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TWI553158B - 氫氣發電系統穩定性控制及方法 - Google Patents

氫氣發電系統穩定性控制及方法 Download PDF

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TWI553158B
TWI553158B TW101103527A TW101103527A TWI553158B TW I553158 B TWI553158 B TW I553158B TW 101103527 A TW101103527 A TW 101103527A TW 101103527 A TW101103527 A TW 101103527A TW I553158 B TWI553158 B TW I553158B
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傑佛瑞 凱力
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海運動力產品股份有限公司
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Description

氫氣發電系統穩定性控制及方法
本發明有關氫與氧製造的領域。更具體而言，本發明有關使用熱、水以及對環境安全的催化劑而從水按需求製造氫與氧的領域。
氫通常從碳氫化石燃料製造。使用碳氫化石燃料以產生氫的一個重要問題是該過程產生二氧化碳(CO2)，一種溫室氣體。用於製造氫的一個替代來源是水。目前從水產生氫的可得方法包括生物產氫、水的電解、化學製造以及熱化學製造。
一些研究學者報導，第IV族的過渡金屬與水反應，並產生氫氣以及金屬氫氧化物。然而，這些金屬的轉換率不能製造用於有效率且實用用途之大量氫氣。此外，並沒有有效率的方法或裝置可用以回收該金屬氫氧化物並將該氫氧化物轉換成氫以及氧。
揭露了用於使用對環境安全的金屬而從水以及熱及/或光來有效率的按需求製造H2以及O2的方法以及裝置。在一方面，經由水分解反應而用於產氫的裝置包括主反應器、氧化反應器以及電腦控制系統。
在一些具體實施例中，該主反應器含有電極、 反應物、催化劑以及溶劑。將電壓施加至用於幫助氫的製造之該電極。該系統的反應物以及催化劑包括產氫物質、水以及鹽類。該催化劑能夠藉由電化學方法活化。以在該主反應器中供應的熱產生氫氣。在反應之後或在反應期間，該主反應器中的溶液流至用於再生反應的該氧化反應器。在一些具體實施例中，該再生反應釋放O2氣。
在一些具體實施例中，該氧化反應器配置成用於氧反應的光分解或熱分解。在一些具體實施例中，該熱分解是在32℃以上以及110℃以下的溫度。在一些具體實施例中，該電腦控制系統控制該系統的操作，並監控每個反應器的狀態以及相對應的反應條件。該電腦控制系統含有用以控制以及監控反應條件(例如pH值、溫度、鹽度、施加電壓、催化劑配方、純度以及所產生氣體的量、水位、顏色、液面以及其他適當的因素)的軟體。
在下述中，提供了一些維持穩定之電催化水解系統的方面。在一方面，維持催化(catalyro)催化水解系統效能的方法包含準備該電催化水解系統以及藉由最佳化反應條件而最佳化氫的製造，該電催化水解系統包含含有產氫催化劑的溶液、光供應裝置以及電能供應裝置。在一些具體實施例中，該產氫催化劑含有鋁離子、銅離子以及銀離子。在一些具體實施例中，最佳化反應條件包含將pH值維持在8.5以下。在其他的具體實施例中，最佳化反應條件包含將該反應器核心pH值維持在7.5至8.5之間。在一些其他的具體實施例中，最佳化反應條件包含將pH值維持在能夠最佳化產氫率的範圍中。在一些具體實施例中，最佳化反應條件包含最佳化該產氫催化劑的量。在其他的具體實施例中，最佳化該產氫催化劑的量包含增加該產氫催化劑的再生率。在一些其他的具體實施例中，該產 氫催化劑的再生率包含將已反應的產氫催化劑轉換回該產氫催化劑的速率。在一些具體實施例中，最佳化反應條件包含最佳化Ag0的再生率。在其他的具體實施例中，最佳化反應條件包含最佳化Ag0、Ag1+或其組合的量。在一些其他的具體實施例中，最佳化反應條件包含增加將氧從銀離子解離的速率。在一些具體實施例中，最佳化反應條件包含增加將氫氧化物從銀離子解離的速率。在其他的具體實施例中，最佳化反應條件包含增加將氫氧化物從銅離子解離的速率。在一些其他的具體實施例中，最佳化反應條件包含經由該光供應裝置而最佳化光供應量。在一些具體實施例中，最佳化反應條件包含經由熱供應裝置而最佳化熱的供應持續時間、熱供應率、熱供應量或其組合。在其他的具體實施例中，最佳化反應條件包含經由電能供應裝置而最佳化電壓供應。
在另一方面中，用於維持系統效能的裝置包含電催化水解系統以及控制器，該電催化水解系統包含含有產氫催化劑的溶液、光供應裝置以及電能供應裝置，該控制器用以控制反應條件，使得產氫反應被最佳化。在一些具體實施例中，該產氫催化劑含有鋁離子、銅離子以及銀離子。在一些具體實施例中，控制反應條件包含將反應器核心pH值維持在9.7以下。在其他的具體實施例中，控制反應條件包含將pH值維持在7.5至8.5之間。在一些其他的具體實施例中，控制反應條件包含最佳化該產氫催化劑的量。在一些具體實施例中，控制反應條件包含增加該產氫催化劑的再生率。在其他的具體實施例中，該產氫催化劑的再生率包含將已反應的產氫催化劑轉換回該產氫催化劑的速率。在一些其他的具體實施例中，控制反應條件包含最佳化Ag0的再生率。在一些其他的具體實施例中，控 制反應條件包含最佳化Ag0、Ag1+或其組合的量。在其他的具體實施例中，控制反應條件包含增加將氧從銀離子解離的速率。在一些其他的具體實施例中，控制反應條件包含增加將氫氧化物從銀離子解離的速率。在一些具體實施例中，控制反應條件包含增加將氫氧化物從銅離子解離的速率。在其他的具體實施例中，控制反應條件包含經由光供應裝置而最佳化光供應率、光供應量、光供應頻率或其組合。在一些其他的具體實施例中，控制反應條件包含經由熱供應裝置而最佳化熱供應率、熱供應量或其組合。在一些具體實施例中，控制反應條件包含經由電能供應裝置而最佳化電壓供應率、電壓供應量或其組合。
在進一步的方面中，控制電催化水解系統的方法包含監控該電催化水解系統的反應條件以及將該反應條件維持在預先決定的範圍中，使得催化的產氫反應能夠連續地產生氫。在一些具體實施例中，該反應條件包含pH值、溫度、壓力、照明條件、反應物量或其組合。在一些具體實施例中，該照明條件包含照明強度。在其他的具體實施例中，該照明條件包含照明的持續時間。在一些其他的具體實施例中，在氧化器的pH值在8.5至10.5之間。
100、500、600‧‧‧系統
102‧‧‧主反應器
102A、202、502、504、506、512、516、518‧‧‧電極
102B‧‧‧功率來源
102C、104C‧‧‧管路
104‧‧‧氧化反應器
104A‧‧‧光源
106‧‧‧電腦控制系統
106A‧‧‧控制軟體應用
108‧‧‧熱源
203、204、210‧‧‧氫氧化物運輸工具
206、316‧‧‧氫氧化物基團
208‧‧‧產氫物質
212‧‧‧水分子
214、H2‧‧‧氫
216、H+‧‧‧質子
300‧‧‧整體反應循環
302、Al‧‧‧鋁金屬
304、Al3+‧‧‧鋁離子
306、H2O‧‧‧水
308、536‧‧‧氫氣
310、[Al(OH)3．x(H2O)]‧‧‧氫氧化鋁
312、[Al(OH)4．(x-1)(H2O)]‧‧‧產氫物質
314、[Al(OH)3．(x-1)(H2O)]‧‧‧物質
330‧‧‧金屬銅
332、517‧‧‧銅離子
352、520‧‧‧銀離子
354、Ag(OH)2‧‧‧氫氧化物運輸工具
356、AgO‧‧‧金屬氧化物
358‧‧‧氧
400‧‧‧電控制之產氫反應
501‧‧‧溶液
503‧‧‧製備容器
508‧‧‧水
512‧‧‧石墨電極
514‧‧‧主反應容器
515‧‧‧鋁離子
522‧‧‧鈉離子
524‧‧‧氯離子
526‧‧‧閥
528‧‧‧幫浦
530‧‧‧熱轉換器
532‧‧‧LED光
534‧‧‧控制系統
538‧‧‧出口
540‧‧‧氧氣
602‧‧‧內燃機
604‧‧‧相同或獨立的通道
700‧‧‧電催化水解反應
902‧‧‧核心腔室
904‧‧‧累積腔室
906‧‧‧氧腔室
Eq‧‧‧方程式
第1圖依照一些具體實施例描繪了系統的組件。
第2A以及2B圖依照一些具體實施例描繪了生產以及再生反應。
第3圖依照一些具體實施例描繪了系統的整體反應。
第4圖依照一些具體實施例描繪了產氫反應的過程。
第5圖依照一些具體實施例描繪了設定。
第6圖依照一些具體實施例描繪了在原處(in situ)的氫與氧製造系統。
第7圖依照一些具體實施例描繪了用於產氫的電水解反應的方法。
第8A圖以及第8B圖依照一些具體實施例描繪了產氫方案的方程式。
第9圖依照一些具體實施例描繪了產氫系統。
示例性的系統
第1圖依照一些具體實施例描繪了系統100。在一些具體實施例中，經由水分解而用於產氫的裝置包括：主反應器102、氧化反應器104、熱源108以及電腦控制系統106。在一些具體實施例中，該主反應器102是產生氫的腔室。此外，該主反應器102含有電極102A、反應物、催化劑以及溶劑。該電極102A含有鐵、石墨、不鏽鋼、合金或任何其他適當的材料。在一些具體實施例中，該不鏽鋼包括不鏽鋼302、316、316L、421。在一些具體實施例中，該電極為金屬合金，例如Fe/Al或Fe/Cr/Mn以及Fe/Si/Mn合金。在一些具體實施例中，該合金具有97/3、95/5或93/7的Fe/Al莫耳或重量比。將電壓施加至該電極102A。在一些具體實施例中，藉由功率來源102B來產生該電壓。在一些具體實施例中，所施加的電壓在0.8V至 3.0V之間。或者，所施加的電壓大約為5V或0.2V至10.0V之間的任何電壓。在一些具體實施例中，當在反應溶液中離子化金屬時，將-2.5V或0V施加至石墨電極，以及將+1.7V施加至金屬15分鐘，將1.4V施加至銅金屬10分鐘，以及將1.0V施加至銀金屬5分鐘。在替代的具體實施例中，當將金屬離子化至反應溶液中時，將-2.5V施加至石墨電極，以及同時將+2.5V施加至鋁、銅以及銀金屬30分鐘。 此外，在一些具體實施例中，在電水解反應期間，將-0.4V至-0.9V之間的電壓施加至不鏽鋼電極(陰極)。應了解的是，上述提及的電壓範圍是一個範例，且能夠施加其他可能的電壓。該系統的反應物以及催化劑包括產氫物質、水以及鹽類。
在一些具體實施例中，產氫物質含有金屬、金屬氧化物、金屬氫氧化物或金屬衍生化合物。或者，該產氫物質含有Al原子、Al離子、具有原子序13的原子或其組合。或者，該產氫物質含有[Al(OH)4]-、Al(OH)3、[Al(OH)2]+、Al3+或[Al(OH)]2+。本領域的技術人員將領略的是，該產氫物質能夠含有第IA至VIIA族的元素，例如鎂、鈣、矽、鈷以及鎵。在一些替代的具體實施例中，該產氫物質含有第IB至VIIB族的元素，例如鋅、鎳、鐵以及銅。或者，該產氫物質含有內過渡元素。本領域具一般 技藝的人員將領略的是，能夠使用其他適合的化學元素、合金、奈米材料、聚合物以及天然或合成的化合物。此外，本領域的技術人員將領略的是，用語「結合(bind)」、「結合(binding)」、「結合(bound)」或功能性均等的用語為示出二或更多種物質在它們之間具有交互作用或力的範例。 本揭露內容不限於實際的結合、鍵結或形成化學鍵。
在一些具體實施例中，所使用的水具有大約1.5%重量的鹽度。能夠使用其他適合的鹽度百分比，例如具有大約3.8%的鹽度之海水。所使用的鹽類能夠包括NaCl(氯化鈉)、CaCl2(氯化鈣)、Na2CO3或其他適合的離子來源。所產生的氣體(例如氫)經由管路102C轉運。在反應之後或反應期間，主反應器102中的溶液流至用於氧反應之氧化反應器104。
在一些具體實施例中，該氧化反應器104被配置用於氧釋放反應的光分解或熱分解。光源104A產生用於光分解反應的光。熱源(未示於圖中)產生用於熱分解的熱。在一些具體實施例中，用於熱分解反應的溫度低於200℃。在其他的具體實施例中，用於熱分解反應的溫度等於或高於200℃。在一些具體實施例中，該熱源轉移及/或收集將由系統100使用的環境熱。所產生的氣體經由該管路104C轉運。本領域的技術人員將領略的是，其他適當的 方法或裝置能夠用於氧的反應。
在一些具體實施例中，用於電催化水解的熱源能夠為獨立的熱交換器108。本領域的技術人員也將領略的是，能夠將該熱源安裝在主反應器102中或任何其他適合的腔室中。
在一些具體實施例中，電腦控制器106控制系統100的操作，並監控每個反應器中反應條件的狀態。該電腦控制器106含有控制軟體應用106A，以控制並監控反應條件，例如在主反應器102以及該氧化反應器104中的pH值、溫度、鹽度、施加電壓、純度以及所產生氣體的量、水位、催化劑配方、催化劑反應特徵以及液面。本領域的技術人員將領略的是，該電腦控制器106能夠用於其他用途，包括控制以及調整該反應條件。
本領域的技術人員將領略的是，上述提及的設定是其中一個範例。能夠施加其他適當的設定至系統。例如，能夠將反應器102以及104結合至單一的反應器。能夠加上額外的反應器。
反應
在一些具體實施例中，系統使用下述反應以藉由分解水來產生氫；(1)氧化還原(REDOX)反應、(2)預生產反應、(3)生產反應、(4)再生反應、(5)第二次 氫反應以及(6)氧反應。
(1)氧化還原(REDOX)反應
REDOX反應藉由氧化或還原起始材料而製備預產氫物質。隨後，產氫物質與水或氫氧化物反應。該REDOX反應描繪於方程式(1)中。方程式(2)描繪了該預產氫物質與水反應以形成該產氫物質。本領域的技術人員將領略的是，該產氫物質能夠攜帶其周圍範圍中特定量的周圍的水。
M → Mx++x e- (1)
MX++y H2O → 3[M(OH)y]x-y+y/2 H2 (2)
在方程式(1)以及(2)中，M以及其離子形式代表產氫物質的核心，以及x與y代表對於氧化狀態或反應化學計量學的電荷參數。
本領域具一般技藝的人員將領略的是，該REDOX反應是一個示範性的模型，且該起始材料不需要通過該REDOX反應以變成活性催化劑及/或用於產氫的產氫物質。在一些具體實施例中，產氫物質是產生氫氣的實際產氫催化劑的前驅物。或者，產氫物質是產氫催化劑，以及起始材料是產氫物質的前驅物。
(2)預生產反應
在一些具體實施例中，預生產反應是設定用於生產反應的AID(活性離子置換)條件的步驟。該預生產 反應在含有產氫物質的溶液中將最小的起始電壓(例如0.5V DC)施加至電極。該預生產反應使該產氫物質(例如[Al(OH)3．xH2O]錯合物緊密結合至Fe電極表面上/與Fe電極表面耦合。該預生產反應是需要低能階的過程。在一些具體實施例中，觀察到該溶液的pH在該預生產反應期間提升，且能夠導因於OH-基團釋放至該溶液中。
(3)生產反應
在一些具體實施例中，生產反應產生氫，並耗盡產氫物質。例如，當該產氫物質是[Al(OH)3]時，該生產反應產生氫氣，並製造耗盡的產氫物質[Al(OH)4]-。該物質[Al(OH)3]在本文中用以作為範例。該產氫物質也能夠為[M(OH)4]-、[M(OH)3]、[M(OH)2]+、[M(OH)]2+、M3+或能夠執行上述類似反應的其他適合化學品。
活性離子置換(AID)
在一些具體實施例中，生產反應藉由活性離子置換(AlD)反應達成。該AID的化學反應描繪於方程式(3)中。
在方程式(3)中，[M(OH)y．z(H2O)]p-y是生產反應之前產氫物質的化學狀態。Z代表圍繞該產氫物質核心的水分子數。P-Y代表與y當量的氫氧化物結合的產 氫物質電荷。Y代表在該AID反應之前結合至該產氫物質的氫氧化物數。經由該AID反應，在所施加電荷的幫助下，[M(OH)y．z(H2O)]p-y變成[M(OH)y+1．(z-1)(H2O)]p-y-1。方程式(3)是描繪本發明概念的範例。例如，[M(OH)y．z(H2O)]p-y能夠為[Al(OH)3．x(H2O)]，而且[M(OH)y+1．(z-1)(H2O)]p-y-1能夠為[Al(OH)4．(x-1)(H2O)]-。本領域的技術人員將領略的是，該產氫物質也能夠在其他的化學狀態、含有任何其他適合的氫氧化物基團數或含有其他適合的配位體。在一些具體實施例中，外部熱幫助該AID反應。
AID反應能夠還原水，並將OH-基團與產氫物質聯結。該AID反應進一步描繪於方程式(4)中了，其中[Al(OH)3．x(H2O)]用以作為產氫物質的範例。圍繞該產氫物質核心的x當量的水用以作為範例。在一些具體實施例中，該產氫物質能夠直接使用溶液中的水。
第2A圖示出了產氫物質208以及該水分子212之間的反應。在AID反應的一些具體實施例中，該產氫物質208是與該水分子212反應並產生質子(H+)216或氫214的[Al(OH)3．x(H2O)]。能夠藉由將電壓電位施加至電極202而幫助該AID反應。這些機制僅描述作為範例。本領域的技術人員將領略的是，氫氣能夠經由氫化物以及質 子或任何其他適合產生氫氣的方式來產生。此揭露內容中所描述的氫化物以及質子能夠結合至該產氫物質、由該產氫物質來產生，並結合至溶液中的其他化合物。本領域的技術人員已知氫氧化鋁的兩性性質能夠增加該生產反應之AID反應的效率。觀察到該溶液的pH在該AID反應期間增加，且其能夠由該AID反應中的氫氧化物產生或釋放而造成。在一些具體實施例中，該pH值能夠由通過反應器核心以及氧化器的催化劑鹼配方(CBF)流體流速的濃度來控制。在一些具體實施例中，該CBF是產氫物質。
本領域的技術人員也將領略的是，該產氫物質能夠經由質子、氫化物或其組合而藉由單一分子或或藉由多個分子或原子的合作(例如合金以及複數個相同或不同金屬中心)來產生氫。
(4)再生反應
在一些具體實施例中，再生反應從耗盡的產氫物質再生出產氫物質。例如，[Al(OH)4．(x-1)(H2O)]-能夠被再生回[Al(OH)3．x(H2O)]或[Al(OH)3．(x-1)(H2O)]。
生產反應以及再生反應使整個反應以催化的方式作用，直到產氫物質轉換成較不具活性或另一個穩定態(不能使用的化合物)。
再生反應的化學方程式描繪於方程式(5)。
[1M(OH-)y]+2M+x → [1M(OH-)y-z]+[2M+x(OH-)z] (5)
在方程式(5)中，[1M(OH-)y]是耗盡的產氫物質，以及2M+x是再生物質。該再生反應剝除或釋放鍵結至耗盡之產氫物質的氫氧化物基團，所以該產氫物質從耗盡形式的狀態([1M(OH-)y])直接或間接地再生回先前的化學狀態，例如[1M(OH-)y-z]。2M+x是作為將氫氧化物基團從耗盡的產氫物質移除或攜出的氫氧化物運輸工具，例如Ag、Ag(OH)、Cu以及Cu(OH)+1。上述方程式為描繪此揭露內容的概念之範例。本領域的技術人員將領略的是，該產氫物質能夠在其他的氧化態、含有任何其他適合的氫氧化物基團數或含有其他適合的配位體。
再生反應能夠將OH-基團從該OH-原本鍵結至的產氫物質解離。該再生反應在方程式(6)以及(7)中使用[Al(OH)4．(x-1)(H2O)]-作為耗盡的產氫物質的範例來描繪。本領域的技術人員將領略的是，該再生反應也能夠在Ag(OH)r以及Cu(OH)r之間(其能夠作為彼此的氫氧化物運輸工具)發生。R代表與該氫氧化物運輸工具之核心聯結的氫氧化物數，以及R值能夠為0、1、2或任何其他適合的數。
第2B圖依照一些具體實施例描繪了再生反應。產氫物質208結合氫氧化物基團206。氫氧化物運輸工具203、204或210能夠將該氫氧化物基團206帶離耗盡的產氫物質208。該氫氧化物運輸工具能夠為銀離子204、銅離子210、鋁離子(未示於圖中)、多個離子中心的聚集203或佔據該氫氧化物基團206的其他化學物。
用語「再生反應」包括將耗盡的產氫物質還原回作為用以幫助電水解的催化劑活性之產氫物質的任何反應。用語「氫氧化物運輸工具」用以作為本發明的描繪，且該氫氧化物運輸工具能夠包括從該產氫物質移除任何化學物質的任何結構。就其本身而言，該氫氧化物運輸工具不限於只移除羥基。該氫氧化物運輸工具能夠作為運輸工具以移除氫化物、氫，或結合至或與該產氫物質聯結的其他物質。
(5)第二次氫反應
在一些具體實施例中，生產反應製造出與額外的氫氧化物基團鍵結之耗盡的產氫物質。再生反應使用氫氧化物運輸工具以從該耗盡的產氫物質取得該氫氧化物基團。在從該耗盡的產氫物質取得該氫氧化物基團之後，該氫氧化物運輸工具與該氫氧化物基團鍵結。隨後，第二次氫反應將鍵結在該氫氧化物運輸工具上的該氫氧化物基團 轉換成氫質子/氫氣以及金屬氧化物。例如，Ag2+或Ag+從[Al(OH)4．(x-1)(H2O)]-取得氫氧化物並經由該再生反應變成Ag(OH)2或Ag(OH)。該第二次氫反應將Ag(OH)2轉換成AgO及/或Ag2O以及氫。在一些具體實施例中，上述反應發生在主反應器(例如，第1圖中的反應器102)中。
6)氧反應
在氧反應中，在第二次氫反應中產生的金屬氧化物的氧經由光分解、熱分解或其他適合的化學反應或物理交互作用而從該金屬氧化物釋放。經由該氧反應，再生出了氫氧化物運輸工具，且該氫氧化物運輸工具能夠從耗盡的產氫物質或具有鍵結的氫氧化物的其他氫氧化物運輸工具中再次取得氫氧化物。例如，銀離子是經由氧反應而從氧化銀(AgO)再生。在一些具體實施例中，用於氧反應的光分解的能量來源是可見光、UV波、微波、無線電頻率波、伽瑪射線、X光、IR波或本領域的技術人員將領略的任何其他類型的能量。在一些具體實施例中，可用以作為氫氧化物運輸工具的金屬包括鋁、氧化鋁、銅、鐵、銀、鋅、鎂、鎵、鎳或能夠佔據氫氧化物基團的任何其他金屬或非金屬材料或化合物。上述提及的金屬離子能夠在各種氧化態。例如，銀離子能夠為Ag金屬、Ag+、Ag2+或Ag3+。
本領域的技術人員將領略的是，氧反應能夠以 熱、光或其他適合的能量來源來執行。此外，本領域的技術人員將領略的是，第二次氫反應以及該氧反應能夠為產氫反應的一部分，以及所謂的氫氧化物運輸工具能夠為產氫物質的一部分。
整體反應
第3圖依照一些具體實施例描繪了整體反應循環300。該反應以鋁(Al)金屬302開始。經由REDOX反應，該Al金屬302變成Al3+ 304。或者，該鋁離子304是從Al離子的其他來源(例如鋁樊土、Na[Al(OH)4]、Al(OH)3、NaAlO2、Na2AlO4、Na5AlO4、NaAl11O17或任何其他適合的Al離子來源)產生。該Al離子304與水(H2O)306反應，產生氫氣308以及產氫物質，氫氧化鋁[Al(OH)3．x(H2O)]310。在預生產階段之後，在AID製備之產氫基板的幫助下，該產氫物質310與兩個圍繞的水分子反應。氫氣在該生產反應中產生，且該產氫物質變成耗盡的產氫物質[Al(OH)4．(x-1)(H2O)]- 312。該再生反應從[Al(OH)4．(x-1)(H2O)]- 312移除一個OH-離子；因此，該耗盡的產氫物質[Al(OH)4．(x-1)(H2O)]- 312變成物質[Al(OH)3．(x-1)(H2O)]314。隨後，該[Al(OH)3．(x-1)(H2O)]314與水聯結，並轉變回[Al(OH)3．x(H2O)]310。經由該生產以及再生反應，該產氫物質以催化的方式作用。
在一些具體實施例中，再生反應使用銅離子332或銀離子352作為氫氧化物運輸工具。該銅離子332以及該銀離子352能夠經由REDOX反應而從金屬銅330以及銀350產生，或從其他適合的離子來源製備。該氫氧化物運輸工具佔據氫氧化物基團316，並變成氫氧化物鍵結的氫氧化物運輸工具，例如Cu(OH)2 334或Ag(OH)2 354。本領域的技術人員將領略的是，該氫氧化物運輸工具能夠在各種氧化態，並與各種數量的氫氧化物316鍵結。
在一些具體實施例中，第二次氫反應產生更多的氫，並將氫氧化物鍵結的氫氧化物運輸工具(例如Ag(OH)2 354)轉換成金屬氧化物(例如AgO 356)或銀離子。
在一些具體實施例中，氧反應產生氧358，並將金屬氧化物(例如AgO 356)更新成為更新的氫氧化物運輸工具。經由第二次氫反應以及氧反應，該氫氧化物運輸工具以催化的方式作用。
第4圖依照一些具體實施例進一步描繪了電控制之產氫反應400的過程。該過程以製備起始材料402開始。在步驟404，藉由REDOX反應製備產氫物質。在步驟405，該產氫物質與水反應，並變成活性產氫物質。
在步驟406，生產反應使產氫物質與水反應， 或經由施加電壓電位的分子內水解反應以經由電水解反應來製造氫氣。該產氫物質變成耗盡的產氫物質。在步驟408，再生反應使用氫氧化物運輸工具以再生出該耗盡的產氫物質。在步驟410，第二次氫反應以及氧反應還原了該氫氧化物運輸工具。在步驟412，再生了該產氫物質。在步驟412之後，該過程回到步驟405，且整體反應以催化的方式作用。
本領域的技術人員將領略的是，上述過程僅為一個範例。所有的步驟為隨選的，且能夠加入額外的步驟。此外，該反應能夠經歷其他機制。
實驗
範例1
在一些具體實施例中，裝置包括主反應器、光化學/氧化反應器以及熱源。該主反應器核心含有反應物或催化劑、石墨以及不鏽鋼板作為電極。該光化學/氧化反應器含有能量來源或能量轉換器，例如光源、能夠以其他形式轉化陽光的日光接受器、太陽能熱水器或其他適當的光或加熱器。
在下面中詳細描述了執行反應的條件以及程序。實驗以催化劑製備程序開始。在該催化劑製備程序中，將水、鹽類以及起始金屬(包括Al、Cu以及Ag的基板) 放入催化劑製備容器中。接著，藉由使用下面段落中所描述的REDOX反應來製備起始材料。隨後，將該催化劑製備反應的產物轉運至主反應器。該主反應器含有水，例如從自來水製備出的水、蒸餾水、去離子水或海水。加入鹽類，使用折射計藉由使用NaCl的重量將水的鹽度帶到至少1.5%。
在REDOX反應中，將電施加至電極。將負電荷連接至石墨電極，以及將正電荷連接至銅、銀以及鋁電極。藉由施加足夠大的電壓(例如，1.8伏特)來起始反應，以導致Al、Cu以及Ag基板開始釋放氣體。將該反應進行30-40分鐘，或直到發展出膠體懸浮物或厚重且泡沫般的上層物。時而攪拌該溶液，直到該上層物完全溶解至溶液中，並形成凝膠狀的懸浮液。
在催化劑製備之後的是預生產反應。在該預生產反應中，主反應器中的陽極(不鏽鋼電極)設定條件為用於AID。在一些具體實施例中，該反應的溫度設定在80℉至185℉的範圍中。將施加電力的負電荷連接至該不鏽鋼電極，且正電荷連接至石墨電極。在施加電壓之前，將Cu、Al以及Ag金屬從該溶液取出。接下來，施加0.3V的電力。在電流穩定之後，以0.01V的增加量來施加電壓，直到該電壓大致上為0.4V或直到在不鏽鋼基板製造出H2 氣體。在一些具體實施例中，觀察到該溶液的pH值在該預生產反應期間快速地增加。
在預生產階段反應之後，執行生產反應。在該生產反應中，以0.1V起始電壓，並以0.05V的增加量來增加，例如0.105V、0.110V以及0.115V。將該電壓連續地增加至接近0.820伏特，或直到產生最大量的氣體。在此階段期間，在不鏽鋼基板製造出氫氣。然後以0.05V減少該電壓，直到氣體的製造減少。
上述設定中的氫氣是從不鏽鋼電極製造。在反應期間觀察到pH值快速地增加。在該反應之後，如果關掉施加的電壓電位，在大約12小時(隔夜)的期間之後，pH值減少至大約6.5。
在此可更新的催化系統的一些具體實施例中，以0.22g的Al金屬、0.060g的銅金屬以及0.017g的銀金屬開始反應，以製造五公升的氣體。
在上述反應之後，耗盡了產氫物質，在主反應器中留下含有耗盡的產氫物質以及氫氧化物鍵結的氫氧化物運輸工具的溶液。將該溶液從該主反應器轉運至用於氧反應的氧化反應器，以還原該氫氧化物鍵結的氫氧化物運輸工具以及產氫物質。凝膠狀的懸浮液含有再活化的產氫物質，並將含有該凝膠狀懸浮液的溶液轉運回該主反應 器。該氧化反應器可以是光化學反應器或熱轉換器。當反應溶液的pH值增加時，將該氧化反應器打開。在一些具體實施例中，該氧化反應器是一直打開的。
範例2
第5圖依照一些具體實施例描繪了系統500。 該裝置500包括製備反應器503、主反應器514、光化學/氧化反應器532以及熱轉換器530。
在一些具體實施例中，如下述執行實驗。以製備含有250mg的Al金屬502、50mg的Cu金屬504、25mg的Ag金屬506、石墨電極512以及具有1.5% NaCl 510重量的1公升的水508的溶液501開始反應。將-1.7V的負電壓施加至該石墨電極512，並將正電壓施加至該Al金屬50215分鐘。接下來，將施加至該Al金屬502的第一正電壓移除，並將1.4V的第二正電壓施加至該Cu金屬50410分鐘，同時將-2.5V的負電壓施加至該石墨電極512。接下來，從該Cu金屬504移除該第二正電壓，並將1.0V的第三正電壓施加至該Ag金屬506 5分鐘，而該負電壓仍施加至該石墨電極512。將該溶液的溫度維持在88℉。在一些具體實施例中，上面描述的程序包括將該金屬離子化至該溶液中。在一些具體實施例中，該程序是用於催化劑製備。
接下來，將溶液501轉運至該主反應容器 514。該主反應容器514含有鋁離子515、銅離子517、銀離子520、鈉離子522以及氯離子524。用語「離子」包含所有的金屬配位體狀態。例如，鋁離子包括Al3+或Al(OH)x，其中該x代表鋁離子相配合的配位體數。在一些具體實施例中，將0.4V至0.9V之間的電壓施加至電極的陰極。在替代的具體實施例中，將0.85V的電壓施加至電極的陰極。在其他的具體實施例中，將不超過0.9V的電壓施加至電極的陰極，因為有些實驗指出，當施加超過0.9V的電壓時，產氫會減少。在一些具體實施例中，相較於在標準氫電極上的電壓，該陽極的施加電壓在0V。在替代的具體實施例中，該電極的陽極是具有0V電壓的參考電極。 在一些具體實施例中，以施加負電荷至不鏽鋼516的方式施加電壓，並將正電荷施加至石墨電極518。當施加足夠的電壓時，開始發生水解反應，且當施加電壓至該不鏽鋼電極516以及該石墨電極518時，在該不鏽鋼電極516產生氫氣536。在30分鐘之後或當氫氣製造的量開始減少時，將該容器514中的溶液轉運通過該加熱器530，並在LED光532下穿過，以產生光分解反應。在該光分解反應期間在出口538處收集氧氣540。將該溶液轉運回該主反應容器514中用於產氫。
第6圖依照一些具體實施例描繪了在原處(in situ)的氫與氧製造系統600。在操作中，系統600能夠包括用於在原處並按需求氫與氧製造的系統500。所製造的氫以及氧氣能夠經由相同或獨立的通道604至內燃機602，該內燃機602能夠裝設在汽車上。經由該氫以及氧燃燒反應所產生的水可再回收，而在該系統500中再次使用。
在原處的氫與氧製造系統600能夠按需求提供燃料、氫氣以及氧氣。因此，該系統600能夠消除或取代具有在運輸工具上儲存高壓氫氣的需求。結果，能夠消除或避免高壓儲存/分布裝置爆炸的危險。
第7圖依照一些具體實施例描繪了用於產氫的電催化水解反應700的方法。該方法在步驟702開始。在步驟704，鋁、銅以及銀被離子化至水溶液，形成產氫催化劑。在步驟706，將該溶液維持在接近90℉。在步驟708，將-0.4伏特至-0.9伏特之間的電壓施加至該溶液或電極的陰極，藉此產生氫氣。在步驟710，該產氫物質的催化能力藉由與第一催化劑還原物質反應而再生。在步驟712，該第一催化劑還原物質藉由與第二催化劑還原物質反應而再生。在步驟714，該第二催化劑還原物質藉由將其曝光而再生，例如綠色LED光。該方法700在步驟716結束。
在下面段落，依照一些具體實施例提供了控制以及維持穩定產氫系統的方法。第8A以及8B圖依照一些 具體實施例描繪了產氫方案的方程式。參照第8A圖，在方程式802中，在AID的影響下，Al(OH)3與水反應形成[AI(OH)4]-以及質子(H+)。接下來，藉由AgCu(OH)2或任何其他化合物，也藉由能夠移除OH-的條件(例如冷卻)來移除[Al(OH)4]-的氫氧化物(OH-)。如方程式804中所示，AgCu(OH)2從Al(OH)4 -移除氫氧化物(OH-)，以至於該[Al(OH)4]-被轉換回能夠再次與水分子反應的Al(OH)3。 在一些具體實施例中，銀改變其原子價，以至於該銀能夠從零(0)氧化成+1價。本領域具一般技藝的人員將領略的是，銀能夠被氧化成+1、+2及/或+3價，並分別攜帶1、2及/或3個氫氧化物基團(OH-)。該溶液中的質子能夠接受電子，並形成要被使用以作為燃料的氫氣，該氫氣能夠從該溶液中移除而收集。在方程式806中，氫氧化銀(Ag(OH))能夠轉換成氧化銀(Ag2O)以及水。在方程式808中，光能量(例如LED)及/或熱能夠用以將氫化銀(Ag2O)轉換成銀(0)以及氧氣。
第8B圖依照一些具體實施例提供了替代的產氫方案。在第8B圖中描述的銀化學能夠為製造氫氣的催化反應。或者，在第8B圖中描述的銀化學能夠為與第8A圖中描述之製造氫氣的化學反應及/或其他化學反應結合而作用的化學反應的一部分。在方程式820中，Ag0與水反 應以製造氫氣、Ag+以及OH-。在一些具體實施例中，Ag0與水在不鏽鋼基板反應，發出兩個電子至AID層，並提供2個H+質子用於製造氫氣。Ag的氧化反應能夠向上至各種氧化態，例如+1、+2、+3或Ag可到達的任何其他氧化態。 在方程式822中，OH-能夠與Ag+聯結，以產生Ag2O以及H2O。在方程式824中，Ag2O能夠被還原變成Ag0。本文中所描述的化學反應是依照一些具體實施例。能夠製造氫氣的任何其他化學反應是可應用的，只要該化學反應在本揭露內容的範圍內。
第9圖依照一些具體實施例描繪了產氫系統。 第9圖能夠與第8A以及8B圖中所描述的化學反應以及它們相關的文字一起解讀。如第9圖中所示，含有Al(OH)3、AgCu(OH)2、水以及NaCl的溶液能夠被運輸至核心腔室902中。該核心腔室902能夠以相似於該主反應器102(第1圖)的方式作用。含有Al(OH)3、AgCu(OH)2、水以及NaCl的溶液能夠從起始材料製備，例如Al金屬、Cu金屬、Ag金屬以及鹽水。或者，該溶液能夠從其他腔室接收，且可含有從[Al(OH)4]-以及Ag2O再生的化學品。方程式802、804、820以及822(第8A以及8B圖)能夠發生，且氫氣能夠在該核心腔室902中製造。接下來，該溶液能夠被運送至累積腔室904及/或氧腔室906。運送至該累積腔室904 的該溶液能夠含有[Al(OH)4]-、Cu(OH)2、Ag+或其組合。在一些具體實施例中，該溶液能夠含有至少一種物質，例如能夠從鋁離子錯合物取得至少一個氫氧化物(OH-)基團的銀離子錯合物[Ag(OH-)x]或銅離子[Cu(OH-)x]錯合物，該鋁離子錯合物用以製造氫氣。使用OH-移除機制，鋁離子再次變成具有活性，且能夠製造質子以及氫氣。上述提及的下標符號「x」表示與金屬離子錯合的氫氧化物基團數。該數字「x」能夠從0開始，至1、2、3…等等。該累積腔室904是隨選的。該方程式806、808、822以及824能夠在該累積腔室904、該氧腔室906或其組合中發生。該累積腔室904及/或該氧腔室906能夠類似於上面描述的氧化反應器104(第1圖)及/或熱源108(第1圖)而作用。在光或熱能的幫助下，氧化銀(Ag2O)能夠氧化Ag2O的氧(O2-)原子以變成氧氣(O2)，並將Ag2O的銀離子(例如Ag+)還原成Ag0，以至於Ag0能夠用以作為該氫氧化物基團接受者/移除者，其能夠用以從[Al(OH)4]-或在產氫反應之後產生的物質移除至少一個OH-基團。
在一些具體實施例中，本文中所揭露各種腔室中的化學反應的進展是藉由電腦系統控制，該電腦系統能夠類似於第1圖的電腦控制系統106。在一些實驗中，發現到如果主核心腔室(反應器核心腔室)902的pH值維持 在7.0-8.5的範圍中，氫氣被製造出來，以及如果主核心腔室902的pH值高於9.7或10.5，氫氣製造被停止。因此，在本文中提供了控制氫氣製造系統的方法，用於維持穩定的氫氣製造系統。例如，該方法能夠使用該電腦系統來控制並確保該腔室中的pH值在預定的範圍內，例如介於8.4至9.5之間的pH範圍。本領域具一般技藝的人員將領略的是，只要該系統能夠提供連續及/或穩定的氫氣製造，任何其他的pH範圍就能夠被使用。該方法能夠藉由控制照明的強度、波長、時間、功率或其組合來執行。使用照明控制(例如藉由增加/減少照明強度)能夠控制及/或最佳化氫氣製造的效率以及速率。在替代的具體實施例中，控制氫氣製造的方法能夠藉由控制至少一種產氫物質的再生來控制，例如將Ag2O再生為AgO。在一些具體實施例中，該系統中的Ag0濃度的控制以及再生率/效率能夠為控制因素的一部分，以維持或最佳化本文中所描述的氫氣製造。同樣地，本文中所揭露的系統以及方法能夠使用電腦系統來控制/自動化該控制系統，藉由維持反應在穩定態、動態平衡發生及/或限縮的操作條件(例如在預定的溫度範圍內、照光條件以及啟動電壓)中發生，以確保穩定的產氫系統。
如上所述，本發明的一些具體實施例能夠包括下述化學反應：REDOX反應、預生產反應、生產反應、再 生反應、第二次氫反應以及氧反應。或者，一些具體實施例能夠包括下述化學反應：催化劑製備反應、產氫反應、催化劑再生反應以及用以再生該催化劑再生物質的再生反應。
已觀察到當將系統關閉隔夜時，催化系統的pH值會掉到7.0-6.5以下或到微酸性的程度。此能夠導因於被Al(OH)2+留在溶液中的游離OH-的轉換。
在一些具體實施例中，發現到：在反應溶液中缺少氯離子(Cl-)可造成預防完全的預生產階段反應的發生，其接著防止生產反應以及氫的製造。此係當碳酸鈉(Na2CO3)取代氯化鈉(NaCl(aq))或海水時證明。
卓越的實驗結果
在一些實驗中，在數小時的操作之後，H2的製造速率從20ml/min降低至2ml/min。將該反應器排乾，並放在涼爽乾燥的地方，讓催化劑靜置隔夜。隔天早上或再次開啟系統的任何時候，發現該反應立即以高產氫率開始回升。再次地，在操作期間，在一段時間之後，產氫率下降。這指出，再生反應能夠為熱破壞的結果。也發現到在測試結束時，催化劑鹼的pH大約為10至11.5。隔夜，該pH掉到大約6.5至7.2。
在另一個實驗中，發現到光的存在能夠將所需 的催化劑啟動電壓以及電流減少至幾乎0。在一些實驗中，進行了沉積沉澱物的顯微鏡分析。該分析示出，當具有Ag(以AgO的形式)的催化劑鹼配方存在於溶液中，且極少或沒有銅(以氫氧化銅的形式)在溶液中時，在反應器核心、試管以及其他容器的底部產生了特殊的Ag微銀色結晶沉澱物。在具有接近相等莫耳濃度的Ag：Cu的例子中，沒有晶體形成，且觀察到該催化劑配方的顏色從呈褐色轉變成血紅色。
催化劑配方： 在一些實驗中，在130℉的溫度下，催化劑配方含有500毫克/公升的鋁、150毫克/公升的銅以及75毫克/公升的銀。
實驗1：在一些實驗中，該產氫單位(HPU)在每分鐘10-20ml進行。在反應器核心之後的位置測試到的pH是高的，介於7.8-10之間，以及在氧化腔室(Oxy)之後pH增加至10-11.7。觀察到該催化劑鹼顯示出血紅色，且幾乎不透明。將溫度維持在130℉。當將啟動電壓維持在140至155mV之間時，該H2流速保持穩定在11-20ml/min，HPU的pH在大約8.0保持穩定，以及Oxy的pH為大約10.5。當將該啟動電壓維持在250至300mV之間時，H2流速減 少至3-5ml/min，HPU的pH值增加且在大約9.5變成穩定，以及Oxy的pH值在大約11.3。當該啟動電壓維持在400至850mV之間時，H2流速減少至2-3ml/min，HPU的pH值快速增加且在大約10.5變成穩定，以及Oxy的pH值在大約11.7。觀察到所使用的雷射二極體在大約30%的容量下操作。所使用的雷射二極體為1W，等級4，綠色的525nm波長二極體。
實驗2： 在一些實驗中，有幾次產氫達到高峰2-3分鐘，然後立即下降。偵測到50ml/min至200ml/min之間的H2流速。流速減少，且花費大約另外的20分鐘來再次得到H2高峰的製造。這能夠導因於Ag2O沉澱從其累積處掙脫。隨後能夠在平常的條件再次執行該反應。
實驗3： 在一些實驗中，Oxy被升級以增加表面區域以及輻射機會。將光源的強度從十單位的上述100mW雷射二極體增加至大約100瓦特的白熾燈泡。結果為一致的15ml/min(800%的增強量)之氫流速。H2流速仍然在一段長時間之後下降，並以間歇的噴發恢復。
此在H2流速的增加能夠導因於藉由增加照明而在氧化劑效率的增加。在檢視HPU組件時，在反應器核 心底部上、至累積室的流體管線中、在該累積室的底部上以及在到氧化器的管線中發現到呈灰色且帶白色的淤泥般的沉澱物。將此淤泥放置在錐形燒瓶內並放在窗台上。隨著時間，在頸部周圍形成水蒸氣，且最後該淤泥消失。
實驗4： 在一些實驗中，在催化劑鹼的配方中以氯化氫(HCl)取代NaCl。結果顯示產氫率的增加不與加入的HCl量有化學計量的相關。
實驗5： 在一些實驗中，在催化劑鹼的配方中以氫氧化鈉(NaOH)取代NaCl。結果顯示不能完成預生產階段。
觀察：隨著Ag濃度增加，系統的整體pH降低。當Ag濃度大於Cu(OH)2的濃度時，Ag開始沉澱為金屬。這能夠導因於缺少可與Ag金屬汞齊化的Cu(OH)2。流出反應器核心的流體的冷卻導致pH的增加，其能夠導因於帶有Al(OH)4-1錯合物的兩性反應，Al(OH)4-1錯合物釋放OH-。這能夠觸發Ag反應：2Ag+2+2 OH- → Ag2O+H2O。
觀察到的趨勢是，當使用較高的啟動電壓(例如，250mV)時，較低的啟動電壓(例如，150-155mV) 能夠導致比所產生的流速還要高的流速。觀察到該啟動電壓反比於H2流速。此外，隨著啟動電壓增加，反應器核心以及Oxy兩者的pH都增加。該反應器核心(pH<8.0)的pH越低，H2流速(AID反應速率)越高。
一些因素能夠被使用以改進產氫的效率，包括：加入反應器核心石墨帽以改善平行的表面反應，增加反應表面區域(例如，使用放射狀基板)，改善從氧化器的零星Ag2O的回收(例如，沉澱物回收)以及簡化經由基板的流體流動，以最大化Ag2O的轉運。
低的啟動電壓(例如，150mV)能夠將Ag離子化成Ag+1。這種低啟動電壓仍具有將Ag直接或間接轉換成Ag2O化合物的電位。較高的啟動電壓(例如，高於250mV)能夠導致系統在H2製造速率上不穩定以及較高不利的pH值。這能夠導因於Ag+2的形成，導致AgO的形成，其需要更多時間以化為Ag2O。因此，能夠藉由調整從AgO至Ag2O的轉換來控制及最佳化該系統的產氫效率，該轉換能夠為該產氫系統的速率決定步驟(r.d.s.)的一部分。
在氧化器中，Ag2O能夠被分解以與氫氧化銅錯合物反應，以形成AgCu(OH)2汞齊以及1/2 O2。然後將AgCu(OH)2運送至反應器核心的產氫基板，其從AgO金屬 拉出經選擇的電子數目(取決於啟動電壓)，以產生Ag+1、+2或+3離子。Ag+x離子與游離的氫氧化物離子反應(從該反應器核心下游位置中從流體中的Al(OH)4+1的兩性熱破壞釋放)，以最終還原成Ag2O、AgO、Ag2O3。該循環能夠重覆地發生。
在一些具體實施例中，將啟動電壓設定為150mV，導致金屬汞齊產生Ag+1離子。一個當量的Al(OH)4+1錯合物能夠釋放一個OH-基團，其能夠用以產生Ag2O。在其他的具體實施例中，將啟動電壓設定為250mV，導致金屬汞齊產生Ag+2離子。兩個當量的Al(OH)4+1錯合物能夠產生兩個當量的OH-基團，其能夠導致AgO。在一些其他的具體實施例中，將啟動電壓設定為400+ mV，導致金屬汞齊產生Ag3+離子。三個當量的Al(OH)4+1錯合物能夠產生三個當量的OH-基團，其能夠用以產生Ag2O3。
一些功能性因素能夠促成活性離子置換過程的穩定性，包括：(1)從Oxy運送至核心的物質一調整系統以使AgCu(OH)2錯合物從氧化器移至該反應器核心，以將Ag金屬轉換成特定的原子價；(2)核心至Oxy之間之反應溶液的反應時間一給予足夠的反應時間，以在該反應器核心基板以及該氧化器之間形成Ag2O錯合物；(3)Oxy效率一照射該氧化器，並減少Ag2O錯合物的量，形成之 後需要被運送到該反應器核心的AgCu(OH)2錯合物；(4)核心集結(buildup)一該系統能夠被設計以將Ag2O運送至不在該氧化器中分解的核心；(5)Ag2O過渡集結(transit buildup)一Ag2O能夠集結(例如，在該核心、累積室以及該氧化器之間)，以及能夠最佳化流動，以使沉澱物持續移動，以及(6)AID表面反應區域一能夠最佳化直流電交互作用的距離，以最大化AID表面反應區域。
一些因素能夠被使用以改進產氫系統的穩定性。該因素包括(1)確保反應器核心流體的單向流動，(2)確保反應器核心中的物質/沉澱劑已從該反應器核心運送至氧化器，(3)確保足夠的流動，以至於沉澱物不在管路的任何部分中集結。(此因素與紊流管理以及下視連接(downward-looking connection)有關)，(4)確保在雷射曝露的鄰近處有足夠的表面區域，(5)確保從該反應器核心至該氧化器(累積室)有延遲過程的流動，以使Ag+x離子完全與OH-基團反應，(6)破壞來自該核心下游的溫度，以最大化由於流體熱破壞之Al(OH)4-1錯合物的兩性改變，(7)確保該反應器核心基板在該反應器核心基板的頂部以及底部具有平行的直流電交互作用，其能夠在該表面上最大化反應器核心的活性位置，以及(8)找到用於各種銀錯合物的銀化學的pH平衡，以最佳化用於該系統最佳 操作的pH。
更多的因素能夠影響反應的穩定性。在一些具體實施例中，流體運送速率(流體移動速率)能夠影響產氫反應。觀察到在反應器核心(例如，產氫腔室)中通過產氫物質的流體流動最佳速率為氫氣泡移動穿過該流體至表面的速度的25%至50%之間。在一些具體實施例中，產生氫氣泡的速率是3英吋/秒。因此，用於在該產氫反應器中運送/移動流體成分的其中一個最佳速率是在0.75英吋/秒至1.5英吋/秒之間。這種流體移動速率提供了理想的生產反應條件，允許耗盡的產氫物質反應且從該處移除，同時維持但不掃去製備預生產階段表面障礙是可能的。在一些具體實施例中，蜂巢結構(基板/電極)的孔洞尺寸能夠影響產氫率。在一些實驗中，發現到3/8英吋至1/16英吋之間的孔洞尺寸是理想的尺寸。在一些具體實施例中，該孔洞尺寸為1/8英吋。該孔洞的尺寸能夠影響在該基板/電極內的流體流速。因此，該基板的孔洞尺寸、該流體的流速或其組合是影響該產氫反應速率以及穩定性的控制因素。自動系統及/或電腦輔助系統能夠被配置以監控以及控制上述因素，以提供穩定的/適合的產氫系統。
此揭露內容中揭露的具體實施例提供了用於按需求製造氫與氧的裝置以及方法。此外，此揭露內容中 所使用的反應物以及催化劑為環保且安全的材料。這種有利的特徵能夠應用於各種領域中，例如燃料科技、再生能源、電池、食品製造、石油化學、水泥以及汽車產業。
產氫反應的最佳化包括維持連續地運行該產氫反應以及電催化水解系統、增加催化劑的週轉率或週轉次數、在給定的時間期間中具有較高的產氫率及/或量、增加電催化水解系統的穩定性以及減少產氫所需的能量/材料。本領域具一般技藝的人員領略的是，最佳化包括調整任何反應條件(例如照光、溫度、順序以及反應腔室之間反應成分的運送時機)，以至於該氫的製造/生產能夠維持並連續地運行。本領域具一般技藝的人員領略的是，任何物理/化學因素能夠變化為反應條件調整或最佳化的一部分，包括強度、持續時間、速率、效率、量以及其組合。 例如，施加照光強度能夠與施加的照光持續時間同時調整，以至於氫氣生產的效率被最佳化成最佳條件。
本文中所提及的金屬離子(例如鋁離子、銅離子以及銀離子)包括在任何電荷狀態以及與任何陰離子聯結的金屬離子。例如，鋁離子能夠為Al3+或Al4+價，且為Al(OH)4-、Al(OH)3、Al(OH)2+、Al(OAc)(OH)的形式。
上述方法/程序中含有的所有步驟僅為本發明原理的示例。所有的步驟是隨選的，而且當適用時，所有 的步驟能夠以想要的不同順序執行。當本領域的技術人員認為適當時，也能夠加入額外的步驟。
已在併入細節的特定具體實施例方面描述了本發明，以幫助了解本發明架構以及操作的原理。本文中對其特定具體實施例以及細節的這類參照不意欲限制本發明範圍。將立即對本領域的技術人員顯而易見的是，在所選擇用以描繪的具體實施例中可做出其他各種修飾，而不悖離本發明的精神與範圍。
100‧‧‧系統
102‧‧‧主反應器
102A‧‧‧電極
102B‧‧‧功率來源
102C、104C‧‧‧管路
104‧‧‧氧化反應器
104A‧‧‧光源
106‧‧‧電腦控制系統
106A‧‧‧控制軟體應用
108‧‧‧熱源

Claims (33)

  1. 一種維持一電催化水解系統的一效能的方法，包含：a.準備該電催化水解系統，該電催化水解系統包含一反應器核心及一氧化反應器，其中該反應器核心內維持一溶液且該溶液含有一產氫催化劑，其中該產氫催化劑含有一鋁錯合物、一銅錯合物以及一銀錯合物；以及b.藉由將該反應器核心中的鹼性溶液的一pH值維持在9.5以下而最佳化產氫；以及c，藉由在該氧化反應器內利用一光供應裝置光分解而再生該銀錯合物。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中最佳化產氫包含維持該反應器核心pH值在8.5以下。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中最佳化產氫包含維持氧化器pH值在11以下。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中最佳化產氫包含維持pH值於能夠最佳化一產氫率的一範圍中。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中最佳化產氫包含最佳化該產氫催化劑的量。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的方法，其中最佳化該產氫催化劑的量包含增加該產氫催化劑的一再生率。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的方法，其中該產氫催化劑的該再生率包含將一已反應的產氫催化劑轉換回該產氫催化劑的一速率。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中最佳化產氫包含最佳化Ag0的一再生率。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中最佳化產氫包含最佳化Ag0、Ag1+或其組合的量。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中最佳化產氫包含增加從該銀離子解離出氧的速率。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中最佳化產氫包含藉由該銀離子而將一氫氧化物轉換成一氧化物。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中最佳化產氫包含增加從該銅離子解離出一氫氧化物的速率。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中最佳化產氫包含經由該光供應裝置而最佳化光供應持續時間、一光供應強度或一光供應頻率及其組合。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中最佳化產氫包含經由一熱供應裝置而最佳化一熱供應持續時間、一熱供應量或其組合。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中最佳化產氫包含經由該電能供應裝置而最佳化一電壓供應量、一電流供應量或其組合。
  16. 一種用於維持一電催化水解系統的一效能的裝置，包含：a.含有一產氫催化劑的一溶液、一光供應裝置以及一電能供應裝置，其中該產氫催化劑含有一鋁錯合物、一銅錯合物以及一銀錯合物； b.用以控制一反應條件的一控制器，使得一產氫反應被最佳化，其中控制該反應條件包括維持反應器中的pH值在9.5以下；以及c.該光供應裝置，藉由光分解而再生該銀錯合物。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的裝置，其中控制一反應條件包含維持反應器核心中的pH值在8.5以下。
  18. 如申請專利範圍第16項所述的裝置，其中控制一反應條件包含維持氧化器中的pH值在8.5以及10.5之間。
  19. 如申請專利範圍第16項所述的裝置，其中控制一反應條件包含最佳化該產氫催化劑的量。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的裝置，其中控制一反應條件包含增加該產氫催化劑的一再生率。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的裝置，其中該產氫催化劑的該再生率包括將一已反應的產氫催化劑轉換回該產氫催化劑的一速率。
  22. 如申請專利範圍第16項所述的裝置，其中控制一反應條件包含最佳化Ag0的一再生率。
  23. 如申請專利範圍第16項所述的裝置，其中控制一反應條件包含最佳化Ag0、Ag1+、Ag2+、Ag3+或其組合的量。
  24. 如申請專利範圍第16項所述的裝置，其中控制一反應條件包含增加從該銀離子解離出氧的速率。
  25. 如申請專利範圍第16項所述的裝置，其中控制一反應條件包含藉由該銀離子而增加一氫氧化物轉換成一氧化物的轉換率。
  26. 如申請專利範圍第16項所述的裝置，其中控制一反應條件包含增加該銅離子解離出氧的速率。
  27. 如申請專利範圍第16項所述的裝置，其中控制一反應條件包含經由該光供應裝置而最佳化光供應持續時間、一光供應強度或一光供應頻率、或其組合。
  28. 如申請專利範圍第16項所述的裝置，其中控制一反應條件包含經由一熱供應裝置而最佳化一熱供應持續時間、一熱供應量或其組合。
  29. 如申請專利範圍第16項所述的裝置，其中控制一反應條件包含經由該電能供應裝置而最佳化一電壓供應量、一電壓供應量或其組合。
  30. 一種控制一電催化水解系統的方法，包含：a.監控該電催化水解系統的一反應條件，其中該反應條件包含一pH值、一溫度、一壓力、一照明條件、一反應物量或其組合；以及b.將該反應條件維持在一預先決定的範圍中，包括將一反應器的pH值維持在9.5以下，使得一催化的產氫反應能夠連續地產氫；以及c.利用一光供應裝置光分解而再生一銀錯合物。
  31. 如申請專利範圍第30項所述的方法，其中該照明條件包含一照明強度。
  32. 如申請專利範圍第30項所述的方法，其中該照明條件包含一照明持續時間。
  33. 如申請專利範圍第30項所述的方法，其中一反應器核心的該pH值低於10且高於7。
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