JP6230533B2 - 水素を生成するための方法およびシステム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その開示全体が参照によって本明細書に組み込まれる２０１１年７月２５日出願の米国特許出願第６１／５１１，３２２号および２０１２年１月３０日出願の米国特許出願第６１／５９２，２８４号に関連し、かつそれらの優先権を主張する。

本開示は、水素を生成するための方法およびシステムの例示的な実施形態に、かつより詳細には、化学反応から水素を生成するための方法およびシステムの例示的な実施形態に関する。

水素は、炭素系燃料に代わる有望なエネルギーであるとみなされ得る。燃料またはエネルギー源としての水素の生成および使用に関して、様々な技術が開発されている。水素は、炭素系燃料に代わるクリーンで望ましいエネルギーであるとみなされ得るが、他の形態のエネルギーとは対照的に、エネルギー源として水素に依存するには、様々な障害が存在し得る。そのような障害には一般に、効率的に、安全に、かつ経済的に水素を生成し、輸送し、貯蔵する能力が包含され得る。

水素を生成するための手法の１つは、熱化学プロセスを包含し得る。そのようなプロセスの１つは、硫黄−ヨウ素化合物と水との間の化学反応を高温（例えば、約８００℃超）で実施することを包含し得る。一般に、そのプロセスによって、水分子（Ｈ_２Ｏ）が水素（Ｈ_２）および酸素（Ｏ_２）に分解し得る。硫黄−ヨウ素溶液は、プロセスに再循環させることができるので、水素および酸素以外に、有害な副産物は存在し得ない。

水素を生成するための他の手法は、水の電気分解を包含し得る。電気分解は、ファラデーの法則に従って、電気の使用を必要とする。電気分解は、他のエネルギー源（電気の供給を上回る）を用いないと、水素を生成するには比較的非効率なプロセスとなり得る。実際に、消費されるエネルギーの方が、生成される水素よりも高価なことがある。電気分解を経済的に実行可能なプロセスとするために、他のエネルギー源をプロセスに組み込むことができる。例えば、高温電気分解は、水を加熱するために高温の熱源を利用し、比較的高い効率で水分子を水素および酸素に分解するために必要な電気エネルギーの量を有効に低減する。他の手法は、天然ガスまたはメタノールなどの化石燃料から水素を抽出することを伴い得る。この方法は複雑であり、かつ二酸化炭素などの残渣をもたらし得る。また、将来使用可能な化石燃料の量は、世界的に限られている。

有効に、効率的に、かつ安全に水素生成を実施することができるように、水素の生成に取り組むための他の手法が必要とされている。水素系の経済は、長期的で、環境に優しく、持続可能な成長のための代替的なエネルギーであり得る。電気に対する世界的な必要性がさらに高まり、温室ガス排出の管理が強化され、化石燃料の埋蔵量が減少するにつれて、水素の需要増加は高まり得る。

上記の問題のうちの少なくとも一部は、本開示による方法およびシステムの例示的な実施形態によって対処され得る。本開示は、加圧タンク内での水素の貯蔵を不要なものとし得る、水素をオンデマンドで（ＨＯＤ）（hydrogen on demand）生成することができる方法およびシステムの例示的な実施形態を記載している。

本開示の例示的な実施形態は、連続的な水素生成を制御および持続することを可能とし得る方法およびシステムを記載している。例えば、化学反応に、水、アルミニウムおよび電気活性材料（例えば、電気活性化炭素）を供給することによって、水素の制御持続生成を達成することができる。この化学反応は、様々な生成速度で水素を生成することができ、例えば、水素生成セルによって、水素は提供され得る。電気活性化炭素を使用することによって、これらに限られないが、例えば、陸上車、船舶、および渡洋船舶のための燃料などで様々に使用にするために、他にも、商業用発電所および他の遠隔地でのプラントのための出力源として、高い生成速度を提供することが実行可能となり得る。

本開示の例示的な実施形態は、水および電気活性化炭素との簡単で、安全で、かつ汚染のない金属酸化反応を使用して、ユーザーシステムの近くで安全に、機上で、かつオンデマンドで水素の生成を提供し得る方法およびシステムをさらに記載する。電気活性化炭素は例示的な実施形態において、高い生成速度および大量の水素の生成を提供することができる。これはまた、例えば携帯電話などの、より小さな燃料電池が必要とされ得る用途のために低い流量も提供することができる。

例えば、本開示の例示的な一実施形態では、水素生成のための触媒を生成する方法が提供され得、この方法は、電気エネルギーを炭素材料に供給して、炭素材料を電気活性化するステップと、その電気活性化炭素材料を、水素を生成するために使用するステップとを含む。炭素材料を、水を含む液体組成物中に供給することができ、その液体組成物は、電解質をさらに含んでよい。電気エネルギーは、約６アンペア時で供給することができる。炭素材料は、純粋な炭素、固体炭素、破砕炭素、焼結炭素、炭素複合材料、炭、圧縮炭素、炭素ブロック、黒鉛、炭素顆粒、顆粒活性化炭素、または石炭のうちの１種または複数であってよい。

本開示の他の例示的な実施形態では、水素を生成する方法を提供することができ、この方法は、電気活性化炭素を液体組成物と組み合わせるステップと、電気活性化炭素および液体組成物の組合せの間で化学反応を発生させて、水素を生成するステップとを含む。この方法は、電気活性化炭素および液体組成物を燃料と組み合わせるステップと、電気活性化炭素、液体組成物、および燃料の組合せの間で化学反応を発生させて、水素を生成するステップとをさらに含み得る。燃料は、純粋なアルミニウム、アルミニウム粉末、アルミニウム顆粒、またはアルミニウム削り屑であってよい。

この方法は、電気活性化炭素、水、および燃料の組合せの化学反応を制御して、水素をオンデマンドで生成することをさらに含んでよい。水素の生成を増やすためには、組合せを加熱することによって、かつ水素の生成を減らすためには、組合せを冷却することによって、化学反応を制御することができる。組合せは、華氏約１５０℃〜華氏約１９０℃の範囲の温度に加熱することができる。水素の生成を増やすためには、電気活性化炭素、液体組成物、および燃料のうちの１種または複数の量を足すことによって、かつ水素の生成を減らすためには、電気活性化炭素、液体組成物、および燃料のうちの１種または複数の量を減らすことによって、化学反応を制御することができる。液体組成物は、水、水道水、汚水、高カルシウム水、塩水、海水、アルカリ性水、または酸性水を含んでよい。

本開示の他の例示的な実施形態では、水素生成のための触媒を生成するシステムを提供することができ、このシステムは、炭素材料を有する活性化セルと、電気エネルギーを供給して、活性化セル内の炭素材料を電気活性化するように構成されている装置とを含む。炭素材料が、活性化セル内の、水を含む液体組成物に供給されていてよく、液体組成物は、電解質をさらに含んでよい。装置は、電気エネルギーを約６アンペア時で供給するように構成されていてよい。炭素材料は、純粋な炭素、固体炭素、破砕炭素、焼結炭素、炭素複合材料、炭、圧縮炭素、炭素ブロック、黒鉛、炭素顆粒、顆粒活性化炭素、または石炭のうちの１種または複数であってよい。

本開示の他の例示的な実施形態では、水素を生成するシステムを提供することができ、このシステムは、液体組成物および電気活性化炭素を有する容器と、液体組成物と電気活性化炭素との間で化学反応を発生させて、水素を生成する装置とを含む。このシステムは、液体組成物および電気活性化炭素と共に容器に供給される燃料をさらに含んでよく、その際、この装置は、液体組成物、電気活性化炭素、および燃料の間で化学反応を発生させて、水素を生成する。燃料は、純粋なアルミニウム、アルミニウム粉末、アルミニウム顆粒、またはアルミニウム削り屑のうちのいずれかであってよい。

このシステムは、液体組成物、電気活性化炭素、および燃料の間での化学反応を制御して、水素をオンデマンドで生成するための１つまたは複数の機構をさらに含んでよい。１つまたは複数の機構は、水素の生成を増やすためには、液体組成物、電気活性化炭素、および燃料の組合せを加熱することでき、かつ水素の生成を減らすためには、液体組成物、電気活性化炭素、および燃料の組合せを冷却することができる。１つまたは複数の機構は、電気活性化炭素、水、および燃料の組合せを華氏約１５０度〜華氏約１９０度の間の温度範囲に加熱することができる。水素の生成を増やすためには、電気活性化炭素、液体組成物、および燃料のうちの１種または複数の量を足すことによって、かつ水素の生成を減らすためには、電気活性化炭素、液体組成物、および燃料のうちの１種または複数の量を減らすことによって、化学反応を制御することができる。液体組成物は、水、水道水、汚水、高カルシウム水、塩水、海水、アルカリ性水、または酸性水を含んでよい。

本開示による方法およびシステムの例示的な実施形態は、水などの液体組成物から、水素を発生させることができる。さらに、副生成物は潜在的に、さらなるアルミニウムを生成するために再循環させるための汚染物質不含の材料源であり得る。

本開示の前述の目的および他の目的は、全体を通して、同様の参照文字が同様の部位を指す添付の図面および請求の範囲と関連している次の詳細な説明を考慮すると、明らかとなるであろう。

本開示の例示的な実施形態による、水素を生成するために使用することができる触媒を調製するために使用される活性化セルを示す図である。 本開示の例示的な実施形態による、水素を生成するためのシステムを示す図である。 本開示の例示的な実施形態による、水素を生成するためのシステムを示す図である。 本開示の例示的な実施形態による、水素を車両用の燃料として供給するためのシステムを示す図である。 本開示の例示的な実施形態によるボイラーシステムを示す図である。

これらの図を通じて、同じ参照番号および参照文字は、別段に述べられていない限り、図示されている実施形態の同様の特徴、要素、構成部品、または部分を示すために使用されている。さらに、本開示を以下で、図を参照しつつ詳細に説明するが、これは、実施形態の実例に関連して説明するものである。本開示の真の範囲および意図から逸脱することなく、記載の実施形態を変化および変更することができることが意図されている。

図の参照を含めて、本開示による方法およびシステムの例示的な実施形態をここでは記載する。

初めに、本開示の例示的な実施形態では、水素を生成する触媒を調製するための方法およびシステムを記載する。図１は、水素を生成するために使用することができる触媒を調製するために使用される活性化セル１００の図を図示している。図１の例示的な実施形態では、材料は、炭素であってよい。炭素は、様々な形態の炭素のうちの任意の種類であってよく、本開示は、炭素のいずれか特定の形態に限定されない。

活性化セル１００は、陽極１０２および陰極１０４を有し得る。例示的な実施形態では、陽極１０２は、活性化セル１００の内側に、活性化セル１００の第１の側面１００ａに沿って配置されていてよく、陰極１０４は、活性化セル１００の内側に、活性化セル１００の第２の側面１００ｂに沿って配置されていてよい。陽極１０２は、金属製陽極であってよく、陰極１０４は、金属製陰極であってよく、ステンレス鋼、鉄、亜鉛メッキ鉄、炭素、および／または他の金属などの任意の種類の金属を、陽極１０２および陰極１０４のために使用することができ、本開示は、金属のいずれかの種類に限定されない。金属は、導電性であってよく、耐腐食性であってよい。

水１０８もしくは他の、水を含有する液体または他の適切な液体組成物などの液体組成物を活性化セル１００に供給することができ、水に限定されない。水１０８は、水道水、濾過水、塩水、海水、および／または他の種類の水であってよい。炭素１０６などの材料を活性化セル１００内の水１０８に、例えば、炭または黒鉛の形態で供給して、これを、電気活性化することができるようにする。換気ができ、水１０８および炭素１０６を入れることができるように、活性化セル１００は頂部表面で開いていてよい。水１０８は、電気活性化される材料を覆うのに十分な量であればよい。活性化セル１００を十分に換気される領域に配置して、電気活性化プロセスの間に液体から生成するガスをいずれも、換気できるようにする。

水１０８および炭素１０６と共に、水１０８および炭素１０６の混合物をより導電性にし得る電解質を活性化セル１００に入れることができる。使用することができる電解質の例には、これらに限られないが、炭酸水素ナトリウム、塩化ナトリウム、または水酸化カリウムが包含される。電解質を加えることなく、電気活性化を実施することもでき、電解質を水に加えない場合には、水の導電性が低くなり得るので、より高い電圧を使用することもある。電気エネルギーを水１０８および炭素１０６の混合物に通過させて、炭素１０６を電気活性化することができる。例えば、約６アンペア時の値が達成されるまで、電流の形態などの電気エネルギーを水１０８および炭素１０６の混合物に通過させることができる。また、例えば約４ボルト〜約２００ボルトなどの電圧範囲を使用することができる。典型的には、約１２ボルト〜約１５０ボルトの範囲の電圧を使用することができる。本開示の例示的な実施形態は、いずれかのアンペア時または電圧にも限定されず、これらに限られないが、水の量、材料（例えば、炭素）の量、活性化セルのサイズ、および／またはセルの寸法の関数であり得る、電流密度を包含する他の因子（例えば、アンペア毎平方センチメートル）などの様々な因子に基づき、調節することができる。

触媒活性化セル１００を低い電流、例えば、約５ａｍｐ未満で操作するように設計することができ、触媒活性化セル１００内における出力消散による過熱を伴うことなく、連続的に操作することができる。これによって、材料が電気活性化されて、材料は、電気活性化材料に変換され得る。上記の例示的な実施形態で、炭素は、触媒炭素と称され得る電気活性化炭素に変換され得る。電気活性化炭素および触媒炭素は、本開示において互換的に使用される。低い電流での炭素の電気活性化は、例えば、過剰電流、過剰温度、またはセルからの過剰ガス排出の事象に介入するために、電気活性化をモニタリングしなくてもよいという利点をもたらし得る。

本開示の他の例示的な実施形態では、触媒活性化セル１００を、６アンペア時などのより高いエネルギーレベルで操作するように設計することができ、これは例えば、１アンペアの電流で６時間、または２アンペアの電流で３時間にわたって電流を供給することによって達成することができる。本開示の様々な実施形態では、種々の時間および電流を使用して、６アンペア時を達成することができる。本開示は、いずれか特定のアンペア時にも限定されることはなく、他のアンペア時での処理も、炭素の触媒変換をもたらすであろう。

次いで、触媒炭素（電気活性化炭素１０６）を活性化セル１００から取り出すことができ、所望の場合には乾燥させてよい。乾燥させると、触媒炭素は、貯蔵および／または輸送がより簡単になり得る。例えば、空気乾燥、空気中での加熱、および／または他の種類の加熱／乾燥機構および／または方法によって、触媒炭素を乾燥させることができる。種々の乾燥方法／プロセスを使用することができ、標準的な室温から華氏２００度までの温度を使用することができ、それらに限られない。

例示的な触媒反応
本開示の例示的な実施形態では、化学反応：
２Ａｌ＋６［Ｈ_２Ｏ］＋Ｃ → Ｃ＋２［Ａｌ（ＯＨ）_３］＋３Ｈ_２ 式（１）
を使用することができる［式中、Ａｌはアルミニウムであり、Ｈは水素であり、Ｏは酸素であり、Ｃは、上記のプロセスによって形成された電気活性化炭素（または触媒炭素）である］。この例示的な触媒反応では、アルミニウムおよび水（Ｈ_２Ｏ）を燃料として、触媒炭素と共に使用することができ、水素（Ｈ_２）を生じさせることができ、その際、副生成物は、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）_３）である。この例示的な反応では、水およびアルミニウムが消費され得る燃料であり、触媒炭素Ｃが触媒であり得る。水を有するか、または水と類似の特性を有する他の液体組成物も使用することができる。

同じ反応を、下記のとおりに記載することもできる：
２Ａｌ＋３［Ｈ_２Ｏ］＋Ｃ → Ｃ＋Ａｌ_２Ｏ_３＋３Ｈ_２ 式（２）
［式中、Ａｌはアルミニウムであり、Ｈは水素であり、Ｏは酸素であり、Ｃは、上記のプロセスによって形成された電気活性化炭素（触媒炭素）である］。この例示的な化学反応では、アルミニウムおよび水（Ｈ_２Ｏ）を燃料として、触媒炭素と共に使用することができ、水素（Ｈ_２）を生成することができ、その際、副生成物は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）である。水酸化アルミニウムから水を除去するために乾燥させると、水酸化アルミニウムは還元されて、酸化アルミニウムになり得る。水素を生成する反応を水中で実施することができるので、水酸化アルミニウム生成物を示す式１が、最も使用される反応であるが、酸化アルミニウム生成物を示す式２も、化学作用を記載する場合には使用され得る。この例示的な反応では、水およびアルミニウムが、消費され得る燃料であり、触媒炭素Ｃが触媒であり得る。

本開示の例示的な実施形態では、多くの異なる形態の炭素を上記のとおりに電気活性化して、触媒炭素を生成することができる。例えば、本開示の例示的な実施形態によって行われる様々な実験において、これらに限られないが、純粋な炭素、固体もしくは破砕炭素、焼結炭素、炭素複合材料、炭、圧縮炭素（例えば平坦なプレートの形態）、化学的結合剤と共に形成され得る炭素ブロック（例えば、電気モーターブラシ）、黒鉛（例えば、粉末化炭素）、炭素顆粒（例えば、脱臭剤として使用するためのもの）、例えば水の精製／濾過のために使用することができる顆粒活性化炭素（ＧＡＣ）、および／または石炭（塊化（lumped）石炭、または破砕／粉末化石炭）を包含し得る多くの形態の炭素を使用して、水素を生成することができることが示されている。

さらに、水素を発生させるために、燃料が必要ないことがある。実験によって、触媒炭素は、水などか、または水を含有する液体組成物を伴うだけで、下記の反応によって水素を生成することができることが示されている：
Ｈ_２Ｏ＋ＣＣ → ＣＣ＋Ｈ＋ＯＨ 式（３）

しかしながら、燃料は、式（１）および（２）に示されている化学反応で、水素の生成速度を上昇させ得る。水素原子が発生するときに、水素原子は、Ｈ＋Ｈ → Ｈ_２（気体）においてのように、結合する傾向を有し得、これは、Ｔｏｆｆｅｌ反応と称される。気体Ｈ_２の形態で水素が放出されるのを妨げ得る「再結合」反応であるＨ＋ＯＨ → Ｈ_２Ｏなどの競争反応も起こり得る。

ＯＨ基はアルミニウム（Ａｌ）に結合し得るので、アルミニウムなどの燃料をこの反応を助けるために供給して、電気活性化炭素およびアルミニウムを有する液体組成物中などの遊離（未結合）ＯＨ基の蓄積を大々的に妨げ、水素原子と再結合してＨ_２Ｏを形成することを妨げることができる。

アルミニウムと同じ効果を有する他の元素、薬品、または燃料も使用することができる。例えば、これらに限られないが、Ｌｉ（水酸化リチウムを形成し得る）、Ｎａ（水酸化ナトリウムを形成し得る）、Ｋ（水酸化カリウムを形成し得る）、Ｒｂ（水酸化ルビジウムを形成し得る）、およびＣｓ（水酸化セシウムを形成し得る）などの、１個のＯＨ基と結合する薬品が役立ち得る。これらに限られないが、Ｃａ（水酸化カルシウムを形成し得る）、Ｓｒ（水酸化ストロンチウムを形成し得る）、およびＢａ（水酸化バリウムを形成し得る）などの、２個のＯＨ基と結合する他の薬品は、さらに役立ち得る。

アルミニウムの各原子が３個のＯＨ基と結合して、水酸化アルミニウム、Ａｌ［ＯＨ］_３となり得、アルミニウムは安価で、かつ安全であり得、アルミニウムは、ＯＨ基よりも高い化学的結合エネルギーを有し得るので、本開示の例示的な実施形態は、アルミニウムを燃料として供給し得る。４個または５個と数多いＯＨ基と結合し得る酸化バリウム（ＢａＯ）などの一部の薬品は、さらにより役立ち得る。一部の実験によって、水素の生成に関して、酸化バリウムは非常に良好な燃料であり得ることが示されているが、多少の安全性の懸念が存在し得、かつ一般にアルミニウムよりも高価であり得る。

材料、例えば炭素の電気活性化が、水素の生成を増やし得るかどうかを決定するために、実験を行った。各実験において、触媒をアルミニウムおよび水混合物と共に使用した。実験１では、非電気活性化炭素を触媒として使用した。実験２では、洗浄していない電気活性化炭素を触媒として使用した。実験３では、洗浄した電気活性化炭素を触媒として使用したが、この際、電気活性化炭素を炭素の電気活性化の後に、水ですすいだ。

実験１
実験１では、炭素（すなわち、炭）を、電気活性化されていない触媒として使用した。チャンバーを清浄にし、茶さじ約３杯のアルミニウム粉末（約３０ミクロンの粒径を有する）を茶さじ約７杯の非電気活性化炭素と共にチャンバーに加えた。チャンバーに、チャンバーの約６０％まで、水を充填して、炭が水の線のやや下になるようにした。加熱素子を使用して、触媒、アルミニウム粉末、および水の混合物を加熱した。温度および水素発生速度を下記のチャートに示す。

非電気活性化炭素は、有意な水素発生をもたらさないことが観察された。

実験２
実験２では、炭素（すなわち、炭）を６アンペア時で電気活性化した触媒として使用した。チャンバーを清浄にし、茶さじ約２杯のアルミニウム粉末（約３０ミクロンの粒径を有する）を茶さじ約４杯の洗浄していない電気活性化炭素と共にチャンバーに加えた。チャンバーに水を充填し、加熱素子を使用して、触媒、アルミニウム粉末、および水の混合物を加熱した。温度および水素発生速度を下記のチャートに示す。

Ｔ＝１７：００に、温水約４０ｍＬをチャンバーに加えた。Ｔ＝２１：００に、茶さじ約１．５杯のアルミニウム粉末をチャンバーに加えた。Ｔ＝２４：１２に、加熱素子をオフにした。Ｔ＝２７：２０に、華氏約１５４度の温度で、１分当たり約２．５リットルの水素発生速度が観察された。Ｔ＝２８：００に、チャンバーを冷却すると、温度が低下するにつれて、水素発生速度が低下した。Ｔ＝４０：００に、茶さじ約２杯のアルミニウム粉末および茶さじ約２の電気活性化炭素をチャンバーに加え、加熱素子をオンにした。Ｔ＝５０：４１に、加熱素子をオフにすると、チャンバーの温度が低下し始めた。

実験２では、１分当たり約２．５リットルの水素発生速度が、華氏約１５４度の温度で生じ得ることが観察された。同様の量のアルミニウム粉末および触媒を有する水素セルは、華氏約１６０度の水素セル温度範囲で、１分当たり約３リットル超の速度で水素を発生させ得るであろうと予測され得る。洗浄していない電気活性化炭素を使用すると、水素生成速度を約１０倍上昇させることができる。比較すると、実験２は、１分当たり約２．５リットルの速度で水素を発生させ、非電気活性触媒を使用した実験１は、１分当たり約０．２２リットルの速度で水素を発生させた。

実験３
実験３では、炭素（すなわち、炭）を６アンペア時で電気活性化した触媒として使用した。炭を電気活性化した後に、流水で約３０分間洗浄した。チャンバーを清浄にし、茶さじ約２杯のアルミニウム粉末（約３０ミクロンの粒径を有する）を茶さじ約２杯の洗浄した電気活性化炭素と共にチャンバーに加えた。チャンバーに水を充填し、加熱素子を使用して、触媒、アルミニウム粉末、および水の混合物を加熱した。温度および水素発生速度を下記のチャートに示す。

Ｔ＝４：００に、加熱素子をオフにした。Ｔ＝５：００に、茶さじ約０．５杯のアルミニウム粉末を加えた。Ｔ＝９：０８に、チャンバー内のアルミニウム燃料が少なくなっていることが観察された。Ｔ＝１２：５５に、冷却素子を水、アルミニウム粉末、および触媒の混合物に組み込むと、Ｔ＝１２：５５からＴ＝１６：００までの温度低下に気付いた。

実験３では、洗浄した電気活性化炭素（すなわち、炭）を触媒のために使用すると、水素が１分当たり約１リットルの速度で発生し得ることが観察された。比較すると、実験２では、洗浄しなかった電気活性化炭素を触媒として使用すると、水素は１分当たり約２．５リットルの速度で発生した。

電気活性化
本開示の例示的な実施形態では、炭素（１６メッシュ炭素顆粒の形態）を電気活性化し、どの程度のアンペア時が、高い水素生成速度を有する触媒を生成するかを決定するために、試料を異なる時間長さで取り出した。炭素をチャンバーに入れ、２アンペアで電気活性化した。試料１は、１分間の電気活性化時間の後に取り出し、試料２は、４５分の電気活性化時間の後に取り出し、試料３は、３時間の電気活性化時間の後に取り出し、試料４は、１５時間の電気活性化時間の後に取り出し、試料５は、１６時間の電気活性化時間の後に取り出した。

茶さじ約１／８杯の各触媒材料（すなわち、試料１〜５）を、それぞれ水約２０ｍＬを有する個別のチャンバーに入れた。この実験で使用した水は、濾過した水道水であった。茶さじ約１／８杯のアルミニウム粉末を各チャンバーに供給した。次いで、各チャンバー内のアルミニウム、水、および触媒の混合物を、華氏約１６０度から華氏約２００度までの範囲の温度にした。全てのチャンバーを、加熱デバイス上に設置された１個のマルチチャンバーコンテナ容器の上に置いたので、全てのチャンバーは、いずれの所定の時間でもほぼ同じ温度であった。水素発生速度を観察したが、５種の試料全てが水素を発生させた。試料３は、他の試料よりも早い速度で水素を生成することが判明し、かつ試料３の電気活性化時間に追加した電気活性化は、水素生成速度において僅かな効果しか有さなかったことが判明した。この例示的な実施形態では、試料３を、６アンペア時（すなわち、２アンペアで３時間）で電気活性化した。

上記の試験は、本開示の例示的な実施形態によって調製された触媒炭素は、水を分解して、高い生成速度で水素を生成する際に使用するための優れた材料であり得ることを提示している。さらに、この試験によって、炭素を本開示の例示的な実施形態によって電気活性化した後、触媒として増強された効果は、数週間、さらには数ヶ月まで続く半永続的なものであり得ることが示された。触媒炭素は再使用可能である（すなわち、電気活性化の触媒効果は保たれる）。触媒炭素を貯蔵し、数ヶ月後に使用することができ、その際、新鮮な触媒（すなわち、触媒炭素）と同じ効果を、燃料としての水およびアルミニウムと共に有する。さらに、触媒炭素を複数回にわたって使用することができ、その際、本開示に記載の例示的な触媒反応では、水およびアルミニウムが、唯一消費される燃料である。

一部の例示的な実施形態では、容器／水素セルを洗浄／清浄化した後でも、痕跡量の触媒炭素が容器／水素セル内に残り得ることが示された。したがって、電気活性化炭素を使用しなかったが、同じ容器で先に電気活性化炭素を使用した一部の実験で、水素生成がほとんどないはずである場合に、多少の水素生成に気付くことがあった。したがって、水素を生成するために触媒炭素を使用する場合、同じ容器を繰り返し使用することで、ある種の利点がもたらされ得る。

一部の例示的な実施形態では、「湿潤な」電気活性化炭素（すなわち、電気活性化プロセスにおける水によってまだ濡れている電気活性化炭素）は、触媒炭素を乾燥させた場合にもたらされる水素発生速度よりも約５〜１０％高い水素発生速度をもたらすことが見出された。このことは、湿潤な触媒炭素は、表面改質履歴が僅かであり得ることに起因し得る。触媒炭素を洗うことは、炭素の表面において多少の表面変化を伴い得る。触媒炭素を乾燥させることも、炭素を動かすか、移動させるか、または流動させる場合、表面を摩耗させ得る。触媒炭素は、表面反応性不均一系触媒であり得る。一部の例示的な実施形態では、電気活性化プロセス直後の炭素表面が、水素の発生に最適であり得、電気活性化の後のいずれの表面処理または損傷（例えば、洗浄または乾燥）も、本開示に記載の触媒反応にしたがって水を分解して、水素を生成するために、その触媒炭素を使用する場合に、触媒有効性をやや低下させ得ることが示されている。

炭素は、電気活性化および水で水素を生成する際の触媒としての使用において良好な傾向を示し得る。炭素は、水素と同様の電気陰性度を有し、水素と共に極性結合を形成し得る元素である。炭素は、水中で極性酸化物表面層を形成し得、炭素は、水中の炭素粒子のコロイド懸濁液の形態で、水に擬溶解性（pseudo-soluble）であり得る。

本開示の例示的な実施形態は、本明細書に記載の例示的な化学反応のための燃料として、水およびアルミニウムを使用することができる。様々な供給源からの水と、より低コストで、より純度の低いアルミニウムとを使用することができることによって、本開示の方法およびシステムの例示的な実施形態による触媒反応のための燃料を得るために使用することができる代替的な低コスト供給源がもたらされ得る。

水素を生成するための本開示の例示的な実施形態において燃料として使用することができる元素であるアルミニウムは、酸および塩基と反応し得る。他の活性な金属と同様に、アルミニウムは、強酸に溶けて、水素ガスを発生させ得る。本開示に記載の触媒炭素は、その強い触媒効率（すなわち、高い反応速度）に基づき、ｐＨ中性の液体中で使用することができる。このことは、水は、強酸性の液体でも、強アルカリ性液体でもあり得ず、このことによって、非常に安全かつ環境に優しい混合物を得ることができることを意味し得る。

一部の本開示の例示的な実施形態では、本明細書に記載の化学反応において、アルミニウム削り屑を、アルミニウム粉末の代わりに使用することができる。電気活性化炭素を、アルミニウム削り屑および他の非粉末形態のアルミニウムと共に使用することで、実験室において水素が成功裏に生成されることが示されている。

反応における所定の量のアルミニウムでは、水素生成速度は、アルミニウム金属の表面積にほぼ比例し得る。本開示の例示的な実施形態のうちの一部において使用されるアルミニウムは、粉末化アルミニウムであってよい。所定量のアルミニウムで、粉末化アルミニウムの比表面積が高いほど、そのアルミニウムは、より高い速度での水素生成に適したものとなり得る。アルミニウムペレット、アルミニウム削り屑、アルミニウム顆粒、またはアルミニウムシートの形態であってよいより粗い燃料も使用することができる。本開示の例示的な実施形態の一部において、そのような粗い燃料は、粉末化アルミニウムによって得られる速度よりも遅い速度（所定の量のアルミニウムで）であり得る水素生成をもたらし得る。純粋なアルミニウムを使用する必要はなく、このことによって、より低コストで、より純度の低いアルミニウムを、本開示の例示的な実施形態による水素生成において使用することが可能となり得る。

使用されるアルミニウムのサイズは、特定の用途によって様々な設計であってよい。例えば、規定の寸法および運転温度を有する設計で所望の水素生成速度を達成するために、アルミニウムの粒径を選択することができる。一般に、所定の量のアルミニウムで、任意の所定の温度で、アルミニウムの粒径が小さくなるにつれて、本開示に記載の化学反応の反応速度は上昇する。また、温度が上昇するにつれて、反応速度は上昇する。

一部の本開示の例示的な実施形態では、上記の反応において、アルミニウムを使用しなくても（すなわち、電気活性化炭素および水を使用するだけで）、水素は発生するが、アルミニウムなどのある種の燃料を加えると、水素の生成量が増加することが見出された。また、アルミニウム以外の他の燃料を使用することができることも見出された。また、水素を発生させるための触媒反応の間に、アルミニウム粉末を使用している場合に、反応の間にアルミニウム粉末を混合するか、または撹拌すると、水素の発生が増加し得ることが見出された。酸化アルミニウムを除去し、裸のアルミニウムを露出させるために、機械的作用を与えることができる。式１および２に記載の化学反応は、裸のアルミニウムを使用すると、より速い速度で水素を生成し、酸化された表面を有するアルミニウムを使用すると、より少ない水素を生成する。一部の本開示の例示的な実施形態では、アルミニウム削り屑およびペレットを細断／研磨するためのブレンダーまたは他のデバイスを使用することによって、水素の生成速度が、機械的または電気機械的作用（すなわち、アルミニウムの細断、研磨、および／または混合）の強度に応じて約２倍から１０倍上昇した。係数は、研磨時間、および研磨と水素生成との間の時間遅延に左右され得る。裸のアルミニウム表面が空気または水に、特に室温を超える温度で曝露されるこの時間遅延によって、膜が形成し得る。アルミニウムの研磨によって、アルミニウムの表面から酸化アルミニウムを除去することができ、これによって、本開示の式１および２に記載の水素を生成する化学反応のための新たなアルミニウム表面が得られる。

酸化物／水酸化物を除去し、本開示に記載の水素生成反応のために、実質的に裸のアルミニウム表面を得るための他の方法／デバイスも存在し得、本開示は、そのような方法／デバイスのいずれにも限定されない。例えば、機械的研磨に加えて、または機械的研磨の代わりに、アルミニウム表面の処理は、熱処理、光学的処理、または化学的処理であってもよい。

一部の例示的な実施形態では、アルミニウム削り屑を、本開示の反応に記載されている化学反応を１０倍以上早くすることができる水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）の水溶液と反応させることができる。このプロセスは、水酸化ナトリウムが化学変化を受ける、すなわち、水酸化ナトリウムが変換されて、プロセスにおいて消費される簡単な化学反応であり得る。

アルミニウムおよび水酸化ナトリウムの組合せを、本開示に記載の触媒反応、すなわち、式（１）および（２）と組み合わせることができる。例えば、一部の例示的な実施形態では、水素を、次の化学反応に従って発生させることができる：
２Ａｌ＋２［ＮａＯＨ］＋６［Ｈ_２Ｏ］＋Ｃ →
Ｃ＋２［ＮａＡｌ（ＯＨ）_４］＋３Ｈ_２ 式（４）
［式中、Ａｌはアルミニウムであり、Ｈは水素であり、Ｏは酸素であり、ＮａＡｌ（ＯＨ）_４はテトラヒドロキシアルミン酸ナトリウムであり、Ｃは電気活性化炭素（または触媒炭素）である］。この例示的な反応では、水、アルミニウム、および水酸化ナトリウムは、消費され得る燃料であり得、触媒炭素Ｃは触媒であり得る。

これらの例示的な実施形態のうちの一部では、反応はゆっくりと始まり得るが、これは、アルミニウムの表面上の酸化アルミニウム層に起因し得る。これらの例示的な実施形態では、反応の間に、酸化アルミニウムの層に穴が開くと、反応は加速し得る。一部の例示的な実施形態では、標準的な室温から華氏１８０度までの範囲の温度では、反応は１〜３分後に加速する。反応速度は、温度、ならびにアルミニウム、水、および／またはテトラヒドロキシアルミン酸ナトリウムの量などの様々な因子に左右され得る。塩（ＮａＣｌ）および／または他の電解質など、他の溶液および／または元素を使用して、触媒反応を加速することができる。

本開示の例示的な実施形態では、様々な異なる供給源からの水を使用することができる。純水を使用する必要はない。したがって、水素を生成するために、例えば水道水または海水よりも高価であり得る蒸留水または脱イオン水を使用する必要はない。本開示の例示的な実施形態では、水道水、汚水、高カルシウム水、塩水、海水、アルカリ性水、および酸性水を包含する様々な水源を例示的な化学反応において使用した。これらの実験で、これらの様々な水試料は全て、水素を生成するための本開示の例示的な実施形態の化学反応において、十分に機能することが見出された。一部の本開示の例示的な実施形態では、塩水およびアルカリ性水を包含する一部の形態の水は、脱イオン水または蒸留水などのより純粋な形態の水よりも、やや高い水素生成速度をもたらし得ることが見出された。これは、塩水およびアルカリ性水が、水をイオン化させる傾向を有し得る添加物を有し得、そのことで、水が、より化学的に活性で、かつ／または水溶液中でより動きやすくなり得ることが原因であり得る。これは、極性酸化物によって生じる静電界が、液体中の薬品を動かす力を形成することが原因であり得る。

様々な供給源からの水を使用することで、本開示の例示的な実施形態による水素セルおよび付随する部品の構成において使用される材料の腐食を最小化するために、水素セルのための構成材料、水、および水成分の選択において、例えば、さらなる設計の寛容性と自由とが使用者にもたらされ得る。様々な供給源からの水をそのように使用することで、例えば、幅広い範囲の材料を使用することが可能となることによって、著しいコスト削減がもたらされ得る。

本開示の例示的な実施形態によって水素を生成するために、塩水および／または海水を使用することで、本開示の例示的な実施形態を、海洋用途のために、さらに、沿岸域にエネルギー源を供給するために適したものにすることができる。本開示の例示的な実施形態は、離島を包含する世界中および任意の海岸付近において、水素生成をもたらし得る。したがって、多くの島国が、例えば、燃料コストを削減し、化石燃料をタンカー船で輸入する必要性を低下させるか、または除去するために、本開示の例示的な実施形態を使用することができる。

本開示の例示的な実施形態は、アルミニウム金属を生成するための既存の商業的方法を使用して十分に回収可能な副生成物を生成する。本開示の例示的な実施形態による水素の生成方法およびシステムからの副生成物は、望ましいものであり得る。それというのも、それらは純粋であり、ボーキサイト、ギブサイト、ベーマイト、針鉄鉱、ヘマタイト、カオリナイト、およびＴｉＯ_２を包含する汚染物質を含有するはずがないためである。本開示の例示的な実施形態の大量の副生成物は、Ａｌ（ＯＨ）_３およびＡｌ_２Ｏ_３であり得、これらは、さらなるアルミニウム金属を生成するために再循環させることができる。水酸化アルミニウムおよび酸化アルミニウムを再循環させることで、本開示の例示的な実施形態は、大量の水素を生成するために経済的に実行可能なものとなる。

アルミニウムを含有するボーキサイト鉱石からのアルミニウムの精錬では、Ｂａｙｅｒプロセス化学を使用することができ、これによって、水和物が形成し得るが、この水和物は、本開示の例示的な実施形態による上記のアルミニウム−水反応における反応生成物と本質的に同じであり得る。その水和物を焼成して水を除去すると、アルミナを形成することができる。次いで、約９００℃で、Ｈａｌｌ−Ｈｅｒｏｕｌｔプロセスを使用して、そのアルミナを電気分解によって、金属のアルミニウムに還元すると、純度９９．７％のアルミニウム金属を生成することができる。

図２は、本開示の例示的な実施形態によって水素を生成するためのシステムを図示している。加熱素子２０８を内部に有する加熱サブユニット２０２が装備されていてよい水素セル２００を用意することができる。加熱素子２０８は、導電性ヒーター、グロープラグ、その中を流れる温水を有する熱交換機コイルなどの様々なタイプのものであってよいが、そのようなものに限られない。 例えば、ワイヤ２０４などの給電が、加熱サブユニット２０２および／または加熱素子２０８に電力供給するために装備されていてよい。加熱素子２０８に熱を供給するために、温水を使用する場合には、２０４は、温水の入口／出口を表し得る。他の実施形態では、加熱素子は、バッテリーとは独立に作動してよく、かつ／または水素セル２００の内部にあってよい。水素セル２００の内部に、アルミニウムおよび水を例えば燃料として供給することができ、触媒炭素を例えば触媒として供給することができる。触媒炭素、水、およびアルミニウムの混合物を例えば加熱することを必要としつつ、触媒炭素、水、およびアルミニウムを水素セル２００内で、混合物の形で互いに接触させることができる。

本開示の例示的な実施形態では、１部の触媒炭素を、アルミニウム粉末、フレーク、または顆粒の形態であってよい１部のアルミニウムに約３部の水と共に、水素セル２００内で供給することができる。触媒炭素、アルミニウム、および水を様々な比で使用することができ、本開示は、いずれの特定の比にも限られない。一部の例示的な実施形態では、茶さじ１〜３杯の３０ミクロンアルミニウム粉末を燃料として使用することができる。

次いで、加熱素子２０８を使用して、触媒炭素、水、およびアルミニウムの混合物を華氏約１４０度〜華氏約１９０度の温度に加熱することができる。本開示は、いずれか温度範囲にも限定されず、様々な温度を、本開示の種々の実施形態に従って使用してよい。一部の例示的な実施形態では、混合物を華氏約１８０度に加熱することができ、このことによって、蒸発または沸騰による水の過剰な損失を防止することができる。水の沸点未満（すなわち、海面で華氏２１２度）である華氏約１６０度〜華氏約１８０度の範囲の温度で水素セルを運転することによって、水の蒸発（および熱損失または冷却）を制御および制限することができる。上記の式から、反応は水素および水酸化アルミニウムを生成し、水素を水素出口２０６で収集することができる。水素セル２００の内部で、または水素セル２００の外部で、適切な構造および要素を使用して、水酸化アルミニウムを収集することができる。

図３は、本開示の例示的な実施形態によって水素を生成するためのシステムを図示している。図３の例示的な実施形態のシステムは、図２の例示的な実施形態のシステムに類似しており、これは、水素セル３００、サブユニット３０２内の加熱素子３０８に導電出力を供給するワイヤ３０４を有してよく、ここでは、触媒炭素を触媒として使用し、アルミニウムおよび水を燃料として使用する。加熱素子３０８は、触媒炭素、アルミニウム、および水の混合物を加熱して、水素および水酸化アルミニウムを生成し、水素は、水素出口３０６で収集することができる。加えて、図３の例示的な実施形態は、冷却サブユニット３１０を有してよい。例えば、この冷却サブユニットは内部に、冷水入口３１２および水出口３１４を有する冷却コイルを有してよい。冷却コイルは、水、アルミニウム、および触媒炭素の混合物と接触してよい。冷却によって、反応プロセスの速度を遅くして、それによって、水素発生の速度および体積を低下させることができる。そのようなシステムは、水素をオンデマンドで生成するために使用することができる一方で、適切な計器およびツールを使用して、水素発生の速度および体積を上昇および低下させるために必要な温度を生じさせることができる。

本開示の例示的な実施形態による図３のシステムの実験では、水素セル３００に、水道水約１パイントをアルミニウム粉末（３ミクロンの粒径を有する）約４ｍＬおよび電気活性化炭素約４ｍＬと共に充填した。加熱サブユニット３０２によって、水、アルミニウム粉末、および電気活性化炭素の混合物を１分当たり華氏約２〜３度で加熱した。水素セル３００を約３０分間加熱し、次いで、加熱サブユニットをオフにした。この時点での水素セル３００の温度は華氏約１９０度であった。下記のグラフに示されているとおり、時間ｔ＝２０分での水素生成速度Ｒは、約３００ｍＬ／分であり、すぐ後に、約４９０ｍＬ／分でピークとなった。

水素生成反応が開始したとき、反応の発熱特徴は、燃料（すなわち、アルミニウム粉末）が約ｔ＝５０分で実験でほとんど消費されるまで、華氏約１９０度の温度を維持した。実験で生成した水素の全体積は、約４リットルであった。約ｔ＝２５分に、冷水を冷却サブユニット３１０（すなわち、冷却コイル）に、冷水入口３１２を介して供給すると、冷却速度は、１分当たり華氏約２〜３度であると測定された。

第二の実験では、先行する実験からの同じ電気活性化炭素を使用し、アルミニウム粉末約１２ｍＬを水素セル３００に供給した。ピークの水素生成速度は、約ｔ＝１２分で１分当たり約２．５リットルであると測定された。約２５分後に、生成した水素ガスの全体積は約２０リットルであった。実験の後に、加熱サブユニット３０２、冷却サブユニット３１０、または水素セル３００上で、腐食は認められなかった。

図３の例示的なシステムは、水素を「オンデマンド」で供給し得る。水素セル３００を加熱すると、温度が上昇し、水素生成が増加し得る。水素を発生させ、水素生成を増加させる際に考慮され得る因子（すなわち、制御パラメーター）は、水の量、電気活性化炭素の量、アルミニウムの量および種類、アルミニウム表面から酸化物／水酸化物を除去する様式および速度、ならびに温度であり得る。

水素セルを冷却することで（例えば、水素セルに冷水を供給することによって）、温度を低下させて、水素の生成を低減することができる。水素をオンデマンドで供給する場合、水素の生成速度を低下させるために、様々な因子（すなわち、制御パラメーター）が考慮され得る。例えば、水素セルから水を減らすことなどによって、水の量を減らせば、このことによって、水素の生成を停止させることができる。電気活性化炭素の量を減らすことによっても、水素の生成量を低下させることができるが、痕跡量が水素セル内になお存在することがあるので、全ての電気活性化炭素を完全に除去することは困難であり得る。水素セル内の温度を低下させることによっても、水素の生成を低下させることができる。例えば、水素セルの温度を華氏約１８〜２０度低下させることによって、水素セル内での水素の生成速度を約１／２低下させることができる。水素セルの温度をさらに華氏約１８から約２０度低下させることによって再び、水素セル内での水素生成を約１／２などに低下させることができ、後も同様である。冷却サブユニット３１０または水素セル３００の温度を低下させるための他のデバイス／方法を使用することによって、これを行うことができる。

研磨すると（すなわち、表面を覆っている酸化アルミニウムおよび／または水酸化アルミニウムフィルムを除去するために機械的スクラビングを用いると）、アルミニウムは、水および電気活性化炭素との化学反応において、より効率的な燃料になり得る。研磨もしくは撹拌の機械的作用または任意の他の方法を使用して、アルミニウムの表面上の酸化アルミニウムおよび／または水酸化アルミニウムを除去する場合に、水素セル内におけるプロセスを止めるか、またはプロセスを低下させることは、アルミニウムの表面上で酸化アルミニウムが形成する原因となり得、このことは、水素の生成を低下させ得る。また、水素セルから、または反応物からアルミニウムを除去することも、水素セル内での水素生成を止め得る。これらの制御パラメーターをそれぞれ単独で、または互いに組み合わせて使用して、水素生成を速度低下または停止させると、水素をオンデマンドで供給することができる。

例えば車両では、エンジン／ラジエーターの水温度（典型的には、車で華氏約１９５〜２００度）を調節する車両の温度調節器を使用して、水素セル温度の調節を達成することによって、最大水素生成速度を制御することが可能であり得る。その温度で、触媒をブレンドして、所望の水素最大流速達成することができる。このことによって、反応の発熱特徴が、水素セル温度を測定および制御することを必要としない限り、水素セル温度を測定および制御することが不要となり得る。もし、発熱温度の上昇によって、水素セル温度が自動車内のエンジン／ラジエーター水温度（典型的には華氏１９５〜２００度）を超えた場合には、車両のラジエーターシステムの水が、水素セルを冷却し始めて、温度調節をもたらし得る。この例示的な設計コンセプトでは、様々な水（または、これらに限られないが、フレオン、エチレングリコール、および／またはプロピレングリコールを包含する他の冷却剤）供給源からの冷却も、エンジンを停止する場合に、化学反応を速度低下させるために使用することができる。他の水素シャットダウン方法は、水の枯渇および／またはアルミニウム枯渇であり得る。

一部の本開示の例示的な実施形態では、本開示に記載のシステムを、水素を生成するための既存のシステムと組み合わせることができる。例えば、本開示のシステム（複数可）と、電気分解システムとを組み合わせるハイブリッドシステムを、水素を生成するために提供することができる。電気分解システムは、かなりの熱を生成し得、その熱を使用して、本開示に記載の反応を開始または維持することができる。例えば、電気分解システムからの熱で、水、アルミニウム、および電気活性化炭素が加熱されて水素を生成する式１の反応を開始または維持することができる。次いで、個々の目的のために、いずれか一方または両方のシステムから生成された水素を使用することができる。このことによって、電気分解を使用して水素を発生させるために使用された従来技術の方法およびシステムとは異なり、ｐＨ中性の化学作用を使用することができる方法およびシステムが提供され得る。

ハイブリッドシステムの使用には、いくつかの利点が存在し得る。単一のチャンバーが、炭素の電気活性化をもたらし、さらには水素発生ももたらし得る。したがって、炭素は連続的に、電気活性化炭素に変換され、次いで水素を生成し得る。他の利点は、電気分解のみを使用する場合よりも、より多い水素が１単位エネルギーインプット当たり生成され得ること、および電気分解に必要な入力を、式１および２に記載の触媒反応を所望の運転温度に加熱するために使用することができることであり得る。さらに、電気分解の化学作用は、水がＨおよびＯＨ基に分解する場合に、式１および２に記載の触媒反応でアルミニウムが酸化して、ＯＨ化学基と結合する際の助けとなり得る。

一部の例示的な実施形態では、ハイブリッドシステムは、水素を生成するために、電気分解および触媒炭素を組み合わせて使用することができる。多くの場合に、電気活性化炭素をアルミニウムなどの燃料と共に使用すると、酸化アルミニウムおよび水酸化アルミニウムが、大きな固体の形態で形成し得る。これらの固体は、大きいものであり得、セルの運転中、さらに、セルのメンテナンス中にも除去することが困難であり得る。低電流電気分解を電気活性化炭素およびアルミニウムを含有する液体組成物中で使用すると、非常に小さい粒の酸化アルミニウムおよび水酸化アルミニウムのみが形成するように、これらの大きな固体の形成を防ぐことができる。電気分解をセルに供給する他の利点は、液体に供与されるエネルギーが、熱源であってよいことであり得る。熱を触媒炭素反応のために使用すると、温度が華氏約１８〜約２０度上昇する毎に、水素生成速度が２倍になり得るようなより高い速度で、水素を生成することができる。ハイブリッドシステムの様々な他の組合せが本開示によって企図されるが、それらは、上記に限定されない。

本開示の例示的な実施形態では、式１の化学反応に基づき生成される水素の純度を試験するための実験を行った。この実験における電気活性化炭素は、６アンペア時で電気活性化されていた。高純度ＨＰＬＣグレードの水約４００ｍＬを水素セルのチャンバーに供給し、華氏約１７０度に加熱した。次いで、電気活性化炭素約１２グラムおよびアルミニウム粉末約１８グラムを水素セルのチャンバーに加えた。反応は、約２００ｍＬ／分の最高水素発生速度を達成した。測定用計装を介して、この反応によって生成された水素は純度約９３％であることが決定された。水素生成は、水素セルのチャンバー内の、および水素純度を試験するための計測用計装に至る管内の空気で始まった。残りの７％は、水蒸気を含有し得る空気であり得、水蒸気の量は、反応中の水素セルの温度に左右され得る。この配置では、式１に記載の反応を使用して、水素は自動的に、触媒炭素、水、およびアルミニウムから分離して、水素純度を測定する際に、相分離器は必要なかった。

図４には、本開示の例示的な実施形態による、水素を燃料として車両に供給するためのシステムが図示されている。このシステムは、２つの主な容器、すなわちバブラー４００および水素セル４０６からなり得る。水素セル４０６は、水素気泡がそれを介して、水素セル４０６からバブラー４００へと上昇し得る管４０２によって、バブラー４００に連結されていてよい。水素セル４０６は、グロープラグ４０５または一部の他の種類の加熱素子／デバイスで加熱することができる。水素セル温度、例えば、華氏約１８０度を維持するために、グロープラグ４０５または他の加熱素子は、サーミスタ温度センサ４０７、または他の同様の温度感知および制御デバイスを使用して電子的に制御され得る。水、アルミニウム（例えば、アルミニウム粉末）、および触媒炭素を、水素セル４０６に入れることができる。

水素セル４０６は水、アルミニウム粉末、および触媒炭素の混合物で満たされていてよく、かつバブラー４００は、水レベル４０１まで、混合物で部分的に満たされていてよいように、水レベル４０１を維持することができる。必要な場合には、より多くの水素を発生させるために、所望の場合にはアルミニウムを研磨／撹拌／混合して、アルミニウム表面から酸化アルミニウムをいずれも除去するために、機械的作用を水素セルに加えることができる。加熱すると、水素気泡が、重力流を使用してバブラー４００内のチャンバー領域４０３へと上昇するはずであり、水素ガスを車両の空気吸入マニホルドに、出口４０４を介して供給することができる。

図４の例示的なシステムを使用する実験では、水素セル４０６およびバブラー４００を保持するためのブラケットを使用して、水素セル４０６およびバブラー４００を試験車両のエンジンに取り付け、出口４０４を、試験車両のエンジンの空気吸入マニホルドに接続した。酸素センサ調製装置または他のエンジン修飾は実施しなかった。通常の運転条件（すなわち、水素なし）下で、試験車両は、レギュラー無鉛燃料を使用しての高速道路運転の間に、１ガロン当たり約２６〜２８マイルを達成した。

試験車両の第１の（非最適化）実験運転は、水素を供給することで、１ガロン当たりのマイル数に劇的な上昇が生じることを示した。ｔ＝０分で、水素セル４０６に、茶さじ約２杯のアルミニウム粉末、茶さじ約２杯の触媒炭素、および水を充填した。加熱素子（すなわち、グロープラグ）をオンにした。当初の加熱および水素流には約５分かかった。水素がバブラー４００のチャンバー４０３内で形成した。ｔ＝５分で、試験車両は、水素を出口４０４から車両エンジンへと流し始めた。電子式燃料噴射（ＥＦＩ）コンピュータは自動的に、開ループモード（すなわち、酸素センサからのフィードバックシグナルのない通常のエンジン起動モード）で運転を開始し、閉ループ（すなわち、酸素センサからのフィードバックシグナルを使用する、エンジンのウォーミングアップ後の通常モード）にした。このウォーミングアップ期間の間に、水素は、水素システム出口４０４から、試験車両のエンジンの空気吸入マニホルドへと流れた。試験車両は、高速道路上で１時間当たり約５５マイルの速度に達し、水素流速は、１分当たり約０．３リットルであると推定された。１ガロン当たりのマイル単位で実時間距離を測定するために調節された走査ゲージによって測定すると、車両は１ガロン当たり約３７マイルを得ていた。

ｔ＝１０分で、水素流速は、時間と共に低下していくことに気付いた。試験車両は、１ガロン当たり約３５．７マイルを得ていた。ソレノイドバルブ（出口４０４から車両のエンジンへの間を配管する際に装備されている）を開閉して、水素が空気にベントされるようにした（エンジンには配管されていない）。１ガロン当たり約３５．７マイルから、１ガロン当たり約３３．３マイルへと、１ガロン当たりのマイル数は約６．７％低下した。

試験車両は、第１の非最適化実験走行の間に、１ガロン当たりのマイル数において３２％の増加を証明した。いくつかの改善（すなわち、より高い水素流速）を伴う数回の後続の試験走行において、車両は、１ガロン当たりのマイル数において４０％までの増加を証明した。

水素を生成する従来の方法（例えば、電気分解、熱形成など）は、１分当たりの体積単位、または必要なエネルギーの１ジュール当たり、材料の１グラム当たり、１分当たりのリットル（ＬＰＭ）または１ジュール当たりのＬＰＭ／ｇｍにおいて測定して、低速で水素を生成し得る。生成速度評価についてのこの例示的なベンチマークを使用すると、電気分解および熱改質は、単純に、プロセスを駆動するために多くのエネルギーが必要とされる（ジュールで測定して）ことによって、不十分な実行形態であるという結論に達する。

本開示の例示的な実施形態では、水素生成速度は、電気分解または熱改質プロセスの水素生成速度よりもかなり早いものであり得る。これらの例示的な実施形態は、一般に、この温度範囲に限られないが、華氏約１５０度から華氏約１９０度の温度範囲であり得る上記の化学反応を開始させるために、外部加熱を使用することができる。一般に、反応温度は、標準的な室温ほどの低さであってよいが、水素発生速度は、運転温度が華氏約１８〜２０度低下する毎に、約５０％低下し得る。反応温度は、水の沸騰温度ほどの高さであってよく、より速い流速が必要な蒸気環境では、より高くてよい。本開示の例示的な実施形態は、特定の温度範囲に限定されない。

開始すると、本開示に記載の触媒反応は、基本的に発熱性であり、水素セルの熱力学的平衡が所望の運転温度で生じるように設定されていれば、反応は、反応を持続させるのに十分な加熱をもたらし得る。システムから出るエネルギー（熱）量が、システムに入るエネルギー（熱）の量（主に、発熱反応によって生じる熱に起因する）と同じであると、熱力学的平衡運転条件が達成され得る。これらの実験条件下では、システム温度は一定であり得、外部供給されるエネルギーが、加熱または冷却のために必要とされることはない。異なる（非熱平衡）運転条件下では、水素生成速度を例えば所望のターゲット値に制限することが、かつ／または水蒸気の沸騰または過剰な損失を防ぐために、セルの温度を制限することが必要な場合に、冷却のための外部エネルギーが必要とされることがあるだけである。

本開示の例示的な実施形態では、約４００ｍＬ／分から約４リットル／分の水素のピーク生成速度をセル内で得る数回の実験走行を実施したが、この際、各セルに、水道水を、粉末化アルミニウム約１０グラム〜約４０グラム、および約６アンペア時で電気活性化しておいた茶さじ約２杯の触媒炭素と共に供給した。これらの実験セルは、約１００ｍＬ〜約１リットルの範囲の反応チャンバー体積を有した。華氏約１６０度から華氏約１９０度の範囲の温度での実験走行で、速い水素生成速度（例えば、約４００ｍＬ／分〜約４リットル／分）が証明された。本開示の例示的な実施形態によって、例えば、より多くの触媒炭素、アルミニウム、および水を供給することができるより大きなセルを使用することによって、より速い速度がもたらされ得る。水、アルミニウム、および触媒炭素を水素生成セルに供給することによって、制御された、持続される水素の生成が達成され得ることが証明された。

陸上車および海洋船、さらには、発電（例えば、発電所）のための燃料供給の他に、水素生成についての多くの他の用途が、本開示によって企図される。図５に示されているとおり、家屋または商業用ビルなどの建造物に熱を供給するためのボイラーシステムが、本開示の例示的な実施形態によって提供され得る。図５の例示的なボイラーシステムに示されているとおり、水、アルミニウム、および触媒炭素が、水素ガスを生成するために供給され得る水素セル５０８が用意され得る。重力流／浮力流を介して、水素ガスは上方向５１０へと進んで、ボイラーシステム５００に至るはずである（または別法では、他の例示的な設計で適切な配管を介して、ボイラーシステム５００へと向かい得る）。

水素気泡５１２は、上方向へと進んで、ボイラーシステム５００内の水レベル５１１に至るはずである。水入口５０７（室温か、または温水であってよい）および水出口５０９が、ボイラーシステム５００に装備されていてよい。例えば、ホース、パイプ、空気圧縮、バルブ、空気圧力調節器、または他のそのような種類のデバイスによって、空気を水中か、または水素気泡５１２が現れる水レベル５１１の表面近くに噴射することができる。水素および空気からなる可燃性混合物に点火して、ボイラーシステム５００内で火炎５０２を得るために、点火器５０６が装備されていてよい。ボイラーシステム５００内の火炎によってもたらされる熱を、ヒーターとして使用するためのフィンまたは他の熱放射素子などの加熱素子に供給することができるか、または直接的な火炎と水との接触によって、熱放射素子を用いずに、水を加熱することができる。

図５のシステムの他の例示的な実施形態では、ボイラーシステムを、１気圧よりも高い圧力で運転することができ、例えば、電気を作るためにタービンを駆動させるか、または熱を得るために、蒸気を出口５０４を介して供給することができる。加圧蒸気ボイラーの運転を、運転の制御と安全性との両方のために設計された圧力調節器および他の装置と適合させることができる。

図５に示されているとおりの、水素を使用するボイラー系には、多くの利点が存在し得る。例えば、バーナーが必要ないので、バーナーの腐食がなく、メンテナンスが不要である。水を加熱するために、火炎を、水と直接接触させることができる。火室（燃焼室）が必要なく、高温ガス管でのフライアッシュの堆積がなく（典型的に、石炭燃焼室／ボイラーシステムにおける問題）、管のメンテナンスが不要である。煙突が必要なく、燃焼生成物は主に水／蒸気である。さらに、望ましくない排液または排気および環境汚染がない。

化石燃料不足は、将来的に世界的な問題となり得る。燃料の輸送および貯蔵も、軍事部隊などにとっては、大きな兵站問題であり得る。本開示の例示的な実施形態によって、大容積の化石燃料の輸送および貯蔵の必要性を低減することが可能となる。本開示の例示的な実施形態における燃料の利用可能性は、水およびアルミニウムの利用可能性に基づき得る。無水アルミニウムは、通常の条件下では爆発性ではなく、輸送および貯蔵が容易であり得る。特殊な取り扱いまたは特殊なシェルターの要求を必要とすることはない。それというのも、自然の極端な天候にさらされた場合に、アルミニウムは、浸食、腐食、またはアルミニウムに対する他の損傷を防ぎ得る保護的酸化物を迅速に形成するためである。水は、様々な形態で容易に輸送することができる。水道水、海水、塩水、および／または任意の種類の水を、本開示の例示的な実施形態において燃料として使用することができる。

水素を豊富に生成することができる材料は僅か数種類しかなく、これらには、炭化水素および水が包含され得る。これらの材料のうち、水は、水素の、汚染をもたらさない供給源であり得る。新たな水素経済が現行の「オイル／ガス／石炭／核」経済に置き換わる前に対処する必要のある問題のうちの一つは、望ましい速度で水素を発生させる安全で、環境的に良好で、かつ対費用効果の高い方法を見出すことであり得る。本開示の例示的な実施形態は、水素発生の安全で、対費用効果が高く、環境的に良好な方法およびシステムを提供する。

炭素、水、アルミニウム、酸化アルミニウム、および水酸化アルミニウムは、知られている最も安全な材料のうちの一部であり得る（例えばこれらは、食品、薬品、化粧品、および製品の使用／取り扱いが安全な他のものにおいて、一般的に使用されている）。本開示の例示的な実施形態は、６〜８の範囲の中性ｐＨ値を包含し得る広範なｐＨを使用して機能する方法およびシステムに、これらの要素を供給する。中性のｐＨ化学を使用することで、ヒトの皮膚および眼に対する酸熱傷またはアルカリ熱傷の脅威を排除することができる。偶発的なはね返りによる、眼へのアルカリ熱傷損傷は、水素を生成するための電気分解で電解質を使用する場合に、安全上の問題であり得る。電気分解は、水の導電性を高めるために、強電解質の使用を基本的に必要とし得る一方で、本開示の例示的な実施形態は、電気分解を使用することなく、かつ電解質添加剤を必要とすることなく、化学的に水素を生成することができる。本開示の例示的な実施形態は、安全であり、簡単なケアによって管理することができる。

アルミニウム以外の一部の金属は、それらの金属が水と接触すると、自発的に水素を生成し得る。例えば、カリウム（Ｋ）およびナトリウム（Ｎａ）などの金属は、水と接触すると、水素を生成し得る。しかしながら、残留する水酸化物生成物（すなわち、ナトリウム反応では、ＫＯＨ）は腐食性で、取り扱いが危険で、潜在的に環境を汚染し得る。これらの金属は、金属が水中に落下すると自発的に進行し得る簡単な反応を介して、水を分解する作用物質として使用することはできるが、これらの反応は、アルミニウムよりも安全性が低いものであり得、アルミニウムおよび本開示の例示的な実施形態に記載の反応のように容易に制御することはできない。

本明細書に記載の方法およびシステムの例示的な実施形態は、例えば、車両用の燃料（トラック、自動車、オートバイなど）、船舶用の燃料（ボート、潜水艦、貨物船など）、建造物、都市などに電気を供給し得る発電所用の電力、および水素が燃料／電力の供給源として使用され得るいくつかの他の用途を促進し、かつ／またはそれらを提供し得る。ヒーター用の水または蒸気を必要とする用途では、水の下で水素を生成し得る本明細書に記載の触媒炭素反応により、ボイラー装置が可能であり得る。多くの使用分野および実施形態が本開示によって企図され、その際、低い流速から非常に高い流速までの範囲の水素生成を、タンク貯蔵を必要とせずに、様々な目的のために使用することができる。

本開示の例示的な実施形態によって記載された例示的な用途で、様々な他の問題にも対処することができる。種々の水素発生体積と共に様々な水素発生速度を、用途分野に応じて提供することができる。水の量、アルミニウムなどの燃料の量、および電気活性化炭素の量などの種々の因子が、因子であり得る。当業者であれば、本開示の例示的な実施形態に基づく常套的な実験によって、水素発生の様々な速度および体積を得ることができることを理解し得るであろう。これらの反応の間に温度を制御することで、水素をオンデマンドで供給することができ、反応の間に水素セルのチャンバーの温度を調節して、水素をオンデマンドで、例えば車両に供給することができる水素セルを構成することができる。

前述は、本開示の原理を説明しているに過ぎない。本明細書の教示を考慮すれば、記載の実施形態に対する様々な変更形態および改変形態が当業者には明らかであろう。したがって、当業者は、本明細書に明確に示されているか、または記されてはいないが、本開示の原理を体現し、したがって、本開示の意図内および範囲内である多数のシステム、アレンジ、製造、および方法を考案することができるであろうことは分かるであろう。

１００ 活性化セル
１００ａ 活性化セル１００の第１の側面
１００ｂ 活性化セル１００の第２の側面
１０２ 陽極
１０４ 陰極
１０６ 炭素
１０８ 水
２００ 水素セル
２０２ 加熱サブユニット
２０４ ワイヤ
２０６ 水素出口２０６
２０８ 加熱素子
３００ 水素セル
３０２ サブユニット
３０４ ワイヤ
３０６ 水素出口
３０８ 加熱素子
３１０ 冷却サブユニット
３１２ 冷水入口
３１４ 水出口
４００ バブラー
４０１ 水レベル
４０２ 管
４０３ チャンバー領域
４０４ 出口
４０５ グロープラグ
４０６ 水素セル
４０７ サーミスタ温度センサ
５００ ボイラーシステム
５０２ 火炎
５０４ 出口
５０６ 点火器
５０７ 水入口
５０８ 水素セル
５０９ 水出口
５１０ 上方向
５１１ 水レベル
５１２ 水素気泡

Claims (26)

1. 水素生成のための触媒を生成する方法であって、
   容器に炭素材料を供給するステップと；
   前記容器に水を供給するステップと；
   前記水を通じて電気エネルギーを前記炭素材料に供給して、前記水中で前記炭素材料を電気活性化して、電気活性化炭素を生成するステップと；
   前記水から前記電気活性化炭素を分離するステップと；
   水素を供給するための触媒としての使用のための前記電気活性化炭素を供給するステップとを含む方法。
2. 前記電気活性化炭素を乾燥するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記水に電解質を加えるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記電気エネルギーを６アンペア時で供給する、請求項１に記載の方法。
5. 前記炭素材料が、純粋な炭素、固体炭素、破砕炭素、焼結炭素、炭素複合材料、炭、圧縮炭素、炭素ブロック、黒鉛、炭素顆粒、顆粒活性化炭素、または石炭のうちの１種または複数である、請求項１に記載の方法。
6. 水素を生成する方法であって：
   電気活性化炭素、水、及び燃料を組み合わせるステップであって、前記燃料は化学反応で前記水中の水分子のＯＨ基を結合することが可能である、ステップと；
   前記水分子の分離を引き起こす水と前記燃料との間で化学反応を発生させて、水素を生成するステップとを含む方法。
7. 前記燃料が、純粋なアルミニウム、アルミニウム粉末、アルミニウム顆粒、またはアルミニウム削り屑のうちのいずれかである、請求項６に記載の方法。
8. 水素生成における前記アルミニウムを混合する、研磨する、又は細断するステップとをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 電気活性化炭素、水、および燃料の前記組合せの前記化学反応を制御して、水素をオンデマンドで生成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
10. 水素の生成を増やすためには、前記組合せを加熱し、水素の生成を減らすためには、前記組み合わせを冷却することによって、前記化学反応を制御する、請求項９に記載の方法。
11. 前記組合せを、華氏１５０度〜華氏１９０度の範囲の温度に加熱する、請求項１０に記載の方法。
12. 水素の生成を増やすためには、前記電気活性化炭素、水、および燃料のうちの１種または複数の量を足し、水素の生成を減らすためには、前記電気活性化炭素、水、および燃料のうちの１種または複数の量を減らすことによって、前記化学反応を制御する、請求項９に記載の方法。
13. 前記水が、水道水、汚水、高カルシウム水、塩水、海水、アルカリ性水、または酸性水の１つ以上を含む、請求項６に記載の方法。
14. 燃料は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、酸化バリウム、純粋なアルミニウム、アルミニウム粉末、アルミニウム顆粒、またはアルミニウム削り屑を含む、請求項６の方法。
15. 前記燃料が、純粋なアルミニウム、アルミニウム粉末、アルミニウム顆粒、またはアルミニウム削り屑のうちのいずれかである、請求項６に記載の方法。
16. 水素生成のための触媒を生成するシステムであって：
    水を含む液体組成物中で炭素材料を有する活性化セル；および
    前記液体組成物中で電気エネルギーを供給して、前記活性化セル内の前記炭素材料を電気活性化するように構成されている装置を含み、その際、前記電気活性化炭素が、水素を生成する化学反応で使用されるシステムであって、
    前記装置は電気エネルギーを６アンペア時で供給するよう構成されている、システム。
17. 前記液体組成物が電解質をさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記炭素材料が、純粋な炭素、固体炭素、破砕炭素、焼結炭素、炭素複合材料、炭、圧縮炭素、炭素ブロック、黒鉛、炭素顆粒、顆粒活性化炭素、または石炭のうちの１種または複数である、請求項１６に記載のシステム。
19. 水素を生成するためのシステムであって：
    液体組成物、燃料、および電気活性化炭素を有する容器であって、前記燃料は化学反応で前記液体組成物中の水分子のＯＨ基を結合することが可能である、容器；および
    前記水分子の分離を引き起こす燃料と前記液体組成物との間で化学反応を発生させて、水素を生成する装置を含むシステム。
20. 燃料は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、酸化バリウム、純粋なアルミニウム、アルミニウム粉末、アルミニウム顆粒、またはアルミニウム削り屑を含む、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記燃料が、純粋なアルミニウム、アルミニウム粉末、アルミニウム顆粒、またはアルミニウム削り屑のうちのいずれかである、請求項１９に記載のシステム。
22. 前記液体組成物、電気活性化炭素、および燃料の間での前記化学反応を制御して、水素をオンデマンドで生成するための１つまたは複数の機構をさらに含む、請求項１９に記載のシステム。
23. 前記１つまたは複数の機構が、水素の生成を増やすためには、前記液体組成物、電気活性化炭素、および燃料の前記組合せを加熱し、水素の生成を減らすためには、前記液体組成物、電気活性化炭素、および燃料の前記組合せを冷却する、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記１つまたは複数の機構が、電気活性化炭素、水、および燃料の前記組合せを、華氏１５０度〜華氏１９０度の間の温度範囲に加熱する、請求項２３に記載のシステム。
25. 水素の生成を増やすためには、前記電気活性化炭素、液体組成物、および燃料のうちの１種または複数の量を足し、水素の生成を減らすためには、前記電気活性化炭素、液体組成物、および燃料のうちの１種または複数の量を減らすことによって、前記化学反応を制御する、請求項２２に記載のシステム。
26. 前記液体組成物が、水、水道水、汚水、高カルシウム水、塩水、海水、アルカリ性水、または酸性水を含む、請求項１９に記載のシステム。