JP2020524602A - 水素および酸素の非飲用水からの分離、ならびにタービンまたはピストンエンジンを駆動するための前記水素および酸素の再結合 - Google Patents

水素および酸素の非飲用水からの分離、ならびにタービンまたはピストンエンジンを駆動するための前記水素および酸素の再結合 Download PDF

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Abstract

本発明では、タングステン電極とニッケル多孔板とのプラズマギャップにより、坩堝の一方で水素を生成し、１本のニッケル細線と２枚のニッケル多孔板とのプラズマギャップにより、同じ坩堝の他方で酸素を生成する。新たに生成された水素ガスは、ポンプで貯蔵タンクへ送り込まれ、新たに生成された酸素は、ポンプで同様のタンクへ送り込まれて貯蔵される。貯蔵後、結合タンクが、水素と酸素を適切な比で化学両論的に混合させ、その後、結合混合物を放出して、タービンエンジンまたはピストンエンジンでの燃焼に使用するか、もしくはタービン駆動用に蒸気を発生させる。

Description

本発明は、本願と同じ名前の発明者による同時出願の3つの仮出願の優先権を主張するものであり、2017年6月15日に出願された出願番号62,520,324および2017年6月16日に出願された出願番号62,521,248および2017年6月22日に出願された62,523,656は、ここに組み込まれる。
先行技術
1 201701 1 198 System, Method and Apparatus for Recovering Mining Fluids from Mining Byproducts

2 2017010068 PLASMA GAS WATER IONIZATION PURIFICATION SYSTEM

3 2017000188 SYSTEM, METHOD AND APPARATUS FOR TREATING LIQUIDS WITH WAVE ENERGY FROM PLASMA

4 2016015290 COMBINED PROCESSES FOR UTILIZING SYNTHESIS GAS with LOW C02 EMISSION AND HIGH ENERGY OUTPUT

5 201601 1504 WATER/WASTEWATER RECYCLE AND REUSE WITH PLASMA, ACTIVATED CARBON AND ENERGY SYSTEM

6 2016010791 COMBINED GASIFICATION AND VITRIFICATION SYSTEM

7 2015036019 Control System for Gas Production

8 2015032120 Reclamation of Metals from a Fluid

9 2015028339 UP AND DOWN CONVERSION SYSTEMS FOR PRODUCTION OF EMITTED LIGHT FROM VARIOUS ENERGY SOURCES INCLUDING RADIO FREQUENCY, MICROWAVE ENERGY AND MAGNETIC INDUCTION SOURCES FOR UPCONVERSION

10 2015023235 System and Method for Treating Water Systems with High Voltage Discharge and Ozone 11 2015021093 FUEL GENERATION USING HIGH-VOLTAGE ELECTRIC
FIELDS METHODS

12 2015019137 LIQUID TREATMENT DEVICE, LIQUID TREATMENT METHOD, AND PLASMA TREATMENT LIQUID

13 2015017090 PLASMA-ASSISTED CHEMICAL GAS SEPARATION METHOD HAVING INCREASED PLASMA DENSITY AND DEVICE FOR IMPLEMENTING THE METHOD

14 2015015126 Apparatus for Flow-Through of Electric Arcs

15 2015013985 METHOD AND APPARATUS FOR TRANSFORMING A LIQUID STREAM INTO PLASMA AND ELIMINATING PATHOGENS THEREIN

16 2015010225 LIQUID TREATMENT DEVICE AND LIQUID TREATMENT METHOD

17 2015004551 NON-FOULING, ANTI-MICROBIAL, ANTI-THROMBOGENIC GRAFT-FROM COMPOSITIONS 18 2014036451 COMBINED PROCESSES FOR UTILIZING SYNTHESIS GAS with LOW C02 EMISSION AND HIGH ENERGY OUTPUT

19 2014034556 INTEGRATED FUEL INJECTORS AND IGNITERS AND ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE

20 2014032670 METHOD FOR OPERATING A PLASMA ARC TORCH HAVING MULTIPLE OPERATING MODES

21 2014032668 System and Method for Treating Water Systems with High Voltage Discharge and Ozone 22 2014023886 System, Method and Apparatus for Treating Mining Byproducts

23 2014021034 WATER/WASTEWATER RECYCLE AND REUSE WITH PLASMA, ACTIVATED CARBON AND ENERGY SYSTEM 24 2014017995 PLASMA ARC FURNACE AND APPLICATIONS

25 2014015766 COMBINED GASIFICATION AND VITRIFICATION SYSTEM

26 201401 134 System, Method and Apparatus for Recovering Mining Fluids from Mining Byproducts

27 2014013802 PLASMA GENERATOR AND CLEANING AND PURIFYING APPARATUS INCLUDING THE SAME

28 2014013097 CLEANING APPARATUS

29 2014007671 PLASMA POUCH

30 2014002185 PLASMA TORCH

31 2013030290 Chemosensors for Hydrogen Sulfide

32 2013029909 PLASMA GENERATOR, AND CLEANING AND PURIFYING APPARATUS AND SMALL-SIZED ELECTRICAL APPLIANCE USING PLASMA GENERATOR

33 2013029179 PLASMA GENERATOR, AND CLEANING AND PURIFYING APPARATUS AND SMALL-SIZED ELECTRICAL APPLIANCE USING PLASMA GENERATOR

34 2013021438 SIP SYSTEM-INTEGRATION IC CHIP PACKAGE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF

35 2013018972 USE OF AN ADAPTIVE CHEMICALLY REACTIVE PLASMA FOR PRODUCTION OF MICROBIAL DERIVED MATERIALS

36 2013013142 WASTE TREATMENT

37 2013009875 PLASMA GENERATOR AND METHOD FOR PRODUCING RADICAL, AND CLEANING AND PURIFYING APPARATUS AND SMALL-SIZED ELECTRICAL APP

38 2013008203 PLASMA ARC TORCH HAVING MULTIPLE OPERATING MODES

39 2013006471 PLASMA APPARATUS FOR BIOLOGICAL DECONTAMINATION AND STERILIZATION AND METHOD FOR USE

40 2013002233 SOLID OXIDE HIGH TEMPERATURE ELECTROLYSIS GLOW DISCHARGE CELL

41 2013001260 METHOD, SYSTEM AND EQUIPMENT FOR GASIFICATION-LIQUEFACTION DISPOSAL OF MUNICIPAL SOLID WASTE

42 2012028587 ADVANCED TREATMENT SYSTEM OF WASTEWATER HAVING PLASMA DISCHARGING VESSEL

43 2012026732 METHOD AND SYSTEM FOR PLASMA TREATMENT OF A LIQUID

44 2012023792 Lateral Flow Immunoassay Controls

45 2012020197 METHOD FOR PRODUCING COMPOSITE SEMIPERMEABLE MEMBRANE

46 2012019321 METHOD AND APPARATUS FOR TREATING A SYNGAS

47 2012018696 WASTE TREATMENT PROCESS AND APPARATUS

48 2012015609 METHOD AND APPARATUS FOR SUPPLYING LIQUID WITH IONS, STERILIZATION METHOD AND APPARATUS

49 2012012496 WASTE TREATMENT PROCESS AND APPARATUS

50 2012012146 System For The Conversion Of Carbonaceous Feedstocks To A Gas Of A Specified Composition

200600491 16 Method and apparatus for bubble glow discharge plasma treatment of fluids

20060042251 Arc-electrolysis steam generator with energy recovery, and method therefor

20050023128 Apparatus and method for the treatment of odor and volatile organic compound contaminants in air emissions

20040161859 Lateral flow immunoassay controls

20040134890 Elimination of airborne chemical and biological warfare agents

20040084294 Method and apparatus for processing a waste product

20030101936 Plasma reaction apparatus

20020155042 Pollution control device

20010043890 Purification system of exhaust gases of an internal combustion engine
以下に、H2O（水）および天然ガスなどの、水素の供給源に関する背景を説明する。また、これらの各方法において、（a)エネルギー需要、（b)様々な触媒の特性およびリスク、ならびに（c)生産能力などの様々な理由により、他の触媒およびプロセスを用いたプロセス改良が試みられてきた。
水分解とは、水が酸素と水素に分解される化学反応を表す一般用語である。効率的で低価格な水分解は、水素経済における重要な技術要素である。米国で発行された水分解に関する特許には、様々な水分解技術が説明されている。光合成では、水分解において、電子を光化学系II中の電子伝達鎖へ提供し、プロトン膜プロセスにおいて、陽子を別途提供する。
多大なエネルギー需要、将来予測される石油不足および公害の急激な増加は、クリーンで持続可能なエネルギー源の研究にさらに取り組み対処すべき問題である。このようなエネルギー源を求めて、太陽エネルギーを燃料に変換するために、O２およびH２への「光駆動式」水分解に対する取り組みが進められている。水の酸化（２H２O→４H＋＋４e-+O2）は、次の段階（プロトン還元）に必要な電子および陽子を供給するための第１の重要なステップであり、プロトン還元では、プロトン還元触媒の触媒反応によって水素が生産される。
水の酸化段階がこのプロセスの障壁と考えられており、高活性で安定した水酸化触媒（WOCs）を設計することは、光駆動式水分解の発展において重要な段階である。水酸化触媒は、過電圧を最小にし、反応速度を上げる。理想的なWOCには、低過電圧、高安定性、高活性／効率性、低毒性および低価格が求められる。
水分解は吸熱性の高い（ΔH＞０）プロセスである。光合成において、陽子エネルギーが複雑な生物学的経路を通じて吸収され化学エネルギーに変換されると、水分解は自然に起きる。しかし、水から水素を生成するには多量のエネルギー投入が必要なことが、既存のエネルギー生産との互換性をなくしている。そのため、商業用水素ガスのほとんどは、天然ガスから生産される。
水分解に効果的な光触媒の要件はいくつかあるが、中でも、電位差（電圧）は、０pHで１．２３Vでなければならない。pH＝０での良好な水分解のための最小バンドギャップである１．２３Vは１００８nmの光に相当するため、たとえ小規模の触媒作用があったとしても、電気化学的要件は理論的に赤外光となる。これらの値は、標準的な気温および気圧（１バール、２５℃）における完全に可逆的な反応にのみ当てはまる。
理論的には、赤外光は水を水素と酸素に分解するのに十分なエネルギーを有する。しかし、波長が３８０nmより長いため、この反応は非常に遅い。太陽光の全領域に存在するエネルギーを効率的に利用するためには、電位は３．０V未満でなければならない。水分解は電荷を移動させることができるが、腐食を防いで長期安定性を得ることはできない。光触媒結晶内の欠陥は、再結合部位の働きをする可能性があり、効率性の低下につながる。
通常の条件下では、（可視光に対する水の透過性によって）、光分解は１８０nm以下の波長光の照射によってのみ起こすことができる。したがって、完全な装置を想定するなら、少なくとも６．８９３eVのエネルギー入力が必要である。
水素は、水、炭化水素および他の有機物内に大量に閉じ込められている。水素を燃料として使用するための１つの挑戦は、これらの複合物から効率的に水素を抽出できるようにすることである。現在は、水蒸気改質、すなわち高温の水蒸気を天然ガスと結合させることによって、水素の大部分を生産している。水から水素を電気分解によって生産することもできるが、この方法はさらに多量のエネルギーを必要とするため、これも生産性に制約がある（Myers, １９８７）。
水素は、一旦抽出されるとエネルギーの運搬者となる（つまり、他の手段によって最初に生成されたエネルギーを貯蔵する）。エネルギーは、燃料電池に届けられ電気および熱を生成するか、燃焼して燃焼エンジンを駆動することができる。いずれの場合も、水素は酸素と結合して水を生じる。水素炎の熱は、新たに形成された水分子からの放射放出である。水分子は、初期形成では励起状態にあり、それから基底状態へ移行する。この移行により、熱放射を引き起こす。空気中で燃焼した時の温度は約２０００℃となる。
歴史的に、炭素環は最も実用的なエネルギー運搬者である、というのも、化石燃料中に封じ込められた炭化水素原子１つの炭素環中の６つの原子を壊して、複数（６つ）のCO２ガス原子にすることにより、６倍の体積差を生じ、より多くのエネルギーを届けられるからである。これは、３倍の体積変化を生じる同じ体積の純粋な液体水素よりも優れている。
炭素原子は、標準的な貯蔵性能を持ち、水素と燃焼するとさらに多くのエネルギーを放出する。しかし、炭素ベースの燃料を燃焼させると排出ガスが放出され、炭素ガスの温室効果による地球温暖化の原因となる。純水素は最小の元素であり、公知の容器またはパイプからの微量の漏洩は避けられないが、簡単な換気により、揮発性水素・空気混合物の漏洩を４％未満に抑えることができる。生成物が気体または液体である限り、パイプは標準的で非常に効率的な運搬形式である。しかし、純水素は金属を脆化させるため、水素運搬に金属パイプを提案することは、理想的ではない。
光触媒水分解に使用する材料は、以前に概要を述べたバンド（エネルギー帯）要件を満たし、一般的に、その性能を最適化するためにドーパントおよび／または共触媒を添加する。好適なバンド構造を備えた半導体の実例は、二酸化チタン（TiO）である。しかし、TiOの伝導帯は比較的高く、水素生成の駆動力が少ないため、水素生成を増やすために、TiOは一般的にプラチナ（Pt）などの共触媒と共に使用される。
この伝導帯の配置によって、ほとんどの光触媒に、水素発生を促すための共触媒を添加することは一般的である。水分解に適したバンド構造を有する半導体の大部分は、主に紫外光を吸収する。可視光を吸収させるためには、バンドギャップを狭める（小さくする）必要がある。伝導帯は水素形成の基準電位にかなり近いため、自然過電圧が大きくならないように価電子帯を改変して酸素形成の電位に近づけることが好ましい。
光触媒は、動作条件下で触媒劣化および再結合してしまう可能性がある。触媒劣化は、硫化カドミウム（CｄS）などの硫化物系光触媒を使用する時に問題となる。触媒内の硫化物は、水分解に使われるのと同じ電位で、酸化して硫黄元素となるからである。したがって、硫化物系光触媒は、失われた硫化物を補充するための硫化ナトリウムなどの犠牲試薬なしでは使用不可能であり、この犠牲試薬により、水分解に反して、主反応を水素発生の反応へと効果的に変更する。光触媒に必要な電子と正孔の対の再結合は、全ての触媒と起こる可能性があり、触媒の欠陥および表面積に依存する。したがって、欠陥における再結合を防ぐためには、結晶化度を高くする必要がある。
光触媒反応によって太陽エネルギーを水素に変換することは、クリーンで再生可能なエネルギー装置を達成するための最も興味深い方法の１つである。しかし、もしこのプロセスが、太陽光発電および電解装置を用いる代わりに、水中に直に懸濁する光触媒によって促進されれば、この反応は１段階で済み、さらに効率的になり得る。
国際連合は、気候変動および人口増加により水不足が加速し、２０３０年までに世界人口の半分が水不足に直面すると警告している。このような規模の水不足は食糧生産を脅かし、不衛生な水への暴露の増加による健康危機を招くと思われ、現在でもコレラや下痢などの水媒介の感染症により、毎年数百万人が死亡している。
カリフォルニア州オレンジ郡は、処理していない汚水の再利用および浄化、ならびに使用／飲用可能な水への再変換では、世界の先頭に立っている。このプロセスは、毎日南カリフォルニアで発生する１３憶ガロンの廃水の一定割合について、経路を変更して３段階の処理にかけることで行われる。初めに、処理済み廃水の精密濾過により、固形物、油および細菌を除去した後、得られた液体を逆浸透にかけ、ウイルスおよび薬剤を濾過する細かい樹脂膜に通す。次に、その水を紫外光で処理し、残留した有機化合物を除去した後、主要な地下水源へ合流させるが、これには、法的基準に適合するための厳格な品質管理に合格する必要があり、その後、家庭へ供給される。
テキサス州（こちらも、一部が深刻な干ばつの影響を受けている）は、２０６０年までに、新たな水供給の１０％を再生水から生成することを計画している。ビッグスプリングにある施設は、再生水を、地下水を介さず最終処理場へ送ることにより、米国初の「直接飲料再利用」構想を導入している。
本発明は、廃水または処理していない汚水を利用して、汚水から水素および酸素ガスを生成することにより、飲用水の飲用目的での利用を維持しながら、水素および酸素を燃料源として生産する。プラズマアークからこれらのガスを生成するプロセスにおいて汚水は浄化され、細菌は消滅する。副産物（もしあれば）は飲用水である。
水素を貯蔵する際に留意しなければならないのは、水素は、地域のガソリンスタンドで金属製の容器から手軽に供給されるプロパンガスのようにはいかないことである。密閉が難しい他（プロパンタンクからは、直接、壁を通じて相当量のガスが失われる）、水素は極めて反応しやすく、金属、特に鉄を脆化させる。高圧水素はなお悪い。もし、金属の基材に炭素原子があれば、水素（金属を透過する）はそれらと化学結合してメタンを形成し、金属自体の内圧を高めてさらに劣化させる。
言い換えると、生水素を金属製タンクに入れることは、（ペットボトルにドライアイスを入れる古い悪戯のように）圧力爆弾を作っているのと同じである。これがタンク型のガス貯蔵装置に特有の圧力循環と組み合わさると、ある時点で爆発が起きる。運が悪ければ、この時点で水素は発火する。どれだけ悪い結果になり得るかを強調すると、車のCNGおよびLPG(プロパン)シリンダは、火災に至らなくても車両を破砕するほどたちが悪い。３０年前には、ほとんどの国でCNG/LPGの金属製タンクの自動車への使用が禁止されていたのは、このことが理由である（家庭用プロパンガスボトルは、自動車用と比べると、充放電速度が非常に遅いため圧力レベルがはるかに低く、また通常、補充ごとに徹底的に検査される）。
CNGまたはアセチレン用に設計された壁の厚い金属製タンクを使用することでこの問題を解決できると考えてはならない。それでも水素は、やがてそれらを劣化させ破壊する。もし本当に水素を使用しなければならない場合は、必要に応じて生成すべきである。この作業を行うための多くの熱分解機構が入手可能である（しかも、ディーゼル燃料１リットルから、液体水素１リットルの２倍の水素原子が得られる）。
短期の据置貯蔵には、古くからの「ガス袋」（バルーン）技術が最も安全で、ガスの損失が最少で済む。ガス袋は大気圧に非常に近く、漏れた水素は、（A）ほぼ垂直に上がり、（B）一度に全部が漏れることはないため、爆発の可能性が低い。
このことは水素燃料自動車の課題を浮かび上がらせる。取り扱いに関する上記の課題を別にして、水素燃料は何らかの原料から製造しなければならない。昔は、「都市／石炭ガス」（水素約８０％、一酸化炭素５％およびその他種々の揮発性物質）は、還元環境における、水を添加した石炭の熱分解により生産された。
現在最も普及している方法は、天然ガスの還元（ハーバー法）で、原材料の正味６０％のエネルギー損失がある。したがって、天然ガスをただ使用することもできる。水素燃料を低炭素で製造するために可能な唯一の方法には、非常に高温の原子炉が必要となり、もしこの方法を行うのであれば、かえって余分なエネルギーを消費し、大気から抽出した余分な炭素原子を上乗せするだけになるだろう。こうして、エネルギー密度の非常に高い、取り扱いの非常に容易な燃料が得られる。生産にかかる高いエネルギーコストは、供給および取り扱いにかかる格段に低いエネルギーコストで相殺される。
CO２排出以外では、ガソリンおよびディーゼル双方の公害問題の大部分は、燃料が純粋なオクタンまたは同じ長鎖炭化水素でないという問題に起因することに注目したい（ディーゼルは、少なくとも３０種の異なる炭化水素に異物が加わったものである）。合成燃料は、異物含有量が非常に少なく、均質性の高い化学構造を持つ。
双方の燃料による公害を減らすことに最も寄与したものの１つは、硫黄などの汚染物質の許容限度を下げた、厳格な精製規格と、ディーゼルまたはガソリンとして販売される炭化水素混合物に対するより厳しい規制（エタノールを混合すると汚染レベルが少し下がるが、全般的な否定的側面は、肯定面よりもはるかに大きい）であることに注目すべきである。
気体の状態では、水素は低密度だが体積が非常に大きい。実用的かつ日常的使用のためには、この体積をかなり小さく圧縮する方法を見出だす必要がある。例えば、車を４００ｋｍ走らせる電気を得るためには、半径５ｍの水素バルーンが必要である。これは明らかに実用的でないため、必要な水素全てをはるかに小さな形状に密閉する必要がある。
解決策として必要なのは、大量の水素を圧縮して貯蔵できる物質を使用することである。金属ならびに、マグネシウムおよび水素化ホウ素ナトリウムなどの化合物は、スポンジが水を吸収するように、多量の水素を吸収できる（自重の１０％以下）。この概念の利点は、水素が一旦物質に吸収されると、いつまでも完全に安全な方法で貯蔵できることである。物質の温度を管理することにより、水素の完全に可逆的な取り込みと排出が可能となる。
今日、水素を大気温度において取り込みおよび排出できる物質は少ししかない（例えばLaNi5H6（ランタンニッケル合金）、MgH2（水素化マグネシウム）、NaBH4（水素化ホウ素ナトリウム）およびLiBH4(水素化ホウ素リチウム)など）。不運なことに、これらの物質は重いため、水素を少量（１．５重量％未満、すなわち自重の１．５％未満）しか貯蔵することができない。水素化ホウ素などの他の多くの物質は、多量の水素（１８．４重量％以下）を貯蔵することができる。しかしこの物質は、水素を排出するためには高温である必要があり、水素を取り込むためには極めて高圧（大気圧の３００倍）である必要があることから、現在、利用には制約がある。これらの物質を、過酷な熱および気圧条件の要件なく使用する方法を見出す必要がある。
コップ半分の水から水素ガスを約１０６リットル生成できる。新たに発見した物質を用いると、この量の水素をたった０．００５リットルにして貯蔵できる。これにより、必要な貯蔵スペースが１００００分の１に減る！（オーストラリア、シドニー市ニューサウスウェールズ大学のMERL）による）。
好適な方法は、おそらくアルミニウム、水酸化カリウムおよび水（またはその他の合金および水）を一例として用いる「オンデマンド」の水素発生器を使用することであると示唆されてきた。これにより、すぐに使用できる適量の水素を発生させることができる。いくつかのグループは、この手法（加水分解）を用いてエンジンを動かしている。
車両用には、現場で必要に応じ、少量ずつを水から直接生成するか頑丈な媒体内で貯蔵する。上述の通り、臭化アンモニウムが非常に有望と思われる。オランダ系の会社が、臭化物ペレットの販売をまもなく開始する（ｈｔｔｐ：／/www.maynex.com）。
シリンダタンクに水素を貯蔵するためのまことしやかな作り話は、「全ての酸素から水素を隔離して水素を不活性ガスの状態にしなければならない」である。
１．水素は２０．２８K（−４２３．１７゜Ｆ／−２５２．８７℃）の温度で液化させ、窒素によって気化しないようにこの温度で維持しなければならない。
２．液体の状態で維持される水素およびそのための装置には、産業危険物に関する認可および証明が必要である。これは、監督された企業体が署名した場合にのみ取得できる。液体水素には、特別な断熱容器などの低温貯蔵技術が必要で、全ての低温燃料に共通の特別な取り扱いが必要である。液体水素は、いかなる目的においても液体であれ気体であれ爆発物とみなされ、認可は公用のためのものではない。
３．水素；水素を液体の状態で保管していない、すなわち気体の状態で保管し、適切な換気を行っていない場合も、一般道路自動車に適用される、車両燃焼体積効率に関する慣習法に照らして違法とみなされるが、現在は施行されていない。一般道路上の民間人が、水素と酸素を混合使用する水素電池を使用する場合、ガス管の中に酸素がH2/水素と共存することから、爆発性があるとみなされる。水素を、酸素混合物のない燃焼チャンバへ導入する場合は、酸素と接触するまで不活性なため、混合ガスのO2/酸素との接触点までは爆発性がない。DOT／車両管理局公認の資格のある専門家が、水素だけを燃焼シリンダチャンバへ導入した場合は合法とみなされるが、やはりこれらの法律は施行されていない。したがって、燃料経済を前進させるためには、この水素の新たな適用方法を失わないように、注意深く、確実に、水素がエンジンコンパートメントに紛れこまないようにし、着火点爆発を招かないようにすべきである。
「ノルウェー水素街道」および「スカンジナビア水素街道パートナーシップ」を参照し、恐れるだけではなく、世界の他の場所で実際に何が「行われているか」見て欲しい。ノルウェーは、２０２５年までに全てのガソリン、ディーゼルおよびハイブリッド車の使用を中止することを法制化している。高圧水素ガスを用いて、水素を３分以内に補給できる補給ステーションが既に使われている。
プラズマ加速は、電子プラズマ波または（衝撃またはシースフィールドのような）他の急勾配プラズマ構造に関連する電界を用いて、電子、陽電子およびイオンなどの荷電粒子を加速させる技術である。プラズマ加速構造は、プラズマパラメータと同等の超短レーザパルスまたはエネルギー粒子ビームのいずれかを用いて生成する。この技術により、従来の装置よりもはるかに小型な高性能粒子加速器を製造できるようになった。プラズマ加速器の基本概念およびその可能性については、１９７９年にUCLAのToshiaki TajimaとJohn M. Dawson教授が最初に着想した。「航跡場」の実験の初期設計は、UCLAでChan Joshi教授のグループが着想した。最新の実験装置は、最新の粒子加速器に比べて数十倍優れた加速勾配を示している。
プラズマ加速器には、高エネルギー物理用から医療および産業用にわたる様々な用途に向けた、安価で小型の加速器を新たに開発するという無限の有望性がある。医療用は、診断用または照射治療用のベータトロンおよび放出された電子光源、ならびにハドロン治療用のプロトン源を含む。プラズマ加速器は、一般に高密度プラズマ波によって生じる航跡場を利用する。しかし、プラズマ加速器は使用するプラズマの性質に応じて、様々な構成で運用することができる。
２０１２年、線形加速器コヒーレント光源を研究していた科学者たちは、レーザにダイアモンドモノクロメータでフィルターをかけ、自らの光線をシード光とすることにより、X線波長のシード光の制約を克服した。得られた光線の強度および単一性は前例のないものであり、原子の操作と分子の画像化に関する新たな実験を行えるようになった。世界中の他の研究所が、この技術を自らの設備に取り入れつつある。
本発明は、一般的に、異種金属をニッケル多孔板と反応させて生成したプラズマアークを利用し、同じ坩堝内で水素ガスと酸素を生成し、ブラダーを使用せず分離することに関する。「プラズマ効果」により、坩堝の水素放出側にある大量の水素分子および酸素分子が排出され、イオン化した酸素分子が、タングステン電極からの断片化した金属粒子と結合してタングステンの一部を消費し、それによって酸素分子はほぼ完全に捕捉される。そして、坩堝の水素側で、相対的に純粋な水素が排出される。
反対に、「プラズマ効果」により、坩堝の酸素放出側にある大量の水素分子および酸素分子が排出され、イオン化した水素分子がニッケル電極からの断片化した金属粒子と結合してニッケルの一部を消費し、それによって水素分子はほぼ完全に捕捉される。そして、坩堝の酸素側で、相対的に純粋な酸素が排出される。
本発明のプロセスは、坩堝の水素側の陽極および陰極に直流６００‐８００Vを印加すると開始する。陰極は、自動供給アッセンブリおよび制御モジュールに取り付けられたステッピングモータから必要に応じて電子的に供給されるタングステンフィラメントの細線から成り、制御装置のパソコンおよびモニタによって監視される。陽極側は、タングステンフィラメントの両側の近傍に取り付けられた２枚の無垢のニッケル多孔板から成り、２枚のガラスまたはセラミックまたはテフロン絶縁体によってフィラメントから分離され、フィラメントがニッケル板に触れて短絡するのを防ぐ。坩堝槽内のシード水は、陽極および陰極間の短絡回路として働き、フィールドに印加した高電圧／高アンペアの直流電圧によって高熱を発生する。高熱により、溶液中の水素および酸素分子がイオン化し、何百万もの高電荷イオン（電子および陽子）が瞬時にH2O溶液から排出される。１つの実施形態では、放出された電子を、真空ポンプが放出された水素を抜き出す場所まで、磁気により案内し、その結果生じる放出された酸素分子は、プロセスにおいて溶解したタングステン金属の粒子および断片に捕捉され、それにより酸素原子はタングステン原子と結合して、坩堝の底部の水溶液に捕捉される。
同時に、坩堝の反対側では、陰極との同様の反応によって純粋な酸素原子を放出し始める。陰極は無垢のニッケル多孔板から成り、これは、坩堝の水素側と同じ板および構成であるが、例外として今回は陽極が無垢のニッケル細線から成り、同じく２枚の無垢のニッケル板に挟まれ、ガラス、セラミックまたはテフロンの絶縁体で絶縁される。この場合も、水溶液が陽極および陰極間に短絡を生成し、その結果、板および細線の間に高熱を発生させてニッケル細線を小さなニッケル粒子へ断片化させ、プラズマプロセスで排出された全ての水素を捕捉する働きをし、水素原子とニッケル原子が結合すると純粋な酸素が排出され、放出された酸素原子を抜き出す場所へ磁気誘導装置によって案内および加速され、本発明の教示にしたがい貯蔵される。
プロセスの間、坩堝底部の水溶液は、再利用水ポンプによって常に攪拌され、その働きにより水槽内の触媒成分またはシード化成分を元通りにすると同時に、ポンプアッセンブリ内に設置された水濾過器を通じて大きな粒子および破片の入った水槽チャンバを冷却および浄化する。水素および酸素分子は、坩堝のそれぞれの側から抜き出されると、気体を圧縮する圧力ポンプによって一時タンクに貯蔵される。各タンクは逆火から保護され、本発明において特に言及する内蔵コンピュータ制御装置が電子制御により弁を開放する。
さらに、陽極および陰極プラズマチャンバ内での分離プロセスを促進するため、陽極および陰極に同時に０から２００ヘルツの低電圧パルスを印加し、片側の水素原子およびもう片側の酸素原子に関係した特定の周波数で共振させる。監視装置が、高熱、高圧、両側でのガス漏れ、電源喪失、パルス変調喪失、水量低下、触媒量低下あるいはその他の同様な異常などの装置異常を感知した場合、装置全体の電力が切られ、最初に酸素側の気体を排出し、次に水素側を排出する。装置全体は卑金属、水、セラミック、ガラスおよび他の不燃物から構成されているため、装置が燃焼または爆発する可能性は非常に低い。
本明細書に記載する金属の選択肢は、ニッケルおよびタングステンに限定されるものではないことに留意すべきである。同様の構成を有する他のいくつかの金属の組み合わせにより、同様の反応を起こすことができ、所望の結果と比べて程度の優れた、あるいは劣った結果をもたらす。例えば、図２８に一連の可能な組み合わせを記載しているが、これにより所望の結果を達成できると同時に、例えば、塗装、食品着色料、日焼け止め、化粧品および種々の産業利用に使用できる二酸化チタン（TiO2）などの、高価値で望ましい副産物を生成できる。
生水素および酸素が生成され、隔離されて純粋な形態になると、それぞれの産出物は、１つは水素ガス貯蔵用、もう１つは酸素ガス貯蔵用に指定されたタンク内で、低圧で貯蔵できる。貯蔵タンクは、それぞれの種類のガスを最大限の体積まで貯蔵できるように、特別な物質が充填されている。各貯蔵タンクの物質は、水素および酸素ガスをそれぞれ圧縮することにより貯蔵しやすくする。安全のため、ガスの貯蔵は少量とし、夜間にガス生成が行われなかった場合に、朝、自動車を動かない状態から発進させるためのみに必要とする。これにより、水素、もしくは水素および酸素、もしくは他のガスまたは燃料との組み合わせにより電力を供給する車の作動段階のうち、生成および貯蔵段階が完成する。
ガスに点火して熱および圧力を発生させ、タービンを回転させて電気を生成するタービン電力供給の場合、必要に応じて、１時間、１日または１週間などの特定の期間、ガスを加圧下で貯蔵できる。この場合、安全のため、所定の期間内に実際に貯蔵するガスの量は最小限とし、指定の使用期間または必要期間が終わるまでに、完全に消費する。
本発明の結果、必要に応じて生成される水素および酸素または他の可燃性物質の組み合わせによって、必要に応じて全ての車両に電力を供給することができる。非飲用水または海水を利用することにより、このプロセスははるかに促進される、例えば、自動車内部に設置する貯水容器を、海岸あるいはあらゆる場所で、飲用または非飲用を問わないあらゆる形態の水によって補充することができる。
プロセスが開始すると、自動または手動で制御できるフェイルセーフ機械監視システムが、ガス圧、温度、流量、水位、および出力量を表示する。
非飲用水には、塩化ナトリウムおよび他の塩基を撒いて、細菌および病原菌を除去する。さらに、紫外光を使用して、残留している可能性のある細菌を除去し、水溶液を濾過および濾し取ることにより、装置全体を継続的に殺菌する。
図１は、本発明の好適な実施形態の例として示される、酸素および水素生成器の坩堝を示す。この図では、本発明で使用する、片方のニッケル細線と、他方のタングステン細線の２種類が示されており、各細線は一対の無垢のニッケル多孔板に挟持されている。 図２は、本発明の好適な実施形態に見られる、ガス生成器の酸素すなわち陰極側と、陰極の部品構成の例を示す。 図３は、本発明の好適な実施形態に見られる、ガス生成器の水素すなわち陽極側と、その部品構成の例を示す。 図４は、本発明の好適な実施形態に見られる、二重化電源およびパルス変調器の例を示す。 図５は、本発明の好適な実施形態に見られる、水素および酸素ガスの生成後の貯蔵の様子の例を示し、再循環ポンプ、坩堝の各側の真空ポンプ、および触媒水供給を含む。 図６は、図５に図示した水素および酸素の貯蔵タンクに加え、本発明の好適な実施形態に見られる、可燃混合ガスを生成する、水素および酸素結合チャンバの例を示す。 図７は、本発明の好適な実施形態に見られる、圧力ポンプの例を示す。 図８は、本発明の好適な実施形態に見られる、発火ガードすなわち逆火抑制器の例を示す。 図９は、本発明の好適な実施形態における、水素および酸素を再結合させるために用いる結合チャンバの例を示す。 図１０は、本発明の好適な実施形態に見られる、システム制御装置ハードウェアの例を示す。 図１１は、本発明の好適な実施形態に見られる、フェイルセーフ監視システムのフローチャートの例を示す。 図１２は、本発明の好適な実施形態に見られる、タングステン供給アッセンブリの例を示す。 図１３は、本発明の好適な実施形態に見られる、金属細線自動供給アッセンブリの例を示す。 図１４は、本発明の好適な実施形態に見られる、磁気誘導およびイオン物質案内装置の例を示す。 図１５は、本発明の好適な実施形態に見られる、システムフローチャートの例を示す。 図１６は、本発明の好適な実施形態に見られる、ガス貯蔵装置の例を示す。 図１７は、本発明の好適な実施形態に見られる、触媒シード水供給装置（Seeded Water Catalytic Feed System）の例を示す。 図１８は、本発明の好適な実施形態に見られる、磁気イオン整列装置の例を示す。 図１９は、本発明の好適な実施形態に見られる、真空ポンプの例を示す。 図２０は、本発明の好適な実施形態に見られる、作動およびフェイルセーフ停止を遠隔制御できるコンピュータ監視画面の例を示す。 図２１は、本発明の好適な実施形態に見られる、遠隔監視ステーション制御装置の例を示す。 図２２は、本発明の好適な実施形態に見られる、簡略化したプラズマ生成化学加速器の例を示す。 図２３は、本発明の好適な実施形態に見られる、水素と酸素が種々の金属と結合する場合の効果的な比率の例を示す。 図２４は、本発明の好適な実施形態に見られる、Arno Vigen Scrunched Cube モデルに基づく種々の金属の結合を示した、元素周期表改訂版を示す。 図２５は、本発明の好適な実施形態に見られる、加速器発明例を示す。 図２６は、本発明の好適な実施形態の水素結合例のArno Vigen Scrunched Cubeを示す。 図２７は、本発明の好適な実施形態に見られる、陽極側および陰極側の反応を表す化学式を示す。 図２８は、本発明の好適な実施形態に見られる、元素周期表改訂版のArno Vigen Scrunched Cubeモデルに見られる元素の結合を示す。 図２９は、本発明の好適な実施形態に見られる、発明の概要である。
図面の詳細な説明
図１は、前記セラミック絶縁体（１０３）、ニッケル多孔板（１０４）、ニッケル細線（１０５）、オープンフィラメント（１０６）から成る、坩堝（セラミック容器）（１０２）の陰極（O２）側（１０１）と、前記セラミック絶縁体（１０３）、タングステン細線（１０８）、クローズドフィラメント（１０９）およびニッケル多孔板（１１０）から成る、坩堝（１０２）の陽極側（１０７）を示し、全体が水および水酸化カリウムを含む水溶液（１１１）に浸水している。
図２は、セラミック製坩堝の陰極側すなわち酸素側（O）の詳細図（２０１）であり、セラミック絶縁体（２０２）、メッシュ状ニッケル板（２０３）（電源の陽極側に接続する）、ニッケル細線（２０４）（電源の陰極側に接続する）を備える。
図３は、セラミック製坩堝の陽極側すなわち水素側（H2）の詳細図（３０１）であり、セラミック絶縁体（３０２）、メッシュ状ニッケル板（３０３）（クローズドフィラメント）、タングステン細線（３０４）（電源の陽極側に接続する）を備える。
図４は、陽極側および陰極側を備えた直流−２４Vパルス変調電源（４０１）と、＋陰極側の個別電源および−陽極側の個別電源を備えた、デュアル直流２００−８００Vパルスアーク電圧電源（４０２）と、を示す。
図５は、発火抑制器（５０２）、出力ホース（５０３）、酸素貯蔵タンク（５０４）、浸水濾過装置（５０５）を備えた陰極側（O2）のガスポンプ（５０１）と、発火抑制器（５０７）、出力ホース（５０８）、水素貯蔵タンク（５０９）、浸水濾過装置（５１０）を備えた陽極側（H2）ガスポンプ（５０６）と、水および触媒を含む水槽チャンバ（５１１）と、循環ポンプ（５１２）、および原料水供給用の水供給（５１３）と、を示す。
図６は、本明細書中の図５と同じ構成要素を示し、自動車、トラックまたは他の形式の輸送車両などの外部装置へ燃料を供給するための水素＋酸素結合器（６００）をさらに備える。
図７は、商業用のダイアフラム式水素圧縮機の例を示す。
図８は、本発明の好適な実施例に見られる、市販の発火ガードの例を示す。
図９は、本明細書中の上記の図６に（６００）として示した結合器の詳細図である。結合チャンバは、水素注入ポート（９０１）、酸素注入ポート（９０２）、排出口（９０３）、ブラダー（９０４）、逆火抑制器（９０５）、O2注入側の流量制御（９０６）、および燃焼準備の整った水素＋酸素結合の産出ポート（９０７）を備える。
図１０は、日付（１００２）、時刻（１００３）、坩堝内の水位（１００４）、坩堝内の水温（１００５）、水素温度（１００６）、水素圧力（１００７）、酸素温度（１００８）、酸素圧力（１００９）、および緊急停止（シャットダウン）スイッチ（１０１０）を備えるシステム制御装置（１００１）を示す。制御装置は、スマートフォンまたは携帯機器により、遠隔から監視および制御できる。
図１１は、装置全体のフェイルセーフフローチャート図を示す。初期化の後、システムは、ガス漏れ用の水素ガスセンサ、ガス漏れ用の酸素ガスセンサ、水素チャンバ温度、酸素チャンバ温度、水素および酸素の圧力、触媒量、タングステン量または交換チップの残量、ニッケル細線の残量を常に監視し、工場担当者の決定する所定の閾値に基づき、作動稼働の継続もしくは装置停止のいずれかを行うことができる。各値が限界レベルに達した場合に、緊急事態発生の可能性を知らせる警報音を鳴らしてもよい。
図１２は、セラミック製タングステン供給アッセンブリ（１２０１）を示し、銅製筒（１２０２）、一連のタングステン（または他の既定の）金属チップ（１２０３）を備え、装置の陽極側で、タングステン細線供給アッセンブリの代わりに使用する。この構成は、高熱および最大出力性能に対応している。
図１３は、上記図１２に示したチップ供給アッセンブリと反対側の、金属フィラメント供給アッセンブリ（１３０１）を示し、セラミック容器（片側）（１３０２）、水位（１３０３）、フィラメント細線自体（１３０４）、案内ホイールおよび柱（１３０５）、原料供給スプール（１３０６）、駆動ベルトまたはチェーン駆動アッセンブリ（１３０７）、ステッピングモータ（１３０８）を備える。
図１４は、磁気誘導アッセンブリ（１４０１）を示し、セラミック密封された円形ネオジム磁石（１４０２）、密封されたステッピングモータ（１４０３）、非金属駆動ベルトアッセンブリ（１４０４）、微調整用棒磁石（自在軸受付き）（１４０５）、セラミック筒（１４０６）、および据付アッセンブリ（１４０７）を備える。
図１５は、通常の作動における、実行または中止の決定条件を示すシステムフローチャート図である。
図１６は、ホンダFCXハイブリッド車の現行モデルに見られる、２つの水素貯蔵タンクを示す。
図１７は、シード塩水供給タンク（１７０１）を示し、水注入ポート（１７０２）、塩注入ポート（１７０３）、箱浮き型水停止レベル検知器（１７０４）、塩分濃度測定機器（１７０５）を備える。
図１８は、好適な実施形態に見られる、１８−A水素イオンの不整列（１８０１）と、 上記図１４の磁気誘導アッセンブリが生成した磁場をイオンに印加した後の１８−Bイオン整列（１８０２）と、を示す。
図１９は、本発明の好適な実施形態に見られる、真空ポンプ例（１９０１）を示す。ポンプは、生成チャンバから移動させたガス（１９０２）、生成された水素または酸素ガス用の放出口（１９０３）、および空気を除去する最初の放出口（１９０４）を含む。
図２０は、コンピュータ計器盤画像（２００１）を示す（上記図１０のものと同じだが、こちらはコンピュータの操作者が、遠隔地から衛星送信または無線接続を介して、制御監視および調整することができる）。
図２１は、軌道衛星への衛星データ送信アンテナ（２１０３）を備えた操作者の地方オフィス（２１０２）からの、衛星フィード制御送信（２１０１）と、ARCO社などのガソリン供給大手が保有する、衛星受信アンテナ（２１０５）を備えた水素補給ポンプ（２１０４）とを示す。
図２２は、本発明の好適な実施形態の例に見られる、プラズマ化学加速器（２２０１）を示し、ガス注入ポート（２２０２）、プラズマ源（２２０３）、長距離移動域（２２０４）、ガス緩衝器または逆火抑制器（２２０５）、主要処理チャンバ（２２０６）、および真空ポンプ（２２０７）を備える。
図２３は、本発明の好適な実施形態の例に見られる、水素および酸素の、半金属または金属との効果的な比率（２３０１）を示し、水素ガス（２３０２）、金属（２３０３）、および酸素ガス（２３０４）を含む。
図２４は、元素周期表改訂版のArno Vigen Scrunched Cube モデルの図４５を示し、参照により本明細書に完全に組み込まれるものとする。この表は、モトマグネティックエンドキャップ（Motomagnetic Endcap）を示す、TO４、TO５およびTO６族（２４０１）の付近を囲む円と、高導電性の中心部９０を示す、EO１、EO２およびEO３族（２４０２）の付近を囲む円とを含んでいる。
図２５は、磁気案内部（２５０２）、レーザ光管（２５０３）を備えたコヒーレント光源（２５０１）のモデルを示し、本発明の好適な実施形態の例におけるイオンを、本実施例で作用を受けるイオン物質の共振周波数に合わせた特定の波長で加速する働きをする。
図２６は、Arno Vigen Scrunched Cube モデルによるH2OおよびH2O2の電子の安定配置（２６０１）を示し、水素原子が酸素原子と結合するために陽子を提供して共有結合に至った図（２６０２）と、さらに、イオン物質の磁気誘導により、酸素と水素が共有結合しているH2O2（２６０３）とから成る。
図２７は、本発明において、坩堝の片側に水素を、同じ坩堝の反対側に酸素を放出し、その結果、純粋な水素ガスを坩堝の水素側に放出することを可能にする化学式を示す。
図２８は、種々の金属およびそれらの同等物を用いた陰極および陽極の多様な選択肢のArno Vigen Scrunched Cube例であり、本発明の好適な実施形態における所望の最終結果を達成できる。
図２９は、本発明の概要であり、前述の背景技術のリストで引用され、本明細書での開示により本発明に組み込まれている先行技術の教示に対する発明の優位性を示す。


Claims (12)

  1. 水溶液に浸水した２種類の相違なる金属を備える装置であって、
    前記２種類の金属に高電圧を印加すると、プラズマすなわち物質の第四状態を効果的に生成することにより、主に水素ガスおよび酸素ガスを含む多量のイオン性粒子ならびに前記２種類の相違なる金属そのものの副産物を放出する、装置。
  2. 請求項１に記載の装置であって、
    高電圧電源の電力消費量を削減しながら、同時に水溶液中の種々の化合物を分離するための、所定の周波数に設定された低電圧電源からのRF変調パルスをさらに用いる、装置。
  3. 請求項１および２のいずれかに記載の装置であって、
    浸水した状態で操作および回転可能な、電気式ステッピングモータと、棒磁石部に取り付けられた円形磁石部と、を備える、プラズマ処理液中放出される種々の正および負のイオンを分離する、水溶液に浸水した状態の磁気イオン物質誘導装置
    をさらに備える、装置。
  4. 請求項１、２および３のいずれか１項に記載の装置であって、
    イオン物質を循環させ、原子がイオンとして放出される際に生成されたTiO2および他の誘導体化合物を濾過する真空ポンプ
    をさらに備える、装置。
  5. 請求項１、２、３および４のいずれか１項に記載の装置であって、ガスの精製および貯蔵タンク充填のための、水素ガスおよび酸素ガス用の、
    真空および圧力ポンプと、
    ガス貯蔵タンクと、
    フィルターと、
    をさらに備える、装置。
  6. 請求項１、２、３および４のいずれか１項に記載の装置であって、
    種々の用途および目的での着火の際に適切に燃焼させるために、水素および酸素ガスを適切な化学量論的割合で混合させる、水素および酸素の結合部
    をさらに含む、装置。
  7. 着火したガスの逆火による不測の着火を防ぐための発火ガードをさらに備える、請求項１、２、３および４のいずれか１項に記載の装置。
  8. ガス漏れ、ガス圧力、ガス温度、および水位を監視する、システムモニタおよび制御装置ステーションをさらに備え、突発故障の場合に、装置は自動的に停止し、警報音を鳴らす請求項１、２、３および４のいずれか１項に記載の装置。
  9. 銅製筒およびセラミック隔壁に密封されたタングステンチップを必要に応じて交換するための自動チップ供給機をさらに備える、請求項１、２、３、４および８のいずれか１項に記載の装置。
  10. 請求項１、２、３、４および８のいずれか１項に記載の装置であって、
    モータと、
    駆動ベルトと、
    新しい細線のスプールと、
    案内ホイールと、
    セラミックまたはガラス製絶縁部と、
    を備える、金属フィラメント供給アッセンブリ
    をさらに備える、装置。
  11. 請求項１、２、３、４および８のいずれか１項に記載の装置であって、
    自動的に供給および遮断する弁を有する、供給タンク内の処理していない汚水の細菌を除去し消毒するために、供給水に塩を添加する、シード水供給装置
    をさらに備える、装置。
  12. 請求項１、２、３、４および８のいずれか１項に記載の装置であって、
    結合および結合開裂および分解を促進するために、イオン物質を所望のパルス周波数で共鳴または振動させるために用いる、単一の開口アッセンブリに収容された、
    レーザ光線と、
    磁気案内部と、
    を備える、コヒーレント光源
    をさらに備える、装置。

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