JP2020515872A - 高水素取込速度下での発熱反応の誘発 - Google Patents

Abstract

高い水素取込速度下で発熱反応を誘発するための方法および装置を開示する。一般に、高い水素取込比率が重要な要因であることが理解されている。本願は高い水素取込速度、すなわち短時間で高い水素取込比率を達成することが、過剰な熱が発熱反応において観察され得るかどうかを決定する別の重要な要因であることを教示する。本願は、発熱反応を誘発すべく高い水素取込速度を達成するための方法および装置を開示する。

Description

発明の詳細な説明

［関連出願の参照］
本願は２０１７年３月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／４７８，０８０号の優先権を主張し、その全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

［技術分野］
本発明は一般に、発熱反応における熱発生に関連し、より具体的には、発熱反応を誘発するために水素または重水素の取込(loading) 速度を制御することに関連する。

［背景技術］
金属格子中に取り込まれた水素原子または重水素原子を伴う発熱反応における熱発生は、世界中の独立したチームによって観察および確認されている。金属格子の例としては、パラジウム、ニッケル、合金などが挙げられる。しかしながら、それらの発熱反応を一貫した方法で再現する試みには失敗している。

発熱反応において過剰な電力が観察されるかどうかを判断する際には、多くの要因が重要であると考えられる。例えば、水素ガスまたは重水素ガスを金属格子に取り込む場合、０．８よりも高い取込比率が必要であると考えられるが、当該条件は、発熱反応の誘発には不十分である。粗い表面を有する金属格子の水素取込比率が滑らかな表面よりも高くなることから、金属格子上の「粗い」表面も重要であると考えられる。

本願は、発熱反応を一貫して誘発するための新規で有利な方法および装置を開示する。

［発明の概要］
本開示は、発熱反応の誘発条件に関する。本開示における「水素」という用語は、純粋な重水素、トリチウム、または３つの同位体の任意の組み合わせを含む水素ガスを意味する。

いくつかの実施形態では、発熱反応のホストとして構成された装置が水素吸蔵材料(hydrogen absorbing material) と、１つ以上の供給ポートとを備える。上記１つ以上の供給ポートは、ガス吸入口および１つ以上の制御装置を受けるように構成される。上記１つ以上の制御装置は、発熱反応を開始させる高い水素取込速度を達成するための条件を適用するように構成される。

いくつかの実施形態では、反応チャンバ内において発熱反応を誘発するための方法が以下のステップを含む。まず、反応チャンバ内に水素ガスを導入する。反応チャンバは、水素吸蔵材料を収容する。水素ガスが水素吸蔵材料に取り込まれる間、発熱反応を開始させる高い水素取込速度を達成するための条件が適用される。

いくつかの実施形態では、反応チャンバ内において発熱反応を誘発する方法を開示する。第１の条件が適用される前に、まず、水素ガスを金属容器に導入する。第１の条件下で、水素ガスが水素吸蔵材料に取り込まれ、第１期間内に第１水素取込比率が達成される。その後、第２の条件が適用される。第２の条件下では、水素ガスが水素吸蔵材料に取り込まれ、第２期間内に第２水素取込比率が達成される。第２の取込比率は第１の取込比率よりも高く、第２期間は第１期間よりも短い。発熱反応は、第２の条件で開始させてもよい。いくつかの実施形態では、第１の条件を適用することは任意である。

いくつかの実施形態では、発熱反応を引き起こし、持続させるように構成された装置を開示する。この装置は、容器、１つ以上の電極、および１つ以上の供給ポートを備える。一実施形態では、装置は、水素が取り込まれた遷移金属を伴う一種の発熱反応のホストとして構成される。一実施形態では、金属容器が水素吸蔵材料でめっきされ、金属容器の端部のポートを通して１つ以上の電極を受ける。１つ以上の供給ポートは、１つ以上の制御装置を受けるように構成される。１つ以上の制御装置は、水素ガスを水素吸蔵材料に取り込むことができる異なる条件を適用するように構成される。第１の条件では、第１期間内に第１水素取込比率で水素ガスが水素吸蔵材料に取り込まれる。第２の条件では、第２期間内に第２水素取込比率で水素ガスが水素吸蔵材料に取り込まれる。第２水素取込比率は、第１水素取込比率よりも高い。発熱反応は、第２の条件で誘発される。

さらに別の実施形態では、発熱反応のために構成された装置が電解槽を含む。当該装置は、電解質で満たされた容器を含む。この装置は、カソードおよびアノードを受けるための１つ以上の供給ポートをさらに備える。カソードは、水素吸蔵材料でめっきされ、水素ガスを吸収または吸着することができる。水素ガスが、閾値を超える高い水素取込速度で水素吸蔵材料に取り込まれると、発熱反応が誘発され得る。

［図面の簡単な説明］
図１は、熱発生のために構成された例示的な反応器を示す。

図２は、金属格子における水素取込プロセスを示す例示的な曲線を示す。

図３は、金属格子における別の水素取込プロセスを示す例示的な曲線を示す。

図４は、高い水素取込速度下において発熱反応を誘発する方法の例を示すフローチャートである。

［詳細な説明］
図１は、発熱反応のために構成された例示的な反応器１００を示す。反応器１００は、容器１０２と、１つ以上の電極１０４と、蓋１０６とを備える。図１において、蓋１０６は、反応器１００の一端に配置され、１つ以上の電極１０４、供給・排出ポート１１４、および取り外し可能な電気通路(electrical pass-through) １１６を収容するために使用される。１つ以上の電極１０４は、タングステン、モリブデン、コバルト、若しくはニッケル、または高電圧および高温環境に耐えることができる他の丈夫な金属からなり得る。いくつかの実施形態では、正極がパラジウムからなるか、あるいはパラジウムでめっきされている。いくつかの実施形態では、負極は白金である。供給・排出ポート１１４の１つを使用して、反応ガスを反応器１００に導入するか、あるいは反応器１００から得られたガスを抽出することができる。供給・排出ポート１１４はまた、圧力制御装置を収容するために使用されてもよく、当該圧力制御装置は、真空を適用する、ガスを抽出する、またはガスを供給するために使用され得る。

一種の発熱反応では、２つの重水素原子またはイオンが融合してヘリウムを形成し、プロセス中にエネルギーを放出する。図１に示す反応器１００は、次のように構成することができる。１つの例示的な反応器１００では、容器１０２は金属製である。容器１０２の内壁は最初に金１０８または別の材料（例えば、銀）でめっきされる。金または銀のめっきは、チャンバ内の反応ガスが反応チャンバ１００の壁を通って漏れ出るのを防止するためのシール材として機能する。金１０８の上には、水素吸蔵材料の層がめっきされている。反応器１００の外側には、任意に、磁石を配置してもよい。

いくつかの実施形態では、例示的な反応器１００が電解槽として構成される。容器１０２は、電解質で満たされてもよい。容器１０２はさらに、２つの電極、すなわちカソードおよびアノードを備え、これらは供給・排出ポート１１４を介して収容される。電気通路１１６を介して電力線を設けてもよい。

特定の種類の発熱反応では、発熱反応が起こるように反応器１００を事前調整する必要がある。必要条件の１つは、水素吸蔵材料１１０に水素／重水素を取り込むことである。いくつかの実施形態において、発熱反応は、水素取込比率が閾値を超える場合に誘発され得る。水素取込比率は、水素または重水素が水素吸蔵材料、例えばパラジウムにどれだけ吸収または吸着されたかを表す。例えば、反応チャンバ１００が電解槽である１つの例示的な実施形態では、電解槽のカソードがパラジウムでめっきされる。水素／重水素ガスがパラジウム中に取り込まれると、取込比率が特定の閾値を超えたときに発熱反応が誘発され得る。

一般に、水素の取込比率は、発熱反応を誘発するのに重要であることが理解されている。高い水素取込比率と過剰な熱発生との間の一般的な相関関係が観察されている一方、発熱反応を一貫して開始させるために使用することができる誘発メカニズムは特定されていない。１つの仮定は、発熱反応を誘発するためには高い水素取込比率が必要であるが、当該条件は、発熱反応の誘発には不十分であるということである。他方、高い取込速度は、過剰な熱発生のための一貫した誘発メカニズムを提供し得る。いくつかの実施形態では、速い水素取込速度下で発熱反応が誘発されてもよい。水素取込速度は、水素が水素吸蔵材料中にどのくらい速く吸収または吸着されているかを表す。

いくつかの実施形態では、高い水素／重水素取込速度が発熱反応を誘発する。例えば、反応チャンバ１００内に水素ガスを加圧する場合、反応チャンバ１００内に短時間で大量の水素／重水素ガスが導入される。水素／重水素イオン／原子が格子に迅速に取り込まれる場合、発熱反応を誘発することができる。発熱反応は、発熱反応において触媒的役割を果たす金属格子中に「詰まった」水素／重水素原子／イオン間であり得る。

いくつかの実施形態では、磁場を印加するか、あるいは電圧を印加することによって高い水素／重水素取込速度を達成することができる。水素イオンは、強い磁場や高電圧（電場）の影響を受けて高速へと加速される。高速水素／重水素イオンが金属格子に入ると、金属格子に取り込まれた水素／重水素イオンの高い運動エネルギーに起因して、発熱反応が誘発され得る。

いくつかの実施形態では、水素／重水素ガスが金属格子、例えばパラジウムに迅速に取り込まれる場合、金属格子内部の水素原子／イオンの分布は不均一であり得る。特定の領域内では、水素／重水素取込比率は、平均取込比率より高くてもよい。特定のポケット内では、水素／重水素取込比率が、発熱反応を誘発するために必要とされる閾値を上回ってもよい。

図２は、パラジウムなどの水素吸蔵材料における例示的な水素吸蔵プロセス２００を示す。図２において、ｘ軸は経過時間を示し、ｙ軸は金属格子に取り込まれた水素原子／イオンと水素吸蔵材料のパラジウム原子との比率として測定された水素取込比率を示す。最初に、水素吸蔵材料が水素／重水素ガス中に置かれると、水素または重水素ガスは迅速に吸着され、吸収される。時間ｔの経過後、水素吸蔵材料が水素／重水素で「飽和」するまで、水素取込プロセスは減速する。水素取込比率は、ｔ’の後も実質的に安定したままである。

図３は、例示的な水素取込プロセス３００を示す。水素取込プロセス３００の第１段階の間、つまりｔ_０とｔ_１との間に、任意の第１の取込条件を反応チャンバ１００に適用する。第１の取込条件は、圧力Ｐ_１および温度Ｔ_１を含み得る。さらに、第１の取込条件は、電圧Ｖ_１、磁場Ｂ_１などを含んでもよい。水素が水素吸蔵材料、例えばパラジウム格子に取り込まれるとき、水素取込比率は、ｔ_０とｔ_１との間の期間中、ｒ_０からｒ_１に着実に増加する。この期間中の取込速度は、以下の通りである：

ｔ_１からｔ_２までの期間中に、第２の条件が反応チャンバ１００の内部に適用される。第２の条件は、圧力Ｐ_２、温度Ｔ_２、電圧Ｖ_２、磁場Ｂ_２などのうちの１つ以上を含み得る。第２の条件では、第１の条件よりも速く水素が水素吸蔵材料に取り込まれている。取込比率は、ｔ_１とｔ_２との間の第２期間中にｒ_１からｒ_２に増加する。第２期間中の第２の条件下での取込速度は以下の通りである：

第２の条件下では、水素の急速な取り込みのために、発熱反応が誘発される。一実施形態では、装置１００がパラジウムまたはニッケルでめっきされた金属容器１０２を備える。モリブデンなどの金属からなる電極１０４は、容器の中央に配置されている。水素または重水素は常圧条件（例えば、＜２ＰＳＩ）で密閉容器内に存在する。水素吸蔵格子には負の電圧が印加されるか、あるいはアースが適用され、一方、正の電圧が電極１０４に印加される。一実施形態では、電圧は約５０００Ｖである。別の実施形態では、電圧は３０００Ｖ〜６０００Ｖの範囲である。この電圧変化によって、パラジウム／ニッケルの壁に水素または重水素を「たたきつける」強い電場が発生し、取込速度が通常よりも高くなる。この速い取込速度下では、取り込まれた水素原子／イオンが金属格子中に不均一に分布し、高い水素取込比率を有する小さな領域が形成され得る。

別の実施形態では、反応チャンバ１００における金属容器１０２がパラジウムまたはニッケルナノ粒子を保持する。容器１０２は、真空、例えば、１０^−７トル以上に初期設定されている。重水素または水素を容器に迅速に導入し、圧力を真空から少なくとも１００ＰＳＩまで短時間で上昇させる。一実施形態では、圧力が高真空から１００ＰＳＩに１５秒で増加する。この圧力の急激な上昇によって、高濃度の水素／重水素の領域が生じる。これらの領域内では、水素／重水素取込比率が高く、異常な熱発生事象を誘発して過剰な熱発生を促進し得る。

図４は、高い水素取込速度下において発熱反応を誘発する例示的なプロセス４００を示す。プロセス４００では、まず、水素ガスが金属容器に導入される（ステップ４０２）。第１期間中、第１の条件が適用される。第１の条件では、水素ガスが水素吸蔵材料に取り込まれて第１期間内に第１水素取込比率に達する（ステップ４０４）。第２期間中は、第２の条件が適用される。第２の条件では、水素ガスが水素吸蔵材料に取り込まれ、第２水素取込比率が達成される（ステップ４０６）。第２水素取込比率は、第１水素取込比率よりも高い。第２の条件では、反応チャンバ１００内において発熱反応が誘発される（ステップ４０８）。

本発明は、本発明の範囲および本質的な特徴から逸脱することなく、本明細書に記載されたもの以外の他の特定の方法で実施することができる。したがって、本実施形態はすべての点で例示であって限定ではないと見なされるべきであり、添付の特許請求の範囲の意味および同等の範囲内におけるすべての変更は、本願に包含されるものとする。

熱発生のために構成された例示的な反応器を示す。 金属格子における水素取込プロセスを示す例示的な曲線を示す。 金属格子における別の水素取込プロセスを示す例示的な曲線を示す。 高い水素取込速度下において発熱反応を誘発する方法の例を示すフローチャートである。

Claims (17)

1. 反応チャンバ内において発熱反応を誘発する方法であって、上記反応チャンバは水素吸蔵材料を備え、上記方法は、
   水素ガスを上記チャンバに導入する工程と、
   第１の条件を適用する工程であって、この条件下で、第１期間中に第１水素取込速度で上記水素ガスが上記水素吸蔵材料に取り込まれる、工程と、
   第２の条件を適用する工程であって、この条件下で、第２期間中に第２水素取込速度で上記水素ガスが上記水素吸蔵材料に取り込まれる、工程と、
   上記第２の条件下で上記反応チャンバ内において上記発熱反応を開始する工程と、を含み、
   上記第２水素取込速度は、上記第１水素取込速度よりも速い、方法。
2. 上記第１の条件を適用する工程は、温度Ｔ１および圧力Ｐ１を適用することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 上記反応チャンバはさらに電極を含み、上記電極は上記水素吸蔵材料でめっきされており、上記第２の条件を適用する工程は、上記反応チャンバと上記電極との間に高電圧差を印加することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 上記高電圧差が３０００Ｖ〜６０００Ｖの範囲である、請求項３に記載の方法。
5. 上記第２の条件を適用する工程は、上記反応チャンバ内の上記圧力Ｐ１を真空から１００ＰＳＩに増加させることを含む、請求項２に記載の方法。
6. 上記第１の条件を適用する工程は任意である、請求項１に記載の方法。
7. 上記第１の取込比率または上記第２の取込比率は、局所的取込比率である、請求項１に記載の方法。
8. 上記第１の取込比率または上記第２の取込比率は、平均取込比率である、請求項１に記載の方法。
9. 発熱反応を誘発し、持続させるように構成された装置であって、上記装置は、
   反応チャンバと、
   水素吸蔵材料と、
   ガス吸入口および１つ以上の制御装置を受ける１つ以上の供給ポートと、を備え、
   水素ガスが上記ガス吸入口を介して上記装置に導入され、
   上記１つ以上の制御装置は、第１期間内に第１水素取込比率で上記水素ガスが上記水素吸蔵材料に取り込まれる第１の条件を適用するように、また、第２期間内に第２水素取込比率で上記水素ガスが上記水素吸蔵材料に取り込まれる第２の条件を適用するように構成され、上記第２水素取込比率は、上記第１水素取込比率よりも高く、
   上記発熱反応は、上記第２の条件下で開始される、装置。
10. 上記第１の条件は、温度Ｔ１および圧力Ｐ１を含む、請求項９に記載の装置。
11. 上記装置は、電極をさらに備え、上記電極は水素吸蔵材料でめっきされており、上記第２の条件は、上記装置と上記電極との間の高電圧差を含む、請求項９に記載の装置。
12. 上記高電圧差が３０００Ｖ〜６０００Ｖの範囲である、請求項１１に記載の装置。
13. 上記第２の条件は、上記反応チャンバ内の上記圧力Ｐ１を真空から１００ＰＳＩに増加させることを含む、請求項９に記載の装置。
14. 上記第１の条件を適用する工程は任意である、請求項９に記載の装置。
15. 上記第１の取込比率または上記第２の取込比率は、局所的取込比率である、請求項９に記載の装置。
16. 上記第１の取込比率または上記第２の取込比率は、平均取込比率である、請求項９に記載の装置。
17. 反応チャンバ内において発熱反応を誘発する方法であって、上記反応チャンバは水素吸蔵材料を備え、上記方法は、
    水素ガスを上記反応チャンバに導入する工程と、
    条件を適用する工程であって、この条件下で、上記水素ガスを上記水素吸蔵材料に取り込んで高水素取込速度を達成する、工程と、
    上記反応チャンバ内において上記発熱反応を開始する工程と、を含む、方法。
    
    

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