專利名稱：增強的能量生成系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能量生成系統(tǒng)，具體而言，涉及用于增加現(xiàn)有的能量生成系統(tǒng)收率的系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供從水生成的、氫和熱量形式的非污染能源。
背景技術(shù)：
目前可得到的有多種能源，例如核能、太陽能、水電能、地熱能、風能及潮汐能。但是，目前最普通和方便的能源是基于含碳產(chǎn)品燃燒的那些能源。例如，煤、煤氣、焦炭、木材、石油和柴油。在需要的時候，當這種含碳產(chǎn)品燃燒時，它們產(chǎn)生主要是CO2的碳的氧化物。
CO2已成為了臭名昭著的“溫室”氣體，1997年的東京條約制訂了減少這種溫室氣體的含量，并最終使全球變暖的程度及其后果最小化的目標。
因此，使用氫作為燃料代表了一種具有吸引力的替代方案。
燃料電池通過對包括富氫有機化合物(例如甲烷和甲醇)借助于蒸汽、催化、升溫等的重整反應(yīng)，將氫直接轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池的運轉(zhuǎn)將燃料中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，沒有中間的燃燒變化。它們代表了主要的下一代質(zhì)能關(guān)系的產(chǎn)生，并注定要為發(fā)電作出重要的貢獻。但是，當使用重整有機物作為它們的氫來源時，這些燃料電池存在的缺點在于，它們都產(chǎn)生碳的氧化物如CO或CO2。
在地球上，游離或未結(jié)合的氫非常稀少。通常發(fā)現(xiàn)的是結(jié)合形式的氫，例如水、烴及所有的植物和動物物質(zhì)。在制備元素氫中，主要考慮的是成本與便利性。在實驗室中，純氫通常是通過適宜的金屬與置換酸的反應(yīng)或通過水的電解而制得的。對于工業(yè)的氫，主要來源是水和烴。這些吸熱過程需要能量。
分子氫是重要的能量來源，這可以通過其生產(chǎn)的吸熱本質(zhì)所證明。其內(nèi)能可以通過燃燒或在燃料電池中與氧反應(yīng)而得到釋放。
但是，氫氣的燃燒不直接產(chǎn)生碳的氧化物-純凈的燃燒理論上只產(chǎn)生純水。
以上所述用于產(chǎn)生分子氫的電和脫氫過程產(chǎn)生不需要的副產(chǎn)物。電解產(chǎn)生有用的氧，而有機化合物的脫氫則產(chǎn)生全球變暖氣體二氧化碳。這些過程也需要來自外部來源的大量的能量輸入。
已嘗試了通過自支撐放熱反應(yīng)來制備純的分子氫。普通的氫發(fā)生器描述在US 4,463,063中，并涉及金屬氫化物與水的反應(yīng)，以及擠出陽電性的金屬陽極的使用，該金屬陽極逐漸溶解在電解質(zhì)中，提供用于在惰性陰極放電的電子。
在所有的這些情況下，除氫以外的所得化合物都被認為是廢物，帶來的問題是其收集和處理。
純氫可以根據(jù)以下的半電池反應(yīng)方程式從水中釋放出來Eo＝-0.828V理論上，Eo值大于0.828V的陽電性系統(tǒng)可以與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。這種Eo值大于0.828V的陽電性系統(tǒng)的實例有氫化物，例如Eo＝2.23V雖然例如由以下反應(yīng)
而使金屬反應(yīng)產(chǎn)生氫在化學上可行，但是它們在動力學上非常緩慢，氫是長時間低速度產(chǎn)生的。這種氫的“滴流”在工業(yè)用途上是不能令人滿意的。
因此，需要的是不僅使電池生成的氫的量最大化，而且使氫的產(chǎn)生速度最大化。
本領(lǐng)域更近期的發(fā)明公開了用于從甲醇生成氫的發(fā)生器(US5,712,052和5,885,727)。但是，所述反應(yīng)的副產(chǎn)物為催化劑吸附的一氧化碳，其導(dǎo)致電極的催化功能退化的“催化劑中毒”，并因此而降低了系統(tǒng)的能量效率。為了減少該問題，這種發(fā)生器必須裝備用于測量及減少系統(tǒng)中一氧化碳濃度的裝置。
晚至2004年8月生產(chǎn)的商業(yè)上可用的氫多數(shù)是從天然氣中所提取的。近90％的氫從naptha或天然氣通過蒸汽轉(zhuǎn)化得到。煤的汽化及水的電解是生產(chǎn)氫的其它工業(yè)方法。但是，這些方法需要消耗大量的能源，并且主要由于所產(chǎn)生的CO2或CO產(chǎn)品而對環(huán)境不利。
蒸汽-鐵方法是最早的生產(chǎn)氫的方法之一
注意，鐵與蒸汽之間的反應(yīng)是可逆的。
雖然該方法被認為是重要的選擇，但同樣從制備高純度氫的經(jīng)濟觀點看，天然氣的蒸汽轉(zhuǎn)化或重油的部分氧化在重要性上超過了它。最近，人們對蒸汽-鐵方法的興趣有所增加，原因在于按此方法可以制備相對清潔的氫，而這對于在燃料電池重使用氫尤為重要，還因為該方法具有可以使用可更新能源的可能性。
利用蒸汽-鐵的一種現(xiàn)有技術(shù)涉及重復(fù)循環(huán)方法，其中相關(guān)反應(yīng)路徑為
天然氣或其它氣體還原種可以從更高氧化態(tài)如Fe2O3(赤鐵礦)或Fe3O4(磁鐵礦)除去氧形成碳氧化物、水和未轉(zhuǎn)化的烴流。如果操作條件及反應(yīng)器設(shè)計選擇恰當，將只有二氧化碳和水按照以下反應(yīng)式生成
冷凝水離開純二氧化碳流已備儲存。該系統(tǒng)的缺點在于為得到最大純度的氫，必須使用不同的反應(yīng)器和Fe再生容器，同時還產(chǎn)生有二氧化碳。
我們先前的系統(tǒng)是用于從包括以下步驟的化學反應(yīng)產(chǎn)生氫和/或能量的方法選擇產(chǎn)生氫的陰電性半電池反應(yīng)；選擇具有足夠高的電勢以驅(qū)動所述陰電性半電池反應(yīng)的陽電性半電池反應(yīng)；選擇第二陽電性半電池反應(yīng)；所述第一和第二陽電性半電池反應(yīng)被選擇與所述陰電性半電池反應(yīng)結(jié)合，以使得從水中產(chǎn)生的氫和/或能量增加；以及結(jié)合所述半電池反應(yīng)。通過恰當?shù)剡x擇半電池反應(yīng)、化學品濃度及固有的相互反應(yīng)，該系統(tǒng)在STP下從54g的反應(yīng)物及1升水產(chǎn)生了約67升的氫。對于副產(chǎn)物而言，該系統(tǒng)產(chǎn)生大量的蒸汽。
能量及燃料的運輸及儲存也經(jīng)常有問題。當電能需要長距離轉(zhuǎn)移時，電的直接轉(zhuǎn)移導(dǎo)致大量的能量損失。長距離轉(zhuǎn)移電時，還需要大型的基礎(chǔ)設(shè)備投資，這需要使用高張力電線和塔及調(diào)壓器和變電站陣列，以確保足夠的能量被交付給客戶。
氣體燃料如天然氣的運輸還需要基本的基建，以確保足夠的壓力及供應(yīng)給客戶。在某些情況下，單用途及可充電圓柱體是可行的，但是家用尺寸的圓柱體體積也是大且重，并需要經(jīng)常更換。
可以清楚地理解，如果在這里提及現(xiàn)有技術(shù)的出版物，該參考物不構(gòu)成對所述出版物在澳大利亞或其它任何國家中形成部分現(xiàn)有技術(shù)常識的認可。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種增強的能量生成系統(tǒng)，其可以至少部分克服上述的缺點，或為客戶提供可用的或商業(yè)的選擇。
在一種形式下，本發(fā)明涉及具有以下步驟的增強的能量生成系統(tǒng)在高溫下向增強反應(yīng)器中引入蒸汽和正壓力，其中通過加入蒸汽而加入到反應(yīng)器系統(tǒng)中的一部分能量被該反應(yīng)器中的反應(yīng)系統(tǒng)利用，以增加位于或接近反應(yīng)器中反應(yīng)或催化點離解的H2O分子的數(shù)量。
能量發(fā)生器通過電陽極半電池反應(yīng)還原水而產(chǎn)生純的氣態(tài)氫，該反應(yīng)包括兩種或多種陽電性氧化還原體系。選擇該體系以使氫的生成及想要生成的有價值而不是有害或無用的副產(chǎn)品最大化。
本發(fā)明可以使用從化學反應(yīng)產(chǎn)生氫和/或能量的方法的副產(chǎn)物所產(chǎn)生的蒸汽，其包括以下步驟選擇產(chǎn)生氫的陰電性半電池反應(yīng)；選擇具有足夠高的電勢以驅(qū)動所述陰電性半電池反應(yīng)的第一陽電性半電池反應(yīng)；選擇第二陽電性半電池反應(yīng)；所述第一和第二陽電性半電池反應(yīng)被選擇與所述陰電性半電池反應(yīng)結(jié)合，以使得從水中產(chǎn)生的氫和/或能量增加；以及結(jié)合所述半電池反應(yīng)。但是，可以使用任何來源的蒸汽。
在另一種形式下，本發(fā)明涉及具有以下步驟的增強的能量生成系統(tǒng)在高溫下向增強反應(yīng)器中引入蒸汽和正壓力，使用能量源影響H2O的分子振動，其中通過能量源而加入到反應(yīng)器系統(tǒng)中的一部分能量被該反應(yīng)器中的反應(yīng)系統(tǒng)所利用，以增加位于或接近反應(yīng)器中的反應(yīng)或催化點離解的H2O分子的數(shù)量。
典型地，所述反應(yīng)器中的反應(yīng)或催化點可以是其反應(yīng)或催化的表面，或其一部分。
用于影響分子振動的能量源可以是任何的來源，但優(yōu)選可再生能源，例如太陽能或微波能源。這些能量源可以在使用進入增強反應(yīng)器中的蒸汽作為能量源以外額外或備選地使用。
本發(fā)明的增強反應(yīng)器也可以包括一種反應(yīng)系統(tǒng)。該反應(yīng)系統(tǒng)可以包括一種或多種半電池反應(yīng)。就對產(chǎn)生蒸汽作為副產(chǎn)物的生成氫的方法而言，半電池反應(yīng)可以與以上所討論的反應(yīng)相同、相似或完全不同?？梢允褂藐庪娦园腚姵胤磻?yīng)與陽電性半電池反應(yīng)的結(jié)合。該反應(yīng)系統(tǒng)或半電池反應(yīng)可以要求提供反應(yīng)或催化表面，或由反應(yīng)或催化表面提供幫助。例如，該表面可以提供具有低活化能的可選反應(yīng)路徑。因為該表面可以允許反應(yīng)在較低的活化能下發(fā)生，則更大部分的碰撞或相互反應(yīng)可能發(fā)生，并在給定的溫度或壓力下有效。這樣就可以增加反應(yīng)速度。優(yōu)選地，增強反應(yīng)器可以影響反應(yīng)系統(tǒng)決定性步驟的速度。增強反應(yīng)器中反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)動力學可受到影響。增強反應(yīng)器可優(yōu)選影響增強反應(yīng)器中存在的反應(yīng)系統(tǒng)的速度常數(shù)或級數(shù)。
也可以通過在高溫下加入蒸汽和正壓力，以使增強反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境更有助于生成氫。由于蒸汽而導(dǎo)致的溫度升高可以增加反應(yīng)器中系統(tǒng)內(nèi)的至少某些反應(yīng)的速度。
在本發(fā)明某些優(yōu)選的實施方案中，可以選擇半電池反應(yīng)，以使在反應(yīng)終點氫電池中剩余材料的價值總和大于引入到電池中反應(yīng)物的價值總和。
優(yōu)選地，所述反應(yīng)系統(tǒng)是無機化學系統(tǒng)。
優(yōu)選地，第二陽電性半電池反應(yīng)也可以驅(qū)動陰電性電池反應(yīng)。
所述化學系統(tǒng)可以包括另外的陽電性半電池反應(yīng)。
優(yōu)選地，其中之一的陰電性半電池反應(yīng)是。
優(yōu)選地，其中之一的陽電性半電池反應(yīng)是。
優(yōu)選地，其中之一的陽電性半電池反應(yīng)是。
優(yōu)選地，所述陽電性半電池反應(yīng)包括選自以下物種的氧化I或II族金屬、二元氫化物、三元氫化物、兩性元素、元素周期表中第一和二族元素中的陽電性元素、螯合的過渡金屬元素、磷的含氧酸及硫的含氧酸。
通常，當還原劑被根據(jù)Latimer傳統(tǒng)而寫在半電池反應(yīng)方程式的左手邊時，還原劑可以是Eo值大于+0.83V的任何體系。
在高度優(yōu)選的組合中，所述半電池還原劑為與兩性元素結(jié)合的二元和/或三元的氫化物。兩性元素優(yōu)選包括鋁、鋅、鉻、鎵和錫。特別優(yōu)選為鋁。也可以使用鐵。
優(yōu)選地，第一陽電性半電池中的還原劑為次磷酸或連二硫酸鹽。
第一陽電性半電池反應(yīng)中的還原劑也可以是金屬有機絡(luò)合物，其可以改變結(jié)構(gòu)釋放出一個或多個電子，以實現(xiàn)增加配位數(shù)。
如上所述，增強反應(yīng)器中的反應(yīng)系統(tǒng)或半電池反應(yīng)可以要求提供反應(yīng)或催化表面，或由反應(yīng)或催化表面提供幫助。該反應(yīng)或催化表面可以是或可以包括半電池還原劑。該還原劑可以能夠部分地或全部地再生。
在最優(yōu)選的實施方案中，所述還原劑可以形成另一反應(yīng)或催化試劑，以使或有助于進一步反應(yīng)的發(fā)生。適宜地，所述還原劑可以形成半導(dǎo)體材料或分子。最優(yōu)選可形成半導(dǎo)體晶體。這種晶體可以是已知為晶格的高度有序的結(jié)構(gòu)。這種晶格結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生穿過材料的周期性電勢。在增強反應(yīng)器中可以存在多于一種的半導(dǎo)體材料物種。
還原劑還原形成半導(dǎo)體材料可優(yōu)選增強氫的生成，因為所述半導(dǎo)體材料可以催化增強反應(yīng)器中的進一步反應(yīng)。適宜地，進一步的放熱反應(yīng)被催化。所述半導(dǎo)體材料可以是金屬，或由金屬制得。在增強反應(yīng)器中也可以存在一種或多種金屬。
所述反應(yīng)器也可以經(jīng)歷一種或多種局部加熱作用。這些微觀的作用可以是由于反應(yīng)點溫度所導(dǎo)致，當從宏觀層面上考慮時，該溫度通常遠高于溶液的實際溫度。這樣，如果進一步的反應(yīng)在溫度還非常高的反應(yīng)點上發(fā)生，則反應(yīng)的動力學可以由于在該點的高溫而增加。
半導(dǎo)體材料可以具有由多個緊密隔開的能級組成的能帶。半導(dǎo)體中的能級通常集合成由能帶間隙分開的能帶。電子在這種能帶頂部和底部的行為通常非常類似于自由電子。但是，所述電子可以受半導(dǎo)體材料周期性電勢(periodic potential)存在的影響。
半導(dǎo)體的反應(yīng)性通常由最高的部分空帶和最低的部分填充能帶控制。對這些能帶的考慮可以導(dǎo)致僅僅如圖1中所示的簡化半導(dǎo)體能帶圖。
幾乎全滿的能帶可以稱為價電子帶，因為它是由價電子所占據(jù)。幾乎全空的能帶可以稱為導(dǎo)帶，因為電子在這種能帶中可以自由移動，并有助于材料的傳導(dǎo)和反應(yīng)性。
圖1中的簡化能帶圖被用來描述半導(dǎo)體。所示為由價帶邊緣Ev和導(dǎo)帶邊緣Ec表示的價帶和導(dǎo)帶。該圖中也顯示了真空能級E真空和電子親合勢χ。
圖1用水平線表示幾乎空的導(dǎo)帶。該線表示導(dǎo)帶的底邊，并標記為Ec。相似地，價帶的頂部由標記為Ev的水平線表示。能量帶隙位于這兩條線之間，這兩條線由帶隙能Eg分開。導(dǎo)帶邊緣Ec與晶體外部自由電子能量(稱為真空能級，標記為E真空)之間的距離被量化為電子親合勢χ乘以電荷q。
半導(dǎo)體的能量帶隙常常隨溫度增加而降低。如果考慮到當原子振動幅度由于熱能增加而使核間間距增加，就可以更好理解這種現(xiàn)象。因此，在增強反應(yīng)器中使用蒸汽以及其相應(yīng)的溫度增加，將可以通過減小帶隙而活化半導(dǎo)體。
在半導(dǎo)體中，完全充滿的能帶通常與下一個更高的空帶足夠接近，以至于電子可使得其進入下一個更高的能帶中。在幾乎完全的空能帶中，電子在該能帶中自由移動，并有助于材料的傳導(dǎo)及材料的反應(yīng)性。
通過在增強反應(yīng)器中使用蒸汽及其相應(yīng)的增加溫度來使能量帶隙變窄，這樣可以通過減小帶隙和允許電子在導(dǎo)帶與價電子帶之間移動而增加半導(dǎo)體材料的反應(yīng)性。部分充滿的能帶確實包含電子，以及在稍微高的能量上可以得到的能級。
能量帶隙Eg的溫度依賴性已由試驗所確定，并產(chǎn)生了以下Eg作為溫度T函數(shù)的表達式Eg(T)=Eg(0)-αT2T+β]]>其中Eg(O)、α及β為配合參數(shù)。
因此，半導(dǎo)體的表面和界面可以常具有大量的結(jié)合中心，原因在于半導(dǎo)體晶體的突然中止，這留下了大量的電活性懸空鍵。此外，所述表面和界面更可能包含雜質(zhì)，因為在器件制造過程中它們被暴露，而這可以進一步增加材料的反應(yīng)性。
優(yōu)選地，(水)分子可以被快速地向下拉扯到反應(yīng)或催化表面。H2O分子可以采取在(001)晶面中的有利取向，以氧原子指向表面。
本發(fā)明特別優(yōu)選的其中使用了特殊催化劑的實施方案中，當氧原子在反應(yīng)或催化表面上橋連氧化物離子在大致約為2.7埃之內(nèi)時，在H2O分子的氫及氧化物離子的橋連氧之間可以有強的相互作用。該氫原子可以隨后被橋連的氧所撲獲，而H2O分子的剩余羥基可以吸附以上的五倍“陽離子部位”。
該優(yōu)選實施方案的增強過程可以增加吸附在反應(yīng)或催化表面上H2O分子的數(shù)目，然后隨氧氣釋放出末端的OH基團，以及隨氫氣釋放出橋連的OH基團。末端的OH基團可以因此作用為電子給體即，Eo＝-1.23V。
而橋連的質(zhì)子化氧化物離子作用為電子受體即，Eo＝-0.00V。
適宜地，末端OH基團的釋放可以產(chǎn)生氧氣加上質(zhì)子。該質(zhì)子可以在隨后被吸引向負的OH橋連基團，在此還原產(chǎn)生停留在晶體晶格中的氫氣和氧化物離子。
增強反應(yīng)器的反應(yīng)或催化表面可以能夠再生。例如，使用鋁導(dǎo)致形成Al3H2O，接著其又可以通過陰極還原被轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸X，并變回為鋁而生成金屬。優(yōu)選地，在再生中不使用含碳分子，以使一氧化碳或二氧化碳的生成最小化。
所述反應(yīng)或催化表面可以以陰極屏蔽物(screen)提供。該陰極屏蔽物可以起催化作用，并被用來促進系統(tǒng)中電子的轉(zhuǎn)移，還具有增加反應(yīng)速度的作用。與電子僅通過從陽電性系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)移到水中所觀察到的速度相比，該屏蔽物可以以更高的速度接受來自陽電性系統(tǒng)的電子，并將它們轉(zhuǎn)移到水中。
更優(yōu)選地，該增強反應(yīng)器是一種堿性電池，其根據(jù)以下的半電池反應(yīng)式使用網(wǎng)狀陰極提供電子，以用于水的還原Eo＝-0.41V所述半電池反電子-化學方程式與另一個用于產(chǎn)生氫的半電池還原劑偶合。滿意地，惰性網(wǎng)狀陰極由鍍鉑的鈦構(gòu)成，以協(xié)助陽極侵蝕，由此幫助電子從還原劑的轉(zhuǎn)移。
適宜地，在增強反應(yīng)器中發(fā)生的所述反應(yīng)可以由于蒸汽加入的熱量而以增加的速度進行。由于在增強反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)在整體考慮時適宜地具有凈的放熱值，所以可以產(chǎn)生比增強反應(yīng)器中同樣發(fā)生的吸熱反應(yīng)更多的熱量。結(jié)果，這種熱量的凈增加可以進一步提高增強反應(yīng)器中的反應(yīng)速度。
還優(yōu)選的是選擇所述反應(yīng)，以使在反應(yīng)終點氫電池中剩余材料的價值總和大于引入到電池中反應(yīng)物的價值總和。
本發(fā)明的增強反應(yīng)器優(yōu)選包括相關(guān)的熱交換系統(tǒng)，該熱交換系統(tǒng)可用于轉(zhuǎn)移電池中放熱化學反應(yīng)所釋放的熱量，或用于控制放熱化學反應(yīng)的速度。所述熱交換系統(tǒng)可以通過冷凝由所述反應(yīng)含水系統(tǒng)內(nèi)直接加熱水而產(chǎn)生的蒸汽來操作。該熱交換系統(tǒng)可用于其它的目的(例如家庭供熱)，或僅僅作為反應(yīng)器中控制反應(yīng)速度的方法。已知提高溫度可以增加反應(yīng)速度。
用于生成及分配更大體積的氫和熱量的、位于中心的較大裝置可以采用連續(xù)化學品輸入和以定期的間隔引入批量混合物，從該裝置可以取出價值增加的產(chǎn)品的溶液。循環(huán)冷卻水可用于補充在氫的生成中所用掉的水，由此保持反應(yīng)溫度足夠高，以確保連續(xù)的強勁反應(yīng)。
根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供了一種用于生成氫和/或能量的兩部分的方法，第一部分為包括以下的分步驟主反應(yīng)系統(tǒng)選擇產(chǎn)生氫的陰電性半電池反應(yīng)；選擇具有足夠高的電勢以驅(qū)動所述陰電性半電池反應(yīng)的第一陽電性半電池反應(yīng)；選擇第二陽電性半電池反應(yīng)；所述第一和第二陽電性半電池反應(yīng)被選擇與所述陰電性半電池反應(yīng)結(jié)合，以使得從水中產(chǎn)生的氫和/或能量增加；以及結(jié)合所述半電池反應(yīng)；第二部分包括在高溫下向增強反應(yīng)器中引入作為第一步驟副產(chǎn)物而產(chǎn)生的蒸汽及正壓力，其中通過加入蒸汽而加入到反應(yīng)器系統(tǒng)中的一部分能量被反應(yīng)器中的反應(yīng)系統(tǒng)所利用，以增加位于或接近反應(yīng)器中的反應(yīng)或催化表面離解的H2O分子的數(shù)量。
根據(jù)第三方面，本發(fā)明提供了一種增強的反應(yīng)器，其包括由水生成氫的反應(yīng)系統(tǒng)；在其上氫的超電勢較低的支撐活性的催化表面，由此增加反應(yīng)的速度，及隨后相對于所述活性催化表面不存在時反應(yīng)速度的氫生成速度。
所述活性催化表面可以是或包括陰極表面。
優(yōu)選地，生成的氫可以使電池的含水組分脫離與活性固體組分的接觸，并進入存儲槽，由此導(dǎo)致氫的還原和熱量的產(chǎn)生。
本發(fā)明的發(fā)生器優(yōu)選包括相關(guān)的熱交換系統(tǒng)，該熱交換系統(tǒng)可用于轉(zhuǎn)移電池中放熱化學反應(yīng)所釋放的熱量，或用于控制放熱化學反應(yīng)的速度。
優(yōu)選地，本發(fā)明反應(yīng)器的任一種(主反應(yīng)系統(tǒng)或增強反應(yīng)器)包括壓力容器，其大小取決于應(yīng)用的性質(zhì)。在例如用于鄉(xiāng)村家用的情況下，該裝置可設(shè)計用高質(zhì)量的聚酯制造，這樣它就可以是令人滿意地輕便及堅固。小型的家用反應(yīng)器可以包括間歇操作用于引入反應(yīng)物的部件和用于除掉反應(yīng)物和/或產(chǎn)物的部件。


通過參考以下的附圖，將描述本發(fā)明的各種實施方案，其中圖1為用于描述半導(dǎo)體的簡化的能帶圖。
圖2為舉例說明本發(fā)明優(yōu)選實施方案的示意性流程圖，其中在主反應(yīng)器中產(chǎn)生的蒸汽被用作增強反應(yīng)器的原料。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種增強的能量生成系統(tǒng)。
在優(yōu)選的實施方案中，用于實施本發(fā)明的電池為堿性電池，其使用惰性的網(wǎng)狀陰極以提供電子，用于根據(jù)以下半電池反應(yīng)式(方程式1)還原水Eo＝-0.41V這是廣泛記錄的電化學反應(yīng)，其理論上可以與另一個具有Eo值大于-0.41V的半電池反應(yīng)偶合生成氫。但是，所述方法的動力學有時候使得這種結(jié)合為不可實現(xiàn)地緩慢。
本發(fā)明描述了對以上所述的例外，其可以發(fā)現(xiàn)使用二元氫化物、三元氫化物、兩性元素、元素周期表中第一和二族元素中的陽電性元素。在某些情況下，網(wǎng)狀陰極不提供電流相互反應(yīng)，而僅僅作為方便的反應(yīng)平臺。
本發(fā)明的增強反應(yīng)器包括選擇與水反應(yīng)的化學品，所述反應(yīng)可能會被反應(yīng)或催化表面促進或增強。化學品應(yīng)選擇具有低的氫超電勢的，由此增加反應(yīng)速度及隨后的氫生成速度。相關(guān)的半電池反應(yīng)是
Eo＝+0828VEo＝-0.41V加上Eo＝-1.23V通常，在增強反應(yīng)器中也可以進行一種或多種涉及選自以下物種的氧化的其它陽電性半電池反應(yīng)I或II族金屬、二元氫化物、三元氫化物、兩性元素、元素周期表中第一和二族元素中的陽電性元素、螯合的過渡金屬元素、磷的含氧酸及硫的含氧酸。
在高度優(yōu)選的結(jié)合中，所述半電池還原劑為與兩性元素組合的二元和/或三元氫化物。優(yōu)選的兩性元素包括鋁、鋅、鉻、鎵和錫。鋁為特別優(yōu)選。也可以使用鐵。
在第一陽電性半電池反應(yīng)中的還原劑也可以是有機金屬絡(luò)合物，其能夠改變結(jié)構(gòu)以釋放出一個或多個電子，使得可以增加配位數(shù)。
如上所述，增強反應(yīng)器中的反應(yīng)系統(tǒng)或半電池反應(yīng)可以需要提供反應(yīng)或催化表面，或由反應(yīng)或催化表面促進。反應(yīng)或催化表面可以是或包括半電池反應(yīng)還原劑。所述還原劑可以部分或完全再生。
在最優(yōu)選的實施方案中，還原劑形成另外的反應(yīng)或催化試劑，使得允許或促進進一步的反應(yīng)發(fā)生。適宜地，一種或多種還原劑可以形成半導(dǎo)體材料或分子。
一種或多種還原劑被還原形成半導(dǎo)體材料可以優(yōu)選地增加氫的生成，因為所述半導(dǎo)體材料可以催化增強反應(yīng)器中的進一步反應(yīng)。適宜地，進一步的放熱反應(yīng)被催化。
在增強反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)可以由于蒸汽加入的熱量而以增加的速度進行。因為當一起考慮時，在增強反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)具有凈的放熱值，可以產(chǎn)生比同樣在增強反應(yīng)器中發(fā)生的吸熱反應(yīng)所消耗的更多的熱量。結(jié)果，該熱量的凈增加可以進一步增加增強反應(yīng)器中的反應(yīng)速度。
本發(fā)明的增強反應(yīng)器通常可以包括相關(guān)的熱交換系統(tǒng)，該熱交換系統(tǒng)可被用來轉(zhuǎn)移電池中化學反應(yīng)放出的熱量，或控制放熱化學反應(yīng)的速度。
增強反應(yīng)器的構(gòu)造應(yīng)使得生成的氫可以累積至某個壓力，以使得它可以使電池的含水組分脫離與活性固體組分的接觸，并進入存儲槽中。由此，所述增強反應(yīng)器可以在含水組分與活性固體接觸時生成自我調(diào)節(jié)的氫，但是隨著氫的生成，含水組分被加壓的氫驅(qū)使離開固體，由此導(dǎo)致在氫生成中的還原。當氫被排出時，壓力被釋放，從而使得含水組分回到與固體接觸，并導(dǎo)致反應(yīng)開始。所述氫可以被如上所述間歇式地移除開，或以連續(xù)的方式控制氫的生成。反應(yīng)器的大小可以基于所需的氫生成量來選擇。
陰極屏蔽物起催化功能，并被用于促進所述系統(tǒng)中的電子轉(zhuǎn)移，還具有增加反應(yīng)速度的作用。與電子僅通過從陽電性系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)移到水中所觀察到的速度相比，該屏蔽物可以以更高的速度接受來自陽電性系統(tǒng)的電子，并將它們轉(zhuǎn)移到水中。
增強的反應(yīng)器優(yōu)選具有熱交換線圈，通過它水被再循環(huán)至冷凝反應(yīng)器內(nèi)的蒸汽，由此除去放熱反應(yīng)期間所產(chǎn)生的熱量。臘希環(huán)也可用于反應(yīng)區(qū)以上的容積中，以冷凝該蒸汽回到反應(yīng)本身中。
在另一優(yōu)選的形式下，本發(fā)明提供了用于生成氫和/或能量的兩部分方法，第一部分為包括以下的分步驟主反應(yīng)系統(tǒng)選擇產(chǎn)生氫的陰電性半電池反應(yīng)；選擇具有足夠高的電勢以驅(qū)動所述陰電性半電池反應(yīng)的第一陽電性半電池反應(yīng)；選擇第二陽電性半電池反應(yīng)；所述第一和第二陽電性半電池反應(yīng)被選擇與所述陰電性半電池反應(yīng)結(jié)合，以使得從水中產(chǎn)生的氫和/或能量增加；以及結(jié)合所述半電池反應(yīng)；第二部分包括在高溫下引入作為第一步驟副產(chǎn)物而產(chǎn)生的蒸汽及負壓到增強反應(yīng)器中，其中通過加入蒸汽而加入到反應(yīng)器系統(tǒng)中的一部分能量被反應(yīng)器中的反應(yīng)系統(tǒng)所利用，以增加位于或接近反應(yīng)器中的反應(yīng)或催化表面離解的H2O分子的數(shù)量。這里的所有Eo值都是相對于氫參考的。
在本說明書和權(quán)利要求中，文字“包括”及其衍生詞，包括“包含”及“含有”包括各自陳述的整體，但不排斥一個或多個其它整體的內(nèi)涵。
本說明書中所提及的“一個實施方案”或“實施方案”是指一種與所述實施方案相關(guān)的具體特征、結(jié)構(gòu)或特點被包括在本發(fā)明的至少一個實施方案中。這樣，詞組“一個實施方案”或“實施方案”在貫穿說本明書中各個位置的表現(xiàn)形式不必全部參考相同的實施方案。此外，所述具體特征、結(jié)構(gòu)或特點可以以任何適宜的方式一個或多個結(jié)合起來。
依照法條，已經(jīng)以或多或少對結(jié)構(gòu)或方法特征具體的語言描述了本發(fā)明。應(yīng)當理解，本發(fā)明不限于所顯示或描述的具體特征，因為這里所描述的裝置包括實施本發(fā)明的優(yōu)選形式。因此，以任何形式或改進方式要求的本發(fā)明在所附權(quán)利要求的合適范圍內(nèi)，這可由本領(lǐng)域的技術(shù)人員作出恰當?shù)慕忉尅?br> 權(quán)利要求
1.一種增強的能量生成系統(tǒng)，其具有以下步驟在高溫下向增強反應(yīng)器中引入蒸汽和正壓力，其中通過加入蒸汽而加入到反應(yīng)器系統(tǒng)中的一部分能量被所述反應(yīng)器中的反應(yīng)系統(tǒng)利用，以增加位于或接近反應(yīng)或催化表面離解的H2O分子的數(shù)量。
2.權(quán)利要求1的增強的能量生成系統(tǒng)，其中引入到系統(tǒng)中的蒸汽是作為從包括以下步驟的化學反應(yīng)生成氫和/或能量的方法的副產(chǎn)物而產(chǎn)生的選擇產(chǎn)生氫的陰電性半電池反應(yīng)；選擇具有足夠高的電勢以驅(qū)動所述陰電性半電池反應(yīng)的第一陽電性半電池反應(yīng)；選擇第二陽電性半電池反應(yīng)；選擇所述第一和第二陽電性半電池反應(yīng)與所述陰電性半電池反應(yīng)結(jié)合，以使得從水中產(chǎn)生的氫和/或能量增加；以及結(jié)合所述半電池反應(yīng)。
3.權(quán)利要求1的增強的能量生成系統(tǒng)，其進一步包括具有一個或多個半電池反應(yīng)的反應(yīng)系統(tǒng)。
4.權(quán)利要求3的增強的能量生成系統(tǒng)，其中所述反應(yīng)系統(tǒng)或半電池反應(yīng)需要提供反應(yīng)或催化表面，或由反應(yīng)或催化表面提供協(xié)助。
5.權(quán)利要求3的增強的能量生成系統(tǒng)，其中所述反應(yīng)系統(tǒng)包括涉及選自以下物種氧化的一種或多種陽電性半電池反應(yīng)I或II族金屬、二元氫化物、三元氫化物、兩性元素、元素周期表中第一和二族元素中的陽電性元素、螯合的過渡元素、磷的含氧酸及硫的含氧酸。
6.權(quán)利要求3的增強的能量生成系統(tǒng)，其中所述反應(yīng)系統(tǒng)包括一種或多種陽電性半電池反應(yīng)，該反應(yīng)涉及的絡(luò)合物能夠改變結(jié)構(gòu)釋放出一個或多個電子以實現(xiàn)增加配位數(shù)。
7.權(quán)利要求3的增強的能量生成系統(tǒng)，其中所述反應(yīng)系統(tǒng)包括進一步的半導(dǎo)體材料或分子的形成。
8.權(quán)利要求7的增強的能量生成系統(tǒng)，其中所述半導(dǎo)體材料或分子為復(fù)合材料或分子。
9.權(quán)利要求1的增強的能量生成系統(tǒng)，其進一步包括相關(guān)的熱交換系統(tǒng)，該熱交換系統(tǒng)可用于轉(zhuǎn)移所述電池中放熱化學反應(yīng)的熱量，或用于控制放熱化學反應(yīng)的速度。
10.一種增強的能量生成系統(tǒng)，其包括用于生成氫和/或能量的兩部分方法，第一部分為包括以下分步驟的主反應(yīng)系統(tǒng)選擇產(chǎn)生氫的陰電性半電池反應(yīng)；選擇具有足夠高的電勢以驅(qū)動所述陰電性半電池反應(yīng)的第一陽電性半電池反應(yīng)；選擇第二陽電性半電池反應(yīng)；所述第一和第二陽電性半電池反應(yīng)被選擇與所述陰電性半電池反應(yīng)結(jié)合，以使得從水中產(chǎn)生的氫和/或能量增加；以及結(jié)合所述半電池反應(yīng)；第二部分包括在高溫下向增強反應(yīng)器中引入作為第一步驟副產(chǎn)物而產(chǎn)生的蒸汽及正壓力，其中通過加入蒸汽而加入到反應(yīng)器系統(tǒng)中的一部分能量被反應(yīng)器中的反應(yīng)系統(tǒng)利用，以增加位于或接近反應(yīng)或催化表面離解的H2O分子的數(shù)量。
全文摘要
一種增強的能量生成系統(tǒng)，其具有以下步驟在高溫下向增強反應(yīng)器中引入蒸汽和正壓力，其中通過加入蒸汽而加入到反應(yīng)器系統(tǒng)中的一部分能量被所述反應(yīng)器中的反應(yīng)系統(tǒng)使用，以增加位于或接近反應(yīng)或催化表面離解的H
文檔編號C01B3/10GK1856595SQ200480027192
公開日2006年11月1日 申請日期2004年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月15日
發(fā)明者艾倫·米切爾, 杰弗里·戴維·威爾 申請人:普羅泰吉有限公司