれないところ、2LiOH→Li2O+H2OであるからH2Oの源である。LiOHの脱水は、NiOのような酸化物を形成するようNiのようなアノード金属と究極的に反応するO2の還元から酸素イオンによって触媒作用されるかもしれない。
LiOHのようなアルカリ水酸化物のような水溶性又は溶融水酸化物又は混合物のような水酸化物電解質を含む電解質セルの1つの実施例において、H2は、カソードで発生させられ、そして、O2がH2Oの電気分解によるアノードで発生させられる。電解質の水酸化物は、M2CO3(M=アルカリ)のような炭酸塩のような水性の塩基の溶液によって形成されるかもしれない。セルは、約25℃から300℃の範囲内のような上げられた温度でオペレーションされるかもしれず、より高い温度でオペレーションされるかもしれない。セルは、沸騰近く及びそれより上の温度でオペレーションされるように加圧される。1つの実施例において、アノードでO2及びH2Oの少なくとも1つが還元されてOH−になる反応、及び、カソードでH存在下で、OH−が酸化されてH2Oになる反応の少なくとも1つは、ハイドリノの形成と共に起こる。1つの実施例において、アノードで形成される酸素は、アノードでH2Oで還元されてOH−になり、そして、カソードで形成されるH2は、カソードでH2Oに酸化されるようにOH−と反応するが、OH−経路がそれぞれ式(92)及び(90)に従ってアノード及びカソードで起きる。触媒は、カソードで形成されたHと反応するカソードで形成されるH2Oであるかもしれない。カソードは、Pd、Pt、V、Ta、又はAuのような貴金属のような、又は、Ni又はLaNi5のような遷移金属又は合金のような水素化物を形成する金属であるかもしれない。カソードは、Hの存在下で、OH−を酸化してH2Oを形成し、及び、H2Oを還元してH2を形成する2つの機能を有する電極として働くかもしれない。アノードは、Pt、Pd、又はAuのような貴金属のような、又はNi又はLaNi5のような遷移金属又は合金のような、金属として導体を含むかもしれないが、それは、水溶液電解質を酸化してO2を生成し、O2及びH2Oの少なくとも1つを還元してOH−を形成する、二重機能性電極として働く。電極の形態は、その表面積を増加させるかもしれない。Niのような例示的な電極は、ワイヤ、焼結されたもの、シート、又はマットNiである。1つの実施例において、水酸化物及び炭酸塩の少なくとも1つを含む1つのようなアルカリ電解質を持つ溶融塩セルは、ニッケル、ニッケル酸化物、コバルト、コバルト酸化物、及びクロムをドープしたニッケルの少なくとも1つを含むアノードと、ニッケル、NiO、コバルト、コバルト酸化物、Ag、Ag2O2のような銀酸化物、AgをドープしたNi、及びリチウム化されたニッケル酸化物であるかもしれないカソードと、を含み、MgO、Li2TiO3、又はLiAlO2のような電解質支持体を含むかもしれない。アノードのような電極は、それぞれ、Ni1−xMgxO及びNiFe2O4を形成するかもしれないMgO又はFe2O3のようなNiOを安定化するもう1つの化合物とNiOとを含むかもしれない。1つの実施例において、NiOのようなアノードのような電極は、O2−の源のような源によって塩基性を増加させることにより安定化されるかもしれない。電解質の塩基性を増加させる妥当な源は、MgO、CdO、ZnO、Fe2O3、NiO、Li2O、MoO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、TiO2、ZrO2、WO2、及び、O2−の源として機能する類似の酸化物である。他の化合物は、電極に添加されるかもしれず、又は、電解質添加剤又はマトリクスを含むかもしれない。ハイドリノ反応電流寄与は、電気分解電流の方向と反対の方向にあり、そして、セルにおける追加の熱生成という結果になるかもしれない。1つの実施例において、電流は、サイクルの充電及び放電フェーズの間、断続的に逆にされる。もう1つの実施例において、少なくとも1つもガスは、式(90)及び(92)によって与えられる反応の少なくとも1つがハイドリノを形成するために起こるように、半電池の間を交差する。電極分離は、ガスの交差(gas crossover)を容易にするように最小化されるかもしれない。アノードで式(90)によって与えられるOH−システムが少なくとも部分的に起こるように、及び、カソードで式(92)によって与えられるOH−システムが少なくとも部分的に起こるように、セルにおいて、ガスは交差(crossover)するかもしれない。触媒は、カソードからアノードへと交差する追加のHと反応する交差H(crossover H)からアノードで形成されるH2Oであるかもしれない。アノードは、交差水素(crossover hydrogen)の存在下で、OH−をH2Oに酸化し、水性の電解質をO2に酸化する二機能電極として機能する、Pd、Pt、又はAuのような貴金属又はNi又はLaNi5のような遷移金属又は合金のような水素化物を形成する金属であるかもしれない。カソードは、Pd、Pt、又はAuのような貴金属又はNi又はLaNi5のような遷移金属又は合金のような水素化物を形成する金属であるかもしれない。カソードは、H2OをH2に還元する二機能電極として作用するかもしれず、及び、交差するO2及びH2Oの少なくとも1つをOH−に追加的に還元するかもしれない。このようにして、カソードは、酸素及びH2Oの少なくとも1つの還元触媒を含むかもしれない。電気的な及び熱的なエネルギの少なくとも1つは、電流が電気分解の電流のそれと同じ極性を持つが、電圧が逆の極性であるところ、交差反応(crossover reactions)によって開放される。このようにして、一定電流電気分解が実施される場合において、1つの実施例において、セル電圧は減少し、かつ、セル温度は上昇する。例示的な電気分解セルは、[Pt/LiOH 0.1Mから飽和水溶液迄/Pd]である。他の実施例において、両電極はNiであり、又は、一方がNiで他方がPt、Pd、DSA材料、他の貴金属、カーボン、Ag、本開示の材料、又はPt/Tiのような支持体上の本開示の他のもの又はこれらの材料の1又はそれ以上のような異なる材料であり、電解質は約0.1Mから飽和までの濃度範囲内における水溶性(aq)KOH又はK2CO3である。特定の例は、[PtTi/K2CO3又はKOH 0.1Mから飽和水溶液迄/Ni]である。
1つの実施例において、電解質は水溶液を含む。溶液は塩基性溶液を含むかもしれない。電解質は、KOH及びK2CO3.の少なくとも1つののような水性の水酸化物又は炭酸塩を含むかもしれない。少なくとも1つの電極は、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、及びZnのような低い水との反応性を持つ群から選択されるかもしれない。
1つの実施例において、アノードのような少なくとも1つの電極は、Ni(OH)2、Co(OH)2、Cu(OH)2、Ca(OH)2、Sr(OH)2、又はIn、Sn、Pb、As、Sb、又はBi(OH)3のようなBi水酸化物のようなアルカリ土類水酸化物又は遷移又は内部遷移元素のような水酸化物を含む。例示的なセルは、[Ni(OH)2 Co/KOH(aq)/NiO]、[Ni(OH)2 Co Cu/KOH(aq)/NiO]、[Co(OH)2 Co/KOH(aq)/NiO]、[Co(OH)2 Co Cu/KOH(aq)/NiO]、及び[Ca(OH)2 Co/KOH(aq)/NiO]である。
1つの実施例において、水性電解質は、水性のLiOH−LiBrのようなアルカリ金属若しくはアルカリ土類水酸化物及びハロゲン化物の混合物のような少なくとも1つの水酸化物及び少なくとも1つのハロゲン化物の混合物を含むかもしれない。例示的なセルは、水性のCIHTセル[Ni又はPt/Ti/LiOH−LiBr(aq)/Ni]である。
1つの実施例において、セルに添加される水又は水性の溶媒は、H2O、D2O、T2O、又は水混合物及びアイソトープ混合物を含むかもしれない。1つの実施例において、温度は、ハイドリノ反応の速度をコントロールして、結果的にCIHTセルのパワーをコントロールするようにコントロールされる。妥当な温度範囲は、およそ雰囲気温度から100℃迄である。温度は、圧力が発生させられ、沸騰が抑圧されるように、セルを密封することにより、約>100℃に維持されるかもしれない。
溶融塩又は水性の電解質のセルを含む少なくとも1つのような1つの実施例において、セルは、H2及びO2の反応でH2Oとなるためのセルポテンシャルの負に対応するセルあたりの一定な電圧で充電される。充電ポテンシャルは、熱力学的な電圧構成要素だけでなく、過電圧を持つH2O電気分解ポテンシャルを含むかもしれない。セルは、一定電流、電力(power)、又は負荷、又は、可変電圧、電流、電力(power)、又は負荷で充電されるかもしれない。セルはまた、一定電圧、電流、電力(power)、又は負荷で放電されるかもしれない。一定電圧は、所望の放電電圧を維持する負荷を用いて達成できるかもしれない。他の実施例において、放電は、電圧、電流、電力(power)、及び負荷コントローラの少なくとも1つでコントロールされるかもしれない、可変電圧、電流、電力(power)、又は負荷において、なされるかもしれない。電圧及び電流パラメータは、充電中最小から最大へ、及び、放電中最大から最小へというような何れかの方向にある勾配を含むかもしれない。1つの実施例において、放電は、最適化を達成するそれらに対し半電池還元ポテンシャルをマッチさせることによりハイドリノ反応速度を最大化する条件下で行われる。1つの実施例において、放電は、H2及びO2からH2Oへの反応のためのセルポテンシャルに対応するセルあたりの一定電圧で維持される。マッチング・ポテンシャルは、熱力学的な電圧構成要素だけでなく、過電圧をも含むかもしれない。他の実施例において、電圧及び電流の少なくとも1つは、ハイドリノ触媒反応が最大の速度で起きるようにさせる放電電圧を達成するように可変である。セルポテンシャルは、熱力学的な電圧構成要素だけでなく、過電圧をも含むかもしれない半電池還元ポテンシャルの差である。頻度及び他の充電−放電パラメータは、ハイドリノ触媒反応速度を最大化するように調節されるかもしれない。1つの実施例において、サイクルの波形は、妥当な負荷にマッチするように条件付けられ、或いは、負荷がその波形にマッチさせられる。1つの実施例において、充電−放電の頻度は、送電線網(power grid)のそれのような標準のそれであるかもしれない。頻度は、50Hzであるかもしれず、或いは、60Hzであるかもしれない。波形は、60Hz又は50Hzでの交流電流のような交流電流に合わせるように条件付けられるかもしれない。頻度は、充電−放電サイクルのフェーズの外側にある2つのセルの間で交互の充電を含むかもしれないが、そのようにして、1つがもう1つを充電し、また、その逆が行われる。もう1つの実施例において、電流は整流されるかもしれない。電流は、ほぼ一定の電流であるかもしれない直流として、放電の間に負荷に適用される。複数のCIHTセルは、如何なる与えらえる個々のセルのサイクルのそれよりも長い持続時間に渡って、一定の電流を提供するようにタイミングが計られるかもしれない。
1つの実施例において、セルは、H2Oからの水素及び酸素の少なくとも1つを発生する。1つの実施例において、H2及びO2は、断続的な電気分解の間に、それぞれ、放電アノード及びカソードで形成されるかもしれない。或いは、ガスは、電気分解から独立しているかもしれないが、自発的にH2Oから形成される。H2OからのH2及びO2の少なくとも1つの自発的な生産を駆動するエネルギは、ハイドリノの形成である。ガス、H2及びO2の少なくとも1つは、触媒及びハイドリノの少なくとも1つを形成する反応物である。そのメカニズムは、電気化学的な及びイオン化の反応の少なくとも1つを含むかもしれない。H2Oのような触媒は、Hと更に反応してハイドリノを形成するように、放電の間に形成されるかもしれない。放電の間にH2Oを形成する反応は、Hが、オプションとして電気分解により形成されるものから独立して、放電アノードで直接的に形成されるように、セル・オペレーションの如何なる段階でも可逆であるかもしれない。放電アノード及びカソードでのH2OのH2及びO2へのそれぞれの電気分解に加えて又はその代わりとして、H形成は、両反応が同時に起きるかもしれないところ、ハイドリノを形成するため開放されるエネルギにより自発的であるかもしれない。1つの実施例において、セル電圧は、ハイドリノ形成と共にH2Oの電気分解が自発的に起きるようになっている。ハイドリノ反応は、ハイドリノ形成反応の伝播及びH2Oの電気分解の伝播の少なくとも1つを達成するセル電圧を少なくとも部分的に維持又は支持するかもしれない。1つの実施例において、セルセル電圧は約0.8±0.5Vである。[Ni/LiOH−LiBr MgOのようなオプショナルなマトリクス付/Ni]及びH2Oの供給を含む例示的なセルは、セル電圧が約0.8V±0.2Vで、約280−500℃の温度範囲内で、オペレーションされるかもしれない。電圧は、ハイドリノ形成を備える自発的な電気分解及び断続的な電気分解の少なくとも1つによって支援されるかもしれない。断続的な電気分解の例示的なセル波形は、0.8V±0.2Vまでの充電ステップを含むかもしれず、そして、セルが放電するときに設定時間の間、電圧を維持するかもしれない。セル波形は、0.6V±0.2Vのような限定的な電圧に対して、又は、4s±3sのような限定的な時間の間に、一定の電流のような条件の下で、更にセルを放電させるかもしれない。H2Oの自発的な電気分解は、アノード材料、電解質、及び、固体、液体、及びセル内のガスの少なくとも1つの反応を含む1又はそれ以上の中間ステップを持つかもしれない。例えば、H2Oは、MO及びH2を形成するようにアノード金属Mと反応するかもしれない。例示的な固体、液体、及びガスは、MgO、LiAlO2、Li2TiO3、LiVO3、CeO2、TiO2、及び本開示の他のもの、H2O2、O2、CO2、SO2、N2O、NO、及びNO2のような固体マトリクスである。その代わりとして、電解質は、酸化されたもの及び還元されたものの少なくとも1つであるかもしれず、そして、H2Oはまた、反応物である。例示的な自発H2O電気分解反応は次の通りである。
放電アノード:
2OH− → 2H+O2 −+e− (97)
2H → 2H(1/p) (98)
ここで、H2O触媒は、例えば、式(90)によって形成される。
放電カソード:
O2 −+H2O+e− → 1/2O2+2OH− (99)
全体の反応は、以下の通りである。
H2O → 1/2O2及び2H(1/p) (100)
H2O → 1/2O2及びH2 (101)
他の例示的な自発的なH2O電気分解反応は以下の通りである。
放電アノード:
2OH− → H+HOO−+e− (102)
H → H(1/p) (103)
ここで、H2O触媒は、例えば、式(90)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 (104)
全体の反応は、式(100)及び(101)により与えられるかもしれない。
放電アノード:
3OH− → O2+H2O+H+3e− (105)
H → H(1/p) (106)
ここで、H2O触媒も、例えば、式(90)の反応によって形成される。
放電カソード:
3/4O2+3/2H2O+3e− → 3OH− (107)
全体の反応は、式(100)及び(101)によって与えられるかもしれない。式(97)、(99)、(102)、(104)、及び(105)の水素及び酸素は、式(90)及び(92)にそれぞれ従って、H2O及びOH−を形成するように反応するかもしれない。酸化物、過酸化物、スーパーオキシド、及びHOO−のような他の酸素種及び(式(61−79))のような本開示において与えられる反応は、H、触媒、及びハイドリノの少なくとも1つの源を形成するようにH2Oの自発的な電気分解において含まれるかもしれない。1つの実施例において、触媒がそこで形成されるのでハイドリノがアノードのような1つの電極で優先的に形成されるところ、Hは、放電アノード及びカソードで形成されるかもしれない。例示的なセルは、ハイドリノがNi電極で優先的に形成されるところ、Ni放電アノード又はNiO放電カソードを持つ1つである。上述の反応に加えて、放電カソードでの反応は、H2OからOH−及びH2への還元であるかもしれず、そして、アノードでの反応は、上述される反応において与えられるようにOH−の酸化であるかもしれず、更に、アノードの金属酸化物又は水酸化物を形成するような反応を含むかもしれない。その代わりとして、NiOのような金属酸化物のような酸化物は、カソードで還元されるかもしれない。還元は、H2Oのような他の反応物をも含むかもしれない。例示的な還元反応は、NiOからNi及び酸化物、過酸化物、及びスーパーオキシドのような酸化物を含む負のイオン及びNiO及びH2OをNi及び水酸化物へと還元することである。加えて、1つの実施例において、H2Oのような触媒は、放電アノードで形成される。自発的なHの発生及びその後のハイドリノの発生は、セルからの所望の電気的な出力を維持するのに十分であるところ、セルは、1つの実施例において、連続的な放電モードにおいて作動されるかもしれない。H2Oは、電気的な出力を維持するようにセルに供給されるかもしれない。その代わりとして及び組合せで、セルは、本開示のシステム及び方法に従って断続的な電気分解で作動されるかもしれない。断続的な又は自発的な電気分解からの過剰の水素は、もう1つの商業的使用のために集められるかもしれない。1つの実施例において、ハイドリノ反応からのエネルギにより維持される過剰の電流は、式(97−107)の反応によって例示されるように水の自発的な電気分解として伝播し、或いは、発現するかもしれない。1つの実施例において、H2Oからハイドリノ、電気、酸素又は化合物又は酸素を含む種へ変換することを含むハイドリノ反応は、電気分解反応を含むかもしれない。
放電アノード:
2OH− → 2H+O2 −+e− (97)
2H → 2H(1/p) (98)
ここで、H2O触媒は、例えば、式(90)によって形成される。
放電カソード:
O2 −+H2O+e− → 1/2O2+2OH− (99)
全体の反応は、以下の通りである。
H2O → 1/2O2及び2H(1/p) (100)
H2O → 1/2O2及びH2 (101)
他の例示的な自発的なH2O電気分解反応は以下の通りである。
放電アノード:
2OH− → H+HOO−+e− (102)
H → H(1/p) (103)
ここで、H2O触媒は、例えば、式(90)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 (104)
全体の反応は、式(100)及び(101)により与えられるかもしれない。
放電アノード:
3OH− → O2+H2O+H+3e− (105)
H → H(1/p) (106)
ここで、H2O触媒も、例えば、式(90)の反応によって形成される。
放電カソード:
3/4O2+3/2H2O+3e− → 3OH− (107)
全体の反応は、式(100)及び(101)によって与えられるかもしれない。式(97)、(99)、(102)、(104)、及び(105)の水素及び酸素は、式(90)及び(92)にそれぞれ従って、H2O及びOH−を形成するように反応するかもしれない。酸化物、過酸化物、スーパーオキシド、及びHOO−のような他の酸素種及び(式(61−79))のような本開示において与えられる反応は、H、触媒、及びハイドリノの少なくとも1つの源を形成するようにH2Oの自発的な電気分解において含まれるかもしれない。1つの実施例において、触媒がそこで形成されるのでハイドリノがアノードのような1つの電極で優先的に形成されるところ、Hは、放電アノード及びカソードで形成されるかもしれない。例示的なセルは、ハイドリノがNi電極で優先的に形成されるところ、Ni放電アノード又はNiO放電カソードを持つ1つである。上述の反応に加えて、放電カソードでの反応は、H2OからOH−及びH2への還元であるかもしれず、そして、アノードでの反応は、上述される反応において与えられるようにOH−の酸化であるかもしれず、更に、アノードの金属酸化物又は水酸化物を形成するような反応を含むかもしれない。その代わりとして、NiOのような金属酸化物のような酸化物は、カソードで還元されるかもしれない。還元は、H2Oのような他の反応物をも含むかもしれない。例示的な還元反応は、NiOからNi及び酸化物、過酸化物、及びスーパーオキシドのような酸化物を含む負のイオン及びNiO及びH2OをNi及び水酸化物へと還元することである。加えて、1つの実施例において、H2Oのような触媒は、放電アノードで形成される。自発的なHの発生及びその後のハイドリノの発生は、セルからの所望の電気的な出力を維持するのに十分であるところ、セルは、1つの実施例において、連続的な放電モードにおいて作動されるかもしれない。H2Oは、電気的な出力を維持するようにセルに供給されるかもしれない。その代わりとして及び組合せで、セルは、本開示のシステム及び方法に従って断続的な電気分解で作動されるかもしれない。断続的な又は自発的な電気分解からの過剰の水素は、もう1つの商業的使用のために集められるかもしれない。1つの実施例において、ハイドリノ反応からのエネルギにより維持される過剰の電流は、式(97−107)の反応によって例示されるように水の自発的な電気分解として伝播し、或いは、発現するかもしれない。1つの実施例において、H2Oからハイドリノ、電気、酸素又は化合物又は酸素を含む種へ変換することを含むハイドリノ反応は、電気分解反応を含むかもしれない。
1つの実施例において、水蒸気圧は、自発的な電気分解反応を維持するためにコントロールされる。反応混合物の組成又は水蒸気圧は、OH−、酸化物、過酸化物、スーパーオキシド、及びHOO−の少なくとも1つのような自発電気分解を維持するイオンを支持するように維持されるかもしれない。特定のイオンは、水の電気分解、触媒及びHの形成、及びハイドリノの形成を有利にするように選択的に維持される。式(97−107)の例示的な反応において、水蒸気圧は、ハイドリノを形成するための対応する反応経路のためスーパーオキシドイオンの定常状態濃度を支持するように維持される。水の容器(water reservoir)の温度がシステムの最も低い温度で維持されるところ、水蒸気圧は、水の蒸気又は水蒸気発生器を用いてコントロールされるかもしれない。システムは、水発生器、セルへの水の蒸気ライン、及びセルを含むかもしれない。反応物との定常状態にある、又は、平衡状態にある水の蒸気圧は、約1マイクロTorrから100atm、約1ミリTorrから1atm、又は約1Torrから100Torrの範囲にあるかもしれない。
1つの実施例において、電解質のアニオンの少なくとも1つは、ハイドリノ反応からのエネルギによって動力を供給された過剰の電流の少なくとも幾らかを運ぶように可逆的に酸化され及び還元されるかもしれない。そのアニオンは、I−及びBr−の少なくとも1つのようなハロゲン化物を含むかもしれない。I2及びBr2の少なくとも1つは、放電アノードで形成されるかもしれず、I−又はBr−の少なくとも1つは放電カソードで形成されるかもしれない。電解質は、LiI及びLiBrの少なくとも1つ及びLiOHのようなアルカリ金属カチオンを含む1つのようなハロゲン化物及び水酸化物の少なくとも1つの混合物を含むかもしれない溶融塩を含むかもしれない。電解質は、更に、MgOのようなマトリクスを含むかもしれない。セルは、還元を経験するように、ハロゲンガスを保持するように少なくとも部分的に閉鎖されるかもしれない。セルは、H2Oのような水素の源及びO2のような酸素の源の少なくとも1つを更に供給されるかもしれない。供給は連続的または断続的かもしれない。酸素及びH2Oの少なくとも1つとの、ハロゲン化物のような電解質化合物の反応は、セルのオペレーション条件の下で、約ゼロ・ボルトの電圧を持つかもしれない。電圧は、±1V、±0.5V、±0.25V、±0.1V、及び±0.05Vの少なくとも1つの範囲内において、約ゼロ・ボルトであるかもしれない。ハロゲンガスを形成する反応は以下の通りである。
2LiI+1/2O2 → Li2O+I2 (108)
もう1つの実施例において、ハイドリノ反応からのエネルギで動力を与えられた過剰イオン電流は、本開示において与えられるように酸化物イオン又は硫化物イオンのようなカルコゲニドによって搬送される。
2LiI+1/2O2 → Li2O+I2 (108)
もう1つの実施例において、ハイドリノ反応からのエネルギで動力を与えられた過剰イオン電流は、本開示において与えられるように酸化物イオン又は硫化物イオンのようなカルコゲニドによって搬送される。
1つの実施例において、セルは、O2ガスのような酸素の源を供給される。酸素は、実質的に乾燥しているかもしれない。H2Oの含有量は、10mole%、5mole%、3mole%、2mole%、1mole%、0.1mole%、0.01mole%、0.001mole%、及び0.0001mole%未満の少なくとも1つであるかもしれない。O2ガスは、アルゴン又は窒素のような希ガスのような不活性なガスで供給されるかもしれない。O2の含有量は、約0.01から99.9mole%、約0.1から80mole%、約1から60mole%、約1から50mole%、約1から30mole%、及び約1から20mole%の範囲の少なくとも1つであるかもしれない。ハイドリノを形成するHの源は、LiOHのようなアルカリ水酸化物のような水酸化物を含む1つのような電解質からであるかもしれない。電解質は、放電時に脱水されるかもしれない。無水電解質は、本開示のそれらの1つのような源からH2Oをセルに供給することにより再水和されるかもしれない。再水和は、バッチプロセスにおいて、又は、連続的に実施されるかもしれない。セルは、電解質を再水和するようにH2Oが供給され、より低い温度に冷やされるかもしれない。セルは、その後、オペレーション温度まで温度が上げられるかもしれない。セルは、連続的に放電されるかもしれず、又は、断続的に充電及び放電されるかもしれない。その波形及び他の充電及び放電パラメータは、本開示のそれらであるかもしれない。
1つの実施例において、セルは、O2ガスのような酸素の源を供給される。O2の反応性は、その濃度に依存して高い。1つの実施例において、ハイドリノ反応のような放電反応及びセル電気分解のようなセル反応及び対応する濃度は、セルにおいて形成され、又は、セルに供給される酸素の量をコントロールすることによりコントロールされる。1つの実施例において、酸素濃度は、アノードへのダメージが無いようにハイドリノ反応を伝播するように制御され、及び、選択される。O2含有量は、約10mole%、5mole%、3mole%、2mole%、1mole%、0.1mole%、0.01mole%、0.001mole%、及び0.0001mole%未満の少なくとも1つであるかもしれない。
電解質は、アルカリ金属水酸化物又は炭酸塩又は如何なる所望の比におけるこれらの混合物のような水性の水酸化物又は炭酸塩電解質のような水性のアルカリ水溶液又は溶融塩であるかもしれない。水性の電解質のような電解質は、M2CO3、MOH、M2SO4、M3PO4、MNO3(M=アルカリ)の混合物を含むかもしれない。例示的な電解質は、約0.01Mから飽和までの濃度範囲にあるかもしれない、KOH、K2CO3、NaOH、Na2CO3、LiOH、及びLi2CO3又はこれらの混合物である。パルス状又は断続的な適用される電圧又は電流の電気分解実施例において、カソード及びアノードの少なくとも1つが二機能性の電極を含むかもしれない。電極は、所望の反応を達成するように異なる材料を含むかもしれない。所望の酸化又は還元反応のために選択的であるかもしれないカソード及びアノードの各々は、Ni又はLaNi5のような遷移金属又は合金、カーボン、カーボン被覆Ni、Pt/C又はPd/Cのような貴金属がドープされたカーボン又はMo又はNiがドープされたカーボンのようなのような他の金属がドープされたカーボン、Pt−Ni合金、Pt−被覆Ni、Ag、Pb、及びPt、Pd、又はAuのような貴金属又は合金の1つ又は組合せであるかもしれない。酸化及び還元に対する適当な可能性を備える他の安定な導体は、当該分野における当業者に知られるそれらである。負極のような水素電極は、Pt又はd/Cのような水素潤沢触媒又は水素解離剤をドープされた、他の高い表面積を持つ支持体を含むかもしれない。水素電極は、Ni35.63Fe24.67Mo23.52Co16.18又は類似の比のもののような、Ni、Fe、Co、及びMoからの少なくとも2つのからなる合金のようなH2発生のための低い過電圧を提供する金属又は合金を含むかもしれない。電極は、ZrC又はTiCのような炭化物、ホウ化物、又は窒化物、カーボンブラック、AC、ZrC、TiC、TiN、Ti3SiC2、TiCN、SiC、YC2、TaC、Mo2C、WC、C、HfC、Cr3C2、ZrC、VC、NbC、B4C、CrB2、ZrB2、GdB2、MgB2、及びTiB2であるかもしれず、これらは、導体をドープされるかもしれない。電極は、二機能性の及びバイメタルのカソード及びアノードの少なくとも1つを含むかもしれない。水素電極又はアノードは、Niセルメット(Ni celmet)のようなNi、Ni遷移マット、Ni粉末、Mo、Moガーゼ、Mo遷移マット、Mo粉末、又は、それらの如何なる組合せ又は他の高い表面積を持つ材料を含むかもしれない。電極は、例示的なリチウム化された酸化ニッケルの形成の場合のようにアルカリ・イオンのような電解質からの種の包含及び酸化物被覆の少なくとも1つの形成によって活性化されるかもしれない。酸化物被覆は、酸素の源へ曝されることにより、及び部分的な酸素雰囲気の少なくとも1つにおいて、電極のオペレーションによって形成されるかもしれない。セルは、時間と共に枯渇する酸素の最初の充填で、断続的に充電及び放電されるかもしれない。枯渇は、希ガス又はN2のような不活性ガスの流れと共にであるかもしれない。酸化物被覆は、妥当な酸化性の溶液内にアノードのような電極を前処理することで形成されるかもしれない。Ni上に酸化物層を形成するための例示的な妥当な溶液は、0.6M K2CO3/3% H2O2のような過酸化物のアルカリ溶液である。活性化は、ハイドリノを形成する反応がより優先的になるように、少なくとも1つの半電池反応の電圧を変化させるかもしれない。ハイドリノを形成する触媒反応が、活性化が不在の時に非優先的であるので、優先的になるように、活性化は電解質を含む半電池反応の電圧変化を含むかもしれない。1つの実施例において、電解質は、セルの半電池反応に含まれる少なくとも1つであり、及び、触媒及びHの少なくとも1つを形成する反応物である。活性化は、ハイドリノを形成する水素からのエネルギを受け取る必要があるそれにマッチする電解質からのその形成の間に、触媒のエネルギを合わせることを含むかもしれない。例示的な電解質は、ハロゲン化物のようなもう1つの塩及び水酸化物の混合物のようなアルカリ水酸化物又は塩の混合物である。活性化されたセルの例示的な電解質は、LiOH−LiBr、NaOH−NaBr、KOH−KBr、及びアルカリのそれのようなハロゲン化物及び水酸化物の他の組合せを含むかもしれない。ハイドリノを形成するための電極を活性化するために形成される酸化物被覆を含む本開示の他の金属は、水素電極又はアノードとして機能するかもしれない。もう1つの実施例において、電解質は活性化されるかもしれない。活性化は、酸素の源又は酸素に暴露されることによりなされるかもしれない。活性化は、酸化物、過酸化物、及びスーパーオキシドの少なくとも1つのような酸素種を形成することを含むかもしれない。電解質は、アルカリ水酸化物のような水酸化物を含むかもしれず、そして、更にアルカリハロゲン化物のようなハロゲン化物のようなもう1つの塩を含むかもしれない。約100℃から1000℃の範囲のような上げられた温度で酸素に曝されることにより活性化される例示的な電解質は、KOH−KBrである。酸素種の形成は、ハイドリノの形成が優先的になるように塩基性を変化させるかもしれない。もう1つの実施例において、半電池反応及び電圧の少なくとも1つは、ハイドリノの形成を有利にするように活性化により変えられる。1つの実施例において、酸素又は酸素の源は、活性化を引き起こすようにセルに添加される。酸素は、ハイドリノ反応を高めるようにアノードのような電極の上の酸化物被覆を維持するのに十分であるが、0.1ppmから10vol%の範囲内のような微量であるかもしれない。メカニズムを高めることは、Hがハイドリノを形成することを許すようにより優先的なそれにマッチするように少なくとも1つの半電池の半電池反応電圧の一致及び原子Hの供給の少なくとも1つを含むかもしれない。酸素は、H2Oを形成するアノードのそれ及びO2及びH2OをOH−へと変換する反応のようなO2還元反応の少なくとも1つのような半電池電圧に影響を与えるかもしれない。その影響は、酸化物被覆の形成のような手段による電極表面を変えることにより、間接的であるか、又は、H及びO化学種を通して直接的であるかもしれない。酸化物被覆は、ハイドリノ形成反応がより優先的になるように引き起こす少なくとも1つの半電池反応の過電圧に影響を与えるかもしれない。
1つの実施例において、放電カソードは、カソードへ供給される酸素のような酸化剤とそれが反応することにより再生される。再生は、必要な時に断続的に実施されるかもしれない。妥当な例示的なカソード材料は、NiO、AgをドープしたNiO、Ag、AgO、及び本開示の他のもののような酸素還元触媒である。酸素のような酸化剤は、セルに供給されるかもしれない。その場合、放電アノードは、それが酸化されることを防ぐようにアノードに十分に負の電圧を印加することによって酸化から保護されるかもしれない。アノードは、98/2%のようなNi−CrのようなNi又はNi合金であるかもしれない。十分な電圧は、800Kのセル温度、1atmのO2、Niアノードに対する0.863Vを超えるような電圧、ネルンストの例により予測される電圧より上であるかもしれない。酸素のような酸化剤は、ポンピングのような手段によって除かれるかもしれず、これによりセルが通常のオペレーションに回復する。
1つの実施例において、O2ガスのような酸素の源は、セルの中に流れ込まれる。酸素は、セル放電ポテンシャルを増加させる、酸素還元速度を増加させる、セル電流を増加させる、そして、放電中に少なくとも部分的に消費されるの少なくとも1つが実行されるかもしれない。O2流速(flow rate)は、酸化及び腐食の少なくとも1つからアノードを守るように、アノードで、十分に負である適切なセル電圧を支持する圧力を維持するように調節されるかもしれない。適切なセル電圧は、供給される圧力でO2が存在するところ、Niのような金属又は合金のようなアノード導体の酸化のための電圧を超えている、その電圧である、又はその電圧近くであるかもしれない。O2圧力は、適切なセル電圧を維持するように調節された流速で、及び、妥当な酸素センサでモニタされるかもしれないその代わりとして、ピーク及び最小電圧、断続的な充電−放電頻度、及び充電及び放電電流のような充電及び放電パラメータは、O2圧力を調節することと独立して若しくはその調節に加えて、アノードを保護する電圧を維持するように、調整されるかもしれない。1つの実施例において、セル体積は、O2在庫が放電の間に実質的に消費されるように、限られるかもしれない。O2在庫は、充電の間又はセルサイクルのもう1つのフェーズの間に補充されるかもしれない。1つの実施例において、ネルンストの式の電圧がセルの放電電圧より下になるようなレベルにO2圧力が落ちるように、セル体積は限定される。O2は、コントロールされたバルブを通して充電の間に限られた体積の中に拡散するかもしれない。O2の分圧は、質量分析計のようなセンサを用いてモニタされるかもしれない。
1つの実施例において、アノード及びカソード材料の少なくとも1つは、セルのスタックの少なくとも2つの異なるバイポーラ・プレートの間で異なっているかもしれない。異なる材料は、セル電圧における差を引き起こす。異なるバイポーラ・プレートを持つ少なくとも1つの異なるセルに対する1つのセルのセル電圧における差は、少なくとも1つのセル電極を腐食から守るかもしれない。異なる材料は、アノード及びカソードの少なくとも1つの電極腐食を防止するようにスタックを通して交互にされているかもしれない。交互にされるアノードの材料は、MoNi、MoCu、MoB、MoC、MoSi及び本開示のその他の少なくとも1つのようなMo及びMo合金を含む異なるアノードを含むかもしれない。
例示的な電極は、Ni、Ni−Al、又は約10% CrのようなNi−Cr合金の1つを含むアノード、及び、NiO、Ni、Co、CoO、Ag,及びCuの少なくとも1つを含むカソードである。Agカソードは、カーボンの上に分散されたAg粒子であるかもしれない。最適な量は、約20から30wt%の範囲内である。アノードは、酸素原子又は金属原子の少なくとも1あたりの形成の自由エネルギが、H2及びO2からH2Oの形成のそれと同じくらいであるところ、酸化物を形成する金属であるかもしれない。エネルギは、約10%から300%又は約10%から100%又は約10%から50%の範囲内で合致するかもしれない。例示的な金属は、Ni、Mo、Cd、Sn、W、及びPbである。他の妥当なアノード金属又はそれらの合金は、Cu、Ni、CuNi、NiMo、CuMo、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、及びSnの群から選択される少なくとも1つである。1つの実施例において、カソード及びアノードの両者は、もし放電中に消費される酸素の全てでないならば、大部分が、断続的な電気分解セルの電気分解の間で発生させられるように、実質的に浸漬される。例示的なセルは、[Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、又はSnの少なくとも1つ/LiOH−LiBr/Ni/NiO 断続的な電気分解]である。1つの実質的において、アノードのような少なくとも1つの電極が磁化されてもよい。磁化された電極は、Ni、Fe、Co、又は合金のような強磁性金属を含むかもしれない。1つの実施例において、アノードは、金属のような導体のような異なる材料の層を含むかもしれない。アノードは、バイメタル又はマルチ・メタル電極を含むかもしれない。1つの層は、ハイドリノ反応が伝播するように有利なエネルギを供給するように最適な電圧を確立するかもしれない。アノードのようなバイメタル電極を形成する例示的な材料は、Ni、Mo、及びH242合金の少なくとも2つである。カソードはまた、Ni及びAg又は本開示のカソード材料の他の組合せからなる1つのようなバイメタル電極のようなマルチ・メタルのような複数の層(multiple layers)を含むかもしれない。
カソードは、MnO2/C、Mn2O3/C、又はMnOOHのような酸化マンガンのような酸素還元電極を含むかもしれない。他の妥当なO2還元カソードは、Pt/C又はPtRu/CのようなPt合金/C、La0.5Sr0.5CoO3/C、CoTPP/C、La0.6Ca0.4CoO3/C、Pt/CNT/C、Pr0.8Ca0.2MnO3、CoTMPP/C、LaMnO3/C、及びMnCo2O4/Cの少なくとも1つである。放電アノードもまた、従来の電極に加えて、断続的なサイクルの間の電気分解カソードとして機能するので、従来のアルカリ燃料電池におけるものとは異なる放電アノード材料が使用されるかもしれない。カソードは、Ti及びVのような他の遷移金属、Nb及びHgのような内部遷移金属及び合金並びにAgHgのようなアマルガム、LaNi5のような希土類及び合金、及び第III族、第IV族、第V族、及び第VI族金属又は半金属及び合金である。1つの実施例において、放電アノードは、安定な水素化物を形成する材料を含む。妥当なアノード材料は、粉末のような多孔性の材料を含む。粉末は、活量の喪失に対する抑制剤又は安定化剤を含むかもしれない。活量の喪失は、焼結のようなメカニズムによる表面積の喪失からであるかもしれない。妥当な安定化剤又は抑制剤は、例えば、約2から10wt%CrのようなNi−Cr合金のような合金及び多孔性のNi又はCoに添加された20wt%ZrO2のようなジルコニアである。更に妥当なアノード材料は、LiFe5O8、LaCrO3、MnO、及びNb若しくはTaをドープしたTiO2、LiAlO2若しくはAl2O3及びSrTiO3のようなNi若しくはCuをメッキしたセラミックスを含む。妥当なカソード材料は、NiO、CoO、MNiO2、M2NiO2、MCoO2、M2CoO2、MFeO2、M2FeO2、Li2MnO3、Mg−Li2MnO3、Mn−LiFeO2、LaMnO3、SrTiO3、LiCrO2、LiAlO2、LaNiO3、LaCoO3、Zr−ZnO、MM’O2、M2M’O2、MM’Ox、M2M’Ox(x=整数、M=アルカリ、M’=遷移金属又はAlのような他の金属)、及びLiFe1−yMgyO(y>0.03)のようなマンガンをドープされたM2M’Oxを含む。1つの実施例において、電極の気孔率は、約20から95%又は約50から75%の範囲内にある。気孔径は、約1から50μm又は約3から10μmの範囲にあるかもしれない。
カソードのような電極の妥当な酸素還元反応(oxygen reduction reaction(ORR))触媒は、Ni、約5−15at% AlのようなNi−Al合金、Ni3Al、及びNi−Nb合金、MnO2、Ag、混合原子価のCoOx−MnOx、(CoTMPP、 FeTMPP−Cl/C)のような金属テトラ−メトキシフェニル・ポルフィリン(metal tetra−methoxylphenyl porphyrine)、金属窒化物、及びA2B2O6O’のようなスピネル、ペロブスカイト、及びパイロクロアの少なくとも1つを含む。1つの実施例において、例示的なORR触媒は、個別の酸化物又は混合物に基づき、又は、NiO、NiO/Ni、NiO+Dy(例えば、約1−10wt%)、Co3O4、La2O3、MgO、及びFe2O3の少なくとも1つ、リチウム化されたNiO、PTFEのような支持体の上のNi、MnO2、Ag、Co3O4、La2O3、LaNiO3、A=Mn、B=CoのようなスピネルAB2O4、NiCo2O4、LaMnO3、及びLaNiO3のような、スピネル、ペロブスカイト、又はパイロクロア構造を持つ。本開示のNi電極の表記が、少なくとも部分的にNiO及びオプションとして部分的にリチウム化されたNiO(Lix +Ni1−2x 2+Nix 3+O x<0.5)又はリチウムをドープされたNiO及びNiを含むかもしれないところ、アノード及びカソードの少なくとも1つは、リチウム化されたNiOであるかもしれない。ORRカソードのような電極は、Co−フタロシアニン(Co−phthalocyanines)及びCo−C−Nのような類似する化合物、及びFe−C−N、Pt又は他の貴金属又は合金でFe、Co、又はNiを持つPtのような合金、Pd、Pd−Fe、Pd−Co、Pd−Co−Au、及びPd3Fe/Cナノ粒子のようなPd合金、Ru、又は結晶性シェブレル−相カルコゲニドのようなルテニウム化合物(crystalline Chevrel−phase chalcogenides)(例えば、M6X8 ここで、M=高い価数の遷移金属及びX=S、Se、Te;(Mo,Ru)6Se8)、ナノ構造化されたRu及びRu−Seクラスタ、Ru−Nキレート化合物、Mo4Ru2Se8及びRuxSeyのようなRuセレン化物、及びNをドープされたカーボンナノチューブのようなドープされたカーボンナノチューブ及びグラフェンを含むかもしれない。電極は、更に、カーボンブラック、結合剤、電流コレクタ、及びテフロン(登録商標)膜を含むかもしれない。ゾル−ゲル及び逆ミセル法は、カーボン上において、均一な、高い表面積分布の触媒を形成するために使用されるかもしれない。イオンは、アルカリ電池(alkaline cell)の水酸化物イオンであるかもしれない。妥当な例示的な実施例において、膜は、ペンダント状の四級グアニジニウム基(pendant quaternary guanidinium groups)を含むポリ(アリーレン・エーテル・スルホン)(poly(arylene ether sulfone))を含むかもしれない。
電解質は、酸素還元及び発生のための化合物電極を含むかもしれない。後者は、例えば断続的な電気分解セルにおいて使用されるかもしれない。活量が対応する分離した触媒層によって供給され、又は、電解触媒(electrocatalyst)が二機能性であるところ、電極は、酸素還元及び発生をすることができる二機能性であるかもしれない。電極及びセル設計は、Fe又はZn−空気バッテリのような金属−空気バッテリ又は当該分野における当業者によって知られる妥当な変更に対して当該分野において知られるそれらであるかもしれない。妥当な電極構造は、電流コレクタ、カーボン及びバインダーを含むかもしれないガス拡散層、及び二機能性の触媒であるかもしれない活性な層を含む。或いは、電極は、電流コレクタの一方の側の上にO2還元層と、及び他の側の上にO2発生層とを含むかもしれない。前者は、電流コレクタに接触する多孔な疎水性の触媒層及び酸素の源と接触する外側のガス拡散層を含むかもしれず、これに対して、後者は、その層の1つの側に電解質と接触する多孔な親水性の触媒層及び他方の側には電流コレクタを含むかもしれない。二機能性の空気電極は、La1−xAxFe1−yMnO3(A=Sr又はCa)、La0.6Ca0.4Co0.8B0.2O3(B=Mn、Fe、Co、Ni、又はCu)、La0.6Ca0.4CoO3−、La0.7Ca0.3CoO3−を含むかもしれない。更に例示的なOR−触媒及び二機能性の触媒カソードは、PdO2/PdO3、TaC+WC+W2C+TiCの混合物のような炭化物、Co/Ce−被覆Ni、MnO2+C+PTFE、Mnイソプロポキシド(Mn isopropoxide)+活性炭(activated C)+12%PTFE;5%MnO2+75%C(30%EC−600JD及び70%AB−50の混合物)+20%PTFE;5%MnO2(Mn3+/Mn4+)+70%C(60%PWA+40%カーボンブラック)(PTFE−テフロン(登録商標)30B);GDL:30%EC−600JD+70%AB−50;MnO2+C(活性炭+BP2000)+PTFE;粒子サイズ分布MnO2−20−26μm 30%MnO2+20%活性炭+20%カーボンブラック+30%PTFE;20%MnO2+66%C+14%PTFE;触媒層:20%MnO2+70%活性なカーボン+10%PTFE;GDL:15%カーボンブラック+85%PTFE;11%ガンマMnO2+41%C(BP2000)+48%PTFE;MnO2カソード+PTFE+2−20%アノードに使用されるゲル化材料のような吸収剤材料;MnO2;Ag/CNC;Niフォーム(foam)上のAg;AgW2C/C;AgMnO4+5−10%MnO2+C+PTFE;ラニー銀触媒(Raney silver catalyst)+PTFE=5:1(wt.%)(24mg cm−2);Ag2O+10%LaNiO3;5%Ag+15%BP2000+10%Daxad+60%テフロン(登録商標)RPM T−30;50%(20%CoTMPP/C)+50%(15%CoOx+5%MnOx/C);2.5%MnOx+7.5%CoOx/C;4%CoTMPP+15%BP2000+60%テフロン(登録商標)RTM T−30;MnO2及び/又はAgNO3(Pt、Co3O4);10%CoTMPP/C+ナフィオン(Nafion)+FEP+FEP−被覆PTFEファイバ;CoTMPP+MnOx/C;60%Mn4N/C+PTFE;NiCo2O4スピネル;MnxCo3−xO4+PTFE(0<x<1)スピネル;ペロブスカイト;LaMnO3;LaCoO3;LaNiO3;LaCrO3;LaFeO3;La0.8Sr0.2FeO3;La0.6Sr0.4Fe0.6Co0.4O3;La0.6Sr0.4Fe0.6Mn0.4O3;LaNiO3;LaCoSrO3;Pb2M2−xPbxO7−y;Ni、Co、Fe水酸化物+カーボンブラック+PTFE;Ag+Pt+MnO2+C+PTFE 10%Pt/C;鉄−空気燃料電池(ZAFCに類似)アルカリ電解質付:CuSO4、NiWO4、WC+20%Co;WS2+WC又はWC+1−20%Co;WS+C+PTFE;WC+Ag+C PTFE(FEP);30パートAg+30パートWC(12%Coで被覆された)+32パートPTFE+90パート カーボンブラック;3%(5−10%)Ag(ORR)+〜[7%(10%−15%FeWO4)+7%(10%−15%)WC+〜12%(10%−15%)Co(OER)+〜54%C]+〜22%PTFE、Ag担持−2mg cm−2;[ORR−Ag]+[OER−CoWO4+WC+WS2+NiS+10−15%Co]+PTFE;ORR触媒[(0.3−2%)CoTMMP+(4−10%)LaNi1−xCox+(1−4%)Ag+(18−32%)CoxOy+OER触媒(1−20%)WC+(1−20%)Co+(1−7%)FeWO4+(1−7%)NiS]+AB−50+PTFE;触媒層:63.5%XC500+15%PTFE+13%MnSO4+8.5%La2O3;15%PTFE+69%XC500+8%MnO2+8%La2O3;58%XC500+15%PTFE+19%AgNO3+8%MnSO4;GDL:65%C+35%PTFE;OER電極30%Ag+70%LaNiO3;La1−xAxFe1−yMnyO3(A=Sr、Ca);La0.6Ca0.4Co0.8Fe0.2O3、及び、当該分野における当業者に知られている事項の組成の比率及び事項の類似の組成又はこれらを持つ他の類似の実施例である。もう1つの実施例において、カソードは、酸化物、水酸化物、又はオキシ水酸化物を含むかもしれないが、これらは更にアノードの金属を含むかもしれない。妥当な例において、カソードは、Mo、W、Hf、又はTaの水酸化物を含み、そして、対応するアノードは、金属Mo、W、Hf、又はTaの金属又は合金を含む。
アノードのような電極は、Niマット、ホイル、粉末、又はワイヤを単独で、又は別の金属をドープしたものを含んでよいが、ここで、その別の金属は、貴金属、遷移金属、Moのような内部遷移金属、希土類金属、及び第III族の、第IV族の、第V族の、又は第VI族の金属であって、Pt、Ru、Rh、Pd、Ag、La、Hfのようなものであり、Hf合金であって、HfとZr、Fe、Ti、Nb、Ta、Ni、及びWからの少なくとも1つとの合金であり、Re、Ir、Au、Co、Mn、Cu、Zn、Al、Sn、Pb、Bi、及びTeである。アノードは、金属、金属合金、金属の混合物、及び少なくとも1つの金属を含む化合物の少なくとも1つを含むかもしれない。混合物は、異なる金属ドメインの交差点で粒界を更に含むかもしれない個別の金属のドメインを含むかもしれない。ドメインは金属の合金をまた含むかもしれない。ドメインはまた、少なくとも1つの金属を含むかもしれない化合物の少なくとも1つを含むかもしれない。ドメインは、互いに接触しているかもしれない。1つの実施例において、ドメインのサイズは、ハイドリノ反応速度を最大化するように最適化される。最適化はまた、腐食に対する耐性のあるアノードを形成することを含むかもしれない。1つの実施例において、ドメインのサイズは最小化される。1つの実施例において、ドメインサイズは、約1nmから1cm、約10nmから5mm、約100nmから1mm、約100nmから500μm、及び約1μmから50μmの少なくとも1つの範囲内にその半径があるようにされている。
混合物は、(i)少なくとも1つの金属、(ii)それぞれが少なくとも2つの金属を含む、少なくとも1つの合金、及び(iii)各々が少なくとも1つの金属を含むような少なくとも1つの化合物の、少なくとも1つを含むかもしれない。 1又はそれ以上の金属、合金、及び化合物の金属要素は、共通していてもよく、或いは、異なっていてもよい。例示的な合金、混合物、及び化合物は、Mo及び導体又はフォームを含む他の元素の少なくとも1つであって、MoB、MoN、MoSi、MoP、MoC、及びMoのようなMoを備える導電性合金、MoNi、MoCu、及びMoCoのようなMoと遷移金属の少なくとも1つとの合金、NiBi、NiCd、NiNb、NiCr、NiCo、NiCu、MoNi、HfNi、TaNi、WNi、VNi、ZrNi、CdNi、NbNi、及びTiNi、SnAg、SnAl、SnAs、SnAu、SnBa、SnBe、SnBi、SnCa、SnCd、SnCd、SnCe、SnCo、SnCr、SnCu、SnFe、SnGa、SnGe、SnHf、SnHg、SnIn、SnK、SnLa、SnLi、SnMg、SnMn、SnNa、SnNb、SnNd、SnNi、SnP、SnPb、SnPd、SnPr、SnPt、SnS、SnSb、SnSe、SnSi、SnSr、SnTe、SnTi、SnU、SnV、SnYb、SnZn、及びSnZrのようなSn又はSn合金又は混合物、AlAs、AlAu、AlB、AlBa、AlBe、AlBi、AlCa、AlCd、AlCe、AlCo、AlCr、AlCs、AlCu、AlDy、AlEr、AlFe、AlGa、AlGd、AlGe、AlHf、AlHg、AlHo、AlIn、AlK、AlLa、AlLi、AlMg、AlMn、AlMo、AlNa、AlNb、AlNd、AlNi、AlPb、AlPd、AlPr、AlPt、AlPu、AlRe、AlRu、AlSb、AlSc、AlSe、AlSi、AlSm、AlSn、AlSr、AlTa、AlTe、AlTh、AlTi、AlTiMo、AlTl、AlU、AlV、AlW、AlY、AlYb、AlZn、及びAlZrのようなAl又は合金又は混合物、HfAl、HfB、HfBe、HfC、HfCo、HfCr、HfCu、HfFe、HfGe、HfIr、HfMn、HfMo、HfNb、HfNi、HfO、HfRe、HfSn、HfTa、HfTh、HfTi、HfU、HfW、HfZr、及びHfInのような、Zr、Fe、Ti、Nb、Ta、Ni、及びWの少なくとも1つ及びHfのようなHf又は合金又は混合物、MoSi2、TZM(Mo(〜99%)、Ti(〜0.5%)、Zr(〜0.08%))、MoB、MoAl、MoGa、MoIn、MoC、MoSi、MoGe、MoSn、MoPb、MoN、MoP、MoAs、MoSb、MoBi、MoS、MoSe、MoTe、MoCu、MoCo、MoCr、MoFe、MoGe、MoHf、MoIr、MoOs、MoNb、MoNi、MoPd、MoPt、MoRe、MoRh、MoRu、MoS、MoSi、MoTa、MoTh、MoTi、MoU、MoV、MoW、窒化モリブデン、NiCrMoTaNb、及びMoYのようなMo、Mo合金、Mo混合物、又は化合物、Cr、Cr合金、Cr混合物、WAl、WB、WC、WCo、WCr、WFe、WHf、WMo、WNb、WNi、WOs、WPb、WPd、WPt、WRe、WRh、WSi、WTa、WTi、WV、及びWZrのようなW、W合金又は混合物、TaAl、TaB、TaC、TaCo、TaCr、TaFe、TaHf、TaMo、TaNb、TaNi、TaPd、及びTaRhのようなTa、及びTa合金又は混合物、VB、VCu、VFe、VGa、VLa、VMn、VMo、VNb、VNi、VPd、VPt、VRe、VRh、VSi、VTa、VTi、VU、VW、VY、及びVZrのようなバナジウム合金又は混合物、AgMo、AgNi、HgMo、HgNi、又はAgHgのようなAg又はHg合金又は混合物でセル温度で不安定な酸化物を形成する金属の合金又は混合物、からなる群から選択されるかもしれない。更なる例示的な合金又は混合物は、MoTiAl、MoVAl、NiZrMo、NiMgMo、NiAlMo、NiCuMo、NiMoSi、NiCrSi、625(21%Cr、9%Mo、4%Nb−Ni合金)、インコネル622、C−276、及び686のようなインコネル合金、ハステロイ合金、ハステロイC22、Ni−Cr−Mo−W合金、56aNi−22Cr−13Mo−3W−3Fe−2.5*Co−0.50*Mn−0.35*V−0.08*Si−0.010*(a残りを調節した(As Balance)*最大(Maximum))、炭素鋼(carbon steel)、合金20、242又は556(例えばHayes Int.)、MgMo、MgAg、MgAl、MgBi、MgCd、MgAlCo、MgCu、MgFe、MgGa、MgGd、MgHg、MgIn、MgLa、MgMn、MgNi、MgPb、MgPr、MgSb、MgSc、MgSi、MgTi、MgY、MgZn、又はMgZrのようなMg合金又は混合物、TiAl、Cu6Co4、BMo合金又は混合物、Ca合金又は混合物、LaTiAl、MoAg合金又は混合物のようなLa合金又は混合物;MoSi及びMoCr合金又は混合物;SnZrMo、CrNiMo、MnNiMo、MoTi、MoPb、TaC合金又は混合物、MoS合金又は混合物、Ti、Nb、Fe、Mo、及びTZMの少なくとも1つを含む合金又は混合物である。アノードのような電極は、CoC、CrC、CuC、FeC、GeC、HfC、IrC、LaC、LiC、MnC、MoC、NbC、NiC、ReC、SiC、TaC、TiC、VC、WC、YC、及びZrCのようなカーボン又は合金又は混合物を含むかもしれない。追加の例示的な合金及び混合物は、MoMn、MoCuSi、MoCoSi、及びMoNiSiのようなMoSi−遷移金属、MoSiC、遷移金属−SiC、YSiC、LaSiC、ZrSiC、HfSiC、NbSiC、TaSiC、WSiC、MoNiC、NiMoFe、MoCoC、MoCuC、LaNiC、MoHfNi、NiZrHf、MoTiNi、TiNbMo、CoCuC、CoCuSi、NiZrTa、NiMoTa、NiMoW、NiMoNb、CrMoW、VNbTa、TiZrHf、LaNiMo、LaNiHf、LaNiTa、LaNiMo、LaNiW、LaNiNb、LaNiCr、LaNiV、LaNiTi、LaNiZr、LaNiSc、LaNiY、NiZrW、NiZrNb、MoTiZrのような遷移金属−Zr−M、MoSi、MoC、Ni−TZM、MoZrNi、LaNi5Mo、LaNi5Hf、LaNi5Ta、LaNi5Mo、LaNi5W、LaNi5Nb、LaNi5Cr、LaNi5V、LaNi5Ti、LaNi5Zr、LaNi5Sc、LaNi5Y、及びLaNi5Cである。その比率は、バイメタルに対して約50−50wt%、及び、トライメタルに対して33−33−33wt%のような所望の如何なるものでもよい。Moを含む1つの実施例において、Moは他の如何なる構成要素に対しても原子%において主である。アノードのような少なくとも1つの電極は、Mo2B5のようなモリブデン・ホウ化物、MoSi2のようなモリブデン・ケイ化物、Mo5SiB2のようなモリブデン・ケイ素ホウ化物(molybdenum silicoboride)、及びMoBi4Cのようなモリブデン・ホウ素炭化物(molybdenum borocarbide)のような、モリブデンと銅、ニッケル、ケイ素、ホウ素、及び炭素(carbon)の少なくとも1つとを含むモリブデン合金を含むかもしれない。1つの実施例において、アノード合金は、ハイドリノ及び少なくとも1つの他の導体の形成に対して優先的な一次金属を含む。例えば、アノードは、Mo及び導体又は導電性合金を形成するものを含む少なくとも1つの他の金属を含むかもしれない。例示的な合金は、MoB、MoN、MoSi、MoP、MoC、及びMoSiBである。導体の比は、如何なる所望のものでよい。化合物は、酸化物、硫化物、セレン化物、又はテルル化物のような金属カルコゲニドのようなカルコゲニドを含んでよい。合金は、MoSのような金属−S合金のようなカルコゲニドを含んでよい。その化合物は更に、水酸化物及びオキシ水酸化物の少なくとも1つを含んでよい。酸化物、オキシ水酸化物、及び水酸化物の少なくとも1つを含む例示的な化合物は、Ni、Fe、Cu、及びCoの少なくとも1つのような遷移金属、Mo、及びWのそれらである。例示的なセルは、[NiMo、MoCo、MoCu、MoSi、MoC、Ni−TZM、MoZrNi、RuMo、RhMo、OsMo/LiOH−LiBr−MgO/NiO又はCo2O3−CuO−NiO断続的な電気分解+O2]である。R−Ni放電アノードを含む例示的なセルは、[R−Ni/K2CO3 0.6M aq/ナフィオン(Nafion)又はセルガード(Celgard)/炭素又はNi断続的電気分解]である。他の実施例において、電極金属又は合金は、本開示の方法のような蒸気又はプラズマ蒸着により又は電気めっきのような電気分解により蒸着されるかもしれない層又はコーティングを含んでよい。
1つの実施例において、アノードは、更なる参加を防止するため保護酸化被膜を形成する金属のような導体を含むかもしれない。酸化被膜は、O2及びH2Oの少なくとも1つに対して安定であるかもしれない。被膜は、MgOのようなマトリクス材料を更に含むかもしれないLiOH−LiBrのようなアルカリ金属のそれらのような水酸化物及びハロゲン化物の1つのような溶融塩混合物のような本開示のそれらのようなアルカリ電解質において安定であるかもしれない。セルは、充電時間が放電時間より短くなるように断続的に充電され、又は直接的な放電モードにおいてオペレーションされるかもしれない。セルは、充電時の電気分解により形成されるHの量が、酸化物被膜の有害な劣化を引き起こすような量よりも少ないように、オペレーションされる。保護酸化被膜を形成する例示的なアノード金属は、Cr、V、Ti、Mo、TZM、Hf、及びTaのような遷移及び内部遷移金属及び合金である。Hの源としてH2Oを供給する対応する反応が、2LiOH→Li2O+H2Oであるところ、水素の源は、LiOHのような水酸化物電解質の脱水からであるかもしれない。電解質がバッチ様式において再水和されるかもしれないところ、セルは、H2Oが供給されることのない、断続的な充電−放電条件、又は、連続的な放電条件の下で、運転されるかもしれない。セルの温度のような少なくとも1つのオペレーション・パラメータは、再水和のステップの前及び後で変更されるかもしれない。例えば、セル温度は、低下させられるかもしれず、H2Oは供給されるかもしれず、そして、セル温度は最初のオペレーション温度に戻されるかもしれない。実施例において、O2のような酸素の源は、セルへと供給されるかもしれない。断続的な充電−放電条件又は連続的な放電条件の下でオペレーションされるかもしれないLiOHの再水和からのHを持つ例示的なセルは、[Ni−Mo又はCo−Ni/LiOH−LiBr−MgO/NiO乾燥空気]及び[Ni/LiOH−LiBr−MgO/NiO乾燥空気]である。その代わりとして、Hは、セル[Ni/LiOH−LiBr−MgO/NiO H2O−アルゴン]によって例示されるような供給されるH2Oからかもしれない。
1つの実施例において、アノードの安定性を維持するために選択されるかもしれない温度のようなセルのオペレーション・パラメータで、NiおよびMoのような本開示のそれらのようなアノードが腐食に対して安定であるように、電解質は選択される。例示的な電解質は、LiOH−Li2SO4、LiOH−Li2SO4−MgO、LiOH−Li3PO4、LiOH−Li3PO4−MgO、LiOH−Li2SeO4、LiOH−Li2SeO4−MgO、LiOH−Li3PO4−MX、LiOH−Li3PO4−MX−MgO、LiOH−Li2SeO4−MX、LiOH−Li2SeO4−MX−MgO(M=アルカリ、X=ハロゲン)、LiOH−LiI、LiOH−LiI−MgO、LiOH−LiI−LiBr、LiOH−LiI−LiBr−MgO、LiOH−LiCl−LiBr、LiOH−LiCl−LiBr−MgO、M(OH)2−MX2、M(OH)2−MX2−MgO、M(OH)2、M(OH)2−MgO(M=アルカリ土類)からなる群の1つである。約290から500℃の温度範囲内でオペレーションされるかもしれない例示的なセルは、[Mo/LiOH−LiSO4/NiO Ar−1.5%O2+H2O]、[Mo/LiOH−Li2SO4/NiO Ar−1.5%O2]、[Mo/LiOH−Li2SO4−MgO/NiO Ar−1.5%O2+H2O]、[Mo/LiOH−LiSO4−MgO/NiO Ar−1.5%O2]、[Mo/LiOH−LiI/NiO Ar−1.5%O2+H2O]、[Mo/LiOH−LiI/NiO Ar−1.5%O2]、[Mo/LiOH−LiI−MgO/NiO Ar−1.5%O2+H2O]、[Mo/LiOH−LiI−MgO/NiO Ar−1.5%O2]、[Mo/LiOH−LiI−LiBr/NiO Ar−1.5%O2+H2O]、[Mo/LiOH−LiI−LiBr/NiO Ar−1.5%O2]、[Mo/LiOH−LiI−LiBr−MgO/NiO Ar−1.5%O2+H2O]、[Mo/LiOH−LiI−LiBr−MgO/NiO Ar−1.5%O2]、[Mo/LiOH−LiCl−LiBr/NiO Ar−1.5%O2+H2O]、[Mo/LiOH−LiCl−LiBr/NiO Ar−1.5%O2]、[Mo/LiOH−LiCl−LiBr−MgO/NiO Ar−1.5%O2+H2O]、[Mo/LiOH−LiCl−LiBr−MgO/NiO Ar−1.5%O2]、[Mo/M(OH)2−MX2/NiO Ar−1.5%O2+H2O]、[Mo/M(OH)2−MX2/NiO Ar−1.5%O2]、[Mo/M(OH)2−MX2−MgO/NiO Ar−1.5%O2+H2O]、[Mo/M(OH)2−MX2−MgO/NiO Ar−1.5%O2]、[Mo/M(OH)2/NiO Ar−1.5%O2+H2O]、[Mo/M(OH)2/NiO Ar−1.5%O2]、[Mo/M(OH)2−MgO/NiO Ar−1.5%O2+H2O]、及び[Mo/M(OH)2−MgO/NiO Ar−1.5%O2](M=アルカリ土類又は他の妥当なカチオン)である。H2Oを持たないセル実施例において、電解質は断続的に再水和されるかもしれない。
電極材料が電解質に可溶である場合には、腐食抑制剤は添加されるかもしれない。その抑制剤は、Mo、W、Hf、Taのようなアノードの金属及びTiのような遷移金属を含むオキシアニオン又はハロゲン化物のような化合物を含むかもしれない。例えば、LiOHを含む電解質を備えるアノードは、アルカリに可溶であるMoO2、Li2MoO3、又はLi2MoO4を形成するように酸化されるかもしれない。生成物は、飽和に達することが許されるかもしれず、或いは、腐食を抑制するために飽和を達成するように電解質に添加されるかもしれない。1つの実施例において、Li2MoO3又はLi2MoO4の濃度は、約0.1から10wt%又は約0.5から3wt%である。その代わりとして、添加剤は更に、腐食を抑制するが、これらは、リチウム・ホウ化物、リチウム・ケイ化物、MgO、MoBr2又はMoBr3のようなMoXn(X=ハロゲン、n=整数)、MoS2、MoSe2、MoTe2、Bi3M’Mo2O12(M’はFe又はScのような遷移金属である)、M’MoO4(M’は、Mg、Ca、Sr、Ba、Mn、Fe、Co、Cu、及びZnのようなアルカリ土類又は遷移金属を含む)、又は、M’2MoO4(M’はアルカリ金属である)である。OH−が触媒H2Oを形成するようにHと反応するかもしれないところ、M’MoO4又はM’2MoO4は、それぞれ、M(OH)2又はM’OHの形成と共に、触媒の源として更に機能するかもしれない。添加剤は、ポリタングステン酸塩又はポリモリブデン酸塩イオン又は化合物のようなW又はMoの1つのようなポリアニオンを含むかもしれない。1つの実施例において、アノード、カソード、又は電解質構成要素の少なくとも1つはW又はMoブロンズを含むかもしれない。そのブロンズは、MxWO3又はMxMoO3(x<1)を含むかもしれないが、ここで、Mは、Liのようなアルカリ又はアルカリ土類金属のような金属カチオンである。そのブロンズは、高い表面積材料を含むかもしれない。そのブロンズは、テープキャストにより形成されるかもしれない。テープキャストは、Niセルメット(Ni celmet)のようなNi、Mo、又はW金属フォーム(metal foam)のような金属フォーム(metal foam)のような基板の上であるかもしれない。そのブロンズを形成するためのテープキャスト反応物は加熱されるかもしれない。加熱は、還元性雰囲気内であるかもしれず、又は、当該分野において知られるような還元加熱反応を含むかもしれない。1つの例示的な方法において、Wブロンズは、赤熱状態でH2でLi2WO4及びWO3の混合物を還元することにより形成される。その代わりに、タングステンブロンズは、タングステン金属と共に通常のタングステン酸塩を加熱するような数多くの還元技術によって形成されるかもしれない。Moブロンズは、同様にWをMoに置き換えることにより、及び、当該分野における当業者によって知られる他の方法により形成されるかもしれない。例示的なセルは、[モリブデン又はタングステンブロンズ/LiOH−LiBr MgOスペーサ/NiO+O2+H2O]、[Mo−モリブデンブロンズ/LiOH−LiBr MgOスペーサ/NiO+O2+H2O]、及び[W−タングステンブロンズ/LiOH−LiBr MgOスペーサ/NiO+O2+H2O]である。1つの実施例において、添加剤は、アノード金属の酸化というよりはむしろ水の形成に有利になるようにネルンストの式のポテンシャルを移動させるかもしれない。もう1つの実施例において、MoO2、Li2MoO3、又はLi2MoO4添加剤は、アノードのような電極がMo以外の金属又は導体を含むかもしれないところ、マトリクス材料を含む。例示的なセルは、[Ni/LiOH−LiBr+MoO2、Li2MoO3、又はLi2MoO4/Ni+空気;断続的な電気分解]である。1つの実施例において、カソードは、Moのようなアノードの金属を含む化合物を含むかもしれない。例示的なセルは、[Mo/LiOH−LiBr/Mo6Se8又はモリブデンオキシ水酸化物 断続的な電気分解]である。1つの実施例において、カソード及びアノードは、同じ金属、合金、又は、1つの電極から他の電極へと移動するかもしれない電子の源を含むかもしれない。アノード及びカソードは、放電アノードが定期的に放電カソードになるように、断続的な充電−放電の間に定期的に逆転するかもしれない。例示的な移動性の金属、合金、又は元素は、Cd、Ni、CdNi、Mo、及びMoNiである。Moが塩基性において溶解するがNiは溶解しないので、Niアノードを備えるLi2MoO4マトリクスのようなMoマトリクスを持つ例示的な実施例は、[Ni/LiOH−LiBr(Li2MoO4マトリクス)/Ni−NiO 両電極は浸漬されている 断続的な電気分解]である。1つの実施例において、アノードで安定な合金を形成する化合物は、電解質に添加されるかもしれない。1つの例は、[Mo/LiOH−LiBr NiBr2/Ni−NiO 断続的な電気分解]のようなMoアノードを含むセルにおけるMoアノードを備える安定なMoNi合金を形成するNiBr2のような溶解性のNi化合物である。
1つの実施例において、酸化された放電アノードは、放電アノードを還元するような負のポテンシャルを適用することにより再生されるかもしれない。電気分解は、再生を引き起こすような典型的なものよりもより高い負の電圧で実施されるかもしれない。このようにして、放電アノードは、再生ステップに対して、電気分解カソードとされる。水素は、そのアノードが機能的な状態に回復されるように、過剰の酸化物の還元にも寄与するように、このステップの間、発生させられるかもしれない。印加されるセル電圧の大きさは、約0.5Vから5V又は約1Vから2V、又は約1Vから1.5Vの範囲内にあるかもしれない。例示的な実施例において、Moが電気めっきが引き起こされるように十分な電圧を少なくとも断続的に適用することによってアノードの上に電気めっきされるが、[Mo/LiOH−LiBr−Li2MoO4/NiO 空気]のようなセルは、Moアノードを含む。1つの実施例において、断続的な電気分解の間のセルの充電及び放電電圧の範囲は、好ましくない速度でアノードが腐食することを防ぐように選択され、コントロールされる。電圧が腐食反応の速度が感知できるような電圧よりも上に維持されるかもしれないところ、電圧は、腐食反応のためのネルンストの式を使用して決定されるかもしれない。1つの実施例において、負のリードは、アノード・電解質の界面で負のポテンシャルを維持するようにアノードの電解質面に付けられる。
1つの実施例において、少なくとも1つの電極の腐食は、対応する半電池及び電池ポテンシャルの少なくとも1つをコントロールすることによって、少なくされ又は防止される。断続的な充電及び放電及び放電波形は、アノードのような電極の酸化を少なくし又は防止するようにコントロールされるかもしれない。波形は、O2及びH2Oのようなセルにおいて発生する、又は、そのセルに供給される種の濃度又は圧力に、及び、電解質組成に、及び、電極に、の少なくとも1つに基づいて調節されるかもしれない。1つの実施例において、酸素及び電解質の少なくとも1つのようなセル種を備える少なくとも1つの電極の反応生成物は、その電極の腐食反応を抑制するように添加剤として添加される。抑制は、対応する半電池(half−cell)又はセル電圧よりも大きさで小さいようなネルンスト電圧を減ずることによるかもしれない。例示的なアノード構成要素及び対応する添加剤は、Mo又はMo合金及びMoO2、MoO3、又はLi2MoO4、AlTiのような合金のようなTi又はAl、TiO2、Li2TiO3、Al2O3又はLiAlO2、カーボン又はMo2Cのような炭化物及びLi2CO3、MoB及びB2O3のようなホウ化物又はLi2B4O7、MoSi2及びSiO2のようなケイ化物又はLi2SiO3である。腐食は、酸素及びH2Oの圧力及びセル温度の少なくとも1つをコントロールすることによって、そして、それぞれ炭化物又は窒化物を含むアノード場合にCO2又はN2のようなガスの添加によって、更に抑制することができるかもしれない。セル温度は、半電池(half−cell)及びセル電圧の少なくとも1つ及びセル・キネティクス(kinetics)を最適化するようにコントロールされるかもしれない。セル温度は、腐食をコントロールするために減じられるかもしれない。その温度は、より低い融点を持つ電解質の選択により低下されるかもしれない。例えば、LiOH−LiBr電解質の融点は、NaOH、KOH、又はRbOHの幾つかを添加することにより低下されるかもしれない。
1つの実施例において、腐食抑制剤は、セルに添加されるかもしれない。1つの実施例において、アノード酸化反応の生成物は電解質に添加されるかもしれない。その生成物は、腐食を抑制するためにネルンスト・ポテンシャルを変化させるかもしれないが、ここで、波形は腐食の抑制を容易にするようにポテンシャル変化に合致するように調節されるかもしれない。1つの実施例において、その波形は断続的な充電フェーズの間の腐食生成物を電気めっきするようにコントロールされるかもしれない。その波形は、腐食生成物の電気分解へのエネルギ入力を考慮して、正味の電気エネルギ・バランスを最適化するようにコントロールされるかもしれない。その波形は、その場で添加又は発生される腐食生成物の濃度に対して最適化されるかもしれない。その波形は、電解質からアノードへ各成分アノード金属を電気めっきするために最適な時間インターバル及び電圧を含むかもしれない。その波形及び添加剤濃度は、所望の電極合金組成を維持するため添加剤又は生成物をめっきする反応速度論パラメータ(kinetic parameters)及び電圧を利用するように調節されるかもしれない。1より多い金属イオンを生成するため酸化するアノードを備える1つの実施例において、電解質の金属イオン割合は、対応する波形に関して最も高いエネルギ効率及び最も高い正味のパワーの少なくとも1つを与えるものを維持するようにコントロールされる。対応する所望の波形及び添加剤を含む電解質組成は、サイクリックボルタンメトリー(cyclic voltametry)によって決定される。
1つの実施例において、電解質は、アノードのハロゲン化物化合物を含むかもしれない。その化合物のカチオンは、そのアノードの腐食を抑制するため共通イオン効果(common ion effect)を提供するかもしれない。例示的なアノードは、Ni又はCoのような遷移元素であり、ハロゲン化物化合物はそれぞれ、NiBr2又はCoBr2であるかもしれない。電解質は、本開示のそれらのような水性又は溶融塩であるかもしれない。1つの例示的な実施例において、共通のイオン又は共通のイオンを持つものを形成する反応物を提供する化合物は、Li2SO4及びLi2PO4及びCoSO4及びCoPO4の少なくとも1つである。マトリクスは、酸化物イオンのようなアノード腐食生成物の共通イオンを含むかもしれない。その酸化物は、本開示のそれらを含むかもしれない。1つの例示的な実施例において、MgOは、それぞれ、Co又はNiからCoO又はNiOへとの酸化物への遷移元素アノードの腐食のようなアノードの腐食を抑制するため共通のO2−イオンを供給する。もう1つの実施例において、マトリクスは、本開示のマトリクス化合物の少なくとも1つのようなもう1つの化合物とアノードの酸化物とを含む化合物を含む。例示的な化合物は、マトリクスとして機能するかもしれない、そして、コバルト・アノードからコバルト酸化物の形成を防止するかもしれないコバルト・マグネシウム酸化物である。マトリクスは、アノードの腐食を防止するようにCo及びO2−の共通イオンを提供するかもしれない。もう1つの実施例において、Ni又はCuはCoを置換する。アノードはNiCoを含むかもしれない。1つの実施例において、共通イオン酸化物の源は、CuO、CrO4、ZnO、MgO、CaO、MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO又はFe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、P2O3、P2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、及びCrO3の少なくとも1つである。1つの実施例において、共通イオンの源は、CoO、NiO、及びMoO2の少なくとも1つの形成を防止する。本開示のそれらの少なくとも1つのようなマトリクスは、少なくとも1つの電極の上に析出しないように、電解質に溶解しやすいかもしれない。
1つの実施例において、アノードは、TZM、H242、MoNi、MoCo、MoCu、MoFe、FeMoCo、MoV、MoCr、MoMn、MoW、及びMoM1M2(ここで、M1及びM2は線金属である)のようなMo−遷移金属のようなMo又はMo合金を含む。追加的な遷移金属又は他の金属及び化合物を含む他のMo合金は、他のアノード実施例を含む。1つの実施例において、断続的な電気分解及び放電の間のセルあたりのセル電圧はアノードが実質的に酸化されることを防止するポテンシャルを超えて維持される。1つの実施例において、セル電圧は、電解質の少なくとも1の元素を含む化合物及び酸化物の少なくとも1つをアノードが形成することを防止する範囲内で維持される。Mo又はMo合金を含むアノードを含むCIHTセル実施例において、電圧範囲は、MoO2、MoO3、Li2MoO3、及びLi2MoO4、及び、他のMo酸化物又は化合物の少なくとも1つの形成を防ぐように維持される。電圧は腐食反応の速度が感知できるような電圧を超えて維持されるかもしれないところ、腐食反応のネルンストの式を使ってその電圧は決定されるかもしれない。例示的な実施例において、より低い電圧の限界は、その酸化物又は酸化物化合物の形成のためのそれくらいであるが、ここで、反応の対応する総和として直接的に形成するための800Kでの標準ポテンシャルは、+/−0.5V、+/−0.25V、又は+/−0.1Vの範囲内で約E0である。
Mo+O2 → MoO2(E0=1.14V) (109)
Mo+2H2O → MoO2+2H2(E0=0.086V) (110)
Mo+1.5O2 → MoO3(E0=0.936V) (111)
Mo+3H2O → MoO3+3H2(E0=−0.12V) (112)
2LiOH+Li2O → H2O(E0=−0.133V) (113)
4LiOH+Mo →
MoO2+2Li2O+2H2(E0=−0.047V) (114)
2LiOH+Mo+O2 →
MoO3+Li2O+H2(E0=0.81V) (115)
2LiOH+Mo+1.5O2 →
MoO3+Li2O+H2O(E0=0.89V) (116)
標準電圧は、当該分野における当業者によって知られるオペレーション温度及び生成物濃度及び反応物を変えることにより対応する反応のためのネルンストの式に従って変更されるかもしれない。例えば、式(109−116)のE0の少なくとも1つのような腐食を減らすような下限電圧は、MoO2、MoO3、Li2MoO3、Li2MoO4、Li2O、及びH2の少なくとも1つの添加により、及びO2の還元により、低下されられるかもしれない。MoO2の還元のための電圧の限界は、例示的なセル温度が300℃を超えるところ、温度を上昇させることにより低下させられるかもしれない。ネルンストの式に従って腐食を避けるため維持される適当な反応物及び生成物の濃度を備える約800Kでの例示的な断続的な充電−放電範囲は、約0.5Vから2V、約0.6Vから1.5V、約0.7Vから1.3V、約0.8Vから1.2V、約0.8Vから1.1V、約0.9Vから1.1V、約0.8Vから1V、及び約0.5Vから2V、約0.5Vから1.5V、約0.5Vから1.3V、約0.5Vから1.2V、約0.5Vから1.1V、約0.5Vから1.1V、約0.5Vから1V、約0.6Vから2V、約0.6Vから1.5V、約0.6Vから1.3V、約0.6Vから1.2V、約0.6Vから1.1V、約0.6Vから1.1V、約0.6Vから1V、約0.7Vから2V、約0.7Vから1.5V、約0.7Vから1.3V、約0.7Vから1.2V、約0.7Vから1.1V、約0.7Vから1.1V、約0.7Vから1V、約0.8Vから2V、約0.8Vから1.5V、約0.8Vから1.3V、約0.8Vから1.2V、約0.8Vから1.1V、約0.8Vから1.1V、約0.8Vから1V、約0.9Vから2V、約0.9Vから1.5V、約0.9Vから1.3V、約0.9Vから1.2V、約0.9Vから1.1V、約0.9Vから1.1V、約0.9Vから1V、約1Vから2V、約1Vから1.5V、約1Vから1.3V、約1Vから1.2V、約1Vから1.1V、約1.1Vから2V、約1.1Vから1.5V、約1.1Vから1.3V、及び約1.1Vから1.2Vの範囲の少なくとも1つである。電圧範囲は、異なるオペレーション温度で変化するであろう。例えば、STPでの半電池反応に対する標準還元ポテンシャル(M.S.Antleman、F.J.Harris、Encyclopedia of Chemical electrode Potentials、Plenum Press、NY、(1982))から、Moへモリブデンイオンが還元される電圧は、1.45Vである。
MoO4 2−+H2O+6e− →
8OH−+Mo(E0=−1.05V) (117)
2H2O+O2+4e− → 4OH(E0=0.41V) (118)
1つの実施例において、カソード材料及びO2、H2O、及び水酸化物のようなカソード半電池反応物及び生成物の濃度又は圧力は、アノードの腐食を少なくとも減ずるセル電圧をアノード半電池反応及び電圧で提供するカソード半電池電圧を達成するようにコントロールされる。カソード材料は、Ni又はNiOであるかもしれず、そして、カソード半電池電圧をコントロールするため、他の遷移金属、希土類金属、内部遷移金属、及び半金属だけでなく、Cr、Mn、Co、Fe、V及びAgのそれらのような他の金属の酸化物を更に含むかもしれない。加えて、リチオ化のようなアルカリイオンドーピング、酸化、及び表面積の程度の少なくとも1つは、カソード電圧寄与をコントロールするためにコントロールされるかもしれない。
Mo+O2 → MoO2(E0=1.14V) (109)
Mo+2H2O → MoO2+2H2(E0=0.086V) (110)
Mo+1.5O2 → MoO3(E0=0.936V) (111)
Mo+3H2O → MoO3+3H2(E0=−0.12V) (112)
2LiOH+Li2O → H2O(E0=−0.133V) (113)
4LiOH+Mo →
MoO2+2Li2O+2H2(E0=−0.047V) (114)
2LiOH+Mo+O2 →
MoO3+Li2O+H2(E0=0.81V) (115)
2LiOH+Mo+1.5O2 →
MoO3+Li2O+H2O(E0=0.89V) (116)
標準電圧は、当該分野における当業者によって知られるオペレーション温度及び生成物濃度及び反応物を変えることにより対応する反応のためのネルンストの式に従って変更されるかもしれない。例えば、式(109−116)のE0の少なくとも1つのような腐食を減らすような下限電圧は、MoO2、MoO3、Li2MoO3、Li2MoO4、Li2O、及びH2の少なくとも1つの添加により、及びO2の還元により、低下されられるかもしれない。MoO2の還元のための電圧の限界は、例示的なセル温度が300℃を超えるところ、温度を上昇させることにより低下させられるかもしれない。ネルンストの式に従って腐食を避けるため維持される適当な反応物及び生成物の濃度を備える約800Kでの例示的な断続的な充電−放電範囲は、約0.5Vから2V、約0.6Vから1.5V、約0.7Vから1.3V、約0.8Vから1.2V、約0.8Vから1.1V、約0.9Vから1.1V、約0.8Vから1V、及び約0.5Vから2V、約0.5Vから1.5V、約0.5Vから1.3V、約0.5Vから1.2V、約0.5Vから1.1V、約0.5Vから1.1V、約0.5Vから1V、約0.6Vから2V、約0.6Vから1.5V、約0.6Vから1.3V、約0.6Vから1.2V、約0.6Vから1.1V、約0.6Vから1.1V、約0.6Vから1V、約0.7Vから2V、約0.7Vから1.5V、約0.7Vから1.3V、約0.7Vから1.2V、約0.7Vから1.1V、約0.7Vから1.1V、約0.7Vから1V、約0.8Vから2V、約0.8Vから1.5V、約0.8Vから1.3V、約0.8Vから1.2V、約0.8Vから1.1V、約0.8Vから1.1V、約0.8Vから1V、約0.9Vから2V、約0.9Vから1.5V、約0.9Vから1.3V、約0.9Vから1.2V、約0.9Vから1.1V、約0.9Vから1.1V、約0.9Vから1V、約1Vから2V、約1Vから1.5V、約1Vから1.3V、約1Vから1.2V、約1Vから1.1V、約1.1Vから2V、約1.1Vから1.5V、約1.1Vから1.3V、及び約1.1Vから1.2Vの範囲の少なくとも1つである。電圧範囲は、異なるオペレーション温度で変化するであろう。例えば、STPでの半電池反応に対する標準還元ポテンシャル(M.S.Antleman、F.J.Harris、Encyclopedia of Chemical electrode Potentials、Plenum Press、NY、(1982))から、Moへモリブデンイオンが還元される電圧は、1.45Vである。
MoO4 2−+H2O+6e− →
8OH−+Mo(E0=−1.05V) (117)
2H2O+O2+4e− → 4OH(E0=0.41V) (118)
1つの実施例において、カソード材料及びO2、H2O、及び水酸化物のようなカソード半電池反応物及び生成物の濃度又は圧力は、アノードの腐食を少なくとも減ずるセル電圧をアノード半電池反応及び電圧で提供するカソード半電池電圧を達成するようにコントロールされる。カソード材料は、Ni又はNiOであるかもしれず、そして、カソード半電池電圧をコントロールするため、他の遷移金属、希土類金属、内部遷移金属、及び半金属だけでなく、Cr、Mn、Co、Fe、V及びAgのそれらのような他の金属の酸化物を更に含むかもしれない。加えて、リチオ化のようなアルカリイオンドーピング、酸化、及び表面積の程度の少なくとも1つは、カソード電圧寄与をコントロールするためにコントロールされるかもしれない。
1つの実施例において、アノード材料の酸化反応及び水素の酸化反応のための電圧は、本質的に同じである。例示的なアノード材料は、Mo酸化物を形成するためのE0が800Kで約1.1VであるMoであるが、これは、800Kで水素及び酸素からH2Oへの反応のE0に合致する。その合致は、+/−30%、+/−20%、+/−10%、+/−5%、又は+/−1%の範囲内である。その合致は、ネルンストの式に従って反応物及び生成物の少なくとも1つの濃度及び温度を変化させることによりコントロールされるかもしれない。その合致は、少なくとも他の1つの金属でアノードの金属をドーピングすることにより更にコントロールされるかもしれない。例示的な合金は、MoNi、MoCo、MoCu、MoFe、CoMoFe、TZM、及びH242のようなMo合金である。その合金は、Mo、又は、Mo及びFe及びCoのような遷移金属の少なくとも1つのような少なくとも1つの他の金属を含むかもしれなず、そして、更に硫黄及び酸素の少なくとも1つを含むかもしれない。1つの実施例において、その合金の各構成要素は水素の酸化のそれに合致する電圧を持つかもしれない。例示的な材料は、MoFe合金又は混合物のようなMo及びFeを含むアノードであるが、ここで、MoO2及びFe2O3を形成するためのE0は、共に、800Kで約1.1Vである。1つの実施例において、電極の酸化及び水素の酸化の電圧の合致は、水性セルとみなす。そのセルは、100℃より低いオペレーション温度を持つかもしれない。ハイドリノ反応のための例示的な電極は、CIHTセルのアノード又は水の電気分解セルのNiカソードのようなニッケル電極である。なぜならば、298Kでのニッケルの酸化のための電圧は、約1.1Vであり、これは、298KでのH2燃焼のものと同じ電圧であるからである。
1つの実施例において、セルは、アノードのそれのようなMo電極のそれのような保護酸化被膜の還元を避ける電圧範囲内又は電圧でオペレーションされる。もう1つの実施例において、その電圧は、所望の酸化物の厚みをコントロールする範囲内で維持される。その電圧範囲は、充電及び放電の波形をコントロールすることにより維持される。その電圧は、過剰な腐食が起きるものよりも高く更に維持されるかもしれない。過剰に厚い酸化被膜は、所望の下限よりも下の電圧で形成されるかもしれない。例示的な実施例において、上限は、酸化物化合物又は酸化物の形成のそれと同じくらいであり、反応の対応する総計として又は直接的に形成するための800Kでの標準ポテンシャルは、式(109−116)の反応の+/−0.5V、0.25V、又は0.1Vの範囲内で約E0である。標準電圧は、当該分野における当業者に知られるようなオペレーション温度及び反応物及び生成物の濃度を変化させることにより対応する反応のためのネルンストの式に従って変更されるかもしれない。ネルンストの式に従って腐食を避けるために維持される適当な反応物及び生成物の濃度を備える例示的な断続的な充電−放電範囲は、約0.2Vから1.3V、約0.2Vから1V、約0.2Vから0.9V、約0.2Vから0.8V、約0.2Vから0.75V、約0.2Vから0.7V、約0.4Vから1V、約0.5Vから1V、約0.6Vから1V、約0.7Vから1V、約0.8Vから1V、約0.4Vから0.9V、約0.5Vから0.9V、約0.6Vから0.9V、約0.7Vから0.9V、約0.8Vから0.9V、約0.4Vから0.8V、約0.5Vから0.8V、約0.6Vから0.8V、約0.7Vから0.8Vである。
1つの実施例において、アノードのような電極の少なくとも1つは腐食から保護されるかもしれない。アノードのような腐食−保護された電極は、MoNi又はMoCのようなNiCr又はMoのようなNiの合金のような合金を含むかもしれない。セルは、腐食からアノードのような電極の少なくとも1つを保護するように水酸化物へと過酸化物又はそのイオンのような反応性の高い酸素還元生成物を変換する触媒を含むかもしれない。妥当な触媒は、Al2O3又はカーボンのような支持体の上にあるかもしれないPt又はPdのような貴金属である。他の妥当な触媒は、Co又はFe種である。その代わりとして、H2O添加は、過酸化物又はスーパーオキシドを水酸化物に変換するために使用されるかもしれない。Moアノードは、Pt/Al2O3のような水酸化物を形成するため触媒又は支持された触媒内に埋め込まれるかもしれない。
過酸化物又は他の反応性の酸素種によるアノードの腐食は、NiMoのようなNiを含むそれのような腐食耐性のある合金を使用することにより避けられるかもしれない。過酸化物腐食はまた、空気拡散バリアのように機能する固体電解質層又はコントロールされたガス雰囲気を備えるO2圧力を別様に限定する又は浸漬されたカソードを用いることにより、防ぐことができる。セル中のO2が限定され又は排除されるような1つの実施例において、カソードは、沈み込むように浸漬されない。キネティクス(kinetics)は、酸素還元速度傾向LiOH〜NaOH<<KOHを考慮して適当な酸素還元側とを持つ電解質塩混合物を使用することにより維持されるかもしれない。その速度はより低い温度で減じられ、また、逆もそうであるところ、その速度はまた温度でコントロールされるかもしれない。過酸化物濃度は、OH−、4−電子還元、過酸化物に渡る経路、2−電子還元、経路を有利にする酸素還元触媒を含むカソードを使用することにより減らすことができる。前者は、水が反応物であるところ、より高いH2O圧力をもって優先的にされる。また、OH−への返還により、水は、過酸化物イオンと反応し、それらを不活性化する。加えて、水酸化物への過酸化物の変換触媒は、過酸化物腐食からアノードを保護するようにアノード又はカソードで使用され得る。Pt/Al2O3のようなPt又は鉄ハロゲン化物のようなFe種又はコバルト・ペロブスカイトのようなCo種は、変換触媒として機能するかもしれない。アノードはまた、そのアノードを化学的に保護することにより、又は、反応性の高い酸素中間体と反応する種を供給することにより、保護されるかもしれない。例えば、追加的な水素のような還元的な反応物は、水素透過により又はH2雰囲気の適用のような手段によりアノードで提供されるかもしれない。CO3 2−及び1/2O2へと反応するCO2又は例えばMoO4 2−を形成するため過酸化物と反応するMoO2のような添加剤は、他の例示的な反応物である。アノード金属の腐食の抑制は、50%までのようなHgと金属がアマルガムを作ることにより達成されるかもしれない。例示的なアマルガム・アノードは、AgHgである。
1つの実施例において、Mo又はTZMのような腐食されるアノードは、MoS2、MoSe2、又はテフロン(登録商標)の1つのような保護層で被覆される。もう1つの実施例において、断続的な電気分解サイクルの充電電圧は、塩のような化合物のような電解質に添加される又はそのアノードから電解質内に溶解されるある金属が、そのアノードの上に電気めっきされることを引き起こすだけ、十分高い。アノードがMoNi又はMoCuのようなMo又はMo合金を含む場合は、添加される塩は、Li2MoO3又はLi2MoO4のようなモリブデン酸塩化合物であるかもしれない。アノード金属の化合物は、セルに添加されるかもしれない。例えば、アノードの金属の酸化物は、添加され、アノードの上に電気めっきされるかもしれない。再めっき(replating)のための酸化物はまた、アノードの腐食からであるかもしれない。電解質は、水酸化物を含むかもしれない溶融共晶塩を含むかもしれない。電解質は、水酸化物が添加されるアルカリハロゲン化物塩のような溶融共晶塩を含むかもしれない。例示的な電解質は、LiOHが添加されるLiCl−KCl又はLiCl−KCl−LiFである。そのLiOHは少数種であるかもしれない。添加剤は、Li2MoO3又はLi2MoO4であるかもしれない。そのモル%は、約0.1から20mole%又は約1から3mole%の範囲内で、又は如何なる所望のものであるかもしれない。電極は、Moがその上に電気めっきされるNiのようなもう1つの金属又はMoであるかもしれない。セル電圧は、約0.7Vから3Vの範囲内にあるかもしれない。セル電圧は、Moを再び電気めっきするために0.8Vより高いかもしれない。セル電圧は、約0.9から2Vの範囲内又はおよそ1.14Vより高いかもしれない。1つの実施例において、電気分解は、第1にアノード金属を電気めっきし、第2に水素を発生するように複数の電圧で実施されるかもしれない。1つの実施例において、アノード金属は、水酸化物イオン錯体のような錯体又は溶解性の化合物を形成する。金属は、断続的なサイクルの電気分解フェーズの間にアノードの上に電気めっきされるかもしれない。妥当な錯体は、Zn(OH)4 2−、Sn(OH)4 2−、Sn(OH)6 2−、Pb(OH)4 2−、Cr(OH)4 −、Al(OH)4 −、及びSb(OH)4 −であるが、ここで、放電アノードは、対応する金属を含む。電解質から再めっきされる妥当な例示的な金属は、Cu、Ni、NiCu、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Te、Tl、及びSnである。
水に可溶性のMoO4 2−は、酸素及び水とMoとの反応が起きると形成される。水性又は溶融塩電解質を含むものような1つの実施例において、H2O及び酸素の源の少なくとも1つは、MoO4 2−のようなMo酸化物の形成を抑制するためにコントロールされる。活量が代替の生成物の形成における水酸化物イオンに対して競争する反応物を提供することによりコントロールされるかもしれないところ、酸素の源は、水酸化物イオンであるかもしれない。反応物は、Zn、Sn、Pb、Cr、Al、及びSbの少なくとも1つのような金属イオンであるかもしれない。反応物は水酸化物のような化合物であるかもしれない。水酸化物は、水酸化物錯体イオンのような錯イオンを形成するかもしれない。1つの例示的な実施例において、効果的なOH−の濃度又は活量は、Zn(OH)4 2−のような錯体を形成するZn(OH)2のような金属水酸化物を添加することにより変えられるかもしれない。妥当な錯体は、Zn(OH)4 2−、Sn(OH)4 2−、Sn(OH)6 2−、Pb(OH)4 2−、Cr(OH)4 −、Al(OH)4 −、及びSb(OH)4 −である。イオン錯体の安定性は、Li2MoO4のようなMoを含む化合物又はMo酸化物の形成を、熱力学的に又は反応速度論的に(kinetically)、の少なくとも1つにより抑制するかもしれない。追加の例示的な妥当な水酸化物は、Co(OH)2、Zn(OH)2、Ni(OH)2、他の遷移金属水案化物、Cd(OH)2、Sn(OH)2、及びPb(OH)からの少なくとも1つである。
反応性の高いH2O濃度又は活量は、KMgCl3、MgCl2、及びCaCl2の少なくとも1つのような含水化合物のようなH2Oと結合する反応物を添加することによりコントロールされるかもしれない。1つの実施例において、アルカリ・ハロゲン化物のような電解質の構成要素は、H2Oと結合する。電解質塩として機能する例示的な含水物種は、LiBrである。
1つの実施例において、アノードは、水素雰囲気で腐食から保護される。その水素は、アノードを少なくとも部分的に含む膜を通ってくる水素透過により又は水素ガスを適用することにより提供されるかもしれない。水素の保護は、断続的な電気分解によるように、その場で形成される水素の濃度によっても供給されるかもしれない。アノードは、金属中心(metal centers)のようなH結合性の中心(center)の少なくとも1つのタイプ及び支持体の少なくとも1つのタイプを含むが、ここで、支持体は、対応する中心の表面(center surface)上で発生する水素の移動性がその中心(centers)に移動して優先的に結合することを許して、それらの中心(centers)の上の効果的なH原子の濃度を増加させる。妥当な例示的な中心(centers)は、Mo、Ni、Pd、及びPtのような本開示のアノード金属及び合金のような金属であり、また、妥当な例示的な支持体は、カーボン、炭化物、窒化物、及びホウ化物のような本開示のそれらである。例示的なセルは、[カーボン、Niカーボン、Moカーボン、NiMoカーボン、PtC、PdC/LiOH−LiBr/スチームカーボン(steam carbon)(SC)、NiO、PtNiO、又はAgNiO;空気カソード又は浸漬カソード]である。そのセルは、Li2MoO4のような電解質マトリクス材料又はテフロン(登録商標)のような膜スペーサを含むかもしれない。例示的なセルは、[グラファイトのようなカーボン粉末、AC、カーボンブラック、ガラス状カーボン、バルカン(Vulcan)XC−72+Mo又はNi粉末/LiOH−LiBr/スチームカーボン]及び[カーボン粉末+Mo粉末/Li2MoO4+LiOH−LiBr/NiO]である。
1つの実施例において、電解質は、雰囲気のような源からH2Oを吸収する塩のような含水化合物を含む。その化合物は、CIHTセルの電解質として機能する水和状態を維持するかもしれない。その水和電解質は、LiOH−LiBrのような共晶混合物のような乾燥塩の融点のそれよりも低い温度でイオン伝導性であるかもしれない。電解質は、Li2CO3、Li2O、LiOH、及びLiBrの混合物のようなスラリを維持するため、塩の混合物を含むかもしれない。KMgCl3、MgCl2、CaCl2、及びKOHのような本開示のそれらのような他の含水添加剤が添加されるかもしれない。含水化合物は、埋葬電気分解セル(interment electrolysis cell)に対して電解質として機能するかもしれない。その代わりに、水素電極は、水素−散布電極を含むかもしれない。セルは、非水和電解質(non−hydrated electrolyte)の融点へと室温へとの温度範囲内にあるような低い温度で実施されるかもしれない。
電気分解の間、酸素がアノードで形成されるかもしれず、水素がカソードで形成されるかもしれない。O2は、O2ガス又は空気のような源から散布することによって供給されるかもしれない。電気分解−オフ(electrolysis−off)又は放電フェーズの間に、O2及びH2Oは、OH−を形成するため電気分解アノードで還元を受けるかもしれず(式(92))、且つ、OH−は、酸化されてHと反応してH2Oを形成するかもしれず、それが電気分解カソードでハイドリノを形成するため触媒として機能するかもしれない(式(90))。このようにして、セルは、そのサイクルの各フェーズの間、電流の極性を逆転して、充電及び放電の間の一定の極性を維持するかもしれない。その出力は、条件付きの波形又は電力(power)であるかもしれない。もう1つの実施例において、ハイドリノ生成が不可逆であるのを除けば、式(90)で与えられる反応が両方の電極で可逆的に起きる。(本開示の中に与えられるように断続的な充電−放電セルの表記は、[放電アノード/電解質/放電カソード]のような放電−モードにある。1つの実施例において、この表記は、[負極/電解質/正極]に対応するが、極性は、他の実施例において逆転されるかもしれない。電流は、断続的な電気分解サイクルの放電及び充電フェーズの間に断続的に逆転するかもしれない。)例示的なセルは、[Pt/LiOH 0.1Mから飽和水溶液/Pd+空気 断続的な充電−放電]である。他の実施例において、両方の電極はNiであり、一方はNiで他方はPt、Pd、DSA材料、他の貴金属、カーボン、Ag、本開示の材料、又は、これらの材料又はPt/Tiのような支持体の上にある本開示のその他の材料の1つ又はそれ以上であり、電解質は約0.1Mから飽和迄の濃度範囲内である水性の(aq)KOH又はK2CO3である。特定の例は、[PtTi/K2CO3又はKOH 0.1Mから飽和水溶液まで/Ni+空気 断続的な充電−放電]である。1つの実施例において、水の電気分解は、約1から10s又は2sのような第1の時間の間に約1から1.6V又は約1.4Vでのような一定のセル電圧で実施されるかもしれず、そして、放電は、約1から100s又は約10sのような第2の時間の間に約0.01から10mA/cm2又は0.2mA/cm2のような一定の電流で実施されるかもしれない。アルカリ電解質を含み、>5sのような長い時間の充電又は放電の期間の少なくとも1つを持つような1つの実施例において、放電アノードは、LaNi5H6又はPdのような電気分解サイクルの間に水素化物を形成する材料を含む。
1つの実施例において、放電カソードは、水和物、酸化物、過酸化物、スーパーオキシド、オキシ水酸化物、及び水酸化物の少なくとも1つのような本開示の他のものを含むかもしれない。カソードは、溶融塩電解質のような電解質に不溶性の金属酸化物であるかもしれない。妥当な例示的な金属酸化物は、NiO、CoO、PbO2、Ag2O2、AgO、RuO2、MnO2、MNiO2、M2NiO2、MCoO2、M2CoO2、LiFeO2、MFeO2、M2FeO2、Li2MnO3、MTiO3、M2TiO3、LiTiO3、M3TaO4、M2WO4、K2WO4、Li3TaO4、M3VO4、Li3VO4、Mg−Li2MnO3、Mn−LiFeO2、LaMnO3、SrTiO3、LiCrO2、LiAlO2、LaNiO3、LaCoO3、ZnO、MgO、M2SnO3、Li2SnO3、Zr−ZnO、MM’O2、M2M’O2、MM’Ox、M2M’Ox(x=整数、M=アルカリ、M’=遷移金属又はAlのような他の金属)、LiFe1−yMgyO(y>0.03)のようなマグネシウムをドープされたM2M’Ox、CaTiO3及びNb5+をド−プされたSrTiO3及びNb5+又はTa5+をドープされたPbZrO3のようなドープされたn−タイプのペロブスカイト及び関連する化合物、バリウムフェライト、イットリウム鉄ガーネット、ランタン−第VIII族化合物のようなp−タイプペロブスカイト、Ni、Cu、Co、Mn、Cr、Zn、Zr、Y、Al、U、Ti、及びFeの金属又は化合物、及び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からなる群のそれらである。MM’O2、M2M’O2のようなカソード材料は、LiOH、NaOH、又はKOHのようなMを含む電解質及び空気若しくはO2雰囲気のような酸化性の環境の存在下で、M’からその場で形成されるかもしれない。妥当な例示的な金属オキシ水酸化物は、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)水マンガン鉱)、FeO(OH)、CoO(OH)、NiO(OH)、RhO(OH)、GaO(OH)、InO(OH)、Ni1/2Co1/2O(OH)、及びNi1/3Co1/3Mn1/3O(OH)である。妥当な例示的な水酸化物は、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のそれらである。オキシ水酸化物を含む例示的な放電カソード反応は、式(119)によって与えられる。そのカソードは、断続的な電気分解の電気分解フェーズの間に再充電されるかもしれない。セルは、断続的な電気分解セル、透過セル、化学的若しくは電解的な再生を備える電気化学的な放電セル、水素−散布セル、又はこれらの組合せを含むかもしれない。1つの実施例において、透過セルは、断続的に放電するかもしれない。
カソード
CoOOH+e− → CoO+OH− (119)
カソード
CoOOH+e− → CoO+OH− (119)
もう1つの実施例において、ガスは、アノードからカソードへ及びその逆の少なくとも1つから交差するかもしれない。そして、放電の間に、半電池反応の少なくとも1つは、電気分解カソードでO2の還元(式(92))が起きるように、及び、電気分解アノードでOH−の酸化及びHとの反応(式(90))が起きるように、スイッチが入るかもしれない。そして、電流の極性は一定を保つが、電極の電圧極性はスイッチし、又は、同じ方向におけるその大きさはサイクルのフェーズと共に変化する。電極のスペースは、ガスの交差を容易にするように最小化されるかもしれない。その電極は、セルガード(Celgard)又は塩基性適合のナフィオン(Nafion)膜のような多孔性のオレフィン膜(olefin membrane)のような膜によって分離されるかもしれない。電極間の回路は、電流の一定の極性を保持するようにダイオードを含むかもしれない。実施例において、ハイドリノを形成することからのパワー(power)は、消散される電気分解電力(power)に対して過剰な電気的又は熱的なパワー(power)の少なくとも1つとして発現する。
Hから81.6eVを受け取ったハイドリノ触媒H2Oは、H2及び/2O2に分解するかもしれず、その結果、H2O電気分解の構成要素は、電気分解電圧又は電流がないときでも、生じるかもしれない。これは、100%よりも大きなファラデー効率として観測されるかもしれず、且つ、H2及びO2ガスの源であるかもしれない。O2及びH2の各々は、対応する電気分解の源の電極で反応し、或いは、交差に続いて対応する対電極で反応するかもしれない。断続的な放電の放電フェーズの間に、酸素及び水素の反応を支持するハイドリノは、それぞれ、(式(92)及び式(90))により与えられるかもしれない。他の実施例において、セルの他の触媒又はセルのオペレーションの間に形成される触媒は、触媒作用反応の間に触媒のイオン化及びエネルギ開放により、水の電気分解がハイドリノを形成させることを引き起こすかもしれない。
1つの実施例において、断続的に充電及び放電されるセルの電気分解カソードは、厚い非導電性の酸化被膜を展開するかもしれない。Ni電極の上の例示的な被膜はNiOである。1つの実施例において、被膜は、NiOの場合において、約1Vから1.5Vの範囲内のような妥当な還元セル電圧を印加することにより還元されるかもしれない。還元は、放電アノードに適用されるかもしれない。電気分解は、電極の導電率が実質的に回復されるように、酸化物被膜を十分に還元できるため妥当な時間の間妥当な電圧で、又は一定の電圧で維持されるかもしれない。そして、充電−放電サイクルが再び適用されるかもしれない。高い放電電流実施例において、放電アノードの上の酸化物被膜の形成は、一定の電圧であるかもしれないピーク限定電圧で充電することにより避けられる。電流は、充電の間、限定されるかもしれない。充電電圧及び電流の少なくとも1つが限定されるような1つの実施例において、充電は、一定の電力(power)であるかもしれない。放電は、一定の電流、負荷、電力(power)、又は電圧であるかもしれない。1つの実施例において、[Ni/LiOH−LiBr/Ni 空気、断続的に充電 放電]のようなセルは、一定の0.9Vのような約0.8から1.2Vのセル電圧範囲の中で充電される。その代わりとして、充電は、約0.1から100mWcm−2の範囲内で、限定される又はピークの一定の電力(power)であるかもしれない。例示的な放電電流密度は、約0.001から1000mAcm−2、0.1から100mAcm−2、及び1から10mAcm−2の範囲の中であるかもしれない。1つの実施例において、電気分解カソード及びアノードは、如何なる過度な酸化物被膜を減ずるように入れ替えられる。交換は、断続的であるかもしれない。その周期は、断続的な電気分解の断続的な充電−放電サイクルのそれから異なっているかもしれない。1つの実施例において、両電極は、水素散布ができるかもしれないが、ここで、水素は、酸素電極としてそのオペレーションの間に形成される如何なる過剰の酸化物被膜を減らすように、一方に、そして、他方に、交互に供給される。[Ni/LiOH−LiBr/Ni+空気 断続的な;充電−放電]のようなセルの1つの実施例において、NiO被膜のような酸化物被膜は、当該分野において知られる手段により機械的に又は化学的に取り除かれる。その除去は再使用される電極に関して周期的であるかもしれない。もう1つの実施例において、水素はアノードのような水素透過性の電極のチャンバーに適用される。セル温度は、大きな透過がセルによって発生する電力(power)に相対的に起こるものよりも低いかもしれない。しかしながら、透過によりアノードでの水素の低い流れ又は存在は、NiOを形成する酸化のような酸化から電極を保護するかもしれない。もう1つの実施例において、断続的な電気分解セルの電極は、水素透過電極として可能であり且つオペレーションされるが、ここで、水素は水素ガスのような源からの透過によってセルに供給され、そして、電極が電気分解モードに切り替えられる。1つの実施例において、切り替えられた電極は、電気分解カソード及び放電アノードとして機能する。前処理は、断続的な電気分解モードにおいて望まれるように実行するために電極を調整するかもしれない。1つの実施例において、水素が透過又は散布のような手段により放電アノードのような電極に同時に供給されるときに、断続的な電気分解は、実施される。その代わりとして、H2を含む雰囲気は、セルに供給されるかもしれない。本開示のそれらのような所望の水素反応及び対電極反応の選択性は、対応する電極の選択性を介して達成されるかもしれない。例えば、H2O触媒を形成するために、カソードの酸素還元反応及びOH−とのアノードの水素反応の選択性は、それぞれ、カソード及びアノードの対応する選択性によって選択的になる。以下の反応が優先的であるので、アノードに供給される水素が保護するものであるかもしれない。
NiO+H2 → Ni+H2O (120)
もう1つの実施例において、放電アノードを腐食から保護するため十分な水素が発生するように、電気分解のためのデューティサイクルは、増加させられる。腐食に対して保護となるように十分な水素が発生する一方、パラメータは、電気的エネルギ・ゲインのようなエネルギ・ゲインを達成するように選択される。透過及び電気分解のような手段によって供給される水素をコントロールしつつ、セル温度はまた、腐食を改善するようにコントロールされるかもしれない。腐食に対して耐性のある放電カソードは、セルのオペレーション条件に対して適当であるように選択されるかもしれない。約350から450℃よりも低い温度に対して、カソードはNiを含むかもしれない。より高い温度に対して、妥当な安定なカソードは、Ag−Al2O3のような支持されるAg又はCoO又はNiOのような酸化物を含む1つのようなものが使用されるかもしれない。
NiO+H2 → Ni+H2O (120)
もう1つの実施例において、放電アノードを腐食から保護するため十分な水素が発生するように、電気分解のためのデューティサイクルは、増加させられる。腐食に対して保護となるように十分な水素が発生する一方、パラメータは、電気的エネルギ・ゲインのようなエネルギ・ゲインを達成するように選択される。透過及び電気分解のような手段によって供給される水素をコントロールしつつ、セル温度はまた、腐食を改善するようにコントロールされるかもしれない。腐食に対して耐性のある放電カソードは、セルのオペレーション条件に対して適当であるように選択されるかもしれない。約350から450℃よりも低い温度に対して、カソードはNiを含むかもしれない。より高い温度に対して、妥当な安定なカソードは、Ag−Al2O3のような支持されるAg又はCoO又はNiOのような酸化物を含む1つのようなものが使用されるかもしれない。
1つの実施例において、透過によって供給される水素は、セル電圧に及ぼす透過速度の影響に基づいているかもしれないフィードバック・メカニズムによって透過速度をコントロールすること、及び、セルの電圧を変化させることの少なくとも1つを行うように機能する。1つの実施例において、セル電圧は、水素透過速度を調整することにより調整される。透過速度は、セル温度、水素透過性膜に渡る水素圧力の勾配、膜厚、膜材料をコントロールすることの少なくとも1つのような手段によって、及び、セル電圧を調整することによって調整されるかもしれない。1つの実施例において、透過速度をコントロールすることに加えて、セル電圧を調整する手段は、負荷及び印加される電圧及び電流特性及びパラメータのような放電パラメータ及びオプションとして充電パラメータをコントロールすることを含むが、ここで、後者は、断続的な電気分解実施例としてみなされるかもしれない。1つの実施例において、セル電圧は、約0.5から1.5V又は約0.8から1.2Vの範囲内に維持される。電圧範囲は、そのような実施例の断続的な電気分解の電気分解フェーズの間に形成される水素の生成を最適化するようにコントロールされる。もう1つの実施例において、透過速度は、負荷をコントロールすることによりコントロールされる。1つの実施例において、透過速度は、負荷の抵抗が減少することに伴って増加する。1つの実施例において、透過速度は、放電電流と共に増加する。透過速度は、H2OからH2を形成するための電力(power)に対するハイドリノを形成することからのパワー・ゲインを最適化するように調整されるかもしれない。
1つの実施例において、保護的な薄い層のNiO被膜は、酸素雰囲気のような酸化性の環境におけるNi電極をアニールすることにより被覆される。被膜の厚みは、高いイオン伝導性を保ちつつ、アルカリ電解質への安定性を与えるものに合わせてコントロールされる。1つの実施例において、ある種は、アノードのような電極を安定化するために電解質に添加される。添加剤は、NiF2又はNiSO4のようなより安定なNi化合物を形成するかもしれない。もう1つの実施例において、その種は、NiO内に含浸されたCeOのような酸化物添加剤又はより安定なNi合金を形成する金属を含むかもしれない。酸化セリウムのその重量%は、約0.1から5%又は0.3から1%の範囲内にあるかもしれない。もう1つの実施例において、V2O5のようなある種は、電気分解カソードでのH2の生成を高めるように添加されるが、ここで、電気分解は、断続的であるかもしれず、そして、電解質は、溶融塩又は水溶液であるかもしれない。その添加剤は、Fe2O3又はFeOOHのような本開示のそれらのような酸化物、水酸化物、又はオキシ水酸化物であるかもしれない。他の妥当な例示的な添加剤は、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)水マンガン鉱)、FeO(OH)、CoO(OH)、NiO(OH)、RhO(OH)、GaO(OH)、InO(OH)、Ni1/2Co1/2O(OH)、及びNi1/3Co1/3Mn1/3O(OH)である。その添加剤は、パワーを増大させること及びアノードのような電極を保護することの少なくとも1つを行うかもしれない。例えば、それぞれ、Ni1−xMgxO及びNiFe2O4を形成するかもしれないMgO又はFe2O3のような添加剤は、アノードのような電極のNiOを安定化するかもしれない。
1つの実施例において、放電カソードは、MnxOy(x及びyは整数)、NiO、CoO、Ag、Pt、Pd、Au、他の貴金属、及びMNiO2(M=アルカリ)の少なくとも1つを更に含むメッシュのような大きい表面積を含むNiのような本開示の酸素還元触媒を含む。他の妥当な酸素還元電極は、アルカリ土類ルテニウム酸塩、リチウムをドープしたランタン・ニッケル酸塩、Ni−Coスピネル、Pb−Ruパイロクロア、Na−Ptブロンズ、及びAg/AgHgである。追加のカソード材料は、MNiO2、M2NiO2、MCoO2、M2CoO2、LiFeO2、MFeO2、M2FeO2、Li2MnO3、MTiO3、M2TiO3、LiTiO3、M3TaO4、M2WO4、K2WO4、Li3TaO4、M3VO4、Li3VO4、Mg−Li2MnO3、Mn−LiFeO2、LaMnO3、SrTiO3、LiCrO2、LiAlO2、LaNiO3、LaCoO3、ZnO、MgO、M2SnO3、Li2SnO3、Zr−ZnO、MM’O2、M2M’O2、MM’Ox、M2M’Ox(x=整数、M=アルカリ、M’=遷移金属又はAlのような他の金属)、LiFe1−yMgyO(y>0.03)のようなマグネシウムをドープしたM2M’Ox、Nb5+をドープしたCaTiO3及びSrTiO3及びNb5+又はTa5+をドープしたPbZrO3のようなドープされたn−タイプ・ペロブスカイト及び関連する化合物、バリウムフェライト、イットリウム鉄ガーネット、ランタン−第VIII族元素化合物のようなn−タイプ・ペロブスカイト、Ni、Cu、Co、Mn、Cr、Zn、Zr、Y、Al、U、Ti、及びFeの金属又は化合物である。カソードは、ナノ粒子を含むかもしれないNiのような多孔性の材料のドーパントを含むかもしれない。そのドーパントは、本開示の酸素還元触媒であるかもしれない。そのカソードは、安定化されるかもしれないNiOを含むかもしれない。安定化の妥当な方法は、コバルトのような安定な金属のような材料でカプセル封入することである。このようにして、酸素還元触媒は、コバルトでカプセル封入されたNiOを含むかもしれない。酸素還元触媒は、カソードとして機能する前に化学的又は熱的な方法又は陽極酸化(anodization)又は陰極化(cathodization)によって酸化のような熱的な、化学的な、又は電気化学的な条件付けを受けるかもしれない。その条件付けはその場でのものであるかもしれない。カソードは、高い電流でオペレーションされるかもしれず、その高い電流は次に減じられるが、ここで前者のステップはカソードを条件付ける。カソードのような電極は、カーボン、炭化物、窒化物、炭窒化物、ニトリル、又はホウ化物、又はこれらの材料の複合材のような導電性マトリクス又は表面被膜を含むかもしれない。1つの実施例において、電気分解アノードは、電極が放電カソードとして機能するとき、放電フェーズの間にO2より高い速度で還元を受けるPdO、AgO、Ag2O、Ag2O3、又はHgOのような酸素を含む化合物又はHOOH又はHOO−のような反応性の高い酸素種を形成する金−パラジウム・ナノ粒子のような触媒を含む。その化合物は、断続的なサイクルの非電気分解放電フェーズに酸素を供給するため、充電及び放電の間に可逆的に形成される金属の酸化物を含む。その化合物は、H2Oのそれよりも低い形成の自由エネルギを持つかもしれない。放電反応は、式(68)によって与えられるかもしれない。カソード・リードのようなリードは、アルカリ電解質のような電解質及び空気又はO2に対して安定である材料であるかもしれない。妥当なリードは、カソードにスポット溶接されるかもしれない金線のような貴金属線である。[Ni、Mo、又はNi又はMo合金及び、オプションとして、透過又は散布のような手段によるH/KOH又はKOH−KBr、/NiO]のようなKOHを含む溶融電解質を含む1つの実施例において、リード線は、Au又はNiを含む。1つの実施例において、溶融又は水性の水酸化物又は混合物のような溶融又は水溶性電解質のような電解質は、酸素還元速度を増加させるようにカソードで形成される酸素イオンの拡散を増大させる添加されたH2Oを含む。セルは、沸点近傍及びそれを超える温度でオペレーションされるように加圧されるかもしれない。水素及び酸素は、電気分解によってその場で発生するかもしれない。H2O、酸素、及び水素の少なくとも1つはまた、加圧されたセルに添加されるかもしれない。セル圧力は、約大気圧以下から500atm又は約2から100atmの範囲内であるかもしれない。もう1つの実施例において、カソードで形成される酸素イオンの拡散速度は、酸素イオンのより高い移動性を容易にする混合物を含むように少なくとも他の1つの塩を使用することにより水酸化物を含むもののようなアルカリ電解質のようなオキシアニオンを含むもののような溶融電解質内において増加させられる。1つの実施例において、電解質は、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、及び、遷移金属、内部遷移金属、希土類金属、及び第III族、第IV族、第V族、及び第V族の金属イオンのような他の金属イオン、の少なくとも1つのような金属イオン及びアニオンの混合物を含む。そのアニオンは、水酸化物、硫酸塩、炭酸塩、硝酸塩、リン酸塩、ハロゲン化物、及び本開示の他のイオンの少なくとも1つを含む。1つの実施例において、酸素イオンの易動度は、電解質における高められたH2O量によって増大する。1つの実施例において、妥当な電解質は、含水性である。妥当な含水塩は、臭化リチウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化亜鉛、炭酸カリウム、リン酸カリウム、KMgCl3・6(H2O)のようなカーナル石、クエン酸鉄アンモニウム、水酸化カリウム、及び水酸化ナトリウムである。酸性の水溶性実施例において、含水電解質は、濃硫酸及びリン酸である
他の実施例において、電解質は、セルのオペレーション条件及び電解質に対して十分に安定である導体を含む。アルカリセルのための妥当な電極は、Niである。他の導電性金属、合金、化合物、又は元素は、C、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Te、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、及び希土類金属の少なくとも1つのような水溶性の塩又は溶融塩である、アルカリ性の、酸性の、又はおよそ中性の電解質と共に使用されるかもしれない。支持された金属及び材料はまた、形状的に安定なアノード及びPt/Ti、Ag−Al2O3、NiO−SiO2−Al2O3、及びPt、Pd又は他の金属又はAl2O3、C、又はゼオライトのようなマトリクスの上に支持される貴金属のような妥当なものである。電解質又は空気との反応で非導電性の酸化被膜を通常形成する材料は、電極が定期的に還元されるかもしれないところ、断続的な電気分解条件の下でのようなセルのオペレーション条件の下で妥当であるかもしれない。例示的な電極は、定期的に電気分解カソード及び放電アノードであるZrである。電極材料は、導体をドープされた非導電体であるかもしれない。カーボン、炭化物、ホウ化物、窒化物、TiCNのようなカルボニトリル、又はニトリルのような他の元素又は化合物は、アノードのような電極を含むかもしれない。妥当な例示的な材料は、カーボンブラック、AC、ZrC、TiC、Ti3SiC2、TiCN、TiN、SiC、YC2、TaC、Mo2C、WC、C、HfC、Cr3C2、ZrC、VC、NbC、B4C、CrB2、ZrB2、GdB2、MgB2、及びTiB2である。材料は、粉末を含むかもしれない。
H2O触媒の生成物としてH2(1/4)の形成に加えて、溶融又は水溶性の水酸化物電解質のようなOH−の源を持つアルカリ溶液を含む反応混合物はまた、分子ハイドリノH2(1/2)のような少なくとも1つの他のハイドリノ生成物を形成するかもしれない。触媒は、O又はHを含むかもしれないが、ここで、各々は、H2(1/2)及びH−(1/2)を形成するように更に反応するかもしれないH(1/2)を形成するため、原子Hから約27.2eVを受け取ることにより触媒としてそれらが機能することを許す27.2eVのポテンシャルエネルギを持つ。加えて、OHは、OHのポテンシャルエネルギが40.9eVであるので、触媒として機能するかもしれない。OHは、アノードで酸化によりOH−から形成されるかもしれない。対応するハイドリノ状態へとHの触媒として機能するH2O及びOHによりH2(1/4)及びH2(1/2)を形成する例示的なセルは、[Mo/LiOH−LiBr/NiO 断続的な電気分解]及び[Ni/LiOH−LiBr/NiO 断続的な電気分解]である。ハイドリノ生成物は、電解質又はアノード・ガスのラマン分光により同定されるかもしれない。
1つの実施例において、触媒形成反応は次のように与えられるかもしれない。
O2+5H++5e− → 2H2O+H(1/p) (121)
対半電池反応は次のようであるかもしれない。
H2 → 2H++2e− (122)
全体反応は次のようであるかもしれない。
3/2H2+1/2O2 → H2O+H(1/p) (123)
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するかもしれない。水素の幾らかがハイドリノを形成するために触媒と反応するところ、水素は、H+の還元によってカソードで発生するかもしれない。その代わりとして、過剰の水素は、ハイドリノを形成するように触媒と反応するように、カソードに供給されるかもしれない。1つの実施例において、温度、O2圧力、H2O圧力、H2圧力、及びH+濃度の少なくとも1つは、ハイドリノの最適な形成という結果となる触媒−形成の半電池反応及び対反応を優先的にするようにコントロールされる。1つの実施例において、25℃でSHEに対するカソード半電池ポテンシャルは、約±0.5Vの範囲内で約1.23Vである。1つの実施例において、SHEに対するアノード半電池ポテンシャルは、約±0.5Vの範囲内で約0Vである。妥当な例示的な半電池反応は、それぞれ、式(121)及び(122)によって与えられる。ハイドリノを形成する全体の反応は式(123)によって与えられるかもしれない。妥当な例示的なセルは、[Pt/C+H2/ナフィオン(Nafion)/Pt/C+空気+H2又は水素化物又は本開示の他のH貯蔵材料のようなH源]及び[Pt/C+H2/H2SO4/Pt/C+空気+H2又は水素化物又は本開示の他のH貯蔵材料のようなH源]ナフィオン(Nafion)のようなセパレータは、水溶性のH2SO4のような酸性の電解質と共に使用されるかもしれない。水素源は、H2OのようなHの源を含む電気分解の断続的電気分解であるかもしれない。
O2+5H++5e− → 2H2O+H(1/p) (121)
対半電池反応は次のようであるかもしれない。
H2 → 2H++2e− (122)
全体反応は次のようであるかもしれない。
3/2H2+1/2O2 → H2O+H(1/p) (123)
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するかもしれない。水素の幾らかがハイドリノを形成するために触媒と反応するところ、水素は、H+の還元によってカソードで発生するかもしれない。その代わりとして、過剰の水素は、ハイドリノを形成するように触媒と反応するように、カソードに供給されるかもしれない。1つの実施例において、温度、O2圧力、H2O圧力、H2圧力、及びH+濃度の少なくとも1つは、ハイドリノの最適な形成という結果となる触媒−形成の半電池反応及び対反応を優先的にするようにコントロールされる。1つの実施例において、25℃でSHEに対するカソード半電池ポテンシャルは、約±0.5Vの範囲内で約1.23Vである。1つの実施例において、SHEに対するアノード半電池ポテンシャルは、約±0.5Vの範囲内で約0Vである。妥当な例示的な半電池反応は、それぞれ、式(121)及び(122)によって与えられる。ハイドリノを形成する全体の反応は式(123)によって与えられるかもしれない。妥当な例示的なセルは、[Pt/C+H2/ナフィオン(Nafion)/Pt/C+空気+H2又は水素化物又は本開示の他のH貯蔵材料のようなH源]及び[Pt/C+H2/H2SO4/Pt/C+空気+H2又は水素化物又は本開示の他のH貯蔵材料のようなH源]ナフィオン(Nafion)のようなセパレータは、水溶性のH2SO4のような酸性の電解質と共に使用されるかもしれない。水素源は、H2OのようなHの源を含む電気分解の断続的電気分解であるかもしれない。
式(123)により与えられる反応を維持するためのプロトン伝導性又は酸性の溶融する又は酸性の水溶性の電解質は、断続的な又はパルス状の電気分解セルを含むかもしれない。式(121)及び(122)で与えられるそれらのような反応は、ガスの交差に続いて、対応する電極上で又は対応する対電極上で、可逆的に起こるかもしれない。
1つの実施例において、電解質は、酸性の水溶液を含むかもしれない。断続的な又はパルス状のサイクルの充電フェーズは、H2及びO2へのH2Oの触媒作用を含むかもしれない。電気分解カソード及びアノード反応は、ハイドリノ形成が非可逆であることを除いて、それぞれ、式(122)及び(121)の逆を含むかもしれない。カソード放電半電池反応は、酸素、H+、及びH2Oの少なくとも1つの還元を含むかもしれない。還元は、式(121)によって与えられるかもしれない。放電中のカソード生成物は、H及びH2Oであるかもしれない。そのH2Oは、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。還元反応に対する過電圧は、25℃及びSHEに対して、半電池電圧が約1.23Vであるようにするかもしれない。アノード放電半電池反応は、H+を形成するように(式(122))H2の酸化を含むかもしれない。1つの実施例において、電解質は、水性の酸性の溶液におけるH+へのH2の酸化に対する還元ポテンシャル(式(122))は、25℃及びSHEに対して約0Vである。電極の上の酸化の過電圧は、酸化半電池反応が約0Vで起こるように、約0Vである。
他の実施例において、触媒は、本開示のそれらのような原子水素からm27.2eVを受け取る種を含むかもしれないが、ここで、その触媒は、半電池種であるかもしれず、或いは、電気分解又は放電のフェーズの間に形成されるかもしれない。ハイドリノは充電及び放電フェーズの少なくとも1つの間に形成される。放電フェーズに関して、還元反応の半電池ポテンシャルは、25℃及びSHEに対して約0.6から1.4Vの範囲内であるかもしれず、又は、約1.23Vであるかもしれない。電気分解−オフ(electrolysis−off)又は放電フェーズの間、電気分解カソード及びアノードの間のセルポテンシャルは、25℃及びSHEに対して、約0.3から2Vの範囲内であるかもしれず、又は、約1.2Vであるかもしれない。上げられた温度を持つ実施例において、これらの室温範囲は、オペレーション温度に対して熱力学的に補正される。
電気分解の間、H+及びO2はアノードで形成され、そして、水素はカソードで形成される。電気分解−オフ(electrolysis−off)又は放電フェーズの間、H2は、電気分解カソードでH+に酸化される(式(122))かもしれず、そして、H+及びO2は、H及びH2Oを形成する(式(121))ため電気分解アノードで還元を受けるかもしれないが、ここで、後者は、電気分解アノードで、ハイドリノを形成するために触媒として機能するかもしれない。このようにして、セルは、サイクルの各フェーズの間に電流の極性を逆転され、充電及び放電の間に一定の極性を維持するかもしれない。出力は、条件づけられた波形又はパワーであるかもしれない。もう1つの実施例において、式(122)で与えられる反応は、ハイドリノ生成物が不可逆であることを除けば、両電極で可逆に起きる。例示的なセルは、[PtTi/H2SO4又はH3PO4(aq)/Pt、断続的電気分解]及び[Pb/H2SO4(aq)/Pb又はPbO 断続的電気分解]である。その酸は、約0.1Mから飽和までのような如何なる所望の濃度であるかもしれない。例示的な濃度は、14.7M H3PO4及び5M H2SO4である。
もう1つの実施例において、ガスは、アノードからカソード及び同様に逆、の少なくとも1つのから、交差するかもしれない。そして、放電の間、O2(式(121))の還元が電気分解カソードで起こり、及び、H2の酸化(式(121))が電気分解アノードで起きるように、半電池反応の少なくとも1つは、切り替えられるかもしれない。そして、電流の極性は一定に保持されるが、電極の電圧極性は、サイクルのフェーズと共に切り換わる。電極スペースは、ガスの交差を容易にするために最小化されるかもしれない。電極は、ナフィオン(Nafion)膜のようなプロトン交換膜のような膜によって分離されるかもしれない。電極間の回路は、電流の一定な極性を維持するようにダイオードを含むかもしれない。実施例において、ハイドリノ形成からのパワーは、消散される電気分解パワーを超えて、過剰な電気的な及び熱的なパワーの少なくとも1つとして発現する。
水性の断続的な電気分解セルの1つの実施例において、以下の例示的な反応によって与えられるように、H+及び酸素は、電気分解アノードで形成されるかもしれず、そして、OH−及びH2は、電気分解カソードで形成されるかもしれない。
電気分解アノード
H2O → 1/2O2+2H++2e− (124)
電気分解カソード
2H2O+2e− → H2→2OH− (125)
溶液反応は以下のようになるかもしれない。
2H++2OH− → 2H2O (126)
全反応は以下のようになるかもしれない。
H2O → H2+1/2O2 (127)
放電フェーズの間、H2O、OH、O2、nH、及びnO(n=整数)の少なくとも1が触媒として機能するかもしれないところ、ハイドリノが形成されるかもしれない。触媒として機能するかもしれないH2Oを形成するための例示的な反応、及びハイドリノは、以下の通りである。
カソード
1/2O2+3H++3e− → H2O+H(1/p) (128)
アノード
H2+OH− → H2O+e−+H(1/p) (129)
溶液の反応は以下の通りであるかもしれない。
3H++3OH− → 3H2O (130)
全体の反応は以下の通りであるかもしれない。
3H2+1/2O2 → H2O+4H(1/p) (131)
電解液は、およそ中性のpHであるかもしれない。およそ中性の妥当な電解質は、水性硝酸塩、硫酸塩、ハロゲン化物、過塩素酸塩、過ヨウ素酸塩、クロム酸塩、及び本開示のその他のもののような強酸の金属塩であるかもしれない。カチオンは、アンモニウム又はアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、希土類金属、第III族金属、第IV族金属、第V族金属、及び第VI族金属のような金属であるかもしれない。濃度は、0.01Mから飽和までのような可溶性である如何なる所望のものであるかもしれない。
電気分解アノード
H2O → 1/2O2+2H++2e− (124)
電気分解カソード
2H2O+2e− → H2→2OH− (125)
溶液反応は以下のようになるかもしれない。
2H++2OH− → 2H2O (126)
全反応は以下のようになるかもしれない。
H2O → H2+1/2O2 (127)
放電フェーズの間、H2O、OH、O2、nH、及びnO(n=整数)の少なくとも1が触媒として機能するかもしれないところ、ハイドリノが形成されるかもしれない。触媒として機能するかもしれないH2Oを形成するための例示的な反応、及びハイドリノは、以下の通りである。
カソード
1/2O2+3H++3e− → H2O+H(1/p) (128)
アノード
H2+OH− → H2O+e−+H(1/p) (129)
溶液の反応は以下の通りであるかもしれない。
3H++3OH− → 3H2O (130)
全体の反応は以下の通りであるかもしれない。
3H2+1/2O2 → H2O+4H(1/p) (131)
電解液は、およそ中性のpHであるかもしれない。およそ中性の妥当な電解質は、水性硝酸塩、硫酸塩、ハロゲン化物、過塩素酸塩、過ヨウ素酸塩、クロム酸塩、及び本開示のその他のもののような強酸の金属塩であるかもしれない。カチオンは、アンモニウム又はアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、希土類金属、第III族金属、第IV族金属、第V族金属、及び第VI族金属のような金属であるかもしれない。濃度は、0.01Mから飽和までのような可溶性である如何なる所望のものであるかもしれない。
断続的な波形は、入力電気に対して出力電気を最適化するものであるかもしれない。断続的な電気分解の頻度は、約0.001Hzから10MHz、約0.01Hzから100kHz、又は約0.01Hzから10kHzの範囲内にあるかもしれない。セルあたりの電気分解電圧は、約0.1Vから100V、約0.3Vから5V、約0.5Vから2V、又は約0.5Vから1.5Vの範囲にあるかもしれない。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気分解の電流は、約1μAcm−2から10Acm−2、約0.1mAcm−2から5Acm−2、及び約1mAcm−2から1Acm−2の範囲内にあるかもしれない。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気分解の電極(power)は、約1μWcm−2から10Wcm−2、約0.1mWcm−2から5Wcm−2、及び約1mWcm−2から1Wcm−2の範囲内にあるかもしれない。断続的な波形は、変化(changing)及び放電の少なくとも1つに対して、一定の電流、電力(power)、又は電圧であるかもしれない。1つの例示的な実施例において、ハイドリノを形成するように活性な電極面積あたりの一定の電流は、約1μAcm−2から1Acm−2の範囲内にあるかもしれず、ハイドリノを形成するように活性な電極面積あたりの一定の電力(power)は、約1mWcm−2から1Wcm−2の範囲内にあるかもしれず、セルあたりの一定の電気分解電圧は、約1Vから20Vの範囲内にあるかもしれず、及び、セルあたりの一定の放電電圧は、約0.1Vから20Vの範囲内にあるかもしれない。電気分解のタイム・インターバルは、約10−4sから10,000s、10−3sから1000s、又は10−2sから100s、又は10−1sから10sの範囲内にあるかもしれない。放電のタイム・インターバルは、約10−4sから10,000s、10−3sから1000s、又は10−2sから100s、又は10−1sから10sの範囲内にあるかもしれない。放電は、一定の又は可変の電流、電圧、及び電力(power)であるかもしれないが、電気分解のそれらと同じ範囲内にあるかもしれない。放電抵抗は、一定又は可変であるかもしれない。それは、約1mΩから100MΩ、約1Ωから1MΩ、及び10Ωkら1kΩの範囲内にあるかもしれない。1つの実施例において、放電電流、電圧、電力(power)、又はタイム・インターバルの少なくとも1つは、サイクルを通してのパワー又はエネルギ・ゲインの少なくとも1つを生じるように、電気分解フェーズのそれよりも大きい。
1つの実施例において、充電及び放電時間の少なくとも1つは、1つの電極から別の電極への種の拡散時間よりも短い。1つの実施例において、その種は、過酸化物、過酸化物イオン、スーパーオキシド、HOOH、HOO−、O、O2 2−、及びO2−の少なくとも1つのような活性な酸素種であるかもしれない。1つの実施例において、充電及び放電時間の少なくとも1つは、約100s、10s、1s、0.1s、0.01s、0.001s、0.0001s、0.01ms、1μs、又は、0.1μsよりも短い。1つの実施例において、充電−放電サイクルの頻度は、放電カソードで形成される活性な種が放電アノードまで移動又は拡散することを許すであろう頻度よりも高い。充電−放電時間は、1sよりも短いかもしれず、例えば、過酸化物イオンのような活性な酸素種の移動が、Mo又はMo合金アノード又は本開示の他のもののようなアノードへの到達又はとの反応を禁止する。ここで、イオンが移動することを引き起こす電流及び電解の電場の少なくとも1つは、アノードへの移動時間よりも早く方向を切り換える。充電の間に反応性の高い酸素種を形成する放電カソードは、酸素種が拡散して放電アノードに着くことを禁止し、且つ、放電アノードを腐食することを禁止するように、放電の間に酸素種を破壊するかもしれない。1つの実施例において、例示的な断続的な充電−放電回路は、当該分野の当業者によって知られる変更又はModel EIS300のそれのようなガムリ装置(Gamry Instruments)のそれであるかもしれない。
1つの実施例において、断続的な充電又は放電電圧、電流、電力(power)、及び負荷の少なくとも1つは、一定又は可変であるかもしれない。パラメータは、電気的なパワー又はエネルギ・ゲインを達成するためにコントロールされるかもしれない。セルあたりのその電気分解電圧は、閾値の上で約0から0.5Vの範囲内のような電流フローに対する閾値の僅かに上又はその閾値であるかもしれない。セルあたりの妥当な電気分解電圧の範囲は、約0.25Vから2V又は0.25Vから1.7Vである。セルあたりの放電電圧は、電気分解電流のそれに対する反対の極性の電流を維持する範囲内であるかもしれない。セルあたりの放電電圧は、約0.01Vから最大の電気分解電圧までの範囲内にあるかもしれない。セルあたりの妥当な放電電圧の範囲は、約0.01Vから2V又は0.01Vから1.7Vである。ハイドリノを形成する活性な電極面積に関し、放電電流は、約1μAcm−2から1Acm−2、0.01mAcm−2から20mAcm−2、又は0.01mAcm−2から10mAcm−2の範囲内にあるかもしれない。放電負荷は、約1μΩから1MΩの範囲にあるかもしれない。妥当な負荷は、電流を約1μAcm−2から1Acm−2、0.01mAcm−2から20mAcm−2、又は0.01mAcm−2から10mAcm−2の範囲内に維持するかもしれない。ハイドリノを形成するだけ活性な電極面積当たりの妥当な負荷の導電率は、約10−5から1000Ω−1cm−2、10−4から100Ω−1cm−2、10−3から10Ω−1cm−2、又は10−2から1Ω−1cm−2の範囲にある。パワーは、妥当な電圧、電流、及び抵抗の少なくとも1つによって決定されるかもしれない。ハイドリノを形成するだけ活性な電極面積当たりの妥当なパワー密度は、約1μWcm−2から1Wcm−2、0.01mWcm−2から20mWcm−2、又は0.01mWcm−2から10mWcm−2の範囲内にある。1つの実施例において、例示的な断続的な充電−放電回路は、当該分野の当業者により知られる変更又はModel BT2000のそれのようなアルビンインストゥルメント社(Arbin Instruments)のそれであるかもしれない。
溶融電解質の1つの実施例において、セル温度は、少なくとも電解質の融点及びそれ以上で維持される。電解質は、ハロゲン化塩のような塩のような少なくとも1つの他の化合物との混合物である溶融水酸化物であるかもしれない。例示的な妥当な水酸化物混合物電解質は、LiOH−LiBr、LiOH−LiX、LiOH−NaOH、LiOH−LiBr−NaOH、NaOH−NaBr、NaOH−NaI、NaOH−NaX、KOH−KX(X=ハロゲン)である。その塩は共晶混合物であるかもしれない。融点を超える温度は、約0から1500℃より高い、0から1000℃より高い、0から500℃より高い、0から250℃より高い、又は0から100℃より高い範囲内にあるかもしれない。セル温度は、ハイドリノ反応の速度をコントロールするセル・オペレーションの間、コントロールされるかもしれない。反応速度は、温度及び反応物組成依存性のある半電池反応の電圧の少なくとも1つを調整することによりコントロールされるかもしれない。1つの実施例において、温度及びH2O、O2、及びH2の少なくとも1つの圧力のような反応物組成及び温度は、ハイドリノ反応の速度をコントロールして半電池電圧を調整するようにしてコントロールできる。水素透過性の膜を含む、1つの実施例において、セルの温度が所望の透過速度を達成するような上げられた温度で維持される。膜材料、厚み、及び水素圧力はまた、所望の透過速度を達成するために選択される。1つの実施例において、セル温度は、約25から2000℃、100から1000℃、200から750℃、又は250から500℃の範囲内にある。もし、セルが、透過膜及び溶融塩電解質を含むならば、セルの温度は、その電解質の融点より上に維持され、そして、所望の透過速度が達成できるレベルに維持される。このようにして、1つの実施例において、セル温度は塩の融点及びより高温の少なくとも1つで維持される。融点を超える温度は、約0から1500℃だけより高い、0から1000℃だけより高い、0から500℃だけより高い、0から250℃だけより高い、又は0から100℃だけより高い範囲において存在するかもしれない。膜の厚みは、約0.0001から0.25cm、0.001から0.1cm、又は0.005から0.05cmの範囲内にあるかもしれない。水素圧力は、約1Torrから500atm、10Torrから100atm、又は100Torrから5atmの範囲に維持されるかもしれない。水素透過速度は、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、又は1X10−9mole s−1 cm−2から1X10−8mole s−1 cm−2の範囲内であるかもしれない。断続的な電気分解セル又は水素散布又はバブリング電極のセル温度は、電解質の融点を超えて維持される。水素電極(表記Ni(H2))がH2散布又はバブリング電極を含むところ、セル[Ni/LiOH−LiBr/Ni+空気;断続的電気分解]又は[Ni(H2)/LiOH−LiBr/Ni+空気]のような約(43%−57%)の共晶混合物を持つ電解質LiOH−LiBrを含む1つの例示的なセルにおいて、共晶電解質の融点は約265℃である。セルは、この温度で又はそれを超えて維持されるかもしれない。H2バブリング又は散布電極の幾何学的面積当たりの水素流れ速度(フロー・レイト)は、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、又は1X10−9mole s−1 cm−2から1X10−8mole s−1 cm−2の範囲内にあるかもしれない。1つの実施例において、対電極での反応の速度は、水素が反応する電極でのそれと合致又はそれを超えている。1つの実施例において、H2O及びO2の少なくとも1つの還元速度は、H又はH2の反応速度を維持するのに十分である。対電極は、十分な速度を支持するのに十分な表面積及び材料を持つ。
電極及び電解質システムは、大気に対して閉鎖された容器内にあるかもしれない。溶融水酸化物塩電解質を含む断続的な電解セルの場合は、セルに供給される水の部分圧力は、過酸化物、スーパーオキシド、及び酸化物の少なくとも1つを形成するそれらのような他のO2及びH2Oの還元反応を超えて、OH−の生成反応を優先的にするようにコントロールされるかもしれない。1つの実施例において、温度、O2圧力、H2O圧力、H2圧力、及びOH−濃度の少なくとも1つは、ハイドリノの最適な形成という結果になるように対反応及び触媒−形成半電池反応を優先的にするようにコントロールされる。1又はそれ以上の対応する反応は、式(90−93)によって与えられるかもしれない。セルは、空気に対して閉鎖されるかもしれない。1つの実施例において、少なくとも1つの半電池反応の酸素は、H2O及びOH−の少なくとも1つの酸化のような電気分解からである。断続的な又はパルス状の電気分解を受ける妥当な例示的なセルは、[Ni(H2)/LiOH−LiBr/Ni]、[Ni(H2)/NaOH−NaBr/Ni]、[Ni(H2)/NaOH−NaI/Ni]、[Ni(H2)/Sr(OH)2/Ni]、及び本開示の類似のセルであるが、ここで、あるH2Oが存在し、且つ、断続的な電気分解がH透過に加えて、又は、置き換わって、水素の源であるかもしれない。H2Oは、ハイドリノを形成するため消費される如何なるものも置換するように追加されるかもしれない。過剰の酸素はまた、取り除かれる。水蒸気圧は、セルに接続される発生器によってコントロールされるかもしれない。H2O蒸気発生器は、H2O蒸気圧をコントロールするようにセル温度のそれより低い温度を持つかもしれない。1つの実施例において、水蒸気発生器は、超音波のもののような霧吹き又は噴霧器を含むかもしれない。H2O蒸気は、希ガス又はN2のような不活性ガスのそれのようなフローによって配達されるかもしれない。そのフローは、キャリアガスを含むかもしれない。H2Oは、キャリアガス内に取り込まれることによって配達されるかもしれない。キャリアガスは、そのキャリアガスがH2O蒸気を含むことを引き起こすようにH2O柱を通してバブリングされるかもしれない。キャリアガス組成、H2O柱高さ、柱温度、ガス圧力、ガス入口サイズ、拡散器の存在及び如何なるオリフィスの数及びサイズは、H2Oを伴うキャリアガスの飽和の所望の度合い及びセル内へとのH2Oフローレイトを達成するために調節される。ガスは再循環されるかもしれない。その代わりとして、H2O質量バランスは、電解質又は半電池反応物の所望のH2O重量%を達成するためにコントロールされるかもしれない。1つの実施例において、LiOHのような水酸化物の揮発のような手段による電解質の損失は、セル温度の低下、上げられたセル圧力の維持、及び少なくとも部分的に閉じられたセルの運用により減少させることができるが、ここで、ガスは、断続的な電気分解及び選択的な方向のフローを備えるラインにより供給されるかもしれない。水蒸気発生器又は水質量バランスはまた、酸性の電解質を持つ閉鎖された断続的に電解セルの水の量及び圧力の少なくとも1つをコントロールするかもしれない。例示的なH2Oを含む反応は式(121−123)によって与えられる。
1つの実施例において、セルへのH2Oの源は、水酸化物のような電解質の脱水であるかもしれない。LiOHのようなアルカリ水酸化物の例示的な反応は、次の通りである。
2LiOH → Li2O+H2O (132)
たとえ、それが、断続的な電気分解、ハイドリノ形成反応、及び熱の少なくとも1つにより供給されるエネルギを持つエネルギー吸収性であったとしても、脱水反応は起きるかもしれない。1つの実施例において、CIHT又は電解セルアノードは、H2Oとのエネルギーを発生する反応を持っている、ハイネス(Hayne)242、MoNi、MoCu、又はMoCoのようなMo又はMo合金のような金属のような材料を含む。H2Oのセル源は、アノードとの全反応においてエネルギ吸収性である脱水反応であるかもしれない。例示的な反応は、Mo酸化物、Li2O、及び水素を形成するためにMoとのLiOHの反応である。そして、セルは、アノードの顕著な劣化なくしてエネルギを形成するための妥当な持続時間、運転されるかもしれない。オペレーション温度のようなセルの条件は、アノードとの実質的な反応なしに電解質が再生され得るであろうように、変化されるかもしれない。例えば、セル温度を低下することができ、そして、H2Oを電解質の再水和の為に添加する。再生されたセルは、典型的なオペレーションの条件で更にオペレーションされるかもしれない。
2LiOH → Li2O+H2O (132)
たとえ、それが、断続的な電気分解、ハイドリノ形成反応、及び熱の少なくとも1つにより供給されるエネルギを持つエネルギー吸収性であったとしても、脱水反応は起きるかもしれない。1つの実施例において、CIHT又は電解セルアノードは、H2Oとのエネルギーを発生する反応を持っている、ハイネス(Hayne)242、MoNi、MoCu、又はMoCoのようなMo又はMo合金のような金属のような材料を含む。H2Oのセル源は、アノードとの全反応においてエネルギ吸収性である脱水反応であるかもしれない。例示的な反応は、Mo酸化物、Li2O、及び水素を形成するためにMoとのLiOHの反応である。そして、セルは、アノードの顕著な劣化なくしてエネルギを形成するための妥当な持続時間、運転されるかもしれない。オペレーション温度のようなセルの条件は、アノードとの実質的な反応なしに電解質が再生され得るであろうように、変化されるかもしれない。例えば、セル温度を低下することができ、そして、H2Oを電解質の再水和の為に添加する。再生されたセルは、典型的なオペレーションの条件で更にオペレーションされるかもしれない。
1つの実施例において、電解質は、LiOHのようなアルカリ水酸化物のような水酸化物を含み、更に、混合物のような脱水された形態を含むが、ここで、Li2Oのような脱水された形態の濃度は、アノードが酸化から安定化されるように、範囲内にある。1つの実施例において、Moアノードのようなアノードは、LiOHのような脱水された形態と反応し、そして、Li2Oのような脱水された形態の存在において安定である。2つの形態の濃度範囲は、酸化ポテンシャルがアノードに酸化に対する安定性を提供するようになっている。濃度範囲は、Hの源が断続的な電気分解からであるかもしれないところ、過剰なエネルギがセルのオペレーションの間に形成されることを提供する。1つの実施例において、電解質はオペレーションの間に、さらに脱水された形態になるかもしれない。電解質は、連続的に又は定期的に又は断続的に水和されるかもしれない。後者の場合は、H2O添加が、水和の間にMoアノードのようなアノードが酸化するのを防止するために、オペレーション温度よりも低い温度で起きるかもしれない。一旦再水和されると、セルは、標準のより高いオペレーション温度迄加熱され、そこで、オペレーションされるかもしれない。電解質は、LiBrのようなアルカリハロゲン化物のようなハロゲン化物のような他の塩の少なくとも1つ、脱水された形態、及び水酸化物の混合物を更に含むかもしれない。
1つの実施例において、断続的な電解セルのセルは、スタック状態に配列される。各セルは、溶融水酸化物のような溶融電解質、及び、オプションとして、水性のアルカリ電解質のような溶融水性電解質又は他の塩の少なくとも1つを含むかもしれない。各セルのカソードは、空気又は酸素電極を含むかもしれない。実施例において、セルの酸素の源は、空気、外部酸素、及び電解的に発生された酸素の少なくとも1つである。1つの実施例において、カソードは、空気又はO2ガスのような酸素の源に曝される部分を少なくとも含むかもしれない。暴露される部分は、カソード−電解質界面で電解質内に、O2又は還元されたO2が流れることを許すようなセルスタック及び電解質から延びてくるかもしれない。もう1つの実施例において、セルは、閉じられているかもしれず、水素及び酸素は電気分解的に発生されるかもしれない。そのシステムは、所望の上げられた温度でスタックを維持するためのヒータを含むかもしれない。その温度は、溶融電解質の融点より高い又は融点くらいであるかもしれない。1つの実施例において、セルは、ゼリーロール又はスイスロール設計を含む。1つの実施例において、セパレータ又はスペーサ及び電解質は、巻き上げられるシートを含むかもしれない電極の間で適用される。ゼリーロール又はスイスロールセルは、密閉されているかもしれない。セルは、電気分解によって供給される酸素ときつく巻かれるかもしれない。1つの実施例において、カソードのような酸素還元電極は、電解質中に十分に漬け込まれるかもしれない。水素及び酸素を供給する断続的な電気分解電極は、金属、カーボン、炭化物、ホウ化物、窒化物、及びカルボニトリルの群から選択される異なる電極のような本開示の異なる材料又は異なる金属のような異なる材料であるかもしれない。カソード材料は、電気分解の間、酸素を吸収するかもしれず、そして、断続的なサイクルの放電フェーズの間、それを開放するかもしれない。
1つの実施例において、25℃及びSHEに対する触媒を形成する半電池反応の弾圧は、約1.2Vである。妥当な電圧は、SHE及び25℃に対して、約1.5Vから0.75V、1.3Vから0.9V、及び1.25Vから1.1Vの範囲内にある。妥当な反応は、式(90)及び(121)により与えられるそれらのようなH2Oを形成するそれらである。1つの実施例において、セルの理論電圧は、約0Vである。セル反応は、カソードで水のOH−及びH2への還元、及び、アノードでのOH−及び1/2H2がH2Oになる反応を含むかもしれない。1つの実施例において、約0Vの理論セル電圧を持つセルの反応は、0Vよりも大きいくらいの理論セル電圧を持つような少なくとも他のもので起きる。1つの例示的な実施例において、セル反応は、カソードでの水のOH−及びH2への還元、及び、アノードでのOH−及び1/2H2のH2Oへの反応で、理論セル電圧が約0Vのものを含むかもしれず、そして、理論的なセル電圧を持つ水を形成する正味のセル反応(式(93))は、0Vよりも大きい。
もう1つの実施例において、少なくとも1つの電極の表面積は、連続的な蒸着(CVD)のような蒸着技術、スパッタリング、プラズマ蒸着、原子層堆積(ALD)、プラズマ溶射のような物理的気相成長法(PVD)、陰極アーク蒸着法、電子ビーム物理蒸着、蒸着、パルス状レーザ蒸着、及びスパッタ蒸着、化学気相蒸着(CVD)、有機金属気相エピタキシー(MOVDE)、及び有機金属化学気相蒸着(MOCVD)を適用することにより金属ブラック被膜のようなコーティングを適用することにより増加する。他の妥当な方法は、溶射、ペンキの刷毛塗り、メイヤー・ロッド・アプリケーション、スクリーン印刷、スピンコート、ウェット・レーイング、及びテープキャストを含む。他の実施例において、電解質層は、当該分野において知られる他の方法又はこれらによって、適用されるかもしれない。
1つの実施例において、O2、O3、O3 +、O3 −、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH−、HOOH、OOH−、O−、O2−、O2 −、及びO2 2−の少なくとも1つのような酸素種は、ハイドリノを形成するため触媒として機能するOH及びH2Oの少なくとも1つを形成するように、H2、H、H+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH−、HOOH、及びOOH−の少なくとも1つのようなH種との酸化の反応を受けるかもしれない。H種の源は、LaNi5H6のような水素化物、水酸化物、又はオキシ水酸化物化合物のような化合物、H2又はH2の源、Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Fe(H2)、又はNb(H2)のような水素透過性の膜、及び電解質の断続的な電気分解からの、少なくとも1つであるかもしれない。酸素種は、カソードでH2O又はO2の還元反応により供給されるかもしれない。酸素の源は、電解質の断続的な電気分解からかもしれない。O種のO2の源は空気からであるかもしれない。その代わりとして、O種はセルに供給されるかもしれない。OH−、HOOH、OOH−、O−、O2−、O2 −、及びO2 2−のようなO種の妥当な源は、酸化物、アルカリ金属のそれらのような過酸化物、アルカリ及びアルカリ土類金属のそれらのようなスーパーオキシド、水酸化物、及び本開示のそれらのようなオキシ水酸化物である。例示的な酸化物は、NiO及びCoOのような遷移金属、SnOのようなSn、Li2O、Na2O、及びK2Oのようなアルカリ金属、及び、MgO、CaO、SrO、及びBaOのようなアルカリ土類金属のそれらである。NiO又はCoOのような酸素の源は、溶融塩電解質に添加されるかもしれない。更なる例示的な酸化物は、Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、及びWからなる群からの1つである。例示的なセルは、[Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Fe(H2)、又はNb(H2)又はLaNi5H6のような水素化物/LiOH−NaOH、LiOH−LiX、NaOH−NaX(X=ハロゲン又は硝酸塩)のようなアルカリ水酸化物を含む共晶塩電解質又はLiOH−Li2X又はNaOH−Na2X(X=硫酸塩又は炭酸塩)及びLi2O、Na2O、K2O、MgO、CaO、SrO、又は BaO、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、又はWの酸化物、アルカリ金属のそれらのような過酸化物、又はアルカリ及びアルカリ土類金属のスーパーオキシド/Ni又はアノードのそれと同じであるかもしれない他の金属]である。他の実施例において、H透過性の電極は、放電の間アノードとして機能する断続的な電気分解電極を含む。
1つの実施例において、OH−は、ハイドリノを形成するようにHに対する触媒として機能するかもしれないH2Oを形成するように、アノードで、酸化され、Hと反応するかもしれない。Hは、ライン642及びレギュレータ644を通って流れ、タンク又は供給640のような水素源から(図5)、Ni、Ti、V、Nb、Pd、PdAg、又はFeのような膜を通して透過するかもしれないH2又はLaNi5H6のような水素化物のような源からかもしれない。その源は、実質的に純粋なH2を供給するため、H2及びO2セパレータを備える水性の電解質セル640であるかもしれない。H2Oは、カソードでH2及びOH−に還元されるかもしれない。H2の形成は、溶融電解質のような電解質の断続的な電気分解によるかもしれない。図5に示される1つの実施例において、CIHTセルは、H2O及びH2の収集及びれサイクルシステムを含む。CIHT650セルは、容器651、カソード652、アノード653、負荷654、電解質655、及び、アノードで形成されるようなCIHTセルからのH2O蒸気を収集するシステム657を含む。H2O収集システムは、H2O収集チャンバ658へとセルから蒸気通路659を通ってH2O蒸気を受け取るセルに接続される第1のチャンバを含む。収集システムは、H2O吸収及びH2O冷却器660の少なくとも1つを含む。収集された水は、収集した水をヒータ665で加熱することにより作られた圧力によって、又は、ポンプ663によって支援され、通路661を通るH2O蒸気又は液体の水として、CIHTセルに戻されるかもしれない。水のフロー及び如何なる蒸気の圧力は、ゲージ669によってモニタされ、バルブ666、667、及び668によりチャンバ内でコントロールされるかもしれない。水は、戻されたH2Oに対して多孔性であるカソードに戻されるかもしれない。CIHTセルは更に、CIHTセルからH2を収集するためのシステム671を含む。H2収集システムは、H2ゲッタ673を含む第2のチャンバ672を含むが、ここで、カソードで形成されたH2及びアノード源からの未反応のH2が、H2ゲッタによって集められるかもしれない。H2O収集システムによって少なくとも部分的に取り除かれた水を持つH2は、ガス通路675を通って第1のチャンバから第2へと流れる。1つの実施例において、H2の選択的な膜は、H2Oが第2のチャンバに入らないように、そして、ゲッタと反応しないように、チャンバの間に存在する。ゲッタは、遷移金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、内部遷移金属、希土類金属、金属の組合せ、合金、及び本開示のそれらのような水素貯蔵材料を含むかもしれない。収集されたH2は、ヒータ680でゲッタ又は収集H2を加熱することにより作られる圧力により又はポンプ678により支援されて通路676を通ってCIHTセルに戻されるかもしれない。H2の流れおよび圧力がゲージ684によって監視バルブ681及び682によりチャンバ内に制御されるかもしれない。ゲッタは、ヒータがH2を再吸収するために妥当な温度においてそれを維持するところ、バルブ682をセルに対して閉じ及びバルブ681を開けて、水素を集めるかもしれない。そして、バルブ681は閉じられて、ゲージ684で測定される所望の圧力に合わせて水素が開放されるような温度にまで温度を上昇させるかもしれない。バルブ682は、セルへ加圧された水素が流れることを許すように開けられるかもしれない。フローは、H2透過性の壁を含むアノード653へであるかもしれない。バルブ682は閉じられ、ヒータ680が温度において低下され、そして、バルブ681は、繰り返されるサイクルにおいて、ゲッタ673でH2を集めるように開けられるかもしれない。1つの実施例において、ヒータ、バルブ、及びゲージへの電力(power)は、CIHTセルによって供給されるかもしれない。1つの実施例において、収集システム及びセルの間の温度差は、H2又はH2Oをセルに導入するときに、所望の圧力を達成するように使用されるかもしれない。例えば、H2は、シールされたチャンバ内の第1の温度及び圧力であるかもしれないが、このチャンバは、より高い塩温度での第2のより高い圧力を達成するため熱い塩の中に浸けられる。1つの実施例において、CIHTセルは、共通のガス・マニホールドを通して水素が供給されるかもしれない複数の水素透過性のアノードを含む。
図5において示される1つの実施例において、O2源は、空気、O2、酸化物、H2O、HOOH、水酸化物、及びオキシ水酸化物の少なくとも1つのようなカソード652で供給される。酸素の源は、テフロン(登録商標)のような膜はO2透過性であるが、選択的なバルブ又は複数の膜646を通してセルへと供給されるかもしれない。システム671がH2透過性のアノード653を通してのようにセルへと未使用の水素を集めて、戻すところ、システム657は、窒素、水蒸気、及び酸素の少なくとも1つのような他のセルのガス及びH2のセパレータを含む。システム657は水を凝縮するかもしれない。システム667は、加えて又はオプションとして、選択的なH2透過膜及びバルブ668を含むかもしれない。このバルブ668は、O2、N2、及び多分水を保持し、及び、H2が選択的にシステム671へと通過することを許すシステム657の出口にあるかもしれない。1つの実施例において、水の蒸気圧は、セルのパワー出力をコントロールするためにセル及びカソード651の1又はそれ以上で、コントロールされる。
1つの実施例において、H2透過性の電極は、H2バブリングアノード653で置き換えられる。H2は、678のような少なくとも1つのポンプを用いてH2Oを取り除くことなく、リサイクルされるかもしれない。もし、酸素がO2多孔性のカソード652で又は膜646又は選択的なバルブを通してセルに供給されるのであれば、システム657によって、H2からそれが取り除かれるかもしれない。散布により、H2、H2O、空気、及びO2の少なくとも1つが供給される例示的な多孔性の電極は、外側のアルミナチューブ内で、Ni多孔性体(セルメット#6、住友電気工業株式会社)のしっかりと結合されたアセンブリを含む。もし空気がセルに供給されるならば、N2はオプションとして、再循環されるH2ガスから取り除かれる。H2は、H2Oの電気分解から置換されるかもしれない。電気分解のための電力(power)は、CIHTセルからであるかもしれない。
透過及びバブリングアノードのための水素透過速度又は流速(フローレイト)は、それぞれ、水を形成するため水素及び酸素の従来の反応に対するハイドリノ反応により、パワーゲインを最適化するようにコントロールされる。電解質に曝される外部表面の物理的寸法により定義されるそれのような活性な表面積を考慮して、妥当なフローレイトは、約10−12から10−2moles cm−2 s−1、約10−11から10−6moles cm−2 s−1、約10−10から10−7moles cm−2 s−1、及び約10−9から10−8moles cm−2 s−1の範囲の内にある。O2、H2O、及び空気内のようなO2及びH2Oの混合物の少なくとも1つのカソード還元速度は、アノードでの与えられる水素透過又はフローレイトのセル反応を維持するように如何なる望ましい速度であるかもしれない。有効表面あたりの電流として表される妥当な還元速度は、約0.001から1000mAcm−2、約0.1から100mAcm−2、及び約0.5から10mAcm−2の範囲の内にある。1つの実施例において、カソード・ガスは、O2、H2O、及びN2の混合物を含むかもしれない。モル分率は如何なる所望のものであるかもしれない。妥当なモル分率は、およそ空気(O2〜20%、N2〜80、H2O〜0.5−3%)のそれであるが、しかし、如何なる付与の成分は、約0.1から99mole%の範囲内にあることにより変化させられるかもしれない。他の実施例において、O2/N2/H2Omole%は、それぞれ、約1から99%、1から99%、及び0.0001から99%であり、全体は約100%からなる。空気のArのような他のガスは、同様に存在するかもしれない。1つの実施例において、CO2は、セルに入るガスから取り除かれる。
1つの実施例において、nH、O、nO、OH、及びH2O(n=整数)の少なくとも1つは、触媒として機能するかもしれない。Hは、OH及びH2Oの少なくとも1つを形成するため酸素の源と反応するかもしれない。酸素の源は、オキシアニオンであるかもしれない。電解質は、オキシアニオンを含む化合物を含むかもしれない。例示的な妥当なオキシアニオンは、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩、クロム酸、重クロム酸塩、過塩素酸塩、及び過ヨウ素酸塩である。一般に、単独で又は組合せて酸素の源として機能する例示的な妥当な化合物は、MNO3、MNO、MNO2、MOH、M2CO3、MHCO3、M2SO4、MHSO4、M3PO4、M2HPO4、MH2PO4、M2MoO4、MNbO3、M2B4O7(M四ホウ酸塩)、MBO2、M2WO4、M2CrO4、M2Cr2O7、M2TiO3、MZrO3、MAlO2、MCoO2、MGaO2、M2GeO3、MMn2O4、M4SiO4、M2SiO3、MTaO3、MVO3、MIO3、MFeO2、MIO4、MClO4、MScOn、MTiOn、MVOn、MCrOn、MCr2On、MMn2On、MFeOn、MCoOn、MNiOn、MNi2On、MCuOn、MZnOn、(Mはアルカリ又はアンモニウムであり、n=1、2,3、又は4;Mはアルカリ土類、遷移、内部遷移、又は希土類金属カチオンのようなもう1つのカチオン、又は第13族から第16族のカチオンであるかもしれない)、及びM酢酸塩又はMカルボン酸塩のような有機塩基性塩である。ハイドリノを形成するための触媒として、OH及びH2Oの少なくとも1つを形成するための反応は、オキシアニオンの酸化反応として起きるかもしれない。その反応は、Hとの反応を更に含むかもしれない。その反応はアノードで起きるかもしれない。Hの存在下でOH及びH2O触媒の少なくとも1つの形成は、触媒によるHのハイドリノへの触媒反応という結果になる。Eが元素又は化合物を意味するところ例示的な一般反応は、以下の通りである。
アノード
OH−+H → H2O+e− (133)
EOx n−+2H → H2O+EOx−1 (n−m)−+me− (134)
EHyOx n−+H → H2O+EHy−1Ox−1 (n−m)−+me− (134)
カソード
EOx−1 (n−m)−+me−+1/2O2
→ EOx n− (136)
EHy−1Ox−1 (n−m)−+(m+1)e−+H2O
+1/2O2+EHyOx n−+OH− (137)
O2+2H2O+4e− → 4OH− (138)
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、触媒H2Oを形成する妥当な反応は以下の通りである。
アノード
CO3 2−+2H → H2O+CO2+2e− (139)
カソード
CO2+1/2O2+2e− → CO3 2− (140)
その代わりとして、水素は、以下のようなメカニズムで更に反応する対応する水素化物を形成する様にNi又はCoのような金属M’を含むかもしれないアノードと反応するかもしれない。
アノード
2M+H2→ 2MH (141)
MH+CO3 2− → OH−+CO2+e− (142)
2MH+OH− → 2M+H2O+e−+H(1/p) (143)
MH+1/2H2+OH− → M+H2O+e−+H(1/p) (144)
類似の反応が他のオキシアニオンに対して起きるかもしれない。他の実施例において、もう一つのオキシアニオン及びガスのような対応する酸化された種は、それぞれ、CO3 2−及びCO2を置換する。例示的なアニオン及びガス又は化合物は、それぞれ、SO4 2−,NO3 −,及びPO4 3−及びSO2,NO2,及びP2O5である。セルは、CO2、SO2、又はNO2のような生成物ガス又は化合物の供給を受けるかもしれない。その代わりとして、CO2、SO2、又はNO2のようなガス又は化合物は、セルにおいてリサイクルされるかもしれない。セルは、添加される空気及びオプションとしてO2及びH2Oの少なくとも1つにオープンなそれのようなオープンセルを維持しつつ、ガス又は化合物を保持する半透過性の膜のような手段を含む。セルは、O2及びH2Oのようなこれらのガスを供給するラインをも含むかもしれない。そのラインは、オキシアニオン酸化生成物の逃避を防止するように方向性のあるフローを維持するバルブを持つかもしれない。1つの実施例において、酸化生成物は、S又はPのような元素又は化合物である。その生成物は、リン化物の硫化物のような対応する化合物を形成するように還元を受けるかもしれない。その代わりとして、生成物は、SO4 2−又はPO4 3−のようなオリジナルの反応物オキシアニオンのようなオキシアニオンを形成するようにセルに供給される酸素と反応する。セルは、酸素及び水素がその場で生成されるところ、断続的な電気分解の場合において、閉鎖又は半閉鎖状態であるかもしれない。そして、作られたガスが、ハイドリノを形成するように水素の源及び電解質を維持するように定期的に添加されるかもしれない。CO2、SO2、又はNO2のようなガスは内部的にリサイクルされるかもしれない。
アノード
OH−+H → H2O+e− (133)
EOx n−+2H → H2O+EOx−1 (n−m)−+me− (134)
EHyOx n−+H → H2O+EHy−1Ox−1 (n−m)−+me− (134)
カソード
EOx−1 (n−m)−+me−+1/2O2
→ EOx n− (136)
EHy−1Ox−1 (n−m)−+(m+1)e−+H2O
+1/2O2+EHyOx n−+OH− (137)
O2+2H2O+4e− → 4OH− (138)
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、触媒H2Oを形成する妥当な反応は以下の通りである。
アノード
CO3 2−+2H → H2O+CO2+2e− (139)
カソード
CO2+1/2O2+2e− → CO3 2− (140)
その代わりとして、水素は、以下のようなメカニズムで更に反応する対応する水素化物を形成する様にNi又はCoのような金属M’を含むかもしれないアノードと反応するかもしれない。
アノード
2M+H2→ 2MH (141)
MH+CO3 2− → OH−+CO2+e− (142)
2MH+OH− → 2M+H2O+e−+H(1/p) (143)
MH+1/2H2+OH− → M+H2O+e−+H(1/p) (144)
類似の反応が他のオキシアニオンに対して起きるかもしれない。他の実施例において、もう一つのオキシアニオン及びガスのような対応する酸化された種は、それぞれ、CO3 2−及びCO2を置換する。例示的なアニオン及びガス又は化合物は、それぞれ、SO4 2−,NO3 −,及びPO4 3−及びSO2,NO2,及びP2O5である。セルは、CO2、SO2、又はNO2のような生成物ガス又は化合物の供給を受けるかもしれない。その代わりとして、CO2、SO2、又はNO2のようなガス又は化合物は、セルにおいてリサイクルされるかもしれない。セルは、添加される空気及びオプションとしてO2及びH2Oの少なくとも1つにオープンなそれのようなオープンセルを維持しつつ、ガス又は化合物を保持する半透過性の膜のような手段を含む。セルは、O2及びH2Oのようなこれらのガスを供給するラインをも含むかもしれない。そのラインは、オキシアニオン酸化生成物の逃避を防止するように方向性のあるフローを維持するバルブを持つかもしれない。1つの実施例において、酸化生成物は、S又はPのような元素又は化合物である。その生成物は、リン化物の硫化物のような対応する化合物を形成するように還元を受けるかもしれない。その代わりとして、生成物は、SO4 2−又はPO4 3−のようなオリジナルの反応物オキシアニオンのようなオキシアニオンを形成するようにセルに供給される酸素と反応する。セルは、酸素及び水素がその場で生成されるところ、断続的な電気分解の場合において、閉鎖又は半閉鎖状態であるかもしれない。そして、作られたガスが、ハイドリノを形成するように水素の源及び電解質を維持するように定期的に添加されるかもしれない。CO2、SO2、又はNO2のようなガスは内部的にリサイクルされるかもしれない。
エネルギの生成及び化合物及びより低いエネルギの水素種の生成の少なくとも1つのためにハイドリノを形成する1つの実施例において、反応混合物は、H2O触媒のような本開示のそれらのようなH及びOの少なくとも1つを含む触媒の源及び原子水素の源を含む。原子水素は、解離によってH2ガスから形成されるかもしれない。水素解離剤は、Al2O3又はカーボンの上のPt又はPd又はNiのような支持体の上のR−Ni又は貴金属又は遷移金属のような本開示のそれらの1つであるかもしれない。その代わりとして、原子Hは、本開示のそれらのような膜を通してH透過からであるかもしれない。1つの実施例において、セルは、H2O拡散のようなもう1つの種の拡散を防止しつつ、選択的にH2にそれを通って拡散することを許すセラミック膜のような膜を含む。
電解質は、水溶液又は溶融塩を含むかもしれない。
水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩、クロム酸塩、重クロム酸塩、過塩素酸塩、過ヨウ素酸塩、及び混合物の少なくとも1つのような電解質は、表4の共晶塩混合物の少なくとも1つのような共晶混合物、本開示の更なる混合物の少なくとも1つ、又は当該分野において知られる混合物を含むかもしれない。セルは、水素、水、及び酸素の源を含むかもしれない。水は、H2O、HOD、D2O、T2O、DOT、及びHOTの少なくとも1つのような水素、ジュウテリウム、トリチウムの少なくとも1つを含むかもしれない。例示的な共晶塩混合物は、アルカリハロゲン化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、及び水酸化物から少なくとも2つである。溶融電解質は、セルへの液体の水又は蒸気として供給有される又は大気中から吸収されるそれらであるかもしれないH2Oの源を更に含むかもしれない。セルはオープンセルを含むかもしれない。酸素は、大気から、ガスとして供給されて、又はH2Oの断続的な電気分解からであるかもしれない。水素の源は、あるH2Oを含む電解質の電気分解のような水素の源の断続的な電気分解によって、又はバブリング又は散布、透過のような手段によって、ガスとして供給されるかもしれない。1つの実施例において、セルオペレーション温度は、容器又は電極の腐食のような腐食を引き起こすであろうそれよりも下である。例示的なセルは、[Ni(H2)/MNO3、MNO、MNO2、MOH、M2CO3、MHCO3、M2SO4、MHSO4、M3PO4、M2HPO4、MH2PO4、M2MoO4、MNbO3、M2B4O7(M四ホウ酸塩)、MBO2、M2WO4、M2CrO4、M2Cr2O7、M2TiO3、MZrO3、MAlO2、MCoO2、MGaO2、M2GeO3、MMn2O4、M4SiO4、M2SiO3、MTaO3、MVO3、MIO3、MFeO2、MIO4、MClO4、MScOn、MTiOn、MVOn、MCrOn、MCr2On、MMn2On、MFeOn、MCoOn、MNiOn、MNi2On、MCuOn、MZnOn、(Mはアルカリ又はアンモニウム、及びn=1、2,3、又は4)の1又はそれ以上の水性又は共晶塩電解質/Ni+空気]であるが、ここで、水素電極は、透過、散布、又は断続的な電気分解電極である。追加の例は、[Ni/LiOH−Li2SO4/Ni+空気 断続的な充電−放電]、[Ni/LiOH−Li2SO4(aq)/Ni+空気 断続的な充電−放電]、[Ni又はPtTi/NH4OH(aq)/Ni又はPtTi+空気 断続的な充電−放電]、[Ni/Sr(OH)2又はBa(OH)2(aq)/Ni+空気 断続的な充電−放電]、[PtTi又はNi/K2CO3(aq)/Ni又はPtTi+空気 断続的な充電−放電]、及び[PtTi又はPd/LiOH(aq)/Pd又はPtTi+空気 断続的な充電−放電]である。
水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩、クロム酸塩、重クロム酸塩、過塩素酸塩、過ヨウ素酸塩、及び混合物の少なくとも1つのような電解質は、表4の共晶塩混合物の少なくとも1つのような共晶混合物、本開示の更なる混合物の少なくとも1つ、又は当該分野において知られる混合物を含むかもしれない。セルは、水素、水、及び酸素の源を含むかもしれない。水は、H2O、HOD、D2O、T2O、DOT、及びHOTの少なくとも1つのような水素、ジュウテリウム、トリチウムの少なくとも1つを含むかもしれない。例示的な共晶塩混合物は、アルカリハロゲン化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、及び水酸化物から少なくとも2つである。溶融電解質は、セルへの液体の水又は蒸気として供給有される又は大気中から吸収されるそれらであるかもしれないH2Oの源を更に含むかもしれない。セルはオープンセルを含むかもしれない。酸素は、大気から、ガスとして供給されて、又はH2Oの断続的な電気分解からであるかもしれない。水素の源は、あるH2Oを含む電解質の電気分解のような水素の源の断続的な電気分解によって、又はバブリング又は散布、透過のような手段によって、ガスとして供給されるかもしれない。1つの実施例において、セルオペレーション温度は、容器又は電極の腐食のような腐食を引き起こすであろうそれよりも下である。例示的なセルは、[Ni(H2)/MNO3、MNO、MNO2、MOH、M2CO3、MHCO3、M2SO4、MHSO4、M3PO4、M2HPO4、MH2PO4、M2MoO4、MNbO3、M2B4O7(M四ホウ酸塩)、MBO2、M2WO4、M2CrO4、M2Cr2O7、M2TiO3、MZrO3、MAlO2、MCoO2、MGaO2、M2GeO3、MMn2O4、M4SiO4、M2SiO3、MTaO3、MVO3、MIO3、MFeO2、MIO4、MClO4、MScOn、MTiOn、MVOn、MCrOn、MCr2On、MMn2On、MFeOn、MCoOn、MNiOn、MNi2On、MCuOn、MZnOn、(Mはアルカリ又はアンモニウム、及びn=1、2,3、又は4)の1又はそれ以上の水性又は共晶塩電解質/Ni+空気]であるが、ここで、水素電極は、透過、散布、又は断続的な電気分解電極である。追加の例は、[Ni/LiOH−Li2SO4/Ni+空気 断続的な充電−放電]、[Ni/LiOH−Li2SO4(aq)/Ni+空気 断続的な充電−放電]、[Ni又はPtTi/NH4OH(aq)/Ni又はPtTi+空気 断続的な充電−放電]、[Ni/Sr(OH)2又はBa(OH)2(aq)/Ni+空気 断続的な充電−放電]、[PtTi又はNi/K2CO3(aq)/Ni又はPtTi+空気 断続的な充電−放電]、及び[PtTi又はPd/LiOH(aq)/Pd又はPtTi+空気 断続的な充電−放電]である。
ハイドリノを形成することにより熱的な及び電気的なエネルギの少なくとも1つを生産するCIHTセル実施例において、H反応は、Hの在庫の一部が繰り返される反応の各サイクル毎にハイドリノに変換されることを除けば、H反応は再生的である。水和した溶融又は水性の電解質であるかもしれないK2CO3のような電解質から水素及び炭酸塩の例示的な反応は次の通りである。
CO3 2−+H2O → 2OH−+CO2 (145)
アノード
OH−+1/2H2 → H2O+e− (146)
カソード
CO2+H2O+2e− → CO3 2−+H2 (147)
アノード反応は、触媒として機能するH2OへのCO3 2−の酸化を含む式(139)によって与えられるかもしれない。正味のHの幾らかは、nH、O、nO、OH、及びH2O(n=整数)の少なくとも1つが触媒として機能するかもしれないところ、H(1/p)に変換される。水素の源は、透過、散布、又はバブリングの少なくとも1つと断続的な電気分解とであるかもしれない。その反応は、熱のパワー生成実施例におけるような電極が存在しない場合に、協奏的な様式で起こるかもしれない。特定の熱的な実施例は、K2CO3のようなアルカリ炭酸塩のような炭酸塩を含む第2の反応チャンバへと透過により水素を供給する水素透過性の膜及び水素加圧チャンバを含む。
CO3 2−+H2O → 2OH−+CO2 (145)
アノード
OH−+1/2H2 → H2O+e− (146)
カソード
CO2+H2O+2e− → CO3 2−+H2 (147)
アノード反応は、触媒として機能するH2OへのCO3 2−の酸化を含む式(139)によって与えられるかもしれない。正味のHの幾らかは、nH、O、nO、OH、及びH2O(n=整数)の少なくとも1つが触媒として機能するかもしれないところ、H(1/p)に変換される。水素の源は、透過、散布、又はバブリングの少なくとも1つと断続的な電気分解とであるかもしれない。その反応は、熱のパワー生成実施例におけるような電極が存在しない場合に、協奏的な様式で起こるかもしれない。特定の熱的な実施例は、K2CO3のようなアルカリ炭酸塩のような炭酸塩を含む第2の反応チャンバへと透過により水素を供給する水素透過性の膜及び水素加圧チャンバを含む。
1つの実施例において、CIHTセルは、電気及び熱的なエネルギが負荷に対して発生させられるところ、コージェネレーションシステム(cogeneration system)を含む。電気的な及び熱的な負荷の少なくとも1つは、内部的及び外部的の少なくとも1つであるかもしれない。例えば、ハイドリノを形成することにより発生される熱的な又は電気的なエネルギの少なくとも一部は、溶融塩電解質又は溶融反応物を含むCIHTセルの溶融塩のそれのようなセル温度を維持するかもしれない。電気的なエネルギは、生成物から最初のセル反応物を再生するために電気分解電力(power)を少なくとも部分的に供給するかもしれない。1つの実施例において、水性の又は溶融塩電解質は、熱を除き、そして、それを究極的に負荷に移動させる熱交換器の上に、又は、を通してポンプで運ばれるかもしれない。
ある特定の実施例において、より低いエネルギの水素を形成する反応を維持し、及び反応物を再生する、ここに開示される、パワー、化学的、バッテリ及び燃料電池システムは、ハイドリノを形成する際に消費される水素が置換される必要があり、この消費される水素燃料が水の電気分解から得られるかもしれないことを除き、閉じられ得る。燃料電池は、商用電源、コジェネレーション、原動力、海洋動力、航空機のような電気的なパワー発生のような広い応用の為に使用されるかもしれない。後者の場合、CIHTセルは、電気自動車のためのパワー貯蔵としてバッテリを充電するかもしれない。
パワーは、カソード及びアノード半電池反応物及び反応条件をコントロールすることによりコントロールされるかもしれない。妥当なコントロールされるパラメータは、水素圧力及びオペレーション温度である。燃料電池は、スタックを含む複数のセルの要素であるかもしれない。燃料電池の要素は、積み重ねられるかもしれず、そして、各ジャンクションでの相互接続により順次相互接続されるかもしれない。相互接続は、金属製又はセラミック製であるかもしれない。妥当な相互接続は、電気的に導電性の金属、セラミックス、及び金属−セラミックス複合材である。
1つの実施例において、セルは、酸化−還元反応生成物及びハイドリノ生成物の少なくとも1つが、生成物抑制を除去するために取り除かれるようにする、オプションである印加電圧に関する極性において、周期的に逆転される。生成物もまた、それぞれ超音波及び加熱のような物理的な及び熱的な方法によって取り除かれるかもしれない。1つの実施例において、電解質は、取り除かれ、ハイドリノを取り除くための加熱のような手段により処理され、そして、置換されるかもしれない。溶融塩又は水性の塩のような電解質は、流されるかもしれず、そして、処理がバッチ又は流れ(フロー)条件の下で起こるかもしれない。
1つの実施例において、セルは、権限を与えられていない又はライセンスされていない行為を制限するように使用されるかもしれないモニタ及びコントロールシステムを含む。そのシステムは、データを遠くに送ることができるモニタを含むかもしれない。そのシステムは遠隔測定ができるかもしれない。そのシステムは動作しないようにされることができるかもしれない。そのシステムは、遠隔で操作不要にできるかもしれない。
XI.化学反応器
本開示はまた、ハイドリノ分子及びハイドリノ水素化物化合物のような、本開示の増大された結合エネルギの水素種及び化合物を生産するための他の反応器(リアクタ)にも関する。更に、触媒反応の生成物は、セルのタイプに依存して、パワー及びオプションとしてプラズマ及び光である。そのようなリアクタは、「水素リアクタ」又は「水素セル」として以降呼ばれる。水素リアクタは、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、化学的リアクタ、又は、ガス放出セル、プラズマトーチ・セル、又はマイクロ波電力セルのようなガス燃料電池、及び電気化学セルの形態をとるかもしれない。ハイドリノを作るためのセルの例示的な実施例は、液体−燃料電池(liquid−fuel cell)、固体−燃料電池(solid−fuel cell)、不均一系−燃料電池(heterogeneous−fuel cell)、及びCIHTセル(CIHT cell)の形態を取るかもしれない。これらのセルの各々は、(i)原子水素の源;(ii)ハイドリノを作るための、固体触媒、溶融触媒、液体触媒、ガス状触媒、又はこれらの混合物の少なくとも1つ;及び(iii)ハイドリノを作るための触媒及び水素を反応させるための容器を含む。ここにおいて使用され、及び本開示によって考慮されるように、別様に特定されない限りは、用語「水素」は、プロテウム(proteum)(1H)だけでなく、ジュウテリウム(deuterium)(2H)及びトリチウム(tritium)(3H)を含む。ハイドリノ反応の反応物としてジュウテリウムを使用する場合、不均一系燃料及び固体燃料のトリチウム又はヘリウム生成物の比較的微量が予期される。例示的な化学反応混合物及びリアクタは、CIHTセル又は本開示の熱的なセル実施例を含むかもしれない。追加的な例示的な実施例は、この「化学的リアクタ」のセクションに与えられる。混合物の反応の間に形成される触媒としてH2Oを持つ反応混合物の例は、本開示に与えられる。表1及び表3において与えられるそれらのような他の触媒は、増大された結合エネルギの水素種及び化合物を形成するように機能するかもしれない。表3Aの例示的なM−Hタイプの触媒は、NaHである。反応及び条件は、反応物、反応物の重量%、H2圧力、及び反応温度のようなパラメータにおいてこれらの例示的なケースから調整されるかもしれない。妥当な反応物、条件、及びパラメータ範囲は、本開示のそれらである。1つの実施例において、これらの反応混合物は、反応の間に形成される如何なる水酸化物のそれのような高磁場マトリクスシフトを生じるハイドリノ及びH2O触媒を形成するため、H2及び存在する他の反応物と反応するステンレス鋼リアクタの酸化生成物のような酸素の源を更に含む。
本開示はまた、ハイドリノ分子及びハイドリノ水素化物化合物のような、本開示の増大された結合エネルギの水素種及び化合物を生産するための他の反応器(リアクタ)にも関する。更に、触媒反応の生成物は、セルのタイプに依存して、パワー及びオプションとしてプラズマ及び光である。そのようなリアクタは、「水素リアクタ」又は「水素セル」として以降呼ばれる。水素リアクタは、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、化学的リアクタ、又は、ガス放出セル、プラズマトーチ・セル、又はマイクロ波電力セルのようなガス燃料電池、及び電気化学セルの形態をとるかもしれない。ハイドリノを作るためのセルの例示的な実施例は、液体−燃料電池(liquid−fuel cell)、固体−燃料電池(solid−fuel cell)、不均一系−燃料電池(heterogeneous−fuel cell)、及びCIHTセル(CIHT cell)の形態を取るかもしれない。これらのセルの各々は、(i)原子水素の源;(ii)ハイドリノを作るための、固体触媒、溶融触媒、液体触媒、ガス状触媒、又はこれらの混合物の少なくとも1つ;及び(iii)ハイドリノを作るための触媒及び水素を反応させるための容器を含む。ここにおいて使用され、及び本開示によって考慮されるように、別様に特定されない限りは、用語「水素」は、プロテウム(proteum)(1H)だけでなく、ジュウテリウム(deuterium)(2H)及びトリチウム(tritium)(3H)を含む。ハイドリノ反応の反応物としてジュウテリウムを使用する場合、不均一系燃料及び固体燃料のトリチウム又はヘリウム生成物の比較的微量が予期される。例示的な化学反応混合物及びリアクタは、CIHTセル又は本開示の熱的なセル実施例を含むかもしれない。追加的な例示的な実施例は、この「化学的リアクタ」のセクションに与えられる。混合物の反応の間に形成される触媒としてH2Oを持つ反応混合物の例は、本開示に与えられる。表1及び表3において与えられるそれらのような他の触媒は、増大された結合エネルギの水素種及び化合物を形成するように機能するかもしれない。表3Aの例示的なM−Hタイプの触媒は、NaHである。反応及び条件は、反応物、反応物の重量%、H2圧力、及び反応温度のようなパラメータにおいてこれらの例示的なケースから調整されるかもしれない。妥当な反応物、条件、及びパラメータ範囲は、本開示のそれらである。1つの実施例において、これらの反応混合物は、反応の間に形成される如何なる水酸化物のそれのような高磁場マトリクスシフトを生じるハイドリノ及びH2O触媒を形成するため、H2及び存在する他の反応物と反応するステンレス鋼リアクタの酸化生成物のような酸素の源を更に含む。
1つの実施例において、固体燃料反応は、生成物又は中間反応生成物としてH2O及びHを形成する。このH2Oは、ハイドリノを形成するために触媒として機能するかもしれない。反応物は、少なくとも1つの酸化−還元反応を含む反応及び、少なくとも1つの酸化剤及び還元剤を含む。還元剤は、アルカリ金属のような金属を含むかもしれない。反応混合物は、水素の源及びH2Oの源を更に含むかもしれず、そして、カーボン、炭化物、ホウ化物、窒化物、TiCNのようなカルボニトリル、又はニトリルのような支持体をオプションとして含むかもしれない。支持体は、金属粉末を含むかもしれない。1つの実施例において、水素支持体は、MoNi、MoCu、及びMoCoのような本開示のそれらのようなMo又はMo合金を含む。1つの実施例において、支持体の酸化は、支持体を酸化しない反応物混合物(reactantion mixture)の他の構成要素を選択すること、非−酸化性の反応温度及び条件を選択すること、及び、当該分野における当業者によって知られるようにH2雰囲気のような還元性の雰囲気を維持すること、のような方法によって避けられる。Hの源は、アルカリ、アルカリ土類、遷移、内部遷移、希土類水素化物、及び本開示の水素化物からなる群から選択されるかもしれない。水素の源は、カーボン又はアルミナ及び本開示のその他のような支持体の上の貴金属のような本開示のそれらのような解離剤(dissociator)を更に含むかもしれない。水の源は、Al、Zn、Sn、Cr、Sb、及びPbのそれらのような水酸化物錯体又は水酸化物のような脱水化合物を含むかもしれない。水の源は、水素の源及び酸素の源を含むかもしれない。酸素源は、酸素を含む化合物を含むかもしれない。例示的な化合物又は分子は、O2、アルカリ又はアルカリ土類酸化物、過酸化物、又はスーパーオキシド、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、及びO2(M=アルカリ、アルカリ土類又はMを代替する他のカチオン)である。他の例示的な反応物は、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(リチウム四ホウ化物(lithium tetraborate))、LiBO2、Li2WO4、LiAlCl4、LiGaCl4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2TiO3、LiZrO3、LiAlO2、LiCoO2、LiGaO2、Li2GeO3、LiMn2O4、Li4SiO4、Li2SiO3、LiTaO3、LiCuCl4、LiPdCl4、LiVO3、LiIO3、LiFeO2、LiIO4,LiClO4、LiScOn、LiTiOn、LiVOn、LiCrOn、LiCr2On、LiMn2On、LiFeOn、LiCoOn、LiNiOn、LiNi2On、LiCuOn、及びLiZnOn(n=1、2、3、又は4)、オキシアニオン、強酸のオキシアニオン、酸化剤、V2O3、I2O5、MnO2、Re2O7、CrO3、RuO2、AgO、PdO、PdO2、PtO、PtO2、及びNH4X(Xは硝酸塩又はCRC内に与えられる他の妥当なアニオン)のような分子酸化剤、及び還元剤からなる群から選択される試薬を含む。もう1つのアルカリ金属又は他のカチオンはLiと置き換わるかもしれない。酸素の追加の源は、MCoO2、MGaO2、M2GeO3、MMn2O4、M4SiO4、M2SiO3、MTaO3、MVO3、MIO3、MFeO2、MIO4、MClO4、MScOn、MTiOn、MVOn、MCrOn、MCr2On、MMn2On、MFeOn、MCoOn、MNiOn、MNi2On、MCuOn、及びMZnOn、(Mはアルカリ、及びn=1、2、3、又は4)、オキシアニオン、強酸のオキシアニオン、酸化剤、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、及びP2O5のような分子酸化剤、からなる群から選択されるかもしれない。反応物は、ハイドリノを形成する如何なる所望の比であるかもしれない。例示的な反応混合物は、0.33gのLiH、1.7gのLiNO3、及び、1gのMgH2及び4gの活性炭粉末の混合物である。もう1つの例示的な反応混合物は、KNO3(75wt%)、針葉樹炭(softwood charcoal)(C7H4Oに関するものを含むかもしれない)(15wt%)、及びS(10wt%)のような火薬;KNO3(70.5wt%)及び針葉樹炭(29.5wt%)又は約±1−30wt%の範囲内のこれらの比率のもののそれである。水素の源は、式C7H4Oについて含む炭(charcoal)であるかもしれない。
反応物及び再生反応及びシステムは、本開示のそれら又は私の以前の米国特許出願で水素触媒リアクタ、PCT/US08/61455、4/24/2008にPCT出願;不均一水素触媒リアクタ、PCT/US09/052072、7/29/2009にPCT出願;不均一水素触媒パワーシステム、PCT/US10/27828、3/18/2010にPCT出願;電気化学的水素触媒パワーシステム、PCT/US11/28889、3/17/2011にPCT出願;及びH2O−ベース電気化学水素−触媒パワーシステム、PCT/US12/31369、3/30/2012に出願(“ミルズの以前の出願”)(ここにおいてこれらは参照されて組み込まれる)のそれらを含むかもしれない。
H2O触媒を形成する反応物は、O種のようなOの源及びHの源を含むかもしれない。O種の源は、O2、空気、及びOを含む化合物又は化合物の混合物の少なくとも1つを含むかもしれない。酸素を含む化合物は、酸化剤を含むかもしれない。酸素を含む化合物は、酸素、オキシ水酸化物、水酸化物、過酸化物、及びスーパーオキシドの少なくとも1つを含むかもしれない。妥当な例示的な金属酸化物は、Li2O、Na2O、及びK2Oのようなアルカリ酸化物、MgO、CaO、SrO、及びBaOのようなアルカリ土類酸化物、NiO、Ni2O3、FeO、Fe2O3、及びCoOのような遷移金属酸化物、及び内部遷移金属及び希土類金属酸化物、及びAl、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se、及びTeのような他の金属及び半金属のそれら、及び酸素を含むこれら及び他の元素の混合物である。酸化物は、MM’2xO3x+1又はMM’2xO4(M=アルカリ土類、M’=Fe又はNi又はMnのような遷移金属、x=整数)及びM2M’2xO3x+1又はM2M’2xO4(M=アルカリ、M’=Fe又はNi又はMnのような遷移金属、x=整数)のような、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se、及びTeのそれらのような他の金属及び半金属のそれら及び、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、及び希土類金属カチオンのようなカチオン及び金属酸化物アニオンのような、本開示のそれらのような酸化物アニオン、を含むかもしれない。妥当な例示的な金属オキシ水酸化物は、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)水マンガン鉱)、FeO(OH)、CoO(OH)、NiO(OH)、RhO(OH)、GaO(OH)、InO(OH)、Ni1/2Co1/2O(OH)、及びNi1/3Co1/3Mn1/3O(OH)である。妥当な例示的な水酸化物は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、及び希土類金属のような金属のそれら、及びAl、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se、及びTeのような他の金属及び半金属のそれらである。妥当な錯体イオン水酸化物は、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である。追加的な例示の妥当な水酸化物は、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。妥当な例示的な過酸化物は、H2O2、有機化合物のそれら、及びLi2O2、Na2O2、K2O2のようなM2O2(Mはアルカリ金属)のような金属のそれら、Ca、Sr、又はBa過酸化物のようなアルカリ土類金属過酸化物のそれらのような他のイオン性の過酸化物,ランタノイドのそれらのような他の陽性金属のそれら、及びZn、Cd、及びHgのそれらのような共有結合性金属過酸化物である。妥当な例示的なスーパーオキシドは、NaO2、KO2、RbO2、及びCsO2のようなMO2(Mはアルカリ金属)のそれら、及びアルカリ土類金属スーパーオキシドである。
反応混合物は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、及び希土類金属、のそれらのような水酸化物、Al、Ga、In、Sn、Pb、及び水酸化物を形成する他の元素、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、Pb、及び本開示のその他を含む1つのような炭酸塩のような少なくとも1つのオキシアニオンの少なくとも1つを含む化合物のような酸素の源のそれらのような水酸化物である。酸素を含む他の妥当な化合物は、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、重クロム酸塩、及びマンガン酸塩からなる群からのオキシアニオン化合物、酸化物、オキシ水酸化物、過酸化物、スーパーオキシド、ケイ酸塩、チタン酸塩、タングステン酸塩、及び本開示のその他、の少なくとも1つである。水酸化物及び炭酸塩との例示的な反応は次のように与えられる。
Ca(OH)2+Li2CO3
→ CaO+H2O+Li2O+CO2 (148)
Ca(OH)2+Li2CO3
→ CaO+H2O+Li2O+CO2 (148)
他の実施例において、酸素源は、NO2、NO、N2O、CO2、P2O3、P2O5、及びSO2のようなガスを直ちに形成する又はガス状のものである。C、N、NH3、P、又はSのようなH2O触媒の形成からの還元された酸化物生成物は、ミルズの以前の出願に与えられるようにそれらの源又は酸素と燃焼することにより再び酸化物に変換されるかもしれない。セルは、加熱応用に対して使用されるかもしれない過剰の熱を生成するかもしれず、或いは、熱は、ランキン又はブレイトン・システムのような手段により電気に変換されるかもしれない。その代わりとして、セルは、分子ハイドリノ及びハイドリノ水素化物イオン及び対応する化合物のようなより低いエネルギの水素種を合成するために使用されるかもしれない。
1つの実施例において、エネルギの生産及びより低いエネルギの水素種及び化合物の生産の少なくとも1つのためにハイドリノを形成する反応混合物は、H2O触媒のような本開示のそれのようなH及びOの少なくとも1つのを含む触媒の源と原子水素の源を含む。その反応混合物は、更に、H2SO3、H2SO4、H2CO3、HNO2、HNO3、HClO4、H3PO3、及びH3PO4のような酸、又は、酸無水物又は無水の酸のような酸の源を含む。後者は、SO2、SO3、CO2、NO2、N2O3、N2O5、Cl2O7、PO2、P2O3、及びP2O5からなる群の少なくとも1つを含むかもしれない。反応混合物は、M2O(M=アルカリ)、M’O(M’=アルカリ土類)、ZnO又は他の遷移金属酸化物、CdO、CoO、SnO、AgO、HgO、又はAl2O3のような塩基及び塩基性無水物の少なくとも1つを含むかもしれない。更に、例示的な無水物は、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のようなH2Oに対して安定な金属を含む。その無水物は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属酸化物であるかもしれず、そして、含水化合物は水酸化物を含むかもしれない。その反応混合物は、FeOOH、NiOOH、又はCoOOHのようなオキシ水酸化物を含むかもしれない。その反応混合物は、H2Oの源及びH2Oの少なくとも1つを含むかもしれない。そのH2Oは、原子水素の存在の中で、水和及び脱水反応により可逆に形成されるかもしれない。H2O触媒を形成するような例示的な反応は次の通りである。
Mg(OH)2 → MgO+H2O (149)
2LiOH → Li2O+H2O (150)
H2CO3 → CO2+H2O (151)
2FeOOH → Fe2O3+H2O (152)
Mg(OH)2 → MgO+H2O (149)
2LiOH → Li2O+H2O (150)
H2CO3 → CO2+H2O (151)
2FeOOH → Fe2O3+H2O (152)
1つの実施例において、H2O触媒は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、及び希土類金属のような金属を含むカチオンのようなカチオンのそれら、及び、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se、及びTeのそれらのような他の金属及び半金属のそれら、のような、リン酸塩、1水素リン酸塩、2水素リン酸塩、及び、[PnO3n+1](n+2)−、[(PO3)n]n−のような長鎖のメタリン酸塩、[(PO3)n]n−(n≧3)のような環状のメタリン酸塩、及びP4O10のようなウルトラリン酸塩(ultraphosphates)のようなポリリン酸塩の少なくとも1つのような濃リン酸塩を形成する混合物、のようなリン酸塩を含む少なくとも1つの脱水により形成される。例示的な反応は以下の通りである。
脱水反応の反応物は、Al(OH)3及びAl2O3の少なくとも1つを含むかもしれないR−Niを含むかもしれない。その反応物は、内在する水素だけでなく、H2のような水素の源及びアルカリ水酸化物のような本開示のそれらのような金属水酸化物、金属水素化物MH、アルカリ金属のような本開示のそれらのような金属Mを更に含む。例示的な反応は次の通りである。
2Al(OH)3+ → Al2O3+3H2O (155)
Al2O3+2NaOH → 2NaAlO2+H2O (156)
3MH+Al(OH)3+ → M3Al+3H2O (157)
MoCu+2MOH+4O2 → M2MoO4+CuO+H2O
(M=Li、Na、K、Rb、Cs) (158)
反応生成物は、合金を含むかもしれない。R−Niは、再水和によって再生されるかもしれない。H2Oを形成するための反応混合物及び脱水反応は、次の例示的な反応において与えられるように本開示のそれらのようなオキシ水酸化物を包含し含むかもしれない。
3Co(OH)2 → 2CoOOH+Co+2H2O (159)
原子水素は、解離によりH2ガスから形成されるかもしれない。水素解離剤は、カーボン又はAl2O3の上のNi又はPt又はPdのような支持体の上のR−Ni又は貴金属又は遷移金属のような本開示のそれらの1つであるかもしれない。その代わりとして、原子Hは、本開示のそれらのような膜を通したH透過からであるかもしれない。1つの実施例において、セルは、H2Oの拡散を防止しつつ、選択的にH2の拡散を許すセラミック膜のような膜を含む。1つの実施例において、H2及び原子Hの少なくとも1つは、H2Oを含む水性の又は溶融電解質のような水素の源を含む電解質の電気分解によりセルに供給される。1つの実施例において、H2O触媒は、酸又は塩基を無水物の形態にする脱水により可逆的に形成される。1つの実施例において、触媒H2O及びハイドリノを形成する反応は、圧力が温度を変化させることにより変化するかもしれないが、セルpH又は活量、温度、及び圧力の少なくとも1つを変化させることにより広がっていく。酸、塩基、又は無水物のような種の活量は、当該分野における当業者により知られるように塩を添加することにより変化させられるかもしれない。1つの実施例において、反応混合物は、ハイドリノを形成する反応へ酸性無水物ガス又はH2のようなガスの源であるか又はそれを吸収するかもしれないカーボンのような材料を含むかもしれない。反応物は、如何なる所望の濃度および比であるかもしれない。反応混合物を溶融し、または水性スラリーを含むかもしれない。
2Al(OH)3+ → Al2O3+3H2O (155)
Al2O3+2NaOH → 2NaAlO2+H2O (156)
3MH+Al(OH)3+ → M3Al+3H2O (157)
MoCu+2MOH+4O2 → M2MoO4+CuO+H2O
(M=Li、Na、K、Rb、Cs) (158)
反応生成物は、合金を含むかもしれない。R−Niは、再水和によって再生されるかもしれない。H2Oを形成するための反応混合物及び脱水反応は、次の例示的な反応において与えられるように本開示のそれらのようなオキシ水酸化物を包含し含むかもしれない。
3Co(OH)2 → 2CoOOH+Co+2H2O (159)
原子水素は、解離によりH2ガスから形成されるかもしれない。水素解離剤は、カーボン又はAl2O3の上のNi又はPt又はPdのような支持体の上のR−Ni又は貴金属又は遷移金属のような本開示のそれらの1つであるかもしれない。その代わりとして、原子Hは、本開示のそれらのような膜を通したH透過からであるかもしれない。1つの実施例において、セルは、H2Oの拡散を防止しつつ、選択的にH2の拡散を許すセラミック膜のような膜を含む。1つの実施例において、H2及び原子Hの少なくとも1つは、H2Oを含む水性の又は溶融電解質のような水素の源を含む電解質の電気分解によりセルに供給される。1つの実施例において、H2O触媒は、酸又は塩基を無水物の形態にする脱水により可逆的に形成される。1つの実施例において、触媒H2O及びハイドリノを形成する反応は、圧力が温度を変化させることにより変化するかもしれないが、セルpH又は活量、温度、及び圧力の少なくとも1つを変化させることにより広がっていく。酸、塩基、又は無水物のような種の活量は、当該分野における当業者により知られるように塩を添加することにより変化させられるかもしれない。1つの実施例において、反応混合物は、ハイドリノを形成する反応へ酸性無水物ガス又はH2のようなガスの源であるか又はそれを吸収するかもしれないカーボンのような材料を含むかもしれない。反応物は、如何なる所望の濃度および比であるかもしれない。反応混合物を溶融し、または水性スラリーを含むかもしれない。
もう1つの実施例において、H2O触媒の源は、ハロゲン化水素酸、硫酸、消散、及び亜硝酸の少なくとも1と、塩基との間の反応のような酸及び塩基の間の反応である。他の妥当な酸反応物は、H2SO4、HCl、HX(X−ハロゲン)、H3PO4、HClO4、HNO3、HNO、HNO2、H2S、H2CO3、H2MoO4、HNbO3、H2B4O7(M4ホウ化物)、HBO2、H2WO4、H2CrO4、H2Cr2O7、H2TiO3、HZrO3、MAlO2、HMn2O4、HIO3、HIO4、HClO4、又はギ酸又は酢酸のような有機酸の水溶液である。妥当な例示的な塩基は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、及び希土類金属、又はAl、Ga、In、Sn、又はPbを含む、酸化物、オキシ水酸化物、又は水酸化物である。
1つの実施例において、反応物は、それぞれ、塩基のカチオン及び酸無水物のアニオン又は塩基無水物のカチオン及び酸のアニオンの化合物及びH2O触媒を形成するため、それぞれ、塩基又は酸無水物と反応する酸又は塩基を含むかもしれない。塩基NaOHと酸無水物SiO2との例示的な反応は次の通りである。
4NaOH+SiO2 → Na4SiO4+2H2O (160)
ここで、対応する酸の脱水反応は以下の通りである。
H4SiO4 → 2H2O+SiO2 (161)
他の妥当な例示的な無水物は、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つのような元素、合金、又は混合物を含むかもしれない。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つを含むかもしれない。1つの例示的な実施例において、塩基は、Li2OのようなM2Oのような対応する塩基性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)のようなアルカリ性の水酸化物のような水酸化物、及びH2Oを含む。塩基性の酸化物は、酸化物生成物を形成するように無水酸化物と反応するかもしれない。H2Oの開放を伴う無水酸化物とLiOHとの1つの例示的な反応において、生成物酸化物化合物は、Li2MoO3又はLi2MoO4、Li2TiO3、Li2ZrO3、Li2SiO3、LiAlO2、LiNiO2、LiFeO2、LiTaO3、LiVO3、Li2B4O7、Li2NbO3、Li2SeO3、Li3PO4、Li2SeO4、Li2TeO3、Li2TeO4、Li2WO4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2MnO4、Li2HfO3、LiCoO2、及びMgOを含むかもしれない。他の妥当な酸化物は、As2O3、As2O5、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、Bi2O3、SO2、SO3、CO2、NO2、N2O3、N2O5、Cl2O7、PO2、P2O3、及びP2O5の群からの少なくとも1つ、及び当該分野の当業者に知られている他の類似の酸化物である。もう1つの例は、式(152)によって与えられる。妥当な金属酸化物の反応は以下の通りである。
2LiOH+NiO → Li2NiO2+H2O (162)
3LiOH+NiO
→ LiNiO2+H2O+Li2O+1/2H2 (163)
4LiOH+Ni2O3
→ 2Li2NiO2+2H2O+1/2O2 (164)
2LiOH+Ni2O3 → 2LiNiO2+H2O (165)
Fe、Cr、及びTi,のような他の遷移金属、内部遷移金属、及び希土類金属及び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と置き換わるかもしれず、Li、Na、Rb、及びCsのような他のアルカリ金属はKと置き換わるかもしれない。1つの実施例において、酸化物は、Moを含むかもしれないが、ここで、H2Oを形成する反応の間に発生期のH2O触媒及びHが形成され、ハイドリノを形成するように更に反応するかもしれない。例示的な固体燃料反応及び起こり得る酸化還元経路は以下の通りである。
3MoO2+4LiOH → 2Li2MoO4+Mo+2H2O (166)
2MoO2+4LiOH → 2Li2MoO4+2H2O (167)
O2− → 1/2O2+2e− (168)
2H2O+2e− → 2OH−+H2 (169)
2H2O+2e− → 2OH−+H+H(1/4) (170)
MO4++4e− → MO (171)
4NaOH+SiO2 → Na4SiO4+2H2O (160)
ここで、対応する酸の脱水反応は以下の通りである。
H4SiO4 → 2H2O+SiO2 (161)
他の妥当な例示的な無水物は、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つのような元素、合金、又は混合物を含むかもしれない。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つを含むかもしれない。1つの例示的な実施例において、塩基は、Li2OのようなM2Oのような対応する塩基性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)のようなアルカリ性の水酸化物のような水酸化物、及びH2Oを含む。塩基性の酸化物は、酸化物生成物を形成するように無水酸化物と反応するかもしれない。H2Oの開放を伴う無水酸化物とLiOHとの1つの例示的な反応において、生成物酸化物化合物は、Li2MoO3又はLi2MoO4、Li2TiO3、Li2ZrO3、Li2SiO3、LiAlO2、LiNiO2、LiFeO2、LiTaO3、LiVO3、Li2B4O7、Li2NbO3、Li2SeO3、Li3PO4、Li2SeO4、Li2TeO3、Li2TeO4、Li2WO4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2MnO4、Li2HfO3、LiCoO2、及びMgOを含むかもしれない。他の妥当な酸化物は、As2O3、As2O5、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、Bi2O3、SO2、SO3、CO2、NO2、N2O3、N2O5、Cl2O7、PO2、P2O3、及びP2O5の群からの少なくとも1つ、及び当該分野の当業者に知られている他の類似の酸化物である。もう1つの例は、式(152)によって与えられる。妥当な金属酸化物の反応は以下の通りである。
2LiOH+NiO → Li2NiO2+H2O (162)
3LiOH+NiO
→ LiNiO2+H2O+Li2O+1/2H2 (163)
4LiOH+Ni2O3
→ 2Li2NiO2+2H2O+1/2O2 (164)
2LiOH+Ni2O3 → 2LiNiO2+H2O (165)
Fe、Cr、及びTi,のような他の遷移金属、内部遷移金属、及び希土類金属及び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と置き換わるかもしれず、Li、Na、Rb、及びCsのような他のアルカリ金属はKと置き換わるかもしれない。1つの実施例において、酸化物は、Moを含むかもしれないが、ここで、H2Oを形成する反応の間に発生期のH2O触媒及びHが形成され、ハイドリノを形成するように更に反応するかもしれない。例示的な固体燃料反応及び起こり得る酸化還元経路は以下の通りである。
3MoO2+4LiOH → 2Li2MoO4+Mo+2H2O (166)
2MoO2+4LiOH → 2Li2MoO4+2H2O (167)
O2− → 1/2O2+2e− (168)
2H2O+2e− → 2OH−+H2 (169)
2H2O+2e− → 2OH−+H+H(1/4) (170)
MO4++4e− → MO (171)
反応は、Pd/Al2O3のような解離剤及び水素ガスのような水素の源を更に含むかもしれない。水素は、プロテウム(proteium)、ジュウテリウム(deuterium)、又はトリチウム(tritium)又はそれらの組合せの如何なるものであるかもしれない。H2O触媒を形成するための反応は、2つの水酸化物から水を形成する反応を含むかもしれない。水酸化物のカチオンは、遷移金属又はアルカリ土類水酸化物とのアルカリ金属水酸化物の反応のそれらのような異なる酸化物状態を持つかもしれない。反応混合物及び反応は、以下の例示的な反応において与えれるように源からのH2を包含して更に含むかもしれない。
LiOH+2Co(OH)2+1/2H2
→ LiCoO2+3H2O+Co (172)
反応混合物及び反応は、以下の例示的な反応において与え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を包含して更に含むかもしれない。
M+LiOH+Co(OH)2 → LiCoO2+H2O+MH (173)
1つの実施例において、金属酸化物のFeのような金属は、ハイドリノを形成するため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−還元反応を受けるように、複数の酸化状態を持つところ、反応混合物は、Hの源及びオプションとしてもう1つのHの源として機能するかもしれない金属酸化物及び水酸化物を含む。例はFeOであるが、ここで、触媒を形成するための反応の間に、Fe2+がFe3+への酸化を受けることができる。例示的な反応は以下の通りである。
FeO+3LiOH
→ H2O+LiFeO2+H(1/p)+Li2O (174)
1つの実施例において、金属酸化物、水酸化物、又はオキシ水酸化物のような少なくとも1つの反応物は、酸化剤として機能するが、ここで、Fe、Ni、Mo、又はMnのような金属原子は、もう1つの可能な酸化状態よりも高い酸化状態にあるかもしれない。触媒及びハイドリノを形成する反応は、少なくとも1つのより低い酸化状態へとその原子が還元を受けるようにするかもしれない。H2O触媒を形成するための金属酸化物、水酸化物、及びオキシ水酸化物の例示的な反応は、次の通りである。
2KOH+NiO → K2NiO2+H2O (175)
3KOH+NiO → KNiO2+H2O+K2O+1/2H2 (176)
2KOH+Ni2O3 → 2KNiO2+H2O (177)
4KOH+Ni2O3 → 2K2NiO2+2H2O+1/2O2 (178)
2KOH+Ni(OH)2 → K2NiO2+2H2O (179)
2LiOH+MoO3 → Li2MoO4+H2O (180)
3KOH+Ni(OH)2
→ KNiO2+2H2O+K2O+1/2H2 (181)
2KOH+2NiOOH
→ K2NiO2+2H2O+NiO+1/2O2 (182)
KOH+NiOOH → KNiO2+H2O (183)
2NaOH+Fe2O3 → 2NaFeO2+H2O (184)
Ni、Fe、Cr、及びTiのような他の遷移金属、内部遷移金属、及び希土類金属及び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と置き換わるかもしれず、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と置き換わるかもしれない。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に対して安定な金属の酸化物及び水酸化物の少なくとも1つを含む。加えて、その反応混合物は、H2ガスのような水素の源、及び、オプションとして、支持体の上の貴金属のような解離剤を含む。
LiOH+2Co(OH)2+1/2H2
→ LiCoO2+3H2O+Co (172)
反応混合物及び反応は、以下の例示的な反応において与え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を包含して更に含むかもしれない。
M+LiOH+Co(OH)2 → LiCoO2+H2O+MH (173)
1つの実施例において、金属酸化物のFeのような金属は、ハイドリノを形成するため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−還元反応を受けるように、複数の酸化状態を持つところ、反応混合物は、Hの源及びオプションとしてもう1つのHの源として機能するかもしれない金属酸化物及び水酸化物を含む。例はFeOであるが、ここで、触媒を形成するための反応の間に、Fe2+がFe3+への酸化を受けることができる。例示的な反応は以下の通りである。
FeO+3LiOH
→ H2O+LiFeO2+H(1/p)+Li2O (174)
1つの実施例において、金属酸化物、水酸化物、又はオキシ水酸化物のような少なくとも1つの反応物は、酸化剤として機能するが、ここで、Fe、Ni、Mo、又はMnのような金属原子は、もう1つの可能な酸化状態よりも高い酸化状態にあるかもしれない。触媒及びハイドリノを形成する反応は、少なくとも1つのより低い酸化状態へとその原子が還元を受けるようにするかもしれない。H2O触媒を形成するための金属酸化物、水酸化物、及びオキシ水酸化物の例示的な反応は、次の通りである。
2KOH+NiO → K2NiO2+H2O (175)
3KOH+NiO → KNiO2+H2O+K2O+1/2H2 (176)
2KOH+Ni2O3 → 2KNiO2+H2O (177)
4KOH+Ni2O3 → 2K2NiO2+2H2O+1/2O2 (178)
2KOH+Ni(OH)2 → K2NiO2+2H2O (179)
2LiOH+MoO3 → Li2MoO4+H2O (180)
3KOH+Ni(OH)2
→ KNiO2+2H2O+K2O+1/2H2 (181)
2KOH+2NiOOH
→ K2NiO2+2H2O+NiO+1/2O2 (182)
KOH+NiOOH → KNiO2+H2O (183)
2NaOH+Fe2O3 → 2NaFeO2+H2O (184)
Ni、Fe、Cr、及びTiのような他の遷移金属、内部遷移金属、及び希土類金属及び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と置き換わるかもしれず、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と置き換わるかもしれない。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に対して安定な金属の酸化物及び水酸化物の少なくとも1つを含む。加えて、その反応混合物は、H2ガスのような水素の源、及び、オプションとして、支持体の上の貴金属のような解離剤を含む。
酸性のHClと塩基性の無水物NiOとの例示的な反応は以下の通りである。
2HCl+NiO → H2O+NiCl2 (185)
ここで、対応する塩基の脱水反応は以下の通りである。
Ni(OH)2 → H2O+NiO (186)
反応物は、ルイス酸又は塩基及びプレンステッド−ラウリ酸及び塩基の少なくとも1つを含むかもしれない。反応混合物及び反応は、以下の例示的な反応において与えられるように水を形成するように酸素を含む化合物と酸が反応するところ、酸素を含む化合物を包含し、そして、更に含むかもしれない。
2HX+POX3 → H2O+PX5 (187)
ここで、(X=ハロゲン)である。POX3のような類似の化合物は、SによってPが置換されたようなもので妥当である。他の例示的な無水物は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、又は希土類金属、又は、Mo、Ti、Zr、Si、Al、Ni、Fe、Ta、V、B、Nb、Se、Te、W、Cr、Mn、Hf、Co、及びMgからなる群からの1つのような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溶解できる、元素、金属、合金、又は混合物の酸化物を含むかもしれない。対応する酸化物は、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を含むかもしれない。他の妥当な例示的な酸化物は、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の群からのそれらである。1つの例示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及び酸化物の金属ハロゲン化物である。その反応混合物は更に、H2ガスのような水素の源、及び、Pt/Cのような解離剤を含むが、ここで、H及びH2O触媒はハイドリノを形成するために反応する。
2HCl+NiO → H2O+NiCl2 (185)
ここで、対応する塩基の脱水反応は以下の通りである。
Ni(OH)2 → H2O+NiO (186)
反応物は、ルイス酸又は塩基及びプレンステッド−ラウリ酸及び塩基の少なくとも1つを含むかもしれない。反応混合物及び反応は、以下の例示的な反応において与えられるように水を形成するように酸素を含む化合物と酸が反応するところ、酸素を含む化合物を包含し、そして、更に含むかもしれない。
2HX+POX3 → H2O+PX5 (187)
ここで、(X=ハロゲン)である。POX3のような類似の化合物は、SによってPが置換されたようなもので妥当である。他の例示的な無水物は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、又は希土類金属、又は、Mo、Ti、Zr、Si、Al、Ni、Fe、Ta、V、B、Nb、Se、Te、W、Cr、Mn、Hf、Co、及びMgからなる群からの1つのような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溶解できる、元素、金属、合金、又は混合物の酸化物を含むかもしれない。対応する酸化物は、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を含むかもしれない。他の妥当な例示的な酸化物は、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の群からのそれらである。1つの例示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及び酸化物の金属ハロゲン化物である。その反応混合物は更に、H2ガスのような水素の源、及び、Pt/Cのような解離剤を含むが、ここで、H及びH2O触媒はハイドリノを形成するために反応する。
1つの実施例において、固体燃料は、透過膜又はH2ガスのようなH2源と、Pt/Cのような解離剤と、H2Oに還元される酸化物又は水酸化物を含むH2O触媒の源とを含む。酸化物又は水酸化物の金属は、Hの源として機能する金属水素化物を形成するかもしれない。LiOH及びLi2Oのようなアルカリ水酸化物及び酸化物の例示的な反応は以下の通りである。
LiOH+H2 → H2O+LiH (188)
Li2O+H2 → LiOH+LiH (189)
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、及びPbのそれらのようなH2Oに対する水素還元を受ける金属の酸化物又は水酸化物と、H2ガスのような水素の源と、Pt/Cのような解離剤と、を含むかもしれない。
LiOH+H2 → H2O+LiH (188)
Li2O+H2 → LiOH+LiH (189)
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、及びPbのそれらのようなH2Oに対する水素還元を受ける金属の酸化物又は水酸化物と、H2ガスのような水素の源と、Pt/Cのような解離剤と、を含むかもしれない。
もう1つの実施例において、反応混合物は、H2ガスのようなH2源と、Pt/Cのような解離剤と、H2O触媒へと分解するH2O2のような過酸化物化合物と、O2のような酸素を含む他の生成物とを含む。H2及びO2のような分解生成物の幾らかは、H2O触媒をまた形成するように反応するかもしれない。
1つの実施例において、触媒としてのH2Oを形成する反応は、糖のアルデヒド及びH2Oへのような多価アルコールのようなアルコールのそれのような有機脱水反応を含む。1つの実施例において、脱水反応は、アルデヒドを形成するようにターミナル・アルコール(terminal alcohol)からH2Oの放出を含む。そのターミナル・アルコール(terminal alcohol)は、触媒として機能するかもしれないH2Oを放出する糖又はその誘導体を含むかもしれない。妥当な例示的なアルコールは、メソ−エリトリトール、ガラクチトールまたはズルシトール、およびポリビニルアルコール(PVA)である。例示的な反応混合物は、Pd/Al2O3+H2のような糖+水素解離剤を含む。その代わりとして、反応は、水和の水を少なくとも1つ持つそれのような金属塩の脱水を含む。1つの実施例において、脱水は、BaI2 2H2O及びEuBr2 nH2Oのようなアコイオン(aquo ions)及び塩水和物のような水和物から触媒として機能するH2Oの損失を含む。
1つの実施例において、H2O触媒を形成する反応は、CO、MNO3(M=アルカリ)のようなオキシアニオン、NiO、Ni2O3、Fe2O3、又はSnOのような金属酸化物、Co(OH)2のような水酸化物、FeOOH、CoOOH、及びNiOOHのようなオキシ水酸化物(oxyyhydroxides)のような酸素を含む化合物、及び、H2Oに還元できる(reducible)水素である本開示のそれらのような酸素を含むものの、化合物、オキシアニオン、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、過酸化物、スーパーオキシド、及び他の組成物の水素還元を含む。酸素又はオキシアニオンを含む例示的な化合物は、SOCl2、Na2S2O3、NaMnO4、POBr3、K2S2O8、CO、CO2、NO、NO2、P2O5、N2O5、N2O、SO2、I2O5、NaClO2、NaClO、K2SO4、及びKHSO4である。水素還元のための水素の源は、H2ガス及び本開示のそれらのような金属水素化物のような水素化物の少なくとも1つであるかもしれない。反応混合物は、酸素を含む化合物又はイオンを形成するかもしれない還元剤を更に含むかもしれない。オキシアニオンのカチオンは、ハロゲン化物、他のカルコゲニド、リン化物、他のオキシアニオン、炭化物、ケイ化物、ヒ化物のようなもう1つのアニオン、又は本開示の他のアニオンを含む生成物化合物を形成するかもしれない。例示的な反応は次の通りである。
4NaNO3(c)+5MgH2(c)
→ 5MgO(c)+4NaOH(c)+3H2O(l)+2N2(g) (190)
P2O5(c)+6NaH(c) → 2Na3PO4(c)+3H2O(g) (191)
NaClO4(c)+2MgH2(c)
→ 2MgO(c)+NaCl(c)+2H2O(l) (192)
KHSO4+4H2 → KHS + 4H2O (193)
K2SO4+4H2 → 2KOH+2H2O+H2S (194)
LiNO3+4H2 → LiNH2+3H2O (195)
GeO2+2H2 → Ge+2H2O (196)
CO2+H2 → C+2H2O (197)
PbO2+2H2 → 2H2O+Pb (198)
V2O5+5H2 → 2V+5H2O (199)
Co(OH)2+ H2 → Co+2H2O (200)
Fe2O3+3H2 → 2Fe+3H2O (201)
3Fe2O3+H2 → 2Fe3O4+H2O (202)
Fe2O3+H2 → 2FeO+H2O (203)
Ni2O3+3H2 → 2Ni+3H2O (204)
3Ni2O3+H2 → 2Ni3O4+H2O (205)
Ni2O3+H2 → 2NiO+H2O (206)
3FeOOH+1/2H2 → Fe3O4+2H2O (207)
3NiOOH+1/2H2 → Ni3O4+2H2O (208)
3CoOOH+1/2H2 → Co3O4+2H2O (209)
FeOOH+1/2H2 → FeO+H2O (210)
NiOOH+1/2H2 → NiO+H2O (211)
CoOOH+1/2H2 → CoO+H2O (212)
SnO+H2 → Sn+ H2O (213)
4NaNO3(c)+5MgH2(c)
→ 5MgO(c)+4NaOH(c)+3H2O(l)+2N2(g) (190)
P2O5(c)+6NaH(c) → 2Na3PO4(c)+3H2O(g) (191)
NaClO4(c)+2MgH2(c)
→ 2MgO(c)+NaCl(c)+2H2O(l) (192)
KHSO4+4H2 → KHS + 4H2O (193)
K2SO4+4H2 → 2KOH+2H2O+H2S (194)
LiNO3+4H2 → LiNH2+3H2O (195)
GeO2+2H2 → Ge+2H2O (196)
CO2+H2 → C+2H2O (197)
PbO2+2H2 → 2H2O+Pb (198)
V2O5+5H2 → 2V+5H2O (199)
Co(OH)2+ H2 → Co+2H2O (200)
Fe2O3+3H2 → 2Fe+3H2O (201)
3Fe2O3+H2 → 2Fe3O4+H2O (202)
Fe2O3+H2 → 2FeO+H2O (203)
Ni2O3+3H2 → 2Ni+3H2O (204)
3Ni2O3+H2 → 2Ni3O4+H2O (205)
Ni2O3+H2 → 2NiO+H2O (206)
3FeOOH+1/2H2 → Fe3O4+2H2O (207)
3NiOOH+1/2H2 → Ni3O4+2H2O (208)
3CoOOH+1/2H2 → Co3O4+2H2O (209)
FeOOH+1/2H2 → FeO+H2O (210)
NiOOH+1/2H2 → NiO+H2O (211)
CoOOH+1/2H2 → CoO+H2O (212)
SnO+H2 → Sn+ H2O (213)
反応混合物は、アニオンの源又はアニオン及び酸素を含む化合物のような酸素の源及び酸素を含むが、ここで、H2O触媒を形成する反応は、H2Oを形成するため酸素と反応する源からのオプションとしてのH2とのアニオン−酸素交換反応を含む。例示的な反応は次の通りである。
2NaOH+H2+S → Na2S+2H2O (214)
2NaOH+H2+Te → Na2Te+2H2O (215)
2NaOH+H2+Se → Na2Se+2H2O (216)
LiOH+NH3 → LiNH2+H2O (217)
2NaOH+H2+S → Na2S+2H2O (214)
2NaOH+H2+Te → Na2Te+2H2O (215)
2NaOH+H2+Se → Na2Se+2H2O (216)
LiOH+NH3 → LiNH2+H2O (217)
固体燃料又はCIHTセル反応混合物のもう1つの実施例において、ハイドリノ反応は、O及びSを含む反応物の間の1つのようなカルコゲニドの間の交換反応を含む。四面体テトラチオモリブデン酸アンモニウムのような例示的なカルコゲニド反応物は、([MoS4]2−)アニオンを含む。発生期のH2O触媒及びオプションとして発生期のHを形成する例示的な反応は、アンモニアの存在中で、硫化水素とモリブデン酸塩[MoO4]2−の反応を含む。
[NH4]2[MoO4]+4H2S
→ [NH4]2[MoS4]+4H2O (218)
[NH4]2[MoO4]+4H2S
→ [NH4]2[MoS4]+4H2O (218)
1つの実施例において、反応混合物は、水素の源、酸素を含む化合物、及びその反応混合物の少なくとも1つの他の元素と合金を形成することができる少なくとも1つの元素を含む。H2O触媒を形成する反応は、酸素がH2Oを形成するための源からの水素と反応するところ、酸素化合物のカチオンと合金を形成することができる1つの元素及び酸素を含む化合物の酸素との交換反応を含むかもしれない。例示的な反応は以下の通りである。
NaOH+1/2H2+Pd → NaPb+H2O (219)
NaOH+1/2H2+Bi → NaBi+H2O (220)
NaOH+1/2H2+2Cd → Cd2Na+H2O (221)
NaOH+1/2H2+4Ga → Ga4Na+H2O (222)
NaOH+1/2H2+Sn → NaSn+H2O (223)
NaAlH4+Al(OH)3+5Ni
→ NaAlO2+Ni5Al+H2O+5/2H2 (224)
NaOH+1/2H2+Pd → NaPb+H2O (219)
NaOH+1/2H2+Bi → NaBi+H2O (220)
NaOH+1/2H2+2Cd → Cd2Na+H2O (221)
NaOH+1/2H2+4Ga → Ga4Na+H2O (222)
NaOH+1/2H2+Sn → NaSn+H2O (223)
NaAlH4+Al(OH)3+5Ni
→ NaAlO2+Ni5Al+H2O+5/2H2 (224)
1つの実施例において、反応混合物は、オキシ水酸化物のような酸素を含む化合物及び酸化物を形成する金属のような還元剤を含む。H2O触媒を形成する反応は、金属酸化物及びH2Oを形成する金属とオキシ水酸化物の反応を含むかもしれない。例示的な反応は以下の通りである。
2MnOOH+Sn → 2MnO+SnO+H2O (225)
4MnOOH+Sn → 4MnO+SnO2+2H2O (226)
2MnOOH+Zn → 2MnO+ZnO+H2O (227)
2MnOOH+Sn → 2MnO+SnO+H2O (225)
4MnOOH+Sn → 4MnO+SnO2+2H2O (226)
2MnOOH+Zn → 2MnO+ZnO+H2O (227)
1つの実施例において、反応混合物は、水酸化物のような酸素を含む化合物、水素の源、及びハロゲンのような異なるアニオン又はもう1つの元素を含む少なくとも1つの他の化合物を含む。H2O触媒を形成する反応は、水酸化物と他の化合物又は元素との反応を含むかもしれないが、ここで、アニオン又は元素はアニオン又は元素のもう1つの化合物を形成するために水酸化物と交換され、そして、H2OはH2と水酸化物との反応で形成される。アニオンはハロゲンを含むかもしれない。例示的な反応は、次の通りである。
2NaOH+NiCl2+H2 → 2NaCl+2H2O+Ni (228)
2NaOH+I2+H2 → 2NaI+2H2O (229)
2NaOH+XeF2+H2 → 2NaF+2H2O+Xe (230)
BiX3(X=ハロゲン化物)+4Bi(OH)3
→ 3BiOX+Bi2O3+6H2O (231)
水酸化物及びハロゲン化物化合物は、H2O及びもう1つのハロゲン化物を形成する反応が熱的に可逆であるように選択されるかもしれない。1つの実施例において、一般的な交換反応は次の通りである。
NaOH+1/2H2+1/yMxCly = NaCl+6H2O+x/yM (232)
ここで、例示的な化合物MxClyは、AlCl3、BeCl2、HfCl4、KAgCl2、MnCl2、NaAlCl4、ScCl3、TiCl2、TiCl3、UCl3、UCl4、ZrCl4、EuCl3、GdCl3、MgCl2、NdCl3、及びYCl3である。約100℃から2000℃の範囲内のような上げられた温度において、式(232)の反応は、約0kJのエンタルピー及び自由エネルギの少なくとも1つを持ち、可逆である。可逆温度は、各反応の対応する熱力学的パラメータから計算される。表される温度範囲は以下の通りである。NaCl−ScCl3は約800−900Kで、NaCl−TiCl2は、約300−400Kで、NaCl−UCl3は約600−800Kで、NaCl−UCl4は約250−300Kで、NaCl−ZrCl4は約250−300Kで、NaCl−MgCl2は約900−1300Kで、NaCl−EuCl3は約900−1000Kで、NaCl−NdCl3は約>1000Kで、そして、NaCl−YCl3は約>1000Kである。
2NaOH+NiCl2+H2 → 2NaCl+2H2O+Ni (228)
2NaOH+I2+H2 → 2NaI+2H2O (229)
2NaOH+XeF2+H2 → 2NaF+2H2O+Xe (230)
BiX3(X=ハロゲン化物)+4Bi(OH)3
→ 3BiOX+Bi2O3+6H2O (231)
水酸化物及びハロゲン化物化合物は、H2O及びもう1つのハロゲン化物を形成する反応が熱的に可逆であるように選択されるかもしれない。1つの実施例において、一般的な交換反応は次の通りである。
NaOH+1/2H2+1/yMxCly = NaCl+6H2O+x/yM (232)
ここで、例示的な化合物MxClyは、AlCl3、BeCl2、HfCl4、KAgCl2、MnCl2、NaAlCl4、ScCl3、TiCl2、TiCl3、UCl3、UCl4、ZrCl4、EuCl3、GdCl3、MgCl2、NdCl3、及びYCl3である。約100℃から2000℃の範囲内のような上げられた温度において、式(232)の反応は、約0kJのエンタルピー及び自由エネルギの少なくとも1つを持ち、可逆である。可逆温度は、各反応の対応する熱力学的パラメータから計算される。表される温度範囲は以下の通りである。NaCl−ScCl3は約800−900Kで、NaCl−TiCl2は、約300−400Kで、NaCl−UCl3は約600−800Kで、NaCl−UCl4は約250−300Kで、NaCl−ZrCl4は約250−300Kで、NaCl−MgCl2は約900−1300Kで、NaCl−EuCl3は約900−1000Kで、NaCl−NdCl3は約>1000Kで、そして、NaCl−YCl3は約>1000Kである。
1つの実施例において、反応混合物は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、希土類金属の酸化物及びAl、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se、及びTeのような他の金属及び半金属のそれら、Li2O2、Na2O2、及びK2O2、のようなM2O2(Mはアルカリ金属)のような過酸化物、NaO2、KO2、RbO2、及びCsO2,のようなMO2(Mはアルカリ金属)のようなスーパーオキシド、アルカリ土類金属のスーパーオキシド、及び水素の源を含む。イオン性の過酸化物は、更に、Ca、Sr、又はBaのそれらを含むかもしれない。H2O触媒を形成する反応は、H2Oを形成するため、酸化物、過酸化物、又はスーパーオキシドの水素還元を含むかもしれない。例示的な反応は、以下の通りである。
Na2O+2H2 → 2NaH+H2O (233)
Li2O2+H2 → Li2O+H2O (234)
KO2+3/2H2 → KOH+H2O (235)
Na2O+2H2 → 2NaH+H2O (233)
Li2O2+H2 → Li2O+H2O (234)
KO2+3/2H2 → KOH+H2O (235)
1つも実施例において、反応混合物は、少なくとも1つのH2のような水素の源、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、希土類金属の水素化物の少なくとも1つのような水素化物及び本開示のそれら及び水素の源又は金属アミドのような可燃性の水素を含む他の化合物、及びO2のような酸素の源を含む。H2O触媒を形成する反応は、H2Oを形成するため金属アミドのような化合物、水素化物、H2を含むかもしれない。例示的な反応は以下の通りである。
2NaH+O2 → Na2O+H2O (236)
H2+1/2O2 → H2O (237)
LiNH2+2O2 → LiNO3+H2O (238)
2LiNH2+3/2O2 → 2LiOH+H2O+N2 (239)
2NaH+O2 → Na2O+H2O (236)
H2+1/2O2 → H2O (237)
LiNH2+2O2 → LiNO3+H2O (238)
2LiNH2+3/2O2 → 2LiOH+H2O+N2 (239)
1つの実施例において、反応混合物は、水素の源及び酸素の源を含む。H2O触媒を形成する反応は、H2Oを形成するため、少なくとも1つの水素の源及び酸素の源の分解を含むかもしれない。例示的な反応は以下の通りである。
NH4NO3 → N2O+2H2O (240)
NH4NO3 → N2+1/2O2+2H2O (241)
H2O2 → 1/2O2+H2O (242)
H2O2+H2 → 2H2O (243)
NH4NO3 → N2O+2H2O (240)
NH4NO3 → N2+1/2O2+2H2O (241)
H2O2 → 1/2O2+H2O (242)
H2O2+H2 → 2H2O (243)
この「化学的リアクタ」の節において開示される反応混合物は、ハイドリノを形成するため、水素の源を含む。この源は、水素解離剤及びH2ガスのような原子水素の源、又は、本開示の解離剤及び金属水素化物のような金属水素化物の源であるかもしれない。原子水素を供給する水素の源は、水酸化物又はオキシ水酸化物のような水素を含む化合物であるかもしれない。ハイドリノを形成するため反応するHは、1又はそれ以上の反応物の反応により形成される発生期のHであるかもしれないが、ここで、少なくとも1つは、水酸化物及び酸化物の反応のような水素の源を含む。その反応はまた、H2O触媒を形成するかもしれない。酸化物及び水酸化物は、同じ化合物を含むかもしれない。例えば、FeOOHのようなオキシ水酸化物は、H2O触媒を供給するため、及び、脱水の間にハイドリノ反応のために発生期のHを供給するために、水を失うであろう。
4FeOOH → H2O+Fe2O3+2FeO+O2+2H(1/4) (244)
ここで、反応の間に形成される発生期のHはハイドリノへと反応する。他の例示的な反応は、NaFeO2+H2Oのようなアルカリ金属酸化物を形成するため、NaOH+FeOOH又はFe2O3のような水酸化物及びオキシ酸化物又は酸化物のそれらであるが、ここで、反応の間に形成される発生期のHは、ハイドリノを形成するかもしれず、また、H2Oは触媒として機能する。酸化物イオンはH2Oと反応してOH−を形成するかもしれない。同じ経路は、以下のように水酸化物−ハロゲン化物交換反応で得られるかもしれない。
2M(OH)2+2M’X2
→ H2O+2MX2+2M’O+1/2O2+2H(1/4) (245)
ここで、M及びM’金属は、Cu(OH)2+CuBr2又はCo(OH)2+CuBr2のように、それぞれ、アルカリ土類金属及び遷移金属である。1つの実施例において、過剰のバルクH2Oは、それが発生期のHOHハイドリノ触媒の形成及び機能を阻害しないように、反応混合物から取り除かれる。1つの実施例において、反応は、反応の前に乾燥されるかもしれない。少なくともH2O及びH2の1つは、反応物を再生するために添加されるかもしれず、そして、過剰のバルクH2Oは、反応が繰り返される前に、取り除かれるかもしれない。1つの実施例において、M及び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、及び希土類金属、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、第13、14、15、及び16族元素、及び本開示のそれらのような水酸化物又はハロゲン化物の他のカチオンからなる群から選択されるかもしれない。HOH触媒、発生期のH、及びハイドリノの少なくとも1つを形成するための例示的な反応は、以下の通りである。
4MOH+4M’X
→ H2O+2M’2O+M2O+2MX+X2+2H(1/4) (246)
1つの実施例において、反応混合物は、本開示のそれらのような水酸化物及びハロゲン化物化合物の少なくとも1つを含む。1つの実施例において、ハロゲン化物は、発生期のHOH触媒及びHの少なくとも1つの形成及び維持の少なくとも1つを容易にするために機能するかもしれない。1つの実施例において、混合物は、反応混合物の融点を下げるために機能するかもしれない。
4FeOOH → H2O+Fe2O3+2FeO+O2+2H(1/4) (244)
ここで、反応の間に形成される発生期のHはハイドリノへと反応する。他の例示的な反応は、NaFeO2+H2Oのようなアルカリ金属酸化物を形成するため、NaOH+FeOOH又はFe2O3のような水酸化物及びオキシ酸化物又は酸化物のそれらであるが、ここで、反応の間に形成される発生期のHは、ハイドリノを形成するかもしれず、また、H2Oは触媒として機能する。酸化物イオンはH2Oと反応してOH−を形成するかもしれない。同じ経路は、以下のように水酸化物−ハロゲン化物交換反応で得られるかもしれない。
2M(OH)2+2M’X2
→ H2O+2MX2+2M’O+1/2O2+2H(1/4) (245)
ここで、M及びM’金属は、Cu(OH)2+CuBr2又はCo(OH)2+CuBr2のように、それぞれ、アルカリ土類金属及び遷移金属である。1つの実施例において、過剰のバルクH2Oは、それが発生期のHOHハイドリノ触媒の形成及び機能を阻害しないように、反応混合物から取り除かれる。1つの実施例において、反応は、反応の前に乾燥されるかもしれない。少なくともH2O及びH2の1つは、反応物を再生するために添加されるかもしれず、そして、過剰のバルクH2Oは、反応が繰り返される前に、取り除かれるかもしれない。1つの実施例において、M及び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、及び希土類金属、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、第13、14、15、及び16族元素、及び本開示のそれらのような水酸化物又はハロゲン化物の他のカチオンからなる群から選択されるかもしれない。HOH触媒、発生期のH、及びハイドリノの少なくとも1つを形成するための例示的な反応は、以下の通りである。
4MOH+4M’X
→ H2O+2M’2O+M2O+2MX+X2+2H(1/4) (246)
1つの実施例において、反応混合物は、本開示のそれらのような水酸化物及びハロゲン化物化合物の少なくとも1つを含む。1つの実施例において、ハロゲン化物は、発生期のHOH触媒及びHの少なくとも1つの形成及び維持の少なくとも1つを容易にするために機能するかもしれない。1つの実施例において、混合物は、反応混合物の融点を下げるために機能するかもしれない。
酸−塩基反応は、H2O触媒へのもう1つのアプローチである。このようにして、熱的化学的反応は、ハイドリノを形成するための電気化学的反応に類似する。例示的なハロゲン化物及び水酸化物混合物は、Bi、Cd、Cu、Co、Mo、及びCdのそれら、及び、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、及びZnからなる群の低い水の反応性を持つ金属のハロゲン化物及び水酸化物の混合物である。1つの実施例において、反応混合物は、更に、発生期のH2Oのような触媒及びHの少なくとも1つの源として機能するかもしれないH2Oを含む。水は、反応の間に、分解又は別様に反応する水和物の形態にあるかもしれない。
1つの実施例において、固体燃料は、発生期のH及び発生期のH2Oを形成する無機化合物及びH2Oの反応混合物を含む。無機化合物は、H2Oと反応する金属ハロゲン化物のようなハロゲン化物を含むかもしれない。反応生成物は、水酸化物、オキシ水酸化物、酸化物、オキシハライド(oxyhalide)、ヒドロキシハライド(hydroxyhalide)、及び水和物の少なくとも1つであるかもしれない。他の生成物は、XO−、XO2 −、XO3 −、及びXO4 −(X=ハロゲン)のような酸素及びハロゲンを含むアニオンを含むかもしれない。生成物はまた、還元されたカチオン及びハロゲンガスの少なくとも1つであるかもしれない。ハロゲン化物は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、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、及びハロゲン化物を形成する他の元素の1つのような金属ハロゲン化物であるかもしれない。金属又は元素は加えて、水酸化物、オキシ水酸化物、酸化物、オキシハライド(oxyhalide)、ヒドロキシハライド(hydroxyhalide)、水和物、及びXO−、XO2 −、XO3 −、及びXO4 −(X=ハロゲン)のような酸素及びハロゲンを含むアニオンを持つ化合物を形成する1つ、の少なくとも1つを形成する1つであるかもしれない。妥当な例示的な金属及び元素は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、内部遷移金属、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の少なくとも1つである。例示的な反応は以下の通りである。
5MX2+7H2O
→ MXOH+M(OH)2+MO+M2O3+11H(1/4)+9/2X2
(247)
ここで、MはCuのような遷移金属であり、XはClのようなハロゲンである。
5MX2+7H2O
→ MXOH+M(OH)2+MO+M2O3+11H(1/4)+9/2X2
(247)
ここで、MはCuのような遷移金属であり、XはClのようなハロゲンである。
反応混合物は更に、電気的に伝導性で、高い表面積の支持体のような支持体を含むかもしれない。妥当な支持体は、Ni又はR−Niのような金属粉末、Niのような金属網、カーボン、TiC、及びWCのような炭化物、及びホウ化物のような本開示のそれらである。支持体は、Pd/C又はPd/Cのような解離剤を含むかもしれない。反応物は、所望の如何なるモル比であるかもしれない。1つの実施例において、化学量論比は、ハイドリノを形成するためにHを供給する、及び、H2O触媒を形成するために、反応の間量を優先的にするようなものである。反応温度は、約周囲温度から1500℃の範囲内のような所望の如何なる範囲内であるかもしれない。圧力範囲は、約0.01Torrから500atmの範囲内のような所望の如何なるものであるかもしれない。反応は、ここにおいて及び私の以前の米国特許出願において、開示される方法により再生的及び可逆的の少なくとも1であるが、ここで、私の以前の米国特許出願は、水素触媒リアクタ、PCT/US08/61455、4/24/2008にPCT出願;不均一水素触媒リアクタ、PCT/US09/052072、7/29/2009にPCT出願;不均一水素触媒パワーシステム、PCT/US10/27828、3/18/2010にPCT出願;電気化学的水素触媒パワーシステム、PCT/US11/28889、3/17/2011にPCT出願;及びH2O−ベース電気化学水素−触媒パワーシステム、PCT/US12/31369、3/30/2012に出願、であるが、これらはここにおいて参照され組み込まれる。H2Oを形成する反応は、当該分野の当業者によって知られるようにH2Oを消費する逆反応が起きることを許すように、温度及び圧力のような反応条件を変えることにより可逆であるかもしれない。例えば、H2O圧力は、再水和により生成物から反応物を再形成する逆向き反応において増大されるかもしれない。他の場合において、水素−還元生成物は、酸素及びH2Oの少なくとも1との反応によるような酸化によって再生されるかもしれない。1つの実施例において、逆反応生成物は、逆又は再生反応が進むように、反応から取り除かれるかもしれない。逆反応は、少なくとも1つの逆反応生成物を除くことにより平衡の熱力学に基づいて優先的であることが無い場合においても優先的となるかもしれない。1つの例示的な実施例において、再生された反応物(逆又は再生反応生成物)は、アルカリ水酸化物のような水酸化物を含む。その水酸化物は、溶媒化又は昇華のような方法により取り除かれるかもしれない。後者の場合において、アルカリ水酸化物は、約350−400℃の範囲内で温度が変化しないで、昇華する。反応は、私の米国特許出願のパワープラントシステムにおいて維持されているかもしれない。パワーを生産するセルからの熱エネルギは、以前に開示されたように再生を受けている他の少なくとも1つのセルに熱を供給するかもしれない。その代わりとして、H2O触媒を形成する反応及び逆再生反応の平衡は、以前に開示されるようにセルの選択された領域でクーランとにようり熱勾配を持つシステム設計の水壁の温度を変化させることによりシフトさせることができる。
1つの実施例において、Cu(OH)2+CuBr2のような水酸化物及びハロゲン化物化合物混合物の再生反応は、H2及びH2Oの少なくとも1つの添加によるかもしれない。ハロゲン化物及び酸化物のような生成物はハロゲン化物の昇華により分離されるかもしれない。1つの実施例において、H2Oは、反応生成物から、CuBr2及びCu(OH)2のような水酸化物(hydroxde)及びハロゲン化物(halde)が形成されるようにする加熱条件下で反応混合物に添加されるかもしれない。1つの実施例において、再生は、熱サイクルのステップによって達成されるかもしれない。1つの実施例において、CuBr2のようなハロゲン化物は、H2O溶解性であるが、Cu(OH)2のような水酸化物は不溶性である。再生された化合物は、フィルタリング又は沈殿法により分離されるかもしれない。化学種は、熱エネルギが反応からであるかもしれないところ、乾燥されるかもしれない。熱は、水蒸気から出されたものから回復されるかもしれない。その回復は、例えば、タービン及び発電機を使用して電気的に発生するもの又は加熱から直接蒸気を使うことにより、又は熱交換器によってであるかもしれない。1つの実施例において、CuOからのCu(OH)2の再生は、H2O分裂触媒を使用することにより達成される。妥当な触媒は、CuO及びAl2O3、コバルト−リン酸塩(cobalt−phosphate)、コバルトホウ酸塩(cobalt borate)、コバルト・ホウ酸トリメチル(cobalt methyl borate)、ニッケル・ホウ酸塩(nickel borate)、RuO2、LaMnO3、SrTiO3、TiO2、及びWO3を焼結することにより形成されるCuAlO2及びPt/Al2O3のような支持体の上の貴金属である。H2O分裂触媒を形成する例示的な方法は、それぞれ、0.92及び1.15V(通常の水素電極に対する)のポテンシャルで、pH9.2、約0.1Mのカリウム・リン酸ホウ酸塩(potassium phosphate borate)電解質内にCo2+及びNi2+溶液のコントロールされた電気分解である。例示的な、熱的な可逆固体燃料サイクルは、以下の通りである。
T100 2CuBr2+Ca(OH)2 → 2CuO+2CaBr2+H2O (248)
T730 CaBr2+2H2O → Ca(OH)2+2HBr (249)
T100 CuO+2HBr → CuBr2+H2O (250)
T100 2CuBr2+Cu(OH)2 → 2CuO+2CaBr2+H2O (251)
T730 CuBr2+2H2O → Cu(OH)2+2HBr (252)
T100 CuO+2HBr → CuBr2+H2O (253)
T100 2CuBr2+Ca(OH)2 → 2CuO+2CaBr2+H2O (248)
T730 CaBr2+2H2O → Ca(OH)2+2HBr (249)
T100 CuO+2HBr → CuBr2+H2O (250)
T100 2CuBr2+Cu(OH)2 → 2CuO+2CaBr2+H2O (251)
T730 CuBr2+2H2O → Cu(OH)2+2HBr (252)
T100 CuO+2HBr → CuBr2+H2O (253)
1つの実施例において、反応物としてH2及び生成物としてH2O及び反応物及び生成物の少なくとも1つとしてH2又はH2Oの1又はそれ以上を持つ固体燃料の反応混合物は、如何なる従来の反応の最大の理論自由エネルギが約ゼロであり、それが限定試薬の−500から+500kJ/moleの範囲内、好ましくは、限定試薬の−100から+100kJ/moleの範囲内であるように、選択される。反応物及び生成物の混合物は、その自由エネルギが約ゼロであるような最適な大体の温度、及び、その反応が混合物及び温度を維持することをしない場合の反応時間よりも長い期間に定常のパワー又は再生を得ることができるように可逆である最適な大体の温度の1又はそれ以上で維持されるかもしない。その温度は、約+/−500℃の範囲内、又は最滴には約+/−100℃の範囲内であるかもれない。例示的な混合物及び反応の温度は、800KでFe、Fe2O3、H2及びH2Oの化学量論比の混合物、及び、800Kで化学量論比のSn、SnO、H2及びH2Oである。
1つの実施例において、ハイドリノを形成するまめ化学的及びCIHTセル反応の少なくとも1つの生成物は、無機化学化合物と錯体化したH2(1/p)ようなハイドリノ又はより低いエネルギの水素種を含む化合物である。その化合物は、アルカリ又はアルカリ土類炭酸塩又は水酸化物又は本開示のそのような化合物のようなオキシアニオン化合物を含むかもしれない。1つの実施例において、生成物は、M2CO3・H2(1/4)及びMOH・H2(1/4)(M=アルカリ又は本開示の他のカチオン)錯体の少なくとも1つを含む。その生成物は、それぞれ、M(M2CO3・H2(1/4))n +)及びM(KOH・H2(1/4))n +を含む正のスペクトルにおける一連のイオンとしてToF−SIMSによって同定されるかもしれないが、ここで、nは整数及び整数及び整数p>1は4に置き換えられるかもしれない。1つの実施例において、SiO2又は石英のようなケイ素及び酸素を含む化合物は、H2(1/4)に対するゲッタとして機能するかもしれない。H2(1/4)に対するゲッタは、遷移金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、内部遷移金属、希土類金属、金属、MoCuのようなMo合金のような合金、及び本開示のそれらのような水素貯蔵材料の組合せを含むかもしれない。
本発明の化合物は、好ましくは、0.1原子百分率よりも高い純度である。より好ましくは、その化合物は1原子百分率よりも高い純度である。更により好ましくは、その化合物は10原子百分率よりも高い純度である。最も好ましくは、その化合物は50原子百分率よりも高い純度である。もう1つの実施例において、その化合物は90原子百分率よりも高い純度である。もう1つの実施例において、その化合物は95原子百分率よりも高い純度である。
その化合物の応用は、バッテリ、燃料電池、切削材、軽量高強度構造用材料及び合成繊維、熱電子発電機用のカソード、フォトルミネッセンス化合物、腐食耐性被膜、耐熱性被膜、照明用蛍光体、光学コーティング、光ファイバ、超紫外線レーザ媒体、光ファイバーケーブル、磁石及び磁気コンピュータ記憶媒体、及び半導体製造におけるエッチング剤、マスキング剤、ドーパント、燃料、爆薬、及び推進薬における使用を含む。増大された結合エネルギ水素化合物は、化学合成処理方法及び精製方法において有用である。増大された結合エネルギ水素イオンは、高電圧電解質セルの電解質の負のイオンのような応用を持つ。
1つの実施例において、ハイドリノは、本開示の固体燃料のような水素の源及び触媒の源を加熱することにより形成される。加熱は、熱的な加熱及び振動加熱の少なくとも1つであるかもしれない。実験的に、ラマン分光法は、ハイドリノがLiのようなアルカリ金属を含む混合物のようなハロゲン化物及び水酸化物の混合物のような固体燃料をボールミルすることにより形成されることを、確認する。例えば、逆ラマン効果ピークが、ボールミルされたLiOH+LiI及びLiOH+LiFから、2308cm−1で観測される。このようにして、妥当な例示的な混合物は、LiOH+LiI又はLiFである。1つの実施例において、熱的な及び振動による加熱の少なくとも1つは、爆発により達成される。この場合、追加的なエネルギ反応は、ハイドリノを形成することにより供給される。
1つの実施例において、l量子数が非ゼロであるので、H2(1/p)は、MRIの常磁性造影剤として機能するかもしれない。
ΔJ=+1の規模の回転選択則を許す非ゼロのl量子数は、H2(1/p)分子レーザを許容する。
1つの実施例において、H2(1/p)は常磁性体であるので、それは、H2よりも高い液化温度を持つ。
XII.実験
A. 例示的なCIHTセル試験結果
各セルがアノード、共晶溶融塩電解質、及び不活性アルミナ坩堝内に含まれるカソードを含む、溶融塩CIHTセル(複数)は、大気中で組み立てられ、例示的な温度範囲の30から50℃(31Torrから93Torr H2O)において維持された水発生器を用いることにより、又は、H2O容器(reservoir)を通してアルゴンのキャリアガスをバブリングすることにより、H2Oが供給される閉鎖された容器の中で加熱された。電解質は、LiOH−LiBrのような溶融塩を、及び、オプションとしてMgOのようなマトリクスを含んだ。セルは、断続的な電気分解の下でオペレーションされたが、ここで、水素は放電アノードで形成され、そして、酸素がH2Oから放電カソードで形成された。放電の間に、正味の過剰な電気的エネルギの収支(バランス)が達成されるように、過剰の電流及びエネルギが生じるように、発生期のH2O触媒及びハイドリノを形成するように、反応及び電流は反転された。もう1つの変形において、このセルのタイプは、空気に部分的に開放してオペレーションされた。もう1つのタイプは、飽和KOHのような水性電解質、及び異なるカソード及びアノードを含んでいたが、これらは、空気に対して開放の断続的な電解質条件の下でオペレーションされた。[Ni/LiOH−LiBr−MgO/NiO(閉鎖又は空気)]、及び[[Co粉末 カーボンブラック/KOH(飽和水溶液)/Ni(空気)]のような、[アノード/電解質/カソード]で示される例示的なセルからの結果は、以下に与えられる。
A. 例示的なCIHTセル試験結果
各セルがアノード、共晶溶融塩電解質、及び不活性アルミナ坩堝内に含まれるカソードを含む、溶融塩CIHTセル(複数)は、大気中で組み立てられ、例示的な温度範囲の30から50℃(31Torrから93Torr H2O)において維持された水発生器を用いることにより、又は、H2O容器(reservoir)を通してアルゴンのキャリアガスをバブリングすることにより、H2Oが供給される閉鎖された容器の中で加熱された。電解質は、LiOH−LiBrのような溶融塩を、及び、オプションとしてMgOのようなマトリクスを含んだ。セルは、断続的な電気分解の下でオペレーションされたが、ここで、水素は放電アノードで形成され、そして、酸素がH2Oから放電カソードで形成された。放電の間に、正味の過剰な電気的エネルギの収支(バランス)が達成されるように、過剰の電流及びエネルギが生じるように、発生期のH2O触媒及びハイドリノを形成するように、反応及び電流は反転された。もう1つの変形において、このセルのタイプは、空気に部分的に開放してオペレーションされた。もう1つのタイプは、飽和KOHのような水性電解質、及び異なるカソード及びアノードを含んでいたが、これらは、空気に対して開放の断続的な電解質条件の下でオペレーションされた。[Ni/LiOH−LiBr−MgO/NiO(閉鎖又は空気)]、及び[[Co粉末 カーボンブラック/KOH(飽和水溶液)/Ni(空気)]のような、[アノード/電解質/カソード]で示される例示的なセルからの結果は、以下に与えられる。
50813SCS4−528−ハイパーセル(Hypr cell)−Co TCA−1+1(SKO)カソード 約0.1gの水蒸気賦活性炭粉末付
ハイパーセル−CNi6/SAC粉末付リチウム化されたNiOカソード
Co TCA/LiOH+LiBr+MgO/CNi6の1層(China)/リチウム化NiOの1層(042513MC181)約0.1gの水蒸気賦活性炭粉末付−水平に束ねられた
アノード:Co TCA(050213MC188) 2.0インチ 外形(OD)、0.01インチのSS チューブの上に1.5インチのNi透過性ディスクに渡って上面及び底面に置かれる(13.953g)
カソード:CNi6の1層(China) セルメット/リチウム化NiOの1層(042513MC181)約0.1gの水蒸気賦活性炭粉末付(SAC)−水平に束ねられた
7.5gのLiOH+37.5gのLiBr+12gのMgO 2−1/16インチ・セラミック・スペーサ付
累積正味ゲイン(Cumul Net Gain)@0.6V−T 1.88 X
累積正味E(Cumulative Net E)@0.6V−T 4.20 Whr
累積放電E(Cumul Discharge E)@0.6V−T 8.98 Whr
H2 Perm Theo to 0.6V−T: 1.61 Whr
H2 Rate Av to 0.6V−T: 2.90 nmol/cm2/s
正味ゲイン(Net Gain)−H2 Theo @0.6V−T:2.6 Whr
セルパワー(Cell Power)@0.6V Base:119.3 mW
平均(Average)IR to 0.6V−T 88.1 mOhms
面積電流密度(Area Current Density)(アノード):9.9mA/cm^2
面積電流密度(Area Current Density)(カソード):9.9mA/cm^2
体積電流密度(Vol Current Density)(アノード) 30.8mA/cm^3
体積電流密度(Vol Current Density)(カソード):9.9mA/cm^3
位置(Location):MSTAT −10
OCV:1.0105 V
セル持続時間(Cell Duration) to 0.6V−T:116.8 hrs
全セル持続時間(Full Cell Duration):119.9 hrs
セルタイプ(Cell Type):透過(Permeation)
雰囲気タイプ(Atm Type):空気 20.9 % O2
流速(Flow Rate) N/A N/A
加湿(Humidification):NA RT ℃
ゲッター(Getter): A @Top HandM
プログラム充電(Program Charge):0.2s 200 mA
プログラム放電(Program Discharge):0.4s /0.6V 200 mA
熱(Heat)(IB,OB,OM/Taken):407 4/8/2013
終了日付(Ended Date)/理由(Reason):on floor 0.6V 4/13/2013
セル修正(Cell Modifiers):HT TC
ゲイン(Gain) @0.6V floor(116.84hrs)=1.878x,正味エネルギ=4.199Whr
H2 perm. theo@116.84hrs=1.61Whr,rate=2.9 nmol/cm2/s
ハイパーセル−CNi6/SAC粉末付リチウム化されたNiOカソード
Co TCA/LiOH+LiBr+MgO/CNi6の1層(China)/リチウム化NiOの1層(042513MC181)約0.1gの水蒸気賦活性炭粉末付−水平に束ねられた
アノード:Co TCA(050213MC188) 2.0インチ 外形(OD)、0.01インチのSS チューブの上に1.5インチのNi透過性ディスクに渡って上面及び底面に置かれる(13.953g)
カソード:CNi6の1層(China) セルメット/リチウム化NiOの1層(042513MC181)約0.1gの水蒸気賦活性炭粉末付(SAC)−水平に束ねられた
7.5gのLiOH+37.5gのLiBr+12gのMgO 2−1/16インチ・セラミック・スペーサ付
累積正味ゲイン(Cumul Net Gain)@0.6V−T 1.88 X
累積正味E(Cumulative Net E)@0.6V−T 4.20 Whr
累積放電E(Cumul Discharge E)@0.6V−T 8.98 Whr
H2 Perm Theo to 0.6V−T: 1.61 Whr
H2 Rate Av to 0.6V−T: 2.90 nmol/cm2/s
正味ゲイン(Net Gain)−H2 Theo @0.6V−T:2.6 Whr
セルパワー(Cell Power)@0.6V Base:119.3 mW
平均(Average)IR to 0.6V−T 88.1 mOhms
面積電流密度(Area Current Density)(アノード):9.9mA/cm^2
面積電流密度(Area Current Density)(カソード):9.9mA/cm^2
体積電流密度(Vol Current Density)(アノード) 30.8mA/cm^3
体積電流密度(Vol Current Density)(カソード):9.9mA/cm^3
位置(Location):MSTAT −10
OCV:1.0105 V
セル持続時間(Cell Duration) to 0.6V−T:116.8 hrs
全セル持続時間(Full Cell Duration):119.9 hrs
セルタイプ(Cell Type):透過(Permeation)
雰囲気タイプ(Atm Type):空気 20.9 % O2
流速(Flow Rate) N/A N/A
加湿(Humidification):NA RT ℃
ゲッター(Getter): A @Top HandM
プログラム充電(Program Charge):0.2s 200 mA
プログラム放電(Program Discharge):0.4s /0.6V 200 mA
熱(Heat)(IB,OB,OM/Taken):407 4/8/2013
終了日付(Ended Date)/理由(Reason):on floor 0.6V 4/13/2013
セル修正(Cell Modifiers):HT TC
ゲイン(Gain) @0.6V floor(116.84hrs)=1.878x,正味エネルギ=4.199Whr
H2 perm. theo@116.84hrs=1.61Whr,rate=2.9 nmol/cm2/s
セル(Cell) [082212JT1−43] 156.5 hrs でスタート
最新即時ゲイン(Latest Instantaneous Gain):1.80 X
最新累積正味ゲイン(Latest Cumul Net Gain):1.80 X
最新累積放電E(Latest Cumul Discharge E):10.328 Whr
最新累積充電E(Latest Cumulative Charge E):5.739 Whr
最新累積正味E(Latest Cumulative Net E):4.588 Whr
セル平均パワー(Cell Average Power):102.7 mW
終期セルパワー(Cell Power at end):96.6 mW
セル継続パワー(Cell Continuous Power):30 mW
面積パワー密度(Area Pwr Density) (アノード):5.75 mW/cm^2
位置(Location):BLPB−11
72時間での電圧範囲(Voltage range at 72 hours):1.09−1.04 V, 定常状態(steady for) 156.5 hrs
最新稼働時間(Latest Runtime):156.5 hrs
セル・タイプ(Cell Type):H2 PSparge,800 Torr 0.015インチの厚みのNi TTC(Ni 255 粉末) 円板膜 マッチング片へのNiシーム溶接付、中央に1/8インチのステンレス鋼のガス・ラインが溶接され;正味のトップ円板表面積は約19 cm2
H2透過速度(H2 Permeation Rate):4.4X10−9moles H2/cm2/s
雰囲気タイプ(Atm Type):Air 20.9% O2
加湿(Humidification):無(none)
プログラム充電(Program Charge):2s, 100 mA
プログラム放電(Program Discharge):4s, 100ma
電圧が.90Vに達するとプログラム停止(Program Stop when voltage reaches .90V)
最新即時ゲイン(Latest Instantaneous Gain):1.80 X
最新累積正味ゲイン(Latest Cumul Net Gain):1.80 X
最新累積放電E(Latest Cumul Discharge E):10.328 Whr
最新累積充電E(Latest Cumulative Charge E):5.739 Whr
最新累積正味E(Latest Cumulative Net E):4.588 Whr
セル平均パワー(Cell Average Power):102.7 mW
終期セルパワー(Cell Power at end):96.6 mW
セル継続パワー(Cell Continuous Power):30 mW
面積パワー密度(Area Pwr Density) (アノード):5.75 mW/cm^2
位置(Location):BLPB−11
72時間での電圧範囲(Voltage range at 72 hours):1.09−1.04 V, 定常状態(steady for) 156.5 hrs
最新稼働時間(Latest Runtime):156.5 hrs
セル・タイプ(Cell Type):H2 PSparge,800 Torr 0.015インチの厚みのNi TTC(Ni 255 粉末) 円板膜 マッチング片へのNiシーム溶接付、中央に1/8インチのステンレス鋼のガス・ラインが溶接され;正味のトップ円板表面積は約19 cm2
H2透過速度(H2 Permeation Rate):4.4X10−9moles H2/cm2/s
雰囲気タイプ(Atm Type):Air 20.9% O2
加湿(Humidification):無(none)
プログラム充電(Program Charge):2s, 100 mA
プログラム放電(Program Discharge):4s, 100ma
電圧が.90Vに達するとプログラム停止(Program Stop when voltage reaches .90V)
121912JG1−1337:Cu−Co(TCA,H2透過)/LiBr−LiOH/Li2O−NiO(空気)
アノード:3インチ 直径 Cu−Co TCA(3片) 2インチで被覆 直径 Ni(0.01インチ) 透過ディスク
カソード:Li2O−NiO,3インチ 直径×1.5インチ(高さ)ゼリーロール。
電解質:50g LiOH,250g LiBr
セル温度:420℃, H2:945 Torr
充電/放電:0.2s/0.4s,600mA,電圧下限:0.65V
ゲイン=1.58
アノード:3インチ 直径 Cu−Co TCA(3片) 2インチで被覆 直径 Ni(0.01インチ) 透過ディスク
カソード:Li2O−NiO,3インチ 直径×1.5インチ(高さ)ゼリーロール。
電解質:50g LiOH,250g LiBr
セル温度:420℃, H2:945 Torr
充電/放電:0.2s/0.4s,600mA,電圧下限:0.65V
ゲイン=1.58
121812JH−505:Cu−Co (TCA)/LiBr−LiOH−MgO/NiO(空気)
アノード:1.5インチ直径 Cu−Co TCA (2片)
カソード:NiO,1.5インチ直径×1.5インチ高さ ゼリーロール。
電解質:15g LiOH,75g LiBr
セル温度:420℃
充電/放電:0.2s/0.4s,600mA,下側電圧限界:0.70V
ゲイン=1.78
アノード:1.5インチ直径 Cu−Co TCA (2片)
カソード:NiO,1.5インチ直径×1.5インチ高さ ゼリーロール。
電解質:15g LiOH,75g LiBr
セル温度:420℃
充電/放電:0.2s/0.4s,600mA,下側電圧限界:0.70V
ゲイン=1.78
102212GC1−1267# (透過セル,高頻度,円柱カソード)(B−3#) テープキャスト(84%Co+16%Cuテープキャスト 支持体内にNiセルメット(celmet) CN6C) 被覆 Niメッシュ以下により保護 使用Niディスク/LiOH−LiBr/NiO円柱(空気開放) 充電60mAで0.2s間;放電60mAで0.4s間 V>=0.7V迄;A:テープキャスト Niメッシュ−Niディスク(d:1.5インチ,23.97g 全体);C:NiO円柱(d:2.0インチ;h:2.7インチ);電解質:20g LiOH+100g LiBr;Tset=445℃,Treal 420℃
注:初期OCVは1.0189Vだった。パワー密度(Power density)4.52mW/cm^2。
アノード 072612TCA,3片 被覆,10.51g,全体23.97g。H2 初期圧力805.4Torr。
(10/25/2012):2d+13h;V−base=0.875V;即時のゲイン:1.89×;内部抵抗:173m ohm;正味:0.98 Wh。
(10/26/2012):3d+5h;V−base=0.874V;即時のゲイン:1.89×;内部抵抗:173m ohm。正味:1.24Wh。4日後終了及び回収された試料。全エネルギ:2.64Wh/1.40Wh=1.89×。
23.96g 残り,損失0.01g(形成されたNiO,エネルギ:0.0083Wh);H2 エネルギ寄与は0.64Whだったが、透過速度計算から;余分なエネルギ=1.24Wh−0.64Wh−0.0083Wh=0.59Wh。腐食は見られない。
注:初期OCVは1.0189Vだった。パワー密度(Power density)4.52mW/cm^2。
アノード 072612TCA,3片 被覆,10.51g,全体23.97g。H2 初期圧力805.4Torr。
(10/25/2012):2d+13h;V−base=0.875V;即時のゲイン:1.89×;内部抵抗:173m ohm;正味:0.98 Wh。
(10/26/2012):3d+5h;V−base=0.874V;即時のゲイン:1.89×;内部抵抗:173m ohm。正味:1.24Wh。4日後終了及び回収された試料。全エネルギ:2.64Wh/1.40Wh=1.89×。
23.96g 残り,損失0.01g(形成されたNiO,エネルギ:0.0083Wh);H2 エネルギ寄与は0.64Whだったが、透過速度計算から;余分なエネルギ=1.24Wh−0.64Wh−0.0083Wh=0.59Wh。腐食は見られない。
102212GC2−1268#(透過セル,高頻度,円柱カソード)(B−5#)テープキャスト(84%Co+16%Cuテープキャスト 支持体内にNiセルメット(celmet)CN6C)被覆Niメッシュ以下により保護 使用Niディスク/LiOH−LiBr−MgO/NiO 円柱(空気開放)充電60mAで0.2s間;放電60mAで0.4s間 V>=0.7V迄;A:テープキャスト Niメッシュ−Niディスク(d:1.5インチ,25.34g 全体);C:NiO 円柱(d:2.0インチ;h:2.7インチ);電解質:20g LiOH+100g LiBr+35g MgO;T set=480℃,T real 420℃
注:初期OCVは0.981Vだった。パワー密度(Power density)4.47mW/cm^2。
アノード072612TCA,3片 被覆,10.40g,全体25.34g。H2 初期圧力806.4Torr。
(10/25/2012):2d+13h;V−base=0.823V;即時のゲイン:1.90x;内部抵抗:160m ohm;Net:0.93Wh。
(10/26/2012):3d+5h;V−base=0.821V;即時のゲイン:1.89x;内部抵抗:160m ohm。正味:1.18Wh。4日後終了及び回収された試料。全エネルギ:2.51Wh/1.33Wh=1.89×。25.58g残り,増加0.24g 残存不溶性MgOのため;H2エネルギ寄与は0.53Whだったが、透過速度計算から;余分なエネルギ=1.18Wh−0.53Wh=0.65Wh。腐食は見られない。
注:初期OCVは0.981Vだった。パワー密度(Power density)4.47mW/cm^2。
アノード072612TCA,3片 被覆,10.40g,全体25.34g。H2 初期圧力806.4Torr。
(10/25/2012):2d+13h;V−base=0.823V;即時のゲイン:1.90x;内部抵抗:160m ohm;Net:0.93Wh。
(10/26/2012):3d+5h;V−base=0.821V;即時のゲイン:1.89x;内部抵抗:160m ohm。正味:1.18Wh。4日後終了及び回収された試料。全エネルギ:2.51Wh/1.33Wh=1.89×。25.58g残り,増加0.24g 残存不溶性MgOのため;H2エネルギ寄与は0.53Whだったが、透過速度計算から;余分なエネルギ=1.18Wh−0.53Wh=0.65Wh。腐食は見られない。
090712GC2−1224#(透過セル,円柱カソード,H2圧力:900Torr)(B−19#)使用Niディスク/LiOH−LiBr/NiO円柱(空気開放)充電50mAで0.2s間;放電50mAで0.4s間 V>=0.7V迄;A:使用Niディスク(d:1.75インチ,33.76g 全体);C:NiO円柱(d:2.25インチ;h:3インチ);電解質:20g LiOH+100g LiBr;T set=480℃,T real 430℃。初期OCVは1.092Vだった。パワー密度(Power density)3.20mW/cm^2。電流は100mA迄変化された。(9/18/2012):8d+21h;V−base=0.796V;即時のゲイン:1.57x;内部抵抗:358m ohm;正味エネルギ:4.16Wh。(9/19/2012):9d+17h;V−base=0.741V;即時のゲイン:1.53x;内部抵抗:320m ohm;正味エネルギ:4.54Wh。停止され、秤量され、同じオペレーション・パラメータ及びパフォーマンスで再開:全エネルギ:12.36Wh(放電)/7.51Wh(充電エネルギ)=1.65×。重量:33.76g(前);33.68g(後)。セル1224の結果は、Ni透過アノードがH2透過で安定化でき、それは約1.25E−8moles/s cm2(2.5mW/cm2)。
092412SCS1−118 試験−再溶接(TIGスポット溶接) Moプレート@80mA/cm^2
Mo(100)w/再溶接Ni/LiOH+LiBr/NiO
アノード:Mo(100)w/再溶接Ni 1cm2 square(2.457g)
カソード:Ni6−NiO Roll 2インチ 高さ×1.5インチ OD(27.353g)
15 LiOH+75g LiBr with 〜2mm リングスペーサ
位置:Arbin3 −1
OCV:1.1047V
充電プログラム:1s 80mA
放電プログラム:2s/0.7V 80mA
Mo(100)w/再溶接Ni/LiOH+LiBr/NiO
アノード:Mo(100)w/再溶接Ni 1cm2 square(2.457g)
カソード:Ni6−NiO Roll 2インチ 高さ×1.5インチ OD(27.353g)
15 LiOH+75g LiBr with 〜2mm リングスペーサ
位置:Arbin3 −1
OCV:1.1047V
充電プログラム:1s 80mA
放電プログラム:2s/0.7V 80mA
092412SCS3−120 テスト合金 HTTBで作製 MoNi 50:50@40mA/cm^2
MoNi(50−50) HTTB/LiOH+LiBr/NiO
アノード:MoNi(50−50) HTTB 1cm2 square(2.724g)
カソード:Ni6−NiO Roll 2インチ 高さ×1.5インチ OD(32.602g)
15 LiOH+75g LiBr 付〜2mm リングスペーサ
OCV:996mV
充電プログラム:1s 25mA
放電プログラム:2s/0.8V 25mA
MoNi(50−50) HTTB/LiOH+LiBr/NiO
アノード:MoNi(50−50) HTTB 1cm2 square(2.724g)
カソード:Ni6−NiO Roll 2インチ 高さ×1.5インチ OD(32.602g)
15 LiOH+75g LiBr 付〜2mm リングスペーサ
OCV:996mV
充電プログラム:1s 25mA
放電プログラム:2s/0.8V 25mA
セルの名前:082812JT1−45(Moを電気めっきして再生された)。アノード:2枚の市販の0.02インチの厚みのMoCu 5/5at.% ホイル(Ametek) 1.5インチの直径は、1インチのIDを持つ0.02インチの厚みのNiシムを用いて溶接された。トップのMoCuホイルは中央に0.25インチの直径の孔を持ち、そこに0.25インチODで8インチの高さのNiチューブが溶接された。カソード:5mmの厚みの酸化されたNiセルメット(Celmet)ゼリーロール1.5インチの直径で2インチの高さと、0.468インチの孔が中心にある。電解質:15gのLiOH及び75gのLiBrは秤量され、アルミナ坩堝内に配置され、そして、430℃まで加熱された。アセンブリ:アノードは、水素透過セット・アップを用いて0.2torrまで減圧してリーク・チェックを行った。リーク・チェックに続き、アノードは真空下に維持するように閉鎖され、水素供給タンクが水素で998.1torrまで満たされた。アノードは、それから、満たされ、971.2torrとして圧力が記録された。アノードは、次に電解質内に置かれ、タンク内の圧力が殆ど973.1torrまで高められた。これは、セルの圧力に対する最初の値であった。これらの3つの圧力及び全アセンブリの計算された体積は使用され、アノードの代やフラムを通して移動する水素の量に対する計算が発生した。
この点まで、セルは、3.11Whの正味のエネルギを持っていた。乏しいゲインの結果、セルを再生するために0.5g MoO2を添加した。そうするため、MoO2を電解質に流し込みつつ、セルは電解質バスから一瞬取り除かれた。セルアセンブリは、そして、バス内に置き戻され、テスト・スケジュールがセルに1.2Vを印加した。初期電流約300mAが要求されたが、6時間続いた全持続時間に渡って漸近的に58mAに低下した。MoO2処理に続いて、2/.4s 50mAのスケジュールが適用された。日付及び電圧範囲は以下に示される。
第7日目に、セルは新たな正味2.46Wh及を持ち、水素からの平均パワーは1.96mWであった。セルは、.2/.4sの波形で運転され、50mAで0.824−0.867Vの間でオペレーションされ、正味.36Whを36時間のコースに渡って得た。第28日に、水素圧力は横ばい状態になり、そして、セルは外部H2を必要としなくなった。
092412GC1−1241#(透過セル,高頻度,円柱カソード)(B−8#)使用Mo−Moディスク/LiOH−LiBr−MgO/NiO円柱(空気開放)充電50mAで0.2s間;放電50mAで0.4s間 V>=0.7V迄;A:使用Mo−Moディスク(d:1.5cm,9.67g 全体);C:NiO円柱(d:2.25インチ;h:3インチ);電解質:20g LiOH+100g LiBr+35g MgO;T set=490℃,T real 420℃
091912GC2−1238#(高頻度,小矩形アノード,円柱カソード)(A−15#)Mo−Cuホイル矩形/LiOH−LiBr/NiO円柱(空気開放) 充電80mAで0.2s間;放電80mAで0.4s間 V>=0.7V迄;A:Mo−Cu(50:50;1cm^2,2.39g ワイヤを含む);C:NiO円柱(d:1.5インチ;h:2インチ);電解質:20g LiOH+100g LiBr;T set=485℃,T real 420℃
注:初期OCVは0.896Vだった。パワー密度(Power density)60.0mW/cm^2。(9/20/2012):22h;V−base=0.699V;即時のゲイン:1.63×;内部抵抗:323m ohm。(9/21/2012):1d+14h;V−base=0.698V;即時のゲイン:1.46x;内部抵抗:316m ohm。
注:初期OCVは0.896Vだった。パワー密度(Power density)60.0mW/cm^2。(9/20/2012):22h;V−base=0.699V;即時のゲイン:1.63×;内部抵抗:323m ohm。(9/21/2012):1d+14h;V−base=0.698V;即時のゲイン:1.46x;内部抵抗:316m ohm。
091712GC2−1234#(H2透過セル−アノード Ni−Coテープキャストで被覆,高頻度,円柱カソード)(B−12#)Niディスク(090512TCA)/LiOH−LiBr/NiO円柱(空気開放) 充電50mAで0.2s間;放電50mAで0.4s間 V>=0.7V迄;A:Ni透過電極 付Niメッシュ 外側表面に固定 テープキャストで被覆(95%Ni+5%Co coated,d:1.5インチ,31.60g 全体);C:NiO円柱(d:2.25インチ;h:3’);電解質:20g LiOH+100g LiBr;T set=450℃,T real 420℃
注:初期OCVは1.10Vだった。パワー密度(Power density)4.08mW/cm^2。透過セル:090712GC2−1224#と比較。(9/20/2012):2d+13h;V−base=0.934V;即時のゲイン:1.92×;内部抵抗:57m ohm;正味エネルギ:0.90Wh。(9/21/2012):3d+5h;V−base=0.994V;即時のゲイン:1.91x;内部抵抗:128m ohm;正味エネルギ:1.15Wh。100mAまで電流を変化。
注:初期OCVは1.10Vだった。パワー密度(Power density)4.08mW/cm^2。透過セル:090712GC2−1224#と比較。(9/20/2012):2d+13h;V−base=0.934V;即時のゲイン:1.92×;内部抵抗:57m ohm;正味エネルギ:0.90Wh。(9/21/2012):3d+5h;V−base=0.994V;即時のゲイン:1.91x;内部抵抗:128m ohm;正味エネルギ:1.15Wh。100mAまで電流を変化。
Cell[082212JT1−43]でスタート 72hrs
最新の即時のゲイン(Latest Instantaneous Gain):1.82 ×
最新の累積のゲイン(Latest Cumul Net Gain):1.82 ×
最新の累積の放電エネルギ(Latest Cumul Discharge E):1.9850 Whr
最新の累積の充電エネルギ(Latest Cumulative Charge E):1.0907 Whr
最新の累積の正味エネルギ(Latest Cumulative Net E):0.8943 Whr
セルパワー(Cell Power):48.95 mW
面積パワー密度(Area Pwr Density)(アノード):16.3 mW/cm^2
位置:Arbin16 −7
72時間での電圧範囲(Voltage range at 72 hours):1.09−0.97V,定常状態72 hrs
最新稼働時間(Latest Runtime):72 hrs
セルタイプ:H2透過,785Torr 0.02インチ 厚みMoCu(50:50)(Ametekからの市販品)
マッチング片へのNiシーム溶接付ディスク膜;
中央に1/4インチのステンレス鋼のガス・ラインが溶接され;正味のトップ・ディスク表面積は約3 cm2
H2透過速度:2.5X10−8moles H2/s(〜4mW H2Oを形成するための最大理論値)
雰囲気タイプ(Atm Type):空気 20.9% O2
加湿(Humidification):DI H2O RT ℃
プログラム充電(Program Charge):0.2s,50mA
プログラム放電(Program Discharge):0.4s又は0.7V迄,50mA
最新の即時のゲイン(Latest Instantaneous Gain):1.82 ×
最新の累積のゲイン(Latest Cumul Net Gain):1.82 ×
最新の累積の放電エネルギ(Latest Cumul Discharge E):1.9850 Whr
最新の累積の充電エネルギ(Latest Cumulative Charge E):1.0907 Whr
最新の累積の正味エネルギ(Latest Cumulative Net E):0.8943 Whr
セルパワー(Cell Power):48.95 mW
面積パワー密度(Area Pwr Density)(アノード):16.3 mW/cm^2
位置:Arbin16 −7
72時間での電圧範囲(Voltage range at 72 hours):1.09−0.97V,定常状態72 hrs
最新稼働時間(Latest Runtime):72 hrs
セルタイプ:H2透過,785Torr 0.02インチ 厚みMoCu(50:50)(Ametekからの市販品)
マッチング片へのNiシーム溶接付ディスク膜;
中央に1/4インチのステンレス鋼のガス・ラインが溶接され;正味のトップ・ディスク表面積は約3 cm2
H2透過速度:2.5X10−8moles H2/s(〜4mW H2Oを形成するための最大理論値)
雰囲気タイプ(Atm Type):空気 20.9% O2
加湿(Humidification):DI H2O RT ℃
プログラム充電(Program Charge):0.2s,50mA
プログラム放電(Program Discharge):0.4s又は0.7V迄,50mA
セル[082412JT1−44] 1dayでスタート
最新の即時のゲイン(Latest Instantaneous Gain):1.83×
最新の累積の正味ゲイン(Latest Cumul Net Gain):1.83×
最新の累積の放電エネルギ(Latest Cumul Discharge E):1.3935 Whr
最新の累積の充電エネルギ(Latest Cumulative Charge E):0.7604 Whr
最新の累積の正味エネルギ(Latest Cumulative Net E):0.6331 Whr
セルパワー(Cell Power):92.3 mW
面積パワー密度(Area Pwr Density)(アノード):30.7 mW/cm^2
位置:Arbin16 −8
1日での電圧範囲(Voltage range at 1 day):0.957−0.889V、24 hrs本質的に定常状態
最新の作動時間(Latest Runtime):1日(1day)
セルタイプ:H2透過、785Torr 0.02インチ厚み MoCu(50:50)(Ametekからの市販材料)マッチング片へのNiシーム溶接付ディスク膜(disc membrane with Ni seam weld to matching piece);中央に1/4インチのステンレス鋼のガス・ラインが溶接された;正味のトップ・ディスク表面積は約3cm2
H2透過速度:3×10−8moles H2/s(〜5mW H2Oを形成するための最大理論値)
雰囲気タイプ(Atm Type):空気 20.9% O2
加湿(Humidification):DI H2O RT ℃
プログラム充電(Program Charge):0.2s、100 mA
プログラム放電(Program Discharge):0.4s又は0.7V迄、100 mA
最新の即時のゲイン(Latest Instantaneous Gain):1.83×
最新の累積の正味ゲイン(Latest Cumul Net Gain):1.83×
最新の累積の放電エネルギ(Latest Cumul Discharge E):1.3935 Whr
最新の累積の充電エネルギ(Latest Cumulative Charge E):0.7604 Whr
最新の累積の正味エネルギ(Latest Cumulative Net E):0.6331 Whr
セルパワー(Cell Power):92.3 mW
面積パワー密度(Area Pwr Density)(アノード):30.7 mW/cm^2
位置:Arbin16 −8
1日での電圧範囲(Voltage range at 1 day):0.957−0.889V、24 hrs本質的に定常状態
最新の作動時間(Latest Runtime):1日(1day)
セルタイプ:H2透過、785Torr 0.02インチ厚み MoCu(50:50)(Ametekからの市販材料)マッチング片へのNiシーム溶接付ディスク膜(disc membrane with Ni seam weld to matching piece);中央に1/4インチのステンレス鋼のガス・ラインが溶接された;正味のトップ・ディスク表面積は約3cm2
H2透過速度:3×10−8moles H2/s(〜5mW H2Oを形成するための最大理論値)
雰囲気タイプ(Atm Type):空気 20.9% O2
加湿(Humidification):DI H2O RT ℃
プログラム充電(Program Charge):0.2s、100 mA
プログラム放電(Program Discharge):0.4s又は0.7V迄、100 mA
071812GC2−1141#(高パワー密度、円柱カソード)(A−21#)
Mo−C(50:50)合金チャック/LiOH−LiBr/NiO円柱(大気解放)
充電80mA 2s間;放電80mA 4s間 V>=0.6V迄;A:Mo−Ni−C(d:1.0cm、3.27g ワイヤを含む);C:NiO円柱(d:1.5フィート;h:2フィート);電解質:20g LiOH+100g LiBr;Tset=520oC、Treal 450oC;注:初期OCVは1.134Vだった。アノード:Mo−C合金。(7/25/2012):6d+12h;全体:6.4736Wh/3.7698Wh=1.72×。正味エネルギ:2.7038Wh。
Mo−C(50:50)合金チャック/LiOH−LiBr/NiO円柱(大気解放)
充電80mA 2s間;放電80mA 4s間 V>=0.6V迄;A:Mo−Ni−C(d:1.0cm、3.27g ワイヤを含む);C:NiO円柱(d:1.5フィート;h:2フィート);電解質:20g LiOH+100g LiBr;Tset=520oC、Treal 450oC;注:初期OCVは1.134Vだった。アノード:Mo−C合金。(7/25/2012):6d+12h;全体:6.4736Wh/3.7698Wh=1.72×。正味エネルギ:2.7038Wh。
072612GC1−1158#(高パワー密度、円柱カソード)(A−10#)
Mo−Si(60:40)合金/LiOH−LiBr/NiO円柱(大気開放)
充電50mA 2s間;放電50mA 4s間 V>=0.6V迄;A:Mo−Si(d:1.0cm、2.25g ワイヤを含む);C:NiO円柱(d:1.5フィート;h:2フィート);電解質:20g LiOH+100g LiBr;Tset=460℃、Treal 430℃。注:初期OCVは、1.14Vだった。(8/03/2012):6d+2h;V−base=0.600V;即時ゲイン:1.47x;内部抵抗:738mΩ。全エネルギ:3.87Wh/2.42Wh=1.60x。正味エネルギ:1.45 Wh。
Mo−Si(60:40)合金/LiOH−LiBr/NiO円柱(大気開放)
充電50mA 2s間;放電50mA 4s間 V>=0.6V迄;A:Mo−Si(d:1.0cm、2.25g ワイヤを含む);C:NiO円柱(d:1.5フィート;h:2フィート);電解質:20g LiOH+100g LiBr;Tset=460℃、Treal 430℃。注:初期OCVは、1.14Vだった。(8/03/2012):6d+2h;V−base=0.600V;即時ゲイン:1.47x;内部抵抗:738mΩ。全エネルギ:3.87Wh/2.42Wh=1.60x。正味エネルギ:1.45 Wh。
072412GC1−1151#(高パワー密度、円柱カソード)(A−14#)Mo−B(50:50)合金/LiOH−LiBr/NiO円柱(大気解放)充電50mA 2s間;放電50mA 4s間 V>=0.6V迄;A:Mo−B(d:0.8cm、1.64g ワイヤを含む);C:NiO円柱(d:1.5フィート;h:2フィート);電解質:20g LiOH+100g LiBr;Tset=500℃、Treal 450℃。注:初期OCVは、1.39Vだった。非常に小さいアノード、より高いパワー密度(108.8mW/cm^2)。(7/26/2012):2d+3h;V−base=1.021V;即時ゲイン:1.87x;内部抵抗:279mΩ。(7/27/2012):3d+1h;V−base=1.001V;即時ゲイン:1.88x;IR:740mΩ。パワーを失い停止:放電エネルギ 4.14Wh、充電エネルギ 2.24Wh、正味エネルギ 1.9Wh、ゲイン 1.85×。
070612JL1−41 フランジ・セル:
MoNi 50−50/LiOH+LiBr/NiO
アノード:MoNi 50−50 約5mm×3/8インチ OD(3.681g、w/5.75インチ Niワイヤ)
カソード:CNi6−NiOロール 2インチ高さ×1.5インチ OD(〜20g w/Niワイヤ)
15g LiOH+75g LiBr
最新累積正味ゲイン:1.8×
最新累積正味エネルギ:2.749 Whr
最新累積放電エネルギ:6.259 Whr
セルパワー:47.95 mW
面積パワー密度(アノード):67.30 mW/cm^2
面積パワー密度(カソード):4.21 mW/cm^2
体積パワー密度(Vol Power Density)(アノード):134.60mW/cm^3
体積パワー密度(Vol Power Density)(カソード):0.83mW/cm^3
位置:Arbin16 −11
OCV:1.218 mV
最新稼働時間:6:01:23day:hr:min
フロー(乾燥空気):1バブル/8s
出口ラインバブリング(Exit Line Bubbling):Yes
DI H2O Temp:RT℃(〜6インチ 距離)
ゲッタ: KOH:KCl#1@Top BallM
プログラム電流(Program Current):80 mA
プログラム充電(Program Charge):2 s
プログラム放電(Program Discharge):4 s
熱プロファイル(Heat Profile)(IB、OB、OM/Taken):460/NA/NA 7/6/2012
−〜3 Whr 正味。
MoNi 50−50/LiOH+LiBr/NiO
アノード:MoNi 50−50 約5mm×3/8インチ OD(3.681g、w/5.75インチ Niワイヤ)
カソード:CNi6−NiOロール 2インチ高さ×1.5インチ OD(〜20g w/Niワイヤ)
15g LiOH+75g LiBr
最新累積正味ゲイン:1.8×
最新累積正味エネルギ:2.749 Whr
最新累積放電エネルギ:6.259 Whr
セルパワー:47.95 mW
面積パワー密度(アノード):67.30 mW/cm^2
面積パワー密度(カソード):4.21 mW/cm^2
体積パワー密度(Vol Power Density)(アノード):134.60mW/cm^3
体積パワー密度(Vol Power Density)(カソード):0.83mW/cm^3
位置:Arbin16 −11
OCV:1.218 mV
最新稼働時間:6:01:23day:hr:min
フロー(乾燥空気):1バブル/8s
出口ラインバブリング(Exit Line Bubbling):Yes
DI H2O Temp:RT℃(〜6インチ 距離)
ゲッタ: KOH:KCl#1@Top BallM
プログラム電流(Program Current):80 mA
プログラム充電(Program Charge):2 s
プログラム放電(Program Discharge):4 s
熱プロファイル(Heat Profile)(IB、OB、OM/Taken):460/NA/NA 7/6/2012
−〜3 Whr 正味。
071612SCS2−16 フランジ・セル:
MoCu(50−50)/LiOH+LiBr/NiO
アノード:MoCu 50−50 〜0.4インチ OD 円(2.991g、w/Niワイヤ)
カソード:Ni6−NiO ロール 2インチ 高さ×1.5インチ OD(30.046g w/Niワイヤ)
15g LiOH+75g LiBr(検証);5mm リングスペーサ
最新累積正味ゲイン:1.8 ×
最新累積正味エネルギ:0.906 Whr
最新累積放電エネルギ:1.992 Whr (T: 1.4)
正味 E vs. 100%MA Batt:62.58%(MoCu)
グロス E vs. 100%MA Batt:137.68%(MoCu)
セルパワー:74 mW
面積パワー密度(アノード):42.04 mW/cm^2
面積パワー密度(カソード):4.67 mW/cm^2
体積パワー密度(アノード):210.19 mW/cm^3
体積パワー密度(カソード):0.92 mW/cm^3
位置:MSTAT −9
OCV:1.018 V
最新稼働時間:2:00:00 日:時:分
ガスのタイプ:2%O2:Ar
フロー:1バブル/5.5s
出口ラインバブリング:Yes
DI H2O Temp:RT℃ (〜6インチ 距離)
ゲッタ:KOH#8@Top BallM
プログラム充電:2s 80mA
プログラム放電:4s 80mA
加熱(IB、OB、OM/Taken):405/NA/NA 7/16/2012
フローは、3.5 SCCM 2% O2であった:Ar 空気−金属反応に基づく14.8mWの理論的な最高電気パワー(電力)に対応する;一方、観測されたパワーはより大きかった。74 mW。
MoCu(50−50)/LiOH+LiBr/NiO
アノード:MoCu 50−50 〜0.4インチ OD 円(2.991g、w/Niワイヤ)
カソード:Ni6−NiO ロール 2インチ 高さ×1.5インチ OD(30.046g w/Niワイヤ)
15g LiOH+75g LiBr(検証);5mm リングスペーサ
最新累積正味ゲイン:1.8 ×
最新累積正味エネルギ:0.906 Whr
最新累積放電エネルギ:1.992 Whr (T: 1.4)
正味 E vs. 100%MA Batt:62.58%(MoCu)
グロス E vs. 100%MA Batt:137.68%(MoCu)
セルパワー:74 mW
面積パワー密度(アノード):42.04 mW/cm^2
面積パワー密度(カソード):4.67 mW/cm^2
体積パワー密度(アノード):210.19 mW/cm^3
体積パワー密度(カソード):0.92 mW/cm^3
位置:MSTAT −9
OCV:1.018 V
最新稼働時間:2:00:00 日:時:分
ガスのタイプ:2%O2:Ar
フロー:1バブル/5.5s
出口ラインバブリング:Yes
DI H2O Temp:RT℃ (〜6インチ 距離)
ゲッタ:KOH#8@Top BallM
プログラム充電:2s 80mA
プログラム放電:4s 80mA
加熱(IB、OB、OM/Taken):405/NA/NA 7/16/2012
フローは、3.5 SCCM 2% O2であった:Ar 空気−金属反応に基づく14.8mWの理論的な最高電気パワー(電力)に対応する;一方、観測されたパワーはより大きかった。74 mW。
072612JH138−120mA:NiCo(テープキャスト)/LiBr−LiOH/NiO(空気)
アノード:NiCoテープキャスト (95−5 at%、1.5インチ×1.5インチ、2.5mm厚み、16.92g、062212TCA);カソード:NiOxのゼリーロール(1.5インチ OD、2インチH、43.0g, 071112TCC);電解質:15g LiOH−75g LiBr;セル温度:〜430℃(炉 495℃)。
充電120mA 2s;放電120mA V>=0.6V迄。さもないと放電 4s;
(071712JH130−100mA繰り返し、より高い放電電流で)
1D、ゲイン=1.85
ヒータの停電で、セル実行が中断された。後に通電された。
3D、ゲイン=1.8
6D、ゲイン=1.82
11D、ゲイン=1.71
累積正味エネルギ:6.218 Wh
アノード:NiCoテープキャスト (95−5 at%、1.5インチ×1.5インチ、2.5mm厚み、16.92g、062212TCA);カソード:NiOxのゼリーロール(1.5インチ OD、2インチH、43.0g, 071112TCC);電解質:15g LiOH−75g LiBr;セル温度:〜430℃(炉 495℃)。
充電120mA 2s;放電120mA V>=0.6V迄。さもないと放電 4s;
(071712JH130−100mA繰り返し、より高い放電電流で)
1D、ゲイン=1.85
ヒータの停電で、セル実行が中断された。後に通電された。
3D、ゲイン=1.8
6D、ゲイン=1.82
11D、ゲイン=1.71
累積正味エネルギ:6.218 Wh
070612JL1−41 フランジ・セル:
MoNi 50−50/LiOH+LiBr/NiO
アノード:MoNi 50−50 約5mm×3/8インチ OD(3.681g、w/5.75インチ Niワイヤ)
カソード:CNi6−NiO ロール 2インチ高さ×1.5インチ OD(〜20g w/Niワイヤ)
15g LiOH+75g LiBr
最新累積正味ゲイン:1.8×
最新累積正味エネルギ:2.749 Whr
最新累積放電エネルギ:6.259 Whr
セルパワー:47.95 mW
面積パワー密度(アノード):67.30mW/cm^2
面積パワー密度(カソード):4.21mW/cm^2
OCV:1.218mV
最新稼働時間:6:01:23日:時:分
フロー(乾燥空気):1バブル/8s
DI H2O Temp:RT℃ (〜6インチ 距離)
プログラム電流:80 mA
プログラム充電:2 s
プログラム放電:4 s
熱プロファイル 460℃
MoNi 50−50/LiOH+LiBr/NiO
アノード:MoNi 50−50 約5mm×3/8インチ OD(3.681g、w/5.75インチ Niワイヤ)
カソード:CNi6−NiO ロール 2インチ高さ×1.5インチ OD(〜20g w/Niワイヤ)
15g LiOH+75g LiBr
最新累積正味ゲイン:1.8×
最新累積正味エネルギ:2.749 Whr
最新累積放電エネルギ:6.259 Whr
セルパワー:47.95 mW
面積パワー密度(アノード):67.30mW/cm^2
面積パワー密度(カソード):4.21mW/cm^2
OCV:1.218mV
最新稼働時間:6:01:23日:時:分
フロー(乾燥空気):1バブル/8s
DI H2O Temp:RT℃ (〜6インチ 距離)
プログラム電流:80 mA
プログラム充電:2 s
プログラム放電:4 s
熱プロファイル 460℃
070512YA1−2 開放セル:
CuMo 50−50/LiOH+LiBr/NiO
アノード:Cu Mo 50−50 約5mm×3/8インチ OD(4.86g、w/7インチ Niワイヤ)
カソード:CNi6−NiO ロール 2インチ高さ × 1.5インチ OD(23.99g w/6インチ Niワイヤ)
15g LiOH+75g LiBr
最新累積正味ゲイン:1.7×
最新累積正味エネルギ:2.274 Whr
最新累積放電エネルギ:5.340 Whr
セルパワー:37.33 mW
面積パワー密度(アノード):52.39 mW/cm^2
面積パワー密度(カソード):3.27 mW/cm^2
OCV:1.08V
最新稼働時間:5:01:24日:時:分
大気開放 NAバブル/s
プログラム電流:80 mA
プログラム充電時間:2 s
プログラム放電時間:4 s
熱プロファイル 405℃
CuMo 50−50/LiOH+LiBr/NiO
アノード:Cu Mo 50−50 約5mm×3/8インチ OD(4.86g、w/7インチ Niワイヤ)
カソード:CNi6−NiO ロール 2インチ高さ × 1.5インチ OD(23.99g w/6インチ Niワイヤ)
15g LiOH+75g LiBr
最新累積正味ゲイン:1.7×
最新累積正味エネルギ:2.274 Whr
最新累積放電エネルギ:5.340 Whr
セルパワー:37.33 mW
面積パワー密度(アノード):52.39 mW/cm^2
面積パワー密度(カソード):3.27 mW/cm^2
OCV:1.08V
最新稼働時間:5:01:24日:時:分
大気開放 NAバブル/s
プログラム電流:80 mA
プログラム充電時間:2 s
プログラム放電時間:4 s
熱プロファイル 405℃
070612SCS1−7; 大気開放セル
CuMo(20/80)/LiOH+LiBr/NiO
アノード:CuMo (20/80) 〜0.4インチ OD 円(3.631g、w/Niワイヤ)
カソード:Ni6−NiO ロール 2インチ高さ × 1.5インチ OD(25.468g w/Niワイヤ)
15g LiOH+75g LiBr;5mm リングスペーサ
最新即時ゲイン:1.8×
最新累積正味ゲイン:1.8×
最新累積正味エネルギ:1.813 Whr
最新累積放電エネルギ:4.089 Whr
セルパワー:50.31 mW
面積パワー密度(アノード):62.05 mW/cm^2
面積パワー密度(カソード):4.41 mW/cm^2
OCV:1.033V
最新稼働時間:2:20:01日:時:分
フロー(2% O2:Ar):1バブリング無
DI H2O Temp:RT℃ (〜6インチ 距離)
プログラム電流:80 mA
プログラム充電時間:2 s
プログラム放電時間: 4 s
熱プロファイル 420℃
CuMo(20/80)/LiOH+LiBr/NiO
アノード:CuMo (20/80) 〜0.4インチ OD 円(3.631g、w/Niワイヤ)
カソード:Ni6−NiO ロール 2インチ高さ × 1.5インチ OD(25.468g w/Niワイヤ)
15g LiOH+75g LiBr;5mm リングスペーサ
最新即時ゲイン:1.8×
最新累積正味ゲイン:1.8×
最新累積正味エネルギ:1.813 Whr
最新累積放電エネルギ:4.089 Whr
セルパワー:50.31 mW
面積パワー密度(アノード):62.05 mW/cm^2
面積パワー密度(カソード):4.41 mW/cm^2
OCV:1.033V
最新稼働時間:2:20:01日:時:分
フロー(2% O2:Ar):1バブリング無
DI H2O Temp:RT℃ (〜6インチ 距離)
プログラム電流:80 mA
プログラム充電時間:2 s
プログラム放電時間: 4 s
熱プロファイル 420℃
071012GC3−1123# (高パワー密度、円柱カソード)(A−16#)Mo−Ni合金/LiOH−LiBr/NiO 円柱(大気開放) 充電80mA 2s間;放電80mA 4s間 V>=0.7V迄;A:Mo−Ni(d:1.2cm、50:50、3.58g ワイヤを含む);C:NiO 円柱 (d:1.5フィート;h:2フィート);電解質:20g LiOH+100g LiBr;T=440℃
注:初期OCVは、1.15Vだった。
(7/11/2012):1d;V−base=0.898V;即時ゲイン:1.85×;内部抵抗:306mΩ。
(7/12/2012):2d+2h;V−base=0.843V;即時ゲイン:1.84×;内部抵抗:308 mΩ。
注:初期OCVは、1.15Vだった。
(7/11/2012):1d;V−base=0.898V;即時ゲイン:1.85×;内部抵抗:306mΩ。
(7/12/2012):2d+2h;V−base=0.843V;即時ゲイン:1.84×;内部抵抗:308 mΩ。
070912GC1−1118# (高パワー密度、円柱カソード)(B−13#)Mo−Cu合金−焼結混合物/LiOH−LiBr/NiO 円柱(大気開放)充電80mA V=1.0V迄; 放電 80mA V>=0.8V迄 そうでなければ、放電4s;A:Mo−Cu(d:1.2cm、50:50、3.60g ワイヤ含む);C:NiO cylinder(d:1.5フィート;h:2フィート);電解質:20g LiOH+100g LiBr;T=440℃
注: 初期OCVは、1.0733 Vだった。そのまま継続。
(7/11/2012):2d;V−base=0.866V;即時ゲイン:1.47×。
(7/12/2012):3d;V−base=0.862V;即時ゲイン:1.30×。
注: 初期OCVは、1.0733 Vだった。そのまま継続。
(7/11/2012):2d;V−base=0.866V;即時ゲイン:1.47×。
(7/12/2012):3d;V−base=0.862V;即時ゲイン:1.30×。
071012GC1−1121# (高パワー密度、円柱カソード)(A−21#)Mo−Co合金/LiOH−LiBr/NiO 円柱(大気開放)充電80mA 2s間;放電80mA 4s間 V>=0.7V迄;A:Mo−Co(d:1.2cm、80:20、3.09g ワイヤ含む);C:NiO 円柱(d:1.5フィート;h:2フィート);電解質:20g LiOH+100g LiBr;T=430℃
注:初期OCVは、1.20Vだった。
(7/11/2012):1d+2h;V−base=0.783V;即時ゲイン:1.68×;内部抵抗: 736 mΩ。
(7/12/2012):2d+3h;V−base=0.747V;即時ゲイン:1.67×; 内部抵抗:738 mΩ。
注:初期OCVは、1.20Vだった。
(7/11/2012):1d+2h;V−base=0.783V;即時ゲイン:1.68×;内部抵抗: 736 mΩ。
(7/12/2012):2d+3h;V−base=0.747V;即時ゲイン:1.67×; 内部抵抗:738 mΩ。
070512GC2−1113# (中パワー密度、円柱カソード)(A−10#)Mo−Co(1:1)/LiOH−LiBr−MgO/NiO 円柱、(湿潤Ar+1.5% O2)充電20mA V=1.0V迄;放電20mA V>=0.8V迄 そうでなければ、放電 4s間;A:Mo−Co合金(d:0.9cm、2.97g ワイヤを含む);C:NiO 円柱(d:1.5フィート;h:2フィート);電解質:12g LiOH+60g LiBr+21g MgO;T=420℃
注:初期OCVは、1.0983Vだった。
(7/11/2012):5d+5h;V−base=0.865V;即時ゲイン:1.20×。
(7/12/2012):6d+4h;V−base=0.866V;即時ゲイン:1.19×。
注:初期OCVは、1.0983Vだった。
(7/11/2012):5d+5h;V−base=0.865V;即時ゲイン:1.20×。
(7/12/2012):6d+4h;V−base=0.866V;即時ゲイン:1.19×。
032012
1.高温溶融電解質−閉鎖SSセルで、Arの流れが水バブリングを通して有。−10W スケールアップ
− 032012GZC1−1023:Mo/210g LiOH+1.05kg LiBr+420g MgO 1つの層に/NiO(10layers)
− アノード:Moホイル;カソード:予め酸化されたCNi6C
− Tset=420℃、Treal=420℃。
− 8Vまで充電、4s間放電 もしV>6Vならば。
1.高温溶融電解質−閉鎖SSセルで、Arの流れが水バブリングを通して有。−10W スケールアップ
− 032012GZC1−1023:Mo/210g LiOH+1.05kg LiBr+420g MgO 1つの層に/NiO(10layers)
− アノード:Moホイル;カソード:予め酸化されたCNi6C
− Tset=420℃、Treal=420℃。
− 8Vまで充電、4s間放電 もしV>6Vならば。
010412XY2−1344 フランジ閉鎖、ペースト状電解質 Ni/LiOH−LiBr−MgO/NiO。(Henryのための検証セル)
−アノード:多孔性 Ni C6NC(OD 1.5インチ、11cm2、5.0751g、ワイヤを含む)、電解質に沈み込ませた。
−カソード:予め酸化された多孔性のNi C6NC(1.5×1.5インチ)、電解質の上に。
−電解質:15.0g LiOH+75.0g LiBr+30.0g MgO。
温度 450℃
−アノード:多孔性 Ni C6NC(OD 1.5インチ、11cm2、5.0751g、ワイヤを含む)、電解質に沈み込ませた。
−カソード:予め酸化された多孔性のNi C6NC(1.5×1.5インチ)、電解質の上に。
−電解質:15.0g LiOH+75.0g LiBr+30.0g MgO。
温度 450℃
B.水−フロー、バッチ式熱量計
表5の各入力値の右側にリストされる触媒反応混合物のエネルギ及びパワーバランスは、約43cm3の容積の円柱形ステンレス鋼のリアクタ(1インチ内径(ID)、5インチ長さ、及び、0.060インチの壁厚みで内部の熱電対さや持つ)と、誤差<±1%を達成するようにセル内で開放されるエネルギの99+%を収集する外部水クーラントコイル及び各セルを備える水フロー熱量計とを使用して得られた。エネルギの回復は、時間に渡って全出力パワーPTを積分することにより決定された。そのパワーは以下に与えられた。
ここで、
は、マスフロー速度(mass flow rate)、Cpは水の比熱、及びΔTは入口及び出口の間の温度における絶対変化であった。反応は、外部ヒータに正確なパワーを適用することにより開始された。特に、200Wのパワーがヒータに供給された。この加熱期間の間に、試薬は、ハイドリノ反応の閾値温度に達したが、ここで反応の開始は、典型的にセル温度における急激な上昇によって確認された。セル温度が約400−500℃に達すると、入力パワーはゼロに設定された。18分後、プログラムはパワーをゼロに命令した。クーラントへの熱移動の速度を増加するために、チャンバーは、ヘリウムの1000Torrに再加圧され、及び、水の温度における最大の変化(出口マイナス入口)は、約1.2℃であった。組立体(アセンブリ)は、フローのサーミスタにおいて完全平衡の観測により確認されたように、24時間の期間に渡って平衡に完全に到達することが許された。
表5の各入力値の右側にリストされる触媒反応混合物のエネルギ及びパワーバランスは、約43cm3の容積の円柱形ステンレス鋼のリアクタ(1インチ内径(ID)、5インチ長さ、及び、0.060インチの壁厚みで内部の熱電対さや持つ)と、誤差<±1%を達成するようにセル内で開放されるエネルギの99+%を収集する外部水クーラントコイル及び各セルを備える水フロー熱量計とを使用して得られた。エネルギの回復は、時間に渡って全出力パワーPTを積分することにより決定された。そのパワーは以下に与えられた。
各テストにおいて、入力エネルギ及び出力エネルギは対応するパワーの積分により計算された。各時間インクリメントにおけるクーラントのフローにおける熱エネルギは、水の体積フロー速度を19℃での水の密度(0.998kg/liter)でかける式(245)、水の比熱(4.181kJ/kg℃)、及び時間間隔を用いて、計算された。体積は、全エネルギ出力を得るために全実験に渡って合計された。セルからの全エネルギETは、入力エネルギEinと如何なる正味のエネルギnetとの和と同じにならなければならない。従って、正味のエネルギは次のように与えられた。
Enet = ET−Ein (255)
エネルギ収支(バランス)から、如何なる過剰の熱Eexは、最大の理論エネルギEmtに対して次のように決定された。
Eex = Enet−Emt (256)
Enet = ET−Ein (255)
エネルギ収支(バランス)から、如何なる過剰の熱Eexは、最大の理論エネルギEmtに対して次のように決定された。
Eex = Enet−Emt (256)
キャリブレーションテスト結果は、出力のクーラントに対する抵抗の入力が98%以上の熱の対であることを示したが、また、ゼロ過剰熱のコントロールが、キャリブレーション補正を適用して、1%未満以内の誤差で熱量計が正確であったことを示した。結果は以下に与えられるが、ここで、Tmaxは最高セル温度、Einは入力エネルギ、及びdEは入力エネルギから過剰に測定された出力エネルギである。全ての理論エネルギは、発熱反応で、負である。正の出力値は、入力エネルギよりもより大きな出力があることを示す。前の反応の生成物が示されるように実施されるところ、反応は再生のテストを含んでいた。
C.示差走査熱量測定法(DSC)
固体燃料は、表6に示される代表的な結果で、示差走査熱量測定法を用いて、最大理論値に対して過剰のエネルギのためにテストされた。
固体燃料は、表6に示される代表的な結果で、示差走査熱量測定法を用いて、最大理論値に対して過剰のエネルギのためにテストされた。
D.分子ハイドリノの分光法による同定
古典的な物理法則は、mが整数であるところ、原子水素のポテンシャルエネルギの整数倍におけるエネルギm・27.2eVを受け取ることができる、それ自身及び発生期のH2Oを含んで、特定の種との触媒反応を受けるかもしれないことを予測する。予測される反応は、別様に安定な原子水素からそのエネルギを受け取ることができる触媒へと、共鳴する、非放射のエネルギ移動を含む。その生成物は、H(1/p)であり、原子水素の分数のリュードベリ状態で「ハイドリノ原子」と呼ばれ、ここで、n=1/2、1/3、1/4、・・・、1/p(p≦137は、整数)は、水素の励起状態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る。各ハイドリノ状態はまた、電子、プロトン、及び光子を含むが、光子からの場の寄与は、吸収よりはむしろエネルギ脱離に対応するようにそれを減少させるよりはむしろ結合を増大させる。励起された及びハイドリノ状態に関して、電場の式と、及び「トラップされた光子」の源の電荷−密度関数と、の関係が2次元のマクスウェルの式によって与えられる。
電磁波を受けている光子(photon standing electromagnetic wave)は、電子と共に位相整合(phase matched to with the electron)である。
ここで、量子数は以下の通りである。
n=1、2、3、4、・・・又はn=1、1/2、1/3、1/4、・・・1/p;
l(エル)=0、1、2、・・・、n−1又はp−1
m=−l(エル)、−l(エル)+1、・・・、0、・・・、+l (259)
電子において全半径方向の電場は、プロトン及び光子(photon)の寄与の合計である。
r=naH及びm=0に対しては、全半径方向の電場は次の通りである。
原子及び分子ハイドリノは、対応する励起された状態のように、l量子状態を持つので、軌道−原子核分裂(orbital−nuclear splitting)のようなユニークなスペクトルの特徴(unique spectral characteristics)、励起された状態タイプ(excited−state−type)の回転−振動の選択規則(ro−vibrational selection rules)、及び磁気相互作用(magnetic interactions)は、非励起状態の通常の原子及び分子水素の特性から離れるが、予期される。
古典的な物理法則は、mが整数であるところ、原子水素のポテンシャルエネルギの整数倍におけるエネルギm・27.2eVを受け取ることができる、それ自身及び発生期のH2Oを含んで、特定の種との触媒反応を受けるかもしれないことを予測する。予測される反応は、別様に安定な原子水素からそのエネルギを受け取ることができる触媒へと、共鳴する、非放射のエネルギ移動を含む。その生成物は、H(1/p)であり、原子水素の分数のリュードベリ状態で「ハイドリノ原子」と呼ばれ、ここで、n=1/2、1/3、1/4、・・・、1/p(p≦137は、整数)は、水素の励起状態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る。各ハイドリノ状態はまた、電子、プロトン、及び光子を含むが、光子からの場の寄与は、吸収よりはむしろエネルギ脱離に対応するようにそれを減少させるよりはむしろ結合を増大させる。励起された及びハイドリノ状態に関して、電場の式と、及び「トラップされた光子」の源の電荷−密度関数と、の関係が2次元のマクスウェルの式によって与えられる。
n=1、2、3、4、・・・又はn=1、1/2、1/3、1/4、・・・1/p;
l(エル)=0、1、2、・・・、n−1又はp−1
m=−l(エル)、−l(エル)+1、・・・、0、・・・、+l (259)
電子において全半径方向の電場は、プロトン及び光子(photon)の寄与の合計である。
Hからハイドリノ状態への予測される遷移に整合される10から30nmにおける連続する放射は、
HOH触媒を形成するためH還元を受けるように熱力学的に優先される、金属酸化物で挟まれた水素のパルス状の水素放電から生じるのみであるように(only arising from pulsed pinched hydrogen discharges with metal oxides)観測されたが、しかるに、たとえテストされた低融点金属が、よりパワフルなプラズマ源において強い短波長の連続放射で、金属イオンプラズマを形成することに非常に優先的であるとしても、優先的でないそれらは如何なる連続放射を示さなかった[R.L.Mills、R.Booker、Y.Lu、提出された“水素の低エネルギのピンチ放電からの軟X線連続放射(Soft X−ray continuum radiation from low−energy pinch discharges of hydrogen),”;R.L.Mills、Y.Lu、“時間分解された22.8nm及び10.1nmでのカットオフを備える連続遷移(Time−resolved hydrino continuum transitions with cutoffs at 22.8 nm and 10.1 nm)”、Eur.Phys.J.D、Vol.64、(2011)、pp.63、DOI:10.1140/epjd/e2011−20246−5;R.L.Mills、Y.Lu、“22.8nm及び10.1nmでのカットオフを備えるハイドリノ連続遷移(Hydrino continuum transitions with cutoffs at 22.8 nm and 10.1 nm)”、Int.J.Hydrogen Energy、Vol.35、(2010)、pp.8446−8456、doi:10.1016/j.ijhydene、2010.05.098]。同様に、水素−ヘリウムのマイクロ波プラズマにおいて、触媒としてH(m=1)との触媒反応を受けるHは、λ≦63.3nm(≧19.59eV)であるブロードな連続発光を生む、He(1s2)からHe(1s12p1)への遷移(58.5nm、21.21eV)の励起で、40.8eVの全エネルギの協奏されるエネルギ交換を生じる。独立した複製実験において、この性質のあるブロードな63.3nmの発光及び連続する放射が、それぞれ、ヘリウム−水素・マイクロ波プラズマ内において及び水素ピンチ・プラズマにおいて、観測されてきた。[A.F.H.van Gessel、修士論文:水素プラズマのEUV分光法(EUV spectroscopy of hydrogen plasmas)、4月(2009)、Eindhoven University of Technology、Department of Applied Physics、ガス放電における素反応の群(Group of Elementary Processes in Gas Discharges)、EPG 09−02、pp.61−70]。
HOH触媒を形成するためH還元を受けるように熱力学的に優先される、金属酸化物で挟まれた水素のパルス状の水素放電から生じるのみであるように(only arising from pulsed pinched hydrogen discharges with metal oxides)観測されたが、しかるに、たとえテストされた低融点金属が、よりパワフルなプラズマ源において強い短波長の連続放射で、金属イオンプラズマを形成することに非常に優先的であるとしても、優先的でないそれらは如何なる連続放射を示さなかった[R.L.Mills、R.Booker、Y.Lu、提出された“水素の低エネルギのピンチ放電からの軟X線連続放射(Soft X−ray continuum radiation from low−energy pinch discharges of hydrogen),”;R.L.Mills、Y.Lu、“時間分解された22.8nm及び10.1nmでのカットオフを備える連続遷移(Time−resolved hydrino continuum transitions with cutoffs at 22.8 nm and 10.1 nm)”、Eur.Phys.J.D、Vol.64、(2011)、pp.63、DOI:10.1140/epjd/e2011−20246−5;R.L.Mills、Y.Lu、“22.8nm及び10.1nmでのカットオフを備えるハイドリノ連続遷移(Hydrino continuum transitions with cutoffs at 22.8 nm and 10.1 nm)”、Int.J.Hydrogen Energy、Vol.35、(2010)、pp.8446−8456、doi:10.1016/j.ijhydene、2010.05.098]。同様に、水素−ヘリウムのマイクロ波プラズマにおいて、触媒としてH(m=1)との触媒反応を受けるHは、λ≦63.3nm(≧19.59eV)であるブロードな連続発光を生む、He(1s2)からHe(1s12p1)への遷移(58.5nm、21.21eV)の励起で、40.8eVの全エネルギの協奏されるエネルギ交換を生じる。独立した複製実験において、この性質のあるブロードな63.3nmの発光及び連続する放射が、それぞれ、ヘリウム−水素・マイクロ波プラズマ内において及び水素ピンチ・プラズマにおいて、観測されてきた。[A.F.H.van Gessel、修士論文:水素プラズマのEUV分光法(EUV spectroscopy of hydrogen plasmas)、4月(2009)、Eindhoven University of Technology、Department of Applied Physics、ガス放電における素反応の群(Group of Elementary Processes in Gas Discharges)、EPG 09−02、pp.61−70]。
H*[aH/(m+1)]中間体のエネルギ崩壊ステップの間における共鳴する運動エネルギ移動(resonant kinetic energy transfer)及びハイドリノ触媒として機能する高速イオン化Hの再結合(recombination)を含むメカニズムによって形成される異常な高速Hは、また確認された。[K.Akhtar、J.Scharer、R.L.Mills、“DC及び容量的に結合されたRFプラズマにおける原子水素ラインの実質的なドップラー・ブロードニング(Substantial Doppler broadening of atomic−hydrogen lines in DC and capacitively coupled RF plasmas)”、J.Phys.D、Applied Physics、Vol.42、(2009),42 135207(2009)doi:10.1088/0022−3727/42/13/135207]。より安定な形態を形成する際における水素からの高エネルギ連続放射の発見は、高エネルギの天体の及び恒星の連続放射の源である対応する発光及びダークマターの正体に対する候補であるハイドリノのような天体物理学の暗示を有している。[R.L.Mills、Y.Lu、“22.8nm及び10.1nmでのカットオフを備えるハイドリノ連続遷移(Hydrino continuum transitions with cutoffs at 22.8 nm and 10.1 nm)”、Int.J.Hydrogen Energy、35(2010)、pp.8446−8456、doi:10.1016/j.ijhydene.2010.05.098]。最近の天文物理学の測定及びマッピングにより、ダークマターは、宇宙の質量の98%を含み、遍在(ubiquitous)する。更に、ダークマターは、銀河衝突の残骸(galaxy collision debris)からの重い重力体(massive gravitation bodies)の再構成により銀河内にあることが示されているが、ここで、それらの重力体の力学は、目に見えない重力のマター(non−visible gravitational matter)の上に非常に重い量を要求する。[F.Bournaud、P.A.Duc、E.Brinks、M.Boquien、P.Amram、U.Lisenfeld、B.Koribalski、F.Walter、V.Charmandaris、“銀河からの衝突の残骸における失われた質量(Missing mass in collisional debris from galaxies)”、Science、Vol.316、(2007)、pp.1166−1169;B.G.Elmegreen、“銀河内の衝突残骸におけるダークマター(Dark matter in galactic collisional debris)”、Science、Vol.316、(2007)、pp.32−33]、そして、それが衝突に関することが示されてきた。[M.J.Jee、A.Mahdavi、H.Hoekstra、A.Babul、J.J.Dalcanton、P.Carroll、P.Capak、“ハッブル宇宙望遠鏡でのA520におけるダークコアの研究:神秘が深まる(A study of the dark core in A520 with the Hubble Space Telescope: The mystery deepens)”、Astrophysical J.、Vol.747、No.96、(2012)、pp.96−103]。このようにして、ダークマターは、ここにおいて提示されるハイドリノの解析的な同定及び収集のためのゲッタとして機能することが見出された化合物の解析によって確認されたように、地球上に偏在するべく予期されるであろう。
ハイドリノ反応のエネルギを確認する他の観測は、加熱による水素プラズマの形成、その特異な残光継続時間[H.Conrads、R.L.Mills、Th.Wrubel、“炭酸カリウムの微量で水素ガスを光って加熱することにより形成されるプラズマからの遠真空紫外における発光(Emission in the Deep Vacuum Ultraviolet from a Plasma Formed by Incandescently Heating Hydrogen Gas with Trace Amounts of Potassium Carbonate)”、Plasma Sources Science and Technology、Vol.12、(2003)、pp.389−395]、及びHラインの反転(inversion of H lines)[R.L.Mills、P.C.Ray、R.M.Mayo、M.Nansteel、B.Dhandapani、J.Phillips、“低圧マイクロ波発生水プラズマにおけるユニークなラインのブロードニング及び反転の分光法の研究(Spectroscopic Study of Unique Line Broadening and Inversion in Low Pressure Microwave Generated Water Plasmas)”、J.Plasma Physics、Vol.71、Part 6、(2005)、877−888;R.L.Mills、P.Ray、R.M.Mayo、“特定の第1族触媒での光で加熱された水素ガスから形成された静的な反転されたラインマン集団に基づくCW HI レーザ(CW HI Laser Based on a Stationary Inverted Lyman Population Formed from Incandescently Heated Hydrogen Gas with Certain Group I Catalysts)”、IEEE Transactions on Plasma Science、Vol.31、No.2、(2003)、pp.236−247]。
本発明のシステムは、電気へのハイドリノ反応から開放されるエネルギの直接的な変換を提供する、より低いエネルギ(ハイドリノ)状態への水素の触媒反応から起電力(EMF)を発生するCIHT(触媒誘導ハイドリノ遷移(Catalyst−Induced−Hydrino−Transition))セルと呼ばれるハイドリノ燃料電池に関する。各CIHTセルは、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、及びハイドリノを形成する反応物の源としても機能する電解質と、を含む。酸化−還元半電池反応により、ハイドリノ−生成反応混合物は、外部回路を通る電子の移動と、及び、電気回路を完成するように電解質を通る分離した内部通路を通したイオン質量輸送と、から構成される。電解的に再生できるCIHTセルの1つのタイプにおいて、原子水素及び酸素は、セル内で電気分解により断続的に形成され、そして、水素触媒及びそれに続くハイドリノは、電気的な出力の正味のゲインでもって、セル放電の間に、反応混合物の反応によって形成される。例示的なCIHTは、ニッケル・マット又はMoアノード、ニッケル酸化物カソード、及びMgOマトリクスを備える溶融共晶塩LiOH−LiBrを含んでいた。セルは、空気から抽出される、又は、セルに蒸気として供給される水を放出した。セルは、断続的な電解及び放電で運転した。水素及び酸素は、それぞれ、負極で及び正極で、電気分解フェーズの間に発生させられたが、それらは、H及びH2O触媒の源として機能した。CIHTセルは、ハイドリノを形成する水素の源としてH2Oを電気分解するように要求されるよりも1000倍以上多くの電気を生産することが、6つの独立した熟練科学者又はチームにより認証された。これらのセル及び他のスケールアップされたセルは、理論的に予測された分子ハイドリノ生成物H2(1/4)の生産に対する分析的解析のための電極及び電解質サンプルとして役割を果たした。
溶融LiOH−LiBr−MgO電解質及び1つの電極セットを持つCIHTセル又はバイポーラ・プレート電極を持つスタックのCIHTセルは、マジック角回転1H核磁気共鳴分光法(MAS 1HNMR)、電子ビーム励起発光分光法、ラマン分光法、フーリエ変換赤外(FTIR)分光法、及びX線光電子分光法(XPS)のような解析的なテストのための分子ハイドリノの源として役割を果たした。1つのセルのカソード及びアノードは、NiO及びNiセルメット又はMoをそれぞれ含んだ。各バイポーラ電極は、アノードのそれとは異なる金属のセパレータプレートに付けられたNiOカソードを含んだ。例示的なプレート−アノード金属ペアは、214合金−Ni、Ni−Mo、ハステロイ合金−Mo、及びMo−Niセルメットであった。セルは、真空チャンバ内にシールされ、H2O蒸気発生器から、又は、アルゴンカスに取り込まれたH2O蒸気のフローを除いて、閉鎖された。n個のセルからなるスタックからなるセルの電気的パフォーマンスは、セル電圧が1つのセルのそれのn倍であること以外は、対応する1つのセルのそれと炊事していた。分子ハイドリノサンプルは、電解質、化学的な生成物、及びKCl、KOH、及びKCl−KOH混合物のような無機化合物ゲッタを、閉鎖されたCIHTセルのシールされた容器内に置かれて、含んだが、ここで、オペレーションの間に生成されたハイドリノは、従って分子ハイドリノゲッタとして機能した化合物のマトリクスにトラップされた。ハイドリノ源に曝されなかった出発材料は、コントロールとして役割を果たした。
MAS 1H NMR、ToF−SIMS、ESI−ToFMS、電子ビーム励起発光分光法、ラマン分光法、光ルミネッセンス発光分光法、FTIR、及びXPS分析は、熱的リアクタ又は閉鎖CIHTセルのシールされた容器内に置かれた、CIHT電解質、CIHT電極、固体燃料生成物、及びKCl、KOH、及びKCl−KOH混合物のような無機化合物ゲッタを含む反応生成物のサンプルについて実施された。分子ハイドリノの特性は、ダークマターのそれらにマッチし、そして、ダークマター(H2(1/p))は、それを取り込むことができる特定の材料において存在するように予期される。実験と一致して、KClゲッタは、H2(1/4)の源に曝されることで非常に増加した同じ自然に豊富にあるH2(1/4)を含んでいた。
プロトン酸マトリクスにトラップされた分子ハイドリノのMAS NMRは、マトリクスの相互作用を介してその同定にたいする分子ハイドリノのユニークな特性を利用する手段を表す。NMRスペクトルに関するユニークな熟考は、可能性のある分子ハイドリノの量子状態である。H2の励起された状態と類似して、分子ハイドリノH2(1/p)は、l(エル)=0、1、2、・・・、p−1で状態を持つ。たとえ、l(エル)=0量子状態が比較的大きな四極子モーメントを持っていても、また、加えて、対応する軌道角運動量のl(エル)≠0状態は、高磁場マトリクスシフトを引き起こし得る磁気モーメント[Mills GUTCP]を生じる。急速な交換により、H2(1/p)との局所相互作用が大きな集団に影響を及ぼすところ、マトリクスが、アルカリ水酸化物固体マトリクス又は水和物の水を持つマトリクスのような交換可能なHを含むときに、この効果は、特に優先される。KOHを形成するハイドリノ反応の間に、KがH2Oと反応したところ、KOH−KCl及びKCl+Kを含むそれらのようなCIHTセル・ゲッタは、シールされたCIHTセルの内側の雰囲気に曝された後、+4.4ppmから約−4から−5ppmへと、マトリクス(KOH)のMAS NMR活性な構成要素のシフトを示した。KCl+K及び固体燃料リアクタ内の他のゲッタはまた、高磁場シフトNMR効果を示した。例えば、最初のKOH−KCl(1:1)ゲッタ、137%ゲインで1029Wh出力する[Mo/LiOH−LiBr−MgO/NiO]を含む10個のCIHTセルのスケールアップされた5Wスタックからの同じKOH−KCl(1:1)ゲッタ、及び、FeOOHの固体燃料反応からのK+KClゲッタのMAS NMRスペクトルは、OHマトリクスの既知の低磁場ピークが、約+4ppmから約−4ppmの高磁場領域へとシフトしたことを示した。CIHTセル及び固体燃料により生産された分子ハイドリノは、マトリクスを正から極めて高磁場にシフトさせた。p=4状態に対して可能な異なるl(エル)量子数は、−4ppmの領域におけるそのようなピークの複数を観測したことに一致する異なる高磁場マトリクス・シフトを生じさせることができる。分子ハイドリノを備える錯体を形成することにより高磁場にシフトされたKOHマトリクスのMAS NMRピークは、以前の観測と一致して高磁場にシフトされた水酸化物イオン(OH−)が自由回転子として行動するとき、シャープになり得る。H2(1/4)の異常なNMRシフトの直接の観測は、本質的に100%の再変換の前に記録されるよう、パラからNMR活性なオルト形態へと変換する固体ゲッタ・マトリクスの電子ビーム又はレーザ加熱により可能であるかもしれない。MAS NMRは、周囲温度での分子回転の欠落に打ち勝つことが必要である[Mills GUTCP];さもなければ、場の不均一性は、平均化され得ることがなく、ピークは、観測できない程ブロード化されるであろう[Mills GUTCP]。
追加的な証拠が、ハイドリノに基づくシフト・メカニズムを支持する。H2(1/4)の回転−振動スペクトル(ro−vibrational spectrum)は、高磁場シフトされたMAS NMRスペクトル・ピークを持つサンプルの電子線励起発光分光法(electron−beam excitation emission spectroscopy)により観測された。更に、正イオンToF−SIMSスペクトルは、M:H2(M=KOH又はK2CO3)の構造の部分として二水素(di−hydrogen)を備えるマトリクス化合物のマルチマー群を示した。特に、KOH及びK2CO3を含む以前のハイドリノ反応生成物の正イオンスペクトル[R.L.Mills、E.Dayalan、P.Ray、B.Dhandapani、J.He、“水性の電気分解及びプラズマ電気分解からの極めて安定な新規な無機水素化物(Highly stable novel inorganic hydrides from aqueous electrolysis and plasma electrolysis)”、Electrochimica Acta、Vol.47、No.24、(2002)、pp.3909−3926;R.L.Mills、B.Dhandapani、M.Nansteel、J.He、T.Shannon、A.Echezuria、“新規な水素化物化合物の合成及び特性(Synthesis and characterization of novel hydride compounds)”、Int. J. of Hydrogen Energy、Vol.26、No.4、(2001)、pp.339−367]又は、CIHTセルにおいてゲッタとしてのこれらの化合物を持つ以前のハイドリノ反応生成物の正イオンスペクトルは、構造中に錯体としてH2(1/p)と調和したK+(H2:KOH)n及びK+(H2:K2CO3)nを示した。典型的な結果は、高磁場にシフトしたMAS NMRスペクトルピークを持つ、137%ゲインで1029Wh出力する[Mo/LiOH−LiBr−MgO/NiO]を含む10個のCIHTセルのスケールアップされた5WスタックからのK2CO3−KCl(30:70wt%)ゲッタの正のToF−SIMSスペクトルのそれである。通常の質量m/e=M+2を持つピークの割り当てにおいて、高い精度の質量及び、35Cl及び37Clと同様に39K及び41Kの同位体存在度は、考慮された。類似のM:H2群はESI−ToFMSによって観測された。ToF−SIMS及びESI−ToFMSの群は、安定であり、全マトリクスがMAS NMRにおける幾つかの場合においてシフトされたので、H2(1/p)及びマトリクス化合物の相互作用のエネルギは、室温での約0.025eVの熱エネルギよりも大きくならなければならない。回転への高い活性化バリアは、マトリクスとのこの強い相互作用から予期される。高磁場MAS NMRシフトを持つサンプルは、ストークスピークのリニアなシリーズに対する約0.05−0.075eV(400−600cm−1)のラマン・マトリクス・シフトを示したが、ここで、ピーク間の勾配は、H2(1/4)の回転遷移の0.241eVのエネルギ差にマッチして、約0.999又はより良い高い相関があった。
その特徴的な異常に高い回転−振動エネルギ(ro−vibrational energies)による分子ハイドリノの直接的な同定は、電子線励起発光分光法及びラマン分光法を用いて求められた。もう1つの区別できる特徴は、分子ハイドリノに対する選択側が通常の分子水素のそれらから違っていることである。H2励起状態寿命は非常に短く、そして、ΔJ=0、±1を持つ回転−振動遷移(ro−vibrational transitions)は、H2における急速な電子遷移の間に起きる。しかし、遷移の間において角運動量を保存するために、l(エル)=0及びΔl(エル)=±1が要求されるので、H2が、選択側ΔJ=±1を持つ純粋な回転−振動遷移(ro−vibrational transition)を受けることは可能ではない。原子状電子の量子数は、p、l(エル)、ml、及びmsである[Mills GUTCP]。ハイドリノ状態の場合において、励起された状態の狩猟指数は、n=1/pによって置き換えられる。H2の励起された状態と同様に、H2(1/p);p=1、2、3、・・・、137の扁長の回転楕円体の光子場が、長半径に対する量子数l(エル)の球の調和角度成分を持つところ、分子ハイドリノは、l(エル)=0、1、2、・・・、p−1の状態を持つ[Mills GUTCP]。これらの扁長の回転楕円体の調和状態の間の遷移は、H2の励起状態に対して観察されるような電子遷移なしで、純粋な振動遷移の間に、ΔJ=±1の回転遷移を許す。角度状態の寿命は、H2(1/p)が選択側ΔJ=±1を持つ純粋な回転−振動遷移(ro−vibrational transition)を独自に受けるかもしれないほど、十分に長いものである。
放射する回転−振動の分子ハイドリノ状態(emitting ro−vibrational molecular hydrino state)は、レーザの高い電子場又は高い−エネルギ電子の衝突により励起されるかもしれないが、ここで、回転エネルギのp2(J+1)0.01509eV[Mills GUTCP]により励起された回転の状態は、対応する熱エネルギが0.02eV未満なので、周囲温度で統計熱力学的集団としてそこにいることができない。このようにして、回転−振動の状態の集団の分布は、外部の源の励起可能性を反映する。更に、回転エネルギに比べて55倍高い振動のエネルギであるp20.515eVにより、第1レベルν=1のみが外部の源による励起されるとして予期される。l(エル)質量数における変化が許されると、エネルギーのより低い準位への振動の遷移(ν=1→ν=0)は、回転のエネルギアップ変換(J’−J”=−1)、ダウン変換(J’−J”=+1)、及び無変化(J’−J”=0)を伴い、それぞれ、P、R、及びQブランチを生じる。純粋な回転の遷移ν=1→ν=0;ΔJ=0に対応するQ−ブランチ・ピークは、より高いオーダーの遷移ピークのP及びRシリーズに対して強度に対して急速な減少を伴う最も強度の高いものが予測されるが、ここで、利用可能なエネルギの内部変換により、より強度の高いより多くのピークがRブランチに相対しPブランに対して予期される。マトリクスの影響は、自由振動のそれからの振動エネルギ・シフトを引き起こすことが予期され、そして、マトリクスの回転のエネルギ・バリアが、回転のピークのシリーズのリニアなエネルギ分離の非ゼロの遮断として、P及びRブランチピークの各々への大体同じエネルギの移動が生じる。
ゲッタの結晶格子内にトラップされたH2(1/4)の回転−振動の放射(Ro−vibrational emission)は、切れ目のないUV分光法により記録され、及び5×10−6Torrの圧力範囲で10−20μAのビーム電流で入射6KeV電子銃によって励起された。
5WのCIHTセル・スタックにおけるゲッタとして役割を果たしたUVに対して透明なマトリクスKCl内でH2(1/4)(いわゆる260nmバンド)の分解された回転−振動のスペクトル(ro−vibrational spectrum)の例は、0.2491eVの同じ間隔を持つ、222.7、233.9、245.4、258.0、272.2、及び287.6nmでのピークの代表的な位置を備え、258nmでピーク最大を示す。H2(1/p)のような2原子分子の振動のエネルギは、次のように与えられる。
ここで、kは力の定数で、μは換算質量であり、H2(1/p)に対しては1/2である。分子がHに対して無限大の質量である結晶格子にある場合は、無限体の質量として取り扱われる他方と共に与えられるHの振動の換算質量は、次のファクタにより振動のエネルギの1つの与えるシフトの換算質量に対応する。
回転−振動的に励起された分子(ro−vibrationally excited molecule)及びマトリクス格子のフォノンの間の局所熱平衡は、シリコンマトリクス中のH2の場合である対応する自由回転子のそれであることが期待される回転エネルギで、マトリクス−シフトされた振動のエネルギで対応する一連のラインのエネルギに対してカットオフという結果になることが予期される。H2(1/p)の振動の及び回転のエネルギが、それぞれ、H2のp2、p20.515eV及びp20.01509eV[Mills GUTCP]であるとするならば、結晶格子中のH2(1/4)の回転−振動の及び回転のエネルギは、それぞれ、5.8eVのカットオフ及び0.24eVのエネルギ間隔を持つと予期される。一般に、エネルギ対ピーク数のプロットは、Q(0)、R(0)、R(1)、R(2)、P(1)、P(2)、P(3)、及びP(4)、及び遷移ν=1→ν=0に対するH2(1/4)に対する予測されるものと非常によい一致となり、R2=0.999でy=−0.249eV+5.8eVで与えられるラインを生じる。更に、結晶格子中の通常のH2に対するH2(1/4)の回転−振動の遷移(ro−vibrational transitions)のブロード化は、含まれるエネルギが異常に大きく、60倍も高く、そして、共鳴ブロード化という結果となる光子のフォノンバンドと強く結びつくので、予期される。
5WのCIHTセル・スタックにおけるゲッタとして役割を果たしたUVに対して透明なマトリクスKCl内でH2(1/4)(いわゆる260nmバンド)の分解された回転−振動のスペクトル(ro−vibrational spectrum)の例は、0.2491eVの同じ間隔を持つ、222.7、233.9、245.4、258.0、272.2、及び287.6nmでのピークの代表的な位置を備え、258nmでピーク最大を示す。H2(1/p)のような2原子分子の振動のエネルギは、次のように与えられる。
もう1つの例は、式C7H4Oを持つ針葉樹炭を備えるKNO3、火薬のシールされたリアクタからのKClゲッタから観測されるQ(0)、R(0)、R(1)、R(2)、P(1)、P(2)、P(3)、及びP(4)のピークを含む強い260nmバンドである。その260nm、電子線バンドは、Jobin Yvon Horiba 1250M分光計を用いて観測されるとき、1.4Åの分解能でブロードなピーク以外の如何なる構造も持たない。加えて、構造は、共通の分子の未分解の回転−振動のバンド(ro−vibrational bands)を含むシリーズの可能性を除く光ルミネッセンス・スペクトルにおける1.65cm−1の分解能でと同様に、高められた0.25Åの分解能で、存在しないことが発見された。KCl対KOHのような異なるゲッタ・マトリクスは、一連の共通するガス状の分子の回転−振動のバンド(molecular ro−vibrational bands)に対する260nmバンドの帰属の可能性を更に除去するQ(0)peakについてのシリーズの中央の位置のシフトにおける区別できる違いを引き起こした。むしろ、その結果は、源としてのν=1→ν=0遷移内で、H2(1/4)のブロードな回転の放射を支持する。具体的には、勾配は、0.249eV(p=4)の予測された回転のエネルギ間隔とマッチした。ハイドリノ反応の高いエネルギ(従来の化学種の200倍)は、多分、火薬反応がよく特徴付けられているように、受け取られるので、H2(1/4)生成物の観察に基づく火薬のようなエネルギ材料のパフォーマンスに対して小さな寄与に過ぎない。
[Mo/LiBr−LiOH−MgO/NiO]を含む各セル、8層のCIHTスタック、65mWを含む真空チャンバ内にシールされたKOHゲッタからの電子線励起発光スペクトルは、約260nmでの6000カウントの最大強度を持つH2(1/4)の回転−振動(ro−vibration)に割り当てられた260nmのバンドのプロファイルのアウトラインにマッチするブロードな連続放射特徴を示した。ゲッタ開始材料において観測されなかったバンドは、典型的に観測されるものより約10倍以上強かった。P(1)−P(6)を含む電子線バンドの260nmに対応する強いピークは、ラマン分光法により分解された。更に、対応する純粋な回転のシリーズのための回転に対するエネルギ及び僅かなバリアは、また、ラマン分光法により確認された。
具体的に、H2(1/4)は、ラマン分光法を用いて求められたが、ここで、オルト及びパラの間の大きなエネルギ差により、後者は支配的であることが期待された。仮にパラが同数であるとすれば、純粋な回転遷移に対する典型的な選択側は、偶数の整数に対してΔJ=±2である。しかしながら、軌道−回転角運動量結合(orbital−rotational angular momentum coupling)は、回転のレベルを励起する格子の角運動量の保存を備え、l(エル)量子数における変化を生じさせるが、ここで、共鳴光子エネルギは、l(エル)量子数の変化が無い場合に、遷移に対する軌道−原子核超微細エネルギ(orbital−nuclear hyperfine energy)により振動数においてシフトする。更に、l(エル)≠0に対して、核は、Mills GUTの第12章に与えられるように核間軸に沿って並べられる。初期状態マイナス最終状態のように定義されるストークス・スペクトルに対する回転の選択側は、ΔJ=J’−J”=−1であり、軌道角運動量の選択側は、Δl(エル)=±1であり、そして、遷移は、回転の及び軌道の角運動量の励起の結合の間において、角運動量の保存から許される[Mills GUT]。そして、核スピンへの強度依存性は、期待されない。マクロモードにおける532nmレーザを備えるThermo Scientific DXR SmartRamanを使用して、新しいシャープなラマンピークが、1950cm−1でFeOOH+H2固体燃料のK+KClゲッタに対して観測されたが、これは、H2(1/4)(0.2414eV)の自由空間回転エネルギに4ケタの有効数字でマッチしている。この結果は、H2(1/4)がシリコン・マトリクス内のH2についての場合である自由回転子であることを示している。
マクロモードにおける780nmレーザを備えるThermo Scientific DXR SmartRamanを使用して、40cm−1のブロードな吸収ピークは、過剰な電気の生産の後、MoCu水素透過アノードにおいて観測された。そのピークは、バージン合金においては観測されなかった。そして、ピークの強度は増加する過剰エネルギと共に高くなった。更に、SEM−EDSによって確認されたように、源として考慮される可能性のある元素は、Mo、Cu、H、及びOだけであることを示す事前及び事後の超音波処理が提示された。コントロール化合物の並べ替えでは、そのピークを再現しなかった。KOH−KClは、これらのセルからのガスをゲッタし、H2(1/4)の回転−振動(ro−vibration)に割り当てられた非常に強い光ルミネッセンス・シリーズのピークを与えた。他の元素又は化合物も1.33eV(780nm レーザ マイナス2000cm−1のエネルギ)で40cm−1のラインを吸収できることが知られていないので、H2(1/4)が考慮された。1950cm−1でスタートする吸収ピークは、4つの有効数字で、H2(1/4)(0.2414eV)の自由空間回転ネルギに一致した。吸収は、J’=0からJ”=1への遷移に対するH2(1/4)の回転エネルギ[Mills GUTCP]に対する逆ラマン効果に割り当てられた。この結果は、H2(1/4)が、シリコン・マトリクスにおけるH2のケースである自由回転子であることを示す。
H2(1/4)の純粋な回転遷移は、またFTIR活性であることが予測されたので、FeOOH+H2固体燃料のK+KClゲッタのスペクトルが、4cm−1の分解能でDTGS検出器を備えるNicolet730FTIR分光計で記録された。P(1)に対応するピークは、出発材料においては存在しなかったが、FTIRスペクトルにおける1947cm−1での強いシャープなピークとして観測された。メタホウ酸塩はこの領域におけるピークを持つが、10Bピークはない。更に、IC Labsから購入した、メタホウ酸塩をドープしたKBr結晶のラマンスペクトルは、1950cm−1領域内でピークを示さなかった。
溶融塩セルに加えて、Hがカソードで生成されるところ、水性のアルカリ又は炭酸塩電気分解セルにおいてH2O触媒を生成するという可能性が存在する。H2OからOH−+Hへの還元によるカソードで形成されるHの電極交差は、式(54)の反応を生じさせることができる。その代わりとして、次のような可逆な内部の酸化−還元反応を含むそれらのようなH2O触媒を生じさせることができる炭酸塩を含む幾つかの反応がある。
CO3 2−+H2O → CO2+2OH− (262)
以下のような半電池反応と同様である。
CO3 2−+2H → H2O+CO2+2e− (263)
CO2+1/2・O2+2e− → CO3 2− (264)
Ni電極を持つ0.6M K2CO3電気分解セルのNiカソードにXPSが実施され、そして、ピークが496.4eVで観測されたが、如何なる知られた元素にも割り当てられなかった。唯一の可能性であるNaは、この元素の他の対応するピークの不存在に基づいて、容易に削除される。H2 +のような通常のH状態への衝突−タイプのコンプトンイオン化(Compton ionization)は、運動エネルギとして入射AlのX線エネルギをイオン化された電子が保存する場合に期待されるが、これは、H2(1/4)は放射を吸収も放出もせず、H2 +(1/4)を形成するイオン化状態が無限に励起された状態であるからである。H2(1/4)の全エネルギが522eVであるとすれば、H2の第1のイオン化エネルギに相当するエネルギを持つNi格子中のH2 +の結合は、観測されたエネルギのピークという結果となるであろう[Mills GUTCP]。マトリクス及び最終H種に依存して、この領域の他のシフトも可能である。ピークは、固体燃料生成物だけでなくCIHTアノードにおいても観測された。
CO3 2−+H2O → CO2+2OH− (262)
以下のような半電池反応と同様である。
CO3 2−+2H → H2O+CO2+2e− (263)
CO2+1/2・O2+2e− → CO3 2− (264)
Ni電極を持つ0.6M K2CO3電気分解セルのNiカソードにXPSが実施され、そして、ピークが496.4eVで観測されたが、如何なる知られた元素にも割り当てられなかった。唯一の可能性であるNaは、この元素の他の対応するピークの不存在に基づいて、容易に削除される。H2 +のような通常のH状態への衝突−タイプのコンプトンイオン化(Compton ionization)は、運動エネルギとして入射AlのX線エネルギをイオン化された電子が保存する場合に期待されるが、これは、H2(1/4)は放射を吸収も放出もせず、H2 +(1/4)を形成するイオン化状態が無限に励起された状態であるからである。H2(1/4)の全エネルギが522eVであるとすれば、H2の第1のイオン化エネルギに相当するエネルギを持つNi格子中のH2 +の結合は、観測されたエネルギのピークという結果となるであろう[Mills GUTCP]。マトリクス及び最終H種に依存して、この領域の他のシフトも可能である。ピークは、固体燃料生成物だけでなくCIHTアノードにおいても観測された。
マクロモードにおける780nm半導体レーザを備えるThermo Scientific DXR SmartRamanを使用して、40cm−1のブロードな吸収ピークは、過剰な電気の生産の後、MoCu水素透過アノードにおいて観測された。そのピークは、バージン合金においては観測されなかった。そして、ピークの強度は増加する過剰エネルギ及びレーザの強度と共に高くなった。更に、SEM−EDSによって確認されたように、源として考慮される可能性のある元素は、Mo、Cu、H、及びOだけであることを示す事前及び事後の超音波処理が提示された。コントロール化合物の並べ替えでは、そのピークを再現しなかった。分離した実験において、KOH−KClは、これらのセルからのガスをゲッタし、H2(1/4)の回転−振動(ro−vibration)に割り当てられた非常に強い光ルミネッセンス・シリーズのピークを与えた。他の元素又は化合物も1.33eV(780nm レーザ マイナス2000cm−1のエネルギ)での40cm−1(0.005eV)の近赤外の1つのラインを吸収できることが知られていないので、H2(1/4)が考慮された。1950cm−1でスタートする吸収ピークは、4つの有効数字で、H2(1/4)(0.2414eV)の自由空間回転ネルギに一致した。そして、40cm−1の幅が軌道−原子核結合エネルギの分裂にマッチする[Mills GUTCP]。
H2(1/4)の回転エネルギにマッチする吸収ピークは、実際のピークであり、如何なる知られた種によっては説明できない。ハイドリノ回転の励起は、2つのメカニズムにより吸収ピークを引き起こすかもしれない。第1において、ストークス光は、格子包接(lattice inclusion)としてハイドリノを回転させる強い相互作用のため、格子により吸収される。これは、260nmの電子線バンドで、観測される共鳴ブロード化に似ている。第2は、知られる逆ラマン効果を含む。ここで、レーザにより引き起こされる連続体は、吸収され、そして、レーザの振動数に合わせて移動するが、ここで、連続体は、反ストークス・エネルギ寄与を許すように回転の励起状態の集団を維持するだけ十分強い。典型的に、IREに対してレーザ・パワーは非常に強いが、分子ハイドリノは、その非ゼロのl(エル)量子数番号及び対応する選択則のため、特別なケースであるかもしれない。従って、結果は、後者のメカニズムの文脈から議論される。
吸収は、J’=1からJ”=0への遷移に対するH2(1/4)の回転エネルギに対する逆ラマン効果(IRE)に割り当てられた。この結果は、H2(1/4)が、シリコン・マトリクスにおけるH2のケースである自由回転子であることを示す。更に、H2(1/4)がMAS NMR及びToF−SIMsによって示される水酸化物を持つ錯体を形成するかもしれないので、及び、マトリクス・シフトが、格子におけるH2(1/4)のサイトでの局所環境の影響により光ルミネッセンス・スペクトル及び電子線励起発光スペクトルで観測されるので、IREは、異なるマトリクスにおいて、及びまた、圧力によって、同様にシフトすることが予期される。同様に、H2のラマン・ピークは、マトリクス包含(matrix inclusion)として、圧力と共にシフトする。幾つかの例は、金属及び無機化合物のラマン・スペクトルのスクリーニングによって観測された。Ti及びNbは、1950cm−1でスタートする約20カウントの小さな吸収ピークを示した。Alは、ずっと大きなピークを示した。無機化合物の例は、それぞれ、2308cm−1及び2608cm−1でピークを示したLiOH及びLiOH−LiBrを含んでいた。特に強い吸収ピークは、H2Oを形成するCa(OH)2からの2447cm−1で観測された。後者は、512℃でCa(OH)2の脱水のときに、又は、CO2との反応によって、H2(1/4)を形成する触媒として役割を果たすかもしれない。これらは、以前に報告したように、ハイドリノを形成するための固体燃料タイプの反応である。LiOH及びCa(OH)2の両者は、H2(1/4)IREピークを示したが、LiOHは、Li2CO3との反応によりCa(OH)2から商業的に形成される。このようにして、Ca(OH)2+Li2CO3混合物は、ボールミルにより反応することが引き起こされたが、そして、非常に強いH2(1/4)IREピークが1997cm−1で中央に観測された。
固体燃料反応の生成物としてH2(1/4)は以前に報告された。式(44−47)に従って、ハイドリノを形成することにより開放されるエネルギは、高い運動エネルギ(kinetic energy)H−を生じさせることが示された。H2O及びLiNH2とLiの反応及びAl(OH)3の分解によりH及びHOH触媒を形成することができる、固体燃料Li+LiNH2+解離剤Ru−Al2O3を使って、m/e=1の前に到着するイオンは、式(47)のエネルギ開放が高い運動エネルギH−として発現することが確認されたToF−SIMSによって観測された。酸素(m/e=16)のような他のイオンは、早期のピークを示さなかった。飛行時間T、質量m、及び加速電圧Vの間の関係は以下の通りである。
ここで、Aはイオンの飛行距離に依存する定数である。3kVの加速電圧でm/e=0.968に観測されるToF−SIMS早期ピークから、ハイドリノ反応からH種へと与えられた運動エネルギ(kinetic energy)は、式(44−47)によって与えられるHOH触媒の反応にマッチする約204eVである。同じ早期スペクトルは、H+に対応する正のモードにおいて観測されたが、強度は低かった。
XPSは固体燃料において実施された。Li、LiBr、LiNH2、解離剤R−Ni(約2wt% Al(OH)3を含む)、及び1atm H2の反応によって形成されたLiHBrのXPSは、如何なる知られた元素に割り当てられなかった、2つの異なる実験の反応生成物におけるXPSスペクトルに対する494.5eV及び495.6eVでのピークを示す。Li、Br、C、及びOのピークだけが観測されたので、可能性に過ぎないNa、Sn、及びZnは、これらの元素の対応する他の如何なるピークも存在しないことに基付いて容易に取り除かれた。ピークは、分子ハイドリノH2(1/4)の二重イオン化を理論的に許すエネルギにマッチした。分子ハイドリノは、更に、ラマン及びFTIR分光法により確認された。固体燃料生成物LiHBrのラマンスペクトルは、1988cm−1で中央にあるH2(1/4)逆ラマン効果の吸収ピークを示した。固体燃料生成物LiHBrのFTIRスペクトルは、H2(1/4)の自由回転子エネルギに近くマッチする1987cm−1で新しいシャープなピークを示した。更に、MAS NMRは、以前の結果と一致する強い高磁場シフトピークを示した。
ハイドリノの同定の相互に関係のある確認の観測は、純粋な回転のラマン遷移の分裂として発現するH2(1/4)の分子軌道−原子核カップリングエネルギが、対応する原子ハイドリノH(1/4)に対して予測され及び観測されたスピン−原子核結合エネルギ(spin−nuclear coupling energy)と一致することである。通常の水素の21cm(1.42GHz)のラインに関する場合と同様に、ハイドリノ原子は、35K未満の極低温に冷やされたH2のテラヘルツ吸収分光法により観測された予測された642GHzのスピン−原子核超微細繊維によって、同定された。長い経路長さ(60m)を使用して、フーリエ変換干渉計に結合された多重反射吸収セルは、Wishnow[E.H.Wishnow、低温水素ガスの遠赤外吸収スペクトル(The Far−Infrared Absorption Spectrum of Low Temperature Hydrogen Gas)、Ph.D.Thesis、University of British Columbia、Canada、(1993)]それぞれ、波数、温度、及び圧力の20−320cm−1、21−38K、及び1−3atmospheresに渡って、0.24cm−1のスペクトル分解能でH2スペクトルを記録した。21.4cm−1でのシャープなラインは、25.5Kで観測されたが、36Kでは存在しない。そのラインの波数は、予測された21.4cm−1 H(1/4)の超微細ラインにマッチするが、そして、既知の種には割り当てられなかった。テラヘルツ分光法はまた、H2(1/4)の軌道−原子核遷移を同定するために、役割を果たすかもしれない
もう1つのハイドリノ・スペクトルのためのサーチにおける成功した相互確認技術(cross−confirmatory technique)は、ラマン分光計による使用を含んでいたが、ここで、260nmの電子線バンドにマッチするH2(1/4)の回転−振動(ro−vibration)は、二次蛍光として観測された。第1のサンプルは、65mWからのKOHゲッタ、8層のCIHTスタック、[Mo/LiBr−LiOH−MgO/NiO]を含む各セル、を含んでいたが、260nmバンド・プロファイルの強い(6000カウント)電子線励起発光を示した。40倍の倍率で顕微鏡モードにおいてHeCd 325nmレーザを備えるHoriba Jobin Yvon LabRAM Aramis Raman分光計を使用して、1000cm−1の等しいエネルギ間隔を空けたラマンピークの強いシリーズは、8340、9438、10,467、11,478、12,457、13,433、及び14,402cm−1で観察されたが、12,457cm−1では最高のピーク強度であった。ラマンスペクトルを、復号された、蛍光又は光ルミネッセンス・スペクトルに変換することは、ラマンスペクトルが平均的に間隔を空けられたピークの一連の重ね合わせであり、緑の波長での最高のきょうどを持つ連続バンド発光であることを明らかにした。緑発光は、レーザが照射された時にサンプルから観察された。緑発光は、一連のピークが緑の蛍光からの分離したスペクトルの特徴であることを示すH2(1/4)回転−振動に割り当てられた260nmバンド発光を生成するための電子線励起の間にKOHゲッタサンプルから更に観測された。ラマンピーク位置から計算された二次の蛍光スペクトルは、446、469、493、518、546、577、及び611 nmにおけるピークを含む。1000cm−1又は0.1234eVの間隔は、H2(1/4)の二次回転スペクトルに非常によくマッチするが、このようにして、一連のピークが、電子線励起によって観測される一次の260nmバンドの二次蛍光とマッチする。実際、マトリクスシフトによる波長範囲の端での僅かな縮みを考慮して、計算された蛍光スペクトルの波長を半分にしてマトリクスの間の遷移に補正をすると、ピーク強度を含め、電子線及びラマンスペクトルの重ね合わせという結果になる。12,457cm−1での最高ピーク強度がQ(0)であることを考慮して、割り当ては、それぞれ、Q(0)、R(0)、R(1)、R(2)、R(3)、P(1)、及びP(2)が、12,457、11,478、10,467、9438、8340、13,433、及び14,402cm−1になる。励起は、高エネルギのUV及びEUV He及びCdレーザによるものであったが、ここで、レーザ光学は、少なくとも170nmに対して透明であり、回折格子(Labram Aramis 2400g/mm 460mm 焦点距離システム 1024×26μm2ピクセルのCCD付)は、分散系であり、そのスペクトルの短波長側で最高の効率を持ち、260nmバンドと同じ範囲を持つ。例えば、カドミウムは、電子線励起データに基づくKClマトリクスにおけるH2(1/4)の回転−振動励起エネルギにマッチする214.4nm(5.8eV)での非常に強いラインを持つ。CCDはまた、500nmで最も応答性がよく、520nmでセンターになる260nmバンドの二次の範囲である。より高い波数への繰り返しのスキャンのときに、回転−振動のシリーズのP−ブランチの追加のメンバーは観測された。
260nmバンドは、別の分析方法でH2(1/4)を含むことが示されたゲッタ及び追加の反応生成物の蛍光発光として、二次において観測された。[ラミネートされた−CNi6 1.5インチ×1.5インチ+CNi8 1.5インチ×1.5インチ+Mo 1インチ×1インチ CNi8+1.5インチ×1.5インチ+Ag 1インチ×1インチ+CNi8 1.5インチ×1.5インチ+CNi6 1.5インチ×1.5インチ)/LiOH−LiBr−MgO/NiO](50mA 充電及び放電電流;2.65Wh 放電エネルギ、200%ゲイン)のセルに対してゲッタとして、K2CO3−KCl(1:1)が使用されたとき、260nmの電子線バンドが強く観測された。ラマンスペクトルが22,500cm−1に対して記録されたが、異なるマトリクスのために僅かなシフトを持つ対応するレーザ励起の二次蛍光バンドが17,000cm−1まで延長するように観測された。そのシリーズは、それぞれ、12,199、11,207、10,191、9141、8100、13,183、14,168、15,121、16,064、及び16,993cm−1、でのQ(0)、R(0)、R(1)、R(2)、R(3)、P(1)、P(2)、P(3)、P(4)、及びP(5)を含んでいた。その光ルミネッセンスバンドも、高磁場にシフトしたNMRピークと相互関連していた。例えば、−4.06及び−4.41ppmで高磁場シフトしたマトリクスピークを持つ、137%のゲインで1029Whを出力した[Mo/LiOH−LiBr−MgO/NiO]を含む10個のCIHTセルのスケールアップされた5WのスタックからのKOH−KCl(1:1)ゲッタは、260nmの電子線バンドに対応するシリーズの光ルミネッセンスピークを示した。Q(0)、R(0)、R(1)、R(2)、R(3)、R(4)、P(1)、P(2)、P(3)、P(4)、P(5)、及び(6)が、それぞれ、12,199、11,207、10,191、9141、8100、13,183、14,168、15,121、16,064、16,993、及び17,892cm−1,で観測された。このサンプルはまた、強いM:H2(M=KOH又はK2CO3)ToF−SIMSクラスタを示した。等価な光ルミネッセンス・スペクトルが、固体燃料FeOOH+H2+Niスクリーン水素解離剤を備えるリアクタ内のKCl+K(その場でKOHを形成)ゲッタのそれのような固体燃料リアクタ内のゲッタから観測された。
全体的に見て、260nmの電子線スペクトルにマッチする0.2414eVの間隔でのラマン光ルミネッセンスバンド及び0.241eV(1940cm−1)のラマンピークの観測のようなラマンの結果は、H2の1/4のそれである分子間の距離を持つ分子ハイドリノの強い確証である。後者の場合における証拠は、理論的な予測との4個の有効数字で合致するマトリクスピークの可能な割り当て又は知られる一次のピークがその領域に無いことにより、更に実証された。
Claims (15)
- 電圧及び電気及び熱エネルギの少なくとも1つを発生する電気化学的パワーシステムであって、容器を含み、ここで、その容器は、
酸素及びH2Oの少なくとも1つが供給される、少なくとも1つのカソードと、
H2が供給される、少なくとも1つの水素透過性のアノードと、
少なくとも1つのバイポーラ・プレートと、
分離した電子流れ及びイオン質量輸送を備える反応物と、及び
水素化されたアノード、及び
水素透過性のアノードを含む少なくとも1つの表面を持つ閉じられた水素リザーバ、
から選択される少なくとも1つの構成要素と、を含み、
当該反応物は、
a)少なくとも1つのH2Oの源と、
b)酸素の源と、
c)nを整数として、nH、O、O2、OH、OH−、及び発生期のH2Oから選択される群からの少なくとも1つを含む触媒又は触媒の源の少なくとも1つと、及び
d)原子水素又は原子水素の源の少なくとも1つと、
から選択される少なくとも2つの構成要素を含み、
1又はそれ以上の反応物は、触媒の源、触媒、原子水素の源、及び原子水素の少なくとも1つを形成し、及び
1又はそれ以上の反応物は、原子水素の触媒反応を開始させ、及び
そのシステムは更に電気分解システムを含む、ことを特徴とする電気化学的パワーシステム。 - 水素化されたテープキャストNi、NiCo、Ni(約94原子%)Co(約1原子%)Cu(約1原子%)、又は、Ni、Mo、若しくはMo合金からなる水素化物アノードと、及び、
水素透過性のアノードを含む少なくとも1つの表面を持つ閉じられた水素容器と、
の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1に記載の電気化学的パワーシステム。 - 直列及び並列の少なくとも1つの様式で電気的に接続されるセルのスタックのユニットを含む対カソードを備える背中合わせの水素透過性のアノードを含むことを特徴とする請求項1に記載の電気化学的パワーシステム。
- 各々が、電極に接続されるガスチャネルと、ガスラインと、及びマニホールドと、を含むガス供給システムの少なくとも1つを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の電気化学的パワーシステム。
- 前記カソードが、セルの中心から周辺に向かってH2O及びO2の少なくとも1つを運ぶため多孔性の層、多孔性の電極、周囲のミシン目を備える放射状のガスチャネル及び毛細管システムの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1に記載の電気化学的パワーシステム。
- 水素透過性のアノードが、Coテープキャスト、Niテープキャスト、Moテープキャスト、Mo、Mo合金、MoNi、MoCu、MoCo、TZM、Ni、Co、Ni合金、NiCo、及び他の遷移金属及び内部遷移金属及び合金、及びCuCoの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1に記載の電気化学的パワーシステム。
- 水素透過性のアノードの圧力が約1 Torrから500 atmに維持され、及び水素透過速度が約1×10−13 mole s−1 cm−2 から1×10−4 mole s−1 cm−2の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の電気化学的パワーシステム。
- 水素透過性のアノードが、Mo、Mo合金、MoNi、MoCu、MoCo、MoB、MoC、MoSi、MoCuB、MoNiB、MoSiB、Co、CoCu、CoNi、及びNiの少なくとも1つを含む、材料で被覆された透過性の膜を含むことを特徴とする請求項1に記載の電気化学的パワーシステム。
- 少なくとも1つのコーティング材料が、Mo、Mo合金、MoNi、MoCu、MoCo、MoB、MoC、MoSi、MoCuB、MoNiB、MoSiB、Co、CoCu、CoNi、及びNiの少なくとも1つを含み、
H透過性の材料が、Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)、Ta(H2)、及びステンレス鋼(SS)、の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項8に記載の電気化学的パワーシステム。 - 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、
少なくとも1つの溶融水酸化物及び少なくとも1つの他の化合物、
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、
アルカリ水酸化物及びアルカリハロゲン化物の少なくとも1つの混合物、
少なくとも1つのアルカリ土類金属、遷移金属、又はBi水酸化物添加剤、
Ni(OH)2、Co(OH)2、Cu(OH)2、Ca(OH)2及びBi(OH)3の少なくとも1つを含む添加剤、
LiOH−LiBr、LiOH−NaOH、LiOH−LiBr−NaOH、LiOH−LiX−NaOH、LiOH−LiX、NaOH−NaBr、NaOH−NaI、NaOH−NaX、及びKOH−KX、ここで、Xはハロゲンであり、
少なくとも1つのマトリクス、及び
アノード及びアニオンの金属カチオン、水酸化物、ハロゲン化物、酸化物、硫酸塩、リン酸塩、硝酸塩、炭酸塩、クロム酸塩、過塩素酸塩、及び過ヨウ素酸塩を含む化合物と、及び、マトリクス及び酸化物、コバルト・マグネシウム酸化物、ニッケル・マグネシウム酸化物、銅マグネシウム酸化物、CuO、CrO4、ZnO、MgO、CaO、MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO若しくはFe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、P2O3、P2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、及びCrO3を含む化合物と、の少なくとも1つを含む、少なくとも1つの添加剤、
から選択される少なくとも1つの電解質を含むことを特徴とする請求項1に記載の電気化学的パワーシステム。 - 共通イオンの源が、CoO、NiO、及びMoO2の少なくとも1つの形成を防止することを特徴とする請求項10に記載の電気化学的パワーシステム。
- マトリクスが、
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、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、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、及び酸化物又はオキシアニオンを形成する他の元素の酸化物;
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の1つのような1つの酸化物、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カチオンの群からの少なくとも1つのカチオンを含む1つのオキシアニオン;
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’(ここで、M’はアルカリ土類金属を表し、)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、P2O3、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又はLi2MoO4、Li2TiO3、Li2ZrO3、Li2SiO3、LiAlO2、LiNiO2、LiFeO2、LiTaO3、LiVO3、Li2B4O7、Li2NbO3、Li2PO4、Li2SeO3、Li2SeO4、Li2TeO3、Li2TeO4、Li2WO4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2MnO4、Li2HfO3、LiCoO2、及びM’O(ここで、M’はアルカリ土類金属を表し)、及びMgO;
アノードの元素の酸化物又は同じグループの元素、及び
Li2MoO4、MoO2、Li2WO4、Li2CrO4、及びLi2Cr2O7、及び
S、Li2S、酸化物、MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO又はFe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、P2O3、P2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、CrO3、MgO、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つを含む添加剤、
の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項10に記載の電気化学的パワーシステム。 - 電解質が、電解質が水性でありアルカリ性であり、電解質のpH及びセル電圧の少なくとも1つがアノードの安定性を達成するようにコントロールされることを特徴とする請求項10に記載の電気化学的パワーシステム。
- 熱エネルギを発生するパワーシステムであって、
大気圧、大気圧より上、及び大気圧より下の少なくとも1つの圧力を可能とする少なくとも1つの容器と;
少なくとも1つのヒータと;
a)発生期のH2Oを含む触媒又は触媒の源;
b)原子水素又は原子水素の源;及び
c)水酸化物化合物、及び、触媒の源、触媒、原子酸素の源、及び原子酸素の少なくとも1つを形成するハロゲン化物化合物を含む反応物、を含む反応物と;及び
原子水素の触媒反応を開始させる1又はそれ以上の反応物(ここで、反応はその反応物を混合及び加熱の少なくとも1つで起こり)と、を含み、
少なくとも1つの水酸化物化合物及びハロゲン化物化合物が、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、Bi、Cd、Cu、Co、Mo、及びNi、Sb、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、及びZnを含む、電気化学的パワーシステム。 - 反応物が更に、反応物を再生するため、生成物と反応させられるH2Oの源を含むことを特徴とする請求項14に記載の電気化学的パワーシステム。
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