(57)【要約】  水蒸気の添加によってリアクターシステムへ加えられたエネルギーの一部が反応性または触媒表面またはその近くにおいて解離したＨ２Ｏ分子の数を増加させるために使用される高温かつ正圧において水蒸気が増強されたリアクターへ導入されるステップを有する増強されたエネルギー生産システム。
2007502361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気の添加によってリアクターシステムへ加えられたエネルギーの一部が反応性または触媒表面またはその近くで解離したＨ２Ｏ分子の数を増加させるために使用される、高温かつ正圧において水蒸気が増強されたリアクターへ導入されるステップを有する増強されたエネルギー生産システム。
【請求項２】
システムへ導入される水蒸気は、水素を生産する電気的陰性半電池反応を選択し；前記電気的陰性半電池反応を駆動するのに十分な電位を有する第１の電気的陽性半電池反応を選択し；第２の電気的陽性半電池反応を選択し；選択した電気的陽性半電池反応は前記電気的陰性半電池反応との組合わせにおいて水からの水素および／またはエネルギー生産に増加を産み出し；そして前記半電池反応を組合せるステップを含んでいる化学反応から水素および／またはエネルギーを発生させるための方法の副産物として生産される請求項１の増強されたエネルギー生産システム。
【請求項３】
一以上の半電池反応の反応系をさらに含んでいる請求項１の増強されたエネルギー生産システム。
【請求項４】
反応系または半電池反応は反応性または触媒表面の提供を必要とするかまたはそれによって助けられる請求項３の増強されたエネルギー生産システム。
【請求項５】
反応系は、１族または２族金属、二元水素化物、三元水素化物、両性元素、周期律表１族または２族の電気的陽性元素およびキレート化遷移金属、リンのオキシ酸およびイオウのオキシ酸から選ばれた種の酸化を含んでいる一以上の電気的陽性半電池反応を含む請求項３の増強されたエネルギー生産システム。
【請求項６】
反応系は、増加した配位数の実現において一以上の電子を放出するように配座が変化できる有機金属錯化合物を含んでいる一以上の電気的陽性半電池反応を含む請求項３の増強されたエネルギー生産システム。
【請求項７】
反応系は、さらなる半導性材料または分子の生成を含む請求項３の増強されたエネルギー生産システム。
【請求項８】
半導性材料または分子は複合材料または分子である請求項７の増強されたエネルギー生産システム。
【請求項９】
電池内の発熱化学反応から熱を移動するために、または発熱化学反応をコントロールするために使用することができる関連する熱交換システムをさらに含んでいる請求項１の増強されたエネルギー生産システム。
【請求項１０】
水素および／またはエネルギーを発生させるための２部プロセスを含んでいる増強されたエネルギー生産システムであって、第１部は水素を生産する電気的陰性半電池反応を選択し；前記電気的陰性半電池反応を駆動するのに十分な電位を有する第１の電気的陽性半電池反応を選択し；第２の電気的陽性半電池反応を選択し；選択した第１および第２の電気的陽性半電池反応は前記電気的陰性半電池反応との組合せにおいて水からの水素および／またはエネルギー生産に増加を産み出し；そして前記半電池反応を組合わせるステップを含んでいる一次反応系であり；そして第２部は第１のステップの副産物として生産された水蒸気を高温かつ正圧において増強されたリアクター中へ導入することを含み、ここで水蒸気の添加によってリアクターシステムに加えられたエネルギーの一部が反応性または触媒表面またはその近くで解離したＨ２Ｏ分子の数を増加させるようにリアクター中の反応系によって使用される前記増強されたエネルギー生産システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエネルギー生産、および特に水素および熱の形において水から非汚染エネルギー源を提供する、既存のエネルギー生産システムの収率を増大するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在原子力、太陽、水力発電、地熱、風力および潮力のような様々のエネルギー源が利用されている。しかしながら現在ずばぬけて最も普通の便利なエネルギー源は炭素質産物の燃焼に基いている。例えば、石炭、コークス、木材、石油およびディーゼル油である。必要により、そのような炭素質産物が燃焼する時それらは炭素酸化物、最も注意すべきＣＯ２を産出する。
【０００３】
ＣＯ２は温室ガスとして有名であり、そして１９９７年の京都議定書はそのような温室ガスのレベルを減らし、究極的には地球温暖化およびその影響を最小限にすることを目指している。
【０００４】
それ故燃料として水素の使用は魅力的な代替燃料を代表する。
【０００５】
燃料電池は、水蒸気、触媒、高温等によって水素リッチ有機化合物（メタンおよびメタノールのような）の改質を含む反応により、水素を直接電気エネルギーに変換する。燃料電池は、中間の燃焼変化なしに燃料中の化学エネルギーの電気エネルギーへの直接変換によって作動する。それらは大量エネルギー生産の主要な次世代源を代表し、そして発電への有意義な貢献を目指している。しかしながらこれらの燃料電池は、それらの水素源として改質した有機物を使用する時ＣＯまたはＣＯ２のような炭素酸化物をすべて産出するという不利益を蒙る。
【０００６】
地球上には遊離または未結合水素はまれである。それに通常水、炭化水素、およびすべての植物性および動物性物質のような結合形で見られる。元素水素の生産における主要な配慮は通常コストと利便性である。研究室においては、通常適当な金属と置換する酸との反応により、または水の電気分解によって製造される。商業用水素のためには、主要な源は水と炭化水素である。これら吸熱反応はエネルギーを必要とする。
【０００７】
分子状水素は、その生産の発熱性によって証明されるように、重要なエネルギー源である。その内部エネルギーは燃焼または燃料電池内において酸素との反応によって放出することができる。
【０００８】
しかしながら水素ガスの燃焼は炭素酸化物を直接生産せず、クリーンな燃焼は理論上純粋な水のみを生産する。
【０００９】
分子状水素生産のための上に述べた電子的および脱水素プロセスは欲しない副産物を生産する。電気分解は有用な酸素を生産するが、しかし有機化合物の脱水素化は地球温暖化ガスである二酸化炭素を生産する。またこれらプロセスは外部ソースから多量のエネルギー入力を必要とする。
【００１０】
自己支持型発熱反応によって純水素分子を生産する試みがなされた。米国特許Ｎｏ．４，４６３，０６３には慣用の水素発生装置が記載され、そして水素化金属と水との反応、そして不活性カソードにおいて放電するための電子を供給するように、電解質に徐々に溶解する押出した電気的陽性金属アノードに触れている。
【００１１】
これらすべての場合において、生産される水素は別にして生産する化合物は廃棄物と考えられ、それらの収集および廃棄に関連する問題を伴う。
【００１２】
純粋な水素は以下の半電池方程式に従って水から遊離させることができる。
【００１３】
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→２ＯＨ−＋Ｈ２Ｏ    Ｅ０＝−０．８２８Ｖ
【００１４】
理論上０．８２８Ｖより大きいＥ０値を持つ電気的陽性システムは水素を生産するように水と反応することができる。そのような０．８２８Ｖより上のＥ０値を有する電気的陽性システムの例は、例えば
２H−→Ｈ２＋２ｅ−      Ｅ０＝２．２３Ｖ
を含む。
【００１５】
Ａｌ＋Ｈ２Ｏ＋ＮａＯＨ→ＮａＡｌO２＋１  １／２Ｈ２
によって与えられるような水素生産のための金属の反応は化学的には見込みあるが、しかしそれらは動力学的に非常に遅く、そして水素は長期間に亘って遅い速度で生産される。このゆっくりした水素の流れは商業的使用のためには不満足である。
【００１６】
それ故、電池によって生産される水素の量ばかりでなく、水素生産速度を最大にすることが望まれる。
【００１７】
この分野における最も最近の発明は、メタノールから水素生産のための発生装置を記載する（米国特許Ｎｏ．５，７１２，０５２および５，８８５，７２７）。しかしながら上記反応の副産物は一酸化炭素であり、これは触媒によって吸着され、電極の触媒機能の低下およびその後のシステムエネルギー効率の低下と呼ばれる触媒被毒を引き起こす。この問題を最小化するため、そのような発生装置は必ずシステム中の一酸化炭素濃度を測定するための手段と、それを減らすための手段を備えなければならない。
【００１８】
２００４年８月までに生産された商業的に使用可能な水素は大部分天然ガスから抽出されていた。水素の９０％近くはナフサまたは天然ガスの水蒸気改質によって得られる。石炭ガス化および水の電気分解は水素生産のための他の工業的方法である。しかしながらこれらプロセスは高度にエネルギー集約的で、そして主に産物としてＣＯまたはＣＯ２の生産のため必ずしも環境フレンドリーではない。
【００１９】
水蒸気−鉄プロセスは水素生産の最も古い方法の一つである。
【００２０】
鉄＋水蒸気⇔酸化鉄（III）＋水素
２Ｆｅ（ｓ）＋３Ｈ２Ｏ（ｇ）⇔Ｆｅ２Ｏ３（ｓ）＋３Ｈ２（ｇ）
鉄と水蒸気の反応は可逆的であることに注目せよ。
【００２１】
高純度の水素生産のための経済的観点からも、これは重要な選択肢であると考えられたが、天然ガスの水蒸気改質または重油の部分酸化はそれを上廻っていた。水蒸気−鉄プロセスへの関心は、燃料電池での水素の使用のために、特に重要なこのプロセスによって生産することができる比較的クリーンな水素のためと、そしてこのプロセスのための更新可能なエネルギー源使用の可能性のために、最近成長している。
【００２２】
水蒸気−鉄プロセスを利用する先行技術の一システムは、その中の適切な反応が以下のとおりである。サイクルプロセスに向けられている。
【００２３】
３Ｆｅ（ｓ）＋４Ｈ２Ｏ（ｇ）⇔Ｆｅ３Ｏ４（ｓ）＋４Ｈ２（ｇ）
３ＦｅＯ＋Ｈ２Ｏ（ｇ）⇔Ｆｅ３Ｏ４（ｓ）＋Ｈ２（ｇ）
【００２４】
天然ガスまたは他の気体還元種はＦｅ２Ｏ３（ヘマタイト）またはＦｅ３Ｏ４（マグネタイト）のような高次酸化状態から酸素を奪うことができ、炭素酸化物、水および未変換炭化水素の流れを形成する。もし操業条件とリアクター設計が適切に選択されたならば、以下の方程式に従って二酸化炭素と水のみが生産される。
【００２５】
４Ｆｅ２Ｏ３＋ＣＨ４⇔８ＦｅＯ＋ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
４Ｆｅ２Ｏ３＋３ＣＨ４⇔８Ｆｅ＋３ＣＯ２＋６Ｈ２Ｏ
４Ｆｅ３Ｏ４＋ＣＨ４⇔１２ＦｅＯ＋ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
Ｆｅ３Ｏ４＋ＣＨ４⇔３Ｆｅ＋ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
【００２６】
凝縮水はすぐ貯蔵される純粋二酸化炭素の流れから離れる。このシステムの欠点は、取出される水素の純度を最大化するために別々のリアクターと鉄再生装置を使用しなければならないことである。
【００２７】
我々の以前のシステムは、水素を生産する電気的陰性半電池反応を選択するステップ；前記電気的陰性半電池反応を駆動するのに充分な電位を有する電気的陽性半電池反応を選択するステップ；および第２の電気的陽性半電池反応を選択するステップを含み；選択された前記第１および第２の電気的陽性半電池反応は水からの水素および／またはエネルギー生産の増加を産み出すように前記電気的陰性半電池反応と組合わされ；そして前記半電池反応を組合わせるステップを含んでいた。このシステムは、適切な半電池反応の選択、薬品濃度および必然的な相互作用を通じ、反応剤５４ｇと水１ＬからＳＴＰにおいて約６７Ｌの水素を生産した。副産物として、このシステムは水蒸気の多量を生産した。
【００２８】
エネルギーおよび燃料の輸送および貯蔵もしばしば問題である。電気の直接移送は、電気を長距離に亘って送電する時エネルギーの実質的損失を結果する。高張力電線、鉄塔およびブースターの使用と、消費者へ適切な配電を確実にするサブステーション配列を必要とする長距離送電のための巨額のインフラ投資も必要である。
【００２９】
天然ガスのようなガス燃料の輸送も適切な圧力を確保しそして消費者へ供給するために実質的なインフラ投資が必要である。１回使用および再充填シリンダーがある場合には実際的であるが、しかし家庭用サイズシリンダーでさえもバルキーで重く、そして定期的交換を必要とする。
【００３０】
もしある先行技術刊行物がここで参照されたとしても、この参照文献はオーストラリアまたは他の国においてこの分野の共通の一般的知識の一部を構成することを認める訳ではない。
【発明の開示】
【００３１】
本発明は、前述した不利益の少なくとも一つを少なくとも部分的に克服することができるか、または消費者に有用または商業的選択を提供する増強エネルギー生産システムに向けられる。
【００３２】
一形態において、本発明は水蒸気を高温および正圧において増強されたリアクターへ導入するステップを有する増強されたエネルギー生産システムであって、水蒸気の添加によりリアクターシステムへ加えられるエネルギーの一部分が該リアクターの反応または触媒点またはその近くにおいて解離したＨ２Ｏ分子の数を増加させるようにリアクターの反応系によって使用される増強されたエネルギー生産システムに存する。
【００３３】
このエネルギー発生装置は二以上の電気的陽性レドックスシステムを含んでいる電気的陽性半電池反応による水の還元によって純粋の気体水素を生産する。このシステムは水素生産を最大にするように、そして望ましくは有害または無用ではない価値ある副産物を生産するように選ばれる。
【００３４】
本発明は、水素を生産する電気的陰性半電池反応を選択するステップ；前記電気的陰性半電池反応を駆動するのに充分な電位を有する第１の電気的陽性半電池反応を選択するステップ；第２の電気的陽性半電池反応を選択するステップを含み、ここに選択された前記第１および第２の電気的陽性半電池反応は前記電気的陰性半電池反応との組合せにおいて水から水素および／またはエネルギー生産の増加を産み出し；そして前記半電池反応を組合せるステップを含んでいる化学反応から水素および／またはエネルギーを発生させるための方法の副産物として生産された水蒸気を使用することができる。しかしながらどんな源からの水蒸気も使用することができる。
【００３５】
他の形態において、本発明は高温および正圧の水蒸気を増強されたリアクターへ導入し、エネルギー源を使用して水分子振動に影響を与えるステップを有する増強されたエネルギー生産システムであって、エネルギー源によってリアクターシステムへ加えられるエネルギーの一部分がリアクター中の反応系によってリアクター中の反応または触媒点またはその近くにおいて解離したＨ２Ｏ分子の数を増加させるように使用される前記エネルギー生産システムに存する。
【００３６】
典型的にはリアクター中の反応または触媒点はその反応または触媒表面または部分でよい。
【００３７】
分子振動に影響を与えるために使用されるエネルギー源はどんな源でも良いが、しかし好ましいい源は太陽エネルギーまたはマイクロウエーブエネルギー源のような更新可能なエネルギー源である。これらエネルギー源は、増強されたリアクターへエネルギー源として入る水蒸気に追加して、またはその代りとして使用することができる。
【００３８】
本発明の増強されたリアクターは反応系を含むこともできる。反応系は一以上の半電池反応を含むことができる。半電池反応は、副産物として水蒸気の生産に関して上で論じた反応と同じか、それと類似または全く異なっても良い。電気的陰性半電池反応に電気的陽性半電池反応の組合せを用いることができる。反応系または半電池反応は反応もしくは触媒表面を備えることを必要とするか、または助けることができる。例えば、この表面は低い活性化エネルギーで代替的反応経路を提供し得る。この表面は低い活性化エネルギーで反応が起きることを許容するので、衝突または相互作用の大部分が発生し、与えられた温度と圧力において効果的となり得る。これは反応速度を増加し得る。好ましくは、増強リアクターは反応系の速度決定ステップに影響し得る。増強リアクターの反応系の反応動力学に影響し得る。増強リアクターは、好ましくは増強リアクター中に送り返される反応系の速度定数または順序のどちらかに影響を及ぼす。
【００３９】
高温かつ正圧において水蒸気の添加により、増強リアクター内の環境が水素の生産に対して一層助けとなり得る。水蒸気によって生じた上昇した温度は、リアクター内の系の反応の少なくともいくつかの速度を増加し得る。
【００４０】
本発明のある具体例においては、反応の終点において水素電池中に残っている物質の値の合計が電池へ導入された反応剤の値の合計よりも大きくなるように、半電池反応を選択することが可能である。
【００４１】
好ましくは、反応系は無機化学系である。
【００４２】
好ましくは第２の電気的陽性半電池反応は電気的陰性半電池反応を駆動することもできる。
【００４３】
該化学系は追加の電気的陽性半電池反応を含んでもよい。
【００４４】
好ましくは電気的陰性半電池反応の一つは、
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→２ＯＨ−＋Ｈ２Ｏ
である。
【００４５】
好ましくは電気陽性半電池反応の一つは、
Ｍｇ→Ｍｇ＋＋＋Ｈ２Ｏ
である。
【００４６】
好ましくは電気的陽性半電池反応の一つは、
Ａｌ＋４ＯＨ−→ＡｌＯ３−＋２Ｈ２Ｏ＋３ｅ−
である。
【００４７】
好ましくは電気的陽性半電池反応は、１族または２族金属から選ばれた種、二元水素化物、三元水素化物、両性元素、周期律表１族および２族の電気的陽性元素、およびキレート化遷移元素、リンおよびイオウのオキシ酸の酸化を含む。
【００４８】
一般に還元剤は、還元剤がラチマー条約に従って半電池方程式の左側に書かれる時、＋０．８３Ｖより大きいＥ０値を持っているどのような系であることができる。
【００４９】
高度に好ましい組合せにおいては、半電池還元剤は両性元素と組合せた二元および／または三元水素化物である。好ましい両性元素はアルミニウム、亜鉛、クロム、ガリウムおよびスズを含む。アルミニウムが特に好ましい。鉄を使用しても良い。
【００５０】
好ましくは、第１の電気的陽性半電池反応の還元剤は次亜リン酸またはジチオン酸塩である。
【００５１】
第１の電気的陽性半電池反応中の還元剤は、増大した配位数の実現において１以上の電子を放出するように配座を変えることができる金属有機錯化合物でも良い。
【００５２】
上で述べたように、増強リアクター内の反応系または半電池反応は反応または触媒表面を備えることを必要とするか、またはそれによって助けられる。反応または触媒表面は半電池還元剤であるかまたはそれを含むことができる。還元剤は部分的または全部再生することができる。
【００５３】
最も好ましい具体例においては、還元剤はさらなる反応または触媒試薬を形成することができ、さらなる反応が生起することを許容または容易化する。好適には、還元剤は半導性材料または分子を形成し得る。最も好ましくは、半導体結晶を形成することができる。そのような結晶は格子として知られた高度に規則的な構造であることができる。そのような結晶構造は材料全体を通じて周期的電位を得ることができる。増強リアクター中に二以上の半導体材料種が存在し得る。
【００５４】
半導体材料を生成する還元剤の還元は、好ましくは、半導体材料が増強リアクター中でさらなる反応を触媒し得るので水素の生産を増強することができる。好適にさらなる発熱反応が触媒される。半導体材料は金属であるか、または金属から製造することができる。二以上の金属が増強リアクターに存在しても良い。
【００５５】
リアクターは二以上の局所化加熱効果を経験しても良い。これらの効果は、顕微鏡的に典型的には顕微鏡レベルで考える時溶液の実際の温度よりずっと高い反応点の温度として発生し得る。このようにもし温度がなお非常に高い間に反応点において反応が生起するならば、その点における上昇した温度のために反応の動力学の増加が生じ得る。
【００５６】
半導体材料は密に間隔を空けた多数のエネルギーレベルよりなるエネルギーバンドを持つことができる。半導体のエネルギーレベルは一般にエネルギーバンドギャップによって分離されたバンドにグループ化される。そのようなバンドのトップおよび底における電子の挙動は、典型的には自由電子の挙動に似ている。しかしながら電子の半導体材料の周期的電位の存在によって影響され得る。
【００５７】
半導体の反応性質は通常最高に部分的に空のバンドとそして最低に部分的に満たされたバンドとによって支配される。これらバンドの考慮は図１に図示したような半導体の単純化したエネルギーバンド図へ導くだけである。殆んど完全に満たされたバンドはそれが価電子によって占められているので価電子帯と呼ぶことができる。最も空のバンドは、このバンド内で電子が自由に運動することができ、そして電気伝導および材料の反応性に貢献するので、電気伝導帯と呼ぶことができる。
【００５８】
図１の単純化したエネルギーバンド図は、半導体を記載するために使用される。価電子帯エッジＥｖおよび電気伝導帯エッジＥｃによって示されている価電子帯および電気伝導帯が示されている。真空レベルＥｖａｃｕｕｍおよび電
子親和度Ｘも図に示されている。
【００５９】
図１は殆んど空白の伝導帯を水平線で同定している。この線は伝導帯の底縁を指示し、そしてＥｃと標識されている。同様に価電子帯のトップはＥｖと標識された水平線によって指示されている。エネルギーバンドギャップはバンドギャップエネルギーＥｇによって分離されている２本の線の間に位置する。伝導帯エッジＥｃと、結晶外の自由電子のエネルギー（Ｅｖａｃｕｕｍで標識された真空レベルと呼ばれる）の間の距離は電子親和度Ｘに電子電荷ｑを乗ずることによって定量化される。
【００６０】
半導体のエネルギーバンドギャップは温度が上昇するにつれて減少する傾向にある。この挙動は、もし増加した熱エネルギーによって原子振動の振幅が増加する時原子間間隔が増加することを考えるならばよりよく理解し得る。それ故対応する温度上昇を伴なった増強しアクター内の水蒸気の使用は、バンドギャップを減少させることによって半導体を活性化することができる。
【００６１】
半導体において、一般に完全に満たされたバンドは、次のより高い空白バンドを電子が次のより高いバンドとすることができるほど充分にそれへ近接している。殆んど空白のバンドにおいては、電子はこのバンドへ自由に移動し、そして材料の電気伝導および材料の反応性へ貢献する。
【００６２】
増強リアクターにおいて対応する温度上昇を伴なった水蒸気を使用してエネルギーバンドギャップを狭くすることにより、バンドギャップを減少させそして電子の伝導帯と価電子帯の運動を許容することにより半導体の反応性を増加させることができる。部分的に満たされたバンドは、電子と、僅かに高いエネルギーにある利用し得るエネルギーレベルを含んでいる。
【００６３】
エネルギーギャップＥｇの温度依存性は実験的に決定されており、温度Ｔの関数としてＥｇについて以下のように表わされる。
【００６４】
Ｅｇ（Ｔ）＝Ｅｇ（Ｏ）−（αＴ２／Ｔ＋β）
【００６５】
式中、Ｅｇ（Ｏ）、αおよびβは適当なパラメータである。
【００６６】
それ故半導体の表面および界面は典型的には多数の結合中心を含むことができる。これは多数の電気的に活性なぶら下がりを残す半導体結晶の突然の末端の故である。加えて、表面および界面は、材料の反応性をさらに増加させることができるデバイス作成プロセスの間にそれらが露出されるから不純物を一層含有し易い。
【００６７】
好ましくは(水)分子は反応性または触媒表面へ急速に引きおろされることができる。Ｈ２Ｏ分子は（００１）平面に酸素原子を表面へ向けて有利な配向を取ることができる。
【００６８】
特定の触媒が使用される本発明の特に好ましい具体例によれば、酸素原子が反応性または触媒表面上に橋かけオキサイドイオンの約２．７オングストローム以内にある時、水分子の水素と橋かけオキサイドイオンの間に強い相互作用が存在し得る。この水素原子はその時橋かけ酸素によって捕捉され、そしてＨ２Ｏ分子の残りのヒドロキシ基は５倍のカチオン部位の上に吸着され得る。
【００６９】
この好ましい具体例に従った増強されたプロセスは反応性または触媒表面上に吸着された解離したＨ２Ｏ分子の数を増強し、そして末端ＯＨ基を酸素ガスとして、そして橋かけＯＨ基を水素ガスとして放出し得る。それ故末端ＯＨ基は電子ドナーとして作用する。
【００７０】
ＶｉｚＯＨ−→１／２Ｏ２＋Ｈ−＋２ｅ−    Ｅ０＝１．２３Ｖ
【００７１】
これに対し橋かけプロトン化オキサイドイオンは電子アクセプターとに作用する。
【００７２】
Ｖｉｚ２ｅ−＋ＯＨ−＋Ｈ＋→Ｏ−＋Ｈ２    Ｅ０＝−０．００Ｖ
【００７３】
好適には末端ＯＨ基の放電は酸素ガスとプロトンを生成し得る。このプロトンは次に陰性ＯＨ橋かけ基へ向って引張られ、そこで還元により水素ガスと、結晶格子内にとどまるオキサイドイオンを生成する。
【００７４】
増強リアクターの反応性または触媒表面は再生することができるものがよい。例えばアルミニウムの使用はＡｌ３Ｈ２Ｏの生成へ導き、これはアルミナと陰極還元によってアルミニウムに変換され、金属を生産することができる。好ましくは、一酸化炭素または二酸化炭素の生成を最小にするように、炭素質分子は再生に使用されない。
【００７５】
反応性または触媒表面は陰極スクリーンとして提供することができる。陰極スクリーンは触媒機能を実行し、そして系において電子移動を容易化し、反応速度増加の効果を有する。このスクリーンは電気的陽性系から電子を受取り、そして電子移動が電気的陽性系から水へ直接起こるだけであったならば観察されるよりも大きい速度で電子を水へ移動させる。
【００７６】
もっと好ましくは、増強リアクターは次の方程式に従って水を還元するための電子を提供するメッシュ陰極を使用するアルカリ電池である。
【００７７】
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→２ＯＨ−＋Ｈ２Ｏ    Ｅ０＝−０．４１Ｖ
【００７８】
上記半電池電気化学方程式は水素生産のための他の半電池還元剤と連結される。望ましくは不活性メッシュ陰極は陰極腐食を助け、それにより還元剤からの電子移動を助けるため白金化チタンよりなる。
【００７９】
好適には、増強リアクターにおいて生起する反応は水蒸気によって加えられた熱のために増加した速度で進行し得る。増強リアクター内で生起している反応が全体として好適に正味の発熱値を持つから、増強リアクター内でやはり生起するどの吸熱反応によって消費されるより多い熱を生産することができる。代ってこの熱の増加は増強リアクター内の反応速度をさらに増すことができる。
【００８０】
反応は、反応の終点において水素電池中に残っている物質の価値の合計が電池へ導入された反応剤の合計価値よりも大きいように選択されるのも好ましい。
【００８１】
好ましくは本発明の増強リアクターは、熱を電池内の発熱化学反応から移動させるかまたは発熱化学反応の速度をコントロールするために使用される関連した熱交換システムを含んでいる。この熱交換システムは、反応により水系中の水の直接加熱によって生成した水蒸気の凝縮によって作動し得る。熱交換システムは他の目的（例えば家庭暖房）のため、または単に発生装置の反応速度をコントロールするために使用することができる。温度上昇が反応速度を増すことは既知である。より多量の水素および熱の生産および分布のためのより大きい集中ユニットは、定期的間隔でバッチ混合物において導入され、そしてそれから付加価値生産物の溶液を取出すことができる薬品の連続的入力を使用し得る。再循環する冷却水を水素生産に使用し、かくして反応温度を連続的な激しい反応を確実にするのに十分に高い温度に保つことができる。
【００８２】
第２の局面において、本発明は水素および／または熱発生のための２部プロセスを提供し、第１部は一次反応系であって、水素を生産する電気的陰性半電池反応を選択し；前記電気的陰性半電池反応を駆動するのに十分な電位を有する第１の電気的陽性半電池反応を選択し；第２の電気的陽性半電池反応を選択し；選択した前記第１および第２の電気的陽性半電池反応は前記電気的陰性半電池反応との組合せにおいて水からの水素および／またはエネルギー生産の増加の産み出し；そして前記半電池反応を組合せるステップを含んでいる。第２部は、前記第１部の第１のステップにおいて副産物として生産された水蒸気を高温と正圧において増強リアクターへ導入することを含み、水蒸気の添加によって該リアクターシステムへ加えられたエネルギーの一部は反応性または触媒表面またはその近くにおいて解離したＨ２Ｏの数が増加するように前記リアクター中の反応系によって使用される。
【００８３】
第３の局面に従えば、本発明は、水から水素を生産する反応系と、水素過電位がその上では低い支持反応性または触媒表面を含み、それにより反応速度および続いてその水素発生速度が前記反応性または触媒表面の不存在下での反応速度に比較して増加する増強リアクターを提供する。
【００８４】
前記反応性または触媒表面は陰性表面であるかそれを含むことができる。
【００８５】
好ましくは、生産された水素は電池の水性成分が反応性固体成分と接触しないように、そして保持貯槽へ入るように強制し、それによって水素および熱生産の減少を生じさせる。
【００８６】
本発明の発生装置は、好ましくは電池内の発熱化学反応からの熱を移動し、または該発熱化学反応の速度をコントロールするために使用できる関連する熱  交換システムを含むことができる。
【００８７】
好ましくは、本発明のリアクターのどちらも（一次反応系または増強リアクター）は圧力容器を含み、そのサイズは用途の性格による。例えば村の家庭使用の場合、望ましくはポータブルで丈夫な高品質補強ポリエステル製である。小型の家庭用リアクターは、反応剤を導入するための手段と、そしてバッチ式に反応剤および／または生産物の回収するための手段を含んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８８】
一局面において、本発明は増強されたエネルギー生産システムを提供する。
【００８９】
好ましい具体例において、本発明を実施するための電池は、以下の半電池方程式（方程式１）に従って水の還元のための電子を提供する不活性メッシュ陰極を使用するアルカリ電池である。
【００９０】
２Ｈ２Ｏ→２ｅ−→２ＯＨ−＋Ｈ２０    Ｅ０＝−０．４１Ｖ
【００９１】
これは文献に記載された電気化学的反応であり、理論上水素を生産するために−０．４１Ｖより大きいＥ０値を有する他の半電池還元剤と連結することができる。しかしながらこのプロセスの動力学はしばしばそのような組合せを非実際的に遅くする。
【００９２】
本発明は、二元および三元水素化物、両性元素および周期律表１族および２族の電気的陽性元素の使用に見ることができる上の例外を記載する。これらの場合のいくつかにおいて、メッシュ陰極はガルバニ相互作用を提供せず、単に便利な反応プラットフォームとして作用する。
【００９３】
本発明の増強リアクターは、水と反応する化学薬品の選択を含み、この反応は多分反応性または触媒表面によって容易化または増強される。化学薬品の選択は低い水素過電位を有し、それにより反応速度およびその後の水素発生速度を増加する。該当する半電池反応は次のとおりである。
【００９４】
２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−        Ｅ０＝＋０．８２８Ｖ
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｈ２＋２ＯＨ−      Ｅ０＝−０．４１Ｖ
合わせて
Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２＋Ｈ２              Ｅ０＝−１．２３Ｖ
【００９５】
一般に１族または２族金属、二元水素化物、三元水素化物、両性元素、周期律表１族および２族電気的陽性元素、キレート化遷移元素、リンのオキシ酸およびイオウのオキシ酸が関与する一以上のさらなる電気的陽性半電池反応が増強リアクターにおいて起こるであろう。
【００９６】
高度に好ましい組合せにおいて、半電気還元剤は両性元素と組合せた二元および／または三元水素化物である。好ましい両性元素はアルミニウム、亜鉛、クロム、ガリウムおよびスズを含む。アルミニウムが特に好ましい。鉄も使用可能である。
【００９７】
第１の電気的陽性半電池反応は、増加した配位数の実現において一以上の電子を放出するように配座が変化することができる有機金属錯体でも良い。
【００９８】
上で述べたように、増強リアクター内の反応系または半電池反応は、反応性または触媒表面の提供を必要とするかまたは助けられることができる。反応性または触媒表面は半電池還元剤であるかまたはそれを含むことができる。反応性または触媒表面は部分的にまたは全部再生可能であることができる。
【００９９】
最も好ましい具体例においては、還元剤はさらなる反応性または触媒試薬を形成することができ、さらなる反応が起こることを許容または容易化することができる。好適には、還元剤は半導性材料または分子を形成することができる。
【０１００】
半導性材料を生成する一以上の還元剤の還元は、半導性材料が増強リアクター内のさらなる反応を触媒することができるので、好ましくは水素生産を増強し得る。好適にはさらなる発熱反応が触媒される。
【０１０１】
増強リアクター内で生起する反応は水蒸気によって加えられた熱による増加した速度で進行し得る。増強リアクター内で生起する反応は、好適には全体としてやはり増強リアクターで起こるどの吸熱反応によって消費されるよりも多い熱を生産できる正味の発熱値を有する。代ってこの正味の熱の増加は増強リアクター内の反応の速度をさらに増加させることができる。
【０１０２】
本発明の増強リアクターは、一般に電池内の発熱化学反応からの熱を移動するか、または発熱化学反応の速度をコントロールするために使用される関連した熱交換システムを含むであろう。
【０１０３】
増強リアクターは、生産された水素が圧力を蓄積し、それが電池の水性成分を反応性固体成分との接触から離れ、保持貯槽タンクへ入るように強制し、それにより水素生産の削減をもたらすように構成される。水素が外へ引出される時圧力は解放され、水性成分が固体との接触に戻り、そして反応を再開させる。水素は上に記載したようにバッチ式で、または水素生産を調節するように連続的態様で取出すことができる。リアクターサイズおよび構造は必要とする水素生産量を基にして選択することができる。
【０１０４】
陰極スクリーンは触媒機能を果たし、そして系内の電子移動を容易にするために使用され、そして反応速度を増大する効果を有する。このスクリーンは電気陽性系から電子を受取り、そしてもし電子移動が直接電気的陽性系から水へ起こったならば観察されるよりも大きい速度へ電子を水へ渡す。
【０１０５】
増強リアクターは、好ましくはリアクター内で水蒸気を凝縮し、そしてこのように発熱反応の間発生した熱を回収するようにそれを通って水が再循環する熱交換コイルを含んでいる。この水蒸気を凝縮して反応自体へ戻すため反応区域の上の体積にラシヒリングを使用することもできる。
【０１０６】
他の好ましい形において、本発明は水素および／またはエネルギー発生のための２部プロセスを提供し、第１部は水素を生産する電気的陰性半電池反応を選択し、前記電気的陰性半電池反応を駆動する十分な電位を有する第１の電気的陽性半電池反応を選択し、第２の電気的陽性半電池反応を選択し、選択した第１および第２の電気的陽性半電池反応は前記電気的陰性半電池反応との組合せにおいて水からの水素および／またはエネルギーの増加を産み出し、そして前記半電池反応を組合せるステップを含んでいる一次反応系である。第２部は第１のステップで副産物として生産された水蒸気を高温かつ正圧において増強リアクターへ導入することを含み、ここで水蒸気の添加によって反応系へ加えられたエネルギーの一部はリアクターにおいて反応性または触媒表面またはその近くで解離したＨ２Ｏイオンの数を増加されるために反応系によって使用される。すべてのＥ０値はここでは水素参照に対してである。
【０１０７】
本明細書および特許請求の範囲において、用語「含む」は述べた各完全体を包含するが、しかし一以上のさらなる完全体の包含を排除しない。
【０１０８】
本明細書を通じ、「一具体例」への言及は、その具体例に記載された特定の特徴、構造がその具体例に関して本発明の少なくとも一つの具体例に含まれていることを意味する。このように本明細書を通じ各所の「一具体例において」の語句は必ずしもすべて同じ具体例を指しているとは限らない。さらに特定の特徴または構造は一以上の組合せにおいて任意の好適な態様において組合せることができる。
【０１０９】
法令コンプライアンスにおいて、本発明は多かれ少なかれ構造面または方法面の特徴に特定的な用語で記載されている。ここに記載された手段は本発明を実施するための好ましい形からなるので、図示しまたは記載した特定の特徴に限定されないことを理解すべきである。それ故本発明は、当業者によって適切に解釈される特許請求の範囲の適切な範囲内のそのどんな形または修飾においても特許請求される。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】半導体を記載する単純化したエネルギーバンド図である。
【図２】一次リアクターにおいて生産された水蒸気が増強リアクターへフィードストックとして使用される本発明の好ましい具体例を図示する概略的フローダイアグラムである。
【図１】
2007502361.tif 000003
【図２】
2007502361.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成17年11月15日(2005.11.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応性または触媒表面またはその近くにおいてＨ２Ｏ分子の解離のための増強された非電解エネルギー生産システムであって、増強されたリアクターへ高温かつ正圧で水蒸気を導入するステップを有し、水蒸気の添加によって加えられたエネルギーがリアクター中の反応系によって印加された電流の代りに活性化エネルギーとして使用される前記システム。
【請求項２】
システムへ導入される水蒸気は、水素を生産する電気的陰性半電池反応を選択し；前記電気的陰性半電池反応を駆動するのに十分な電位を有する第１の電気的陽性半電池反応を選択し；第２の電気的陽性半電池反応を選択し；選択した電気的陽性半電池反応は前記電気的陰性半電池反応との組合わせにおいて水からの水素および／またはエネルギー生産に増加を産み出し；そして前記半電池反応を組合せるステップを含んでいる化学反応から水素および／またはエネルギーを発生させるための方法の副産物として生産される請求項１の増強されたエネルギー生産システム。
【請求項３】
一以上の半電池反応の反応系をさらに含んでいる請求項１の増強されたエネルギー生産システム。
【請求項４】
反応系または半電池反応は反応性または触媒表面の提供を必要とするかまたはそれによって助けられる請求項３の増強されたエネルギー生産システム。
【請求項５】
反応系は、１族または２族金属、二元水素化物、三元水素化物、両性元素、周期律表１族または２族の電気的陽性元素およびキレート化遷移金属、リンのオキシ酸およびイオウのオキシ酸から選ばれた種の酸化を含んでいる一以上の電気的陽性半電池反応を含む請求項３の増強されたエネルギー生産システム。
【請求項６】
反応系は、増加した配位数の実現において一以上の電子を放出するように配座が変化できる有機金属錯化合物を含んでいる一以上の電気的陽性半電池反応を含む請求項３の増強されたエネルギー生産システム。
【請求項７】
反応系は、さらなる半導性材料または分子の生成を含む請求項３の増強されたエネルギー生産システム。
【請求項８】
半導性材料または分子は複合材料または分子である請求項７の増強されたエネルギー生産システム。
【請求項９】
電池内の発熱化学反応から熱を移動するために、または発熱化学反応をコントロールするために使用することができる関連する熱交換システムをさらに含んでいる請求項１の増強されたエネルギー生産システム。
【請求項１０】
反応性または触媒表面またはその近くにおいてＨ２Ｏ解離のための増強された非電解エネルギー生産システムであって、該システムは水素および／またはエネルギーを発生させるための２部プロセスを含んでおり、第１部は水素を生産する電気的陰性半電池反応を選択し；前記電気的陰性半電池反応を駆動するのに十分な電位を有する第１の電気的陽性半電池反応を選択し；第２の電気的陽性半電池反応を選択し；選択した第１および第２の電気的陽性半電池反応は前記電気的陰性半電池反応との組合せにおいて水からの水素および／またはエネルギー生産に増加を産み出し；そして前記半電池反応を組合わせるステップを含んでいる一次反応系であり；そして第２部は第１のステップの副産物として生産された水蒸気を高温かつ正圧において増強されたリアクター中へ導入することを含み、ここで水蒸気の添加によってリアクターシステムに加えられたエネルギーが反応性または触媒表面またはその近くで解離したＨ２Ｏ分子の数を増加させるようにリアクター中の反応系へ印加された電流の代りに活性エネルギーとして使用される前記システム。
【請求項１１】
増強されたリアクターへ高温かつ正圧で水蒸気を唯一のエネルギー入力として導入するステップを有し、ここで水蒸気の添加によって加えられたエネルギーの一部が反応性または触媒表面またはその近くにおいて解離したＨ２Ｏ分子の数を増加させるようにリアクター中の反応系によって使用される、増加されたエネルギー生産システム。
【国際調査報告】
2007502361.tif 000005
2007502361.tif 000006
2007502361.tif 000007