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CN107195935A - Ciht动力系统 - Google Patents

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CN107195935A
CN107195935A CN201710570022.5A CN201710570022A CN107195935A CN 107195935 A CN107195935 A CN 107195935A CN 201710570022 A CN201710570022 A CN 201710570022A CN 107195935 A CN107195935 A CN 107195935A
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energy
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Glow Energy
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Abstract

本发明涉及CIHT动力系统。本发明提供一种产生电压和电流及热能中的至少一种的电化学动力系统，所述电化学动力系统包含容器，所述容器包含：至少一个阴极，其中，所述阴极包括毛细管系统及具有周围穿孔的径向气体通道、多孔电极及多孔层中的至少一种，以将H2O及O2中的至少一种相对于外周朝向所述电池的中心传输；至少一个阳极；至少一个双极板，和反应物，所述反应物包含选自以下物质的至少两种成分：a)至少一种H2O来源；b)氧来源；c)至少一种催化剂来源或催化剂，其包含选自nH、O、O2、OH、OH‑和新生H2O的组中的至少一种，其中n为整数；和d)至少一种原子氢来源或原子氢，并且所述系统还包含电解系统。

Description

CIHT动力系统
本申请是2013年5月21日提交的国际申请PCT/US2013/041938、中国国家阶段申请号为201380038878.8、发明名称为“CIHT动力系统”的原申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请主张以下美国临时申请的优先权的权益：2012年5月21日提交的61/649,606号；2012年7月13日提交的61/671,348号；2012年8月27日提交的61/693,462号；2012年10月2日提交的61/708,869号；2012年10月26日提交的61/718,959号；2013年3月14日提交的61/783,698号；和2013年5月10日提交的61/821,594号，所有所述文献均以全文引用的方式并入本文中。
发明内容
本发明涉及一种产生电压和电流及热能中的至少一种的电化学动力系统，其包含容器，所述容器包含：至少一个阴极；至少一个阳极；至少一个双极板，和在电池工作期间利用单独的电子流动和离子物质输送构成分数氢反应物的反应物，所述反应物包含至少两种选自以下物质的成分：a)至少一种H2O来源；b)氧来源；c)至少一种催化剂来源或催化剂，其包含选自nH、O、O2、OH、OH-和新生H2O的组中的至少一种，其中n为整数；和d)至少一种原子氢来源或原子氢；形成所述催化剂来源、所述催化剂、所述原子氢来源和所述原子氢中的至少一种的一种或多种反应物；和用于引发原子氢的催化的一种或多种反应物。在一个实施方式中，阴极、阳极、反应物及双极板的组合使得可催化原子氢以形成分数氢而传播，从而在各阴极与相应阳极的间维持化学电势或电压。并且，该系统还包括电解系统。在一个实施方式中，电化学动力系统包括多孔电极、气体扩散电极及氢渗透性阳极中的至少一种，其中将氧及H2O中的至少一种供应至所述阴极且将H2供应至所述阳极。所述电化学动力系统可包括氢化阳极及至少一个表面包括氢渗透性阳极的密闭氢储槽中的至少一种。所述电化学动力系统可包括背对背式氢渗透性阳极以及对阴极，所述对阴极包括以串联及并联中的至少一种方式电连接的电池堆叠单元。在一个实施方式中，所述电化学动力系统可进一步包括至少一个气体供应系统，其各自包括与所述电极连接的歧管、气体管线及气体通道。在一个实施方式中，所述电化学动力系统阴极包括以下中的至少一种：毛细管系统及具有周围穿孔的径向气体通道、多孔电极及多孔层，以将H2O及O2中的至少一种相对于外周朝向所述电池的中心传输。氢渗透性阳极可包括以下物质中的至少一种：Co带状铸材、Ni带状铸材、Mo带状铸材、Mo、Mo合金、MoNi、MoCu、MoCo、TZM、H242、Ni、Co、Ni合金、NiCo以及其他过渡金属和内过渡金属及合金以及CuCo。供应至渗透性阳极的氢压力可以维持在约1托～500大气压、10托～100大气压及100托～5大气压中的至少一种的范围内，且氢渗透速率可在以下中的至少一种的范围内：约1×10-13mole s-1cm-2～1×10-4mole s-1cm-2、1×10-12mole s-1cm-2～1×10-5mole s-1cm-2、1×10-11mole s-1cm-2～1×10-6mole s-1cm-2、1×10-10mole s-1cm-2～1×10-7mole s-1cm-2及1×10-9mole s-1cm-2～1×10-8mole s-1cm-2。在一个实施方式中，氢渗透性阳极包括涂覆有有效促进原子氢催化形成分数氢的材料的高渗透性膜。氢渗透性阳极的涂覆材料可包括Mo、Mo合金、MoNi、MoCu、MoCo、MoB、MoC、MoSi、MoCuB、MoNiB、MoSiB、Co、CoCu、CoNi及Ni中的至少一种，且H渗透性材料可包括Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)、Ta(H2)、不锈钢(SS)和430SS(H2)中的至少一种。在一个实施方式中，电化学动力系统的电解系统间歇性地电解H2O以提供原子氢来源或原子氢且使电池放电，从而使得循环的净能量平衡获得增益。在一个实施方式中，电化学动力系统的反应物包括至少一种选自以下的电解质：至少一种熔融氢氧化物；至少一种低共熔盐混合物；熔融氢氧化物与至少一种其他化合物的至少一种混合物；熔融氢氧化物与盐的至少一种混合物；熔融氢氧化物与卤化物盐的至少一种混合物；包含本公开的固体燃料的电解质添加剂；碱金属氢氧化物与碱金属卤化物的至少一种混合物；至少一种碱土金属、过渡金属或Bi氢氧化物添加剂；包括Ni(OH)2、Co(OH)2、Cu(OH)2、Ca(OH)2及Bi(OH)3中的至少一种的添加剂；LiOH-LiBr、LiOH-NaOH、LiOH-LiBr-NaOH、LiOH-LiX-NaOH、LiOH-LiX、NaOH-NaBr、NaOH-NaI、NaOH-NaX及KOH-KX(其中X代表卤离子)、至少一种基质及至少一种添加剂。添加剂可包括作为至少一种阳极腐蚀产物的同离子的来源的化合物，其中相应同离子效应至少部分地防止阳极发生腐蚀。同离子源可防止形成CoO、NiO和MoO2中的至少一种。在一个实施方式中，添加剂包括以下化合物中的至少一种：包括阳极的金属阳离子与阴离子、氢氧根、卤离子、氧离子、硫酸根、磷酸根、硝酸根、碳酸根、铬酸根、高氯酸根及高碘酸根的化合物；以及包括基质与氧化物、钴镁氧化物、镍镁氧化物、铜镁氧化物、CuO、CrO4、ZnO、MgO、CaO、MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO或Fe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、P2O3、P2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2及CrO3的化合物。在一个实施方式中，电解质为水性及碱性，并且控制电解质pH和电池电压中的至少一种以达成阳极的稳定性。可将间歇性电解和放电期间的各电池的电池电压维持于高于防止阳极发生实质性氧化的电势。
本公开进一步涉及生成热能的动力系统，其包括：至少一个容器，其能够具有以下中的至少一种的压力：大气压、高于大气压及低于大气压；至少一个加热器；构成分数氢反应物的反应物，其包括：a)催化剂来源或催化剂，其包括新生H2O；b)原子氢来源或原子氢；c)包括氢氧化物化合物和卤化物化合物的反应物，其用于形成催化剂来源、催化剂、原子氢来源及原子氢中的至少一种；以及引发原子氢的催化的一种或多种反应物，其中在实施混合及加热反应物的至少其一时发生反应。氢氧化物化合物及卤化物化合物中的至少一种包括以下中的至少一种：碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属及Al、Ga、In、Sn、Pb、Bi、Cd、Cu、Co、Mo及Ni、Sb、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn、W和Zn。在一个实施方式中，反应物进一步包括与产物反应以再生反应物的H2O来源。
本公开涉及一种产生电及热能中的至少一种的电化学动力系统，其包含：相对于大气封闭的容器，该容器包含至少一个阴极；至少一个阳极；至少一个双极板；和在电池工作期间利用单独的电子流动和离子物质输送构成分数氢反应物的反应物，所述反应物包含至少两种选自以下的成分：a)至少一种H2O来源；b)包含选自nH、OH、OH-、新生H2O、H2S或MNH2中的至少一种的至少一种催化剂来源或催化剂，其中n为整数且M为碱金属；和c)至少一种原子氢来源或原子氢、一种或多种用于形成催化剂来源、催化剂、原子氢来源和原子氢中的至少一种的反应物；引发原子氢的催化的一种或多种反应物；和载体，其中阴极、阳极、反应物和双极板的组合维持各阴极与相应阳极之间的化学电势以允许原子氢的催化传播，并且该系统还包含电解系统。在一个实施方式中，该电化学动力系统的电解系统间歇电解H2O以提供原子氢来源或原子氢且使电池放电以使该循环的净能量平衡获得增益。反应物可包含至少一种选自以下的电解质：至少一种熔融氢氧化物；至少一种低共熔盐混合物；熔融氢氧化物与至少一种其他化合物的至少一种混合物；熔融氢氧化物与盐的至少一种混合物；熔融氢氧化物与卤化物盐的至少一种混合物；碱金属氢氧化物与碱金属卤化物的至少一种混合物；LiOH-LiBr、LiOH-LiX、NaOH-NaBr、NaOH-NaI、NaOH-NaX和KOH-KX(其中X表示卤离子)、至少一种基质和至少一种添加剂。电化学动力系统可还包含加热器。电化学动力系统的高于电解质熔点的电池温度可在至少一个选自以下的范围内：高于熔点约0～1500℃、高于熔点约0～1000℃、高于熔点约0～500℃、高于熔点约0～250℃和高于熔点约0～100℃。在实施方式中，电化学动力系统的基质包含以下中的至少一种：氧阴离子化合物、铝酸盐、钨酸盐、锆酸盐、钛酸盐、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、硝酸盐、铬酸盐和锰酸盐、氧化物、氮化物、硼化物、硫族化物、硅化物、磷化物和碳化物、金属、金属氧化物、非金属和非金属氧化物；碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属和Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge和B和形成氧化物或氧阴离子的其他元素的氧化物；至少一种氧化物，如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属和Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge和B和形成氧化物和一种氧阴离子的其他元素的氧化物，并且其还包含来自碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属和Al、Ga、In、Sn和Pb阳离子的组中的至少一种阳离子；LiAlO2、MgO、Li2TiO3或SrTiO3；阳极材料的氧化物和电解质化合物；阳离子和电解质氧化物中的至少一种；电解质MOH(M＝碱金属)的氧化物；包含Mo、Ti、Zr、Si、Al、Ni、Fe、Ta、V、B、Nb、Se、Te、W、Cr、Mn、Hf、Co和M'(其中M'表示碱土金属)的组中的元素、金属、合金或混合物的电解质氧化物；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和MgO；阴极材料氧化物和可选的电解质氧化物；Li2MoO3或Li2MoO4、Li2TiO3、Li2ZrO3、Li2SiO3、LiAlO2、LiNiO2、LiFeO2、LiTaO3、LiVO3、Li2B4O7、Li2NbO3、Li2SeO3、Li2SeO4、Li2TeO3、Li2TeO4、Li2WO4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2MnO4、Li2HfO3、LiCoO2和M'O(其中M'表示碱土金属)和MgO；阳极元素或同一族元素的氧化物，和具有Mo阳极的Li2MoO4、MoO2、Li2WO4、Li2CrO4和Li2Cr2O7，并且添加剂包含以下中的至少一种：S、Li2S、氧化物、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、MgO、TiO2、Li2TiO3、LiAlO2、Li2MoO3或Li2MoO4、Li2ZrO3、Li2SiO3、LiNiO2、LiFeO2、LiTaO3、LiVO3、Li2B4O7、Li2NbO3、Li2SeO3、Li2SeO4、Li2TeO3、Li2TeO4、Li2WO4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2MnO3或LiCoO2、MnO和CeO2。在电化学动力系统工作期间可发生以下反应中的至少一种：a)在放电阳极处由H2O的电解形成H和H2中的至少一种；b)在放电阴极处由H2O的电解形成O和O2中的至少一种；c)由反应混合物的反应形成氢催化剂；d)在放电过程中形成分数氢以产生电能及热能中的至少一种；e)OH-被氧化并与H反应以形成充当分数氢催化剂的新生H2O；f)氧化OH-成氧离子和H；g)在放电阴极处还原氧离子、氧和H2O中的至少一种；h)H和新生H2O催化剂反应以形成分数氢；和i)在放电期间形成分数氢以产生电能和热能中的至少一种。在电化学动力系统的一个实施方式中，在电池放电期间发生OH-的氧化和氧离子、氧和H2O中的至少一种的还原中的至少一个反应以产生能量，该能量超过间歇电解的电解阶段期间的能量。随时间变化的放电电流可能超过间歇电解的电解阶段期间随时间变化的电流。在一个实施方式中，阳极半电池反应可为
OH-+2H→H2O+e-+H(1/4)
其中第一H与OH-反应形成H2O催化剂和e-与第二H经H2O催化形成分数氢一起进行。在实施方式中，放电阳极半电池反应的电压为以下中的至少一种：相对于标准氢电极针对工作温度进行热力学修正后的约1.2伏；和相对于标准氢电极和25℃，在约1.5V～0.75V、1.3V～0.9V和1.25V～1.1V中的至少一个范围内的电压，且阴极半电池反应的电压为以下中的至少一种：针对工作温度进行热力学修正后的约0伏；和相对于标准氢电极和25℃，在约-0.5V～+0.5V、-0.2V～+0.2V和-0.1V～+0.1V中的至少一个范围内的电压。
在本公开的电化学动力系统的一个实施方式中，阴极包含NiO，阳极包含Ni、Mo、H242合金和碳中的至少一种，且双金属结包含不同于该阳极的金属的哈斯特合金、Ni、Mo和H242中的至少一种。电化学动力系统可包含至少一个电池堆叠，其中双极板包含隔开阳极与阴极的双金属结。在一个实施方式中，向电池供应H2O，其中H2O蒸汽压在至少一个选自以下的范围内：约0.001托～100atm、约0.001托～0.1托、约0.1托～1托、约1托～10托、约10托～100托、约100托～1000托和约1000托～100atm，并且实现至少大气压的压力差额为由包含稀有气体和N2中的至少一种的所供给的惰性气体提供。在一个实施方式中，电化学动力系统可包含水蒸汽发生器以向该系统供应H2O。在一个实施方式中，电池在充电阶段与放电阶段之间间歇切换，其中(i)充电阶段至少包含水在具有相反电压极性的电极处电解，且(ii)放电阶段至少包含在所述电极之一或两者处形成H2O催化剂；其中(i)各电池的各电极作为阴极或阳极的角色在充电阶段与放电阶段之间在来回切换中逆转，且(ii)电流极性在充电阶段与放电阶段之间在来回切换中逆转，且其中充电包含施加外加电流和电压中的至少一种。在实施方式中，外加电流和电压中的至少一种的波形包含在约0.001％～约95％范围内的占空比；在约0.1V～10V范围内的每电池的峰值电压；约0.001W/cm2～1000W/cm2的峰值功率密度，和在约0.0001W/cm2～100W/cm2范围内的平均功率，其中外加电流和电压还包含直流电压、直流电流中的至少一种和交流电流和电压波形中的至少一种，其中波形包含在约1Hz～约1000Hz范围内的频率。间歇循环的波形可包含间歇循环的电解和放电阶段的至少其一的恒定电流、功率、电压和电阻和可变电流、功率、电压和电阻中的至少一种。在实施方式中，循环的至少一个阶段的参数包含：间歇阶段的频率在至少一个选自以下的范围内：约0.001Hz～10MHz、约0.01Hz～100kHz和约0.01Hz～10kHz；每电池的电压在至少一个选自以下的范围内：约0.1V～100V、约0.3V～5V、约0.5V～2V和约0.5V～1.5V；每单位有效形成分数氢的电极面积的电流在至少一个选自以下的范围内：约1μA cm-2～10A cm-2、约0.1mA cm-2～5A cm-2和约1mA cm-2～1A cm-2；每单位有效形成分数氢的电极面积的功率在至少一个选自以下的范围内：约1μW cm-2～10W cm-2、约0.1mW cm-2～5W cm-2和约1mW cm-2～1W cm-2；每单位有效形成分数氢的电极面积的恒定电流在约1μA cm-2～1A cm-2的范围内；每单位有效形成分数氢的电极面积的恒定功率在约1mW cm-2～1W cm-2的范围内：时间间隔在至少一个选自以下的范围内：约10-4s～10,000s、10-3s～1000s和10-2s～100s和10-1s～10s；每电池的电阻在至少一个选自以下的范围内：约1mΩ～100MΩ、约1Ω～1MΩ和10Ω～1kΩ；每单位有效形成分数氢的电极面积的适当负载的电导率在至少一个选自以下的范围内：约10-5～1000Ω-1cm-2、10-4～100Ω-1cm-2、10-3～10Ω-1cm-2和10-2～1Ω-1cm-2，且放电电流、电压、功率或时间间隔中的至少一种大于该电解阶段，从而在该循环内产生功率或能量增益中的至少一种。可维持放电期间的电压超过防止该阳极过度腐蚀的电压。
在电化学动力系统的一个实施方式中，形成催化剂的反应为：
O2+5H++5e-→2H2O+H(1/p)；
对半电池反应为：
H2→2H++2e-；且
总反应为：
3/2H2+1/2O2→H2O+H(1/p)。
可在电化学动力系统工作期间由氢形成以下产物中的至少一种：a)拉曼峰在0.23～0.25cm-1的整数倍处加上0～2000cm-1的基质位移的氢产物；b)红外峰在0.23～0.25cm-1的整数倍处加上0～2000cm-1的基质位移的氢产物；c)X射线光电子能谱峰的能量475eV～525eV或257±25eV、509±25eV、506±25eV、305±25eV、490±25eV、400±25eV或468±25eV的范围内加上0～10eV的基质位移的氢产物；d)引起高磁场MAS NMR基质位移的氢产物；e)相对于TMS的高磁场MAS NMR或液体NMR位移大于-5ppm的氢产物；f)至少两个电子束发射光谱峰在200～300nm范围内而间隔在0.23～0.3cm-1的整数倍处加上基质位移在0～5000cm-1范围内的氢产物；和g)至少两个UV荧光发射光谱峰在200～300nm范围内而间隔在0.23～0.3cm-1的整数倍处加上0～5000cm-1的基质位移的氢产物。
本发明还涉及一种电化学动力系统，其包含含有氢渗透性电极的氢阳极；包含氢氧化物的熔融盐电解质；和O2和H2O阴极中的至少一种。在实施方式中，维持该电解质呈熔融状态和该膜呈氢渗透性状态中的至少一种的电池温度在至少一个选自以下的范围内：约25～2000℃、约100～1000℃、约200～750℃、约250℃～500℃，高于电解质熔点的电池温度在至少一个以下的范围内：高于熔点约0～1500℃、高于熔点约0～1000℃、高于熔点约0～500℃、高于熔点约0～250℃和高于熔点约0～100℃；膜厚度在至少一个选自以下的范围内：约0.0001～0.25cm、0.001～0.1cm、和0.005～0.05cm；氢气压力维持在至少一个选自以下的范围内：约1托～500atm、10托～100atm和100托～5atm；氢气渗透速率在至少一个选自以下的范围内：约1×10-13mol s-1cm-2～1×10-4mol s-1cm-2、1×10-12mol s-1cm-2～1×10-5mol s-1cm-2、1×10-11mol s-1cm-2～1×10-6mol s-1cm-2、1×10-10mol s-1cm-2～1×10-7mol s-1cm-2和1×10-9mol s-1cm-2～1×10-8mol s-1cm-2。在一个实施方式中，电化学动力系统包含含有氢喷射电极的氢阳极；包含氢氧化物的熔融盐电解质；和O2和H2O阴极中的至少一种。在实施方式中，维持电解质呈熔融状态的电池温度在至少一个选自以下的范围内：高于电解质熔点约0～1500℃、高于电解质熔点约0～1000℃、高于电解质熔点约0～500℃、高于电解质熔点约0～250℃和高于电解质熔点约0～100℃；每单位H2鼓泡或喷射电极的几何面积的氢气流动速率在至少一个选自以下的范围内：约1×10-13mol s-1cm-2～1×10-4mol s-1cm-2、1×10-12mol s-1cm-2～1×10-5mol s-1cm-2、1×10-11mol s-1cm-2～1×10-6mol s-1cm-2、1×10- 10mol s-1cm-2～1×10-7mol s-1cm-2和1×10-9mol s-1cm-2～1×10-8mol s-1cm-2；在对电极处的反应速率匹配或超过氢起反应的电极处的反应速率；H2O和O2中的至少一种的还原速率足以维持H或H2的反应速率，且对电极具有足以支持充足速率的表面积和材料。
本公开还涉及一种产生热能的动力系统，包含：至少一个容器，其能够具有大气压、高于大气压及低于大气压中的至少一种的压力；至少一个加热器，构成分数氢反应物的反应物，所述反应物包含：a)包含新生H2O的催化剂来源或催化剂；b)原子氢来源或原子氢；c)用于形成催化剂来源、催化剂、原子氢来源和原子氢中的至少一种的反应物；和引发原子氢的催化的一种或多种反应物，其中在进行混合和加热反应物的至少其一时发生反应。在实施方式中，动力系统形成催化剂来源、催化剂、原子氢来源和原子氢中的至少一种的反应包含至少一个选自以下的反应：脱水反应；燃烧反应；路易斯酸或碱和质子酸或碱的反应；氧化物-碱反应；酸酐-碱反应；酸-碱反应；碱-活性金属反应；氧化-还原反应；分解反应；交换反应；和卤化物、O、S、Se、Te、NH3与具有至少一个OH的化合物的交换反应；包含O的化合物的氢还原反应，且H来源为在所述反应物进行反应时所形成的新生H和来自氢化物或气体来源和离解器的氢中的至少一种。
本公开还涉及一种电池组或燃料电池系统，其由氢至较低能量(分数氢)态的催化反应产生电动势(EMF)，从而使分数氢反应释放的能量直接转换成电，该系统包含：
在电池工作期间利用单独的电子流动和离子物质输送构成分数氢反应物的反应物；
包含阴极的阴极隔室；
包含阳极的阳极隔室；和
氢来源。
本公开的其他实施方式涉及一种电池组或燃料电池系统，其由氢至较低能量(分数氢)态的催化反应产生电动势(EMF)，从而使分数氢反应释放的能量直接转换成电，该系统包含至少两种选自以下的成分：催化剂或催化剂来源；原子氢或原子氢来源；用于形成催化剂或催化剂来源和原子氢或原子氢来源的反应物；引发原子氢的催化的一种或多种反应物；和使催化可行的载体，
其中，形成分数氢的电池组或燃料电池系统可还包括包含阴极的阴极隔室、包含阳极的阳极隔室、可选的盐桥、在电池工作期间利用单独的电子流动和离子物质输送构成分数氢反应物的反应物和氢来源。
在本公开的一个实施方式中，引发分数氢反应(如本公开的交换反应)的反应混合物和反应为通过氢形成分数氢的反应产生电能的燃料电池的基础。由于氧化还原电池的半反应，因此产生分数氢的反应混合物是利用经由外部电路的电子迁移和经由单独的路径的离子物质输送以完成电路所构成。产生由半电池反应的总和得到的分数氢的总反应和相应反应混合物可包含本公开的热能和分数氢化学生成的反应类型。
在本公开的一个实施方式中，在对于电子和离子通过单独的导管连接以便在隔室之间完成电路的不同电池隔室中提供处于不同状态或条件(诸如不同温度、压力和浓度中的至少一种)下的不同反应物或相同反应物。由于分数氢反应对于从一个隔室至另一隔室的质量流的依赖性，因此产生单独的隔室的电极之间的电势和电能增益或系统的热增益。质量流提供形成反应产生分数氢的反应混合物和允许分数氢反应以实质速率发生的条件中的至少一种。理想地，在无电子流动和离子物质输送的情况下，分数氢反应不发生或不以可观速率发生。
在另一实施方式中，相较于经由电极施加的电解功率，电池产生电和热功率增益中的至少一种。
在一个实施方式中，用于形成分数氢的反应物为热再生型或电解再生型中的至少一种。
本公开的一个实施方式涉及一种产生电动势(EMF)和热能的电化学动力系统，其包含阴极、阳极和在电池工作期间利用单独的电子流动和离子物质输送构成分数氢反应物的反应物，该系统包含至少两种选自以下的成分：a)催化剂来源或催化剂，其包含nH、OH、OH-、H2O、H2S或MNH2的组中的至少一种，其中n为整数且M为碱金属；b)原子氢来源或原子氢；c)用于形成催化剂来源、催化剂、原子氢来源和原子氢中的至少一种的反应物；引发原子氢的催化的一种或多种反应物；和载体。至少一个以下条件可出现于该电化学动力系统中：a)通过反应混合物的反应形成原子氢和氢催化剂；b)一种反应物，藉助于其发生反应而使得催化有效；和c)引起催化反应的反应，其包含选自以下的反应：(i)放热反应；(ii)偶合反应；(iii)自由基反应；(iv)氧化-还原反应；(v)交换反应；和(vi)吸气剂、载体或基质辅助的催化反应。在一个实施方式中，在对于电子和离子通过单独的导管连接以便在隔室之间完成电路的不同电池隔室中提供处于不同状态或条件下的a)不同反应物或b)相同反应物中的至少一种。内部质量流和外部电子流中的至少一种可使至少一个以下条件出现：a)形成反应产生分数氢的反应混合物；和b)形成允许分数氢反应以实质速率发生的条件。在一个实施方式中，用于形成分数氢的反应物为热再生型或电解再生型中的至少一种。电能和热能输出中的至少一种可以超过由产物再生反应物所需。
本公开的其他实施方式涉及一种产生电动势(EMF)和热能的电化学动力系统，其包含阴极、阳极和在电池工作期间利用单独的电子流动和离子物质输送构成分数氢反应物的反应物，该系统包含至少两种选自以下的成分：a)催化剂来源或催化剂，其包含至少一种选自以下的氧物种：O2、O3、O3 +、O3 -、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH-、HOOH、OOH-、O-、O2-、O2 -和O2 2-，其进行与H物种的氧化反应以形成OH和H2O中的至少一种，其中H物种包含以下中的至少一种：H2、H、H+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH-、HOOH和OOH-；b)原子氢来源或原子氢；c)形成催化剂来源、催化剂、原子氢来源和原子氢中的至少一种的反应物；和引发原子氢的催化的一种或多种反应物；和载体。O物种来源可包含至少一种化合物或化合物混合物，该化合物包含O、O2、空气、氧化物、NiO、CoO、碱金属氧化物、Li2O、Na2O、K2O、碱土金属氧化物、MgO、CaO、SrO和BaO、来自Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn和W的组中的氧化物、过氧化物、碱金属过氧化物、超氧化物、碱金属或碱土金属超氧化物、氢氧化物、碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和第III、IV或V族元素的氢氧化物、羟基氧化物、AlO(OH)、ScO(OH)、YO(OH)、VO(OH)、CrO(OH)、MnO(OH)(α-MnO(OH)锰榍石和γ-MnO(OH)水锰矿)、FeO(OH)、CoO(OH)、NiO(OH)、RhO(OH)、GaO(OH)、InO(OH)、Ni1/2Co1/2O(OH)和Ni1/3Co1/3Mn1/3O(OH)。H物种来源可包含至少一种化合物或化合物混合物，该化合物包含H、金属氢化物、LaNi5H6、氢氧化物、羟基氧化物、H2、H2来源、H2和氢渗透性膜、Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)和不锈钢(SS)(诸如430SS(H2))。
在另一实施方式中，电化学动力系统包含氢阳极；包含氢氧化物的熔融盐电解质；和O2和H2O阴极中的至少一种。氢阳极可包括以下中的至少一种：氢渗透性电极，如Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)和430SS(H2)中的至少一种；可喷射H2的多孔电极；和氢化物，如选自R-Ni、LaNi5H6、La2Co1Ni9H6、ZrCr2H3.8、LaNi3.55Mn0.4Al0.3Co0.75、ZrMn0.5Cr0.2V0.1Ni1.2的氢化物；和能够储存氢的其他合金、AB5(LaCePrNdNiCoMnAl)或AB2(VTiZrNiCrCoMnAlSn)型(其中“ABx”符号是指A类型元素(LaCePrNd或TiZr)与B类型元素(VNiCrCoMnAlSn)的比率)、AB5型：MmNi3.2Co1.0Mn0.6Al0.11Mo0.09(Mm＝密铈合金：25重量％La、50重量％Ce、7重量％Pr、18重量％Nd)、AB2型：Ti0.51Zr0.49V0.70Ni1.18Cr0.12合金、基于镁的合金、Mg1.9Al0.1Ni0.8Co0.1Mn0.1合金、Mg0.72Sc0.28(Pd0.012+Rh0.012)和Mg80Ti20、Mg80V20、La0.8Nd0.2Ni2.4Co2.5Si0.1、LaNi5-xMx(M＝Mn、Al)、(M＝Al、Si、Cu)、(M＝Sn)、(M＝Al、Mn、Cu)和LaNi4Co、MmNi3.55Mn0.44Al0.3Co0.75、LaNi3.55Mn0.44Al0.3Co0.75、MgCu2、MgZn2、MgNi2、AB化合物、TiFe、TiCo和TiNi、ABn化合物(n＝5、2或1)、AB3-4化合物、ABx(A＝La、Ce、Mn、Mg；B＝Ni、Mn、Co、Al)、ZrFe2、Zr0.5Cs0.5Fe2、Zr0.8Sc0.2Fe2、YNi5、LaNi5、LaNi4.5Co0.5、(Ce、La、Nd、Pr)Ni5、密铈合金-镍合金、Ti0.98Zr0.02V0.43Fe0.09Cr0.05Mn1.5、La2Co1Ni9、FeNi和TiMn2。熔融盐可包含与至少一种其他盐(如选自一种或多种其他氢氧化物、卤化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐和磷酸盐的盐)的氢氧化物。熔融盐可包含至少一种选自以下的盐混合物：CsNO3-CsOH、CsOH-KOH、CsOH-LiOH、CsOH-NaOH、CsOH-RbOH、K2CO3-KOH、KBr-KOH、KCl-KOH、KF-KOH、KI-KOH、KNO3-KOH、KOH-K2SO4、KOH-LiOH、KOH-NaOH、KOH-RbOH、Li2CO3-LiOH、LiBr-LiOH、LiCl-LiOH、LiF-LiOH、LiI-LiOH、LiNO3-LiOH、LiOH-NaOH、LiOH-RbOH、Na2CO3-NaOH、NaBr-NaOH、NaCl-NaOH、NaF-NaOH、NaI-NaOH、NaNO3-NaOH、NaOH-Na2SO4、NaOH-RbOH、RbCl-RbOH、RbNO3-RbOH、LiOH-LiX、NaOH-NaX、KOH-KX、RbOH-RbX、CsOH-CsX、Mg(OH)2-MgX2、Ca(OH)2-CaX2、Sr(OH)2-SrX2或Ba(OH)2-BaX2(其中X＝F、Cl、Br或I)和LiOH、NaOH、KOH、RbOH、CsOH、Mg(OH)2、Ca(OH)2、Sr(OH)2或Ba(OH)2和以下中的一种或多种：AlX3、VX2、ZrX2、TiX3、MnX2、ZnX2、CrX2、SnX2、InX3、CuX2、NiX2、PbX2、SbX3、BiX3、CoX2、CdX2、GeX3、AuX3、IrX3、FeX3、HgX2、MoX4、OsX4、PdX2、ReX3、RhX3、RuX3、SeX2、AgX2、TcX4、TeX4、TlX和WX4(其中X＝F、Cl、Br或I)。熔融盐可包含为盐混合物电解质的阴离子所共用的阳离子；或为阳离子所共用的阴离子，且氢氧化物对于混合物中的其他盐稳定。
在本公开的另一实施方式中，电化学动力系统包含[M”(H2)/MOH-M'卤化物/M”']和[M”(H2)/M(OH)2-M'卤化物/M”']中的至少一种，其中M为碱金属或碱土金属，M'为如下特征的金属：其氢氧化物和氧化物为稳定性小于碱金属或碱土金属的氢氧化物和氧化物或与水具有低反应性的至少一种，M”为氢渗透性金属，且M”'为导体。在一个实施方式中，M'为诸如选自以下的金属：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、In和Pb。作为另外的选择，M和M'可为金属，诸如独立地选自以下的金属：Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr、Sn、In、Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl和W。其他示例性体系包含[M'(H2)/MOH M”X/M”']，其中M、M'、M”和M”'为金属阳离子或金属，X为阴离子，诸如选自氢氧根、卤离子、硝酸根、硫酸根、碳酸根和磷酸根的阴离子，且M'为H2渗透性。在一个实施方式中，氢阳极包含金属，诸如至少一种选自以下的金属：V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr、Sn、In、Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl和W，其可在放电期间与电解质反应。在另一实施方式中，电化学动力系统包含：氢来源；能够形成OH、OH-和H2O催化剂中的至少一种且提供H的氢阳极；O2和H2O中的至少一种的来源；能够还原H2O或O2中的至少一种的阴极；碱性电解质；能够收集和再循环H2O蒸气、N2和O2中的至少一种的可选的系统，和用于收集和再循环H2的系统。
本公开还涉及一种包含阳极的电化学动力系统，其包含以下至少一种：金属，诸如选自以下的金属：V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr、Sn、In、Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl和W，和金属氢化物，诸如选自以下的金属氢化物：R-Ni、LaNi5H6、La2Co1Ni9H6、ZrCr2H3.8、LaNi3.55Mn0.4Al0.3Co0.75、ZrMn0.5Cr0.2V0.1Ni1.2，和能够储存氢的其他合金，诸如选自以下的其他合金：AB5(LaCePrNdNiCoMnAl)或AB2(VTiZrNiCrCoMnAlSn)型(其中“ABx”符号是指A类型元素(LaCePrNd或TiZr)与B类型元素(VNiCrCoMnAlSn)的比率)、AB5型：MmNi3.2Co1.0Mn0.6Al0.11Mo0.09(Mm＝密铈合金：25重量％La、50重量％Ce、7重量％Pr、18重量％Nd)、AB2型：Ti0.51Zr0.49V0.70Ni1.18Cr0.12合金、基于镁的合金、Mg1.9Al0.1Ni0.8Co0.1Mn0.1合金、Mg0.72Sc0.28(Pd0.012+Rh0.012)和Mg80Ti20、Mg80V20、La0.8Nd0.2Ni2.4Co2.5Si0.1、LaNi5-xMx(M＝Mn、Al)、(M＝Al、Si、Cu)、(M＝Sn)、(M＝Al、Mn、Cu)和LaNi4Co、MmNi3.55Mn0.44Al0.3Co0.75、LaNi3.55Mn0.44Al0.3Co0.75、MgCu2、MgZn2、MgNi2、AB化合物、TiFe、TiCo和TiNi、ABn化合物(n＝5、2或1)、AB3-4化合物、ABx(A＝La、Ce、Mn、Mg；B＝Ni、Mn、Co、Al)、ZrFe2、Zr0.5Cs0.5Fe2、Zr0.8Sc0.2Fe2、YNi5、LaNi5、LaNi4.5Co0.5、(Ce、La、Nd、Pr)Ni5、密铈合金-镍合金、Ti0.98Zr0.02V0.43Fe0.09Cr0.05Mn1.5、La2Co1Ni9、FeNi和TiMn2；隔板；碱性电解质水溶液；O2和H2O还原阴极中的至少一种；和空气和O2中的至少一种。电化学系统可还包含电解系统，其间歇地将电池充电和放电，使得净能平衡存在增益。作为选择，电化学动力系统可包含或还包含氢化系统，其通过再氢化(rehydriding)氢化物阳极使动力系统再生。
另一实施方式包含产生电动势(EMF)和热能的电化学动力系统，其包含熔融碱金属阳极；β-氧化铝固体电解质(BASE)，和包含氢氧化物的熔融盐阴极。熔融盐阴极可包含低共熔混合物(诸如表4中的一种)和氢来源(诸如氢渗透性膜和H2气体)。催化剂或催化剂来源可选自OH、OH-、H2O、NaH、Li、K、Rb+和Cs。熔融盐阴极可包含碱金属氢氧化物。系统可还包含氢反应器和金属-氢氧化物分离器，其中碱金属阴极和碱金属氢氧化物阴极是通过对产物氧化物的氢化和分离所得碱金属和金属氢氧化物来再生。
电化学动力系统的另一实施方式包含阳极，其包含氢来源，诸如选自以下的氢来源：氢渗透性膜和H2气体和氢化物，其还包含熔融氢氧化物；β-氧化铝固体电解质(BASE)，和阴极，其包含熔融元素和熔融卤化物盐或混合物中的至少一种。适合的阴极包含熔融元素阴极，其包含In、Ga、Te、Pb、Sn、Cd、Hg、P、S、I、Se、Bi和As的一种。作为另外的选择，阴极可为熔融盐阴极，其包含NaX(X为卤离子)和以下的组中的一种或多种：NaX、AgX、AlX3、AsX3、AuX、AuX3、BaX2、BeX2、BiX3、CaX2、CdX3、CeX3、CoX2、CrX2、CsX、CuX、CuX2、EuX3、FeX2、FeX3、GaX3、GdX3、GeX4、HfX4、HgX、HgX2、InX、InX2、InX3、IrX、IrX2、KX、KAgX2、KAlX4、K3AlX6、LaX3、LiX、MgX2、MnX2、MoX4、MoX5、MoX6、NaAlX4、Na3AlX6、NbX5、NdX3、NiX2、OsX3、OsX4、PbX2、PdX2、PrX3、PtX2、PtX4、PuX3、RbX、ReX3、RhX、RhX3、RuX3、SbX3、SbX5、ScX3、SiX4、SnX2、SnX4、SrX2、ThX4、TiX2、TiX3、TlX、UX3、UX4、VX4、WX6、YX3、ZnX2和ZrX4。
产生电动势(EMF)和热能的电化学动力系统的另一实施方式包含：阳极，其包含Li；电解质，其包含有机溶剂，和无机Li电解质和LiPF6中的至少一种；烯烃隔板，和阴极，其包含以下中的至少一种：羟基氧化物、AlO(OH)、ScO(OH)、YO(OH)、VO(OH)、CrO(OH)、MnO(OH)(α-MnO(OH)锰榍石和γ-MnO(OH)水锰矿)、FeO(OH)、CoO(OH)、NiO(OH)、RhO(OH)、GaO(OH)、InO(OH)、Ni1/2Co1/2O(OH)和Ni1/3Co1/3Mn1/3O(OH)。
在另一实施方式中，电化学动力系统包含阳极，其包含以下中的至少一种：Li、锂合金、Li3Mg和Li-N-H体系的物种；熔融盐电解质，和氢阴极，其包含H2气体和多孔阴极、H2和氢渗透性膜中的至少一种，和金属氢化物、碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属氢化物之一。
本公开还涉及一种电化学动力系统，其包含电池a)至h)中的至少一种，其包含：
a)(i)阳极，其包含氢渗透性金属和氢气，诸如选自Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Fe(H2)、Nb(H2)中的一种；或金属氢化物，诸如选自LaNi5H6、TiMn2Hx和La2Ni9CoH6(x为整数)中的一种；(ii)熔融电解质，诸如选自以下的熔融电解质：MOH或M(OH)2，或MOH或M(OH)2与M'X或M'X2，其中M和M'为金属，诸如独立地选自Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr和Ba中的一种，且X为阴离子，诸如选自氢氧根、卤离子、硫酸根和碳酸根的阴离子，和(iii)阴极，其包含可与阳极相同的金属，且还包含空气或O2；
b)(i)阳极，其包含至少一种金属，诸如选自R-Ni、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、In和Pb中的一种；(ii)电解质，其包含浓度范围为约10M至饱和的碱金属氢氧化物水溶液；(iii)烯烃隔板，和(iv)碳阴极，并且还包含空气或O2；
c)(i)阳极，其包含熔融NaOH和氢渗透性膜，诸如Ni和氢气；(ii)电解质，其包含β氧化铝固体电解质(BASE)，和(iii)阴极，其包含熔融低共熔盐，诸如NaCl-MgCl2、NaCl-CaCl2或MX-M'X2'(M为碱金属，M'为碱土金属，且X和X'为卤离子)；
d)(i)包含熔融Na的阳极；(ii)电解质，其包含β氧化铝固体电解质(BASE)，和(iii)包含熔融NaOH的阴极；
e)(i)阳极，其包含氢化物，诸如LaNi5H6；(ii)电解质，其包含浓度范围为约10M至饱和的碱金属氢氧化物水溶液；(iii)烯烃隔板，和(iv)碳阴极，且还包含空气或O2；
f)(i)包含Li的阳极；(ii)烯烃隔板；(ii)有机电解质，诸如包含LP30和LiPF6的有机电解质，和(iv)阴极，其包含羟基氧化物，诸如CoO(OH)；
g)(i)阳极，其包含锂合金，诸如Li3Mg；(ii)熔融盐电解质，诸如LiCl-KCl或MX-M'X'(M和M'为碱金属，X和X'为卤离子)，和(iii)阴极，其包含金属氢化物，诸如选自CeH2、LaH2、ZrH2和TiH2中的一种，且还包含碳黑，和
h)(i)包含Li的阳极；(ii)熔融盐电解质，诸如LiCl-KCl或MX-M'X'(M和M'为碱金属，X和X'为卤离子)，和(iii)阴极，其包含金属氢化物，诸如选自CeH2,LaH2、ZrH2和TiH2中的一种，且还包含碳黑。
本公开还涉及一种电化学动力系统，其包含至少一种以下电池：[Ni(H2)/LiOH-LiBr/Ni]，其中指定为Ni(H2)的氢电极包含氢的渗透、喷射和间歇电解来源中的至少一种；[PtTi/H2SO4(约5M水溶液)或H3PO4(约14.5M水溶液)/PtTi]间歇电解；和[NaOH Ni(H2)/BASE/NaCl MgCl2]，其中指定为Ni(H2)的氢电极包含氢的渗透来源。在适合的实施方式中，氢电极包含制备为具有保护性氧化物涂层(诸如NiO)的金属(诸如镍)。氧化物涂层可通过在氧化性氛围(诸如包含氧气的氛围)中阳极化或氧化来形成。
本公开还涉及一种电化学动力系统，其包含电池a)至d)中的至少一种，包含：
a)(i)阳极，包含指定为Ni(H2)且包含氢的渗透、喷射和间歇电解来源中的至少一种的氢电极；(ii)熔融电解质，诸如选自MOH或M(OH)2、或MOH或M(OH)2与M'X或M'X2中的一种，其中M和M'为金属，诸如独立地选自Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr和Ba的金属，且X为阴离子，诸如选自氢氧根、卤离子、硫酸根和碳酸根的阴离子；和(iii)阴极，包含可与阳极相同的金属，且还包含空气或O2；
b)(i)阳极，包含指定为Ni(H2)且包含氢的渗透、喷射和间歇电解来源中的至少一种的氢电极；(ii)熔融电解质，诸如LiOH-LiBr、NaOH-NaBr或NaOH-NaI；和(iii)阴极，包含可与阳极相同的金属，且还包含空气或O2；
c)(i)阳极，包含贵金属，诸如Pt/Ti；(ii)酸水溶液电解质，诸如H2SO4或H3PO4，浓度可分别在1至10M和5至15M范围内；和(iii)阴极，包含可与阳极相同的金属，且还包含空气或O2，和
d)(i)阳极，包含熔融NaOH和指定为Ni(H2)且包含氢的渗透来源的氢电极；(ii)电解质，包含β氧化铝固体电解质(BASE)；和(iii)阴极，包含熔融低共熔盐，诸如NaCl-MgCl2、NaCl-CaCl2或MX-M'X2'(M为碱金属，M'为碱土金属，且X和X'为卤离子)。
本公开的其他实施方式涉及催化剂体系，诸如电化学电池的催化剂体系，其包含能够使处于其n＝1态的原子H形成较低能态的氢催化剂、原子氢来源和能够引发和传播反应以形成较低能量氢的其他物种。在某些实施方式中，本公开涉及一种反应混合物，其包含至少一种原子氢来源和至少一种催化剂或催化剂来源以支持氢催化形成分数氢。本文对于固体和液体燃料所揭示的反应物和反应也为包含多相混合物的非均相燃料的反应物和反应。该反应混合物包含至少两种选自以下的成分：氢催化剂或氢催化剂来源和原子氢或原子氢来源，其中原子氢和氢催化剂中的至少一种可通过反应混合物的反应来形成。在其他实施方式中，反应混合物还包含载体，其在某些实施方式中可以为导电性、还原剂和氧化剂，其中至少一种反应物通过其进行反应而使得催化有效。反应物可通过加热针对任何非分数氢产物来再生。
本公开也涉及一种电源，其包含：
用于原子氢的催化的反应电池；
反应容器；
真空泵；
与反应容器连通的原子氢来源；
与反应容器连通的氢催化剂来源，其包含体相材料，
原子氢来源和氢催化剂来源中的至少一种来源，其包含反应混合物，该反应混合物包含至少一种反应物，其包含形成原子氢和氢催化剂中的至少一种的元素，和至少一种其他元素，由此由该来源形成原子氢和氢催化剂中的至少一种，
用于引起催化的至少一种其他反应物；和
容器加热器，
由此原子氢的催化释放大于约300千焦/摩尔氢的量的能量。
形成分数氢的反应可通过一种或多种化学反应来活化或引发和传播。此类反应可选自例如(i)氢化物交换反应；(ii)卤素-氢交换反应；(iii)放热反应，其在某些实施方式中为分数氢反应提供活化能；(iv)偶合反应，其在某些实施方式中提供催化剂或原子氢来源中的至少一种以支持分数氢反应；(v)自由基反应，其在某些实施方式中充当分数氢反应期间来自催化剂的电子的受体；(vi)氧化还原反应，其在某些实施方式中，充当分数氢反应期间来自催化剂的电子的受体；(vi)其他交换反应，诸如阴离子交换，包括卤化物、硫化物、氢化物、砷化物、氧化物、磷化物和氮化物交换，其在一个实施方式中，有助于催化剂在由原子氢接受能量形成分数氢时变得电离的作用；和(vii)吸气剂、载体或基质辅助分数氢反应，其可提供以下中的至少一种：(a)分数氢反应的化学环境、(b)转移电子以促进H催化剂功能的作用、(c)经历可逆相或其他物理变化或其电子状态变化和(d)结合较低能量氢产物以提高分数氢反应的程度或速率中的至少一种。在某些实施方式中，导电载体使活化反应可进行。
在另一实施方式中，形成分数氢的反应包含在至少两个物种(诸如两种金属)之间的氢化物交换和卤化物交换中的至少一种。至少一种金属可以为用于形成分数氢的催化剂或催化剂来源，诸如碱金属或碱金属氢化物。氢化物交换可发生在至少两种氢化物之间、至少一种金属与至少一种氢化物之间、至少两种金属氢化物之间、至少一种金属与至少一种金属氢化物之间，和具有在两个以上物种之间或涉及两个以上物种的交换的其他此类组合。在一个实施方式中，氢化物交换形成混合金属氢化物，诸如(M1)x(M2)yHz，其中x、y和z为整数且M1和M2为金属。
本公开的其他实施方式涉及反应物，其中活化反应和/或传播反应中的催化剂包含催化剂或催化剂来源和氢来源与材料或化合物反应形成插层化合物，其中反应物通过除去插层物种来再生。在一个实施方式中，碳可充当氧化剂并且碳可例如通过加热、使用置换剂、电解或通过使用溶剂由碱金属插层碳再生。
在其他实施方式中，本公开涉及一种动力系统，其包含：
(i)化学燃料混合物，其包含至少两种选自以下的成分：催化剂或催化剂来源；原子氢或原子氢来源；用于形成催化剂或催化剂来源和原子氢或原子氢来源的反应物；引发原子氢的催化的一种或多种反应物；和使催化可行的载体，
(ii)包含多个反应容器的至少一个热系统，其用于逆转交换反应以由反应产物热再生燃料，
其中包含由混合物反应产物形成初始化学燃料混合物的反应的再生反应是在与至少一个进行动力反应的其他反应容器联合的多个反应容器中的至少一个中进行，
至少一个动力产生容器的热量流动到进行再生的至少一个容器以提供热再生能量，
将容器嵌埋于热传递介质中以实现热流动，
至少一个容器还包含真空泵和氢来源，并且可还包含在较热腔室与较冷腔室之间维持温差使得物质优先累积于较冷腔室中的两个腔室，
其中在较冷腔室中进行氢化物反应以形成至少一种初始反应物，使其返回较热腔室，
(iii)穿过热屏障从产生动力的反应容器接受热量的散热器，
和
(iv)动力转换系统，其可包含热机，诸如朗肯(Rankine)或布累登(Brayton)循环发动机、蒸汽发动机、史特林发动机(Stirling engine)，其中动力转换系统可包含热电或热离子转换器。在某些实施方式中，散热器可将动力转移至动力转换系统以产生电。
在某些实施方式中，动力转换系统从散热器接受热流，且在某些实施方式中，散热器包含蒸汽发生器且蒸汽流动至诸如涡轮机等热机以产生电。
在其他实施方式中，本公开涉及一种动力系统，其包含：
(i)化学燃料混合物，其包含至少两种选自以下的成分：催化剂或催化剂来源；原子氢或原子氢来源；用于形成催化剂或催化剂来源和原子氢或原子氢来源的反应物；引发原子氢的催化的一种或多种反应物；和使催化可行的载体，
(ii)用于逆转交换反应以由反应产物热再生燃料的热系统，其包含至少一个反应容器，其中包含由混合物反应产物形成初始化学燃料混合物的反应的再生反应与动力反应一起在至少一个反应容器中进行，来自产生动力的反应的热量流动至再生反应为热再生提供能量，至少一个容器在一个区段上绝缘且在另一区段上与热传导介质接触以分别在容器的较热与较冷区段之间达成热梯度，使得物质优先累积于较冷区段中，至少一个容器还包含真空泵和氢来源，其中氢化物反应在较冷区段中进行以形成至少一种初始反应物，使其返回较热区段，
(iii)散热器，其接受来自产生动力的反应传递通过热传导介质并且可选地穿过至少一个热屏障的热量，和
(iv)动力转换系统，其可包含热机，诸如朗肯或布累登循环发动机、蒸汽发动机、史特林发动机，其中动力转换系统可包含热电或热离子转换器，其中转换系统从散热器接受热流，
在一个实施方式中，散热器包含蒸汽发生器且蒸汽流动至诸如涡轮机等热机以产生电。
附图说明
图1为根据本公开的电池组和燃料电池和电解电池的示意图。
图2为根据本公开的CIHT电池双极板的示意图。
图3A为根据本公开的CIHT电池堆叠的重复单元，其包括复合阴极、渗透阳极和气体进料。
图3B为根据本公开的CIHT电池堆叠的重复单元，其包括可发生氢化且对于相应的相对电池支持来自相对侧的电化学反应的阳极。
图4为根据本公开的具有中心加热器的CIHT电池堆叠的示意图。
图5为根据本公开的包含H2O和H2收集和再循环系统的CIHT电池的示意图。
具体实施方式
本公开涉及用于从原子氢释放能量以形成较低能态的催化剂体系，所述较低能态中电子壳层相对于核处于更靠近的位置。将释放的能量用于动力产生，并且另外的新型氢物种和化合物为所希望的产物。这些能态是经典物理定律预测到的，需要催化剂接受来自氢的能量以进行相应的能量释放跃迁。
经典物理学给出了氢原子、氢阴离子、氢分子离子和氢分子的闭型解且预测具有分数主量子数的相应物种。使用麦克斯韦方程，根据边界值问题推导出电子结构，其中电子包含在跃迁期间随时间变化的电磁场的源电流，其中约束为边界n＝1状态电子不能辐射能量。由H原子的解预测的反应涉及从另外的稳定原子氢至能够接受能量形成能态低于在先认为可能的能态的氢的催化剂的共振、非辐射能量传递。具体而言，经典物理学预测原子氢会进行与某些原子、准分子、离子和双原子氢化物的催化反应，其提供净焓为原子氢势能Eh＝27.2eV的整数倍的反应，其中Eh为一哈特里。基于已知电子能级可鉴别的具体物质(例如He+、Ar+、Sr+、K、Li、HCl，和NaH、OH、SH、SeH、H2O、nH(n＝整数))需要与原子氢一起存在以催化该过程。反应包括非辐射能量传递，接着为q·13.6eV连续发射或q·13.6eV转移至H以形成极热的激发态H和对应于分数主量子数的能量低于未反应原子氢的氢原子。即，在氢原子的主能级的式中：
n＝1,2,3,... (2)
其中aH为氢原子的玻尔半径(52.947pm)，e为电子电荷量值，且εo为真空电容率，分数量子数：
替代氢激发态的里德堡方程中的熟知参数n＝整数且表示称为“分数氢”的较低能态氢原子。接着，类似于具有麦克斯韦方程式的分析解的激发态，分数氢原子也包含电子、质子和光子。然而，后者的电场增加了对应于能量解吸的结合，而非如在激发态随着能量吸收而减弱中心场，且由此产生的分数氢的光子-电子相互作用为稳定的而非辐射性的。
氢的n＝1状态和氢的状态为非辐射性的，但两种非辐射状态之间的跃迁，比如n＝1至n＝1/2，可以经由非辐射性能量传递进行。氢为由方程式(1)和(3)给出的稳定状态的特例，其中氢或分数氢原子的相应半径由以下得出：
其中p＝1,2,3…。为使能量守恒，必须自氢原子转移以下单位的能量至催化剂：
m·27.2eV，m＝1，2，3，4，.... (5)
和使半径转变为催化剂反应包括两个能量释放步骤：非辐射能量传递至催化剂，接着当半径减小至相应稳定的最终状态时的另外的能量释放。据信当净反应焓与m·27.2eV更为密切地匹配时催化速率增大。已发现净反应焓在m·27.2eV的±10％、优选为±5％内的催化剂适用于大多数应用。在将分数氢原子催化至较低能态的情况下，以与分数氢原子的势能相同的因子对m·27.2eV(方程式(5))的反应焓作相对论校正。
于是，一般反应由以下给出：
Cat(q+r)++re-→Catq++m·27.2eV (8)
且总反应为
q、r、m和p为整数。具有氢原子半径(对应于分母中的1)和等于质子的(m+p)倍的中心场，且为半径为H的的相应稳定状态。当电子经历从氢原子半径至此距离的半径的径向加速时，能量以特征光发射或第三体动能的形式释放。发射可呈边缘在[(p+m)2-p2-2m]·13.6eV或和延伸至较长波长的远紫外线连续辐射的形式。除辐射外，可发生共振动能传递以形成快H。随后此类快H(n＝1)原子通过与背景H2碰撞而激发，接着发射相应H(n＝3)快原子，可引起巴耳末α发射变宽。作为另外的选择，快H为充当催化剂的H或分数氢的直接产物，其中接受共振能量传递与势能而非电离能有关。能量守恒在前一情况下产生动能对应于势能的一半的质子，在后一情况下产生处于基本上静止的催化剂离子。快质子的H复合辐射引起巴耳末α发射变宽，这与符合多余动力平衡的热氢的存量不成比例。
在本公开中，诸如分数氢反应、H催化、H催化反应、当提及氢时的催化、氢形成分数氢的反应和分数氢形成反应等术语均指诸如以下的反应：由方程式(5)定义的催化剂的方程式(6-9)的反应，其中原子H形成具有由方程式(1)和(3)给出的能级的氢状态。当提及可将H催化进行至具有由方程式(1)和(3)给出的能级的H状态或分数氢状态的反应混合物时，诸如分数氢反应物、分数氢反应混合物、催化剂混合物、用于分数氢形成的反应物、产生或形成较低能态氢或分数氢的反应物的相应术语也可互换使用。
本公开的催化性较低能量氢跃迁需要可呈未经催化的原子氢的势能27.2eV的整数m倍的吸热化学反应形式的催化剂，其从原子H接受能量引起跃迁。吸热催化剂反应可为从诸如原子或离子等物种电离一个或多个电子(例如对于Li→Li2+，m＝3)并且可还包含断键与从一种或多种初始键搭配物电离一个或多个电子的协同反应(例如对于NaH→Na2++H，m＝2)。He+因为其以54.417eV(为2·27.2eV)电离所以满足催化剂准则——焓变等于27.2eV的整数倍的化学或物理过程。整数数目的氢原子也可充当27.2eV焓的整数倍的催化剂。氢原子H(1/p)p＝1,2,3,...137可经历由方程式(1)和(3)给出的朝向较低能态的进一步跃迁，其中一个原子的跃迁由一个或多个以共振和非辐射方式接受m·27.2eV且伴随有势能的相反变化的其他H原子所催化。关于由m·27.2eV共振传递至H(1/p')所诱导的H(1/p)跃迁至H(1/(p+m))的一般总方程由以下表示：
H(1/p')+H(1/p)→H+H(1/(p+m))+[2pm+m2-p'2+1]·13.6eV (10)
氢原子可充当催化剂，其中对于充当另一个的催化剂的一、二和三个原子分别为m＝1、m＝2和m＝3。当极快H与分子碰撞形成2H时，二原子催化剂2H的速率可能较高，其中两个原子从碰撞搭配物的第三氢原子共振式和非辐射式接受54.4eV。通过同一机制，两个热H2的碰撞提供3H以充当第四个的3·27.2eV的催化剂。与预测一致，观察到在22.8nm和10.1nm的EUV连续谱、反常的(>100eV)巴耳末α线变宽、高度激发的H状态、产物气体H2(1/4)，和大能量释放。
H(1/4)基于其多极性和其形成的选择规则为优选分数氢状态。因此，在形成H(1/3)的情况下，跃迁至H(1/4)可根据方程式(10)由H催化而快速发生。类似地，H(1/4)为对应于方程式(5)中的m＝3、大于或等于81.6eV的催化剂能量的优选状态。在此情况下，朝向催化剂的能量传递包含形成方程式(7)的H*(1/4)中间物的81.6eV和来自中间物衰变的27.2eV的整数。例如，焓为108.8eV的催化剂可通过从122.4eV的H*(1/4)衰变能量接受81.6eV和27.2eV来形成H*(1/4)。95.2eV的剩余衰变能量释放至环境中以形成优选状态H(1/4)，其接着反应形成H2(1/4)。
适合的催化剂可因此提供m·27.2eV的反应正净焓。也即，催化剂从氢原子共振式接受非辐射能量传递且将能量释放至环境中以实现朝向分数量子能级的电子跃迁。由于非辐射能量传递，因此氢原子变得不稳定且发射其他能量直至其达成具有由方程式(1)和(3)给出的主能级的较低能量非辐射状态为止。因此，催化从氢原子尺寸相应减小(rn＝naH)的氢原子释放能量，其中n由方程式(3)给出。例如，H(n＝1)至H(n＝1/4)的催化释放204eV，且氢半径自aH减小至
催化剂产物H(1/p)也可与电子反应形成分数氢氢阴离子H-(1/p)，或两个H(1/p)可反应形成相应的分子分数氢H2(1/p)。特别是，催化剂产物H(1/p)也可与电子反应形成结合能为EB的新的氢阴离子H-(1/p)：
其中p＝大于1的整数，s＝1/2,为普朗克常数项，μo为真空磁导率，me为电子质量，μe为由给出的约化电子质量，其中mp为质子质量，ao为玻尔半径，且离子半径为根据方程式(11)，氢阴离子的计算电离能为0.75418eV，且实验值为6082.99±0.15cm-1(0.75418eV)。分数氢氢阴离子的结合能可由X射线光电子能谱法(XPS)测量。
高磁场位移NMR峰为相对于普通氢阴离子半径减小且质子的反磁性屏蔽增大的较低能态氢的存在的直接证据。位移由量级p的两个电子和质子场的反磁性的贡献之和得出(Mills GUTCP方程式(7.87))：
其中第一项适用于H-(p＝1)和H-(1/p)(p＝大于1的整数)，且α为精细结构常数。预测的分数氢氢阴离子峰相对于普通氢阴离子异常地朝向高磁场偏移。在一个实施方式中，峰在TMS的高磁场。相对于TMS的NMR位移可大于对于单独或构成化合物的普通H-、H、H2或H+中的至少一种所知的NMR位移。位移可大于以下中的至少一种：0ppm、-1ppm、-2ppm、-3ppm、-4ppm、-5ppm、-6ppm、-7ppm、-8ppm、-9ppm、-10ppm、-11ppm、-12ppm、-13ppm、-14ppm、-15ppm、-16ppm、-17ppm、-18ppm、-19ppm、-20ppm、-21ppm、-22ppm、-23ppm、-24ppm、-25ppm、-26ppm、-27ppm、-28ppm、-29ppm、-30ppm、-31ppm、-32ppm、-33ppm、-34ppm、-35ppm、-36ppm、-37ppm、-38ppm、-39ppm和-40ppm。相对于裸质子的绝对位移的范围(其中TMS位移相对于裸质子为约-31.5)可为-(p29.9+p22.74)ppm(方程式(12))，大约在以下至少一种的范围内：±5ppm、±10ppm、±20ppm、±30ppm、±40ppm、±50ppm、±60ppm、±70ppm、±80ppm、±90ppm和±100ppm。相对于裸质子的绝对位移的范围可为-(p29.9+p21.59×10-3)ppm(方程式(12))，大约在以下至少一种的范围内：约0.1％～99％、1％～50％和1％～10％。在另一个实施方式中，固体基质(诸如如NaOH或KOH等氢氧化物的基质)中分数氢物种(诸如分数氢原子、氢阴离子或分子)的存在引起基质质子朝向高磁场位移。基质质子(诸如NaOH或KOH的质子)可交换。在一个实施方式中，位移可引起基质峰在相对于TMS约-0.1ppm～-5ppm范围内。NMR测定可包含魔角旋转1H核磁共振光谱(MAS 1H NMR)。
H(1/p)可与质子反应并且两个H(1/p)可反应，分别形成H2(1/p)+和H2(1/p)。氢分子离子和分子电荷和电流密度泛函、键距和能量在非辐射约束下由椭球坐标中的拉普拉斯算符求解。
在长椭球体分子轨道的各焦点具有+pe的中心场的氢分子离子的总能量ET为
其中p为整数，c为真空中的光速，且μ为约化核质量。在长椭球体分子轨道的各焦点具有+pe的中心场的氢分子的总能量为
氢分子H2(1/p)的键解离能ED为相应氢原子的总能量与ET之间的差
ED＝E(2H(1/p))-ET (16)
其中
E(2H(1/p))＝-p227.20eV (17)
ED为由方程式(16-17)及(15)得出：
ED＝-p227.20eV-ET
＝-p227.20eV-(-p231.351eV-p30.326469eV)
＝p24.151eV+p30.326469eV (18)
H2(1/p)可由X射线光电子能谱(XPS)鉴定，其中除电离电子以外的电离产物可为诸如包含两个质子和电子、H原子、分数氢原子、分子离子、氢分子离子和H2(1/p)+等可能性中的至少一种，其中能量可因基质而位移。
催化产物气体的NMR提供H2(1/p)的理论预测化学位移的确定性测试。一般而言，由于椭圆坐标中的分率半径(其中电子明显更接近核)，H2(1/p)的1H NMR共振经预测在H2的高场。H2(1/p)的预测位移由量级p的两个电子和光子磁场的反磁性的贡献之和给出(Mills GUTCP方程式(11.415-11.416))：
其中第一项适用于H2(p＝1)和H2(1/p)(p＝大于1的整数)。-28.0ppm的实验绝对H2气相共振位移与预测的绝对气相位移-28.01ppm(方程式(20))相当吻合。预测的分子分数氢峰相对于普通H2异常地朝向高场位移。在一个实施方式中，峰在TMS的高场。相对于TMS的NMR位移可大于对于单独或构成化合物的普通H-、H、H2或H+中的至少一种所知的NMR位移。位移可大于以下中的至少一种：0ppm、-1ppm、-2ppm、-3ppm、-4ppm、-5ppm、-6ppm、-7ppm、-8ppm、-9ppm、-10ppm、-11ppm、-12ppm、-13ppm、-14ppm、-15ppm、-16ppm、-17ppm、-18ppm、-19ppm、-20ppm、-21ppm、-22ppm、-23ppm、-24ppm、-25ppm、-26ppm、-27ppm、-28ppm、-29ppm、-30ppm、-31ppm、-32ppm、-33ppm、-34ppm、-35ppm、-36ppm、-37ppm、-38ppm、-39ppm和-40ppm。相对于裸质子的绝对位移的范围(其中TMS位移相对于裸质子为约-31.5)可为-(p28.01+p22.56)ppm(方程式(20))，在约以下至少一种的范围内：±5ppm、±10ppm、±20ppm、±30ppm、±40ppm、±50ppm、±60ppm、±70ppm、±80ppm、±90ppm和±100ppm。相对于裸质子的绝对位移的范围可为-(p28.01+p21.49×10-3)ppm(方程式(20))，在约以下至少一种的范围内：约0.1％～99％、1％～50％和1％～10％。
氢型分子H2(1/p)的υ＝0至υ＝1跃迁的振动能Evib为
Evib＝p20.515902eV (21)
其中p为整数。
氢型分子H2(1/p)的J至J+1跃迁的转动能Erot为
其中p为整数且I为转动惯量。对气体中和捕捉于固体基质中的电子束受激分子观察H2(1/4)的振转发射。
转动能的p2相关性由核间距离的逆p相关性和对转动惯量I的相应影响引起。经预测的H2(1/p)的核间距离2c'为
H2(1/p)的转动能和振动能中的至少一种可由电子束激发发射光谱、拉曼光谱和傅里叶变换红外(FTIR)光谱中的至少一种来测量。H2(1/p)可被捕捉于基质中以便测量，诸如捕捉于MOH、MX和M2CO3(M＝碱金属；X＝卤离子)基质中的至少一种。
催化剂
据预测，He+、Ar+、Sr+、Li、K、NaH、nH(n＝整数)和H2O因为其满足催化剂准则——焓变等于原子氢势能27.2eV的整数倍的化学或物理过程，所以可充当催化剂。具体而言，如下提供催化体系：将t个电子从原子各自电离至连续能级，使得t个电子的电离能之和为约m·27.2eV，其中m为整数。此外，可发生其他催化跃迁：等。一旦催化开始，分数氢即在称为歧化的过程中进一步自催化，其中H或H(1/p)充当另一H或H(1/p')(p可等于p')的催化剂。
氢和分数氢可充当催化剂。氢原子H(1/p)p＝1,2,3,...137可经历由方程式(1)和(3)给出的朝向较低能态的跃迁，其中一个原子的跃迁由以共振和非辐射方式接受m·27.2eV且伴随有势能的相反变化的第二个所催化。由m·27.2eV共振传递至H(1/p')所诱导的H(1/p)跃迁至H(1/(m+p))的总的一般方程由方程式(10)表示。因此，氢原子可充当催化剂，其中对于作为另一个的催化剂的一、二和三个原子分别为m＝1、m＝2和m＝3。仅当H密度较高时，二或三原子催化剂情况的速率将会较可观。但是，高H密度并不罕见。容许2H或3H充当第三或第四个的能量受体的高氢原子浓度可在若干情况下达成，诸如因温度及重力驱动的密度而在太阳和星星表面、在承载多个单层的金属表面，和在高度解离等离子体(尤其为压缩氢等离子体)中。另外，当两个H原子因热H与H2碰撞而出现时易于达成三体H相互作用。此事件可通常在具有大量极快H的等离子体中发生。这由原子H发射的异常强度所证实。在此类情况下，可经由多极偶合从氢原子至足够邻近(通常几埃)的两个其他氢原子发生能量传递。接着，三个氢原子之间的反应(由此两个原子以共振和非辐射方式从第三氢原子接受54.4eV，使得2H充当催化剂)由以下给出：
且总反应为
其中具有氢原子半径和等于质子3倍的中心场，且为半径为H的1/3的相应稳定状态。因为电子经历从氢原子半径至1/3此距离的半径的径向加速度，所以能量以特征光发射或第三体动能的形式释放。
在涉及直接跃迁至状态的另一H原子催化剂反应中，两个热H2分子碰撞并解离，使得三个H原子充当第四个的3·27.2eV的催化剂。接着，四个氢原子之间的反应(由此三个原子以共振和非辐射方式从第四氢原子接受81.6eV，使得3H充当催化剂)由以下给出：
且总反应为
预测归因于方程式(28)的中间物的远紫外线连续辐射带在122.4eV(10.1nm)下具有短波长截止值且延伸至较长波长。此连续谱带经实验证实。一般而言，通过接受m·27.2eV而使H跃迁至得到连续谱带，其具有由以下给出的短波长截止值和能量
且延伸至大于相应截止值的波长。在星际介质、太阳及白矮星中实验观察到10.1nm、22.8nm和91.2nm连续谱的氢发射序列。
H2O的势能为81.6eV(方程式(43))[Mills GUT]。然后，通过相同机制，新生H2O分子(并非以固态、液态或气态键合的氢)可用作催化剂(方程式(44-47))。在BlackLight Power公司(BLP)首次观察到H至较低能量(所谓的“分数氢”)状态的理论预测迁移的连续能谱辐射带(在10.1nm处且延伸至较长波长)仅源于脉冲收缩氢放电，且再现于哈佛天体物理中心(CfA)。据观察，10nm至30nm区域中匹配H至分数氢状态的预测迁移的连续能谱辐射仅源于使用在热力学上有利于发生H还原以形成HOH催化剂的金属氧化物进行的脉冲收缩氢放电；而那些不利者并不显示任何连续能谱，即使所测试的低熔点金属极有利于在较强效等离子体源中形成具有强短波长连续能谱的金属离子等离子体。
作为另一选择，形成快速H的共振动能转移的发生可与对应于高动能H所观察到的反常巴耳末α谱线拓宽一致。至两个H的能量传递也引起催化剂激发态的运动，且直接产生快速H，如通过示例方程式(24)、(28)和(47)以及通过共振动能转移所示。
I.分数氢
具有由以下给出的结合能的氢原子：
(其中p为大于1，优选为2至137的整数)为本公开的H催化反应的产物。原子、离子或分子的结合能(也称为电离能)为从原子、离子或分子移除一个电子所需的能量。具有方程式(34)中给出的结合能的氢原子在下文中称作“分数氢原子”或“分数氢”。半径(其中aH为普通氢原子的半径且p为整数)的分数氢的符号为具有半径aH的氢原子在下文中称作“普通氢原子”或“正常氢原子”。普通原子氢的特征在于其结合能为13.6eV。
分数氢通过使普通氢原子与适合催化剂反应而形成，其净反应焓为：
m·27.2eV (35)
其中m为整数。据信当净反应焓与m·27.2eV较为密切地匹配时催化速率增大。已发现净反应焓在m·27.2eV的±10％、优选为±5％内的催化剂适用于大多数应用。
此催化从氢原子释放能量，氢原子尺寸相应减小(rn＝naH)。例如，H(n＝1)至H(n＝1/2)的催化释放40.8eV，且氢半径自aH减小至如下提供催化体系：将t个电子从原子各自电离至连续能级，使得t个电子的电离能之和为约m·27.2eV，其中m为整数。作为能源，在催化期间放出的能量比向催化剂损失的能量大得多。释放的能量大于常规化学反应。例如，当氢气和氧气经历燃烧形成水时，
已知的水的生成焓为每个氢原子ΔHf＝-286千焦/摩尔或1.48eV。相比之下，经历催化的各(n＝1)普通氢原子净释放40.8eV。此外，可发生其他催化跃迁：等。一旦催化开始，分数氢即在称为歧化的过程中进一步自催化。此机制类似于无机离子催化的机制。但由于焓与m·27.2eV的优选匹配，因此分数氢催化的反应速率应高于无机离子催化剂的反应速率。
表1中给出能够提供约m·27.2eV(其中m为整数)的净反应焓以产生分数氢(由此t个电子从原子或离子电离)的氢催化剂。第一列给出的原子或离子经电离以提供第十列给出的m·27.2eV的净反应焓，其中在第十一列给出m。参与电离的电子与电离电势(也称为电离能或结合能)一起给出。原子或离子的第n个电子的电离电势由IPn表示且由CRC给出。即，例如Li+5.39172eV→Li++e-和Li++75.6402eV→Li2++e-。第一电离电势IP1＝5.39172eV和第二电离电势IP2＝75.6402eV分别在第二和第三列给出。Li双电离的净反应焓如第十列给出为81.0319eV，和如第十一列给出的式(5)中的m＝3。
表1.氢催化剂
本公开的分数氢氢阴离子可通过电子来源与分数氢的反应来形成，分数氢即结合能是约的氢原子，其中且p为大于1的整数。分数氢氢阴离子由H-(n＝1/p)或H-(1/p)表示：
分数氢氢阴离子不同于包含普通氢原子核和两个电子的结合能为约0.8eV的普通氢阴离子。后者在下文称作「普通氢阴离子」或「正常氢阴离子」。分数氢氢阴离子包含氢原子核(包括氕、氘或氚)，和两个不可区分的电子，其结合能如方程式(39)和(40)所示。
分数氢氢阴离子的结合能可由下式表示：
结合能
其中p为大于1的整数，s＝1/2，π为圆周率，为普朗克常数项，μo为真空磁导率，me为电子质量，μe为由给出的约化电子质量，其中mp为质子质量，aH为氢原子半径，ao为玻尔半径，且e为基本电荷。半径由以下给出：
表2中显示随p而变的分数氢氢阴离子H-(n＝1/p)的结合能，其中p为整数。
表2.随p而变(方程式(39))的分数氢氢阴离子H-(n＝1/p)的代表性结合能。
a方程式(40)
b方程式(39)
根据本公开，提供一种分数氢氢阴离子(H-)，其根据方程式(39)和(40)的结合能对于p＝2直至23大于普通氢阴离子的结合能(约0.75eV)，对于p＝24(H-)则为小于的情况。对于方程式(39)和(40)的p＝2至p＝24，氢阴离子结合能分别为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和0.69eV。本文也提供包含新型氢阴离子的示例性组合物。
也提供包含一种或多种分数氢氢阴离子和一种或多种其他元素的示例性化合物。此种化合物称作「分数氢氢阴离子化合物」。
普通氢物质的特征在于以下结合能：(a)氢阴离子，0.754eV(「普通氢阴离子」)；(b)氢原子(「普通氢原子」)，13.6eV；(c)双原子氢分子，15.3eV(「普通氢分子」)；(d)氢分子离子，16.3eV(「普通氢分子离子」)；和(e)22.6eV(「普通三氢分子离子」)。在本文中，对于氢形式，「正常」与「普通」为同义词。
根据本公开的另一实施方式，提供一种化合物，其包含至少一种结合能增加的氢物种，诸如(a)结合能为约诸如在约0.9～1.1倍的范围内的氢原子，其中p为2～137的整数；(b) 诸如在约 的范围内的氢阴离子(H-)，其中p为2～24的整数；(c)(d)结合能为约诸如在约0.9～1.1倍的范围内的三分数氢分子离子其中p为2～137的整数；(e)结合能为约诸如在约0.9～1.1倍的范围内的二分数氢，其中p为2至137的整数；(f)结合能为约诸如在约0.9～1.1倍的范围内的二分数氢分子离子，其中p为整数，优选为2～137的整数。
根据本公开的另一实施方式，提供一种化合物，其包含至少一种结合能增加的氢物种，诸如(a)总能量为约
诸如在约0.9～1.1倍的范围内的二分数氢分子离子，其中p为整数，为普朗克常数项，me为电子质量，c为真空中的光速，且μ为约化核质量；和(b)总能量为约
如在约0.9～1.1倍的的范围内的二分数氢分子，其中p为整数且ao为玻尔半径。
根据本公开的一个实施方式(其中化合物包含带负电的结合能增加的氢物种)，该化合物还包含一种或多种阳离子，诸如质子、普通或普通
本文提供一种制备包含至少一个分数氢氢阴离子的化合物的方法。此类化合物在下文中称作「分数氢氢阴离子化合物」。该方法包含使原子氢与净反应焓为约的催化剂反应，其中m为大于1的整数，优选为小于400的整数，从而产生结合能为约的结合能增加的氢原子，其中p为整数，优选为2～137的整数。另一催化产物为能量。可使结合能增加的氢原子与电子来源反应以产生结合能增加的氢阴离子。可使结合能增加的氢阴离子与一个或多个阳离子反应以产生包含至少一个结合能增加的氢阴离子的化合物。
新型氢组合物可包含：
(a)至少一种具有以下结合能的中性、正或负的氢物种(在下文中为“结合能增加的氢物种”)，
(i)大于相应普通氢物种的结合能，或
(ii)大于任何氢物种在相应普通氢物种因为普通氢物种的结合能小于环境条件(标准温度和压力，STP)下的热能或为负而不稳定或观察不到时的结合能；和
(b)至少一种其他元素。本公开的化合物在下文中称作“结合能增加的氢化合物”。
在此背景下，“其他元素”是指除结合能增加的氢物种以外的元素。因此，其他元素可为普通氢物种，或除氢以外的任何元素。在一组化合物中，其他元素和结合能增加的氢物种为中性。在另一组化合物中，其他元素和结合能增加的氢物种带电，使得其他元素提供平衡电荷以形成中性化合物。前一组化合物的特征在于分子和配位键合；后一组化合物的特征在于离子键合。
还提供包含以下的新型化合物和分子离子：
(a)至少一种具有以下总能量的中性、正或负的氢物种(在下文中为“结合能增加的氢物种”)，
(i)大于相应普通氢物种的总能量，或
(ii)大于任何氢物种在相应普通氢物种因为普通氢物种的总能量小于环境条件下的热能或为负而不稳定或观察不到时的总能量；和
(b)至少一种其他元素。
氢物种总能量为从氢物种移除所有电子的能量之和。本公开的氢物种的总能量大于相应普通氢物种的总能量。本公开的具有增加的总能量的氢物种也称作“结合能增加的氢物种”，但具有增加的总能量的氢物种的一些实施方式可能具有小于相应普通氢物种的第一电子结合能的第一电子结合能。例如，p＝24的方程式(39)和(40)的氢阴离子的第一结合能小于普通氢阴离子的第一结合能，而p＝24的方程式(39)和(40)的氢阴离子的总能量比相应普通氢阴离子的总能量大得多。
本文也提供包含以下的新型化合物和分子离子：
(a)多种具有以下结合能的中性、正或负的氢物种(在下文中为“结合能增加的氢物种”)，
(i)大于相应普通氢物种的结合能，或
(ii)大于任何氢物种在相应普通氢物种因为普通氢物种的结合能小于环境条件下的热能或为负而不稳定或观察不到时的结合能；和
(b)可选的一种其他元素。本公开的化合物在下文中称作“结合能增加的氢化合物”。
结合能增加的氢物种可通过使一种或多种分数氢原子与电子、分数氢原子、含有至少一种所述结合能增加的氢物种和除结合能增加的氢物种以外的至少一种其他原子、分子或离子的化合物中的一种或多种反应来形成。
还提供包含以下的新型化合物和分子离子：
(a)多种具有以下总能量的中性、正或负的氢物种(在下文中为“结合能增加的氢物种”)，
(i)大于普通分子氢的总能量，或
(ii)大于任何氢物种在相应普通氢物种因为普通氢物种的总能量小于环境条件下的热能或为负而不稳定或观察不到时的总能量；和
(b)可选的一种其他元素。本公开的化合物在下文中称作“结合能增加的氢化合物”。
在一个实施方式中，提供包含至少一种选自以下的结合能增加的氢物种的化合物：(a)根据方程式(39)和(40)的结合能对于p＝2直至23大于且对于p＝24小于普通氢阴离子的结合能(约0.8eV)的氢阴离子(“结合能增加的氢阴离子”或“分数氢氢阴离子”)；(b)结合能大于普通氢原子的结合能(约13.6eV)的氢原子(“结合能增加的氢原子”或“分数氢”)；(c)第一结合能大于约15.3eV的氢分子(“结合能增加的氢分子”或“二分数氢”)；和(d)结合能大于约16.3eV的分子氢离子(“结合能增加的分子氢离子”或“二分数氢分子离子”)。在本公开中，结合能增加的氢物种和化合物也称为低能量氢物种和化合物。分数氢包含结合能增加的氢物种或等同地更低能量的氢物种。
D.其他MH型催化剂及反应
一般而言，表3A中给出如下提供的用于产生分数氢的MH型氢催化剂：M-H键断裂加上t个电子从原子M各自电离至连续能级，使得键能与t个电子的电离能之和为约m·27.2eV，其中m为整数。各MH催化剂在第一列给出且相应M-H键能在第二列给出。加上第二列的键能，第一列给出的MH物种的原子M经电离以提供m·27.2eV的净反应焓。催化剂的焓在第八列给出，其中m在第九列给出。参与电离的电子与电离电势(也称为电离能或结合能)一起给出。例如，NaH的键能1.9245eV在第二列给出。原子或离子的第n个电子的电离电势由IPn表示且由CRC给出。即，例如Na+5.13908eV→Na++e-和Na++47.2864eV→Na2++e-。第一电离电势IP1＝5.13908eV和第二电离电势IP2＝47.2864eV分别在第二和第三列给出。NaH键断裂和Na双电离的净反应焓如第八列给出为54.35eV，如第九列中给出的方程式(35)中的m＝2。BaH键能为1.98991eV且IP1、IP2和IP3分别为5.2117eV、10.00390eV和37.3eV。BaH键断裂和Ba三重电离的净反应焓如第八列给出为54.5eV，如第九列给出的方程式(35)中的m＝2。SrH键能为1.70eV且IP1、IP2、IP3、IP4和IP5分别为5.69484eV、11.03013eV、42.89eV、57eV和71.6eV。SrH键断裂和Sr电离为Sr5+的净反应焓如第八列给出为190eV，如第九列给出的方程式(35)中的m＝7。
表3A.能够提供约m·27.2eV的净反应焓的MH型氢催化剂(能量以eV表示)
在其他实施方式中，表3B中给出如下提供的用于产生分数氢的MH型氢催化剂：将电子转移至受体A、M-H键断裂加上t个电子从原子M各自电离至连续能级，使得包含MH与A的电子亲合能(EA)差异的电子转移能量、M-H键能和t个电子从M电离的电离能之和为约m·27.2eV，其中m为整数。各MH催化剂、受体A、MH的电子亲合能、A的电子亲合能和M-H键能分别在第一、第二、第三和第四列给出。参与电离的MH的相应原子M的电子与电离电势(也称为电离能或结合能)一起在后续列给出且催化剂的焓和相应整数m在最后一列给出。例如，OH和H的电子亲合能分别为1.82765eV和0.7542eV，使得电子转移能量为1.07345eV，如第五列给出。OH键能为4.4556eV，如第六列给出。原子或离子的第n个电子的电离电势由IPn指定。即，例如O+13.61806eV→O++e-和O++35.11730eV→O2++e-。第一电离电势IP1＝13.61806eV和第二电离电势IP2＝35.11730eV分别在第七和第八列给出。电子转移反应、OH键断裂和O双电离的净焓如第十一列给出为54.27eV，如第十二列给出的方程式(35)中的m＝2。在其他实施方式中，如下提供用于形成分数氢的H的催化剂：使负离子电离，使得其EA加上一个或多个电子的电离能之和为约m·27.2eV，其中m为整数。作为另外的选择，可将负离子的第一电子转移至受体，接着再电离至少一个电子，使得电子转移能量加上一个或多个电子的电离能之和为约m·27.2eV，其中m为整数。电子受体可为H。
表3B.能够提供约m·27.2eV的净反应焓的MH型氢催化剂(能量以eV表示)
在其他实施方式中，如下提供用于产生分数氢的MH+型氢催化剂：从可带负电的供体A转移电子、M-H键断裂和t个电子从原子M各自电离至连续能级，使得包含MH与A的电离能差异的电子转移能量、M-H键能和t个电子从M电离的电离能之和为约m·27.2eV，其中m为整数。
在一个实施方式中，诸如原子、离子或分子等物种充当催化剂以使分子氢经历向分子分数氢H2(1/p)(p为整数)的跃迁。与H的情况类似，催化剂从H2接受能量，其在此情况下可为约m48.6eV，其中m为如Mills GUTCP中给出的整数。可通过直接催化H2而形成H2(1/p)的适合的示例性催化剂为O、V和Cd，其分别在对应于m＝1、m＝2和m＝4的催化反应过程中形成O2+、V4+和Cd5+。能量可以热或光或电形式释放，其中反应包含半电池反应。
在一个实施方式中，催化剂包含诸如原子、带正电或带负电的离子、带正电或带负电的分子离子、分子、准分子、化合物或其任何组合，处于能够接受m·27.2eV(m＝1,2,3,4,....)(方程式(5)的能量的基态或激发态的任何物质。据信当净反应焓与m·27.2eV较为密切地匹配时催化速率增大。已发现具有在m·27.2eV±10％、优选为±5％内的净反应焓的催化剂适于大部分应用。在将分数氢原子催化至较低能态的情况下，以与分数氢原子的势能相同的因子对m·27.2eV(方程式(5))的反应焓作相对论校正。在一个实施方式中，催化剂共振和非辐射地接受来自原子氢的能量。在一个实施方式中，所接受的能量使催化剂势能的量值减少约从原子氢转移的量。由于最初束缚电子的动能守恒，所以可产生高能离子或电子。至少一个原子H充当至少一个另一原子H的催化剂，其中受体的27.2eV势能由从所催化的供体H原子转移27.2eV而抵消。受体催化剂H的动能可以快质子或电子形式保存。另外，在催化的H中形成的中间态(方程式(7))随连续能量以辐射或第三体中诱导的动能形式发射而衰减。此类能量释放可在CIHT电池中产生电流。
在一个实施方式中，分子或带正电或带负电的分子离子中的至少一种充当从原子H接受约m27.2eV的催化剂，其中分子或带正电或带负电的分子离子的势能量值减少约m27.2eV。例如，Mills GUTCP中给出的H2O的势能为
从原子H接受m·27.2eV且分子势能量值减少相同能量的分子可充当催化剂。例如，关于H2O的势能，催化反应(m＝3)为
2H++O++3e-→H2O+81.6eV (46)
且总反应为
其中具有氢原子半径和等于质子4倍的中心场，且为半径为H的1/4的相应的稳定状态。当电子经受从氢原子半径至1/4该距离的半径的径向加速度时，能量以特征发光形式或第三体动能形式释放。基于从0℃冰变成100℃水的汽化热的10％能量变化，沸水中每水分子的H键的平均数为3.6。因此，在一个实施方式中，H2O在化学上必须以具有适合活化能的分离分子形式形成以充当催化剂来形成分数氢。在一个实施方式中，H2O催化剂为新生H2O。
在一个实施方式中，nH、O、nO、O2、OH和H2O(n＝整数)中的至少一种可充当催化剂。H和OH(作为催化剂)的产物可为H(1/5)，其中催化剂焓为约108.8eV。H和H2O(作为催化剂)的反应的产物可为H(1/4)。分数氢产物可还反应至更低状态。H(1/4)和H(作为催化剂)的产物可为H(1/5)，其中催化剂焓为约27.2eV。H(1/4)和OH(作为催化剂)的产物可为H(1/6)，其中催化剂焓为约54.4eV。H(1/5)和H(作为催化剂)的产物可为H(1/6)，其中催化剂焓为约27.2eV。
另外，OH可用作催化剂，因为OH的势能为：
p＝1和p＝2的H态的能量差为40.8eV。因此，OH可从H接受约40.8eV以用作催化剂来形成H(1/2)。
类似于H2O，Mills GUTCP中给出的胺官能团NH2的势能为-78.77719eV。从CRC中，由各对应ΔHf计算的NH2反应形成KNH2的ΔH为(-128.9-184.9)千焦/摩尔＝-313.8千焦/摩尔(3.25eV)。从CRC中，由各对应ΔHf计算的NH2反应形成NaNH2的ΔH为(-123.8-184.9)千焦/摩尔＝-308.7千焦/摩尔(3.20eV)。从CRC中，由各对应ΔHf计算的NH2反应形成LiNH2的ΔH为(-179.5-184.9)千焦/摩尔＝-364.4千焦/摩尔(3.78eV)。因此，可从充当H催化剂用于形成分数氢的碱金属胺化物MNH2(M＝K、Na、Li)接受的净焓分别为约82.03eV、81.98eV和82.56eV(在方程式(5)中，m＝3)，对应于胺基的势能和由胺基形成胺化物的能量之和。分数氢产物(诸如分子分数氢)可引起通过诸如MAS NMR的方法所观察到的高磁场基质位移。
类似于H2O，Mills GUTCP中给出的H2S官能团的势能为-72.81eV。该势能的抵消也会消除与3p壳层杂化相关的能量。7.49eV的该杂化能量由氢化物轨道半径与初始原子轨道半径的比率乘以壳层总能量而给出。另外，因形成两个1.10eV的S-H键所致的S3p壳层的能量变化纳入催化剂能量中。因此，H2S催化剂的净焓为81.40eV(在方程式(5)中，m＝3)。H2S催化剂可由MHS(M＝碱金属)通过以下反应形成：
2MHS→M2S+H2S (49)
该可逆反应可形成呈活性催化状态的H2S，该状态为产物H2S的过渡状态，其可催化H形成分数氢。反应混合物可包含形成H2S和原子H来源的反应物。分数氢产物(诸如分子分数氢)会引起通过诸如MAS NMR的方法所观察到的高磁场基质位移。
此外，原子氧为具有两个半径相同且均等于原子氢的玻尔半径的不成对电子的特殊原子。当原子H充当催化剂时，接受27.2eV的能量，使得充当另一个的催化剂的各电离H的动能为13.6eV。类似地，O的两个电子各自可随13.6eV动能转移至O离子而电离，使得OH的O-H键断裂和随后两个外部不成对电子电离的净焓为80.4eV，在表3中所给出。在OH-电离成OH期间，可发生进一步反应成H(1/4)和O2++2e-的能量匹配，其中所释放的204eV能量贡献给CIHT电池的电力。反应如下给出：
且总反应为
其中方程式(5)中m＝3。动能也可保存于热电子中。观测到在水蒸气等离子体中有H粒子数反转现象证明了此机制。分数氢产物(诸如分子分数氢)会引起由诸如MAS NMR的方法观察到的高磁场基质位移。本公开中给出鉴别分子分数氢产物的其他方法(诸如FTIR、拉曼和XPS)。
在氧或包含氧的化合物参与氧化或还原反应的一个实施方式中，O2可充当催化剂或催化剂来源。氧分子的键能为5.165eV，且氧原子的第一、第二和第三电离能分别为13.61806eV、35.11730eV和54.9355eV。反应O2→O+O2+、O2→O+O3+和2O→2O+分别提供约2、4和1倍Eh的净焓，且包含通过从H接受此类能量以使分数氢形成来形成分数氢的催化剂反应。
IX.燃料电池和电池组
图1中显示燃料电池和电池组400的实施方式。包含固体燃料或非均相催化剂的分数氢反应物包含相应电池半反应的反应物。因催化的分数氢跃迁的独特属性而使催化剂诱导的分数氢跃迁(CIHT)电池成为可能。本公开的CIHT电池为氢燃料电池，其由使氢催化反应至较低能态(分数氢)而产生电动势(EMF)。因此，其充当将从分数氢反应释放的能量直接转化为电的燃料电池。
由于氧化还原电池的半反应，因此产生分数氢的反应混合物通过经由外部电路的电子迁移和经由单独的路径进行的离子物质输送以完成电路所构成。产生由半电池反应之和得到的分数氢的总反应和相应反应混合物可包含关于本公开中给出的热电产生所考虑的反应类型。来自分数氢反应的自由能ΔG产生电势，其根据构成产生分数氢的反应混合物的氧化还原化学性质而可为氧化电势或还原电势。电势可用于在燃料电池中产生电压。电势V可用自由能ΔG换算来表示：
其中F为法拉第常数。假定对于跃迁至H(1/4)，自由能为约-20MJ/摩尔H，则取决于其他电池成分(诸如化学物质、电解质和电极)，电压可能较高。在电压受限于此类或其他成分的氧化还原电势的一个实施方式中，能量可表现为来自分数氢形成的较高电流和相应动力贡献。如方程式(6-9)所示，分数氢跃迁的能量可以连续辐射的形式释放。具体而言，能量以非辐射方式转移至催化剂以形成介稳态中间物，当电子从初始半径转变为最终半径时其在等离子体系统中衰变，伴随发射连续辐射。在凝聚态物质(诸如CIHT电池)中，此能量可内部转化为高能电子，其表现为电势类似于电池反应物的化学电势的电池电流和动力贡献。因此，动力可表现为在比方程式(53)给出的更低的电压下的较高电流。电压也将受限于反应动力学；因此，形成分数氢的较高动力学有利于通过提高电流和电压中的至少一种来提高动力。因为电池反应可由H与催化剂之间形成分数氢的大放热反应所驱动，所以在一个实施方式中，形成用于形成分数氢的反应物的常规氧化还原电池反应的自由能可为任何可能值。适合范围为约+1000焦/摩尔～-1000焦/摩尔、约+1000焦/摩尔～-100焦/摩尔、约+1000焦/摩尔～-10焦/摩尔，和约+1000焦/摩尔～0焦/摩尔。由于形成分数氢的负自由能，因此电池电流、电压和功率中的至少一种高于可贡献至该电流、电压和功率的非分数氢反应的自由能所致的情况。这适用于开路电压和具有负载的情况。因此，在一个实施方式中，CIHT电池与任何在先技术的区别之处在于以下中的至少一种：电压高于由非分数氢相关化学的能斯特方程式预测的电压(包括由于当加载电池时有任何极化电压所致的电压校正)、电流高于由常规化学驱动的电流，功率高于由常规化学驱动的功率。
关于图1，燃料或CIHT电池400包含具有阴极405的阴极隔室401、具有阳极410的阳极隔室402、盐桥420、在电池工作期间利用单独的电子流动和离子物质输送构成分数氢反应物的反应物，和氢来源。在一般实施方式中，CIHT电池为氢燃料电池，其由使氢催化反应至较低能态(分数氢)而产生电动势(EMF)。因此，其充当将从分数氢反应释放的能量直接转化为电的燃料电池。在另一实施方式中，相较于经由电极405和410施加的电解功率，CIHT电池产生电和热功率增益中的至少一种。在形成分数氢时，电池消耗氢，且需要加氢；另外，在一个实施方式中，用于形成分数氢的反应物为热再生型或电解再生型中的至少一种。在通过单独的导管连接以便电子与离子在隔室之间形成电路的不同电池隔室中提供处于不同状态或条件(诸如不同温度、压力和浓度中的至少一种)下的不同反应物或相同反应物。由于分数氢反应对从一个隔室至另一隔室的质量流的相关性，因此产生单独的隔室的电极之间的电势和电能增益或系统的热增益。质量流提供反应产生分数氢的反应混合物和允许以实质速率发生分数氢反应的条件中的至少一个的形成。质量流还需要电子和离子在连接隔室的单独的导管中输送。电子可由以下中的至少一种产生：在原子氢与催化剂反应的期间的催化剂电离，和诸如原子、分子、化合物或金属等反应物种的氧化或还原反应。隔室(诸如阳极隔室402)中的物种电离可因以下中的至少一种所致：(1)来自其氧化、单独的隔室(诸如阴极401)中反应物质的还原和将隔室中的电荷平衡至电中性的迁移离子反应的有利自由能变化；和(2)由以下所致的自由能变化：分数氢形成、单独的隔室中的物种氧化、物种还原和引起形成分数氢的反应的迁移离子反应。离子迁移可通过盐桥420。在另一实施方式中，单独的隔室中的物质氧化、物质还原，和迁移离子的反应可能不是自发的或可能以低速率发生。施加电解电势以驱动反应，其中质量流提供反应产生分数氢的反应混合物和允许以实质速率发生分数氢反应的条件中的至少一个的形成。电解电势可经由外部电路425施加。各半电池的反应物可经历以下中的至少一种：供应、维持和再生(通过经由通道460和461添加反应物或移除产物至用于产物储存和再生的反应物来源或储器430和431)。
在一个实施方式中，原子氢和氢催化剂中的至少一种可通过反应混合物和通过其进行反应而使得催化具有活性的一种反应物的反应来形成。引发分数氢反应的反应可为以下中的至少一种：放热反应、偶合反应、自由基反应、氧化还原反应、交换反应，和吸气剂、载体或基质辅助催化反应。在一个实施方式中，形成分数氢的反应提供电化学能。引发分数氢反应(诸如本公开的交换反应)的反应混合物和反应是通过氢形成分数氢的反应来产生动力的燃料电池的基础。由于氧化还原电池的半反应，因此产生分数氢的反应混合物通过利用经由外部电路的电子迁移和经由单独的路径进行的离子物质输送完成电路而构成。产生由半电池反应之和得到的分数氢的总反应和相应反应混合物可包含本公开的热能和分数氢化学产生的反应类型。因此，理想地，在无电子流动和离子物质输送存在下，分数氢反应不发生或不以可观速率发生。
电池至少包含催化剂来源或催化剂和氢来源或氢。适合的催化剂或催化剂来源和氢来源为公开的那些，比如H2O。在一个实施方式中，物种可在阴极进行还原。所述物种可为阴极的还原和反应中的至少一种的催化剂来源。在一个实施方式中，氧化剂进行反应而形成分数氢反应物，其接着起反应而形成分数氢。作为另外的选择，最终电子-受体反应物包含氧化剂。氧化剂或阴极-电池反应混合物可位于具有阴极405的阴极隔室401中。作为另外的选择，阴极-电池反应混合物在阴极隔室中由离子和电子迁移构成。在燃料电池的一个实施方式中，阴极隔室401充当阴极。在工作期间，正离子可从阳极迁移至阴极隔室。在某些实施方式中，此迁移经由盐桥420发生。作为另外的选择，负离子可从阴极经由盐桥420迁移至阳极隔室。迁移离子可为以下中的至少一种：催化剂或催化剂来源的离子、氢离子(诸如H+、H-或H-(1/p))和通过催化剂或催化剂来源与氧化剂或氧化剂阴离子反应而形成的化合物的相对离子。各电池反应可经历以下中的至少一种：供应、维持和再生(通过经由通道460和461添加反应物或移除产物至用于产物储存和可选的再生的反应物来源或储器430和431)。
图1中所示的电解池400包括具有阴极405的阴极隔室401、具有阳极410的阳极隔室402和可选的隔板或盐桥420。通过施加于端子间的电源来供应电解能。电源可为电力供应或电力储存单元，其可至少为第二CIHT电池或电容器。电力储存单元(例如第二CIHT电池或电容器)可通过包括电源的第一CIHT电池进行充电。控制电子器件可在使用电源对第一CIHT电池进行充电及放电之间切换且控制充电及放电参数(例如电压、电流、功率及负荷)。电解质可为水溶液、熔融盐或其组合，例如本公开的那些电解质。在一个电解池实施方式中，电解电压为间歇性或脉冲性。电解质可为熔融盐，例如熔融氢氧化物低共熔盐，例如碱金属或碱土金属氢氧化物及卤化物盐。示例性电解质为LiOH-LiBr。电解质也可为电解质水溶液，其可为碱性、酸性或大约中性。示例性碱性电解质为氢氧化物电解质水溶液，例如碱金属氢氧化物水溶液，例如KOH。示例性酸性电解质为酸水溶液，例如H2SO4或HX(X＝卤离子)水溶液。
在一个实施方式中，电解质可包括碱性水溶液。间歇性或脉冲循环的充电期可包括H2O至H2及O2的电解。阴极和阳极反应可包括分别逆转方程式(90)和(92)，只是分数氢形成不可逆。阴极放电半电池反应可包括还原H2O和氧中的至少一种。还原可由方程式(92)给出。还原反应的超电势可导致半电池电压约为零。在一个实施方式中，相对于SHE和25℃，在碱性水溶液中将O2及H2O还原成OH-(方程式(90))的还原电势约为0.4V。电极上的还原超电势约为0.4V从而在约0V下发生还原半电池反应。阳极放电半电池反应可包括使OH-氧化且进一步与H反应形成H2O(方程式(90))。H2O可用作形成分数氢的催化剂。在一个实施方式中，相对于SHE及25℃，使OH-氧化且进一步与H反应形成H2O(方程式(90))的还原电势约为1.23V。电极上的氧化超电势使得相对于STP条件在约1.23V下发生氧化半电池反应。
电池可包含固体、熔融或液体电池。后者可包含溶剂。可控制工作条件以达成至少一种反应物或电池成分的所需状态或特性，诸如阴极电池反应物、阳极电池反应物、盐桥和电池隔室的所需状态或特性。适合状态为固体、液体和气体，且适合特性为离子和电子传导性、物理特性、混溶性、扩散速率和反应性。在一种或多种反应物维持为熔融状态的情况下，隔室温度可控制在反应物熔点以上。热可来自将氢催化为分数氢的过程。作为另外的选择，用由燃料电池的内电阻或可为烘箱的外部加热器450所供的热量使氧化剂和/或还原剂反应物熔融。在一个实施方式中，CIHT电池被绝缘物包围，该绝缘物包含双壁抽空夹套，诸如薄片金属夹套，其以传导性和放射性热损失的绝缘物填充，此为本领域技术人员已知。电池可还包含按需提供启动和维持热以补充从反应(诸如在工作期间发生的分数氢产生反应)内部产生的任何热量的热管理系统。另外，必要时，系统可包含排热系统以移除多余热量。排热系统可包含本领域中已知的排热系统，诸如包含热交换器和冷却剂循环器的排热系统，其中热传递可通过强制对流、辐射和传导中的至少一种来实现。在一个实施方式中，配置为热力学有效的保热体，诸如为保留热提供最佳体积与表面积之比的正圆柱状堆叠。在一个实施方式中，阴极和阳极隔室中的至少一种的反应物由溶剂至少部分溶剂化。
图1的燃料电池可进一步包括至少一个氢系统460、461、430和431，其用于测量、递送及控制通向至少一个隔室的氢。该系统进一步包括泵440以将气体从一个隔室泵送至另一隔室。氢系统可包括泵、至少一个值、一个压力量器及读取仪及控制系统以用于将氢供应至阴极和阳极隔室中的至少一种。在一个实施方式中，氢系统可使用泵440将氢或其他气体从一个隔室再循环至另一隔室。
产物可在阴极或阳极隔室中再生。可将产物送至再生器，其中本公开的任何再生化学均可适用于再生初始反应物。经历分数氢反应的电池可向进行反应物再生者提供热量。
电解质可包含两种以上氟化物的低共熔盐，诸如碱金属卤化物和碱土金属卤化物的组中的至少两种化合物。示例性盐混合物包括LiF-MgF2、NaF-MgF2、KF-MgF2和NaF-CaF2。其他适合溶剂为有机氯铝酸盐熔融盐和基于金属硼氢化物和金属铝氢化物的体系。可为熔融混合物(诸如熔融低共熔混合物)的其他适合电解质在表4中给出。表4.熔融盐电解质
诸如表4中给出的示例性盐混合物等熔融盐电解质为H-离子导体。在实施方式中，在本公开中隐含：将诸如碱金属氢化物(诸如LiH、NaH或KH)的H-来源添加至熔融盐电解质中以改良H-离子传导性。在其他实施方式中，熔融电解质可为碱金属离子导体或质子导体。在其他实施方式中，电解质包含氢氧化物。催化剂可为可由氢氧化物形成的H2O。
反应混合物可包含(1)催化剂或催化剂来源和氢来源，诸如H2O和至少一个H；(2)熔融盐，如可充当电解质的低共熔盐混合物，其可具有高离子传导性且可选择性允许氢氧根离子通过，包含Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr和Ba的组中的至少一种阳离子和F、Cl、Br和I的组中的至少一种卤离子；(3)可选的可具有导电性的载体，诸如碳化物，诸如TiC；和(4)可选的还原剂和氢化物交换反应物，诸如碱土金属或碱土金属氢化物。
反应物可包含至少一种也可充当氢离解器的载体。载体可包含碳、碳化物或硼化物。适合的碳、碳化物和硼化物为碳黑、TiC、Ti3SiC2、TiCN、SiC、YC2、TaC、Mo2C、WC、C、HfC、Cr3C2、ZrC、VC、NbC、B4C、CrB2、ZrB2、GdB2、MgB2和TiB2。也可充当氢离解器的适合载体为Pd/C、Pt/C、Pd/MgO、Pd/Al2O3、Pt/MgO和Pt/Al2O3。
电池可为间歇电解和放电型中的至少一种。电解阴极和阳极可为CIHT电池阳极和阴极，其中从CIHT转换成电解池时作用颠倒且在电池再生后复原。反向电压可以脉冲形式施加。可在任何频率范围、峰值电压、峰值动力、峰值电流、占空比和补偿电压下具有脉冲反向极性和波形。脉冲逆转可为DC，或所施加电压可交替变化或具有波形。该施加可按所需频率脉冲式进行且波形可具有所需频率。适合的脉冲频率为在约1～约1000Hz的范围内且占空比可为约0.001％～约95％，但可在此范围内两个增量的因子的较窄范围内。在一个实施方式中，电池被维持在最佳工作高频率下以使输入能量最小化，以便形成H单层，其可在放电阶段期间起反应而形成分数氢。每电池的峰值电压可在约0.1V～10V中的至少一种的范围内，但可在此范围内两个增量的因子的较窄范围内。在另一实施方式中，施加可在每电池约10V～100kV的范围内，但可在此范围内量级增量的较窄范围内的高压脉冲。波形频率可在约0.1Hz～约100MHz、约100MHz～10GHz和约10GHz～100GHz中的至少一种的范围内，但可在此范围内量级增量的较窄范围内。占空比可为约0.001％～约95％和约0.1％～约10％的范围中的至少一种，但可在此范围内量级增量的较窄范围内。脉冲的峰值功率密度可在约0.001W/cm2～1000W/cm2的范围内，但可在此范围内量级增量的较窄范围内。脉冲的平均功率密度可在约0.0001W/cm2～100W/cm2的范围内，但可在此范围内量级增量的较窄范围内。在一个实施方式中，可增加间歇充电-放电频率以降低电荷转移电阻。
在一个实施方式中，在电解期间产生可能短暂存在的反应物，这使得在充电与放电的重复周期的CIHT电池放电阶段期间形成分数氢和相应的电能。可施加电解能以相对于输入能最佳化来自形成分数氢的能量。可调节电压、波形、工作电池、频率和其他此类参数的电解条件以提高来自电池的电能增益。
在一个实施方式中，如图2中所示，氢电极和可选的氧电极由双极板507的元件替换。电池设计可基于平面正方形几何配置，其中电池可堆叠以建立电压。各电池可形成包含阳极集流体、多孔阳极、电解质基质、多孔阴极和阴极集流体的重复单元。一个电池可由隔板与下一个隔开，隔板可包含充当气体隔板与串联集流体的双极板。板可具有交叉流动气体配置或内部歧管。如图2中所示，在包含多个个体CIHT电池的CIHT电池堆叠500中，互连或双极板507将阳极501与相邻阴极502隔开。阳极或H2板504可为波纹状的或包含分配经由孔口503供应的氢的通道505。具有通道505的板504代替其他实施方式的氢渗透性膜或间歇电解阴极(放电阳极)。所述孔口可从歧管沿着孔口503接收氢，该氢又由氢来源(诸如槽)供应。板504可还理想地均匀分配氢以鼓泡或喷射至发生电化学反应的活性区域中。双极板可还包含双极板的具有与H2板类似的结构的氧板以分配氧气至氧气歧管从供应处沿氧气孔口506供应氧气的活性区域中。所述波纹状或有通道的板可导电，且与有效区中的阳极和阴极集流体相连并维持电接触。在一个实施方式中，所有互连或双极板构成允许阳极与阴极气体相分离的气体分配网络结构。湿封可通过延伸压在两个个体板之间的电解质/基质(诸如LiOH-LiBr/Li2TiO3或MgO片)形成。该密封可防止反应物气体泄漏。电解质可包含本公开的压制球粒。形成电解质球粒的压力在约1～500吨/平方英寸范围内，电解质球粒诸如为包含氢氧化物(诸如碱金属氢氧化物，诸如LiOH)和卤化物(诸如碱金属卤化物，诸如LiBr)和基质(诸如MgO)的球粒。堆叠可还包含连接杆，其将压力板固持在堆叠末端以向电池施加压力，从而维持电解质(诸如球粒电解质)与电极之间的所需接触。在电解质或成分(例如氢氧化物，例如LiOH)通过诸如蒸发等方式进行迁移的实施方式中，可收集电解质并再循环。可将迁移物质收集于诸如收集结构或芯吸结构等吸收电解质的结构中，且可通过诸如加热收集结构或芯吸结构以引起逆向迁徙等方式以热方式来达成再循环。
CIHT电池系统可包括改造的传统燃料电池，例如改造的碱性或熔融碳酸盐型电池。在一个实施方式中，CIHT电池包括(例如)图2中所显示的双极板堆叠，其中将氧及H2O中的至少一种供应至阴极且将H2供应至阳极。可通过扩散穿过多孔或扩散电极来提供气体，也可通过渗透穿过适宜氢渗透性电极来提供H2。氢渗透性电极可包括以下中的至少一种：Mo、Mo合金(例如MoNi、MoCu、MoCo)、TZM及H242、Ni、Co、Ni合金(例如NiCo)和其他过渡金属及内过渡金属与合金(例如CuCo)。以足以延迟阳极腐蚀同时维持电功率增益的量来施加H2。渗透阳极可随着电流密度的增加而运行同时氢渗透速率相应增加。可通过以下中的至少一种来控制氢渗透速率：增加膜的氢压、增加电池温度、降低膜厚度及改变膜组成(例如诸如Mo合金等合金的金属的重量％)。在一个实施方式中，将氢离解剂(例如贵金属，例如Pt或Pd)涂覆于渗透阳极(例如Mo或MoCu阳极)的内部以增加原子H的量从而增加渗透速率。氢压可维持于以下中的至少一种的范围内：约1托～500大气压、10托～100大气压或100托～5大气压。氢渗透速率可在以下中的至少一种的范围内：约1×10-13mole s-1cm-2～1×10- 4mole s-1cm-2、1×10-12mole s-1cm-2～1×10-5mole s-1cm-2、1×10-11mole s-1cm-2～1×10- 6mole s-1cm-2、1×10-10mole s-1cm-2～1×10-7mole s-1cm-2或1×10-9mole s-1cm-2～1×10- 8mole s-1cm-2。由渗透消耗的氢可因形成H2O而具有相应理论功率，其显著小于CIHT电池中源于分数氢形成的功率。因此，氢供应系统(例如歧管、管线及通道及渗透阳极)可相应地比经由氢-氧燃料电池的那些系统更为紧凑。在一个实施方式中，阳极从源(例如原位电解源、渗透源及喷洒源中的至少一种)捕获H2的气体边界层。基质(例如MgO)可有助于在阳极处捕获H2气体。在一个实施方式中，阳极活性表面面向下，从而在H2垂直扩散时将其捕获。在一个实施方式中，氢渗透压可小于大气压以防止阳极的膨胀或物理变形。氢渗透性阳极可包括涂覆有有效促进分数氢反应的材料(例如Mo或Mo合金(例如MoNi、MoCu、MoCo)、Co、CoCu、CoNi)的高渗透性膜。示例性H渗透性材料为Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)、Ta(H2)及不锈钢(SS)(例如430SS(H2))。电解质可包括熔融盐，例如本公开的那些熔融盐之一，例如LiOH-LiBr。渗透速率可较高，例如对应于放电功率的约1％～50％的范围内。在一个实施方式中，通过诸如蚀刻(例如氩气离子蚀刻)等方式来去除H渗透性材料(例如β-Ti及V)的氧化物表面层且随后使用Pd的薄层(例如2～3微米)进行溅射。
可将电池维持于间歇性电解条件下，同时也通过扩散、流动或渗透将氢供应至阳极。控制供应速率以维持CIHT电池中的多余电功率生成同时氢添加会防止阳极发生腐蚀。可选择阳极材料(例如Mo合金的组成)、渗透性膜厚度、电池温度及内部氢压以及其他影响氢渗透速率的参数以达成期望氢流速。达成防止阳极发生腐蚀的氢流速可低于维持电池中通过经由传统的氢-氧至水的燃料电池反应生成的电功率所需者。另外，在一个实施方式中，氢供应系统可接收在间歇性电解的充电期期间以相反方向渗透的氢。因此，阳极气体供应系统(例如歧管及气体阳极)可制造为相应地更为紧凑。供应至阴极的氢可来自电解或H2O。CIHT电池的间歇性电解的充电-放电频率可为较高频率同时将H2气体施加至阳极。频率可在0.1Hz～10,000Hz的范围内或为本公开的另一适宜范围。在一个实施方式中，供应至电池的H2及O2提供至少一些用于间歇性电解的H2O存量。电解质可包括化合物(例如氧化物，例如Li2O)或本公开中可逆性结合H2O以维持期望电解浓度的吸湿性化合物(例如KMgCl3、MgCl2及CaCl2中的至少一种)。气体压力可为维持每一电池的期望功率输出、H2渗透速率、阳极的H2保护、阴极处的氧还原速率中的至少一种所期望的任一气体压力。氢压和氧压中的至少一种可在约0.01atm～1000atm、0.1atm～100atm以及1atm～10atm中的至少一种的范围内。
在一个实施方式中，供应至电池外周的H2O蒸气可从外周扩散至电解质层中并传输至阴极。在一个实施方式中，可使用具有周围穿孔的毛细管系统或径向气体通道将H2O递送至电池(例如阴极)，以相对于电池外周将H2O递送至电池中心。在一个实施方式中，阴极包括具有周围穿孔的径向气体通道及环绕外部O2气体源(例如环绕大气，例如O2气体或空气)。在一个实施方式中，可通过电解质从外周的吸收及通过标准MCFC型气体阴极中的至少一种将H2O供应至阴极。H2O供应需求基于在工作期间的H2O守恒可较低且少许消耗提供至多50MJ/摩尔H2O。在一个实施方式中，所消耗水产生分数氢和O2。基于电池循环中的H2O分解及重组反应以及任何净消耗产生至多50MJ/摩尔H2O，H2O分布系统(例如本公开的系统，例如气体供应系统，例如标准MCFC气体阴极)的大小可相对小于标准燃料电池(例如质子交换膜燃料电池(PEMFC)或熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)中的一种)的气体阴极。O2压可较为固定，因其为原位生成。在离子电流在放电期间的离子源主要来自H2O的情况中，O2初始存量可随时间相对恒定。在一个实施方式中，质量平衡主要包括H2O转化至分数氢及O2，，从而去除过量O2且可将其与O2存量或O2储槽合并。主要地，可将H2O供应至电池且可构成大部分进入电池的质量流且产物氧及分数氢流出。H2O可通过水合变为电解质的一部分，且电解质可通过使水合物H2O脱水以及诸如2LiOH→Li2O+H2O等反应而用作H2O储槽。另外，可基于H2O的原位电解再生渗透性膜的H2存量。除了在间歇性循环的充电期期间通过施加功率进行电解以外，H2O可用作H源且通过分数氢反应提供H2O分解能。最终从H2O形成分数氢及氧的示例性反应为本公开的那些反应。在一个实施方式中，H存量可为以下情况中的至少一种：通过H2O分解、通过需要极小程度施加电解充电的分数氢反应来部分地、实质性及完全维持。因此，H2渗透性电极的H2存量可随时间相对恒定。在一个实施方式中，同样适用于本公开的氢化阳极的情况。可通过控制电解来控制H2压力及O2压力中的至少一种，其中可通过电极来监测H2及O2中的至少一种的压力，例如基于用于相应气体的能斯特方程式。电压可相对于适宜参比电极独立地记录每一气体。
在一个实施方式中，密封阳极的外周以防止氧和H2O中的至少一种从环境源发生扩散。在一个实施方式中，阴极为多孔性，从而支持传输，例如氧和H2O中的至少一种的气态传输。在一个实施方式中，阴极包括至少一个层。这样的复合阴极可包括支持氧和H2O中的至少一种的传输的层。传输可包括气态扩散。扩散可来自周围源，例如氧和H2O中的至少一种的环境大气。大气组成及压力可为任一期望情况，例如本公开的那些情况。在一个实施方式中，将电池的H2O压力维持于高压下，例如大于大气压者。可使用泵对抗内部压力将H2O供应至电池。作为另一选择，可在低温下用电池填充内部H2O储槽；然后，升高电池温度及储槽温度以产生升高的H2O压力。CIHT电池外壳可为压力密封性且可能够支持大于环境压力的压力。
CIHT电池堆叠的重复单元(包括渗透阳极5及气体进料6)显示于图3A中。将H2O及O2中的至少一种输入阴极(可包括多孔阴极或复合阴极)中。复合阴极可包括多个层，例如用于气体传输的多孔层2及用于还原氧的催化层3(例如NiO)。在一个实施方式中，阴极(例如复合阴极)为多孔性以促进H2O及O2中的至少一种的传输。阴极可进一步包括集流体2，其中并置阴极由电绝缘体1隔离。电池进一步包括电解质层4，其可选地包括隔板(例如基质，例如MgO)。在另一实施方式中，渗透阳极5及气体进料6由可氢化且支持来自相应的相对电池中相对侧的电化学反应的阳极7代替，如图3B中所示。
在一个实施方式中，复合阴极包括传输层(例如气态扩散层)及催化层(其用于还原O2及H2O中的至少一种)。催化层与电解质接触且可进一步包括不同于传输层的材料(例如Pt掺杂NiO)及本公开的其他阴极材料。传输层的多孔性可大于催化层以支持传输。催化层可具有较小孔径或较少孔隙以防止电解质过度芯吸至阴极中并在上面溢流。因传输层相对于催化层具有较大孔隙率，故从传输层至催化层存在压力梯度。压力可有助于防止阴极的电解质溢流。可调节扩散气体气氛的外部压力及复合阴极中不同层的相对孔隙率以在各层之间达成期望压力梯度。阴极层可包括防止电极被堆叠中的机械压力过度压缩的支撑元件(例如Ni、NiO或MgO珠粒)。在另一实施方式中，电解质包括防止电解质过度芯吸至阴极中的基质。可调节基质的孔径以达成防止芯吸至阴极中的期望毛细管力。
在一个实施方式中，CIHT电池的H2和O2存量可相对固定且每一气体可通过外部或内部电解产生。可使用从外部源供应的初始存量及补充气体通过内部电解来再供应H2和O2。在一个实施方式中，可通过可以可逆地形成及分解以维持阴极处的期望O2压力的氧化合物来提供氧存量。作为氧源的适宜示例性化合物为本公开的氧化物、过氧化物、超氧化物及羟基氧化物。H2O可以气体形式提供或通过将具有结合H2O的化合物(例如水合物)脱水来提供。选择水合物以在化合物的所选维持温度(例如电池温度或气体供应系统温度)下达成期望H2O压力。因阳极H2及阴极O2和H2O流的需求可相对低于传统燃料电池的那些需求，故气体供应系统(例如以下中的一种：气体阴极及包括通向氢渗透性膜阳极或H2喷洒阳极的氢供应歧管及通道的系统)可相对较小。在一个实施方式中，氢渗透性阳极变得氢饱和，从而氢供应系统的氢压保持恒定或可有所增加。氢外部源可使用由分数氢反应所提供的能量分解H2O。代表性反应为本公开的那些反应。可通过调节间歇性电解波形及条件(例如电解波形，例如充电电压、充电持续时间及电流以及放电循环的那些条件)来维持氢化物。可通过可相对于参比电压的电极电压来监测氢化物状态。可通过能斯特方程式确定电压。在另一实施方式中，可预调整阳极(例如氢渗透性阳极)以使其处于氢饱和状态，从而无需外部氢供应。在此情况中，电池堆叠可包括双极板设计(例如本公开中的双极板设计)，其中将包括阳极及阴极的双极板的阳极预处理至氢化状态。可通过氢渗透进行预处理。预处理可为使用氢渗透的CIHT电池工作直至氢流恒定为止。在一个实施方式中，通过H2O的原位电解或通过H2O的外部电解对阳极实施预氢化。后者可在水性碱性电解池中实施，其中阴极为CIHT阳极。通过外部电解进行氢化的对电极可为Ni。也可通过施加H2气体对阳极实施氢化。
在一个实施方式中，渗透阳极可包括连接至低氢渗透率的膜的氢渗透性膜。低渗透性层可用作双极板的集流体，从而渗透性膜面向电解质且低渗透性膜与堆叠的邻接电池的阴极接触以构成双极电极。
在一个实施方式中，本公开的背对背式渗透阳极可由氢化阳极代替，例如氢化带状铸材Ni、NiCo(例如Ni(约95原子％)Co(约5原子％)、Ni(约94原子％)Co(约5原子％)Cu(约1原子％))及Ni、Mo或Mo合金阳极。氢化阳极的两个面可用作具有相应阴极的背对背式电池的阳极。氢可通过背对背式电池生成于背对背式阳极的两个表面上以维持阳极的氢化状态。因此，包括单个氢化阳极的此实施方式可代替具有由内部氢储槽隔开的阳极层的渗透性膜阳极，其中后者的内侧上氢的外部供应由前者中的相反表面上的电解生成的氢代替。
在一个实施方式中，氢渗透电极(例如阳极)可包括不同材料(例如具有不同组成或不同结构的材料)的至少两个层的复合物。示例性复合阳极包括氢渗透性层，例如氢渗透性膜，例如用作基板以支撑至少一个结合至其的其他层的金属箔。其他层可具有高表面积，例如溅射、金属喷雾、气相沉积、带式浇注及退火层。可使用业内已知的其他方法(例如本公开的那些方法)来施加可具有高表面积的其他层，例如金属或合金层，例如Mo或Mo合金层。外层可具有高催化速率以形成分数氢，例如包括以下中的至少一种的外层：Ni、Co、Cu、NiCo、NiCoCu、Mo及Mo合金(例如本公开的那些Mo合金)。
在另一实施方式中，阳极包括多孔材料，例如经烧结或带式浇注的金属阳极，例如包括Ni、Mo、NiCo、Mo合金及本公开的其他的阳极，其中通过喷洒H2来防止腐蚀。可控制氢流，从而达成多余电功率增益。H2鼓泡或喷洒电极中每单位几何面积的氢流速可在以下范围内：约1×10-13mole s-1cm-2～1×10-4mole s-1cm-2、1×10-12mole s-1cm-2～1×10-5mole s-1cm-2、1×10-11mole s-1cm-2～1×10-6mole s-1cm-2、1×10-10mole s-1cm-2～1×10-7mole s- 1cm-2或1×10-9mole s-1cm-2～1×10-8mole s-1cm-2。可通过渗透穿过下面的氢渗透性膜将氢均匀供应至多孔电极。在另一实施方式中，可将多孔电极浇注于氢扩散器上(例如经多孔电极涂覆的精细网筛)且在边缘密封，其中从网下方的腔室供应氢。
以气体、蒸气或液体中的至少一种的形式施加H2O使得可快速供应至阴极表面而无需将H2O吸收于电解质边缘处，其中通过在电解质层中进行扩散及迁移中的至少一种来供应至阴极。在一个实施方式中，供应至阴极的O2的摩尔％可大于空气且可在0.01％～100％的范围内。可通过使用与空气相比具有较高O2浓度的气体来增加阴极氧还原速率，从而阴极气体供应系统(例如歧管、管线、通道和气体阴极)可相应地更为紧凑。可通过H2O电解来供应氧，其中电解功率可通过CIHT电池提供。在此情况中，系统可包括氢-氧隔板。可通过将高至纯净的O2而非具有20％O2的空气供应至阴极来使阴极半电池系统更为紧凑(例如5倍)。系统规模可因不再需要去除空气中的N2而进一步减小，在空气耗尽氧以及具有O2分压降时原本需要去除空气中的N2。阴极可包括本公开的那些阴极，例如可包括氧化的Nicelmet或Ni带状铸材的NiO。阴极可包括掺杂剂(例如Pt、Pd、Ir、Ru、Rh、Re中的至少一种)及其他尺寸稳定阳极材料(DSAM)(例如用于氯-碱电解的那些)。DSAM可用于在CIHT电池工作条件下稳定形成金属卤化物。掺杂剂可位于阴极表面上且具有任一期望原子％(例如在0.001原子％～20原子％的范围内)。氢渗透电极可包括Mo和Mo合金(例如MoNi、MoCu、MoB、MoC、MoSi、MoCuB、MoNiB、MoSiB及本公开的其他合金中的至少一种)中的至少一种。在一个实施方式中，氢渗透性膜(例如Ni)涂覆有高表面积材料，如Mo带状铸材、Mo合金、Nicelmet、Co、Ni celmet上的CoCu带状铸材、CoCu带状铸材、Ni带状铸材或Ni-Co带状铸材(例如95/5重量％)。在一个实施方式中，通过将带状铸材材料包覆于H渗透性膜上来达成涂覆。可通过压缩成分来达成将带状铸材包覆于膜上。在一个实施方式中，用于带式浇注阳极材料(例如Co)的载体为Co元素或碳网。
在一个实施方式中，电解质包括LiOH及LiBr的混合物、LiOH及NaOH的混合物或LiOH、LiBr及NaOH的混合物及可选的基质(例如MgO)，且进一步包括另一增加氧还原速率的盐，例如MOH及M’OH(M及M’可选自Na、K、Rb及Cs)中的至少一种。在一个实施方式中，以以下中的至少一种的形式来供应提供高于包括Li的电解质(例如LiOH-LiBr)的氧还原速率的碱金属阳离子：盐，例如MX(M可选自Na、K、Rb及Cs的组；X＝卤离子，例如Br)；及基质材料，例如KAlO2、NaAlO2、NaxNiO2及KxNiO2中的至少一种。在一个实施方式中，MOH及M’OH中的至少一种包括接近正电极的层。Li+的较高迁移率可使得其在接近负电极处具有较大浓度。在一个实施方式中，调节MOH及M’OH的原子％以最大化氧还原速率同时较其他氧离子(例如过氧化物及超氧化物)有利于形成氢氧化物离子的反应路径。在一个实施方式中，在阴极侧形成氧离子过氧化物、H过氧化物离子、超氧化物及氧化物离子中的至少一种。包括LiOH的电解质的H2O可与诸如过氧化物或超氧化物等氧离子中的一种或多种反应形成氧及OH-中的至少一种。在一实施方式中，控制H2O压力以达成此反应。在一个实施方式中，该系统包括维持压力高于大气压的压力容器。压力可较高以维持液态H2O、高压H2O蒸气、蒸汽及超饱和蒸汽中的至少一种。压力可为任一期望值，例如在以下中的至少一种的范围内：约1atm～500atm、约2atm～100atm及约2atm～10atm。在一个实施方式中，阴极包括诸如气体歧管及通道等系统(例如图2中所显示的双极板的那些系统)以将诸如空气、Ar-O2或O2等气体施加至阴极活性表面。气体压力可高于大气压。该加压气体可吹出芯吸电解质且通过增加质量流来增加O2还原速率。
在CIHT电池系统的一实施方式中，阳极在背对背面向相应阳极半电池的两侧包括氢渗透性膜。氢渗透电极可包括以下中的至少一种：Mo及Mo合金(例如MoNi、MoCu、MoCo、MoB、MoC、MoSi、MoCuB、MoNiB、MoSiB中的至少一种)及本公开的其他材料(例如Co、CoCu、Ni及NiCo)。每一电池进一步包括阴极半电池及阴极。阴极可包括NiO或本公开的其他材料。阴极及阳极半电池可包括单个电解质层，例如混合熔融氢氧化物-卤化物盐(例如LiOH-LiBr)及可选的基质(例如MgO)。至少两个该电池的相应阴极及阳极在希望时以串联或并联形式布线。在一个实施方式中，电池堆叠的电池可各自包括这样的双侧阳极。作为另一选择，至少一个电池可为双极板。该系统进一步包括用于至少一个电池的阴极和阳极中的至少一种的气体供应系统。该系统进一步包括可对每个双侧阳极具有共同进料的氢气供应系统。在一个实施方式中，阴极为双侧及背对背式且各自面向其相应阴极半电池。在一个实施方式中，背对背式阴极可包括电隔离两侧的绝缘体。在一示例性实施方式中，碱土金属氧化物(例如MgO)可用作阴极板之间的电间隔件。每个阴极可具有包括氧源和H2O中的至少一种的气体供应系统。每个双侧阴极可具有常见气体供应系统。供应系统可使得每一双侧阴极保持彼此电绝缘。绝缘体可包括使得O2扩散至电隔离层之间的珠粒(例如MgO珠粒)。在一个实施方式中，可使用吸气剂去除供应系统中的污染物气体。在一示例性实施方式中，通过与污染物反应形成非挥发性化合物的吸气剂从供应至阳极的氢气去除氧及H2O中的至少一种。吸气剂可为金属、类金属或其他可氧化材料，例如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属及稀土金属及Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge和B及其他形成氧化物或含氧阴离子的元素。每个背对背式电极可具有入口和出口气体管线。入口及出口气体管线中的至少一种可具有在线吸气剂以去除污染物。可使气体从电极再循环及再循环至电极且流经或流过吸气剂以去除污染物。
因KOH与LiOH的水溶性大为不同，故在一个实施方式中，CIHT电池包括两层：一层在阴极处主要包括KOH且另一层在阳极处主要包括沉淀LiOH。电解质可进一步包括卤化物(例如LiBr)，从而与LiOH形成具有较低熔点的混合物。可对电池进行加压，从而达到LiOH或LiOH混合物(例如LiOH-LiBr)的熔点。示例性电解质为在约300℃下熔化的LiOH-LiBr的低共熔混合物。KOH具有高氧还原速率，且LiOH或LiOH-LiBr电解质适宜地具有非腐蚀性，从而阳极(例如Ni、Mo或Ni合金或Mo合金)较为稳定，尤其在阳极处通过诸如渗透或喷洒等方式施加氢时。因此，双层电池适用于长寿命高电流。为维持电解质中的H2O，可在密封容器中对电池进行加压。在一示例性实施方式中，电池温度为300℃且压力约为85atm。适宜KOH-H2O摩尔比在约50-50％～99-1％的范围内，例如示例性比率为80-20摩尔％。在一个实施方式中，电解质进一步包括基质，例如本公开的那些基质，例如MgO。在一个实施方式中，包括KOH的电解质进一步包括MgO。KOH-MgO比率可在约100～0.01的范围内，或在约2～0.2的范围内。在一个实施方式中，电解质包括两层：LiOH或LiOH-LiBr的阳极层，其具有固定基质(例如LiAlO2或AlO2)；及阴极层，其包括KOH。KOH电池的阴极可包括四电子还原催化剂，例如本公开的那些催化剂。阳极可包括合金，例如Mo合金，例如MoNi合金。阴极可包括使过氧化物离子失活的催化剂，例如Pt。包括KOH的层可包括吸湿性化合物以增加水浓度从而将过氧化物离子转化成氢氧化物。适宜的吸湿性化合物为本公开的那些吸湿性化合物，例如MgBr2。
在一个实施方式中，阴极包括将氧自由基分解成反应性较小的物质(例如OH-)的化合物或材料。阴极可包括吸收氧的化合物或材料。该化合物或材料可包括碳或位于诸如碳等载体上的Pt或Pd。可通过喷洒将H2O供应至阴极。H2O可与活性氧物质(例如O2、氧自由基或氧离子)反应以至少形成反应性物种(例如OH-)。可通过阴极喷洒O2。可通过阴极喷洒H2O和氧。
在一个实施方式中，以气体、蒸气或液体中的至少一种的形式将H2O施加至氢喷洒阳极。H2O可与氧或氧自由基或离子反应形成OH-且可保护阳极以防止腐蚀。
在一个实施方式中，可使用足以防止阳极形成腐蚀的电压来维持水性电解CIHT电池(例如包括KOH电解质的电池)，如本公开中所给出。示例性水性CIHT电池为[R-Ni、MoB、MoC、MoSi、MoNi、MoCo或MoCu/KOH或K2CO3/Ni、NiO、NiAg、Ag、蒸汽碳(SC)、MnO2、MnO2/C、Mn2O3/C或MnOOH]。在一个实施方式中，阳极可包括氧化物，例如Mo氧化物，例如MoO2和MoO3中的至少一种。
在碱性水性电解池的一个实施方式中，控制电解质pH及电池电压中的至少一种以达成阳极的稳定性。适宜的碱性电解质为KOH、K2CO3、K2HPO4、K3PO4及K2SO4，其中另一碱金属或碱土金属可代替K。在一个实施方式中，可通过包括缓冲剂的电解质来维持pH。适宜的示例性缓冲剂及pH范围为碳酸钠/碳酸氢钠(9.2～10.8)、四硼酸钠(Na2B4O7·10H2O或Na2[B4O5(OH)4]·8H2O)/氢氧化钠(9.3～10.7)、碳酸氢钠/氢氧化钠(9.60～11.0)、正磷酸氢钠/氢氧化钠(11.0～11.9)、氯化钾/氢氧化钠(12.0～13.0)。可使用布拜图来确定稳定电压及pH。在一个实施方式中，pH可为碱性且可在以下中的至少一种的范围内：约7.1～14、7.1～13、7.1～12、7.1～11、7.1～10、7.1～9及7.1～8。摩尔浓度可为任一期望值，例如确立期望性质(例如pH或导电性)的摩尔浓度。摩尔浓度可在以下中的至少一种的范围内：约0.001M～30M、0.01M～20M及0.1M～20M。在碱性电解质中稳定于负电势的适宜金属为Ag、As、Au、Bi、Cd、Cu、Fe、Hg、Mo、Ni、Os、Pb、Pd、Pt、Rh、Ru、Sb、Sn、Tc及Te以及Co与Co合金(例如CoCu或CoNi)。可添加腐蚀产物添加剂以保护阳极。添加剂可产生腐蚀产物的同离子效应。例如，可将钴或铜化合物中的至少一种(例如卤化物，例如CuBr2或CoBr2)添加至包括CoCu阳极的电池中。可自布拜电势-pH图来确定电压及将固相阳极金属或金属氧化物稳定为钝化电极的添加剂的浓度。作为实例，Mo或Co材料可在0.9V～1V范围中于小于0.1V超电势下在适宜pH范围(例如小于约pH 11)下工作。超电势随着电流增加；因此，在一个实施方式中，优选高表面积材料，因其具有较低电流密度及超电势。
为利用包括KOH的电解质的高氧还原速率及包括LiOH的电解质的较低腐蚀，在一个实施方式中，CIHT电池包括具有KOH(在阴极处)及LiOH以及可选的其他盐(例如LiBr，在阳极处)的双层电解质。电解质层可具有不同物理状态。电池可在下限温度下工作，其中顶部KOH层为液体且底部LiOH层(例如LiOH-LiBr)为固体或半固体。在一个实施方式中，可将KOH芯吸至阴极中，且电池进一步在阳极处包括LiOH-LiBr电解质。在一个实施方式中，电池包括具有不同孔径的基质及阴极，其通过选择用于隔离基质及阴极的电解质间的毛细管力之差来选择性产生两个层。在另一实施方式中，将单独KOH及LiOH-LiBr流供给至在阴极处具有KOH且在阳极处具有LiOH-LiBr的电池。电解质可进一步包括基质，例如MgO。
在一个实施方式中，电解质可包括碱性电解质水溶液，例如KOH。电解质可包括一种以上的氢氧化物(例如LiOH及KOH)且可进一步包括其他盐(例如LiBr)。至少两种不同氢氧化物可通过隔板(例如OH-交换膜，例如fumapem(fumatech Germany))隔离。一种氢氧化物(例如LiOH)可具有较小腐蚀性。其可位于由膜界定的阳极隔室中。另一氢氧化物(例如KOH)可使得获得高氧还原速率。其可位于相应阴极隔室中。阴极可包括碳(例如蒸汽碳中的至少一种)或诸多NiO中的一种及经Ag浸渍的NiO。阳极可包括以下中的至少一种：Mo、Mo合金、Ni、过渡金属、过渡金属合金(例如CoCu、CoCu+另一金属(例如Mo))。阳极可包括带式浇注的阳极。阴极可供应有O2或O2源(例如空气)。阴极可具有未浸没于电解质中的部分。
在一个实施方式中，电解质可包括可含有低共熔盐电解质的固体燃料，例如Cu(OH)2+CuBr2。因Cu(OH)2在小于熔点的温度下脱水成H2O+CuO，故可添加碱金属氢氧化物。例如，将KOH或LiOH添加至CuO或Cu(OH)2+CuBr2中，其中(例如)KOH+CuO变为K2CuO2。
在一个实施方式中，通过电阻式加热将包括熔融盐电解质(例如LiOH-LiBr)及可选的基质(例如MgO)的CIHT电池的温度维持于高温下。在一个实施方式中，电池包括电阻式加热器。在一个实施方式中，电阻式加热器包括至少一个沿轴向位于堆叠的中心至边缘的加热元件。在一个实施方式中，加热元件实质上位于堆叠的各电极的中心且穿透电极。加热元件可为非导电性以防止堆叠的电池发生短路。加热元件可包括非导电性涂层，例如陶瓷涂层，例如MgO。可通过CIHT电池供应电阻式加热器的能量。在一个实施方式中，将各电池的边缘处的温度维持在低于中心温度的温度下，从而电解质在边缘处固化以提供所谓的湿密封。在一个实施方式中，电解质可在各电池的边缘处与从边缘向内包括不同组成。边缘电解质可较中心处具有较高熔点及较高粘度中的至少一种，从而在边缘处形成湿密封。边缘电解质可包括不同摩尔比率的电解质的至少一种成分(例如盐及基质)，也可包括不同或其他盐、基质以及添加剂。可在边缘处有所不同的基质可包括碱土金属氧化物。
在另一实施方式中，电解质层厚度应使得使用电极及可选地添加的基质(例如MgO)中的至少一种通过毛细管力将电解质维持于适当位置。电极的隔离可由惰性间隔件材料(例如MgO，例如大小对应于期望电极隔离的MgO珠粒)来维持。电极间隔可在至少约1μm～1cm、约5μm～5mm及约10μm～1mm的范围内。在一个实施方式中，基质可包括具有不同基质粒径的分层的层。分层可使得阴极材料(例如NiO)限定于阴极区域中同时避免阳极的活性区域阻断，其中基质在不同区域中(例如在阴极区域及阳极区域)分别为较为致密或较小多孔性及较少致密或较大多孔性。在另一实施方式中，基质可溶于电解质中且分层可包括不同密度或粘度。
具有中心加热器201的CIHT电池堆叠200的示意图显示于图4中。具有电源引线202及203的加热器201位于堆叠的电池的中心，电池各自包括阴极205、阳极206及电解质207，其中阴极及阳极可包括双极板(如所显示)且可进一步在阴极与阳极之间包括导电隔板或双金属结。CIHT电池堆叠可进一步包括两个端子(例如所显示者(210))、壳体211、绝缘层(例如212～216)及电绝缘端帽230。
电解质可包括球粒。作为另一选择，电解质可包含于适宜结构元件(例如非导电性O型环，例如MgO环)中。在一个实施方式中，通过使用Mg金属形成环且将其氧化成MgO来形成期望形式(例如O型环形式)的MgO结构元件。可将电极压缩于顶部及底部上以夹入元件。可将电解质限定于如此形成的电极间空腔中。在一个实施方式中，使用另一能够发生氧化的金属(例如Al或稀土金属)来代替Mg。在一个实施方式中，相应氧化物在电解质中不溶或具有低溶解度。在结构元件的一个替代方式中，通过电池边缘处包括未熔化电解质的电解质湿密封将电解质保持于适当位置，其中在一个实施方式中从中心加热堆叠。电极可经机械加工以在边缘处产生小间隙，从而促进湿密封。可调节电解质及基质中的至少一种的孔径中的至少一种，且可调节基质的比率以通过控制毛细管作用来提供电极的期望润湿。在双极板的一实施方式中，通过隔板隔离阳极及阴极以防止电解质在两个相应电池之间引起电短路，其中电解质可芯吸至至少一个电极中。隔板可包括导体，例如金属片或石墨片。隔板也可用作双金属结。
在一个实施方式中，双极板中相反侧的电极的金属有所不同，例如在一侧上为Ni且在另一侧上为NiO，其中NiO可位于两侧且一侧具有较大重量百分比。作为另一选择，一侧可为一种金属且另一侧为另一金属(例如Ni对242合金或Mo)。不同金属可在整个堆叠中交替。在另一实施方式中，双极板可在阳极与阴极之间包括导电隔板。隔板可包括与阴极及阳极中的至少一种不同的材料(例如不同金属)。隔板及至少一个电极可包括双金属电极。双金属电极可包括双金属结。双金属电极可包括至少一种导体(例如金属或合金)，其电镀于至少一种其他导体(例如第二金属或合金)上。双金属电极或结中的至少一种可产生使得分数氢反应速率有所增加的本征电压。在一个实施方式中，双金属电极包括两种导体(例如金属(例如Ni)及氧化物(例如金属氧化物))，该导体可进一步包括诸如碱金属氧化物等化合物。适宜的示例性碱金属氧化物为锂化镍氧化物。反应速率增加可源于催化剂及H具有更好的能量匹配以使得可进行分数氢跃迁。在另一实施方式中，双极板的相反侧上的电解质有所不同。电解质差异可包括具有至少一种不同成分的不同组合物中的至少一种且电解质的相同成分的浓度可有所不同。例如，电解质可在一侧包括基质(例如MgO)且在另一侧包括LiAlO2。作为另一选择，电解质可在一侧包括LiOH-LiBr且在另一侧包括LiOH-LiCl。另外，一侧可包括某一重量百分比的NaOH。在一个实施方式中，电极中一侧与另一侧间的差异使得各半电池的电极产生对于各电解质有所不同的化学电势、费米能级或电压。在另一实施方式中，隔离介质或间隔件(例如非导电性材料或绝缘体)隔离双极板的相反侧，从而电极中接触电解质的一侧的化学电势、费米能级或电压与接触隔离介质的一侧不同。在一个实施方式中，化学电势、费米能级或电压之差会促进氢形成分数氢的催化。在一个实施方式中，不同电极金属、双金属结、电解质、基质及条件(例如水合及温度)中的至少一种在整个堆叠中交替。在一个实施方式中，阴极为与阳极不同的材料，例如不同金属。阴极相对于阳极的不同材料可代替双极板的双金属阳极的需求。在一个实施方式中，通过使用单层阳极以及不同阴极材料(例如不同金属)来达成双极板区别于阳极及阴极的双金属性质。适宜的示例性阴极包括本公开的那些阴极中的一种。
在另一实施方式中，至少一个电极包括多个含有至少两种不同材料的层。电极可包括不同材料的压层。内层可改变与电解质接触或与电解质具有增加的接触的外层的电极电势。可选择抵抗腐蚀的外层。用于外层的适宜稳定材料为Ni、贵金属及抗腐蚀性合金(例如本公开的那些合金)。用于一个或多个内层的改变电极电势的适宜材料为Mo及H242以及过渡金属(例如V、Cr、Ti、Mn、Co、Cu或Zn)、内过渡金属(例如Zr、Ag、Cd、Hf、Ta、W)、稀土金属(例如La)或合金(例如LaNi5)、或其他金属或类金属或合金(例如Al、Sn、In及Pb)及其他合金(例如MoCo、MoCu、MoMn、MoNi及MoCr)。电极可用作阳极或阴极。可用作阳极的示例性多层、多金属电极或层压电极为压制Ni/Mo/Ni、压制Ni/H242/Ni及压制Ni/H242/Mo/Ni。在一个实施方式中，电极可为熔融盐(例如氢氧化物及卤化物盐(例如碱金属盐，例如本公开的那些盐)的混合物，例如LiOH-LiBr)或电解质水溶液(例如氢氧化物或碳酸盐电解质或本公开的其他电解质)。
在层压电极的一个实施方式中，一种或多种金属包括具有低水反应性的组中的至少一种，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及Zn。在一个实施方式中，金属与H2O的反应的理论自由能约为零，在-500kJ/摩尔～+500kJ/摩尔的范围内或优选地在-100kJ/摩尔～+100kJ/摩尔的范围内。
结构、材料及方法可从本领域技术人员已知的熔融碳酸盐或碱性燃料电池的那些结构、材料及方法改编而来。示例性适宜结构、材料及方法如下所述。隔板或集流体可为经Ni或Cu涂覆的不锈钢(例如310S/316L)。集流体可多孔。涂层可约为50微米，但其他厚度也适宜，例如1微米～1mm。其他示例性适宜材料为铁类合金；例如304L、309S、310S、314、316L、347、405、430、446、17-4PH 18-18+、18SR、A118-2、A126-1S、A129-4、A1439、Glass seal 27、Ferralium 255、RA253mA、Nitronic 50、20Cb3、330、Cruternp-25、Crutemp-25+La、Sanicro-33、310+Ce、IN800、IN840、A-286；及镍、钴类合金，例如IN600、IN601、IN671、IN690、IN706、IN718、IN825、IN925、MA956、RA333、Ni200、Ni201、Ni270、Haynes 230、Haynes625、Haynes 188、Haynes 556、Nichrome、Monel 400；及含铝合金，例如GE-2541、FeCrAl+Hf、Haynes 214、FeCr合金、IJR(406)、85H、Kanthal AF及Ni3Al。适宜涂覆方法为包覆，但可使用其他方法，例如电解Ni镀覆(例如从氨基磺酸盐浴)或无电Ni镀覆。至少一个电极可包括该材料中的一种或多种，如特别是钢及合金，例如抗腐蚀性合金。阳极可为储氢材料，例如本公开的那些材料，例如稀土金属合金(例如M1：富La稀土金属合金，例如M1Ni3.65Al0.3Mn0.3或M1(NiCoMnCu)5)、Ni、R-Ni、R-Ni+约8重量％Vulcan XC-72、LaNi5、Cu或Ni-Al、Ni-Cr(例如约10％Cr)、Ce-Ni-Cr(例如约3/90/7重量％)、Cu-Al或Cu-Ni-Al合金。阳极可掺杂有诸如MnO、CeO2及LiFeO2等氧化物或包括这些或其他氧化物。阳极可包括导电氧化物或导电氧化物涂层。阳极可包括NiO或掺杂碱金属离子的NiO(例如锂化NiO)。阴极可为NiO且可掺杂有LiFeO2、Li2MnO3或LiCoO2。阳极、阴极及电解质中的至少一种可掺杂有本公开的氧化物，例如氧化钇稳定化的氧化锆的成分氧化物。基质可包括惰性材料，例如陶瓷。基质材料可包括含有可迁移以促进离子传输的物种的化合物。适宜的示例性基质材料为氧阴离子化合物(例如铝酸盐、钨酸盐、锆酸盐、钛酸盐)以及本公开的其他材料(例如硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、硝酸盐、铬酸盐及锰酸盐、氧化物、氮化物、硼化物、硫族化物、硅化物、磷化物及碳化物)。基质材料可包括金属、金属氧化物、非金属及非金属氧化物。氧化物可包括以下中的至少一种：碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属及稀土金属及Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge及B及形成氧化物或含氧阴离子的其他元素。基质可包括至少一种氧化物，例如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属及稀土金属及Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge及B及形成氧化物以及一种氧阴离子的其他元素的氧化物，并且还包括至少一种阳离子(例如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属及稀土金属及Al、Ga、In、Sn及Pb的阳离子)。适宜实例为LiAlO2、MgO、Li2TiO3或SrTiO3。在一个实施方式中，基质化合物可包括阳极材料的氧化物及电解质的化合物(例如电解质的阳离子及氧化物中的至少一种)。在一示例性实施方式中，电解质包括可形成相应氧化物(例如M2O，例如Li2O)的氢氧化物(例如碱金属氢氧化物，例如MOH(M＝碱金属)，例如LiOH)，且电解质包括可形成相应氧化物(例如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)的元素、金属、合金或混合物(例如Mo、Ti、Zr、Si、Al、Ni、Fe、Ta、V、B、Nb、Se、Te、W、Cr、Mn、Hf、Co及M'(M'＝碱土金属，例如Mg))，基质包括阴极材料的氧化物及可选的电解质的氧化物(例如对应于示例性适宜基质Li2MoO3或Li2MoO4、Li2TiO3、Li2ZrO3、Li2SiO3、LiAlO2、LiNiO2、LiFeO2、LiTaO3、LiVO3、Li2B4O7、Li2NbO3、Li2SeO3、Li2SeO4、Li2TeO3、Li2TeO4、Li2WO4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2MnO4、Li2HfO3、LiCoO2的Li2O及M’O(M’＝碱土金属)(例如MgO))。基质可包括阳极元素或同族元素的氧化物。例如，对于Mo阳极，相同元素或同族的基质可为Li2MoO4、MoO2、Li2WO4、Li2CrO4及Li2Cr2O7。基质可提供支撑。基质可为膏样。粒径可为亚微米，但其他大小(例如微米至毫米)也适用于实施方式中。
在一个实施方式中，阳极半电池反应为
OH-+2H→H2O+e-+H(1/p) (54)
其中第一H与OH-反应形成H2O催化剂及e-且同时将第二H H2O催化成分数氢。与OH-反应的H可来自M-H，其中M为阳极材料，例如金属。在一个实施方式中，催化剂接受3×27.2eV，该能量与如由方程式(43)给出的所形成的H2O分子的势能相匹配且对应于方程式(5)中的m＝3，从而形成H(1/4)。释放为第二H跃迁至分数氢状态的电子的连续能量以及在自第二H接受后从催化剂释放的能量可使阳极充电。充电可包括电解质离子的电容性充电或电解质或电极的至少一种物种的氧化。因此，在形成H2O催化剂的电化学反应及形成分数氢的协同H催化反应中释放的能量驱动电流流经外部电路。电压可为氢及氧电池反应的电压，因为电解质包括H2O及包括氢、氧及水的氧化及还原产物的物质。电池反应可包括由方程式(90-93)所给出的那些反应中的至少一种。离子穿过电解质以完成电路的路径可包括电解质离子(例如Li+、OH-、氧化物及过氧化物离子及Br-(在包括LiOH-LiBr的电解质的情况中)中的至少一种)或基质离子。因此，在一个实施方式中，基质用作离子导电介质，其中导电可通过电荷转移或离子传输提供。在另一实施方式中，基质包括以下混合物中的至少一种：一种或多种氧化物、一种或多种氢氧化物、混合金属氧化态、电解质离子及其他离子。离子导电可通过离子跳跃进行。传输可涉及诸如负离子(例如包括氧及氢中的至少一种的离子)等物种的电荷转移或离子传输。适宜物质为选自O2、O3、O3 +、O3 -、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH、HOOH、OOH-、O-、O2-、O2 -及O2 2-的氧物种及选自H2、H、H+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH-、HOOH及OOH-的H物种及氢物种中的至少一种。在一个示例性实施方式中，传输物种为在阴极处由示例性物种O2、O3、O3 +、O3 -、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH、HOOH、OOH-、O-、O2 -及O2 2-形成的包括氧的更高还原态物质(例如O2-)。更高还原态物质可在阳极处氧化。
在不具有基质的一个实施方式中，离子导电可在电池放电期间通过电解质进行。传输物种可至少部分地提供至电池外部。电池可为开放性，例如向大气开放。在一个示例性实施方式中，在阴极处还原外部氧及H2O中的至少一种，且在阳极处氧化还原的物种(例如外部氧及H2O中的至少一种的还原产物)。传输可由源于H至分数氢状态的催化的能量来驱动。控制源于外部氧化剂(例如外部氧及H2O中的至少一种)的电流以控制腐蚀(例如阳极腐蚀)。在一个实施方式中，阳极对于由空气源物种(例如氧物种，例如OH-、HOOH、OOH、O-、O2 -及O2 2-)携载的电流较为稳定或抗腐蚀。抗腐蚀性阳极可为本公开中的一种。作为另一选择，阴极可包括稳定物种，例如氧化物或硫化物，例如NiO或MoS。在一个实施方式中，将各电池在间歇性电解及放电期间的电池电压维持于高于防止阳极发生实质性氧化的电势(例如在Ni阳极的情况中约为0.8V)。
从热力学的角度考虑，诸如负离子等物种可在阳极处发生离子化，且在阳极处的离子或电子温度大于阴极处时，在放电阴极处使用消散于外部电路中的电力通过还原产生相同物种。涉及半电池的温度差的非分数氢实例为电池[Na(热)/基极/Na(冷)]。LiOH-LiBr盐中的示例性离子为OH-及Br-，其可分别氧化成OH及Br且经通过外部电路递送至阴极的电子还原。作为另一选择，包括O及H中的至少一种的物种可携载离子电流。分数氢反应提供等效于生成递送至电路的电能的热量的能量。在一个实施方式中，基质用作隔板来防止阴极及阳极电极或半电池发生短路。防止短路可为热力学及电方式中的至少一种。基质可隔离半电池反应以相对于阴极增加阳极处产生电动势(EMF)的分数氢反应的速率、有效性或程度，从而驱动电流穿过外部电路。在一个实施方式中，隔离阳极及阴极半电池反应使得更好地匹配催化剂H2O从第二H接受的能量，其中通过氧化OH-且与第一H反应来形成H2O，且在形成催化剂的氧化反应的同时第二H发生催化反应以形成分数氢，如由方程式(54)所给出。在一个实施方式中，基质可结合H2O且也用作间歇性电解反应的H2O源。H2O的结合及供应可在增加分数氢形成反应的速率或程度的能量下进行。H2O结合能可使得更好地匹配从H转移至催化剂(例如H2O)的能量。包括基质(其用作电介质、隔板中的至少一种或H2O结合剂及储槽中的至少一种)的示例性电解质为碱金属氢氧化物-碱金属卤化物混合物(例如LiOH-LiBr)及本公开中可具有任一期望摩尔比率的成分的基质材料。碱金属卤化物及基质材料的重量％可类似。包括基质的电解质可在电池的工作温度下(例如在约75℃～700℃的范围内)包括固体或半固体。示例性电解质为重量％分别在约10重量％、45重量％及45重量％的范围内(各自±1重量％～30重量％)的LiOH-LiBr-MgO。
在一个实施方式中，电解质包括氢氧化物(例如熔融或水性氢氧化物)且可另外包括卤化物。电解质可包括熔融氢氧化物-卤化物混合物，例如包括至少一种碱金属阳离子(例如Li)者。电解质可包括LiOH-LiBr及可选的基质(例如MgO)。电解质可进一步包括本公开的固体燃料反应物的至少一种物种，例如具有低水反应性的金属组(例如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及Zn)的氢氧化物或卤化物中的至少一种。
可通过诸如带式浇注、电泳沉积、热辊磨或热压制等方法来制造电极。双极板的湿密封区可包括可含有涂层的铝或铝合金。适宜的渗铝方法为喷涂、热喷雾、真空沉积(随后可进行熔融热处理)及包覆扩散。不锈钢的示例性所得扩散涂层包括MAl-M3Al结构(M＝铁、镍以及5～15mol％铬)。作为另一选择，在一个示例性实施方式中，可热喷雾含铝合金粉末(例如FeCrAlY、MAl或M3Al(M＝Ni、Fe))。
在一个实施方式中，可处理包括粘合剂及电极材料的带式浇注电极以释放或分解粘合剂，从而形成最终电极或作为形成最终电极的步骤。处理可包括烧结。处理可原位发生。处理可释放CO2。CO2可通过与诸如氢氧化物等电解质发生反应来形成碳酸盐。该反应可通过根据方程式(60)的反应与H2O反应而发生逆转。可去除CO2。该去除(通过诸如泵送等方式)可有助于驱动碳酸盐至氢氧化物的转化反应以完成约40％～100％或80％～100％。
在一个实施方式(例如通过渗透或间歇性电解提供氢者)中，电池包括基质以保持电解质。基质可包括芯吸电解质或使其更粘的化合物，例如惰性化合物。适宜的示例性基质材料为以下中的至少一种：石棉、Al2O3、MgO或其他碱土金属氧化物、Li2ZrO3、LiAlO2、Li2MoO4、Li2TiO3或SrTiO3。电解质可以膏形式固定。以层(例如薄层)形式保持电解质的基质包括以下步骤：混合基质材料及至少一种在加热至高温时基本完全燃烧的其他材料(例如粘合剂、微粒材料及溶剂)及加热混合物以形成基质。适宜化合物为聚(乙烯基甲醛)(PVFO)及乙醇溶剂及聚乙二醇(PEG)。可通过以下方式来形成碱土金属氧化物固体基质：压制MO及M(OH)2(M＝Mg、Ca、Sr及Ba中的至少一种)及可选的可燃烧粘合剂(例如聚乙烯醇)的混合物，及在氧气氛中加热以燃烧掉粘合剂(例如在1000℃直至2000℃之间的加热步骤)。可在高温下烧结基质。可使用诸如LiOH-LiBr等电解质通过浸泡于熔融盐中来润湿固体基质。可通过改变基质材料的粒径及其对至少一种其他化合物的比率来改变基质的孔径及密度。在一个实施方式中，将电解质添加至基质材料中。可控制孔径及密度以相对于电解质的表面张力调节基质的毛细管作用，从而将电解质实质上维持于层中在阴极或阳极上并不过度溢流。基质孔径可在约10nM～10mm、约100nM～100微米或约1微米～10微米的范围内。基质可包括固体，例如陶瓷。适宜的示例性固体基质为MgO、ZrO2或氧化钇稳定的氧化锆。基质可为可使氧化物离子导电的固体氧化物燃料电池中的一种，例如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)(通常为8％形式Y8SZ)、氧化钪稳定的氧化锆(ScSZ)(通常为9mol％Sc2O3-9ScSZ)及钆掺杂的氧化铈(GDC)。基质可包括可使氧化物离子导电的盐桥。氧化物导体的典型实例为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、氧化钆掺杂的氧化铈(CGO)、镓酸镧及铋铜钒氧化物(例如BiCuVOx)。一些钙钛矿材料(例如La1-xSrxCoyO3-)也显示混合氧化物及电子导电性。基质可经电解质(例如低共熔盐电解质，例如氢氧化物，例如碱金属氢氧化物)浸渍且可进一步包括碱金属卤化物。适宜的示例性电解质为可浸渍于MgO固体基质中的LiOH-LiBr。固体基质可进一步包括微粒基质(例如MgO颗粒)或本公开的其他基质化合物。在一个实施方式中，阳极包括间歇性电解电极或氢喷洒或鼓泡电极(例如多孔电极例如Ni毡电极)。在一个实施方式中，电极及电解质中的至少一种抵抗电解质溢流。电解质可包括稳定电解质的基质。阳极可为毡、带式浇注粉末(例如Ni粉末)或熔融碱金属或碳酸盐燃料电池领域内已知具有大孔径且具有低于芯吸电解质的临限值的毛细管力的其他阳极材料，其中电解质可包括基质材料(例如MgO或Li2TiO3)。可周期性冲洗电极以去除溢流电解质。可改变工作条件以防止溢流。例如，可调节温度以改变电解质粘度、表面张力及毛细管作用，从而防止电极溢流。可改变可再循环的氢流以防止电极溢流。
在一个实施方式中，通过带式浇注制造至少一个电池元件层(例如阴极、阳极及电解质中的一种)。带式浇注系统可包括带式浇注台、浆液箱及刮刀，其中后者可进一步包括测径器以调节高度及由此的浇注膜厚度。可将电池元件层浇注于可在浇注后去除的背衬膜(例如塑料，例如Mylar)上。浆液可包括层材料及适宜溶剂。阴极及阳极浆液可分别包括悬浮于粘合剂溶剂(例如醇(例如聚乙烯醇)、纤维素或羟丙基甲基纤维素)的NiO及Ni及Ni粉末中的至少一种。适宜溶剂为H2O，其可进一步包括分散剂，例如低硫聚丙烯酸铵或聚丙烯酸类溶液。可使用(例如)风扇或鼓风机干燥带状铸材膜。然后可压制经干燥的膜以将膜压实或增加膜密度。可使用压制构件(例如压延机或压机)达成压制。压制可在高压(例如约0.01吨/平方英寸～200吨/平方英寸、约0.01MPa～200MPa或约0.5MPa～50MPa)下进行。接下来，可将膜烧结。可在包括氧的大气(例如空气)中将阴极烧结。温度范围可在约400℃～2000℃或600℃～800℃的范围内。可在真空、惰性气氛或H2气氛中将阳极烧结。温度范围可在约400℃～3000℃或1000℃～2000℃的范围内。
可对NiO阴极实施锂化。阴极中Li的摩尔％可在约0.1％～90％、1％～75％及5％～50％中的至少一种的范围内。在一个实施方式中，锂化增加了导电性。可通过本领域技术人员已知的方法来达成锂化，例如使添加至膜的Li源(例如Li2O或Li2CO3)发生反应。可通过在浇注之前或在浇注之后将Li源添加至浆液中来添加Li源。在一个实施方式中，在高温下(例如在烧结阶段期间)达成锂化反应。Li2O与NiO在高温下(例如约1200℃)于空气中加热时的示例性锂化反应为
Li2CO3与NiO形成LixNi1-xO固体溶液的示例性锂化反应(包括两步过程)为
(x/2)Li2CO32→(x/2)Li2O+(x/2)CO2 (56)
(x/2)Li2O+(1-x)NiO→LixNi1-xO (57)
其中碳酸盐分解发生于高于约640℃的温度下且氧化锂至氧化镍的体相扩散快速发生于高于约750℃的温度下。Li2CO3与Ni在高温下(例如在约500℃～700℃的范围内)于空气中加热时形成Ni(Li)O固体溶液的示例性锂化反应为
(1-x)Ni+(x/2)Li2CO3+(x/4)O2→LixNi1-xO+(x/2)CO2 (58)
在一个实施方式中，压制压力(例如在约0.01MPa～200MPa或约0.5MPa～50MPa的范围内的压力)及电极起始材料的选择中的至少一种可影响孔隙率及平均孔隙直径。在一个实施方式中，选择影响电极材料(例如阴极材料，例如LixNi1-xO)的孔隙率及平均孔隙直径的参数以便孔隙率在约20％～90％、30％～80％及40％～80％中的至少一种的范围内。该参数可经选择以便平均孔隙直径(以微米表示)在约0.01～100、0.1～50及0.1～15中的至少一种的范围内。在另一实施方式中，通过使氢氧化镍及氢氧化锂在高温下于氧化气氛中(例如约500℃～1000℃或约700℃的空气)反应10分钟以上(例如约1小时～10小时或约2小时)来形成LixNi1-xO。
在一个实施方式中，阳极包括通过Ni发泡体支撑的Ni板。可通过将Ni板自浆液带式浇注于Ni发泡体载体上来制备阳极。浆液制备可包括以下步骤：混合过量水与分散剂，使粉末沉降，倾析过量水，与粘合剂或包括粘合剂的溶液(例如可为水性的纤维素溶液)混合，将浆液脱气，形成板。业内已知的示例性100g浆液组合物为约35～45g Ni+35～45g H2O、1～3g纤维素+10～20g H2O及1g分散剂。带式浇注方法可包括人工糊化、垂直带式浇注及水平带式浇注中的至少一种。然后可干燥材料且然后烧结。干燥可在25℃～150℃的范围内的温度下进行且烧结可在非氧化气氛(例如真空或惰性气体或H2气氛)中进行。在100％H2气氛中的示例性烧结程序为在约800℃～1200℃的范围内的温度下进行1分钟～60分钟。
在一个实施方式中，使NiO阴极材料导电。可通过锂化或通过添加导电载体(例如碳、碳化物或氮化物或本公开的其他载体)来增强导电性。碳可与电解质并无反应性或抗氧化。示例性抗化学性导电碳为纳米管和富勒烯。
在一个实施方式中，通过导电介质(例如导电胶粘剂、焊料或膏)使阴极材料(例如氧还原反应催化材料，例如NiO)与阴极集流体之间电接触。示例性材料为低熔点金属或合金，例如Hg、Ga、Al、Sn、In、Zn和Pb。例如，Zn在419℃下熔化且Sn在232℃下熔化，该温度低于LiOH-LiBr电解质的熔点。可将导电介质施加于阴极的背侧。集流体可接触导电介质。集流体可定位于导电介质上，从而后者夹于阴极材料与集流体之间。
在一个实施方式中，通过涉及两个电子的过氧化物路径来进行O2还原。有利于过氧化物路径的适宜阴极为石墨及大部分其他碳、金、经氧化物覆盖的金属(例如镍或钴)、一些过渡金属大环及过渡金属氧化物。锰氧化物(例如MnO2)可用作O2还原催化剂。作为另一选择，可通过4个电子将氧直接还原成OH-或H2O。此路径主要见于以下物种中：贵金属(例如铂及铂族金属)、一些具有钙钛矿或烧绿石结构的过渡金属氧化物、一些过渡金属大环(例如铁酞菁)及银。在一个实施方式中，阴极通过碱性电解质(例如水性或熔融碱金属氢氧化物，例如LiOH、NaOH或KOH)来抗腐蚀。合适的阴极包括NiO。
电极可包括用于氧还原及演化的复合电极。后者可用于再生。电极可为能够进行氧还原及演化的双功能电极，其中通过相应单独催化剂层来提供活性，或电催化剂可为双功能性。电极及电池设计可为那些在业内已知用于金属-空气电池组(例如Fe或Zn-空气电池组)者或本领域技术人员已知的其适宜变化形式。适宜电极结构包括集流体、气体扩散层(其可包括碳及粘合剂)及活性层(其可为双功能催化剂)。作为另一选择，电极可在集流体的一侧包括O2还原层且在另一侧包括O2演化层。前者可包括与氧源接触的外部气体扩散层及与集流体接触的多孔疏水性催化剂层；而后者可包括在该层的一侧与电解质接触且在另一侧与集流体接触的多孔亲水性催化剂层。
可用作从源还原氧的催化剂的适宜钙钛矿型氧化物可具有通式ABO3，且该经取代钙钛矿可具有通式A1-xA’xB1-yB’yO3。A可为La、Nd；A’可为锶、钡、钙；且B可为镍、钴、锰、钌。用于在阴极处还原氧的其他适宜催化剂为钙钛矿型催化剂(例如掺杂有金属氧化物MNiO2(M＝碱金属)、MM’O2(M＝碱金属，M’＝过渡金属)、La1-xCaxCoO3、La1-xSrxCoO3(0≤x≤0.5)或La0.8Sr0.2Co1-yByO3(B＝Ni、Fe、Cu或Cr；0≤y≤0.3)、La0.5Sr0.5CoO3、LaNiO3、LaFexNi1-xO3、具有取代基的LaCoO3、La1-xCaxMO3、La0.8Ca0.2MnO3、La1-xA'xCo1-yB'yO3(A'＝Ca；B'＝Mn、Fe、Co、Ni、Cu)、La0.6Ca0.4Co0.8Fe0.2O3、La1-xA'xFe1-yB'yO3(A'＝Sr、Ca、Ba、La；B'＝Mn)、La0.8Sr0.2Fe1-yMnyO3和基于Mn和一些过渡金属或镧系元素的钙钛矿型氧化物；或尖晶石，诸如Co3O4或NiCo2O4；烧绿石，诸如Pb2Ru2Pb1-xO1-y或Pb2Ru2O6.5；其它氧化物，诸如Na0.8Pt3O4；有机金属化合物，诸如钴卟啉；或具有Co添加剂的热解大环化合物。适合的烧绿石型氧化物具有通式A2B2O7或A2B2-xAxO7-y(A＝Pb/Bi，B＝Ru/Ir)，诸如Pb2Ir2O7-y、PbBiRu2O7-y、Pb2(PbxIr2-x)O7-δ和Nd3IrO7。适合的尖晶石为镍钴氧化物、纯或掺锂氧化钴(Co3O4)、MxCO3-xO4型辉钴矿尖晶石((M＝Co、Ni、Mn氧还原)和(M＝Co、Li、Ni、Cu、Mn氧放出))。氧还原催化剂可为镍、R-Ni、银、Ag-载体(诸如Ag-Al2O3)、贵金属(诸如Pt、Au、Ir、Rh或Ru)、镍钴氧化物(诸如NiCo2O4)和氧化铜钴(诸如CuCo2O4)。氧还原或放出催化剂可还包含导电载体，诸如碳，诸如碳黑、石墨碳、科琴黑或石墨化Vulcan XC 72。示例性电池为[Zn、Sn、Co、Sb、Te、W、Mo、Pb、Ge/KOH(饱和水溶液)/空气+碳+O2还原催化剂(诸如钙钛矿型催化剂，诸如掺杂金属氧化物的La0.6Ca0.4CoO3、La1-xCaxCoO3、La1-xSrxCoO3(0≤x≤0.5)或La0.8Sr0.2Co1-yByO3(B＝Ni、Fe、Cu或Cr；0≤y≤0.3)；或尖晶石，诸如Co3O4或NiCo2O4；烧绿石，诸如Pb2Ru2Pb1-xO1-y或Pb2Ru2O6.5；其它氧化物，诸如Na0.8Pt3O4或具有Co添加剂的热解大环化合物)]。在另一实施方式中，阴极包含水还原催化剂。
阴极能够支持H2O与O2中的至少一种的还原。阴极可包含高表面积导体，诸如碳，诸如碳黑、活性碳和蒸汽活性碳。阴极可包含针对O2或H2O中的至少一种的还原或H2放出具有低过电势的导体，诸如Pt、Pd、Ir、Ru、Rh、Au或于导电载体(诸如碳或钛)上的此类金属，作为以H2O作为阴极半电池反应物的阴极。
在一个实施方式中，阴离子可充当阴极的氧来源。适合的阴离子为氧阴离子，诸如和诸如的阴离子可形成碱性溶液。一示例性阴极反应为阴极
反应可包含可逆半电池氧化还原反应，诸如
H2O还原成OH-+H可引起形成分数氢的阴极反应，其中H2O充当催化剂。在一个实施方式中，CO2、SO2、PO2和其它类似反应物可作为氧来源添加至电池中。
电池可包含串联或并联连接的电池堆叠，其可具有储器以适应电解质的体积变化。电池可还包含湿度与CO2管理系统中的至少一种。金属电极可夹在氧电极之间，以使表面积加倍。氧可从空气扩散，穿过包含氧扩散电极的多孔特氟隆层压空气电极。在一个实施方式中，来自阴极的电子与氧在氧扩散电极的湿润部分的催化位点反应，形成经还原的水和氧物种。在一个实施方式中，浸没阳极，且阴极包含电解质润湿的部分和与O2来源(诸如空气或O2)直接接触的部分。在一个实施方式中，氧气还原电流通过增加暴露于空气中的材料来增加，对于既定电解质界面面积，通过增加更多暴露于空气的阴极表面积。在一个实施方式中，浸没阴极且通过电解提供氧气。在一个实施方式中，阴极大部分浸没，较小表面积部分暴露于空气中以便通过电解提供补充，从而优化电池形成分数氢的效率，同时避免过度腐蚀，诸如阳极腐蚀。在一个实施方式中，与添加的H2O蒸汽一起向电池提供氧气和惰性气体混合物。氧气可在约1～10摩尔％范围内，H2O在约31托～93托的范围内。在用H2O供应的CIHT电池的实施方式中，H2O蒸汽的压力范围为以下至少一种：约0.001托～100atm、约0.001托～0.1托、约0.1托～1托、约1托～10托、约10托～100托、约100托～1000托和约1000托～100atm。其余为惰性气体，诸如氮气。在一个实施方式中，O2为约5摩尔％。在一个实施方式中，空气经膜或低温过滤或处理以通过本领域技术人员已知的方法达成所需气体比率。来自于源的氧可通过诸如喷射含氧气体(诸如O2或空气)的方法或通过间歇电解供应。间歇电解电极可为不同材料，诸如不同金属或不同的本公开材料，所述不同电极选自金属、碳化物、硼化物、氮化物和腈的组。在浸没阴极的一个实施方式中，氧由诸如O2分压通过在电解质的上维持高O2压力而增加的电解质的来源提供。高压可在约0.5atM～200atm或约1atM～10atm的范围内。在一个实施方式中，选择电解质以具有增加的氧溶解性。作为另外的选择，选择阴极材料以使其具有氧亲和性。
在一个实施方式中，阳极部分地浸没，其中放电阳极的至少一部分表面未浸没于电解质中。在一个实施方式中，至少一个电极部分浸没。各电极与电解质接触。在一个实施方式中，至少一个电极仅一部分电极表面积与电解质接触。至少一部分表面积不直接与电解质接触。未接触表面积可暴露于电池氛围或电池的另一元件中，诸如隔板，或在电极包含双极板的某一侧时，双极板的对侧。相对于完全浸没或浸没部分，某一电极部分未浸没于电解质中的情况提供不同化学电势、费米能级或电压。该不同化学电势、费米能级或电压可促进分数氢反应。
在一个实施方式中，放电阴极可有至少一部分表面未浸没于电解质中，与电池氛围或阴极气体无关。阴极气体可为供应气体、氧气和H2O和电解产生的氧气中的至少一种。水可包含氢、氘和氚中的至少一种，诸如为H2O、HOD、D2O、T2O、DOT和HOT中的至少一种。阴极气体可为惰性气体(诸如N2)或稀有气体(诸如Ar)。在此情况下，氧可来自电解。相对于浸没的放电阳极，部分未浸没阴极提供不同化学电势、费米能级或电压，即使两者为相同材料。该不同化学电势、费米能级或电压促进分数氢反应。放电阴极部分浸没所在的电解质可包含基质，诸如MgO、LiAlO2、Li2TiO3、LiVO3、TiO2、CeO2和本公开的其它基质。包含基质的电解质在电池工作温度下可为固体或半固体，电池工作温度可处于或高于电解质熔点。电解质可包含本公开的电解质，诸如熔融盐，诸如碱性盐或低共熔盐或混合物，诸如MOH-MX(其中M为碱金属且X为卤离子)。在氢和氧中的至少一种可至少部分通过间歇电解产生的一个实施方式中，氢和氧处于约H2O的化学计量比。在实施方式中，比率为约2份H2比1份O2，在约±300％内、在约±100％内、在约±50％内、在约±25％内或在约±10％内。其余电池气体可包含压力使动力最佳化或达成所需动力的水蒸汽，且可还包含惰性气体，诸如稀有气体或N2。水蒸汽压力可维持在约0.01托～10atm范围内。在另一实施方式中，水蒸汽压力维持在约31托～93托范围内。总压力可为任何所需值，诸如高于或低于大气压，诸如约1atM～500atm、约1atM～100atm、或约1atm～10atm。在一个实施方式中，电池包含至少一个H2O蒸汽通道或通路以从来源穿透电池堆叠而接触至少电解质。在一个实施方式中，H2O经由芯结构(诸如热管的芯结构)供应至堆叠。芯可包含不导电材料以避免使电极电短路。芯材料可包含氧化物(诸如金属氧化物)或其它不导电化合物。氧化物或其它化合物可具吸湿性，诸如本公开的氧化物或化合物。在另一实施方式中，在压力下呈气态H2O或液态H2O的H2O可经由管道或通道注入电解质层中。在一个实施方式中，电解质层包含芯或毛细管结构以输送H2O穿过堆叠的各电池的电解质层。结构可包含包埋于电解质中或与电解质混合的基质，基质的孔隙率和孔径尺寸达成在层内快速输送以维持H2O浓度处于最佳含量，诸如相当于约10～100托范围内的与电解质平衡的H2O蒸汽分压的含量。
在一个实施方式中，形成催化剂的反应包括形成用作另一H的催化剂的H2O的反应。能量可以热或光形式或以电形式释放，其中该反应包括半电池反应。在反应物形成用作催化剂的H2O的一实施方式中，反应物可包括可氧化成H2O的OH-。示例性反应在本公开中给出。反应可发生于CIHT电池或电解池中。使用来自产物的过渡态H2O可有利于催化剂反应。电池进一步包括原子H源。H源可来自电解质(例如包括氢氧化物及H2O中的至少一种的电解质)的间歇性电解。源可为氢化物、氢气、通过电解产生的氢、氢氧化物或本公开中给出的其他源。例如，阳极可包括金属(例如Zn或Sn)，其中半电池反应包括将OH-氧化成水及金属氧化物。反应也在所形成的H2O存在下形成原子H，其中H2O用作形成分数氢的催化剂。阳极可包括氢化物(例如LaNi5H6)，其中半电池反应包括将OH-氧化成H2O且通过氢化物提供H。在来自H源(例如氢化物)的H(其通过所形成的H2O催化至分数氢)存在下，发生氧化反应。阳极可包括金属及氢化物的组合，其中将OH-氧化成H2O且形成金属氧化物或氢氧化物，且通过氢化物提供H。通过用作催化剂的所形成H2O将H催化至分数氢。在另一实施方式中，氧化剂(例如CO2)或还原剂(例如R-Ni的Zn或Al)可与OH-反应形成H2O及H(作为中间体)，其中在反应期间通过H2O将一些H催化至分数氢。在另一实施方式中，H2O及H中的至少一种可通过包括O及H中的至少一种的物种(例如H2、H、H+、O2、O3、O3 +、O-、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH-、HOOH、OOH-、O-、O2-、O2 -及O2 2-)中的至少一种的还原反应来形成。O源可来自电解质(例如包括氢氧化物及H2O中的至少一种的电解质)的间歇性电解。在另一实施方式中，H2O及H中的至少一种可通过涉及包括O及H中的至少一种的物种(例如H2、H、H+、O2、O3、O3 +、O3 -、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH-、HOOH、OOH-、O-、O2-、O2 -及O2 2-)中的至少一种的氧化反应来形成。反应可包括本公开的那些反应中的一种。反应可发生于CIHT电池或电解池中。反应可为发生于燃料电池(例如质子交换膜、磷酸及固体氧化物燃料电池)中的那些。反应可发生于CIHT电池阳极处。反应可发生于CIHT电池阴极处。在阴极及阳极(逆反应)中的一种或两者处形成H2O催化剂及H或形成可形成H2O催化剂及H的中间体物种的代表性阴极反应(其可发生于具有溶解H2O的水性或熔融介质中)为
O2+4H++4e-→2H2O (61)
O2+2H++2e-→H2O2 (62)
O2+2H2O+4e-→4OH- (63)
O2+H++e-→HO2 (64)
O2+2H2O+2e-→H2O2+2OH- (66)
H2O2+2H++2e-→2H2O (70)
2H2O2→2H2O+O2 (71)
2H2O+2e-→H2+2OH- (72)
H2O→2H2+O2 (76)
在另一实施方式中，催化剂或催化剂来源(例如H2O及O2 2-及O3 2-)可通过OH-与O2的反应形成。示例性反应为
在一个实施方式中，还原的氧物种为HO源(例如OH-)，其可在CIHT电池的阳极处发生氧化或在固体燃料反应中以化学方式产生。电池反应物(例如CIHT电池的阳极反应物)进一步包括H2。H2与OH反应形成H及H2O，H2O处于活性状态以用作催化剂通过与H发生反应形成分数氢。作为另一选择，反应物包括H源(例如氢化物或H2)及离解剂，从而H与OH反应形成活性H2O分数氢催化剂(其进一步与另一H反应形成分数氢)。
在一个实施方式中，电池包括含有氢氧化物的熔融盐电解质。电解质可包括盐混合物。在一个实施方式中，盐混合物可包括金属氢氧化物及具有本公开的另一阴离子(例如卤离子、硝酸根、硫酸根、碳酸根及磷酸根)的相同金属。适宜盐混合物为CsNO3-CsOH、CsOH-KOH、CsOH-LiOH、CsOH-NaOH、CsOH-RbOH、K2CO3-KOH、KBr-KOH、KCl-KOH、KF-KOH、KI-KOH、KNO3-KOH、KOH-K2SO4、KOH-LiOH、KOH-NaOH、KOH-RbOH、Li2CO3-LiOH、LiBr-LiOH、LiCl-LiOH、LiF-LiOH、LiI-LiOH、LiNO3-LiOH、LiOH-NaOH、LiOH-RbOH、Na2CO3-NaOH、NaBr-NaOH、NaCl-NaOH、NaF-NaOH、NaI-NaOH、NaNO3-NaOH、NaOH-Na2SO4、NaOH-RbOH、RbCl-RbOH及RbNO3-RbOH。混合物可为低共熔混合物。电池可在大约为低共熔混合物的熔点的温度下工作，但可在较高温度下工作。催化剂H2O可通过阳极处的OH-氧化及与来自源的H的反应来形成。H源可来自电解质(例如包括氢氧化物及H2O中的至少一种的电解质)的间歇性电解。另一氢源包括渗入金属膜的H2气体，金属膜为(例如)表示为Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)或430SS(H2)的Ni、V、Ti、Nb、Pd、PdAg或Fe。用于碱性电解质的适宜氢渗透性电极包括Ni及合金(例如LaNi5)、贵金属(例如Pt、Pd及Au)及经镍或贵金属涂覆的氢渗透性金属(例如V、Nb、Fe、Fe-Mo合金、W、Mo、Rh、Zr、Be、Ta、Rh、Ti、Th、Pd、Pd涂覆的Ag、Pd涂覆的V、Pd涂覆的Ti、稀土金属、其他耐火金属、不锈钢(SS)(例如430SS)及本领域技术人员已知的其他金属)。示例性阳极反应为
阳极
1/2H2+OH-→H2O+e-或H2+OH-→H2O+e-+H(1/p) (80)
在一个实施方式中，将氧及H2O中的至少一种的源供应至电池且可选择性供应至阴极。在一个实施方式中，可将H2选择性供应至阳极，从而阳极反应由方程式(80)给出。在一个实施方式中，可将O2及H2O中的至少一种供应至电池。在一个实施方式中，可将O2或H2O添加至阴极半电池中，从而反应为
阴极
M++e-+H2O→MOH+1/2H2 (81)
M++2e-+1/2O2→M2O (82)
然后，可添加H2O，从而反应为
M2O+H2O→2MOH (83)
在供应O2的情况中，总平衡反应可为通过H2O的单独电解再生的H2的燃烧。在一个实施方式中，在阳极处供应H2且在阴极处供应H2O及可选的O2。可通过渗透穿过膜来选择性施加H2且可通过将蒸汽鼓泡来选择性施加H2O。在一个实施方式中，将受控H2O蒸气压维持于高于熔融电解质。可使用H2O传感器监测蒸气压且控制蒸气压。传感器可为光学传感器，例如红外发射光谱传感器或那些在业内已知者。可从携载惰性载体气体(例如N2或Ar)的加热水储槽来供应H2O蒸气压，其中储槽温度及流速决定了通过传感器所监测的蒸气压。可通过以下方式使电池连续运行：从电池收集蒸汽及H2(例如未反应供应物及分别在阳极处及阴极处形成的气体)，通过诸如H2O冷凝等方式来分离气体，及向阳极再供应H2且向阴极再供应H2O。在一个实施方式中，通过维持于约20～100℃的温度范围内的水生成器来供应水蒸气。在另一实施方式中，将温度维持于约30℃～50℃的范围内。可将水蒸气压维持于约0.01托～10atm的范围内。在另一实施方式中，将水蒸气压维持于约31托～93托的范围内。
电池可进一步(例如)在阴极处包括氧源(例如空气或O2气体)。电池可通过电解、添加H2或以机械方式再生。在一个实施方式中，反应容器可包括抵抗熔融氢氧化物的腐蚀的材料，例如镍或蒙乃尔合金。在一个实施方式中，对阴极及阳极中的至少一种实施锂化，例如锂化Ni电极，例如包括LiNiO的Ni。在实施方式中，连续或间歇放电(其具有波形，例如在第一时间内充电且在第二时间内放电，其中在该时间段中的至少一种期间电流可维持恒定)的熔融盐或水性碱性电池的阳极可包括氢化物，例如氢化镍、LaNi5H6或La2CoNi9H6。
在阴极处由氧还原形成过氧化物离子(例如O2 2-及HOO-)的适宜熔融氢氧化物电解质为LiOH及NaOH。形成分数氢催化剂(例如OH、H2O、O2、nH及nO(n为整数)中的至少一种)的示例性反应为
阴极
阳极
在一个实施方式中，电池反应物包括过氧化物源或过氧化物。适宜的过氧化物为Li2O2及Na2O2。过氧化物或过氧化物离子可形成分数氢催化剂，例如OH及H2O中的至少一种。示例性反应路径由方程式(61-79)及(80-83)给出。适宜的电池为[Ni(H2)/LiOH及NaOH中的至少一种及可能的另一种盐(例如LiX或NaX(X＝卤离子))及过氧化物或碱金属过氧化物(例如Li2O2或Na2O2)/Ni]。在一个实施方式中，电解质包括氢氧化物及有利于通过氧还原形成一种或多种氧物种的其他盐的混合物中的至少一种。选择电解质以优化至期望氧还原产物的氧还原，从而进一步优化独立的催化剂形成及分数氢形成反应。在一个示例性实施方式中，将NaOH或KOH中的一种或多种添加至LiOH-LiBr的低共熔混合物中以优化来自分数氢形成的电能。在另一实施方式中，将H2O或H2O源添加至阴极反应物中以使得将高级氧化物(例如过氧化物及超氧化物)转化成氢氧化物。适宜的反应为直接或通过中间体物种(例如过氧化物、超氧化物及氧化物离子及HOO-及HOOH中的至少一种)还原O2及H2O以形成OH-。
在一个实施方式中，在阴极处将氧还原成用作催化剂的物种或用作进一步反应以形成催化剂的中间体的物种。该物种或另一反应产物可为包括O及H中的至少一种的物种中的至少一种，例如H2、H、H+、O2、O3、O3 +、O3 -、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH-、HOOH、OOH-、O-、O2-、O2 -及O2 2-。在另一实施方式中，阴极反应可与阳极反应同时进行。涉及氧的阴极反应可形成使均在阳极处形成的H及催化剂之间能量匹配的物种，其中H可反应形成分数氢。在阴极处所形成的示例性物种为O-、O2-、O2 -、O2 2-、OH-、HOO-、H、H2、O、OH、H2O、O2、O3及O3 -。阳极反应可包括将HO-氧化成OH、H2O、O及O2中的至少一种，其中OH、H2O、O及O2中的至少一种可用作催化剂。在一个实施方式中，协同反应可包括OH-至OH及H2O中的至少一种的阳极反应(方程式(90)及(91))，且阴极反应可包括将O2还原成O2 2-(方程式(84))。优先形成O2 2-的适宜的电解质包括LiOH及NaOH中的至少一种。在一个实施方式中，进一步提供H2O以与至少一种经还原氧物种反应。至少一种产物可为OH-。氧及水中的至少一种的源可为空气。可控制氧及H2O中的一种或多种的浓度以控制来自分数氢形成的电能输出及热能输出中的至少一种。在一个实施方式中，优化电池的电能输出。在一个实施方式中，在流入电池之前将CO2及CO从空气去除。可通过使用本领域技术人员已知的洗气器来达成该去除。在一个实施方式中，氢氧化物电解质包括添加剂，例如抑制由CO及CO2形成碳酸盐的氧化物。适宜的添加剂为具有高水浓度的Mg、Sb及Si的氧化物及氧阴离子(例如焦磷酸盐及过硫酸盐)。具体实例为SiO2、MgO、Sb2O3、Na2S2O8及Na4P2O7。在包括诸如熔融碱金属氢氧化物盐等熔融电解质的一实施方式中，可通过与诸如碱金属等活性金属发生反应来去除碳酸盐。在包括间歇性充电及放电的电池的一实施方式中，电池对于空气闭合以避免CO及CO2。在一个实施方式中，至少一个半电池反应的氧来自电解，例如H2O及OH-中的至少一种的氧化。
在一个实施方式中，熔融氢氧化物电解质及包括熔融氢氧化物的混合物进一步包括氧化物，例如碱金属氧化物(M2O)或碱土金属氧化物(M’O)。浓度可最高达到饱和。氧化物可与氢氧化物或水反应形成平衡浓度。示例性反应为：
Li2O→H2O→2LiOH (88)
Li2O+2OH-→2LiO-+H2O (89)
熔融氢氧化物电解质可进一步包括碱金属(M)。在一个实施方式中，电解质包括熔融氢氧化物、可选的另一种盐及M、MH、M2O、MO2或M2O2(其中M为金属，例如碱金属)中的至少一种。在一个实施方式中，氧化物、H2O、过氧化物及超氧化物平衡中的至少一种发生位移。
在一个实施方式中，形成催化剂(例如H2O、OH、O2、nH及nO(n＝整数)中的至少一种)的电池反应的能量等于在真空中所发生反应的能量。反应可以气相或凝固相(例如液相或固相)发生。液体可为水性或熔融盐介质，例如电解质。形成催化剂的反应可包括半电池反应。在一个实施方式中，形成催化剂的反应的反半电池反应可在相对于标准氢电极(SHE)约为0V的电压下发生。相对于SHE的适宜的电压范围约为-0.5V～+0.5V、-0.2V～+0.2V及-0.1V～+0.1V。形成催化剂的半电池反应的催化剂可为H2O、OH、O2、nH及nO(n＝整数)中的至少一种。催化剂形成反应及反半电池反应可为
阳极：
OH-+H2→H2O+e-+H(1/p)；H2+2OH-→2H2O+2e-； (90)
OH-→OH+e-；OH→O+H(1/p) (91)
阴极：
O2+2H2O+4e-→4OH- (92)
总反应可为
2H2+1/2O2→H2O+2H(1/p) (93)
其中H2O、OH、O2、nH及nO(n＝整数)中的至少一种可用作催化剂。在熔融氢氧化物盐电解质的情况中，可控制供应至电池的水分压以较其他O2及H2O还原反应(例如形成过氧化物、超氧化物及氧化物中的至少一种的那些反应)有利于产生OH-的反应。在一个实施方式中，控制温度、O2压力、H2O压力、H2压力及OH-浓度中的至少一种以有利于形成催化剂的半电池反应及最佳地形成分数氢的反半电池反应。相应反应中的一种或多种可由方程式(90-93)给出。适宜的示例性电池为[Ni/LiOH-LiBr/NiO]或本公开的类似电池，其中将H2O供应至电池且通过间歇性电解生成H。
在一个实施方式中，在阴极处由在诸如OH-、OOH-或H2O等H源的反应期间形成的新生H发生分数氢反应。在一个实施方式中，在阴极反应期间所形成的新生H2O用作催化剂。在一个实施方式中，在本公开的阴极反应(例如方程式(92)的阴极反应)期间也形成分数氢。
在一个实施方式中，在形成H2O催化剂的反应中，针对工作温度在热力学上大约校正1.2伏特。在一个实施方式中，形成催化剂的半电池反应相对于25℃及SHE的电压约为1.2V。相对于SHE及25℃的适宜的电压范围为约1.5V～0.75V、1.3V～0.9V及1.25V～1.1V。电池可在约200℃～1000℃的温度范围内或在约250℃～600℃的范围内工作。适宜的反应是形成H2O的那些反应，其中H2O可用作催化剂，如由方程式(90)及(92)及方程式(121)及(122)所给出。达成期望电压的适宜的电解质为熔融碱金属或碱土金属氢氧化物，其可进一步包括另一种盐，例如卤化物。适宜的混合物为低共熔盐混合物，例如碱金属氢氧化物及卤化物，例如LiOH-LiBr、NaOH-NaBr及NaOH-NaI。示例性碱土金属氢氧化物为Sr(OH)2。可通过间歇性电解、渗透及鼓泡中的至少一种将氢供应至阳极。适宜的酸性电解质为酸电解质水溶液，例如H2SO4或HX(X-卤化物)水溶液或酸性离子液体。
在一个碱性水性电池实施方式中，催化剂形成反应可由方程式(90)给出，且相对于SHE的还原电势约为0V的反半电池反应为以下中的至少一种：
O2+2H2O+2e-→HOOH+2OH- (95)
在一个实施方式中，可改变O2浓度或阴极材料以达成具有期望电势的反应。适宜的示例性电池为[MH/KOH(饱和水溶液)/SC、Pd、Pt、Au、Ag或其他氧还原阴极+空气]及本公开的类似电池，其中MH为金属氢化物，例如LaNi5Hx。作为另一选择，阳极可为导体(例如Ni)，且通过间歇性电解生成H。
在一个实施方式中，Ni+1/2O2至NiO的反应与形成分数氢的H2+1/2O2至H2O的反应具有大致相同电压；因此，NiO反应可支持分数氢形成。电池温度可在250℃～1000℃的范围内。在其他实施方式中，阳极包括形成包括氧的化合物(例如氧化物、氢氧化物或羟基氧化物中的至少一种)的材料(例如金属)，从而电池电压约为H2+1/2O2至H2O的反应在电池工作温度下的电压。电压可匹配至在约±0.001V～0.5V或约±0.01V～0.2V内。另外，LiOH为H2O源(来自2LiOH→Li2O+H2O)，其中可将H转化成分数氢。可通过来自O2还原的氧离子来催化LiOH脱水，氧离子最终与诸如Ni等阳极金属反应形成诸如NiO等氧化物。
在包括氢氧化物电解质(例如水性或熔融氢氧化物或混合物，例如碱金属氢氧化物，例如LiOH)的电解池的一个实施方式中，在阴极处生成H2，且在阳极处通过H2O电解生成O2。可通过溶解碱水溶液(例如碳酸盐，例如M2CO3(M＝碱金属))来形成电解质的氢氧化物。电池可在高温下(例如在约25℃～300℃的范围内)工作，但可在较高温度下工作。可加压电池以在接近沸点及高于沸点的温度下工作。在一个实施方式中，发生以下反应中的至少一种且形成分数氢：在阴极处在H存在下OH-发生氧化而反应至H2O；及在阳极处O2及H2O中的至少一种还原成OH-。在一个实施方式中，在阳极处使用H2O将在阳极处所形成的氧还原成OH-，且在阴极处所形成的H2在阴极处与OH-反应以氧化成H2O，从而在阳极及阴极处分别发生方程式(92)及(90)的OH-路径。催化剂可为在阴极处所形成的H2O，其与也在阴极处所形成的H发生反应。阴极可为形成氢化物的金属，例如贵金属(例如Pd、Pt、V、Ta或Au)或过渡金属或合金(例如Ni或LaNi5)。阴极可实施为双功能电极以将H2O还原成H2且在H存在下将OH-氧化成H2O。阳极可包括导体(例如金属，例如贵金属(例如Pt、Pd或Au)或过渡金属或合金(例如Ni或LaNi5))，其可实施为双功能电极以将电解质水溶液氧化成O2且将O2及H2O中的至少一种还原成OH-。电极的形貌可增加其表面积。示例性电极(例如Ni)为Ni导线、烧结Ni、Ni片或Ni毡。在一个实施方式中，具有碱性电解质的熔融盐电池(例如包括氢氧化物及碳酸盐中的至少一种的电池)包括阳极(其包括镍、氧化镍、钴、氧化钴及掺杂铬的镍中的至少一种)、阴极(其可为镍、NiO、钴、氧化钴、Ag、银氧化物(例如Ag2O2)、掺杂Ag的Ni及锂化氧化镍)，其可包括电解质载体(例如MgO、Li2TiO3或LiAlO2)。电极(例如阳极)可包括NiO及另一稳定NiO的化合物(例如MgO或Fe2O3，其可分别形成Ni1-xMgxO及NiFe2O4)。在一个实施方式中，可通过使用诸如O2-源等源增加碱性来稳定诸如阳极(例如NiO)等电极。增加电解质碱性的适宜的源为MgO、CdO、ZnO、Fe2O3、NiO、Li2O、MoO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、TiO2、ZrO2、WO2及用作O2-源的类似氧化物。可将另一化合物添加至电极中或可包括电解质添加剂或基质。分数氢反应电流贡献与电解电流相反且可使得在电池中产生额外热。在一个实施方式中，在循环的充电期及放电期期间电流间歇性地发生逆转。在另一个实施方式中，至少一种气体可在半电池之间交越，从而发生由方程式(90)及(92)所给出反应中的至少一种以形成分数氢。可最小化电极隔离以促进气体交越。气体可在电池中交越，从而在阴极处至少部分地出现由方程式(92)所给出的OH-体系且在阳极处至少部分地出现由方程式(90)所给出的OH-体系。催化剂可为在阳极处由交越H形成的H2O，其与从阴极交越至阳极的另外的H发生反应。阳极可为形成氢化物的金属(例如贵金属(例如Pd、Pt或Au)或过渡金属或合金(例如Ni或LaNi5))，其实施为双功能电极以将电解质水溶液氧化成O2且在交越氢存在下将OH-氧化成H2O。阴极可为形成氢化物的金属，例如贵金属(例如Pd、Pt或Au)或过渡金属或合金(例如Ni或LaNi5)。阴极可实施为双功能电极以将H2O还原成H2且可另外将交越O2及H2O中的至少一种还原成OH-。因此，阴极可包括氧及H2O还原催化剂中的至少一种。通过交越反应释放电能及热能中的至少一种，其中电流与电解电流具有相同极性，但电压具有相反极性。因此，在实施恒定电流电解的情况中，在一个实施方式中，电池电压有所降低且电池温度有所增加。示例性电解池为[Pt/LiOH(0.1M至饱和水溶液)/Pd]。在其他实施方式中，两个电极皆为Ni或一个电极为Ni且另一电极为不同材料(例如Pt、Pd、DSA材料、其他稀有金属、碳、Ag、本公开的材料或位于载体上的该材料或本公开的其他材料中的一种或多种(例如Pt/Ti))，且电解质为浓度范围约为0.1M至饱和的KOH水溶液(aq)或K2CO3。具体实例为[PtTi/K2CO3或KOH(0.1M至饱和水溶液)/Ni]。
在一个实施方式中，电解质包括水溶液。溶液可包括碱性溶液。电解质可包括氢氧化物或碳酸盐水溶液，例如KOH及K2CO3中的至少一种。至少一个电极可选自具有低水反应性的组，例如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和Zn。
在一个实施方式中，至少一个电极(例如阳极)包括氢氧化物，例如过渡或内过渡元素或碱土金属氢氧化物，例如Ni(OH)2、Co(OH)2、Cu(OH)2、Ca(OH)2、Sr(OH)2或In、Sn、Pb、As、Sb或Bi氢氧化物(例如Bi(OH)3)。示例性电池为[Ni(OH)2Co/KOH(水溶液)/NiO]、[Ni(OH)2Co Cu/KOH(水溶液)/NiO]、[Co(OH)2Co/KOH(水溶液)/NiO]、[Co(OH)2Co Cu/KOH(水溶液)/NiO]及[Ca(OH)2Co/KOH(水溶液)/NiO]。
在一个实施方式中，电解质水溶液可包括至少一种氢氧化物及至少一种卤化物的混合物，例如碱金属或碱土金属氢氧化物及卤化物的混合物，例如LiOH-LiBr水溶液。示例性电池为水性CIHT电池[Ni或Pt/Ti/LiOH-LiBr(水溶液)/Ni]。
在实施方式中，添加至电池中的水或水性溶剂可包括H2O、D2O、T2O或水混合物及同位素混合物。在一个实施方式中，控制温度以控制分数氢反应速率且由此控制CIHT电池的功率。适宜的温度范围为约环境温度至100℃。可通过密封电池来维持温度大约>100℃，从而产生压力且抑制沸腾。
在一个实施方式(例如至少为包括熔融盐或水性电解池的实施方式)中，电池在各电池中对应于H2及O2至H2O的反应的电池电势的负值的恒定电压下进行充电。充电电势可包括具有超电势以及热力学电压分量的H2O电解电势。电池也可在恒定电流、功率或负荷或可变电压、电流、功率或负荷下进行充电。电池然后可在恒定电压、电流、功率或负荷下进行放电。可使用维持期望放电电压的负荷来达成恒定电压。在其他实施方式中，放电可在可使用电压、电流、功率及负荷控制器中的至少一种控制的可变电压、电流、功率或负荷下进行。电压及电流参数可包括沿任一方向的斜坡，例如在充电时从最小值至最大值且在放电时从最大值至最小值。在一个实施方式中，放电下在通过使半电池还原电势与达成优化的那些电势相匹配来最大化分数氢反应速率的条件下进行。在一个实施方式中，将放电维持于各电池中对应于H2及O2至H2O的反应的电池电势的恒定电压下。匹配电势可包括超电势以及热力学电压分量。在其他实施方式中，电压及电流中的至少一种可变以达成使得以最大速率发生分数氢催化剂反应的放电电压。电池电势为可包括超电势以及热力学电压分量的半电池还原电势的差。可调节频率及其他充电-放电参数以最大化分数氢催化反应速率。在一个实施方式中，调整循环的波形以与适宜的负荷相匹配或使负荷与波形相匹配。在一个实施方式中，充电-放电频率可为标准频率，例如电力网的频率。频率可为50Hz，或其可为60Hz。波形可适用于交替电流，例如60Hz或50Hz下的交替电流。频率可涉及在充电-放电循环期的外两个电池之间的相互充电，从而一个电池可向另一电池充电且反之亦然。在另一个实施方式中，可将电流整流。可在放电期间将电流以可为约恒定电流的直流电流形式供应至负荷。可在长于任一给定个体电池的循环的持续时间内将多个CIHT电池定时以提供恒定电流。
在一个实施方式中，电池自H2O生成氢及氧中的至少一种。在一个实施方式中，在间歇性电解期间，可分别在放电阳极及阴极上形成H2及O2。作为另一选择，气体可独立于电解由H2O自发形成。驱动由H2O自发产生H2及O2中的至少一种的能量为分数氢的形成。气体、H2及O2中的至少一种为形成催化剂及分数氢中的至少一种的反应物。机制可涉及电化学反应及离子化反应中的至少一种。诸如H2O等催化剂可在放电期间形成，其进一步与H反应形成分数氢。在放电期间形成H2O的反应可在电池工作的任一阶段可逆，从而H在放电阳极处直接及可选地独立于通过电解所形成者来形成。除分别在放电阳极及阴极处H2O电解成H2及O2外或作为另一选择，H形成可因释放用于形成分数氢的能量而自发进行，其中两个反应可同时发生。在一个实施方式中，电池电压应使得H2O的电解自发发生且形成分数氢。分数氢反应可至少部分地维持或支持达成传递H2O电解及传递分数氢形成反应中的至少一种的电池电压。在一个实施方式中，电池电压约为0.8V±0.5V。包括[Ni/具有可选基质(例如MgO)的LiOH-LiBr/Ni]及H2O供应的示例性电池可在约280～500℃的温度范围内于约0.8V±0.2V的电池电压下工作。可通过间歇性电解及自发性电解(同时形成分数氢)中的至少一种来辅助电压。间歇性电解的示例性电池波形可包括充电至0.8V±0.2V的步骤且在电池放电时将电压维持设定时间。电池波形可进一步在诸如恒定电流等条件下将电池放电至限制电压(例如0.6V±0.2V)或保持限制时间(例如4s±3s)。H2O的自发性电解可具有一个或多个中间步骤，其涉及阳极材料、电解质及固体、液体及气体中的至少一种在电池中的反应。例如，H2O可与阳极金属M反应形成MO及H2。示例性固体、液体及气体为固体基质(例如MgO、LiAlO2、Li2TiO3、LiVO3、CeO2、TiO2)及本公开的其他实例(H2O2、O2、CO2、SO2、N2O、NO及NO2)。作为另一选择，电解质可为氧化电解质及还原电解质中的至少一种，且H2O也为反应物。示例性自发H2O电解反应为
放电阳极：
2H→2H(1/p) (98)
其中(例如)通过方程式(90)的反应形成H2O催化剂。
放电阴极：
总反应可为
H2O→1/2O2+2H(1/p) (100)
H2O→1/2O2+H2 (101)
其他示例性自发H2O电解反应为
放电阳极：
2OH-→H+HOO-+e- (102)
H→H(1/p) (103)
其中(例如)通过方程式(90)的反应形成H2O催化剂。
放电阴极：
HOO-+1/2H2O+e-→2OH-+1/4O2 (104)
总反应可由方程式(100)及(101)给出。
放电阳极：
3OH-→O2+H2O+H+3e- (105)
H→H(1/p) (106)
其中(例如)也通过方程式(90)的反应形成H2O催化剂。
放电阴极：
3/4O2+3/2H2O+3e-→3OH- (107)
总反应可由方程式(100)及(101)给出。方程式(97)、(99)、(102)、(104)及(105)的氢及氧可分别根据方程式(90)及(92)反应形成H2O及OH-。其他氧物种(例如氧化物、过氧化物、超氧化物及HOO-)及本公开中所给出的反应(例如方程式(61-79))可涉及H2O自发性电解形成H、催化剂及分数氢中的至少一种的源。在一个实施方式中，H可在放电阳极及阴极处形成，其中分数氢优先形成于一个电极(例如阳极)处，因为在此处形成催化剂。示例性电池为具有Ni放电阳极及NiO放电阴极者，其中分数氢优先形成于Ni电极处。除上述反应外，放电阴极处的反应可为H2O还原至OH-及H2，且阳极处的反应可为OH-氧化(如在上述反应中所给出)且可进一步包括形成阳极的金属氧化物或氢氧化物的反应。作为另一选择，诸如金属氧化物(例如NiO)等氧化物可在阴极处发生还原。还原也可包含其他反应物，例如H2O。示例性还原反应为NiO至Ni及包括氧的负离子(例如氧化物、过氧化物及超氧化物)的还原及NiO及H2O至Ni及氢氧化物的还原。另外，在一个实施方式中，在放电阳极处形成诸如H2O等催化剂。在一个实施方式中，电池可以连续放电模式运行，其中自发生成H且然后生成分数氢足以维持电池的期望电输出。可将H2O供应至电池以维持电输出。作为另一选择及加以组合，电池可根据本公开的系统及方法在间歇性电解下运行。可收集来自间歇性或自发性电解的任何多余氢以用于另一商业应用。在一个实施方式中，通过来自分数氢反应的能量维持的多余电流可表现为或传递为水的自发性电解，如由方程式(97-107)的反应所例示。在一个实施方式中，涉及H2O至分数氢、电及氧或包括氧的化合物或物种的转化的分数氢反应可包括水解反应。
在一个实施方式中，控制水蒸气压以维持自发性电解反应。可维持反应混合物的水蒸气压或组成以支持维持自发性电解的离子，例如OH-、氧化物、过氧化物、超氧化物及HOO-中的至少一种。优先维持某些离子以有利于电解水、形成催化剂及H及形成分数氢。在方程式(97-107)的示例性反应中，维持水蒸气压以支持用于形成分数氢的相应反应路径的超氧化物离子的稳态浓度。可使用水蒸气或蒸汽生成器来控制水蒸气压，其中将水储槽的温度维持于系统的最低温度下。该系统可包括水生成器、电池的水蒸气管线及电池。与反应物处于平衡或稳态下的水蒸气压可在约1微托～100atm、约1毫托～1atm或约1托～100托的范围内。
在一个实施方式中，电解质的至少一种阴离子可以可逆地氧化及还原以携载至少一些通过来自分数氢反应的能量驱动的过量电流。阴离子可包括卤化物，例如I-及Br-中的至少一种。可在放电阳极处形成I2及Br2中的至少一种，且可在放电阴极处形成I-及Br-中的至少一种。电解质可包括熔融盐，其可包括混合物，例如氢氧化物及卤化物中的一种，例如包括碱金属阳离子(例如LiOH)及LiI及LiBr中的至少一种的混合物。电解质可进一步包括基质，例如MgO。电池可至少部分地闭合以保留卤素气体，从而其可发生还原。可进一步向电池供应氧源(例如O2)及氢源(例如H2O)中的至少一种。供应可连续性或间歇性进行。在电池的工作条件下，电解质化合物(例如卤化物)与氧及H2O中的至少一种的反应可具有约零伏特的电压。电压可约为零伏特且在±1V、±0.5V、±0.25V、±0.1V及±0.05V中的至少一种的范围内。形成卤素气体的反应可为
2LiI+1/2O2→Li2O+I2 (108)
在另一个实施方式中，通过来自分数氢反应的能量驱动的过量离子电流通过如在本公开中所给出的硫族化物(例如氧离子或硫离子)携载。
在一个实施方式中，向电池供应氧源，例如O2气体。氧可为基本上干燥的。H2O含量可为以下中的至少一种：小于10摩尔％、5摩尔％、3摩尔％、2摩尔％、1摩尔％、0.1摩尔％、0.01摩尔％、0.001摩尔％及0.0001摩尔％。可向O2气体供应惰性气体，例如稀有气体，例如氩或氮。O2含量可为以下范围中的至少一种：约0.01摩尔％～99.9摩尔％、约0.1摩尔％～80摩尔％、约1摩尔％～60摩尔％、约1摩尔％～50摩尔％、约1摩尔％～30摩尔％及约1摩尔％～20摩尔％。形成分数氢的H源可来自电解质，例如包括氢氧化物(例如碱金属氢氧化物，例如LiOH)的电解质。电解质可在放电期间变得脱水。可通过从源(例如本公开的那些源中的一种)向电池供应H2O来使脱水电解质再水合。再水合可连续实施或以间歇过程实施。可将电池冷却至较低温度且供应H2O以使电解质再水合。然后可将电池的温度升至工作温度。电池可为连续放电或间歇性地充电及放电。波形及其他充电及放电参数可为本公开的那些情况。
在一个实施方式中，向电池供应氧源，例如O2气体。O2反应性高度依赖于浓度。在一个实施方式中，通过控制供应至电池的氧量或在电池中所形成的量来控制通过电池反应(例如电池电解及放电反应，例如分数氢反应)所形成的氧物种及相应浓度。在一个实施方式中，选择氧浓度并加以控制以传递分数氢反应且并不损害阳极。O2含量可为以下中的至少一种：小于约10摩尔％、5摩尔％、3摩尔％、2摩尔％、1摩尔％、0.1摩尔％、0.01摩尔％、0.001摩尔％及0.0001摩尔％。
电解质可为熔融盐或碱性水溶液，例如氢氧化物或碳酸盐电解质水溶液，例如碱金属氢氧化物或碳酸盐或其任一期望比率的混合物。电解质(例如电解质水溶液)可包括M2CO3、MOH、M2SO4、M3PO4、MNO3(M＝碱金属)的混合物。示例性电解质为浓度范围可为约0.01M至饱和的KOH、K2CO3、NaOH、Na2CO3、LiOH及Li2CO3或其混合物。在脉冲或间歇性施加的电压或电流电解实施方式中，阴极及阳极中的至少一种可包括双功能电极。电极可包括不同材料以达成期望反应。可选择用于期望氧化或还原反应的各阴极及阳极且可为以下中的一种或其组合：过渡金属或合金(例如Ni或LaNi5)、碳、经碳涂覆的Ni、掺杂贵金属的碳(例如Pt/C或Pd/C)或掺杂其他金属的碳(例如掺杂Mo或Ni的碳)、Pt-Ni合金、经Pt涂覆的Ni、Ag、Pb及贵金属或合金(例如Pt、Pd或Au)。具有适当氧化及还原能力的其他稳定导体为本领域技术人员已知的那些导体。氢电极(例如负电极)可包括氢溢流催化剂(例如Pt或Pd/C)或其他掺杂有氢离解剂的高表面积载体。氢电极可包括提供关于H2演化的低超电势的金属或合金，例如Ni、Fe、Co及Mo中的至少两者的合金，例如Ni35.63Fe24.67Mo23.52Co16.18或具有类似比率者。电极可为碳化物、硼化物或氮化物(例如ZrC或TiC)、碳黑、AC、ZrC、TiC、TiN、Ti3SiC2、TiCN、SiC、YC2、TaC、Mo2C、WC、C、HfC、Cr3C2、ZrC、VC、NbC、B4C、CrB2、ZrB2、GdB2、MgB2及TiB2，其可掺杂有导体。电极可包括双功能及双金属阴极及阳极中的至少一种。氢电极或阳极可包括Ni(例如Ni、Ni纤维毡、Ni粉末)、Mo、Mo纱布、Mo纤维毡、Mo粉末或其任一组合或其他高表面积材料。可通过形成氧化物涂层中的至少一种且纳入来自电解质的物种(例如碱金属离子，例如在形成示例性锂化氧化镍的情况中)来活化电极。可通过在部分氧气氛及暴露至氧源中的至少一种中操作电极来形成氧化物涂层。电池可间歇性地充电及放电且初始氧电荷随时间耗尽。可使用惰性气体(例如稀有气体或N2)流达成耗尽。可通过在适宜的氧化溶液中预处理电极(例如阳极)来形成氧化物涂层。在Ni上形成氧化物层的示例性适宜的溶液为过氧化物的碱性溶液，例如0.6M K2CO3/3％H2O2。活化可改变至少一个半电池反应的电压，从而更有利于形成分数氢的反应。活化可包括涉及电解质的半电池反应的电压变化，其中有利于形成分数氢的催化剂反应(在不存在活化时并不有利于该反应)。在一个实施方式中，电解质至少为涉及电池的半电池反应者且为形成催化剂及H中的至少一种的反应物。活化可涉及使在由电解质形成催化剂期间的催化剂能量适于匹配从氢接受能量以形成分数氢所需者。示例性电解质为碱金属氢氧化物或盐混合物，例如氢氧化物及另一种盐(例如卤化物)的混合物。活化电池的示例性电解质混合物可包括LiOH-LiBr、NaOH-NaBr、KOH-KBr及氢氧化物及卤化物(例如碱金属卤化物)的其他组合。构成氧化物涂层(形成以活化电极从而用于形成分数氢)的本公开的其他金属可用作氢电极或阳极。在另一个实施方式中，可活化电解质。活化可通过暴露于氧或氧源来进行。活化可包括形成氧物种，例如氧化物、过氧化物及超氧化物中的至少一种。电解质可包括氢氧化物(例如碱金属氢氧化物)且可进一步包括另一种盐(例如卤化物，例如碱金属卤化物)。通过在高温下(例如在约100℃～1000℃的范围内)暴露于氧来活化的示例性电解质为KOH-KBr。氧物种的形成可改变碱性以有利于形成分数氢。在另一个实施方式中，通过活化改变半电池反应及电压中的至少一种以有利于形成分数氢。在一个实施方式中，将氧或氧源添加至电池中以引起活化。氧可为痕量(例如在0.1ppm～10体积％的范围内)但应足以维持电极(例如阳极)上的氧化物涂层以增强分数氢反应。增强机制可包括以下中的至少一种：提供原子H，及使至少一个半电池的半电池反应电压适于匹配更有利于使得可进行H催化以形成分数氢者。氧可影响半电池电压，例如O2还原反应(例如O2及H2O至OH-的反应)及形成H2O的阳极反应中的至少一种。效应可直接通过H及O化学达成或间接通过诸如形成氧化物涂层等方式改变电极表面来达成。氧化物涂层可影响至少一个半电池反应的超电势以使得更有利于分数氢形成反应。
在一个实施方式中，通过使放电阴极与氧化剂(例如供应至阴极的氧)发生反应来再生放电阴极。可视需要间歇性地实施再生。适宜的示例性阴极材料为氧还原催化剂，例如NiO、掺杂Ag的NiO、Ag、AgO及本公开的其他材料。可将诸如氧等氧化剂供应至电池。在该情况中，可通过向阳极施加足够负的电压以防止其发生氧化来保护放电阳极以免氧化。阳极可为Ni或Ni合金，例如Ni-Cr(例如98％/2％)。充分电压可高于通过能斯特实例所预测者，例如对于Ni阳极、1atm O2及800K的电池温度而言高于0.863V。可通过诸如泵送等方式来去除诸如氧等氧化剂且电池恢复至正常工作。
在一个实施方式中，使诸如O2气体等氧源流向电池中。氧可用于以下情况中的至少一种：增加电池放电电势，增加氧还原速率，增加电池电流，及至少部分地在放电期间消耗。可调节O2流速以维持支持在阳极处足够负的合理电池电压的压力，从而防止阳极发生氧化及腐蚀中的至少一种。合理电池电压可为接近、处于或高于用于使用供应压力下的O2氧化阳极导体(例如金属或合金，例如Ni)的电压的电压。可使用适宜的氧传感器监测O2压力，且调节流速以维持合理电池电压。作为另一选择，可结合或独立于调节O2压力来调节充电及放电参数(例如峰值电压及最小电压、间歇性充电-放电频率及充电及放电电流)以维持阳极保护电压。在一个实施方式中，可限制电池体积，从而O2存量可在放电期间实质上消耗。可在电池循环的充电或另一期期间补充O2存量。在一个实施方式中，限制的电池体积应使得O2压力降至能斯特方程式电压低于电池放电电压的值。O2可在充电期间通过受控阀门扩散至限制体积中。可使用诸如质谱仪等传感器监测O2分压。
在一个实施方式中，阳极及阴极材料中的至少一种可在电池堆叠的至少两个不同双极板之间有所不同。不同材料引起电池电压差。一个电池相对于至少一个具有不同双极板的不同电池的电池电压差可防止至少一个电池电极发生腐蚀。不同材料可在整个堆叠中交替以防止阳极及阴极中的至少一种的电极腐蚀。交替阳极材料可包括含有Mo及Mo合金(例如MoNi、MoCu、MoB、MoC、MoSi及本公开的其他合金中的至少一种)的不同阳极。
示例性电极为包括Ni、Ni-Al或Ni-Cr合金(例如约10％Cr)中的一种的阳极及包括NiO、Ni、Co、CoO、Ag及Cu中的至少一种的阴极。Ag阴极可为分散于碳上的Ag颗粒。最佳负载在约20重量％～30重量％的范围内。阳极可包括形成氧化物的金属，其中每形成金属原子或氧原子中的至少一种的自由能与由H2及O2形成H2O大致相同。能量匹配可在约10％～300％或约10％～100％或约10％～50％内。示例性金属为Ni、Mo、Cd、Sn、W及Pb。其他适宜的阳极金属或其合金为选自以下组中的至少一种：Cu、Ni、CuNi、NiMo、CuMo、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl及Sn。在一个实施方式中，阴极及阳极二者皆实质上浸没，从而在间歇性电解池的电解期间生成在放电期间消耗的大部分(若非全部)氧。示例性电池为[Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl或Sn中的至少一种/LiOH-LiBr/Ni/NiO，间歇性电解]。在一个实施方式中，至少一个电极(例如阳极)可发生磁化。磁化电极可包括铁磁性金属，例如Ni、Fe、Co或合金。在一个实施方式中，阳极可包括不同材料(例如导体，例如金属)的层。阳极可包括双金属或多金属电极。一个层可确立最佳电压以提供用于传递分数氢反应的有利能量，且另一层可携载电流。形成双金属电极(例如阳极)的示例性材料为Ni、Mo及H242合金中的至少两者。阴极也可包括多个层，例如多金属层，例如双金属电极，例如包括Ni及Ag或本公开的阴极材料的其他组合者。
阴极可包括氧还原电极，例如锰氧化物，例如MnO2/C、Mn2O3/C或MnOOH。其他适宜的O2还原阴极为以下中的至少一种：Pt/C或Pt合金/C(例如PtRu/C)、La0.5Sr0.5CoO3/C、CoTPP/C、La0.6Ca0.4CoO3/C、Pt/CNT/C、Pr0.8Ca0.2MnO3、CoTMPP/C、LaMnO3/C及MnCo2O4/C。因放电阳极也在间歇性循环期间用作电解阴极，故除了传统电极以外，可使用与传统碱性燃料电池不同的放电阳极材料。候选者为其他过渡金属(例如Ti及V)、内过渡金属及合金(例如Nb及Hg)及汞齐(例如AgHg)、稀土金属及合金(例如LaNi5)及第III、IV、V及VI族金属或类金属及合金。在一个实施方式中，放电阳极包括形成稳定氢化物的材料。适宜的阳极材料包括多孔材料，例如粉末。粉末可包括活性损失的稳定剂或抑制剂。活性损失可来自通过诸如烧结等机制造成的表面积损失。适宜的稳定剂或抑制剂为合金，例如Ni-Cr合金(例如约2重量％～10重量％Cr)及(例如)添加有氧化锆(例如20重量％ZrO2)的多孔Ni或Co。其他适宜的阳极材料包括LiFe5O8、LaCrO3、MnO及掺杂Nb或Ta的TiO2、镀覆Ni或Cu的陶瓷(例如LiAlO2或Ai2O3)及SrTiO3。适宜的阴极材料包括NiO、CoO、MNiO2、M2NiO2、MCoO2、M2CoO2、MFeO2、M2FeO2、Li2MnO3、Mg-Li2MnO3、Mn-LiFeO2、LaMnO3、SrTiO3、LiCrO2、LiAlO2、LaNiO3、LaCoO3、Zr-ZnO、MM’O2、M2M’O2、MM’Ox、M2M’Ox(x＝整数，M＝碱金属，M’＝过渡金属或其他金属(例如Al))及掺杂有镁的M2M’Ox(例如LiFe1-yMgyO(y>0.03))。在一个实施方式中，电极孔隙率在约20％～95％或约50％～75％的范围内。孔隙直径可在约1μm～50μm或约3μm～10μm的范围内。
诸如阴极等电极的适宜的氧还原反应(ORR)催化剂包括以下中的至少一种：Ni、Ni-Al合金(例如约5-15原子％Al)、Ni3Al及Ni-Nb合金、MnO2、Ag、混合价CoOx-MnOx、金属四甲氧基苯基卟啉(例如CoTMPP、FeTMPP-Cl/C)、金属氮化物及过渡金属的混合氧化物(例如尖晶石、钙钛矿及烧绿石(例如A2B2O6O’))。在一个实施方式中，示例性ORR催化剂基于个体氧化物或混合物或具有尖晶石、钙钛矿或烧绿石结构，例如NiO、NiO/Ni、NiO+Dy中的至少一种(例如约1～10重量％)、Co3O4、La2O3、MgO及Fe2O3、锂化NiO、位于载体(例如PTFE)上的Ni、MnO2、Ag、Co3O4、La2O3、LaNiO3、尖晶石AB2O4(例如A＝Mn，B＝Co)、NiCo2O4、LaMnO3及LaNiO3。阳极及阴极中的至少一种可为锂化NiO，其中本公开中的Ni电极的指定可至少部分地包括NiO及可选的部分锂化或掺杂锂的NiO以及Ni。诸如ORR阴极等电极可包括Co酞菁及类似化合物，例如Co-C-N及Fe-C-N、Pt或其他贵金属或合金，例如Pt以及Fe、Co或Ni)、Pd、Pd合金(例如Pd-Fe、Pd-Co、Pd-Co-Au及Pd3Fe/C纳米颗粒)、Ru或钌化合物(例如结晶谢夫尔相(Chevrel-phase)硫族化物(例如M6X8，其中M＝高价过渡金属且X＝S、Se、Te；(Mo,Ru)6Se8)、纳米结构化Ru及Ru-Se簇、Ru-N螯合化合物、Ru硒化物(例如Mo4Ru2Se8及RuxSey)、碳)及经掺杂碳纳米管及石墨烯(例如掺杂N的碳纳米管)。电极可进一步包括碳黑、粘合剂、集流体及特氟龙膜。可使用溶胶-凝胶及反胶束方法形成碳载催化剂的均匀高表面积分布。电池可进一步包括可选择用于离子交换的隔板。离子可为碱性电池的氢氧化物离子。在一个适宜的示例性实施方式中，膜可包括含有悬垂四级胍鎓基团的聚(伸芳基醚砜)。
电极可包括用于氧还原及演化的复合电极。后者可用于(例如)间歇性电解池。电极可为能够进行氧还原及演化的双功能电极，其中通过相应单独催化剂层来提供活性，或电催化剂可为双功能性。电极及电池设计可为在业内已知用于金属-空气电池组(例如Fe或Zn-空气电池组)的那些或本领域技术人员已知的其适宜的变化形式。适宜的电极结构包括集流体、气体扩散层(其可包括碳及粘合剂)及作用层(其可为双功能催化剂)。作为另一选择，电极可在集流体的一侧包括O2还原层且在另一侧包括O2演化层。前者可包括与氧源接触的外部气体扩散层及与集流体接触的多孔疏水性催化剂层；而后者可包括在该层的一侧与电解质接触且在另一侧与集流体接触的多孔亲水性催化剂层。双功能空气电极可包括La1- xAxFe1-yMnO3(A＝Sr或Ca)、La0.6Ca0.4Co0.8B0.2O3(B＝Mn、Fe、Co、Ni或Cu)、La0.6Ca0.4CoO3-及La0.7Ca0.3CoO3-。其他示例性OR催化剂及双功能催化剂阴极为PdO2/PdO3；碳化物，例如TaC+WC+W2C+TiC的混合物；经Co/Ce涂覆的Ni；MnO2+C+PTFE；Mn异丙氧化物+活性碳+12％PTFE；5％MnO2+75％C(30％EC-600JD及70％AB-50的混合物)+20％PTFE；5％MnO2(Mn3+/Mn4+)+70％C(60％PWA+40％碳黑)(PTFE-特氟龙30B)；GDL：30％EC-600JD+70％AB-50；MnO2+C(活性碳+BP2000)+PTFE；20-26μm粒径分布MnO2：30％MnO2+20％活性碳+20％碳黑+30％PTFE；20％MnO2+66％C+14％PTFE；催化剂层：20％MnO2+70％活性碳+10％PTFE；GDL：15％碳黑+85％PTFE；11％γMnO2+41％C(BP2000)+48％PTFE；MnO2阴极+PTFE+2-20％吸收剂材料(例如阳极中所使用的胶凝材料)；MnO2；Ag/CNC；位于Ni发泡体上的Ag；AgW2C/C；AgMnO4+5-10％MnO2+C+PTFE；拉尼银催化剂+PTFE＝5：1(重量％)(24mg cm-2)；Ag2O+10％LaNiO3；5％Ag+15％BP2000+10％Daxad+60％特氟龙RPM T-30；50％(20％CoTMPP/C)+50％(15％CoOx+5％MnOx/C)；2.5％MnOx+7.5％CoOx/C；4％CoTMPP+15％BP2000+60％特氟龙RTM T-30；MnO2和/或AgNO3(Pt,Co3O4)；10％CoTMPP/C+Nafion+FEP+经FEP涂覆的PTFE纤维；CoTMPP+MnOx/C；60％Mn4N/C+PTFE；NiCo2O4尖晶石；MnxCo3-yO4+PTFE(0<x<1)尖晶石；钙钛矿；LaMnO3；LaCoO3；LaNiO3；LaCrO3；LaFeO3；La0.8Sr0.2FeO3；La0.6Sr0.4Fe0.6Co0.4O3；La0.6Sr0.4Fe0.6Mn0.4O3；LaNiO3；LaCoSrO3；Pb2M2-xPbxO7-y；Ni、Co、Fe氢氧化物+碳黑+PTFE；Ag+Pt+MnO2+C+PTFE 10％Pt/C；具有碱性电解质的铁-空气燃料电池(类似于ZAFC)：CuSO4、NiWO4、WC+20％Co；WS2+WC或WC+1-20％Co；WS+C+PTFE；WC+Ag+C PTFE(FEP)；30份Ag+30份WC(经12％Co涂覆)+32份PTFE+90份碳黑；3％(5-10％)Ag(ORR)+约[7％(10％-15％FeWO4)+7％(10％-15％)WC+约12％(10％-15％)Co(OER)+约54％C]+约22％PTFE，Ag负载-2mg cm-2；[ORR-Ag]+[OER-CoWO4+WC+WS2+NiS+10-15％Co]+PTFE；ORR催化剂[(0.3-2％)CoTMMP+(4-10％)LaNi1-xCox+(1-4％)Ag+(18-32％)CoxOy+OER催化剂(1-20％)WC+(1-20％)Co+(1-7％)FeWO4+(1-7％)NiS]+AB-50+PTFE；催化剂层：63.5％XC500+15％PTFE+13％MnSO4+8.5％La2O3；15％PTFE+69％XC500+8％MnO2+8％La2O3；58％XC500+15％PTFE+19％AgNO3+8％MnSO4；GDL：65％C+35％PTFE；OER电极：30％Ag+70％LaNiO3；La1-xAxFe1-yMnyO3(A＝Sr、Ca)；La0.6Ca0.4Co0.8Fe0.2O3及本领域技术人员已知的具有这样的或类似物种组成及物种组成比率的其他类似实施方式。在另一个实施方式中，阴极可包括可进一步包括阳极金属的氧化物、氢氧化物或羟基氧化物。在适宜的实例中，阴极包括Mo、W、Hf或Ta的羟基氧化物，且相应阳极分别包括金属Mo、W、Hf或Ta或合金。
电极(例如阳极)可包括单独或掺杂有另一金属的Ni毡、箔、粉末或导线，该另一金属为(例如)以下中的至少一种：贵金属、过渡金属、内过渡金属(例如Mo)、稀土金属及第III、IV、V或VI族金属(例如Pt、Ru、Rh、Pd、Ag、La、Hf、Hf合金(例如Hf及Zr、Fe、Ti、Nb、Ta、Ni及W、Re、Ir、Au、Co、Mn、Cu、Zn、Al、Sn、Pb、Bi及Te中的至少一种))。阳极可包括以下中的至少一种：金属、金属合金、金属混合物及可包括至少一种金属的化合物。混合物可包括个别金属的结构域，该结构域可进一步在不同金属结构域的交叉处包括晶粒边界。结构域也可包括金属合金。结构域也可包括至少一种可包括至少一种金属的化合物。结构域可彼此电接触。在一个实施方式中，优化结构域的大小以最大化分数氢反应速率。优化也可包括形成抗腐蚀性阳极。在一个实施方式中，最小化结构域的大小。在一个实施方式中，结构域大小应使得半径在以下中的至少一种的范围内：约1nm～1cm、约10nm～5mm、约100nm～1mm、约100nm～500μm及约1μm～50μm。
混合物可包括以下中的至少一种：(i)至少一种金属；(ii)至少一种合金，其各自包括至少两种金属；及(iii)至少一种化合物，其中各化合物可包括至少一种金属。金属、合金及化合物中的一种或多种的金属成分可相同或不同。示例性合金、混合物及化合物可选自以下组：Mo及至少一种构成导体或与Mo形成导电合金的其他元素，例如MoB、MoN、MoSi、MoP、MoC及Mo与至少一种过渡金属(例如MoNi、MoCu及MoCo)；NiBi、NiCd、NiNb、NiCr、NiCo、NiCu、MoNi、HfNi、TaNi、WNi、VNi、ZrNi、CdNi、NbNi及TiNi；Sn或Sn合金或混合物，例如SnAg、SnAl、SnAs、SnAu、SnBa、SnBe、SnBi、SnCa、SnCd、SnCd、SnCe、SnCo、SnCr、SnCu、SnFe、SnGa、SnGe、SnHf、SnHg、SnIn、SnK、SnLa、SnLi、SnMg、SnMn、SnNa、SnNb、SnNd、SnNi、SnP、SnPb、SnPd、SnPr、SnPt、SnS、SnSb、SnSe、SnSi、SnSr、SnTe、SnTi、SnU、SnV、SnYb、SnZn及SnZr；Al或合金或混合物，例如AlAs、AlAu、AlB、AlBa、AlBe、AlBi、AlCa、AlCd、AlCe、AlCo、AlCr、AlCs、AlCu、AlDy、AlEr、AlFe、AlGa、AlGd、AlGe、AlHf、AlHg、AlHo、AlIn、AlK、AlLa、AlLi、AlMg、AlMn、AlMo、AlNa、AlNb、AlNd、AlNi、AlPb、AlPd、AlPr、AlPt、AlPu、AlRe、AlRu、AlSb、AlSc、AlSe、AlSi、AlSm、AlSn、AlSr、AlTa、AlTe、AlTh、AlTi、AlTiMo、AlTl、AlU、AlV、AlW、AlY、AlYb、AlZn及AlZr；Hf或合金或混合物，例如Hf及Zr、Fe、Ti、Nb、Ta、Ni及W中的至少一种，例如HfAl、HfB、HfBe、HfC、HfCo、HfCr、HfCu、HfFe、HfGe、HfIr、HfMn、HfMo、HfNb、HfNi、HfO、HfRe、HfSn、HfTa、HfTh、HfTi、HfU、HfW、HfZr及HfIn；Mo、Mo合金、Mo混合物或化合物，例如MoSi2、TZM(Mo(约99％)、Ti(约0.5％)、Zr(约0.08％))、MoB、MoAl、MoGa、MoIn、MoC、MoSi、MoGe、MoSn、MoPb、MoN、MoP、MoAs、MoSb、MoBi、MoS、MoSe、MoTe、MoCu、MoCo、MoCr、MoFe、MoGe、MoHf、MoIr、MoOs、MoNb、MoNi、MoPd、MoPt、MoRe、MoRh、MoRu、MoS、MoSi、MoTa、MoTh、MoTi、MoU、MoV、MoW、氮化钼、NiCrMoTaNb及MoY；Cr、Cr合金、Cr混合物；W、W合金或混合物，例如WAl、WB、WC、WCo、WCr、WFe、WHf、WMo、WNb、WNi、WOs、WPb、WPd、WPt、WRe、WRh、WSi、WTa、WTi、WV及WZr；Ta及Ta合金或混合物；例如TaAl、TaB、TaC、TaCo、TaCr、TaFe、TaHf、TaMo、TaNb、TaNi、TaPd及TaRh；钒合金或混合物，例如VB、VCu、VFe、VGa、VLa、VMn、VMo、VNb、VNi、VPd、VPt、VRe、VRh、VSi、VTa、VTi、VU、VW、VY及VZr；在电池温度下形成不稳定氧化物的金属的合金或混合物，例如Ag或Hg合金或混合物，例如AgMo、AgNi、HgMo、HgNi或AgHg。其他示例性合金或混合物为MoTiAl、MoVAl、NiZrMo、NiMgMo、NiAlMo、NiCuMo、NiMoSi、NiCrSi、英高合金(例如英高625(21％Cr、9％Mo、4％Nb-Ni合金)、英高622、英高C-276及英高686)、哈氏合金、哈氏合金C22、Ni-Cr-Mo-W合金、56aNi-22Cr-13Mo-3W-3Fe-2.5*Co-0.50*Mn-0.35*V-0.08*Si-0.010*C(a剩余部分，*最大值)、碳钢、合金20、242或556(例如Hayes公司)、Mg合金或混合物(例如MgMo、MgAg、MgAl、MgBi、MgCd、MgAlCo、MgCu、MgFe、MgGa、MgGd、MgHg、MgIn、MgLa、MgMn、MgNi、MgPb、MgPr、MgSb、MgSc、MgSi、MgTi、MgY、MgZn及MgZr)、TiAl、Cu6Co4、BMo合金或混合物、Ca合金或混合物、La合金或混合物(例如LaTiAl)、MoAg合金或混合物、MoSi及MoCr合金或混合物、SnZrMo、CrNiMo、MnNiMo、MoTi、MoPb、TaC合金或混合物、MoS合金或混合物、包括Ti、Nb、Fe、Mo中的至少一种的合金或混合物及TZM。电极(例如阳极)可包括碳或合金或混合物，例如CoC、CrC、CuC、FeC、GeC、HfC、IrC、LaC、LiC、MnC、MoC、NbC、NiC、ReC、SiC、TaC、TiC、VC、WC、YC及ZrC。其他示例性合金或混合物为MoMn、MoSi-过渡金属(例如MoCuSi、MoCoSi及MoNiSi)、MoSiC、过渡金属-SiC、YSiC、LaSiC、ZrSiC、HfSiC、NbSiC、TaSiC、WSiC、MoNiC、NiMoFe、MoCoC、MoCuC、LaNiC、MoHfNi、NiZrHf、MoTiNi、TiNbMo、CoCuC、CoCuSi、NiZrTa、NiMoTa、NiMoW、NiMoNb、CrMoW、VNbTa、TiZrHf、LaNiMo、LaNiHf、LaNiTa、LaNiMo、LaNiW、LaNiNb、LaNiCr、LaNiV、LaNiTi、LaNiZr、LaNiSc、LaNiY、NiZrW、NiZrNb、过渡金属-Zr-Mo(例如MoTiZr)、MoSi、MoC、Ni-TZM、MoZrNi、LaNi5Mo、LaNi5Hf、LaNi5Ta、LaNi5Mo、LaNi5W、LaNi5Nb、LaNi5Cr、LaNi5V、LaNi5Ti、LaNi5Zr、LaNi5Sc、LaNi5Y及LaNi5C。比率可为任一期望值，例如约50-50重量％(对于双金属物种而言)及33-33-33重量％(对于三金属物种而言)。在包括Mo的一个实施方式中，Mo相对于任一其他成分占有大部分原子％。至少一个电极(例如阳极)可包括包括钼及铜、镍、硅、硼及碳中的至少一种的钼合金，例如硼化钼(例如Mo2B5)、硅化钼(例如MoSi2)、硅硼化钼(例如Mo5SiB2)、硼碳化钼(例如MoBi4C)及硅碳化钼(例如MoSiC)。在一个实施方式中，阳极合金包括有利于形成分数氢的主要金属及至少一种其他导体。例如，阳极可包括Mo及至少一种构成导体的其他元素或形成导电合金者。示例性合金为MoB、MoN、MoSi、MoP、MoC及MoSiB。导体的比率可为任一期望值。化合物可包括硫族化物，例如金属硫族化物，例如氧化物、硫化物、硒化物或锑化物。合金可包括硫族化物，例如金属-S合金，例如MoS。化合物可进一步包括氢氧化物及羟基氧化物中的至少一种。包括氧化物、羟基氧化物及氢氧化物中的至少一种的示例性化合物是含有Mo、W及过渡金属(例如Ni、Fe、Cu及Co中的至少一种)的那些。示例性电池是[NiMo、MoCo、MoCu、MoSi、MoC、Ni-TZM、MoZrNi、RuMo、RhMo、OsMo/LiOH-LiBr-MgO/NiO或CO2O3-CuO-NiO间歇性电解+O2]。包括R-Ni放电阳极的示例性电池为[R-Ni/K2CO3(0.6M水溶液)/Nafion或Celgard/碳或Ni间歇性电解]。在其他实施方式中，电极金属或合金可包括层或涂层，该层或涂层可通过电解(例如通过电镀)或通过气相沉积或等离子体沉积(例如本公开的方法)沉积。
在一个实施方式中，阳极可包括导体，例如形成保护性氧化物涂层以防止进一步氧化的金属。氧化物涂层可稳定O2及H2O中的至少一种。涂层可在碱性电解质中稳定，碱性电解质为(例如)本公开的那些电解质，例如熔融盐混合物，例如包括氢氧化物及卤化物者，例如碱金属的那些盐，例如LiOH-LiBr，电解质可进一步包括基质材料(例如MgO)。电池可以直接放电模式工作或间歇性充电，从而充电时间小于放电时间。可工作电池，从而在充电期间通过电解所形成的H量小于导致氧化物涂层发生有害降解者。形成保护性氧化物涂层的示例性阳极金属为过渡金属及内过渡金属及合金，例如Cr、V、Ti、Mo、TZM、Hf及Ta。氢源可来自诸如LiOH等氢氧化物电解质的脱水，其中提供作为H源的H2O的相应反应为2LiOH→Li2O+H2O。电池可在间歇性充电-放电或连续放电条件且并不供应H2O下运行，其中电解质可以间歇方式再水合。至少一个工作参数(例如电池温度)可在再水合步骤之前及之后发生改变。例如，可降低电池温度，可供应H2O，且然后可将电池温度恢复至初始工作温度。在一个实施方式中，可将氧源(例如O2)供应至电池。具有来自LiOH脱水的H且可在间歇性充电-放电或连续放电条件下工作的示例性电池为[Ni-Mo或Co-Ni/LiOH-LiBr-MgO/NiO干燥空气]及[Ni/LiOH-LiBr-MgO/NiO干燥空气]。作为另一选择，H可来自所供应H2O，如由电池[Ni/LiOH-LiBr-MgO/NiO H2O-氩]所例示。
在一个实施方式中，选择电解质，从而阳极(例如本公开的那些阳极，例如Ni及Mo)在电池的工作参数(例如温度，其也可经选择以维持阳极的稳定性)下对于腐蚀是稳定的。示例性电解质为以下组中的一种：LiOH-Li2SO4、LiOH-Li2SO4-MgO、LiOH-Li3PO4、LiOH-Li3PO4-MgO、LiOH-Li2SeO4、LiOH-Li2SeO4-MgO、LiOH-Li3PO4-MX、LiOH-Li3PO4-MX-MgO、LiOH-Li2SeO4-MX、LiOH-Li2SeO4-MX-MgO(M＝碱金属，X＝卤离子)、LiOH-LiI、LiOH-LiI-MgO、LiOH-LiI-LiBr、LiOH-LiI-LiBr-MgO、LiOH-LiCl-LiBr、LiOH-LiCl-LiBr-MgO、M(OH)2-MX2、M(OH)2-MX2-MgO、M(OH)2、M(OH)2-MgO(M＝碱土金属)。可在约290℃～500℃的温度范围内工作的示例性电池为[Mo/LiOH-LiSO4/NiO Ar-1.5％O2+H2O]、[Mo/LiOH-Li2SO4/NiOAr-1.5％O2]、[Mo/LiOH-Li2SO4-MgOMO Ar-1.5％O2+H2O]、[Mo/LiOH-LiSO4-MgO/NiO Ar-1.5％O2]、[Mo/LiOH-LiI/NiO Ar-1.5％O2+H2O]、[Mo/LiOH-LiI/NiO Ar-1.5％O2]、[Mo/LiOH-LiI-MgO/NiO Ar-1.5％O2+H2O]、[Mo/LiOH-LiI-MgO/NiO Ar-1.5％O2]、[Mo/LiOH-LiI-LiBr/NiO Ar-1.5％O2+H2O]、[Mo/LiOH-LiI-LiBr/NiO Ar-1.5％O2]、[Mo/LiOH-LiI-LiBr-MgO/NiO Ar-1.5％O2+H2O]、[Mo/LiOH-LiI-LiBr-MgO/NiO Ar-1.5％O2]、[Mo/LiOH-LiCl-LiBr/NiO Ar-1.5％O2+H2O]、[Mo/LiOH-LiCl-LiBr/NiO Ar-1.5％O2]、[Mo/LiOH-LiCl-LiBr-MgO/NiO Ar-1.5％O2+H2O]、[Mo/LiOH-LiCl-LiBr-MgO/NiO Ar-1.5％O2]、[Mo/M(OH)2-MX2/NiO Ar-1.5％O2+H2O]、[Mo/M(OH)2-MX2/NiO Ar-1.5％O2]、[Mo/M(OH)2-MX2-MgO/NiO Ar-1.5％O2+H2O]、[Mo/M(OH)2-MX2-MgO/NiO Ar-1.5％O2]、[Mo/M(OH)2/NiO Ar-1.5％O2+H2O]、[Mo/M(OH)2/NiO Ar-1.5％O2]、[Mo/M(OH)2-MgO/NiO Ar-1.5％O2+H2O]及[Mo/M(OH)2-MgO/NiO Ar-1.5％O2](其中M＝碱土金属或其他适宜的阳离子)。在无H2O的电池实施方式中，电解质可间歇性地再水合。
在电极材料可溶于电解质中的情况中，可添加腐蚀抑制剂。抑制剂可包括含有阳极金属(例如Mo、W、Hf、Ta及过渡金属(例如Ti))的化合物，例如氧阴离子或卤化物。例如，具有包括LiOH的电解质的Mo阳极可发生氧化以形成可溶于碱性物种中的MoO2、Li2MoO3或Li2MoO4。可使此产物达到饱和或添加至电解质中达成饱和以抑制腐蚀。在一个实施方式中，Li2MoO3或Li2MoO4的浓度约为0.1重量％～10重量％或约0.5重量％～3重量％。作为另一选择，添加剂进一步抑制腐蚀，例如硼酸锂、硅酸锂、MgO、MoXn(X＝卤离子，n＝整数)(例如MoBr2或MoBr3)、MoS2、MoSe2、MoTe2、Bi3M’Mo2O12(其中M’可包括过渡金属，例如Fe或Sc)、M’MoO4(其中M’可包括碱土金属或过渡金属，例如Mg、Ca、Sr、Ba、Mn、Fe、Co、Cu及Zn)或M’2MoO4(其中M’为碱金属)。M’MoO4或M’2MoO4可进一步用作催化剂来源且分别形成M(OH)2或M’OH，其中OH-可与H反应形成催化剂H2O。添加剂可包括聚阴离子，例如W或Mo中的一种，例如聚钨酸盐或聚钼酸盐离子或化合物。在一个实施方式中，阳极、阴极或电解质成分中的至少一种可包括W或Mo青铜。青铜可包括MXWO3或MxMoO3(x<1)，其中M为金属阳离子，例如碱金属或碱土金属，例如Li。青铜可包括高表面积材料。青铜可通过带式浇注形成。带式壳体可位于基板(例如金属发泡体，例如Ni、Mo或W金属发泡体，例如Ni celmet)上。可加热带式浇注反应物以形成青铜。加热可在还原气氛中进行或包括还原加热反应(例如业内已知的那些反应)。在一示例性方法中，通过使用H2在赤热状态下还原Li2WO4及WO3的混合物来形成W青铜。作为另一选择，可通过诸多还原技术(例如加热正常钨酸盐以及钨金属)来形成钨青铜。类似地，可通过使用Mo替代W及本领域技术人员已知的其他方法来形成Mo青铜。示例性电池为[钼或钨青铜/LiOH-LiBr MgO间隔件/NiO+O2+H2O]、[Mo-钼青铜/LiOH-LiBr MgO间隔件/NiO+O2+H2O]及[W-钨青铜/LiOH-LiBr MgO间隔件/NiO+O2+H2O]。在一个实施方式中，添加剂可使能斯特方程式的电势发生位移以有利于形成水而非氧化阳极金属。在另一个实施方式中，MoO2、Li2MoO3或Li2MoO4添加剂包括基质材料，其中电极(例如阳极)可包括除Mo外的金属或导体。示例性电池为[Ni/LiOH-LiBr+MoO2、Li2MoO3或Li2MoO4/Ni+空气；间歇性电解]。在一个实施方式中，阴极可包括含有阳极金属(例如Mo)的化合物。示例性电池为[Mo/LiOH-LiBr/Mo6Se8或钼羟基氧化物，间歇性电解]。在一个实施方式中，阴极及阳极可包括可从一个电极迁移至另一电极的相同金属、合金或元素源。阳极及阴极可在间歇性充电放电期间周期性地逆转，从而放电阳极周期性地变为放电阴极。示例性过渡金属、合金或元素为Cd、Ni、CdNi、Mo及MoNi。因Mo溶于碱及且Ni并不溶于碱，具有Mo基质(例如Li2MoO4基质)以及Ni阳极的示例性实施方式为[Ni/LiOH-LiBr(Li2MoO4基质)/Ni-NiO，两个电极皆浸没，间歇性电解]。在一个实施方式中，可将在阳极处形成稳定合金的化合物添加至电解质中。一实例为与Mo阳极在包括Mo阳极的电池(例如[Mo/LiOH-LiBr NiBr2/Ni-NiO，间歇性电解])中形成稳定MoNi合金的可溶性Ni化合物，例如NiBr2。
在一个实施方式中，可通过施加负电势以还原放电阳极来使氧化的放电阳极再生。可在高于典型负电压的负电压下实施电解以进行再生。因此，在再生步骤中使放电阳极变为电解阴极。在此步骤期间可生成氢以也有助于还原过量氧化物，从而阳极可恢复至功能状态。所施加电池电压的量值可在约0.5V～5V或约1V～2V或约1V～1.5V的范围内。在一示例性实施方式中，电池(例如[Mo/LiOH-LiBr-Li2MoO4/NiO空气])包括Mo阳极，其中通过至少间歇性地施加足以使得电镀发生的电压来将Mo电镀于阳极上。在一个实施方式中，选择间歇性电解期间的电池充电及放电电压范围且加以控制以防止阳极以不期望速率发生腐蚀。可使用腐蚀反应的能斯特方程式来确定电压，其中可将电压维持于高于腐蚀反应具有可观速率的电压。在一个实施方式中，将负极引线连接至阳极的电解质面上以在阳极电解质界面处维持负电势。
在一个实施方式中，通过控制相应半电池电势及电池电势中的至少一种来减小或防止至少一个电极的腐蚀。可控制间歇性充电及放电及放电波形以减小或防止电极(例如阳极)的氧化。可基于以下中的至少一种来调节波形：电极及电解质组成，及供应至电池或在电池中生成的物种(例如O2及H2O)的浓度或压力。在一个实施方式中，添加至少一个电极与电池物种(例如氧及电解质中的至少一种)的反应产物作为添加剂以抑制电极腐蚀反应。可通过将能斯特电压的量值减小至小于相应半电池或电池电压来进行抑制。示例性阳极成分及相应添加剂为Mo或Mo合金及MoO2、MoO3或Li2MoO4、Ti或Al(例如合金，例如AlTi及TiO2、Li2TiO3、Al2O3或LiAlO2)、碳或碳化物(例如Mo2C及Li2CO3)、硼化物(例如MoB及B2O3或Li2B4O7)、硅化物(例如MoSi2及SiO2或Li2SiO3)。可进一步通过以下方式来抑制腐蚀：控制氧及H2O压力及电池温度中的至少一种，及在阳极包括碳化物或氮化物的情况中分别添加诸如CO2或N2等气体。可控制电池温度以优化电池动力学及半电池电压及电池电压中的至少一种。可减小电池温度以控制腐蚀。可通过选择具有较低熔点的电解质来减小温度。例如，可通过添加一些NaOH、KOH或RbOH来降低LiOH-LiBr电解质的熔点。替代性氢氧化物也增加氧还原速率。
在一个实施方式中，可将腐蚀抑制剂添加至电池中。在一个实施方式中，将阳极氧化反应的产物添加至电解质中。产物可改变能斯特电势以抑制腐蚀，其中可调节波形以匹配电势变化从而促进腐蚀的抑制。在一个实施方式中，可控制波形以在间歇性充电期期间电镀腐蚀产物。可考虑腐蚀产物电解的输入能量来控制波形以优化净电能平衡可相对于原位添加或生成的腐蚀产物的浓度来优化波形。波形可包括最佳时间间隔及电压以将各组成性阳极金属离子自电解质电镀至阳极。可调节波形及添加剂浓度以利用电压及动力学参数来镀覆添加剂或产物，从而维持期望电极合金组成。在阳极发生氧化以产生一种以上金属离子的一个实施方式中，控制电解质的金属离子比率以维持可使用相应波形得到最高净功率及最大能量效率中的至少一种。可通过循环伏安法测定相应期望波形及包括添加剂的电解质组合物。
在一个实施方式中，电解质可包括阳极的卤化物化合物。化合物的阳离子可提供同离子效应以抑制阳极的腐蚀。示例性阳极为过渡元素(例如Ni或Co)且卤化物化合物可分别为NiBr2或CoBr2。电解质可为水溶液或熔融盐(例如本公开的那些电解质)。在一示例性实施方式中，提供同离子或反应形成具有同离子的常见物种的化合物为Li2SO4及Li2PO4及CoSO4及CoPO4中的至少一种。基质可包括阳极腐蚀产物的同离子(例如氧化物离子)。氧化物可包括本公开的那些氧化物。在一示例性实施方式中，MgO提供常见O2-离子以抑制阳极的腐蚀(例如过渡元素阳极至氧化物的腐蚀，例如Co或Ni分别腐蚀至CoO或NiO)。在另一个实施方式中，基质包括含有阳极氧化物的化合物及另一化合物，例如本公开的至少一种基质化合物。示例性化合物为钴镁氧化物，其可用作基质且可防止由钴阳极形成氧化钴。此基质可提供Co的同离子及O2-以防止阳极的腐蚀。在另一个实施方式中，使用Ni或Cu代替Co。阳极可包括NiCo。在一个实施方式中，同离子氧化物的源为以下中的至少一种：CuO、CrO4、ZnO、MgO、CaO、MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO或Fe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、P2O3、P2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2及CrO3。在一个实施方式中，同离子源防止形成CoO、NiO及MoO2中的至少一种。基质(例如本公开的那些电解质中的至少一种)可溶于电解质中，从而其并不沉淀于至少一个电极上。
在一个实施方式中，阳极包括Mo或Mo合金，例如Mo-过渡金属，例如TZM、H242、MoNi、MoCo、MoCu、MoFe、FeMoCo、MoV、MoCr、MoMn、MoW及MoM1M2，其中M1及M2为过渡金属。包括其他过渡金属或其他金属及化合物的其他Mo合金构成其他阳极实施方式。在一个实施方式中，将各电池在间歇性电解及放电期间的电池电压维持于高于防止阳极发生实质性氧化的电势。在一个实施方式中，将电池电压维持于防止阳极形成包括电解质的至少一种元素的氧化物及化合物中的至少一种的范围内。在包括含有Mo或Mo合金的阳极的一个CIHT电池实施方式中，维持电压范围以防止形成MoO2、MoO3、Li2MoC3及Li2MoC4及其他Mo氧化物或化合物中的至少一种。可使用腐蚀反应的能斯特方程式来确定电压，其中可将电压维持于高于腐蚀反应具有可观速率的电压。在示例性实施方式中，电压下限约为形成氧化物或氧化物化合物的电压，其中在800K下直接形成或相应总反应的标准电势约为E0(在+/-0.5V、+/-0.25V或+/-0.1V以内)：
Mo+O2→MoO2(E0＝1.14V) (109)
Mo+2H2O→MoO2+2H2(E0＝0.086V) (110)
Mo+1.5O2→MoO3(E0＝0.936V) (111)
Mo+3H2O→MoO3+3H2(E0＝-0.12V) (112)
2LiOH+Li2O→H2O(E0＝-0.133V) (113)
4LiOH+Mo→MoO2+2Li2O+2H2(E0＝-0.047V) (114)
2LiOH+Mo+O2→MoO3+Li2O+H2(E0＝0.81V) (115)
2LiOH+Mo+1.5O2→MoO3+Li2O+H2O(E0＝0.89V) (116)
如本领域技术人员已知，可根据相应反应的能斯特方程式通过改变反应物及产物浓度及工作温度来改变标准电压。例如，可通过添加MoO2、MoO3、Li2MoO3、Li2MoO4、Li2O及H2中的至少一种及通过还原O2来减小用于减小腐蚀的下限电压(例如方程式(109-116)的E0中的至少一种)。可通过增加温度来减小用于还原MoO2的电压限值，其中示例性电池温度为高于300℃。根据能斯特方程式维持适当反应物及产物浓度以避免腐蚀的约800K下示例性间歇性充电-放电范围为以下范围中的至少一种：约0.5V～2V、约0.6V～1.5V、约0.7V～1.3V、约0.8V～1.2V、约0.8V～1.1V、约0.9V～1.1V、约0.8V～1V及约0.5V～2V、约0.5V～1.5V、约0.5V～1.3V、约0.5V～1.2V、约0.5V～1.1V、约0.5V～1.1V、约0.5V～1V、约0.6V～2V、约0.6V～1.5V、约0.6V～1.3V、约0.6V～1.2V、约0.6V～1.1V、约0.6V～1.1V、约0.6V～1V、约0.7V～2V、约0.7V～1.5V、约0.7V～1.3V、约0.7V～1.2V、约0.7V～1.1V、约0.7V～1.1V、约0.7V～1V、约0.8V～2V、约0.8V～1.5V、约0.8V～1.3V、约0.8V～1.2V、约0.8V～1.1V、约0.8V～1.1V、约0.8V～1V、约0.9V～2V、约0.9V～1.5V、约0.9V～1.3V、约0.9V～1.2V、约0.9V～1.1V、约0.9V～1.1V、约0.9V～1V、约1V～2V、约1V～1.5V、约1V～1.3V、约1V～1.2V、约1V～1.1V、约1.1V～2V、约1.1V～1.5V、约1.1V～1.3V及约1.1V～1.2V。电压范围在不同工作温度下有所变化。例如，根据半电池反应在STP下的标准还原电势(M.S.Antleman,F.J.Harris,Encyclopedia of Chemical electrode Potentials,Plenum Press,NY,(1982))，钼酸盐离子还原至Mo的电压为1.45V：
MoO4 2-+H2O+6e-→8OH-+Mo(E0＝-1.05V) (117)
2H2O+O2+4e-→4OH(E0＝0.41V) (118)
在一个实施方式中，控制阴极材料及阴极半电池反应物及产物(例如O2、H2O及氢氧化物)的浓度或压力以达成适当阴极半电池电压，使得阳极半电池反应及电压提供至少减小阳极的腐蚀的电池电压。阴极材料可为Ni或NiO且可进一步包括其他金属的氧化物(例如Cr、Mn、Co、Fe、V及Ag以及其他过渡金属、稀土金属、内过渡金属及类金属的那些氧化物)以控制阴极半电池电压。另外，可控制碱离子掺杂(例如锂化)程度、氧化及表面积中的至少一种以控制阴极电压贡献。
在一个实施方式中，阳极材料的氧化反应的电压与氢基本相同。示例性阳极材料为Mo，在800K下形成Mo氧化物的E0约为1.1V，此与在800K下氢及氧至H2O的反应的E0相匹配。该匹配可在+/-30％、+/-20％、+/-10％、+/-5％或+/-1％以内。可根据能斯特方程式通过改变反应物及产物中的至少一种的浓度及温度来控制匹配。可进一步通过将阳极金属与至少一种其他金属掺杂来控制匹配。掺杂可包括合金。示例性合金为Mo合金，例如MoNi、MoCo、MoCu、MoFe、CoMoFe、TZM及H242。合金可包括Mo或Mo及至少一种其他元素(例如至少一种过渡金属，例如Fe及Co)且进一步包括硫及氧中的至少一种。在一个实施方式中，合金的各成分可具有匹配氢氧化的电压的电压。示例性材料为包括Mo及Fe的阳极(例如MoFe合金或混合物)，其中在800K下形成MoO2及Fe2O3的E0皆约为1.1V。在一个实施方式中，电极氧化及氢氧化的电压匹配涉及水性电池。电池可具有低于100℃的工作温度。用于分数氢反应的示例性电极为镍电极(例如水性电解池的Ni阴极或CIHT电池的阳极)，此乃因298K下的镍氧化电压约为1.1V，此与298K下的H2燃烧的电压大致相同。
在一个实施方式中，在避免还原保护性氧化物涂层(例如Mo电极的涂层，例如阳极的涂层)的电压下或电压范围内运行电池。在另一个实施方式中，将电压维持于控制期望氧化物厚度的范围内。通过控制充电及放电波形来维持电压范围。可将电压进一步维持于高于发生过度腐蚀的电压。可在低于期望下限的电压下形成过厚氧化物涂层。在示例性实施方式中，上限约为形成氧化物或氧化物化合物的电压，其中在800K下直接形成或相应总反应的标准电势约为方程式(109-116)的反应的E0(在+/-0.5V、+/-0.25V或+/-0.1V以内)。如本领域技术人员已知，可根据相应反应(一个或多个)的能斯特方程式通过改变反应物及产物浓度及工作温度来改变标准电压。根据能斯特方程式维持适当反应物及产物浓度以避免腐蚀的示例性间歇性充电-放电范围为以下范围中的至少一种：约0.2V～1.3V、约0.2V～1V、约0.2V～0.9V、约0.2V～0.8V、约0.2V～0.75V、约0.2V～0.7V、约0.4V～1V、约0.5V～1V、约0.6V～1V、约0.7V～1V、约0.8V～1V、约0.4V～0.9V、约0.5V～0.9V、约0.6V～0.9V、约0.7V～0.9V、约0.8V～0.9V、约0.4V～0.8V、约0.5V～0.8V、约0.6V～0.8V及约0.7V～0.8V。
在一个实施方式中，可防止至少一个电极(例如阳极)发生腐蚀。防腐蚀性电极(例如阳极)可包括合金，例如Ni合金(例如NiCr)或Mo合金(例如MoNi或MoC)。电池可包括催化剂以将反应性氧还原产物(例如过氧化物或其离子或超氧化物)转化成氢氧化物，从而防止至少一个电极(例如阳极)发生腐蚀。适宜的催化剂为贵金属(例如Pt或Pd)，其可位于诸如Al2O3或碳等载体上。其他适宜的催化剂为Co或Fe物种。作为另一选择，可使用H2O添加将过氧化物或超氧化物转化成氢氧化物。可将Mo阳极埋入催化剂或担载催化剂(例如Pt/Al2O3)中以形成氢氧化物。
可通过使用抗腐蚀性合金(例如包括Ni的合金，例如NiMo)来避免阳极的过氧化物及其他反应性氧物种的腐蚀。也可通过使用浸没阴极或另外使用用作空气扩散障壁的受控气体气氛或固体电解质层限制O2压力来防止过氧化物腐蚀。在电池气氛中的O2受限或除去的一个实施方式中，并不浸没阴极。考虑到氧还原速率趋势LiOH～NaOH<<KOH，可通过使用具有适当氧还原速率的电解质盐混合物来维持动力学。也可使用温度来控制速率，其中速率随着温度降低而有所减小且反的也然。可通过使用包括比过氧化物两电子还原路径有利于OH-四电子还原路径的氧还原催化剂的阴极来减小过氧化物浓度。较高H2O压力有利于前者，因为水为反应物。另外，水与过氧化物离子发生反应且通过转化成OH-使其失活。另外，可在阳极或阴极处使用过氧化物至氢氧化物转化催化剂以防止阳极发生过氧化物腐蚀。Pt(例如Pt/Al2O3)或Fe物种(例如卤化铁)或Co物种(例如钴钙钛矿)可用作转化催化剂。也可通过提供与反应性氧中间体发生反应的物种或通过以化学方式保护阳极来保护阳极。例如，可通过诸如施加H2气氛或通过氢渗透等方式在阳极处提供诸如额外氢等还原性反应物。诸如与过氧化物反应形成(例如)MoO4 2-的MoO2或反应成CO3 2-及1/2O2的CO2等添加剂为其他示例性反应物。可通过使用Hg对金属实施汞齐化(例如最高50％)来抑制阳极金属腐蚀。示例性汞齐阳极为AgHg。
在一个实施方式中，使用保护层(例如MoS2、MoSe2或特氟龙中的一种)涂覆可腐蚀的阳极(例如Mo或TZM)。在另一个实施方式中，间歇性电解循环的充电电压足够高以使一些金属从阳极溶于电解质中或以诸如盐等化合物形式添加至电解质中以电镀于阳极上。在阳极包括Mo或Mo合金(例如MoNi或MoCu)的情况中，所添加盐可为钼酸盐化合物(例如Li2MoO3或Li2MoO4)。可将阳极金属的化合物添加至电池中。例如，可添加阳极金属的氧化物且电镀于阳极上。也可再镀覆氧化物以防止阳极的腐蚀。电解质可包括可含有氢氧化物的熔融低共熔盐。电解质可包括熔融低共熔盐，例如添加有氢氧化物的碱金属卤化物盐混合物。示例性电解质为添加有LiOH的LiCl-KCl或LiCl-KCl-LiF。LiOH可为次要物种。添加剂可为Li2MoO3或Li2MoO4。摩尔％可为任一期望值或在约0.1摩尔％～20摩尔％或约1摩尔％～3摩尔％的范围内。电极可为Mo或电镀有Mo的另一金属(例如Ni)。电池电压可在约0.7V～3V的范围内。电池电压可高于0.8V以再电镀Mo。电池电压可在约0.9V～2V或约大于1.14V的范围内。在一个实施方式中，可在多个电压下实施电解(例如在第一电压下电镀阳极金属且在第二电压下生成氢)。在一个实施方式中，阳极金属形成可溶性化合物或复合物，例如氢氧根离子复合物。在间歇性循环的电解期期间，可将金属电镀于阳极上。适宜的复合物为Zn(OH)4 2-、Sn(OH)4 2-、Sn(OH)6 2-、Pb(OH)4 2-、Cr(OH)4 -、Al(OH)4 -及Sb(OH)4 -，其中放电阳极包括相应金属。由电解质再镀覆的适宜的示例性金属为Cu、Ni、NiCu、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Te、Tl及Sn。
在Mo与氧及水的反应后形成水溶性MoO4 2-。在一个实施方式(例如包括水性或熔融盐电解质的实施方式)中，控制氧源及H2O源中的至少一种以抑制形成诸如MoO4 2-等Mo氧化物。氧源可为氢氧化物离子，其中可通过提供与氢氧化物离子竞争以形成替代性产物的反应物来控制活性。反应物可为金属离子，例如Zn、Sn、Pb、Cr、Al及Sb中的至少一种。反应物可为诸如氢氧化物等化合物。氢氧化物可形成复合物离子，例如氢氧化物复合物离子。在一个示例性实施方式中，可通过添加形成复合物(例如Zn(OH)4 2-)的金属氢氧化物(例如Zn(OH)2)来改变有效OH-浓度或活性。适宜的复合物为Zn(OH)4 2-、Sn(OH)4 2-、Sn(OH)6 2-、Pb(OH)4 2-、Cr(OH)4 -、Al(OH)4 -及Sb(OH)4 -。离子复合物的稳定性可为以下情况中的至少一种：以热力学方式或动力学方式抑制形成Mo氧化物或包括Mo的化合物(例如Li2MoO4)。适宜的复合离子氢氧化物为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。其他示例性适宜的氢氧化物为来自Co(OH)2、Zn(OH)2、Ni(OH)2、其他过渡金属氢氧化物、Cd(OH)2、Sn(OH)2及Pb(OH)中的至少一种。
可通过添加结合H2O的反应物(例如吸湿性化合物，例如KMgCl3、MgCl2及CaCl2中的至少一种)来控制反应性H2O的浓度或活性。在一个实施方式中，诸如碱金属卤化物等电解质成分会结合H2O。可用作电解质盐的示例性吸湿性物种为LiBr。
在一个实施方式中，使用氢气氛防止阳极发生腐蚀。可通过施加氢气或通过使氢渗透穿过可至少部分地构成阳极的膜来提供氢。也可通过浓缩原位(例如通过间歇性电解)形成的氢来提供氢保护。阳极包括至少一类H结合中心(例如金属中心)及至少一种载体，其中载体使得在相应中心表面上生成的氢可移动且优先结合至中心以增加该中心上的有效H原子浓度。适宜的示例性中心为金属(例如本公开的阳极金属及合金，例如Mo、Ni、Pd及Pt)，且适宜的示例性载体为本公开的那些载体(例如碳、碳化物、氮化物及硼化物)。示例性电池为[碳、Ni碳、Mo碳、NiMo碳、PtC、PdC/LiOH-LiBr/蒸汽碳(SC)、NiO、PtNiO或AgNiO；空气阴极或浸没阴极]。电池可包括电解质基质材料(例如Li2MoO4)或膜间隔件(例如特氟龙)。示例性电池为[碳粉末(例如石墨、AC、碳黑、玻璃碳、Vulcan XC-72)+Mo或Ni粉末/LiOH-LiBr/蒸汽碳]及[碳粉末+Mo粉末/Li2MoO4+LiOH-LiBr/NiO]。
在一个实施方式中，电解质包括吸湿性化合物，例如从诸如大气等源吸收H2O的盐。化合物可维持水合状态以用作CIHT电池的电解质。水合电解质可在低于干燥盐(例如低共熔混合物，例如LiOH-LiBr)的熔点的温度下具有离子导电性。电解质可包括盐混合物以维持浆液，例如Li2CO3、Li2O、LiOH及LiBr的混合物。可添加其他吸湿性添加剂，例如本公开的那些添加剂，例如KMgCl3、MgCl2、CaCl2及KOH。水合化合物可用作间歇性电解池的电解质。作为另一选择，氢电极可包括氢喷洒电极。电池可在低温下(例如在室温至非水合电解质的熔点的温度范围内)运行。
在电解期间，可在阳极处形成氧且在阴极处形成氢。可通过从诸如O2气体或空气等源喷洒来提供O2。在电解停止或放电期过程中，O2及H2O可在电解阳极处发生还原以形成OH-(方程式(92))，且OH-可发生氧化且与H反应形成H2O，H2O可用作催化剂以在电解阴极处形成分数氢(方程式(90)。因此，电池可在充电及放电期间维持恒定极性且电流极性在循环的各期期间发生逆转。可对输出实施功率或波形调整。在另一个实施方式中，由方程式(90)给出的反应在两个电极处可逆地发生，只是分数氢产物不可逆。(如在本公开中所给出的间歇性充电-放电电池的指定为呈放电模式，例如[放电阳极/电解质/放电阴极]。在一个实施方式中，此指定对应于[负电极/电解质/正电极]，但极性可在其他实施方式中发生逆转。在间歇性电解循环的放电及充电期过程中，电流可间歇性地逆转。示例性电池为[Pt/LiOH(0.1M～饱和水溶液)/Pd+空气，间歇性充电-放电]。在其他实施方式中，两个电极皆为Ni或一个电极为Ni且另一电极为不同材料(例如Pt、Pd、DSA材料、其他贵金属、碳、Ag、本公开的材料或位于载体上的该材料或本公开的其他材料中的一种或多种(例如Pt/Ti))，且电解质为浓度范围约为0.1M～饱和的KOH水溶液(aq)或K2CO3。具体实例为[PtTi/K2CO3或KOH(0.1M～饱和水溶液)/Ni+空气，间歇性充电-放电]。在一个实施方式中，可在恒定电池电压(例如约1V～1.6V或约1.4V)下实施水性电解第一时间段(例如约1s至10s或2s)，且可在恒定电流(例如约0.01mA/cm2至10mA/cm2或0.2mA/cm2)下实施放电第二时间段(例如约1s～100s或约10s)。在一个实施方式(例如包括碱性电解质、具有至少一个长持续时间的充电或放电时段(例如>5s)者)中，放电阳极包括在电解循环期间形成氢化物(例如LaNi5H6)的材料或Pd。
在一个实施方式中，放电阴极可包括本公开的其他材料，例如水合物、氧化物、过氧化物、超氧化物、羟基氧化物及氢氧化物中的至少一种。阴极可为不溶于电解质(例如熔融盐电解质)中的金属氧化物。适宜的示例性金属氧化物为Nio、CoO、PbO2、Ag2O2、AgO、RuO2、MnO2、MNiO2、M2NiO2、MCoO2、M2CoO2、LiFeO2、MFeO2、M2FeO2、Li2MnO3、MTiO3、M2TiO3、LiTiO3、M3TaO4、M2WO4、K2WO4、Li3TaO4、M3VO4、Li3VO4、Mg-Li2MnO3、Mn-LiFeO2、LaMnO3、SrTiO3、LiCrO2、LiAlO2、LaNiO3、LaCoO3、ZnO、MgO、M2SnO3、Li2SnO3、Zr-ZnO、MM’O2、M2M’O2、MM’Ox、M2M’Ox(x＝整数，M＝碱金属，M’＝过渡金属或其他金属(例如Al))、掺杂有镁的M2M’Ox(例如LiFe1-yMgyO(y>0.03))、掺杂的n型钙钛矿及相关化合物(例如掺杂有Nb5+的CaTiO3及SrTiO3)及掺杂有Nb5+或Ta5+的PbZrO3、亚铁酸钡、钇铁石榴石、p型钙钛矿(例如镧-第VIII族化合物、金属或Ni、Cu、Co、Mn、Cr、Zn、Zr、Y、Al、U、Ti及Fe的化合物)及来自V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr、Sn、In、Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl及W的组中的那些氧化物。阴极材料(例如MM’O2、M2M’O2)可在氧化环境(例如空气或O2气氛)及包括M的电解质(例如LiOH、NaOH或KOH)存在下由M’原位形成。适宜的示例性金属羟基氧化物为AlO(OH)、ScO(OH)、YO(OH)、VO(OH)、CrO(OH)、MnO(OH)(α-MnO(OH)(锰榍石)及γ-MnO(OH)(水锰矿))、FeO(OH)、CoO(OH)、NiO(OH)、RhO(OH)、GaO(OH)、InO(OH)、Ni1/2Co1/2O(OH)及Ni1/3Co1/ 3Mn1/3O(OH)。适宜的示例性氢氧化物为Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Al、V、Zr、Ti、Mn、Zn、Cr、Sn、In、Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl及W的那些氢氧化物。涉及羟基氧化物的示例性放电阴极反应由方程式(119)给出。阴极可在间歇性电解的电解期期间再充电。电池可包括间歇性电解池、渗透电池、具有化学或电解再生的电化学放电电池、氢喷洒电池或其组合。在一个实施方式中，渗透电池可间歇性地放电。
阴极
CoOOH+e-→CoO+OH- (119)
在另一个实施方式中，气体可从至少一个阳极交越至阴极，且反之亦然。因此，在放电期间，半电池反应中的至少一种可发生切换，从而在电解阴极处发生O2还原(方程式(92)且在电解阳极处发生OH-氧化及与H的反应(方程式(90))。因此，电流极性保持恒定，但电极的电压极性发生切换或其在同一方向上的量值随着循环期而变化。可最小化电极间隔以促进气体交越。可通过膜(例如多孔烯烃膜，例如Celgard或碱相容性Nafion膜)隔离电极。电极之间的电路可包括二极管以维持电流的恒定极性。在实施方式中，来自分数氢形成的功率表现为大于消散电解功率的多余电功率及热功率中的至少一种。
从H接受81.6eV的分数氢催化剂H2O可分解成H2及1/2O2；因此，即使在不存在电解电压或电流时，也可出现H2O电解的成分。这可以大于100％的法拉第效率的形式观察到且可为H2及O2气体的源。O2及H2中的每一种可在交越后在相应电解源电极处或在相应对电极处发生反应。在间歇性放电的放电期期间，氧及氢的分数氢支持反应可分别由(方程式(92))及(方程式(90))给出。在其他实施方式中，电池的其他催化剂或在电池工作期间形成的催化剂可引起水电解，因为催化剂发生离子化且在形成分数氢的催化反应期间释放能量。
在一个实施方式中，间歇性充电及放电电池的电解阴极可产生厚非导电性氧化物涂层。Ni电极上的示例性涂层为NiO。在一个实施方式中，在NiO的情况中，可通过施加适宜的还原电池电压(例如在约1V～1.5V的范围内)来还原涂层。该还原可应用于放电阳极。可将电解维持于恒定电压或适宜的电压适宜的时间以适当地还原氧化物涂层，从而电极导电性得以实质性恢复。然后，可再施加充电-放电循环。在高放电电流实施方式中，通过在可为恒定电压的峰值限制电压下进行充电来避免在放电阳极上形成氧化物涂层。在充电期间可限制电流。在至少限制充电电压及电流的一个实施方式中，充电可在恒定功率下进行。放电可在恒定电流、负荷、功率或电压下进行。在一个实施方式中，在约0.8V～1.2V的电池电压范围内(例如恒定的0.9V)对电池(例如[Ni/LiOH-LiBr/Ni空气，间歇性地充电放电])进行充电。作为另一选择，充电可在约0.1mW cm-2～100mW cm-2的范围内的限制或峰值恒定功率下进行。示例性放电电流密度可在约0.001mA cm-2～1000mA cm-2、0.1mA cm-2～100mA cm-2及1mA cm-2～10mA cm-2的范围内。在一个实施方式中，互换电解阴极及阳极以还原任何过量氧化物涂层。交换可为间歇性。时间可不同于间歇性电解之间歇性充电-放电循环。在一个实施方式中，两个电极皆可能够进行氢喷洒，其中将氢交替供应至一个电极且然后供应至另一电极以还原在电极进行工作期间以氧电极形式形成的任何过量氧化物涂层。在电池(例如[Ni/LiOH-LiBr/Ni+空气，间歇性充电-放电])的一个实施方式中，通过业内已知的方式以机械方式或化学方式去除氧化物涂层(例如NiO涂层)。该去除可周期性进行且再利用电极。在另一个实施方式中，将氢施加至氢渗透性电极(例如阳极)的室。电池温度可低于相对于由电池所生成的功率出现显著渗透速率的温度。然而，氢在阳极处的低流动性或存在(因渗透)可防止电极发生氧化(例如氧化形成NiO)。在另一个实施方式中，间歇性电解池的电极能够且为以氢渗透电极进行工作，其中通过从诸如氢气等源进行渗透来将氢提供至电池；然后，将电极切换至电解模式。在一个实施方式中，切换的电极用作电解阴极及放电阳极。预处理可调整电极以在希望时以间歇性电解模式进行。在一个实施方式中，将间歇性电解实施为同时通过诸如渗透或喷洒等方式将氢供应至电极(例如放电阳极)。作为另一选择，可将包括H2的气氛提供至电池。期望氢反应及对电极反应(例如本公开的那些反应)的选择性可通过相应电极的选择性来达成。例如，阴极氧还原反应及阳极氢与OH-形成H2O催化剂的反应的选择性可分别通过阴极及阳极的相应选择性进行选择。供应至阳极的氢可具有保护性，因为反应NiO+H2→Ni+H2O (120)较为有利。在另一个实施方式中，增加电解的占空比，从而生成足够氢以防止放电阳极发生腐蚀。选择参数以达成能量增益(例如电能增益)，同时生成足够氢以防止腐蚀。也可控制电池温度以改善腐蚀，同时控制通过诸如渗透及电解等方式供应的氢。可选择适用于电池的工作条件的抗腐蚀性放电阴极。对于小于约350℃～450℃的温度，阴极可包括Ni。对于较高温度，可使用适宜的稳定阴极，例如包括氧化物(例如NiO或CoO)或担载Ag(例如Ag-Al2O3)的阴极。
在一个实施方式中，通过渗透供应的氢用于以下中的至少一种：改变电池电压及通过可基于渗透速率对于电池电压的效应的反馈机制来控制渗透速率。在一个实施方式中，通过调节氢渗透速率来调节电池电压。可通过诸如以下中的至少一种等方式来调节渗透速率：控制电池温度、穿过氢渗透性膜的氢压梯度、膜厚度、膜材料及调节电池电压。在一个实施方式中，除控制渗透速率外调节电池电压的方式包括控制放电及可选的充电参数，例如负荷及所施加电压及电流的特性及参数，其中后者可涉及间歇性电解实施方式。在一个实施方式中，将电池电压维持于约0.5V～1.5V或约0.8V～1.2V的范围内。控制电压范围以优化在此实施方式的间歇性电解的电解期过程中形成的氢的产量。在另一个实施方式中，通过控制负荷来控制渗透速率。在一个实施方式中，渗透速率随着负荷电阻的降低而增加。在一个实施方式中，渗透速率随着放电电流而增加。可调节渗透速率以优化相对于从H2O形成H2的功率的来自分数氢形成的功率增益。
在一个实施方式中，通过在氧化环境(例如氧气氛)中将Ni电极退火来施加保护性薄层NiO涂层。将涂层厚度控制在可稳定碱性电解质同时维持高离子导电性的厚度。在一个实施方式中，将物种添加至电解质中以稳定电极(例如阳极)。添加剂可形成更稳定Ni化合物(例如NiF2或NiSO4)。在另一个实施方式中，该物种可包括形成更稳定Ni合金的金属或氧化物添加剂(例如浸渍于NiO中的CeO)。氧化铈重量％可在约0.1％～5％或0.3％～1％的范围内。在另一个实施方式中，添加诸如V2O5等物种以增强H2在电解阴极处的产生，其中电解可为间歇性且电解质可为熔融盐或水性电解质。添加剂可为氧化物、氢氧化物或羟基氧化物，例如本公开的那些添加剂，例如Fe2O3或FeOOH。其他适宜的示例性添加剂为AlO(OH)、ScO(OH)、YO(OH)、VO(OH)、CrO(OH)、MnO(OH)(α-MnO(OH)(锰榍石)及γ-MnO(OH)(水锰矿))、FeO(OH)、CoO(OH)、NiO(OH)、RhO(OH)、GaO(OH)、InO(OH)、Ni1/2Co1/2O(OH)及Ni1/3Co1/3Mn1/3O(OH)。添加剂可用于以下情况中的至少一种：增强功率及保护电极(例如阳极)。例如，诸如可分别形成Ni1-xMgxO及NiFe2O4的MgO或Fe2O3等添加剂可稳定电极(例如阳极)的NiO。
在一个实施方式中，放电阴极包括本公开的氧还原催化剂，例如包括大表面积(例如网)的Ni，且进一步包括MnxOy(x及y为整数)、NiO、CoO、Ag、Pt、Pd、Au、其他贵金属及MNiO2(M＝碱金属)中的至少一种。其他适宜的氧还原电极为碱土金属钌酸盐、锂掺杂镧镍酸盐、Ni-Co尖晶石、Pb-Ru烧绿石、Na-Pt青铜及Ag/AgHg。其他阴极材料包括以下中的至少一种：MNiO2、M2NiO2、MCoO2、M2CoO2、LiFeO2、MFeO2、M2FeO2、Li2MnO3、MTiO3、M2TiO3、LiTiO3、M3TaO4、M2WO4、K2WO4、Li3TaO4、M3VO4、Li3VO4、Mg-Li2MnO3、Mn-LiFeO2、LaMnO3、SrTiO3、LiCrO2、LiAlO2、LaNiO3、LaCoO3、ZnO、MgO、M2SnO3、Li2SnO3、Zr-ZnO、MM’O2、M2M’O2、MM’Ox、M2M’Ox(x＝整数，M＝碱金属，M’＝过渡金属或其他金属(例如Al))、掺杂有镁的M2M’Ox(例如LiFe1-yMgyO(y>0.03))、经掺杂n型钙钛矿及相关化合物(例如掺杂有Nb5+的CaTiO3及SrTi03)及掺杂有Nb5+或Ta5+的PbZrO3、亚铁酸钡、钇铁石榴石、p型钙钛矿(例如镧-第VIII族化合物、金属或Ni、Cu、Co、Mn、Cr、Zn、Zr、Y、Al、U、Ti及Fe的化合物)。阴极可包括多孔材料的掺杂剂，例如可包括纳米颗粒的Ni。掺杂剂可为本公开的氧还原催化剂。阴极可包括可较为稳定的NiO。适宜的稳定化方法为使用诸如稳定金属(例如钴)等材料进行囊封。因此，氧还原催化剂可包括经钴囊封的NiO。氧还原阴极在其用作阴极之前可进行热、化学或电化学调整，例如氧化(通过化学方法或热方法)或阳极化或阴极化。调整可原位进行。阴极可在高电流下进行工作，然后予以还原，其中前一步骤可调整阴极。电极(例如阴极)可包括导电基质或表面涂层(例如碳、碳化物、氮化物、碳氮化物、腈或硼化物)或包括该材料。在一个实施方式中，电解阳极包括诸如金-钯纳米颗粒等催化剂，其形成反应性氧物种(例如HOO-或HOOH)或包括氧的化合物(例如PdO、AgO、Ag2O、Ag2O3或HgO)，该物种在电极用作放电阴极时在放电期过程中以高于O2的速率发生还原。化合物可包括在期间及放电充电可逆地形成以向间歇性循环的非电解放电期提供氧的金属氧化物。化合物可具有小于H2O的形成自由能。放电反应可由方程式(68)给出。引线(例如阴极引线)可为对于电解质(例如碱性电解质)及空气或O2稳定的材料。适宜的引线为可点焊至阴极的贵金属导线，例如金导线。在包括熔融电解质(包括KOH)的一个实施方式(例如[Ni、Mo或Ni或Mo合金及可选的H(通过诸如渗透或喷洒等方式供应)/KOH或KOH-KBr/NiO])中，引线导线包括Au或Ni。在一个实施方式中，电解质(例如熔融电解质或电解质水溶液，例如熔融或水性氢氧化物或混合物)包括所添加H2O，其增加了在阴极处所形成氧离子的扩散以增加氧还原速率。可加压电池以在接近沸点及高于沸点的温度下工作。氢及氧可通过电解原位生成。也可在压力下将H2O、氧及氢中的至少一种添加至电池中。电池压力可在约低气压至500atm或约2atm～100atm的范围内。在另一个实施方式中，通过使用至少一种其他盐构成促进氧离子的较高迁移率的混合物来增加熔融电解质(例如包括含氧阴离子者，例如碱性电解质，例如包括氢氧化物者)中在阴极处所形成氧离子的扩散速率。在一个实施方式中，电解质包括金属离子及阴离子(例如碱金属、碱土金属及其他金属离子(例如过渡金属、内过渡金属、稀土金属及第III、IV、V及VI族金属离子)中的至少一种)的混合物。阴离子包括以下中的至少一种：氢氧根、硫酸根、碳酸根、硝酸根、磷酸根、卤离子及本公开的其他离子。在一个实施方式中，氧离子迁移率随着电解质中H2O含量的升高而增加。在一个实施方式中，适宜的电解质具有吸湿性。适宜的吸湿性盐为溴化锂、氯化钙、氯化镁、氯化锌、碳酸钾、磷酸钾、光卤石(例如KMgCl3·6(H2O))、柠檬酸铁铵、氢氧化钾及氢氧化钠。在酸性水性实施方式中，吸湿性电解质包括浓硫酸及浓磷酸。
在其他实施方式中，电极包括对于电池的电解质及工作条件足够稳定的导体。用于碱性电池的适宜的电极为Ni。其他导电金属、合金、化合物或元素可与碱性、酸性或大约中性电解质(其为水性或熔融盐)一起使用，例如C、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Te及碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属及稀土金属中的至少一种。担载金属及材料也是适宜的，例如尺寸稳定的阳极及Pt/Ti、Ag-Al2O3、NiO-SiO2-Al2O3及支撑于基质(例如Al2O3、C或沸石)上的Pt、Pd或其他金属或贵金属。通常可通过与电解质或空气发生反应而形成非导电性氧化物涂层的材料可适用于电池的工作条件(例如在间歇性电解条件下，其中电极可周期性地发生还原)。示例性电极为Zr，其周期性为电解阴极及放电阳极。电极材料可为掺杂有导体的非导体。其他元素或化合物(例如碳、碳化物、硼化物、氮化物、碳氮化物(例如TiCN)或腈)可构成电极(例如阳极)。适宜的示例性材料为碳黑、AC、ZrC、TiC、Ti3SiC2、TiCN、TiN、SiC、YC2、TaC、Mo2C、WC、C、HfC、Cr3C2、ZrC、VC、NbC、B4C、CrB2、ZrB2、GdB2、MgB2及TiB2。材料可包括粉末。
除形成H2(1/4)作为H2O催化剂的产物以外，包括具有OH-源的碱性溶液(例如熔融或水性氢氧化物电解质)的反应混合物也可形成至少一种其他分数氢产物(例如分子分数氢H2(1/2))。催化剂可包括O或H，其中各自具有27.2eV的势能，该势能使得其可通过从原子H接受约27.2eV而用作催化剂以形成H(1/2)，H(1/2)可进一步反应形成H2(1/2)及H-(1/2)。另外，OH可用作催化剂，因为OH的势能为40.9eV。OH可在阳极处通过氧化由OH-形成。通过用作H至相应分数氢状态的催化剂的H2O及OH形成H2(1/4)及H2(1/2)的示例性电池为[Mo/LiOH-LiBr/NiO，间歇性电解]及[Ni/LiOH-LiBr/NiO，间歇性电解]。可通过电解质或阳极气体的拉曼光谱来鉴别分数氢产物。
在一个实施方式中，催化剂形成反应可由下式给出：
O2+5H++5e-→2H2O+H(1/p) (121)
反半电池反应可为
H2→2H++2e- (122)
总反应可为
3/2H2+1/2O2→H2O+H(1/p) (123)
其中H2O、OH、O2、nH及nO(n＝整数)中的至少一种可用作催化剂。氢可在阴极处通过H+还原生成，其中一些氢与催化剂反应形成分数氢。作为另一选择，可将过量氢供应至阴极，从而其与催化剂反应形成分数氢。在一个实施方式中，控制温度、O2压力、H2O压力、H2压力及H+浓度中的至少一种以有利于形成催化剂的半电池反应及最佳地形成分数氢的反半电池反应。在一个实施方式中，相对于SHE的25℃下阴极半电池电势约为1.23V(在约±0.5V以内)。在一个实施方式中，相对于SHE的阳极半电池电势约为0V(在约±0.5V以内)。适宜的示例性半电池反应分别由方程式(121)及(122)给出。形成分数氢的总反应可由方程式(123)给出。适宜的示例性电池为[Pt/C+H2/Nafion/Pt/C+空气+H源(例如H2或氢化物或本公开的其他H储存材料)]及[Pt/C+H2/H2SO4/Pt/C+空气+H源(例如H2或氢化物或本公开的其他H储存材料)]，诸如Nafion等隔板可与诸如H2SO4水溶液等酸性电解质一起使用。氢源可为包括H源(例如H2O)的电解中的间歇性电解。
包括质子导电性或酸性熔融或酸性电解质水溶液以维持由方程式(123)给出的反应的电池可包括间歇性或脉冲电解池。诸如由方程式(121)及(122)给出的那些反应等反应可在气体交越后于相应电极或相应对电极上可逆地发生。
在一个实施方式中，电解质可包括酸性水溶液。间歇性或脉冲循环的充电期可包括H2O至H2及O2的电解。电解阴极及阳极反应可分别包括方程式(122)及(121)的逆反应，只是分数氢形成不可逆。阴极放电半电池反应可包括氧、H+及H2O中的至少一种的还原。还原可由方程式(121)给出。放电期间的阴极产物可为H及H2O。H2O可用作形成分数氢的催化剂。还原反应的超电势可引起相对于SHE及25℃约为1.23V的半电池电压。阳极放电半电池反应可包括氧化H2以形成H+(方程式(122))。在一个实施方式中，在酸性水溶液中将H2氧化成H+(方程式(122))的还原电势相对于SHE及25℃约为0V。电极上的氧化超电势约为0V，从而在约0V下发生氧化半电池反应。
在其他实施方式中，催化剂可包括从原子氢接受m27.2eV的物种(例如本公开的那些物种)，其中催化剂可为半电池物种或在电解或放电期过程中形成。在充电期及放电期中的至少一种期间形成分数氢。对于放电期而言，还原反应的半电池电势相对于SHE及25℃可为约1.23V或在约0.6V～1.4V的范围内，且氧化反应的半电池电势相对于SHE可为约0V或在约-0.5V～+0.5V的范围内。在电解停止或放电期期间电解阴极及阳极之间的电池电势相对于SHE及25℃可为约1.2V或在约0.3V～2V的范围内。在具有高温的实施方式中，针对工作温度对该室温范围进行热力学校正。
在电解期间，可在阳极处形成H+及O2且在阴极处形成氢。在电解停止或放电期期间，H2可在电解阴极处氧化成H+(方程式(122)，且H+及O2可在电解阳极处发生还原以形成H及H2O(方程式(121))(其中后者可用作催化剂以在电解阳极处形成分数氢)。因此，电池可在充电及放电期间维持恒定极性且电流极性在循环的各阶段期间发生逆转。可对输出实施功率或波形调整。在另一个实施方式中，由方程式(122)给出的反应在两个电极处可逆地发生，只是分数氢产物不可逆。示例性电池为[PtTi/H2SO4或H3PO4(水溶液)/Pt，间歇性电解]及[Pb/H2SO4(水溶液)/Pb或PbO，间歇性电解]。酸可为任一期望浓度，例如约0.1M～饱和。示例性浓度为14.7M H3PO4及5M H2SO4。
在另一个实施方式中，气体可从至少一个阳极交越至阴极，且反之亦然。因此，在放电期间，半电池反应中的至少一种可发生切换，从而在电解阴极处发生O2还原(方程式(121)且在电解阳极处发生H2氧化(方程式(122))。因此，电流极性保持恒定，但电极的电压极性随着循环期发生切换。可最小化电极间隔以促进气体交越。可通过膜(例如质子交换膜，例如Nafion膜)隔离电极。电极之间的电路可包括二极管以维持电流的恒定极性。在实施方式中，来自分数氢形成的功率表现为大于消散电解功率的过量电功率及热功率中的至少一种。
在水性间歇性电解池的一个实施方式中，可在电解阳极处形成H+及氧，且可在电解阴极处形成OH-及H2，如由示例性反应所给出：
电解阳极
H2O→1/2O2+2H++2e- (124)
电解阴极
2H2O+2e-→H2+2OH- (125)
溶液反应可为
2H++2OH-→2H2O (126)
总反应可为
H2O→H2+1/2O2 (127)
在放电期期间，可形成分数氢，其中H2O、OH、O2、nH及nO(n＝整数)中的至少一种可用作催化剂。形成可用作催化剂的H2O及分数氢的示例性反应为
阴极
1/2O2+3H++3e-→H2O+H(1/p) (128)
阳极
H2+OH-→H2O+e-+H(1/p) (129)
溶液反应可为
3H++3OH-→3H2O (130)
总反应可为
3H2+1/2O2→H2O+4H(1/p) (131)
电解溶液可具有大约中性pH。大约中性的适宜的电解质为强酸的金属盐，例如水性硝酸盐、硫酸盐、卤化物、高氯酸盐、高碘酸盐、铬酸盐及本公开的其他盐。阳离子可为铵或金属(例如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属、稀土金属及第III、IV、V及VI族金属)。浓度可为可溶的任一期望值，例如0.01M～饱和。
间歇性波形可为相对于输入电能优化输出电能的波形。间歇性电解的频率可在约0.001Hz～10MHz、约0.01Hz～100kHz或约0.01Hz～10kHz的范围内。各电池的电解电压可在约0.1V～100V、约0.3V～5V、约0.5V～2V或约0.5V～1.5V的范围内。每个形成分数氢的电极作用区的电解电流可在约1微安cm-2～10A cm-2、约0.1毫安cm-2～5A cm-2及约1毫安cm-2～1A cm-2的范围内。每个形成分数氢的电极作用区的电解功率可在约1微瓦cm-2～10W cm-2、约0.1毫瓦cm-2～5W cm-2及约1毫瓦cm-2～1W cm-2的范围内。间歇性波形可处于用于充电及放电中的至少一种的恒定电流、功率或电压下。在一个示例性实施方式中，每个形成分数氢的电极作用区的恒定电流可在约1微安cm-2～1A cm-2的范围内；每个形成分数氢的电极作用区的恒定功率可在约1毫瓦cm-2～1W cm-2的范围内；各电池的恒定电解电压可在约1V～20V的范围内，且各电池的恒定放电电压可在约0.1V～20V的范围内。电解时间间隔可在约10-4s～10,000s、10-3s～1000s或10-2s～100s或10-1s～10s的范围内。放电时间间隔可在约10-4s～10,000s、10-3s～1000s或10-2s～100s或10-1s～10s的范围内。放电可在可与电解的那些参数具有相同范围的恒定或可变电流、电压及功率下进行。放电电阻可恒定或可变。其可在约1毫欧～100兆欧、约1欧～1兆欧及10欧～1千欧的范围内。在一个实施方式中，放电电流、电压、功率或时间间隔中的至少一种大于电解阶段以在循环中得到功率或能量增益中的至少一种。
在一个实施方式中，充电时间及放电时间中的至少一种小于物种从一个电极到另一电极的扩散时间。在一个实施方式中，物种可为活性氧物种，例如过氧化物、过氧化物离子、超氧化物、HOOH、HOO-、O、O2 2-及O2-中的至少一种。在一个实施方式中，充电时间及放电时间中的至少一种小于约100s、10s、1s、0.1s、0.01s、0.001s、0.0001s、0.01ms、1微秒或0.1微秒。在一个实施方式中，充电-放电循环的频率高于使得在放电阴极处所形成的活性物种迁移且扩散至放电阳极的频率。充电-放电时间可(例如)小于1s,，从而阻止活性氧物种(例如过氧化物离子)迁移到达阳极(例如Mo或Mo合金阳极或本公开的其他材料)及与阳极反应。此处，导致离子发生迁移的电解电场及电流中的至少一种以快于迁移至阳极的时间的时间切换方向。在充电期间形成反应性氧物种的放电阴极可在放电期间破坏该物种，从而阻止其扩散至放电阳极及腐蚀放电阳极。在一个实施方式中，示例性间歇性充电-放电电路可为Gamry Instruments的电路，例如型号EIS300或本领域技术人员已知的其变化形式。
在一个实施方式中，间歇性充电或放电电压、电流、功率及负荷中的至少一种可恒定或可变。可控制该参数以达成电功率或能量增益。各电池的电解电压可处于电流的临限值下或略高于该临限值，例如在高于临限值约0V～0.5V的范围内。各电池的适宜的电解电压的范围约为0.25V～2V或0.25V～1.7V。各电池的放电电压可在维持相反极性电流的电压至维持电解电流的电压的范围内。各电池的放电电压可在约0.01V～最大电解电压的范围内。各电池的适宜的放电电压的范围约为0.01V～2V或0.01V～1.7V。对于形成分数氢的电极作用区而言，放电电流可在约1微安cm-2～1A cm-2、0.01mA cm-2～20mA cm-2或0.01mA cm-2～10mA cm-2的范围内。放电负荷可在约1微欧～1兆欧的范围内。适宜的负荷可将电流维持于约1微安cm-2～1A cm-2、0.01mA cm-2～20mA cm-2或0.01mA cm-2～10mA cm-2的范围内。各形成分数氢的电极作用区的适宜的负荷的电导率在约10-5欧姆-1cm-2～1000欧姆-1cm-2、10-4欧姆-1cm-2～100欧姆-1cm-2、10-3欧姆-1cm-2～10欧姆-1cm-2或10-2欧姆-1cm-2～1欧姆-1cm-2的范围内。可通过适宜的电压、电流及电阻中的至少一种来测定功率。每个形成分数氢的电极作用区的适宜的功率密度在约1微瓦cm-2～1W cm-2、0.01mW cm-2～20mW cm-2或0.01mWcm-2～10mW cm-2的范围内。在一个实施方式中，示例性间歇性充电-放电电路可为ArbinInstruments的电路，例如型号BT2000或本领域技术人员已知的其变化形式。
在熔融电解质的一个实施方式中，将电池温度至少维持于电解质的熔点处及更高。电解质可为熔融氢氧化物，其可为与至少一种其他化合物(例如盐，例如卤化物盐)的混合物。示例性适宜的氢氧化物混合物电解质为LiOH-LiBr、LiOH-LiX、LiOH-NaOH、LiOH-LiBr-NaOH、NaOH-NaBr、NaOH-NaI、NaOH-NaX、KOH-KX(X＝卤离子)。盐可为低共熔混合物。高于熔点的温度可在约高0℃～1500℃、高0℃～1000℃、高0℃～500℃、高0℃～250℃或高0℃～100℃的范围内。可在电池工作期间控制电池温度以控制分数氢反应的速率。可通过调节温度及反应物组成相关性半电池反应电压中的至少一种来控制反应速率。在一个实施方式中，可控制温度及反应物组成(例如H2O、O2及H2中的至少一种的压力)以调节半电池电压，从而控制分数氢反应的速率。在包括氢渗透性膜的一个实施方式中，将电池温度维持于达成期望渗透速率的高温下。还选择膜材料、厚度及氢压以达成期望渗透速率。在一个实施方式中，电池温度在约25℃～2000℃、100℃～1000℃、200℃～750℃或250℃～500℃的范围内。若电池包括渗透膜及熔融盐电解质，则将电池温度维持于高于电解质的熔点且维持于达成期望渗透速率的温度下。因此，在一个实施方式中，将电池温度至少维持于盐的熔点下及更高。高于熔点的温度可在约高0℃～1500℃、高0℃～1000℃、高0℃～500℃、高0℃～250℃或高0℃～100℃的范围内。膜厚度可在约0.0001cM～0.25cm、0.001cM～0.1cm或0.005cM～0.05cm的范围内。可将氢压维持于约1托～500大气压、10托～100大气压或100托～5大气压的范围内。氢渗透速率可在约1×10-13mole s-1cm-2～1×10-4mole s-1cm-2、1×10-12mole s-1cm-2～1×10-5mole s-1cm-2、1×10-11mole s-1cm-2～1×10-6mole s-1cm-2、1×10- 10mole s-1cm-2～1×10-7mole s-1cm-2或1×10-9mole s-1cm-2～1×10-8mole s-1cm-2的范围内。将间歇性电解池或包括氢喷洒或鼓泡电极的电池的电池温度维持于高于电解质的熔点。在包括具有约(43％-57％)低共熔混合物的电解质LiOH-LiBr的一个示例性电池(例如电池[Ni/LiOH-LiBr/Ni+空气；间歇性电解]或[Ni(H2)/LiOH-LiBr/Ni+空气]，其中氢电极(称为Ni(H2))包括H2喷洒或鼓泡电极)中，低共熔电解质熔点约为265℃。可将电池维持于此温度下及更高。H2鼓泡或喷洒电极的各几何面积的氢流速可在以下范围内：约1×10-13moles-1cm-2～1×10-4mole s-1cm-2、1×10-12mole s-1cm-2～1×10-5mole s-1cm -2、1×10-11mole s- 1cm-2～1×10-6mole s-1cm-2、1×10-10mole s-1cm-2～1×10-7mole s-1cm-2或1×10-9mole s- 1cm-2～1×10-8mole s-1cm-2。在一个实施方式中，对电极处的反应速率匹配或超过氢发生反应的电极。在一个实施方式中，H2O及O2中的至少一种的还原速率足以维持H或H2的反应速率。对电极具有足以支持充分速率的表面积及材料。
电极及电解质系统可处于对大气闭合的容器中。在包括熔融氢氧化物盐电解质的间歇性电解池的情况中，可控制供应至电池的水分压以较其他O2及H2O还原反应(例如那些形成过氧化物、超氧化物及氧化物中的至少一种的反应)有利于产生OH-的反应。在一个实施方式中，控制温度、O2压力、H2O压力、H2压力及OH-浓度中的至少一种以有利于形成催化剂的半电池反应及最佳地形成分数氢的反半电池反应。相应反应中的一种或多种可由方程式(90-93)给出。电池可对空气闭合。在一个实施方式中，至少一个半电池反应的氧为来自电解，例如H2O及OH-中的至少一种的氧化。发生间歇性或脉冲电解的适宜的示例性电池为[Ni(H2)/LiOH-LiBr/Ni]、[Ni(H2)/NaOH-NaBr/Ni]、[Ni(H2)/NaOH-NaI/Ni]、[Ni(H2)/Sr(OH)2/Ni]及本公开的类似电池，其中存在一些H2O且间歇性电解可为氢源以代替H渗透或与H渗透组合。可反添加H2O以代替任何消耗用于形成分数氢者。也可去除过量氧。可通过连接至电池的生成器来控制水蒸气压。H2O蒸气生成器可具有低于电池温度的温度以控制H2O蒸气压。在一个实施方式中，水蒸气生成器可包括雾化器或喷雾器，例如超声波生成器。可通过流(例如诸如稀有气体或N2等惰性气体流)来递送H2O蒸气。流可包括载体气体。可通过夹带于载体气体中来递送H2O。可使载体气体鼓泡通过H2O柱以使载体气体含有H2O蒸气。调节载体气体组成、H2O柱高度、柱温、气压、气体进口大小、扩散器的存在及任一孔口的数量及大小以达成含有H2O的载体气体的期望饱和程度及H2O至电池的期望流速。可再循环气体。作为另一选择，可控制H2O质量平衡以达成电解质或半电池反应物的期望H2O重量％。在一个实施方式中，可通过以下方式来降低电解质损失(通过诸如氢氧化物(例如LiOH)挥发等方式)：降低电池温度，维持升高的电池压力，及至少部分闭合地运行电池，其中可通过间歇性电解及通过具有选择性方向流的管线来供应气体。水蒸气生成器或水质量平衡也可控制水含量及具有酸性电解质的闭合间歇性电解池的压力中的至少一种。涉及H2O的示例性反应由方程式(121-123)给出。
在一个实施方式中，电池的H2O源可为电解质(例如氢氧化物)的脱水。碱金属氢氧化物(例如LiOH)的示例性反应为
2LiOH→Li2O+H2O (132)
脱水反应可发生，即使其吸收通过间歇性电解、分数氢形成反应及热中的至少一种供应的能量。在一个实施方式中，CIHT或电解池阳极包括与H2O发生释能反应的材料，例如金属，例如Mo或Mo合金，例如Haynes 242、MoNi、MoCu或MoCo。H2O的电池源可为在其与阳极的总反应中吸能的脱水反应。示例性反应为LiOH电解质与Mo形成Mo氧化物、Li2O及氢的反应。然后，电池可运行适宜的持续时间以形成能量且阳极并不显著降解。可改变电池条件(例如工作温度)，从而电解质可再生且并不与阳极发生实质性反应。例如，可降低电池温度且将H2O添加至电解质中以使其再水合。然后可进一步在典型工作条件下运行再生电池。
在一个实施方式中，电解质包括氢氧化物(例如碱金属氢氧化物，例如LiOH)且进一步包括脱水形式(例如呈混合物形式的氧化物)，其中脱水形式(例如Li2O)的浓度在一定范围内，从而阳极对于氧化稳定。在一个实施方式中，阳极(例如Mo阳极)与水合形式(例如LiOH)发生反应且在脱水形式(例如Li2O)存在下为稳定的。两种形式的浓度范围应使得氧化电势向阳极提供氧化稳定性。浓度范围进一步使得在电池的工作期间形成过量能量，其中H源可来自间歇性电解。在一个实施方式中，电解质在工作期间可进一步脱水。电解质可连续性或周期性或间歇性地再水合。在后一情况中，可在低于工作温度的温度下添加H2O以防止阳极(例如Mo阳极)在水合期间发生氧化。在再水合后，可加热电池且在标准较高工作温度下工作。电解质可进一步包括氢氧化物、脱水形式及至少一种其他盐(例如卤化物，例如碱金属卤化物，例如LiBr)的混合物。
在一个实施方式中，将诸多间歇性电解池配置于堆叠中。各电池可包括熔融电解质(例如熔融氢氧化物)及可选的至少一种其他盐或熔融电解质水溶液(例如碱性电解质水溶液)。各电池的阴极可包括空气或氧电极。在实施方式中，电池的氧源为空气、外部氧及电生成氧中的至少一种。在一个实施方式中，阴极可至少包括暴露于氧源(例如空气或O2气体)的部分。暴露的部分可从电池堆叠及电解质延伸出以使O2或经还原O2在阴极-电解质界面处流入电解质中。在另一个实施方式中，电池可具有闭合性且可以电解方式生成氢及氧。系统可包括加热器以将堆叠维持于期望高温下。温度可大约为熔融电解质的熔点或大于该熔点。在一个实施方式中，电池包括果酱卷或瑞士卷设计。在一个实施方式中，将隔板或间隔件及电解质施加于可包括卷起片的电极之间。果酱卷或瑞士卷电池可具有闭合性。可在通过电解提供的氧下将电池紧紧卷起。在一个实施方式中，氧还原电极(例如阴极)可完全浸没于电解质中。供应氢及氧的间歇性电解电极可为不同材料(例如本公开的不同金属或不同材料)，该不同电极选自金属、碳、碳化物、硼化物、氮化物及碳氮化物的组。阴极材料可在电解期间吸收氧且在间歇性循环的放电期期间将其释放。
在一个实施方式中，形成催化剂的半电池反应相对于25℃及SHE的电压约为1.2V。相对于SHE及25℃的适宜的电压在约1.5V～0.75V、1.3V～0.9V及1.25V～1.1V的范围内。适宜的反应为那些形成H2O的反应，例如那些由方程式(90)及(121)给出的反应。在一个实施方式中，电池理论电压约为0V。电池反应可包括在阴极处将水还原成OH-及H2且在阳极处使OH-及1/2H2反应成H2O。在一个实施方式中，理论电池电压约为0V的电池反应与至少一个理论电池电压约大于0V的其他反应一起发生。在一示例性实施方式中，电池反应可包括在阴极处将水还原成OH-及H2且在阳极处使OH-及1/2H2反应处H2O(理论电池电压约为0V)也及形成水的净电池反应(方程式(93))(理论电池电压大于0V)。
在另一个实施方式中，通过施加涂层来增加至少一个电极的表面积，该涂层为(例如)通过以下方式施加的金属黑色涂层：气相沉积技术(例如连续气相沉积(CVD))、溅射、等离子体沉积、原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)(例如等离子体喷雾)、阴极电弧沉积、电子束物理气相沉积、蒸发沉积、脉冲激光沉积及溅射沉积、化学气相沉积(CVD)、金属有机气相外延(MOVDE)及金属有机化学气相沉积(MOCVD)。其他适宜的方法包括喷雾、涂料刷涂、迈耶棒涂布、丝网印刷、旋涂、湿式布层及带式浇注。在其他实施方式中，可通过该方法或业内已知的其他方法来施加电解质层。
在一个实施方式中，氧物种(例如O2、O3、O3 +、O3 -、O、O+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH-、HOOH、OOH-、O-、O2-、O2 -及O2 2-中的至少一种)可与H物种(例如H2、H、H+、H2O、H3O+、OH、OH+、OH-、HOOH及OOH-中的至少一种)发生氧化反应以形成OH及H2O(用作形成分数氢的催化剂)中的至少一种。H物种源可为以下中的至少一种：诸如氢化物(例如LaNi5H6)等化合物、氢氧化物或羟基氧化物化合物、H2或H2源、氢渗透性膜(例如Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Fe(H2)或Nb(H2))及电解质的间歇性电解。可通过阴极处的H2O或O2的还原反应来提供O物种。氧源可为电解质的间歇性电解且来自电解质的间歇性电解。O物种的O2源可来自空气。作为另一选择，可将O物种供应至电池。O物种(例如OH-、HOOH、OOH-、O-、O2-、O2 -及O2 2-)的适宜的源为氧化物、过氧化物(例如碱金属的那些过氧化物)、超氧化物(例如碱金属及碱土金属的那些超氧化物)、氢氧化物及羟基氧化物(例如本公开的那些羟基氧化物)。示例性氧化物为那些以下氧化物：过渡金属氧化物(例如NiO及CoO)及Sn氧化物(例如SnO)、碱金属氧化物(例如Li2O、Na2O及K2O)及碱土金属氧化物(例如MgO、CaO、SrO及BaO)。可将源氧化物(例如NiO或CoO)添加至熔融盐电解质中。其他示例性氧化物为来自以下组的氧化物：Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn及W。示例性电池为[Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Fe(H2)或Nb(H2)或诸如LaNi5H6等氢化物/包括碱金属氢氧化物的共熔盐电解质(例如LiOH-NaOH、LiOH-LiX、NaOH-NaX(X＝卤离子或硝酸根)或LiOH-Li2X或NaOH-Na2X(X＝硫酸盐或碳酸盐))及Li2O、Na2O、K2O、MgO、CaO、SrO或BaO或Cu、Ni、Pb、Sb、Bi、Co、Cd、Ge、Au、Ir、Fe、Hg、Mo、Os、Pd、Re、Rh、Ru、Se、Ag、Tc、Te、Tl、Sn或W的氧化物、过氧化物(例如碱金属的那些过氧化物)或超氧化物(例如碱金属及碱土金属的那些超氧化物)/Ni或其他可与阳极相同的金属]。在其他实施方式中，H可渗透电极包括用作放电期间的阳极的间歇性电解电极。
在一个实施方式中，可氧化OH-且在阳极处使其与H反应形成可用作形成分数氢的H催化剂的H2O。H可来自诸如以下源：氢化物(例如LaNi5H6)，或可从氢源(例如罐或供应系统640)流经管线642及调控器644(图5)并渗透穿过膜(例如Ni、Ti、V、Nb、Pd、PdAg或Fe)的H2。源可为具有H2及O2分离器以供应基本上纯净H2的水性电解池640。可在阴极处将H2O还原成H2及OH-。可通过电解质(例如熔融电解质)的间歇性电解来形成H2。在图5中所显示的一个实施方式中，CIHT电池包括H2O及H2收集及再循环系统。CIHT电池650包括容器651、阴极652、阳极653、负荷654、电解质655及从CIHT电池收集H2O蒸气(例如在阳极处所形成者)的系统657。H2O收集系统包括连接至电池的第一室658以从电池通过蒸气通路659将H2O蒸气接收至H2O收集室658中。收集系统包括H2O吸收器及H2O冷凝器660中的至少一种。所收集水可以H2O蒸气或液体水形式通过通路661(通过泵663或通过通过使用加热器665加热所收集水产生的压力予以辅助)返回CIHT电池中。可在室中通过阀门666、667及668控制水流量及任一蒸气的压力，通过量器669进行监测。水可返回对于返回H2O可为多孔性的阴极652。CIHT电池进一步包括系统671以自CIHT电池收集H2。H2收集系统包括含有H2吸气器673的第二室672，其中可通过H2吸气器收集来自阳极源的未反应H2及在阴极处所形成的H2。含有至少部分地通过H2O收集系统去除的水的H2从第一室通过气体通路675流向第二室。在一个实施方式中，H2选择性膜存在于该室之间以防止H2O进入第二室中且与吸气剂发生反应。吸气剂可包括过渡金属、碱金属、碱土金属、内过渡金属、稀土金属、金属组合、合金及储氢材料(例如本公开的那些材料)。所收集H2可通过通路676(通过泵678或通过通过加热器680加热吸气器或所收集H2产生的压力予以辅助)返回CIHT电池中。可在室中通过阀门681及682来控制H2流量及压力，通过量器684进行监测。吸气器可在阀门681向电池打开且阀门682向电池关闭下来收集氢，其中加热器将其维持于一适于再吸收H2的温度下。然后，可关闭阀门681且将温度增加至使氢释放至使用量器684测量的期望压力的温度。可打开阀门682以使经加压氢流向电池。该流可到达包括H2可渗透壁的阳极653。可关闭阀门682，降低加热器680的温度，且打开阀门681以在重复循环中使用吸气器673收集H2。在一个实施方式中，可通过CIHT电池向加热器、阀门及量器供电。在一个实施方式中，在将H2或H2O引入电池中时，可使用收集系统与电池之间的温度差来达成期望压力。例如，H2可处于密封室中的第一温度及压力下，该密封室可浸沉于热盐中以在较高盐温度下达成第二较高压力。在一个实施方式中，CIHT电池包括复数个可通过共同气体歧管供应氢的氢渗透性阳极。
在图5中所显示系统的另一个实施方式中，将O2源供应至阴极652处，例如空气、O2、氧化物、H2O、HOOH、氢氧化物及羟基氧化物中的至少一种。也可通过选择阀门或膜646(可具有复数个)将氧源供应至电池，其中膜可渗透O2，例如特氟龙膜。另外，系统657包括H2与其他电池气体(例如氮、水蒸气及氧中的至少一种)的分离器，其中系统671收集未利用氢且将其返回电池(例如通过H2可渗透阳极653)。系统657可冷凝水。系统667可另外或可选地包括可位于系统657的出口处的选择性H2渗透性膜及阀门668，其保留O2、N2及(可能)水及使得H2选择性通向系统671。在一个实施方式中，在阴极651及电池中的一种或多种处控制水蒸气压以控制电池功率输出。
在一个实施方式中，使用H2鼓泡阳极653代替H2渗透性电极。可使用至少一个泵(例如678)再循环H2且并不去除H2O。若将氧供应至电池(例如通过选择性阀门或膜646或在O2多孔阴极652处)，则可通过系统657从H2去除氧。通过喷洒供应H2、H2O、空气及O2中的至少一种的示例性多孔电极包括位于外部氧化铝管内的Ni多孔体(Celmet#6，Sumitomo ElectricIndustries,Ltd.)的紧密结合组件。若将空气供应至电池，则可选地从再循环H2气体去除N2。可补充消耗用于形成分数氢或从系统失去的任何H2。可自H2O的电解补充H2。用于电解的电力可来自CIHT电池。
控制分别关于渗透阳极及鼓泡阳极的氢渗透速率或流速以优化功率增益，因相对于氢及氧形成水的传统反应发生分数氢反应。考虑到活性表面积(例如由暴露于电解质的外部表面的物理尺寸所界定者)，适宜的流速在约10-12摩尔cm-2s-1～10-2摩尔cm-2s-1、约10-11摩尔cm-2s-1～10-6摩尔cm-2s-1、约10-10摩尔cm-2s-1～10-7摩尔cm-2s-1及约10-9摩尔cm-2s-1～10-8摩尔cm-2s-1的范围内。O2、H2O及O2与H2O的混合物(例如在空气中)中的至少一种的阴极还原速率可为任一期望速率以维持在阳极处给定氢渗透速率或流速下的电池反应。适宜的还原速率(表示为电流/有效表面)在约0.001mA cm-2～1000mA cm-2、约0.1mA cm-2～100mAcm-2及约0.5mA cm-2～10mA cm-2的范围内。在一个实施方式中，阴极气体可包括O2、H2O及N2的混合物。摩尔分数可为任一期望值。适宜的摩尔分数大约为空气的那些摩尔分数(O2约为20％，N2约为80％，H2O约为0.5-3％)，但可改变任一给定成分以使其在约0.1摩尔％～99摩尔％的范围内。在其他实施方式中，O2/N2/H2O摩尔％为分别在约1％～99％、1％～99％及0.0001％～99％的范围内，总共包括约100％。也可存在其他气体，例如空气的Ar。在一个实施方式中，从进入电池的气体洗除CO2。
在一个实施方式中，nH、O、nO、OH及H2O(n＝整数)中的至少一种可用作催化剂。H可与氧源反应形成OH及H2O中的至少一种。氧源可为氧阴离子。电解质可包括含有氧阴离子的化合物。示例性适宜的氧阴离子为氢氧根、碳酸根、硝酸根、硫酸根、磷酸根、铬酸根、重铬酸根、高氯酸根及高碘酸根中的至少一种。一般而言，单独或组合用作氧源的示例性适宜的化合物为MNO3、MNO、MNO2、MOH、M2CO3、MHCO3、M2SO4、MHSO4、M3PO4、M2HPO4、MH2PO4、M2MoO4、MNbO3、M2B4O7(M四硼酸盐)、MBO2、M2WO4、M2CrO4、M2Cr2O7、M2TiO3、MZrO3、MAlO2、MCoO2、MGaO2、M2GeO3、MMn2O4、M4SiO4、M2SiO3、MTaO3、MVO3、MIO3、MFeO2、MIO4、MClO4、MScOn、MTiOn、MVOn、MCrOn、MCr2On、MMn2On、MFeOn、MCoOn、MNiOn、MNi2On、MCuOn、MZnOn(M为碱金属或铵且n＝1、2、3或4；M也可为另一阳离子，例如碱土金属、过渡金属、内过渡金属或稀土金属阳离子或第13至16族阳离子)及有机碱性盐(例如M乙酸盐或M羧酸盐)。可发生形成OH及H2O(作为形成分数氢的催化剂)中的至少一种的反应以作为氧阴离子的氧化反应。该反应可进一步涉及与H的反应。该反应可发生于阳极处。在H存在下形成催化剂OH及H2O中的至少一种使得可通过催化剂将H催化成分数氢。示例性一般反应(其中E指代元素或化合物)为
阳极
OH-+H→H2O+e- (133)
阴极
O2+2H2O+4e-→4OH- (138)
在一具体实例中，形成催化剂H2O的适宜的反应(其中CO3 2-用作氧源)为
阳极
阴极
作为另一选择，氢可与阳极(其可包括金属M’，例如Ni或Co)反应形成相应氢化物，该氢化物进一步通过诸如以下机制发生反应
阳极
2M+H2→2MH (141)
2MH+OH-→2M+H2O+e-+H(1/p) (143)
MH+1/2H2+OH-→M+H2O+e-+H(1/p) (144)
其他氧阴离子可发生类似反应。在其他实施方式中，另一氧阴离子及相应氧化物种(例如气体)分别代替CO3 2-及CO2。示例性阴离子及气体或化合物分别为SO4 2-、NO3 -及PO4 3-及SO2、NO2及P2O5。可向电池供应产物气体或化合物，例如CO2、SO2或NO2。作为另一选择，可在电池中再循环诸如CO2、SO2或NO2等气体或化合物。电池可包括诸如半渗透膜等构件以保留气体或化合物同时维持开放电池(例如对空气及可选地添加的O2及H2O中的至少一种开放的电池)。电池也可包括供应该气体(例如O2及H2O)的管线。管线可具有维持方向流的阀门以防止氧阴离子氧化产物逸出。在一个实施方式中，氧化产物为诸如S或P等元素或化合物。产物可发生还原以形成相应化合物(例如磷化物的硫化物)。作为另一选择，产物与供应至电池的氧反应形成氧阴离子，例如原始反应物氧阴离子，例如SO4 2-或PO4 3-。电池可闭合或半闭合(在间歇性电解的情况中)，其中原位生成氧及氢。然后，可周期性添加组成气体以维持形成分数氢的电解质及氢源。可在内部再循环诸如CO2、SO2或NO2等气体。
在形成分数氢以用于产生较低能量氢物种及化合物及产生能量中的至少一种的另一个实施方式中，反应混合物包括原子氢来源及催化剂来源(其包括H及O中的至少一种，例如本公开的那些催化剂，例如H2O催化剂)。可通过离解从H2气体形成原子氢。氢离解剂可为本公开的那些氢离解剂中的一种，例如R-Ni或位于载体上的贵金属或过渡金属(例如位于碳或Al2O3上的Ni或Pt或Pd)。作为另一选择，原子H可来自渗透穿过膜(例如本公开的那些膜)的H。在一个实施方式中，电池包括诸如陶瓷膜等膜以选择性地使H2扩散穿过同时防止另一物种的扩散(例如H2O扩散)。
电解质可包括水溶液或熔融盐。电解质(例如氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、铬酸盐、重铬酸盐、高氯酸盐及高碘酸盐及其混合物中的至少一种)可包括共熔混合物，例如表4的共熔盐混合物中的至少一种、本公开的其他混合物中的至少一种或业内已知的混合物。电池可包括氢、水及氧的源。水可包括氢、氘及氚中的至少一种，例如H2O、HOD、D2O、T2O、DOT及HOT中的至少一种。示例性共熔盐混合物为碱金属卤化物、碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐及氢氧化物中的至少两者。熔融电解质可进一步包括H2O源，其可自大气吸收而来或以液体水或蒸气形式供应至电池。电池可包括开放电池。氧可来自大气，以气体形式供应，或来自H2O的间歇性电解。可以气体形式通过诸如渗透、喷洒或鼓泡等方式或通过氢源的间歇性电解(例如包括一些H2O的电解质的电解)来供应氢源。在一个实施方式中，电池工作温度低于引起腐蚀(例如电极或容器的腐蚀)的温度。示例性电池为[Ni(H2)/以下中的一种或多种的水溶性或低共熔盐电解质：MNO3、MNO、MNO2、MOH、M2CO3、MHCO3、M2SO4、MHSO4、M3PO4、M2HPO4、MH2PO4、M2MoO4、MNbO3、M2B4O7(M四硼酸盐)、MBO2、M2WO4、M2CrO4、M2Cr2O7、M2TiO3、MZrO3、MAlO2、MCoO2、MGaO2、M2GeO3、MMn2O4、M4SiO4、M2SiO3、MTaO3、MVO3、MIO3、MFeO2、MIO4、MClO4、MScOn、MTiOn、MVOn、MCrOn、MCr2On、MMn2On、MFeOn、MCoOn、MNiOn、MNi2On、MCuOn、MZnOn(M为碱金属或铵且n＝1、2、3或4)/Ni+空气]，其中氢电极可为渗透、喷洒或间歇性电解电极。其他实例为[Ni/LiOH-Li2SO4/Ni+空气，间歇性充电-放电]、[Ni/LiOH-Li2SO4(水溶液)/Ni+空气，间歇性充电-放电]、[Ni或PtTi/NH4OH(水溶液)/Ni或PtTi+空气，间歇性充电-放电]、[Ni/Sr(OH)2或Ba(OH)2(水溶液)/Ni+空气，间歇性充电-放电]、[PtTi或Ni/K2CO3(水溶液)/Ni或PtTi+空气，间歇性充电-放电]及[PtTi或Pd/LiOH(水溶液)/Pd或PtTi+空气，间歇性充电-放电]。
在通过形成分数氢来产生热能及电能中的至少一种的CIHT电池实施方式中，H反应具有再生性，只是一部分H存量在重复反应的各循环后转化成分数氢。氢及来自电解质的碳酸盐(例如K2CO3，其可为水合熔融或水性电解质)的示例性反应为
阳极
OH-+1/2H2→H2O+e- (146)
阴极
阳极反应也可由方程式(139)给出，其涉及将CO3 2-氧化成用作催化剂的H2O。接下来，一些H转化处H(1/p)，其中nH、O、nO、OH及H2O(n＝整数)中的至少一种可用作催化剂。氢源可为渗透、喷洒或鼓泡及间歇性电解中的至少一种。反应可在不存在电极下以协同方式发生，例如在生成热能的实施方式中。具体热实施方式包括氢加压室及氢渗透性膜，氢渗透性膜通过渗透将氢供应至含有碳酸盐(例如碱性碳酸盐，例如K2CO3)的第二反应室中。
在一个实施方式中，CIHT电池包括热电联产系统，其中生成用于负荷的电能及热能。电负荷及热负荷中的至少一种可为内部及外部负荷中的至少一种。例如，通过形成分数氢所生成热能或电能的至少一部分可维持电池温度，例如包括熔融盐电解质或熔融反应物的CIHT电池的熔融盐的熔点。电能可至少部分地供应电解功率以自产物再生初始电池反应物。在一个实施方式中，可将电解质(例如水性或熔融盐电解质)泵送穿过热交换器或泵送至热交换器上，该热交换器可去除热且将其最终转移至负荷。
在某些实施方式中，本文所揭示再生反应物且维持形成较低能量氢的反应的功率、化学物种、电池组及燃料电池系统可为闭合的，只是仅需要补充在形成分数氢时所消耗的氢，其中所消耗氢燃料可自水的电解获得。燃料电池可用于广泛应用，例如电力生成，例如公用电力、热电共生、原动力、航海电力及航空。在后一情况中，CIHT电池可对电池组进行充电以作为储存用于电动车辆的电力。
可通过控制阴极及阳极半电池反应物及反应条件来控制电力。适宜的控制参数为氢压及工作温度。燃料电池可为构成堆叠的多个电池的部件。可堆叠燃料电池部件且可通过各结处的互连件以串联形式进行互连。互连件可为金属或陶瓷互连件。适宜的互连件为导电金属、陶瓷及金属-陶瓷复合物。
在一个实施方式中，使用可选的施加电压周期性逆转电池的极性以去除氧化-还原反应产物及分数氢产物中的至少一种，从而消除产物抑制。也可分别通过物理方法及热方法(例如超声波及加热)来去除产物。在一个实施方式中，可取出电解质，通过诸如加热等方式进行处理以去除分数氢，且加以替换。电解质(例如熔融盐或水性电解质)可发生流动，且处理可在间歇或流动条件下发生。
在一个实施方式中，电池包括可用于限制未批准或未许可活动的监测及控制系统。系统可包括能够远程发送数据的监测器。系统可能能够遥测。系统可能能够被禁用。系统可能够远程禁用。
XI.化学反应器
本公开也涉及用于产生本公开的具有增加的结合能的氢物种及化合物(例如二分数氢分子及分数氢氢化物化合物)的其他反应器。取决于电池类型，其他催化产物为电力及可选的等离子体及光。此反应器在下文中称为“氢反应器”或“氢电池”。氢反应器包括用于制备分数氢的电池。用于制备分数氢的电池可采用于下形式：化学反应器或气体燃料电池(例如气体放电电池)、等离子体炬电池或微波电力电池及电化学电池。用于制备分数氢的电池的示例性实施方式可采用液体-燃料电池、固体-燃料电池、异质燃料电池及CIHT电池的形式。该电池中的每一种均包括：(i)原子氢来源；(ii)至少一种用于制备分数氢的催化剂，其选自固体催化剂、熔融催化剂、液体催化剂、气态催化剂或其混合物；及(iii)容器，其用于使氢及用于制备分数氢的催化剂发生反应。如本文中所使用且如由本公开所涵盖，除非另外指定，否则术语“氢”不仅包含氕(1H)，且也包含氘(2H)及氚(3H)。在使用氘作为分数氢反应的反应物的情况中，预计会得到异质燃料及固体燃料的相对痕量的氚或氦产物。示例性化学反应混合物及反应器可包括本公开的CIHT电池或热电池实施方式。其他示例性实施方式在此化学反应器部分中给出。具有在混合物反应期间形成的H2O催化剂的反应混合物的实例在本公开中给出。其他催化剂(例如那些在表1及3中给出者)可用于形成具有增加的结合能的氢物种及化合物。表3A的示例性M-H型催化剂为NaH。可在诸如反应物、反应物的重量％、H2压力及反应温度等参数方面由该示例性情况调节反应及条件。适宜的反应物、条件及参数范围为本公开的那些。在一个实施方式中，该反应混合物进一步包括氧源(例如不锈钢反应器的氧化产物)，其与H2及所存在的其他反应物反应形成H2O催化剂及分数氢(其产生高磁场基质位移，例如在反应期间所形成的任何氢氧化物的高磁场基质位移)。
在一个实施方式中，固体燃料反应形成H2O及H作为产物或中间体反应产物。H2O可用作形成分数氢的催化剂。反应物包括至少一种氧化剂及一种还原剂，且反应包括至少一种氧化-还原反应。还原剂可包括金属，例如碱金属。反应混合物可进一步包括氢源及H2O源，且可以可选地包括载体(例如碳、碳化物、硼化物、氮化物、碳氮化物(例如TiCN)或腈。载体可包括金属粉末。在一个实施方式中，氢载体包括Mo或Mo合金(例如本公开的那些合金，例如MoNi、MoCu及MoCo)。在一个实施方式中，如本领域技术人员所已知，通过诸如以下方法来避免载体的氧化：选择并不氧化载体的反应混合物的其他成分，选择非氧化性反应温度及条件，及维持还原气氛(例如H2气氛)。H源可选自以下组：碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属、稀土金属的氢化物及本公开的氢化物。氢源可为氢气，其可进一步包括离解剂，例如本公开的那些离解剂，例如位于载体(例如碳或氧化铝)上的贵金属及本公开的其他离解剂。水源可包括发生脱水的化合物，例如氢氧化物或氢氧化物复合物，例如Al、Zn、Sn、Cr、Sb及Pb的那些氢氧化物或氢氧化物复合物。水源可包括氢源及氧源。氧源可包括含有氧的化合物。示例性化合物或分子为O2、碱金属或碱土金属氧化物、过氧化物或超氧化物、TeO2、SeO2、PO2、P2O5、SO2、SO3、M2SO4、MHSO4、CO2、M2S2O8、MMnO4、M2Mn2O4、MxHyPO4(x、y＝整数)、POBr2、MClO4、MNO3、NO、N2O、NO2、N2O3、Cl2O7及O2(M＝碱金属；且碱土金属或其他阳离子可替代M)。其他示例性反应物包括选自以下组的试剂：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(四硼酸锂)、LiBO2、Li2WO4、LiAlCl4、LiGaCl4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2TiO3、LiZrO3、LiAlO2、LiCoO2、LiGaO2、Li2GeO3、LiMn2O4、Li4SiO4、Li2SiO3、LiTaO3、LiCuCl4、LiPdCl4、LiVO3、LiIO3、LiFeO2、LiIO4、LiClO4、LiScOn、LiTiOn、LiVOn、LiCrOn、LiCr2On、LiMn2On、LiFeOn、LiCoOn、LiNiOn、LiNi2On、LiCuOn及LiZnOn(其中n＝1、2、3或4)、氧阴离子、强酸的氧阴离子、氧化剂、分子氧化剂(例如V2O3、I2O5、MnO2、Re2O7、CrO3、RuO2、AgO、PdO、PdO2、PtO、PtO2及NH4X(其中X为硝酸根或在CRC中给出的其他适宜的阴离子))及还原剂。另一碱金属或其他阳离子可替代Li。其他氧源可选自以下组：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为碱金属且n＝1、2、3或4)、氧阴离子、强酸的氧阴离子、氧化剂、分子氧化剂(例如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、G2O3、Cl2O6、Cl2O7、PO2、P2O3及P2O5)。反应物可具有形成分数氢的任一期望比率。示例性反应混合物为0.33g LiH、1.7g LiNO3及1g MgH2以及4g活性碳粉末的混合物。另一示例性反应混合物为黑色火药，例如KNO3(75重量％)、软材木炭(其可大致包括式C7H4O)(15重量％)及S(10重量％)；KNO3(70.5重量％)及软材木炭(29.5重量％)；或在约±1-30重量％范围内的该比率。氢源可为大致包括式C7H4O的木炭。
反应物及再生反应及系统可包括见于本公开或我们的在先US专利申请的那些，例如Hydrogen Catalyst Reactor，PCT/US08/61455，4/24/2008提交的PCT；HeterogeneousHydrogen Catalyst Reactor，PCT/US09/052072，7/29/2009提交的PCT；HeterogeneousHydrogen Catalyst Power System，PCT/US10/27828，3/18/2010提交的PCT；Electrochemical Hydrogen Catalyst Power System，PCT/US 11/28889，3/17/2011提交的PCT；及H2O-Based Electrochemical Hydrogen-Catalyst Power System，PCT/US 12/31369，3/30/2012提交(“Mills在先申请”)，以引用方式将其完整并入本文。
形成H2O催化剂的反应物可包括O源(例如O物种)及H源。O物种源可包括O2、空气及包括O的化合物或化合物混合物中的至少一种。包括氧的化合物可包括氧化剂。包括氧的化合物可包括氧化物、羟基氧化物、氢氧化物、过氧化物及超氧化物中的至少一种。适宜的示例性金属氧化物为碱金属氧化物(例如Li2O、Na2O及K2O)、碱土金属氧化物(例如MgO、CaO、SrO及BaO)、过渡金属氧化物(例如NiO、Ni2O3、FeO、Fe2O3及CoO)及内过渡金属及稀土金属氧化物及其他金属及类金属的那些氧化物(例如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se及Te的那些氧化物)及该氧化物及其他包括氧的元素的混合物。氧化物可包括氧化物阴离子(例如本公开的那些氧化物阴离子，例如金属氧化物阴离子)及阳离子(例如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属及稀土金属阳离子及其他金属及类金属的那些阳离子(例如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se及Te的那些阳离子))，例如MM’2xO3x+1或MM’2xO4(M＝碱土金属，M’＝过渡金属(例如Fe或Ni或Mn)，x＝整数)及M2M’2xO3x+1或M2M’2xO4(M＝碱金属，M’＝过渡金属(例如Fe或Ni或Mn)，x＝整数)。适宜的示例性金属羟基氧化物为AlO(OH)、ScO(OH)、YO(OH)、VO(OH)、CrO(OH)、MnO(OH)(α-MnO(OH)(锰榍石)及γ-MnO(OH)(水锰矿))、FeO(OH)、CoO(OH)、NiO(OH)、RhO(OH)、GaO(OH)、InO(OH)、Ni1/2Co1/2O(OH)及Ni1/3Co1/3Mn1/3O(OH)。适宜的示例性氢氧化物为：诸如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属及稀土金属等金属的那些氢氧化物；及其他金属及类金属(例如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se及Te)的那些氢氧化物；及其混合物。适宜的复合离子氢氧化物为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。其他示例性适宜的氢氧化物为来自Co(OH)2、Zn(OH)2、Ni(OH)2、其他过渡金属氢氧化物、Cd(OH)2、Sn(OH)2及Pb(OH)中的至少一种。适宜的示例性过氧化物为H2O2、有机化合物的那些过氧化物及金属的那些过氧化物(例如M2O2，其中M为碱金属，例如Li2O2、Na2O2、K2O2)、其他离子型过氧化物(例如碱土金属的那些过氧化物，例如Ca、Sr或Ba过氧化物)、其他正电金属的那些过氧化物(例如镧为元素的那些过氧化物)及共价金属过氧化物(例如Zn、Cd及Hg的那些过氧化物)。适宜的示例性超氧化物为金属的那些超氧化物MO2(其中M为碱金属，例如NaO2、KO2、RbO2及CsO2)及碱土金属超氧化物。
反应混合物可包括氢氧化物(例如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属及稀土金属及Al、Ga、In、Sn、Pb及形成氢氧化物的其他元素的那些氢氧化物)及氧源(例如包括至少一种氧阴离子(例如碳酸根)的化合物，例如包括碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属及稀土金属及Al、Ga、In、Sn、Pb的化合物及本公开的其他化含物)。其他包括氧的适宜的化合物为以下组的氧阴离子化合物中的至少一种：铝酸盐、钨酸盐、锆酸盐、钛酸盐、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、硝酸盐、铬酸盐、重铬酸盐及锰酸盐、氧化物、羟基氧化物、过氧化物、超氧化物、硅酸盐、钛酸盐、钨酸盐及本公开的其他化合物。氢氧化物及碳酸盐的示例性反应由下式给出：
Ca(OH)2+Li2CO3→CaO+H2O+Li2O+CO2 (148)
在其他实施方式中，氧源为气态或易于形成气体(例如NO2、NO、N2O、CO2、P2O3、P2O5及SO2)。来自H2O催化剂形成的经还原的氧化物产物(例如C、N、NH3、P或S)可通过使用氧或其源燃烧再次转化回氧化物，如在Mills的先前申请案中所给出。电池可产生可用于加热应用的过量热，或可通过诸如兰金系统或布莱顿系统等方式来将热转化成电。作为另一选择，可使用电池合成较低能量氢物种，例如分子分数氢及分数氢氢阴离子及相应化合物。
在一个实施方式中，形成分数氢(其用于产生较低能量氢物种及化合物及产生能量中的至少一种)的反应混合物包括原子氢来源及催化剂来源(其包括H及O中的至少一种，例如本公开的那些催化剂，例如H2O催化剂)。反应混合物可进一步包括酸(例如H2SO3、H2SO4、H2CO3、HNO2、HNO3、HClO4、H3PO3及H3PO4)或酸源(例如酸酐或无水酸)。后者可包括以下组中的至少一种：SO2、SO3、CO2、NO2、N2O3、N2O5、Cl2O7、PO2、P2O3及P2O5。反应混合物可包括碱及碱酐(例如M2O(M＝碱金属)、M’O(M’＝碱土金属)、ZnO或其他过渡金属氧化物、CdO、CoO、SnO、AgO、HgO或Al2O3)中的至少一种。其他示例性酐包括对H2O稳定的金属，例如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、In及Pb。酐可为碱金属或碱土金属氧化物，且水合化合物可包括氢氧化物。反应混合物可包括羟基氧化物，例如FeOOH、NiOOH或CoOOH。反应混合物可包括H2O源及H2O中的至少一种。可在原子氢存在下通过水合及脱水反应来可逆地形成H2O。形成H2O催化剂的示例性反应为
Mg(OH)2→MgO+H2O (149)
2LiOH→Li2O+H2O (150)
H2CO3→CO2+H2O (151)
2FeOOH→Fe2O3+H2O (152)
在一个实施方式中，通过以下物种的脱水来形成H2O催化剂：至少一种包括磷酸根的化合物，例如磷酸盐、磷酸氢盐及磷酸二氢盐，例如阳离子(例如包括诸如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属及稀土金属等金属的阳离子；及其他金属及类金属的那些阳离子，例如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se及Te的那些阳离子)的那些化合物；及形成缩合磷酸盐(例如多磷酸盐(例如[PnO3n+1](n+2)-)、长链偏磷酸盐(例如[(PO3)n]n-)、环状偏磷酸盐(例如[(PO3)n]n-，其中n>3)及过磷酸盐(例如P4O10)中的至少一种)的混合物。示例性反应为
脱水反应的反应物可包括R-Ni，其可包括Al(OH)3及Al2O3中的至少一种。反应物可进一步包括金属M(例如本公开的那些金属，例如碱金属)、金属氢化物MH、金属氢氧化物(例如本公开的那些金属氢化物，例如碱金属氢氧化物)及氢源(例如H2以及固有氢)。示例性反应为
2Al(OH)3+→Al2O3+3H2O (155)
Al2O3+2NaOH→2NaAlO2+H2O (156)
3MH+Al(OH)3+→M3Al+3H2O (157)
MoCu+2MOH+4O2→M2MoO4+CuO+H2O(M＝Li,Na,K,Rb,Cs) (158)
反应产物可包括合金。R-Ni可通过再水合再生。形成H2O催化剂的反应混合物及脱水反应可包括及涉及羟基氧化物，例如本公开的那些羟基氧化物，如在以下示例性反应中所给出：
3Co(OH)2→2CoOOH+Co+2H2O (159)
可通过离解自H2气体形成原子氢。氢离解剂可为本公开的那些氢离解剂中的一种，例如R-Ni或位于载体上的贵金属或过渡金属(例如位于碳或Al2O3上的Ni或Pt或Pd)。作为另一选择，原子H可来自渗透穿过膜(例如本公开的那些膜)的H。在一个实施方式中，电池包括诸如陶瓷膜等膜以选择性地使H2扩散穿过同时防止H2O扩散。在一个实施方式中，通过电解包括氢源的电解质(例如包括H2O的水性或熔融电解质)来将H2及原子H中的至少一种供应至电池。在一个实施方式中，通过将酸或碱脱水至酐形式来可逆地形成H2O催化剂。在一个实施方式中，通过改变电池pH或活性、温度及压力中的至少一种来传递以形成催化剂H2O及分数氢的反应，其中可通过改变温度来改变压力。如本领域技术人员已知，可通过添加盐来改变诸如酸、碱或酐等物种的活性。在一个实施方式中，反应混合物可包括可吸收用于反应形成分数氢的气体(例如H2或酸酐气体)或作为气体源的材料(例如碳)。反应物可具有任一期望浓度及比率。反应混合物可为熔融物或包括水性浆液。
在另一个实施方式中，H2O催化剂来源为酸与碱之间的反应，例如氢卤酸、硫酸、硝酸及亚硝酸中的至少一种与碱之间的反应。其他适宜的酸反应物为以下物种的水溶液：H2SO4、HCl、HX(X-卤离子)、H3PO4、HClO4、HNO3、HNO、HNO2、H2S、H2CO3、H2MoO4、HNbO3、H2B4O7(M四硼酸盐)、HBO2、H2WO4、H2CrO4、H2Cr2O7、H2TiO3、HZrO3、MAlO2、HMn2O4、HIO3、HIO4、HClO4或有机酸(例如甲酸或乙酸)。适宜的示例性碱为包括碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属或稀土金属或Al、Ga、In、Sn或Pb的氢氧化物、羟基氧化物或氧化物。
在一个实施方式中，反应物可包括酸或碱，其分别与碱酐或酸酐反应形成H2O催化剂及分别具有碱的阳离子及酸酐的阴离子或碱性酐的阳离子及酸的阴离子的化合物。酸性酐SiO2与碱NaOH的示例性反应为
4NaOH+SiO2→Na4SiO4+2H2O (160)
其中相应酸的脱水反应为
H4SiO4→2H2O+SiO2 (161)
其他适宜的示例性酐可包括元素、金属、合金或混合物，例如来自以下组者：Mo、Ti、Zr、Si、Al、Ni、Fe、Ta、V、B、Nb、Se、Te、W、Cr、Mn、Hf、Co及Mg。相应氧化物可包括以下中的至少一种：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。在一示例性实施方式中，碱包括氢氧化物(例如碱金属氢氧化物，例如MOH(M＝碱金属)，例如LiOH)，其可形成相应碱性氧化物(例如M2O，例如Li2O)及H2O。碱性氧化物可与酐氧化物反应形成产物氧化物。在LiOH与酐氧化物的释放H2O的示例性反应中，产物氧化物化合物可包括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。其他适宜的示例性氧化物为以下组中的至少一种：As2O3、As2O5、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、Bi2O3、SO2、SO3、CO2、NO2、N2O3、N2O5、Cl2O7、PO2、P2O3及P2O5及本领域技术人员已知的其他类似氧化物。另一实例由方程式(152)给出。金属氧化物的适宜的反应为
2LiOH+NiO→Li2NiO2+H2O (162)
3LiOH+NiO→LiNiO2+H2O+Li2O+1/2H2 (163)
4LiOH+Ni2O3→2Li2NiO2+2H2O+1/2O2 (164)
2LiOH+Ni2O3→2LiNiO2+H2O (165)
其他过渡金属(例如Fe、Cr及Ti)、内过渡金属及稀土金属及其他金属或类金属(例如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se及Te)可替代Ni，且其他碱金属(例如Li、Na、Rb及Cs)可替代K。在一个实施方式中，氧化物可包括Mo，其中在形成H2O的反应期间，可形成进一步反应以形成分数氢的新生H2O催化剂及H。示例性固体燃料反应及可能的氧化还原路径为
3MoO2+4LiOH→2Li2MoO4+Mo+2H2O (166)
2MoO2+4LiOH→2Li2MoO4+2H2 (167)
O2-→1/2O2+2e- (168)
2H2O+2e-→2OH-+H2 (169)
2H2O+2e-→2OH-+H+H(1/4) (170)
Mo4++4e-→Mo (171)
反应可进一步包括氢源(例如氢气)及离解剂(例如Pd/Al2O3)。氢可氕、氘或氚或其组合中的任一种。形成H2O催化剂的反应可包括两种氢氧化物反应形成水。氢氧化物的阳离子可具有不同氧化态，例如碱金属氢氧化物与过渡金属或碱土金属氢氧化物的反应的那些情况。反应混合物及反应可进一步包括及涉及来自源的H2，如在示例性反应中所给出：
LiOH+2Co(OH)2+1/2H2→LiCoO2+3H2O+Co (172)
反应混合物及反应可进一步包括及涉及金属M，例如碱金属或碱土金属，如在示例性反应中所给出：
M+LiOH+Co(OH)2→LiCoO2+H2O+MH (173)
在一个实施方式中，反应混合物包括金属氧化物及氢氧化物(其可用作H源)及可选地另一H源，其中金属氧化物的金属(例如Fe)可具有多个氧化态，从而其在反应形成H2O(其用作催化剂以与H反应形成分数氢)期间发生氧化-还原反应。一实例为FeO，其中Fe2+可在形成催化剂的反应期间氧化成Fe3+。示例性反应为
FeO+3LiOH→H2O+LiFeO2+H(1/p)+Li2O (174)
在一个实施方式中，至少一种反应物(例如金属氧化物、氢氧化物或羟基氧化物)用作氧化剂，其中金属原子(例如Fe、Ni、Mo或Mn)可处于高于另一可能氧化态的氧化态。形成催化剂及分数氢的反应可使原子还原成至少一种较低氧化态。金属氧化物、氢氧化物及羟基氧化物形成H2O催化剂的示例性反应为
2KOH+NiO→K2NiO2+H2O (175)
3KOH+NiO→KNiO2+H2O+K2O+1/2H2 (176)
2KOH+Ni2O3→2KNiO2+H2O (177)
4KOH+Ni2O3→2K2NiO2+2H2O+1/2O2 (178)
2KOH+Ni(OH)2→K2NiO2+2H2O (179)
2LiOH+MoO3→Li2MoO4+H2O (180)
3KOH+Ni(OH)2→KNiO2+2H2O+K2O+1/2H2 (181)
2KOH+2NiOOH→K2NiO2+2H2O+NiO+1/2O2 (182)
KOH+NiOOH→KNiO2+H2O (183)
2NaOH+Fe2O3→2NaFeO2+H2O (184)
其他过渡金属(例如Ni、Fe、Cr及Ti)、内过渡金属及稀土金属及其他金属或类金属(例如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se及Te)可替代Ni或Fe，且其他碱金属(例如Li、Na、K、Rb及Cs)可替代K或Na。在一个实施方式中，反应混合物包括对H2O稳定的金属(例如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)的氧化物及氢氧化物中的至少一种。另外，反应混合物包括氢源(例如H2气体)及可选的离解剂(例如位于载体上的贵金属)。
碱性酐NiO与酸HCl的示例性反应为
2HCl+NiO→H2O+NiCl2 (185)
其中相应碱的脱水反应为
Ni(OH)2→H2O+NiO (186)
反应物可包括路易斯酸或碱及质子酸或碱中的至少一种。反应混合物及反应可进一步包括及涉及包括氧的化合物，其中酸与包括氧的化合物反应形成水，如在以下示例性反应中所给出：
2HX+POX3→H2O+PX5 (187)
(X＝卤离子)。类似于POX3的化合物为适宜的，例如那些通过S代替P者。其他适宜的示例性酐可包括可溶于酸中的元素、金属、合金或混合物的氧化物，例如包括碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属或稀土金属或Al、Ga、In、Sn或Pb的氢氧化物、羟基氧化物或氧化物，例如来自Mo、Ti、Zr、Si、Al、Ni、Fe、Ta、V、B、Nb、Se、Te、W、Cr、Mn、Hf、Co及Mg的组者。相应氧化物可包括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。其他适宜的示例性氧化物为以下组的那些氧化物：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、In及Pb。在一示例性实施方式中，酸包括氢卤酸且产物为H2O及氧化物的金属卤化物。反应混合物进一步包括氢源(例如H2气体)及离解剂(例如Pt/C)，其中H与H2O催化剂反应形成分数氢。
在一个实施方式中，固体燃料包括H2源(例如渗透膜或H2气体)及离解剂(例如Pt/C)及H2O催化剂来源(其包括还原成H2O的氧化物或氢氧化物)。氧化物或氢氧化物的金属可形成用作H源的金属氢化物。碱金属氢氧化物及氧化物(例如LiOH及Li2O)的示例性反应为
LiOH+H2→H2O+LiH (188)
Li2O+H2→LiOH+LiH (189)
反应混合物可包括发生氢还原以得到H2O的金属氧化物或氢氧化物(例如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、In及Pb的那些氧化物或氢氧化物)及氢源(例如H2气体)及离解剂(例如Pt/C)。
在另一个实施方式中，反应混合物包括H2源(例如H2气体)及离解剂(例如Pt/C)及过氧化物化合物(例如H2O2，其分解成H2O催化剂及其他包括氧的产物(例如O2))。一些H2及分解产物(例如O2)可发生反应以也形成H2O催化剂。
在一个实施方式中，形成H2O催化剂的反应包括有机脱水反应，例如诸如多元醇等醇的脱水反应，例如糖至醛及H2O。在一个实施方式中，脱水反应涉及自末端醇释放H2O以形成醛。末端醇可包括释放可用作催化剂的H2O的糖或其衍生物。适宜的示例性醇为内消旋-间赤藻糖醇、半乳糖醇或甜醇及聚乙烯醇(PVA)。示例性反应混合物包括糖+氢离解剂(例如Pd/Al2O3+H2)。作为另一选择，反应包括将金属盐(例如具有至少一个水合水者)脱水。在一个实施方式中，脱水包括自水合物例如(水合离子及盐水合物，例如BaI2 2H2O及EuBr2nH2O)损失用作催化剂的H2O。
在一个实施方式中，形成H2O催化剂的反应包括以下物种的氢还原：包括氧的化合物(例如CO)、氧阴离子(例如MNO3(M＝碱金属))、金属氧化物(例如NiO、Ni2O3、Fe2O3或SnO)、氢氧化物(例如Co(OH)2)、羟基氧化物(例如FeOOH、CoOOH及NiOOH)及包括氧的物种(例如本公开可使用氢还原成H2O的那些物种)的化合物、氧阴离子、氧化物、氢氧化物、羟基氧化物、过氧化物、超氧化物及其他组合物。示例性包括氧或氧阴离子的化合物为SOCl2、Na2S2O3、NaMnO4、POBr3、K2S2O8、CO、CO2、NO、NO2、P2O5、N2O5、N2O、SO2、I2O5、NaClO2、NaClO、K2SO4及KHSO4。用于氢还原的氢源可为H2气体及氢化物(例如金属氢化物，例如本公开的那些氢化物)中的至少一种。反应混合物可进一步包括可形成包括氧的化合物或离子的还原剂。氧阴离子的阳离子可形成包括另一阴离子(例如卤化物、其他硫族化物、磷化物、其他氧阴离子、氮化物、硅化物、砷化物或本公开的其他阴离子)的产物化合物。示例性反应为
4NaNO3(c)+5MgH2(c)→5MgO(c)+4NaOH(c)+3H2O(l)+2N2(g) (190)
P2O5(c)+6NaH(c)→2Na3PO4(c)+3H2O(g) (191)
NaClO4(c)+2MgH2(c)→2MgO(c)+NaCl(c)+2H2O(l) (192)
KHSO4+4H2→KHS+4H2O (193)
K2SO4+4H2→2KOH+2H2O+H2S (194)
LiNO3+4H2→LiNH2+3H2O (195)
GeO2+2H2→Ge+2H2O (196)
CO2+H2→C+2H2O (197)
PbO2+2H2→2H2O+Pb (198)
V2O5+5H2→2V+5H2O (199)
Co(OH)2+H2→Co+2H2O (200)
Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O (201)
3Fe2O3+H2→2Fe3O4+H2O (202)
Fe2O3+H2→2FeO+H2O (203)
Ni2O3+3H2→2Ni+3H2O (204)
3Ni2O3+H2→2Ni3O4+H2O (205)
Ni2O3+H2→2NiO+H2O (206)
3FeOOH+1/2H2→Fe3O4+2H2O (207)
3NiOOH+1/2H2→Ni3O4+2H2O (208)
3CoOOH+1/2H2→Co3O4+2H2O (209)
FeOOH+1/2H2→FeO+H2O (210)
NiOOH+1/2H2→NiO+H2O (211)
CoOOH+1/2H2→CoO+H2O (212)
SnO+H2→Sn+H2O (213)
反应混合物可包括阴离子源或阴离子及氧源或氧(例如包括氧的化合物)，其中形成H2O催化剂的反应包括可选地使用来自源的与氧反应形成H2O的H2进行阴离子-氧交换反应。示例性反应为
2NaOH+H2+S→Na2S+2H2O (214)
2NaOH+H2+Te→Na2Te+2H2O (215)
2NaOH+H2+Se→Na2Se+2H2O (216)
LiOH+NH3→LiNH2+H2O (217)
在固体燃料或CIHT电池反应混合物的另一个实施方式中，分数氢反应包括硫族化物之间的交换反应，例如包括O及S的反应物之间的交换反应。示例性硫族化物反应物(例如四面体四硫钼酸铵)含有([MoS4]2-)阴离子。形成新生H2O催化剂及可选的新生H的示例性反应包括钼酸盐[MoO4]2-与硫化氢在氨存在下发生反应：
[NH4]2[MoO4]+4H2S→[NH4]2[MoS4]+4H2O (218)
在一个实施方式中，反应混合物包括氢源、包括氧的化合物及至少一种能够与反应混合物的至少一种其他元素形成合金的元素。形成H2O催化剂的反应可包括以下二者的交换反应：包括氧的化合物的氧及能够与氧化合物的阳离子形成合金的元素，其中氧与来自源的氢反应形成H2O。示例性反应为
NaOH+1/2H2+Pd→NaPb+H2O (219)
NaOH+1/2H2+Bi→NaBi+H2O (220)
NaOH+1/2H2+2Cd→Cd2Na+H2O (221)
NaOH+1/2H2+4Ga→Ga4Na+H2O (222)
NaOH+1/2H2+Sn→NaSn+H2O (223)
NaAlH4+Al(OH)3+5Ni→NaAlO2+Ni5Al+H2O+5/2H2 (224)
在一个实施方式中，反应混合物包括含有氧的化合物(例如羟基氧化物)及还原剂(例如形成氧化物的金属)。形成H2O催化剂的反应可包括羟基氧化物与金属反应形成金属氧化物及H2O。示例性反应为
2MnOOH+Sn→2MnO+SnO+H2O (225)
4MnOOH+Sn→4MnO+SnO2+2H2O (226)
2MnOOH+Zn→2MnO+ZnO+H2O (227)
在一个实施方式中，反应混合物包括含有氧的化合物(例如氢氧化物)、氢源及至少一种包括不同阴离子(例如卤化物)或另一元素的其他化合物。形成H2O催化剂的反应可包括氢氧化物与其他化合物或元素发生反应，其中阴离子或元素与氢氧化物发生交换以形成阴离子或元素的另一化合物，且氢氧化物与H2反应形成H2O。阴离子可包括卤化物。示例性反应为
2NaOH+NiCl2+H2→2NaCl+2H2O+Ni (228)
2NaOH+I2+H2→2NaI+2H2O (229)
2NaOH+XeF2+H2→2NaF+2H2O+Xe (230)
BiX3(X＝halide)+4Bi(OH)3→3BiOX+Bi2O3+6H2O (231)
可选择氢氧化物及卤化物化合物，从而形成H2O及另一卤化物的反应热可逆。在一个实施方式中，一般交换反应为
NaOH+1/2H2+1/yMxCly＝NaCl+6H2O+x/yM (232)
其中示例性化合物MxCly为AlCl3、BeCl2、HfCl4、KAgCl2、MnCl2、NaAlCl4、ScCl3、TiCl2、TiCl3、UCl3、UCl4、ZrCl4、EuCl3、GdCl3、MgCl2、NdCl3及YCl3。在高温下(例如在约100℃～2000℃的范围内)，方程式(232)的反应的焓及自由能中的至少一种约为0kJ且该反应可逆。由各反应的相应热力学参数计算可逆温度。代表性温度范围为NaCl-ScCl3：约800-900K、NaCl-TiCl2：约300-400K、NaCl-UCl3：约600-800K、NaCl-UCl4：约250-300K、NaCl-ZrCl4：约250-300K、NaCl-MgCl2：约900-1300K、NaCl-EuCl3：约900-1000K、NaCl-NdCl3：约>1000K及NaCl-YCl3：约>1000K。
在一个实施方式中，反应混合物包括氧化物(例如金属氧化物，例如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属及稀土金属氧化物及其他金属及类金属的那些氧化物(例如Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se及Te的那些氧化物))、过氧化物(例如M2O2，其中M为碱金属，例如Li2O2、Na2O2及K2O2)及超氧化物(例如MO2，其中M为碱金属，例如NaO2、KO2、RbO2及CsO2，及碱土金属超氧化物)及氢源。离子型过氧化物可进一步包括Ca、Sr或Ba的那些过氧化物。形成H2O催化剂的反应可包括使用氢还原氧化物、过氧化物或超氧化物以形成H2O。示例性反应为
Na2O+2H2→2NaH+H2O (233)
Li2O2+H2→Li2O+H2O (234)
KO2+3/2H2→KOH+H2O (235)
在一个实施方式中，反应混合物包括氢源(例如以下中的至少一种：H2；氢化物，例碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属及稀土金属氢化物及本公开的那些氢化物中的至少一种；及包括可燃烧氢的氢源或其他化合物，例如金属酰胺)及氧源(例如O2)。形成H2O催化剂的反应可包括H2、氢化物或氢化合物(例如金属酰胺)氧化形成H2O。实例性反应为
2NaH+O2→Na2O+H2O (236)
H2+1/2O2→H2O (237)
LiNH2+2O2→LiNO3+H2O (238)
2LiNH2+3/2O2→2LiOH+H2O+N2 (239)
在一个实施方式中，反应混合物包括氢源及氧源。形成H2O催化剂的反应可包括氢源及氧源中的至少一种发生分解以形成H2O。示例性反应为
NH4NO3→N2O+2H2O (240)
NH4NO3→N2+1/2O2+2H2O (241)
H2O2→1/2O2+H2O (242)
H2O2+H2→2H2O (243)
本文在此化学反应器部分中所揭示的反应混合物进一步包括形成分数氢的氢源。源可原子氢来源，例如氢离解剂及H2气体或金属氢化物，例如本公开的离解剂及金属氢化物。提供原子氢的氢源可为包括氢的化合物，例如氢氧化物或羟基氧化物。反应形成分数氢的H可为通过一种或多种反应物的反应所形成的新生H，其中至少一种反应物包括氢源，例如氢氧化物与氧化物的反应。反应也可形成H2O催化剂。氧化物及氢氧化物可构成同一化合物。例如，羟基氧化物(例如FeOOH)可脱水以提供H2O催化剂且也在脱水期间提供用于分数氢反应的新生H：
4FeOOH→H2O+Fe2O3+2FeO+O2+2H(1/4) (244)
其中在反应期间所形成的新生H反应成分数氢。其他示例性反应为氢氧化物及羟基氧化物或氧化物(例如NaOH+FeOOH或Fe2O3)形成碱金属氧化物(例如NaFeO2+H2O)的那些反应，其中在反应期间所形成的新生H可形成分数氢，其中H2O用作催化剂。氢氧化物离子发生还原及氧化以形成H2O及氧化物离子。氧化物离子可与H2O反应形成OH-。使用氢氧化物-卤化物交换反应可获得相同路径，例如下列反应：
2M(OH)2+2M'X2→H2O+2MX2+2M'O+1/2O2+2H(1/4) (245)
其中示例性M及M’金属为分别碱土金属及过渡金属，例如Cu(OH)2+CuBr2或Co(OH)2+CuBr2。在一个实施方式中，自反应混合物去除过量本体H2O，从而其并不抑制新生HOH分数氢催化剂的形成及功能。在一个实施方式中，可在反应之前干燥反应液。可添加H2O及H2中的至少一种以再生反应物，且可在重复反应之前去除过量本体H2O。在一个实施方式中，M及M’可选自以下组：碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属及稀土金属、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、第13、14、15及16族元素及氢氧化物或卤化物的其他阳离子(例如本公开的那些阳离子)。形成HOH催化剂、新生H及分数氢中的至少一种的示例性反应为
4MOH+4M'X→H2O+2M'2O+M2O+2MX+X2+2H(1/4) (246)
在一个实施方式中，反应混合物包括氢氧化物及卤化物化合物(例如本公开的那些化合物)中的至少一种。在一个实施方式中，卤化物可用于促进新生HOH催化剂及H中的至少一种的形成及维持中的至少一种。在一个实施方式中，混合物可用于降低反应混合物的熔点。
酸-碱反应形成H2O催化剂的另一方式。因此，热化学反应类似于形成分数氢的电化学反应。示例性卤化物及氢氧化物混合物为Bi、Cd、Cu、Co、Mo及Cd的那些卤化物及氢氧化物混合物及以下组中具有低水反应性的金属的氢氧化物及卤化物混合物：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。在一个实施方式中，反应混合物进一步包括可用作H及催化剂中的至少一种的源的H2O(例如新生H2O)。水可呈水合物形式，其在反应期间发生分解或以其他方式发生反应。
在一个实施方式中，固体燃料包括H2O及形成新生H及新生H2O的无机化合物的反应混合物。无机化合物可包括与H2O反应的卤化物，例如金属卤化物。反应产物可为氢氧化物、羟基氧化物、氧化物、氧卤化物、羟基卤化物及水合物中的至少一种。其他产物可包括含有氧及卤素的阴离子，例如XO-、XO2 -、XO3 -及XO4 -(X＝卤素)。产物也可为经还原阳离子及卤素气体中的至少一种。卤化物可为金属卤化物，例如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属及稀土金属及Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge及B及形成卤化物的其他元素中的一种的卤化物。金属或元素可另外为形成氢氧化物、羟基氧化物、氧化物、氧卤化物、羟基卤化物、水合物中的至少一种的金属或元素，及形成具有包括氧及卤素的阴离子(例如XO-、XO2 -、XO3 -及XO4 -(X＝卤素))的化合物的金属或元素。适宜的示例性金属及元素为以下中的至少一种：碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属及稀土金属及Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge及B。示例性反应为
5MX2+7H2O→MXOH+M(OH)2+MO+M2O3+11H(1/4)+9/2X2 (247)
其中M为金属(例如过渡金属，例如Cu)且X为卤素(例如Cl)。
反应混合物可进一步包括载体，例如导电性高表面积载体。适宜的示例性载体为本公开的那些载体，例如金属粉末(例如Ni或R-Ni)、金属网(例如Ni)、碳化物(例如TiC及WC)及硼化物。载体可包括离解剂(例如Pd/C或Pd/C)。反应物可具有任一期望摩尔比率。在一个实施方式中，化学计量应使得有利于完成反应以形成H2O催化剂且提供形成分数氢的H。反应温度可在任一期望范围内，例如在约环境温度至1500℃的范围内。压力范围可为任一期望值，例如在约0.01托～500大气压的范围内。反应为通过本文及先前US专利申请案中所揭示方法实施的再生及可逆反应中的至少一种：例如Hydrogen Catalyst Reactor，PCT/US08/61455，4/24/2008；Heterogeneous Hydrogen Catalyst Reactor，PCT/US09/052072，7/29/2009提交的PCT；Heterogeneous Hydrogen Catalyst Power System，PCT/US10/27828，3/18/2010提交的PCT；Electrochemical Hydrogen Catalyst Power System，PCT/US 11/28889，3/17/2011提交的PCT；及H2O-Based Electrochemical Hydrogen-CatalystPower System，PCT/US 12/31369，3/30/2012提交；以引用方式将其完整并入本文。如本领域技术人员已知，可通过改变反应条件(例如温度及压力)以使消耗H2O的逆反应发生来逆转形成H2O的反应。例如，可在逆向反应中增加H2O压力以通过再水合自产物重新形成反应物。在其他情况中，可通过氧化(例如通过与氧及H2O中的至少一种进行反应)来再生氢还原产物。在一个实施方式中，可从反应去除逆反应产物，从而继续进行逆反应或再生反应。通过去除至少一种逆反应产物可使逆反应变得有利，即使基于平衡热力学并不有利的情况中。在一示例性实施方式中，再生反应物(逆反应或再生反应产物)包括氢氧化物，例如碱金属氢氧化物。可通过诸如溶剂化或升华等方法来去除氢氧化物。在后一情况中，碱金属氢氧化物在约350～400℃范围内的温度下发生升华且并不变化。可在先前US专利申请案的电厂系统中维持反应。来自产生电力的电池的热能可将热提供至至少一个如先前所揭示发生再生的其他电池。作为另一选择，可通过改变如先前所揭示系统设计(因在所选电池区域中具有冷却剂而具有温度梯度)的水壁温度来使形成H2O催化剂的反应与逆向再生反应的平衡发生位移。
在一个实施方式中，可通过添加H2及H2O中的至少一种来进行氢氧化物及卤化物化合物混合物(例如Cu(OH)2+CuBr2)的再生反应。可通过升华卤化物来分离诸如卤化物及氧化物等产物。在一个实施方式中，可在加热条件下将H2O添加至反应混合物中以自反应产物形成氢氧化物及卤化物(例如CuBr2及Cu(OH)2)。在一个实施方式中，可通过热循环步骤来达成再生。在一个实施方式中，卤化物(例如CuBr2)具有H2O可溶性，而氢氧化物(例如Cu(OH)2)不溶。可通过过滤或沉淀来分离再生化合物。可干燥化学物种，其中热能可来自反应。可自所分离水蒸气恢复热。该恢复可通过热交换器或通过使用直接用于加热或使用(例如)涡轮及生成器生成电的蒸汽来进行。在一个实施方式中，通过使用H2O裂解催化剂自CuO再生Cu(OH)2。适宜的催化剂为位于载体上的贵金属(例如Pt/Al2O3)及通过烧结CuO及Al2O3形成的CuAlO2、磷酸钴、硼酸钴、甲基硼酸钴、硼酸镍、RuO2、LaMnO3、SrTiO3、TiO2及WO3。形成H2O裂解催化剂的示例性方法为分别在0.92V及1.15V的电势下(相对于正常氢电极)于约0.1M磷酸硼酸钾(potassium phosphate borate)电解质(pH 9.2)中受控性电解Co2+及Ni2+溶液。示例性热可逆固体燃料循环为
T 100 2CuBr2+Ca(OH)2→2CuO+2CaBr2+H2O (248)
T 730 CaBr2+2H2O→Ca(OH)2+2HBr (249)
T 100 CuO+2HBr→CuBr2+H2O (250)
T 100 2CuBr2+Cu(OH)2→2CuO+2CaBr2+H2O (251)
T 730 CuBr2+2H2O→Cu(OH)2+2HBr (252)
T 100 CuO+2HBr→CuBr2+H2O (253)
在一个实施方式中，选择具有H2(作为反应物)及H2O(作为产物)中的至少一种及H2或H2O(作为反应物及产物中的至少一种)中的一种或多种的固体燃料反应混合物，从而任何传统反应的最大理论自由能约为零，此在限制试剂的-500kJ/摩尔至+500kJ/摩尔的范围内或优选地在限制试剂的-100kJ/摩尔至+100kJ/摩尔的范围内。可将反应物及产物的混合物维持于以下温度中的一种或多种处：大约自由能约为零的最佳温度，及大约反应可逆以至少在长于反应时间的持续时间内在并不维持混合物及温度下获得再生或稳定电力的最佳温度。温度可在最佳温度的约+/-500℃或约+/-100℃的范围内。示例性混合物及反应温度为Fe、Fe2O3、H2及H2O在800K下的化学计量混合物及Sn、SnO、H2及H2O在800K下的化学计量混合物。
在一个实施方式中，形成分数氢的化学及CIHT电池反应中的至少一种的产物为包括分数氢或较低能量氢物种(如H2(1/p))的化合物与无机化合物的复合物。化合物可包括氧阴离子化合物，例如碱金属或碱土金属碳酸盐或氢氧化物或本公开的其他该化合物。在一个实施方式中，产物包括M2CO3·H2(1/4)及MOH·H2(1/4)(M＝碱金属或本公开的其他阳离子)复合物中的至少一种。可通过ToF-SIMS鉴别产物，其呈现为分别包括M(M2CO3·H2(1/4))n +及M(KOH·H2(1/4))n +的正谱中的离子系列，其中n为整数及整数且整数p>1可替代4。在一个实施方式中，包括硅及氧的化合物(例如SiO2或石英)可用作H2(1/4)的吸气剂。H2(1/4)的吸气剂可包括过渡金属、碱金属、碱土金属、内过渡金属、稀土金属、金属组合、合金(例如Mo合金，例如MoCu)及储氢材料(例如本公开的那些材料)。
本公开化合物优选地大于0.1原子％纯。更优选地，化合物大于1原子％纯。甚至更优选地，化合物大于10原子％纯。最优选地，化合物大于50原子％纯。在另一个实施方式中，化合物大于90原子％纯。在另一个实施方式中，化合物大于95原子％纯。
化合物的应用包含用于以下中：电池组、燃料电池、切割材料、轻质高强度结构材料及合成纤维、用于热离子生成器的阴极、光致发光化合物、抗腐蚀涂层、抗热涂层、发光用磷光体、光学涂层、光学滤光器、远紫外激光介质、光纤电缆、磁体及磁性计算机储存媒体及蚀刻剂、掩蔽剂、半导体制造中的掺杂剂、燃料、炸药及推进剂。具有增加的结合能的氢化合物可用于化学合成处理方法及精制方法。具有增加的结合能的氢离子可用作高电压电解池的电解质的负离子。
在一个实施方式中，通过加热催化剂来源及氢源(例如本公开的固体燃料)来形成分数氢。加热可为热加热及撞击加热中的至少一种。根据实验，拉曼光谱证实通过球磨固体燃料(例如氢氧化物及卤化物的混合物，例如包括碱金属(例如Li)的混合物)形成分数氢。例如，从经球磨的LiOH+LiI及LiOH+LiF在2308cm-1处观察到反拉曼效应峰。因此，适宜的示例性混合物为LiOH+LiI或LiF。在一个实施方式中，通过爆炸来达成热学加热及撞击加热中的至少一种。在此情况中，通过形成分数氢提供其他高能反应。
在一个实施方式中，H2(1/p)可用作MRI顺磁性造影剂，因为量子数1非零。
容许量值△J＝+1的转动选择规则的非零量子数1使得可进行H2(1/p)分子激光。
在一个实施方式中，因H2(1/p)为顺磁性，故其具有高于H2的液化温度。可通过低温分离方法收集本体分数氢气体。
XII.实验
A.示例性CIHT电池测试结果
在大气中组装熔融盐CIHT电池(其各自包括含于惰性氧化铝坩埚中的阳极、共熔熔融盐电解质及阴极)，且在闭合容器(其通过鼓泡氩载体气体通过H2O储槽或通过使用水生成器供应有H2O，且维持于30℃～50℃的示例性温度范围内(31托～93托H2O))中加热。电解质包括熔融盐(例如LiOH-LiBr)及可选的基质(例如MgO)。在间歇性电解下工作电池，其中由H2O在放电阳极处形成氢且在放电阴极处形成氧。在放电期间，反应及电流发生逆转以形成新生H2O催化剂及分数氢并得到过量电流及能量，从而达成净过量电能平衡。在另一变化形式中，在部分地对空气开放下运行此类电池。另一类型包括电解质水溶液(例如饱和KOH)及在对空气开放的间歇性电解条件下工作的不同阴极及阳极。下文给出来自指定为[阳极/电解质/阴极]的示例性电池(例如[Ni/LiOH-LiBr-MgO/NiO(闭合或空气)]及[[Co粉末碳黑/KOH(饱和水溶液)/Ni(空气)]]的结果。
50813SCS4-528-Hypr电池-Co TCA-1+1(SKO)阴极，具有约0.1g蒸汽活性碳粉末
Hypr电池-CNi6/锂化NiO阴极，具有SAC粉末
Co TCA/LiOH+LiBr+MgO/1层CNi6(中国)/1层锂化NiO
(042513MC181)w/具有约0.1g蒸汽活性碳粉末-水平带状
阳极：Co TCA(050213MC188)2.0”OD，其置于0.01”SS管上的1.5”Ni渗透圆盘的顶部及底部(13.953g)
阴极：1层CNi6(中国)cellmet/1层锂化NiO(042513MCl81)，具有约0.1g蒸汽活性碳粉末(SAC)-水平带状
7.5g LiOH+37.5g LiBr+12g MgO，具有2-1/16”陶瓷间隔件
0.6V-T下的累积净增益：1.88X
0.6V-T下的累积净E：4.20Whr
0.6V-T下的累积放电E：8.98Whr
至0.6V-T的H2渗透理论能量：1.61Whr
至0.6V-T的H2平均速率：2.90nmol/cm2/s
0.6V-T下的净增益-H2理论值：2.6Whr
0.6V基础下的电池功率：119.3mW
至0.6V-T的平均IR：88.1毫欧
面积电流密度(阳极)：9.9mA/cm^2
面积电流密度(阴极)：9.9mA/cm^2
体积电流密度(阳极)：30.8mA/cm^3
体积电流密度(阴极)：9.9mA/cm^3
位置：MSTAT-10
OCV：1.0105V
至0.6V-T的电池持续时间：116.8hr
总电池持续时间：119.9hr
电池类型：渗透
大气类型：空气，20.9％O2
流速：N/A N/A
增湿：NA，室温(℃)
吸气剂：NA@Top HandM
程序充电：0.2s，200mA
程序放电：0.4s/0.6V，200mA
热(IB、OB、OM/获取)：407 4/8/2013
终止日期/原因：达到最低值0.6V，4/13/2013
电池变化形式：HT TC
最低值0.6V(116.84hr)下的增益＝1.878X，净能量＝4.199Whr
116.84hr时的H2渗透理论能量＝1.61Whr，速率＝2.9nmol/cm2/s
156.5hr时的电池[082212JT1-43]状态
最新瞬时增益：1.80X
最新累积净增益：1.80X
最新累积放电E：10.328Whr
最新累积充电E：5.739Whr
最新累积净E：4.588Whr
电池平均功率：102.7mW
电池终止功率：96.6mW
电池连续功率：30mW
面积功率密度(阳极)：5.75mW/cm^2
位置：BLPB-11
72小时的电压范围：1.09-1.04V，稳定156.5hr
最新运行时间：156.5hr
电池类型：H2PSparge，800托0.015”厚Ni TTC(Ni 255粉末)圆盘膜，其以Ni接缝焊接至匹配物片；在中心焊接有1/8”不锈钢气体管线；净顶部圆盘表面积约为19cm2
H2渗透速率：4.4X10-9摩尔H2/cm2/s
大气类型：空气，20.9％O2
增湿：无
程序充电：2s，100mA
程序放电：4s，100ma
在电压达到90V时停止程序
121912JG1-1337：Cu-Co(TCA，H2渗透)/LiBr-LiOH/Li2O-NiO(空气)
阳极：3”直径Cu-Co TCA(3片)，其包覆有2”直径Ni(0.01”)渗透圆盘
阴极：Li2O-NiO，3”直径X1.5”H果酱卷。
电解质：50g LiOH，250g LiBr
电池温度：420℃，H2：945托
充电/放电：0.2s/0.4s，600mA，电压下限：0.65V
增益＝1.58
121812JH-505：Cu-Co(TCA)/LiBr-LiOH-MgO/NiO(空气)
阳极：1.5”直径Cu-Co TCA(2片)
阴极：NiO，1.5”直径X1.5”H果酱卷。
电解质：15g LiOH，75g LiBr
电池温度：420℃
充电/放电：0.2s/0.4s，600mA，电压下限：0.70V
增益＝1.78
102212GC1-1267号(渗透电池，高频，圆柱阴极)(B-3号)带状铸材(84％Co+16％Cu，其带式浇注于载体Ni celmet CN6C中)，其包覆由经焊接的Ni圆盘保护的Ni网/LiOH-LiBr/NiO圆柱(对空气开放)，60mA充电0.2s；60mA放电0.4s直至V>＝0.7V；A：带式浇注的Ni网-Ni圆盘(d：1.5’，总共23.97g)；C：NiO圆柱(d：2.0’；h：2.7’)；电解质：20g LiOH+100gLiBr；设置温度＝445℃，实际温度：420℃
注意：初始OCV为1.0189V。功率密度为4.52mW/cm^2。
阳极072612TCA，3片，经包覆，10.51g，总共23.97g。H2初始压力为805.4托。(10/25/2012)：2d+13h；V-基础＝0.875V；瞬时增益：1.89X；内阻：173毫欧；净能量：0.98Wh。
(10/26/2012)：3d+5h；V-基础＝0.874V；瞬时增益：1.89X；内阻：173毫欧。净能量：1.24Wh。在4天之后终止且收集试样。总能量：2.64Wh/1.40Wh＝1.89X。
剩余23.96g，损失0.01g(形成NiO，能量：0.0083Wh)；H2能量贡献为0.64Wh(根据渗透速率计算)；额外能量＝1.24Wh-0.64Wh-0.0083Wh＝0.59Wh。未看到腐蚀。
102212GC2-1268号(渗透电池，高频，圆柱阴极)(B-5号)带状铸材(84％Co+16％Cu，其带式浇注于载体Ni celmet CN6C中)，其包覆由经焊接Ni圆盘保护的Ni网/LiOH-LiBr-MgO/NiO圆柱(对空气开放)，60mA充电0.2s；60mA放电0.4s直至V>＝0.7V；A：带式浇注的Ni网-Ni圆盘(d：1.5’，总共25.34g)；C：NiO圆柱(d：2.0’；h：2.7’)；电解质：20g LiOH+100g LiBr+35g MgO；设置温度＝480℃，实际温度：420℃。
注意：初始OCV为0.981V。功率密度为4.47mW/cm^2。
阳极072612TCA，3片，经包覆，10.40g，总共25.34g。H2初始压力为806.4托。(10/25/2012)：2d+13h；V-基础＝0.823V；瞬时增益：1.90X；内阻：160毫欧；净能量：0.93Wh。
(10/26/2012)：3d+5h；V-基础＝0.821V；瞬时增益：1.89X；内阻：160毫欧。净能量：1.18Wh。在4天之后终止且收集试样。总能量：2.51Wh/1.33Wh＝1.89X。剩余25.58g，增加0.24g，因残余不溶性MgO；H2能量贡献为0.53Wh(根据渗透速率计算)；额外能量＝1.18Wh-0.53Wh＝0.65Wh。未看到腐蚀。
090712GC2-1224号(渗透电池，圆柱阴极，H2压力：900托)(B-19号)经焊接Ni圆盘/LiOH-LiBr/NiO圆柱(对空气开放)，50mA充电0.2s；50mA放电0.4s直至V>＝0.7V；A：经焊接Ni圆盘(d：1.75’，总共33.76g)；C：NiO圆柱(d：2.25’；h：3’)；电解质：20g LiOH+100g LiBr；设置温度＝480℃，实际温度：430℃。初始OCV为1.092V。功率密度为3.20mW/cm^2。电流变至100mA。(9/18/2012)：8d+21h；V-基础＝0.796V；瞬时增益：1.57X；内阻：358毫欧；净能量：4.16Wh。(9/19/2012)：9d+17h；V-基础＝0.741V；瞬时增益：1.53X；内阻：320毫欧；净能量：4.54Wh。停止，称重，且以相同工作参数及性能重新开始：总能量：12.36Wh(放电能量)/7.51Wh(充电能量)＝1.65X。重量：33.76g(前)；33.68g(后)。电池1224的结果显示，Ni渗透阳极可通过约1.25E-8摩尔/s cm2(2.5mW/cm2)下的H2渗透予以稳定。
在80mA/cm^2下的092412SCS1-118测试再焊接(TIG点焊)Mo板
Mo(100)，具有再焊接Ni/LiOH+LiBr/NiO
阳极：Mo(100)，具有再焊接Ni，1cm2正方形(2.457g)
阴极：Ni6-NiO卷，2”高X1.5”OD(27.353g)
15LiOH+75g LiBr，具有约2mm环形间隔件
位置：Arbin3-1
OCV：1.1047V
程序充电：1s，80mA
程序放电：2s/0.7V，80mA
在40mA/cm^下于HTTB MoNi 50：50中制得的092412SCS3-120测试合金
MoNi(50-50)HTTB/LiOH+LiBr/NiO
阳极：MoNi(50-50)HTTB，1cm2正方形(2.724g)
阴极：Ni6-NiO卷，2”高X1.5”OD(32.602g)
15LiOH+75g LiBr，具有约2mm环形间隔件
OCV：996mV
程序充电：1s，25mA
程序放电：2s/0.8V，25mA
电池名称：082812JT1-45(通过电镀Mo再生)。阳极：使用具有1”ID的.02”厚Ni垫片将两片直径为1.5”的商业.02”厚MoCu 5/5at.％箔(Ametek)焊接至一起。顶部MoCu箔在中心具有.25”直径孔，在该孔中焊接.25”OD 8”高Ni管。阴极：5mm厚经氧化Ni果酱卷，直径为1.5”且高2”，在中心具有.468”孔。电解质：称取15g LiOH及75g LiBr且置于氧化铝坩埚中，然后加热至430℃，组件：使用氢渗透设置对阳极进行泄漏检查(低至0.2托)。在泄漏检查后，将阳极关闭以维持于真空下，同时使用氢将氢供应罐再填充至998.1托。然后填充阳极且记录压力为971.2托。然后将阳极置于电解质中且静置，在此期间罐中的压力小幅增加至973.1托。此为用于电池压力的起始值。使用整个组件的该三个压力及所计算体积来计算移动穿过阳极隔膜的氢的量。
测试：首先如下表中所显示来测试电池：
此时，电池具有3.11Wh的净能量。因增益较差，故添加0.5g MoO2以再生电池。为此，暂时自电解质浴取出电池同时将MoO2倾倒至电解质中。然后将电池组件放置回浴中且根据测试计划向电池施加1.2V。需要约300mA的初始电流，但渐近地降至58mA，整个持续时间持续6小时。在MoO2处理后，应用.2/.4s 50mA的方案。日期及电压范围显示于下文中：
在第7天，电池具有2.46Wh的新净能量且来自氢的平均功率为1.96mW。在0.824-0.867V之间于50mA下(运行.2/.4s波形)运行电池且在36小时过程中获得.36Wh的净能量。在第28天，氢压趋于平衡且电池不再需要外部H2。
092412GC1-1241号(渗透电池，高频，圆柱阴极)(B-8号)经焊接的Mo-Mo圆盘/LiOH-LiBr-MgO/NiO圆柱(对空气开放)50mA充电0.2s；50mA放电0.4s直至V>＝0.7V；A：经焊接Mo-Mo圆盘(d：1.5cm，总共9.67g)；C：NiO圆柱(d：2.25’；h：3’)；电解质：20g LiOH+100gLiBr+35g MgO；设定温度＝490℃，实际温度：420℃
注意：初始OCV为1.0255V。功率密度为24.4mW/cm^2。
091912GC2-1238号(高频，较小正方形阳极，圆柱阴极)(A-15号)正方形Mo-Cu箔/LiOH-LiBr/NiO圆柱(对空气开放)80mA充电0.2s；80mA放电0.4s直至V>＝0.7V；A：Mo-Cu(50：50；1cm^2，2.39g，包含导线)；C：NiO圆柱(d：1.5’；h：2’)；电解质：20g LiOH+100gLiBr；设置温度＝485℃，实际温度：420℃
注意：初始OCV为0.896V。功率密度：60.0mW/cm^2。(9/20/2012)：22h；V-基础＝0.699V；瞬时增益：1.63X；内阻：323毫欧。(9/21/2012)：1d+14h；V-基础＝0.698V；瞬时增益：1.46X；内阻：316毫欧。
091712GC2-1234号(H2渗透电池-经Ni-Co带状铸材涂覆的阳极，高频，圆柱阴极)(B-12号)Ni圆盘(090512TCA)/LiOH-LiBr/NiO圆柱(对空气开放)50mA充电0.2s；50mA放电0.4s直至V>＝0.7V；A：Ni渗透电极，其在外表面上固定有Ni网且涂覆有带状铸材(涂覆95％Ni+5％Co，d：1.5’，总共31.60g)；C：NiO圆柱(d：2.25’；h：3’)；电解质：20g LiOH+100gLiBr；设置温度＝450℃，实际温度：420℃
注意：初始OCV为1.10V。功率密度：4.08mW/cm^2。与渗透电池：090712GC2-1224号进行比较。(9/20/2012)：2d+13h；V-基础＝0.934V；瞬时增益：1.92X；内阻：57毫欧；净能量：0.90Wh。(9/21/2012)：3d+5h；V-基础＝0.994V；瞬时增益：1.91X；内阻：128毫欧；净能量：1.15Wh。将电流改变至100mA。
72hr时的电池[082212JT1-43]状态
最新瞬时增益：1.82X
最新累积净增益：1.82X
最新累积放电E：1.9850Whr
最新累积充电E：1.0907Whr
最新累积净E：0.8943Whr
电池功率：48.95mW
面积功率密度(阳极)：16.3mW/cm^2
位置：Arbin16-7
72小时的电压范围：1.09-0.97V，稳定72hr
最新运行时间：72hr
电池类型：H2渗透，785托0.02”厚MoCu(50：50)(来自Ametek的商业材料)圆盘膜，其以Ni接缝焊接至匹配物片；在中心焊接有1/4”不锈钢气体管线；净顶部圆盘表面积约为3cm2
H2渗透速率：2.5X10-8摩尔H2/s(形成H2O的约4mW最大理论值)
大气类型：空气，20.9％O2
增湿：DI H2O，室温(℃)
程序充电：0.2s，50mA
程序放电：0.4s或直至0.7V为止，50mA
1天时的电池[082412JT1-44]状态
最新瞬时增益：1.83X
最新累积净增益：1.83X
最新累积放电E：1.3935Whr
最新累积充电E：0.7604Whr
最新累积净E：0.6331Whr
电池功率：92.3mW
面积功率密度(阳极)：30.7mW/cm^2
位置：Arbin 16-8
1天的电压范围：0.957-0.889V，基本稳定24hr
最新运行时间：1天
电池类型：H2渗透，785托0.02”厚MoCu(50：50)(来自Ametek的商业材料)圆盘膜，其以Ni接缝焊接至匹配物片；在中心焊接有1/4”不锈钢气体管线；净顶部圆盘表面积约为3cm2
H2渗透速率：3X10-8摩尔H2/s(形成H2O的约5mW最大理论值)
大气类型：空气，20.9％O2
增湿：DI H2O，室温(℃)
程序充电：0.2s，100mA
程序放电：0.4s或直至0.7V为止，100mA
071812GC2-1141号(高功率密度，圆柱阴极)(A-21号)
Mo-C(50：50)合金块/LiOH-LiBr/NiO圆柱(对空气开放)
80mA充电2s；80mA放电4s直至V>＝0.6V；A：Mo-Ni-C(d：1.0cm，3.27g，包含导线)；C：NiO圆柱(d：1.5’；h：2’)；电解质：20g LiOH+100g LiBr；设置温度＝520℃，实际温度：450℃；注意：初始OCV为1.134V。阳极：Mo-C合金。(7/25/2012)：6d+12h；总计：6.4736Wh/3.7698Wh＝1.72X。净能量：2.7038Wh。
072612GC1-1158号(高功率密度，圆柱阴极)(A-10号)
Mo-Si(60：40)合金/LiOH-LiBr/NiO圆柱(对空气开放)
50mA充电2s；50mA放电4s直至V>＝0.6V；A：Mo-Si(d：1.0cm，2.25g，包含导线)；C：NiO圆柱(d：1.5’；h：2’)；电解质：20g LiOH+100g LiBr；设置温度＝460℃，实际温度：430℃。注意：初始OCV为1.14V。(8/03/2012)：6d+2h；V-基础＝0.600V；瞬时增益：1.47X；内阻：738毫欧。总能量：3.87Wh/2.42Wh＝1.60X。净能量：1.45Wh。
072412GC1-1151号(高功率密度，圆柱阴极)(A-14号)Mo-B(50：50)合金/LiOH-LiBr/NiO圆柱(对空气开放)50mA充电2s；50mA放电4s直至V>＝0.6V；A：Mo-B(d：0.8cm，1.64g，包含导线)；C：NiO圆柱(d：1.5’；h：2’)；电解质：20g LiOH+100g LiBr；设置温度＝500℃，实际温度：450℃。注意：初始OCV为1.39V。阳极极小且功率密度较高(108.8mW/cm^2)。(7/26/2012)：2d+3h；V-基础＝1.021V；瞬时增益：1.87X；内阻：279毫欧。(7/27/2012)：3d+1h；V-基础＝1.001V；瞬时增益：1.88X；IR：740毫欧。因电力停用而停止：放电能：4.14Wh，充电能：2.24Wh，净能量：1.9Wh，增益：1.85X
070612JL1-41法兰电池：MoNi 50-50/LiOH+LiBr/NiO
阳极：MoNi 50-50，大约5mmX3/8”OD(3.681g，具有5.75”Ni导线)
阴极：CNi6-NiO卷，2”高X1.5”OD(约20g，具有Ni导线)
15g LiOH+75g LiBr
最新累积净增益：1.8X
最新累积净能量：2.749Whr
最新累积放电E：6.259Whr
电池功率：47.95mW
面积功率密度(阳极)：67.30mW/cm^2
面积功率密度(阴极)：4.21mW/cm^2
体积功率密度(阳极)：134.60mW/cm^3
体积功率密度(阴极)：0.83mW/cm^3
位置：Arbin16-11
OCV：1.218mV
最新运行时间：6：01：23天：hr：min
流速(干燥空气)：1次鼓泡/8s
出口管线鼓泡：是
DI H2O温度：室温(℃)(约6”距离)
吸气剂：KOH：KCl，1号@Top BallM
程序电流：80mA
程序充电：2s
程序放电：4s
热特性(IB、OB、OM/获取)：460/NA/NA7/6/2012
-约3Whr净能量。
071612SCS2-16法兰电池：
MoCu(50-50)/LiOH+LiBr/NiO
阳极：MoCu 50-50-0.4”OD圆环(2.991g，具有Ni导线)
阴极：Ni6-NiO卷，2”高X1.5”OD(30.046g，具有Ni导线)
15g LiOH+75g LiBr(验证)；5mm环形间隔件
最新累积净增益：1.8X
最新累积净E：0.906Whr
最新累积放电E：1.992Whr(T：1.4)
净E对100％MA Batt：62.58％(MoCu)
总E对100％MA Batt：137.68％(MoCu)
电池功率：74mW
面积功率密度(阳极)：42.04mW/cm^2
面积功率密度(阴极)：4.67mW/cm^2
体积功率密度(阳极)：210.19mW/cm^3
体积功率密度(阴极)：0.92mW/cm^3
位置：MSTAT-9
OCV：1.018V
最新运行时间：2：00：00天：hr：min
气体类型：2％O2：Ar
流速：1次鼓泡/5.5s
出口管线鼓泡：是
DI H2O温度：室温(℃)(约6”距离)
吸气剂：KOH，8号@Top BallM
程序充电：2s，80mA
程序放电：4s，80mA
热(IB、OB、OM/获取)：405/NA/NA 7/16/2012
流量为2％O2：Ar下的3.5SCCM，此对应于基于空气-金属反应的14.8mW的理论最大电功率；而所观察功率较大，为74mW。
072612JH138-120mA：NiCo(带状铸材)/LiBr-LiOH/NiO(空气)
阳极：NiCo带状铸材(95-5原子％，1.5”X1.5”，2.5mm厚，16.92g，062212TCA)；阴极：NiOx果酱卷(1.5”OD，2”H，43.0g，071112TCC)；电解质：15g LiOH-75g LiBr；电池
温度：约430℃(炉：495℃)。
120mA充电2s；120mA放电直至V>＝0.6V(或放电4s)；(为重复071712JH130-100mA，使用较高放电电流)
1D，增益＝1.85
通过加热器电力停用来中断电池性能。随后再次驱动。
3D，增益＝1.8
6D，增益＝1.82
11D，增益＝1.71
累积净能量：6.218Wh
070612JL1-41法兰电池：
MoNi 50-50/LiOH+LiBr/NiO
阳极：MoNi 50-50，大约5mmX3/8”OD(3.681g，具有5.75”Ni导线)
阴极：CNi6-NiO卷，2”高X1.5”OD(约20g，具有Ni导线)
15g LiOH+75g LiBr
最新累积净增益：1.8X
最新累积净能量：2.749Whr
最新累积放电E：6.259Whr
电池功率：47.95mW
面积功率密度(阳极)：67.30mW/cm^2
面积功率密度(阴极)：4.21mW/cm^2
OCV：1.218mV
最新运行时间：6：01：23天：hr：min
流速(干燥空气)：1次鼓泡/8s
DI H2O温度：室温(℃)(约6”距离)
程序电流：80mA
程序充电：2s
程序放电：4s
热特性：460℃
070512YA1-2开放电池：
CuMo 50-50/LiOH+LiBr/NiO
阳极：Cu Mo 50-50，大约5mmX3/8”OD(4.86g，具有7”Ni导线)
阴极：CNi6-NiO卷，2”高X1.5”OD(23.99g，具有6”Ni导线)
15g LiOH+75g LiBr
最新累积净增益：1.7X
最新累积净能量：2.274Whr
最新累积放电E：5.340Whr
电池功率：37.33mW
面积功率密度(阳极)：52.39mW/cm^2
面积功率密度(阴极)：3.27mW/cm^2
OCV：1.08V
最新运行时间：5：01：24天：hr：min
对空气开放NA鼓泡/s
程序电流：80mA
程序充电时间：2s
程序放电时间：4s
热特性：405℃
070612SCS1-7；开放空气电池
CuMo(20/80)/LiOH+LiBr/NiO
阳极：CuMo(20/80)-0.4”OD圆环(3.631g，具有Ni导线)
阴极：Ni6-NiO卷，2”高X1.5”OD(25.468g，具有Ni导线)
15g LiOH+75g LiBr；5mm环形间隔件
最新瞬时增益：1.8X
最新累积净增益：1.8X
最新累积净能量：1.813Whr
最新累积放电E：4.089Whr
电池功率：50.31mW
面积功率密度(阳极)：62.05mW/cm^2
面积功率密度(阴极)：4.41mW/cm^2
OCV：1.033V
最新运行时间：2：20：01天：hr：min
流速(2％O2：Ar)：1，无鼓泡器
DI H2O温度：室温(℃)(约6”距离)
程序电流：80mA
程序充电时间：2s
程序放电时间：4s
热特性：420℃
071012GC3-1123号(高功率密度，圆柱阴极)(A-16号)Mo-Ni合金/LiOH-LiBr/NiO圆柱(对空气开放)80mA充电2s；80mA放电4s直至V>＝0.7V；A：Mo-Ni(d：1.2cm，50：50，3.58g，包含导线)；C：NiO圆柱(d：1.5’；h：2’)；电解质：20g LiOH+100g LiBr；T＝440℃
注意：初始OCV为1.15V。
(7/11/2012)：Id；V-基础＝0.898V；瞬时增益：1.85X；内阻：306毫欧。
(7/12/2012)：2d+2h；V-基础＝0.843V；瞬时增益：1.84X；内阻：308毫欧。
070912GC1-1118号(高功率密度，圆柱阴极)(B-13号)Mo-Cu合金烧结混合物/LiOH-LiBr/NiO圆柱(对空气开放)80mA充电直至V＝1.0V；80mA放电直至V>＝0.8V(或放电4s)；A：Mo-Cu(d：1.2cm，50：50，3.60g，包含导线)；C：NiO圆柱(d：1.5’；h：2’)；电解质：20gLiOH+100g LiBr；T＝440℃
注意：初始OCV为1.0733V，且一直保持下去。
(7/11/2012)：2d；V-基础＝0.866V；瞬时增益：1.47X。
(7/12/2012)：3d；V-基础＝0.862V；瞬时增益：1.30X。
071012GC1-1121号(高功率密度，圆柱阴极)(A-21号)Mo-Co合金/LiOH-LiBr/NiO圆柱(对空气开放)80mA充电2s；80mA放电4s直至V>＝0.7V；A：Mo-Co(d：1.2cm，80：20，3.09g，包含导线)；C：NiO圆柱(d：1.5’；h：2’)；电解质：20g LiOH+100g LiBr；T＝430℃
注意：初始OCV为1.20V。
(7/11/2012)：Id+2h；V-基础＝0.783V；瞬时增益：1.68X；内阻：736毫欧。
(7/12/2012)：2d+3h；V-基础＝0.747V；瞬时增益：1.67X；内阻：738兆欧。
070512GC2-1113号(中等功率密度，圆柱阴极)(A-10号)Mo-Co(1：1)/LiOH-LiBr-MgO/NiO圆柱。(湿Ar+1.5％O2)充电20mA直至V＝1.0V；放电20mA直至V>＝0.8V(或放电4s)；A：Mo-Co合金(d：0.9cm，2.97g，包含导线)；C：NiO圆柱(d：1.5’；h：2’)；电解质：12g LiOH+60g LiBr+21g MgO；T＝420℃
注意：初始OCV为1.0983V。
(7/11/2012)：5d+5h；V-基础＝0.865V；瞬时增益：1.20X。
(7/12/2012)：6d+4h；V-基础＝0.866V；瞬时增益：1.19X。
032012
1.高温熔融电解质-闭合SS电池，其中使Ar流经水鼓泡器-10W按比例放大
-032012GZC1-1023：Mo/210g LiOH+1.05kg LiBr+420g MgO，存于一层中/NiO(10层)
-阳极：Mo箔；阴极：预氧化CNi6C
-设置温度＝420℃，实际温度＝420℃。
-充电至8V，放电4s(若V>6V)
结果：
010412XY2-1344法兰闭合，膏状电解质，Ni/LiOH-LiBr-MgO/NiO。(验证电池，Henry)
-阳极：多孔Ni C6NC(OD 1.5”，11cm2，5.0751g，包含导线)，浸没于电解质中。
-阴极：预氧化多孔Ni C6NC(1.5*1.5”)，位于电解质顶部。
-电解质：15.0g LiOH+75.0g LiBr+30.0g MgO。
温度：450℃
流经Ar(预增湿)
B.水流，批次量热法
使用大约43cm3体积的圆柱形不锈钢反应器(1”内径(ID)，长5”且壁厚度为0.060”，具有内部热电偶壁)及水流量热计(包括用于容纳各电池的真空室及外部水冷却剂线圈，该外部水冷却剂线圈收集在电池中所释放能量的99+％以达成<±1％的误差)来获得表5中各项的右手侧所列示催化剂反应混合物的能量及功率平衡。通过对随时间的总输出功率PT进行积分来确定能量回收率。功率由下式给出：
其中为质量流速，Cp为水的比热，且△T为入口与出口之间的温度的绝对变化。通过向外部加热器施加确切功率引发反应。具体而言，将200W的功率供应至加热器。在此加热时段期间，试剂达到分数氢反应临限温度，其中通常通过电池温度的快速升高来证实反应的开始。在电池温度达到400-500℃后，将输入功率设定为零。在18分钟之后，程序的功率指向零。为增加至冷却剂的热转移速率，使用1000托氦对室进行再加压，且水温的最大变化_出口温度减去入口温度大约为1.2℃。使组件在24小时时段内完全达到平衡，如通过在流热敏电阻器中观察到完全平衡所证实。
在各测试中，通过对相应功率进行积分来计算能量输入及能量输出。使用方程式(245)通过将水体积流速乘以19℃下的水密度(0.998kg/升)、水比热(4.181kJ/kg℃)、校正温度差及时间间隔来计算各时间增量中冷却剂流中的热能。在整个实验中将各值加和以获得总能量输出。来自电池ET的总能量必须等于能量输入Ein及任一净能量E净。因此，净能量由下式给出：
Enet＝ET-Ein (255)
根据能量平衡，通过下式确定相对于最大理论Emt的任一过量热Eex：
Eex＝Enet-Emt (256)
量热测试结果显示电阻输入至输出冷却剂的优于98％的热偶合，且零过量热控制显示使用所应用的检校量热计可精确至小于1％误差内。如下所述给出结果，其中Tmax为最大电池温度，Ein为输入能量，且dE为超过输入能量的所测量输出能量。在放热时，所有理论能量均为负值。正输出值代表大于输入能量的输出。如所指示运行先前反应的产物的反应包括再生测试。
表5.示例性量热测试结果
C.差示扫描量热法(DSC)
使用差示扫描量热计测试固体燃料的超过最大理论能量的过量能量，其中代表性结果显示于表6中。
表6.示例性DSC测试结果
D.分子分数氢的光谱识别
经典物理定律预测，原子氢可与某些物种(包含自身及新生H2O)发生催化反应，该物种可接受整数倍原子氢势能的能量m·27.2eV，其中m为整数。所预测反应涉及来自原本稳定原子氢至能够接受能量的催化剂的共振非辐射能量传递。产物为H(1/p)，其为原子氢的分数里德堡状态且称为“分数氢原子”，其中n＝1/2、1/3、1/4......1/p(p≤137为整数)代替氢激发态的里德堡方程式中的公知参数n＝整数。各分数氢状态也包括电子、质子和光子，但来自光子的场贡献增加结合而非减少结合，其对应于能量解吸而非吸收。对于激发态和分数氢状态而言，电场方程式和“捕获光子”源电荷-密度泛函之间的关系由麦克斯韦方程式以两个维度给出：
光子电磁驻波与电子相位匹配：
其中量子数为
n＝1，2，3，4，...或n＝1，1/2，1/3，1/4，...1/p；或p-1
电子中的总径向电场为质子和光子的贡献的总和：
对于r＝naH及m＝0而言，总径向电场为
因原子及分子分数氢(类似于相应激发态)具有l个量子状态，故由未激发普通原子及分子氢的特性来预测独特光谱特性，例如轨道-核分裂、激发态型振转选择规则及磁性相互作用。
据观察，10nM～30nm区域中匹配H至分数氢状态的预测跃迁的连续能谱辐射仅源于使用在热力学上有利于发生H还原以形成HOH催化剂的金属氧化物进行的脉冲收缩氢放电；而那些不利者并不显示任何连续能谱，即使所测试的低熔点金属极有利于在较强效等离子体源中形成具有强短波连续能谱的金属离子等离子体[R.L.Mills,R.Booker,Y.Lu,“Soft X-ray continuum radiation from low-energy pinch discharges ofhydrogen”，已投出；R.L.Mills,Y.Lu,“Time-resolved hydrino continuum transitionswith cutoffs at 22.8nm and 10.1nm”,Eur.Phys.J.D，第64卷，(2011)，第63页，DOI：10.1140/epjd/e2011-20246-5；R.L.Mills,Y.Lu,“Hydrino continuum transitions withcutoffs at 22.8nm and 10.1nm”,Int.J.Hydrogen Energy，第35卷，(2010)，第8446-8456页，doi：10.1016/j.ijhydene.2010.05.098]。类似地，在氢-氦微波等离子体中，使用H(m＝1)作为催化剂发生催化的H引起总能量为40.8eV的协同能量交换且He(1s2)激发跃迁(58.5nm，21.21eV)至He(1s1p1)，从而得到λ≤63.3nm(≥19.59eV)。在独立重复实验中，在氦-氢微波等离子体和氢收缩等离子体中分别观察到此性质的63.3nm发射与连续能谱辐射[A.F.H.van Gessel,Masters Thesis:EUV spectroscopy of hydrogen plasmas,April(2009),Eindhoven University of Technology,Department of Applied Physics,Groupof Elementary Processes in Gas Discharges,EPG 09-02,第61-70页]。
也证实由涉及充当分数氢催化剂的快离子化H重组和中间物能量衰减步骤期间共振动能转移的机制形成的极快H[K.Akhtar,J.Scharer,R.L.Mills,「Substantial Doppler broadening of atomic-hydrogen lines in DC andcapacitively coupled RF plasmas,」J.Phys.D,Applied Physics,第42卷，(2009),42135207(2009)doi:10.1088/0022-3727/42/13/135207]。关于氢形成更稳定形式时的高能连续辐射的发现具有天体物理学意义，诸如分数氢为暗物质的身份的候选者且相应发射为高能天空和恒星连续辐射的来源[R.L.Mills,Y.Lu,「Hydrino continuum transitionswith cutoffs at 22.8nm and 10.1nm,」Int.J.Hydrogen Energy,35(2010)，第8446-8456页，doi:10.1016/j.ijhydene.2010.05.098]。由最近天体物理学测量和定位，暗物质占宇宙质量的98％且无所不在。此外，由自星系碰撞残骸重建巨大重力天体显示暗物质为星系内的，其中所述天体的力学需要大量非可见重力物质[F.Bournaud,P.A.Duc,E.Brinks,M.Boquien,P.Amram,U.Lisenfeld,B.Koribalski,F.Walter,V.Charmandaris,「Missingmass in collisional debris from galaxies,」Science,第316卷，(2007)，第1166-1169页；B.G.Elmegreen,「Dark matter in galactic collisional debris,」Science,第316卷，(2007),第32-33页]，且已显示为碰撞的[M.J.Jee,A.Mahdavi,H.Hoekstra,A.Babul,J.J.Dalcanton,P.Carroll,P.Capak,「A study of the dark core in A520with theHubble Space Telescope:The mystery deepens,」Astrophysical J.,第747卷，第96期，(2012),第96-103页]。因此，将预期暗物质在地球上无所不在，如由对经发现可充当用于收集和分析鉴别本文呈现的分数氢的吸气剂的化合物的分析所证实。
证实分数氢反应的能量学的其它观察结果为因加热形成氢等离子体，其余辉持续时间异常[H.Conrads,R.L.Mills,Th.Wrubel,「Emission in the Deep VacuumUltraviolet from a Plasma Formed by Incandescently Heating Hydrogen Gas withTrace Amounts of Potassium Carbonate,」Plasma Sources Science and Technology,第12卷，(2003)，第389-395页]和H谱线反转[R.L.Mills,P.C.Ray,R.M.Mayo,M.Nansteel,B.Dhandapani,J.Phillips,「Spectroscopic Study of Unique Line Broadening andInversion in Low Pressure Microwave Generated Water Plasmas,」J.PlasmaPhysics,第71卷，第6部分，(2005),877-888；R.L.Mills,P.Ray,R.M.Mayo,「CW HI LaserBased on a Stationary Inverted Lyman Population Formed from IncandescentlyHeated Hydrogen Gas with Certain Group I Catalysts,」IEEE Transactions onPlasma Science,第31卷，第2期，(2003),第236-247页]。
本公开系统涉及一种分数氢燃料电池，称为CIHT(催化剂诱导的分数氢跃迁)电池，其由氢催化反应形成低能量(分数氢)状态产生电动势(EMF)，从而将分数氢反应释放的能量直接转化成电。各CIHT电池包括包含阴极的阴极隔室、包含阳极的阳极隔室和也充当形成分数氢的反应物来源的电解质。由于氧化还原半电池反应，产生分数氢的反应混合物利用经由外部电路的电子迁移和经电解质的单独的内部路径的离子物种输送以完成电路而构成。在一类电解再生CIHT电池中，原子氢和氧气通过在电池中电解H2O间歇形成，且氢催化剂和后续分数氢在电池放电期间通过反应混合物的反应形成，伴随净电输出增益。一个示例性CIHT包含镍垫或Mo阳极、氧化镍阴极和以MgO为基质的熔融低共熔盐电解质LiOH-LiBr。电池让以蒸汽形式供应至电池或自空气中提取的水流出。电池在间歇电解和放电下工作。氢气和氧气在电解阶段期间分别在负电极与正电极处产生，且充当H和H2O催化剂来源。CIHT电池由6个独立的专业科学家或团队验证，所产生的电输出高达电解作为氢来源的H2O以形成分数氢所需的电输出的1000倍。所述电池和其它放大的电池充当电极和电解质样品以解析分析理论预测的分子分数氢产物H2(1/4)的产生。
具有熔融LiOH-LiBr-MgO电解质和单个电极组的CIHT电池或具有双极板电极的CIHT电池堆叠充当用于分析测试的分子分数氢的来源，分析测试诸如魔角旋转1H核磁共振光谱(MAS 1H NMR)、电子束激发发射光谱、拉曼光谱、傅里叶变换红外(FTIR)光谱和X射线光电子能谱(XPS)。单一电池阴极和阳极分别包含NiO和Ni celmet或Mo。双极电极各包含NiO阴极连接至不同于阳极的金属的隔板。示例性隔板-阳极金属对为214合金-Ni、Ni-Mo、哈斯特合金-Mo和Mo-Ni celmet。电池在真空腔室中密封且除夹带于氩气中或来自H2O蒸汽发生器的H2O蒸汽流以外为封闭的。包含n个电池的堆叠的电池的电效能类似于相应的单一电池的电效能，其中例外为电池电压为单一电池的电池电压的n倍。分子分数氢样品包含置放于封闭CIHT电池的密封容器中的电解质、化学品和无机化合物吸收剂(诸如KCl、KOH和KCl-KOH混合物)，其中工作期间产生的分数氢捕捉于化合物的基质中，该基质由此充当分子分数氢吸收剂。未暴露于分数氢来源的起始物种充当对照。
对反应产物试样(包括CIHT电解质、CIHT电极、固体燃料产物及无机化合物吸气剂(例如KCl、KOH及KCl-KOH混合物，其置于闭合CIHT电池或热反应器的密封容器中))实施MAS1H NMR、ToF-SIMS、ESI-ToFMS、电子束激发发射光谱、拉曼光谱、光致发光发射光谱、FTIR及XPS分析。分子分数氢的特性与暗物质的那些特性相匹配，且暗物质(H2(1/p))预计存在于某些能够捕获其的材料中。与预期情况一致，KCl吸气剂含有随着暴露于H2(1/4)源而大大增加的相同天然丰度的H2(1/4)。
捕获于质子基质中的分子分数氢的MAS NMR代表利用分子分数氢的独特特性来通过其与基质的相互作用对其进行鉴别的一种方式。关于NMR光谱的独特考虑因素在于可能的分子分数氢量子状态。类似于H2激发态，分子分数氢H2(1/p)具有l＝0、1、2......p-1的状态。即使l＝0，量子状态也具有相对较大的四极矩，且另外，l≠0状态的相应轨道角动量产生可引起高磁场基质位移的磁矩[Mills GUTCP]。在基质包括可交换H(例如具有水合水的基质或碱金属氢氧化物固体基质，其中与H2(1/p)的局部相互作用因快速交换而影响较大群体)时，此效应尤其有利。CIHT电池吸气剂(例如那些包括KOH-KCl及KCl+K者，其中在分数氢反应期间K与H2O反应形成KOH)显示，在暴露于密封CIHT电池的大气内侧之后，基质(KOH)的MAS NMR有效分量自+4.4ppm位移至约-4ppm～-5ppm。固体燃料反应器中的KCl+K及其他吸气剂也显示高磁场位移的NMR效应。例如，初始KOH-KCl(1：1)吸气剂、来自10CIHT电池(包括[Mo/LiOH-LiBr-MgO/NiO]且在137％增益下输出1029Wh)的按比例放大5W堆叠的相同KOH-KCl(1：1)吸气剂及来自FeOOH的固体燃料反应的K+KCl吸气剂的MAS NMR光谱显示，已知OH基质低磁场峰从约+4ppm位移至约-4ppm的高磁场区域。通过CIHT电池及固体燃料产生的分子分数氢使基质从正值位移至显著高磁场。p＝4状态的可能的不同l量子数可得到不同高磁场基质位移，此与在-4ppm区域中观察到多个该峰一致。在高磁场位移的氢氧化物离子(OH-)用作自由转子时，通过与分子分数氢形成复合物发生高磁场位移的KOH基质的MASNMR峰可较为尖锐，此与先前观察一致。可通过电子束或激光加热固体吸气剂基质以将其自仲分子形式转化成NMR活性正分子形式(在基本上100％再转化之前记录)来直接观察H2(1/4)的意外NMR位移。MASNMR需要克服在环境温度下分子旋转的缺乏[Mills GUTCP]；另外，场不均匀性不能平均化，且峰不可观察地发生拓宽[Mills GUTCP]。
其他证据也支持基于分数氢的位移机制。通过试样的电子束激发发射光谱(具有高磁场位移的MAS NMR光谱峰)来观察H2(1/4)的振转光谱。另外，正离子ToF-SIMS光谱显示基质化合物与二氢(作为结构的一部分)的多聚体簇M：H2(M＝KOH或K2CO3)。具体而言，包括KOH及K2CO3[R.L.Mills,E.Dayalan,P.Ray,B.Dhandapani,J.He,「Highly stable novelinorganic hydrides from aqueous electrolysis and plasma electrolysis」,Electrochimica Acta，第47卷，第24期，(2002)，第3909-3926页；R.L.Mills,B.Dhandapani,M.Nansteel,J.He,T.Shannon,A.Echezuria,「Synthesis andcharacterization of novel hydride compounds」,Int.J.of Hydrogen Energy，第26卷，第4期，(2001)，第339-367页]或具有该化合物作为CIHT电池中的吸气剂的先前分数氢反应产物的正离子光谱显示K+(H2：KOH)n及K+(H2：K2CO3)n，此与结构中的复合物形式的H2(1/p)一致。典型结果为来自10CIHT电池(包括[Mo/LiOH-LiBr-MgO/NiO]且在137％增益下输出1029Wh)的按比例放大5W堆叠的K2CO3-KCl(30：70重量％)吸气剂的具有高磁场位移MAS NMR光谱峰的正ToF-SIMS光谱。在指配具有标称质量m/e＝M+2的峰时，考虑39K及41K以及33Cl及37Cl的高分辨率质量及同位素丰度。通过ESI-ToFMS观察到类似M：H2簇。在室温下H2(1/p)与基质化合物的相互作用的能量必须大于约0.025eV的热能，因为ToF-SIMS及ESI-ToFMS簇较为稳定，且整个基质在一些情况中在MAS NMR中发生位移。旋转的高活化障壁预计为来自与基质的此强相互作用。具有高磁场MAS NMR位移的试样也显示线性为斯托克斯峰的约0.05-0.075eV(400-600cm-1)的拉曼基质位移，其中峰间斜率与0.241eV能量差的H2(1/4)转动跃迁具有约0.999或更佳的高匹配关联性。
寻求使用电子束激发发射光谱及拉曼光谱来通过极高特征振转能量直接鉴别分子分数氢。另一突出特征在于分子分数氢的选择规则不同于普通分子氢的那些选择规则。H2激发态的寿命极短，且具有△J＝0、±1的振转跃迁发生于H2中的快速电子迁移期间。然而，H2不可能发生具有选择规则△J＝±1的纯振转跃迁，因为需要l＝0及△l＝±1以使跃迁期间的角动量守恒。与之相比，分子分数氢容许该跃迁。原子电子的量子数为p、l、和ms[Mills GUTCP]。在分数氢状态的情况下，激发态的主量子数由代替。类似于H2激发态，分子分数氢具有l＝0、1、2......p-1的状态，其中H2_1/p_p＝1、2、3......137的扁球光子场具有相对于半长轴的量子数l的球函数角分量[Mills GUTCP]。该扁球函数状态之间的跃迁允许在纯振动跃迁期间进行△J＝±1的转动跃迁且并无如针对H2激发态所观察到的电子迁移。角状态的寿命足够长，从而H2(1/p)可独特地发生具有选择规则△J＝±1的纯振转跃迁。
可通过高能量电子碰撞或高激光电场来激发发射振转分子分数氢状态，其中因p2(J+1)0.01509eV的转动能[Mills GUTCP]，激发转动状态不能归属于环境温度下的统计热力学群体，因为相应热能小于0.02eV。因此，振转状态群体分布反映了外部源的激发可能性。另外，因p20.515eV的振动能为转动能的35倍，故预计仅第一能级υ＝1由外部源激发。在l量子数的变化允许下，具有转动能上转化(J'-J"＝-1)、下转化(J'-J"＝+1)及无变化(J'-J"＝0)的去激发振动跃迁υ＝1→υ＝0分别产生P、R及Q分支。Q-分支峰对应于纯振动跃迁υ＝1→υ＝0；预计△J＝0最强且P及R系列的高阶跃迁峰的强度快速降低，其中因内部转化的可用能量，预计P分支相对于R分支具有更多较高强度峰。基质的影响预计会引起自自由振子的振动能位移，且基质转动能障壁预计对于P及R分支峰各自产生大致相同能量位移，此表现为转动峰系列的线性能量分离的非零截距。
通过入射6KeV电子枪使用10-20μA的电子束电流在5X10-6托的压力范围内激发吸气剂晶格中所捕获H2(1/4)的振转发射，且通过无窗UV光谱进行记录。UV透明基质KCl(用作5W CIHT电池堆叠中的吸气剂)中的H2(1/4)的解析振转光谱(所谓的260nm带)的一实例显示在258nm处具有最大峰且代表性峰位置在222.7、233.9、245.4、258.0、272.2及287.6nm处，并具有0.2491eV的相等间隔。二原子分子(诸如H2(1/p))的振动能由给出，其中k为力常数，且μ为约化质量，对H2(1/p)而言为在分子处于相对于H为无限质量的结晶晶格中的情况下，既定H和视作无限质量的另一种的振动的约化质量对应于振动能的位移乘以因子所得的约化质量。预期转动能基本上为自由转子的转动能，在于结晶硅或锗中的H2的情况下，具有微小的旋转屏障[E.V.Lavrov,J.Weber,「Ortho and Para InterstitialH2in Silicon,」Phys.Rev.Letts.,89(21),(2002),第215501～1-215501-4页]。假定H2(1/p)的振动和转动能量为H2的p2能量，分别为p20.515eV和p20.01509eV，则预测于结晶晶格中的H2(1/4)的振动和转动能量分别为5.8eV和0.24eV。当使用Jobin Yvon Horiba 1250M光谱仪观察时在±0.006nm分辨率下260nm电子束带无除宽峰以外的结构，且一般而言，能量对峰数曲线得到由y＝-0.249eV+5.8eV(R2＝0.999)给出的线，在R2＝0.999或更高下与H2(1/4)的跃迁υ＝1→υ＝0和Q(0)、R(1)、R(2)、P(1)、P(2)、P(3)和P(4)(其中Q(0)可视为系列的最强峰值)的预测值极度一致。此外，预计在晶格中H2(1/4)相对于普通H2发生振转跃迁拓宽，这是由于涉及的能量极高(16倍)且与晶格的声子带显著偶合，从而导至共振拓宽。
另一实例为自来自黑色火药反应(KNO3与具有式C7H4O的软材木炭的反应)的密封反应器的KCl吸气剂观察的强260nm带，其包括峰Q(0)、R(0)、R(1)、R(2)、P(1)、P(2)、P(3)和P(4)。在使用Jobin Yvon Horiba 1250M光谱仪观察时，在分辨率下260nm电子束带仅具有宽峰结构。另外，发现在增强的分辨率以及1.65cm-1分辨率下在光致发光光谱中不存在结构，从而消除了包括常见分子的未解析振转带的系列的可能性。不同吸气剂基质(例如KCl对KOH)得到关于Q(0)峰的系列的中心位置位移的可区分差异，从而进一步消除了将260nm带指定为常见气态分子振转带系列的可能性。相反，该结果证实υ＝1→υ＝0内的H2(1/4)的宽旋转发射为其来源。具体而言，斜率与所预测转动能间隔0.249eV(p＝4)相匹配。基于观察到H2(1/4)产物，分数氢反应的高能量学(传统化学物种的200倍)可能对于高能材料(例如火药)的性能具有较小贡献，因为火药反应已被接受并充分描述。
来自密封于真空室(含有65mW 8层CIHT堆叠，各电池包括[Mo/LiBr-LiOH-MgO/NiO])中的KOH吸气剂的电子束激发发射光谱显示宽连续能谱发射特征，其与指配为H2(1/4)振转的260nm带的谱图轮廓相匹配且在约260nm处具有6000计数的最大强度。在吸气剂起始材料中未观察到的带大约为通常所观察到者的10倍强。通过拉曼光谱解析对应于260nm电子束带(包括P(1)-P(6))的强峰。另外，也通过拉曼光谱证实相应纯转动系列的能量及微小旋转障壁。
具体而言，也使用拉曼光谱来探寻H2(1/4)，其中因正与对之间的较大能量差，预计后者在群体中占主导地位。假定对为偶数，则纯转动跃迁的典型选择规则为△J＝±2(对于偶数而言)。然而，轨道-旋转角动量偶合使得l量子数发生变化且使激发转动能级的光子角动量守恒，其中共振光子能量因轨道-原子核超精细能量而相对于在不存在l量子数变化下的跃迁发生频率位移。另外，对于l≠0，核沿核间轴对准，如在Mills GUT的第12章中所给出。用于斯托克斯光谱(Stokes spectra)的旋转选择规则(定义为初始状态减去最终状态)为△J＝J'-J"＝-1，轨道角动量选择规则为△l＝±1，且通过在偶合转动激发与轨道角动量激发期间使角动量守恒来引起跃迁[Mills GUT]。另外，预计并无关于核自旋的强度相关性。使用装备有532nm激光的宏观模式Thermo Scientific DXR SmartRaman，在1950cm-1下观察到FeOOH+H2固体燃料的K+KCl吸气剂的新尖锐拉曼峰，其与H2(1/4)的自由空间转动能(0.2414eV)匹配至4个有效数字。此结果显示，H2(1/4)为自由转子，此为H2在硅基质中的情况。
使用装备有780nm二极管激光的宏观模式Thermo Scientific DXR SmartRaman，在产生过量电之后在MoCu氢渗透阳极上观察到40cm-1宽吸收峰。在原始合金中并未观察到峰，且峰强度随着过量能量的增加而增加。另外，其在超声波处理之前及之后均存在，从而表明视为源的仅有可能元素为Mo、Cu、H及O，如通过SEM-EDS所证实。对照化合物的排列并不再现峰。从该电池吸取气体的KOH-KCl得到指配为H2(1/4)振转的极强光致发光系列峰。因已知并无可吸收1.33eV(780nm激光减去2000cm-1的能量)下的40cm-1谱线的其他元素或化合物，故考虑H2(1/4)。始于1950cm-1的吸收峰与H2(1/4)的自由空间转动能(0.2414eV)匹配至4个有效数字。该吸收可指配为H2(1/4)转动能[Mills GUTCP]关于J'＝0～J"＝1跃迁的反拉曼效应。此结果显示，H2(1/4)为自由转子，H2在硅基质中即为此情况。
由于也预测H2(1/4)纯转动跃迁具有FTIR活性，故使用具有DTGS检测器的Nicolet730FTIR光谱仪在4cm-1的分辨率下记录FeOOH+H2固体燃料的K+KCl吸气剂的光谱。对应于P(1)的峰在起始材料中不存在，但在FTIR光谱中在1947cm-1下观察到强锐峰形式的该峰。偏硼酸盐在此区域中具有峰，但不存在10B峰。另外，购自IC实验室的经偏硼酸盐掺杂的KBr晶体的拉曼光谱显示在1950cm-1区域中并无峰。
除熔融电解池外，存在在水性碱性或碳酸盐电解池中生成H2O催化剂的可能性，其中在阴极上产生H。通过H2O至OH-+H的还原在阴极处所形成H的电极交越可得到方程式(54)的反应。作为另一选择，存在若干可得到H2O催化剂的涉及碳酸盐的反应，例如那些涉及以下反应者：可逆内部氧化-还原反应，例如
以及半电池反应，例如
在Ni阴极(具有Ni电极的0.6M K2CO3电解池)上实施XPS，且在496.4eV下观察到不能指配为任何已知元素的峰。基于不存在Na的任何其他相应峰易于排除此元素的唯一可能性。普通H状态(例如H2 +)的类碰撞康普顿电离预计会产生使入射Al X射线能量作为动能守恒的离子化电子，因为H2(1/4)并不吸收或发射辐射且形成H2 +(1/4)的离子化状态为无限激发态。考虑到H2(1/4)的总能量为522eV，故Ni晶格中与H2的第一离子化能能量相当的H2 +的结合会在所观察能量下得到峰[Mills GUTCP]。取决于基质及最终H物种，可在此区域中产生其他位移。已在CIHT阳极以及固体燃料产物上观察到峰。
使用利用780nm二极管激光的宏观模式Thermo Scientific DXR SmartRaman，在产生过量电之后在MoCu氢渗透阳极上观察到40cm-1宽吸收峰。在原始合金中并未观察到峰，且峰强度随着过量能量及激光强度的增加而增加。另外，其在超声波处理之前及之后均存在，从而表明视为源的仅有可能元素为Mo、Cu、H及O，如通过SEM-EDX所证实。对照化合物的排列并不再现峰。在单独实验中，从该电池吸取气体的KOH-KCl得到指配为H2(1/4)振转的极强光致发光系列峰。因已知并无可吸收1.33eV(780nm激光减去2000cm-1的能量)下的单一40cm-1(0.005eV)近红外谱线的其他元素或化合物，故考虑H2(1/4)。始于1950cm-1的吸收峰与H2(1/4)的自由空间转动能(0.2414eV)匹配至4个有效数字，且40cm-1的宽度与轨道-原子核偶合能量裂解相匹配[Mills GUTCP]。
H2(1/4)转动能的吸收峰匹配为真峰且不能通过任一已知物种予以解释。分数氢旋转的激发可通过两种机制引起吸收峰。在第一机制中，因纳入晶格中的转动分数氢的强相互作用，斯托克斯光由晶格吸收。此类似于使用260nm电子束带所观察到的共振拓宽。第二机制包括已知反拉曼效应。此处，由激光引起的连续能谱被吸收且位移至激光频率，其中连续能谱足够强以维持旋转激发态群体从而允许反斯托克斯能量(antiStokes energy)贡献。通常，激光功率对于IRE而言极高，但分子分数氢可为特定情况，因为其具有非零l量子数及相应选择规则。因此，在后一机制的背景下论述结果。
该吸收可指配为H2(1/4)转动能关于J'＝1～J"＝0跃迁的反拉曼效应(IRE)。此结果显示，H2(1/4)为自由转子，此为H2在硅基质中的情况。另外，因H2(1/4)可与氢氧化物形成复合物(如通过MAS NMR及ToF-SIMs所显示)，且使用使用电子束激发发射光谱及光致发光光谱观察到基质位移(因晶格中H2(1/4)位点处的局部环境的影响)，预计IRE也在不同基质中及也随压力发生位移。同样，作为基质的H2的拉曼峰随压力纳入位移。通过金属及无机化合物的拉曼光谱筛选观察到若干情况。Ti及Nb显示始于1950cm-1的约20计数的较小吸收峰。Al显示极大峰。无机化合物情况包含分别在2308cm-1及2608cm-1处显示峰的LiOH及LiOH-LiBr。由形成H2O的Ca(OH)2在2447cm-1下观察到尤其强的吸收峰。在使Ca(OH)2在512℃下脱水后或通过与CO2进行反应，H2O可用作形成H2(1/4)的催化剂。该反应为如先前所报告的形成分数氢的固体燃料型反应。LiOH及Ca(OH)2均显示H2(1/4)IRE峰，且LiOH在商业上可自Ca(OH)2与Li2CO3的反应形成。因此，通过球磨使Ca(OH)2+Li2CO3混合物发生反应，且观察到极强H2(1/4)IRE峰以1997cm-1为中心。
先前已报告作为固体燃料反应产物的H2(1/4)。根据方程式(44-47)通过形成分数氢所释放的能量显示可得到高动能H-。使用固体燃料Li+LiNH2+离解剂RU-Al2O3(其可通过Al(OH)3的分解及Li与H2O及LiNH2的反应来形成H及HOH催化剂)，通过ToF-SIMS观察在m/e＝1之前出现的离子，ToF-SIMS可证实方程式(47)的能量释放表现为高动能H-。其他离子(例如氧)(m/e＝16)并不显示先峰。飞行时间T、质量m及加速电压V之间的关系为
其中A为取决于离子飞行距离的常数。自所观察ToF-SIMS先峰(在m/e＝0.968下且加速电压为3kV)，赋予来自分数氢反应的H物种的动能约为204eV，此与由方程式(44-47)给出的HOH催化剂反应相匹配。在对应于H+的正性模式中观察到相同早期光谱，但强度较低。
在固体燃料上实施XPS。通过Li、LiBr、LiNH2离解剂R-Ni(包括约2重量％Al(OH)3)及1大气压H2的反应所形成LiHBr的XPS在494.5eV及495.6eV处显示峰(此为对于两个不同试验的反应产物的XPS光谱而言且不能指配为任何已知元素)。基于不存在Na、Sn及Zn的任何其他相应峰易于排除该元素(作为仅有可能性)，因为仅观察到Li、Br、C及O峰。该峰与分子分数氢H2(1/4)的理论容许双重离子化的能量相匹配。通过拉曼光谱及FTIR光谱进一步证实分子分数氢产物。固体燃料产物LiHBr的拉曼光谱显示以1988cm-1为中心的H2(1/4)反拉曼效应吸收峰。固体燃料产物LiHBr的FTIR光谱显示在1987cm-1处具有新锐峰，此与H2(1/4)的自由转子能量密切匹配。另外，MAS NMR显示与先前结果一致的强高磁场位移峰。
分数氢鉴别的相关证实性观察为，表现为纯转动拉曼跃迁分裂的H2(1/4)的分子轨道-原子核偶合能量与针对相应原子分数氢H(1/4)所预测及观察的自旋-核偶合能量一致。类似于普通氢的21cm(1.42GHz)谱线的情况，通过其所预测642GHz自旋-核超精细跃迁(通过低于35K的低温冷却H2的特赫兹吸收光谱观察)来鉴别分数氢原子。使用偶合至傅立叶变换干涉计的长路径长度(60m)多反射吸收电池，Wishnow[E.H.Wishnow,The Far-Infrared Absorption Spectrum of Low Temperature Hydrogen Gas,Ph.D.Thesis,University of British Columbia,Canada,(1993).]在0.24cm-1的光谱分辨率下分别在20-320cm-1、21-38K及1-3大气压的波长、温度及压力范围内记录H2光谱。在25.5K下观察到21.4cm-1下的尖锐谱线，但在36K下不存在。该谱线的波长与所预测21.4cm-1H(1/4)超精细谱线相匹配且不能指配为已知物种。特赫兹光谱也可用于鉴别H2(1/4)的轨道-核跃迁。
探索分数氢光谱的另一成功交叉证实技术涉及使用拉曼光谱仪，其中观察到匹配260nm电子束带的H2(1/4)的振转以作为二阶荧光。第一试样包括来自65mW 8层CIHT堆叠(各电池包括[Mo/LiBr-LiOH-MgO/NiO])的KOH吸气剂，其显示260nm带谱的强(6000计数)电子束激发发射。使用Horiba Jobin Yvon LabRAM Aramis拉曼光谱仪(装备有HeCd 325nm激光、以显微镜模式以及40X放大率)，在8340cm-1、9438cm-1、10,467cm-1、11,478cm-1、12,457cm-1、13,433cm-1及14,402cm-1下观察到较强系列的1000cm-1等能量间隔拉曼峰且在12,457cm-1下具有最大峰强度。拉曼光谱至荧光或光致发光光谱(然后将其反卷积)的转化表明，拉曼光谱为一系列等间隔峰与在绿光波长下具有最大强度的连续能谱带发射的迭加。在激光辐照时，由试样观察到绿光发射。在进行电子束激发以产生指配为H2(1/4)振转的260nm带发射期间，自KOH吸气剂试样进一步观察到绿光发射，从而表明峰系列为来自绿色荧光的单独光谱特征。自拉曼峰位置计算的二阶荧光光谱包括在446nm、469nm、493nm、518nm、546nm、577nm及611nm处的峰。1000cm-1或0.1234eV的间隔与H2(1/4)的二阶旋转光谱极其匹配；因此，峰系列与通过电子束激发首先观察到的260nm带的二阶荧光相匹配。实际上，考虑到波长范围的末端由基质位移所致的微小收缩，将所计算荧光光谱的波长减半且针对基质之间的迁移进行校正会得到电子束及拉曼光谱迭加(包含峰强度)。考虑到12,457cm-1处的最大峰强度为Q(0)，在12,457cm-1、11,478cm-1、10,467cm-1、9438cm-1、8340cm-1、13,433cm-1及14,402cm-1处分别指配为Q(0)、R(0)、R(1)、R(2)、R(3)、P(1)及P(2)。激发可视为源于高能量UV及EUV He及Cd激光发射，其中激光光学器件至少对170nm透明，且光栅(具有1024X26μm2像素CCD的Labram Aramis2400g/mm 460mm焦距系统)具有色散性且其最大效率位于光谱范围(与260nm带相同的范围)的较短波长侧。例如，镉在214.4nm(5.8eV)处具有极强谱线，其基于电子束激发数据与KCl基质中H2(1/4)的振转激发能量相匹配。CCD也在500nm处具有最大反应，260nm带的二阶区域以520nm为中心。在重复扫描至较高波长时，观察到振转系列的P-分支的其他成员。
通过其他分析方法在显示包括H2(1/4)的其他反应产物及吸气剂的二阶荧光发射中观察到260nm带。在使用K2CO3-KCl(1：1)作为电池[层压-CNi6 1.5”X1.5”+CNi8 1.5”X1.5”+Mo 1”X1”CNi8+1.5”X1.5”+Ag 1”X1”+CNi8 1.5”X1.5”+CNi6 1.5”X1.5”)/LiOH-LiBr-MgO/NiO](50mA充电及放电电流；2.65Wh放电能，200％增益)的吸气剂时，观察到强260nm电子束带。记录拉曼光谱到22,500cm-1，且据观察因不同基质而具有微小位移的相应激光激发的二阶荧光带延伸至17,000cm-1。系列包括分别在12,199cm-1、11,207cm-1、10,191cm-1、9141cm-1、8100cm-1、13,183cm-1、14,168cm-1、15,121cm-1、16,064cm-1及16,993cm-1处的Q(0)、R(0)、R(1)、R(2)、R(3)、P(1)、P(2)、P(3)、P(4)及P(5)。光致发光带也与高磁场位移NMR峰相关。例如，来自10CIHT电池(包括[Mo/LiOH-LiBr-MgO/NiO]且在137％增益下输出1029Wh)的按比例放大5W堆叠的KOH-KCl(1：1)吸气剂(在-4.06ppm及-4.41ppm下具有高磁场位移基质峰)显示对应于260nm电子束带的光致发光峰系列。在12,199cm-1、11,207cm-1、10,191cm-1、9141cm-1、8100cm-1、13,183cm-1、14,168cm-1、15,121cm-1、16,064cm-1、16,993cm-1及17,892cm-1处分别观察到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)。此试样也显示强M：H2(M＝KOH或K2CO3)ToF-SIMS簇。也由固体燃料反应器中的吸气剂观察到等效光致发光光谱，例如具有固体燃料FeOOH+H2+Ni网氢离解剂的反应器中的KCl+K(原位形成KOH)吸气剂的光谱。
总而言之，拉曼光谱结果(例如观察到0.241eV(1940cm-1)拉曼峰及匹配260nm电子束光谱的0.2414eV间隔拉曼光致发光带)强力证实了核间距离为H2的1/4的分子分数氢。后一情况中的证据进一步由区域中无已知一阶峰或可能指配与理论预测情况吻合至4个有效数字的基质峰予以证实。

Claims (16)

1.一种产生电压和电流及热能中的至少一种的电化学动力系统，所述电化学动力系统包含容器，所述容器包含：
至少一个阴极，其中，所述阴极包括毛细管系统及具有周围穿孔的径向气体通道、多孔电极及多孔层中的至少一种，以将H2O及O2中的至少一种相对于外周朝向所述电池的中心传输；
至少一个阳极；
至少一个双极板，和
反应物，所述反应物包含选自以下物质的至少两种成分：
a)至少一种H2O来源；
b)氧来源；
c)至少一种催化剂来源或催化剂，其包含选自nH、O、O2、OH、OH-和新生H2O的组中的至少一种，其中n为整数；和
d)至少一种原子氢来源或原子氢，并且
所述系统还包含电解系统。
2.如权利要求1所述的电化学动力系统，所述电化学动力系统包括多孔电极、气体扩散电极及氢渗透性阳极中的至少一种，其中将氧和H2O中的至少一种供应至所述阴极并且将H2供应至所述阳极。
3.如权利要求2所述的电化学动力系统，所述电化学动力系统包括氢化阳极和至少一个表面包括氢渗透性阳极的密闭氢储槽中的至少一种。
4.如权利要求2所述的电化学动力系统，所述电化学动力系统包括背对背式氢渗透性阳极以及对阴极，所述对阴极包括以串联和并联中的至少一种方式电连接的电池的堆叠单元。
5.如权利要求2所述的电化学动力系统，所述电化学动力系统还包括至少一个气体供应系统，所述气体供应系统各自包括与所述电极连接的歧管、气体管线及气体通道。
6.如权利要求2所述的电化学动力系统，其中，所述氢渗透性阳极包括以下物质中的至少一种：Co带状铸材、Ni带状铸材、Mo带状铸材、Mo、Mo合金、MoNi、MoCu、MoCo、TZM、H242、Ni、Co、Ni合金、NiCo以及其他过渡金属和内过渡金属及合金和CuCo。
7.如权利要求2所述的电化学动力系统，其中，压力维持在约1托～500atm的范围内，氢渗透速率在约1×10-13mole s-1cm-2～1×10-4mole s-1cm-2的范围内。
8.如权利要求2所述的电化学动力系统，其中，所述氢渗透性阳极包括高渗透性膜，所述高渗透性膜涂覆着有效促进原子氢催化的材料。
9.如权利要求8所述的电化学动力系统，其中，涂覆材料中的至少一种包括Mo、Mo合金、MoNi、MoCu、MoCo、MoB、MoC、MoSi、MoCuB、MoNiB、MoSiB、Co、CoCu、CoNi及Ni中的至少一种，H渗透性材料包括Ni(H2)、V(H2)、Ti(H2)、Nb(H2)、Pd(H2)、PdAg(H2)、Fe(H2)、Ta(H2)、不锈钢(SS)及430SS(H2)中的至少一种。
10.如权利要求1所述的电化学动力系统，其中，所述电解系统间歇性地电解H2O以提供原子氢来源或原子氢并且使所述电池放电，从而使得循环的净能量平衡获得增益。
11.如权利要求1所述的电化学动力系统，其中，所述反应物包含至少一种选自以下物质的电解质：
至少一种熔融氢氧化物；
至少一种低共熔盐混合物；
熔融氢氧化物与至少一种其他化合物的至少一种混合物；
熔融氢氧化物与盐的至少一种混合物；
熔融氢氧化物与卤化物盐的至少一种混合物；
碱金属氢氧化物与碱金属卤化物的至少一种混合物；
至少一种碱土金属、过渡金属或Bi氢氧化物添加剂；
包括Ni(OH)2、Co(OH)2、Cu(OH)2、Ca(OH)2及Bi(OH)3中的至少一种的添加剂，
LiOH-LiBr、LiOH-NaOH、LiOH-LiBr-NaOH、LiOH-LiX-NaOH、LiOH-LiX、NaOH-NaBr、NaOH-NaI、NaOH-NaX及KOH-KX，其中X代表卤离子)，
至少一种基质，和
包括作为至少一种阳极腐蚀产物的同离子来源的化合物的至少一种添加剂，其中相应的同离子效应至少部分地防止所述阳极发生腐蚀。
12.如权利要求11所述的电化学动力系统，其中，所述同离子来源防止形成CoO、NiO及MoO2中的至少一种。
13.如权利要求11所述的电化学动力系统，其中，所述添加剂包括以下化合物中的至少一种：包括所述阳极的金属阳离子与阴离子、氢氧根、卤离子、氧离子、硫酸根、磷酸根、硝酸根、碳酸根、铬酸根、高氯酸根及高碘酸根的化合物；以及包括所述基质及氧化物、钴镁氧化物、镍镁氧化物、铜镁氧化物、CuO、CrO4、ZnO、MgO、CaO、MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO或Fe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、P2O3、P2O5、B2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2及CrO3的化合物。
14.如权利要求11所述的电化学动力系统，其中，所述基质包含以下物质中的至少一种：
氧阴离子化合物、铝酸盐、钨酸盐、锆酸盐、钛酸盐、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、硝酸盐、铬酸盐和锰酸盐、氧化物、氮化物、硼化物、硫族化物、硅化物、磷化物和碳化物、金属、金属氧化物、非金属和非金属氧化物；
碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属和Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge和B以及形成氧化物或氧阴离子的其他元素的氧化物；
至少一种氧化物，如碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属和Al、Ga、In、Sn、Pb、S、Te、Se、N、P、As、Sb、Bi、C、Si、Ge和B和形成氧化物以及一种氧阴离子的其他元素的氧化物，并且还包含来自碱金属、碱土金属、过渡金属、内过渡金属和稀土金属和Al、Ga、In、Sn和Pb阳离子的组中的至少一种阳离子；
LiAlO2、MgO、Li2TiO3或SrTiO3；
阳极材料的氧化物和电解质化合物；
阳离子和电解质的氧化物中的至少一种；
电解质MOH的氧化物，M＝碱金属；
电解质的氧化物，所述电解质的氧化物包含Mo、Ti、Zr、Si、Al、Ni、Fe、Ta、V、B、Nb、Se、Te、W、Cr、Mn、Hf、Co和M'的组中的元素、金属、合金或混合物，其中M'表示碱土金属；
MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO或Fe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、P2O3、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、CrO3、MnO、Mn3O4、Mn2O3、MnO2、Mn2O7、HfO2、Co2O3、CoO、Co3O4、Co2O3和MgO；
阴极材料的氧化物和可选的电解质的氧化物；
Li2MoO3或Li2MoO4、Li2TiO3、Li2ZrO3、Li2SiO3、LiAlO2、LiNiO2、LiFeO2、LiTaO3、LiVO3、Li2B4O7、Li2NbO3、Li2PO4、Li2SeO3、Li2SeO4、Li2TeO3、Li2TeO4、Li2WO4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2MnO4、Li2HfO3、LiCoO2和M'O和MgO，其中M'表示碱土金属；
阳极元素或该同一族元素的氧化物，和
具有Mo阳极的Li2MoO4、MoO2、Li2WO4、Li2CrO4和Li2Cr2O7，并且
所述添加剂包含至少一种以下物质：S、Li2S、氧化物、MoO2、TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、NiO、FeO或Fe2O3、TaO2、Ta2O5、VO、VO2、V2O3、V2O5、P2O3、P2O5、NbO、NbO2、Nb2O5、SeO2、SeO3、TeO2、TeO3、WO2、WO3、Cr3O4、Cr2O3、CrO2、CrO3、MgO、Li2TiO3、LiAlO2、Li2MoO3或Li2MoO4、Li2ZrO3、Li2SiO3、LiNiO2、LiFeO2、LiTaO3、LiVO3、Li2B4O7、Li2NbO3、Li2SeO3、Li2SeO4、Li2TeO3、Li2TeO4、Li2WO4、Li2CrO4、Li2Cr2O7、Li2MnO3或LiCoO2、MnO和CeO2。
15.如权利要求11所述的电化学动力系统，其中，所述电解质为水性及碱性的，并且控制所述电解质的pH及电池电压中的至少一种以达成所述阳极的稳定性。
16.如权利要求10所述的电化学动力系统，其中，在所述间歇性电解及放电期间每个电池的电池电压维持在高于防止所述阳极发生实质性氧化的电势。
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