JP2022534532A - 高効率水素酸素生成システムおよびその使用方法 - Google Patents
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Abstract
同心円状に取り付けられた電極間で所定の容積の水を隔離し、前記電極に放射状に集束されかつ直径方向に引きつける磁場に前記所定の容積の水を印加し、前記隔離された容積の水の水分子を共振調和振動数まで励起し、最大1ミリ秒のバースト幅および最大約１０ＭＶの電圧を有し、前記励起された水分子に作用する振動起電力を生成するショートバースト高電圧高周波ＡＣパルスパケットを、前記隔離された容積の水に電場を生成するように同期的に印加し、前記振動起電力の結果として、前記励起された水分子から水素と酸素を分離することを含む、水分子から水素と酸素を分離する方法。
Description
本発明は、一般に、水から水素および酸素を生成する高効率水改質システム、より具体的にはパルス高電圧ｅｍｆを利用して、事前に応力が加えられた水分子から水素と酸素を分離し、オンデマンドで水素を生成する水素と酸素の生成システムに関する。
すべての材料には３つの相（固体、液体、気体）があるが、水には多くの固有の特性がある。固体の水の密度は液体の水の密度よりも低いため、他の材料とは異なり、固体の水（氷）は沈む代わりに浮く。さらに、水は非常に小さな分子であり、電気双極子モーメントが不釣り合いに大きくなる。
従来技術の水素および酸素生成システムは、電気分解を必要とし、 これは非常に低効率のプロセスであり、燃料電池や内燃機関でこれまでに回収できるよりもはるかに多くのエネルギーを消費する。
電気分解とは、電解質を加えた液体の水に低電圧電流を流して水素と酸素を生成し、燃焼エンジンで燃焼させたり、燃料電池に供給してエネルギーを生成したりすることで生成される水の化学分解である。従来の電気分解システムでは、電解質（硫酸など）を水に加える必要があり、次いで、水素イオンを酸素イオンから解離させるのに十分なエネルギーが供給されるまで電流を水に流すことで酸素イオンは互いに結合して二原子のＨ２とＯ２になる。
酸素はアノード（+）に引き付けられ、水素はカソード（-）端子に引き付けられる。例として、図1に一般的な電解槽で使用されるプロセスを示す。
水は極性分子である。Ｈ２Ｏ分子は、ベクトル和である正味の双極子モーメントを有する。酸素の外殻には孤立電子対があり、Ｈ２Ｏ分子の構造が曲がっている（Ｇｉｌｌｅｓｐｉｅ‐Ｎｙｈｏｌｍによって開発されたＶＳＥＰＲ理論）。したがって、上記ベクトルは各Ｈ‐Ｏ結合をキャンセルするのではなく、各Ｈ‐Ｏ結合の合計の双極子モーメントを表している。
図２の水分子図は、双極子モーメントの大きさと方向を示している。水と水素の電気陰性度の差は、Ｈ‐Ｏ結合ごとに１．２ｅである。酸素はより電気陰性度の高い原子であり、それ故、それは共有電子をより強く引きつける。化学では、双極子モーメントは２つの水素原子間の中心点から酸素原子の方向を示す。双極子モーメントは、酸素原子と水素原子の間の距離にそれらの間の電荷差を掛けて、正味の双極子モーメントの方向（分子の角度は１０４．５度）を示すそれぞれの成分を見つけることによって計算される。Ｏ‐Ｈ結合の結合モーメント=１．５デバイである。したがって、正味の双極子モーメントベクトルの合計は次のようになる。μ＝ ２（１．５）ｃｏｓ（１０４．５度/ ２）＝ ３ｃｏｓ（５２．２５度）＝ １．８５４６で倍であり、ここで１デバイは３．３４×１０‐３０Ｃｍに相当する。
水は他の分子と比較すると信じられないほど小さな分子である。 そのおおよその直径は２．７５オングストロームである。したがって、１．８５４６デバイの双極子モーメントは、この小さな分子にとっては巨大である。モーメントアームはほとんど存在しないため、他の分子に比べて電荷の差が大きくなる。
デバイは双極子モーメントを定義する。１００ｐｍ離れた陽子と電子の双極子モーメントは、定義上４．８０デバイである。
図２に示す分子サイズによると、水分子の等価性では、Ｈ電荷モーメントアームの平均ベクトル和は（（９３．９ ＋９２．８）／ ２）ｘ ｃｏｓ（１０４．５ ／ ２）= ５７．０２ｐｍとなる。
＋１と－１の電荷を仮定して、このモーメントアームに基づいて双極子モーメントを計算すると、次のようになります。μ＝ ５７．０２ ／ １００（４．８０Ｄ）＝ ２．７３７
水分子は１．８５４６Ｄであることがわかっているため、完全な陽子と完全な電子に対するＱ ＋とＱ‐またはδ＋とδ－の部分電荷値を使用すると、１．８５Ｄ ／ ２．７３７Ｄ ＝ .６７５９になる。したがって、水分子は、５７ｐｍの間隔で、陽子電荷の約２／３と電子電荷の２／３に相当する。これにより、水分子は大きな電界による伸縮の影響を非常に受けやすくなる。図３はＨ２Ｏ等価双極子を表している。
水分子を解離するために必要なエネルギーは、標準的な量子力学的「モースポテンシャル」モデルを使用する図４に示されている。
Ｈ２Ｏの水分子のＨＯ‐Ｈ結合の解離には、１１８．８ ｋｃａｌ ／ ｍｏｌ（４９７．１ ｋＪ ／ ｍｏｌ）が必要である。残りのヒドロキシルラジカルの解離には、１０２．８ ｋｃａｌ ／ ｍｏｌ（４２９．９ ｋＪ / ｍｏｌ）
が必要である。これは、水の生成の標準ギブス自由エネルギーである２３７．１３ ｋＪ / ｍｏｌｅの理論上の最小エネルギーのほぼ４倍です。
が必要である。これは、水の生成の標準ギブス自由エネルギーである２３７．１３ ｋＪ / ｍｏｌｅの理論上の最小エネルギーのほぼ４倍です。
水分子は非常に分極しているため、非常に強い電場によって解離し、強い起電力（ｅｍｆ）を生成して、分子を引き離す。
帯電した平行導体間の電界は、仕事と電圧の関係の良い例である。
高電圧は、Ｅ ＝ Ｖ ／ ｄの電界に強い力を発生させる（図５）。電界強度のＳＩ単位はＮ ／ Ｃであり、Ｎはニュートンを表し、Ｃはクーロンを表す。
電界は単位電荷あたりの力E = F ／ ｑとしても定義されるため、電界にプレートの間隔を掛けると、電圧の変化である単位電荷あたりの仕事量Ｅｄ ＝ Ｆｄ ／ ｑ ＝ Ｗ / ｑ ＝ΔＶが得られる。したがって、電圧が高いほど、より多くの仕事が行われる。
十分に高い電界は、水分子の強い分極のために水の解離を引き起こす。図6に純水でのＪ‐Ｖ（電流-電圧特性を面積で割ったもの）曲線を示す。位置Ａの曲線の断面は、低コンダクタンス溶液でのＨ２およびＯ２発生の電極反応速度によるものである。この領域では、電流は溶液抵抗によって制限される。曲線の次の部分（位置Ｂ）は、水分子の解離を表している。電場は、水分子の水素と酸素へのイオン化と解離を引き起こすのに十分な高さである。
図６は、水分子を引き離す高電圧の力を示す。しかしながら、電圧源から閉ループに電流を流す必要はないことを当業者は理解すべきである。電流は、高度に分極した水分子に作用する強い起電力の結果であり、陽子と電子が分解して動き始める。これは巨大な電流の流れのように見えるが、それが流れる距離は非常に小さく、解離が発生して水分子がガスになり、上昇し始めると、およそナノメートルになる。物理法則に違反していない。それらは、水分子を分解する不連続性を引き起こすモースポテンシャルを克服するために最大限に活用されるだけである。
エネルギーシステムで使用するために水分子から水素および酸素を解離するための従来技術のシステムおよび方法は、非効率的であり、回復することができるよりもはるかに多くのエネルギーを消費する。したがって、電気分解を使用せず、従来の電気分解よりも効率的でエネルギー消費量が少ない、改良された水素および酸素生成システムが必要とされている。
したがって、従来技術の問題および欠陥を念頭に置いて、電気分解を使用しない改良された水素および酸素生成システムを提供することが本発明の目的である。
本発明の別の目的は、エネルギーシステムで使用するために水分子から水素および酸素を解離するための改良されたシステムを提供することである。
本発明のさらなる目的は、水素をオンデマンドで提供する水改質装置を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、パルス高電圧ｅｍｆを利用して、プレストレス水分子から水素および酸素を分離して、オンデマンドで水素を生成する水素および酸素生成システムを提供することである。
本発明のさらに他の目的および利点は、部分的には明らかであり、部分的には明細書から明らかである。
当業者には明らかである上記および他の目的は、一態様では、同心的に取り付けられた電極間で所定容積の水を隔離することを含み、所定の容積の水に磁場を印加すると、磁場は放射状に集束し、電極全体に直径方向に引き付けられ、隔離した容積の水の水分子を共振高調波周波数まで励起し、ショートバースト高電圧高周波ＡＣパルスパケットを隔離された容積の水に同期的に印加して、電場を生成する、水分子から水素と酸素を分離する本発明によって達成される。ＡＣパルスパケットのバースト幅は最大1ミリ秒、電圧は最大約１０ＭＶで、励起された水分子に作用して水素と酸素を解離させる振動起電力を生成する。この方法は、貯蔵チャンバー内で水素と酸素を分離することをさらに含んでもよい。
一実施形態として、前記隔離された隔離された量の水中の水分子は、１から６ミクロンのＭＩＲレーザーを用いて隔離された量の水を同期的にパルスすることによって励起される。別の実施形態では、水分子は、加熱コイルを使用して分子を約９０℃までの温度に加熱することによって励起される。
少なくとも１つの実施形態では、磁場は約１テスラから約２テスラの間であってもよく、電場は約１ＭＶ／ｍｍから約１０ＭＶ／ｍｍの間であってもよい。
一実施形態では、前記同心円状に取り付けられた電極がロッドの外形よりも大きい内径を有するパイプまたはチューブ内に配置される外径を有するロッドを含み、前記所定の容積の水が前記ロッドの外形と前記パイプの内径の間に隔離される。パイプの各ペアが最大電圧を受け取るように、同心円状に取り付けられた複数の電極を並列に配線してもよい。
この方法は、クローズドループ制御技術を用いて前記ＡＣパルスパケットの周波数をリアルタイムで変更し、前記ＡＣパルスパケットの周波数を水分子の共振周波数に調節することを含んでも良い。ＡＣパルスパケットの周波数は、出力を最大化するための収束を実現するために、ＰＩＤループを使用して変更してもよい。
別の態様として、本発明は、同心円状のパイプ電極内に厚さ約１ｍｍの水柱を励起して、水素ガスと酸素ガスのなだれを発生させるように、１～６ミクロンのＭＩＲレーザーからのパルスと同期して最大1ミリ秒のバースト幅および最大約１０ＭVのショートバースト高周波ＡＣパルスパケットを生成する手段を含む、高効率水素酸素生成システムに関する。このシステムは、放射状に収束され、同心円状のパイプ電極に対して直径方向に引力を有する磁場を水柱に印加する手段を含んでもよい。
少なくとも１つの実施形態では、磁場が約１テスラから約２テスラの間であってもよく、ショートバースト高周波ＡＣパルスパケットが約１ＭＶ/ｍｍから約１０ＭＶ/ｍｍの間の電場を生成する。
このシステムは、マイクロプロセッサー、ソフトウェア、ＰＩＤループ、デジタル電位差計、電圧センサ、電流センサ、湿度センサ、そしてダイレクトデジタルシンセサイザを閉ループ制御技術と方法論で利用して、ＡＣパルスパケットのリアルタイムでの周波数および間隔を変更し、周波数を共振周波数に調整する手段をさらに含んでもよい。
一実施形態では、このシステムは、貯蔵室内の水素ガスと酸素ガスを分離する手段をさらに備えてもよい。
新規であると考えられる本発明の特徴および本発明に特徴的な要素は、添付の特許請求の範囲に具体的に記載されている。 図は説明のみを目的としており、縮尺どおりに描かれていません。 しかしながら、本発明自体は、構成および操作方法の両方に関して、以下の添付の図面と併せて取られる以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解され得る。
本発明の実施形態を詳細に説明するために、本発明の特徴を付番により説明する図１～図１８を参照する。
特定の用語は、本明細書の便宜のために使用されており、本発明を限定するものとして記載されてはいない。例えば、「上」、「下」、「右」、「左」、「前」、「後」、「水平」、「垂直」、「時計回り」、「反時計まわり」、「縦」、
「横」または「放射状」といった単語は単に図面に示されている構成を説明しているに過ぎない。実際、参照される構成要素は任意の方向に向けることができるので、特に明記がなければ、用語はそのような変形を含むものとして、理解されるべきである。明確にするために、同じ参照符号を図面に使用することで類似した要素を識別している。
「横」または「放射状」といった単語は単に図面に示されている構成を説明しているに過ぎない。実際、参照される構成要素は任意の方向に向けることができるので、特に明記がなければ、用語はそのような変形を含むものとして、理解されるべきである。明確にするために、同じ参照符号を図面に使用することで類似した要素を識別している。
さらに、主題の説明において、「例示的」、「例示的」などの用語は、例、実例、または例示として役立つことを意味するために使用される。 本明細書で「例示的」または「例示的」として説明される任意の態様または設計は、必ずしも他の態様または設計よりも好ましいまたは有利であると解釈されることを意図するものではない。 むしろ、「例示的」または「例示的」という言葉の使用は、単に概念を具体的に提示することを意図しているにすぎない。
本発明である高効率水素酸素生成システム（本明細書において「ＨＯＧＳ」とも呼ばれる）は水中のＨ‐ＯＨ結合を切断してオンデマンドで水素を生成するために、さまざまな組み合わせで使用される多数の方法論を使用する。
ＨＯＧＳの複合効果は、複数の振動モードを刺激するために、強力な磁場の存在下で非常に強力で高速なスイッチング電界を利用して、予熱またはプレストレス水の解離速度を刺激する。これは、適切な放射周波数を水の振動モードと一致させることによって行われる。水分子が励起エネルギー状態にある場合、高速スイッチング電場によって供給されるエネルギーは、通常の結合解離エネルギーよりも低くても、分子を解離する可能性がある。励起された振動量子状態にある水分子は、分子が基底状態より上にあるため、強い電場の存在下でより簡単に解離する。これらの共振モードは、テラヘルツ周波数で、マイクロ波と中赤外線の周波数範囲の間に存在する。
一実施形態として、高電圧、中周波数、または高周波のＡＣパルスは、水コンデンサと直列に接続されたインダクタの調整された共振によってさらに高く乗算される。入力電圧がわずか１０，０００ボルトであっても、インダクタ-コンデンサ回路の「Ｑ」または品質係数に応じて、最大１００倍にすることが可能である。電圧はインダクタとコンデンサの間で１８０度位相がずれているため、合計すると入力電圧になるが、より高い電圧のイオン化効果は非常に大きく、水分子が水素と酸素に解離する。
別の実施形態では、水分子は、水分子の支配的な共振周波数に調整された中赤外線（ＭＩＲ）レーザーによってプレストレスが加えられる。次に、同時に発生する高電圧パルスパケットにより、水分子のなだれが発生する。３ミクロンの範囲に近いパルスレーザーをパルスされた電場と組み合わせて使用して、なだれの解離を加速することが可能である。一実施形態では、２．９４ミクロンのパルスＭＩＲレーザーが使用される。しかしながら、１から６ミクロンの間で調整されたレーザーが場合によっては効果的であることが示されていることは、当業者によって理解されるべきである。図７に示すように、液体の水の吸収スペクトルは、ＭＩＲバンドで約３ミクロンまたは３４００ｃｍ－１に集中している。どちらの実施形態でも、非常に強力な磁石（1テスラ程）が水コンデンサアセンブリのアノードとカソードに埋め込まれ、電子とプロトンがらせん状の経路を流れ、水コンデンサの絶縁破壊電圧を未然に防ぎ、電流の流れを抑制する。
別の実施形態では、調整されたＭＩＲレーザーおよび／または強力な磁石が分子にプレストレスを与え、次に、高電圧、中周波数または高周波の起電力振動が、分子を引き裂くなだれを引き起こす。本発明は、水の別の独特の特性を利用する：異常に大きな電気双極子モーメントは、特にレーザーおよび／または強力な磁石を使用するなどによってプレストレスがかけられた場合に、大きく急速に変化する電磁場に非常に影響を受けやすい。
レーザーは電磁波によって動作し、電子をより高いエネルギー状態に「刺激」または励起し、次に、これらの電子はすべて同じ周波数で光子のなだれを放出し、低エネルギー状態にフォールバックするときにコヒーレント光線を生成する。
本発明の別の実施形態は、中赤外線（ＭＩＲ）レーザーを使用して水分子中の電子および陽子を励起し、それらにプレストレスを与え、次いで高電圧起電力（ｅｍｆ）パルスは、水分子の水素と酸素への連鎖反応雪崩分解を作成する。
図６に示すグラフは、真ちゅう電極を使用したガス製品を示す。本発明の一実施形態は、他のタイプのガスまたはイオンとは対照的に、二原子水素および酸素を生成するための触媒として作用する白金めっき電極を使用する。
図５を参照すると、電圧が高いほど、より多くの作業が行われる。ただし、変圧器を使用すると、高電圧を簡単かつ効率的に生成できる。たとえば、自動車のイグニッションコイルは１２ボルトのバッテリーから数千ボルトを生成する。本発明の水素酸素発生システムにはより高い電圧が必要であるが、それは単に二次コイルのより多くの巻数によって影響を受ける可能性がある。ほとんどの場合、漏れ電流の形で、必要な電流はごくわずかである。
図４に関して、Ｈ‐ＯＨ結合と残りのＯ‐Ｈ結合の両方を切断するには、（４９７．１ ＋ ４２９．９）ｋＪ ／ ｍｏｌ ＝ ９２７ｋＪ ／ ｍｏｌが必要であることが判明した。これは前述の最小ギブズ自由エネルギー数の４倍ですが、本発明のように、ＭＩＲレーザーおよび／または強磁気による高電圧パルスが誘電体（水）にプレストレスを与えることは問題とはならない。一実施形態では、解離は、電圧パルスが十分に高い場合、レーザーを使用せずに機能する。磁気は、絶縁耐力を強化し、絶縁破壊を未然に防ぐ。つまり、誘電体から短絡し、電流の流れを抑制する。各パケットには複数のパルスが存在するため、９２７ ｋＪ ／ ｍｏｌ全体を単一のパルスで送達する必要がないことを当業者は理解する必要がある。たとえば、最初のパルスはＨ‐ＯＨ結合を切断し、次のパルスは残りのＯ‐Ｈ結合を切断する可能性がある。
一実施形態では、本発明のシステムは、少量の水に非常に強い中周波数または高周波の高電圧ＡＣ電界を印加する。この高電圧起電力は、水コンデンサの正と負のプレートまたは電極の間の分極した水分子に非常に強い力を生成する。電極間の間隔は、約０．０１ｍｍから約１０ｍｍのどこでもよい。一実施形態では、電極は、水で満たされた電極間に小さな約１ｍｍのギャップを有する同心パイプ内のロッドからなる。電界は、数１０ｋＶ ／ ｍｍから１０ＭＶ ／ ｍｍ程になる可能性がある。システムが１ＭＶ ／ ｍｍを超える電界強度で動作する場合、高速スイッチング電界のエネルギー密度が高いため、水分子が解離する。一実施形態では、電極は白金とともに発光され、白金は単原子の酸素および水素を触媒して二原子ガスを発生させる。
同時ＭＩＲレーザーパルスと組み合わされた高電圧電界の瞬間的なパルスパケット（マイクロ秒程）は、文字通り水分子を引き裂き、この強い衝撃力で雪崩を引き起こす。このシステムは、強磁場を使用して水を解離させ、強磁場を使用して閉ループ電流を最小限に抑える。ソースから閉ループで流れる電流はごくわずかであるため、これは非常に効率的なプロセスである。実際、本発明のプロセスは、電気分解が流れるために非常に多くの電流を必要とするので、従来の電気分解の最大１０倍以上の効率であり得る。大きな起電力は文字通り水素を負極に、酸素を正極に捕える。高電圧は高周波ＡＣである可能性があり、方向が非常に速く切り替わるため、わずかな電流が流れる。磁石は、イオンをらせん状に移動させることにより、電流の流れを制限し、荷電粒子の動きを遅くする。この作業は、巨大な起電力に加えて、水分子を刺激して雪崩で分解するＭＩＲパルスレーザーの同期放出によって行われる。強力な約1テスラの磁場は、パルス中の故障を未然に防ぐ。
交差することなく、電圧をブレークダウン電圧に非常に近く維持することが重要である。したがって、少なくとも１つの実施形態では、故障センサーと、高効率水素酸素生成システムを制御するためにマイクロコントローラー上で実行される電圧制御回路とソフトウェアが存在する（図１４）。電圧は、ブレークダウンが発生するまでラチェットアップされ、その後わずかにバックオフされる。タイプＩの脱イオン（ＤＩ）水の抵抗率は１８ＭΩ／ ｍから３０ＭΩ／ ｍ以上であるため、破壊が発生する前に強い電界に耐えることができる。非ＤＩ水ははるかに低い抵抗を持つ。しかしながら、１つまたは複数の実施形態では、本発明のシステムは、通常の水道水の使用を可能にするための脱イオンフィルターを含む。
強い電場は、解離を含む水のイオン化のいくつかのメカニズムを促進する。
Ｈ２Ｏ→Ｈ＋＋ＯＨ－
Ｈ２Ｏ→Ｈ＋＋ＯＨ－
それに続くプロトン移動を伴う量子トンネリング。
Ｈ２Ｏ→Ｈ２Ｏ＋＋ｅ－
Ｈ２Ｏ＋→Ｈ＋＋ＯＨ
Ｈ２Ｏ→Ｈ２Ｏ＋＋ｅ－
Ｈ２Ｏ＋→Ｈ＋＋ＯＨ
これらのイオンの一部は、印加された電界の影響下で電極表面に移動し、そこで次のレドックス半反応を受けてそれぞれのガスを形成する。
２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２（ｇ） （カソード）
Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２（ｇ）＋２Ｈ＋＋２ｅ－ （アノード）
２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２（ｇ） （カソード）
Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２（ｇ）＋２Ｈ＋＋２ｅ－ （アノード）
したがって、全体的な反応は
Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２（ｇ）＋Ｈ２（ｇ）
Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２（ｇ）＋Ｈ２（ｇ）
ここで図８を参照すると、本発明の高効率水素酸素発生システムの一実施形態が示されている。マイクロコントローラボード７０１とそのソフトウェアアルゴリズムは、システムの頭脳である。アクセルペダル６９９が押されると、アクセルペダル位置センサ７００がマイクロコントローラ７０１に供給され、マイクロコントローラ７０１は、水タンク７０６内のレベルを感知し、次にポンプ７０５を適切な持続時間パルスして水コンデンサ７０４を満たすことによって要求に応答する。次いで、適切な遅延間隔でドライバボードモジュール７０２およびＭＩＲレーザー７０７を発射して、それらの出力を水コンデンサ７０４および高電圧サブアセンブリ７０３に同期させる。当業者は、ＭＩＲレーザーを使用することは、水分子にプレストレスを与える唯一の手段であり、他の実施形態では、プレストレスは、分子を加熱するなどの代替手段、例えば加熱コイルを使用することによって達成できることを理解されたい。本発明のシステムは、水中のイオン濃度に影響を与えるために、約１０℃から約９０℃までの温度範囲を利用することができる。
水素および酸素ガスは、水コンデンサ７０４から収集または貯蔵チャンバー７０９に流れ込む。生成される水素と酸素の量は、アレイ内のパイプの数とその長さに依存する。内側ロッドと外側パイプの間の水は、高電圧およびＭＩＲレーザー７０７の各パルスバーストで解離する。一実施形態では、アレイ内のパイプは並列に配線されているので、パイプの各ペアは最大電圧を受け取る。少なくとも１つの実施形態では、水素と酸素は、収集チャンバー７０９内でテント型コレクターを使用することなどによって密度によって分離され、そこで水素は上部に移動し、酸素は収集チャンバー７０９の下部に層を形成する。
別の実施形態では、水素と酸素は、酸素を引き付けて水素をはじくパルス正電圧スクリーン、および水素を引き付けて酸素をはじくパルス負電圧スクリーンであるスパーススクリーン電極用のデュアルイオンスクリューメッシュを使用して分離および加速される。
「オンデマンド」で生成された水素は、たとえば、EV車両用の電気を生成する燃料電池として使用可能である。他の実施形態では、本発明のＨＯＧＳは、より大きなシステムの一部であり、例えば、ＥＶ充電ステーションにおいて、タンクに水を追加する必要が生じる前に、1台以上のＥＶ車両を「充電」できるほど十分な水素を生成するために、複数のコンデンサが、所定のサイズの水タンクに関連して使用され得る。システムのサイズに応じて、本発明のＨＯＧＳの他の実装は、例えば、家庭、企業、工場、飛行機、または船に電力を供給することを含む。
システムを完成させるのは、他のすべてのサブアセンブリに電力を供給するパワーモジュール７０８である。最も単純な形態として、パワーモジュール７０８は１２ボルトの自動車用バッテリーであっても良い。少なくとも１つの実施形態では、パワーモジュール８０８は、９００ボルトのＧａＮ ＦＥＴｓを使用してマルチファイラーリッツ線を使用して、一次コイルの抵抗とインダクタンスを増加させ、使用する巻数を減らすバイポーラ高電圧昇圧変圧器を駆動するドライバボード７０２に、最大＋／－ ４５０ボルトの論理レベル電圧および中間電圧を供給する。一実施形態では、巻数比は最大１０００対１であっても良い。
電圧源は、パルスモードまたは連続モードのいずれかの動作で出力できることを当業者は理解すべきである。 しかしながら、本発明の目的は、可能な限り少ないエネルギー消費を使用してできるだけ多くの水素を取り出すことであるため、必要な電力消費がより低い、パルス電圧源が好ましい。パルス電圧源は、ＭＩＲレーザーパルスとより簡単に同期させることが可能である。ただし、約３５０ µｓのパルス幅を持つＭＩＲレーザーパルスと組み合わせた連続電圧源（たとえば、１．５ ＭＨｚ正弦波）は、連続１．５ＭＨｚ波形の５２５サイクルがレーザーパルスとオーバーラップすることを意味する。しかしながら、当業者は好ましいパルス出力モードの実施形態では、ＰＩＤループが閾値に到達するために必要であると決定するものに応じて、場合によってはパルスの数が短時間「連続」出力に近づく可能性があることを理解されたい。
図９は、例示的なマイクロコントローラモジュール７０１を示す。一実施形態では、マイクロコントローラ７０１は、１Ｍバイトのフラッシュメモリおよび１９２ＫバイトのＲＡＭを備えたＡＲＭ（登録商標）Ｃｏｒｔｅｘ（登録商標）－Ｍ４ ３２ビットコアを含む。しかしながら、本発明はこれらの仕様に限定されないことを当業者は理解すべきである。
図１０は、例示的なドライバボードモジュール７０２を示している。好ましい実施形態では、ドライバボード７０２は、高電圧で高速スイッチングの窒化ガリウム電界効果トランジスタ（ＩｇＧ ＦＥＴ）を含む。しかしながら、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはおそらく絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの他のタイプのトランジスタが排除されないことは当業者によって理解されるべきである。
ここで、図１および２を参照する。図１１および１２を参照すると、本発明による水コンデンサ７０４の一実施形態が示されている。ここで水分子が解離し、水素と酸素が実際に生成される。水コンデンサ７０４は、ロッドの直径よりわずかに大きい直径を有するチューブまたはパイプ１１０２の内側に同心円状に取り付けられたロッド１１０１を備える。図１２に示すように、一実施形態では、チューブまたはパイプの内面とロッドの外面との間に約１ｍｍのギャップ１１０３が存在する。アクセルペダル６９９が押されると、マイクロコントローラ７０１は、アクセルペダル位置センサ７００および水タンク７０６内の水位を感知し、ポンプ７０５をパルスして、ロッド１１０１とチューブまたはパイプ１１０２との間の水コンデンサ７０４のギャップを埋める。水は、すべての「ポップ」の直前に、水コンデンサ７０４の底部から入り、渦を巻いてギャップ１１０３を埋める。次に、マイクロコントローラ７０１は、適切なタイミングスキューでドライバボードモジュール７０２およびＭＩＲレーザー７０７にパルスを送り、水コンデンサ７０４への同時出力を保証する。ワイヤは、ドライバボードモジュール７０２からのパルスパケットを介して高電圧サブアセンブリ７０３内のカスタム昇圧変圧器によって駆動される共通および高電圧ＡＣパルスである。一実施形態では、マイクロコントローラ７０１は、出力を最大化するための収束を達成するためにＰＩＤループを使用してパルスパケットの周波数を変化させるための、アナログデバイスＴＭ ＡＤ９８５９ ４００ＭＳＰＳ １０ビットＤＡＣ １．８Ｖ ＥｔＯＡｃダイレクトデジタルシンセサイザーなどのダイレクトデジタルシンセサイザーを含む。一実施形態では、周波数は、約１００ｋＨｚから約１００ＭＬのどこでも変化することができ、ピーク電圧は、約２０ｋＶから約１００ＭＶの範囲にある。
ＧａＮ ＦＥＴハーフブリッジドライバボード７０２は、１．５ ＭＨｚパルスのＣＭＯＳまたはＴＴＬレベルのパルスパケットを、昇圧トランスを駆動するバイポーラＲＺ ＋/－ ４５０ボルトパルスパケットに変換する。このパルスパケットは、ガス供給を補充するためにオンデマンドで送信される。ＶＤＤとＶＥＥは最大＋/－ ４５０ボルトで可変であり、最大メガボルトの高電圧出力を生成する。当業者は、中周波数範囲の１．５ＭＬパルスが有効であると説明されているが、高周波数範囲（３ＭＬ〜３００ｍＬ）のパルスも使用できることを理解されたい。
図１３は、ドライバボード７０２の例示的な実施形態の詳細な概略図である。ＶＥＤＵは、最大＋ ４５０ＶＤＣの範囲であってもよく、ＶＥＥは、－４５０ＶＤＣまで低くてもよい。
図１４は、本発明のＨＯＧＳの回路の一実施形態の概要概略図である。水コンデンサ７０４の基部には、４５度の角度でシリンダ１１０２とロッド１１０１との間に入るいくつかの水注入ポートがあり、最大の渦を生成して残留ガスを一掃する。ポンプ７０５は、高出力パルスギアポンプであってもよい。システムは、特定の事前設定された間隔で自動的にトリガーされる場合もあれば、たとえばＥＶ自動車のアクセルペダルスロットル位置センサによってオンデマンドでトリガーされる場合もある。あるいは、システムは、収集または貯蔵チャンバー７０９に残っているガスの特定の閾値レベルでトリガーされて、それらを補充することができる。好ましい実施形態では、シリンダ１１０２の内側およびロッド１１０１の外側は、白金でフラッシュメッキされ、および／または銅をフラッシュし、次に銅の上にプラチナフラッシュメッキが施される。白金の外側のコーティングは、二原子の水素と酸素ガスを発生させる触媒として機能し、解離を改善する。一実施形態では、電流センサを使用してシステム内の電流を監視することができ、１つまたは複数の温度センサを使用して、水温および周囲温度を感知することができる。
図１５に示すように、ネオジム（ＮｄＦｅＢ）磁石を使用すると、最大２テスラの磁場を近接して生成できる。一実施形態では、シリンダーロッドサブアセンブリ全体に適合するのに十分な大きさの特大の１インチ厚のアルミニウム管１５０１が使用され、磁石１５０３、１５０４を摩擦適合するのに十分な大きさの直径方向に対向する穴が外皮に開けられ、そこで磁石がシリンダーの直径全体で互いにを引き付け合う。別の実施形態では、図１６に示されるように、カスタムの放射状に配置された分極磁石セット１６０３が使用され、パイプ１６０１に埋め込まれ、ロッドの内側に含まれてもよい。磁場は放射状に集束され、シリンダ全体に直径方向に引き付けられる。別の実施形態では、図１６に示されるように、カスタムの放射状に配置された分極磁石セット１６０３が使用され、パイプ１６０１に埋め込まれ、ロッドの内側に含まれてもよい。磁場は放射状に集束され、シリンダ全体に直径方向に引き付けられる。一実施形態では、シリンダの外側は接地され、中央のロッドは、中周波数または高周波のメガボルトパルスでパルス化される。Eフィールドは、水を横切る起電力フィールドを作成する。その目的は、破壊電流が流れるのを防ぐために、水分子を激しく沸騰させることである。電流は数ミクロンから数百ミクロン流れる可能性がありますが、閉ループ電流は最小限に抑えることが可能である。分子とイオンは誤った方向に向けられ、分子が分解するまでかき回される。1つのサイクルは、1セットの結合（ＨおよびＯ‐Ｈ結合など）を切断するのに十分なエネルギーを提供し、次のサイクルは、他のセットの結合（Ｏ‐Ｈ結合など）を切断するのに十分なエネルギーを提供します。
フルブリッジの実施形態（図１７）では、ロッドは接地されていない。電圧を2倍にするために、ロッドとシリンダに分割フェーズが適用される。2つのハーフブリッジは１８０度位相がずれて動作する。ロッドは一方のフェーズを取得し、シリンダはもう一方のフェーズを取得する。
図１８は、本発明の実施形態による、水分子から水素および酸素を解離する方法のフローチャートを示している。ステップ１８０１で、ＥＶ自動車のアクセルペダルなどのアクセルペダルが押され、アクセルペダル位置センサがマイクロコントローラに供給され、マイクロコントローラは、水タンク内のレベルを感知することによって要求に応答する（ステップ１８０２）。ガス圧が範囲内にあることを確認した後（ステップ１８０３）、マイクロコントローラはポンプに適切な時間パルスを送り、水コンデンサを満たし（ステップ１８０４および１８０５）、次に、適切な遅延間隔でドライバボードモジュールとＭＩＲレーザーを起動して、出力を水コンデンサと高電圧サブアセンブリに同期させ、ＰＩＤループ電圧のしきい値に達したかどうかを判断する（ステップ１８０６と１８０７）。必要に応じて、パルスパケット周波数とパルス数の両方を調整できる。次に、水素ガスおよび酸素ガスは、水コンデンサ７０４から収集または貯蔵チャンバ７０９に流れ込む（ステップ１８０８）。
本発明の高効率水素酸素生成システムの実施形態は、ソフトウェア（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）を使用するハードウェア実施形態の形態をとることができる。さらに、一実施形態は、媒体に具体化されたコンピュータ使用可能なプログラムコードを有する有形のコンピュータ使用可能な記憶媒体上のコンピュータプログラム製品の形をとることができる。メモリデバイスがメディアを形成することが可能である。本開示の一実施形態を実行するためのコンピュータプログラムコードまたはファームウェアはまた、特にコンピュータプログラムコードまたはファームウェアのマイクロコントローラへのロードの前またはロードに付随して転送または保存されている間、光または磁気記憶媒体上に存在してもよい。このコンピュータプログラムコードまたはファームウェアは、例えば、コンピュータシステムをプログラミングインターフェイスに接続することによってロード可能である。
本発明は、システム、方法、装置、コンピュータ可読媒体、非一時的なコンピュータ可読媒体、および／またはコンピュータプログラム製品として具体化され得ることが理解され、理解されるべきである。本発明は、完全にハードウェアの実施形態、または本明細書で本発明の方法またはシステムを実施するように構成されている「回路」、「モジュール」、「システム」、または「プロセッサ」と呼ばれ得るソフトウェアおよびハードウェアの態様を組み合わせた実施形態の形態をとることができる。本発明は、コンピュータ可読プログラムコードが具体化された１つまたは複数のコンピュータ可読媒体に具体化されたコンピュータプログラム製品の形を部分的にとることができる。
１つまたは複数のコンピュータ可読媒体を、単独でまたは組み合わせて利用することができる。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読記憶媒体またはコンピュータ可読信号媒体であってもよい。適切なコンピュータ可読記憶媒体は、例えば、これらに限定されないが、電子、磁気、光学、電磁、赤外線、または半導体のシステム、装置、またはデバイス、または前述の任意の適切な組み合わせであってもよい。適切なコンピュータ可読記憶媒体の他の例には、以下が含まれるが、これらに限定されない。1つまたは複数のワイヤ、ポータブルコンピュータディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラム可能読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリ）、光ファイバ、ポータブルコンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、光記憶装置、磁気記憶装置、またはこれらの任意の適切な組み合わせ。適切なコンピュータ可読記憶媒体は、命令実行システム、装置、またはデバイスによって、またはそれらに関連して使用するためのプログラムを含む、または格納することができる任意の有形媒体であってもよい。
コンピュータ可読信号媒体は、例えば、ベースバンドで、または搬送波の一部として、その中に具体化されたコンピュータ可読プログラムコードを備えた伝搬データ信号を含んでもよい。そのような伝播された信号は、電磁的、光学的、またはそれらの任意の適切な組み合わせを含むがこれらに限定されない、様々な形態のいずれかをとることができる。コンピュータ可読信号媒体は、コンピュータ可読記憶媒体ではなく、命令実行システム、装置、またはデバイスによって、またはそれらに関連して使用するためのプログラムを通信、伝播、または輸送することができる任意のコンピュータ可読媒体であってもよい。
コンピュータ可読媒体上に具現化されたプログラムコードは、無線、有線、光ファイバーケーブル、ＲＦなど、または前述の任意の適切な組み合わせを含むがこれらに限定されない任意の適切な媒体を使用して送信することができる。
本発明の態様の動作を実行するためのコンピュータプログラムコードは、Ｊａｖａ、Ｓｃａｌａ、Ｒｕｂｙ、Ｐｙｔｈｏｎ、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋などのオブジェクト指向プログラミング言語と、「Ｃ」プログラミング言語または同様のプログラミング言語などの従来の手続き型プログラミング言語を含む、１つまたは複数のプログラミング言語の任意の組み合わせで書くことができる。プログラムコードは、完全にコンピューティングデバイス（コンピュータなど）で、一部はコンピューティングデバイスで、スタンドアロンのソフトウェアパッケージとして、一部はユーザーのコンピューティングデバイスで、一部はリモートコンピューティングデバイスで、または完全にコンピューティングデバイスまたはサーバー上リモートで実行可能である。後者のシナリオでは、リモートコンピューティングデバイスは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、またはワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）を含む、任意のタイプのネットワークを介してユーザーのコンピューティングデバイスに接続でき、または、（たとえば、インターネットサービスプロバイダーを使用したインターネット経由で）外部コンピューティングデバイスへの接続を確立することもできる。
本発明の操作方法は、コンピュータプログラム命令によって実施することができる。これらのコンピュータプログラム命令は、汎用コンピューティングデバイス（コンピュータなど）のプロセッサ、特殊目的コンピューティングデバイス、または他のプログラム可能なデータプロセッサまたは処理装置に提供されて、 コンピューティングデバイスまたは他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサは、フローチャートおよび／またはブロック図１つまたは複数のブロックで指定された機能／行為を実施するための手段を作成する。
これらのコンピュータプログラム命令はまた、コンピューティングデバイス、他のプログラム可能なデータ処理装置、または他のデバイスに、コンピュータ可読媒体に記憶された命令が、フローチャートおよび／またはブロック図または複数のブロックで指定された機能／行為を実施する命令を含む製品を製造するような特定の方法で機能するように指示することができるコンピュータ可読媒体に格納されてもよい。
コンピュータプログラム命令はまた、コンピューティングデバイス、他のプログラム可能なデータ処理装置、または他のデバイスにロードされて、コンピュータ実装プロセスを生成するために、コンピューティングデバイス、他のプログラム可能な装置または他のデバイス上で、コンピューティングデバイスまたは他のプログラム可能な装置で実行される命令が、フローチャートおよび／またはブロック図または複数のブロックで指定された機能／動作を実装するためのプロセスを提供するように、一連の操作ステップを実行させてもよい。
したがって、本発明は、以下の利点のうちの１つまたは複数を達成する。本発明は、水分子から水素および酸素を分離して「オンデマンド」で水素を生成するための改善された手段を提供し、水素は、燃料電池に供給され、燃料電池またはエネルギーシステムの一部として使用され得る。このシステムは、従来の電気分解よりも大幅に効率的であり、消費するエネルギーがはるかに少なくなる。
本発明は、特定の実施形態と併せて特に説明されてきたが、前述の説明に照らして、多くの代替、修正、および変形が当業者には自明であることは明らかである。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲および精神に該当するような代替、修正、および変形を包含することが企図される。
Claims (18)
- 同心円状に取り付けられた電極間で所定の容積の水を隔離し、
前記電極に放射状に集束されかつ直径方向に引きつける磁場に前記所定の容積の水を印加し、
前記隔離された容積の水の水分子を共振調和振動数まで励起し、
最大1ミリ秒のバースト幅および最大約１０ＭＶの電圧を有し、前記励起された水分子に作用する振動起電力を生成するショートバースト高電圧高周波ＡＣパルスパケットを、前記隔離された容積の水に電場を生成するように同期的に印加し、
前記振動起電力の結果として、前記励起された水分子から水素と酸素を分離する
ことを含む、水分子から水素と酸素を分離する方法。 - 前記隔離された容積の水で水分子を励起する工程において、前記隔離された容積の水を１～６ミクロンのＭＩＲレーザーでパルスさせることを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記隔離された容積の水で水分子を励起する工程において、加熱コイルを用いて分子を約９０℃まで温めることを含む、請求項１に記載の方法。
- 磁場が約１テスラから約２テスラの間で、電場が約１ＭＶ/ｍｍから約１０ＭＶ/ｍｍの間である、請求項１に記載の方法。
- 前記同心円状に取り付けられた電極がロッドの外形よりも大きい内径を有するパイプまたはチューブ内に配置される外径を有するロッドを含み、前記所定の容積の水が前記ロッドの外形と前記パイプの内径の間に隔離される、請求項１に記載の方法。
- 並列配線される複数の同心円状に取り付けられた電極をさらに含む、請求項１に記載の方法。
- クローズドループ制御技術を用いて前記ＡＣパルスパケットの周波数をリアルタイムで変更し、前記ＡＣパルスパケットの周波数を水分子の共振周波数に調節することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 電圧を上げるために前記ＡＣパルスパケットによって駆動される変圧器を用いることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 出力を最大化するための収束を達成するために、ＰＩＤループを用いて前記ＡＣパルスパケットの周波数が変化する、請求項１に記載の方法。
- 貯蔵庫内に配置されるテント型の集電器を用いることで、水素と酸素を濃度により分ける、貯蔵庫内で分離された水素と酸素を分ける工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
- デュアルイオンスクリューメッシュを備え、貯蔵庫内で分離された水素と酸素を分ける工程であって、
正の電圧スクリーン電極をパルスさせ、酸素を引き付け、水素を弾き、
負の電圧スクリーン電極をパルスさせ、水素を引き付け、酸素を弾く、
工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。 - 同心円状のパイプ電極内に厚さ約１ｍｍの水柱を励起して、水素ガスと酸素ガスのなだれを発生させるように、１～６ミクロンのＭＩＲレーザーからのパルスと同期して最大1ミリ秒のバースト幅および最大約１０ＭVのショートバースト高周波ＡＣパルスパケットを生成する手段を含む、高効率水素酸素生成システム。
- 放射状に収束され、同心円状のパイプ電極に対して直径方向に引力を有する磁場を水柱に印加する手段をさらに含む、請求項１２に記載の高効率水素酸素生成システム。
- 磁場が約１テスラから約２テスラの間であって、ショートバースト高周波ＡＣパルスパケットが約１ＭＶ/ｍｍから約１０ＭＶ/ｍｍの間の電場を生成する、請求項１３に記載の高効率水素酸素生成システム。
- 平行に配線される複数の同心円状のパイプ電極をさらに含む、請求項１２に記載の高効率水素酸素生成システム。
- 貯蔵庫内で水素ガスと酸素ガスを分離する手段を含む、請求項１２に記載の高効率水素酸素生成システム。
- マイクロプロセッサー、ソフトウェア、ＰＩＤループ、デジタル電位差計、電圧センサ、電流センサ、湿度センサ、そしてダイレクトデジタルシンセサイザを閉ループ制御技術と方法論で利用して、ＡＣパルスパケットのリアルタイムでの周波数および間隔を変更し、周波数を共振周波数に調整する手段をさらに含む、請求項１２に記載の高効率水素酸素生成システム。
- 高効率水素酸素生成システムであって、
同心円状に取り付けられた電極間で隔絶された所定の容積の水と、
前記隔絶された容積の水において、磁場を印加すると、前記磁場が放射線状に集束し、前記電極に対して直径方向に引力を有する手段と、
前記隔絶された容積の水において水分子を共振高調波周波数まで励起する手段と、
最大1ミリ秒のバースト幅かつ最大約１０ＭVのショートバーストの高電圧を有し、前記励起された水分子に作用する振動起電力を生成する高周波ＡＣパルスパケットを前記隔絶された容積の水に同期的に印加して電場を生成し、前記振動起電力の結果として、前記励起された水分子から水素と酸素を分離する手段とを含む、システム。
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