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TWI763993B - 光伏打電源產生系統及與其有關之方法 - Google Patents

光伏打電源產生系統及與其有關之方法

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Publication number
TWI763993B
TWI763993B TW108115763A TW108115763A TWI763993B TW I763993 B TWI763993 B TW I763993B TW 108115763 A TW108115763 A TW 108115763A TW 108115763 A TW108115763 A TW 108115763A TW I763993 B TWI763993 B TW I763993B
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雷戴爾 李 米爾斯
Original Assignee
美商明亮光源能源公司
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Abstract

本發明係關於一種提供電及熱功率中至少一者之固體燃料電源，其包括(i)至少一個用於將原子氫催化形成低能量氫之反應池，(ii)包含至少兩種選自以下之組分之化學燃料混合物：H2O觸媒源或H2O觸媒；原子氫源或原子氫；形成H2O觸媒源或H2O觸媒及原子氫源或原子氫之反應物；一或多種起始催化原子氫之反應物；及使該燃料具有高度傳導性之材料，(iii)至少一組限制該燃料及電源之電極，該電源提供短叢發之低電壓高電流電能，以起始低能量氫反應及由於形成低能量氫而引起能量增益之快速動力學，(iv)產物回收系統，諸如蒸氣冷凝器，(v)重裝載系統，(vi)自反應產物再生出該燃料之水合系統、熱系統、化學系統及電化學系統中之至少一者，(vii)接受來自產功率反應之熱量之散熱器，(viii)包含集中式太陽能裝置、及至少一個三接面光伏打電池、單晶電池、多晶電池、非晶電池、串型/帶狀矽電池、多接面電池、同質接面電池、異質接面電池、p-i-n裝置、薄膜電池、染料敏化電池、及有機光伏打電池、及抗反射塗層、光學阻抗匹配塗層、及保護塗層中至少一者之光伏打功率轉換器。

Description

光伏打電源產生系統及與其有關之方法
本發明係關於發電領域，特定言之係關於用於發電之系統、裝置及方法。更具體言之，本發明之實施例係關於產生光功率、電漿及熱功率，並經由光-電功率轉換器、電漿-電功率轉換器、光子-電功率轉換器或熱-電功率轉換器產生電功率之發電裝置及系統以及相關方法。此外，本發明之實施例描述利用點燃水或水基燃料源以利用光伏打功率轉換器產生光功率、機械功率、電功率及/或熱功率之系統、裝置及方法。此等及其他相關實施例詳細描述於本發明中。
發電可採用許多利用來自電漿之功率之形式。電漿之成功商業化可取決於可有效率地形成電漿及然後捕集所產生電漿之功率之電源產生系統。
電漿可在燃燒某些燃料過程中形成。此等燃料可包括水或水基燃料源。在燃燒期間，形成剝離電子的原子之電漿雲，且可釋放高光功率。本發明之電轉換器可利用該電漿之高光功率。離子及激發態原子可重組，並經歷電子弛豫而發射光功率。該光功率可藉由光伏打裝置轉化為電。
本發明之某些實施例係關於一種電源產生系統，其包括：複數 個經組態以將電力傳送至燃料，以點燃該燃料並產生電漿之電極；經組態以將電能傳送至該複數個電極之電源；及至少一個經放置以接收至少複數個電漿光子之光伏打功率轉換器。
在一實施例中，本發明係關於一種產生直接電能及熱能中至少一者之電源系統，其包括：至少一個容器；反應物，其包含：a)至少一種包含初生H2O之觸媒源或觸媒；b)至少一種原子氫源或原子氫；c)導體及導電基質中之至少一者；及至少一組限制低能量氫反應物之電極，傳送短叢發高電流電能之電源；重裝載系統；至少一個自反應產物再生出起始反應物之系統，及至少一個電漿動力轉換器或至少一個光伏打轉換器。
在一示例性實施例中，生產電功率之方法可包括向複數個電極間之區域提供燃料；給該複數個電極供能，以點燃燃料，進而形成電漿；藉由光伏打功率轉換器將複數個電漿光子轉化為電功率；及輸出該電功率之至少一部份。
在另一示例性實施例中，生產電功率之方法可包括向複數個電極間之區域提供燃料；給該複數個電極供能，以點燃該燃料，進而形成電漿；藉由光伏打功率轉換器將複數個電漿光子轉化為熱功率；將熱功率轉化為電功率；及輸出電功率之至少一部份。
在本發明之一實施例中，一種發電方法可包括將一定量燃料傳送至燃料負載區域，其中該燃料負載區域係位於複數個電極間；藉由向該複數個電極施加電流使至少約2,000A/cm2之電流流過該燃料而點 燃該燃料，以產生電漿、光及熱中之至少一者；在光伏打功率轉換器中接收該光之至少一部份；利用該光伏打功率轉換器將該光轉化為不同形式的功率；及輸出該不同形式的功率。
在一額外實施例中，本發明係關於一種水電弧電漿電源力系統，其包括：至少一個封閉反應容器；包含H2O源及H2O中至少一者之反應物；至少一組電極；傳送H2O之初始高崩潰電壓並提供後續高電流之電源，及熱交換器系統，其中該電源系統產生電弧電漿、光及熱能。
本發明之某些實施例係關於一種電源產生系統，其包括：至少約2,000A/cm2或至少約5,000kW之電源；複數個與該電源電耦合之電極；經組態以接收固體燃料之燃料負載區域，其中該複數個電極經組態以將電功率傳送至該固體燃料而產生電漿；及經放置以接收該反應所產生之電漿、光子及/或熱之至少一部份之電漿功率轉換器、光伏打功率轉換器及熱-電功率轉換器之至少一者。其他實施例係關於一種電源產生系統，其包括：複數個電極；位於該複數個電極間並經組態以接收傳導性燃料之燃料負載區域，其中該複數個電極經組態以向該傳導性燃料施加足以點燃該傳導性燃料，並產生電漿及熱功率中之至少一者之電流；用於使傳導性燃料移動至該燃料負載區域中之傳送機構；及將電漿光子轉化為一形式之功率之光伏打功率轉換器或將熱功率轉換為非熱形式功率(包括電或機械功率)之熱-電轉換器中之至少一者。其他實施例係關於一種發電方法，其包括：將一定量燃料傳送至燃料負載區域，其中該燃料負載區域係位於複數個電極間；藉由向該複數個電極施加電流使至少約2,000A/cm2之電流流過該燃料而點燃該燃料，以產生電漿、光及熱中之至少一者；在光伏打功率轉換器中接收該光之至少一部份；利用該光伏打功率轉換器將該光轉化為不同形式的功率；及輸出該不同形式的功率。
其他實施例係關於一種電源產生系統，其包括：至少約5,000kW之電源；複數個間隔開的電極，其中該複數個電極至少部份包圍燃料，電連接至該電源，經組態以接收電流來點燃燃料，且該複數個電極中之至少一者係可移動；用於使該燃料移動之傳送機構；及經組態以將燃燒該燃料所產生之電漿轉化為非電漿形式之功率之光伏打功率轉換器。本發明另外提供一種電源產生系統，其包括：至少約2,000A/cm2之電源；複數個間隔開的電極，其中該複數個電極至少部份包圍燃料，電連接至該電源，經組態以接收電流來點燃燃料，且該複數個電極中之至少一者係可移動；用於使該燃料移動之傳送機構；及經組態以將燃燒該燃料所產生之電漿轉化為非電漿形式之功率之光伏打功率轉換器。
另一實施例係關於一種電源產生系統，其包括：至少約5,000kW或至少約2,000A/cm2之電源；複數個間隔開的電極，其中該複數個電極中之至少一者包括壓縮機構；經組態以接收燃料之燃料負載區域，其中該燃料負載區域為該複數個電極所包圍，以使得該至少一個電極之壓縮機構面向該燃料負載區域，且其中該複數個電極係電連接至該電源，並經組態以向該燃料負載區域中所接收之燃料提供電力，來點燃該燃料；使該燃料移動至該燃料負載區域中之傳送機構；及經組態以將燃燒該燃料所產生之光子轉化為非光子形式功率之光伏打功率轉換器。本發明之其他實施例係關於一種電源產生系統，其包括：至少約2,000A/cm2之電源；複數個間隔開的電極，其中該複數個電極中之至少一者包括壓縮機構；經組態以接收燃料之燃料負載區域，其中該燃料負載區域為該複數個電極所包圍，以使得該至少一個電極之壓縮機構面向該燃料負載區域，且其中該複數個電極係電連接至該電源，並經組態以向該燃料負載區域中所接收之燃料提供電力，來點燃該燃料；使該燃料移動至該燃料負載區域中之傳送機構；及經組態以將燃 燒該燃料所產生之電漿轉化為非電漿形式功率之電漿功率轉換器。
本發明之實施例亦係關於一種電源產生系統，其包括：複數個電極；為該複數個電極所包圍，並經組態以接收燃料之燃料負載區域，其中該複數個電極經組態以點燃位於該燃料負載區域中之燃料；使該燃料移動至該燃料負載區域中之傳送機構；經組態以將燃燒該燃料所產生之光子轉化為非光子形式功率之光伏打功率轉換器；用於移除燃燒燃料之副產物之移除系統；及可操作地耦合至該移除系統，以將燃燒燃料之經移除副產物再循環至再循環燃料中之再生系統。本發明之某些實施例亦係關於一種電源產生系統，其包括：經組態以輸出至少約2,000A/cm2或至少約5,000kW之電流之電源；複數個電連接至該電源之間隔開的電極；經組態以接收燃料之燃料負載區域，其中該燃料負載區域為該複數個電極所包圍，且其中該複數個電極經組態以向該燃料提供電力，而在接收於該燃料負載區域中時點燃該燃料；使該燃料移動至該燃料負載區域中之傳送機構；及經組態以將燃燒該燃料所產生之複數個光子轉化為非光子形式功率之光伏打功率轉換器。某些實施例可另外包括以下一者或多者：可操作地耦合至光伏打功率轉換器之輸出功率端子、電力儲存裝置、經組態以測量至少一個電源產生系統有關之參數之感測器及經組態以控制至少一個與該電源產生系統有關之過程之控制器。本發明之某些實施例亦係關於一種電源產生系統，其包括：經組態以輸出至少約2,000A/cm2或至少約5,000kW之電流之電源；複數個間隔開的電極，其中該複數個電極至少部份包圍燃料，電連接至該電源，經組態以接收電流來點燃燃料，且該複數個電極中之至少一者係可移動；用於使該燃料移動之傳送機構；及經組態以將燃燒該燃料所產生之光子轉化為不同形式功率之光伏打功率轉換器。
本發明之其他實施例係關於一種電源產生系統，其包括：至少 5,000kW或至少約2,000A/cm2之電源；複數個電連接至該電源之間隔開的電極；經組態以接收燃料之燃料負載區域，其中該燃料負載區域為該複數個電極所包圍，且其中該複數個電極經組態以向該燃料提供電力，來在接收於該燃料負載區域中時點燃該燃料；使該燃料移動至該燃料負載區域中之傳送機構；經組態以將燃燒該燃料所產生之複數個光子轉化為非光子形式功率之光伏打功率轉換器；經組態以測量至少一個與該電源產生系統有關之參數之感測器；及經組態以控制至少一個與該電源產生系統有關之過程之控制器。其他實施例係關於一種電源產生系統，其包括：至少2,000A/cm2之電源；複數個電連接至該電源之間隔開的電極；經組態以接收燃料之燃料負載區域，其中該燃料負載區域為該複數個電極所包圍，且其中該複數個電極經組態以向該燃料提供電力，來在接收於該燃料負載區域中時點燃該燃料；使該燃料移動至該燃料負載區域中之傳送機構；經組態以將燃燒該燃料所產生之電漿轉化為非電漿形式功率之電漿功率轉換器；經組態以測量至少一個與該電源產生系統有關之參數之感測器；及經組態以控制至少一個與該電源產生系統有關之過程之控制器。
本發明之某些實施例係關於一種電源產生系統，其包括：至少約5,000kW或至少約2,000A/cm2之電源；複數個電連接至該電源之間隔開的電極；經組態以接收燃料之燃料負載區域，其中該燃料負載區域為該複數個電極所包圍，且其中該複數個電極經組態以向該燃料提供電力，來在接收於該燃料負載區域中時點燃該燃料，且其中該燃料負載區域中之壓力為部份真空；使該燃料移動至該燃料負載區域中之傳送機構；及經組態以將燃燒該燃料所產生之電漿轉化為非電漿形式功率之光伏打功率轉換器。一些實施例可包括以下其他特徵中之一者或多者：該光伏打功率轉換器可位於真空單元內；該光伏打功率轉換器可包括抗反射塗層、光學阻抗匹配塗層或保護塗層中之至少一者； 該光伏打功率轉換器可操作耦合至經組態以清潔該光伏打功率轉換器之至少一部份之清潔系統；該電源產生系統可包括濾光器；該光伏打功率轉換器可包括單晶電池、多晶電池、非晶電池、串型/帶狀矽電池、多接面電池、同質接面電池、異質接面電池、p-i-n裝置、薄膜電池、染料敏化電池及有機光伏打電池中之至少一者；且該光伏打功率轉換器可包括多接面電池，其中該多接面電池包括反向電池、直立電池、晶格失配電池、晶格匹配電池及包含III-V族半導體材料之電池中之至少一者。
其他示例性實施例係關於一種經組態以產生電力之系統，其包括：經組態以供應燃料之燃料供應器；經組態以供應電功率之電源供應器；及至少一個經組態以接收該燃料及該電功率之齒輪，其中該至少一個齒輪將電功率選擇性地導向該齒輪附近之局部區域，以在該局部區域內點燃該燃料。在一些實施例中，該系統可另外具有以下特徵中之一或多者：該燃料可包括粉末；該至少一個齒輪可包括兩個齒輪；該至少一個齒輪可包括第一材料及傳導率低於該第一材料之第二材料，該第一材料係電耦合至該局部區域；且該局部區域可毗鄰該至少一個齒輪之輪齒及間隙中至少一者。其他實施例可使用支撐構件代替齒輪，而其他實施例可使用齒輪及支撐構件。一些實施例係關於一種生產電功率之方法，其包括：向齒輪供應燃料；旋轉該齒輪，以使該燃料中之至少一些集中在該齒輪之一區域；向該齒輪提供電流，以點燃該集中的燃料，而產生能量；及將燃燒所產生的能量中之至少一些轉化為電功率。在一些實施例中，旋轉該齒輪可包括旋轉第一齒輪及第二齒輪，且提供電流可包括向該第一齒輪及該第二齒輪提供電流。
其他實施例係關於一種電源產生系統，其包括：至少約2,000A/cm2之電源；複數個電連接至該電源之間隔開的電極；經組態以接 收燃料之燃料負載區域，其中該燃料負載區域為該複數個電極所包圍，且其中該複數個電極經組態以向該燃料提供電力，來在接收於該燃料負載區域中時點燃該燃料，且其中該燃料負載區域中之壓力為部份真空；使該燃料移動至該燃料負載區域中之傳送機構；及經組態以將燃燒該燃料所產生之電漿轉化為非電漿形式功率之光伏打功率轉換器。
其他實施例係關於一種發電電池，其包括：耦合至真空泵之出口埠；複數個電耦合至至少5,000kW之電源之電極；經組態以接收包含大多數H2O之水基燃料之燃料負載區域，其中該複數個電極係經組態以將電力傳送至該水基燃料，來產生電弧電漿及熱功率中至少一者；且功率轉換器經組態以將該電弧電漿及該熱功率中至少一者之至少一部份轉化為電功率。亦揭示一種電源產生系統，其包括：至少5,000A/cm2之電源；複數個電耦合至該電源之電極；經組態以接收包含大多數H2O之水基燃料之燃料負載區域，其中該複數個電極係經組態以將電力傳送至該水基燃料，來產生電弧電漿及熱功率中至少一者；且功率轉換器經組態以將該電弧電漿及該熱功率中至少一者之至少一部份轉化為電功率。在一實施例中，該功率轉換器包括將光功率轉換為電之光伏打轉換器。
其他實施例係關於一種發電方法，其包括：將燃料負載於燃料負載區域中，其中該燃料負載區域包括複數個電極；向該複數個電極施加至少約2,000A/cm2之電流，以點燃該燃料，來產生電弧電漿及熱功率中之至少一者；執行以下至少一者：使該電弧電漿通過光伏打轉換器以產生電功率，及使該熱功率通過熱-電轉換器以產生電功率；及輸出所產生電功率之至少一部份。亦揭示一種電源產生系統，其包括：至少5,000kW之電源；複數個電耦合至該電源之電極，其中該複數個電極經組態以將電功率傳送至包含大多數H2O之水基燃料，來產 生熱功率；及經組態以將該熱功率之至少一部份轉化為電功率之熱交換器；及經組態以將光之至少一部份轉化為電功率之光伏打功率轉換器。此外，另一實施例係關於一種電源產生系統，其包括：至少5,000kW之電源；複數個間隔開的電極，其中該複數個電極中之至少一者包括壓縮機構；經組態以接收包含大多數H2O之水基燃料之燃料負載區域，其中該燃料負載區域為該複數個電極所包圍，以使得該至少一個電極之壓縮機構面向該燃料負載區域，且其中該複數個電極係電連接至該電源，並經組態以向該燃料負載區域中所接收之水基燃料提供電力，來點燃該燃料；用於將該水基燃料移動至該燃料負載區域之傳送機構；及經組態以將燃燒該燃料所產生之電漿轉化為非電漿形式功率之光伏打功率轉換器。
1:SF-CIHT電池
1a:結構支撐框架
2:電極
2a:輥/齒輪
2b:結構元件
2c:驅動齒輪
2d:驅動齒輪馬達
3:固體燃料
4:電源
5:頂部料斗
5:料斗
6:電漿-電轉換器
6:PDC轉換器
6a:滑槽
6b:PDC針形電極
6c:PDC針形電極
6d:赫姆霍爾茲線圈或磁瓶
7:輸出功率調節器
8:電源連接器
8a:電源連接器
9:輸出端子
10:電極熱交換器
11:冷卻劑入口管線
12:冷卻劑出口管線
13:產物移除機/燃料裝載機
13:輸送帶
13a:真空泵
14:再生系統/再生腔室
14a:貯槽源/水槽/H2O源
15:蒸氣冷凝器
17:PDC陰或陽電極
17a:PDC陰或陽電極
18:PDC熱交換器
19:冷卻劑入口管線
20:冷卻劑出口管線
20:燃料
20:燃料供應器
21:管線
22:水冷凝器
30:燃料
40:齒輪
40’:齒輪
50:燃料流
60:電源供應器
70:熱及光
80:壓力
90:離子
100:H2O電弧電漿電池發電機
100:輪齒
100’:輪齒
101:基底板
102:絕緣體底座
103:中心電極
104:電極再生系統
105:電極腐蝕產物回收系統
106:電極
106a:光電轉換器
107:貯槽
108:閥
109:電池
110:間隙
110:管線
110’:間隙
111:電池蓋
112:回流管
113:泵
114:蒸汽出口
115:壓力計
116:閥
117:泵
118:冷卻劑入口
119:熱交換器
120:冷卻劑出口/孔隙
121:充電電源供應器
122:連接器
123:電源供應器
124:電池電源連接器
125:再生電極連續進料
126:出口管線
130:第一材料
130’:第一材料
140:第二材料
150:上表面
150’:上表面
160:傾斜表面
160’:傾斜表面
170:側表面
180:第一側面
190:第二側面
200:上表面
200’:上表面
210:側表面
210’:側表面
220:中間表面
220:有角表面
230:有角表面
240:法平面
250:第一或選定區域
260:第二區域
270:弧形表面
280:弧形表面
282:導電材料
282’:導電材料
284:表面材料
284’:表面材料
286:腔室
286’:腔室
290:導管
300:導管
310:導管
320:運動系統
320’:運動系統
400:支撐構件
410:第一支撐構件
420:第二支撐構件
430:第一軸
432:箭頭
440:第二軸
444:中央區域
450:接觸元件
452:第一接觸元件
454:第二接觸元件
460:耦合器
462:第一耦合器
464:第二耦合器
466:第三耦合器
470:操作元件
480:表面
490:支撐元件
500:管腔
510:接觸區域
512:前邊緣
514:後邊緣
520:偏轉構件
530:燃料層
540:擺
550:通道
552:孔隙
554:壁
560:保護膜
570:電池
580:屏障
1001:容器
1002:電極
1002a:壓縮機構
1003:燃料
1004:電源
1005:傳送機構
1006:光伏打功率轉換器
1007:輸出功率調節器
1008:電源連接器
1009:輸出功率端子
1010:散熱器、熱交換器
1011:冷卻系統
1012:冷卻系統
1013:移除系統
1014:再生系統
1015:蒸汽冷凝器
1017:燃料負載區域
1020:電源產生系統
1025:感測器
1030:控制器
併入本說明書中並構成其一部份之附圖說明本發明之若干個實施例，並與描述一起用來闡釋本發明之原理。在該等圖式中：圖1為SF-CIHT電池發電機之示意圖，其顯示根據本發明之一實施例之電漿動力轉換器。
圖2A為SF-CIHT電池發電機之示意圖，其顯示根據本發明之一實施例之光伏打轉換器。
圖2B為電弧H2O電漿電池發電機之示意圖，其顯示根據本發明之一實施例之光伏打轉換器。
圖3為根據一示例性實施例之並網光伏打電源產生系統之示意圖。
圖4為根據一示例性實施例之混合光伏打電源產生系統之示意圖。
圖5為根據一示例性實施例之直接耦合光伏打電源產生系統之示意圖。
圖6A為根據一示例性實施例之DC光伏打電源產生系統之示意圖。
圖6B為根據一示例性實施例之AC光伏打電源產生系統之示意圖。
圖7為根據一示例性實施例之AC/DC光伏打電源產生系統之示意圖。
圖8為根據一示例性實施例之AC光伏打電源產生系統之示意圖。
圖9為根據一示例性實施例之光伏打電源產生系統之示意圖。
圖10為根據一示例性實施例之光伏打電源產生系統之示意圖。
圖11為根據一示例性實施例之光伏打電源產生系統之示意圖。
圖12為根據一示例性實施例之光伏打電源產生系統之示意圖。
圖13A為根據一示例性實施例之光伏打電源產生系統之示意圖，其中光伏打功率轉換器係位於不同於反應位點之區域。
圖13B為根據一示例性實施例之光伏打電源產生系統之示意圖，其中光伏打功率轉換器係位於與反應位點相同之區域。
圖14為根據一示例性實施例之系統之示意圖。
圖15為根據一示例性實施例之齒輪之示意圖。
圖16為根據一示例性實施例之齒輪之放大視圖。
圖17為根據一示例性實施例之兩個齒輪之放大視圖。
圖18A及18B為根據一示例性實施例之齒輪齒之側面及橫向視圖。
圖19A及19B為根據一示例性實施例之齒輪齒之側面及橫向視圖。
圖20A及20B為根據一示例性實施例之齒輪齒之側面及橫向視圖。
圖21A及21B為根據一示例性實施例之齒輪齒之側面及橫向視 圖。
圖22A為根據一示例性實施例之齒輪齒及間隙之放大視圖。
圖22B為根據一示例性實施例之齒輪齒及間隙之放大視圖。
圖22C為根據一示例性實施例之齒輪齒及間隙之放大視圖。
圖23A及23B為根據一示例性實施例之齒輪之剖視圖。
圖24為根據一示例性實施例之運動系統之示意圖。
圖25為根據一示例性實施例之支撐構件之示意圖。
圖26為根據一示例性實施例之支撐構件之剖視圖。
圖27為根據一示例性實施例之支撐構件之剖視圖。
圖28為根據一示例性實施例之支撐構件之示意圖。
圖29為根據一示例性實施例之支撐構件之示意圖。
圖30為根據一示例性實施例之支撐構件之示意圖。
圖31A及31B為根據一示例性實施例之支撐構件之底部視圖。
圖32A-D為根據一示例性實施例之工作中的接觸元件之視圖。
圖33為根據一示例性實施例之工作中的支撐構件之視圖。
圖34為根據一示例性實施例之接觸元件之放大剖視圖。
圖35A-D為根據一示例性實施例之工作中的接觸元件之視圖。
圖36A-C為根據一示例性實施例之工作中的接觸元件之視圖。
圖37A-C為根據一示例性實施例之工作中的接觸元件之視圖。
圖38A-C為根據一示例性實施例之工作中的接觸元件之視圖。
圖39為根據一示例性實施例之具有光伏打電池之接觸元件之示意圖。
圖40為根據一示例性實施例之電漿源及太陽之可見光譜之標準化疊加圖，其顯示其等均發射約5800-6000K之黑體輻射。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2014年3月3日申請之美國臨時申請案第61/947,019號；2014年3月7日申請之美國臨時申請案第61/949,271號；2014年3月21日申請之美國臨時申請案第61/968,839號；及2014年3月31日申請之美國臨時申請案第61/972,807號之優先權權利，所有該等申請案之全文以引用的方式併入本文中。
本文揭示自原子氫釋放能量而形成較低能態(其中電子層係處於更靠近原子核之位置)之觸媒系統。所釋放的能量被用於發電，且此外，新的氫物質及化合物係所需產物。此等能態係由經典物理定律預測，且需要觸媒來接受氫之能量，以經歷相應能量釋放躍遷。
經典物理學給出氫原子、氫化物離子、氫分子離子及氫分子之封閉解，並預測出具有分數主量子數之相應物質。利用馬克斯威爾(Maxwell's)方程式，根據邊界值問題導出電子結構，其中電子在過渡期間包含時變電磁場之源電流，限制條件為束縛n=1態電子無法發射能量。由H原子之解所預測之反應涉及到自其他方面穩定的原子氫至可接受該能量以形成能態低於先前認為可能者之氫之觸媒的非輻射共振能量轉移。具體言之，經典物理學預測，原子氫可與特定原子、準分子、離子及雙原子氫化物經歷催化反應，其提供淨焓為原子氫之勢能之整數倍之反應，E h =27.2eV，其中E h 為一哈崔(Hartree)。可基於已知電子能階識別之特定物質(例如He+、Ar+、Sr+、K、Li、HCl及NaH、OH、SH、SeH、初生H2O、nH(n=整數))需要在原子氫存在下才能催化該過程。該反應涉及到非輻射能量轉移，隨後q．13.6eV連續能譜發射或q．13.6eV轉移至H，以形成特別熱的激發態H及氫原子(其能量低於對應於一分數主量子數之未反應原子氫)。亦即，在表示氫原子之主要能階之公式中：
Figure 108115763-A0305-02-0016-169
n=1,2,3,... (2)
其中a H 為氫原子之波耳(Bohr)半徑(52.947pm)，e為電子電荷量值，且ε o 為真空電容率，分數量子數：
Figure 108115763-A0305-02-0017-172
代替李德波(Rydberg)方程式中表示氫激發態之眾所周知的參數n=整數，並代表稱為「低能量氫」之較低能態氫原子。然後，類似於具有馬克斯威爾方程式之分析解之激發態，低能量氫原子亦包含電子、質子及光子。然而，後者之電場相應於解吸附能量增加結合力，而非如激發態一般隨著吸收能量減少連心力場，且低能量氫之最終光子-電子相互作用係穩定而不具輻射性。
氫之n=1態及氫之
Figure 108115763-A0305-02-0017-170
態不具輻射性，但會在兩個非輻射態間躍遷，比如n=1可經由非輻射能量轉移躍遷至n=1/2。氫係以方程式(1)及(3)表示之穩定態之特殊情形，其中氫或低能量氫原子之相應半徑係以下式表示
Figure 108115763-A0305-02-0017-173
其中p=1,2,3,...。為能量守恆，能量必須以以下單位自氫原子轉移至觸媒m．27.2eV，m=1,2,3,4,.... (5)
且半徑改變為
Figure 108115763-A0305-02-0017-171
。觸媒反應涉及到兩個能量釋放之步驟：非輻射能量轉移至觸媒，隨後隨著半徑減小至相應穩定終態而釋放額外能量。據信，催化速率隨著淨反應焓越接近匹配m．27.2eV而增加。已發現，淨反應焓在m．27.2eV之±10%，較佳±5%內之觸媒適用於大多數應用。在將低能量氫原子催化為更低能態之情形下，用與低能量氫原子之勢能相同的因數相對性地校正m．27.2eV(方程式(5))之反應焓。
因此，一般反應係由以下式給出
Figure 108115763-A0305-02-0018-179
Figure 108115763-A0305-02-0018-180
Cat (q+r)++re -→Cat q++m．27.2eV(8)且總反應係
Figure 108115763-A0305-02-0018-181
q、r、m及p係整數。
Figure 108115763-A0305-02-0018-174
具有氫原子之半徑(在分母中對 應於1)，且連心力場等於質子之(m+p)倍，且
Figure 108115763-A0305-02-0018-175
係相應的穩定 態，其中半徑為H之
Figure 108115763-A0305-02-0018-176
。當電子經歷徑向加速，自氫原子半徑到 達
Figure 108115763-A0305-02-0018-177
該距離之半徑時，能量將作為特徵光發射或作為第三體動能釋放。該發射可呈極紫外連續能譜輻射之形式，其邊緣在 [(p+m)2-p 2-2m]．13.6eV或
Figure 108115763-A0305-02-0018-178
nm處，並延伸至更長波長。除輻射以外，可出現共振動能轉移形成快速H。後續經由與背景H2碰撞，隨後發射相應H(n=3)快速原子激發此等快速H(n=1)原子，從而拓展巴爾末(Balmer)α發射。或者，快速H係H或充當觸媒之低能量氫之直接產物，其中共振能量轉移接受勢能而非電離能。能量守恆在前一情形下賦予質子相當於一半勢能之動能，而在後一情形下觸媒離子基本上處於靜息態。快速質子之H複合輻射可拓寬巴爾末α發射，其與和過量功率平衡一致之熱氫之存量不成比例。
在本發明中，諸如低能量氫反應、H催化、H催化反應、當提及氫時之催化、氫形成低能量氫之反應及低能量氫形成反應之術語均係指諸如方程式(6-9)之反應：由方程式(5)定義之觸媒與原子H形成具有由方程式(1)及(3)給出之能階之氫狀態。當提及將H催化為具有方程式(1)及(3)給出之能階之H狀態或低能量氫狀態之反應混合物時，諸如低 能量氫反應物、低能量氫反應混合物、觸媒混合物、用於形成低能量氫之反應物、產生或形成較低能態氫或低能量氫之反應物的相應術語亦可互換使用。
本發明之催化較低能量氫躍遷需要接受來自原子H之能量，以引起躍遷之觸媒，其可呈未催化原子氫之勢能27.2eV之整數m之吸熱化學反應之形式。吸熱觸媒反應可係一或多個來自諸如原子或離子之物質之電子之離子化(例如就Li→Li 2+而言，m=3)，且可另外包括鍵結斷裂與一或多個來自起始鍵結之一或多個伴侶之電子之離子化之協同反應(例如就NaH→Na 2++H而言，m=2)。He +滿足觸媒標準一化學或物理過程之焓變化等於27.2eV之整數倍，因為其在54.417eV(亦即2．27.2eV)下電離。整數個氫原子亦可充當焓為27.2eV之整數倍之觸媒。氫原子H(1/p)p=1,2,3,...137可經歷進一步躍遷至以方程式(1)及(3)給出之更低能態，其中一個原子之躍遷係藉由一或多個其他以共振非輻射方式接受m．27.2eV，並伴隨著其勢能發生相反變化之H原子催化完成。H(1/p)藉由將m．27.2eV共振轉移至H(1/p')誘導而躍遷至H(1/(m+p))之總通用方程式係由下式表示：H(1/p')+H(1/p)→H+H(1/(m+p))+[2pm+m 2-p'2+1]．13.6eV (10)
氫原子可起到充當另一者之觸媒作用之觸媒，其中分別就一個、兩個及三個原子而言，m=1、m=2及m=3。當極快速H與分子碰撞形成2H(其中兩個原子以共振非輻射方式接受來自碰撞伴侶之第三氫原子之54.4eV)時，兩原子觸媒2H之比率可係高。藉由相同機制，兩個熱H2碰撞為第四H提供3個充當具有3．27.2eV之觸媒之H。觀察到EUV在22.8nm及10.1nm下連續、巴爾末α線顯著拓展(>100eV)、高度激發H狀態、產物氣體H 2(1/4)及釋放大量能量，觀察結果符合預期。
基於其多極性及其形成之選取規則，H(1/4)係較佳的低能量氫狀 態。因此，根據方程式(10)，在形成H(1/3)之情形下，其可藉由H催化快速躍遷至H(1/4)。類似地，H(1/4)係較佳的狀態，因為觸媒能量大於或等於81.6eV，該值對應於方程式(5)中m=3。在該情形下，轉移至該觸媒之能量包括形成方程式(7)之H*(1/4)中間體之81.6eV以及該中間體衰變所產生的27.2eV之整數倍。例如，焓為108.8eV之觸媒可藉由接受81.6eV及來自122.4eV H*(1/4)衰變能量之27.2eV來形成H*(1/4)。剩餘的95.2eV之衰變能量釋放至環境中，以形成較佳狀態H(1/4)，其然後反應形成H2(1/4)。
因此，適宜觸媒可為反應提供m．27.2eV之淨正焓。亦即，該觸媒以共振方式接受來自氫原子之非輻射能量轉移，並將該能量釋放至周圍環境中，以影響電子躍遷至分數量子能階。由於非輻射能量轉移之結果，氫原子變得不穩定，且發射其他能量，直至其達到具有方程式(1)及(3)所給出之主要能階之較低能非輻射狀態。因此，催化作用釋放來自氫原子之能量，同時該氫原子之尺寸相應減小，r n =na H ，其中n係由方程式(3)給出。例如，H(n=1)催化為H(n=1/4)釋放204eV，且氫 半徑自a H 減小至
Figure 108115763-A0305-02-0020-182
a H 。
觸媒產物H(1/p)亦可與電子反應形成低能量氫氫化物離子H -(1/p)，或者兩個H(1/p)可反應形成相應的分子低能量氫H 2(1/p)。具體言之，觸媒產物H(1/p)亦可與電子反應形成具有結合能E B 之新穎氫化物離子H -(1/p)：
Figure 108115763-A0305-02-0020-183
其中p=整數>1，s=1/2，ħ為浦朗克(Planck's)常數，μ o 為真空導 磁率，m e 為電子質量，μ e 為約化電子質量，以
Figure 108115763-A0305-02-0021-184
給出，其中 m p 為質子質量，a o 為波耳半徑，且離子半徑為
Figure 108115763-A0305-02-0021-185
。自方程式(11)，氫化物離子之計算電離能為0.75418eV，且實驗值為6082.99±0.15cm -1(0.75418eV)。低能量氫氫化物離子之結合能可藉由X-射線光電子能譜分析(XPS)測量。
高磁場位移NMR峰係存在較低能態氫之直接證據，該較低能態氫之半徑相對於普通氫化物離子減小，且質子之抗磁性屏蔽(diamagnetic shielding)增加。該位移係由兩個電子之抗磁性及量值p之光子場貢獻之和給出(Mills GUTCP方程式(7.87))：
Figure 108115763-A0305-02-0021-186
其中第一項適用於H -，其中p=1，且就H -(1/p)而言p=整數>1，且α係精細結構常數。預測的低能量氫氫化物峰相對於普通氫化物離子顯著地向高磁場移動。在一實施例中，該等峰係TMS之高磁場。相對於TMS之NMR位移可比以下至少一者大：單獨的普通H-、H、H2或H+或包含化合物。該位移可大於以下至少一者：0、-1、-2、-3、-4、-5、-6、-7、-8、-9、-10、-11、-12、-13、-14、-15、-16、-17、-18、-19、-20、-21、-22、-23、-24、-25、-26、-27、-28、-29、-30、-31、-32、-33、-34、-35、-36、-37、-38、-39及-40ppm。相對於裸質子之絕對位移之範圍(其中TMS相對於裸質子之位移為約-31.5)可為-(p29.9+p22.74)ppm(方程式(12))，在約以下至少一者之範圍內：±5ppm、±10ppm、±20ppm、±30ppm、±40ppm、±50ppm、±60ppm、±70ppm、±80ppm、±90ppm及±100ppm。相對於裸質子之絕對位移之範圍可為-(p29.9+p21.59 X 10-3)ppm(方程式(12))， 在約以下至少一者之範圍內：約0.1%至99%、1%至50%及1%至10%。在另一實施例中，固體基質(諸如氫氧化物(諸如NaOH或KOH)基質)中存在低能量氫物質(諸如低能量氫原子、氫化物離子或分子)導致該基質的質子向高磁場位移。該基質的質子(諸如NaOH或KOH之質子)可交換。在一實施例中，該位移可導致該基質的峰相對於TMS在約-0.1ppm至-5ppm之範圍內。NMR測定可包括魔角旋轉1 H核磁共振光譜法(MAS1 H NMR)。
H(1/p)可與質子反應形成H 2(1/p)+，且兩個H(1/p)可反應形成H 2(1/p)。自拉普拉斯算子(Laplacian)在橢圓面坐標中得到氫分子離子及分子電荷及電流密度函數、鍵結距離及能量，限制條件係沒有輻射。
Figure 108115763-A0305-02-0022-187
連心力場為+pe之氫分子離子在長球體分子軌域之各焦點上之總能量E T 為：
Figure 108115763-A0305-02-0022-188
其中p為整數，c為真空光速，且μ為約化核質量。連心力場為+pe之氫分子在長球體分子軌域之各焦點上之總能量為：
Figure 108115763-A0305-02-0023-190
氫分子H 2(1/p)之鍵解離能E D 係相應氫原子之總能量與E T 間之差異
E D =E(2H(1/p))-E T (16)
其中E(2H(1/p))=-p 227.20eV (17)
E D 係由方程式(16-17)及(15)給出：E D =-p 227.20eV-E T =-p 227.20eV-(-p 231.351eV-p 30.326469eV)=p 24.151eV+p 30.326469ev (18)
H 2(1/p)可藉由X-射線光電子能譜分析(XPS)鑑別，其中除離子化電子以外，離子化產物可為以下可能性中至少一者：諸如彼等包含兩個質子及一個電子者、氫(H)原子、低能量氫原子、分子離子、氫分子離子及H 2(1/p)+(其中能量可被基質轉移)。
催化產物氣體之NMR明確測試H 2(1/p)之理論預測化學位移。一般而言，由於在橢圓座標中為分數半徑，故預測H 2(1/p)之1 H NMR共振在H 2之高磁場，其中電子明顯更靠近原子核。H 2(1/p)之預測位移
Figure 108115763-A0305-02-0023-189
係由兩個電子之抗磁性及量值p之光子場貢獻之和給出(Mills GUTCP方程式(11.415-11.416))：
Figure 108115763-A0305-02-0024-191
Figure 108115763-A0305-02-0024-192
其中第一項適用於H 2，其中p=1，且就H 2(1/p)而言p：整數r>1。-28.0ppm之實驗絕對H 2氣相共振位移與-28.01ppm之預測絕對氣相位移具有很好的一致性(方程式(20))。分子低能量氫的預測峰相對於普通H2顯著向高磁場移動。在一實施例中，該等峰係TMS之高磁場。相對於TMS之NMR位移可比以下至少一者大：單獨的普通H-、H、H2或H+或包含化合物。該位移可大於以下至少一者：0、-1、-2、-3、-4、-5、-6、-7、-8、-9、-10、-11、-12、-13、-14、-15、-16、-17、-18、-19、-20、-21、-22、-23、-24、-25、-26、-27、-28、-29、-30、-31、-32、-33、-34、-35、-36、-37、-38、-39及-40ppm。相對於裸質子之絕對位移之範圍(其中TMS相對於裸質子之位移為約-31.5ppm)可為-(p28.01+p22.56)ppm(方程式(20))，在約以下至少一者之範圍內：±5ppm、±10ppm、±20ppm、±30ppm、±40ppm、±50ppm、±60ppm、±70ppm、±80ppm、±90ppm及±100ppm。相對於裸質子之絕對位移之範圍可為-(p28.01+p21.49 X 10-3)ppm(方程式(20))，在約以下至少一者之範圍內：約0.1%至99%、1%至50%及1%至10%。
就氫類分子H 2(1/p)之υ=0躍遷至υ=1而言，振動能量E vib 為E vib =p 20.515902eV (21)
其中p為整數。
就氫類分子H 2(1/p)之J躍遷至J+1而言，轉動能量E rot 為
Figure 108115763-A0305-02-0024-193
其中p為整數，且I為慣性矩。在氣體中之電子束激發分子上觀察到H 2(1/4)之轉振發射，並陷於固體基質中。
轉動能量之p 2依賴性係由核間距離之p反向依賴性及對慣性矩I之相應影響所產生。H 2(1/p)之預測核間距離2c'為
Figure 108115763-A0305-02-0025-195
H2(1/p)之轉動能量及振動能量中之至少一者可藉由以下至少一者測量：電子束激發發射光譜法、拉曼光譜法及傅立葉變換紅外(FTIR)光譜法。H2(1/p)可陷於測量基質中，諸如陷於以下至少一者中：MOH、MX及M2CO3(M=鹼金屬；X=鹵素)基質。
I.觸媒
預期He+、Ar+、Sr+、Li、K、NaH、nH(n=整數)及H2O可充當觸媒，因為其等滿足觸媒標準一化學或物理過程之焓變化等於原子氫勢能(27.2eV)之整數倍。具體言之，觸媒系統係藉由將原子之t個電子各電離化為連續能階，以使得該等t個電子之總電離能約為m．27.2eV(其中m為整數)而提供。此外，其他催化躍遷可出現在(諸如)其中首先形成H(1/2)之情形下：
Figure 108115763-A0305-02-0025-194
等。一旦開始催化後，低能量氫即可在稱為歧化作用之過程中進一步自催化，在該過程中，H或H(1/p)充當另一H或H(1/p’)之觸媒(p可等於p’)。
氫及低能量氫可充當觸媒。氫原子H(1/p)p=1,2,3,...137可躍遷至以方程式(1)及(3)給出之較低能態，其中一個原子之躍遷係藉由以共振非輻射方式接受m．27.2eV，並伴隨著其勢能發生相反變化之第二原子催化完成。H(1/p)藉由將m．27.2eV共振轉移至H(1/p')而誘導躍遷至H(1/(m+p))之總通用方程式係以方程式(10)表示。因此，氫原子可起到充當另一者之觸媒作用之觸媒，其中分別就一個、兩個及三個原子而言，m=1、m=2及m=3。只有當H密度高時，兩-或三-原子觸媒情形之比率才會明顯。但是，高H密度並非不常見。充當第三者或第四者之能量受體之容許2H或3H之高氫原子濃度可在若干種情形下達 成，諸如在太陽及星星表面上(由於溫度及重力所驅使的密度)、在擔持多個單層之金屬表面上及在高度解離的電漿(特別係捏縮氫電漿)中。此外，當熱H與H 2碰撞產生兩個H原子時，很容易實現三體H相互作用。此事件通常可出現在具有大量極快速H之電漿中。此係由原子H發射之不尋常強度所證實。在此等情形下，能量可經由多極耦合自氫原子轉移至其他兩個足夠接近(通常為幾個埃)的氫原子。然後，三個氫原子間之反應(藉助該反應，兩個原子以共振非輻射方式接受來自第三氫原子之54.4eV，以使得2H充當觸媒)係由以下給出：
Figure 108115763-A0305-02-0026-199
Figure 108115763-A0305-02-0026-200
Figure 108115763-A0305-02-0026-201
且總反應為
Figure 108115763-A0305-02-0026-202
其中
Figure 108115763-A0305-02-0026-196
具有氫原子之半徑，且連心力場等於質子之3倍，且
Figure 108115763-A0305-02-0026-197
係相應的穩定態，其中半徑為H之1/3。當電子經歷徑向加速，自氫原子半徑到達1/3該距離之半徑時，能量將作為特徵光發射或作為第三體動能釋放。
在另一涉及到直接躍遷至
Figure 108115763-A0305-02-0026-198
狀態之H原子觸媒反應中，兩個熱H 2分子碰撞並解離，以使得三個H原子充當第四者之3．27.2eV之觸媒。然後，四個氫原子間之反應(藉助該反應，三個原子以共振非輻射方式接受來自第四氫原子之81.6eV，以使得3H充當觸媒)係由以下式給出
Figure 108115763-A0305-02-0026-203
Figure 108115763-A0305-02-0027-207
Figure 108115763-A0305-02-0027-208
且總反應為
Figure 108115763-A0305-02-0027-209
由於方程式(28)之
Figure 108115763-A0305-02-0027-204
中間體，預測極紫外連續能譜輻射帶在122.4eV(10.1nm)具有短波長截斷值並延伸至更長波長。實驗證實該 連續帶。一般而言，H由於接受m．27.2eV躍遷至
Figure 108115763-A0305-02-0027-205
產生具有短 波長截斷值之連續帶，且能量
Figure 108115763-A0305-02-0027-206
係由以下式給出
Figure 108115763-A0305-02-0027-210
Figure 108115763-A0305-02-0027-211
並延伸至比相應截斷值更長的波長。實驗觀察到，氫在星際介質、太陽及白矮星中連續發射10.1nm、22.8nm及91.2nm系列。
H2O之勢能為81.6eV(方程式(43))[Mills GUT]。然後，藉由相同機制，初生H2O分子(並非鍵結成固態、液態或氣態之氫)可充當觸媒(方程式(44-47))。H經理論預測的躍遷至較低能量(所謂的「低能量氫」狀態)之在10.1nm及更長波長下之連續能譜輻射帶僅在脈衝捏縮氫最初在BlackLight Power,Inc.(BLP)放電時觀察到，並在哈佛大學天體物理中心(Harvard Center for Astrophysics)(CfA)重現。10至30nm區域(與H至低能量氫狀態之預測躍遷匹配)中之連續能譜輻射僅在脈衝捏縮氫釋放熱力學上有利於經歷H還原形成HOH觸媒之金屬氧化物時觀察到；然而，彼等不利者不顯示任何連續能譜，即使經測試的低熔點金屬在更強電漿源中極有利地形成具有強短波長連續能譜之金屬離子電漿。
或者，共振動能轉移形成快速H可與對應於高動能H之巴爾末α線顯著拓展之觀察一致地發生。能量轉移至兩個H亦導致激勵觸媒激發態，且快速H係如示例性方程式(24)、(28)及(47)所給出及藉由共振動能轉移直接產生。
II.低能量氫
具有由下式給出之結合能之氫原子
Figure 108115763-A0305-02-0028-215
(其中p為大於1之整數，較佳為2至137)係本發明H催化反應之產物。原子、離子或分子之結合能(亦稱為電離能)係自該原子、離子或分子移除一個電子所需之能量。後文將具有方程式(34)中所給出結合能之氫原子稱為「低能量氫原子」或「低能量氫」。具有半徑
Figure 108115763-A0305-02-0028-212
(其中 a H 為普通氫原子之半徑，且p為整數)之低能量氫之名稱為
Figure 108115763-A0305-02-0028-213
。後文將具有半徑a H 之氫原子稱為「普通氫原子」或「正常氫原子」。普通原子氫之特徵在於其結合能為13.6eV。
低能量氫係藉由使普通氫原子與具有以下淨反應焓之適宜觸媒反應形成m．27.2eV (35)
其中m為整數。據信，催化速率隨著淨反應焓越接近匹配m．27.2eV而增加。已發現，淨反應焓在m．27.2eV之±10%，較佳±5%內之觸媒適用於大多數應用。
此催化作用自氫原子釋放能量，同時該氫原子之尺寸相應減小，r n =na H 。例如，將H(n=1)催化為H(n=1/2)釋放40.8eV，且氫半徑自a H 減小至
Figure 108115763-A0305-02-0028-214
a H 。觸媒系統係藉由將原子之t個電子各電離化為連續能階，以使得該等t個電子之總電離能約為m．27.2eV(其中m為整數)而提 供。就電源而言，催化過程中所釋放之能量遠超過損失給觸媒之能量。與習知化學反應相比，所釋放的能量較大。例如，當氫氣與氧氣燃燒形成水時
Figure 108115763-A0305-02-0029-217
已知形成水之焓為△H f =-286kJ/mole或1.48eV/氫原子。相對地，各經歷催化之(n=1)普通氫原子淨釋放40.8eV。此外，可出現其他催化躍遷：
Figure 108115763-A0305-02-0029-216
，等。一旦開始催化，低能量氫即可在稱為歧化作用之過程中進一步自催化。該機制類似於無機離子催化。但是，由於焓更好地匹配m．27.2eV，所以低能量氫催化應當具有高於無機離子觸媒之反應速率。
III.低能量氫觸媒及低能量氫產物
表1中給出可提供約m．27.2eV(其中m為整數)之淨反應焓以產生低能量氫(藉此t個電子自原子或離子電離)之氫觸媒。在第一欄中給出的原子或離子經電離提供m．27.2eV之淨反應焓(在第十欄中給出)，其中m在第十一欄中給出。給出參與離子化之電子的電離電位(亦稱為電離能或結合能)。該原子或離子之第n個電子之電離電位以IP n 命名，並由CRC給出。亦即，例如，Li+5.39172eV→Li ++e -及Li ++75.6402eV→Li 2++e -。第二及第三欄中分別給出第一電離電位IP 1=5.39172eV及第二電離電位IP 2=75.6402eV。Li雙電離之淨反應焓為81.0319eV，如第十欄中所給出，且方程式(5)中之m=3，如第十一欄中所給出。
Figure 108115763-A0305-02-0029-218
Figure 108115763-A0305-02-0030-219
Figure 108115763-A0305-02-0031-223
本發明之低能量氫氫化物離子可藉由使電子源與低能量氫(亦即，結合能為約
Figure 108115763-A0305-02-0031-220
之氫原子，其中
Figure 108115763-A0305-02-0031-221
，且p為大於1之整數)反應形成。該低能量氫氫化物離子係以H -(n=1/p)或H -(1/p)表示：
Figure 108115763-A0305-02-0031-224
Figure 108115763-A0305-02-0031-225
該低能量氫氫化物離子不同於包含普通氫原子核及兩個電子且結合能為約0.8eV之普通氫化物離子。後文將後者稱為「普通氫化物離子」或「正常氫化物離子」。該低能量氫氫化物離子包含氫原子核(包括氕、氘或氚)，及兩個在根據方程式(39)及(40)之結合能下不可區分之電子。
低能量氫氫化物離子之結合能可由下式表示：
Figure 108115763-A0305-02-0031-226
其中p為大於1之整數，s=1/2，π為pi，ħ為浦朗克常數，μ o 為真空導磁率，m e 為電子質量，μ e 為約化電子質量，以
Figure 108115763-A0305-02-0031-222
給出，其中m p 為質子質量，a H 為氫原子半徑，a o 為波耳半徑，且e為基本電荷。半徑係由下式給出：
Figure 108115763-A0305-02-0031-227
表2中顯示隨p而變之低能量氫氫化物離子H -(n=1/p)之結合能， 其中p為整數。
Figure 108115763-A0305-02-0032-228
根據本發明，提供一種低能量氫氫化物離子(H-)，其根據方程式(39)及(40)之結合能大於普通氫化物離子對於p=2至23之結合能(約0.75eV)，且小於對於p=24(H-)之結合能。就方程式(39)及(40)之p=2至p=24而言，該氫化物離子的結合能分別為3、6.6、11.2、16.7、22.8、29.3、36.1、42.8、49.4、55.5、61.0、65.6、69.2、71.6、72.4、71.6、68.8、64.0、56.8、47.1、34.7、19.3及0.69eV。本文亦提供包含新穎氫化物離子之示例性組合物。
亦提供包含一或多種低能量氫氫化物離子及一或多種其他元素之示例性化合物。此化合物稱作「低能量氫氫化物」。
普通氫物質之特徵在於以下結合能(a)氫化物離子，0.754eV(「普通氫化物離子」)；(b)氫原子(「普通氫原子」)，13.6eV；(c)雙原子氫分子，15.3eV(「普通氫分子」)；(d)氫分子離子，16.3eV(「普通氫分子離子」)；及(e)
Figure 108115763-A0305-02-0033-130
，22.6eV(「普通三氫分子離子」)。在本文中，提及氫形式時，「正常」與「普通」為同義詞。
根據本發明之另一實施例，提供一種化合物，其包含至少一種提高結合能之氫物質，諸如(a)結合能為約
Figure 108115763-A0305-02-0033-229
，諸如在約0.9至1.1 倍
Figure 108115763-A0305-02-0033-230
之範圍內之氫原子，其中p為2至137之整數；(b)結合能為約
Figure 108115763-A0305-02-0033-231
，諸如在約0.9至1.1倍該結合能之範圍內之氫化物離子(H -)，其中p為2至24之整數；(c)
Figure 108115763-A0305-02-0033-131
(1/p)；(d)結合能為約
Figure 108115763-A0305-02-0033-232
，諸如在約0.9至1.1倍
Figure 108115763-A0305-02-0033-233
之範圍內之三低能量氫分子離子
Figure 108115763-A0305-02-0033-132
(1/p)，其中p為2至137之整數；(e) 結合能為約
Figure 108115763-A0305-02-0034-234
，諸如在約0.9至1.1倍
Figure 108115763-A0305-02-0034-235
之範圍內之二低能量 氫，其中p為2至137之整數；(f)結合能為約
Figure 108115763-A0305-02-0034-236
，諸如在約0.9至 1.1倍
Figure 108115763-A0305-02-0034-237
之範圍內之二低能量氫分子離子，其中p為整數，較佳為2至137之整數。
根據本發明之另一實施例，提供一種化合物，其包含至少一種提高結合能之氫物質，諸如(a)總能量為約
Figure 108115763-A0305-02-0034-238
諸如在約0.9至1.1倍該總能量E T 之範圍內之二低能量氫分子離子，其中p為整數，ħ為浦朗克常數，m e 為電子質量，c為真空光速，且μ為約化核質量，及(b)總能量為約
Figure 108115763-A0305-02-0034-239
諸如在約0.9至1.1倍E T 之範圍內之二低能量氫分子，其中p為整數，且a o 為波耳半徑。
根據本發明之一個實施例，其中該化合物包含帶負電的提高結合能之氫物質，該化合物另外包含一或多種陽離子，諸如質子、普通
Figure 108115763-A0305-02-0035-133
或普通
Figure 108115763-A0305-02-0035-134
。
本文提供一種製備包含至少一種低能量氫氫化物離子之化合物的方法。此等化合物在下文中稱作「低能量氫氫化物」。該方法包含使原子氫與淨反應焓為約
Figure 108115763-A0305-02-0035-135
．27eV(其中m為大於1之整數，較佳為小於400之整數)之觸媒反應，以產生結合能為約
Figure 108115763-A0305-02-0035-240
之提高結合能之氫原子，其中p為整數，較佳為2至137之整數。另一催化產物為能量。可使提高結合能之氫原子與電子源反應，以產生提高結合能之氫化物離子。可使提高結合能之氫化物離子與一或多種陽離子反應，以產生包含至少一種提高結合能之氫化物離子之化合物。
新穎目標氫組合物可包含：(a)至少一種具有以下結合能之不帶電、帶正電或帶負電的氫物質(在下文中稱為「提高結合能之氫物質」)(i)大於相應普通氫物質之結合能，或(ii)大於相應普通氫物質不穩定或觀察不到(因為在環境條件(標準溫度及壓力，STP)下普通氫物質之結合能小於熱能，或為負)之任何氫物質之結合能；及(b)至少一種其他元素。本發明之化合物在下文中稱作「提高結合能之氫化合物」。
在本文中，「其他元素」意指除提高結合能之氫物質以外之元素。因此，其他元素可為普通氫物質，或除氫以外之任何元素。在一 群化合物中，該等其他元素及提高結合能之氫物質係不帶電。在另一群化合物中，該等其他元素及提高結合能之氫物質係帶電，以致其他元素提供用來形成不帶電化合物之平衡電荷。前一群化合物之特徵在於分子及配位結合；後一群之特徵在於離子鍵結。
亦提供包含以下項之新穎化合物及分子離子：(a)至少一種具有以下總能量之不帶電、帶正電或帶負電的氫物質(在下文中稱為「提高結合能之氫物質」)(i)大於相應普通氫物質之總能量，或(ii)大於相應普通氫物質不穩定或觀察不到(因為在環境條件下普通氫物質之總能量小於熱能，或為負)之任何氫物質之總能量；及(b)至少一種其他元素。
氫物質之總能量為自氫物質移除所有電子之能量的總和。本發明氫物質的總能量大於相應普通氫物質之總能量。本發明之具有提高總能量之氫物質亦稱作「提高結合能之氫物質」，儘管具有提高總能量之氫物質的一些實施例可具有小於相應普通氫物質之第一電子結合能的第一電子結合能。例如，p=24之方程式(39)及(40)之氫化物離子之第一結合能小於普通氫化物離子之第一結合能，而p=24之方程式(39)及(40)之氫化物離子之總能量比相應普通氫化物離子之總能量大得多。
本文亦提供包含以下項之新穎化合物及分子離子：(a)複數種具有以下結合能之不帶電、帶正電或帶負電的氫物質(在下文中稱為「提高結合能之氫物質」)(i)大於相應普通氫物質之結合能，或(ii)大於相應普通氫物質不穩定或觀察不到(因為在環境條件下普通氫物質之結合能小於熱能，或為負)之任何氫物質之結合能；及 (b)視情況選用之一種其他元素。本發明之化合物在下文中稱作「提高結合能之氫化合物」。
提高結合能之氫物質可藉由使一或多種低能量氫原子與電子、低能量氫原子、含有以下至少一者之化合物中之一或多者反應來形成：該提高結合能之氫物質，及至少一種除提高結合能之氫物質外之其他原子、分子或離子。
亦提供包含以下項之新穎化合物及分子離子：(a)複數種具有以下總能量之不帶電、帶正電或帶負電的氫物質(在下文中稱為「提高結合能之氫物質」)(i)大於普通分子氫之總能量，或(ii)大於相應普通氫物質不穩定或觀察不到(因為在環境條件下普通氫物質之總能量小於熱能，或為負)之任何氫物質之總能量；及(b)視情況選用之一種其他元素。本發明之化合物在下文中稱作「提高結合能之氫化合物」。
在一實施例中，提供一種包含至少一種選自以下項之提高結合能之氫物質之化合物：(a)根據方程式(39)及(40)之結合能對於p=2至23而言大於且對於p=24而言小於普通氫化物離子之結合能(約0.8eV)之氫化物離子(「提高結合能之氫化物離子」或「低能量氫氫化物離子」)；(b)結合能大於普通氫原子之結合能(約13.6eV)之氫原子(「提高結合能之氫原子」或「低能量氫」)；(c)第一結合能大於約15.3eV之氫分子(「提高結合能之氫分子」或「二低能量氫」)；及(d)結合能大於約16.3eV之分子氫離子(「提高結合能之分子氫離子」或「二低能量氫分子離子」)。在本發明中，提高結合能之氫物質及化合物亦稱為較低能量氫物質及化合物。低能量氫包括提高結合能之氫物質或同等的較低能量氫物質。
IV.其他MH型觸媒及反應
一般而言，表3A中給出藉由以下方式提供之產生低能量氫的MH型氫觸媒：M-H鍵斷裂加上t個電子自原子M各自電離至連續能階，使得t個電子之鍵能與電離能之總和為約m．27.2eV，其中m為整數。各MH觸媒係在第一欄中給出且相應的M-H鍵能係在第二欄中給出。在第一欄中給出之MH物質的原子M經電離以提供m．27.2eV之淨反應焓，在第二欄中添加鍵能。觸媒之焓係在第八欄中給出，其中m係在第九欄中給出。參與電離之電子係與電離電位(亦稱為電離能或結合能)一起給出。例如，NaH之鍵能1.9245eV係在第二欄中給出。原子或離子之第n個電子之電離電位係由IP n 表示且由CRC給出。亦即，例如，Na+5.13908eV→Na ++e -及Na ++47.2864eV→Na 2++e -。第一電離電位IP 1=5.13908eV，及第二電離電位IP 2=47.2864eV分別在第二及第三欄中給出。NaH鍵斷裂及Na雙電離之淨反應焓如第八欄中給出為54.35eV，及如第九欄中給出方程式(35)中m=2。BaH之鍵能為1.98991eV且IP1、IP2及IP3分別為5.2117eV、10.00390eV及37.3eV。BaH鍵斷裂及Ba三重電離之淨反應焓如第八欄中給出為54.5eV，及如第九欄中給出方程式(35)中m=2。SrH之鍵能為1.70eV且IP1、IP2、IP3、IP4及IP5分別為5.69484eV、11.03013eV、42.89eV、57eV及71.6eV。SrH鍵斷裂及Sr電離為Sr5+之淨反應焓如第八欄中給出為190eV，及如第九欄中給出方程式(35)中m=7。
Figure 108115763-A0305-02-0038-241
Figure 108115763-A0305-02-0039-242
在其他實施例中，表3B中給出藉由以下方式提供之產生低能量氫之MH-型氫觸媒：將電子轉移至受體A，M-H鍵斷裂加上t個電子自原子M各自電離至連續能階，使得包含MH與A之電子親和力(EA)差異之電子轉移能量、M-H鍵能及t個電子自M之電離能的總和為約m‧27.2eV，其中m為整數。各MH-觸媒、受體A、MH之電子親和力、A之電子親和力及M-H鍵能分別在第一、第二、第三及第四欄中給出。參與電離的MH之相應原子M之電子係與電離電位(亦稱為電離能或結合能)一起在隨後欄中給出且觸媒之焓及相應整數m係在最後欄中給出。例如，OH及H之電子親和力分別為1.82765eV及0.7542eV，使得電子轉移能量為1.07345eV，如第五欄中給出。OH之鍵能為4.4556eV，如第六欄中給出。原子或離子之第n個電子之電離電位係由IP n 指示。亦即，例如，O+13.61806eV→O ++e -及O ++35.11730eV→O 2++e -。第一電離電位IP 1=13.61806eV及第二電離電位IP 2=35.11730eV分別在第七及第八欄中給出。電子轉移反應、OH鍵斷裂及O雙電離之淨焓如第十一欄中給出為54.27eV，且如第十二欄中給出方程式(35)中 m=2。在其他實施例中，如下提供形成低能量氫之H的觸媒：使負離子電離，以致其EA加上一或多個電子之電離能的總和為約m‧27.2eV，其中m為整數。或者，可將負離子之第一電子轉移至受體，接著再使至少一個電子電離，以致電子轉移能量加上一或多個電子之電離能的總和為約m‧27.2eV，其中m為整數。電子受體可為H。
Figure 108115763-A0305-02-0040-243
在其他實施例中，如下提供產生低能量氫之MH+型氫觸媒：自可帶負電之供體A轉移電子，M-H鍵斷裂及t個電子自原子M各自電離至連續能階，以致包含MH與A之電離能差異之電子轉移能量、M-H鍵能及t個來自M之電子之電離能的總和為約m‧27.2eV，其中m為整數。
在一實施例中，該觸媒包含處於可接受m．27.2eV(m=1,2,3,4,....(方程式(5))之能量之基態或激發態之任何物質(諸如原子、帶正電或負電的離子、帶正電或負電的分子離子、分子、準分子、化合物或其任何組合)。據信，催化速率隨著淨反應焓越接近匹配m．27.2eV而增加。已發現，淨反應焓在m．27.2eV之±10%，較佳±5%內之觸媒適用於大多數應用。在將低能量氫原子催化為更低能態之情形下，用與低能量氫原子之勢能相同的因數相對性地校正m．27.2eV(方程式(5))之反應焓。在一實施例中，該觸媒以共振非輻射方式接受來自原子氫之能量。在一實施例中，所接受的能量使該觸媒之勢能量值減少大約轉移自原子氫之量。由於初始束縛電子之動能守恆，可產生高能離子或電子。至少一 個原子H充當至少另一者之觸媒，其中受體之27.2eV勢能與自被催化之供體H原子轉移的27.2eV相抵消。受體觸媒H之動能可以快速質子或電子保存。此外，經催化H中形成之中間體狀態(方程式(7))衰變，而發射輻射形式之連續能或第三體中之誘導動能。此等能量釋放可在本發明之CIHT電池中產生電流。
在一實施例中，分子或帶正電或負電的分子離子中之至少一者充當接受來自原子氫之約m27.2eV之觸媒，同時該分子或帶正電或負電的分子離子之勢能量值減少約m27.2eV。例如，Mills GUTCP中給出之H2O之勢能為
Figure 108115763-A0305-02-0041-246
接受來自原子H之m．27.2eV，同時分子之勢能量值下降相同能量之分子可充當觸媒。例如，關於H2O之勢能之催化反應(m=3)為
Figure 108115763-A0305-02-0041-247
Figure 108115763-A0305-02-0041-248
Figure 108115763-A0305-02-0041-249
且總反應為
Figure 108115763-A0305-02-0041-250
其中
Figure 108115763-A0305-02-0041-244
具有氫原子之半徑，且連心力場等於質子之4倍，且
Figure 108115763-A0305-02-0041-245
係相應的穩定態，其中半徑為H之1/4。當電子經歷徑向加速，自氫原子半徑到達1/4該距離之半徑時，能量將作為特徵光發射或作為第三體動能釋放。基於自0℃冰至100℃水之蒸發熱之10%能量變化，沸水中每個水分子之平均H鍵結數量為3.6。因此，在一實施例中，H2O必須以化學方式形成為具有適宜活化能之單離分子，以充當 形成低能量氫之觸媒。在一實施例中，該H2O觸媒為初生H2O。
在一實施例中，nH、O、nO、O2、OH及H2O(n=整數)中之至少一者可充當觸媒。H及作為觸媒之OH之產物可為H(1/5)，其中觸媒焓為約108.8eV。H及作為觸媒之H2O之反應產物可為H(1/4)。低能量氫產物可進一步反應達更低狀態。H(1/4)及作為觸媒之H之產物可為H(1/5)，其中觸媒焓為約27.2eV。H(1/4)及作為觸媒之OH之產物可為H(1/6)，其中觸媒焓為約54.4eV。H(1/5)及作為觸媒之H之產物可為H(1/6)，其中觸媒焓為約27.2eV。
此外，OH可充當觸媒，因為OH之勢能為
Figure 108115763-A0305-02-0042-251
H狀態p=1與p=2間之能量差為40.8eV。因此，OH可接受來自H之約40.8eV，以充當形成H(1/2)之觸媒。
類似於H2O，Mills GUTCP中給出之胺化物官能團NH2之勢能為-78.77719eV。自CRC，由各相應△H f 計算之NH2形成KNH2之反應的△H為(-128.9-184.9)kJ/莫耳=-313.8kJ/莫耳(3.25eV)。自CRC，由各相應△H f 計算之NH2形成NaNH2之反應的△H為(-123.8-184.9)kJ/莫耳=-308.7kJ/莫耳(3.20eV)。自CRC，由各相應△H f 計算之NH2形成LiNH2之反應的△H為(-179.5-184.9)kJ/莫耳=-364.4kJ/莫耳(3.78eV)。因此，對應於醯胺基之勢能與自醯胺基形成胺化物之能量的總和，充當形成低能量氫之H觸媒的鹼金屬胺化物MNH2(M=K、Na、Li)可接受之淨焓分別為約82.03eV、81.98eV及82.56eV(方程式(5)中m=3)。低能量氫產物(諸如分子低能量氫)可引起高磁場基質移位，其可藉由諸如MAS NMR之方式觀察到。
類似於H2O，Mills GUTCP中給出之H2S官能團之勢能為-72.81eV。此勢能之消除亦除去與3p外殼混成化有關之能量。該混成化能 量為7.49eV，其係藉由氫化物軌域半徑與初始原子軌域半徑之比率乘以外殼之總能量得出。此外，由於形成兩個1.10eV之S-H鍵而導致之S3p外殼能量改變包括在觸媒能量中。因此，H2S觸媒之淨焓為81.40eV(方程式(5)中m=3)。H2S觸媒可由MHS(M=鹼金屬)藉由以下反應形成：2MHS→M2S+H2S (49)
此可逆反應可形成處於形成產物H2S之過渡狀態下的呈活性觸媒狀態之H2S，該H2S可催化H形成低能量氫。反應混合物可包含形成H2S及原子H來源之反應物。低能量氫產物(諸如分子低能量氫)可引起高磁場基質移位，其可藉由諸如MAS NMR之方式觀察到。
此外，原子氧為一種在等於原子氫之波耳半徑之相同半徑處具有兩個不成對電子的特殊原子。當原子H充當觸媒時，接受27.2eV之能量，以致各充當另一者之觸媒之離子化H之動能為13.6eV。類似地，O之兩個電子各自可在13.6eV之動能轉移至O離子下電離，使得OH之O-H鍵斷裂以及隨後兩個外部不成對電子電離之淨焓為80.4eV，如在表3中所給出。在OH-電離成OH期間，可發生進一步反應成H(1/4)及O2++2e-之能量匹配，其中所釋放之204eV能量貢獻給CIHT電池之電力。該反應係如下給出：
Figure 108115763-A0305-02-0043-252
Figure 108115763-A0305-02-0043-253
且總反應為
Figure 108115763-A0305-02-0043-254
其中方程式(5)中m=3。動能亦可保存在熱電子中。水蒸氣電漿 中H群體反向之觀察結果證明此機制。低能量氫產物(諸如分子低能量氫)可引起高磁場基質移位，其可藉由諸如MAS NMR之方式觀察到。本發明中給出其他鑑別分子低能量氫產物之方法，諸如FTIR、拉曼法及XPS。
在其中氧或含氧化合物參與氧化或還原反應之實施例中，O2可充當觸媒或觸媒源。氧分子之鍵能為5.165eV，且氧原子之第一、第二及第三電離能分別為13.61806eV、35.11730eV及54.9355eV。反應O 2→O+O 2+、O 2→O+O 3+及2O→2O +分別提供約2倍、4倍及1倍E h 之淨焓，且包括形成低能量氫之觸媒反應，其係藉由接受此等來自H之能量而導致形成低能量氫。
在一實施例中，分子低能量氫產物係在約1950cm-1下作為逆拉曼效應(IRE)峰被觀察到。藉由使用包含可與支持表面增強拉曼散射(SERS)以顯示IRE峰之拉曼雷射波長相比較之粗糙度特徵或粒度之傳導性材料來增強該峰。
VI.化學反應器
本發明亦係關於用於產生本發明之提高結合能之氫物質及化合物(諸如二低能量氫分子及低能量氫氫化物化合物)之其他反應器。其他催化產物為電力及視情況存在之電漿及光，端視電池類型而定。此類反應器在下文中稱為「氫反應器」或「氫電池」。氫反應器包含用於產生低能量氫之電池。用於產生低能量氫之電池可採取化學反應器或氣體燃料電池(諸如氣體放電電池、電漿炬電池或微波動力電池)及電化學電池的形式。用於產生低能量氫之電池之示例性實施例可採取液體燃料電池、固體燃料電池、不勻相燃料電池、CIHT電池、及SF-CIHT電池的形式。此等電池各自包含：(i)原子氫源；(ii)至少一種選自用於產生低能量氫之固體觸媒、熔融觸媒、液體觸媒、氣態觸媒或其混合物的觸媒；及(iii)使氫與觸媒反應以產生低能量氫之容器。如 本文所用及如本發明所涵蓋，除非另有說明，否則術語「氫」不僅包括氕(1 H)，而且包括氘(2 H)及氚(3 H)。示例性化學反應混合物及反應器可包括本發明之SF-CIHT、CIHT或熱電池實施例。本化學反應器部份中給出其他示例性實施例。本發明中給出具有作為在混合物反應期間所形成的觸媒之H2O之反應混合物之實例。其他觸媒(諸如彼等表1及3中所給出者)可用於形成提高結合能之氫物質及化合物。表3A之示例性M-H型觸媒為NaH。可根據此等示例性情形調整反應及條件之參數，諸如反應物、反應物重量%、H2壓力及反應溫度。適宜的反應物、條件及參數範圍係彼等本發明所述者。經顯示低能量氫及分子低能量氫係本發明反應器之產物，依據係整數倍13.6eV之預測連續能譜輻射帶，另外依據係藉由H譜線之多普勒(Doppler)譜線展寬測量之無法解釋的奇高H動能、H譜線反轉、在無擊穿電場下形成電漿及如Mills先前公開案中所報導之異常電漿餘輝持續時間。其他研究者已在場外獨立地證實(諸如)關於CIHT電池及固體燃料之數據。長時間連續輸出電能亦證實本發明電池形成低能量氫，該電能係電輸入之數倍，在大多數情形下，在沒有替代能源時超過該電輸入大於10倍。藉由以下方式可確定預測分子低能量氫H2(1/4)為CIHT電池及固體燃料之產物：顯示約-4.4ppm之預測高磁場移位基質峰之MAS H NMR；顯示H2(1/4)與吸氣劑基質複合之ToF-SIMS及ESI-ToFMS(因為m/e=M+n2峰，其中M為母離子之質量且n為整數)；顯示具有16或量子數p=4的平方乘以H2之能量之H2(1/4)之預測旋轉及振動光譜之電子束激發發射光譜法及光致發光發射光譜法；顯示H2(1/4)在1950cm-1處之轉動能量為16或量子數p=4的平方乘以H2之轉動能量之拉曼及FTIR光譜法；顯示H2(1/4)之預測總結合能為500eV及到達時間在m/e=1峰前之ToF-SIMS峰之XPS，該峰對應於動能為約204eV之H，204eV與H變為H(1/4)之預測能量釋放及轉移至第三體H之能量相匹配，如Mills先 前公開案中及R.Mills X Yu,Y.Lu,G Chu,J.He,J.Lotoski,「Catalyst Induced Hydrino Transition(CIHT)Electrochemical Cell」,International Journal of Energy Research,(2013)及R.Mills,J.Lotoski,J.Kong,G Chu,J.He,J.Trevey,「High-Power-Density Catalyst Induced Hydrino Transition (CIHT) Electrochemical Cell」(2014)中所報導，其等之全文以引用的方式併入本文中。
利用水流熱量計及Setaram DSC 131示差掃描熱量儀(DSC)，證實藉由本發明電池(諸如包含產生熱功率之固體燃料之電池)形成低能量氫，依據係觀察到來自低能量氫形成固體燃料之熱能超過最大理論能量60倍。MAS H NMR顯示約-4.4ppm之預測H2(1/4)高磁場基質移位。始於1950cm-1之拉曼峰匹配H2(1/4)之自由空間轉動能量(0.2414eV)。此等結果係報導在Mills先前公開案及R.Mills,J.Lotoski,W.Good,J.He,「Solid Fuels that Form HOH Catalyst」,(2014)中，其等之全文以引用的方式併入本文中。
在一實施例中，固體燃料反應形成H2O及H作為產物或中間反應產物。H2O可充當用以形成低能量氫之觸媒。反應物包括至少一種氧化劑及一種還原劑，且反應包括至少一種氧化還原反應。還原劑可包括金屬，諸如鹼金屬。反應混合物可另外包括氫源及H2O源，且可視情況包括載體，諸如碳、碳化物、硼化物、氮化物、碳化腈(諸如TiCN)或腈。該載體可包括金屬粉末。在一實施例中，氫載體包括Mo或Mo合金，諸如彼等本發明所述者，諸如MoPt、MoNi、MoCu及MoCo。在一實施例中，藉由以下方法來避免載體氧化，諸如選擇不會使載體氧化之其他反應混合物組分、選擇非氧化反應溫度及條件、及維持還原氛圍(諸如如熟習此項技術者所知之H2氛圍)。H源可選自鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬、稀土金屬氫化物及本發明氫化物之群。氫源可為可另外包含解離體(諸如彼等本發明所述 者，諸如貴金屬/載體(諸如碳或氧化鋁及本發明之其他載體))之氫氣。水源可包括脫水化合物，諸如如彼等Al、Zn、Sn、Cr、Sb及Pb之氫氧化物或氫氧化物複合物。水源可包括氫源及氧源。氧源可包括含氧化合物。示例性化合物或分子為O2、鹼金屬氧化物或鹼土金屬氧化物、過氧化物或超氧化物、TeO2、SeO2、PO2、P2O5、SO2、SO3、M2SO4、MHSO4、CO2、M2S2O8、MMnO4、M2Mn2O4、MxHyPO4(x、y=整數)、POBr2、MClO4、MNO3、NO、N2O、NO2、N2O3、Cl2O7及O2(M=鹼金屬；且鹼土金屬或其他陽離子可替代M)。其他示例性反應物包括選自以下之群之試劑：Li、LiH、LiNO3、LiNO、LiNO2、Li3N、Li2NH、LiNH2、LiX、NH3、LiBH4、LiAlH4、Li3AlH6、LiOH、Li2S、LiHS、LiFeSi、Li2CO3、LiHCO3、Li2SO4、LiHSO4、Li3PO4、Li2HPO4、LiH2PO4、Li2MoO4、LiNbO3、Li2B4O7(四硼酸鋰)、LiBO2、Li2WO4、LiAlCl4、LiGaCl4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2TiO3、LiZrO3、LiAlO2、LiCoO2、LiGaO2、Li2GeO3、LiMn2O4、Li4SiO4、Li2SiO3、LiTaO3、LiCuCl4、LiPdCl4、LiVO3、LiIO3、LiBrO3、LiXO3(X=F、Br、Cl、I)、LiFeO2、LiIO4、LiBrO4、LiIO4、LiXO4(X=F、Br、Cl、I)、LiScOn、LiTiOn、LiVOn、LiCrOn、LiCr2On、LiMn2On、LiFeOn、LiCoOn、LiNiOn、LiNi2On、LiCuOn及LiZnOn(其中n=1、2、3或4)、含氧陰離子、強酸之含氧陰離子、氧化劑、分子氧化劑(諸如V2O3、I2O5、MnO2、Re2O7、CrO3、RuO2、AgO、PdO、PdO2、PtO、PtO2及NH4X，其中X為硝酸根或CRC中給出之其他適宜陰離子)及還原劑。另一種鹼金屬或其他陽離子可替代Li。其他氧源可選自以下之群：MCoO2、MGaO2、M2GeO3、MMn2O4、M4SiO4、M2SiO3、MTaO3、MVO3、MIO3、MFeO2、MIO4、MClO4、MScOn、MTiOn、MVOn、MCrOn、MCr2On、MMn2On、MFeOn、MCoOn、MNiOn、MNi2On、MCuOn及 MZnOn(其中M為鹼金屬，且n=1、2、3或4)、含氧陰離子、強酸之含氧陰離子、氧化劑、分子氧化劑(諸如V2O3、I2O5、MnO2、Re2O7、CrO3、RuO2、AgO、PdO、PdO2、PtO、PtO2、I2O4、I2O5、I2O9、SO2、SO3、CO2、N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5、Cl2O、ClO2、Cl2O3、Cl2O6、Cl2O7、PO2、P2O3及P2O5。該等反應物可呈任何可形成低能量氫之所需比例。一示例性反應混合物為0.33g LiH、1.7g LiNO3以及1g MgH2及4g活性碳粉之混合物。另一示例性反應混合物為火藥(諸如KNO3)(75重量%)、軟材木炭(其可包括大約式C7H4O)(15重量%)及S(10重量%)；KNO3(70.5重量%)及軟材木炭(29.5重量%)，或此等比例在約±1-30重量%範圍內變化的混合物。氫源可為包含大約式C7H4O之木炭。
在一實施例中，該反應混合物包括形成氮氣、二氧化碳及H2O之反應物，其中後者充當亦在該反應中形成之H之低能量氫觸媒。在一實施例中，該反應混合物包括氫源及H2O源，其可包括硝酸鹽、硫酸鹽、過氯酸鹽、過氧化物(諸如過氧化氫、過氧化合物，諸如三過氧化三丙酮(TATP)或二過氧化二丙酮(DADP)，其特別在添加O2或另一種氧源(諸如硝基化合物，諸如硝基纖維素(APNC)、氧或包含氧或含氧陰離子化合物之其他化合物)時亦可充當H源。該反應混合物可包括含氫、碳、烴及氮結合氧中至少兩者之化合物源或化合物、或者官能團源或官能團。反應物可包括硝酸鹽、亞硝酸鹽、硝基及硝胺。硝酸鹽可包括金屬(諸如鹼金屬)硝酸鹽，可包括硝酸銨或熟習此項技術者所知之其他硝酸鹽，諸如鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬或稀土金屬或Al、Ga、In、Sn或Pb之硝酸鹽。硝基可包括有機化合物(諸如硝基甲烷、硝化甘油、三硝基甲苯或熟習此項技術者所知之類似化合物)之官能團。示例性反應混合物為NH4NO3及碳源(諸如長鏈烴(CnH2n+2)，諸如加熱油、柴油燃料、煤油(其可包括氧(諸如糖蜜或 糖)或硝基(諸如硝基甲烷)或碳源(諸如煤粉))。H源亦可包括NH4、烴(諸如燃料油)或糖，其中結合至碳的H控制H之釋放。H可藉由自由基反應釋放。C可與O反應以釋放H，並形成碳-氧化合物，諸如CO、CO2及甲酸鹽。在一實施例中，單一化合物可包含形成氮、二氧化碳及H2O之官能度。另外包含烴官能度之硝胺為環三亞甲基-三硝胺，通常稱為旋風炸藥(Cyclonite)或代碼名稱RDX。可充當H源及H2O觸媒源(諸如O源及H源中至少一者之來源)中至少一者之其他示例性化合物係至少一種選自以下之群者：硝酸銨(AN)、黑火藥(75% KNO3+15%木炭+10% S)、硝酸銨/燃料油(ANFO)(94.3% AN+5.7%燃料油)、赤蘚糖醇四硝酸酯、三硝基甲苯(TNT)、額馬突炸藥(amatol)(80% TNT+20% AN)、特屈兒-TNT混合炸藥(tetrytol)(70%特屈兒(tetryl)+30% TNT)、特屈兒(2,4,6-三硝基苯基甲硝胺(C7H5N5O8))、C-4(91% RDX)、C-3(基於RDX)、組合物B(63% RDX+36% TNT)、硝化甘油、RDX(環三亞甲基三硝胺)、Semtex(94.3% PETN+5.7% RDX)、PETN(季戊四醇四硝酸酯)、HMX或八角硝胺(octogen)(八氫-1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四吖
Figure 108115763-A0305-02-0049-136
)、HNIW(CL-20)(2,4,6,8,10,12-六硝基-2,4,6,8,10,12-六氮雜異伍茲烷(hexaazaisowurtzitane))、DDF、(4,4’-二硝基-3,3’-氧化偶氮呋咱(diazenofuroxan))、七硝基立方烷、八硝基立方烷、2,4,6-三(三硝基甲基)-1,3,5-三嗪、TATNB(1,3,5-三硝基苯，1,3,5-三疊氮-2,4,6-三硝基苯)、三硝基苯胺、TNP(2,4,6-三硝基酚或苦味酸)、D型炸藥(苦味酸銨)、苦味酸甲酯、苦味酸乙酯、苦味酸氯化物(2-氯-1,3,5-三硝基苯)、三硝基甲酚、斯蒂酚酸鉛(lead styphnate)(2,4,6-三硝基間苯二酚鉛，C6HN3O8Pb)、TATB(三硝基三硝基苯)、硝酸甲酯、硝化甘醇、甘露糖醇六硝酸酯、伸乙二硝胺、硝基胍、四硝基甘脲、硝化纖維素、硝酸脲及六亞甲基三過氧化二胺(HMTD)。氫、碳、氧及氮之比例可為任何所需比例。在硝酸銨(AN) 及燃料油(FO)之反應混合物(稱為硝酸銨/燃料油(ANFO))之實施例中，提供大約平衡反應之適宜化學計量為約94.3重量% AN及5.7重量% FO，但FO可過量。AN及硝基甲烷之示例性平衡反應為3NH4NO3+2CH3NO2→4N2+2CO2+9H2O (80)
其中一些H亦轉化為較低能量氫物質，諸如H2(1/p)及H-(1/p)諸如p=4。在一實施例中，氫、氮及氧之莫耳比相似，諸如在具有式C3H6N6O6之RDX中。
在一實施例中，藉由使用其他原子氫源(諸如H2氣體)或氫化物(諸如鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬及稀土金屬氫化物)及解離體(諸如Ni、Nb或貴金屬/載體(諸如碳、碳化物、硼化物或氮化物或二氧化矽或氧化鋁))來提升能量。該反應混合物可在反應過程中產生壓縮或衝擊波，以形成H2O觸媒及原子H，進而增加形成低能量氫之動力。該反應混合物可包括至少一種在反應形成H及H2O觸媒之過程中增加熱量之反應物。該反應混合物可包括可分散在固體燃料之顆粒或丸粒間之氧源(諸如空氣)。例如，AN丸粒可包含約20%空氣。該反應混合物可另外包括敏化物，諸如充氣玻璃珠。在一示例性實施例中，添加粉末金屬(諸如Al)，以增加熱量及反應動力。例如，可將Al金屬粉末添加至ANFO。其他反應混合物包括亦具有H源及觸媒源(諸如H2O)之煙火材料。在一實施例中，低能量氫之形成具有高活化能，其可藉由(諸如)高能或煙火材料之高能反應提供，其中低能量氫之形成有助於反應混合物之自動加熱。或者，可藉由(諸如)CIHT電池之電化學反應提供活化能，該反應具有相當於11,600K/eV之高相當溫度。
另一示例性反應混合物為H2氣體(其可處於約0.01atm至100atm之壓力範圍內)、硝酸鹽(諸如鹼金屬硝酸鹽，諸如KNO3)及氫解離體(諸如Pt/C、Pd/C、Pt/Al2O3或Pd/Al2O3)。該混合物可另外包括碳，諸 如石墨或Grade GTA Grafoil(Union Carbide)。反應比例可係任何所需比例，諸如約1至10% Pt或Pd/碳(佔該混合物之約0.1至10重量%)與約50重量%硝酸鹽及其餘碳混合；但該等比例在示例性實施例中可改變約5至10倍。在將碳用作載體之情形下，將溫度維持在低於可使C反應形成化合物(諸如碳酸鹽，諸如鹼金屬碳酸鹽)之溫度下。在一實施例中，將該溫度維持在諸如約50℃-300℃或約100℃-250℃之範圍內，以致形成NH3超過形成N2。
反應物及再生反應及系統可包括彼等本發明或本人先前的美國專利申請案中所述者，諸如氫觸媒反應器，PCT/US08/61455，4/24/2008申請之PCT；不勻相氫觸媒反應器，PCT/US09/052072，7/29/2009申請之PCT；不勻相氫觸媒電源系統，PCT/US10/27828，3/18/2010申請之PCT；電化學氫觸媒電源系統，PCT/US11/28889，3/17/2011申請之PCT；H2O-基電化學氫觸媒電源系統，3/30/2012申請之PCT/US12/31369，CIHT電源系統，5/21/13申請之PCT/US13/041938及電源產生系統及與其有關之方法，PCT/IB2014/058177(「Mills先前申請案」)，其全文以引用的方式併入本文中。
在一實施例中，該反應可包括氮氧化物(諸如N2O、NO2或NO)而非硝酸鹽。或者，亦將該氣體添加至反應混合物中。NO、NO2及N2O及鹼金屬硝酸鹽可藉由已知工業方法，諸如先後藉由哈波法(Haber process)及奧士瓦法(Ostwald process)生成。在一實施例中，示例性步驟順序為：
Figure 108115763-A0305-02-0051-255
具體言之，哈波法可用以在高溫及高壓下使用諸如含α-鐵之一些氧化物的觸媒自N2及H2產生NH3。奧士瓦法可用以在諸如熱鉑或鉑-銠觸媒之觸媒下將氨氧化為NO、NO2及N2O。在一實施例中，產物為 氨及鹼金屬化合物中至少一者。NO2可藉由氧化自NH3形成。可將NO2溶解於水中，以形成硝酸，其與鹼金屬化合物(諸如M2O、MOH、M2CO3或MHCO3)反應形成M硝酸鹽，其中M為鹼金屬。
在一實施例中，至少一個(i)氧源(諸如MNO3(M=鹼金屬))與氫源反應形成H2O觸媒之反應，(ii)自諸如H2之來源形成原子H，及(iii)藉由習知觸媒(諸如貴金屬諸如Pt)或在該習知觸媒上進行形成低能量氫之反應可經加熱。受熱觸媒可包括熱燈絲。該燈絲可包括熱Pt燈絲。氧源(諸如MNO3)可係至少部份氣態。氣態及其蒸氣壓可藉由加熱MNO3(諸如KNO3)來控制。氧源(諸如MNO3)可放在敞口舟中，其經加熱以釋放氣態MNO3。可利用加熱器(諸如熱燈絲)進行加熱。在一示例性實施例中，將MNO3置於石英舟中，並將Pt燈絲包裹在該舟周圍以充當加熱器。MNO3之蒸氣壓可保持在約0.1托至1000托或約1托至100托之壓力範圍內。氫源可為保持在約1托至100atm、約10托至10atm或約100托至1atm之壓力範圍內之氣態氫。該燈絲亦起到解離可經由氣體管線供應至電池之氫氣之作用。該電池亦可包括真空管線。該等電池反應產生H2O觸媒及原子H，其等反應形成低能量氫。該反應可維持在能夠維持真空、環境壓力或大於大氣壓之壓力中至少一者之容器中。產物(諸如NH3及MOH)可自該電池移除並再生。在一示例性實施例中，MNO3與氫源反應形成H2O觸媒及NH3，NH3在獨立的反應容器中或作為獨立的步驟藉由氧化再生。在一實施例中，氫源(諸如H2氣體)係藉由電解或熱學方式中之至少一者自水產生。示例性熱學方法為氧化鐵循環、氧化鈰(IV)-氧化鈰(III)循環、鋅氧化鋅循環、硫-碘循環、銅-氯循環及混合硫循環及其他熟習此項技術者所知之循環。形成進一步與H反應形成低能量氫之H2O觸媒之示例性電池反應為KNO 3+9/2H 2→K+NH 3+3H 2 O.(82)
KNO 3+5H 2→KH+NH 3+3H 2 O. (83)
KNO 3+4H 2→KOH+NH 3+2H 2 O. (84)
KNO 3+C+2H 2→KOH+NH 3+CO 2. (85)
2KNO 3+C+3H 2→K 2 CO 3+1/2N 2+3H 2 O. (86)
形成氮氧化物之示例性再生反應係以方程式(81)給出。諸如K、KH、KOH及K2CO3之產物可與藉由將氮氧化物添加至水中所形成之硝酸反應形成KNO2或KNO3。表4、5及6中給出形成反應產物H2O觸媒及H2中至少一者之其他適宜的示例性反應。
Figure 108115763-A0305-02-0053-256
Figure 108115763-A0305-02-0054-257
Figure 108115763-A0305-02-0055-258
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表6.關於H2O觸媒及H2之熱可逆反應循環。[S.Abanades,P.Charvin,G.Flamant,P.Neveu,Screening of Water-Splitting Thermochemical Cycles Potentially Attractive for Hydrogen Production by Concentrated Solar Energy,Energy,31,(2006)，第2805-2822頁。]
Figure 108115763-A0305-02-0057-261
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形成H2O觸媒之反應物可包括O源(諸如O物質)及H源。O物質源 可包括O2、空氣及含O化合物或含O化合物之混合物中之至少一者。含氧化合物可包括氧化劑。含氧化合物可包括氧化物、氫氧氧化物、氫氧化物、過氧化物及超氧化物中之至少一者。適宜的示例性金屬氧化物為鹼金屬氧化物(諸如Li2O、Na2O及K2O)、鹼土金屬氧化物(諸如MgO、CaO、SrO及BaO)、過渡金屬氧化物(諸如NiO、Ni2O3、FeO、Fe2O3及CoO)及內過渡金屬氧化物及稀土金屬氧化物及其他金屬及類金屬之氧化物(諸如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se及Te之氧化物)及此等及其他含氧成份之混合物。該等氧化物可包括氧化物陰離子(諸如本發明所述之氧化物陰離子，諸如金屬氧化物陰離子)及陽離子(諸如鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬及稀土金屬陽離子)、及其他金屬及類金屬之陽離子(諸如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se及Te之陽離子)(諸如MM’2xO3x+1或MM’2xO4(M=鹼土金屬，M’=過渡金屬(諸如Fe或Ni或Mn)，x=整數)及M2M’2xO3x+1或M2M’2xO4(M=鹼金屬，M’=過渡金屬(諸如Fe或Ni或Mn)，x=整數))。適宜的示例性金屬氫氧氧化物為AlO(OH)、ScO(OH)、YO(OH)、VO(OH)、CrO(OH)、MnO(OH)(α-MnO(OH)錳榍石及γ-MnO(OH)水錳礦)、FeO(OH)、CoO(OH)、NiO(OH)、RhO(OH)、GaO(OH)、InO(OH)、Ni1/2Co1/2O(OH)及Ni1/3Co1/3Mn1/3O(OH)。適宜的示例性氫氧化物為諸如鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬及稀土金屬之金屬之氫氧化物及其他金屬及類金屬(諸如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se及Te)之氫氧化物及混合物。適宜的複離子氫氧化物為Li2Zn(OH)4、Na2Zn(OH)4、Li2Sn(OH)4、Na2Sn(OH)4、Li2Pb(OH)4、Na2Pb(OH)4、LiSb(OH)4、NaSb(OH)4、LiAl(OH)4、NaAl(OH)4、LiCr(OH)4、NaCr(OH)4、Li2Sn(OH)6及Na2Sn(OH)6。其他適宜的示例性氫氧化物為來自Co(OH)2、Zn(OH)2、Ni(OH)2、其他過渡金屬氫氧化物、 Cd(OH)2、Sn(OH)2及Pb(OH)之至少一者。適宜的示例性過氧化物為H2O2、有機化合物之過氧化物及金屬之過氧化物(諸如M2O2，其中M為鹼金屬，諸如Li2O2、Na2O2、K2O2)、其他離子過氧化物(諸如鹼土金屬過氧化物，諸如Ca、Sr或Ba過氧化物)、其他正電性金屬之過氧化物(諸如鑭系金屬之過氧化物)及共價金屬過氧化物(諸如Zn、Cd及Hg之過氧化物)。適宜的示例性超氧化物為金屬MO2之超氧化物(其中M為鹼金屬，諸如NaO2、KO2、RbO2及CsO2)及鹼土金屬超氧化物。在一實施例中，固體燃料包括鹼金屬過氧化物及氫源(諸如氫化物、烴或儲氫材料，諸如BH3NH3)。該反應混合物可包括氫氧化物(諸如鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬及稀土金屬及Al、Ga、In、Sn、Pb及其他可形成氫氧化物之元素之氫氧化物)及氧源(諸如含至少一個含氧陰離子之化合物，諸如碳酸鹽，諸如含鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬及稀土金屬及Al、Ga、In、Sn、Pb及本發明其他金屬之碳酸鹽)。其他適宜的含氧化合物為鋁酸鹽、鎢酸鹽、鋯酸鹽、鈦酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽、硝酸鹽、鉻酸鹽、重鉻酸鹽及錳酸鹽、氧化物、氫氧氧化物、過氧化物、超氧化物、矽酸鹽、鈦酸鹽、鎢酸鹽及本發明其他含氧化合物之群中之含氧陰離子化合物之至少一者。氫氧化物及碳酸鹽之示例性反應係以下式給出Ca(OH)2+Li2CO3→CaO+H2O+Li2O+CO2 (87)
在其他實施例中，氧源為氣態或容易形成氣體，諸如NO2、NO、N2O、CO2、P2O3、P2O5及SO2。由形成H2O觸媒所產生的還原氧化產物(諸如C、N、NH3、P或S)可藉由與氧或其來源(如Mills先前申請案中給出)燃燒再次轉變回氧化物。該電池可產生可用於加熱應用之過量熱量，或該熱量可藉由諸如朗肯(Rankine)或布累登(Brayton)系統之設備轉化為電力。或者，該電池可用以合成較低能量氫物質，諸如分子低能量氫及低能量氫氫化物離子及相應化合物。
在一實施例中，形成用於生產較低能量氫物質及化合物及生產能量中至少一者之低能量氫之反應混合物包括原子氫源及包含H及O中至少一者之觸媒源(諸如彼等本發明所述者，諸如H2O觸媒)。該反應混合物可另外包括酸(諸如H2SO3、H2SO4、H2CO3、HNO2、HNO3、HClO4、H3PO3及H3PO4)或酸源(諸如酸酐或無水酸)。後者可包括SO2、SO3、CO2、NO2、N2O3、N2O5、Cl2O7、PO2、P2O3及P2O5之群中之至少一者。該反應混合物可包括鹼及鹼性酐(諸如M2O(M=鹼金屬)、M’O(M’=鹼土金屬)、ZnO或其他過渡金屬氧化物、CdO、CoO、SnO、AgO、HgO或Al2O3)中之至少一者。其他示例性的酐類包括對H2O穩定之金屬，諸如Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr及In。該酐可為鹼金屬或鹼土金屬氧化物，且水合化合物可包括氫氧化物。該反應混合物可包括氫氧氧化物，諸如FeOOH、NiOOH或CoOOH。該反應混合物可包括H2O源及H2O中之至少一者。H2O可以可逆方式在原子氫存在下藉由水合及脫水反應形成。形成H2O觸媒之示例性反應為Mg(OH)2→MgO+H2O (88)
2LiOH→Li2O+H2O (89)
H2CO3→CO2+H2O (90)
2FeOOH→Fe2O3+H2O (91)
在一實施例中，H2O觸媒係藉由使至少一種包含磷酸根之化合物(諸如磷酸鹽、磷酸氫鹽及磷酸二氫鹽(諸如陽離子(諸如包含金屬(諸如鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬及稀土金屬)之陽離子)之磷酸鹽、磷酸氫鹽及磷酸二氫鹽及其他金屬及類金屬之磷酸鹽、磷酸氫鹽及磷酸二氫鹽(諸如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se及Te之磷酸鹽、磷酸氫鹽及磷酸二氫鹽))及形成縮合磷酸鹽(諸 如聚磷酸鹽(諸如[P n O 3n+1](n+2)-)、長鏈偏磷酸鹽(諸如[(PO 3) n ] n-)、環狀偏磷酸鹽(諸如[(PO 3) n ] n-，其中n
Figure 108115763-A0305-02-0063-163
3)及超磷酸鹽(諸如P4O10)中之至少一者)之混合物脫水而形成。示例性反應為
Figure 108115763-A0305-02-0063-264
Figure 108115763-A0305-02-0063-265
脫水反應之反應物可包括R-Ni，其可包括Al(OH)3及Al2O3中之至少一者。反應物可另外包括金屬M(諸如本發明之金屬，諸如鹼金屬)、金屬氫化物MH、金屬氫氧化物(諸如本發明之金屬氧化物，諸如鹼金屬氫氧化物)及氫源(諸如H2及內在氫)。示例性反應為2Al(OH)3→Al2O3+3H2O (94)
Al2O3+2NaOH→2NaAlO2+H2O (95)
3MH+Al(OH)3→M3Al+3H2O (96)
MoCu+2MOH+4O2→M2MoO4+CuO+H2O(M=Li、Na、K、Rb、Cs) (97)
反應產物可包括合金。R-Ni可藉由再水化而再生。形成H2O觸媒之反應混合物及脫水反應可包括並涉及氫氧氧化物，諸如如以下示例性反應中所給出之本發明之氫氧氧化物：3Co(OH)2→2CoOOH+Co+2H2O (98)
原子氫可藉由解離自H2氣體形成。氫解離體可為彼等本發明所述者中之一者，諸如R-Ni或貴金屬或過渡金屬/載體(諸如Ni或Pt或Pd/碳或Al2O3)。或者，原子H可來自滲透通過膜(諸如彼等本發明所述者)之H。在一實施例中，電池包括膜(諸如陶瓷膜)，以容許H2選擇性地擴散通過，同時防止H2O擴散。在一實施例中，H2及原子H中至少一者係藉由電解含氫源之電解質(諸如含H2O之電解質水溶液或或熔融 電解質)而供給至該電池。在一實施例中，H2O觸媒係藉由使酸或鹼脫水成酐形式而可逆地形成。在一實施例中，藉由改變電池pH或活性、溫度及壓力中之至少一者使形成觸媒H2O及低能量氫之反應傳播，其中壓力可藉由改變溫度而改變。諸如酸、鹼或酐之物質之活性可藉由添加熟習此項技術者所知之鹽而改變。在一實施例中，反應混合物可包括可吸收或成為用以形成低能量氫之反應之氣體(諸如H2或酸酐氣體)來源之材料，諸如碳。該等反應物可呈任何所需濃度及比例。該反應混合物可係熔融或包括水性漿液。
在另一實施例中，H2O觸媒源係酸與鹼間之反應，諸如氫鹵酸、硫酸、硝酸及亞硝酸中至少一者與鹼之反應。其他適宜的酸反應物為H2SO4、HCl、HX(X-鹵素)、H3PO4、HClO4、HNO3、HNO、HNO2、H2S、H2CO3、H2MoO4、HNbO3、H2B4O7(M四硼酸鹽)、HBO2、H2WO4、H2CrO4、H2Cr2O7、H2TiO3、HZrO3、MAlO2、HMn2O4、HIO3、HIO4、HClO4或有機酸(諸如甲酸或乙酸)之水溶液。適宜的示例性鹼係包含鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬或稀土金屬或Al、Ga、In、Sn或Pb之氫氧化物、氫氧氧化物或氧化物。
在一實施例中，反應物可包括分別與鹼或酸酐反應，以分別形成H2O觸媒及鹼陽離子與酸酐陰離子之化合物或者鹼性酐陽離子與酸陰離子之化合物的酸或鹼。酸性酐SiO2與鹼NaOH之示例性反應為4NaOH+SiO2→Na4SiO4+2H2O (99)
其中相應酸之脫水反應為H4SiO4→2H2O+SiO2 (100)
其他適宜的示例性酐類可包含諸如來自Mo、Ti、Zr、Si、Al、Ni、Fe、Ta、V、B、Nb、Se、Te、W、Cr、Mn、Hf、Co及Mg之群之一者的元素、金屬、合金或混合物。相應的氧化物可包括MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、Ni2O3、FeO、Fe2O3、TaO2、 Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、CrO3、MnO、Mn3O4、Mn2O3、MnO2、Mn2O7、HfO2、Co2O3、CoO、Co3O4、Co2O3及MgO中之至少一者。在一示例性實施例中，鹼包括可形成相應鹼性氧化物(諸如M2O，諸如Li2O)及H2O之氫氧化物(諸如鹼金屬氫氧化物，諸如MOH(M=鹼金屬)，諸如LiOH)。鹼性氧化物可與酐氧化物反應形成氧化物產物。在LiOH與酐氧化物之示例性反應(釋放H2O)中，氧化物產物可包括Li2MoO3或Li2MoO4、Li2TiO3、Li2ZrO3、Li2SiO3、LiAlO2、LiNiO2、LiFeO2、LiTaO3、LiVO3、Li2B4O7、Li2NbO3、Li2SeO3、Li3PO4、Li2SeO4、Li2TeO3、Li2TeO4、Li2WO4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2MnO4、Li2HfO3、LiCoO2及MgO。其他適宜的示例性氧化物為As2O3、As2O5、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、Bi2O3、SO2、SO3、CO2、NO2、N2O3、N2O5、Cl2O7、PO2、P2O3及P2O5之群中之至少一者及熟習此項技術者所知之其他類似氧化物。另一實例係以方程式(91)給出。適宜的金屬氧化物反應為2LiOH+NiO→Li2NiO2+H2O (101)
3LiOH+NiO→LiNiO2+H2O+Li2O+1/2H2 (102)
4LiOH+Ni2O3→2Li2NiO2+2H2O+1/2O2 (103)
2LiOH+Ni2O3→2LiNiO2+H2O (104)
其他的過渡金屬(諸如Fe、Cr及Ti)、內過渡金屬及稀土金屬及其他金屬或類金屬(諸如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se及Te)可替代Ni，且其他的鹼金屬(諸如Li、Na、Rb及Cs)可替代K。在一實施例中，氧化物可包含Mo，其中在形成H2O之反應期間，可形成初生H2O觸媒及H，其進一步反應形成低能量氫。示例性固體燃料反應及可能的氧化還原途徑為3MoO 2+4LiOH→2Li 2 MoO 4+Mo+2H 2 O (105)
2MoO 2+4LiOH→2Li 2 MoO 4+2H 2 (106)
O 2-→1/2O 2+2e - (107)
2H 2 O+2e -→2OH -+H 2 (108)
2H 2 O+2e -→2OH -+H+H(1/4) (109)
Mo 4++4e -→Mo (110)
該反應可另外包括氫源(諸如氫氣)及解離體(諸如Pd/Al2O3)。氫可為氕、氘或氚中任一者或其組合。形成H2O觸媒之反應可包括兩種氫氧化物形成水之反應。該等氫氧化物之陽離子可具有不同氧化態，諸如鹼金屬氫氧化物與過渡金屬或鹼土金屬氧化物反應之氧化態。該反應混合物及反應可另外包括並涉及來自如示例性反應中給出之來源之H2：LiOH+2Co(OH)2+1/2H2→LiCoO2+3H2O+Co (111)
該反應混合物及反應可另外包括並涉及如示例性反應中給出之金屬M，諸如鹼金屬或鹼土金屬：M+LiOH+Co(OH)2→LiCoO2+H2O+MH (112)
在一實施例中，該反應混合物包括金屬氧化物及可充當H源之氫氧化物及視情況之另一H源，其中該金屬氧化物之金屬(諸如Fe)可具有多種氧化態，以致其在反應期間經歷氧化還原反應，形成充當與H反應形成低能量氫之觸媒之H2O。一實例為FeO，其中Fe2+可在形成該觸媒之反應期間氧化為Fe3+。示例性反應為FeO+3LiOH→H2O+LiFeO2+H(1/p)+Li2O (113)
在一實施例中，至少一種反應物(諸如金屬氧化物、氫氧化物或氫氧氧化物)充當氧化劑，其中金屬原子(諸如Fe、Ni、Mo或Mn)可處於高於另一可能氧化態之氧化態。該形成觸媒及低能量氫之反應可使該原子還原為至少一種更低氧化態。金屬氧化物、氫氧化物及氫氧氧化物形成H2O觸媒之示例性反應為： 2KOH+NiO→K2NiO2+H2O (114)
3KOH+NiO→KNiO2+H2O+K2O+1/2H2 (115)
2KOH+Ni2O3→2KNiO2+H2O (116)
4KOH+Ni2O3→2K2NiO2+2H2O+1/2O2(117)
2KOH+Ni(OH)2→K2NiO2+2H2O (118)
2LiOH+MoO3→Li2MoO4+H2O (119)
3KOH+Ni(OH)2→KNiO2+2H2O+K2O+1/2H2 (120)
2KOH+2NiOOH→K2NiO2+2H2O+NiO+1/2O2 (121)
KOH+NiOOH→KNiO2+H2O (122)
2NaOH+Fe2O3→2NaFeO2+H2O (123)
其他過渡金屬(諸如Ni、Fe、Cr及Ti)、內過渡金屬及稀土金屬及其他金屬或類金屬(諸如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se及Te)可替代Ni或Fe，且其他鹼金屬(諸如Li、Na、K、Rb及Cs)可替代K或Na。在一實施例中，該反應混合物包括對H2O穩定之金屬(諸如Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr及In)之氧化物及氫氧化物中之至少一者。此外，該反應混合物包括氫源(諸如H2氣體)及視情況之解離體(諸如貴金屬/載體)。在一實施例中，固體燃料或高能材料包括金屬鹵化物中之至少一者(諸如過渡金屬鹵化物(諸如溴化物)中之至少一者，諸如FeBr2)及形成氫氧氧化物、氫氧化物或氧化物之金屬及H2O之混合物。在一實施例中，該固體燃料或高能材料包括金屬氧化物、氫氧化物及氫氧氧化物中之至少一者(諸如過渡金屬氧化物中之至少一者(諸如Ni2O3)及H2O之混合物。
鹼性酐NiO與酸HCl之示例性反應為2HCl+NiO→H2O+NiCl2 (124)
其中相應鹼之脫水反應為Ni(OH)2→H2O+NiO (125)
反應物可包括路易斯酸或鹼及布朗斯特-勞裡(Bronsted-Lowry)酸或鹼中至少一者。該反應混合物及反應可另外包括並涉及含氧化合物，其中該酸與該含氧化合物反應形成水，如示例性反應中所給出：2HX+POX3→H2O+PX5 (126)
(X=鹵素)。類似於POX3之化合物係合適，諸如彼等用S置換P之化合物。其他適宜的示例性酐可包括一元素、金屬、合金或混合物之可溶於酸之氧化物，諸如包含鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬或稀土金屬或Al、Ga、In、Sn或Pb(諸如來自Mo、Ti、Zr、Si、Al、Ni、Fe、Ta、V、B、Nb、Se、Te、W、Cr、Mn、Hf、Co及Mg之群中之一者)之氫氧化物、氫氧氧化物或氧化物。相應的氧化物可包括MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO或Fe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、CrO3、MnO、Mn3O4、Mn2O3、MnO2、Mn2O7、HfO2、Co2O3、CoO、Co3O4、Co2O3及MgO。其他適宜的示例性氧化物為彼等Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr及In之群者之氧化物。在一示例性實施例中，該酸包括氫鹵酸，且產物為H2O及該氧化物之金屬鹵化物。該反應混合物另外包括氫源(諸如H2氣體)及解離體(諸如Pt/C)，其中H與H2O觸媒反應形成低能量氫。
在一實施例中，該固體燃料包括H2源(諸如滲透膜或H2氣體)及解離體(諸如Pt/C)及H2O觸媒源，包括還原生成H2O之氧化物及氫氧化物。該氧化物或氫氧化物之金屬可形成充當H源之金屬氫化物。鹼金 屬氫氧化物及氧化物(諸如LiOH及Li2O)之示例性反應為LiOH+H2→H2O+LiH (127)
Li2O+H2→LiOH+LiH (128)
反應混合物可包括經氫還原為H2O之金屬氧化物或氫氧化物(諸如Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr及In之氧化物或氫氧化物)及氫源(諸如H2氣體)及解離體(諸如Pt/C)。
在另一實施例中，反應混合物包括H2源(諸如H2氣體)及解離體(諸如Pt/C)及分解成H2O觸媒及其他含氧產物(諸如O2)之過氧化物(諸如H2O2)。一些H2及分解產物(諸如O2)亦可反應形成H2O觸媒。
在一實施例中，形成作為觸媒之H2O之反應包括諸如醇(諸如多元醇(諸如糖))變成醛及H2O之有機脫水反應。在一實施例中，該脫水反應涉及釋放末端醇之H2O，以形成醛。該末端醇可包括釋放可充當觸媒之H2O之糖或其衍生物。適宜的示例性醇為內消旋-赤藻糖醇、半乳糖醇或甜醇及聚乙烯醇(PVA)。示例性反應混合物包括糖+氫解離體(諸如Pd/Al2O3)+H2。或者，該反應包括金屬鹽(諸如具有至少一個水合水者)之脫水作用。在一實施例中，該脫水作用包括自諸如水合離子及鹽水合物(諸如BaI2 2H2O及EuBr2 nH2O)之水合物失去用於充當觸媒之H2O。
在一實施例中，形成H2O觸媒之反應包括含氧化合物(諸如CO)、含氧陰離子(諸如MNO3(M=鹼金屬))、金屬氧化物(諸如NiO、Ni2O3、Fe2O3或SnO)、氫氧化物(諸如Co(OH)2)、氫氧氧化物(諸如FeOOH、CoOOH及NiOOH)及含氧之化合物、含氧陰離子、氧化物、氫氧化物、氫氧氧化物、過氧化物、超氧化物及其他目標組合物(諸如彼等本發明之可氫還原為H2O者)之氫還原作用。示例性含氧化合物或含氧 陰離子為SOCl2、Na2S2O3、NaMnO4、POBr3、K2S2O8、CO、CO2、NO、NO2、P2O5、N2O5、N2O、SO2、I2O5、NaClO2、NaClO、K2SO4及KHSO4。用於氫還原之氫源可為H2氣體及氫化物(諸如金屬氫化物，諸如彼等本發明所述者)中之至少一者。該反應混合物可另外包括可形成含氧化合物或離子之還原劑。含氧陰離子之陽離子可形成包含另一陰離子(諸如鹵離子)、其他硫族化合物、磷化物、其他含氧陰離子、氮化物、矽化物、砷化物或本發明之其他陰離子之化合物產物。示例性反應為：4NaNO3(c)+5MgH2(c)→5MgO(c)+4NaOH(c)+3H2O(l)+2N2(g) (129)
P2O5(c)+6NaH(c)→2Na3PO4(c)+3H2O(g) (130)
NaClO4(c)+2MgH2(c)→2MgO(c)+NaCl(c)+2H2O(l) (131)
KHSO4+4H2→KHS+4H2O (132)
K2SO4+4H2→2KOH+2H2O+H2S (133)
LiNO3+4H2→LiNH2+3H2O (134)
GeO2+2H2→Ge+2H2O (135)
CO2+H2→C+2H2O (136)
PbO2+2H2→2H2O+Pb (137)
V2O5+5H2→2V+5H2O (138)
Co(OH)2+H2→Co+2H2O (139)
Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O (140)
3Fe2O3+H2→2Fe3O4+H2O (141)
Fe2O3+H2→2FeO+H2O (142)
Ni2O3+3H2→2Ni+3H2O (143)
3Ni2O3+H2→2Ni3O4+H2O (144)
Ni2O3+H2→2NiO+H2O (145)
3FeOOH+1/2H2→Fe3O4+2H2O (146)
3NiOOH+1/2H2→Ni3O4+2H2O (147)
3CoOOH+1/2H2→Co3O4+2H2O (148)
FeOOH+1/2H2→FeO+H2O (149)
NiOOH+1/2H2→NiO+H2O (150)
CoOOH+1/2H2→CoO+H2O (151)
SnO+H2→Sn+H2O (152)
該反應混合物可包括陰離子源或陰離子及氧源或氧(諸如含氧化合物)，其中形成H2O觸媒之反應包括陰離子-氧交換反應，其中視情況來自來源之H2與氧反應形成H2O。示例性反應為：2NaOH+H2+S→Na2S+2H2O (153)
2NaOH+H2+Te→Na2Te+2H2O (154)
2NaOH+H2+Se→Na2Se+2H2O (155)
LiOH+NH3→LiNH2+H2O (156)
在另一實施例中，該反應混合物包括硫族化合物間之交換反應，諸如含O反應物及含S反應物間之交換反應。示例性硫族化合物反應物(諸如四面體四硫鉬酸銨)包含([MoS4]2-)陰離子。形成初生H2O觸媒及視情況的初生H之示例性反應包括鉬酸根[MoO4]2-與硫化氫在氨存在下之反應：[NH4]2[MoO4]+4H2S→[NH4]2[MoS4]+4H2O (157)
在一實施例中，該反應混合物包括氫源、含氧化合物、及至少一種可與該反應混合物之至少一種其他元素形成合金之元素。形成H2O觸媒之反應可包括該含氧化合物之氧與可與該氧化合物之陽離子形成合金之元素之交換反應，其中氧與來自該源之氫反應形成H2O。示例性反應為NaOH+1/2H2+Pd→NaPb+H2O (158)
NaOH+1/2H2+Bi→NaBi+H2O (159)
NaOH+1/2H2+2Cd→Cd2Na+H2O (160)
NaOH+1/2H2+4Ga→Ga4Na+H2O (161)
NaOH+1/2H2+Sn→NaSn+H2O (162)
NaAlH4+Al(OH)3+5Ni→NaAlO2+Ni5Al+H2O+5/2H2 (163)
在一實施例中，該反應混合物包括含氧化合物(諸如氫氧氧化物)及還原劑(諸如形成氧化物之金屬)。形成H2O觸媒之反應可包括氫氧氧化物與金屬形成金屬氧化物及H2O之反應。示例性反應為2MnOOH+Sn→2MnO+SnO+H2O (164)
4MnOOH+Sn→4MnO+SnO2+2H2O (165)
2MnOOH+Zn→2MnO+ZnO+H2O (166)
在一實施例中，該反應混合物包括含氧化合物(諸如氫氧化物)、氫源及至少一種包含一種不同陰離子(諸如鹵離子或另一元素)之其他化合物。形成H2O觸媒之反應可包括該氫氧化物與該其他化合物或元素之反應，其中該陰離子或元素與氫氧化物交換，以形成該陰離子或元素之另一化合物，且氫氧化物與H2反應形成H2O。該陰離子可包括鹵離子。示例性反應為2NaOH+NiCl2+H2→2NaCl+2H2O+Ni (167)
2NaOH+I2+H2→2NaI+2H2O (168)
2NaOH+XeF2+H2→2NaF+2H2O+Xe (169)
BiX3(X=鹵離子)+4Bi(OH)3→3BiOX+Bi2O3+6H2O (170)
該氫氧化物及鹵化物可經選擇，以使得該反應形成H2O，且另一鹵化物係熱可逆。在一實施例中，一般交換反應為NaOH+1/2H2+1/yMxCly=NaCl+6H2O+x/yM (171)
其中示例性化合物MxCly為AlCl3、BeCl2、HfCl4、KAgCl2、MnCl2、NaAlCl4、ScCl3、TiCl2、TiCl3、UCl3、UCl4、ZrCl4、 EuCl3、GdCl3、MgCl2、NdCl3及YCl3。在高溫下(諸如在約100℃至2000℃之範圍內)，方程式(171)之反應具有約0kJ之焓及自由能中之至少一者，且係可逆。可逆溫度係由各反應之相應熱力學參數計算出。代表性溫度範圍：NaCl-ScCl3為約800K-900K，NaCl-TiCl2為約300K-400K，NaCl-UCl3為約600K-800K，NaCl-UCl4為約250K-300K，NaCl-ZrCl4為約250K-300K，NaCl-MgCl2為約900K-1300K，NaCl-EuCl3為約900K-1000K，NaCl-NdCl3為約>1000K，且NaCl-YCl3為約>1000K。
在一實施例中，該反應混合物包括氧化物(諸如金屬氧化物，諸如鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬及稀土金屬氧化物及其他金屬及類金屬之氧化物，諸如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se及Te之氧化物)、過氧化物(諸如M2O2，其中M為鹼金屬，諸如Li2O2、Na2O2及K2O2)及超氧化物(諸如MO2，其中M為鹼金屬(諸如NaO2、KO2、RbO2及CsO2)及鹼土金屬超氧化物)及氫源。離子過氧化物可進一步包括Ca、Sr或Ba之離子過氧化物。形成H2O觸媒之反應可包括氧化物、過氧化物或超氧化物形成H2O之氫還原作用。示例性反應為Na2O+2H2→2NaH+H2O (172)
Li2O2+H2→Li2O+H2O (173)
KO2+3/2H2→KOH+H2O (174)
在一實施例中，該反應混合物包括氫源(諸如以下至少一者：H2、氫化物(諸如鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬及稀土金屬氫化物及彼等本文所述者中之至少一者))及包含可燃燒氫之氫源或其他化合物來源(諸如金屬胺化物)及氧源(諸如O2)。形成H2O觸媒之反應可包括H2、氫化物或氫化合物(諸如金屬胺化物)形成H2O之氧化作用。示例性反應為 2NaH+O2→Na2O+H2O (175)
H2+1/2O2→H2O (176)
LiNH2+2O2→LiNO3+H2O (177)
2LiNH2+3/2O2→2LiOH+H2O+N2 (178)
在一實施例中，該反應混合物包括氫源及氧源。形成H2O觸媒之反應可包括氫源及氧源中至少一者分解形成H2O。示例性反應為NH4NO3→N2O+2H2O (179)
NH4NO3→N2+1/2O2+2H2O (180)
H2O2→1/2O2+H2O (181)
H2O2+H2→2H2O (182)
於本文此化學反應器部份中揭示之反應混合物另外包括形成低能量氫之氫源。該來源可為原子氫源(諸如氫解離體及H2氣體)或金屬氫化物(諸如本發明之解離體及金屬氫化物)。提供原子氫之氫源可為含氫化合物，諸如氫氧化物或氫氧氧化物。反應形成低能量氫之H可為藉由使一或多種反應物(其中至少一者包含氫源)反應(諸如氫氧化物與氧化物之反應)所形成之初生H。該反應亦可形成H2O觸媒。該氧化物及氫氧化物可包括相同化合物。例如，氫氧氧化物(諸如FeOOH)可脫水得到H2O觸媒，且亦可在脫水期間提供用於低能量氫反應之初生H：4FeOOH→H2O+Fe2O3+2FeO+O2+2H(1/4) (183)
其中該反應期間形成之初生H反應得到低能量氫。其他示例性反應為氫氧化物及氫氧氧化物或氧化物之反應，諸如NaOH+FeOOH或Fe2O3形成鹼金屬氧化物如NaFeO2+H2O，其中該反應期間所形成之初生H可形成低能量氫，其中H2O充當觸媒。該氧化物及氫氧化物可包括相同化合物。例如，氫氧氧化物(諸如FeOOH)可脫水得到H2O觸媒，且亦可在脫水期間提供用於低能量氫反應之初生H： 4FeOOH→H2O+Fe2O3+2FeO+O2+2H(1/4) (184)
其中該反應期間形成之初生H反應得到低能量氫。其他示例性反應為氫氧化物及氫氧氧化物或氧化物之反應，諸如NaOH+FeOOH或Fe2O3形成鹼金屬氧化物如NaFeO2+H2O，其中該反應期間所形成之初生H可形成低能量氫，其中H2O充當觸媒。氫氧根離子在形成H2O及氧化物離子時被還原及氧化。氧化物離子可與H2O反應形成OH-。諸如以下之氫氧化物-鹵化物交換反應可得到相同路徑：2M(OH)2+2M'X 2→H 2 O+2MX 2+2M'O+1/2O 2+2H(1/4) (185)
其中示例性M及M’金屬分別為鹼土金屬及過渡金屬，諸如Cu(OH)2+FeBr2，Cu(OH)2+CuBr2或Co(OH)2+CuBr2。在一實施例中，固體燃料可包括金屬氫氧化物及金屬鹵化物，其中至少一種金屬為Fe。可添加H2O及H2中之至少一者以使反應物再生。在一實施例中，M及M’可選自鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬及稀土金屬、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、13族、14族、15族及16族元素及氫氧化物或鹵化物之其他陽離子(諸如彼等本發明所述者)之群。用以形成HOH觸媒、初生H及低能量氫中至少一者之示例性反應為4MOH+4M'X→H 2 O+2M'2 O+M 2 O+2MX+X 2+2H(1/4) (186)
在一實施例中，該反應混合物包括氫氧化物及鹵化物(諸如彼等本發明所述者)中之至少一者。在一實施例中，該鹵化物可起到促進初生HOH觸媒及H中之至少一者之形成及維持中之至少一者之作用。在一實施例中，該混合物可用於減低反應混合物之熔點。
在一實施例中，該固體燃料包括Mg(OH)2+CuBr2之混合物。產物CuBr可昇華形成CuBr冷凝產物，其可自非揮發性MgO分離。Br2可被冷阱捕集。CuBr可與Br2反應形成CuBr2，且MgO可與H2O反應形成Mg(OH)2。Mg(OH)2可與CuBr2組合形成再生固體燃料。
酸-鹼反應係獲得H2O觸媒之另一途徑。因此，熱化學反應在形 成低能量氫方面類似於電化學反應。示例性鹵化物及氫氧化物的混合物係Bi、Cd、Cu、Co、Mo及Cd之鹵化物及氫氧化物的混合物，及Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W及Zn之群之具有低水反應性之金屬之氫氧化物及鹵化物之混合物。在一實施例中，該反應混合物另外包括可充當H及觸媒(諸如初生H2O)中至少一者之來源之H2O。水可呈在反應期間分解或另外反應之水合物之形式。
在一實施例中，該固體燃料包括形成初生H及初生H2O之H2O及無機化合物之反應混合物。該無機化合物可包括與H2O反應之鹵化物，諸如金屬鹵化物。反應產物可為氫氧化物、氫氧氧化物、氧化物、鹵氧化物、羥基鹵化物及水合物中至少一者。其他產物可包括含氧及鹵素之陰離子，諸如XO -、
Figure 108115763-A0305-02-0076-164
、
Figure 108115763-A0305-02-0076-165
及
Figure 108115763-A0305-02-0076-166
(X=鹵素)。產物亦可為還原陽離子及鹵素氣體中之至少一者。該鹵化物可為金屬鹵化物，諸如形成鹵化物之鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬及稀土金屬、及Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge及B、及其他元素中之一者。此外，該金屬或元素可為形成氫氧化物、氫氧氧化物、氧化物、鹵氧化物、羥基鹵化物及水合物中至少一者之金屬或元素，及形成具有含氧及鹵素之陰離子(諸如XO -、
Figure 108115763-A0305-02-0076-141
、
Figure 108115763-A0305-02-0076-142
及
Figure 108115763-A0305-02-0076-143
(X=鹵素))之化合物之金屬或元素。適宜的示例性金屬及元素為鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬及稀土金屬、及Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge及B中至少一者。示例性反應為5MX2+7H2O→MXOH+M(OH)2+MO+M2O3+11H(1/4)+9/2X2 (187)
其中M為金屬(諸如過渡金屬，諸如Cu)，且X為鹵素(諸如Cl)。
在一實施例中，H2O充當維持在低濃度下以提供初生H2O之觸 媒。在一實施例中，該低濃度係藉由將H2O分子分散於另一材料(諸如固體、液體或氣體)中而實現。H2O分子可被稀釋至單離出初生分子之極限。該材料亦包括H源。該材料可包括離子化合物，諸如鹼金屬鹵化物(諸如鹵化鉀，諸如KCl)或過渡金屬鹵化物(諸如CuBr2)。形成初生H之低濃度亦可以動力學方式實現，其中H2O係藉由反應形成。產物H2O可以相對於形成速率之速率移除，其導致穩態低濃度，以提供初生H及初生HOH中之至少一者。形成H2O之反應可包括脫水、燃燒、酸-鹼反應及其他反應(諸如彼等本發明所述者)。H2O可藉由諸如蒸發及冷凝之方式移除。示例性反應物為用以形成鐵氧化物及H2O之FeOOH，其中亦形成初生H，並進一步反應形成低能量氫。其他示例性反應混合物為Fe2O3+NaOH及H2中之至少一者，及FeOOH+NaOH及H2中之至少一者。該反應混合物可維持在高溫下，諸如在約100℃至600℃之範圍內。H2O產物可藉由在反應器之冷點(諸如維持在100℃以下之氣體管線)中使蒸汽冷凝而移除。在另一實施例中，包含H2O作為混合物之內含物或一部份之材料或者分散或吸收於晶格(諸如離子化合物(諸如鹼金屬鹵化物，諸如鹵化鉀，諸如KCl)之晶格)中之化合物(諸如H2O)可經高能粒子轟擊。該等粒子可包括光子、離子及電子中之至少一者。該等粒子可包括射束，諸如電子束。該轟擊可提供以下至少一者：H2O觸媒、H及激活反應以形成低能量氫。在SF-CIHT電池之實施例中，H2O含量可較高。H2O可藉由高電流點燃，來以高速率形成低能量氫。
該反應混合物可另外包括載體，諸如高表面積導電載體。適宜的示例性載體為彼等本發明所述者，諸如金屬粉末(諸如Ni或R-Ni)、金屬篩(諸如Ni、Ni多孔體(celmet)、Ni網、碳、碳化物(諸如TiC及WC)及硼化物。該載體可包括解離體，諸如Pd/C或Pt/C。反應物可呈任何所需莫耳比率。在一實施例中，化學計量係使得有利於反應完全 以形成H2O觸媒，並提供H以形成低能量氫。反應溫度可在任何所需範圍內，諸如在約環境溫度至1500℃之範圍內。壓力範圍可係任何所需範圍，諸如在約0.01托至500atm之範圍內。該等反應係可藉由本文及Mills先前申請案(諸如氫觸媒反應器，PCT/US08/61455，4/24/2008申請之PCT；不勻相氫觸媒反應器，PCT/US09/052072，7/29/2009申請之PCT；不勻相氫觸媒電源系統，PCT/US10/27828，3/18/2010申請之PCT；電化學氫觸媒電源系統，PCT/US11/28889，3/17/2011申請之PCT；H2O-基電化學氫觸媒電源系統，3/30/2012申請之PCT/US12/31369及CIHT電源系統，5/21/13申請之PCT/US13/041938，其等之全文以引用的方式併入本文中)中所揭示之方法再生及可逆之反應中之至少一者。形成H2O之反應可藉由改變反應條件(諸如溫度及壓力)而逆轉，以容許發生消耗H2O之逆反應，如熟習此項技術者所知。例如，在逆向反應中，可增加H2O壓力，以藉由再水化自產物再形成反應物。在其他情形下，氫還原產物可藉由氧化(諸如藉由與氧及H2O中至少一者反應)再生。在一實施例中，可自反應移除逆反應產物，以使得逆反應或再生反應繼續進行。藉由移除至少一種逆反應產物，逆反應可變得有利，即使在缺少基於平衡熱力學之有利條件時亦然。在一示例性實施例中，再生反應物(逆反應或再生反應產物)包括氫氧化物，諸如鹼金屬氫氧化物。該氫氧化物可藉由諸如溶劑化或昇華之方法移除。在後一情形下，鹼金屬氫氧化物不變地在約350℃至400℃範圍內之溫度下昇華。該等反應可在Mills先前申請案之發電廠系統中維持。來自生產功率之電池之熱能可為至少另一如先前所揭示之經歷再生的電池提供熱量。或者，形成H2O觸媒之反應及反向再生反應之平衡可藉由改變系統設計之水管壁之溫度而改變，該水管壁由於位於如先前所揭示之電池之選定區域之冷卻劑而具有溫度梯度。
在一實施例中，該鹵化物及氧化物可經歷交換反應。交換反應之產物可彼此分離。該交換反應可藉由加熱產物混合物而進行。可藉由昇華進行分離，昇華可藉由加熱及施加真空中至少一者驅動。在一示例性實施例中，CaBr2及CuO可由於加熱至高溫(諸如在約700℃至900℃之範圍內)經歷交換反應，而形成CuBr2及CaO。可使用任何其他適宜的溫度範圍，諸如在約100℃至2000℃之範圍內。CuBr2可藉由昇華而分離並收集，昇華可藉由施加熱量及低壓來實現。CuBr2可形成獨立帶。CaO可與H2O反應形成Ca(OH)2。
在一實施例中，該固體燃料或高能材料包括單線態氧來源。生成單線態氧之一示例性反應為NaOCl+H2O2→O2+NaCl+H2O (188)
在另一實施例中，該固體燃料或高能材料包括芬頓(Fenton)反應之來源或試劑，諸如H2O2。
在一實施例中，較低能量氫物質及化合物係利用含H及O中至少一者之觸媒(諸如H2O)來合成。合成示例性較低能量氫化合物MHX(其中M為鹼金屬且可為另一金屬(諸如鹼土金屬)，其中該化合物具有相應化學計量，H為低能量氫(諸如低能量氫氫化物)，且X為陰離子(諸如鹵離子))之反應混合物包括M及X來源(諸如鹼金屬鹵化物(諸如KCl))、及金屬還原劑(諸如鹼金屬)、氫解離體(諸如Ni(諸如Ni篩或R-Ni)及視情況之載體(諸如碳))、氫源(諸如金屬氫化物(諸如可替代M之MH)及H2氣體中之至少一者)及氧源(諸如金屬氧化物或含氧化合物)。適宜的示例性金屬氧化物為Fe2O3、Cr2O3及NiO。反應溫度可維持在約200℃至1500℃或約400℃至800℃之範圍內。該等反應物可呈任何所需比例。形成KHCl之反應混合物可包括K、Ni篩、KCl、氫氣及Fe2O3、Cr2O3及NiO中之至少一者。示例性重量及條件為1.6g K、20g KCl、40g Ni篩、莫耳量等於K之氧(來自金屬氧化物(諸如1.5g Fe2O3及1.5g NiO))、1atm H2及約550-600℃之反應溫度。該反應藉由使H與來自金屬氧化物之O反應形成H2O觸媒，且H與該觸媒反應形成低能量氫及低能量氫氫化物離子，其形成產物KHCl。形成KHI之反應混合物可包括K、R-Ni、KI、氫氣及Fe2O3、Cr2O3及NiO中之至少一者。示例性重量及條件為1g K、20g KI、15g R-Ni 2800、莫耳量等於K之氧(來自金屬氧化物(諸如1g Fe2O3及1g NiO))、1atm H2及約450-500℃之反應溫度。該反應藉由使H與來自金屬氧化物之O反應形成H2O觸媒，且H與該觸媒反應形成低能量氫及低能量氫氫化物離子，其形成產物KHI。在一實施例中，CIHT電池、SF-CIHT電池、固體燃料或化學電池中至少一者之產物為H2(1/4)，其導致高磁場H NMR基質位移。在一實施例中，固體基質(諸如氫氧化物(諸如NaOH或KOH)基質)中存在低能量氫物質(諸如低能量氫原子或分子)導致該基質的質子向高磁場位移。該基質的質子(諸如NaOH或KOH之質子)可交換。在一實施例中，該位移可導致該基質的峰相對於TMS在約-0.1至-5ppm之範圍內。
在一實施例中，氫氧化物及鹵化物的混合物(諸如Cu(OH)2+CuBr2)之再生反應可藉由添加H2及H2O中之至少一者來實現。諸如鹵化物及氧化物之產物可藉由使鹵化物昇華而分離。在一實施例中，可在加熱條件下將H2O添加至反應混合物，以使氫氧化物及鹵化物(諸如CuBr2及Cu(OH)2)形成反應產物。在一實施例中，可藉由熱循環之步驟實現再生。在一實施例中，鹵化物如CuBr2係H2O可溶解，而氫氧化物如Cu(OH)2係不可溶解。可藉由過濾或沈澱分離再生化合物。可乾燥化學物質，其中熱能可來自反應。可自排出水蒸氣回收熱量。例如，可藉由熱交換器或藉由使用渦輪機及發電機將蒸汽直接用於加熱或產生電力來進行回收。在一實施例中，Cu(OH)2自CuO之再生係藉由使用H2O裂解觸媒來實現。適宜的觸媒為貴金屬/載體(諸如 Pt/Al2O3)、及藉由燒結CuO及Al2O3形成之CuAlO2、磷酸鈷、硼酸鈷、甲基硼酸鈷、硼酸鎳、RuO2、LaMnO3、SrTiO3、TiO2及WO3。形成H2O-裂解觸媒之示例性方法係在約0.1M硼磷酸鉀電解液(pH 9.2)中分別以0.92及1.15V(相對標準氫電極)之勢能控制電解Co2+及Ni2+溶液。示例性的熱可逆固體燃料循環為T 100 2CuBr2+Ca(OH)2→2CuO+2CaBr2+H2O (189)
T 730 CaBr2+2H2O→Ca(OH)2+2HBr (190)
T 100 CuO+2HBr→CuBr2+H2O (191)
T 100 2CuBr2+Cu(OH)2→2CuO+2CaBr2+H2O (192)
T 730 CuBr2+2H2O→Cu(OH)2+2HBr (193)
T 100 CuO+2HBr→CuBr2+H2O (194)
在一實施例中，具有作為反應物之H2及作為產物之H2O中之至少一者及作為反應物及產物中之至少一者之H2或H2O中之一或多者之固體燃料之反應混合物係經選擇，以使得任何習知反應之最大理論自由能為約零，在限量試劑之-500至+500kJ/莫耳之範圍內或較佳在限量試劑之-100至+100kJ/莫耳之範圍內。反應物及產物之混合物可維持在以下溫度中一或多者下：自由能為約零之最佳溫度附近，及該反應為可逆以得到再生或穩定功率達至少長於在不維持該混合物及溫度下之反應時間之持續時間之最佳溫度附近。該溫度可在最佳溫度之約+/-500℃或約+/-100℃之範圍內。示例性混合物及反應溫度為Fe、Fe2O3、H2及H2O之化學計量混合物在800K以及Sn、SnO、H2及H2O之化學計量混合物在800K。
在其中鹼金屬M(諸如K或Li)及nH(n=整數)、OH、O、2O、O2及H2O中之至少一者充當觸媒之實施例中，H源為至少一種金屬氫化物(諸如MH)，且金屬M及金屬氫化物MH中之至少一者與H源反應形成 H。一種產物可為氧化M，諸如氧化物或氫氧化物。產生原子氫及觸媒中之至少一者之反應可為電子轉移反應或氧化還原反應。該反應混合物可另外包括H2、H2解離體(諸如彼等本發明所述者，諸如Ni篩或R-Ni)及導電載體(諸如此等解離體等及本發明之載體(諸如碳、及碳化物、硼化物及碳氮化物)中之至少一者。M或MH之示例性氧化反應為4MH+Fe2O3→H2O+H(1/p)+M2O+MOH+2Fe+M (195)
其中H2O及M中之至少一者可充當形成H(1/p)之觸媒。該反應混合物可另外包括低能量氫之吸氣劑，諸如化合物，諸如鹽，諸如鹵化物鹽，諸如鹼金屬鹵化物鹽，諸如KCl或KI。產物可為MHX(M=金屬，諸如鹼金屬；X為抗衡離子，諸如鹵離子；H為低能量氫物質)。其他低能量氫觸媒可替代M，諸如彼等本發明所述者，諸如彼等表1所述者。
在一實施例中，氧源為生成熱類似於水，以致氧源化合物之還原產物與氫間之氧交換伴隨最小能量釋放發生之化合物。適宜的示例性氧源化合物為CdO、CuO、ZnO、SO2、SeO2及TeO2。當H2O觸媒源為MnOx、AlOx及SiOx時，其他的氧源化合物(諸如金屬氧化物)亦可為可經歷脫水反應之酸或鹼之酐。在一實施例中，氧化物層氧源可覆蓋氫源，諸如金屬氫化物，諸如氫化鈀。形成H2O觸媒及原子H(其進一步反應形成低能量氫)之反應可藉由加熱經氧化物塗覆的氫源(諸如經金屬氧化物塗覆的氫化鈀)來引發。氫化鈀可藉由不透氫層(諸如金膜層)塗覆於氧源之對立側，以使所釋放的氫選擇性地遷移至氧源(諸如氧化物層，諸如金屬氧化物)。在一實施例中，形成低能量氫觸媒之反應及再生反應包括分別在氧源化合物與氫間之氧交換及在水與還原氧源化合物間之氧交換。適宜的還原氧源為Cd、Cu、Zn、S、Se及Te。在一實施例中，該氧交換反應可包括用來以熱學方式形成氫氣之氧交換反應。示例性的熱學方法為氧化鐵循環、氧化鈰(IV)-氧化鈰 (III)循環、鋅氧化鋅循環、硫-碘循環、銅-氯循環及混合硫循環及其他熟習此項技術者所知之循環。在一實施例中，形成低能量氫觸媒之反應及再生反應(諸如氧交換反應)係在相同反應容器中同時發生。可控制條件(諸如溫度及壓力)來實現同時反應。或者，可移除產物並在至少另一獨立容器中再生，其可在不同於如本發明及Mills先前申請案中給出之功率形成反應之條件下發生。
在一實施例中，胺化物(諸如LiNH2)之NH2基充當觸媒，其中勢能為約81.6eV，相當於方程式(5)中之m=3。類似於酸或鹼至酐(反之亦然)間之可逆H2O消去反應或加成反應，胺化物與醯亞胺或氮化物間之可逆反應導致形成NH2觸媒，其進一步與原子H反應形成低能量氫。胺化物與醯亞胺及氮化物中至少一者間之可逆反應亦可充當氫源，諸如原子H。
在一實施例中，低能量氫物質(諸如分子低能量氫或低能量氫氫化物離子)係藉由使H與OH及H2O觸媒中之至少一者反應來合成。低能量氫物質可藉由以下之群中之至少兩者製得：金屬(諸如鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬及稀土金屬、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、As、Sb及Te)、金屬氫化物(諸如LaNi5H6及本發明之其他金屬氫化物)、氫氧化物水溶液(諸如鹼金屬氫氧化物，諸如0.1M至飽和濃度的KOH)、載體(諸如碳、Pt/C、蒸汽碳、碳黑、碳化物、硼化物或氮化物)及氧。形成低能量氫物質(諸如分子低能量氫)之適宜的示例性反應混合物為(1)Co PtC KOH(飽和)(含O2及不含O2)；(2)Zn或Sn+LaNi5H6+KOH(飽和)；(3)Co、Sn、Sb或Zn+O2+CB+KOH(飽和)；(4)Al CB KOH(飽和)；(5)Sn Ni-塗佈之石墨KOH(飽和)(含O2及不含O2)；(6)Sn+SC或CB+KOH(飽和)+O2；(7)Zn Pt/C KOH(飽和)O2；(8)Zn R-Ni KOH(飽和)O2；(9)Sn LaNi5H6 KOH(飽和)O2；(10)Sb LaNi5H6 KOH(飽和)O2；(11)Co、Sn、Zn、Pb或Sb+ KOH(飽和水溶液)+K2CO3+CB-SA；及(12)LiNH2 LiBr及LiH或Li及H2或其來源及視情況之氫解離體，諸如Ni或R-Ni。其他的反應混合物包括熔融氫氧化物、氫源、氧源、及氫解離體。形成低能量氫物質(諸如分子低能量氫)之適宜的示例性反應混合物為(1)Ni(H2)LiOH-LiBr空氣或O2，(2)Ni(H2)NaOH-NaBr空氣或O2，及(3)Ni(H2)KOH-NaBr空氣或O2。
在一實施例中，形成低能量氫之化學、SF-CIHT及CIHT電池反應中至少一者之產物為含與無機化合物複合之低能量氫或較低能量氫物質(諸如H2(1/p))之化合物。該化合物可包括含氧陰離子化合物，諸如鹼金屬或鹼土金屬碳酸鹽或氫氧化物或本發明之其他此等化合物。在一實施例中，該產物包括M 2 CO 3．H 2(1/4)及MOH．H 2(1/4)(M=本發明之鹼金屬或其他陽離子)複合物中之至少一者。該產物可藉由ToF-SIMS鑑別為分別包含
Figure 108115763-A0305-02-0084-167
及
Figure 108115763-A0305-02-0084-168
之正光譜中之一系列離子，其中n為整數，且整數及整數p>1可替代4。在一實施例中，含矽及氧之化合物(諸如SiO2或石英)可充當H2(1/4)之吸氣劑。H2(1/4)之吸氣劑可包括過渡金屬、鹼金屬、鹼土金屬、內過渡金屬、稀土金屬、金屬之組合、合金(諸如Mo合金，諸如MoCu)及儲氫材料(諸如彼等本發明所述者)。
藉由本發明方法合成之較低能量氫化合物可具有化學式MH、MH2或M2H2，其中M為鹼金屬陽離子，且H為提高結合能之氫化物離子或提高結合能之氫原子。該化合物可具有化學式MHn，其中n為1或2，M為鹼土金屬陽離子，且H為提高結合能之氫化物離子或提高結合能之氫原子。該化合物可具有化學式MHX，其中M為鹼金屬陽離子，X為中性原子(諸如鹵素原子)、分子或帶單個負電荷的陰離子(諸如鹵素陰離子)中之一者，且H為提高結合能之氫化物離子或提高結合能之氫原子。該化合物可具有化學式MHX，其中M為鹼土金屬 陽離子，X為帶單個負電荷的陰離子，且H為提高結合能之氫化物離子或提高結合能之氫原子。該化合物可具有化學式MHX，其中M為鹼土金屬陽離子，X為帶兩個負電荷的陰離子，且H為提高結合能之氫原子。該化合物可具有化學式M2HX，其中M為鹼金屬陽離子，X為帶單個負電荷的陰離子，且H為提高結合能之氫化物離子或提高結合能之氫原子。該化合物可具有化學式MHn，其中n為整數，M為鹼性陽離子，且該化合物之氫含量Hn包括至少一種提高結合能之氫物質。該化合物可具有化學式M2Hn，其中n為整數，M為鹼土金屬陽離子，且該化合物之氫含量Hn包括至少一種提高結合能之氫物質。該化合物可具有化學式M2XHn，其中n為整數，M為鹼土金屬陽離子，X為帶單個負電荷的陰離子，且該化合物之氫含量Hn包括至少一種提高結合能之氫物質。該化合物可具有化學式M2X2Hn，其中n為1或2，M為鹼土金屬陽離子，X為帶單個負電荷的陰離子，且該化合物之氫含量Hn包括至少一種提高結合能之氫物質。該化合物可具有化學式M2X3H，其中M為鹼土金屬陽離子，X為帶單個負電荷的陰離子，且H為提高結合能之氫化物離子或提高結合能之氫原子。該化合物可具有化學式M2XHn，其中n為1或2，M為鹼土金屬陽離子，X為帶兩個負電荷的陰離子，且該化合物之氫含量Hn包括至少一種提高結合能之氫物質。該化合物可具有化學式M2XX’H，其中M為鹼土金屬陽離子，X為帶單個負電荷的陰離子，X’為帶兩個負電荷的陰離子，且H為提高結合能之氫化物離子或提高結合能之氫原子。該化合物可具有化學式MM’Hn，其中n為1至3之整數，M為鹼土金屬陽離子，M’為鹼金屬陽離子，且該化合物之氫含量Hn包括至少一種提高結合能之氫物質。該化合物可具有化學式MM’XHn，其中n為1或2，M為鹼土金屬陽離子，M’為鹼金屬陽離子，X為帶單個負電荷的陰離子，且該化合物之氫含量Hn包括至少一種提高結合能之氫物質。該 化合物可具有化學式MM’XH，其中M為鹼土金屬陽離子，M’為鹼金屬陽離子，X為帶兩個負電荷的陰離子，且H為提高結合能之氫化物離子或提高結合能之氫原子。該化合物可具有化學式MM’XX’H，其中M為鹼土金屬陽離子，M’為鹼金屬陽離子，X及X’為帶單個負電荷的陰離子，且H為提高結合能之氫化物離子或提高結合能之氫原子。該化合物可具有化學式MXX’Hn，其中n為1至5之整數，M為鹼金屬或鹼土金屬陽離子，X為帶單個或兩個負電荷的陰離子，X’為金屬或類金屬、過渡元素、內過渡元素或稀土元素，且該化合物之氫含量Hn包括至少一種提高結合能之氫物質。該化合物可具有化學式MHn，其中n為整數，M為陽離子(諸如過渡元素、內過渡元素或稀土元素)，且該化合物之氫含量Hn包括至少一種提高結合能之氫物質。該化合物可具有化學式MXHn，其中n為整數，M為陽離子(諸如鹼金屬陽離子、鹼土金屬陽離子)，X為另一陽離子(諸如過渡元素、內過渡元素或稀土元素陽離子)，且該化合物之氫含量Hn包括至少一種提高結合能之氫物質。該化合物可具有化學式[KH m KCO 3] n ，其中m及n各為整數，且該化合物之氫含量H m 包括至少一種提高結合能之氫物質。該化合物可具有化學式
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nX -，其中m及n各為整數，X為帶單個負電荷的陰離子，且該化合物之氫含量H m 包括至少一種提高結合能之氫物質。該化合物可具有化學式[KHKNO 3] n ，其中n為整數，且該化合物之氫含量H包括至少一種提高結合能之氫物質。該化合物可具有化學式[KHKOH] n ，其中n為整數，且該化合物之氫含量H包括至少一種提高結合能之氫物質。該包含陰離子或陽離子之化合物可具有化學式[MH m M'X] n ，其中m及n各為整數，M及M'各為鹼金屬或鹼土金屬陽離子，X為帶單個或兩個負電荷的陰離子，且該化合物之氫含量H m 包括至少一種提高結合能之氫物質。該包含陰離子或陽離子之化合物可具有化學式
Figure 108115763-A0305-02-0086-267
nX -，其中m及n各為整數，M 及M'各為鹼金屬或鹼土金屬陽離子，X及X'為帶單個或兩個負電荷的陰離子，且該化合物之氫含量H m 包括至少一種提高結合能之氫物質。該陰離子可包括彼等本發明所述者中之一者。適宜的示例性帶單個負電荷的陰離子為鹵素離子、氫氧根離子、碳酸氫根離子或硝酸根離子。適宜的示例性帶兩個負電荷的陰離子為碳酸根離子、氧離子或硫酸根離子。
在一實施例中，該提高結合能之氫化合物或混合物包括至少一種包埋在晶格(諸如結晶晶格)中(諸如包埋在金屬或離子晶格中)之較低能量氫物質(諸如低能量氫原子、低能量氫氫化物離子及二低能量氫分子)。在一實施例中，該晶格不與該較低能量氫物質反應。該基質在(諸如)包埋低能量氫氫化物離子之情形下可係非質子性。該化合物或混合物可包括包埋在鹽晶格(諸如鹼金屬或鹼土金屬鹽(諸如鹵化物))中之H(1/p)、H2(1/p)及H-(1/p)中之至少一者。示例性鹼金屬鹵化物為KCl及KI。在包埋H-(1/p)之情形下，該鹽可不含任何H2O。其他適宜的鹽晶格包括彼等本發明所述者。該較低能量氫物質可藉由用非質子性觸媒(諸如彼等表1所述者)催化氫而形成。
本發明化合物較佳係大於0.1原子百分比純度。更佳地，該等化合物係大於1原子百分比純度。甚至更佳地，該等化合物係大於10原子百分比純度。最佳地，該等化合物係大於50原子百分比純度。在另一實施例中，該等化合物係大於90原子百分比純度。在另一實施例中，該等化合物係大於95原子百分比純度。
在形成低能量氫之化學反應器之另一實施例中，形成低能量氫及釋放功率(諸如熱功率)之電池包括內燃機、火箭發動機或氣體渦輪機之燃燒室。該反應混合物包括生成觸媒及低能量氫之氫源及氧源。觸媒源可為含氫物質及含氧物質中之至少一者。該物質或另一反應產物可為含O及H中至少一者之物質中之至少一者，諸如H2、H、H+、 O2、O3、
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、
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、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH-、HOOH、OOH-、O-、O2-、
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及
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。該觸媒可包含氧或氫物質，諸如H2O。在另一實施例中，該觸媒包括nH、nO(n=整數)、O2、OH及H2O觸媒中之至少一者。氫源(諸如氫原子源)可包括含氫燃料(諸如H2氣體或烴)。氫原子可藉由在烴燃燒期間熱解烴來產生。該反應混合物可另外包括氫解離體，諸如彼等本發明所述者。H原子亦可藉由使氫解離而形成。O源可另外包括來自空氣之O2。反應物可另外包括H2O，其可充當H及O中至少一者之來源。在一實施例中，水充當氫及氧中至少一者之另一來源，其可藉由在電池中熱解H2O而提供。水可在表面(諸如汽缸或活塞頭)上熱解離或催化解離為氫原子。該表面可包括用於將水解離成氫及氧之材料。該水解離材料可包括過渡元素或內過渡元素、鐵、鉑、鈀、鋯、釩、鎳、鈦、Sc、Cr、Mn、Co、Cu、Zn、Y、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Ag、Cd、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Au、Hg、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Vb、Lu、Th、Pa、U、活性炭(碳)或Cs插層碳(石墨)之元素、化合物、合金或混合物。H及O可反應形成觸媒，與H形成低能量氫。氫及氧之來源可經由相應埠或入口(諸如進氣閥或歧管)吸入。產物可經由排放口或出口排出。可經由控制通過各別埠之入口及出口速度來控制流量。
在一實施例中，低能量氫係藉由加熱觸媒源及氫源(諸如本發明之固體燃料)而形成。該加熱可為熱加熱及衝擊加熱中之至少一者。實驗上，拉曼光譜法證實低能量氫係藉由球磨固體燃料(諸如氫氧化物及鹵化物之混合物，諸如含鹼金屬(諸如Li)之混合物)而形成。例如，在2308cm-1下觀察到經球磨的LiOH+LiI及LiOH+LiF之逆拉曼效應峰。因此，適宜的示例性混合物為LiOH+LiI或LiF。在一實施例中，熱加熱及衝擊加熱中之至少一者係藉由快速反應實現。在此情形 下，藉由形成低能量氫提供額外高能反應。
VII.固體燃料觸媒誘導之低能量氫躍遷(SF-CIHT)電池及功率轉換器
在一實施例中，一種產生直接電能及熱能中至少一者之電源系統包括至少一個容器；反應物，其包含：(a)至少一種包含初生H2O之觸媒源或觸媒；(b)至少一種原子氫源或原子氫；及(c)導體及導電基質中之至少一者；及至少一組限制低能量氫反應物之電極；傳送短叢發高電流電能之電源；重裝載系統；至少一個自反應產物再生出起始反應物之系統；及至少一個直接轉換器(諸如電漿-電力轉換器(諸如PDC)、光伏打轉換器及至少一個熱-電功率轉換器中至少一者)。在另一實施例中，該容器可產生大氣壓力、高於大氣壓力及低於大氣壓力中至少一者之壓力。在一實施例中，再生系統可包括水合系統、熱系統、化學系統及電化學系統中之至少一者。在另一實施例中，該至少一個直接電漿-電力轉換器可包括以下之群中至少一者：電漿動力功率轉換器、
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×
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直接轉換器、磁流體動力功率轉換器、磁鏡磁流體動力功率轉換器、電荷漂移轉換器、後或百葉窗式功率轉換器、磁旋管、光子聚束微波功率轉換器及光電轉換器。在另一實施例中，該至少一個熱-電力轉換器可包括以下之群中至少一者：熱機、蒸汽機、蒸汽渦輪機及發電機、氣體渦輪機及發電機、朗肯-循環發動機、布累登-循環發動機、斯特林(Stirling)發動機、熱離子功率轉換器及熱電功率轉換器。
在一實施例中，點燃H2O以形成低能量氫，同時釋放大量呈熱、電漿及電磁(光)功率中至少一者之形式之能量。(「點燃」在本發明中表示H至低能量氫之極高反應速率，其可表現為叢發、脈衝或其他形式之高能量釋放。)H2O可包括可藉助施加高電流(諸如約2000A至100,000A之電流)點燃之燃料。此可藉由向第一形式的高導電電漿(諸 如電弧)施加高電壓(諸如5,000至100,000V)而實現。或者，可使高電流通過含H2O之化合物或混合物，其中最終燃料(諸如固體燃料)之導電性高。(在本發明中，固體燃料或高能材料係用以表示形成觸媒(諸如HOH)及進一步反應形成低能量氫之H之反應混合物。然而，該反應混合物可包括不同於固體之其他物理狀態。在實施例中，該反應混合物可為以下中之至少一種狀態：氣態、液體、固體、漿液、溶膠凝膠、溶液、混合物、氣態懸浮液、氣動流體及熟習此項技術者所知之其他狀態。在一實施例中，具有極低電阻之同體燃料包括含H2O之反應混合物。該低電阻可係由於該反應混合物之導體組分引起。在實施例中，該固體燃料之電阻為以下範圍中之至少一者：約10-9ohm至100ohms、10-8ohm至10ohms、10-3ohm至1ohm、10-4ohm至10-1ohm及10-4ohm至10-2ohm。在另一實施例中，具有高電阻之燃料包括含微量或較小莫耳百分比之附加化合物或材料之H2O。在後一情形下，可使高電流流過該燃料，以藉由引起擊穿達成點燃，而形成高度導通狀態，諸如電弧或電弧電漿。
在一實施例中，反應物可包括形成觸媒源、觸媒、原子氫源及原子氫中至少一者之H2O源及導電基質。在另一實施例中，包含H2O源之反應物可包括以下至少一者：主體H2O、不同於主體H2O之狀態、經歷反應形成H2O及釋放結合H2O中至少一者之化合物。此外，該結合H2O可包括與H2O相互作用之化合物，其中該H2O係呈吸收H2O、結合H2O、物理吸附H2O及水合水中至少一者之狀態。在實施例中，反應物可包括導體及一或多種經歷釋放主體H2O、吸收H2O、結合H2O、物理吸附H2O及水合水以及具有H2O作為反應產物中至少一者之化合物或材料。在其他實施例中，初生H2O觸媒源及原子氫源中至少一者可包括以下至少一者：(a)至少一種H2O源；(b)至少一種氧源；及(c)至少一種氫源。
在其他實施例中，形成觸媒源、觸媒、原子氫源及原子氫中至少一者之反應物包括以下至少一者：H2O及H2O源；O2、H2O、HOOH、OOH-、過氧化物離子、超氧化物離子、氫化物、H2、鹵化物、氧化物、氫氧氧化物、氫氧化物、含氧化合物、水合化合物、選自鹵化物、氧化物、氫氧氧化物、氫氧化物、含氧化合物中至少一者之群之水合化合物；及導電基質。在某些實施例中，該氫氧氧化物可包括來自TiOOH、GdOOH、CoOOH、InOOH、FeOOH、GaOOH、NiOOH、AlOOH、CrOOH、MoOOH、CuOOH、MnOOH、ZnOOH及SmOOH之群中之至少一者；該氧化物可包括來自CuO、Cu2O、CoO、Co2O3、Co3O4、FeO、Fe2O3、NiO及Ni2O3之群中之至少一者；該氫氧化物可包括來自Cu(OH)2、Co(OH)2、Co(OH)3、Fe(OH)2、Fe(OH)3及Ni(OH)2之群中之至少一者；該含氧化合物可包括來自以下之群中之至少一者：硫酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽、碳酸氫鹽、鉻酸鹽、焦磷酸鹽、過硫酸鹽、過氯酸鹽、過溴酸鹽及過碘酸鹽、MXO3、MXO4(M=金屬，諸如鹼金屬，諸如Li、Na、K、Rb、Cs；X=F、Br、Cl、I)、鈷鎂氧化物、鎳鎂氧化物、銅鎂氧化物、Li2O、鹼金屬氧化物、鹼土金屬氧化物、CuO、CrO4、ZnO、MgO、CaO、MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO、Fe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、P2O3、P2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、CrO3、CoO、Co2O3、Co3O4、FeO、Fe2O3、NiO、Ni2O3、稀土氧化物、CeO2、La2O3、氫氧氧化物、TiOOH、GdOOH、CoOOH、InOOH、FeOOH、GaOOH、NiOOH、AlOOH、CrOOH、MoOOH、CuOOH、MnOOH、ZnOOH及SmOOH，且該導電基質可包括來自金屬粉末、碳、碳化物、硼化物、氮化物、碳化腈(諸如TiCN)或腈之群中之至少一者。
在實施例中，該等反應物可包括金屬、其金屬氧化物及H2O之混合物，其中金屬與H2O之反應在熱力學上不利。在其他實施例中，該等反應物可包括金屬、金屬鹵化物及H2O之混合物，其中金屬與H2O之反應在熱力學上不利。在其他實施例中，反應物可包括過渡金屬、鹼土金屬鹵化物及H2O之混合物，其中金屬與H2O之反應在熱力學上不利。且在其他實施例中，該等反應物可包括導體、吸濕材料及H2O之混合物。在實施例中，該導體可包括金屬粉末或碳粉末，其中金屬或碳與H2O之反應在熱力學上不利。在實施例中，該吸濕材料可包括以下之群中之至少一者：溴化鋰、氯化鈣、氯化鎂、氯化鋅、碳酸鉀、磷酸鉀、光鹵石(諸如KMgCl3．6(H2O))、檸檬酸鐵銨、氫氧化鉀及氫氧化鈉及濃硫酸及濃磷酸、纖維素纖維、糖、焦糖、蜂蜜、甘油、乙醇、甲醇、柴油燃料、甲基安非他命(methamphetamine)、化學肥料、鹽、乾燥劑、矽石、活性炭、硫酸鈣、氯化鈣、分子篩、沸石、潮解性材料、氯化鋅、氯化鈣、氫氧化鉀、氫氧化鈉及潮解性鹽。在某些實施例中，該電源系統可包括導體、吸濕材料及H2O之混合物，其中(金屬/導體)、(吸濕材料)、(H2O)之相對莫耳量範圍為以下至少一者：約(0.000001至100000)、(0.000001至100000)、(0.000001至100000)；(0.00001至10000)、(0.00001至10000)、(0.00001至10000)；(0.0001至1000)、(0.0001至1000)、(0.0001至1000)；(0.001至100)、(0.001至100)、(0.001至100)；(0.01至100)、(0.01至100)、(0.01至100)；(0.1至10)、(0.1至10)、(0.1至10)；及(0.5至1)、(0.5至1)、(0.5至1)。在某些實施例中，與H2O之反應在熱力學上不利之金屬可為以下之群中之至少一者：Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr及In。在其他實施例中，該等反應物可藉由添加H2O來再生。
在其他實施例中，該等反應物可包括金屬、其金屬氧化物及H2O之混合物，其中該金屬氧化物可在低於1000℃之溫度下進行H2還原。在其他實施例中，該等反應物可包括以下物質之混合物：不易用H2及微熱還原之氧化物、具有可在低於1000℃之溫度下用H2還原為該金屬之氧化物之金屬及H2O。在實施例中，該具有可在低於1000℃之溫度下用H2還原為該金屬之氧化物之金屬可為以下之群中之至少一者：Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr及In。在實施例中，該不容用H2及微熱還原之金屬氧化物包括以下至少一者：氧化鋁、鹼土金屬氧化物及稀土氧化物。
在實施例中，該固體燃料可包括碳或活性碳及H2O，其中該混合物係藉由再水化而再生，其包括添加H2O。在其他實施例中，該等反應物可包括以下至少一者：漿液、溶液、乳液、複合物及化合物。在實施例中，該傳送短叢發高電流電能之電源之電流係足以使低能量氫反應物經歷該反應，從而以極高速率形成低能量氫。在實施例中，該傳送短叢發高電流電能之電源包括以下至少一者：經選擇以引起高AC、DC或AC-DC混合物之電流的電壓，該電流係在100A至1,000,000A、1kA至100,000A、10kA至50kA中至少一者之範圍內；在100A/cm2至1,000,000A/cm2、1000A/cm2至100,000A/cm2及2000A/cm2至50,000A/cm2中至少一者之範圍內之DC或峰值AC電流密度；該電壓係由該固體燃料或高能材料之電導率決定，其中該電壓係由所需電流乘以該固體燃料或高能材料樣品之電阻給出；該DC或峰值AC電壓可在至少一個選自約0.1V至500kV、0.1V至100kV及1V至50kV之範圍內，且該AC頻率可在約0.1Hz至10GHz、1Hz至1MHz、10Hz至100kHz及100Hz至10kHz之範圍內。在實施例中，該固體燃料或高能材料樣品之電阻係在至少一個選自約0.001mohm至 100Mohm、0.1ohm至1Mohm及10ohm至1kohm之範圍內，且每單位有效形成低能量氫之電極面積的適宜負載之電導率係在至少一個選自約10-10ohm-1cm-2至106ohm-1cm-2、10-5ohm-1cm-2至106ohm-1cm-2、10-4ohm-1cm-2至105ohm-1cm-2、10-3ohm-1cm-2至104ohm-1cm-2、10-2ohm-1cm-2至103ohm-1cm-2、10-1ohm-1cm-2至102ohm-1cm-2及1ohm-1cm-2至10ohm-1cm-2之範圍內。
在一實施例中，該固體燃料具導電性。在實施例中，固體燃料之一部份、顆粒或等分試樣之電阻係以下範圍中之至少一者：約10-9ohm至100ohms、10-8ohm至10ohms、10-3ohm至1ohm、10-3ohm至10-1ohm及10-3ohm至10-2ohm。在一實施例中，低能量氫反應速率係取決於高電流之應用或形成。低能量氫催化反應(諸如強低能量氫催化反應)可藉由流過該導電性燃料之低電壓高電流起始。能量釋放可相當高，且可形成衝擊波。在一實施例中，選擇電壓以引起導致點燃之高AC、DC或AC-DC混合物之電流，諸如在100A至1,000,000A、1kA至100,000A、10kA至50kA中至少一者之範圍內之高電流。可包括顆粒(諸如壓縮顆粒)之燃料之電流密度可在100A/cm2至1,000,000A/cm2、1000A/cm2至100,000A/cm2及2000A/cm2至50,000A/cm2中至少一者之範圍內。該DC或峰值AC電壓可在至少一個選自約0.1V至100kV V、0.1V至1kV、0.1V至100V及0.1V至15V之範圍內。該AC頻率可在約0.1Hz至10GHz、1Hz至1MHz、10Hz至100kHz及100Hz至10kHz之範圍內。脈衝時間可在至少一個選自約10-6s至10s、10-5s至1s、10-4s至0.1s及10-3s至0.01s之範圍內。
在一實施例中，該固體燃料或高能材料可包括H2O源或H2O。該H2O的莫耳%含量可在約0.000001%至100%、0.00001%至100%、0.0001%至100%、0.001%至100%、0.01%至100%、0.1%至100%、1%至100%、10%至100%、0.1%至50%、1%至25%及1%至10%中至少一 者之範圍內。在一實施例中，低能量氫反應速率係取決於高電流之應用或形成。在一實施例中，選擇電壓以引起高AC、DC或AC-DC混合物之電流，該電流係在100A至1,000,000A、1kA至100,000A、10kA至50kA中至少一者之範圍內。DC或峰值AC電流密度可在100A/cm2至1,000,000A/cm2、1000A/cm2至100,000A/cm2及2000A/cm2至50,000A/cm2中至少一者之範圍內。在一實施例中，該電壓係由該固體燃料或高能材料之電導率決定。該固體燃料或高能材料樣品之電阻係在至少一個選自約0.001mohm至100Mohm、0.1ohm至1Mohm及10ohm至1kohm之範圍內。每單位有效形成低能量氫之電極面積的適宜負載之電導率係在至少一個選自約10-10ohm-1cm-2至106ohm-1cm-2、10-5ohm-1cm-2至106ohm-1cm-2、10-4ohm-1cm-2至105ohm-1cm-2、10-3ohm-1cm-2至104ohm-1cm-2、10-2ohm-1cm-2至103ohm-1cm-2、10-1ohm-1cm-2至102ohm-1cm-2及1ohm-1cm-2至10ohm-1cm-2之範圍內。在一實施例中，該電壓係由所需電流乘以該固體燃料或高能材料樣品之電阻給出。在電阻係約1mohm之示例性情形下，電壓低，諸如<10V。在本質上純的H2O之示例性情形下，其中電阻基本上係無限大，達成用於點燃之高電流之外加電壓高，諸如高於H2O之崩潰電壓，諸如約5kV或更高。在實施例中，該DC或峰值AC電壓可在至少一個選自約0.1V至500kV、0.1V至100kV及1V至50kV之範圍內。該AC頻率可在約0.1Hz至10GHz、1Hz至1MHz、10Hz至100kHz及100Hz至10kHz之範圍內。在一實施例中，DC電壓放電產生含離子化H2O之電漿，其中電流係欠阻尼，並隨著其衰減而振盪。
在一實施例中，高電流脈衝係藉助可以串聯及並聯中至少一者連接，以得到所需電壓及電流之電容器(諸如超級電容器)之放電獲得，其中該電流可為DC或可經電路元件(諸如熟習此項技術者已知之變壓器，諸如低壓變壓器)調節。該電容器可藉由電源(諸如電網電 力、發電機、燃料電池或蓄電池)充電。在一實施例中，蓄電池提供該電流。在一實施例中，適宜的頻率、電壓及電流波形可藉由調節電容器或蓄電池之輸出之功率達成。
固體燃料或高能材料可包括導體或導電基質或載體(諸如金屬、碳或氮化物)及H2O或H2O源(諸如可反應形成H2O或可釋放結合H2O之化合物，諸如彼等本文所述者)。該固體燃料可包括H2O、與H2O相互作用之化合物或材料、及導體。H2O可以不同於主體H2O之狀態存在，諸如吸收或結合H2O，諸如物理吸附H2O或水合水。或者，H2O可作為主體H2O存在於高度導電性或藉由施加適宜電壓變為高度導電性之混合物中。該固體燃料可包括H2O及提供高導電率之材料或化合物(諸如金屬粉末或碳)及促進形成H及可能的HOH觸媒之材料或化合物(諸如氧化物，諸如金屬氧化物)。示例性固體燃料可包括單獨的R-Ni，及具有添加劑(諸如過渡金屬及Al)，其中R-Ni藉由使水合Al2O3及Al(OH)3分解而釋放H及HOH。適宜的示例性固體燃料包括至少一種氫氧氧化物(諸如TiOOH、GdOOH、CoOOH、InOOH、FeOOH、GaOOH、NiOOH、AlOOH、CrOOH、MoOOH、CuOOH、MnOOH、ZnOOH及SmOOH)及導電基質(諸如金屬粉末及碳粉末中之至少一者)及視情況之H2O。該固體燃料可包括至少一種氫氧化物(諸如過渡金屬氫氧化物(諸如Cu(OH)2、Co(OH)2、Fe(OH)2及Ni(OH)2中之至少一者)、氫氧化鋁(諸如Al(OH)3))、導體(諸如碳粉末及金屬粉末中之至少一者)及視情況之H2O。該固體燃料可包括至少一種氧化物(諸如過渡金屬氧化物中之至少一者，諸如CuO、Cu2O、NiO、Ni2O3、FeO及Fe2O3中之至少一者)、導體(諸如碳粉末及金屬粉末中之至少一者)及H2O。該固體燃料可包括至少一種鹵化物(諸如金屬鹵化物，諸如鹼土金屬鹵化物，諸如MgCl2)、導體(諸如碳粉末及金屬粉末(諸如Co或Fe)中之至少一者)及H2O。該固體燃料可包括固體燃料混合物，諸如 包含氫氧化物、氫氧氧化物、氧化物及鹵化物(諸如金屬鹵化物)中之至少兩者及至少一種導體或導電基質及H2O之固體燃料混合物。該導體可包括以下至少一者：經包括固體燃料、R-Ni、金屬粉末(諸如過渡金屬粉末)、Ni或Co多孔體之反應混合物之其他組分中之一或多者塗覆之金屬篩、碳或碳化物或其他導體、或熟習此項技術者所知之導電載體或導電基質。在一實施例中，H2O基固體燃料之至少一種導體包括金屬，諸如金屬粉末，諸如過渡金屬中之至少一者，諸如Cu、Al及Ag。
在一實施例中，該固體燃料包括碳(諸如活性碳)及H2O。在於真空或惰性氛圍下點燃以形成電漿之情形下，在電漿產生電後，自該電漿凝結之碳可在再生循環中再水化以再形成固體。該固體燃料可包括以下混合物中之至少一者：酸性、鹼性或中性H2O及活性碳、木炭、軟木炭、蒸汽及氫處理碳中之至少一者及金屬粉末。在一實施例中，碳-金屬混合物之金屬係與H2O至少部份不反應。對與H2O反應至少部份穩定之適宜金屬為Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr及In之群中之至少一者。該混合物可藉由再水化而再生，其包括添加H2O。
在一實施例中，基本需要的反應物為H源、O源及在點燃期間容許高電流滲透材料之良好導體基質。固體燃料或高能材料可包含在密封容器中，諸如密封金屬容器，諸如密封鋁容器。該固體燃料或高能材料可藉由低電壓高電流脈衝(諸如藉由點焊機生成者，諸如藉由侷限在Taylor-Winfield型號ND-24-75點焊機之兩個銅電極間所獲得之脈衝)反應，並接受短叢發低電壓高電流電能。60Hz電壓可為約5至20V RMS，且電流可為約10,000至40,000A/cm2。
示例性高能材料及條件為以下至少一者：TiOOH、GdOOH、 CoOOH、InOOH、FeOOH、GaOOH、NiOOH、AlOOH、CrOOH、MoOOH、CuOOH、MnOOH、ZnOOH、SmOOH、Ni2O3．H2O、La2O3．H2O及Na2SO4．H2O，其等以漿液形式塗覆於Ni網篩上，並經乾燥，然後接受約60Hz、8V RMS及至40,000A/cm2之電脈衝。
在一實施例中，該固體燃料或高能材料包括H2O及分散劑及解離體，以形成初生H2O及H。適宜的示例性分散劑及解離體為鹵化物(諸如金屬鹵化物，諸如過渡金屬鹵化物，諸如溴化物，諸如FeBr2)、形成水合物之化合物(諸如CuBr2)及諸如具有存在多種氧化態之金屬之氧化物及鹵化物之化合物。其他者包括氧化物、氫氧氧化物或氫氧化物，諸如過渡元素之氧化物、氫氧氧化物或氫氧化物，諸如CoO、Co2O3、Co3O4、CoOOH、Co(OH)2、Co(OH)3、NiO、Ni2O3、NiOOH、Ni(OH)2、FeO、Fe2O3、FeOOH、Fe(OH)3、CuO、Cu2O、CuOOH及Cu(OH)2。在其他實施例中，該過渡金屬被另一金屬替代，諸如鹼金屬、鹼土金屬、內過渡金屬及稀土金屬、及13及14族金屬。適宜的實例為La2O3、CeO2及LaX3(X=鹵素)。在另一實施例中，該固體燃料或高能材料以無機化合物(諸如氧化物、氫氧氧化物、氫氧化物或鹵化物)之水合物包括H2O。其他適宜的水合物為本發明之金屬化合物，諸如以下之群中之至少一者：硫酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽、碳酸氫鹽、鉻酸鹽、焦磷酸鹽、過硫酸鹽、次氯酸鹽、亞氯酸鹽、氯酸鹽、過氯酸鹽、次溴酸鹽、亞溴酸鹽、溴酸鹽、過氯酸鹽、次碘酸鹽、亞碘酸鹽、碘酸鹽、過碘酸鹽、硫酸氫鹽、磷酸氫鹽或磷酸二氫鹽、其他具有含氧陰離子之金屬化合物及金屬鹵化物。分散劑及解離體(諸如金屬氧化物或鹵化物)之莫耳比例係可引起點燃事件之任何所需莫耳比例。適宜地，至少一種化合物之莫耳量對H2O之莫耳量係於約0.000001至100000、0.00001至10000、0.0001至1000、0.01至100、0.1至10及0.5至1中之至少一個範圍內，其中該比例係定義為 (化合物莫耳量/H2O莫耳量)。該固體燃料或高能材料可另外包括導體或導電基質，諸如以下至少一者：金屬粉末(諸如過渡金屬粉末、Ni或Co多孔體)、碳粉末或碳化物或其他導體、或熟習此項技術者所知之導電載體或導電基質。含至少一種化合物及H2O之水合化合物之莫耳量對導體之莫耳量之適宜比例係於約0.000001至100000、0.00001至10000、0.0001至1000、0.01至100、0.1至10及0.5至1中之至少一個範圍內，其中該比例係定義為(水合化合物莫耳量/導體莫耳量)。
在一實施例中，反應物係藉由添加H2O自產物再生。在一實施例中，該固體燃料或高能材料包括H2O及適合本發明之低電壓高電流流過水合材料以導致點燃之導電基質。該導電基質材料可為以下至少一者：金屬表面、金屬粉末、碳、碳粉、碳化物、硼化物、氮化物、碳化腈(諸如TiCN)、腈、本發明之另一者或熟習此項技術者所知者。添加H2O以形成固體燃料或高能材料或使其自產物再生可係連續或間歇。
該固體燃料或高能材料可包括導電基質、氧化物之混合物(諸如金屬及相應的金屬氧化物(諸如過渡金屬及其至少一種氧化物，諸如選自Fe、Cu、Ni或Co者)之混合物)及H2O。H2O可呈水合氧化物之形式。在其他實施例中，金屬/金屬氧化物反應物包括與H2O具有低反應性之金屬(相當於氧化物可容易地還原為該金屬)或在低能量氫反應期間不被氧化之金屬。具有低H2O反應性之適宜的示例性金屬係選自Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr之金屬。該金屬可在該反應期間轉化為氧化物。對應於該金屬反應物之氧化物產物可藉由熟習此項技術者所知之系統及方法，藉助氫還原再生成起始金屬。該氫還原可係在高溫下。氫可藉由電解H2O來提供。在另一實施例中，該金屬係藉由碳還原、以還原劑 (諸如氧活性更高的金屬)還原、或藉由電解(諸如在熔融鹽中電解)自氧化物再生。自氧化物形成金屬可藉由熟習此項技術者所知之系統及方法實現。金屬對金屬氧化物對H2O之莫耳量係在接受如本發明所給出之低電壓高電流電脈衝時導致點燃之任何所需量。(金屬)、(金屬氧化物)、(H2O)之相對莫耳量之適宜範圍係以下至少一者：約(0.000001至100000)、(0.000001至100000)、(0.000001至100000)；(0.00001至10000)、(0.00001至10000)、(0.00001至10000)；(0.0001至1000)、(0.0001至1000)、(0.0001至1000)；(0.001至100)、(0.001至100)、(0.001至100)；(0.01至100)、(0.01至100)、(0.01至100)；(0.1至10)、(0.1至10)、(0.1至10)；及(0.5至1)、(0.5至1)、(0.5至1)。該固體燃料或高能材料可包括以下至少一者：漿液、溶液、乳液、複合物及化合物。
該固體燃料或高能材料可包括導電基質、鹵化物之混合物(諸如第一金屬及相應第一金屬鹵化物或第二金屬鹵化物之混合物)及H2O。H2O可呈水合鹵化物之形式。該第二金屬鹵化物可比該第一金屬鹵化物更穩定。在一實施例中，該第一金屬與H2O具有低反應性(相當於氧化物可容易地還原為該金屬)或該金屬在低能量氫反應期間不被氧化。具有低H2O反應性之適宜的示例性金屬係選自Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr之金屬。金屬對金屬鹵化物對H2O之莫耳量係在接受如本發明所給出之低電壓高電流電脈衝時導致點燃之任何所需量。(金屬)、(金屬鹵化物)、(H2O)之相對莫耳量之適宜範圍係以下至少一者：約(0.000001至100000)、(0.000001至100000)、(0.000001至100000)；(0.00001至10000)、(0.00001至10000)、(0.00001至10000)；(0.0001至1000)、(0.0001至1000)、(0.0001至1000)；(0.001至100)、(0.001至100)、 (0.001至100)；(0.01至100)、(0.01至100)、(0.01至100)；(0.1至10)、(0.1至10)、(0.1至10)；及(0.5至1)、(0.5至1)、(0.5至1)。該固體燃料或高能材料可包括以下至少一者：漿液、溶液、乳液、複合物及化合物。
在一實施例中，該固體燃料或高能材料可包括導體(諸如本發明之一者，諸如金屬或碳)、吸濕材料及H2O。適宜的示例性吸濕材料為溴化鋰、氯化鈣、氯化鎂、氯化鋅、碳酸鉀、磷酸鉀、光鹵石(諸如KMgCl3．6(H2O))、檸檬酸鐵銨、氫氧化鉀及氫氧化鈉及濃硫酸及濃磷酸、纖維素纖維(諸如棉及紙)、糖、焦糖、蜂蜜、甘油、乙醇、甲醇、柴油燃料、甲基安非他命、許多化學肥料、鹽(包括食鹽)及眾多熟習此項技術者所知之其他物質及乾燥劑(諸如矽石、活性炭、硫酸鈣、氯化鈣及分子篩(典型地，沸石)或潮解性材料(諸如氯化鋅、氯化鈣、氫氧化鉀、氫氧化鈉及熟習此項技術者所知之許多不同潮解性鹽)。(金屬)、(吸濕材料)、(H2O)之相對莫耳量之適宜範圍為以下至少一者：約(0.000001至100000)、(0.000001至100000)、(0.000001至100000)；(0.00001至10000)、(0.00001至10000)、(0.00001至10000)；(0.0001至1000)、(0.0001至1000)、(0.0001至1000)；(0.001至100)、(0.001至100)、(0.001至100)；(0.01至100)、(0.01至100)、(0.01至100)；(0.1至10)、(0.1至10)、(0.1至10)；及(0.5至1)、(0.5至1)、(0.5至1)。該固體燃料或高能材料可包括以下至少一者：漿液、溶液、乳液、複合物及化合物。
在一示例性高能材料中，將0.05ml(50mg)H2O添加至20mg密封在DSC鋁盤(鋁坩堝30μl，D：6.7x3(Setaram,S08/HBB37408)及鋁蓋D：6,7，未蓋緊(Setaram,S08/HBB37409))中之Co3O4或CuO，並利用Taylor-Winfield型號ND-24-75點焊機在約8V RMS下以15,000至25,000A間之電流點燃。觀察到使樣品各蒸發為高度電離的高能膨脹電漿之 大能量脈衝。另一以相同方式點燃且結果類似之示例性固體燃料包括密封在DSC鋁盤(71.1mg)(鋁坩堝30μl，D：6.7x3(Setaram,S08/HBB37408)及鋁蓋D：6,7，蓋緊(Setaram,S08/HBB37409))中之Cu(42.6mg)+CuO(14.2mg)+H2O(16.3mg)。
在一實施例中，該固體燃料或高能材料包括初生H2O觸媒源及H源。在一實施例中，該固體燃料或高能材料為導電性或包括導電基質材料，以使初生H2O觸媒源及H源之混合物為導電性。初生H2O觸媒源及H源中至少一者之來源係至少含O及H之化合物或化合物混合物及材料。該含O之化合物或材料可為以下至少一者：氧化物、氫氧化物及氫氧氧化物，諸如鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、內過渡金屬、稀土金屬、及13及14族金屬之氧化物、氫氧化物及氫氧氧化物。含O化合物或材料可為硫酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽、碳酸氫鹽、鉻酸鹽、焦磷酸鹽、過硫酸鹽、過氯酸鹽、過溴酸鹽及過碘酸鹽、MXO3、MXO4(M=金屬，諸如鹼金屬，諸如Li、Na、K、Rb、Cs；X=F、Br、Cl、I)、鈷鎂氧化物、鎳鎂氧化物、銅鎂氧化物、Li2O、鹼金屬氧化物、鹼土金屬氧化物、CuO、CrO4、ZnO、MgO、CaO、MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO、Fe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、P2O3、P2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、CrO3、稀土氧化物(諸如CeO2或La2O3)、氫氧氧化物(諸如TiOOH、GdOOH、CoOOH、InOOH、FeOOH、GaOOH、NiOOH、AlOOH、CrOOH、MoOOH、CuOOH、MnOOH、ZnOOH及SmOOH)。示例性H源為H2O、結合或吸收H2O之化合物，諸如水合物、氫氧化物、氫氧氧化物或硫酸氫鹽、磷酸氫鹽或磷酸二氫鹽及烴。該導電基質材料可為金屬粉末、碳、碳粉、碳化物、硼化物、氮化物、碳化腈(諸如TiCN)或腈中至少一者。本發明導體在不同實施例 中可呈不同物理形式，諸如大塊、微粒、粉末、奈米粉末及熟習此項技術者已知可使含具有該導體之混合物之固體燃料或高能材料為導電性之其他形式。
示例性固體燃料或高能材料包括H2O及導電基質中之至少一者。在一示例性實施例中，該固體燃料包括H2O及金屬導體，諸如過渡金屬(諸如呈(諸如)Fe金屬粉末導體形式之Fe)及Fe化合物(諸如鐵氫氧化物、鐵氧化物、鐵氫氧氧化物及鐵鹵化物)，其中後者可以充當H2O源之水合物替代H2O。其他金屬可以其任何物理形式(諸如金屬及化合物以及諸如塊狀、片狀、篩狀、網狀、絲狀、微粒、粉末、奈米粉末及固體、液體及氣態之狀態)替代Fe。該導體可包括一或多種物理形式之碳，諸如大塊碳、碳微粒、碳粉末、碳氣凝膠、碳奈米管、活性碳、石墨烯、KOH活性碳或奈米管、碳化物衍生碳、碳纖維布及富勒烯中之至少一者。適宜的示例性固體燃料或高能材料為CuBr2+H2O+導電基質；Cu(OH)2+FeBr2+導電基質材料(諸如碳或金屬粉末)；FeOOH+導電基質材料(諸如碳或金屬粉末)；Cu(OH)Br+導電基質材料(諸如碳或金屬粉末)；AlOOH或Al(OH)3+Al粉末，其中將附加H2提供至反應，以藉由使Al與AlOOH或Al(OH)3分解形成之H2O反應形成低能量氫；可經蒸汽活化之導電奈米顆粒(諸如碳奈米管及富勒烯)中之H2O及金屬化沸石中之H2O，其中可使用分散劑來潤濕疏水材料，諸如碳；NH4NO3+H2O+NiAl合金粉末；LiNH2+LiNO3+Ti粉末；LiNH2+LiNO3+Pt/Ti；LiNH2+NH4NO3+Ti粉末；BH3NH3+NH4NO3；BH3NH3+CO2、SO2、NO2及硝酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽；LiH+NH4NO3+過渡金屬、稀土金屬、Al或其他可氧化金屬；NH4NO3+過渡金屬、稀土金屬、Al或其他可氧化金屬；NH4NO3+R-Ni；P2O5及各本發明之氫氧化物、LiNO3、LiClO4及S2O8+導電基質；及H源(諸如氫氧化物、氫氧氧化物、儲氫材料(諸如本 發明之一或多者)、柴油燃料)及氧源(其亦可為電子受體，諸如P2O5及其他酸酐，諸如CO2、SO2或NO2)。
形成低能量氫之固體燃料或高能材料可包括至少一種高反應性或高能材料，諸如NH4NO3、特里托納(tritonal)、RDX、PETN及本發明之其他者。該固體燃料或高能材料可額外包括以下至少一者：導體、導電基質或導電材料(諸如金屬粉末、碳、碳粉、碳化物、硼化物、氮化物、碳化腈(諸如TiCN)或腈)、烴(諸如柴油燃料)、氫氧氧化物、氫氧化物、氧化物及H2O。在一示例性實施例中，該固體燃料或高能材料包括高反應性或高能材料(諸如NH4NO3、特里托納、RDX及PETN)及導電基質(諸如金屬粉末(諸如Al)或過渡金屬粉末及碳粉末中至少一者)。該固體燃料或高能材料可藉助如本發明中所給出之高電流反應。在一實施例中，該固體燃料或高能材料另外包括敏化物，諸如玻璃微球。
A.電漿動力轉換器(PDC)
電漿之帶正電荷離子之質量為電子之至少1800倍；因此，迴旋軌域大1800倍。此結果容許以磁方式將電子限制在磁場線上，而離子可漂移。可出現電荷分離，以為電漿動力轉換器提供電壓。
B.磁流體動力(MHD)轉換器
基於在交叉磁場中形成離子質量流之電荷分離係眾所周知為磁流體動力(MHD)功率轉換之技術。正離子及負離子經歷相反方向之洛倫茨(Lorentzian)定向，並在相應MHD電極上被接收，以在其等之間產生電壓。形成離子質量流之典型的MHD方法係使具有離子之高壓氣體膨脹通過噴嘴，以產生通過交叉磁場之高速流，其中一組MHD電極相對於偏轉場交叉，以接收偏轉離子。在本發明中，該壓力通常大於大氣壓，但不一定如此，且可藉由使固體燃料反應形成高度離子化徑向膨脹電漿而獲得定向質量流。
C.電磁直接(交叉場或漂移)轉換器，
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直接轉換器
可利用帶電顆粒在磁場及交叉電場中之導向中心漂移來分離並收集空間上隔開的
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電極上之電荷。由於該裝置獲取垂直於導向場之顆粒能量，故可不需要電漿膨脹。理想
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Figure 108115763-A0305-02-0105-155
轉換器之性能依賴離子與電子間之慣性差異(其係電荷分離之來源)及相對於交叉場方向在相對
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Figure 108115763-A0305-02-0105-157
電極處之電壓產生。▽
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漂移收集亦可獨立使用或與
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收集組合使用。
D.電荷漂移轉換器
Timofeev及Glagolev描述之直接功率轉換器[A.V.Timofeev,「A scheme for direct conversion of plasma thermal energy into electrical energy,」Sov.J.Plasma Phys.，第4卷，第4期，七月-八月(1978)，第464-468頁；V.M.Glagolev，及A.V.Timofeev,「Direct Conversion of thermonuclear into electrical energy a drakon system,」Plasma Phys.Rep.，第19卷，第12期，十二月(1993)，第745-749頁]依賴電荷注入至漂移的經分離正離子來自電漿獲取功率。此電荷漂移轉換器在橫向於磁通量B源及具有場線曲率之磁通量B源之方向的方向上包括磁場梯度。在兩種情形下，漂移的帶負電荷及帶正電荷離子垂直於B與磁場梯度之方向形成之平面或其中B具有曲率之平面向相反方向移動。在各情形下，分離的離子在平行於該平面之對置電容器上產生電壓，且該等離子之熱能同時降低。電子係在一個電荷漂移轉換器電極上被接收，且正離子係在另一電極上被接收。因為離子之遷移率遠小於電子，所以可直接注入電子或藉由使其沸騰離開受熱電荷漂移轉換器電極而注入電子。功率損耗小，且不會損失太多功率平衡。
E.磁約束
當催化H形成低能量氫之速率加速至極高時，被視為爆炸或燃燒事件。在一實施例中，爆炸或燃燒事件所產生的電漿係膨脹電漿。在 此情形下，磁流體動力(MHD)係適宜的轉換系統及方法。或者，在一實施例中，電漿受到約束。在此情形下，可利用電漿動力轉換器、磁流體動力轉換器、電磁直接(交叉場或漂移)轉換器、
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直接轉換器及電荷漂移轉換器中之至少一者實現轉換。在此情形下，除SF-CIHT電池及包括燃燒、重裝載、再生、燃料處理及電漿-電功率轉換系統之其餘設備外，該電源產生系統另外包括電漿約束系統。可藉助磁場(諸如螺線管場)實現約束。磁鐵可包括以下至少一者：永久磁鐵及電磁鐵，諸如以下至少一者：未冷卻式、水冷式及超導磁鐵以及相應低溫管理系統，其包括以下至少一者：液氦杜瓦(dewar)、液氮杜瓦、輻射擋板(其可包括銅、高真空絕緣、輻射屏蔽罩及低溫泵)及壓縮機(其可藉由低能量氫基發電機之功率輸出供電)。該等磁鐵可為開路線圈，諸如赫姆霍爾茲(Helmholtz)線圈。可將電漿進一步約束在磁瓶中，及藉由熟習此項技術者所知之其他系統及方法進一步約束。
兩個或更多個磁鏡可形成磁瓶，以約束藉由催化H形成低能量氫所形成之電漿。本人先前申請案中給出約束理論，諸如Microwave Power Cell,Chemical Reactor,And Power Converter，3/7/02申請之PCT/US02/06955，(短文版)，3/7/02申請之PCT/US02/06945(長文版)，9/5/03申請之US案號10/469,913，其等之全文以引用的方式併入本文中。該瓶中心區域中所產生之離子將沿著軸盤旋，但在各末端處將為磁鏡所反射。具有平行於期望軸之高速度分量之較高能離子將在該瓶末端處逃逸。因此，在一實施例中，該瓶可自磁瓶末端產生基本上線性的離子流至磁流體動力轉換器。由於電子因其相對於正離子之較低質量而優先受到約束，故在本發明電漿動力實施例中形成電壓。電力在與受約束電子接觸之陽極與收集正離子之陰極(諸如約束容器壁)之間流動。該電力可耗散在外部負載中。
F.固體燃料觸媒誘導之低能量氫躍遷(SF-CIHT)電池
本發明之化學反應物可稱為固體燃料或高能材料或兩者。當建立並維持引起形成低能量氫之極高反應動力學之條件時，固體燃料可表現為高能材料，且因此包括高能材料。在一實施例中，低能量氫反應速率取決於高電流之應用或形成。在SF-CIHT電池之一實施例中，形成低能量氫之反應物經受低電壓高電流之高功率脈衝，其引起極快速反應速率及能量釋放。該速率可足以產生衝擊波。在一示例性實施例中，60Hz電壓小於15V峰值，電流係在10,000A/cm2與50,000A/cm2峰值之間，且功率係在150,000W/cm2與750,000W/cm2之間。在此等參數之約1/100倍至100倍範圍內之其他頻率、電壓、電流及功率係適宜的。在一實施例中，低能量氫反應速率取決於高電流之應用或形成。在一實施例中，選擇電壓，以引起高AC、DC或AC-DC混合物之電流，該電流係在100A至1,000,000A、1kA至100,000A、10kA至50kA中至少一者之範圍內。DC或峰值AC電流密度可在100A/cm2至1,000,000A/cm2、1000A/cm2至100,000A/cm2及2000A/cm2至50,000A/cm2中至少一者之範圍內。該DC或峰值AC電壓可在至少一個選自約0.1V至1000V、0.1V至100V、0.1V至15V及1V至15V之範圍內。該AC頻率可在約0.1Hz至10GHz、1Hz至1MHz、10Hz至100kHz及100Hz至10kHz之範圍內。脈衝時間可在至少一個選自約10-6s至10s、10-5s至1s、10-4s至0.1s及10-3s至0.01s之範圍內。
在H催化為低能量氫期間，HOH觸媒藉由自經催化的H轉移至HOH之能量電離出電子。催化步驟為(1)原子氫與稱為觸媒之能量受體反應，其中能量自原子氫轉移至該觸媒，其由於接受該能量而形成正離子及電離電子；(2)然後，H之負電子降至更接近正質子之更低殼層，以形成更小氫原子、低能量氫，釋放能量以產生電或熱量，端視系統設計而定；(3)觸媒正離子重新得到其失去的電子，以重新形成觸媒供另一循環使用，同時釋放自H(原子氫)接受之初始能量。SF- CIHT電池之高電流對抗因觸媒失去其電子而產生之電荷累積之限制作用，以得到極高反應速率。此等電子(步驟2)可在外加高電路電流中傳導，以防止催化反應因電荷累積而自我限制。高電流可進一步引起電子受激躍遷或電子受激級聯，其中一或多個電流電子提高氫(H)原子電子經歷躍遷形成低能量氫之速率。高電流可引起急速衰變或極高低能量氫反應速率。低能量氫所形成之電漿功率可直接轉化為電。
快速動力學產生爆炸，其進而導致大量電子電離。在實施例中，利用至少一種專用電漿-電轉換器(諸如MHD、PDC及
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直接轉換器中至少一者)將固體燃料燃燒產生之電漿功率轉換為電功率。本人先前公開案(諸如R.M.Mayo,R.L.Mills,M.Nansteel,「Direct Plasmadynamic Conversion of Plasma Thermal Power to Electricity,」IEEE Transactions on Plasma Science,October,(2002)，第30卷，第5期，第2066-2073頁；R.M.Mayo,R.L.Mills,M.Nansteel,「On the Potential of Direct and MHD Conversion of Power from a Novel Plasma Source to Electricity for Microdistributed Power Applications,」IEEE Transactions on Plasma Science,August,(2002)，第30卷，第4期，第1568-1578頁；R.M.Mayo,R.L.Mills,「Direct Plasmadynamic Conversion of Plasma Thermal Power to Electricity for Microdistributed Power Applications,」40th Annual Power Sources Conference,Cherry Hill,NJ,June 10-13,(2002)，第1-4頁(「Mills先前電漿功率轉換公開案」)，其等之全文以引用的方式併入本文中)及本人先前申請案(諸如Microwave Power Cell,Chemical Reactor,And Power Converter，3/7/02申請之PCT/US02/06955(短文版)，3/7/02申請之PCT/US02/06945(長文版)，9/5/03申請之US案號10/469,913；Plasma Reactor And Process For Producing Lower-Energy Hydrogen Species，4/8/04申請之PCT/US04/010608，10/12/15申請之US/10/552,585；及 Hydrogen Power,Plasma,and Reactor for Lasing,and Power Conversion，11/8/02申請之PCT/US02/35872，5/6/04申請之US/10/494,571(「Mills先前電漿功率轉換公開案」)，其等之全文以引用的方式併入本文中)中給出此等及其他電漿-電功率轉換器之細節。
轉化為電之電漿能量耗散在外部電路中。如計算及Mills先前電漿功率轉換公開案實驗所顯示，電漿能量至電之轉化率可達大於50%。由各SF-CIHT電池產生熱量及電漿。該熱量可直接使用或利用熟習此項技術者所知之轉化器(諸如熱機，諸如蒸汽機或者蒸汽或氣體渦輪機及發電機、朗肯或布累登-循環發動機或斯特林發動機)轉化為機械或電功率。就功率轉換而言，各SF CIHT電池可與Mills先前公開案中所述之任何熱能或電漿至機械或電功率之轉化器以及熟習此項技術者所知之轉換器(諸如熱機、蒸汽或氣體渦輪機系統、斯特林發動機或熱離子或熱電轉換器)接合。其他電漿轉換器包括以下至少一者：Mills先前公開案中所揭示之電漿動力功率轉換器、
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直接轉換器、磁流體動力功率轉換器、磁鏡磁流體動力功率轉換器、電荷漂移轉換器、後或百葉窗式功率轉換器、磁旋管、光子聚束微波功率轉換器及光電轉換器。在一實施例中，該電池包括至少一個如Mills先前熱功率轉換公開案、Mills先前電漿功率轉換公開案及Mills先前申請案中給出之內燃機汽缸。
圖1中顯示之固體燃料觸媒誘導之低能量氫躍遷(SF-CIHT)電池發電機包括至少一個SF-CIHT電池1，其具有結構支撐框架1a，各具有至少兩個約束固體燃料3之樣品、顆粒、部份或等分試樣之電極2及將短叢發低電壓高電流電能傳送通過燃料3之電源4。該電流點燃該燃料，以釋放來自形成低能量氫之能量。該功率係呈熱功率之形式，且燃料3之高度電離電漿可直接轉化為電。(在本文中，「點燃或形成爆炸」係指由於施加至該燃料之高電流而建立高的低能量氫反應動力 學。)可接種電漿，以提高電導率或電導率之持續時間。在一實施例中，可將目標組合物(諸如元素或化合物，諸如鹼金屬或鹼金屬化合物，諸如K2CO3)添加至固體燃料及電漿中之至少一者，以接種帶電離子。在一實施例中，電漿包括離子晶種源(諸如鹼金屬或鹼金屬化合物)，其在電漿冷卻時維持電導率。實現點燃固體燃料以形成電漿之示例性電源係彼等Taylor-Winfield型號ND-24-75點焊機及EM Test型號CSS 500N10 CURRENT SURGE GENERATOR(8/20US UP TO 10KA)者。在一實施例中，電源4係DC，且電漿-電功率轉換器適用於DC磁場。適合以DC磁場操作之轉換器係磁流體動力、電漿動力及
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功率轉換器。
在一實施例中，示例性固體燃料混合物包括過渡金屬粉末、其氧化物及H2O。該細粉末可以氣動方式噴於電極2在開放時之間所形成的間隙中。在另一實施例中，該燃料包括粉末及漿液中之至少一者。可將該燃料注射至待約束在電極2間之所需區域，以藉由高電流點燃。為更好地約束粉末，電極2可具有凸凹嵌接式半分件，其形成容納該燃料之腔室。在一實施例中，該燃料及電極2可帶有相反靜電荷，以使得該燃料流入電極間區域中，並靠靜電黏連至各電極2之所需區域，該燃料在該區域被點燃。
在圖1所示發電機之一實施例中，電極表面2可與重力軸平行，且固體燃料粉末3可作為間歇流，依靠重力自頂部料斗5流動，其中間歇流動流之時機與電極2之尺寸相匹配，當電極打開時接收流動的粉末狀燃料3，並在關閉時點燃燃料流。在另一實施例中，電極2之末端另外包括輥2a，其等藉由填充燃料流之小間隙隔開。導電性燃料3接通電極2間之電路，且流過該燃料之高電流將其點燃。燃料流3可係間歇的，以防止膨脹電漿破壞燃料流流動。
在另一實施例中，電極2包括一組由結構元件2b支撐之齒輪2a。 該組齒輪可藉助由驅動齒輪馬達2d推動之驅動齒輪2c旋轉。驅動齒輪2c可另外充當各齒輪2a之散熱器，其中熱量可藉由電極熱交換器(諸如10)移除，其接收來自驅動齒輪2c之熱量。齒輪2a(諸如人字齒輪)各包括整數n個輪齒，其中當第n-1個輪齒間間隙中之燃料經嚙合齒輪之輪齒n-1壓縮時，燃料流入第n個輪齒間間隙或齒底面中。其他齒輪幾何形狀或齒輪功能係在本發明範圍內，諸如如熟習此項技術者所知之交錯接合多角形或三角形輪齒齒輪、螺旋齒輪及螺旋鑽。在一實施例中，燃料與電極2a之齒輪齒之所需區域(諸如齒底面)可帶相反靜電荷，以使得該燃料流入並靠靜電黏連至一個或兩個電極2a之所需區域中，當輪齒嚙合時，該燃料在該區域中被點燃。在一實施例中，燃料3(諸如細粉末)係以氣動方式噴入齒輪2a之所需區域中。在另一實施例中，將燃料3注射至待約束在電極2a間之所需區域(諸如齒輪2a之輪齒之交錯接合區)中，以藉由高電流點燃。在一實施例中，輥或齒輪2a藉助構件(諸如藉助負載彈簧或藉助氣壓或液壓驅動)維持彼此的張力。輪齒嚙合及壓縮導致嚙合輪齒間經由導電性燃料形成電接觸。在一實施例中，該等齒輪在於嚙合期間接觸該燃料之交錯接合區處導電並在其他區域絕緣，以使得電流選擇性地流過該燃料。在一實施例中，齒輪2a包括塗覆金屬之陶瓷齒輪，以在無接地路徑時於交錯接合區導電或電絕緣。同樣，驅動齒輪2c可在無接地路徑時不導電或電絕緣。自電極2至輪齒之交錯接合部份之電接觸及電供應可藉由電刷提供。例如，示例性電刷包括藉助彈簧與齒輪接觸之碳棒或碳桿。
在另一實施例中，自電極2至輪齒之交錯接合部份之電接觸及電供應可直接經由相應齒輪轂及軸承提供。結構元件2b可包括電極2。如圖1中所示，電極對之各電極2可位於各齒輪中央，並連接至各齒輪中央，以充當結構元件2b及電極2，其中將各齒輪2a連接至其軸或轂之齒輪軸承充當電接觸，且唯一接地路徑係在相對齒輪之接觸輪齒 間。在一實施例中，各齒輪之外部圍繞其中心輪轂旋轉，以在較大半徑處具有更多通過其他軸承之電接觸。該輪轂亦可充當大型散熱器。電極熱交換器10亦可附接至該輪殼，以移除齒輪之熱量。熱交換器10可藉助薄絕緣體層(諸如具有高熱導係數之電絕緣體，諸如鑽石或類鑽石碳膜)與該輪殼電絕緣。齒輪之起電可利用電腦及開關電晶體(諸如彼等用於無電刷DC電動馬達中者)設定時間。在一實施例中，間歇地給該等齒輪供能，以使得該等齒輪嚙合時有高電流流過燃料。可設定燃料流動之時間，以使燃料之傳送與齒輪嚙合相匹配，並使電流流過該燃料。所得高電流使該燃料燃燒。可使該燃料連續流過齒輪或輥2a，其旋轉以推動燃料通過間隙。當旋轉燃料以填充電極2間之空間(其包括一組齒輪之嚙合區或一組輥之相對側面)時，其可連續燃燒。在此情形下，輸出功率可係穩定。在一實施例中，所得電漿膨脹出齒輪側面，並流至電漿-電轉換器6。電漿膨脹流可係沿著平行於各齒輪之軸並橫向於燃料流3之流動方向之軸線。軸向流可流至如圖1中所示之PDC轉換器6或MHD轉換器。其他定向流動可藉助約束磁鐵(諸如赫姆霍爾茲線圈或磁瓶6d)實現。
該等電極可係連續或間歇地以來自固體燃料3之組分之金屬再生之至少一者。該固體燃料可包括呈在燃燒期間熔化，以使得部分黏附、融合、焊接至表面或在表面上形成合金，以替代電極2a材料(諸如在操作期間被腐蝕或磨蝕掉之金屬)之形式之金屬。SF-CIHT電池發電機可另外包括修復該等電極形狀(諸如齒輪2a之輪齒)之構件。該構件可包括鑄造模具、研磨機及銑床機中至少一者。在操作期間可連續修復齒輪腐蝕。SF-CIHT電池之齒輪電極可藉由放電加工(EDM)或藉由電鍍(藉助諸如EDM電鍍)連續修復。在操作期間於真空中連續刷新齒輪之系統及方法(諸如冷噴塗、熱噴塗或濺鍍)係熟習此項技術者所已知。
在一實施例中，設計交錯接合齒輪，以捕獲過量固體燃料，諸如高導電性之固體燃料粉末。齒輪區(諸如各輪齒及相應嚙合齒輪齒底面)具有幾何設計及選擇性起電中至少一者，以使得僅有一部份過量燃料引爆。選定的部份可藉由未選定未引爆燃料與齒輪表面隔開。交錯接合區中燃料之體積形狀可使得選定的較小體積具有足以容許引爆之高電流；然而，該電流可通過之周圍較大體積具有低於引爆所需之電流密度。在一實施例中，捕獲的過量燃料傳導流過較大面積或體積之燃料之電流，並集中在較小面積或體積中，其中超過引爆之電流閾值，且在具有較高電流密度之選定燃料部份中發生爆炸。在一實施例中，選定燃料部份相對於未選定部份因決定通過燃料部份之電流路徑長度之幾何設計及選擇性起電而具有更低電阻。在一實施例中，齒輪之幾何形狀導致選定區域對燃料之壓縮高於未選定區域，以使得選定區域中之電阻更低。因此，選定區域中之電流密度更高，且高於引爆閾值。相比之下，未選定區域中之電阻更高。因此，未選定區域中之電流密度更低，且低於引爆閾值。在一示例性實施例中，選定區域包括一撮沙漏形等分試樣之燃料。
周圍過量未引爆燃料吸收至少一些若直接將齒輪曝露至沒有未爆炸固體燃料介入之條件時將可導致齒輪腐蝕之條件。該等條件可包括轟擊或曝露至以下至少一者：高熱、諸如由於衝擊波或爆炸超壓引起之高壓、拋射體、電漿、電子及離子。未引爆的燃料可藉由燃料回收系統連接並再循環。就圖1及2而言，燃料回收及再循環系統可包括蒸氣冷凝器15、滑槽6a、產物移除機/燃料裝載機13、再生系統14及料斗5。
在另一實施例中，齒輪可藉由類似於內燃機之活塞系統之系統及方法之緊固機制(諸如藉由曲軸連接並驅動之往復連桿)移動。當齒輪之相對電極部分旋轉至相對配對位置時，相對電極一起承壓，並在 藉由緊固機制點燃後分開。該等相對電極可為任何所需形狀且可經選擇性起電，以使燃料中至少一者在選定區域經受較大壓縮，並使該選定區域之電流密度較大。該等相對電極可形成壓縮燃料之半球形殼，其中中央之壓縮最大。最高電流密度亦可在中央，以選擇性地在中央區域達到引爆閾值。膨脹電漿可流出該半球形殼之開放部份。在另一實施例中，該等相對電極可形成沙漏形狀，其中該選定區域可包括沙漏之腰部或頸部。
在一實施例中，齒輪可包括至少兩種材料，其中至少一種材料係導體。當曝露至爆炸條件時，至少一種硬化材料可起到耐腐蝕作用，其中爆炸可在接觸或極為接近該硬化材料時發生。可藉由未爆炸固體燃料使高導電材料與爆炸隔離。至少兩類材料之配置為選定區域而非非選定區域提供選擇性壓縮及選擇性起電中之至少一者。在一示例性實施例中，齒輪之交錯接合形成沙漏或收縮形狀。沙漏之頸部或腰部可由高度穩定或硬化材料(其可為絕緣體，諸如陶瓷)形成。齒輪之非腰部或球形部份可包括導體，諸如金屬(諸如以下至少一者：過渡金屬、內過渡金屬、稀土金屬、13族金屬、14族金屬及15族金屬)或至少兩種此等金屬之合金或碳化物(諸如TiC及WC)。腰部部份可壓縮選定區域，且電流可在非腰部或球形區域間通過，以集中在腰部區域。由此，選定區域(包括該腰部)之電流密度提高，以致達到引爆閾值。該腰部藉由包含硬化材料之腰部材料之耐腐蝕性而免受爆炸損傷。包含導體之非腰部或球形區域與未選定燃料區域接觸，其中介於爆炸與此等相應齒輪表面間之燃料保護此等表面免受爆炸之腐蝕。
亦可充當啟動電源之點燃電源4包括至少一個電容器，諸如一組提供實現點燃所必要之低電壓、高電流之低電壓高容量電容器。電容器電路可經設計，以避免在放電期間漣波或振鈴，來提高電容器壽命。壽命可較長，諸如在約1至20年範圍內。電容器組電源供應器可 包括在放電期間避免集膚效應之電路，其可防止電流滲透大部份固體燃料。電源電路可包括用於電容器放電以點燃固體燃料之LRC電路，其中時間常數長得足以防止高頻振盪或脈衝放電，其包括防止電流流過樣品將其點燃之高頻組件。
為抑制任何中斷，可將一些電力儲存在電容器及視情況之高電流變壓器、蓄電池或其他能量儲存裝置中。在另一實施例中，一個電池之電輸出可傳送短叢發之低電壓高電流電能，其可點燃另一電池之燃料。輸出電功率可另外經以電源連接器8及8a連接之輸出功率調節器7調節。輸出功率調節器7可包括元件，諸如電力儲存元件，諸如蓄電池或超級電容器、DC至AC(DC/AC)轉換器或變頻器、及變壓器。DC功率可轉換為另一形式之DC功率，諸如具有更高電壓者；該功率可轉換為AC或DC及AC之混合物。輸出功率可為經調節成所需波形之功率(諸如60Hz AC功率)，並經由輸出端子9提供至負載。在一實施例中，輸出功率調節器7將光伏打轉換器或熱-電轉換器之功率轉換為所需頻率及波形(諸如除分別為美國及歐洲標準之60或50HZ外之AC頻率)。不同頻率可應用至針對不同頻率設計之匹配負載，諸如馬達，諸如用於動機、航空、航海、家電、工具及機器、電熱及空間調節、通信及電子應用之馬達。功率輸出端子9之一部份輸出功率可用以為電源4供能，諸如約5-10V、10,000-40,000A DC功率。PDC功率轉換器可輸出低電壓高電流DC功率，其非常適合再為電極2供能，以點燃後續提供的燃料。可將低電壓、高電流輸出提供至DC負載。DC可經DC/DC轉換器調節。示例性的DC負載包括DC馬達，諸如電整流馬達，諸如用於動機、航空、航海、家電、工具及機器、DC電熱及空間調節、DC通信及DC電子應用之電整流馬達。
燃燒產生輸出電漿及熱功率。電漿功率可藉由光伏打功率轉換器6直接轉換為電。電池可在開放大氣中操作。在一實施例中，電池1 可維持真空或低於大氣壓之壓力。真空或低於大氣壓之壓力可藉由真空泵13a維持，以使得點燃固體燃料3之膨脹電漿之離子不會與大氣氣體碰撞。在一實施例中，在包括產電漿電池1及相連光伏打轉換器6之系統中維持真空或低於大氣壓之壓力。
熱功率可藉由以下至少一者獲取：有冷卻劑流過其電極冷卻劑入口管線11及電極冷卻劑出口管線12之電極熱交換器10以及有冷卻劑流過其PDC冷卻劑入口管線19及PDC冷卻劑出口管線20之PDC熱交換器18。可使用其他熱交換器接收來自低能量氫反應之熱功率，諸如可另外應用於容器1之至少一壁、PDC轉換器之至少另一壁及PDC轉換器之電極17之背部之水管壁式設計。在一實施例中，該熱交換器及該熱交換器之組件中之至少一者可包括熱管。熱管流體可包括熔融鹽或金屬。示例性金屬為銫、NaK、鉀、鈉、鋰及銀。此等及其他有效及具成本效益地移除反應熱量之熱交換器設計係熟習此項技術者所已知。可將該熱量轉移至熱負載。因此，電源系統可包括加熱器，其中由冷卻劑出口管線12及20中至少一者提供之熱量送往熱負載或將熱量轉移至熱負載之熱交換器。經冷卻的冷卻劑可藉由冷卻劑入口管線11及19中之至少一者返回。藉由冷卻劑出口管線12及20中至少一者提供之熱量可流至熱機、蒸汽機、蒸汽渦輪機、氣體渦輪機、朗肯-循環發動機、布累登-循環發動機及斯特林發動機，以轉換為機械功率，諸如使以下至少一者旋轉之機械功率：軸、輪、發電機、航空渦扇或渦輪螺旋槳、船用螺旋槳、葉輪及轉軸機器。或者，熱功率可自冷卻劑出口管線12及20中至少一者流至熱-電功率轉換器，諸如彼等本發明所述者。適宜的示例性熱-電力轉換器包括以下之群中之至少一者：熱機、蒸汽機、蒸汽渦輪機及發電機、氣體渦輪機及發電機、朗肯-循環發動機、布累登-循環發動機、斯特林發動機、熱離子功率轉換器及熱電功率轉換器。來自熱-電轉換器之輸出功率可用以為負載 供能，且一部份可為SF-CIHT電池發電機之組件(諸如電源4)供能。
點燃燃料3之反應物得到功率及產物，其中該功率可呈產物電漿形式。在一實施例中，燃料3在低能量氫反應爆炸事件期間部份至實質上汽化為物理氣態，諸如電漿。電漿穿過電漿-電功率轉換器6。或者，電漿向光伏打轉換器6發射光，且複合電漿形成氣態原子及化合物。藉由蒸氣冷凝器15凝結此等物質並收集，及藉由產物移除機-燃料裝載機13輸送至再生系統14，產物移除機-燃料裝載機13包括連接至再生系統14之輸送機，且另外包括連接至料斗5之輸送機。蒸氣冷凝器15及產物移除機-燃料裝載機13可包括諸如以下至少一者之系統，以收集及移動材料：靜電收集系統及至少一個螺旋鑽、輸送機或氣動系統，諸如真空或吸送系統。來自再生系統14之電漿產物及再生燃料可在帶靜電的輸送帶13上運送，其中黏住燃料及產物顆粒並運送。再生燃料顆粒可自再生腔室14吸至該再生腔室上之管道13中，因為該輸送帶對該等顆粒具有強靜電吸引力。適宜系統係熟習此項技術者所已知。
再生系統14可包括可在再生腔室中產生大於大氣壓之壓力之封閉容器或腔室及熱交換器。再生熱交換器可與熱源(諸如電極熱交換器10及PDC熱交換器18中之至少一者)相連。在一實施例中，來自貯槽源14a之水滴落在再生熱交換器上，而形成對電漿產物進行蒸汽處理以使其水合之蒸汽。蒸汽可藉助具有管線21之水冷凝器22自再生腔室14回流至水槽14a。水合作用可如下進行：批次再生，然後進行以下步驟：冷卻蒸汽並凝結，將H2O再循環至水槽14a，經由產物移除機/燃料裝載機13將再生固體燃料移至料斗5，及經由產物移除機/燃料裝載機13用電漿產物再次填充再生腔室14，以開始另一循環。
在一實施例中，電漿-電轉換器6(諸如電漿動力轉換器)或包括光伏打轉換器6之發電機系統包括用於將產物傳送至產物移除機-燃料裝 載機13之滑槽或通道6a。PDC轉換器6、滑槽6a及PDC電極17之至少一地面可傾斜，以使得產物流可至少部份因重力而流動。可使PDC轉換器6、滑槽6a及PDC電極17之至少一地面機械顫動或振動，以協助流動。藉由燃燒固體燃料所形成之衝擊波可協助流動。在一實施例中，PDC轉換器6、滑槽6a及PDC電極17之至少一地面包括機械刮刀或輸送機，以將產物自相應表面移動至產物移除機-燃料裝載機13。
料斗5可藉由產物移除機-燃料裝載機13再次填充來自再生系統14之再生燃料。任何(諸如)在形成低能量氫時消耗的H或H2O可利用來自H2O源14a之H2O補充。此處，將廢燃料再生為原始反應物或燃料，其中任何(諸如)在形成低能量氫時消耗的H或H2O利用來自H2O源14a之H2O補充。水源可包括可含有主體或氣態H2O、或含H2O之材料或化合物、或一或多種形成H2O之反應物(諸如H2+O2)中至少一者之貯槽、電池或容器14a。或者，該來源可包括大氣水蒸氣或自大氣提取H2O之構件，諸如吸濕材料，諸如溴化鋰、氯化鈣、氯化鎂、氯化鋅、碳酸鉀、磷酸鉀、光鹵石(諸如KMgCl3．6(H2O))、檸檬酸鐵銨、氫氧化鉀及氫氧化鈉及濃硫酸及濃磷酸、纖維素纖維(諸如棉及紙)、糖、焦糖、蜂蜜、甘油、乙醇、甲醇、柴油燃料、甲基安非他命、許多化學肥料、鹽(包括食鹽)及眾多熟習此項技術者所知之其他物質及乾燥劑(諸如矽石、活性炭、硫酸鈣、氯化鈣及分子篩(典型地，沸石)或潮解性材料(諸如氯化鋅、氯化鈣、氫氧化鉀、氫氧化鈉及熟習此項技術者所知之許多不同潮解性鹽)。
在一實施例中，SF-CIHT電池發電機另外包括可移除任何產物氧及分子低能量氫氣體之真空泵13a。在一實施例中，氧及分子低能量氫中至少一者係作為商業產品收集在貯槽中。該泵可另外包括選擇性膜、閥、篩、低溫過濾器或熟習此項技術者已知用於分離氧及低能量氫氣體之其他構件，且可額外收集H2O蒸氣，且可向再生系統14提供 H2O，以再循環於再生固體燃料中。可將H2氣體添加至容器腔室，以抑制發電機組件(諸如齒輪或PDC或MHD電極)之任何氧化。
在一實施例中，燃料3包括可藉由球磨再生或再加工固體燃料而形成之細粉末，其中再生系統14可另外包括球磨機、研磨機或自較大顆粒形成較小顆粒之其他構件，諸如彼等此項技術中已知之磨碎或研磨構件。一示例性固體燃料混合物包括導體(諸如導電金屬粉末(諸如過渡金屬、銀或鋁之粉末))、其氧化物及H2O。在另一實施例中，燃料3可包括可在再生系統14中壓縮之固體燃料顆粒。該固體燃料顆粒可另外包括粉末金屬之薄箔或另一種封裝金屬氧化物及H2O之金屬、及視情況之金屬粉末。在此情形下，再生系統14藉由諸如以下至少一者之方式再生金屬箔：在真空中加熱，在還原氫氛圍下加熱，及自電解質(諸如熔融鹽電解質)電解。再生系統14另外包括金屬加工系統(諸如輥軋機或研磨機)，以自再生金屬箔原料形成箔。可藉由衝壓機或壓力機形成外殼，其中可將封裝固體燃料衝壓或壓縮在內部。
在一示例性實施例中，該固體燃料係藉由(諸如)本發明中給出之方式再生，諸如以下至少一者：添加H2、添加H2O、熱法再生及電解再生。由於低能量氫反應相對於用於起始反應之輸入能量有極大能量增益，諸如在NiOOH之情形下為100倍(如示例性SF-CIHT電池測試結果部份中給出之3.22kJ輸出對46J輸入)，產物(諸如Ni2O3及NiO)可藉由本發明中給出之電化學反應及化學反應及熟習此項技術者所知之反應先後轉化為氫氧化物及氫氧氧化物。在其他實施例中，其他金屬(諸如Ti、Gd、Co、In、Fe、Ga、Al、Cr、Mo、Cu、Mn、Zn及Sm)及相應氧化物、氫氧化物及氫氧氧化物(諸如彼等本發明所述者)可替代Ni。在另一實施例中，該固體燃料包括金屬氧化物及H2O及作為導電基質之相應金屬。產物可為金屬氧化物。該固體燃料可藉由將一部份金屬氧化物氫還原為金屬，然後與已經再水化之氧化物混合而再 生。具有可容易地以微熱(諸如小於1000℃)及氫還原為該等金屬之氧化物之適宜金屬為Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr及In。在另一實施例中，該固體燃料包括(1)不易用H2及微熱還原之氧化物，諸如氧化鋁、鹼土金屬氧化物及稀土氧化物中至少一者，(2)具有可在諸如低於1000℃之中等溫度下用H2還原為該金屬之氧化物之金屬，及(3)H2O。一示例性燃料為MgO+Cu+H2O。然後，可用H2處理H2可還原及不可還原氧化物之產物混合物，並在溫和條件下加熱，以僅使得可還原金屬氧化物轉化為金屬。此混合物可經水化，以包括再生固體燃料。一示例性燃料為MgO+Cu+H2O；其中產物MgO+CuO經歷H2還原處理得到MgO+Cu，其經水化得到固體燃料。
在另一實施例中，藉由在真空及惰性氣流中至少一者下加熱使氧化物產物(諸如CuO或AgO)再生。溫度可在約100℃至3000℃、300℃至2000℃、500℃至1200℃及500℃至1000℃中至少一者之範圍內。在一實施例中，再生系統14可另外包括磨機(諸如球磨機及切碎機/磨碎機中至少一者)，以將塊狀氧化物及金屬中至少一者磨成粉末，諸如細粉末，諸如粒度在以下至少一者範圍內之粉末：約10nm至1cm、100nm至10mm、0.1um至1mm及1um至100um(u=μ)。
在另一實施例中，該再生系統可包括含金屬離子之電解電池，諸如熔融鹽電解電池，其中金屬氧化物產物之金屬可藉由電沉積利用此項技術中熟知之系統及方法電鍍於電解電池陰極上。該系統可另外包括磨機或研磨機，以自電鍍金屬形成所需尺寸之金屬顆粒。可將該金屬添加至反應混合物之其他組分(諸如H2O)中，以形成再生固體燃料。
在一實施例中，圖1之電池1可維持真空或低於大氣壓之壓力。 電池1中之真空或低於大氣壓之壓力係藉由泵13a維持，且接收來自電漿源(電池1)之高能電漿離子之相連的電漿-電轉換器6中亦可維持真空或低於大氣壓之壓力。在一實施例中，該固體燃料包括對與H2O形成氧化金屬之反應在熱力學上實質上穩定之金屬。在此情形下，該固體燃料之該金屬在反應期間不會氧化形成產物。一示例性固體燃料包括金屬、氧化金屬及H2O之混合物。然後，產物(諸如起始金屬及金屬氧化物之混合物)可藉由產物移除機-燃料裝載機13移除，並藉由添加H2O而再生。與H2O之反應在熱力學上實質上不利之適宜金屬可選自以下之群：Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr及In。在其他實施例中，該固體燃料包括H2O反應惰性金屬及以下至少一者：H2O、可包括相同或至少一種不同金屬之金屬氧化物、氫氧化物及氫氧氧化物。
在一實施例中，實施H2還原、真空還原及再水化之方法，以盡可能迅速、高效且具成本效益地再生出固體燃料。
在一實施例中，該固體燃料包括含H2O之吸濕材料及導體之混合物。一示例性燃料為水合鹼土金屬鹵化物(諸如MgX2(X=F、Cl、Br、I))及導體(諸如過渡金屬，諸如Co、Ni、Fe或Cu)。
該固體燃料可包括目標組合物，諸如元素或化合物，諸如具有以下至少一者之金屬：低熔點、高電導率及低功函數，其中高溫下之功函數可極低，且另外包括H2O源及H2O中至少一者。在一實施例中，該固體燃料包括可熔化之導體，諸如金屬；來自電源4之高電流使該導體(諸如金屬)熔化，以引起熱離子放射，而形成低電壓電弧電漿，且該電弧電漿點燃H2O。在一實施例中，該固體燃料係高度導電且包括至少一種在高溫下具有低功函數之低熔點金屬，以在該燃料之H2O存在下產生低電壓電弧電漿，其中該燃料因此燃燒。
在一實施例中，該固體燃料包括H源(諸如可為根據方程式(6-9)之mH觸媒源之烴)，以形成低能量氫。該固體燃料可包括導體、與氫源結合之材料(諸如碳或其他疏水性基質)及氫源(諸如烴)。該固體燃料可以高電流爆炸，其導致形成充當形成低能量氫之觸媒及反應物的高濃度H。
該發電機另外包括得到可變功率輸出之方式及方法。在一實施例中，該發電機之功率輸出係藉由控制進入電極2或輥或齒輪2a之燃料3之可變或可中斷流速而控制，且可變或可中斷燃料燃燒速率係藉由電源4控制。亦可控制輥或齒輪之轉速來控制燃料燃燒速率。在一實施例中，輸出功率調節器7包括控制輸出(可為DC)之功率控制器7。功率控制器可藉由控制齒輪驅動馬達2d(其使驅動齒輪2c轉動並帶動齒輪2a)而控制燃料流速、齒輪轉速。基於對燃料消耗速率或燃燒速率中至少一者之機械或電控制之反應時間可極快，諸如在10ms至1us之範圍內。藉由控制電漿-電轉換器之轉換器電極之連通性亦可控制功率。例如，串聯連接PDC電極使電壓增加，且並聯連接轉換器電極使電流增加。改變PDC電極之角度或相對於至少一磁場方向以不同角度選擇性地連接至PDC電極組17藉由改變電壓及電流中至少一者而改變所收集的功率。
在圖2A中所示實施例中，功率轉換器6包括光伏打或太陽能電池系統。在一實施例中，輸出功率控制器/調節器7接收來自光伏打功率轉換器6之功率，並以適合為電源4供能之形式將其中一些功率傳送至電源4，來以所需重複速率點燃固體燃料3。可輸出藉由輸出功率控制器/調節器7接收及調節之額外功率，以傳送至電負載。燃料點火電系統、電源4及負載之光伏打輸出與功率需求之適宜整合可以用於太陽能工業且為熟習此項技術者所知之輸出功率控制器/調節器7來實現。適宜的太陽能功率調節器以適用於電網之電壓範圍(諸如120V及其倍 數)輸出AC功率。
功率控制器7另外包括輸入及輸出參數(諸如電壓、電流及功率)之感測器。可將來自該等感測器之訊號饋至控制發電機之處理器中。可控制以下至少一者：斜升時間、斜降時間、電壓、電流、功率、波形及頻率。該發電機可包括可藉以耗散超過功率負載所需或所欲之功率之電阻器，諸如分路電阻器。分路電阻器可連接至輸出功率調節器或功率控制器7。該發電機可包括提供遠程監控之內嵌式處理器及系統，其另外可具有使該發電機失效之能力。
在一實施例中，將端子9輸出之一部份電功率提供至電源4、齒輪(輥)驅動馬達2d、產物移除機-燃料裝載機13、泵13a及再生系統14中之至少一者，以提供進行化學反應之電功率及能量，來自反應產物再生出原始固體燃料。在一實施例中，藉由冷卻劑出口管線12及20中至少一者將來自電極熱交換器10及PDC熱交換器18中至少一者之一部份熱量輸入固體燃料再生系統(其中冷卻劑藉由冷卻劑輸入管線11及19中至少一者返回循環)，以提供進行化學反應之熱功率及能量，來自反應產物再生出原始固體燃料。來自熱-電轉換器6之一部份輸出功率亦可用於為再生系統及SF-CIHT電池發電機之其他系統供能。
G.電漿動力電漿-電功率轉換器
電漿功率可利用基於磁空間電荷分離之電漿動力功率轉換器6轉換為電。由於其相對於正離子之較低質量，電子在磁場中優先受制於磁化PDC電極(諸如圓柱形PDC電極或PDC電極)之磁通量線。因此，電子之遷移率受到限制；然而，正離子相對自由地與本質或非本質磁化PDC電極碰撞。電子及正離子均可充分與未磁化PDC電極碰撞。電漿動力轉換直接自電漿之熱能及勢能提取功率，且不依賴電漿流。反之，藉由PDC提取功率係利用浸沒於電漿中之磁化與未磁化PDC電極間之勢差來驅動外部負載中之電流，且因而直接自儲存電漿熱能提取 電功率。電漿熱能至電之電漿動力轉換(PDC)係藉由將至少兩個漂浮導體直接插入高溫電漿主體中來實現。藉由外部電磁場或永久磁鐵使此等導體中之一者磁化，或者其係本質上具有磁性。另一者係未磁化。由於重正離子相對輕電子之電荷遷移率存在巨大差異而產生勢差。將此電壓施加至整個電負載。
在實施例中，圖1所示之電源系統包括其他內部或外部電磁鐵或永久磁鐵，或包括多個本質磁化及未磁化PDC電極，諸如圓柱形PDC電極，諸如PDC針形電極。平行於各PDC針形電極6b之均勻磁場B之來源可由電磁鐵(諸如赫姆霍爾茲線圈6d)提供。該等磁鐵可為以下至少一者：永久磁鐵(諸如海爾貝克(Halbach)陣列磁鐵)、及未冷卻式、水冷式及超導電磁鐵。示例性超導磁鐵可包括NbTi、NbSn或高溫超導材料。來自複數個針形陽電極6b之負電壓係藉由PDC陽或陰電極17收集。在一實施例中，至少一個磁化PDC針形電極6b平行於外加磁場B；然而，至少一個對應相對PDC針形電極6c垂直於磁場B，以使其因其相對於B方向之定向而未磁化。來自複數個針形陰電極6c之正電壓係藉由PDC陰或陽電極17a收集。功率可經由負極電源連接器8及正極電源連接器8a傳送至功率調節器/控制器。在一實施例中，電池壁可充當PDC電極。在一實施例中，PDC電極包括在高溫大氣環境下穩定之耐火金屬，諸如高溫不鏽鋼及熟習此項技術者所知之其他材料。在一實施例中，該電漿動力轉換器另外包括約束電漿並提取更多高能離子之功率作為電力之電漿約束結構(諸如磁瓶)或螺線管場源(諸如赫姆霍爾茲線圈6d)。
在功率轉換器之另一實施例中，沿著z-軸之離子流(其中v ∥>>v ⊥)隨後可進入包括漸增軸向磁場梯度之壓縮部份，其中電子運動平行於z-軸方向之分量v ∥由於絕熱不變量
Figure 108115763-A0305-02-0124-105
而至少部份被轉化為垂 直運動v ⊥。z-軸周圍因v ⊥而形成方位角電流。該電流因軸向磁場而在運動平面內發生徑向偏轉，在盤形發電機磁流體動力功率轉換器之內環與外環MHD電極之間產生霍爾(Hall)電壓。該電壓可驅動電流通過電負載。電漿功率亦可利用
Figure 108115763-A0305-02-0125-129
×
Figure 108115763-A0305-02-0125-130
直接轉換器或本發明之其他電漿-電裝置轉換為電。在另一實施例中，(諸如)赫姆霍爾茲線圈6d之磁場約束電漿，以使其可藉由電漿-電轉換器6(其可為電漿動力功率轉換器)轉換為電。在一實施例中，赫姆霍爾茲線圈包括磁瓶。PDC轉換器6可相對於赫姆霍爾茲線圈最接近電漿源，如圖1中所示。就包括位於電池容器外之磁鐵之電漿-電轉換器組件而言，隔離壁可包括非鐵材料，諸如不鏽鋼。例如，將赫姆霍爾茲線圈6與容納電漿之容器1或PDC轉換器或MHD轉換器之側壁隔開之壁可包括磁通量容易穿過之材料，諸如不鏽鋼。在此實施例中，將磁鐵置於外部，以提供使橫向定向PDC針形陽極磁化之橫切磁通量或橫切MHD轉換器之電漿膨脹方向之磁通量。
各電池亦輸出熱功率，其可分別藉由冷卻劑入口及出口管線11及12自電極熱交換器10提取，及分別藉由冷卻劑入口及出口管線19及20自PDC熱交換器18提取。該熱功率可直接作為熱量使用或轉換為電。在實施例中，該電源系統另外包括熱-電轉換器。該轉換可利用習知之朗肯或布累登發電廠(諸如包括鍋爐、蒸汽渦輪機及發電機之蒸汽工廠或包括氣體渦輪機(諸如外部加熱氣體渦輪機)及發電機之工廠)實現。適宜的反應物、再生反應及系統、及發電廠可包括彼等本發明中所述者、本人先前美國專利申請案中所述者(諸如氫觸媒反應器，PCT/US08/61455，4/24/2008申請之PCT；不勻相氫觸媒反應器，PCT/US09/052072，7/29/2009申請之PCT；不勻相氫觸媒電源力系統，PCT/US10/27828，3/18/2010申請之PCT；電化學氫觸媒電源系統，PCT/US11/28889，3/17/2011申請之PCT；H2O-基電化學氫觸媒電 源系統，3/30/2012申請之PCT/US12/31369及CIHT電源系統，5/21/13申請之PCT/US13/041938(「Mills先前申請案」))及本人先前公開案中所述者(諸如R.L.Mills,M.Nansteel,W.Good,G.Zhao,「Design for a BlackLight Power Multi-Cell Thermally Coupled Reactor Based on Hydrogen Catalyst Systems,」Int.J.Energy Research，第36卷，(2012),778-788；doi：10.1002/er.1834；R.L.Mills,G.Zhao,W.Good,「Continuous Thermal Power System,」Applied Energy，第88卷，(2011)789-798,doi：10.1016/j.apenergy.2010.08.024及R.L.Mills,G.Zhao,K.Akhtar,Z.Chang,J.He,X.Hu,G.Wu,J.Lotoski,G.Chu,「Thermally Reversible Hydrino Catalyst Systems as a New Power Source,」Int.J.Green Energy，第8卷，(2011),429-473(「Mills先前熱功率轉換公開案」，其全文以引用的方式併入本文中))。在其他實施例中，該電源系統包括熟習此項技術者所知之其他熱-電功率轉換器中之一者，諸如直接功率轉換器(諸如熱離子功率轉換器及熱電功率轉換器)及其他熱機(諸如斯特林發動機)。
在一實施例中，10MW發電機經歷以下步驟：
1.燃料自料斗流入一對將約0.5g等分試樣之高導電固體燃料約束在交錯接合區域中之齒輪及/或支撐構件，其中使低電壓高電流流過該燃料，以將其點燃。該點燃釋放約10kJ能量/等分試樣。該等齒輪包括60個輪齒，並以1000RPM轉動，以使得燃燒速率為1kHz，對應於10MW功率。在一實施例中，該等齒輪係經設計，以使得直接接觸該等齒輪之燃料粉末層不具有引爆之臨界電流密度，然而主體區域具有引爆之臨界電流密度，以使得該等齒輪免受燃料燃燒所產生爆炸之腐蝕。
2.本質上完全電離電漿在垂直於該等齒輪之軸上自齒輪膨脹而出，並進入磁流體動力或電漿動力轉換器，其中電漿流經轉換 為電。或者，該電漿發射出亮光，並利用光伏打功率轉換器將其轉換為電。
3.該電中之一部份為電源至電極供能，並可在藉由相應單元調節功率後將剩餘的電提供至外部負載。使藉由電極熱交換器自齒輪轂移除之熱量流至再生系統熱交換器，並使剩餘熱量流至外部熱負載。
4.使電漿氣體冷凝成包含固體燃料但不含H2O之產物。
5.螺旋鑽(諸如用於製藥或食品工業中者)將產物粉末運輸至再生系統，其中用蒸汽使其重新水化，其中該蒸汽係藉由使來自H2O儲器之H2O流過再生系統熱交換器之熱盤管上而形成。
6.藉由螺旋鑽將再生固體燃料運輸至料斗，以容許僅回加H2O而連續使用該燃料。
假設0.5公克固體燃料產生1kJ能量。假設燃料密度為Cu之密度，8.96g/cm3，則交錯接合區域中每個輪齒之燃料體積為0.056cm3。若使通過燃料之電導率達到較高水平之傳導深度為2mm，則由各齒輪之三角形輪齒之交錯接合間隙所界定之燃料底部為4mm，且齒輪寬度為0.11cm3/(0.2)(0.4)=1.39cm。在另一實施例中，示例性10MW發電機之H2O消耗係如下給出：H2O→H2(1/4)+1/2O2(50MJ/莫耳H2O)；10MJ/s/50MJ/莫耳H2O=0.2莫耳(3.6g)H2O/s或13kg/h=13公升/hr。考慮一種示例性情形，其中以1分鐘及0.5g進行燃燒及再生再循環之固體燃料產生10kJ，固體燃料之存量係如下給出：10MJ/s X 0.5g/10kJ=500g/s(30kg/分鐘)，且固體燃料存量為30kg或約3公升。
H.具有光功率之光伏打轉換之電弧及高-DC、AC及DC-AC混合電流低能量氫電漿電池
在本發明之示例性實施例中，具有光功率之光伏打轉換之電源 系統可包括本文針對SF-CIHT電池所揭示之任何組件。例如，某些實施例包括以下一或多者：該容器可產生大氣壓力、高於大氣壓力及低於大氣壓力中至少一者之壓力；該等反應物可包括形成觸媒源、觸媒、原子氫源及原子氫中至少一者之H2O源及導電基質；該等反應物可包括H2O源，其包括以下至少一者：主體H2O、不同於主體H2O之狀態、經歷反應形成H2O及釋放結合H2O中至少一者之化合物；結合H2O可包括與H2O相互作用之化合物，其中該H2O係呈吸收H2O、結合H2O、物理吸附H2O及水合水中至少一者之狀態；該等反應物可包括導體及一或多種經歷釋放主體H2O、吸收H2O、結合H2O、物理吸附H2O及水合水以及具有H2O作為反應產物中之至少一者之化合物或材料；初生H2O觸媒源及原子氫源中之至少一者可包括以下至少一者：a)至少一種H2O源，b)至少一種氧源，及c)至少一種氫源；可形成觸媒源、觸媒、原子氫源及原子氫中至少一者之反應物可包括以下至少一者：a)H2O及H2O源，b)O2、H2O、HOOH、OOH-、過氧化物離子、超氧化物離子、氫化物、H2、鹵化物、氧化物、氫氧氧化物、氫氧化物、含氧化合物、水合化合物、選自鹵化物、氧化物、氫氧氧化物、氫氧化物、含氧化合物中至少一者之群之水合化合物，及c)導電基質；該氫氧氧化物可包括來自TiOOH、GdOOH、CoOOH、InOOH、FeOOH、GaOOH、NiOOH、AlOOH、CrOOH、MoOOH、CuOOH、MnOOH、ZnOOH及SmOOH之群中之至少一者，該氧化物可包括來自CuO、Cu2O、CoO、Co2O3、Co3O4、FeO、Fe2O3、NiO及Ni2O3之群中之至少一者，該氫氧化物可包括來自Cu(OH)2、Co(OH)2、Co(OH)3、Fe(OH)2、Fe(OH)3及Ni(OH)2之群中之至少一者，該含氧化合物包括來自以下之群中之至少一者：硫酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽、碳酸氫鹽、鉻酸鹽、焦磷酸鹽、過硫酸鹽、過氯酸鹽、過溴酸鹽及過碘酸鹽、MXO3、MXO4(M=金屬，諸如鹼金 屬，諸如Li、Na、K、Rb、Cs；X=F、Br、Cl、I)、鈷鎂氧化物、鎳鎂氧化物、銅鎂氧化物、Li2O、鹼金屬氧化物、鹼土金屬氧化物、CuO、CrO4、ZnO、MgO、CaO、MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO、Fe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、P2O3、P2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、CrO3、CoO、Co2O3、Co3O4、FeO、Fe2O3、NiO、Ni2O3、稀土氧化物、CeO2、La2O3、氫氧氧化物、TiOOH、GdOOH、CoOOH、InOOH、FeOOH、GaOOH、NiOOH、AlOOH、CrOOH、MoOOH、CuOOH、MnOOH、ZnOOH及SmOOH，且該導電基質可包括來自金屬粉末、碳、碳化物、硼化物、氮化物、碳化腈(諸如TiCN)或腈之群中至少一者。
在本發明之其他實施例中，該電源系統可包括以下一或多者：反應物可包括金屬、其金屬氧化物及H2O之混合物，其中金屬與H2O之反應在熱力學上不利；反應物可包括過渡金屬、鹼土金屬鹵化物及H2O之混合物，其中金屬與H2O之反應在熱力學上不利；反應物可包括導體、吸濕材料及H2O之混合物；該導體可包括金屬粉末或碳粉末，其中金屬或碳與H2O之反應在熱力學上不利；吸濕材料可包括以下之群中至少一者：溴化鋰、氯化鈣、氯化鎂、氯化鋅、碳酸鉀、磷酸鉀、光鹵石(諸如KMgCl3．6(H2O))、檸檬酸鐵銨、氫氧化鉀及氫氧化鈉及濃硫酸及濃磷酸、纖維素纖維、糖、焦糖、蜂蜜、甘油、乙醇、甲醇、柴油燃料、甲基安非他命、化學肥料、鹽、乾燥劑、矽石、活性炭、硫酸鈣、氯化鈣、分子篩、沸石、潮解性材料、氯化鋅、氯化鈣、氫氧化鉀、氫氧化鈉及潮解性鹽；該電源系統可包括導體、吸濕材料及H2O之混合物，其中(金屬)、(吸濕材料)、(H2O)之相對莫耳量之範圍係以下至少一者：約(0.000001至100000)、(0.000001至100000)、(0.000001至100000)；(0.00001至10000)、(0.00001至 10000)、(0.00001至10000)；(0.0001至1000)、(0.0001至1000)、(0.0001至1000)；(0.001至100)、(0.001至100)、(0.001至100)；(0.01至100)、(0.01至100)、(0.01至100)；(0.1至10)、(0.1至10)、(0.1至10)；及(0.5至1)、(0.5至1)、(0.5至1)；與H2O之反應在熱力學上不利之金屬可為以下之群中至少一者：Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr及In；反應物可藉由添加H2O再生；反應物可包括金屬、其金屬氧化物及H2O之混合物，其中該金屬氧化物可在低於1000℃之溫度下進行H2還原；該等反應物可包括以下之混合物：不易用H2及微熱還原之氧化物、具有可在低於1000℃之溫度下用H2還原為該金屬之氧化物之金屬、及H2O；該可具有可在低於1000℃之溫度下用H2還原為該金屬之氧化物之金屬為以下之群中之至少一者：Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr及In；該不易用H2及微熱還原之金屬氧化物包括以下至少一者：氧化鋁、鹼土金屬氧化物及稀土氧化物；該固體燃料可包括碳或活性碳及H2O，其中該混合物係藉由包括添加H2O的再水化而再生；且該等反應物可包括以下至少一者：漿液、溶液、乳液、複合物及化合物；該H2O的莫耳%含量可在約0.000001%至100%、0.00001%至100%、0.0001%至100%、0.001%至100%、0.01%至100%、0.1%至100%、1%至100%、10%至100%、0.1%至50%、1%至25%及1%至10%中至少一者之範圍內；該可傳送短叢發高電流電能之電源之電流足以使低能量氫反應物經歷該反應，進而以極高速率形成低能量氫。
在本發明之一些實施例中，該電源系統可包括以下一或多者：可傳送短叢發高電流電能之電源包括以下至少一者：經選擇以引起高 AC、DC或AC-DC混合物之電流的電壓，該電流係在100A至1,000,000A、1kA至100,000A、10kA至50kA中至少一者之範圍內，在100A/cm2至1,000,000A/cm2、1000A/cm2至100,000A/cm2及2000A/cm2至50,000A/cm2中至少一者之範圍內之DC或峰值AC電流密度，該電壓係由該固體燃料或高能材料之電導率決定，其中該電壓係由所需電流乘以該固體燃料或高能材料樣品之電阻給出，該DC或峰值AC電壓可在至少一個選自約0.1V至500kV、0.1V至100kV及1V至50kV之範圍內，且該AC頻率可在約0.1Hz至10GHz、1Hz至1MHz、10Hz至100kHz及100Hz至10kHz之範圍內；該固體燃料或高能材料樣品之電阻可係在至少一個選自約0.001mohm至100Mohm、0.1ohm至1Mohm及10ohm至1kohm之範圍內，且每單位有效形成低能量氫之電極面積的適宜負載之電導率可係在至少一個選自約10-10ohm-1 cm-2至106ohm-1 cm-2、10-5ohm-1 cm-2至106ohm-1 cm-2、10-4ohm-1 cm-2至105ohm-1 cm-2、10-3ohm-1 cm-2至104ohm-1 cm-2、10-2ohm-1 cm-2至103ohm-1 cm-2、10-1ohm-1 cm-2至102ohm-1 cm-2及1ohm-1 cm-2至10ohm-1 cm-2之範圍內；該再生系統可包括水合系統、熱系統、化學系統及電化學系統中至少一者；該光伏打功率轉換器可包括光子-電功率轉換器；該電源系統可包括光分配系統或集中式光伏打裝置；該光伏打功率轉換器可包括光子-熱功率轉換器；該電源系統可包括熱-電功率轉換器、集中式太陽能裝置、追蹤器或能量儲存裝置；該電源系統可以操作方式連接至電力網；該電源系統可為獨立系統；該光伏打功率轉換器可包括複數個多接面光伏打電池；該等多接面光伏打電池可為三接面光伏打電池；該光伏打功率轉換器可位於真空單元內；該光伏打功率轉換器可包括抗反射塗層、光學阻抗匹配塗層或保護塗層中至少一者；該光伏打功率轉換器可以操作方式耦合至經組態以清潔該光伏打功率轉換器之至少一部份之清潔系統；該電源 系統可包括濾光器；該光伏打功率轉換器可包括以下至少一者：單晶電池、多晶電池、非晶電池、串型/帶狀矽電池、多接面電池、同質接面電池、異質接面電池、p-i-n裝置、薄膜電池、染料敏化電池及有機光伏打電池；該光伏打功率轉換器可包括多接面電池，其中該多接面電池包括以下至少一者：反向電池、直立電池、晶格失配電池、晶格匹配電池及包含III-V族半導體材料之電池；該電源系統可包括可以操作方式耦合至光伏打功率轉換器之輸出功率調節器及可以操作方式耦合至該輸出功率調節器之輸出功率端子；該電源系統可包括變頻器或能量儲存裝置；可將來自該輸出功率端子之一部份功率輸出導向該能量儲存裝置或該電源產生系統之組件或該複數個電極或外部負載或電力網。
在一實施例中，CIHT電池包括稱為低能量氫電漿電池之低能量氫形成電漿電池，其中至少一部份光功率藉由光伏打轉換器轉換為電。高電流可為DC、AC或其組合。電漿氣體可包括H源及HOH觸媒源(諸如H2O)中至少一者。其他適宜的電漿氣體為H2O、H源、H2、氧源、O2及惰性氣體(諸如稀有氣體)中至少一者之混合物。氣體壓力可在約0.001托至100atm、1托至50atm及100托至10atm中至少一者之範圍內。電壓可為高電壓，諸如在約50V至100kV、1kV至50kV及1kV至30kV中至少一者之範圍內。電流可在約0.1mA至100A、1mA至50A及1mA至10A中至少一者之範圍內。電漿可包括具有更高電流之電弧，諸如在約1A至100kA、100A至50kA及1kA至20kA中至少一者之範圍內者。在一實施例中，該高電流加快低能量氫反應速率。在一實施例中，電壓及電流係AC。驅動頻率可為(諸如)在3kHz至15kHz範圍內之聲頻。在一實施例中，該頻率係在約0.1Hz至100GHz、100Hz至10GHz、1kHz至10GHz、1MHz至1GHz及10MHz至1GHz中至少一者之範圍內。至少一個曝露至電漿氣體之電極之導體可提供 電子熱離子及場發射，以支持電弧電漿。
在一實施例中，該電池包括用以使含H源及HOH觸媒源之電漿氣體分解之高電壓電源。該電漿氣體可包括以下至少一者：水蒸氣、氫、氧源及惰性氣體(諸如稀有氣體如氬氣)。該高電壓功率可包括直流電流(DC)、交流電流(AC)及其混合物。電漿氣體之分解導致電導率顯著增加。該電源可產生高電流。施加低於崩潰電壓之電壓下之高電流，以導致藉由HOH觸媒以高速率將H催化為低能量氫。該高電流可包括直流電流(DC)、交流電流(AC)及其混合物。
高電流電漿電池之一實施例包括可形成HOH觸媒及H之電漿氣體。該電漿氣體包括HOH源及H源(諸如H2O及H2氣體)。該電漿氣體可另外包括容許、增加或維持HOH觸媒及H之其他氣體。其他適宜的氣體為稀有氣體。該電池包括以下至少一者：至少一組電極、至少一個天線、至少一個RF線圈及至少一個微波空腔，其可包括天線並另外包括至少一個崩潰電源，諸如可產生足以導致電漿氣體電崩潰之電壓或電子或離子能量者。該電壓可在約10V至100kV、100V至50kV及1kV至20kV中至少一者之範圍內。該電漿氣體最初可呈液態，亦可呈氣態。該電漿可係在液體H2O介質或包含液體H2O之介質中形成。該氣體壓力可在約0.001托至100atm、0.01托至760托及0.1托至100托中至少一者之範圍內。該電池可包括至少一個在達成崩潰後提供高電流之二次電源。該高電流亦可藉由崩潰電源提供。各電源可為DC或AC。任一者之頻率範圍可在約0.1Hz至100GHz、100Hz至10GHz、1kHz至10GHz、1MHz至1GHz及10MHz至1GHz中至少一者之範圍內。該高電流可在約1A至100kA、10A至100kA、1000A至100kA、10kA至50kA中至少一者之範圍內。高放電電流密度可在0.1A/cm2至1,000,000A/cm2、1A/cm2至1,000,000A/cm2、10A/cm2至1,000,000A/cm2、100A/cm2至1,000,000A/cm2及1kA/cm2至1,000,000 A/cm2中至少一者之範圍內。在一實施例中，可間歇地施加崩潰及二次高電流電源中之至少一者。間歇頻率可在約0.001Hz至1GHz、0.01Hz至100MHz、0.1Hz至10MHz、1Hz至1MHz及10Hz至100kHz中至少一者之範圍內。工作週期可在約0.001%至99.9%、1%至99%及10%至90%中至少一者之範圍內。在一實施例中，若包括AC(諸如RF電源及DC電源)，則藉由至少一個電容器將DC電源與AC電源隔開。在一實施例中，形成低能量氫之H源(諸如H2及H2O中至少一者)係以使低能量氫組分維持至產生所需電池增益之輸出功率(諸如其中低能量氫功率分量超過輸入電功率者)之速率提供至電池。
在一實施例中，該電漿氣體被液體H2O(其可為純淨物或包含鹽的水溶液(諸如鹽水))替換。該溶液可經入射AC激發，諸如高頻輻射，諸如RF或微波激發。可將受激發的含H2O介質(諸如鹽水)置於RF發射器與接收器之間。該RF發射器或天線接收來自RF發生器之RF功率，該RF發生器可產生可被含H2O介質吸收之頻率及功率之RF訊號。電池及激發參數可為彼等本發明所述中之一者。在一實施例中，RF頻率可在約1MHz至20MHz之範圍內。RF激發源可另外包括調諧電路或匹配網路，以使負載之阻抗與發射器匹配。可將金屬顆粒懸浮於H2O或鹽溶液中。入射功率可係高，諸如在約0.1W/cm2至100kW/cm2、0.5W/cm2至10kW/cm2及0.5W/cm2至1kW/cm2中至少一者之範圍內，以在電漿中因入射輻射與金屬顆粒之相互作用而產生電弧。可調整金屬顆粒之尺寸，以使電弧之形成最優化。適宜的粒度係在約0.1um至10mm之範圍內。該等電弧帶有以高動力引起低能量氫反應發生之高電流。在另一實施例中，該電漿氣體包括H2O(諸如H2O蒸氣)，且該電池包括亦伴有高頻輻射(諸如RF或微波)之金屬物體。金屬物體尖銳點上之場集中導致在含H2O電漿氣體中產生電弧，且大大提高低能量氫反應速率。
在一實施例中，高電流電漿包括電弧。電弧電漿可具有有別於輝光放電電漿之特性。在前一情形下，電子及離子的溫度可係類似，而在後一情形下，電子熱能可大大超過離子熱能。在一實施例中，該電弧電漿電池包括捏縮電漿。將電漿氣體(諸如含H2O者)維持在足以形成電弧電漿之壓力下。該壓力可係高，諸如在約100托至100atm之範圍內。在一實施例中，崩潰及高電流電源供應器可係相同。可在高壓H2O(包括液體H2O)中藉由包括複數個可提供高電壓(諸如約1kV至50kV之電壓)及高電流(諸如可在電阻及電壓隨著電弧形成及維持而減小時增加之電流，其中該電流可在約0.1mA至100,000A之範圍內)之電容器(包括一組電容器)的電源供應器來形成電弧。藉由以串聯方式連接該等電容器可增加電壓，且藉由以並聯方式連接該等電容器可增加電容，以得到所需高電壓及電流。該電容可足以長時間維持電漿，諸如0.1s至大於24小時。電源電路可具有其他維持所形成電弧之元件，諸如二次高電流電源。在一實施例中，該電源供應器包括複數組隨後可向電弧提供電力之電容器，其中各組經放電的電容器可在指定組經充電的電容器放電時藉由充電電源再充電。該複數組電容器可足以使電弧電漿維持穩定狀態。在另一實施例中，向電弧電漿提供電漿崩潰及高電流中至少一者之電源供應器包括至少一個變壓器。在一實施例中，該電弧係在高DC重複速率(諸如在約0.01Hz至1MHz之範圍內)下形成。在一實施例中，陰極及陽極之角色可週期性地反轉。反轉速率可低得足以維持電弧電漿。交流電流之循環速率可為約0Hz至1000Hz、0Hz至500Hz及0Hz至100Hz中至少一者。該電源供應器可具有維持所需速率之低能量氫反應速率之最大電流極限。在一實施例中，可改變高電流來控制低能量氫所產生之功率，以提供可變功率輸出。藉由電源供應器控制之高電流極限可在約1kA至100kA、2kA至50kA及10kA至30kA中至少一者之範圍內。電弧電漿可具有負 電阻，其包括隨電流增加而降低電壓的行為。電漿電弧電池電源電路可包括一形式之正阻抗(諸如電子鎮流器)，以建立所需水平之穩定電流。該等電極可呈所需幾何形狀，以在二者之間提供電場。適宜的幾何形狀為以下至少一者：中心圓柱形電極及外部同心電極、平行板電極及相對的針形或圓柱形。該等電極可在陰極提供熱電子熱離子及場發射中至少一者，以支持電弧電漿。可形成高電流密度，諸如高達約106A/cm2之電流密度。該電極可包含以下至少一者：具有高熔點之材料(諸如來自耐火金屬(諸如W或Mo)及碳之群之材料)及與水具有低反應性之材料(諸如來自Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr及In之群之材料)。在一實施例中，該等電極可係可移動。該等電極可以近距離或彼此直接接觸之方式放置，然後機械分離以起始並維持電弧電漿。在此情形下，崩潰電壓可比其中該等電極係以固定間隙永久隔開之情形小得多。以可移動或可調節間隙的電極施加以形成電弧之電壓可在約0.1V至20kV、1V至10kV及10V至1kV中至少一者之範圍內。可調節電極間隔以維持所需電流或電流密度之穩定電弧。
在一實施例中，包含OH、HOH、O2、nO及nH(n為整數)中至少一者之觸媒係在水-電弧電漿中產生。圖2B中顯示H2O電弧電漿電池發電機100之示意圖。電弧電漿電池109包括兩個電極，諸如外部圓柱形電極106及中軸電極103(諸如具有可界定出可產生真空、大氣壓力及大於大氣壓力之壓力中至少一者之電池109之電弧電漿室之電池蓋111及絕緣體底座102之中心棒)。電池109經供應電弧電漿氣體或液體(諸如H2O)。或者，將電極103及106浸沒於容納在容器109中之電弧電漿氣體或液體(諸如H2O)中。H2O可藉由添加離子源(諸如可溶解的離子化合物，諸如鹽)而變得更具導電性，以在較低電壓下達到電弧擊 穿。該鹽可包括氫氧化物或鹵化物，諸如鹼金屬氫氧化物或鹵化物或本發明之其他物質。供應可係來自來源，諸如貯槽107，其具有閥108及管線110，氣體或液體經由其流入電池109中，且排放氣體經由出口管線126流出該電池，出口管線126具有至少一個壓力計115及閥116，其中泵117移除電池109之氣體，以維持所需流量及壓力中之至少一者。在一實施例中，在高壓(諸如大氣壓力及更高壓力)下將電漿氣體維持在高流速狀態(諸如超聲速流)，以為低能量氫反應提供足夠的反應物質量流，來產生所需水平之低能量氫-基功率。適宜的示例性流速獲得超過輸入功率之低能量氫-基功率。或者，液體水可在電池109中，諸如在具有電極作為邊界之儲液器中。電極103及106經由電池電源連接器124連接至高電壓-高電流電源供應器123。可經由基底板101連接至中心電極103。在一實施例中，電源供應器123可經由連接器122藉由另一電源供應器(諸如充電電源供應器121)供能。高電壓-高電流電源供應器123可包括一組電容器，其可呈串聯形式提供高電壓，且呈並聯形式提供高電容及高電流，且電源供應器123可包括複數個此等電容器組，其中各者可暫時性地放電及充電，以提供可達到連續輸出之功率輸出。電容器組可藉由充電電源供應器121充電。
在一實施例中，電極(諸如103)可藉由AC電源123供能，AC電源123可為高頻率，且可為(諸如)由RF發生器(諸如特斯拉(Tesla)線圈)提供之高功率。在另一實施例中，電極103包括微波電漿炬之天線。該功率及頻率可為本發明之一者，諸如分別在約100kHz至100MHz或100MHz至10GHz及100W至500kW/公升之範圍內。在一實施例中，圓柱形電極可僅包括電池壁，且可包含絕緣體(諸如石英、陶瓷或氧化鋁)。電池蓋111可另外包括電極，諸如接地或不接地電極。該電池可經操作以形成H2O之電漿電弧或射流(streamers)，其至少部份覆蓋電弧電漿電池109內之電極103。該等電弧或射流大大提升低能量氫反 應速率。
在一實施例中，封閉電弧電漿電池109，以限制熱能釋放。根據針對如熟習此項技術者所知之所需操作溫度及壓力的H2O相圖，後來密封的電池內之水係在液體及氣體混合物之標準狀態中。該操作溫度可在約25℃至1000℃之範圍內。該操作壓力可在約0.001atm至200atm、0.01atm至200atm及0.1atm至100atm中至少一者之範圍內。電池109可包括鍋爐，其中至少一個包含加熱水、超熱水、蒸汽、及超熱蒸汽之相流出蒸汽出口114，並供應熱或機械負載(諸如蒸汽渦輪機)，以產生電。使出口流冷卻及使蒸汽冷凝之過程中之至少一者伴隨著熱功率轉移至該負載而發生，且冷卻蒸汽或水經由回流管112返回電池。或者，使補充蒸汽或水返回。使該系統封閉，且可另外包括泵113(諸如H2O再循環或回流泵)，以使呈其充當冷卻劑之物理相之H2O循環。該電池可另外包括熱交換器119，其可在內部或在電池外壁上，以移除進入冷卻劑之熱能，該冷卻劑在冷卻劑入口118以冷狀態進入，及在冷卻劑出口120排出熱。此後，熱冷卻劑流至熱負載(諸如純熱負載)或熱-機械功率轉換器或熱-電功率轉換器(諸如蒸汽或氣體渦輪機)或熱機(諸如蒸汽機及視情況之發電機)。其他示例性的熱-機械或電功率轉換器為朗肯或布累登-循環發動機、斯特林發動機、熱離子及熱電轉換器及此項技術中已知之其他系統。將熱功率轉換為機械及電功率中至少一者之系統及方法亦揭示在Mills先前申請案中，其等之全文以引用的方式併入本文中。
在一實施例中，電極103及106(諸如碳或金屬電極，諸如鎢或銅電極)可在其等因電漿而腐蝕時饋至電池109中。該等電極可在經充分腐蝕時替換或連續替換。腐蝕產物可以諸如沈澱物形式自電池收集，並再循環至新的電極。因此，電弧電漿電池發電機另外包括電極腐蝕產物回收系統105、電極再生系統104及再生電極連續進料125。在一 實施例中，至少一個易於受到大多數腐蝕之電極(諸如陰極，諸如中心電極103)可藉由本發明之系統及方法再生。例如，電極可包括一種選自以下之具有可藉由H2處理、加熱及在真空下加熱中至少一者還原之相應氧化物之金屬：Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr及In。再生系統104可包括熔化氧化物及金屬中之至少一者並自再生金屬澆鑄或擠壓出電極之爐。用於熔煉及塑造或研磨金屬之系統及方法係熟習此項技術者所熟知。在另一實施例中，再生系統104可包括含金屬離子之電解電池，諸如熔融鹽電解電池，其中電極金屬可藉由電沉積利用此項技術中所熟知之系統及方法電鍍至電極上。
在諸如圖2B中所示之電弧電漿電池109之電漿電池之一實施例中，H2O電弧電漿電池輸出高光功率，且光藉由光伏打功率轉換器轉換為電。在一實施例中，電池蓋111包括接收高光功率並將其轉換為電之光伏打功率轉換器。在另一實施例中，電極103及106中至少一者包括對光至少部份透明之柵電極。透明度可係歸因於電極導電部份間之間隙。光伏打轉換器位於該柵電極後方，以將光功率轉換為電。在另一實施例中，電極103及106包括平行板。平行板電極可經約束在可經密封之電池109中。高光功率可被橫向於由該等電極形成之平面之光伏打轉換器106a接收。該光伏打轉換器可包括光伏打電池，且可另外包括對光功率透明以保護該等電池免受電弧電漿之壓力波損傷之窗。支持電漿及電弧電漿中至少一者(諸如包含H2O之電漿)，且包括至少一個供光穿透至光伏打轉換器(諸如彼等熟習此項技術者所知者)之區域之電極及電極組態及設計之其他實施例係在本發明範圍內。
在一實施例中，低能量氫電池包括形成低能量氫連續能譜發射之捏縮電漿源。該電池包括陰極、陽極、電源供應器及形成捏縮電漿 之氫源及HOH觸媒源中之至少一者。電漿系統可包括稠密電漿聚焦源，諸如彼等此項技術中已知者。電漿電流可極高，諸如大於1kA。電漿可為電弧電漿。突出特徵係電漿氣體包括H及HOH或H觸媒中之至少一者，且可使電漿條件最優化，以產生氫連續能譜發射。在一實施例中，光功率係藉助光電轉換器106a或111轉換為電。
I.光伏打光-電功率轉換器
在圖2A中所示SF-CIHT電池發電機之替代性電漿功率轉換器6中，經由燃燒固體燃料3所產生之電漿係高度電離。(諸如)方程式(6-9)及(44-47)所給出之低能量氫催化反應及形成低能量氫所釋放的能量導致燃料電離。離子與自由電子複合而發射光。其他光係藉由激發態原子、離子、分子、化合物及材料衰減而發射。該光入射於光伏打轉換器6上。光伏打功率轉換器6包括陰極6c及陽極6b，其各分別藉由陰極及陽極輸出電源連接器8a及8連接至輸出功率控制器/調節器7。該光可被光子-電轉換器6(諸如真空容器1內之光伏打蓋瓦)接收。該光伏打功率轉換器可藉由至少一個熱交換器18冷卻，該熱交換器經由光伏打冷卻劑入口管線19接收冷的冷卻劑並經由光伏打冷卻劑出口管線20排出熱的冷卻劑。本文所給出關於將SF-CIHT電池之光功率光電轉換為電之揭示內容亦適用於具有光功率之光電轉換之電弧及高-DC、AC及DC-AC混合電流低能量氫電漿電池。
光伏打轉換器6可包括抗反射層或塗層(諸如一氧化矽)、光學阻抗匹配及保護免受電漿或動力學材料腐蝕或損傷中至少一者之塗層。該膜可包括窗。該窗可另外包括用於清潔覆蓋該窗且至少部份阻礙光穿透至該光伏打轉換器之爆炸產物之系統。在一實施例中，該光學窗係經清潔。清潔可包括至少一種化學清潔或蝕刻及電漿清潔或蝕刻之系統及方法。該窗可包括多個各自可移動之窗，以使得一者替代另一者起到將光透射至轉換器之作用，同時清潔至少另一者之爆炸產物。 在一實施例中，該光學窗係經清潔。清潔可包括至少一種化學清潔或蝕刻及電漿清潔或蝕刻之系統及方法。在一實施例中，氣體(諸如惰性氣體)流以與膨脹燃燒電漿相反之方向流動，以防止產物塗覆保護窗、光收集系統(諸如光纖電纜及鏡子中至少一者)及光伏打轉換器中之至少一者。
SF-CIHT發電機(圖2A)之光伏打功率轉換器可另外包括向複數個可以緊湊設計配置之光伏打電池提供SF-CIHT電池之光功率之光分配系統。在光伏打轉換器6之一實施例中，將光輸出(光功率)導向複數個光伏打轉換器6。該光輸出可藉由光學分配系統(諸如包括鏡子及透鏡中至少一者之系統)分配。在一實施例中，利用透鏡使光在抛物面鏡之焦點處形成光束，並在另一輸出入射於光伏打電池6上之平行光線之抛物面鏡之焦點處導向透鏡。該系統包括複數個此等抛物面鏡、透鏡及光伏打電池。該光亦可利用光束分裂器、稜鏡、光柵、漫射器及熟習此項技術者所知之其他光學元件定向及分配。諸如稜鏡及光柵之元件可使光輸出之複數個波長範圍或波長帶分離，以致可將其導向最大光-電轉換效率在各帶之波長範圍內之光伏打電池。在另一實施例中，將光功率收集在一捆光纖電纜中。該收集可利用至少一或多個透鏡及一或多個光學阻抗匹配板(諸如四分之一波長板)來實現。該光分配系統可另外包括至少一個將自光纖電纜反射回電纜入口、光收集系統及阻抗匹配板中至少一者之任何光線反射至電纜之鏡子。該鏡子可位於點火中心，其中光充當該鏡子中心之點源。該鏡子可位在圖1及2之齒輪電極之平面上。該鏡子可包括一對以與圖2A中所示之相對匹配的光伏打轉換器相反的方向反射光之鏡子。該等相對鏡子可將光反射回光分配系統(諸如包括光纖電纜者)。該鏡子可具有使反射回的光反射至光分配系統最優化之形狀。光纖電纜之光纖電纜元件可對波長帶具有選擇性，其可選擇性地將光導向複數個光伏打電池中最大光 -電轉換效率在波長帶之波長範圍內之相匹配的光伏打電池。在另一實施例中，該光分配系統及光伏打功率轉換器包括複數個配置成一堆疊之透明或半透明光伏打電池，以使得當光穿透至該堆疊中時，燃燒所產生之光功率在該堆疊之部件處轉換為電。在一實施例中，在黑體輻射冷卻前藉由諸如膨脹之機制收集燃燒所產生之光。可將電漿維持在(諸如)由赫姆霍爾茲線圈6d所製成之磁瓶中，以防止膨脹或碰撞損失，以致可藉由輻射提取最大功率。
在一實施例中，該光伏打轉換器可包括熱光伏打轉換器。電池1可包括至少一個吸收來自燃燒燃料所產生之熱量之壁，且加熱壁將光發射至光伏打轉換器6。光伏打轉換器6可位在密封電池1外部。熱交換器(諸如光伏打熱交換器18)具有可進行高熱功率轉移之冷卻劑。該冷卻劑可包括水或其他液體，諸如熟習此項技術者所知之溶劑或液態金屬或鹽。在一實施例中，熱交換器及熱交換器組件中至少一者可包括熱管。熱管流體可包括熔融鹽或金屬。示例性金屬為銫、NaK、鉀、鈉、鋰及銀。
在另一實施例中，藉由磁場或電場約束中至少一者約束電漿，以最大限度地減少電漿與光子-電轉換器之接觸。磁約束可包括磁瓶。磁約束可藉由赫姆霍爾茲線圈6d提供。在另一實施例中，轉換器將來自電漿中之帶電或不帶電物質(諸如高能電子、離子及氫原子)之動能轉換為電。該轉換器可與電漿接觸，以接收高能物質。
在一實施例中，SF-CIHT發電機包括氫催化電池，其產生具有方程式(1)給出之結合能之原子及(諸如)彼等燃料材料之大量電激發態原子及離子中至少一者。功率係作為光子發射，同時自發發射或受激發射。利用本發明之光子-電轉換器(諸如光電電池或光伏打電池)將光轉換為電。在一實施例中，電源電池另外包括本發明之氫雷射器。
在一實施例中，該等光子進行至少一個以下活動：傳遞至及入 射於光伏打電池上及離開雷射器腔之半透明鏡子及照射該光伏打電池。非相干功率及雷射功率可利用如以下將雷射功率轉換為電功率之光伏打電池之參考文獻中所述之光伏打電池轉換為電，該等參考文獻之全文以引用的方式併入本文中：L.C.Olsen,D.A.Huber,G.Dunham,F.W.Addis,「High efficiency monochromatic GaAs solar cells」，於Conf.Rec.22nd IEEE Photovoltaic Specialists Conf.,Las Vegas,NV,Vol.I,Oct.(1991)，第419-424頁中；R.A.Lowe,G.A.Landis,P.Jenkins,「Response of photovoltaic cells to pulsed laser illumination」,IEEE Transactions on Electron Devices,Vol.42,No.4,(1995)，第744-751頁；R.K.Jain,G.A.Landis,「Transient response of gallium arsenide and silicon solar cells under laser pulse」,Solid-State Electronics,Vol.4,No.11,(1998)，第1981-1983頁；P.A.Iles,「Non-solar photovoltaic cells」，於Conf.Rec.21st IEEE Photovoltaic Specialists Conf.,Kissimmee,FL,Vol.I,May,(1990)，第420-423頁中。
在利用光束形成光學器件之光學及雷射功率轉換器中至少一者之一實施例中，減少光束及雷射束中至少一者並遍佈於較大面積上，如L.C.Olsen,D.A.Huber,G.Dunham,F.W.Addis,「High efficiency monochromatic GaAs solar cells」，於Conf.Rec.22nd IEEE Photovoltaic Specialists Conf.,Las Vegas,NV,Vol.I,Oct.(1991)，第419-424頁中所述，其全文以引用的方式併入本文中。光束形成光學器件可為透鏡或漫射器。電池1可另外包括將光導向光伏打裝置之鏡子或透鏡。鏡子亦可存在於電池壁上，以增加光程長度(諸如氫萊曼系(Lyman series)發射)，來維持可進一步藉由碰撞或光子激發之激發態。
在另一實施例中，利用光伏打裝置將來自水基燃料電漿之自發 發射或受激發射轉換為電功率。自發發射及受激發射中之至少一者轉換為電可利用能帶間隙匹配該等波長之當前光伏打(PV)電池以顯著功率密度及效率達成。響應紫外及極紫外光之本發明功率轉換器之光電池包括輻射硬化的習知電池。由於光子之較高能量，與彼等轉換較低能量光子者相比，可能可達到較高效率。可藉由保護塗層(諸如鉑或其他貴金屬之原子層)達成硬化。在一實施例中，該光伏打裝置具有高能帶間隙，諸如包含氮化鎵之光伏打裝置。
在使用功率轉換用光伏打裝置之一實施例中，高能光可藉由磷光體轉換為較低能光。在一實施例中，該磷光體為有效地將電池之短波長光轉換為光伏打裝置對其更具反應性之長波長光之氣體。磷光體氣體的百分比可在任何所需範圍內，諸如在約0.1%至99.9%、0.1至50%、1%至25%及1%至5%中之至少一範圍內。該磷光體氣體可為惰性氣體(諸如稀有氣體)或藉由爆炸變成氣態之元素或化合物之氣體(諸如金屬，諸如鹼金屬、鹼土金屬或過渡金屬)。在一實施例中，氬氣包括如用於爆炸物中，以發射在可見光範圍內，並適合光伏打轉換為電之亮光之氬氣蠟燭。在一實施例中，將磷光體塗覆於電池1之透明壁上，以致受激磷光體所發射之光子更緊密地匹配可圍繞塗覆磷光體的壁之光伏打裝置之峰值波長效率。在一實施例中，將形成準分子之物質添加至電漿中，以吸收形成低能量氫所產生之功率，並有助於形成大量激發態及反轉分佈中至少一者。在一實施例中，固體燃料或所添加的氣體可包括鹵素。可添加至少一種稀有氣體(諸如氦、氖及氬)，以形成準分子。可藉由準分子自發或雷射發射提取功率。光功率入射至光伏打轉換器6，並轉換為電。
在此示例性實施例中，SF-CIHT電池電源產生系統包括經組態以捕集燃料燃燒反應所產生之電漿光子並將其轉換為可用能量之光伏打功率轉換器。在一些實施例中，可能需要高轉換效率。反應器可將電 漿噴向多個方向(例如，至少兩個方向)，且反應半徑可在約若干毫米至若干米之規模上，例如，半徑為約1mm至約25cm。此外，燃燒燃料所產生之電漿之光譜可類似於太陽所產生之電漿之光譜及/或可包括其他短波長輻射。
自維恩(Wien’s)位移定律[A.Beiser,Concepts of Modern Physics，第四版，McGraw-Hill Book Company,New York,(1978)，第329-340頁]，黑體在T=6000K下之具有最大能量密度之波長λ max為
Figure 108115763-A0305-02-0145-106
史特凡-波茲曼(Stefan-Boltzmann)定律[A.Beiser,Concepts of Modern Physics，第四版，McGraw-Hill Book Company,New York,(1978)，第329-340頁]描述物體在每單位面積上輻射之功率R等於發射率e乘以史特凡-波茲曼常數σ乘以溫度的四次方T 4。
R=eσT 4 (197)
包含黑體之光密電漿之發射率e=1，σ=5.67 X 10-8 Wm -2 K -4，且測得的黑體溫度為6000K。因此，燃燒固體燃料每單位面積輻射之功率為R=(1)(σ=5.67 X 10-8 Wm -2 K -4)(6000K)4-7.34X107 Wm -2 (198)
6000K電漿球之半徑r ps 可自R及典型爆炸功率P 爆炸 計算出，後者係以1000J之爆炸能量E 爆炸 與20X10-6 s之爆炸時間τ之商給出
Figure 108115763-A0305-02-0145-108
因此，在6000K之平均黑體溫度下，膨脹電漿球之平均半徑為23cm。自Beiser[A.Beiser,Concepts of Modern Physics，第四版，McGraw-Hill Book Company,New York,(1978)，第329-340頁]可知，半徑23cm之體積中之總光子數N為
Figure 108115763-A0305-02-0145-109
自Beiser[1]可知，光子平均能量
Figure 108115763-A0305-02-0146-110
為
Figure 108115763-A0305-02-0146-111
其他電漿溫度、電漿發射率、每單位面積輻射之功率、電漿半徑、總光子數及光子平均能量均在本發範圍內。在一實施例中，電漿溫度係在約500K至100,000K、1000K至10,000K及5000K至10,000K中之至少一個範圍內。在一實施例中，電漿發射率係在約0.01至1、0.1至1及0.5至1中之至少一個範圍內。在一實施例中，根據方程式(198)，每單位面積輻射之功率係在約103Wm-2至1010Wm-2、104Wm-2至109Wm-2及105Wm-2至108Wm-2中之至少一個範圍內。在一實施例中，半徑及總光子數分別係以方程式(199)及(200)，根據每單位面積輻射之功率R及爆炸功率P 爆炸 (其係以爆炸能量E 爆炸 與爆炸時間τ之商給出)給出。在一實施例中，該能量係在約10J至1GJ、100J至100MJ、200J至10MJ、300J至1MJ、400J至100kJ、500J至10kJ及1kJ至5kJ中之至少一個範圍內。在一實施例中，該時間係在約100ns至100s、1us至10s、10us至1s、100us至100ms、100us至10ms及100us J至1ms中之至少一個範圍內。在一實施例中，該功率係在約100W至100GW、1kW至10GW、10kW至1GW、10kW至100MW及100kW至100MW中之至少一個範圍內。在一實施例中，該半徑係在約100nm至10m、1mm至1m、10mm至100cm及10cm至50cm中之至少一個範圍內。在一實施例中，根據方程式(200)，總光子數係在約107至1025、1010至1022、1013至1021及1014至1018中之至少一個範圍內。在一實施例中，根據方程式(201)，光子平均能量係在約0.1eV至100eV、0.5eV至10eV及0.5eV至3eV中之至少一個範圍內。
如圖2A中所示，一或多個光伏打功率轉換器6可相對於電漿反應 定向(例如，成角度或間隔開)，以接收該反應所產生之光子。例如，可將光伏打功率轉換器6置於流動路徑中以接收電漿光子。在其中兩股或更多股電漿流以不同軸向噴出之實施例中，可將光伏打功率轉換器6置於各光子流之流動路徑中，以增加光子捕獲數量。在一些實施例中，光伏打功率轉換器6可直接將光子轉換為電能，而在其他實施例中，光伏打功率轉換器6可將光子轉換為熱能，然後熱-電功率轉換器可將該熱能轉換為電能。
光伏打功率轉換器6包括複數個經組態以接收、捕獲並轉換電漿反應期間所產生之光子之光伏打電池。該複數個光伏打電池可配置成一或多個模組。多個模組可以(例如)串聯、並聯或其任何組合方式彼此封裝及互連。在一些實施例中，多個光伏打模組可互連形成光伏打模組陣列(亦即，光伏打陣列)。例如，光伏打陣列可包括複數個連接成光伏打模組串之光伏打模組，其可進一步分組為光伏打模組子陣列。雖然個別光伏打電池可能僅產生幾瓦功率或不足一瓦功率，但將該等個別電池連成模組可產生更多功率，且形成甚至更大的單元(如陣列)時可產生甚至更多功率。
可將光伏打陣列及/或模組安裝於支撐結構上，以使該等電池朝排出電漿光子之方向定向。示例性光伏打功率轉換器6亦可包括追蹤器，以調整該等陣列，來減小排出電漿與光伏打電池間之入射角，以使光子捕獲最優化。此等追蹤器可響應排出電漿光子之路徑之任何改變，以維持效率。在一些實施例中，光伏打功率轉換器6可包括一或多個最大功率點追蹤(MPPT)裝置，以獲取光伏打電池之輸出樣本，並基於變化的電漿發射條件施加適當電阻，以使功率最大化。
結晶矽光伏打電池係一種常見類型的光伏打電池。結晶矽電池可包括(例如)單結晶(單晶)電池、多晶電池及邊緣限定饋膜帶狀矽及矽片限定膜生長電池。其等包括相互鍵結形成晶格之矽原子。光伏打 半導體包括n-層及p-層，其間具有接面(稱為p/n接面)。n-型矽層具有過量電子，而p-型矽層具有過量電洞，且其界面處之p/n接面產生電場。當光子被光伏打電池吸收時，電子可在晶格結構中自由移動。過量電子可自n-型側移動至p-型側，從而沿著n-層產生正電荷，並沿著p-層產生負電荷。正是由於此等自由電子之分離而在p/n接面處產生電場。
在結晶矽光伏打電池中，利用摻雜將另一元素之原子引入矽晶體中，以改變其電學特性，並產生p-層及n-層。引入的元素(「摻雜劑」)通常比基板材料多一個價電子(以產生n-層)或比基板材料少一個價電子(以產生p-層)。例如，在矽基電池中，摻雜劑通常具有三個或五個價電子(比矽所具有之四個價電子多一個或少一個)。通常將摻雜劑施加至基板之頂部區域及底部區域上之薄層，從而產生具有特定帶隙能量之p/n接面。例如，矽基板之頂面上可摻雜磷(具有五個價電子)以形成n-層，且其底面上可摻雜硼(具有三個價電子)以形成p-層。
撞擊光伏打電池之電漿光子可被反射、可被吸收或可通過。只有被吸收的光子才可產生電。帶隙能量係使電子擺脫晶格約束所需能量之量。若光子具有小於能帶間隙之能量，則其不會被收集。或者，若光子具有大於能帶間隙之能量，則額外的能量可經由弛豫損失，其可將額外的能量變成熱量，從而增加黑體損失。結晶矽具有約1.1eV之帶隙能量，且常見光伏打材料可具有約1.0eV至約2.0eV之帶隙能量。例如，砷化鎵具有約1.43eV之能帶間隙，且砷化鋁鎵具有約1.7eV之能帶間隙。
因此，一些光伏打電池可由多種材料形成。由多種材料製成之電池可具有多種能帶間隙，且因此可響應多種光波長。因此，由多種不同材料組成之電池(亦即，多接面電池)可更高效，因為其等可在多個波長下產生電流，捕獲並轉換否則將會損失之能量。光伏打電池可 由多種不同材料或材料組合形成，其可基於材料性質及/或指定應用之效率要求進行選擇及/或組合。不同材料可具有不同結晶度、吸收性質、少數載子壽命、遷移率及/或製造考量點。例如，強吸收係數、高少數載子壽命及/或高遷移率可提供較佳性能特性。
示例性材料可包括(例如)矽，包括單晶(單結晶)矽、多晶(多結晶)矽或非晶矽。可使用多晶薄膜，包括例如，二硒化銅銦、碲化鎘或薄膜矽。亦可使用單晶薄膜，包括例如，砷化鎵、鍺或磷化銦晶圓、矽或其合金。結晶度指示晶體結構原子之有序性程度，且材料可形成多種結晶度，包括例如，單晶、多晶及非晶。
如上所述，光伏打電池可由單一材料組成，或可由多種材料組成。同質接面裝置包括單一材料或具有類似性質之材料。若使用具有類似性質之不同材料，則該等材料可具有實質上相等的能帶間隙。因為不同材料之價電子數的可能差異，可將不同摻雜劑用於各材料之n-層及p-層，原因如上所述。上述結晶矽實施例係同質接面裝置之一實例。為增加同質接面光伏打電池之效率，可改變p/n接面之深度、摻雜劑用量、摻雜劑分佈、結晶度及/或所用材料之純度。
異質接面裝置包括具有不相等能帶間隙之不同材料，例如，兩層不同的結晶半導體。在異質接面裝置中，頂層為窗，亦即，具有高能帶間隙之透明材料，而下層具有吸收光之低能帶間隙。因為不同材料之p-層及n-層可使用不同材料，所以可使用更多樣的摻雜劑來產生異質接面裝置，從而潛在地提供使光伏打電池最優化之提高能力。示例性異質接面裝置包括二硒化銅銦電池，其中p/n接面係藉由使硫化鎘與二硒化銅銦接觸而形成。
p-i-n裝置或n-i-p裝置包括夾在p-層與n-層間之中間未摻雜(本質或i-型)層，且沿著p/n接面所產生之電場可遍及更廣區域。示例性p-i-n裝置包括非晶矽光伏打電池，其係由矽p-層、本質矽中間層及矽n- 層組成。
多接面裝置包括多個由不同半導體材料製成之p/n接面。此等可包括串接、三接面、四接面、五接面、六接面或n-接面電池。多接面裝置係由具有不同能帶間隙之個別電池彼此堆疊在一起而形成。各能帶間隙響應不同波長的光產生電流。首先受到光子撞擊的頂層具有最大能帶間隙。未被頂層吸收之光子傳遞至下一層，以此類推，直至剩餘的光子到達底層為止，其具有最小能帶間隙。多接面裝置可包括一或多個p/n接面、窗層(以降低表面複合速度)、穿隧接面(以提供低電阻及子電池間之光學低損耗連接)、背面電場層(以減少載子向穿隧接面散射)、抗反射塗層、金屬接觸件(例如，鋁)或其任何組合。
為形成多接面光伏打電池，個別電池可獨立進行製造，然後相互機械堆疊在一起。或者，可首先製造一個電池，且可將第二電池之層生長(經由磊晶法，例如，液相磊晶法、有機金屬氣相磊晶法、分子束磊晶法、有機金屬分子束磊晶法、原子層磊晶法、氫化物氣相磊晶法、化學氣相沉積法)或沉積於該第一層上。多接面光伏打電池通常使用III-V族半導體材料。III-V族材料包括例如砷化鎵鋁、砷化銦鎵、磷化銦鎵、砷化鋁銦、銻化鋁銦、氮砷化鎵、磷砷化鎵、銻砷化鎵、氮化鋁鎵、磷化鋁鎵、氮化銦鎵、銻砷化銦、銻化銦鎵、磷化鋁鎵銦、磷砷化鎵鋁、磷砷化銦鎵、銻砷化銦鎵、磷銻砷化銦、磷砷化鋁銦、氮砷化鎵鋁、氮砷化銦鎵、氮砷化銦鋁、氮銻砷化鎵、銻砷氮化鎵銦及磷銻砷化鎵銦。可選地或附加地，可使用II-IV族合金、IV族、II-IV族及/或III-V族結晶之多結晶組合、微晶或非晶半導體。例如，多接面裝置材料可包括例如非晶矽、二硒化銅銦、二硒化銅銦鎵、砷化鎵、磷化鎵銦、硫化鎘、碲化鎘或碲化鋅。示例性多接面電池為碲化鎘電池，其具有硫化鎘p-層、碲化鎘i-層及碲化鋅n-層。另一示例性多接面電池可包括GaInP、GaInAs及Ge之堆疊體。例如，適 宜的多接面裝置可包括晶格匹配、直立變質及反向變質多接面裝置。
在多接面光伏打電池中，亦可基於晶格匹配及/或電流匹配選擇材料。就最佳生長及晶體品質而言，不同材料之晶格常數可係相同或可緊密匹配。晶格結構越失配，則可出現越多生長缺陷及晶體缺陷，從而因電學特性劣化而導致效率下降。因為材料係根據漸減的能帶間隙分層，所以可選擇適宜的能帶間隙(及因此選擇適宜的材料)，以致設計光譜平衡各子電池中之電流產生，來達成電流匹配。實現晶格匹配之適宜製造技術可包括例如有機金屬化學氣相沉積或分子束磊晶法。晶格匹配結構通常係由超薄單晶半導體(例如，III-V族半導體)層形成。然而，在一些實施例中，晶格失配裝置亦可達成高效率。例如，一些失配光伏打電池可包括得到與晶格匹配裝置相比展現類似效率或更高效率之III-V光伏打裝置之階梯漸變層及緩衝層。示例性失配光伏打電池包括機械堆疊在電氣獨立矽電池及Ga/InP/CaInAs/Ge電池頂部之InGaP/GaAs PV電池。
經顯示三接面光伏打電池提供所有三個子電池之電流匹配，從而得到具有更具效率的能帶間隙組合之配置。亦可藉由(例如)改良晶格失配層之材料品質及/或在基板與中間電池之間形成高度鬆弛的緩衝結構(諸如Ga1-yInyAs緩衝結構)來提升效率。示例性的多接面光伏打電池包括：三接面光伏打電池，諸如彼等具有結構GaInP/GaInAs/Ge者；四接面光伏打電池，諸如彼等具有結構GaInP/AlGaInAs/GaInAs/Ge者；五接面光伏打電池，諸如彼等具有結構AlGaInP/GaInP/AlGaInAs/GaInAs/Ge或AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInAs/Ge者；及六接面光伏打電池，諸如彼等具有結構GaInP/GaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInAs/Ge者。可使用任何適宜數量及/或類型之材料來生產本發明之示例性光伏打電池。
反向變質多接面電池(IMM電池或反向晶格失配電池)係藉由相對 於基板以漸增晶格失配順序生長接面而形成。此可減少應變誘導缺陷蔓延穿過裝置結構。因此，首先生長最高能帶間隙的材料，留下實質上無應變及無缺陷表面，在其上可生長次高能帶間隙的材料。最後生長最低能帶間隙的材料，以致其應變誘導缺陷對其他接面具有較小影響。自最高至最低能帶間隙生長接面係標準多接面電池(或直立電池)之相反次序。為以此相反次序生長接面，必須移除基板，以容許光子進入最高能帶間隙層。在失配接面之間亦可包括階梯漸變緩衝層，以緩解應變並限制錯位。
適宜的光伏打電池可包括藉由將一或多個薄層(例如，幾奈米至幾十微米)之光伏打材料沉積於基板上所製得之薄膜電池。適宜的基板可包括(例如)玻璃、聚合物、金屬或其組合。此等材料之結構可為非結晶。一些常見的薄膜電池可包括非晶及非微晶堆疊(micromorph)矽、原生結晶矽、奈米結晶矽、黑矽、碲化鎘、硒化銅銦、硒化銅銦鎵、染料敏化或其他有機光伏打電池。一示例性的非晶矽太陽能電池為多接面薄膜矽電池，其可包括具有施加至基板之矽及微晶矽層之矽電池。染料敏化電池使用由夾在光敏化陽極與電解質間之半導體結構形成之光電化學太陽能電池。有機光伏打電池可包括有機或聚合物材料，例如，有機聚合物或有機小分子。示例性的光伏打電池亦可包括串型/帶狀矽，包括與上述結晶矽電池類似之材料。此等電池可自熔融矽中拉出，在一些實施例中，其可比澆鑄矽產生更高轉換效率。
在一些實施例中，電源產生系統可在電漿反應與光伏打電池之間包括一或多個稜鏡或濾光器，以使光之波長變得更緊密地匹配該(等)光伏打材料之能帶間隙。濾光器之類型可包括長波通、短波通或帶通濾光器。示例性濾光器可包括吸收型濾光器、二向色濾光器、凹口濾光器、單色濾光器、紅外濾光器、波導模態共振濾光器或金屬網濾光器或其任何適宜組合。
本發明之示例性光伏打電源產生系統可包括若干其他適宜組件，例如，以下一或多者：AC-DC功率轉換器(諸如變頻器或微變頻器)、功率調節單元、溫度感測器、蓄電池、充電器、系統及/或蓄電池控制器、散熱器、熱交換器、匯流條、用於測量能量產生之智慧電表、單向及/或雙向電表、監測器(例如，針對頻率或電壓)、集中器(例如，折射透鏡如非涅爾(Fresnel)透鏡、反射碟如抛物線型或卡塞格林(cassegrain)、或導光光學器件)、或其任何適宜組合。光伏打系統亦可包括系統平衡(BOS)硬體，包括例如，接線、保險絲、過電流、突波保護及斷開裝置及/或其他適宜的功率處理設備。
光伏打功率轉換器6所產生之功率可用儲存裝置(諸如蓄電池)儲存及/或緩衝。其他儲存裝置可包括例如電容器、高電流變壓器、蓄電池、飛輪或任何其他適宜的電力儲存裝置或其組合。該電源產生系統可另外包括充電控制器，(例如)以避免藉由過度充電或放電造成蓄電池損傷，或藉由MPPT使電池或模組之生產最佳化。該電源產生系統中可包括蓄電池，以存儲光伏打功率轉換器6所產生之電能及/或視需要為電負載供能。亦可包括一或多個蓄電池，以在其最大功率點附近操作光伏打陣列、以穩定電壓為電負載供能及/或為電負載及變頻器提供突波電流。亦可使用蓄電池充電控制器，以保護蓄電池不受過度充電及/或過度放電損傷。
在一些實施例中，光伏打功率轉換器6可包括監測系統。此等系統可檢測光伏打電池崩潰及/或使光伏打電池之操作最優化。監測系統亦可經組態以檢測系統之異常問題或所產生功率與負載需求間之失配。監測系統可提供指示潛在問題之警告訊號及/或可與控制器操作耦合，該控制器可經組態以在檢測狀況高於或低於特定閾值時減少發電或關閉光伏打功率轉換器6或整個電漿電源產生系統。此等監測系統可包括一或多個檢測光伏打功率轉換器6之一或多種參數之感測 器。所檢測的示例性參數可包括溫度、壓力、電流、頻率、輸出功率、亮度、效率、或其任何適宜組合。
該電源產生系統亦可包括一或多個集中器，以將排出的光子聚集至光伏打電池之較小面積上。藉由將光子聚集在較小面積上，併入集中式光伏打(CPV)技術之系統可減小光伏打電池之尺寸。該集中器可包括一或多個經定向以使光子集中之光學組件(例如，鏡子及/或透鏡)，且亦可包括一或多個追蹤器，以達到所需集中水平。在一些實施例中，CPV裝置可使用主動或被動冷卻系統，而在其他實施例中，可無需冷卻系統。併入CPV技術之光伏打系統可達到高於標準光伏打系統之效率。在一些實施例中，CPV系統可與多接面光伏打電池聯合使用。
在其他實施例中，集中式太陽能(CSP)技術可用以將光子聚集至光伏打電池之較小面積上，以將集中的光子轉換為熱量。該集中器可包括一或多個相對於彼此以適宜配置(例如，抛物線型槽或碟)定向之光學組件(例如，鏡子及/或透鏡)及產生熱量的中央接收器。該通常呈蒸汽形式之熱量可直接使用或可利用任何適宜轉換器或轉換器組合(包括例如，熱機，諸如蒸汽機或蒸汽或氣體渦輪機及發電機、朗肯或布累登-循環發動機、斯特林發動機，其可連接至電功率發電機)轉換為機械或電功率。可選地或附加地，該熱量可用以為熱化學反應供能。在一些示例性實施例中，抛物線型槽可利用長矩形曲面鏡聚集光子，以將光子聚集於沿該槽中心延伸的導管上。該導管可包含在受熱時變成蒸汽之易加熱流體。利用CSP技術之實施例亦可包括一或多個追蹤器，以達到所需集中水平。
應注意，熱量及電漿可藉由燃燒燃料而產生，以產生電漿。在利用CSP技術之實施例中，除光伏打電池所產生之熱量以外，該熱量可直接使用或可利用任何適宜的轉換器或轉換器組合(包括例如，熱 機，諸如蒸汽機或蒸汽或氣體渦輪機及發電機、朗肯或布累登-循環發動機或斯特林發動機)轉換為機械或電功率。在將光子能量直接轉換為電能之實施例中，該熱量可(例如)經由使用冷卻系統驅散，或可在發生光子-電轉換的同時轉換為電能。例如，該電源產生系統可包括光子-電功率轉換器及熱-電轉換器。就功率轉換而言，各電池可與任何熱能或電漿-機械或電功率轉換器(諸如，例如，熱機、蒸汽或氣體渦輪機系統、斯特林發動機或熱離子或熱電轉換器)接合。
如上所述，該電源產生系統亦可包括溫度調節系統。例如，冷卻系統可移除藉由光伏打系統及/或藉由燃燒燃料以形成電漿所產生之熱量。示例性冷卻系統可包括熱交換器或散熱器。在一些實施例中，可將一部份熱量轉移至該電源產生系統中之其他組件，諸如，例如，再生系統14、移除系統、經組態以傳播為自電漿反應產物再生出燃料所需之化學反應之組件及/或用以為燃料燃燒供能以產生電漿之電極。
一旦直接自光伏打電池產生電功率或首先轉換為熱能然後再轉換為電能，即可調節該電功率。該電源產生系統可包括一或多個輸出功率控制器/調節器7，其與光伏打功率轉換器6操作耦合，以改變所產生功率之品質，以致其與功率所遞送至之內部或外部電負載設備及/或儲存裝置相容。所產生功率之品質可包括(例如)電流、電壓、頻率、雜訊/相干性或任何其他適宜品質。輸出功率控制器/調節器7可係可調整，以改變功率之調節，(例如)以反映電負載設備或該系統所產生功率之變化。該等調節器可執行一或多種功能，包括例如，電壓調控、功率因數校正、雜訊抑制或瞬態脈衝保護。在一示例性實施例中，該輸出功率調節器可將該電源產生系統所產生之功率調節成所需波形(例如，60Hz AC功率)，以針對變動負載維持較恆定電壓。
經調節後，所產生之功率可經由輸出端子9自控制器/調節器7傳 遞至負載及/或儲存裝置。可將任何適宜數量及配置之控制器/調節器及輸出功率端子併入該電源產生系統中。
在一些實施例中，如上所述，功率輸出端子9之一部份功率輸出可用以為電源供能，例如，提供約5-10V、10,000-40,000A DC功率。光伏打功率轉換器可輸出低電壓高電流DC功率。在一些實施例中，可使用超級電容器或蓄電池藉由提供用於起始燃燒之功率來開始點燃燃料以產生電漿，以便藉由輸出功率調節器(其進而可藉由光伏打功率轉換器6供能)提供後續燃燒所需之功率。光伏打系統之具體組件及配置將至少部份取決於將如何使用經轉化後的能量。
光伏打功率轉換器6及電源產生系統可係獨立式、電業互動(utility-interactive)或可連接至電網。該光伏打系統可與公用電網互連或獨立於公用電網進行操作，且可與其他能源及/或能量儲存系統連接。例如，在一些實施例中，光伏打功率轉換器6可連接至電網或其他負載，但亦可儲存能量或主動地向電漿反應系統提供能量。本發明之光伏打系統可經設計以提供DC及/或AC功率服務。
並網光伏打系統通常包括變頻器，以將光伏打陣列所產生之DC功率轉換並調節成與電網之電壓及電力品質要求一致之AC功率。光伏打模組及/或陣列之正及負端子可電連接至變頻器，以整合至電力網中。該變頻器亦可經組態，以在公用電網未通電時使功率自動停止流向電網。在該配置中，光伏打系統之AC輸出電路與公用電力網絡間之(例如)配電盤(如圖3中所示)處可存在雙向介面。此使得光伏打系統所產生之AC功率可供給現場電負載，或(例如)當光伏打系統輸出大於現場負載需求時回饋電網。當電負載大於光伏打系統輸出時，負載所需功率之差額可自電網獲取。許多並網光伏打系統中需要此安全特徵來防止光伏打系統在電網關閉(例如，進行檢修或維修)時繼續運轉或回饋電網。
在並網實施例中，光子可轉換為電能，如上所述。可將產生的所有電功率提供至電網，或可將該功率提供至電網及提供至外部負載、該電源產生系統中之儲存裝置、或該電源產生系統中之其他主動組件中之一或多者、或其任何適宜組合。此外，可將該電功率提供至不同地方，端視若干因素而定，例如，操作條件、功率需求、環境條件等。
在一些實施例中，並網系統可包括能量儲存裝置，且在其他實施例中，並網系統可不包括能量儲存裝置。若包括在電網系統中，儲存裝置可為(例如)電容器、高電流變壓器、蓄電池、飛輪或任何其他適宜的電力儲存裝置或其組合。該儲存裝置可包括在電源產生系統中，(例如)以儲存光伏打功率轉換器6所產生之功率供該系統日後使用、供另一裝置(例如，外部負載)日後使用或抑制任何中斷。該電源產生系統及光伏打功率轉換器6可經組態以為該儲存裝置重新充電或將其充滿，然後可在充滿後將該儲存裝置移除並連接至獨立裝置以進行供能。該電源產生系統可視情況包括經組態以接受並儲存一些所產生之功率供該電源產生系統日後使用(例如，作為備用電源供應器)之儲存裝置。此外，在並網實施例中，除向電網供能以外或取而代之地，該電源產生系統可接收來自該電網之功率，如圖4中所示。
在獨立式實施例中，該光伏打電源產生系統可經設計以獨立於電網進行運轉。此等系統可經設計並組態，以向電負載提供AC、DC或AC及DC功率。獨立式實施例可僅藉由光伏打陣列供能，或可藉由輔助電源補充，以產生光伏打混合系統，如圖4中所示。就獨立式系統而言，混合系統可包括發電機(例如，機動發電機)作為輔助電源，替代連接至電網。在直接耦合式系統中，光伏打模組或陣列之DC輸出可直接連接至DC負載。因此，一些直接耦合式系統可不包括電能儲存裝置(例如，蓄電池)，如圖5中所示。或者，如圖6A中所示，直 接耦合式系統可包括電能儲存裝置，(例如)以儲存光伏打功率轉換器6所產生之功率供該系統、外部負載日後使用或抑制任何中斷。在直接耦合式系統中，電負載之阻抗可能需要與光伏打陣列之最大輸出功率相匹配，以使性能最優化，且可包括適宜的調節組件。在一些實施例中，在該陣列與該負載之間可使用MPPT，以促進更好地利用陣列的可用最大輸出功率。在為DC及AC負載供能或僅為AC負載供能之其他實施例中，獨立式系統可包括能量儲存裝置(例如，蓄電池)，如圖6A及6B中所示。
在獨立式實施例中，電漿光子可轉換為電能，如上所述。可將產生的所有電功率提供至以下一或多者：儲存裝置、外部負載或電源產生系統中之其他組件或其任何適宜組合，圖7及8中描繪其示例性實施例。
示例性儲存裝置可包括(例如)電容器、高電流變壓器、蓄電池、飛輪或任何其他適宜的電力儲存裝置或其組合。該儲存裝置可包括在電源產生系統中，(例如)以儲存光伏打功率轉換器6所產生之功率供該系統日後使用、供另一裝置(例如，外部負載)日後使用或抑制任何中斷。該電源產生系統及光伏打功率轉換器6可經組態以為該儲存裝置重新充電或將其充滿，然後可在充滿後將該儲存裝置移除並連接至獨立裝置以進行供能。該電源產生系統可視情況包括經組態以接受並儲存一些該系統所產生之功率供該電源產生系統日後使用(例如，作為備用電源供應器)之儲存裝置。
可將任何用於將光子轉換為電能或熱能之適宜光伏打功率轉換器(諸如彼等上文所述者)與本文所述之任何適宜產電漿電源產生系統聯合使用。例如，任何適宜的單結晶、多結晶、非結晶、串型/帶狀矽、多接面(包括例如，反向、直立、晶格失配、晶格匹配、III-V族)、同質接面、異質接面、p-i-n、薄膜、染料敏化或有機光伏打電 池或光伏打電池之組合均可包括在本發明之示例性電漿電源產生系統中。
例如，電源產生系統可包括複數個經組態以將電力傳遞至燃料1003來點燃該燃料並產生電漿之電極1002、經組態以將電能傳遞至該複數個電極1002之電源1004、及至少一個經放置以接收至少複數個電漿光子之光伏打功率轉換器1006，如圖9之實施例所示。此系統亦可包括(經由圖12之電源連接器1008)操作耦合至光伏打功率轉換器1006之輸出功率調節器1007及操作耦合至輸出功率調節器1007之輸出功率端子1009，如圖10之實施例所示。圖10中數字1015代表蒸汽冷凝器。
另一示例性電源產生系統可包括至少約2,000A/cm2或至少約5,000kW之電源1004及複數個電耦合至電源1004之電極1002。該系統亦可包括經組態以接收固體燃料1003之燃料負載區域1017，且該複數個電極1002可經組態以將電功率傳遞至固體燃料1003來產生電漿。該系統亦可包括經放置以接收複數個電漿光子之光伏打功率轉換器1006。
在一實施例中，電源產生系統1020可包括經組態以遞送至少約5,000kW或至少約2,000A/cm2之功率之電源1004。複數個電極1002可經組態以至少部份圍繞燃料1003，且電極1002可電連接至電源1004，並經組態以接收電流來點燃燃料1003。該複數個電極中之至少一者可係可移動。該電源產生系統亦可包括用於移動該燃料之傳送機構1005及經組態以將燃燒燃料所產生之光子轉換為不同形式功率之光伏打功率轉換器1006，如圖11及12之示例性實施例所示。
在另一示例性實施例中，電源產生系統1020可包括經組態以遞送至少約5,000kW或至少約2,000A/cm2之功率之電源1004。該電源可電連接至複數個電極1002，且該複數個電極1002中之至少一者可包括壓縮機構1002a，如圖9及10之實施例所示。複數個電極1002可圍繞經 組態以接收燃料之燃料負載區域1017，以致至少一個電極之壓縮機構面向該燃料負載區域。電極1002可經組態以向接收在燃料負載區域1017中之燃料1003供能來點燃該燃料。電源產生系統1020亦可包括用於將燃料1003移動至燃料負載區域1017中之傳送機構1005(圖10)及經組態以將燃燒燃料所產生之光子轉換為非光子形式之功率之光伏打功率轉換器1006。
在一實施例中，電源產生系統1020可包括複數個圍繞燃料負載區域1017之電極1002。電極1002可經組態以點燃位於燃料負載區域1017中之燃料1003。該電源產生系統亦可包括用於將燃料1003移動至燃料負載區域1017中之傳送機構1005、經組態以將燃燒燃料所產生之光子轉換為非光子形式之功率之光伏打功率轉換器1006、用於移除燃燒燃料之副產物之移除系統1013及操作耦合至移除系統1013以將燃燒燃料之經移除副產物再循環至再循環燃料中之再生系統1014，如圖11及12之實施例所示。
本發明之其他示例性電源產生系統可包括經組態以遞送至少約5,000kW或至少約2,000A/cm2之功率之電源1004。複數個間隔開的電極1002可電連接至電源1004，且可圍繞燃料負載區域1017。燃料負載區域1017可經組態以接收燃料1003，且在燃料1003接收在燃料負載區域1017中時，該複數個電極1002可經組態以向該燃料供能來點燃燃料1003。該電源產生系統亦可包括用於將該燃料移動至燃料負載區域1017中之傳送機構1005、經組態以將燃燒燃料所產生之複數個光子轉換為非光子形式之功率之光伏打功率轉換器1006、經組態以量測與該電源產生系統有關之至少一個參數之感測器1025及經組態以控制至少一個與該電源產生系統有關之過程之控制器1030，如圖11及12中所示。
在另一實施例中，電源產生系統可包括經組態以遞送至少約 5,000kW或至少約2,000A/cm2之功率之電源1004及複數個電連接至電源1004之間隔開的電極1002。該複數個電極1002可圍繞燃料負載區域1017，且可經組態以向燃料1003供能，來在接收在燃料負載區域1017中時點燃該燃料。燃料負載區域1017中之壓力可為部份真空。該電源產生系統亦可包括用於將燃料1003移動至燃料負載區域1017中之傳送機構1005及經組態以將燃燒燃料所產生之複數個光子轉換為非光子形式之功率之光伏打功率轉換器1006。
本文所述之示例性光伏打電源產生系統可與公用電網互連操作或獨立於公用電網操作，且可與其他能量來源及/或能量儲存系統連接。其等亦可包括任何適宜的組件，包括例如，以下一或多者：AC-DC功率轉換器(諸如變頻器或微變頻器)、功率調節單元、溫度感測器、蓄電池、充電器、系統及/或蓄電池控制器、冷凝器、冷卻系統1011/1012(例如，散熱器、熱交換器1010)、匯流條、用於測量能量產生之智慧電表、單向及/或雙向電表、監測器(例如，針對頻率或電壓)、集中器(例如，折射透鏡如非涅爾透鏡、反射碟如抛物線型或卡塞格林、或導光光學器件)、或其任何適宜組合。光伏打系統亦可包括系統平衡(BOS)硬體，包括例如接線、保險絲、過電流、突波保護及斷開裝置及/或其他適宜的功率處理設備。
另外，光伏打電源產生系統將光伏打電池放置得接近產電漿燃燒反應。因此，示例性電源產生系統可包括如上所述之任何適宜清潔系統，以移除可能累積在光伏打電池上之任何碎屑或殘餘物及/或可能阻礙一些光子被光伏打裝置吸收或可能損害光伏打裝置之其他組分。
此外，可安裝光伏打功率轉換器，以捕獲發出的光子，同時降低可能在產電漿爆炸期間排出之任何衝擊波或顆粒之影響。例如，光伏打裝置可間隔分佈在經組態以中斷衝擊波之擋板上或周圍。薄膜光 伏打電池可施加至較具彈性的基板上，例如，玻璃、聚合物、金屬或其組合。在一些實施例中，光伏打功率轉換器可以可移動方式安裝，且追蹤器或其他感測器可根據爆炸參數調整光伏打裝置之角度及/或定位，以減少該反應所引起之損害。在一些實施例中，可將透明面板或網篩置於光伏打裝置前面，以充當緩衝物及/或擋板。光伏打裝置可包括保護塗層。冷卻系統可驅散反應期間所產生之熱量及/或改變其方向。因此，可將光伏打功率轉換器配置於電源產生系統中，以促進光子捕獲，同時保護光伏打電池免受燃料燃燒及電漿反應之損傷。或者，在一些實施例中，可控制該等反應，以使得爆炸不會不利地影響光伏打電池。例如，該反應可發生在獨立透明的容器1001(在大氣壓力下、高於或低於大氣壓力下，諸如在真空容器中)中，且光伏打電池1006可施加至該容器之外壁及/或可恰好安裝在該容器1001之外側。光伏打功率轉換器1006可以任何適宜方式配置在所揭示的任何適宜電源產生系統中，且可與任何適宜組件及組件組態合併。圖13A描繪將燃料負載區域1017與光伏打功率轉換器1006分開且反應係發生在與光伏打功率轉換器1006分離之區域中之實施例，而圖13B之實施例顯示反應發生在與伏打功率轉換器1006相同區域(例如，容器1001之內部或外部)。
在功率轉換器之一實施例中，電漿光子入射於響應自發發射或雷射光之波長的光電材料上，以致噴射出電子並在柵格或電極處收集。該光電材料(諸如鋇、鎢、純金屬(例如Cu、Sm)、Ba、Cs 2 Te、K 2 CsSb、LaB 6、Sb-鹼金屬、GaAs)充當光電陰極(正極)，如以全文以引用的方式併入本文中之以下參考文獻中所給出：M.D.Van Loy,「Measurements of barium photocathode quantum yields at four excimer wavelengths」,Appl.Phys.Letts.，第63卷，第4期(1993)，第476-478頁；S.D.Moustaizis,C.Fotakis,J.P.Girardeau-Montaut,「Laser photocathode development for high-current electron source」,Proc.SPIE，第1552卷，第50-56頁；Short-wavelength radiation sources,Phillip Sprangle,Ed.；D.H.Dowell,S.Z.Bethel,K.D.Friddell,「Results from the average power laser experiment photocathode injector test」,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，第356卷(1995)，第167-176頁；A.T.Young,B.D'Etat,G.C.Stutzin,K.N.Leung,W.B.Kunkel,「Nanosecond-length electron pulses from a laser-excited photocathode」,Rev.Sci.Instrum.，第61卷，第1期(1990)，第650-652頁；Q.Minquan等人，「Investigation of photocathode driven by a laser」,Qiangjiguang Yu Lizishu/High Power Laser and Particle Beams",Nucl.Soc.China，第9卷，第2期，五月(1997)，第185-191頁。電子集電極可充當陽極(負極)。此等電極間經由負載所形成之電路使得該等電極間形成的電壓驅動電流。因此，電功率傳遞至並耗散於該負載中。
本發明之另一應用係光源。光功率係來自本發明固體燃料之燃燒。該光源包括至少一個圖1及2中所示電池1之透明或半透明壁。該透明或半透明壁可經磷光體塗覆，以將包括光之能量轉換為所需波長帶。燃燒可在足夠頻率下發生，以使得光看來恆定。在一實施例中，燃燒固體燃料所形成之電漿輸出大量短波長。大量光功率可在EUV及軟X-射線區內。短波長光源可用於光微影術。
J.齒輪部份
參考圖2A中所示之SF-CIHT電池，傳統齒輪組通常經設計成將機械能自一個齒輪傳遞至另一個齒輪。雖然此等齒輪包括一系列組態，但其等通常並非經設計用於吸收衝擊波或熱量。一些應用(諸如，例如，如上文所述者)需要可移動及亦承受維持高衝擊及熱傳遞之齒輪。下文所述之齒輪及方法克服先前技術中之至少一些侷限，且可適 合與上述系統及方法一起使用。
本發明齒輪係經組態以與涉及電傳導、壓力波或熱傳遞之過程一起使用。例如，可向一或多個齒輪施加約2,000至約100,000安培之電流及約1至約100,000伏特之電壓，如上所述。可產生壓力波、熱傳遞及離子及/或電漿生產。在一些實施例中，本發明齒輪可經組態以與固體燃料(諸如固體燃料粉末)一起操作。
如圖14中所示，系統10可經組態以產生如上所述之能量。系統10可包括經組態以向一或多個齒輪40供應燃料30之燃料供應器20，如代表燃料流50之箭頭所指示。一或多個齒輪40亦可耦合至一或多個經組態以為一或多個齒輪40提供電力之電源供應器60。
如上所述，可將燃料30供應至一或多個齒輪40，同時向一或多個齒輪40供應電功率。可發生藉以產生大量至少含熱及光70、壓力80或離子90之光子之反應。雖然一些反應產物隨後可轉換為電能，但齒輪40必須經組態以傳導電源供應器60所供應之電，並承受該反應所產生之熱及光70、壓力80或離子90。本文所述之齒輪40及方法可與系統10一起運轉。
如圖14中所示，系統10可包括兩個齒輪40。在其他實施例中，可使用一個或多於兩個齒輪40。亦顯示，兩個齒輪40均在轉動。在其他實施例中，可使用齒條及小齒輪組態。此外，齒輪40可包括齒(輪)、螺旋、斜角、蝸桿或其他類型的齒輪。
齒輪40可與一系列燃料30及一系列燃料流50合作。例如，燃料30可包括固體、液體或氣體形式。如上所述，此等燃料可包括水或水基燃料源。
齒輪40亦可由一或多種適宜材料形成，包括導電及非導電組分。例如，至少部份齒輪40可包括純金屬、金屬合金或陶瓷材料。各種材料及組態可允許齒輪40在波動的壓力、熱量及周圍環境下運轉。
如圖15中所示，齒輪40可包括一或多個輪齒100。兩個相鄰輪齒100間可存在間隙110。輪齒100及間隙110可為任何適宜形狀或尺寸，如下文更詳細說明。齒輪40亦可包括一或多個經組態以接收軸(未顯示)之孔隙120，該軸經組態以提供或輸出旋轉運動。此外，齒輪40可包括一或多個提供、監測或控制旋轉運動之其他元件(未顯示)。例如，齒輪40可包括各種軸承、套管或其他機械元件。
如圖16中所示，齒輪40可包括一或多種材料。雖然輪齒100及間隙110皆以第一材料130及第二材料140顯示，但一或多個輪齒100或間隙110可包括或不包括兩種或更多種材料。可用以至少部份形成齒輪40之各種材料包括Cu、Ag、Ti、W、Mo、TiC、WC，且其他適宜元件具有適宜電導率、硬度、延展性或其他令人滿意的性質。
在一些實施例中，第一材料130之導電性可高於第二材料140。例如，第一材料130可具有低於第二材料140之電阻值。第一材料130可包括不同於第二材料140之材料或可利用不同於第二材料140之過程形成。第一材料130可係導電性，而第二材料140可係絕緣。材料130、140可有其他組態。
在操作中，應瞭解，圖17中所示之齒輪40、40’各可相對於彼此轉動。此轉動可使燃料30陷在齒輪40之間隙110與齒輪40’之輪齒100’之間。施加至齒輪40、40’之電功率可穿過間隙110之第一材料130、穿過燃料30及穿過輪齒100’之第一材料130’。因為第一材料130與周圍第二材料140之電導率的差異，電流將優先流過燃料30之一小部份。此優先流動將引起局部反應，其中釋放的任何產物將來自由第一材料130、130’之表面所界定之區域。
在其他實施例中，材料130、140可具有不同性質。例如，一種材料可比另一材料更硬、更耐壓力脈衝、更耐腐蝕等。
在一些態樣中，輪齒100、間隙110或二者之幾何形狀可經組態， 以提供局部反應。例如，如圖18A-21B中所示，輪齒100可具有各種組態。亦應瞭解，間隙110可類似地組態，以提供特定針對局部反應之幾何形狀。
圖18A、19A、20A及21A說明根據各種實施例之輪齒100之側面輪廓視圖。圖18B、19B、20B及21B說明圖18A、19A、20A及21A中所示相應輪齒100之橫向視圖。特定言之，圖18A顯示具有上表面150、兩個側表面170及兩個位於上表面150與側表面170間之傾斜表面160之輪齒100。圖18B顯示表面150、160、170自輪齒100之第一側面180完全延伸至輪齒100之第二側面190。
圖19A說明具有上表面200及自中間表面220延伸之側表面210之輪齒100。類似於上表面150，上表面200減少與相鄰表面(未顯示)之接觸面積。上表面200在一維度中沿著側壁170間之部份區域延伸，並在第一表面180與第二表面190之間完全延伸。此組態顯示於圖19B中，類似於圖18B中所示之橫向視圖。
雖然圖20A類似於圖18A，但圖20B中所示之橫向視圖不同於圖18B中所示。具體言之，表面150’並未自第一表面180完全延伸至第二表面190，部份傾斜表面160’自第一表面180延伸至第二表面190，且側表面170’自第一表面180完全延伸至第二表面190。同樣地，圖21A顯示一實施例，其中上表面200’僅自第一側面180部份延伸至第二側面190。
雖然圖18A-21B中所示之表面係平坦且線性，但其可係弧形且包括其他表面特徵。此等表面亦可經塗覆，且可包含凸起、凹陷或偏移。
在圖22A中所示之實施例中，輪齒100包括相對法平面240成角度θ設置之有角表面220。間隙110’亦可包括相對於法平面240成角度φ設置之有角表面230。雖然以兩個表面220、230顯示，但一個表面可實 質上平行於法平面240。
表面220、230可藉由在輪齒100與間隙110’間之特定位置處提供燃料30(未顯示)之額外壓縮或集中而運轉。如圖22A中所示，間隙110’左側之第一或選定區域250可具有集中程度更高的燃料，或與間隙110’右側之第二區域260相比，燃料可經受更大壓縮。在其他實施例中，第一區域250可位於輪齒100、間隙110’、或輪齒100及間隙110’之組合周圍各處。例如，如圖22B中所示，輪齒100可包括弧形表面270，且間隙110’可包括弧形表面280。弧形表面270、280可經組態以提供大致位於間隙110’中央之選定區域250，其中第二區域260位於各側。此外，表面270、280之至少一者可延伸跨越輪齒100及間隙110’，如圖18A-19B中以不同表面顯示。在其他實施例中，表面270、280之至少一者可部份延伸跨越輪齒100及間隙110’，如圖20A-21B中以不同表面顯示。
如圖22B中所示，齒輪40、40’之交錯接合可形成沙漏或捏縮形狀。緊鄰沙漏之頸部或腰部(區域280)之材料可由高度穩定或硬化材料(其可為絕緣體，諸如陶瓷)形成。例如，表面270、280之中央區域可係穩定或硬化。鄰近齒輪40、40’之非腰部或球形部份之材料可包括具有更高導電性之材料，諸如金屬(諸如過渡金屬、內過渡金屬、稀土金屬、13族金屬、14族金屬及15族金屬)或至少兩種此等金屬之合金。表面270、280之腰部部份可壓縮選定區域280，且電流可在非腰部或球形區域間通過，而集中在腰部區域。由此，可提高選定區域280(包括該腰部)之電流密度，以達到引爆閾值。該腰部可藉由包含硬化材料之腰部材料之耐腐蝕性保護而免受反應之損傷。包含導體之非腰部或球形區域與未選定燃料區域接觸，其中介於反應產物與此等相應齒輪表面間之燃料可保護此等表面免受該反應及其產物之腐蝕。
沙漏組態之其他變體包括圖22C中所示之實施例。如圖所示，齒 輪40包括被導電材料282(諸如金屬)圍繞之腔室286。齒輪40亦包括經組態以經受電漿形成之表面材料284。在一些實施例中，材料284可包括陶瓷。同樣地，齒輪40’可包括被導電材料282’圍繞之腔室286’，且包括表面材料284’。
在操作中，圖22C中之齒輪40、40’可移動至如圖所示實質上對齊。然後，在燃料(未顯示)於腔室286、286’內壓縮之情況下，可徑向施加通過腔室286、286’自齒輪40至齒輪40’之電流。特定言之，該電流可流過腔室286中之燃料、經過表面材料284、經過表面材料284’並流入腔室286’中。未反應的燃料可留在腔室286、286’內，以至少部份保護導電材料282、282’免受反應產物之損害。此外，表面材料284、284’可經組態，以比材料282、282’更有效地耐受反應產物。因此，圖22C中所示之齒輪40、40’可具有比僅由材料282、282’形成之齒輪40、40’更長之工作壽命。
在一些實施例中，齒輪40可能需要冷卻以驅散反應所產生之熱量。因此，齒輪40可包括一或多根經組態以接收冷卻劑之導管。冷卻劑可包括水或其他液體，諸如熟習此項技術者所知之溶劑或液態金屬。此等導管可經組態以傳遞大量熱量。例如，導管290可包括大表面積以促進熱傳遞，如圖23A中所示。在其他實施例中，可在齒輪40之內部結構中形成多根導管300、310，如圖23B中所示。
一或多個齒輪40、40’亦可包括運動系統320、320’，如圖24中所示。運動系統320、320’可經組態以使一或多個齒輪40、40’移動。例如，運動系統320可使齒輪40向左或右移動，如圖24中所示。此朝向或遠離齒輪40’之運動可使位於齒輪40與齒輪40’間之燃料30(未顯示)壓縮或集中。亦涵蓋運動系統320可包括經組態以吸收反應所產生之一些衝擊之阻尼器，諸如彈簧。亦可組態其他裝置及系統，以提高齒輪功能或壽命。
在另一實施例中，一或多個齒輪40可藉由緊固機制(諸如，例如，藉由曲軸連接並驅動之往復連桿)移動。此可類似於內燃機之活塞系統之系統及方法。例如，當齒輪40、40’之相對電極部分旋轉至相對配對位置時，使相對電極一起承壓。其等可在藉由該緊固機制點燃後移動分開。該等相對電極可為任何所需形狀，且可經選擇性起電，以使至少一些燃料30在選定區域經受較大壓縮，或使該選定區域之電流密度較大。該等相對電極可形成壓縮燃料之半球形殼，其中中央之壓縮最大(參見圖22B)。最高電流密度亦可在中央，以選擇性地在中央區域達到引爆閾值。膨脹電漿可流出該半球形殼之開放部份。在另一實施例中，該等相對電極可形成沙漏形狀，其中該選定區域可包括沙漏之腰部或頸部(參見圖22C)。
亦涵蓋系統10可包括作用方式類似於齒輪40之其他組件。例如，在一些實施例中，系統10可包括一或多個支撐構件400(圖25)。亦涵蓋一或多個齒輪40、構件400或類似組件可組合用於單一系統中，或將各組件之部件用於系統中。
如圖25中所示，第一支撐構件410可大體上位在靠近第二支撐構件420，其中軸430與軸440共軸對齊。亦藉由圖25中之箭頭顯示，當從上方觀察時，第一支撐構件410可以逆時針方向轉動，且第二支撐構件420可以順時針方向轉動。此外，第一支撐構件410可耦合至第一軸430，且第二支撐構件420可耦合至第二軸440。一或多個支撐構件400可以各種方式耦合，以允許進行旋轉運動。例如，一個支撐構件400可旋轉，而另一者可保持靜止。一或多個支撐構件400亦可連續定期運動或受到控制而以一或多種不同速度運動。
類似於上述齒輪40，支撐構件400可經組態以允許發生如本文所提供之反應。支撐構件400可包括一或多個經組態以允許發生反應之接觸元件(描述於下文)。該反應可經由施加高電流而起始。例如，可 將電流施加至兩個彼此極為靠近之接觸元件。此「接觸」不可包括元件間之實體接觸，而係應足夠靠近，以允許電流自一個接觸元件流向另一接觸元件。該電流可流過本文所述燃料，諸如，例如，包含金屬及金屬氧化物之粉末。類似於上述齒輪40，支撐構件400之至少一部份可為導電性。
圖26顯示根據一示例性實施例之軸430、440。在此實施例中，軸430與軸440共軸對齊並貫穿其至少一部份。此組態可允許支撐構件410、420間發生相對旋轉。圖26亦顯示具有一或多個接觸元件450之支撐構件410、420。如上所述，接觸元件450可經組態以彼此相互作用或與另一結構相互作用，以提供可發生本文所述反應之區域。相互作用可包括實體接觸、緊密接觸，或一個元件位於距另一個元件一經組態以允許電流自一個元件流向另一元件之距離處。例如，第一接觸元件452可位於第二接觸元件454附近，且可在元件452、454兩端施加足以使電流通過燃料以產生高能反應之電壓。此反應之能量釋放可使支撐構件410及/或支撐構件420偏轉，如圖26中之箭頭所顯示。此偏轉可提供吸收一些該反應所釋放能量之能量吸收機制。
圖27顯示根據另一示例性實施例之支撐構件400，其包括一或多個耦合器460。耦合器460可包括一系列經組態以允許一或多個支撐構件400運動之裝置或系統。例如，耦合器460可包括齒輪、滑輪或經組態以將旋轉運動傳遞至軸430之其他裝置。特定言之，耦合器460可耦合至經組態以產生運動之馬達(未顯示)，諸如電動、機械或其他類型之馬達。耦合器460亦可包括離合器、斷路器或用以控制支撐構件400之旋轉運動的類似機制。耦合器462亦可包括用以吸收至少一些施加至支撐構件410、軸430或第一接觸元件452之力的主動或被動阻尼器。施加至第一支撐構件410或第一軸430之力可導致任一組件發生如箭頭432所示之運動。若接觸元件450間之高能反應向支撐構件410施 加顯著力，則可發生此垂直運動。主動阻尼系統可包括經組態以允許發生此運動或提供反作用力以部份減少此運動之處理器(未顯示)。被動阻尼系統可包括彈簧、彈性體或經組態以吸收一些所施加力之其他裝置。
如圖所示，第一耦合器462係機械耦合至第一軸430，且第二耦合器464係機械耦合至第二軸440。支撐構件400可使用一個或多於兩個耦合器460。亦涵蓋可將一或多個耦合器460置於軸430、440及相應支撐構件410、420之間。此外，可將第三耦合器466定位於支撐構件400之間。第三耦合器466可包括推力軸承或經組態以容許一或多個支撐構件400在高壓縮負載下旋轉運動之類似裝置。若發生高度高能反應，則支撐構件400可置於高壓縮負載下，以抵消施加至支撐構件400之大力道之影響。因此，耦合器462、464可將壓縮負載傳遞至軸430、440及支撐構件410、420。
圖28說明支撐構件400之另一實施例，其中軸430、440係偏離軸。如圖所示，支撐構件410、420互不平行，而是成一角度設置，以使得接觸元件間之距離在右側較小，而在左側較大。此不對稱容許接觸元件(未顯示)彼此更容易在右側相互作用以產生反應，同時容許左側區域大體上沒有任何類似反應。
在另一實施例中，支撐構件410、420可如圖29中所示進行配置。此處，軸430、440係偏離軸且相互平行。此配置可容許支撐構件410、420重疊，如中央區域444中所示。區域444內可發生反應，同樣釋放高能量。藉由使支撐構件410、420撓曲及/或上文在圖27中所述機制可部份吸收該反應所產生之力。與如圖29中所示之軸430、440聯合使用之耦合器(未顯示)可包括徑向推力軸承，以藉助軸430、440上所產生之側向力運轉。
亦可利用一或多個燃料供應器20為支撐構件400提供燃料，如圖 30中所示。如上所述，燃料供應器20可將本文所述之各類燃料提供至一或多個支撐構件400之選定區域。亦可提供一或多個操作元件470。操作元件470可經組態以進行以下至少一者：監測、清潔、控制支撐構件400或使其至少部份再生。例如，操作元件470可包括在可見、紅外、超聲或其他波長下操作之攝影機，以檢查支撐構件400。此檢查可提供預警系統，以警告系統10支撐構件400未進行適當操作、需要維護或可能失效。元件470亦可包括電刷、噴嘴、刮刀或經組態以至少部份清潔支撐構件400之其他裝置。操作元件470可控制支撐構件400之速度或施加至支撐構件400之力或起到制動器之作用。元件470亦可包括至少部份再生支撐構件400之裝置。例如，元件470可包括向支撐構件400再施加表面或使支撐構件400接受加熱或冷卻以允許部份修復支撐構件400之裝置。元件470可經組態以將保護塗層施加於構件400上，隨後可進行加熱或冷卻步驟，以使該塗層固定及固化。亦可利用操作元件470進行日常維修。
一或多個支撐構件400之操作需要存在及操作一或多個接觸元件450，下文將對其進行詳細描述。類似於齒輪40之輪齒100及間隙110，如上所述，接觸元件450係經組態以相互作用，來提供用於涉及燃料30之反應之區域。類似於上文，一或多個支撐構件400亦可耦合至一或多個經組態以為一或多個支撐構件400供能之電源供應器60。
在一些實施例中，支撐構件400通常可為如圖31A中所示之圓形，該圖顯示支撐構件410之底側表面480。構件400亦可為任何適宜形狀或尺寸。表面480可包括一或多個第一接觸元件452。如圖所示，接觸元件452通常可位於表面480之周邊附近。在其他實施例中，一或多個接觸元件452可位於表面480上各處。在其他實施例中，如圖31B中所示，支撐構件410可包括一或多個大體上自軸430延伸出之支撐元件490。支撐元件490可為任何適宜形狀、尺寸或組態，以為一或多個 第一接觸元件452提供支持。在其他實施例中，接觸元件450可位於固定表面上。
圖32A-D顯示根據一實施例相對於彼此移動之接觸元件452、454之側面剖視圖。如圖所示，耦合至支撐構件410(未顯示)之接觸元件452向右移動，且耦合至支撐構件420(未顯示)之接觸元件454向左移動。在其他實施例中，僅有一個接觸元件450可移動，且其他的可保持固定。最初，如圖32A中所示，第一接觸元件452位於第二接觸元件454之左上方。第一接觸元件452向右移動，且第二接觸元件454向左移動，以使得第一接觸元件452之下部區域極其靠近第二接觸元件454之上部區域或與其實體接觸。如下文所闡述，此靠近(例如，緊密接觸)或實體接觸可容許發生反應。在另一實施例中，一或多個接觸元件452、454可同時彼此相互作用，如圖33中所示。
圖34說明接觸元件450之放大剖視圖。如上所述，接觸元件450可以各種方式耦合至支撐構件400或形成其一部份。接觸元件450亦可包括一或多個管腔500。一或多個管腔可為接觸元件450提供冷卻、傳送燃料或減輕接觸元件450之重量。如上文針對導管290所述，一或多個管腔500可包括大表面積，以促進熱傳遞。接觸元件450可包括一或多個接觸區域510。接觸區域510可包括不同於接觸元件450之材料。接觸區域510亦可經由不同於接觸元件450之過程形成。雖然未顯示，但接觸元件450之其他部位可包括一或多個接觸區域510。
接觸元件450亦可包括前邊緣512及後邊緣514。雖然顯示為曲線，但元件450之一或多個邊緣可為直線(例如，參見圖36)。接觸元件450可為任何適宜形狀及尺寸，端視(例如)反應條件所需之結構要求而定。此外，接觸元件450可以各種方式耦合至支撐構件400(未顯示)。耦合可係透過物理結合(例如，焊接、黏合劑)、機械耦合(例如，鉚釘、螺栓等)或其他耦合機制。亦涵蓋一或多個接觸元件與一 或多個支撐構件400成為整體。類似於渦輪機之葉片，此一體式結構可提供製造優勢、重量優勢、增強對反應條件之耐受性及簡化維護需求。混合、複合及其他結構亦可行。類似於上文針對齒輪40所述，接觸元件450可係導電性，且可包括一或多種導電材料(未顯示)。此電導率可包括總電導率，或元件450之特定路徑或區域可為導電性。元件450之不同部份亦可具有不同電導率。
在一些實施例中，諸如，就如圖25中所示之支撐構件400而言，可能需要使一或多個接觸元件450偏轉。例如，以容許在一或多個支撐構件400間之選定區域內發生反應。為使接觸元件450偏轉，可使用偏轉構件520。偏轉構件520可經設置，以使一或多個接觸元件450至少部份地偏轉。例如，如圖35A-D中所示，偏轉構件520可經設置，以改變接觸元件452之運動。如圖35A中所示，接觸元件452可向右移動。然後，當與偏轉構件520接觸時(圖35B)，接觸元件452亦可向下方移動，以使得接觸元件452與接觸元件454接觸。一旦兩個元件452、454接觸後(圖35C)，即可藉由跨越元件452、454施加電流來發生反應。在反應後，接觸元件452可越過偏轉構件520，並向上方移動，如圖35D中所示。
根據一些實施例，現將詳細描述接觸元件452、454及燃料之反應。如圖36A-C中所示，燃料層530可大體上位於第一接觸元件452與第二接觸元件454之間。燃料層530可至少部份延伸跨越第一接觸元件452及/或第二接觸元件454之接觸區域510。燃料層530可包括各種材料(包括燃料20)，且可利用如本文所述之各種裝置及方法沉積。燃料層530亦可以實體接觸大體上位於接觸元件452、454之間，其中可無需任一或兩個元件(圖36A)。
在將燃料層530適當地置於接觸元件452、454之間後，可跨越接觸元件452、454施加電流。接觸元件452、454之一部份或全部可為導 電性，類似於上文針對齒輪40所述。例如，可將一或多種導電材料提供於接觸元件452、454內或周圍。本文描述所施加的電壓及電流，且其可取決於燃料層530所含燃料20之類型。在施加電流後，可發生高能反應，從而使接觸元件452、454分開(圖36B)。任何運動之程度將取決於若干因素，包括(例如)該反應所釋放之能量及功率、接觸元件及任何支撐結構之形狀、尺寸及材料。
如圖36C中所示，在反應後，接觸元件452、454可彼此靠近。該運動可受到高度阻尼，端視相關結構及裝置而定，如上文針對圖27所述。在一些態樣中，可發生一些振盪運動。
雖然上述實施例包括接觸元件450間之旋轉運動，但亦涵蓋可使用其他類型之運動。例如，可使用往復運動。圖37A-C顯示往復運動之一實例，其中將接觸元件452耦合至擺540。在操作中，擺540在第二接觸元件454上方來回運動。在接觸元件452、454彼此相互作用之前，燃料層530可大體上位於元件452、454之間(圖37A)。當第一接觸元件452位置大致靠近第二接觸元件454或在其上方時(圖37B)，可跨越接觸元件452、454施加電流。所得能量釋放可迫使第一接觸元件452擺動遠離第二接觸元件454(圖37C)，其中一些釋放的能量被擺540及接觸元件452之運動吸收。擺540然後可再次往回擺動，且可重複該循環。
在另一實施例中，接觸元件可相對於彼此在直線方向上運動。例如，如圖38A-C中所示，第一接觸元件452可位於經組態以接收第一接觸元件452之通道550內。通道550之孔隙552之位置可靠近第二接觸元件454，以使得接觸元件452、454可以大體上直線運動的方式朝向或遠離彼此運動。如圖38A中所示，接觸元件452可朝位於第二接觸元件454上之燃料層530運動。可經由通道550之壁554或經由另一機制向第一接觸元件452施加電流，以使燃料層530反應(圖38B)。然 後，該反應可驅使第一接觸元件452遠離第二接觸元件454，並在通道550內向上運動(圖38C)。
在接觸元件450間達成不同運動之各種系統可與一或多種上述特徵組合。例如，上述盤、擺或通道實施例可包括一或多個圖27中所述及所示特徵。例如，可將彈簧(未顯示)置於通道實施例(圖38A-C)之通道550內，以為第一接觸元件452提供阻尼力。在另一實例中，可將耦合器(未顯示)置於擺540之上端，以至少部份控制該實施例(圖37A-C)之第一接觸元件452之運動、速度、受力或作用力。
本文所述各種實施例亦可與一或多種如本文所述之光伏打電池組合。為提升光伏打電池570或類似裝置之性能，可使用各種組件來減少本文所述反應所釋放能量之衝擊或影響。例如，如圖39中所示，可將保護膜560至少部份地設置於一個或兩個接觸元件452、454與光伏打電池570之間。膜560可經組態以使衝擊波部份擴散、使反應所產生之一些粒子偏轉或提供至少部份屏障，以為電池570提供額外保護。膜560可由連續材料形成，且可係透明。在一些實施例中，膜560可濾除一或多種波長。膜560可直接耦合至電池570，或位於離電池570一定距離處。
在其他實施例中，可提供一系列屏障580。屏障可大體上位於元件452、454與電池570間之反應位點間。屏障580可以各種方式配置，且可沿著類似半徑設置或設置於不同半徑之層上，以協助或提供對電池570之保護。例如，屏障580可包括一系列引導衝擊波或使其擴散之擋板、籠形構件或其他物體，以保護電池570。在又其他實施例中，可將膜570或屏障580之一或多個操作或結構併入單一結構中，或形成電池570之一部份。
K. SF-CIHT電池供能軸流式風扇應用
來自低能量氫反應之光功率輸出之光伏打轉換呈現完善的太陽 能產業之新市場。包括巨大產業之另一可再生能量來源與風力有關，其中使用風車來發電。風力發電場之一項決定因素係其等藉由改變風模式而改變大面積環境區之氣候。風力發電場可改變局部氣候。在SF-CIHT發電機之一實施例中，以所需方式利用風車來改變氣候。在一實施例中，複數個風車各自由SF-CIHT發電機驅動，以將潮濕的近海空氣吹向陸地，其冷凝並降落於旱地上，以使其不再乾旱。
包括巨大產業之另一可再生能量來源與風力有關，其中使用風車來發電。風力發電場之一項決定因素係其等藉由改變風模式而改變大面積環境區之氣候。風力發電場可改變局部氣候。在SF-CIHT發電機之一實施例中，以所需方式利用風車來改變氣候。在一實施例中，複數個風車各自由SF-CIHT發電機驅動，以將潮濕的近海空氣吹向陸地，其冷凝並降落於旱地上，以使其不再乾旱。可移向陸地之水量可由風力渦輪機之功率方程式計算出。風通過風車之動力功率P係由下式給出P=1/2ρAv 3 (202)
其中ρ為空氣密度(1.3kg/m3)，A為葉片掃過的面積，且v為當驅動渦輪機時之風速。速度v亦為渦輪機在藉由SF-CIHT發電機所施加之功率P供能時可在面積A上產生之風速，其中將相應軸流式風扇之性能因素取為估算量級之1/2。目前，可購得的商業風車具有164m直徑葉片，其可產生7MW功率。因此，風速為
Figure 108115763-A0305-02-0177-112
單位時間移動的空氣質量
Figure 108115763-A0305-02-0177-113
係由下式給出
Figure 108115763-A0305-02-0177-114
H2O量為所吹動空氣質量之3%或
Figure 108115763-A0305-02-0177-115
。一英畝土地為43,560平方呎或4 X107cm2。1cm深的雨水需要4 X107cm3或4 X104 kg之H2O。給定H2O之運動速率，每
Figure 108115763-A0305-02-0178-117
可提供該水量。因此，在一週內，可使100,000英畝土地煥發生機。包括150個風車之風力發電場將灌溉1500萬英畝。作為颶風多發區之替代性有益應用，史丹福大學(Stanford University)的研究[http：//www.youtube.com/watch？v=M7uRtx18j2U]已顯示，被動(發電)風車可減輕颶風之疾風，並在大風形成前將其驅散。此應用可藉由以SF-CIHT發電機驅動風車，以使風向相反方向吹而大大地強化。因此，用於此應用之風力發電場之容量可大幅減少。
XI.實驗
A.示例性SF-CIHT電池能量及固體燃料再生之測試結果
在實驗性測試中，樣品包括1cm2經NiOOH、11重量%碳及27重量% Ni粉末鑄塗之薄(<1mm厚)膠帶塗覆之鎳網導體。將該材料約束在Taylor-Winfield型號ND-24-75點焊機之兩個銅電極之間，並經受短叢發之低電壓高電流電能。外加60Hz電壓為約8V峰值，且峰值電流為約20,000A。輸入約46J能量約0.14ms後，該材料在約1ms內蒸發。測試若干種規格的導線，以藉助高能、帶有數千伏特電荷、高電容短路電容器確定8V是否足以觀察到導線爆炸現象。僅在0.25mm直徑Au導線之情況中觀察到已知的電阻加熱至紅熱及加熱至熔化。
使剛好350mg NiOOH及50mg Ni金屬汽化之以熱力學計算的能量為3.22kJ或9.20kJ/g NiOOH。由於NiOOH的分解能量基本上為零，故此實驗證實釋放大量能量。於施加40J可忽略的總能量後開始爆炸。該爆炸導致在3ms內釋放3.22kJ熱能，相當於1,100,000W(1.1MW)熱功率。給定1cm2面積及<1mm厚度之樣品尺寸，體積功率密度超過11 X 109W/l熱。由以Ocean Optics可見分光計記錄之可見光譜對黑體輻射曲線之擬合，氣體溫度為5500K。
考慮到達成剛好反應混合物之350mg NiOOH及50mg Ni網組分之觀察汽化之計算熱能為3.22kJ。350mg NiOOH固體燃料中之H2莫耳量為2毫莫耳。基於H2至H2(1/4)之低能量氫反應之50MJ/莫耳H2(1/4)之計算焓，其中化學計量為2/3之H變成HOH觸媒，且1/3變成低能量氫H2(1/4)，形成H2(1/4)之相應最大理論能量為33kJ；所以，約10%之可用氫轉化為H2(1/4)。相應的低能量氫反應產量為64.4微莫耳H2(1/4)。
固體燃料之另一實施例包括100mg Co粉末及20mg水合MgCl2。將該等反應物壓縮成丸粒，並用Taylor-Winfield型號ND-24-75點焊機藉由使該丸粒接受短叢發之低電壓高電流電能而點燃。外加60Hz電壓為約8V峰值，且峰值電流為約20,000A。該爆炸發生在填充氬氣的手套袋中並估計釋放3kJ電漿能量。電漿顆粒凝結成奈米粉末。用10mg H2O使產物水合，並重複點燃。再生固體燃料之重複爆炸比第一次更強大，釋放約5kJ能量。在另一實施例中，Ag代替Co。
B. SF-CIHT電池之固體燃料之熱量測定
利用具有Parr 6774熱量計型溫度計選項之Parr 1341普通夾套熱量計對固體燃料丸粒進行熱量測定。該熱量計之Parr 1108氧燃燒室經修改，以允許用高電流起始化學反應。使包括1/2”外徑(OD)乘以12”長的銅圓柱體之銅棒點火電極饋過含有作為用於校準熱量計之熱容量之對照電阻負載之石墨丸粒(~1000mg,L x W x H=0.18”x 0.6”x 0.3”)或固體燃料丸粒之密封腔室，其中末端具有緊緊約束各樣品之銅夾。該熱量計的水浴槽裝有2,000g DI水(根據Parr手冊)。用於校正及點燃固體燃料丸粒之電源為Taylor-Winfield型號ND-24-75點焊機，其提供呈60Hz約8V RMS低電壓及約15,000至20,000A高電流形式之短叢發電能。校正及點燃固體燃料之輸入能量係以電壓與在輸入時間上積分之電流之乘積給出。藉由包括具有National Instruments USB-6210資料 採集模組及Labview VI之PC之資料採集系統(DAS)測量電壓。亦藉由相同DAS，利用羅格夫斯基(Rogowski)線圈(具有700mm電纜之型號CWT600LF)測量電流，其準確至0.3%作為訊號源。以10KS/s獲取V及I輸入資料，並使用電壓衰減器使類比輸入電壓達到USB-6210之+/- 10V範圍內。
利用石墨丸粒及電焊機提供之995J能量輸出測得熱量計及電極裝置之校正熱容量為12,000J/℃。用3V之60Hz外加峰值電壓及約11,220A之峰值電流點燃包含Cu(45mg)+CuO(15mg)+H2O(15mg)並密封在DSC鋁盤(70mg)(鋁坩堝30μl,D：6.7x3(Setaram,S08/HBB37408)及鋁蓋D：6,7，蓋緊(Setaram,S08/HBB37409))中之固體燃料之樣品。自電壓及電流經時測量的輸入能量為46J，其可點燃該樣品，如由波形中具有由點焊機之功率脈衝提供之899J總輸入之中斷尖峰指示，且利用校正熱容量回應自點燃固體燃料釋放之能量計算的熱量計熱之總輸出能量為3,035.7J。藉由減去輸入能量，0.075g樣品之淨能量為2,136.7J。在利用水之對照實驗中，氧化鋁盤除在爆炸中汽化以外並不經歷反應。XRD亦顯示並未形成氧化鋁。因此，理論化學反應能量為零，且固體燃料在形成低能量氫時產生28,500J/g過剩能量。
C.光伏打功率轉換
用3-6V之60Hz外加峰值電壓及約10,000-15,000A之峰值電流點燃包含Cu(45mg)+CuO(15mg)+H2O(15mg)並密封在DSC鋁盤(70mg)(鋁坩堝30μl,D：6.7x3(Setaram,S08/HBB37408)及鋁蓋D：6,7，蓋緊(Setaram,S08/HBB37409))中之固體燃料之樣品。用Ocean Optics可見分光計(Ocean Optics Jaz，具有ILX511b偵檢器、OFLV-3濾光器、L2透鏡、5um狹縫、350-1000nm)記錄可見光譜。該光譜擬合約6000K之黑體。太陽之黑體溫度為5800K。由於太陽及SF-CIHT電漿皆在 5800K-6000K下(圖40)，且太陽係地球上標準的1000W/m2黑體，故太陽能電池充當功率計。燃燒中心距太陽能電池一定距離處之電漿之光功率密度係基於電漿源相對於太陽之相對太陽能電池功率密度響應計算出。然後藉由將功率密度乘以在其上測定密度之球殼之立體角面積計算出電漿源之總光功率。
以1000W/m2之太陽光功率作為標準光源，測定單結晶太陽能面板之效率。利用於單結晶太陽能面板上記錄得的能量及其面積、及20us燃燒事件之持續時間(其係由150,000幀/秒高速視訊測得)，測得電漿之功率密度為6 X 106W/m2。利用Ocean Optics分光計確認電漿之光功率。測得光纖電纜入口距電漿中心(其產生匹配標準點光源功率光源之光譜強度)之分離距離。然後，藉由以該分離距離的平方校正標準功率給出電漿源之功率。典型的分離距離較大，諸如700cm。
藉由將功率密度乘以半徑(燃燒中心與太陽能面板間之距離)為10英寸之立體角球形面積，測得電漿之總光功率為0.8m2 X 6 X 106W/m2=4.8 X 106W光功率。由總功率乘以20us爆炸持續時間給出之總能量為(4.8 X 106W)(20 X 10-6s)=96J。以熱量計測得固體燃料爆炸所釋放的典型能量為約1000J。據認為記錄到的較少量光能係由於不利於快速點燃發射之單結晶太陽能電池之緩慢反應時間所引起。GaAs電池可能較為合適。
太陽及燃燒電漿之5800K黑體溫度大約相同，因為兩種情形下之加熱機制相同，皆為將H催化為低能量氫。高爆炸物之溫度亦高達5500K(正如預期)，因為高溫來源係低能量氫之形成。由於太陽能電池已經最優化以將5800K之黑體輻射轉換為電，故利用太陽能電池之光伏打轉換係SF-CIHT發電機之適宜功率轉換方式，其如由此等測試證實。
對各自包含100mg Cu+30mg去離子水並密封在DSC鋁盤(75mg) (鋁坩堝30μl,D：6.7x3(Setaram,S08/HBB37408)及鋁蓋D：6,7，蓋緊(Setaram,S08/HBB37409))中之固體燃料丸粒進行一系列點燃。以1.9cm間隔將該等丸粒黏附至銅金屬條帶上，並將該條帶形成於National Electric Welding machines縫焊機(100kVA Model #100AOPT SPCT 24)之滾筒盤周圍，並用約4-8V之60Hz外加峰值電壓及約10,000-35,000A之峰值電流點燃。調整轉速，以使得當該滾筒將各丸粒移動至縫焊機之上死點位置時以1Hz之爆炸頻率發生爆炸。利用光伏打轉換器將明亮閃光轉換為電力，且該電力耗散於發光二極體(LED)陣列中。
將具有附加Lexan壁之三邊金屬框設置在縫焊機盤周圍，以使得矩形外殼之壁離焊盤最近的距離為約15cm。將30W、12V太陽能面板附接至該外殼三個壁之每一者。各面板包括高效率6"多晶電池、低鐵強化玻璃及EVA膜，其中TPT背板封裝具有陽極化鋁合金框架(類型6063-T5)之電池(UL Solar,http：//www.ulsolar.com/30_Watt_12_Volt_multicrystalline_solar_panel_p/stp030p.htm)。其他的太陽能面板規格為：電池(多晶矽)：156mm x 39mm；電池及連接點之數量：36(4 x 9)；模組尺寸：26.2 x 16.2 x 0.98 in；重量：8 lbs。電氣特性為STC功率：30瓦；最大電源電壓(Vpm)：17.3伏特；最大電源電流(Ipm)：1.77安培；開路電壓(Voc)：21.9伏特；短路電流(Isc)：1.93安培；公差：±5%；標準測試條件：溫度25℃、輻照度1000W/M2、AM=1.5；最大系統電壓：600V DC；串聯保險絲額定值：10安培；溫度係數Isc：0.06%/K；Voc：-0.36%/K；Pmax：-0.5%/K；操作溫度：-40℃至+85℃；儲存濕度：90%；輸出端子類型：接面盒；電纜：9ft，3000mm。
將太陽能面板連接至LED陣列。LED陣列包括Genssi LED Off Road Light 4X4 Work Light Waterproof 27W 12V 6000K(30D egree Spot)http：//www.amazon.com/Genssi-Light-Waterproof-6000 K-Degree/dp/B005WWLQ8G/ref=sr_1_1？ie=UTF8&qid=1396219947&sr=8-1&keywords=B005WWLQ8G、具有300xSMD3528及Adhesive Back之LEDwholesalers 16.4英尺(5米)可撓性LED光條(12伏特、白色、2026WH(總功率24W)),http：//www.amazon.com/LEDwholesalers-Flexible-LED-Strip-300xSMD3528/dp/B002Q8V8DM/ref=sr_1_1？ie=UTF8&qid=1396220045&sr=8-1&keywords=B002Q8V8DM及9W 12V Underwater LED Light Landscape Fountain Pond Lamp Bulb White http：//www.amazon.com/Underwater-Light-Landscape-Fountain-White/d p/B00AQWVHJU/ref=sr_1_1‘？ie=UTF8&qid=1396220111&sr=8-1&keywords=B00AQWVHJU。LED在額定電壓及瓦數下之估計總輸出功率為27W+24W+9W=60W。三個太陽能面板在1個太陽穩態條件下之集體輸出功率為90W。
一系列以1Hz進行之連續爆炸使LED陣列在全光輸出下維持大體上連續操作。考慮三塊太陽能面板收集自各固體燃料丸粒爆炸之能量平衡。LED輸出約60W持續約1s，儘管爆炸時間短得多(100us)。多結晶光伏打材料具有不太適合多兆瓦短叢發之反應時間及最大功率。但是，該電池在1s時間間隔內充當約60J能量之積分器。測得光在Lexan之反射為50%，且多晶電池將5800K光轉換為電之效率為約10%。針對反射及10%效率校正60J相當於1200J。在100us事件內之相應光功率為12MW。以獨立爆炸量熱法測得之各丸粒爆炸所釋放的能量為約1000J。藉由以光電二極體快速檢測測得之爆炸時間為100us。因此，測得功率為約10MW。以可見分光計測得之距離大於約200cm處之光功率之功率密度超過1MW/m2。根據史特凡-波茲曼定律，確定該光功率密度與6000K黑體之預期輻射一致。與熱量計及分 光鏡功率結果相比，光伏打轉換器得到合理能量平衡。
D.電漿動力功率轉換
將0.05ml(50mg)H2O添加至20mg密封在DSC鋁盤(鋁坩堝30μl,D：6.7x3(Setaram,S08/HBB37408)及鋁蓋D：6,7，蓋緊(Setaram,S08/HBB37409))中之Co3O4或CuO。利用Taylor-Winfield型號ND-24-75點焊機，在施加至包括5/8”外徑(OD)乘以3”長的銅圓柱體之點火電極(其中平頭約束樣品)之約8V RMS下，以15,000至25,000A間之電流點燃各樣品。觀察到大功率叢發，其將各樣品汽化為高度電離的高能膨脹電漿。PDC電極包括兩根1/16”OD銅線。將磁化PDC電極塑造成直徑1”之開放迴圈，以圓周圍繞點火電極的方式將其置於燃料樣品平面上。由於電流係軸向，故來自高電流之磁場係輻射狀，平行於環形PDC電極之輪廓。相反未磁化PDC電極平行於點火電極及高電流之方向；因此，徑向磁場線垂直於此PDC電極。該相反PDC電極向樣品平面上下延伸2.5”。測量跨越標準0.1ohm電阻器之PDC電壓。PDC電極在相應點火後之電壓為25V。
E.固體燃料之示差掃描熱量法(DSC)
利用Setaram DSC 131示差掃描熱量儀，利用經Au塗覆的坩堝測試固體燃料超過最大理論值之過剩能量，表7中顯示代表性結果。
Figure 108115763-A0305-02-0184-118
F.分子低能量氫之光譜鑑定
將0.05ml(50mg)H2O添加至20mg密封在DSC鋁盤(鋁坩堝30μl,D：6.7x3(Setaram,S08/HBB37408)及鋁蓋D：6,7，未蓋緊(Setaram,S08/HBB37409))中之Co3O4或CuO，並利用Taylor-Winfield型號ND-24-75點焊機在約8V RMS下以15,000至25,000A間之電流點燃。觀察到將各樣品汽化為高度電離的高能膨脹電漿的大功率叢發。將MoCu箔見證板(50-50原子%,AMETEK,0.020”厚)置於離點燃樣品中心3.5英寸處，以使得膨脹電漿入射於表面上，而將H2(1/4)分子嵌入該表面中。
以微距模式利用具有780nm二極體雷射器之Thermo Scientific DXR SmartRaman，在曝露至含H2(1/4)電漿後在MoCu箔上觀察到40cm-1寬吸收峰。未在原始合金中觀察到峰，且峰強度隨著電漿強度及雷射強度之增加而增加。由於尚未知其他可吸收單一40cm-1(0.005eV)近紅外線(1.33eV(780nm雷射減去1950cm-1之能量))之元素或化合物，故認為係H2(1/4)。始於1950cm-1之吸收峰匹配H2(1/4)之自由空間轉動能量(0.2414eV)至四位有效數字，且40cm-1之寬度匹配軌域核耦合能量裂距[Mills GUTCP]。
匹配H2(1/4)轉動能量之吸收峰為真峰，且無法以任何已知物質解釋。激發低能量氫轉動可藉由逆拉曼效應(IRE)導致吸收峰。此處，雷射所引起之連續能譜被吸收並位移至雷射頻率，其中該連續能譜強得足以維持旋轉激發態群體，以允許反斯托克斯(antiStokes)能量貢獻。通常，該雷射功率對IRE而言極高，但發現MoCu表面引起表面增強拉曼散射(SERS)。吸收被分配給H2(1/4)轉動能量之逆拉曼效應(IRE)，以使J'=1躍遷至J"=0。此結果顯示，H2(1/4)為自由轉子，在矽基質中之H2便是此情形。經電漿曝露的MoCu箔之結果與先前在如Mills先前公開案：R.Mills,J.Lotoski,J.Kong,G Chu,J.He,J.Trevey,High-Power-Density Catalyst Induced Hydrino Transition(CIHT)Electrochemical Cell,(2014)中所報導的CIHT電池上觀察到的結果相 匹配，該案之全文以引用的方式併入本文中。
對包括CIHT電解質、CIHT電極及無機化合物吸氣劑KCl-KOH混合物並置於封閉CIHT電池之密閉容器中之反應產物樣品進行MAS 1 H NMR、電子束激發發射光譜法、拉曼光譜法及光致發光發射光譜法。
陷在質子性基質中之分子低能量氫之MAS NMR呈現利用分子低能量氫之獨特特性經由其與基質之相互作用對其進行鑑定之方式。關於NMR光譜之獨特考量係可能的分子低能量氫量子態。類似於H2激發態，分子低能量氫H 2(1/p)具有l=0,1,2,...,p-1之狀態。甚至l=0的量子態具有相對大的四極矩，且此外，l≠0狀態之相應軌域角動量產生可引起高磁場基質移位之磁矩[Mills GUT]。當基質包括可交換H(諸如具有水合水之基質或鹼金屬氫氧化物固體基質，其中與H 2(1/p)之局部相互作用因快速交換而影響較大量群體)時，該效果尤其有利。CIHT電池吸氣劑KOH-KCl顯示基質(KOH)之MAS NMR主動組分在曝露至密封CIHT電池內之大氣後自+4.4ppm位移至約-4至-5ppm。例如，初始KOH-KCl(1：1)吸氣劑、來自包括[MoNi/LiOH-LiBr/NiO]及[CoCu(H perm)/LiOH-LiBr/NiO]並分別輸出2.5Wh、80mA、增益125%及6.49Wh、150mA、增益186%之CIHT電池之相同KOH-KCl(1：1)吸氣劑之MAS NMR光譜顯示，OH基質之已知低場峰自約+4ppm位移至約-4ppm之高場區域。CIHT電池所產生之分子低能量氫使該基質自正極位移至顯著高場。p=4狀態之可能不同l量子數可引起與多個在-4ppm區域之此等峰之觀察結果一致之不同高磁場基質移位。當高磁場移位氫氧根離子(OH-)充當自由轉子時，藉由與分子低能量氫形成複合物而高磁場移位之KOH基質之MAS NMR峰可係尖銳，其與先前觀察結果一致。MAS-NMR結果與先前正離子ToF-SIMS光譜一致，其顯示基質化合物與二氫之多聚體集群作為結構M：H2(M=KOH或K2CO3) 之一部份。具體言之，包含KOH及K2CO3之先前CIHT電池吸氣劑(諸如K2CO3-KCl(30：70重量%))之正離子光譜顯示與H2(1/p)一致作為結構中之複合物之K +(H 2：KOH) n 及K +(H 2：K 2 CO 3) n [R.Mills,X Yu,Y.Lu,G Chu,J.He,J.Lotoski,「Catalyst induced hydrino transition(CIHT)electrochemical cell,」(2014),International Journal of Energy Research]。
試圖利用拉曼光譜法藉由其出奇高的特徵性轉振能量直接鑑別分子低能量氫。另一明顯特徵係分子低能量氫之選擇規則不同於普通分子氫。類似於H2激發態，分子低能量氫具有l=0,1,2,...,p-1之狀態，其中H 2(1/p)；p=1,2,3,...,137之長圓球形光子場具有量子數l相對於半長軸之球諧角組分[Mills GUT]。此等長圓球諧波狀態間之躍遷允許在純振動躍遷期間發生△J=0,±1之轉動躍遷，而不會發生如H2激發態所觀察到之電子躍遷。角狀態之壽命足夠長，以致H2(1/p)可獨特地經歷具有選擇規則△J=0,±1之純轉振躍遷。
發射轉振分子低能量氫狀態可受到高能電子碰撞或雷射之激發，其中由於p 2(J+1)0.01509eV之轉動能量[Mills GUT]，激發轉動態在環境溫度下無法歸為統計熱力學群體，因為相應的熱能小於0.02eV。因此，轉振態群體分佈反映外部源之激發概率。此外，由於p 20.515eV之振動能量比轉動能量高三十五倍，故預期僅有第一能級υ=1可受到外部源激發。分子低能量氫狀態可在環境溫度下經歷l量子數變化，且J量子態可在電子束或雷射照射期間因功率被熱化而變化。因此，初始狀態可獨立於J量子數為l=0,1,2,3中任一者。因此，轉動及轉振躍遷具有拉曼及IR活性，且容許存在R、Q、P分支，其中角動量在轉動及電子狀態變化間守恆。由於l量子數允許發生變化，所以轉動能量升頻轉換(J'-J"=-1)、降頻轉換(J'-J"=+1)及不變(J'-J"=0)之去激發振動躍遷υ=1→υ=0分別產生P、R及Q分支。Q-分 支峰對應於純振動躍遷υ=1→υ=0；預測△J=0最強烈，且高階P及R系列轉變峰之強度快速下降，其中由於可利用之內轉變能量，預期P分支相對於R分支具有更多較高強度峰。預期基質之影響導致自自由振動子轉移振動能量，且預期基質轉動能量障壁產生與各P及R分支峰大約相同的能量轉移，表現為一系列轉動峰之線性能量分離之非零截距。
據先前報導[R.Mills,X Yu,Y.Lu,G Chu,J.He,J.Lotoski,「Catalyst induced hydrino transition(CIHT)electrochemical cell,」(2014),International Journal or Energy Research]，陷在CIHT電池氣體之吸氣劑之結晶晶格內之H 2(1/4)之轉振發射係在5 X 10-6托之壓力範圍中由具有8μA電子束電流之入射6keV電子槍激發，並藉由無窗UV光譜法記錄。藉由相同方法，藉由電子束激發發射光譜法觀察到陷在MoCu之金屬結晶晶格內之H 2(1/4)。自輸出5.97Wh、80mA、增益190%之CIHT電池[MoCu(50/50)(H滲透)/LiOH+LiBr/NiO]之MoCu陽極記錄之H2(1/4)之解析轉振光譜之一實例(所謂的260nm頻帶)在258nm下顯示峰最大值，其中代表性峰位置在227、238、250、263、277及293nm下，具有0.2491eV之相等間距。該等結果分別極好地符合H2(1/4)之υ=1→υ=0及Q(0)、R(0)、R(1)、P(1)、P(2)及P(3)之基質位移振動躍遷及自由轉子轉動躍遷之預測值，其中Q(0)可視為該系列之最強鋒。峰寬(FWHM)為4nm。預期H2(1/4)相對於普通H2在結晶晶格中之轉振躍遷將拓寬，因為所涉及的能量係非同尋常，高出十六倍，且顯著地耦合至晶格之聲子帶，從而導致共振展寬。未在MoCu起始材料上觀察到260nm頻帶。260nm頻帶係作為當密封在如先前所述之CIHT電池中時充當H2(1/4)氣體吸氣劑之KOH-KCl晶體之二階拉曼螢光光譜觀察到[R.Mills,X Yu,Y.Lu,G Chu,J.He,J.Lotoski,「Catalyst induced hydrino transition(CIHT)electrochemical cell,」 (2014),International Journal or Energy Research]。在CoCu陽極上亦觀察到260nm頻帶。
利用拉曼光譜法進一步確認H2(1/4)，其中由於正分子與仲分子間之能量差異大，故預期後者將主導該群體。假定仲分子係偶數，偶數之純轉動躍遷之典型選擇規則為△J=±2。然而，軌域轉動角動量耦合使l量子數發生變化，同時激發轉動能級之光子之角動量守恆，其中相對於l量子數不變之躍遷而言，共振光子能藉由軌域核超精細能量改變頻率。此外，就l≠0而言，該等原子核沿著核間軸對齊，如參考文獻[Mills GUT]之第12章中所給出。定義為初態減去終態之斯托克斯(Stokes)光譜之轉動選擇規則為△J=J'-J"=-1，軌域角動量選擇規則為△l=±1，且在轉動及軌域角動量激發耦合期間之角動量守恆可容許躍遷[Mills GUT]。而且，預期原子核自旋不依賴強度。
以微距模式利用具有780nm二極體雷射器之Thermo Scientific DXR SmartRaman，在生產過量電後，在MoCu氫滲透陽極上觀察到40cm-1寬吸收峰。未在原始合金中觀察到該峰，且該峰強度隨著過剩能量及雷射強度增加而增加。此外，其出現在聲波處理前後，表明被視為來源之僅有可能元素為Mo、Cu、H及O，如由SEM-EDX所確認。對照化合物之置換無法複製該峰。在具有Mo、CoCu及MoNiAl陽極之電池(諸如輸出6.49Wh、150mA、增益186%之電池[CoCu(H滲透)/LiOH-LiBr/NiO]及輸出2.40Wh、80mA、增益176%之電池[MoNiAl(45.5/45.5/9重量%)/LiOH-LiBr/NiO])上亦觀察到該峰。在獨立實驗中，來自此等電池之KOH-KCl吸收的氣體產生歸於H2(1/4)轉振之極強螢光或光致發光系列峰。由於尚未知其他可吸收單一40cm-1(0.005eV)近紅外線(1.33eV(780nm雷射減去2000cm-1之能量))之元素或化合物，故認為係H2(1/4)。始於1950cm-1之吸收峰匹配H2(1/4)之自由空間轉動能量(0.2414eV)至四位有效數字，且40cm-1之寬度匹配軌域 核耦合能量裂距[Mills GUT]。
匹配H2(1/4)轉動能量之吸收峰為真峰，且無法以任何已知物質解釋。低能量氫轉動之激發可藉由兩種機制引起吸收峰。在第一種機制中，斯托克斯光因轉動低能量氫之強相互作用而被晶格吸收作為晶格內含物。此類似於260nm電子束頻帶中觀察到的共振展寬。第二種機制包括已知的逆拉曼效應。此處，雷射所引起之連續能譜被吸收並位移至雷射頻率，其中該連續能譜強得足以維持旋轉激發態群體，以允許反斯托克斯能量貢獻。通常，該雷射功率對IRE而言極高，但分子低能量氫因其非零l量子數及相應選擇規則可為特例。此外，預期MoCu由於金屬混合物之Mo及Cu晶界尺寸小而導致表面增強拉曼散射(SERS)。所以，該等結果係在後一機制之背景下論述。
該吸收被分配給H2(1/4)轉動能量之逆拉曼效應(IRE)，以使J'=1躍遷至J"=0[Mills GUT]。此結果顯示，H2(1/4)為自由轉子，在矽基質中之H2便是此情形。此外，由於H2(1/4)可與氫氧化物形成複合物(如由MAS NMR及ToF-SIM顯示)，且因影響晶格中H2(1/4)位置處之局部環境觀察到電子束激發發射光譜及光致發光光譜之基質移位，預期IRE亦在不同基質中移位，且亦具有壓力[R.Mills,X Yu,Y.Lu,G Chu,J.He,J.Lotoski,「Catalyst induced hydrino transition(CIHT)electrochemical cell,」(2014),International Journal or Energy Research]。同樣地，作為基質內含物之H2之拉曼峰隨壓力而移位。藉由拉曼光譜篩選金屬及無機化合物觀察到若干個實例。Ti及Nb從1950cm-1開始顯示約20計數之小吸收峰。Al顯示大得多的峰。無機化合物之實例包括分別在2308cm-1及2608cm-1下顯示峰之LiOH及LiOH-LiBr。球磨研磨LiOH-LiBr引起大大增強IRE峰並使其移位以如同LiOH以2308cm-1為中心以及形成以1990cm-1為中心之峰之反應。觀察到來自形成H2O之Ca(OH)2之在2447cm-1下之尤其強的吸收峰。H2O 可充當在512℃下使Ca(OH)2脫水或藉由與CO2反應後形成H2(1/4)之觸媒。此等係形成低能量氫之固體燃料類型反應，如先前所報導[R.Mills,X Yu,Y.Lu,G Chu,J.He,J.Lotoski,「Catalyst induced hydrino transition(CIHT)electrochemical cell,」(2014),International Journal or Energy Research]。LiOH及Ca(OH)2均顯示H2(1/4)IRE峰，且LiOH在商業上係由Ca(OH)2藉由與Li2CO3反應所形成。因此，藉由球磨研磨使Ca(OH)2+Li2CO3混合物反應，且在以1997cm-1為中心處觀察到極強H2(1/4)IRE峰。
在一系列固體燃料丸粒燃燒之各燃燒後，將銦箔曝露至產物氣體一分鐘。在氬氣氛圍中依序點燃五十顆固體燃料丸粒，其各包含100mg Cu+30mg去離子水並密封在DSC鋁盤(70mg)(鋁坩堝30μl,D：6.7x3(Setaram,S08/HBB37408)及鋁蓋D：6,7，蓋緊(Setaram,S08/HBB37409))中。利用Taylor-Winfield型號ND-24-75點焊機點燃各固體燃料丸粒，其提供呈60Hz約8V RMS低電壓及約15,000至20,000A高電流形式之短叢發電能。以微距模式利用具有780nm二極體雷射器之Thermo Scientific DXR SmartRaman，觀察到1950cm-1 IRE峰。未在原始樣品中觀察到之該峰係歸於H2(1/4)轉動。
先前報導作為固體燃料反應產物之H2(1/4)[R.Mills,X Yu,Y.Lu,G Chu,J.He,J.Lotoski,「Catalyst induced hydrino transition(CIHT)electrochemical cell,」(2014),International Journal of Energy Research ；R.Mills,J.Lotoski,W.Good,J.He,「Solid Fuels that Form HOH Catalyst,」(2014)]。根據方程式(6-9)，藉由形成低能量氫所釋放之能量經顯示產生高動能H-。利用可形成H及HOH觸媒之固體燃料Li+LiNH2+解離體Ru-Al2O3，藉由使Al(OH)3分解並使Li與H2O及LiNH2反應，藉由ToF-SIMS觀察到在m/e=1前到達之離子，其證實方程式(9)之能量釋放表現為高動能H-。其他離子(諸如氧(m/e=16))未 顯示早期峰。飛行時間T、質量m及加速電壓V間之關係為
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其中A為取決於離子飛行距離之常數。自在m/e=0.968處觀察到具有3kV加速電壓之早期峰可知，自低能量氫反應賦予H物質之動能為約204eV，其符合方程式(6-9)所給出之HOH觸媒反應。在對應於H+之正離子模式中觀察到相同的早期光譜，但強度更低。
對固體燃料進行XPS。藉由使Li、LiBr、LiNH2、解離體R-Ni(包含約2重量% Al(OH)3)及1atm H2反應形成之LiHBr之XPS顯示兩輪不同反應產物之XPS能譜在494.5eV及495.6eV處具有無法歸於任何已知元素之峰。作為僅有可能性之Na、Sn及Zn可容易地基於不存在此等元素之任何其他相應峰而排除，因為僅觀察到Li、Br、C及O峰。該峰與分子低能量氫H2(1/4)之理論上允許的雙電離之能量相匹配[R.Mills,X Yu,Y.Lu,G Chu,J.He,J.Lotoski,「Catalyst induced hydrino transition(CIHT)electrochemical cell,」(2014),International Journal or Energy Research]。藉由拉曼及FTIR光譜法進一步確認分子低能量氫為產物。固體燃料產物LiHBr之拉曼光譜顯示以1994cm-1為中心之H2(1/4)逆拉曼效應吸收峰。固體燃料產物LiHBr之FTIR光譜在1988cm-1處顯示新的尖銳峰，其極為接近H2(1/4)之自由轉子能量。此外，MAS NMR顯示強的高磁場移位峰，其與其他CIHT電池KOH-KCl(1：1)吸氣劑樣品(諸如來自包含[Mo/LiOH-LiBr/NiO]、輸出2.5Wh、80mA、增益125%並在-4.04及-4.38ppm處顯示高磁場移位基質峰之CIHT電池者及來自包含[CoCu(H滲透)/LiOH-LiBr/NiO]、輸出6.49Wh、150mA、增益186%並在-4.09及-4.34ppm處顯示高磁場移位基質峰之CIHT電池者)所顯示的一致。
亦對CIHT電池之陽極(諸如[MoCu(H滲透)/LiOH-LiBr/NiO](1.56 Wh、50mA、增益189%)及[MoNi(H滲透)/LiOH-LiBr/NiO](1.53Wh、50mA、增益190%)進行XPS。亦觀察到496eV峰。該峰係歸於H2(1/4)，因為已排除其他可能性。具體言之，在各情形下，496eV峰不可能與Mo 1s有關，因為其強度將遠小於Mo 3p峰，且能量將比觀察到的高，且其無法歸於Na KLL，因為光譜中沒有Na 1s。
利用Scienta 300 XPS光譜儀，在利哈伊大學(Lehigh University)對銦金屬吸氣劑進行XPS，其在曝露至來自燃燒包含100mg Cu+30mg去離子水並密封在DSC鋁盤(70mg)(鋁坩堝30μl,D：6.7x3(Setaram,S08/HBB37408)及鋁蓋D：6,7，蓋緊(Setaram,S08/HBB37409))中之固體燃料之氣體後顯示強1940cm-1 IRE峰。觀察到496eV峰，其無法歸於任何已知元素，而係歸於H2(1/4)。
尋找低能量氫光譜之另一成功的交叉驗證技術涉及到使用拉曼光譜儀，其中匹配260nm電子束頻帶之H2(1/4)之轉振係作為二次螢光觀察到。用KOH-KCl(50-50原子%)吸收來自電池[Mo,10雙極板/LiOH-LiBr-MgO/NiO](2550.5Wh、1.7A、9.5V、增益234%)、[MoCu/LiOH-LiBr/NiO](3.5Wh、80mA、增益120%)、[MoNi/LiOH-LiBr/NiO](1.8Wh、80mA、增益140%)及[CoCu(H滲透)/LiOH-LiBr/NiO](6.49Wh、150mA、增益186%)之氣體，並利用具有HeCd 325nm雷射器之Horiba Jobin Yvon LabRAM Aramis拉曼光譜儀(採用顯微鏡模式，放大40X)在吸氣劑上記錄拉曼光譜。在各情形下，在8000cm-1至18,000cm-1區域內觀察到一系列1000cm-1(0.1234eV)等能量間隔的強拉曼峰。拉曼光譜轉換為螢光或光致發光光譜揭示匹配關係，因為H2(1/4)之二級轉振光譜對應於首先藉由電子束激發觀察到的260nm頻帶[R.Mills,X Yu,Y.Lu,G Chu,J.He,J.Lotoski,「Catalyst induced hydrino transition(CIHT)electrochemical cell,」(2014),International Journal or Energy Research]。光譜之Q、R及P分 支之峰分配為Q(0)、R(0)、R(1)、R(2)、R(3)、R(4)、P(1)、P(2)、P(3)、P(4)、P(5)及P(6)，其等分別在12,199、11,207、10,191、9141、8100、13,183、14,168、15,121、16,064、16,993及17,892cm-1下觀察到。激發被認為係由雷射器之高能UV及EUV He及Cd發射所引起，其中雷射光學元件對至少170nm係透明，且光柵(具有1024 X 26μm 2像素CCD之Labram Aramis 2400g/mm 460mm焦距系統)具有色散性，且其最大效率在光譜範圍(與260nm頻帶相同的範圍)之較短波長側處。例如，鎘在214.4nm下具有極強譜線(5.8eV)，基於電子束激發數據，其與KCl基質中之H2(1/4)之轉振激發能量匹配。CCD亦在500nm(以520nm為中心之260nm頻帶之二級區域)下最靈敏。
光致發光帶亦與高磁場移位NMR峰相關。例如，來自包含[MoNi/LiOH-LiBr/NiO]且在-4.04及-4.38ppm下具有高磁場移位基質峰之MoNi陽極CIHT電池之KOH-KCl(1：1)吸氣劑及來自包含[CoCu(H滲透)/LiOH-LiBr/NiO]且在-4.09及-4.34ppm下具有高磁場移位基質峰之CoCu H滲透陽極CIHT電池之KOH-KCl(1：1)吸氣劑顯示一系列對應於260nm電子束之光致發光峰。
對1g KOH-KCl(1：1)吸氣劑樣品進行拉曼光譜分析，將該樣品維持在離15個獨立固體燃料丸粒之15個連續起始中心2”遠處，各丸粒包含CuO(30mg)+Cu(10mg)+H2O(14.5mg)，並密封在DSC鋁盤(鋁坩堝30μl,D：6.7x3(Setaram,S08/HBB37408)及鋁蓋D：6,7，蓋緊(Setaram,S08/HBB37409))中。用提供短叢發之低電壓高電流電能之Taylor-Winfield型號ND-24-75點焊機點燃各固體燃料樣品。外加60Hz電壓為約8V峰值，且峰值電流為約20,000A。吸氣劑樣品裝在氧化鋁坩堝中，用纏在坩堝周圍之聚合物網線覆蓋該坩堝。該網防止任何固體反應產物進入該樣品，同時容許氣體通過。依次快速點燃十五個獨立的固體燃料樣品，將累計曝露15次之吸氣劑樣品轉移至Ar手套 箱，在其中利用研缽及研杵將其均勻混合。利用具有HeCd 325nm雷射器之Horiba Jobin Yvon LabRAM Aramis拉曼光譜儀(採用顯微鏡模式，放大40X)，觀察到一系列1000cm-1等能量間隔的拉曼峰，其與H2(1/4)在υ=1→υ=0躍遷內之二階轉動發射匹配。具體言之，分別在12,194、11,239、10,147、13,268、14,189、15,127、16,065、17,020及17,907cm-1觀察到Q、R及P分支峰Q(0)、R(0)、R(1)、R(2)、P(1)、P(2)、P(3)、P(4)及P(5)，其證實分子低能量氫H2(1/4)為經點燃固體燃料之高能爆炸之來源。
將低能量氫吸氣劑KOH：KCl(1：1)在250℃下加熱15分鐘，並冷卻(對照)，然後置於坩堝中，並在室溫下於氬氛圍下曝露至50次固體燃料丸粒之依序點燃。在氬氛圍中依次點燃五十顆固體燃料丸粒，各丸粒包含密封在DSC鋁盤(70mg)(鋁坩堝30μl,D：6.7x3(Setaram,S08/HBB37408)及鋁蓋D：6,7，蓋緊(Setaram,S08/HBB37409))中之100mg Cu+30mg去離子水。利用Taylor-Winfield型號ND-24-75點焊機進行各固體燃料丸粒之點燃，其提供呈60Hz約8V RMS低電壓及約15,000至20,000A高電流形式之短叢發電能。利用具有HeCd 325nm雷射器之Horiba Jobin Yvon LabRAM Aramis拉曼光譜儀(採用顯微鏡模式，放大40X)在吸氣劑上記錄拉曼光譜。在8000cm-1至18,000cm-1區域(其係歸於H2(1/4)之二級轉振光譜)內觀察到一系列1000cm-1(0.1234eV)等能量間隔拉曼峰之急劇增加。
總而言之，拉曼結果(諸如觀察到與260nm電子束光譜匹配之0.241eV(1940cm-1)拉曼逆拉曼效應峰及0.2414eV-間隔拉曼光致發光帶)有力地證實分子低能量氫之核間距離為H2之1/4。後一情形中之證據進一步由在一區域中沒有已知一階峰或四位有效數字與理論預測值一致之可能歸於基質峰得到證實。
對包括0.08cm2經NiOOH、11重量%碳及27重量% Ni粉末鑄塗之 薄(<1mm厚)膠帶塗覆之鎳網導體之固體燃料樣品進行EUV光譜分析，樣品係包含在經抽空至5 X10-4托之真空腔室中。將材料約束在Acme Electric Welder Company型號3-42-75,75KVA點焊機之兩個銅電極之間，以使得該樣品之水平面與EUV光譜儀之光學元件對齊，其係由準直雷射確認。使該樣品接受短叢發之低電壓高電流電能。外加60Hz電壓為約8V峰值，且峰值電流為約20,000A。利用配備有經鉑塗覆的600g/mm光柵及鋁(Al)(800nm厚，Luxel Corporation)濾光器以阻擋可見光之McPherson掠入射EUV光譜儀(型號248/310G)記錄EUV光譜。入射角為87°。入射狹縫寬度為100μm之波長解析度在CCD中心處為約0.15nm，且在50nm CCD波長範圍窗口之極限處為0.5nm。從電漿源(燃燒固體燃料)至光譜儀入口之距離為70cm。藉由冷卻至-60℃之CCD偵檢器(Andor iDus)檢測EUV光。CCD偵檢器係以35nm為中心。觀察到在10至40nm區域內之連續能譜輻射。在記錄爆炸光譜後，確認Al窗完好如初。切斷任何EUV光通過可見光之石英窗外之爆炸顯示平波譜，證實短波長連續光譜並非由通過Al濾光器之散射可見光引起。高壓氦捏縮放電光譜僅顯示He原子及離子線，其被用來校準光譜之波長。因此，確認高能光為真實訊號。因為最大外加電壓小於8V，故場加速無法輻射約125eV之能量；此外，尚未知可釋放超過若干eV之化學反應。初生H2O分子可藉由接受81.6eV(m=3)充當觸媒，以形成隨著發射具有92．13.6eV=122.4eV之能量截止值及
Figure 108115763-A0305-02-0196-120
之短波長截止值(方程式(32-33))之連續帶而衰減之中間物。根據方程式(43-47)，10nm區域及達更長波長中之連續能譜輻射帶與H躍遷至低能量氫狀態H(1/4)之理論預測匹配。
G.基於以HOH觸媒催化H之水電弧電漿電源
H2O電弧電漿系統包括連接在銅基板連桿式電極與含水同心外銅 圓柱形電極間之儲能電容器，其中基板連桿式電極之桿係低於水柱。該桿係包埋在圓柱形電極部份之尼龍絕緣套管中，且尼龍塊位在基板與圓柱體之間。自來水柱存於中心桿電極與外部圓柱形環電極之間。包括六個電容器之電容器組(115nF，±10% 20kV DC，型號M104A203B000)藉由兩塊銅板並聯連接，其中一個導線接地，另一導線連接至水電弧電池之基底板。該電容器組藉由高壓電源供應器(Universal Voltronics,20kV DC，型號1650R2)經由具有1Mohm電阻器之接線板充電，並藉由包括不鏽鋼電極之大氣空氣開關放電。該高壓係在約-8kV至-14kV之範圍內。接受測試的開放式電池中之4ml H2O之示例性參數為約0.68μF之電容、約0.3Ω之固有電阻、分別為0.5英寸及2.5英寸之圓柱形電極內徑(ID)及深度、1/4英寸之桿外徑(OD)、1/8”之圓柱形電極與中心桿間之距離、約-8kV至-14kV之充電電壓、及約0.2μs之回路時間常數。H2O燃燒以高速率形成低能量氫係藉由觸發水電弧放電而實現，其中電弧導致形成原子氫及HOH觸媒，其反應形成低能量氫，同時釋放高功率。該高功率係藉由使所有H2O含量超音速噴射10英尺高至實驗室而證明，其中噴射流衝擊天花板。
利用具有Parr 6775A資料記錄雙通道數位溫度計及經修改以允許用高電流起始化學反應之Parr 1108氧燃燒室之Parr 1341普通夾套熱量計進行熱量測定。使包括1/4”外徑(OD)銅圓柱體之銅棒點火電極導線通過密封腔室，並連接至電弧電池電極。將H2O電弧電漿電池置於Parr彈形電池內，浸沒在內部所添加的200g水下，剩餘的體積充滿空氣。給熱量計水浴槽裝入1800g自來水(H2O總量為2,000，根據Parr手冊)，並將該彈形電池浸沒於此儲水器中。藉由高壓探針(CPS HVP-252 0252-00-0012，校準至NIST參考探針之0.02%內)測量電容器之充電電壓，並藉由NIST可追蹤校準Fluke 45數位萬用電表顯示。藉由高壓探針(Tektronix 6015)確認以Fluke測量之電容器之充電電壓並藉由 示波器顯示。藉由
Figure 108115763-A0305-02-0198-121
計算水電弧電池電漿之輸入能量，其中C為電容器組之電容，且V為電容器放電前之電壓。藉由浸沒於水中之熱敏電阻探針測量浴槽溫度。
藉由以電阻器(10Ohm)及DC恆定電源供應器加熱該浴槽而校準熱量計之熱容量。其亦用相同電阻器及電容器組之放電電流進行校準。
測得該熱量計的熱容量為10300J/K。在吾人實驗中，輸入能量為約500J，其中10次放電之C=0.68uF及V=-12kV。相應的輸出能量為約800J。
1‧‧‧SF-CIHT電池
1a‧‧‧結構支撐框架
2‧‧‧電極
2a‧‧‧輥/齒輪
2c‧‧‧驅動齒輪
2d‧‧‧驅動齒輪馬達
3‧‧‧固體燃料
4‧‧‧電源
5‧‧‧頂部料斗
5‧‧‧加料斗
6‧‧‧電漿-電轉換器
6‧‧‧PDC轉換器
6a‧‧‧滑槽
6b‧‧‧PDC針形電極
6c‧‧‧PDC針形電極
6d‧‧‧赫姆霍爾茲線圈或磁瓶
7‧‧‧輸出電力調節器
8‧‧‧電源連接器
8a‧‧‧電源連接器
9‧‧‧輸出端子
10‧‧‧電極熱交換器
11‧‧‧冷卻劑入口管線
12‧‧‧冷卻劑出口管線
13‧‧‧產物移除機/燃料裝載機
13‧‧‧輸送帶
13a‧‧‧真空泵
14‧‧‧再生系統/再生腔室
14a‧‧‧貯槽源/水槽/H2O源
15‧‧‧蒸氣冷凝器
17‧‧‧PDC陰或陽電極
17a‧‧‧PDC陰或陽電極
18‧‧‧PDC熱交換器
19‧‧‧冷卻劑入口管線
20‧‧‧冷卻劑出口管線
20‧‧‧燃料
20‧‧‧燃料供應器

Claims (41)

  1. 一種產生直接電能及熱能中至少一者之電源系統，其包括：至少一個容器；反應物，其包含：a)至少一種初生H2O源；b)原子氫或至少一種原子氫源或；c)導體及導電基質中之至少一者；及至少一組限制該等反應物之電極，傳送短叢發之高電流電能至該等反應物以引發電漿形成反應之電源；重裝載系統；至少一個自反應產物再生出起始反應物之系統，及至少一個電漿動力轉換器或至少一個光伏打轉換器。
  2. 如請求項1之電源系統，其中該容器可產生大氣壓力、高於大氣壓力及低於大氣壓力中至少一者之壓力。
  3. 如請求項1之電源系統，其中該等反應物包含初生H2O源及導電基質，其中該等包含初生H2O源之反應物包括以下至少一者：主體H2O、不同於主體H2O之狀態、經歷反應形成H2O及釋放結合H2O中至少一者之化合物。
  4. 如請求項1之電源系統，其中該初生H2O源及該原子氫源中至少一者包括以下至少一者：a)至少一種H2O源；b)至少一種氧源；及c)至少一種氫源。
  5. 如請求項1之電源系統，其中該等反應物包括金屬、其金屬氧化 物及H2O之混合物，其中該金屬與H2O之反應在熱力學上不利。
  6. 如請求項1之電源系統，其中該等反應物包括金屬、金屬鹵化物及H2O之混合物，其中該金屬與H2O之反應在熱力學上不利。
  7. 如請求項1之電源系統，其中該等反應物包括過渡金屬、鹼土金屬鹵化物及H2O之混合物，其中該金屬與H2O之反應在熱力學上不利。
  8. 如請求項5、6或7之電源系統，其中與H2O之反應在熱力學上不利之該金屬為以下之群中之至少一者：Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr及In。
  9. 如請求項8之電源系統，其中該等反應物係藉由添加H2O而再生。
  10. 如請求項1之電源系統，其中該等反應物包括金屬、其金屬氧化物及H2O之混合物，其中該金屬氧化物可在低於1000℃之溫度下進行H2還原。
  11. 如請求項1之電源系統，其中該等反應物包括以下之混合物不易用H2及微熱還原之氧化物；金屬，其具有可在低於1000℃之溫度下用H2還原為該金屬之氧化物，及H2O。
  12. 如請求項10或11之電源系統，其中該具有可在低於1000℃之溫度下用H2還原為該金屬之氧化物之金屬為以下之群中之至少一者：Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr及In。
  13. 如請求項11之電源系統，其中該不易用H2及微熱還原之金屬氧化物包括以下至少一者：氧化鋁、鹼土金屬氧化物及稀土氧化物。
  14. 如請求項1之電源系統，其中該光伏打轉換器包括光子-電功率轉換器，其中該電源系統另外包括光分配系統。
  15. 如請求項14之電源系統，其另外包括集中式光伏打裝置。
  16. 如請求項1之電源系統，其中該光伏打轉換器包括光子-熱功率轉換器，其中該電源系統另外包括熱-電功率轉換器。
  17. 如請求項1之電源系統，其另外包括集中式太陽能裝置。
  18. 如請求項1之電源系統，其另外包括追蹤器。
  19. 如請求項1之電源系統，其另外包括能量儲存裝置。
  20. 如請求項1之電源系統，其中該電源系統係以可操作方式連接至電力網。
  21. 如請求項1之電源系統，其中該電源系統為獨立系統。
  22. 如請求項1之電源系統，其中該光伏打轉換器包括複數個多接面光伏打電池，其中該等多接面光伏打電池為三接面光伏打電池。
  23. 如請求項1之電源系統，其另外包括濾光器。
  24. 如請求項1之電源系統，其另外包括變頻器。
  25. 如請求項1之電源系統，其另外包括能量儲存裝置。
  26. 一種生產電功率之方法，其包括：向複數個電極間之區域提供燃料；向該複數個電極供能，以點燃燃料，從而形成電漿；藉由光伏打功率轉換器將複數個電漿光子轉換為電功率；及輸出該電功率之至少一部份。
  27. 一種生產電功率之方法，其包括： 向複數個電極間之區域提供燃料；向該複數個電極供能，以點燃燃料，從而形成電漿；藉由光伏打功率轉換器將複數個電漿光子轉換為熱功率；將該熱功率轉換為電功率；及輸出該電功率之至少一部份。
  28. 一種發電方法，其包括：將一定量燃料傳送至燃料負載區域，其中該燃料負載區域係位於複數個電極間；藉由向該複數個電極施加電流使至少約2,000A/cm2之電流流過該燃料而點燃該燃料，以產生電漿、光及熱中之至少一者；在光伏打功率轉換器中接收該光之至少一部份；利用該光伏打功率轉換器將該光轉換為不同形式的功率；及輸出該不同形式的功率。
  29. 一種水電弧電漿電源系統，其包括：至少一個封閉反應容器；包含H2O源及H2O中至少一者之反應物；至少一組電極；傳送H2O之初始高崩潰電壓並提供後續高電流之電源；光伏打功率轉換器；及熱交換器系統，其中該電源系統產生電弧電漿、光及熱能。
  30. 一種電源產生系統，其包括：至少約2,000A/cm2或至少約5,000kW之電源；複數個電耦合至該電源之電極；經組態以接收固體燃料之燃料負載區域，其中該複數個電極係經組態以將電功率傳送至該固體燃料，而產生電漿；及 經放置以接收複數個電漿光子之光伏打功率轉換器。
  31. 一種電源產生系統，其包括：經組態以傳送至少約5,000kW或至少約2,000A/cm2之功率之電源；複數個間隔開的電極，其中該複數個電極至少部份包圍燃料，電連接至該電源，經組態以接收電流來點燃燃料，且該複數個電極中之至少一者係可移動；用於使該燃料移動之傳送機構；及經組態以將燃燒該燃料所產生之光子轉換為不同形式功率之光伏打功率轉換器。
  32. 一種電源系統，其包括：經組態以傳送至少約5,000kW或至少約2,000A/cm2之功率之電源；複數個間隔開的電極，其中該複數個電極中之至少一者包括壓縮機構；經組態以接收燃料之燃料負載區域，其中該燃料負載區域為該複數個電極所包圍，以使得該至少一個電極之壓縮機構面向該燃料負載區域，且其中該複數個電極係電連接至該電源，並經組態以向該燃料負載區域中所接收之燃料提供電力，來點燃該燃料；使該燃料移動至該燃料負載區域中之傳送機構；及經組態以將燃燒該燃料所產生之光子轉換為非光子形式功率之光伏打功率轉換器。
  33. 一種電源產生系統，其包括：複數個電極；為該複數個電極所包圍，並經組態以接收燃料之燃料負載區 域，其中該複數個電極係經組態以點燃位於該燃料負載區域中之燃料；使該燃料移動至該燃料負載區域中之傳送機構；經組態以將燃燒該燃料所產生之光子轉換為非光子形式功率之光伏打功率轉換器；用於移除經燃燒燃料之副產物之移除系統；及可操作地耦合至該移除系統，以將經燃燒燃料之經移除副產物再循環至再循環燃料中之再生系統。
  34. 一種電源產生系統，其包括：經組態以傳送至少約5,000kW或至少約2,000A/cm2之功率之電源；複數個電連接至該電源之間隔開的電極；經組態以接收燃料之燃料負載區域，其中該燃料負載區域為該複數個電極所包圍，且其中該複數個電極係經組態以向該燃料提供電力，來在接收於該燃料負載區域中時點燃該燃料，且其中該燃料負載區域中之壓力為部份真空；使該燃料移動至該燃料負載區域中之傳送機構；及經組態以將燃燒該燃料所產生之複數個光子轉換為非光子形式功率之光伏打功率轉換器。
  35. 一種經組態以產生電力之系統，其包括：經組態以供應燃料之燃料供應器；經組態以供應電功率之電源供應器；及至少一個經組態以接收該燃料及該電功率之齒輪，其中該至少一個齒輪將該電功率選擇性地導向該齒輪附近之局部區域，以在該局部區域內點燃該燃料。
  36. 如請求項35之系統，其中該燃料包括粉末。
  37. 如請求項35之系統，其中該至少一個齒輪包括兩個齒輪。
  38. 如請求項35之系統，其中該至少一個齒輪包括第一材料及電導率低於該第一材料之第二材料，該第一材料係電耦合至該局部區域。
  39. 如請求項35之系統，其中該局部區域係毗鄰該至少一個齒輪之輪齒及間隙中至少一者。
  40. 一種生產電功率之方法，其包括：向齒輪供應燃料；旋轉該齒輪，以使該燃料中之至少一些集中在該齒輪之一區域；向該齒輪提供電流，以點燃該集中的燃料來產生能量；及將燃燒所產生的能量中之至少一些轉換為電功率。
  41. 如請求項40之方法，其中旋轉該齒輪包括旋轉第一齒輪及第二齒輪，且其中提供電流包括向該第一齒輪及該第二齒輪提供電流。
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