(57)【要約】  本明細書では、ｐＨ７未満の溶液、該溶液中に懸濁した少なくとも１種のコロイド金属、および第２の金属を含む、水素製造のための装置、混合物、および方法が開示される。
2008529955.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐＨ７未満の反応媒質、
前記反応媒質中に懸濁したコロイド金属である第１の金属、および
前記反応媒質に接触した第２の金属
を含む水素製造装置。
【請求項２】
前記第２の金属が、固体の非コロイド形態である請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の金属が、前記第２の金属よりも反応性が低い請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の金属が、前記第２の金属よりも反応性が高い請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記反応媒質に接触した第３の金属をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第３の金属がコロイド形態である請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第３の金属が、前記第２の金属よりも反応性が高い請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記反応媒質を入れるための反応容器を含み、前記反応容器が前記反応媒質に対して不活性である、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記反応容器が、内圧を大気圧より高く維持するように構成されている請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の金属が、銀、金、白金、スズ、鉛、銅、亜鉛、鉄、アルミニウム、マグネシウム、ベリリウム、ニッケルまたはカドミウムである、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記第２の金属が、鉄、アルミニウム、マグネシウム、ベリリウム、スズ、鉛、ニッケルまたは銅である、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第３の金属が、アルミニウム、マグネシウム、ベリリウムまたはリチウムである、請求項６に記載の装置。
【請求項１３】
前記反応媒質が、過酸化水素を含む請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記反応媒質が、ギ酸を含む請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記反応媒質に接触した単体非金属をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
エネルギー源をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記エネルギー源が、ヒーターである請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記エネルギー源が、光源である請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記エネルギー源が、前記反応媒質に印加した電位である請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
陽極および陰極をさらに含み、前記陽極および陰極は、前記反応媒質に接触しており、前記陽極と陰極の間に電位が印加される、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
第３および第４の金属をさらに含み、前記第２、第３または第４の金属のうちの少なくとも１つがコロイド形態である、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
ｐＨ７未満の反応媒質中にコロイド金属である第１の金属を懸濁するステップと、
第２の金属を前記反応媒質に接触させて提供するステップと
を含む水素製造方法。
【請求項２３】
前記反応媒質に接触した第３の金属を提供するステップをさらに含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第３の金属が、前記反応媒質に懸濁したコロイド金属である請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記反応媒質が、反応容器内にあり、前記反応容器は前記反応媒質に対して不活性である請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記反応媒質に接触した単体非金属を提供するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記反応媒質にエネルギーを供給するステップをさらに含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記反応媒質に接触した陰極および陽極を提供し、前記陽極と前記陰極の間に電位を提供するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２９】
前記反応媒質に接触した第３および第４の金属を提供するステップをさらに含み、前記第２、第３または第４の金属のうちの少なくとも１つがコロイド形態である、請求項２２に記載の方法。
【請求項３０】
酸素ガスを生成するステップをさらに含む請求項２２に記載の方法。
【請求項３１】
前記第２の金属の酸化および還元の両方をさらに含む請求項２２に記載の方法。
【請求項３２】
酸を含む反応媒質、
前記反応媒質に懸濁した第１のコロイド金属、および
前記反応媒質に接触した第２の金属
を含む水素製造装置。
【請求項３３】
前記酸が、硫酸、塩酸、臭化水素酸、硝酸、ヨウ化水素酸、過塩素酸または塩素酸である、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記反応媒質に接触した第３の金属をさらに含む請求項３２に記載の装置。
【請求項３５】
前記第３の金属が、溶液に懸濁したコロイド金属である請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
ｐＨ７未満の反応媒質、
前記反応媒質に接触した第１の金属であって、前記第１の金属１立方メートルあたり少なくとも２９８，０００，０００ｍ２の表面積を有する第１の金属、および
前記反応媒質に接触した第２の金属
を含む水素製造装置。
【請求項３７】
前記反応媒質に接触した第３の金属をさらに含む請求項３２に記載の装置。
【請求項３８】
前記第３の金属が、前記第３の金属１立方メートルあたり少なくとも２９８，０００，０００ｍ２の表面積を有する、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
第４の金属をさらに含む請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
第１の金属陽イオンを含むｐＨ７未満の反応媒質、および
前記反応媒質に懸濁した第１のコロイド金属
を含む水素製造装置。
【請求項４１】
前記反応媒質に懸濁した第２のコロイド金属をさらに含む請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記反応媒質が、第２の金属陽イオンをさらに含む請求項４０に記載の装置。
【請求項４３】
ｐＨ７未満の反応媒質、
前記反応媒質に懸濁した第１のコロイド金属、および
イオン性金属
を含む水素製造装置。
【請求項４４】
前記反応媒質に懸濁した第２のコロイド金属をさらに含む請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
前記反応媒質に接触した固体金属をさらに含む請求項４３に記載の装置。
【請求項４６】
第２のイオン性金属をさらに含む請求項４３に記載の装置。
【請求項４７】
ｐＨ７未満の反応媒質中にコロイド金属を懸濁させるステップ、および
前記反応媒質中にイオン性金属を導入するステップ
を含む水素製造方法。
【請求項４８】
前記イオン性金属を還元することにより固体金属を生成するステップをさらに含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
反応媒質、
前記反応媒質に懸濁した第１のコロイド金属、および
前記反応媒質中に溶解した塩
を含む水素製造用混合物。
【請求項５０】
前記反応媒質に接触した第２の金属をさらに含む請求項４９に記載の混合物。
【請求項５１】
反応媒質中に第１のコロイド金属を懸濁させるステップ、および
前記反応媒質中に塩を溶解させるステップ
を含む水素製造方法。
【請求項５２】
前記反応媒質に接触した第２の金属を提供するステップをさらに含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５３】
内圧を大気圧よりも大きく維持するように構成した反応容器、
前記反応容器中の酸性溶液、
前記酸性溶液に接触した少なくとも２種の固体形態の金属、
前記酸性溶液に懸濁した少なくとも２種のコロイド金属であって、一方の前記コロイド金属は、前記固体金属よりも反応性が高く、他方の前記コロイド金属は、前記固体金属よりも反応性が低いコロイド金属、
前記酸性溶液と接触した単体非金属、および
前記酸性溶液に熱エネルギーを提供するように構成したヒーター
を含む水素製造装置。
【請求項５４】
ｐＨ７未満の反応媒質、
前記反応媒質に懸濁した第１のコロイド金属、および
前記反応媒質に接触した第２の金属
を含む水素製造用混合物。
【請求項５５】
前記反応媒質に接触した第３の金属をさらに含む請求項５４に記載の混合物。
【請求項５６】
前記第３の金属がコロイド形態である請求項５５に記載の混合物。
【請求項５７】
前記反応媒質に接触した単体非金属をさらに含む請求項５４に記載の混合物。
【請求項５８】
第３および第４の金属をさらに含み、前記第２、第３または第４の金属のうちの少なくとも１つがコロイド形態である請求項５４に記載の混合物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、すべての目的で本明細書に参照により組み込まれている、水素製造のための装置および方法と題して２００５年２月１８日に出願された、米国ユーティリティー出願第１１／０６０９６０号からの優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、水から水素ガスを製造するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
水素ガスは、多くの現行用途および潜在用途を有する有益な産物である。水素ガスは、水と金属または金属化合物との間の化学反応によって生成することができる。非常に反応性の高い金属は、鉱酸と反応して塩と水素ガスを生成する。式１から５は、この過程の例であり、ＨＸは、任意の鉱酸を表す。ＨＸは、例えば、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＩ、Ｈ２ＳＯ４、ＨＮＯ３を表すことができるが、すべての酸を含む。
２Ｌｉ  ＋  ２ＨＸ  →  Ｈ２  ＋  ２ＬｉＸ  （１）
２Ｋ    ＋  ２ＨＸ  →  Ｈ２  ＋  ２ＫＸ    （２）
２Ｎａ  ＋  ２ＨＸ  →  Ｈ２  ＋  ２ＮａＸ  （３）
Ｃａ    ＋  ２ＨＸ  →  Ｈ２  ＋  ＣａＸ２  （４）
Ｍｇ    ＋  ２ＨＸ  →  Ｈ２  ＋  ＭｇＸ２  （５）
【０００４】
これらの反応のそれぞれは、リチウム、カリウム、ナトリウム、カルシウム、およびマグネシウム（それぞれの反応速度の順に列挙してあり、この金属群のうち、リチウムが最も速く反応し、マグネシウムが最も遅く反応する）の非常に高い活量のために、極端に速い速度で起こる。事実、これらの反応は、従来技術では、水素ガスの合成に有用な方法をもたらすとは考えられてこなかったほど加速された速度で起こる。
【０００５】
反応性が中程度の金属は、同じ反応を起こすが、はるかに制御可能な反応速度で起こす。式６および７は、その例であり、改めてＨＸは、すべての鉱酸を表す。
Ｚｎ    ＋  ２ＨＸ  →  Ｈ２    ＋  ＺｎＸ２    （６）
２Ａｌ  ＋  ６ＨＸ  →  ３Ｈ２  ＋  ２ＡｌＸ３  （７）
【０００６】
この型の反応は、比較的遅い、したがってより制御可能な反応速度のために、より優れた水素ガス製造方法をもたらす。しかし、これらに類した金属は、その費用のために従来技術の二原子水素製造で使用されてこなかった。
【０００７】
鉄は、以下の式のいずれかによって鉱酸と反応する。
Ｆｅ    ＋  ２ＨＸ  →  Ｈ２    ＋  ＦｅＸ２    （８）
または
２Ｆｅ  ＋  ６ＨＸ  →  ３Ｈ２  ＋  ２ＦｅＸ３  （９）
【０００８】
鉄のかなり低い活量のために、これらの反応は、いずれもかなり遅い反応速度で起こる。その反応速度は非常に遅いため、これらの反応が、従来技術で二原子水素製造のための有用な方法をもたらすとは考えられてこなかった。したがって、鉄は、単体水素（ｅｌｅｍｅｎｔａｌ  ｈｙｄｒｏｇｅｎ）の製造に必要な入手性および低価格をもたらすが、水素製造にとって有用なほど十分に大きな速度で反応しない。
【０００９】
銀、金、白金などの金属が、従来技術において通常条件下で鉱酸と反応することは判明していない。
Ａｇ  ＋  ＨＸ  →  無反応  （１０）
Ａｕ  ＋  ＨＸ  →  無反応  （１１）
Ｐｔ  ＋  ＨＸ  →  無反応  （１２）
【００１０】
したがって、比較的安価な金属を用いた効率的な水素ガス製造の方法および装置が必要である。
【発明の要約】
【００１１】
開示した本発明の一般的な目的は、水素ガス製造方法および装置を提供することである。
【００１２】
本発明のこの目的および他の目的は、方法、混合物および以下の装置を提供することによって達成される：
ｐＨ７未満の反応媒質、該反応媒質に懸濁したコロイド金属である第１の金属、および該反応媒質と接触した第２の金属を含む水素製造装置。
【００１３】
本発明の好ましい一実施形態によれば、該第２の金属は固体の非コロイド形態である。
【００１４】
別の実施形態によれば、該第１の金属は、該第２の金属より反応性が低い。
【００１５】
別の実施形態によれば、該第１の金属は、該第２の金属より反応性が高い。
【００１６】
別の実施形態によれば、該装置は該反応媒質と接触した第３の金属を含む。
【００１７】
別の実施形態によれば、該第３の金属は、コロイド形態である。
【００１８】
別の実施形態によれば、該第３の金属は、該第２の金属より反応性が高い。
【００１９】
別の実施形態によれば、該装置は、該反応媒質を入れるための反応容器を含み、該反応容器は、該反応媒質に対して不活性である。
【００２０】
別の実施形態によれば、該反応容器は、内圧を大気圧より高く維持するように構成されている。
【００２１】
別の実施形態によれば、該第１の金属は、銀、金、白金、スズ、鉛、銅、亜鉛、鉄、アルミニウム、マグネシウム、ベリリウム、ニッケルまたはカドミウムである。
【００２２】
別の実施形態によれば、該第２の金属は、鉄、アルミニウム、マグネシウム、ベリリウム、スズ、鉛、ニッケルまたは銅である。
【００２３】
別の実施形態によれば、該第３の金属は、アルミニウム、マグネシウム、ベリリウムまたはリチウムである。
【００２４】
別の実施形態によれば、該反応媒質は、過酸化水素を含む。
【００２５】
別の実施形態によれば、該反応媒質は、ギ酸を含む。
【００２６】
別の実施形態によれば、該装置は、該反応媒質と接触した単体非金属を含む。
【００２７】
別の実施形態によれば、該装置は、エネルギー源を含む。
【００２８】
別の実施形態によれば、該エネルギー源は、ヒーターである。
【００２９】
別の実施形態によれば、該エネルギー源は、光源である。
【００３０】
別の実施形態によれば、該エネルギー源は、該反応媒質に印加した電位である。
【００３１】
別の実施形態によれば、該装置は、陽極および陰極を含み、該陽極および陰極は、該反応媒質と接触し、電位が該陽極と陰極の間に印加される。
【００３２】
別の実施形態によれば、該装置は、第３および第４の金属を含み、該第２、第３または第４の金属のうちの少なくとも１つは、コロイド形態である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図１は、水素製造に用いることのできる混合物および装置を示す。反応容器１００は、反応媒質１０２を含む。反応媒質は、水および酸を含むことが好ましく、ｐＨ５未満を有することが好ましいが、他の溶媒またはゼラチン質媒質やガス状媒質などの非液体媒質を含めて、他の反応媒質を使用してもよい。酸は、最大９８重量％の様々な濃度の硫酸または最大３５重量％の様々な濃度の塩酸であることが好ましいが、他の酸を使用してもよい。反応容器１００は、反応媒質１０２に対して不活性である。反応媒質１０２は、溶液中に懸濁した第１のコロイド金属（図示していない）を含む。この第１のコロイド金属は、銀、金、白金、スズ、鉛、銅、亜鉛またはカドミウムなどの低活量の金属であることが好ましいが、他の金属を使用してもよい。
【００３４】
反応容器１００は、反応媒質１０２中に少なくとも部分的に沈められた第２の金属１０４も含むことが好ましい。この第２の金属１０４は、任意の形態であってもよいが、ペレット形状などの比較的大きな表面積を有する固体形態であることが好ましい。第２の金属１０４は、鉄、アルミニウム、亜鉛、ニッケルまたはスズなどの中域の活量を有する金属であることが好ましい。第２の金属１０４は、第１のコロイド金属よりも高い活量を有することが好ましい。第２の金属１０４は、中程度の反応性および低コストの理由で、鉄であることが最も好ましい。反応媒質１０２は、第２のコロイド金属（図示していない）も含むことが好ましい。この第２のコロイド金属は、アルミニウム、マグネシウム、ベリリウムおよびリチウムなどの、第２の金属１０４よりも高い活量を有することが好ましい。反応容器１００は、第２の金属１０４とは異なる金属だが、同じ一般形態である別の金属（図示していない）も含むことが好ましい。したがって、最も好ましい場合では、反応容器１００は、反応媒質１０２に接触した固体形態の２種の金属ならびに反応媒質１０２に懸濁した２種のコロイド金属を含む。
【００３５】
上述の代わりに、反応媒質１０２は、１種または複数種のコロイド金属に加えて、酸および第２の金属１０４ではなく金属塩または金属酸化物を含むことができる。反応媒質１０２は、固体金属および酸または固体金属と同じ金属の金属塩もしくは金属酸化物を含むことが好ましい。反応媒質１０２が、最初に固体金属およびＨＣｌまたはＨ２ＳＯ４などの強酸を含む場合、酸は固体金属と反応し、酸または固体金属が実質的に使い果たされるまで金属イオンを生成し、水素ガスを放出すると考えられる。また、適切なコロイド触媒とともに金属塩を最初に含む溶液は、最初のｐＨが７より高くても酸性になるであろうと考えられる。さらに、装置は、１種または複数種のコロイド金属に加えて、金属塩、酸化物、および固体金属の組合せを含むことができる。
【００３６】
反応容器１００は、水素ガス（図示していない）を逃がすための出口１０６を有する。この反応容器は、水または他の成分を加えて適切な濃度を維持するための入口１０８も有する。反応容器は、反応媒質と接触する１つまたは複数の陽極（図示していない）および１つまたは複数の陰極（図示していない）も含むことができる。この陽極および陰極は、反応に電気エネルギーを供給するか、または反応によって生成する電気エネルギーを他の目的に利用するために使用することができる。
【００３７】
反応容器中で起こると期待される反応は、総じて吸熱性であると考えられているため、反応は、周囲熱によって恐らく進み得るが、反応速度を増大するためにエネルギー源１１２も備えることが好ましい。図１に示したエネルギー源は、ヒーター（加熱板）であるが、電気および光エネルギーを含めた他の形態のエネルギーを使用してもよい。エネルギー効果に加えて、光または他の電磁放射線の他の効果があってもよい。さらに、水溶液を反応媒質として使用する場合、大気圧では、反応温度は約１００℃までに限定され、それを超えると沸騰が起こる恐れがある（溶質の添加による沸点の変化を無視して）。したがって、内圧を大気圧より高く維持することにより、より高い反応温度が使用できるように構成された反応容器１００中で反応を実施することが有利になり得る。
【００３８】
ほとんどの金属は、水溶液中でコロイド状態として生成することができる。コロイドは、溶液中に分散（懸濁）しているが溶解していない一物質の非常に小さな粒子からなる物質である。したがって、コロイド粒子は、固体状態で存在するが、溶液外では安定しない。したがって、任意の特定の金属のコロイドは、溶液中に懸濁したその金属の非常に小さな粒子である。金属のこうした懸濁した粒子は、固体（金属性の）形態として、またはイオン形態として、またはその２つの混合物として存在し得る。これらの金属の非常に小さな粒子サイズにより、その金属に対して非常に大きな有効表面積が生じる。金属のこの非常に大きな有効表面積により、その金属が他の原子または分子と接触する場合、金属の表面反応を劇的に増大させることができる。以下に説明する実験で用いたコロイド金属は、ＣＳ  Ｐｒｏｓｙｓｔｅｍｓ（Ｓａｎ  Ａｎｔｏｎｉｏ，Ｔｅｘａｓ）によって販売されているコロイド銀装置（ｃｏｌｌｏｉｄａｌ  ｓｉｌｖｅｒ  ｍａｃｈｉｎｅ）を使用して得た。ＣＳ  Ｐｒｏｓｙｓｔｅｍｓのウェブサイトは、ｗｗｗ．ｃｓｐｒｏｓｙｓｔｅｍｓ．ｃｏｍである。この装置を使用して生成される金属のコロイド溶液は、電解法から得られ、一部は電気的に中性であり、一部は正に帯電しているコロイド粒子を含むと考えられる。すべてのコロイド粒子が、電気的に中性であると考えられるコロイド金属溶液の製造には、他の方法を用いることができる。以下に説明する実験に使用したコロイド金属粒子の正電荷は、さらなる速度上昇効果をもたらすと考えられる。しかし、コロイド粒子の電荷に関わらず、以下に詳述する速度上昇効果のかなりの部分の原因となっているのは、大部分、コロイド粒子のサイズおよびそれによって生じる表面積であると依然として考えられている。製造業者からの資料に基づくと、以下に説明する実験で使用したコロイド溶液中の金属粒子は、サイズが０．００１ミクロンと０．０１ミクロンの間の範囲であると考えられる。このようなコロイド金属溶液では、金属の濃度は、約１００万分の５から１００万分の２０の間であると考えられる。
【００３９】
コロイド形態で触媒を使用する代わりに、多孔性の固体、ナノ金属、コロイド−ポリマーナノコンポジットなどの、高い表面積対体積比をもたらす別の形態の触媒を使用することも可能である場合がある。一般に、任意の触媒は、触媒金属１立方メートルあたり少なくとも２９８，０００，０００ｍ２の有効表面積を有するいかなる形態であってもよいが、より小さな表面積比でも機能する。
【００４０】
したがって、任意の金属を、その通常の反応性にもかかわらず、コロイド形態で使用すると、その金属の鉱酸との反応は、加速された速度で起こる。したがって式１３〜１５は、その通常の反応性にもかかわらず任意の金属に対して起こると考えられる一般式であり、式中、Ｍは任意の金属を表す。Ｍは、例えば、銀、銅、スズ、亜鉛、鉛およびカドミウムを表すが、それだけに限らない。事実、式１３〜１５に示した反応は、１％の酸性水溶液中であっても、かなりの反応速度で起こることが判明してきた。
２Ｍ  ＋  ２ＨＸ  →  ２ＭＸ  ＋  Ｈ２    （１３）
Ｍ    ＋  ２ＨＸ  →  ＭＸ２    ＋  Ｈ２    （１４）
２Ｍ  ＋  ６ＨＸ  →  ２ＭＸ３  ＋  ３Ｈ２  （１５）
【００４１】
式１３〜１５は、非常に多数の金属、特に従来の低反応性金属（例えば、それだけに限らないが、銀、金、銅、スズ、鉛および亜鉛）について、一般に吸熱過程を表すが、式１３〜１５に示した反応の速度は、コロイド金属の使用によって生じる表面効果により、実際は非常に大きい。式１３〜１５が関与する反応は、非常に加速された反応速度で起こるが、コロイド金属は、定義により非常に低濃度で存在するので、これらの反応は、単体水素の有用な製造とならない。
【００４２】
しかし、コロイド金属よりも反応性の高い金属、例えば、それだけに限らないが、金属鉄、金属アルミニウム、または金属ニッケルなどを含めることにより、水素の有用な調製がもたらされる。したがって、イオン形態での任意のコロイド金属は、式１６に示したように金属Ｍｅと反応することが期待され、金属の起電列または活量系列上でＭｅより下位の金属が最適に反応するであろう。
Ｍｅ  ＋  Ｍ＋  →  Ｍ  ＋  Ｍｅ＋  （１６）
【００４３】
コロイドイオンであるＭ＋の大きな有効表面積により、また使用するのに好ましいと思われるより低反応性の任意の金属と比較して、金属Ｍｅのより大きな反応性により、式１６によって示した反応は、実際かなり容易に起こると考えられる。事実、Ｍｅより通常反応性の低い金属については、式１６は、非常に発熱性の反応となるであろう。得られる金属Ｍは、コロイド量で存在すると思われ、したがって、それだけに限らないが、硫酸、塩酸、臭化水素酸、硝酸、ヨウ化水素酸、過塩素酸および塩素酸を含めた任意の鉱酸と容易な反応を起こすと考えられる。しかし、鉱酸は硫酸、Ｈ２ＳＯ４または塩酸、ＨＣｌであることが好ましい。式１７はこの反応を示し、式中、式ＨＸ（またはそのイオン形態で、Ｈ＋＋Ｘ−）は、任意の鉱酸の一般的な表示である。
２Ｍ  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２Ｘ−  →  ２Ｍ＋  ＋  Ｈ２  ＋  ２Ｘ−  （１７）
【００４４】
式１７は、吸熱反応を表すが、式１６の反応の発熱性（ｅｘｏｔｈｅｒｍｉｃｉｔｙ）がこれを補い、周囲条件によって供給される熱エネルギーを用いて、この２つの反応の組合せをエネルギー的に得られるものにしていると考えられる。もちろん、追加エネルギーの供給により、この過程は加速されよう。
【００４５】
その結果、単体水素は、式１８および１９に示した反応の組合せにより、効率的かつ容易に生成すると考えられる。
４Ｍｅ  ＋  ４Ｍ＋  →  ４Ｍ  ＋  ４Ｍｅ＋  （１８）
４Ｍ  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４Ｘ−  →  ４Ｍ＋  ＋  ２Ｈ２  ＋  ４Ｘ−  （１９）
【００４６】
したがって、金属Ｍｅは、式１８のコロイド金属イオンと反応することにより、コロイド金属およびイオン形態のＭｅを生成する。次いでこのコロイド金属は、式１９の鉱酸と反応することにより、単体水素を生成し、コロイド金属イオンを再生するであろう。次いでこのコロイド金属イオンは、再び式１８によって、引き続き再び式１９によってなどと連鎖反応過程の中で反応することにより、単体水素の効率的な供給源を提供するであろう。原理上は、任意のコロイド金属が、首尾よくこの過程を起こすはずである。コロイド金属イオンが、起電列の表で金属Ｍｅよりも反応性が低い場合、反応が最も効率的に作用することが判明している。式１８と１９を組み合わせると、正味の式２０が得られる。式２０は、その結果として、金属Ｍｅおよび鉱酸の反応から単体水素の生成を有する。
４Ｍｅ  ＋  ４Ｍ＋  →  ４Ｍ  ＋  ４Ｍｅ＋  （１８）
＋
４Ｍ  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４Ｘ−  →  ４Ｍ＋  ＋  ２Ｈ２  ＋  ４Ｘ−  （１９）
＝
４Ｍｅ  ＋  ４Ｈ＋  →  ４Ｍｅ＋  ＋  ２Ｈ２  （２０）
【００４７】
式２０は、金属Ｍｅおよび酸が消費される、非常に効率的な単体水素の生成をもたらす過程を集約している。しかし、単体金属Ｍｅおよび酸はともに、引き続く電気化学過程（ｖｏｌｔａｉｃ  ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓ）または熱的過程の結果、再生すると考えられる。コロイド金属Ｍｒ（式１８に用いたものと同じものであっても、異なるものであってもよい）は、式２１および２２によって示した電気的酸化還元反応（ｖｏｌｔａｉｃ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ−ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）を起こす。
陰極（還元）
４Ｍｒ＋  ＋  ４ｅ−  →  ４Ｍｒ  （２１）
陽極（酸化）
２Ｈ２Ｏ  →  ４Ｈ＋  ＋  Ｏ２  ＋  ４ｅ−  （２２）
【００４８】
コロイド金属Ｍｒは、原理上は任意の金属とすることができるが、金属がより高い（より正の）還元電位を有する場合、反応２１は、最も効率的に進行する。したがって、式２１に示したように、コロイド金属イオンの還元は、コロイド金属が、金属の起電列上で、金属Ｍｅよりも下位である場合に最も効率的に起こる。その結果、任意のコロイド金属で好結果をもたらすであろうが、その金属の高い還元電位によりコロイド銀やコロイド鉛などのコロイド金属で反応２１は、最適に機能する。例えば、式２１および２２のコロイド金属イオンとして鉛を使用する場合、この対をなす反応は、かなり容易に起こることが判明している。示した酸化還元反応が起こると、電気化学反応（ｖｏｌｔａｉｃ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）により、正の電位差が生じる。この正の電位差は、他の化学過程に必要なエネルギーを供給するために用いることができる。事実、生じる電位差は、別の反応容器内で起こっている、式２１および２２を利用する反応のための過電位を供給するために用いることさえできる。したがって、この電気化学過程は、外部エネルギー源の供給がなくてもより速く起こすことができる。次いで、得られるコロイド金属であるＭｒは、式２３に示すように、酸化したイオン金属であるＭｅと反応することができ、これは金属であるＭｅの再生および酸化した形態でのコロイド金属の再生をもたらすであろう。
４Ｍｅ＋  ＋  ４Ｍｒ  →  ４Ｍｒ＋  ＋  ４Ｍｅ  （２３）
【００４９】
式２３によって示した反応は、出発材料として任意のコロイド金属を用いて実際起こり得るであろうが、コロイド金属であるＭｒが、起電列上で、金属であるＭｅの上位に現れる場合、最も効果的に起こるであろう。式２１〜２３を組み合わせると、式２４となり、これは単体金属であるＭｅの再生、酸の再生、および単体酸素（ｅｌｅｍｅｎｔａｌ  ｏｘｙｇｅｎ）の形成を表す。
４Ｍｒ＋  ＋  ４ｅ−  →  ４Ｍｒ  （２１）
＋
２Ｈ２Ｏ  →  ４Ｈ＋  ＋  Ｏ２  ＋  ４ｅ−  （２２）
＋
４Ｍｅ＋  ＋  ４Ｍｒ  →  ４Ｍｒ＋  ＋  ４Ｍｅ  （２３）
＝
４Ｍｅ＋  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  ４Ｈ＋  ＋  ４Ｍｅ  ＋  Ｏ２  （２４）
【００５０】
式２１および２２に示した反応は、コロイド金属であるＭｒが、金属の起電列上で、できるだけ下位にある場合に最も首尾よく起こるように思われるが、式２３によって示した反応は、コロイド金属であるＭｒが、金属の起電列上で、できるだけ上位にある場合に最も効率的に起こる。式２１、２２および２３の単なる和である式２４によって示した正味の反応は、より高活量のコロイド金属によっても、低活量のコロイド金属によっても、実際、最大に促進できるであろう。式２３に示した反応と比較した、式２１および２２によって示した反応の相対的な重要性により、式２４の正味の反応を最適に補助すると思われるコロイド金属の特性が決定されよう。式２４に示した正味の反応は、コロイド金属が最大の活量である場合、すなわちコロイド金属が、金属の起電列上でできるだけ上位にある場合に最大速度で進行することが判明した。それだけに限らないが、コロイドマグネシウムイオンやコロイドアルミニウムイオンなどのより反応性の高いコロイド金属は、陽イオン金属の還元に対する最も容易な過程をもたらすことが判明した。
【００５１】
式２０および２４の組合せにより、式２５に示した正味の過程となる。上述のように、式２１に示した反応は、コロイド金属が、起電列上で、金属であるＭｅよりも下位にある場合に最も効率的に進行する。しかし、式２３によって表された反応は、コロイド金属が、起電列上で、金属であるＭｅよりも上位にある場合に最も好ましい。したがって、起電列上で１つは金属であるＭｅの上位であり、１つは金属であるＭｅの下位である２種のコロイド金属、例えば、それだけに限らないが、コロイド鉛とコロイドアルミニウムを同時に使用することにより、正味の過程の効率という点で最適な結果がもたらされることが観察された。式２５は、水の単体水素および単体酸素への分解を単に示すので、単体水素生成の完全な過程は、消耗物質として今では水のみを有し、唯一の必要なエネルギー源は、周囲熱条件によって供給される。
４Ｍｅ  ＋  ４Ｈ＋  →  ４Ｍｅ＋  ＋  ２Ｈ２  （２０）
＋
４Ｍｅ＋  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  ４Ｈ＋  ＋  ４Ｍｅ  ＋  Ｏ２  （２４）
＝
２Ｈ２Ｏ  →  ２Ｈ２  ＋  Ｏ２  （２５）
【００５２】
この過程の正味の結果は、まさに水の電気分解から生じるものである。しかし、ここでは、電気エネルギーを供給する必要はない。追加エネルギーの供給により、水素形成速度が速まるが、供給される唯一のエネルギーが、周囲熱エネルギーの場合、反応は効率的に進行する。追加エネルギーを供給する場合、熱エネルギー、電気エネルギーまたは放射エネルギーとして供給することができる。上述したように、熱エネルギーの形態で追加エネルギーを供給する場合、内圧を一般的な大気圧よりも高く維持するように構成した反応容器１００を使用することにより、溶液の沸点を上昇させ、供給し得る熱エネルギー量を増加させることが好ましい場合がある。コロイド金属イオン触媒ならびに金属Ｍｅおよび酸は、この過程で再生され、水のみが消耗材料のままである。
【００５３】
水素生成速度を増加し得る別の手段には、それだけに限らないが、炭素や硫黄などの非金属を反応中に含めることが伴うであろう。記号Ｚを用いて非金属を表すと、式２２は、式２２Ａによって置き換えられ、これは、非金属酸化物の熱力学的安定性のため、より容易な反応をもたらすであろう。
２Ｈ２Ｏ  ＋  Ｚ→  ４Ｈ＋  ＋  ＺＯ２  ＋  ４ｅ−  （２２Ａ）
さらに、式２４は、式２４Ａによって置き換えられ、式２５は、式２５Ａによって置き換えられるであろう。
４Ｍｅ＋  ＋  ２Ｈ２Ｏ  ＋  Ｚ  →  ４Ｈ＋  ＋  ４Ｍｅ  ＋  ＺＯ２  （２４Ａ）
２Ｈ２Ｏ  ＋  Ｚ  →  ２Ｈ２  ＋  ＺＯ２  （２５Ａ）
したがって、単体酸素を形成するのではなく、反応によって、ＣＯ２やＳＯ２などの非金属酸化物が生成され、この非金属酸化物の熱力学的安定性により、反応に対する追加の推進力が提供され、したがってさらに速い水素生成速度となる。
【００５４】
この過程に対する代替過程には、水に代わって反応するための過酸化水素の導入が伴う。したがって、式２２および２３に示した反応は、式２６および２７によって示した類似の反応によって置き換わるであろう。これらの２反応の正味の結果は、式２８で表される反応、すなわち、単体金属Ｍｅおよび鉱酸を反応物として使用する単体水素の生成となるであろう。
２Ｍｅ  ＋  ２Ｍ＋  →  ２Ｍ  ＋  ２Ｍｅ＋  （２６）
＋
２Ｍ  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２Ｘ−  →  ２Ｍ＋１  ＋  Ｈ２  ＋  ２Ｘ−  （２７）
＝
２Ｍｅ  ＋  ２Ｈ＋  →  ２Ｍｅ＋  ＋  Ｈ２  （２８）
【００５５】
次いで、単体金属であるＭｅならびに鉱酸は、異なる電気化学過程とそれに続く熱反応の結果、再生するであろう。さらに、コロイド金属であるＭｒは、式２９および３０によって示した酸化還元反応中で、過酸化水素と反応する。
陰極（還元）
２Ｍｒ＋  ＋  ２ｅ−  →  ２Ｍｒ  （２９）
陽極（酸化）
Ｈ２Ｏ２  →  ２Ｈ＋  ＋  Ｏ２  ＋  ２ｅ−  （３０）
【００５６】
以下に挙げる標準酸化電位に示すように、過酸化水素は、水よりも大きな（負の程度の小さい）酸化電位を有しているという事実により、式２９および３０から生じる酸化還元反応は、式２１および２２によって示した酸化還元反応と比較して、速い速度で起こる。
２Ｈ２Ｏ  →  ４Ｈ＋  ＋  Ｏ２  ＋  ４ｅ−  ε０酸化  ＝  −１．２２９Ｖ
Ｈ２Ｏ２  →  ２Ｈ＋  ＋  Ｏ２  ＋  ２ｅ−  ε０酸化  ＝  −０．６９５Ｖ
【００５７】
コロイド金属は、原理上任意の金属とすることができるが、その金属がより高い（より正の）還元電位を有する場合に最も効率的に作用する。したがって、再生過程は、コロイド金属が、金属の起電列上で、できるだけ下位にある場合に最も効率的に起こる。したがって、任意のコロイド金属で好結果をもたらすであろうが、例えば、銀の高い還元電位のため、コロイド銀イオンで該反応は良好に進む。式２９および３０中でコロイド金属イオンとして銀を使用すると、この対をなす反応は、かなり容易に起こることが判明している。示した酸化還元反応が起こると、電気化学反応により、正の電位差が生じる。この正の電位差は、他の化学過程で必要とされるエネルギーを供給するために使用することができる。事実、生じる電位差は、別の反応容器内で起こっている、式２９および３０を利用する反応のための過電位を供給するために用いることさえできる。したがって、この電気化学過程は、外部エネルギー源の供給がなくてもより速く起こすことができる。次いで、得られるコロイド金属であるＭｒは、反応して金属であるＭｅを再生するであろう（式３１）。
２Ｍｅ＋  ＋  ２Ｍｒ  →  ２Ｍｒ＋  ＋  ２Ｍｅ  （３１）
【００５８】
式３１によって示した反応は、コロイド金属であるＭｒが、金属であるＭｅよりも反応性が高い場合に最も効率的に起こるであろう。すなわち、式３１の反応は、コロイド金属であるＭｒが、金属の起電列上で、金属であるＭｅよりも上位にある場合に最も効率的に進行するであろう。式２９〜３１を組み合わせると式３２となり、これは単体金属であるＭｅの再生、酸の再生、および単体酸素の形成を表す。
２Ｍｒ＋  ＋  ２ｅ−  →  ２Ｍｒ  （２９）
＋
Ｈ２Ｏ２  →  ２Ｈ＋  ＋  Ｏ２  ＋  ２ｅ−  （３０）
＋
２Ｍｅ＋  ＋  ２Ｍｒ  →  ２Ｍｒ＋  ＋  ２Ｍｅ  （３１）
＝
２Ｍｅ＋  ＋  Ｈ２Ｏ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２Ｍｅ  ＋  Ｏ２  （３２）
【００５９】
式２９および３０に示した反応は、コロイド金属であるＭｒが、金属の起電列上で、できるだけ下位にある場合に最も首尾よく起こるように思われるが、式３１によって示した反応は、コロイド金属であるＭｒが、金属の起電列上で、できるだけ上位にある場合に最も効率的に起こる。式２９、３０および３１の単なる和である式３２によって示した正味の反応は、より高活量のコロイド金属によっても、より低活量のコロイド金属によっても実際最大に促進できるであろう。式３１に示した反応と比較した、式２９および３０によって示した反応の相対的な重要性により、式３２の正味の反応を最適に補助すると思われるコロイド金属の特性が決定されよう。式３２に示した正味の反応は、コロイド金属が最大の活量である場合、すなわちコロイド金属が、金属の起電列上で、できるだけ上位にある場合に最大速度で進行することが判明した。それだけに限らないが、コロイドマグネシウムイオンやコロイドアルミニウムイオンなどのより反応性の高いコロイド金属は、陽イオン金属の還元に対する最も容易な還元過程をもたらすことが判明した。
【００６０】
式２８および３２の組合せにより、式３３に示した正味の過程となる。式３３は、過酸化水素の単体水素および単体酸素への分解を単に示すので、単体水素生成の完全な過程は、消耗物質として今度は過酸化水素のみを有し、唯一の必要なエネルギー源は、周囲熱条件によって供給される。追加エネルギーの供給により、水素形成速度が速まるが、供給される唯一のエネルギーが、周囲熱エネルギーの場合、反応は効率的に進行する。追加エネルギーを供給する場合、熱エネルギー、電気エネルギーまたは放射エネルギーとして供給することができる。追加エネルギーを熱エネルギーの形態で供給する場合、溶媒の沸点によって制限される。水溶液系では、このために最大温度が１００℃となろう。しかし、１気圧より高い圧力下では、１００℃より高い温度を得ることができ、さらにより速い水素生成速度が生じるであろう。
２Ｍｅ  ＋  ２Ｈ＋  →  ２Ｍｅ＋  ＋  Ｈ２  （２８）
＋
２Ｍｅ＋  ＋  Ｈ２Ｏ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２Ｍｅ  ＋  Ｏ２  （３２）
＝
Ｈ２Ｏ２  →  Ｈ２  ＋  Ｏ２  （３３）
【００６１】
金属であるＭｅおよび鉱酸の再生は、反応速度に関して、鉱酸による、金属であるＭｅの酸化よりもかなり遅いので、この過程において律速であることを証明するのは、金属であるＭｅおよび鉱酸の再生である。過酸化水素の酸化（式３０）は、水の酸化（式２２）よりも好適なので、水素形成速度は、水の代わりに過酸化水素を用いると大きく高められる。このことは、過酸化水素は、供給するには明らかにより高価な試薬であり、式３３に示したように単体水素と単体酸素の比は水素１部対酸素１部となるという事実によって、もちろん差し引き評価しなければならない。これは、水が酸化される、式２５でわかるように、水素２部対酸素１部の比と異なる。水素生成速度が最も決定的な要因である場合、過酸化水素の使用により、相当な利点が得られよう。
【００６２】
水素生成速度を増加し得る別の手段には、それだけに限らないが、炭素や硫黄などの非金属を反応中に含めることが伴うであろう。記号Ｚを用いて非金属を表すと、式３０は、式３０Ａによって置き換えられ、これは、非金属酸化物の熱力学的安定性のため、より容易な反応をもたらす。
Ｈ２Ｏ２  ＋  Ｚ  →  ２Ｈ＋  ＋  ＺＯ２  ＋  ２ｅ−  （３０Ａ）
さらに、式３２は、式３２Ａによって置き換えられ、式３３は、式３３Ａによって置き換えられるであろう。
２Ｍｅ＋  ＋  Ｈ２Ｏ２  ＋  Ｚ  →  ２Ｈ＋  ＋  ２Ｍｅ  ＋  ＺＯ２  （３２Ａ）
Ｈ２Ｏ２  ＋  Ｚ  →  Ｈ２  ＋  ＺＯ２  （３３Ａ）
【００６３】
したがって、単体酸素を形成するのではなく、反応によって、ＣＯ２やＳＯ２などの非金属酸化物が生成され、この非金属酸化物の熱力学的安定性により、反応に対する追加の推進力が提供され、したがってさらに速い水素生成速度となる。この過程に対するさらなる代替過程には、水または過酸化水素の代わりに反応するためのギ酸の導入が伴う。したがって、式２２および２３に示した反応は、式２６および２７によって示した類似の反応によって置き換わるであろう。これらの２反応の正味の結果は、式２８で表される反応、すなわち、単体金属であるＭｅおよび鉱酸を反応物として使用する単体水素の生成となるであろう。
２Ｍｅ  ＋  ２Ｍ＋  →  ２Ｍ  ＋  ２Ｍｅ＋  （２６）
＋
２Ｍ  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２Ｘ−  →  ２Ｍ＋１  ＋  Ｈ２  ＋  ２Ｘ−  （２７）
＝
２Ｍｅ  ＋  ２Ｈ＋  →  ２Ｍｅ＋  ＋  Ｈ２  （２８）
【００６４】
次いで、単体金属であるＭｅならびに鉱酸は、異なる電気化学過程とそれに続く熱反応の結果、再生するであろう。しかし、この場合、コロイド金属であるＭｒは、式２９および３４によって示した酸化還元反応中でギ酸と反応する。
陰極（還元）
２Ｍｒ＋  ＋  ２ｅ−  →  ２Ｍｒ  （２９）
陽極（酸化）
ＣＨ２Ｏ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ＣＯ２  ＋  ２ｅ−  （３４）
【００６５】
ギ酸は、以下に挙げた標準酸化電位によって示したように、水および過酸化水素について報告されている負の酸化電位と比較して、非常に好適な正の酸化電位を有しているという事実のため、式２９および３４から生じる酸化還元反応は、式２１および２２によって示した酸化還元反応または式２９および３０によって示した酸化還元反応と比較して速い速度で起こる。
２Ｈ２Ｏ  →  ４Ｈ＋  ＋  Ｏ２  ＋  ４ｅ−  ε０酸化  ＝  −１．２２９Ｖ
Ｈ２Ｏ２  →  ２Ｈ＋  ＋  Ｏ２  ＋  ２ｅ−  ε０酸化  ＝  −０．６９５Ｖ
ＣＨ２Ｏ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ＣＯ２  ＋  ２ｅ−  ε０酸化  ＝  ０．１９９Ｖ
【００６６】
コロイド金属は、原理上任意の金属とすることができるが、その金属がより高い（より正の）還元電位を有する場合に最も効率的に作用する。したがって、再生過程は、コロイド金属が、金属の起電列上で、できるだけ下位にある場合に最も効率的に起こる。したがって、任意のコロイド金属で好結果をもたらすであろうが、例えば、銀の高い還元電位のため、コロイド銀イオンで該反応は良好に進む。式２９および３４中でコロイド金属イオンとして銀を使用すると、この対をなす反応は、かなり容易に起こることが判明している。示した酸化還元反応が起こると、電気化学反応により、正の電位差が生じる。この正の電位差は、他の化学過程で必要とされるエネルギーを供給するために使用することができる。事実、生じる電位差は、別の反応容器内で起こっている、式２９および３４を利用する反応のための過電位を供給するために用いることさえできる。したがって、この電気化学過程は、外部エネルギー源の供給がなくてもより速く起こすことができる。次いで得られるコロイド金属であるＭｒは、反応して金属であるＭｅを再生するであろう（式３１）。
２Ｍｅ＋  ＋  ２Ｍｒ  →  ２Ｍｒ＋  ＋  ２Ｍｅ  （３１）
【００６７】
式３１によって示した反応は、コロイド金属であるＭｒが、金属であるＭｅより反応性が高い場合に最も効率的に起こるであろう。すなわち、式３１の反応は、コロイド金属であるＭｒが、金属の起電列上で、金属であるＭｅより上位にある場合に最も効率よく進行するであろう。式２９、３４および３１を組み合わせると、式３５によって示した正味の反応を生じる。式３５によって表した正味の反応は、単体金属であるＭｅの再生、酸の再生、および二酸化炭素の形成をもたらす。
２Ｍｒ＋  ＋  ２ｅ−  →  ２Ｍｒ  （２９）
＋
ＣＨ２Ｏ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ＣＯ２  ＋  ２ｅ−  （３４）
＋
２Ｍｅ＋  ＋  ２Ｍｒ  →  ２Ｍｒ＋  ＋  ２Ｍｅ  （３１）
＝
２Ｍｅ＋  ＋  ＣＨ２Ｏ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２Ｍｅ  ＋  ＣＯ２  （３５）
【００６８】
式２９および３４に示した反応は、コロイド金属であるＭｒが、金属の起電列上で、できるだけ下位にある場合に最も首尾よく起こるように思われるが、式３１によって示した反応は、コロイド金属であるＭｒが、金属の起電列上で、できるだけ上位にある場合に最も効率的に起こる。式２９、３４および３１の単なる和である式３５によって示した正味の反応は、より高活量のコロイド金属によっても、より低活量のコロイド金属によっても、実際、最大に促進できるであろう。式３１に示した反応と比較した、式２９および３４によって示した反応の相対的な重要性により、式３５の正味の反応を最適に補助するコロイド金属の特性が決定されよう。式３５に示した正味の反応は、コロイド金属が最大の活量である場合、すなわちコロイド金属が、金属の起電列上で、できるだけ上位にある場合に最大速度で進行することが判明した。それだけに限らないが、コロイドマグネシウムイオンやコロイドアルミニウムイオンなどのより反応性の高いコロイド金属は、陽イオン金属の還元に対する最も容易な還元過程をもたらすことが判明した。
【００６９】
式２８および３５の組合せにより、式３６に示した正味の過程となる。式３３は、ギ酸の単体水素および二酸化炭素への分解を単に示すので、単体水素生成の完全な過程は、消耗物質として今度はギ酸のみを有し、唯一の必要なエネルギー源は、周囲熱条件によって供給される。追加エネルギーの供給により、水素形成速度が速まるが、供給される唯一のエネルギーが、周囲熱エネルギーの場合、反応は効率的に進行する。追加エネルギーを供給する場合、熱エネルギー、電気エネルギーまたは放射エネルギーとして供給することができる。追加エネルギーを熱エネルギーの形態で供給する場合、溶媒の沸点によって制限される。水溶液系では、このために最大温度が１００℃となろう。しかし、１気圧より高い圧力下では、１００℃より高い温度を得ることができ、さらにより速い水素生成速度が生じるであろう。
２Ｍｅ  ＋  ２Ｈ＋  →  ２Ｍｅ＋  ＋  Ｈ２  （２８）
＋
２Ｍｅ＋  ＋  ＣＨ２Ｏ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２Ｍｅ  ＋  ＣＯ２  （３５）
＝
ＣＨ２Ｏ２  →  Ｈ２  ＋  ＣＯ２  （３６）
【００７０】
金属であるＭｅおよび鉱酸の再生は、反応速度に関して、鉱酸による、金属であるＭｅの酸化よりもかなり遅いので、この過程において律速であることを証明するのは、金属であるＭｅおよび鉱酸の再生である。ギ酸の酸化（式３４）は、水の酸化（式２２）または過酸化水素の酸化（式３０）よりも好適なので、水素形成速度は、水の代わりまたは過酸化水素の代わりにギ酸を用いると大きく高められる。このことは、ギ酸は水よりも高価な試薬であるが、過酸化水素よりは安価な試薬であり、水素とともに形成する副産物は、酸素ではなく二酸化炭素であるという事実によって、もちろん差し引き評価しなければならない。その上、式３６に示したように、単体水素と二酸化炭素の比は、水素１部対二酸化炭素１部である。これは、水が酸化される、式２５でわかるように、水素２部対酸素１部の比と異なると思われる。しかし、水素生成速度が最も決定的な要因である場合、ギ酸の使用により、相当な利点が得られよう。
【００７１】
最後に、ここで示したすべての式は、コロイド金属（複数も）に加えてただ１種の金属であるＭｅを使用しているが、本明細書に述べるすべての反応は、１種または複数種のコロイド金属（複数も）とともに、１種の金属であるＭｅの代わりに２種以上の異なる金属の組合せを使用して実行できることが示された。事実、場合によっては、複数種の金属の使用により、かなり長い期間にわたって速度が有意に速まることが示された。例えば、実験＃７および＃１０では、金属鉄および金属アルミニウムの混合物を使用する。例えば、実験＃１０から得られる定常状態の水素生成は、反応容器の全容量が、１００ｍＬをちょうど超えた状態で、毎分約１００ｍＬの水素である。実験＃８および＃９では、ただ１種の金属であるアルミニウムを用いて同様の反応を行い、反応速度が減少する時、第２の金属である鉄を加えると、反応の間中、２種の金属が存在する反応と同様の速度まで、直ちに速度が増加することを実証する。現時点では、何がこの目覚しい速度増加の原因となっているのか明らかではない。複数種の金属がすべて反応機構に関与して、多数の段階であるが、より低い正味の活性化障壁を有するさらに複雑な機構を提供することが可能である。別の可能性は、第２の金属が、再生した金属であるＭｅが、さらに効率的に再形成できると思われる表面を提供し得ることである。解釈は何であれ、実験＃９および＃１０により、２種の異なる金属の使用による速度増加が、かなり明白であり、かなり有意であることを非常に明確に実証する。
【００７２】
実験結果：
実験＃１の概要：
濃度９３％のＨ２ＳＯ４  １０ｍＬおよび濃度３５％のＨＣｌ  ３０ｍＬを含む初期溶液を、鉄ペレット（海綿鉄）ならびにそれぞれ約２０ｐｐｍであると考えられる濃度でコロイドマグネシウム約５０ｍＬおよびコロイド鉛８０ｍＬと反応させた。表１に示すように単に酸の消費からの場合、理論最大値である８．０６リットルの水素ガスを生成することができるであろう。
【００７３】
【表１】
2008529955.tif 000003
【００７４】
実験装置を図２に示した。酸および鉄の溶液を、フラスコ２０２に入れた。加熱板２０４を用いることにより、反応のための熱エネルギーを供給し、溶液を、約７１℃の温度に維持した。反応によって生じたガスを、チューブ２０６を通じて容量測定装置２０８に送り込んだ。この容量測定装置２０８は、水で満たし、水浴２１２中に配置した、逆さにした反応容器２１０であった。この実験の主目的は、本発明の閉ループ過程により、理論最大値８．０６リットルより多い水素の生成が進行している証拠を提供することであった。
【００７５】
反応速度は、周囲温度で水素生成を伴って、最初は非常に速い。酸が、一時的に消費されると、再生過程が起こり、反応速度が遅くなる。この過程に熱を加えることにより、再生過程を加速することができる。
【００７６】
少なくとも１５リットルのガスが生成されたことが観察され、遮断したとき、反応は、依然として連続的に進行していた（７１℃で毎秒約２個の気泡）。観察された１５リットルのガスには、恐らく漏出による水素ガスの損失を計上していないことを注意すべきである。先の観察結果および理論予測に基づくと、生成した最初の８．０６リットルのガスは、恐らく本質的に純粋な水素からなり、理論閾値８．０６リットルを超えると、生成したガスの６６．７容量％は、水素であり、他の３３．３容量％は酸素であると思われる。この実験により、再生過程についての十分な証拠が提供されると考えられる。
【００７７】
逆反応を定性的に検証するために、塩化鉄（ＩＩＩ）（ＦｅＣｌ３）を唯一の鉄供給源として使用して追跡実験を行った。他のいかなる酸化状態の鉄がないことを示すことができると思われるので、純粋な塩化鉄（ＩＩＩ）を選択した。酸化鉄（ＩＩＩ）を鉄の供給源として使用して、類似の実験を首尾よく行ったが、他の酸化状態の鉄が存在していた可能性があるという事実によって、結果はあいまいになった。結果を以下の実験＃２に説明する。
【００７８】
実験＃２の概要：
塩化鉄（ＩＩＩ）水溶液（一般にエッチング溶液として使用され、Ｒａｄｉｏ  Ｓｈａｃｋから購入した）１５０ｍＬを出発材料として使用して、実験を行った。この溶液に濃度９３％の硫酸（Ｈ２ＳＯ４）１０ｍＬを加えたが、この時点で反応は起こらなかった。次いで、それぞれ約２０ｐｐｍであると考えられる濃度でコロイドマグネシウム約５０ｍＬおよびコロイド鉛８０ｍＬを加えたところ、この時点で化学反応が始まり、周囲温度でガスの泡立ちが明白であった。この溶液を６５℃の温度まで加熱したとき、ガスの生成が加速した。生成ガスを石鹸泡中に捕獲し、次いでその泡に点火した。観察されたガス生成物の点火は、水素と酸素の混合物に典型的なものであった。
【００７９】
水素ガスは、鉄の同時酸化でのみ生成し得ると思われるので、鉄（ＩＩＩ）は、酸化される前に最初に還元されていなければならず、その結果、逆反応の強い証拠を提供している。この実験は、硫酸の代わりに塩酸（ＨＣｌ）を用いて、引き続いて繰り返し、同様の結果であった。
【００８０】
２つの追加の追跡試験（アルミニウム金属を用いる＃３および鉄金属を用いる＃４）を行うことにより、単に金属の消費から期待される最大量と比較して、より多くの水素が生成されるかどうかを判定した。これらの結果を以下に説明する。
【００８１】
実験＃３の概要：
出発溶液の総容量は、上述の実験＃１のように、水、それぞれ約２０ｐｐｍであると考えられる濃度のコロイドマグネシウム約５０ｍＬおよびコロイド鉛８０ｍＬ、濃度９３％のＨ２ＳＯ４  １０ｍＬおよび濃度３５％のＨＣｌ  ３０ｍＬを含めた２５０ｍＬであった。この溶液にアルミニウム金属１０グラムを加え、これを加熱し、９０℃に維持した。反応は、１．５時間続き、１２リットルのガスを得た。ｐＨは、１．５時間の終了時で２．０未満の値であることが判明した。反応は、未使用の金属を取り出し、それを計量することによって、１．５時間後に停止した。非消費のアルミニウムの重量は４．５ｇであり、５．５グラムのアルミニウムが消費されたことを示した。５．５グラムのアルミニウムの正味の消費によって通常期待される水素ガスの最大量は、以下の表に示すように６．８リットルである。
【００８２】
【表２】
2008529955.tif 000004
【００８３】
実験＃１のように、供給した酸の総量に基づくと、生成したガスの最初の８．０６リットルは、純粋な水素であり、残りは５０％が水素であると期待される。一方、消費したアルミニウム量に基づく水素の理論量は、６．８４リットルである。６．８４リットル（消費したアルミニウムから期待される最大収量）の後、残りのガスは、６６．７％が水素であると期待される。したがって、消費したアルミニウム量および供給した酸の量に基づいてそれぞれ期待される最大６．８４リットルまたは８．０６リットルと比較して、この実験では、約１０．３リットルの水素（合計約１２リットルのガスのうち）が生成したと見積もられ、その結果、再生過程の追加の証拠を提供している。
【００８４】
実験＃４の概要：
出発溶液は、上述の実験＃１のように、水、それぞれ約２０ｐｐｍであると考えられる濃度のコロイドマグネシウム約５０ｍＬおよびコロイド鉛８０ｍＬ、濃度９３％のＨ２ＳＯ４  １０ｍＬおよび濃度３５％のＨＣｌ  ３０ｍＬを含めた、総容量２５０ｍＬを含んでいた。この溶液に、鉄ペレット（海綿鉄）１００グラムを加え、これを加熱し、９０℃に維持した。反応は３０時間続き、１５リットルのガスを得た。ｐＨは、３０時間の終了時点で、約５．０の値であることが判明した。反応は、未使用の金属を取り出し、それを計量することによって、３０時間後に停止した。非消費の鉄の重量は９４グラムであり、６グラムの鉄が消費されたことを示した。上述した再生反応なしで、６グラムの鉄の正味の消費によって通常期待される水素ガスの最大量は、以下の表に示すように２．４１リットルである。
【００８５】
【表３】
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【００８６】
実験＃１のように、供給した酸の総量に基づくと、生成したガスの最初の８．０６リットルは、純粋な水素であり、残りは６６．７％が水素であると期待される。しかし、消費した鉄の量に基づく水素の最大理論生成量は、２．４１リットルである。２．４１リットル（消費した鉄から期待される最大収量）の後、残りのガスは、６６．７％が水素であると期待される。したがってコロイド触媒を用いるこの実験で、消費した鉄の量で期待される最大２．４１リットルを大幅に上回る約１０．８リットル（合計約１５リットルのガスのうち）の水素が生成したと見積もられ、その結果、再生過程の追加の証拠を提供している。
【００８７】
実験＃５の概要：
酸化した鉄と触媒を含み、ｐＨが約５であると判明した、実験＃４から得た最終溶液２００ｍＬを使用して実験を行った。上述の反応のように、この溶液に酸（濃度９３％のＨ２ＳＯ４  １０ｍＬおよび濃度３５％のＨＣｌ  ３０ｍＬ）を加えたところ、ｐＨは約１の水準までになった。追加のコロイド物質は加えなかったが、アルミニウム金属２０グラムを加えた。この溶液を一定の９６℃まで加熱した。反応は進行して、１８時間にわたって３２リットルのガスを生成し、この時点で反応速度が有意に遅くなっており、溶液のｐＨは約５になっていた。
【００８８】
１８時間の実験の最後に残っている金属を取り出し、質量が９グラムであることが判明した。この金属は、ＡｌとＦｅの混合物のようであった。したがって、溶液中に残っている鉄およびアルミニウムの量を無視すると、金属１１グラムの正味の消費およびガス３２リットルの正味の生成があった。
【００８９】
上記に示したように、反応に加えた酸の量に基づくと、単に酸の金属との反応から期待される水素ガスの最大量は、８．０６リットルとなるであろう。質量が９グラムであった回収金属の組成に応じて、以下の２つの極論が可能である。ａ）回収した金属が１００％Ａｌであったと仮定すると、１１グラムのアルミニウムの消費から、最大１３．７５リットルの水素ガスが期待されよう。ｂ）あるいは、回収した金属が１００％Ｆｅであったと仮定すると、１７グラムのアルミニウム（供給した２０グラムから鉄の生成に使用された３グラムを差し引く）の消費から、最大２１．２５リットルの水素ガスが期待されよう。水素ガスの最大生成量を計算する目的で、再生過程は起こらず、Ｆｅ金属は、Ａｌとの通常の単置換反応から生成されたと仮定する。
【００９０】
ＡｌとＦｅの実際の割合は、２極端値の間のどこかであると思われ、したがって単に金属の消費（再生なしで）から生成する水素ガスの最大量は、１３．７５リットルと２１．２５リットルの間であろう。金属の単独の消費から期待される最大量と比較して、観察された３２リットルのガスの生成は、再生過程が起こっていることを示唆する。Ｈ２生成速度の増加は、単体鉄の導入前の溶液中の高濃度の金属イオンから生じたと考えられる。したがって、この一群の反応から得られる溶液は、廃棄すべきではなく、むしろそれに続く反応の出発点として使用すべきである。その結果、Ｈ２生成のためのこの過程は、廃棄する必要のある著しい化学廃棄物を生じないであろう。
【００９１】
実験＃６の概要：
ＦｅＣｌ３  ２０ｍＬ、コロイドマグネシウム１０ｍＬ、およびコロイド鉛２０ｍＬを使用し、約９０℃の温度で実験を行った。ガスの点火の観察に基づくと、水素と酸素の混合物であると考えられるガスが生成した。反応の間に、混合物のｐＨは、約４．５の値から約３．５の値まで下がった。こうした観察結果は、水素を生成するために、溶液中に金属鉄または酸を導入する必要のないことを示す。電気化学的酸化／還元反応（正味の式２４をもたらす式２１〜２３）により、金属鉄および酸を生成するので、これら２成分は、このようにして生成することができる。恐らく、これにより、金属鉄および酸が最初に供給されるときに到達するのと同じ定常状態を、最終的に達成すると思われる。
【００９２】
実験＃７の概要：
濃度９３％のＨ２ＳＯ４  １０ｍＬおよび濃度３５％のＨＣｌ  ３０ｍＬを含む初期溶液を、鉄ペレット２０グラムおよびアルミニウムペレット２０グラムと反応させた。次いで、それぞれ約２０ｐｐｍであると考えられる濃度でコロイドマグネシウム５０ｍＬおよびコロイド鉛８０ｍＬを加え、全容量を約２１５ｍＬとした。表４に示すように、単に酸の消費からの場合、理論最大値である８．０６リットルの水素ガスを生成することができるであろう。
【００９３】
【表４】
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【００９４】
実験装置を図２に示した。酸および金属の混合物を、フラスコ２０２に入れた。加熱板２０４を用いることにより、反応のための熱エネルギーを供給し、溶液を、約７１℃の温度に維持した。反応によって生じたガスを、チューブ２０６を通じて容量測定装置２０８に送り込んだ。この容量測定装置２０８は、水で満たし、水浴２１２中に配置した、逆さにした反応容器２１０であった。この実験の主目的は、本発明の閉ループ過程により、理論最大値８．０６リットルより多い水素の生成が進行している証拠を提供することであった。
【００９５】
反応速度は、最初は非常に速く、瞬間的な水素生成は、１時間あたり約２０リットルの速度である。約１時間後、速度は、１時間あたり約８．４リットルの生成ガスという定常状態値まで遅くなる。この過程に熱を加えることにより、金属および酸の再生過程を加速することができる。
【００９６】
漏出および拡散のためいくらかのガスを失ったが、３時間にわたって少なくとも２５リットルのガスを収集し、反応は、１時間あたり８．４リットルの生成ガスという速度で連続的に依然として進行していた。この時点で実験を停止し、残っている金属である、アルミニウムおよび鉄の混合物を収集し、乾燥したところ、３５．５グラムの質量を有していることが判明した。したがって、４．５グラムの金属が消費された。残った金属は分析しなかったので、どのくらいの比率でアルミニウムと鉄が反応したかは不明であるが、酸による金属の単純な酸化により、観察された水素をはるかに下回る、最大５．６リットルの水素が生成するであろう。先の観察結果および理論予測に基づくと、生成した最初の８．０６リットルのガスは、恐らく本質的に純粋な水素からなり、理論閾値８．０６リットルを超えると、生成したガスの６６．７容量％は、水素であり、他の３３．３容量％は酸素であると思われる。この実験により、再生過程についての十分な証拠が提供されると考えられる。
【００９７】
２種の金属の同時使用により、ガス形成の初期速度は向上しないが、むしろはるかに長い時間にわたって持続する反応速度をもたらすと考えられる。この点をさらに実証するために、２つの追加実験を実施した。
【００９８】
実験＃８の概要：
濃度９３％のＨ２ＳＯ４  １０ｍＬおよび濃度３５％のＨＣｌ  ３０ｍＬを含む初期溶液を、アルミニウムペレット２０グラムと反応させた。次いで、それぞれ約２０ｐｐｍであると考えられる濃度でコロイドマグネシウム５０ｍＬおよびコロイド鉛８０ｍＬを加え、全容量を約２１５ｍＬとした。表５に示すように、単に酸の消費からの場合、理論最大値である８．０６リットルの水素ガスを生成することができるであろう。
【００９９】
【表５】
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【０１００】
実験装置を図２に示した。酸および金属の混合物を、フラスコ２０２に入れた。加熱板２０４を用いることにより、反応のための熱エネルギーを供給し、溶液を、約７１℃の温度に維持した。反応によって生じたガスを、チューブ２０６を通じて容量測定装置２０８に送り込んだ。この容量測定装置２０８は、水で満たし、水浴２１２中に配置した、逆さにした反応容器２１０であった。この実験の主目的は、本発明の閉ループ過程により、理論最大値８．０６リットルより多い水素の生成が進行している証拠を提供することであった。
【０１０１】
初期反応速度は、実験＃１で判明した速度と同様であり、１時間弱で９リットルのガスが生成した。しかし、この時点で、反応速度は約１／２倍に減少することが判明した。鉄２０グラムの追加により、反応速度は、この実験の開始時点で最初に観察された値まで直ちに上昇した。
【０１０２】
実験＃９の概要：
濃度９３％のＨ２ＳＯ４  １０ｍＬおよび濃度３５％のＨＣｌ  ３０ｍＬを含む初期溶液を、アルミニウムペレット４０グラムと反応させた。次いで、それぞれ約２０ｐｐｍであると考えられる濃度でコロイドマグネシウム５０ｍＬおよびコロイド鉛８０ｍＬを加え、全容量を約２１５ｍＬとした。表６に示すように、単に酸の消費からの場合、理論最大値である８．０６リットルの水素ガスを生成することができるであろう。
【０１０３】
【表６】
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【０１０４】
実験装置を図２に示した。酸および金属の混合物を、フラスコ２０２に入れた。加熱板２０４を用いることにより、反応のための熱エネルギーを供給し、溶液を、約７１℃の温度に維持した。反応によって生じたガスを、チューブ２０６を通じて容量測定装置２０８に送り込んだ。この容量測定装置２０８は、水で満たし、水浴２１２中に配置した、逆さにした反応容器２１０であった。この実験の主目的は、本発明の閉ループ過程により、理論最大値８．０６リットルより多い水素の生成が進行している証拠を提供することであった。
【０１０５】
初期反応速度は、実験＃１で判明した速度と同様であり、１時間弱で９リットルのガスが生成した。しかし、この時点で、反応速度は約１／２倍に減少することが判明した。鉄２０グラムの追加により、反応速度は、この実験の開始時点で観察された値まで直ちに上昇した。
【０１０６】
明らかに、２種の金属間で、有意な時間、高いガス生成速度を持続する反応をもたらす相互作用が起こっている。
【０１０７】
実験＃１０の概要：
濃度９３％のＨ２ＳＯ４  １０ｍＬおよび濃度３５％のＨＣｌ  ３０ｍＬを含む初期溶液を、鉄ペレット２０グラムおよびアルミニウムペレット２０グラムと反応させた。次いで、それぞれ約２０ｐｐｍであると考えられる濃度でコロイドマグネシウム２５ｍＬおよびコロイド鉛４０ｍＬを加え、全容量を約１１０ｍＬとした。表７に示すように、単に酸の消費からの場合、理論最大値である８．０６リットルの水素ガスを生成することができるであろう。
【０１０８】
【表７】
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【０１０９】
実験装置を図２に示した。酸および金属の混合物を、フラスコ２０２に入れた。加熱板２０４を用いることにより、反応のための熱エネルギーを供給し、溶液を、約９０℃の温度に維持した。反応によって生じたガスを、チューブ２０６を通じて容量測定装置２０８に送り込んだ。この容量測定装置２０８は、水で満たし、水浴２１２中に配置した、逆さにした反応容器２１０であった。この実験の主目的は、本発明の閉ループ過程により、理論最大値８．０６リットルより多い水素の生成が進行している証拠を提供することであった。
【０１１０】
初期反応速度は、非常に速く、瞬間的な水素生成は、１時間あたり約２０リットルの速度である。約１時間後、速度は、１時間あたり約６．０リットルの定常状態値まで遅くなる。この過程に追加の熱を加えることにより、金属および酸の再生過程をさらに加速することができる。
【０１１１】
漏出および拡散のためいくらかのガスを失ったが、５時間にわたって少なくとも３２リットルのガスを収集し、反応は、１時間あたり６．０リットルの速度で連続的に依然として進行していた。この時点で実験を停止し、残っている金属である、アルミニウムおよび鉄の混合物を収集し、乾燥したところ、約４０グラムの質量を有していることが判明した。したがって、ごくわずかの量の金属しか消費されなかった。残った金属は分析しなかったので、どのくらいの比率でアルミニウムと鉄が存在したかは不明であるが、残った金属試料中にそれぞれの金属が約２０グラム存在したと仮定することができる。先の観察結果および理論予測に基づくと、生成した最初の８．０６リットルのガスは、恐らく本質的に純粋な水素からなり、理論閾値８．０６リットルを超えると、生成したガスの６６．７容量％は、水素であり、他の３３．３容量％は酸素であると思われる。この実験により、反応容器中でより少ない容量を用いると、再生過程がより効率的になるというさらなる証拠が提供されると考えられる。
【０１１２】
前述の実験は、人工および自然光源の混合光源を含んだ周囲照明条件下で行った。説明した反応を、減少した照明条件下で行うと、反応速度は低下した。しかし減少した照明下での独立した正式の試験は、行っていない。
【０１１３】
上述した実験結果により、本明細書に記載した発明の潜在的価値が実証されると考えられる。しかし、計算値は、上述の反応機構に基づいており、これらの実験に関与した反応を正確に特徴づけると考えられる。しかし、反応理論またはそれに基づく計算値が、誤りであることが発見された場合でもやはり、本明細書に記載した発明は、有効であり、価値のあるものである。
【０１１４】
先に示し、説明した実施形態は、代表的なものである。当分野で多くの細部が見つかることが多く、したがってこのような多くの細部は、示したり説明したりしていない。説明し、示したすべての細部、部品、要素、または段階が、本発明で発明されたとは主張していない。本発明の多数の特徴および利点は、図面および添付の本文中に記載してきたが、記載内容は、例証のみであり、細部、特に本発明の原理内での形状、寸法および部品の配置の事項における変更は、添付の特許請求の範囲の表現の広い意味によって示される最大限の範囲まで行うことができる。
【０１１５】
上記の特定の実例の限定的な説明および図面により、何が本発明の侵害となるかを指摘しないが、本発明をどのように使用し、行うかの少なくとも一説明を提供することができる。本発明の限度および本特許権保護の範囲は、上記の特許請求の範囲によって判断され、定義される。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】水素製造用反応器の略図である。
【図２】研究室用実験装置の略図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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