诱发金属系统大量吸收氢及其同位素的方法及设备

摘要

一种诱发金属系统吸收大量氢及其同位素的方法，该方法可在接近环境压力和温度的条件下实现，从而减小了费用和运行危险，该方法包括这样的吸收氢和/或其同位素的步骤，向具有限定截面积而没有分支的一连续金属线两端施加电压，以沿其长度获得高电压降。此外，用于完成上述方法的装置(10)包括连接至电压发生器(19)的一条连续金属线(16)，该金属线的至少一部分(20)安置在包含被吸收的氢和/或其同位素的原子核的封闭空间。

说明书

本发明涉及一种诱发金属系统大量吸收氢及其同位素(氘和氚)的方法。

本发明还涉及用以实现诱发金属系统吸收氢及其同位素这一方法的设备。

众所周知，由于氢燃烧时不会产生二氧化碳，所以将它作为无污染燃料使用的需要一直在持续不断地增加。

氢可以用来通过燃烧产生热，或在燃料电池中直接产生电。氢同位素作为聚变反应中的核燃料也得到重视。

这些应用使得对氢储存的需求增加，以便于在需要使用的地方得到它。

人们已经了解一些储存氢的系统。例如，它可以在高压下，以液态形式保存在钢瓶及类似的容器中。但是，这些系统由于将氢液化的费用而十分昂贵，而且，在任何情况下，液氢都是非常危险的，因为它极易燃烧。

另一种系统使用高氢含量的化学化合物，如甲醇，在需要使用时，通过一定处理将它还原成氢。但是，这种系统在使用时要求具有还原处理的设备，这些设备同样增加了系统成本。

再一种用于储备氢的系统包括诱发大量氢储存在金属系统，氢气被吸收在金属中。

众所周知，在适当的压强与温度条件下，许多金属都可以吸收氢及其同位素。

氢被吸收的量与每种材料的电学特性及结构特性有关，也与对材料的化学或物理处理有关，它影响氢迁移到金属中的动力学(过程)。

氢可以以气相或从电解液中被构成电解池阴极的金属系统吸收。

在第一种情况下，氢分子在金属表面附近被分解成氢原子并在随后的吸收过程中离子化。为使这一过程发生，氢必须克服由于金属与气体之间化学势不同而形成的能障。

在第二种情况下，氢已被离子化，要被克服的能障就是存在于金属系统与电解液之间的化学势差。

众所周知，氢及其同位素的原子核在被吸收进金属的时候，将进入金属原子核之间的空穴位置，它比后者有更强的迁移性并带有一个不为零的电荷。

因此这些氢原子核受施加到金属系统上的任何电力的影响。

近来在一些实验室的实验中观察到，吸收了氢同位素的金属系统发出来自核的辐射，例如中子、氚和γ射线，这表明在上述的同位素之间发生了核聚变(E.Yamaguchi和T.Nishioka：Jpn.J.Applied Phys.，P.L666，Vol.29，1990)。

除此之外，在其它一些有关电解诱发吸收的实验中，还观察到一定量的热产生。这种现象的唯一解释是在用作阴极的金属系统中发生了核聚变反应(M.Fleischmann，S.Pons，M.Hawkins：J.Electroanal.Chem.，Vol.261，P.301(1989))。

安全地存储大量氢的需要和上述实验开辟的可能性使在金属中大量存储氢及其同位素的可能性引起了很大的技术兴趣。

到目前为止，可以储存在一个金属系统中的氢和/或其同位素的量不能超过在一定压强和温度条件下，由化学平稀解决定的量。

因此，为达到更多的吸收就必须提高压强和温度，这样就会使前面所述的方法的成本提高，而且不能摆脱爆炸的危险。

根据量子电动力学对致密材料的理论计算(G.Preparata，“Coherence in QCD and QED”，Common Problems and Ideas ofModern Physics；T.Bressani et al.Eds.World Scientific Ed.，P.1-56(1992))，一些吸收进金属的氢和/或其同位素的原子核，在金属内的一定区域里，能够相互共振，处于所谓的耦合态(coherent state)。

上述状态对应一个化学势，它随氢和/或其同位素原子核的有效电荷总量及外部施加的电势而增加。

这一增加导致氢和/或其同位素的原子核被吸收在金属中的可能性增加。

从根本上讲，本发明的技术问题包括发明一种诱发大量氢被金属系统吸收的方法，它可以克服与前述技术相联系的问题，并与前面描述的理论相一致。

这个问题由一种特定方法解决，其特征在于它包括一个吸收氢和/或其同位素的步骤，在这个步骤中，在至少一条连续金属线的两端加上一定的电压，金属线构成所述的金属系统，它的截面积是限定的，以沿金属线获得预定的电位降。

本发明还涉及实现上述方法的设备，其特征在于它有一条具有限定截面积的连续金属线，其两端分别连接到一个电压发生器的不同极，这条金属线至少有一部分被定义为一金属系统，并置于一个充有待吸收的氢和/或其同位素原子核的封闭空间里。

本发明的方法及设备在原理上的优点是，它有可能获得比在一定压强和温度条件下，由化学平衡决定的更高的氢和/或其同位素的吸收。

在金属系统中诱发高的氢及其同位素吸收率的这种方法及实现这一方法的设备的进一步的特点和优点，可以参考图示及对下面推荐实施例的详细描述中体现出来。这个实施例是一个完全没有特定限制的举例。

图1是一个实现本发明方法的气体单元的剖面简图；

图2是一个实现本发明方法的设备的实施例的局部透视图；

图3是另一个实现本发明方法的设备的实施例的局部透视图；及

图4是实现本发明方法的设备的又一个实施例的局部透视图。

在本发明方法的一个推荐方案中，沿连续金属线预定的电位降大于10伏。另外，这个连续金属线的截面积小于0.01平方毫米，长度大于100毫米。

为更好的效果，这条连续金属线的电阻应大于1欧姆，最好大于10欧姆。

此外，这条金属线包括下列选择中的一种或多种金属元素，它们是：钪(Sc)，钛(Ti)，钒(V)，铬(Cr)，锰(Mn)，铁(Fe)，钴(Co)，镍(Ni)，铜(Cu)，钇(Y)，锆(Zr)，铌(Nb)，钼(Mo)，锝(Tc)，钌(Ru)，铑(Rd)，钯(Pd)，银(Ag)，铪(Hf)，钽(Ta)，钨(W)，铼(Re)，锇(Os)，铱(Ir)，铂(Pt)，金(Au)，任何镧系或锕系元素。

另外，在吸收工艺中，氢和/或其同位素的压强小于1000千帕，温度低于100℃，最好低于60℃。

              举    例

图1简要说明一个实现本发明方法的一个气体单元，标记为1，它由一个连接有外部供气管3的管状容器2、阀门4和其限定的封闭区5组成。

在容器2中有一条在二端被弹簧7拉紧的金属线6。

金属线6与一个包括电压发生器9的电路8相连。

上述气体单元中有一条直径为0.05mm，长为150mm的圆形截面钯线。

被引入这个气体单元的氢气压强为150kPa，温度为50℃。

在这样的温度和压强的条件下，测量出由该条件下化学平衡所决定的平均氢含量，表示为x，x被定义为被吸收的氢原子数与金属线中的原子数之比，人们发现这比值为0.7。

这个比值可以通过改变线的电阻或改变其长度来测量。在这个例子中是通过改变电阻的方法测得的。

在接下来的吸收步骤中，线的两端加上15.6伏的电压，通过它的电流是0.6安培，第一个阶段为400秒，这个阶段结束时测得x的平均值是0.95。

在这个吸收步骤中，沿金属成建立的平均电场强度为104V/m。

在进一步的吸收步骤中，线的两端加36V电压，流过的电流是0.85A，第二个阶段持续550秒，结束时x的平均值是1.05。

在这个吸收步骤中，沿金属线的平均电场强度为240V/m。

这些x的平均值远大于前面引用的在压强条件下化学平衡决定的值。

除上述优点外，根据上述实验，本发明的方法可能导致在这条连续金属线中产生一定量的热，这一现象可以解释为在这条线中发生了核聚变反应。

更为有利的是，这个热可以被释放出来并用于产生其它形式的能。

此外，本发明的方法可以通过将这个连续金属线作为电解池的阴极来实现，或者最好用这线自己构成阴极，总之，是将线浸没在将氢和/或其同位素释放成离子的电解液中。

图2到图4描述了实现上述方法的吸收设备的三个不同的实施例。

在这些设备的图示及下面的描述中，相同功能的结构部件，用相同的参考数字标记。

在图2中，一个实现上述方法的设备实施例标为10。它由一个箱形容器11及封闭空间12组成。

设备10还包括一个限定截面的连续金属线16，它在封闭空间12中的部分为20。金属线16的这部分20在紧邻的平行叠置平面上沿所谓的蛇形轨迹(boustrophedonic path)被绕成螺旋线圈。

这样，金属线16位于封闭空间12中的部分20构成了一个金属系统15。

金属线16的两端17，17’从容器11中引出，分别与电压发生器19的两极18，18’相连接。

容器11还有一个入口导管13和一个出口导管14。

另外，在设备10的这个实施例中，导管13和14还构成将金属线16中的热传递出来的装置。

金属线16的部分20中的热量由焦尔效应产生的。另外，根据前面所述的实验室进行的实验中，还可能产生一定附加的热量，这部分热量可以通过导管13和14传递出来并加以利用。

就图2中设备10的工作来说，可以通过导管13，14引入含有要被金属系统吸收的氢/或其同位素的空气，这些元素并在一定的压强和温度下为分子形式，处于气相。

一旦达到所要求的工作条件，通过发生器19把一定电压加到金属线16上，保持一段适当的时间，这样便实现了根据本发明方法的吸收步骤。

同时或随后，在金属线16部分20中产生的热量由导管13，14传递出来。金属线16的部分20产生的热通过金属线16自身导热性自然地传递给封闭空间12中的空气。

通过导管14从封闭空间12中排出的气体可以被冷却，例如通过气体/气体或气体/液体热交换器(图中没有画出)，然后通过入口导管13返回容器11。

图3是实现本发明方法的设备10的另一个具体实施例，它有一筒形外筒11a及其两端21和22。

在外筒11a靠近两端21和22的地方分别有入口部分23和出口部分24。

内筒容器11b与外筒同轴且位于外筒中央，其两端分别是21’和22’。

入口导管13和出口导管14分别与内筒两端21’和22’相连并分别经过入口部分23和出口部分24通到外筒容器11a的外面。

23和24段与导管13、14紧密配合以形成良好的液体密封。

外筒11a与内筒11b之间定义为封闭空间12。

设备10还包括一条有限截面积的连续金属线16，它在封闭空间12中的部分20沿内筒容器11b绕成线圈。

于是置于封闭空间12中的金属线16的部分20构成了一个金属系统15。

以类似于前面实施例的方式，在本实施例中，内筒容器11b构成了一个将图3设备中连续金属线16的热传递出来的装置。

为达到这一目的，金属线16的部分20直接绕在容器11b上，以实现容器11b与金属线16之间的直接热传导。

有利的做法是，内筒容器11b用良导热材料制成，它与金属线16的接触面是电绝缘的。

导热液装在筒形容器11b中并吸收穿过后者的热量。这导热液可以通过导管13和14排出和补充。

金属线16穿过外筒容器11a，其两端17，17’分别与一个电压发生器19的两极18，18’相连接。

外筒容器11a还有第二组进、出导管13a和14a。

另外，在内筒容器11b的两端21’、22’上有凹槽25并用机械的方法装入一只杆26。这只杆位于内筒容器11b的下方，穿插在连续金属线16的部分20与容器11b之间，其两端27插入凹槽25。

这只杆构成了连续金属线16绷紧的装置。

事实上连接端27可以在凹槽25中自由移动，而杆26由于重力作用处在下落趋势，于是即使线16的长度有所变化，它也可以使部分20保持张紧，以确保部分20与容器11b的良好热接触。

就图3中设备10的工作来说，将含有由金属线16吸收的氢和/或其同位素的空气，从第二组导管13a，14a引入，此时元素为气相的分子形式，处于一定压强及温度下。

一旦达到所要求的工作条件，由发生器19把一定电压加到金属线16上并保持一段适当的时间。

金属线16的部分20产生的热在传导作用下释放到内筒容器11b，然后通过自然交换或强制交换传递给内筒中的导热液。

同时或随后，这个热量通过导管13，14传递出来。

导热液流出导管14后，经过补充和冷却，然后给入口导管13返回容器11b。

从内筒容器11b中流出的导热液可以用与本发明前面实施例中类似的方法冷却，例如通过一个热交换器，图中没有画出。

图4表示实现本发明方法的设备10的又一实施例。它是一个电解池30，有一个筒形容器11c，其中装有可以将氢和/或其同位素释放成离子形式的电解液S。

筒形容器11c定义了一个封闭空间12。

电解池30包括一个电源31，其正极为32，负极为33。

正极32与用导线34制成的阳极相连，导线34被绕成与容器11c同高并接近容器边缘的线圈。

阴极35与负极33相连。它由一个限定截面积的连续金属线16制成，并且其两端17，17’分别与容器11c外面的电压发生器19的两极18，18’相连，构成闭合电路。

连续金属线16有一部分20浸没在装在封闭空间12里的电解液S中。这部分20被安排成蛇形以在封闭空间12的范围尽可能长地容下金属线16。

部分20位于阳极线圈的中央并在这个封闭空间里构成一个金属系统15。

筒形容器11c同样具有一个入口导管13和一个出口导管14。

另外，在这个设备10的派生实施例中，导管13，14构成了将连续金属线16的热传递出来的装置。

就图4中设备10的工作来说，闭合电源31的开关将引起电解液S中的电解反应。

负离子即阴离子在导线34构成的电解池30的阳极附近被释放出来。同时，将要被吸收的氢和/或其同位素的正离子在由连续金属线16的部分20构成的电解池30的阴极附近被释放出来。

一旦达到工作条件，发生器19在金属线16上加一定的电压并保持一段适当时间以完成根据本发明方法描述的吸收步骤。

同时或随后，在金属线16的部分20中产生的热将通过导管13和14传递出来。金属线16的部分20将其热量通过自然交换传递给封闭空间12中的电解液S。

电解液S流出出口导管14后进行补充和冷却，再通过入口导管13返回容器11。

从这个限定空间12中排出的电解液可以被冷却，例如用一个热交换器，后者没有画出。

在从图2到图4所描述的设备10中，至少是金属线16的部分20的截面积最好小于0.01mm²，长度大于100mm。

而且，这是由包括下列选择中的一种或多种金属元素的金属材料制成，它们是：钪(Sc)，钛(Ti)，钒(V)，铬(Cr)，锰(Mn)，铁(Fe)，钴(Co)，镍(Ni)，铜(Cu)，钇(Y)，锆(Zr)，铌(Nb)，钼(Mo)，锝(Tc)，钌(Ru)，铑(Rd)，钯(Pd)，银(Ag)，铪(Hf)，钽(Ta)，钨(W)，铼(Re)，锇(Os)，铱(Ir)，铂(Pt)，金(Au)，任何镧系或锕系元素。

有利的做法是，沿金属线16的部分20的电位降至少为10伏。

而且，金属线16的部分20的电阻应大于1欧姆，最好大于10欧姆。

除上述优点外，本发明的设备10结构简单成本低廉，利于生产制造。

通过热交换装置11b和13，14可以实现精确地调整金属线16中氢的储存量及金属线16的温度。

而且热交换装置11b，13和14为开发利用前面所述实验室实验所指出的，可能产生在金属线16中的盈余热量提供了可能。

用于绷紧金属线16的装置26的使用防止了在连续金属线16不同区间之间的任何不希望的接触，从而避免了电旁路的产生。

本领域的技术人员能够为满足特定的要求和个别情况，对诱发金属系统储存大量氢及其同位素的方法及对实现这一方法的设备，做出许多变动，而不脱离本发明的保护范围，它们定义在下面的权利要求中。