JP5535206B2

JP5535206B2 - キャビテーションを補助とした音響化学水素生成システム

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Publication number: JP5535206B2
Application number: JP2011516762A
Authority: JP
Inventors: カーチョフ，ジェームズ，エー．; マルクス，ホセ，エル．; ノットケ，フランシス，エー．; セリグマン，ランドルフ，イー．; バスクエス，ピーター，ディー．
Original assignee: モレキュラーパワーシステムズエルエルシー
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2029-06-29
Also published as: CN102089465A; CA2729837A1; SG192458A1; US20100000876A1; KR20110036546A; JP2011526965A; CL2010001591A1; MX2010013463A; EP2307591A1; BRPI0914736A2; ZA201009293B; WO2010002781A1; RU2011103517A; NZ589886A; IL210389A0; AU2009267163A1

Description

本発明は、概して、水素の効率的発生に関し、より詳細には、水素をその場で発生させることに関する。

水は、２つの水素原子と１つの酸素原子（質量又は体積で）から構成されている。２モルの水を、任意の手段により、所与の入力エネルギーＥｌで分解すると、１モルの酸素ガス（Ｏ_２）と２モルの水素ガス（Ｈ_２）を生じる。水素と酸素を任意の手段により結合させると、反応して水を形成し、所与の出力エネルギーＥ２を放出する。物理学及び化学の全ての既知の原理により、Ｅｌ＞Ｅ２であり、従って、熱力学的に、このプロセスの直接的な作用は好ましくない。水素をエネルギー源として有効且つ経済的に用いるためには、水の解離エネルギーを低減するための、又は、他の何らかの方法で前記プロセスにエネルギーを提供するための（例えば、触媒による促進により）、若しくはこれらの両方による手段を考案しなければならない。

水素は、様々な化学物質（水、炭化水素、植物、岩石などを含むがこれに限定されない）から、種々な手段（化学的手段、電気的手段、熱的手段、放射線分解などを含むがこれらに限定されない）により製造することができる。本発明においては、水が水素源として用いられ、そして、水素を発生させるために、電気分解とキャビテーションとの触媒的組合せが用いられる。キャビテーションの方法は、様々な手段（音響的手段、流体力学的慣性、非慣性手段、機械的手段、電磁手段など）、又はこれらの手段の任意の組合せによる方法であり得る。

水素は、地球上だけでなく宇宙においても最も大量に存在する元素であり、燃料源として、地球上と宇宙での両方にて特に期待されている。水素は、家庭及び工場、輸送手段（航空機、電車及び車両）に動力を供給することができる。そして、水素は電気的サイクルにて炭素燃料を完全に排除するように機能することができ、そのような擬人的プロセスの貢献により、地球の気候変動を実質的に低減する。水素の利用に関し、様々な調査により挙げられている重要な４つの「課題」がある。これらを以下に記す。

１．生成：大量の水素を、効率的、安全、且つ、環境に「負担をかけない」方法でどのように生成するか。

２．貯蔵：低密度の可燃性ガスをどのように貯蔵するか。

３．配送：水素は貯蔵が困難であり、従って輸送が困難である。

４．用途：水素をどのように利用できるかが、上記の２つの項目よりも大きい課題である。

従って、従来技術が直面している課題を克服し、且つ、水素を生成するための経済的な方法及び装置を提供するための方法及びシステムが必要である。

水素を含む液体（例えば水）から水素ガスをＨ_２として発生させるための方法及び装置を提供する。一実施形態において、この装置の構造は、生成される水素の体積及び質量を最大にし、且つエネルギー入力を最小にし、それにより運転コストを最小にするように触媒による促進を有して構成された電解槽である。この装置は、特に、水の分解及び水素ガスの生成を触媒により促進するように構成されており、これは、１）容器装置による電界及び磁界の構成；２）音響化学及びキャビテーションの利用；及び、３）装置溶液のｐＨ、イオン状態及び化学ポテンシャルを変更する適用可能な溶質及び溶媒を装置内で用いることによる。

キャビテーションは、様々な手段により発生され得る。これらの手段は、限定はしないが、音響エネルギー手段、流体力学的（慣性、非慣性）手段、機械的手段、電磁エネルギー手段など、又は、これらの手段の任意の組合せを含む。

水素の利用に関し、様々な調査により指摘されている重要な４つの「課題」がある。これらを以下に記す。

１．生成：大量の水素を、効率的、安全、且つ、環境に「負担をかけない」方法でどのように生成するか。本特許は、水から水素を生成し、また、任意の方法により、いかなる汚染も生じずに水素を酸素と再結合させて水を再形成し、そして、水をその元の形態に戻すことができる。

２．貯蔵：低密度の可燃性ガスをどのように貯蔵するか。本特許は、水素が必要とされるどのような場所でもその場で水素を水から発生させるための拡張可能なプロセスを構築することにより、貯蔵の必要性を排除する。したがって、危険で、費用高で且つ有害な貯蔵及び輸送の問題に対処する必要がなくなる。

３．配送：水素は貯蔵が困難であり、従って輸送が困難である。本特許は、水素が必要とされるどのような場所でもその場で水素を水から発生させるための拡張可能なプロセスを構築することにより、貯蔵と、それにより輸送の必要性も排除する。危険で、費用高で且つ有害な、貯蔵、配送及び輸送の問題に対処する必要がなくなる。

４．用途：水素をどのように利用できるかが、上記の２つの項目よりも大きい課題である。上記の２つの項目を排除することにより、燃料電池の使用の相対的コストは、中産階級にさえ経済的になる。燃料補給の必要性がなく、又は燃料補給の必要性を最小にすることにより、現代生活において燃料電池が普遍的に利用可能になるであろう。

電流を水溶液中に伝達させるように印加することを含む、水素を生成する方法及び装置を開示する。前記水溶液内にキャビテーションが発生され、前記キャビテーションは、前記水溶液の化学結合を分解するのに必要なエネルギーの量を低減させる。

添付図面に示されているように、本発明の、上記及びその他の特徴及び利点は、以下に記載する本発明の好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書の結論となる特許請求の範囲にて詳細に指摘され、且つその権利範囲が明確に主張されている。本発明の上記及びその他の特徴及び利点は、以下に記載する詳細な説明を添付図面と共に参照することにより明らかになろう。

本発明による水素生成システムの第１の実施形態を示す図である。本発明による水素生成システムの第２の実施形態を示す図である。図２の円錐状のファネル（通気）部材を示す図である。本発明による水素生成システムの第３の実施形態を示す図である。本発明による第１のキャビテーションサブシステムを示す図である。本発明による第２のキャビテーションサブシステムを示す図である。水素生成に影響を与える主な因子を示す図である。

これらの実施形態が、本件における革新的な教示の多くの有利な利用の例に過ぎないことが理解されよう。概して、本出願の明細書に記載された文言は、本発明により主張される様々な権利のいずれをも必ずしも限定しない。また、記載された文言の幾つかが本発明の特徴の幾つかに適合し得るが、その他の特徴には適合しない場合もある。本文全体において、特に明記されていない限り、単数の要素が複数の要素に、また、複数の要素が単数の要素に、一般性を失わずに用いられ得る。

本特許にて以下の用語が用いられる場合、以下の定義が適用される。

キャビテーション：キャビテーションとは、流体の圧力が液体の蒸気圧よりも低圧になる領域にて蒸気泡が流体中に（メカニズムに関係なく）形成される現象である。キャビテーションは２つの種類の振る舞いに分けられる。一方は、慣性の（又は過渡的）キャビテーションであり、他方は、非慣性のキャビテーションである。慣性のキャビテーションは、液体の空隙又は泡を急速に崩壊させて衝撃波を生成するプロセスである。非慣性のキャビテーションは、流体中の泡の寸法又は形状を、何らかの形態のエネルギー（例えば音場）の入力により振幅させるプロセスである。

音響エネルギー：本特許のための用語として、音響エネルギーとは、電磁スペクトルにおける全ての周波数、及び、任意の周波数又は波長を有するいずれの放射をも示すものとする。また、本特許のために、音響エネルギー、及び、電磁スペクトルにおける、任意の周波数又は波長を有するいずれの放射も、単一の周波数（波長）として、又は、それらの任意の周波数の組合せとして（離散合計、差異、高調波（ハーモニクス）、サブハーモニクス、倍音、シリーズなどとして）用いられ得る。

〔水素生成システムの第１の実施形態〕

図１は、本発明による水素生成システム１００の断面側方図である。水素生成システム１００は、所定の体積の溶液１６０を貯蔵することができる、電解槽の形態の容器装置１０２から成る。溶液１６０は溶媒と溶質とから構成されている。溶媒は、好ましくは、水又は水素を含むその他の水溶液である。溶質は、好ましくは、電荷を帯びることができる化合物、すなわち電解質である。容器装置１０２の側面は、好ましくは、非導電性である。２つの導電性部品１３０及び１３２が、それぞれ、支持部材１０６及び１０８により、容器装置１２０の底部部材１０５より上に保持されている。導電性部品１３０は電源（電源装置）１１０の負端子１１２に接続されている。従って、導電性部品１３０はカソードである。同様に、導電性部品１３２は電源１１０の正端子１１４に接続されている。従って、導電性部品１３２はアノードである。中空の円筒状管１２０が容器装置１０２の上部部材１０４に接続され、且つ前記上部部材１０４を通過している。管１２０の底部は外側に広がった形状であり、且つ、管１２０の底部がカソード１３０の底部よりも下に位置し、しかし容器装置１０２の底部部材１０５に接触はしないように配置されている。同様に、中空の円筒状管１２２が容器装置１０２の上部部材１０４に接続され、且つ上部部材１０４を通過している。管１２２の底部は外側に広がった形状であり、且つ、管１２２の底部がアノード１３２の底部よりも下に位置し、しかし容器装置１０２の底部部材１０５に接触はしないように配置されている。最後に、トランスデューサ１４０が容器装置１０２の側部の一方に接続されている。ワイヤ１４２がトランスデューサ１４０を電源１１０に接続している。

上述のように、電源１１０がカソード１３０を負に帯電させ、且つ、アノード１３２を正に帯電させる。その結果、カソード１３０とアノード１３２との間に電流が生成される。この電流は、溶液１６０を電解して、水素をカソード１３０の周囲に形成させ、酸素をアノード１３２の周囲に形成させる。管１２０は、水素を容器装置１０２から、さらなる用途のために（例えば、燃料を水素燃料電池に提供するために、又は、エンジンに動力を直接供給するために）送出させる（矢印１５０により示す）。同様に、管１２２は、酸素を容器装置１０２から送出させる（矢印１５５により示される）。溶液１６０が電解されて成分ガスがシステム１００から取り出されると、追加の溶液を入口１７０を通して加えることができる。

トランスデューサ１４０は、溶液１６０に伝達されて溶液１６０内にキャビテーションを発生させる音響エネルギー波１４４を生成する。このキャビテーションは、溶液１６０の化学結合を分解するために必要なエネルギーを低減させる。その結果、キャビテーションが存在する場合、所与の電圧にて、キャビテーションが存在しない場合よりも多くの量の水素がカソード１３０にて生成される。或いは、キャビテーションが存在する場合、キャビテーションが存在しない場合よりも低い電圧で、同一量の水素がカソード１３０にて生成される。

水素生成システム１００は、携帯可能であるように設計される。一実施形態において、水素生成システム１００は、車両におけるエンジン部品として適合できるように、長さ約８インチ（約２０．３ｃｍ）、幅約８インチ（約２０．３ｃｍ）、高さ約８インチ（約２０．３ｃｍ）の寸法につくられる。しかし、当業者には、水素生成システム１００及びその部品を、本発明の精神及び範囲に影響を与えずに、より大きい寸法又は小さい寸法にできることが明確であろう。同様に、当業者には、水素生成システム１００及びその部品が、本発明の精神及び範囲に影響を与えずに、多くの異なる形状を有することができることが明確であろう。図１は本発明の一実施形態を示し、この実施形態において、容器装置１０２は、溶液１６０中での音波１４４の最大伝達を可能にするように形作られている。最後に、任意の個数のトランスデューサ１４０を容器装置１０２上の様々な位置に配置して溶液１６０内でのキャビテーション形成を最大にするように音響エネルギー波１４４を生成するために用い得ることが、当業者には明らかであろう。

〔水素生成システムの第２の実施形態〕

図２は、本発明の別の実施形態（水素生成システム２００と称す）の断面側方図である。水素生成システム２００は、溶液１６０を貯蔵することができる、電解槽の形態の容器装置２０２から成る。容器装置２０２の側面は、好ましくは非導電性である。中空の円筒状の導電性部品２３０が、支持部材２３２により、容器装置２０２の底部部材２０７より上に保持されている。第２の導電性部材２３４が、支持部材２０５により、容器装置２０２の底部部材２０７より上に保持されている。導電性部品２３０は電源２１０の正端子２１４に接続されている。従って、導電性部品２３０はアノードである。同様に、導電性部品２３４は電源２１０の負端子２１２に接続されている。従って、導電性部品２３４はカソードである。中空の円筒状管２２０が容器装置２０２の上部部材２０６に接続され、且つ上部部材２０６を通過している。管２２０の底部は外側に広がった形状であり、且つ、カソード２３４の幾らかの部分が管２２０内にあるように配置されている。最後に、トランスデューサ２４０が容器装置２０２の側部の一方に接続されている。ワイヤ２４２がトランスデューサ２４０を電源２１０に接続している。

電源２１０はカソード２３４を負に帯電させ、且つ、アノード２３０を正に帯電させる。その結果、カソード２３４とアノード２３０との間に電流が生成される。アノード２３０の円筒状の形状と、カソード２３４の、アノード２３０の軸に沿った位置とが、カソード２３４及びアノード２３０により生成される電界を利用し、そして、カソード２３４とアノード２３０との間に流れる電流を最大にすることを補助する。

上述のように、カソード２３４とアノード２３０との間を流れる電流は、溶液１６０を電解して、水素をカソード２３４の周囲に形成させ、且つ、酸素をアノード２３０の周囲に形成させる。管２５０は、水素を容器装置２０２から、さらなる用途のために送出させる（矢印２５０により示す）。図３を参照すると、円錐状の部品３１０がアノード２３０の上に配置されている。円錐状部品３１０は酸素を容器装置２０２から送出させる（矢印３４０により示される）。再び図２を参照すると、溶液１６０が電解されて成分ガスがシステム２００から取り出されると、追加の溶液を入口２８０を通して加えることができる。

水素生成システム２００は、トランスデューサ２４０が音波２４４を生成し、音波２４４が溶液１６０に伝達され且つ溶液１６０内にキャビテーションを発生させるという点において、水素生成システム１００と同様である。このキャビテーションは、溶液１６０の化学結合を電気分解により分解させるのに必要なエネルギーを低減させる。その結果、キャビテーションが存在する場合、所与の電圧にて、キャビテーションが存在しない場合よりも多くの量の水素がカソード２３４にて生成される。或いは、キャビテーションが存在する場合、キャビテーションが存在しない場合よりも低い電圧で、同一量の水素がカソード２３４にて生成される。

水素生成システム２００は、携帯可能であるように設計される。一実施形態において、水素生成システム２００は、車両におけるエンジン部品として適合できるように、長さ約８インチ（約２０．３ｃｍ）、幅約８インチ（約２０．３ｃｍ）、高さ約８インチ（約２０．３ｃｍ）の寸法につくられる。しかし、当業者には、水素生成システム２００及びその部品を、本発明の精神及び範囲に影響を与えずに、より大きい寸法又は小さい寸法にできることが明確であろう。同様に、当業者には、水素生成システム２００及びその部品が、本発明の精神及び範囲に影響を与えずに多くの異なる形状を有することができることが明確であろう。図２は本発明の一実施形態を示し、この実施形態において、容器装置２０２は、溶液１６０内での音響エネルギー波２４４の最大伝達を可能にするように形作られている。最後に、多数のトランスデューサ２４０を容器装置２０２上の様々な位置に配置して溶液１６０内でのキャビテーション形成を最大にするように音響エネルギー波２４４を生成するために用い得ることが、当業者には明らかであろう。

〔水素生成システムの第３の実施形態〕

図４は、本発明の別の実施形態（水素生成システム４００と称す）の断面側方図である。水素生成システム４００は、溶液１６０を貯蔵することができる、電解槽の形態の円筒形状の容器装置４０２から成る。容器装置４０２は、導電性の内壁４０３、及び、非導電性の外壁４７０を有する。導電性部品４３０が、支持部材４０５により、容器装置４０２の底部部材４０７より上に保持されている。導電性の内壁４０３が電源４１０の正端子４１４に接続されている。従って、導電性の内壁４０３はアノードである。導電性部品４３０が電源４１０の負端子４１２に接続されている。従って、導電性部品４３０はカソードである。中空の円筒状管４２０が容器装置４０２の上部部材４８０に接続され、且つ上部部材４８０を通過している。管４２０の底部は外側に広がった形状であり、且つ、カソード４３０の幾らかの部分が管４２０内にあるように配置されている。最後に、トランスデューサ４４０が容器装置４０２の底部部材４０７に接続されている。ワイヤ４４４がトランスデューサ４４０を電源４１０に接続している。

電源４１０はカソード４３０を負に帯電させ、且つ、アノード４０３を正に帯電させる。その結果、カソード４３０とアノード４０３との間に電流が生成される。アノード４０３の円筒状の形状と、カソード４３０の、アノード４０３の軸に沿った位置とが、カソード４３０及びアノード４０３により生成される電界を利用し、そして、カソード４３０とアノード４０３との間の電流を最大にすることを補助する。

上述のように、カソード４３０とアノード４０３との間を流れる電流は、溶液１６０を電解して、水素をカソード４３０の周囲に形成させ、且つ、酸素をアノード４０３の周囲に形成させる。管４２０が、水素を容器装置４０２から、さらなる用途のために送出させる（矢印４５０により示す）。容器装置４０２の円錐状の上部部材４８０が酸素を容器装置４０２から送出させる（矢印４５５により示す）。溶液１６０が電解されて成分ガスがシステム４００から取り出されると、追加の溶液を入口４９０を通して加えることができる。

水素生成システム４００は、トランスデューサ４４０が音響エネルギー波４４２を生成し、音響エネルギー波４４２が溶液１６０に伝達され且つ溶液１６０内にキャビテーションを発生させるという点において、水素生成システム１００及び水素生成システム２００と同様である。このキャビテーションは、溶液１６０の化学結合を電気分解により分解させるのに必要なエネルギーを低減させる。その結果、キャビテーションが存在する場合、所与の電圧にて、キャビテーションが存在しない場合よりも多くの量の水素がカソード４３０にて生成される。或いは、キャビテーションが存在する場合、キャビテーションが存在しない場合よりも低い電圧で、同一量の水素がカソード４３０にて生成される。

水素生成システム４００は、携帯可能であるように設計される。一実施形態において、水素生成システム４００は、車両におけるエンジン部品として適合できるように、長さ約８インチ（約２０．３ｃｍ）、幅約８インチ（約２０．３ｃｍ）、高さ約８インチ（約２０．３ｃｍ）の寸法につくられる。しかし、当業者には、水素生成システム４００及びその部品を、本発明の精神及び範囲に影響を与えずに、より大きい寸法又は小さい寸法にできることが明確であろう。同様に、当業者には、水素生成システム４００及びその部品が、本発明の精神及び範囲に影響を与えずに多くの異なる形状を有することができることが明確であろう。最後に、任意の個数のトランスデューサ４４０を容器装置４０２上に配置して溶液１６０内でのキャビテーション生成を最大にするように音波４４２を生成するために用いられ得ることが、当業者には明らかであろう。

水素生成システム１００，２００及び４００の説明の全体を通じて、円筒状の管（管１２０，２５０及び４２０）は、カソード周囲で形成される水素を捕集してシステムから水素を送出させるために用いられる。管１２０，２５０及び４５０を、水素を捕集して導出するための任意の手段に替えられることが当業者には明らかであろう。このような手段は、管、類似の形状の導管、膜フィルタリング、拡散蒸発、差圧、及び、溶液流のガイドを含むが、これらに限定されない。

〔キャビテーションサブシステムの実施形態〕

水素生成システム１００，２００及び４００に関する説明の全体を通じて、トランスデューサ１４０，２４０及び４４０は、溶液１６０内にキャビテーションを生じさせる音響エネルギー波１４４，２４４及び４４２を生成するために用いられる。トランスデューサ１４０，２４０及び４４０を、キャビテーションを発生させるための任意の手段に替えることもできることが当業者には明らかであろう。キャビテーションを形成するためのこのような手段は、音響手段、機械的手段、流体力学手段、電磁手段、及び電離性放射線手段を含むが、これらに限定されない。

図１，図２及び図４は、キャビテーションが特定の音響手段により（すなわち、溶液１６０中に音響エネルギー波を伝達させるためのトランスデューサを用いることにより）生成される、本発明の実施形態を示す。しかし、キャビテーションを生成するためにその他の音響手段を用いることもできる。このような音響手段が、限定はしないが、トランスデューサ、マイクロホン、及びスピーカを含むことが当業者により理解されるであろう。

水素生成システム１００，２００及び４００の内部でキャビテーションを生じさせるための機械的手段の例が、限定はしないが、容器装置１０２，２０２及び４０２内に収容されるプロペラシステムを含む。このプロペラシステムは、プロペラがその軸を中心に回転するときにキャビテーションを生じさせる。図５は、このようなプロペラシステムの断面図である。図示されているように、プロペラ羽根５２０がプロペラシステム５１０の軸を中心に回転して溶液１６０内にキャビテーションを生じさせる。プロペラシステム５１０は、電源１１０，２１０又は４１０により電力を供給され得る。当業者には、キャビテーションを生成するためにその他の機械的手段を用いることもできることが明らかであろう。このような機械的式手段は、プロペラシステム、ピストン、衝撃波管、及び軽ガス銃を含むが、これらに限定されない。

水素生成システム１００，２００及び４００内でキャビテーションを発生させるための流体力学的手段の例は、限定はしないが、圧縮ガス（例えば圧縮空気）を容器装置１０２，２０２及び４０２内に噴射してキャビティを発生させることを含む。図６は、このような圧縮ガス噴射システムの断面図である。図示されているように、圧縮ガス噴射システム６１０が、容器装置１０２，２０２又は４０２に取り付けられる。圧縮ガスは、圧縮器（図示せず）から、管６３０を通って圧縮ガス噴射システム６１０に移動する（矢６４０により示される）。圧縮ガスは、管６２０内を流れて、泡、すなわちキャビテーションとして溶液１６０内に導入される。一実施形態において、圧縮ガス噴射システム６１０は、圧縮ガスの通過は許容するが溶液１６０が圧縮空気システム６１０に入ることは防止する多孔質膜により溶液１６０から分離され得る。このような膜の例はゴアテックスである。当業者には、キャビテーションを生成するためにその他の流体力学的手段を用いることができることが理解されよう。このような流体力学的手段は、限定はしないが、圧縮ガス噴射器システム、及び、質量を溶液１６０内に伝達せずに運動量を溶液１６０内に伝達することができる任意の装置、例えば、衝撃板又はペイントシェーカ(paint shaker)を含む。

水素生成システム１００，２００及び４００内でキャビテーションを生じさせる電磁手段の例が、限定はしないが、溶液１６０内にキャビテーションを生じさせる衝撃波を生成するために溶液１６０を通過するように向けられたレーザビームを含む。当業者には、キャビテーションを生成するためにその他の電磁手段を用いることができることが理解されるであろう。このような電磁手段は、レーザビーム、Ｘ線、ガンマ線、高速電子、電気アーク、磁気圧縮、プラズマ発生、及び、任意のタイプの電子反応又は陽子反応により生じる電磁放射を含むが、これらの手段に限定されない。

最後に、水素生成システム１００，２００及び４００内でキャビテーションを発生させるための電離放射線手段の例が、限定はしないが、高エネルギー陽子（プロトン）を溶液１６０内に伝導させて溶液１６０内でキャビテーションを陽子周囲に形成することを含む。一般に、電離放射線は、化学結合から電子を取り出すことができる任意の放射線である。従って、当業者には、このような電離放射手段が、限定はしないが、紫外線よりもエネルギーが大きい全ての電磁放射線、及び、高エネルギー粒子（例えば、光子、陽子、中性子、並びに、帯電原子核及び非帯電原子核）を含むことが理解されよう。

水素生成システム１００，２００及び４００に関する説明の全体、並びに、キャビテーションを生じさせる様々な手段の例を通じて、キャビテーションが溶液１６０内で生じることが述べられている。当業者には、キャビテーションを溶液１６０「内で」発生させることが、キャビテーションを電気分解ゾーン内で生じさせることを意味することが理解されよう。

図７は、本発明による水素の生成に影響を与える主な因子を示す線図である。溶液因子７１０は、溶液１６０に影響を与える主な因子である。これらの溶液因子は、溶媒及び溶質を含む。先に述べたように、溶媒は、水、又は、水素を含むその他の水溶液である。溶質は、化合物、例えば、酸（例えばＨＩ又はＨＣｌ）、塩基（例えばＮａＯＨ）、又は、塩（例えばＫＩ又はＮａＩ）であり、溶液の導電率を最大にするために、溶媒の体積当たり特定の密度に保たれる。溶液は特定のｐＨを有し、且つ、水素生成システム１００，２００又は４００のいずれにおいても、溶媒の化学結合を分解するための必要なエネルギーを最小にするために特定の温度及び圧力に保たれる。最後に、溶液は、特定のイオン状態及び共有結合的状態（化学ポテンシャル）を有する。

電力因子７２０は、カソード１３０，２３４，４３０及びアノード１３２，２３０，４０３への電力供給に影響を与える主な因子である。電力因子７２０が、印加される電圧、印加される電流、及び、印加される全電力を含むことが、当業者には明らかであろう。また、水素生成システム１００，２００及び４００が単一のカソード及び単一のアノードを有するように示されているが、電圧／電流を印加するポイントの個数を、本発明の精神及び範囲に影響を与えずに増やすことができることが当業者には明らかであろう。同様に、カソード１３０，２３４，４３０及びアノード１３２，２３０，４０３の寸法及び形状を、本発明の精神及び範囲に影響を与えずに変えられることが、当業者には明らかであろう。最後に、電源１１０，２１０及び４１０が、電力を生じる任意の装置（例えば、電池、ソーラーパネル又は燃料電池）であり得ることが、当業者には明らかであろう。

材料組成因子７３０は、水素生成システム１００，２００及び４００の材料に影響を与える主な因子である。カソード１３０，２３４，４３０及びアノード１３２，２３０，４０３を構成する材料は、導電率を最大にするために選択される。このような材料は、限定はしないが、金属（例えば、銅、プラチナ）、及び、高次非線形結晶（限定はしないが、ニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウム）を含む。

水素の生成を促進し且つ水素の生成に触媒作用をもたらすために用いられる触媒因子７４０は、溶液１６０内のエネルギーバランスに影響を与える主な因子である。必要な電気分解入力エネルギーをΔＥ_１からΔＥ_２に低減する非エネルギー入力型(non-energy input)触媒因子は、限定はしないが、以下のものを含む。（１）プロセスの温度（ΔＥ_cav、ΔＥ_２、種の部分的モル濃度の関数として）、（２）容器の特性（組成、形状）、（３）溶液の特性（溶質／溶媒組成［種、濃度など］、ｐＨ、化学ポテンシャル、圧力、加えられる触媒剤［担持触媒、ガス、例えば希ガスなど］）、（４）電極の特性（組成［元素組成、同位体組成、化学組成］、形状、マイクロ表面［結晶面など］、マクロ表面［穴、縁など］）、及び、（５）印加される電磁界の構造［電圧が印加される、電圧が印加されない］。

表１を参照すると、一組の方程式が記載されており、これらは、キャビテーションが存在する場合でも、水素を生成するために溶液１６０の電気分解を実行するのに必要なエネルギーが、水素が酸素と再結合されるときに生じるエネルギーよりも大きいことを示す。従って、本文中に記載される教示が永久エネルギー装置に向けられていないことが当業者には明らかであろう。むしろ、溶液１６０の電気分解により正味エネルギー損失が生じるため、電気分解及び触媒プロセスを実行させるために、電源１１０，２１０及び４１０により示されているように、エネルギーがシステム１００，２００及び４００に供給される。

再び図７を参照すると、電気分解の入力エネルギーをΔＥ_１からΔＥ_２に低減するエネルギー入力因子７５０は、限定はしないが、（１）ΔＥ_other（温度制御及び測定のために必要なエネルギー、機械的エネルギー、攪拌エネルギーなど）、及び、（２）ΔＥ_cav（キャビテータの特性［寸法、形状、組成］、構成［個数、単位面積／容積当たりの密度、その他］、電力入力［ｆ（Ｖ，Ｉ）］、音響周波数スペクトル入力、電磁周波数スペクトル入力）を含む。上述のように、キャビテータは、キャビテーションを生じさせることができるいずれの装置でもあってよい。

一実施形態（水素生成システム４００）において、以下の因子が本発明にて水素生成を著しく増大させることが有利に示された：（１）溶液１６０内でのキャビテーションを最大にするために特定の音響スペクトルを用いること；（２）溶液１６０の導電率及び化学ポテンシャルを最大にするために、ナトリウム又はヨウ化カリウム塩を溶液１６０に加えること；（３）有効量の希ガスを溶液１６０中に完全に溶解させることによりキャビテーションの生成を電磁的に増大させ、それにより水素ガスの発生を最大にすること（本発明の実施形態において、希ガスは、好ましくはアルゴンであり、溶液１６０中に完全に溶解されるべき希ガスの有効量は、標準温度及び圧力にて５パーセント（５％）までである）；（４）電極の形状及び構造（水素生成システム４００に関しては、導電性の内壁４０３及び導電性の内部部品４３０を含み、それにより、（i）水素ガス生成物と酸素ガス生成物との機械的分離を最大にし、（ii）円筒状の電極構成（内半径と外半径の増倍率により電界を最大にする）を用いることにより電気分解の電界を最大にする）；及び（５）容器の形状（例えば、水素生成システム４００は、水素生成システム４００の機能を外界から電気的に絶縁するために非導電性の外壁４７０内に収容された導電性の内壁４０３を含む）。

同様に、溶液１６０を任意の温度及び／又は圧力に曝露することが可能であり、また、溶液１６０を密封容器又は非密封容器のいずれにも収容し得ることが当業者に明らかであろうが、一実施形態である水素システム４００に関しては、本文中に記載された教示を用いた水素生成が、好ましくは、密封され、しかし加圧されていない容器内で、ほぼ標準温度及び圧力（ＳＴＰ）にて行われることが有利に示されている。

さらに、本文中に記載された教示及び実施形態が、水素ガスの出力を最大にすると共に、入力エネルギーの量を最小化することを主な目的としていることは自明である。総入力エネルギーに影響を与える最も重要な因子は、電気分解電圧である。従って、所与の同一の（又はより多い）量の水素ガスの発生に必要な入力電圧を低減することにより、必要な入力エネルギーが低減され、従って、必要な入力電力が低減されることは自明である。必要な入力電力を低減することにより、入力と出力との熱力学的差異が最小化され、この結果、入力電力のより多くの部分を、太陽電池、再充電電池などのエネルギー源により発生させることができ、これにより、発生される水素の総合効率及び量を最大にする。

本発明の特定の実施形態を開示してきたが、この特定の実施形態に、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに変更を行えることが当業者に理解されよう。同様に、本文中の教示が、水素生成を増大又は低減するために、本発明の範囲及び精神に影響を与えずに拡大及び縮小できることも当業者に理解されよう。従って、本発明の範囲は特定の実施形態に限定されず、また、添付の特許請求の範囲は、これらのあらゆる応用、変更及び実施形態を本発明の範囲内に含むものとする。

以下に、特許請求の範囲を記載する。

１００水素生成システム
１０２容器装置
１０５底部部材
１０４上部部材
１０６支持部材
１０８支持部材
１１０電源
１１２負端子
１１４正端子
１２０円筒状管
１２２円筒状管
１３０導電性部品（カソード）
１３２導電性部品（アノード）
１４０トランスデューサ
１４２ワイヤ
１４４音響エネルギー波
１６０溶液
１７０溶液入口
２００水素生成システム
２１０電源
２１２負端子
２１４正端子
２２０円筒状管
２３０アノード
２３４カソード
２４０トランスデューサ
２４４音響エネルギー波
２８０溶液入口
３１０円錐状部品
４００水素生成システム
４０３アノード
４１０電源
４１２負端子
４１４正端子
４３０カソード
４４０音響エネルギー波
４９０溶液入口
５１０プロペラシステム
５２０プロペラ羽根
６１０圧縮ガス噴射システム

Claims

水素を含む電解質水溶液を収容するように適合された容器と、
円筒形の陰極電極を構成し、溶液と接触するように適合された少なくとも１つの第１の電極と、
その中に前記円筒形の陰極を収容することができる円筒形の中空状陽極であり、前記円筒形の陰極電極を円筒形の中空状陽極の中央軸線に沿って位置するようにして溶液と接触するように適合された少なくとも１つの第２の電極と、
前記少なくとも１つの第１の電極に接続された負の出力、及び、前記少なくとも１つの第２の電極に接続された正の出力を有する電源と、
キャビテーションを溶液内に生じさせることができる少なくとも１つのキャビテーション発生装置と、
水素ガス捕集装置と、を含むＨ _２としての水素ガスを生成するための装置。
前記容器に、前記溶液中で分解される有効量の希ガスを含む電解質水溶液が充填される請求項１に記載の装置。
前記キャビテーション発生装置が少なくとも１つの音響トランスデューサであり、該音響トランスデューサが、前記少なくとも１つの第１の電極と前記少なくとも１つの第２の電極との間の空間の溶液に音響エネルギーを向けさせ、それによりキャビテーション誘導泡を発生させることができるように構成されている請求項１に記載の装置。
前記水素ガス捕集装置が、管、膜フィルタ、拡散蒸発器、差圧又は溶液流ガイドから成る群から選択される請求項１に記載の装置。