使用太阳热通过可再生材料资源的一体化全面生产实现可持续经济发展的系统和方法

摘要

在本发明的一个实施方案中，提供了一种用于提供材料资源的可再生源的系统，所述系统包括：可再生能的第一源；来自第一材料源的第一材料流；与所述可再生能的第一源和所述第一材料流相连的电解器，其中所述电解器被构造为通过电解产生第一材料资源；处理器，所述处理器用于进一步处理或使用所述材料资源以产生第二材料资源，其中所述处理器包括太阳能收集器且其中所述太阳能收集器被构造为向所述第一材料资源提供热以便解离；和材料资源储存器，所述材料资源储存器与所述电解器相连以自所述电解器接收材料资源或向所述处理器提供材料资源以进一步处理或使用。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年2月13日提交的标题为“FULL SPECTRUM  ENERGY AND RESOURCE INDEPENDENCE”的美国临时申请号 61/304,403、2010年2月17日提交的标题为“ELECTROLYTIC CELL AND  METHOD OF USE THEREOF”的美国专利申请号12/707,651、2010年2月 17日提交的标题为“ELECTROLYTIC CELL AND METHOD OF USE  THEREOF”的PCT申请号PCT/US10/24497、2010年2月17日提交的标题 为“APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING NUCLEATION  DURING ELECTROLYSIS”的美国专利申请号12/707,653、2010年2月17 日提交的标题为“APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING  NUCLEATION DURING ELECTROLYSIS”的PCT申请号PCT/US10/24498、 2010年2月17日提交的标题为“APPARATUS AND METHOD FOR GAS  CAPTURE DURING ELECTROLYSIS”的美国专利申请号12/707,656、2010 年2月17日提交的标题为“APPARATUS AND METHOD FOR  CONTROLLING NUCLEATION DURING ELECTROLYSIS”的PCT申请号 PCT/US10/24499和2009年8月27日提交的标题为“ELECTROLYZER AND  ENERGY INDEPENDENCE TECHNOLOGIES”的美国临时专利申请号 61/237,476的优先权和权益。这些申请各自通过引用全文并入本文中。

背景技术

水生植物和地被植物，特别是农田和森林，是必不可少的二氧化碳收集 器、无数野生生物的天然栖息地及用于从纸制品到建筑材料等应用的纤维的 源。由于非本土害虫的引入和温室气体加剧的气候变化使得森林易受传染 病、火、风、洪水和干旱灾害的侵害，故几乎所有大洲均已发生森林荒废。

在整个南美洲、中美洲和北美洲，森林火灾已毁坏数目庞大的因干旱和 疾病而不堪一击或死亡的立木。这构成纸浆和建筑材料的巨大损失。火灾和 腐烂还产生温室气体如二氧化碳和甲烷，其将进一步损害全球大气。至关重 要的是提供可以将植物性生物质在其因火灾、腐朽、洪水和侵蚀而损失之前 快速转化为燃料、电和有价材料的可再生供给源的实用解决方案。必然的目 标是促进健康森林、作物和其他地被的快速再建以及促进从为改善森林状况 和防止有害火灾的蔓延而规定的抚育间伐和灌丛砍伐生产燃料和截存的碳 价值。

对氢、氧、甲烷、碳和其他可通过原料如生物质废弃物的热化学和/或电 解解离提供的产品的需求已增长。通过热化学方法解离生物质的以往努力真 正从1792年William Murdock通过水蒸汽与供碳体如泥煤、煤和木炭的反应 制氢开始。新近，水蒸汽转化已被石油工业广泛采用以从石油、天然气和其 他化石原料制氢。

二氧化碳和甲烷向全球大气中的释放导致气候变化，这样的气候变化威 胁着全部生命物种中高达1/3的灭绝。克服大气因温室气体而退化的努力在 Martin M.Halmann和Meyer Steinberg的“Greenhouse Gas Carbon Dioxide Mitigation：Science and Technology”、在John A.List的“Recent Advances in Environmental Economics”和在John Gale的“Greenhouse Gas Control Technologies：Proceedings of the 6^th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies”中有述及。

制甲烷和氢的替代方法是通过分解蒸馏和缺氧热解。还有人利用落水、 风、太阳和化石能源来产生用于通过电解分解水的电。Victoria M.Laube和 Stanley Martin在“Conversion of Cellulose to Methane and Carbon Dioxide by Triculture of Acetivibrio Cellulolyticus Desulfovibro sp.，and Methanocarcina Barkeri”(加拿大国家研究委员会)中描述了使用微生物气化纤维素的用途。 还熟知的是，在较大物种如牛属动物和白蚁之间存在共生关系，牛属动物摄 取木质纤维素并因其消化系统中这类产甲烷微生物的寄生而产生甲烷和二 氧化碳。

出版物如“Hydrogen Production From Water By Means of Chemical Cycles”，Glandt，Eduardo D.，和Myers，Allan L.，Department of Chemical and  Biochemical Engineering，University of Pennsylvania，Philadelphia，PA 19174， Industrial Engineering Chemical Process Development，Vol.15，No.1，1976； “Hydrogen As A Future Fuel”，Gregory，D.P.，Institute of Gas Technology中已述 及为提供减少这些方法所遭遇的问题的技术所作的努力。

伴随这类系统的问题包括：能量转化效率低下，固定设备和基础设施改 良成本不可接受地高，扩大规模以解决重大问题如森林转换时存在困难，及 运转成本高。此外，现有技术方法需要非常大量地释放二氧化碳。在这类过 程中对氢和/或甲烷及其他产品加压所需的压缩机需要相当大的资本支出、大 的电消费和温室气体的伴随产生、以及高的运转成本。此外，不可接受的维 护需要和高的修理费用已挫败这类方法。现有废弃物转能量技术克服因全球 大气中温室气体积聚所致的日益增长的气候变化问题的能力严重受限，如果 不是起相反作用的话。总而言之，现有技术太昂贵、太浪费且太污染。

因此，本发明的一些实施方案的目的是提供通过可再生养分资源的一体 化全面生产实现可持续经济发展的系统和方法，其可包括使用电化学或电解 电池分离地产生养分资源的用途及使用其分离地产生养分资源的方法，以解 决一个或多个上述问题。

发明内容

在本发明的一个实施方案中，提供了一种用于提供材料资源的可再生源 的系统，所述系统包括：可再生能的第一源；来自第一材料源的第一材料流； 与所述可再生能的第一源和所述第一材料流相连的电解器，其中所述电解器 被构造为通过电解产生第一材料资源；用于进一步处理或使用所述材料资源 以产生第二材料资源的处理器，其中所述处理器包括太阳能收集器且其中所 述太阳能收集器被构造为向所述第一材料资源提供热以便解离；和与所述电 解器相连以自所述电解器接收材料资源或向所述处理器提供材料资源以进 一步处理或使用的材料资源储存器。

在另一个实施方案中，提供了一种用于提供材料资源的可再生源的系 统，所述系统包括：可再生能的第一源；来自第一材料源的第一材料流；与 所述可再生能的第一源和所述第一材料流相连的电解器，其中所述电解器被 构造为通过电解产生第一材料资源；用于进一步处理或使用所述材料资源以 产生第二材料资源的处理器，其中所述处理器包括太阳能收集器且其中所述 太阳能收集器被构造为向所述第一材料资源提供热以便解离；和与所述电解 器相连以自所述电解器接收材料资源或向所述处理器提供材料资源以进一 步处理或使用的材料资源储存器。

在又一实施方案中，提供了一种用于提供材料资源的可再生源的方法， 所述方法包括：提供可再生能的第一源；提供来自第一材料源的第一材料流； 提供与所述第一材料流和所述可再生能的第一源相连的电解器，其中所述电 解器自所述第一材料流通过电解产生材料资源；和向第一处理器提供所述材 料资源以进一步处理或使用。

通过下面的详细描述，本发明的其他特征和优势将变得显而易见。但应 理解，这里的详细描述和示出本发明的优选实施方案的具体实施例仅通过示 例的方式给出，因为通过该详细描述，本发明的精神和范围内的各种变化和 修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

附图说明

图1示出了本发明的过程步骤。

图2为根据本发明的原理运行的一个实施方案的纵截面视图。

图3为图1中提供的部件的实施方案的一部分的纵截面放大视图。

图4为根据本发明的原理运行的一个实施方案的截面图。

图5为根据本发明的原理运行的一个实施方案的部分截面图。

图6示出了根据本发明的原理运行的过程步骤。

图7为根据本发明的原理运行的一个实施方案的示意图。

图8示出了根据本发明的原理的运行。

图9示出了根据本发明的原理运行的部件。

图10为本发明的实施方案的示意图。

图12-15为根据本公开的方面的各种实施方案的流程图。

图1B示出了根据本发明的一个实施方案的电解电池。

图2B示出了图1的实施方案的一部分的放大视图。

图3B示出了图2的实施方案的一个变型。

图4B示出了根据本发明的一个实施方案的电解电池。

图5B示出了图4的电解电池的一部分的替代实施方案的放大视图。

图6B示出了用于可逆燃料电池中的螺旋电极的横截面。

图7B示出了用于将有机原料如通过光合作用所产生的那些转化为甲 烷、氢和/或二氧化碳的系统。

图8B示出了用于将有机原料如通过光合作用所产生的那些转化为甲 烷、氢和/或二氧化碳的系统。

图9B示出了用于将有机原料如通过光合作用所产生的那些转化为甲 烷、氢和/或二氧化碳的系统。

图10B示出了根据本公开的一个实施方案的用于制造电极的方法。

具体实施方式

本申请通过引用全文并入2004年11月9日提交的标题为“MULTIFUEL  STORAGE，METERING AND IGNITION SYSTEM”的美国临时专利申请号 60/626,021(代理人案号69545-8013US)和2009年2月17日提交的标题为 “FULL SPECTRUM ENERGY”的美国临时专利申请号61/153,253(代理人案 号69545-8001US)的主题。本申请还通过引用全文并入如下与此同时于2010 年8月16日提交的标题为“METHODS AND APPARATUSES FOR  DETECTION OF PROPERTIES OF FLUID CONVEYANCE SYSTEMS”(代理 人案号69545-8003US)、“COMPREHENSIVE COST MODELING OF  AUTOGENOUS SYSTEMS AND PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF  ENERGY，MATERIAL RESOURCES AND NUTRIENT REGIMES”(代理人案 号69545-8025US)、“ELECTROLYTIC CELL AND METHOD OF USE  THEREOF”(代理人案号69545-8026US)、“SUSTAINABLE ECONOMIC  DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED PRODUCTION OF  RENEWABLE ENERGY，MATERIALS RESOURCES，AND NUTRIENT  REGIMES”(代理人案号69545-8040US)、“SYSTEMS AND METHODS FOR  SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED  FULL SPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLE ENERGY”(代理人案号 69545-8041US)、“METHOD AND SYSTEM FOR INCREASING THE  EFFICIENCY OF SUPPLEMENTED OCEAN THERMAL ENERGY  CONVERSION(SOTEC)”(代理人案号69545-8044US)、“GAS HYDRATE  CONVERSION SYSTEM FOR HARVESTING HYDROCARBON HYDRATE  DEPOSITS”(代理人案号69545-8045US)、“APPARATUSES AND METHODS  FOR STORING AND/OR FILTERING A SUBSTANCE”(代理人案号 69545-8046US)、“ENERGY SYSTEM FOR DWELLING SUPPORT”(代理人 案号69545-8047US)、“ENERGY CONVERSION ASSEMBLIES AND  ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE”(代理人案号 69545-8048US)和“INTERNALLY REINFORCED STRUCTURAL  COMPOSITES AND ASSOCIATED METHODS OF MANUFACTURING” (69545-8049US)的每个美国专利申请的主题。

为完全理解获得根据本发明的上述细节及其他优势和目的的方式，下面 将结合其具体实施方案对本发明给予更详细的描述。

图1示出了过程16，在其中，生物质(包括市政、农场和森林废弃物如 森林废材和生病和/或死亡的树)被切割、拉走或以其他方式采集并在步骤2 处交付。在步骤4中，这类生物质废弃物被切碎或以其他方式细分成小块和 段以便输送机如带式输送机、推杆输送机或螺旋输送机高效输送并压实。在 步骤6中，经细分的生物质废弃物被干燥并通过再生性解离而转化产生烃、 醇蒸气以及甲烷、氢和其他气体及固体如碳和由纤维素和/或木质纤维素原料 引入或随同纤维素和/或木质纤维素原料一起引入的矿物。步骤8提供蒸气和 气体如甲烷和/或氢与二氧化碳的分离。步骤10提供通常富甲烷的气体通过 管道或其他输送方法如天然气工业中采用的那些的装运。步骤12提供氢和 碳产品自这样的管道输送的富甲烷气体的生产。步骤14提供氢在发动机和/ 或燃料电池中的使用以为机动车辆提供动力、提供热、用于轴功和发电、用 于化学加工应用、及生产肥料。

对大多数受损森林环境中火灾、地震和泥石流灾害的分析表明，通过创 建地下管道以输送这类受损森林和/或地被的快速采集和转化所产生的甲烷 来推进本发明所公开的解决方案将高度有利。这类可再生甲烷通过管道装运 到市场(目前使用的是天然气或其他化石燃料)会大大减小来自温室气体的 环境影响并会促进从目前化石能依赖向可再生能安全的演化。

创建可通过用管道低成本地输送的甲烷的可再生源将增加就业机会和 投资者信心。通过发展由甲烷向碳产品转化、同时使用氢用于清洁能源应用 所推进的“碳时代”将带来其他进步。

图2示出了用于通过生物质的解离可再生地生产甲烷和/或氢的方法和 装置的实施方案200，在其中，如图所示，经细分的材料如各种纤维素材料 和木质纤维素组织被脱气、干燥并加热以释放所需的气体。图2的系统在热 效率和抑制二氧化碳形成上提供了重要改进。这些改进由图1中所示过程队 列中所示在提取碳、烃如甲烷和/或氢之前的逆流干燥及空气、湿气和其他供 氧体的消除而提供。

最后，这类废弃物在缺氧环境中被充分加热而释放所需的气体、碳和固 体残渣如矿物氧化物和其他化合物。该过程由方程式1概括，方程式1未针 对木质素、纤维素或其他生物质原料的任何特定类型、量或比率加以配平。 因此，方程式1和2归纳了图1中所示过程的多用性并示出了含碳、氢和氧 的有机原料向甲烷、氢和截存碳的有价值供给源的定性转化。

C_xH_yO_z+热→CH₄+H₂+CO₂+CO                  方程式1

CH₄+▲H_298K→2H₂+C  (▲H_298K＝79.4kJ/mol) 方程式2

图2中所示为用于生物质废弃物向气体如甲烷、氢、二氧化碳和一氧化 碳的快速转化的系统实施方案。在运行中，旋转管214通过合适的减速系统 204和206由发动机202驱动，发动机202可以是旋转式发动机、活塞发动 机或涡轮发动机，这取决于系统的大小和所需的生产能力。发动机202优选 由燃料调节、喷射和点火系统202供以燃料，如美国专利申请08/785,376中 所公开，该申请通过引用并入本文中。来自发动机冷却系统和/或排气的废热 优选通过螺旋形热交换管道系统244和245的逆流弯头被转移给料斗250中 的材料，螺旋形热交换管道系统244和245在从发动机202取得最大热回收 量的相应区处接到料斗250。

取决于转化器的大小，减速部件如链轮和链条或主动齿轮206及轴承支 承组件208和212优选通过扭矩传输绝热器210与旋转管214热绝缘。旋转 管214在相反端处通过如图所示绝缘轴承和支承组件224和226得到类似支 承和热绝缘。绝缘体包230提供绝缘以防止轴承212和其他需要保护以免于 受热的区域取得辐射和传导热。

如方程式1和2所概括的那样生成的甲烷和/或氢和/或一氧化碳中的相 对较小一部分被递送到发动机202和通过控制阀222递送到燃烧室组件220 的燃烧器喷嘴，如图2中所示。提供足够的空气以确保存在的燃料值的完全 燃烧，使得两种应用中的有害排放均极小。热的燃烧产物流动通过螺旋形热 交换管道系统216，以向在如图所示旋转管214的外部上的翅片218的推挤 作用下以逆流方向行进的有机材料传递热。

优选提供渐进地减小的螺纹218间距和/或减小旋转管214与固定管236 间的横截面积，以不断地压实所夹带的固体材料，如图所示。这将提供夹带 的空气和/或湿气从被所述过程加热的有机材料的逐出，因为这类气体将被迫 使以与通过被加热的料斗250和进料螺杆256进给的材料逆流的方向行进， 其中，进料螺杆256由合适的牵引马达252或合适的来自发动机202的传动 列带动。减小螺旋输送机的螺距或减小压实的废弃物所通过的横截面还将提 供致密的密封而防止通过进一步加热有机材料(包括与加入的反应性气体的 反应)所产生的气体的逃逸。

预期，本发明的全过程还可通过其他材料输送和压实措施取得，且在一 些应用中使用单向推杆递送和压实系统代替所示的螺旋输送机将更便利。基 本的步骤通过如下完成：压实和加热以消除空气和湿气，产生源自原料的前 进材料的封堵密封，加热所述前进材料以达到解离产生所需化学衍生物(选 自物质如碳、一种或多种气态烃、燃料醇和气体如乙烷、甲烷、氢和碳氧化 物)的所需压力和温度条件，在利用前进材料的衍生物和/或残余物来密封或 帮助密封提供以移取所需化学物质的区的区中提取所需的化学物质。优选通 过自所需的化学物质随着其复原地或再生地冷却而逆流热交换和通过自选 定燃料的燃烧而逆流热交换，来向行进通过这样的进程阶段的材料提供热加 入，以使所得系统中的热利用最大化。

可以提供相对较长时间的运行而大大减少碳的产生，为使所产生的化学 物质获得所需的碳-氢比率，这可能是优选的。这种长时间运行可以间歇性 地提供，例如在有意产生碳以在所需化学物质的收集之前帮助密封所述区和 /或此收集之后帮助密封所述区的时间之间。这是本发明的一些实施方案的特 点，且其使得碳可以作为流体的组成部分而被输送，这些流体由管道递送至 储存器(包括枯竭气藏的复压)、至工厂以制造碳增强的耐用品、和用于其 他目的。在相继逐出空气和湿气之后，生物质材料被转化为方程式1中所示 的产品气体和量低得多的固体残渣。在许多情况下，固体残渣的量为有机废 弃物的初始质量的约2至10％。这类残渣是痕量矿物的重要来源，其优选用 来使土壤恢复元气和确保健康森林的补植立木、花园、水产养殖和/或其他地 被的快速生长。这将加快温室气体的减少、碳和氢的截存及经济的发展。重 新造林区域用作木质纤维素的可持续源以如本文中所公开的那样连续地生 产可再生的甲烷、氢和截存碳。

在具有较大单元和高生产能力的系统型式中，可使来自燃烧器组件220 的燃烧气体在管螺纹216内循环，管螺纹216被构造为通过管214中的孔与 螺纹管218相连，以提供从燃烧室220向沿着密闭管236内的螺纹218的外 侧行进的原料材料的更快速传热。让自加热的有机原料通过热解离过程释放 的气体如甲烷、氢和二氧化碳进入螺旋翅片238与绝缘管241之间的环形空 间中，以以与被旋转管组件214加热的原料的流动成逆流的方向流动。这将 提供进一步的热量保存，因为热将被再生性地加给管236内的原料，这些原 料被渐进地压实并因传热而解离，从而增强压力的产生，如图所示。

行进通过管214的内部和/或管翅片216和/或218到达料斗区的燃烧气 体如水蒸汽、氮气、氧气和二氧化碳进入螺旋形传热管道246，以向行进通 过料斗250的原料材料提供进一步的逆流能量添加，如图所示。行进通过孔 230和管236与管241之间的环形区域和/或空心翅片238到达料斗250区的 所产生气体如甲烷、氢和二氧化碳和/或一氧化碳在管道系统248中循环，管 道系统248缠绕在螺旋形管道系统246邻近以向行进向旋转管螺旋输送机 214的材料有效地逆流传热，如图所示。绝缘体242和260防止热损失到外 部。

可能产生的产品气体如二氧化碳和一氧化碳的混合物通过压力摆动或 温度吸收和/或图4中所示的系统与甲烷和/或氢分离。这样的产品气体混合 物通过控制旋转输送机214的旋转速度和因此传递向热解离阶段的固体的压 实以高于所需压力适宜裕度的压力而提供。

这将提供热能向压力能的高效转化，因为形成的所需气体的体积比初始 固体体积远大得多。在运行中，压力传感器270向过程控制器272发送压力 数据以保持进料输送机256、挤压输送机214的速度及燃烧室组件220的发 热量，以获得所需的生产能力、转化温度和递送的产品气体的压力。压力调 节器274提供产品气体从再生转化器200的递送的最后调整。

本公开的一个方面是将低成本热转化为势能作为储能、利用这样的压力 促进分离过程和能量再生。加压的混合物在保持选定气体的所需加压的同时 分离。精炼品质气体的这种加压供给用来为发动机包括内燃机和具有外部热 供应的发动机提供动力。

还采用这样的能量转化、精炼和加压来通过管道或加压罐车或通过液化 向远方市场递送精炼气体及储存。还预期在某些地区与包括09/969,860在内 的共同待决专利申请的各种实施方案中的一个或多个一起运行，这些专利申 请通过引用并入本文中。

废弃物的氢辅助气化的现有技术方法的主要缺点是需要耐高压、耐热和 昂贵的设备。如图所示，本发明的实施方案提供管状构造的自增强结构。增 强由在模块结构中组合热交换、增强、刚性化、传输和耐热好处的螺旋形增 强结构提供，所述模块结构可通过快速组装过程而构建。这将在很大程度上 加快废弃物管理中所需改进措施的推广应用并比过去的方法降低递送系统 成本。

这将提供碳化合物如二氧化碳或一氧化碳与气体如甲烷和/或氢的有效 分离。如图4中所示，产品气体的混合物通过管404递送以暴露于压力容器 402中的水或其他吸收剂流体选择，以选择性地分离二氧化碳和/或一氧化 碳。

甲烷和/或氢因此在压力容器402中所保持的压力下递送到收集管408。 在吸收二氧化碳和/或一氧化碳之后，加压的吸收流体通过410递送到喷嘴歧 管426以便递送到如图所示热交换器如414、416、418、420、422、424等， 在这里，来自发动机202的排气的热可与燃烧器444燃烧一部分产品气体和 废气(如通过加压流体的后续膨胀经458释放的一氧化碳)所释放的热一道 被递送到所示热交换器。也可通过太阳能收集器442或在风能或波能资源充 裕的地方使用风能或波能通过电阻或感应加热器而供给附加的热。经加热的 流体然后膨胀通过如图所示涡轮430、432、434、436、438、440等以回收 和/或转化能量，从而进一步改进总体效率。

还通过合适的发电机如交流发电机280和/或交流发电机428提供发电的 总体效率的附加改进。优选利用氢来冷却这些发电机而减少风力损失。在实 现这些功能后，氢然后被用作发动机202的燃料或者用作燃烧室444和/或 220中的无碳燃料。

自典型的有机废弃物如葡萄糖、木质素和纤维素原料通过所述实施方案 生产甲烷的总反应的一般性概括在方程式3中示出。

C₆H₁₂O₆+热→3CH₄+3CO₂                  方程式3

在一些应用中，优选通过原料的衍生物的电解产生氧来减少或消除二氧 化碳的产生，这在共同待决的专利申请中有公开。这类材料特别是用氢的氢 气化及存在的过剩的碳也可在同时或后续的过程步骤中加以控制以产生乙 烷。在需要将受损森林快速转化为通过管道装运至远方市场的甲烷、乙烷和 氢的加压供给源并然后利用这些管道来根据所需的森林抚育间伐速率、收获 计划和维护程序以降低的速率继续递送这类气体的情况下，这种化学过程变 型将是有利的。

这种方法确立的管道输送能力成为一种重要的储存系统，以满足市场需 求的日常和季节性变化。通常需要所得的管道气体在通过图2和图4的实施 方案移除二氧化碳、颗粒物、灰分、二氧化硫和水后提供约900BTU/scf的 输出。

对于大多数废弃物，不再循环氢时的原始输出在350至650BTU/scf范 围内，热值较低。热值的提高可通过分解过程中压力和温度的多种选择或者 通过增加氢再循环到239处的反应区的速率来达到。但共同待决的专利申请 公开了火花喷射(SparkInjection)技术以使得实现自内燃机的满额定功率生 产，燃料选择从250BTU/scf的气体混合物到液体柴油不等。

通过图2的实施方案在约1,000PSI和1025°F(69个大气压，550℃)下 的运行产生的气体混合物如表1中所示随被转化的废弃物的类型、停留时间 和相关运行参数而异。一种新的制剂可实现用压缩点火代替柴油燃料并包含 在活性炭/甲醇悬浮体中中的吸附的氢。

这样的气体混合物可快速产生并可补充以较高能量的组分如甲醇、碳/ 甲醇悬浮体或丙烷等，以使所得以氢燃烧为特征的燃烧混合物在组合燃料应 用中获得实际上任何所需的能含量。常常需要将反应产生的氢和/或甲烷通过 歧管239以足以产生所需甲烷/乙烷比率的速率喷射而重新引导进反应区中 以提供管道质量的气体或用于化学合成的原料。

表1

  气体产物   森林废弃物   市政固体废弃物   粪肥   氢气(H₂)   22(体积％)   33(体积％)   20(体积％)   甲烷(CH₄)   60   53   61   乙烷(C₂H₆)   17   11   18   一氧化碳   1   2   1

在一些情况下，优选自图2的实施方案提供甲醇作为易于储存和运输的 液体燃料及化学前体。甲醇或“木醇”可通过加热木质纤维素废弃物经部分 燃烧或通过缺氧加热过程而提取。方程式4和5概括了通过选择不同的缺氧 操作温度、压力和催化剂可获得的甲醇输出。

C₆H₁₂O₆+热→6CO+6H₂                 方程式4

6CO+6H₂→3CH₃OH+3CO                 方程式5

在较高的进给速率和/或较低的燃烧室220热释放速率下，物料不会达到 产生方程式1中所示气体的较高温度，因此该过程产生甲醇。优选通过冷却 甲醇蒸气以形成液体甲醇而从甲醇中分离出一氧化碳并利用分离出的一氧 化碳作为发动机202的燃料、通过燃烧器组件220的燃烧释放热及通过与水 如方程式6中所概括的那样反应形成氢。通过方程式6中所概括的反应产生 的氢可被用来如方程式5中所示那样产生甲醇、改善发动机202的运行、提 高转化器200中甲醇和/或乙烷的收率和/或如图所示作为转化器200中的加 热燃料。

CO+H₂O→H₂+CO₂                 方程式6

应指出，本文中示出的每个反应体系可通过均相和非均相催化剂的使用 及适应性控制的应用进一步改善，以改善或优化所需的结果。作为示例，关 于歧管239和气提器端口240之间的反应区，预期使用这样的催化剂选择： 所述催化剂选择将通过促进氢构建反应性组分的作用的反应而增强甲烷和 乙烷的形成，所述反应性组分合成形成甲烷和乙烷。催化剂包括三价铬及其 他具有稀土组分的陶瓷、铂族金属、nobelized镍和过渡金属的金属间化合物 都是可应用的。与现有技术方法相比，这出乎意料并显著地降低了设备成本 和复杂性。类似地，除通过甲烷的部分氧化产生甲醇外，还预期利用镧系- 钌制剂、Fischer-Tropsch催化剂及铜、铜金属间化合物和/或铜合金来增强甲 醇自一氧化碳和氢的合成。

图3示出了甲醇从一氧化碳中的分离及甲醇通过输送泵298向市场的装 运。在运行中，实施方案300优选引入较大密度与较轻组分的涡流分离并让 一氧化碳和甲醇的混合物从再生泵/马达312通过管304进入容器302。如果 输送压力不足以获得所需的输送速率，则泵/马达312将对这类蒸气提供泵送 作用，而如果所需的输送压力低于来自图2的系统或另一合适的转化器320 的供给压力，则泵/马达312将提供压力能的回收。

使甲醇冷凝的冷却由象征性地示出的热交换回路306提供，热交换回路 306优选利用地下水或冷却塔流体作为散热器。冷却回路306中的水优选由 泵296保持在比进入室302的蒸气高的压力下，因此，冷却回路的任何密闭 失效都不会引起冷却水污染。从324离开分离器302的冷却水可以用作热水 供给源或者返回到地下水体系、冷却塔或蒸发塘，这随应用而异。在充分冷 却气体混合物而在容器302的壁附近产生密度较大的甲醇蒸气和液滴后，密 度较小的一氧化碳通过中心管被提取。冷凝的甲醇可通过泵298递送以进一 步加工以移除水和/或吸收的气体，这取决于所需的纯度。

甲醇以及甲烷、乙烷和氢的管道气体混合物可以通过相同或附加的管道 可互相交换地装运到市场。在使用相同管道的情况下，要从一类化学品转换 为另一类化学品时，优选在重新注入下一待递送物之前通过已经验证的技术 例如使用压力推进的分离段塞或通过抽空来清扫管道。

图5示出了与图1和2的系统相似的一个实施方案，其包含压实筒500 以转化生物质如锯屑、粪肥和木屑。该系统的运行与图2的实施方案基本上 相同，不同的是生物质的压实由往复推杆循环地提供。推杆活塞502在液压 缸506的迫使下在固定缸518中往复而压实生物质，这些生物质已通过在料 斗250中逆流热交换而经干燥和预热。

当推杆502处于所示位置时，生物质由输送机256装载进缸518中。发 动机202驱动液压泵504而通过管线510和511递送加压工作流体以操纵缸 506。在前进行程中，推杆502将生物质压成密实的物料，随着其绕过加热 器516的锥形体512移动，该密实的物料被进一步压实，锥形体512可以是 固定的或旋转的以提高生产能力和在生物质行进通过转化过程时保持生物 质的压实状态。通常在249位置处的众多管可允许空气和水蒸汽的逐出，同 时还用作材料止回阀以防止在推杆502的作用下前进的材料的回流。响应控 制器272的协调和控制，与行进通过螺旋形热交换器翅片216和218的来自 燃烧器组件220的燃烧气体的逆流热交换将充分提升生物质的温度，以引起 方程式1、3、4和5中所概括的解离反应。

因此，有机物质被转化为流体如甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、氢、 硫化氢、一氧化碳和二氧化碳，并通过移除有害含量的硫化氢、一氧化碳和 二氧化碳得到改进以替代化石燃料，所述移除通过图4的再生性实施方案或 通过其他合适的选择性移除过程如压力摆动吸附、温度摆动吸附、溶液吸收 和膜分离进行。这由与源如一部分来自这类流体的一种或多种燃料组分的燃 烧的逆流热交换、在生产之前、过程中和之后从较高温度到较低温度的物质 的热交换及通过与能量转化装置如内燃机、外燃机、膨胀马达和燃料电池的 热交换提供。

图6示出了将甲烷(来自填埋场、污水处理厂、废弃物处置操作(包括 基于图1、2、3、4和5的实施方案的那些)以及其他甲烷源)如方程式2 中所概括的那样转化为氢和碳的过程步骤60。氢的燃烧是烃如汽油、燃料酒 精、甲烷和柴油燃料的七到九倍。这使得其中喷射和燃烧氢或以氢为特征的 燃料如氢与甲烷、氢与甲醇或氢与一氧化碳的混合物的涡轮发动机、燃烧转 子发动机和往复式发动机的运行能够具有提高的效率和较少的碳排放或无 碳排放。

通过这样的运行带来的热效率改善对于间歇燃烧式发动机如燃烧转子 发动机和往复式两冲程或四冲程发动机如202来说特别重要，由此将在接近 上死点处、在上死点处或在上死点后提供直接喷射和/或点火，以减少或避免 压缩过程中的热损失和负功。在发动机的动力冲程过程中，这将确保燃料势 能以远远更高的效率转化为功能。因此，通过在燃烧室中燃烧过剩空气内快 速燃烧的以氢为特征的燃料，将比具有采用丙烷、天然气或柴油燃料的常规 布置的发动机获得显著更高的运行效率。

在图6的步骤62中，已通过图1、2、3、4和5的实施方案产生并净化 至所需程度的甲烷由散装运载工具或管道输送至合适的目的地如工业园。甲 烷然后在步骤64中通过与解离产生的氢和/或碳逆流热交换而从环境温度预 热至合适的温度，例如约1200℃(2200°F)。在步骤66中，通过辐射和/或 与经加热的物质如石墨、氧化铁、氧化铝、氧化镁、各种碳化物或其他陶瓷 接触而提供足够的热加入，以使碳沉淀在这类经加热的物质上或附近并如方 程式2所概括的那样释放氢。步骤68提供这类热氢的收集以与关于步骤64 所述的前进的甲烷逆流热交换。在步骤70中，通过甲烷的解离而形成的碳 以沉积物或以从步骤66中使用的经加热的物质剥离或剥落的粉末或片状材 料收集。

在可供选择的方案中，步骤72燃烧步骤66中共同产生的碳和/或氢的一 部分，以加热或帮助增热而产生甲烷的解离所需的压力和温度。用于实现步 骤66的甲烷解离的替代加热源包括集光太阳能、传导性陶瓷如石墨或氧化 锆的电感应加热、这类基材的电阻加热和这类基材自合适的白炽光源的辐射 加热、等离子体加热的各种变型(包括涉及氢和/或甲烷的等离子体)和/或 通过燃烧合适的燃料(包括甲烷或甲烷解离产物如氢和/或碳)。

用于步骤62、64、66、68、70和/或72中提供的方法的装置包括各种类 型的流化床、螺旋或活塞感应流动反应器、具有碳收集措施和特征的等离子 体室、和改进的炭黑生产炉。本发明的一些实施方案的特别重要的好处包括 以比解离水所需低得多的能量添加自烃如甲烷生产氢并共同产生有价值的 碳形式。烃原料的解离产生氢和产品如美国专利申请09/370,431中的公开所 取得的将提供碳产品和氢的高组合价值。图7示出了利于所述方法的另一特 别有效的系统。

图7示出了工艺系统700的部件。在运行中，烃如甲烷由管702递送到 耐火管桶704，在耐火管桶704内，耐火的螺旋输送机710旋转以移动优选 几何形状和尺寸的颗粒和/或基材材料711以接收随着甲烷被辐射、传导等加 热而按方程式2中所概括的过程自甲烷解离并沉积或沉淀的碳。共同产生的 氢通过中空螺旋输送机710的孔708如图所示输送到内部膛孔。因此，行进 向密封件726的热氢和碳将与行进向密封件714的甲烷热交换。螺旋710用 作传导和辐射热的能量交换系统，此外做机械功以快速实现方程式2所概括 的反应。

合适的热源706提供的热加入使得经预热的甲烷解离。还可通过在如图 所示耐火的螺旋组件710的中空中心内燃烧氢来增热。氧或其他氧化剂如空 气通过旋转接头718递送以用于这样的燃烧。氧优选通过空气分离或按共同 待决的专利申请电解而提供。氢如图所示由导管717通过旋转接头719递送。

取决于转化器的大小，减速部件如链轮和链条或主动齿轮732及轴承支 承组件730优选通过扭矩传输绝热器组件728与旋转螺旋组件710热绝缘。 用718提供轴承和旋转接头716组件的类似绝缘支承，以使从螺旋组件710 的传热最小化。绝缘体包724提供传热阻断，以防止辐射和传导热损失以及 保护其他需要保护以免于受热的区域。如方程式1和2所概括的那样生成的 甲烷和/或氢和/或一氧化碳中的相对较小一部分被递送到与如图2中所示的 202和280相似的发动机发电机组件，以提供热和电来支持包括如图所示的 电动马达736、电解器和/或分离器744、泵或压缩机746和发电机712的运 行。

优选提供渐进地减小的螺纹间距和/或减小用作堵塞密封件的区中旋转 螺旋输送机710与固定管筒704间的横截面积，以不断地压实其内输送的固 体材料，如图所示。这将迫使甲烷以与710内行进向726的碳和行进向旋转 接头719的氢逆流的方向行进，如图所示。减小螺旋输送机的螺距或者减小 726和714附近或726和714处的横截面以压实碳颗粒或形状还将提供致密 的密封而防止氢或甲烷的逃逸。在较大的应用中，在密封件714附近的区中， 螺旋输送机710可以被提供以略微反向的螺距以使得碳压缩产生有效密封而 防止甲烷或氢损失。

绝缘系统724利于行进向密封件714的烃如甲烷和行进向密封件726的 碳和/或氢之间的高效逆流热交换。齿轮或链轮传动732与驱动马达736热绝 缘，且轴承716和730被设计用于热绝缘和/或高温应用。螺旋输送机710 和筒704由难熔金属或陶瓷材料如石墨、碳化物、氮化物、金属间化合物和 金属氧化物制成。706处的加热可通过集光太阳能、催化或有焰燃烧、或通 过电加热如等离子体、电阻或感应原理优选使用可再生电提供。空气分离器 和/或电解器744产生的氧被储存在积贮器722中，经由压力调节器720递送， 并在需要为解离过程提供氢的燃烧和热的生成时使用，例如在太阳、风、流 水和其他可再生资源不可得到或不够时。

图8示例了全过程800，其中在步骤862中光合作用提供通常含碳、氢 和氧的有机材料。步骤864提供缺氧消化或热解或部分氧化以产生燃料气体 如甲烷和碳的氧化物。碳的氧化物如二氧化碳与燃料气体的分离在步骤866 中提供。如共同待决的专利申请中所公开的适宜的过滤器、压力摆动吸附、 温度摆动吸附或选择性吸附由示意为868的系统提供。取决于经纯化的燃料 气体的压力和步骤872的工艺所需的压力，采用加压器870，加压器870包 括选择如电解加压、机械泵或压缩机运行，或者加压来自吸附性和/或金属氢 化物系统的释放物。在步骤872中，如图所示，在最终加热以解离之前，甲 烷通过与氢和碳逆流热交换而经预热。在步骤874中，如图所示，选择后续 的加热措施以定制自经预热的甲烷得到的碳制得的产品。

图9示出了实施方案900的详情，其包括太阳光集中镜912、集中辐射 接收器914、固定接收管922及旋转螺旋输送机和挤出管924，其中整体式 螺旋926迫使反应性成分如有机材料进入区930中，在区930中，其由集中 的太阳能快速加热至高温。太阳能的充分集中易于通过抛物面镜、球面镜或 定日反射镜阵列获得以产生500℃到2500℃的典型运行温度，这由材料的物 理化学性质及密闭管922的构造规格造就。

固定底座904罩住驱动系统并提供材料向和自反应器914的传送。反应 器914的燃料和原料如填埋场甲烷通过连接至管道918而被递送。在流体原 料如污水组分通过反应器914处理的情况下，优选通过连接至管道915来提 供递送。产生或递送的电通过缆组917传输。反应器914产生的氢和/或其他 流体被递送至管道916以储存和分销。台906绕着中心竖直轴旋转以提供反 应器914的太阳跟踪，反应器914装配了镜912。提供了如图所示绕着支承 910中的水平轴909的协调旋转以跟踪太阳和产生点聚焦太阳能，该点聚焦 太阳能自镜组件912反射。将待加热的有机固体和半固体装载进料斗908中， 料斗908将这类材料进给到螺旋输送机924中，图10示出了螺旋输送机924 的一部分。

其他形式的可再生加热也易于适应，例如使用来自发电机的电的感应或 电阻加热，所示发电机由落水、风、波浪作用提供动力或由使用本文中所述 的操作产生的燃料的发动机提供动力。类似地，预期燃烧一部分反应器914 所产生的燃料以充分加热区930，以便实现方程式1、2和5的反应。区930 的这组备选热输入示例了在断断续续有云团覆盖或夜晚的情况下补充或代 替为确保连续运行所需的太阳能的优选措施。

用所产生的氢和/或一氧化碳的部分燃烧对区930补充加热或代替太阳 热优选通过经管932的膛孔931内的管937自电解器907递送氧而实现。通 过基于填埋场甲烷和/或氢运行热力发动机903来驱动发电机905将提供一个 重要的协同好处。过剩的发电容量被用来在电解器907中产生氧和氢。通过 这样的操作产生的氢可易于储存在管道916中以供销售，而氧可被用来大大 提高通过反应器914和/或燃料电池发电应用中所产生的燃料的部分燃烧生 热的过程效率。

当使用氧来通过部分燃烧产生热时，氮的消除将大大降低通过从管932 内的气体混合物冷凝或过滤水来净化氢气的成本。如图所示，管937递送氧 以燃烧所需量的燃料，这样做热损失最小并消除了氮的加热需要，而如果使 用空气作为氧化剂，则将存在氮。

管922因此实现容纳处于缺氧条件下的有机原料并向生物质传递能量如 太阳能的功能，所述生物质被传送到集中加热区930以促进概括为如下的反 应：

C_nH_mO_x+热₁→xCO+m/2H₂+(n-x)C         方程式7

C₆H₁₀O₅+热₂→5CO+5H₂+C               方程式8

含CO和H₂的气体产物中也可能可见小量的NH₃、H₂S、N₂和H₂O，该 气体产物由压实的固体迫使进入如图所示旋转螺纹管932的中心膛孔931 中。优选使H₂S与铁反应以形成硫化铁或随着氢的释放收集在过程所产生的 碳中。优选通常以氨的形式收集固定氮、以硫化铁的形式收集硫，并将这些 物质与本发明的一些实施方案所收集的矿物灰分一道用作土壤养分。

如图所示，固体如碳和灰分936通过螺旋管932沿螺纹934的旋转运动 而从区930提取。优选使用高温绝缘件940如图所示覆盖接收器914的端部， 且随着被螺旋输送机932提取的富碳固体与移动向接收器和反应器组件的经 加热的区930的生物质之间的逆流热交换，绝缘区域942提供热量保存。在 不可得到太阳能的时间过程中，绝缘套筒948被用来覆盖区930并优选由伸 缩管引导器支承和引导向和自所示存放位置，所述引导器未示出。

在压实和逆流预热的初期移除的水和其他气体优选通过百叶窗或孔944 放出以便可通过收集管946提取。对于许多原料如粪肥和污水，该水通常含 固定氮和其他土壤养分而优选用以补充土壤适耕性和生产力。

在优选纯碳和纯氢的情况下，可将生物质预处理以移除形成灰分的物质 如钙、镁、磷、铁和其他矿物。生物质的灰分成分常常被浪费性地填埋在填 埋场，或者，在从污水系统排放废水及垃圾处置操作时，其可能逃逸到海洋。 在本发明的一些实施方案中，灰分易于收集并返回到有用的应用中作为土壤 养分。这可通过机械分离与生物质在合适溶剂中的解离以分离灰分组分的组 合实现。

另一个实施方案提供了生物质如碳水化合物和纤维素按如下一般反应 的缺氧消化：

n(C₆H₁₀O₅)+n H₂O+热₃→n(C₆H₁₂O₆)        方程式9

n(C₆H₁₂O₆)→3n(CH₄)+3nCO₂+热₁₀          方程式10

所示过程之后剩余的含水液体中捕集的土壤养分通过各自技术(包括加 到灌溉水中)有效地转移到耗竭土壤。二氧化碳易于通过冷却产生相变分离 或通过吸附在合适的溶剂如水中而自过程的产物移除。在25个大气压和12 ℃(54°F)下，二氧化碳可以约21.6个体积气体每体积水的程度溶解在水中。 提高压力和/或降低温度将增大每体积水溶解的二氧化碳的量。在从甲烷中分 离出二氧化碳之后，降低压力或提高温度来释放溶解的二氧化碳。

有机原料缺氧解离以产生给定量的截存碳的过程中所需的热的量大大 低于自大气收集和解离二氧化碳所需的能量。实施自有机原料截存碳的过程 所需的装置远没有从大气提取二氧化碳并将其分解成碳和氧所需的装置那 么复杂，而是要简单得多且更坚固。

在将烃包括生物质固体和甲烷转化为碳和氢的过程中，解离反应的产物 倾向于比反应物占据更大的体积。用于进行这些吸热反应的组件914的装置 920可易于用经挤出机螺纹926沿向区930的入口压实的富碳材料和沿区930 的出口的挤出机螺纹934压实的富碳材料密封反应区930，以使得通过膛孔 931出去的氢和其他气体可被膛孔931出口上的旋转接头和压力调节措施加 压至所需的程度并保持。

在甲烷进入反应器920之前，优选用合适的加压技术加压冷甲烷至从反 应器920递送氢的所需压力，加压技术包括通过从吸附性基材释放加压、相 变、机械压缩和混合系统。如果缺氧消化中产生的气体通过液化分离，则这 易于通过使甲烷气化至所需的压力而实现。通过各种泵和压缩机870的加压 也可用于此目的。

可产生的碳的类型有很大变化，取决于市场需求及实现碳截存的过程的 相应温度和压力。被递送至制造阶段874的甲烷可按需要加工以产生纤维、 炭黑、合适基材上的金刚石样镀层、石墨晶体和呈美国专利申请08/921,34、 08/921,134和09/370,431的共同待决公开所对应的许多其他形式。

还预期，对于某些应用而言，作为热量保存优势，螺旋输送机932应设 计为进给路和预热器，其中氢通过膛孔931递送，而区930中的反应产生的 碳由适宜地设计的与进入的原料逆流热交换的挤出机924输送。这种布置提 供了进入的原料在到达区930之前由与原料反方向地经过的产物平行流从内 部和从外部的逆流加热。

反应形成的碳由螺旋输送机932携带，所述碳与管924逆流热交换以预 热进入的甲烷及因此提高太阳能完成过程反应的总体效率和速率。产生的氢 被收集在输送管932的膛孔931中，并与向着区930经过的反应物逆流热交 换而移除热。产生的可再生的氢可被用于燃料电池中或热力发动机中，其实 际上净化空气并提供比环境大气更洁净的排气。

随着过程产生碳，其不断地形成输送机螺纹926与管922的内壁之间的 气密密封。这优选通过减小需要最大压实之处的螺旋挤出机螺距来确保。通 常需要在经历向氢的转化的材料经过区930之后在螺旋输送机经过区930中 的出口上提供最大的碳压实和密封效果。

除如所示的螺旋输送机外，预期所示过程中反应物的输送可由众多其他 措施进行。示例性地，可用往复式柱塞代替螺旋输送机924来迫使生物质进 入反应区，而碳可通过其他提取方法从热端提取，包括用链传动输送机代替 螺旋输送机932。

在需要产生液体燃料或溶剂如一种或多种松烯(turpene)的蒸气以及其 他有价值产品的情况下，通常可调节反应温度至较低的温度或者提高成分的生 产速率。可用的化合物如氢、碳、甲醇、生物柴油和松节油可以产生并收集在 管膛孔931中，如针对一部分具有所示平均化学式的典型生物质废弃物原料的 方程式中所概括的那样：

C₆H₁₀O₅+热₆→CH₃OH+4CO+3H₂+C          方程式11

寄宿吸附的氢于甲醇中的胶态碳的引入将提供更高的每体积热值和在 针对可再生柴油燃料的应用中提供压缩点火的能力。如果需要更高的液体燃 料和/或溶剂收率，则可使方程式11的典型过程中产生的一氧化碳和氢优选 在合适的催化剂的存在下反应以产生另外的甲醇和氢。

4CO+3H₂→4CH₃OH+H₂+热₁₂               方程式12

生物质行进到区930中的速率及通过螺旋输送机932提取固体残渣的速 率优选由计算机控制，该计算机响应压力、温度和其他类指标的仪表测定及 气体、蒸气和固体残渣流中所需的产品质量而适应性地控制该过程。

一氧化碳可通过如方程式8中所概括的过程所示的歧化作用分解或转化 为所需的截存碳形式：

2CO→C+CO₂+热₁₃                        方程式13

如方程式13中所概括的歧化作用是放热的并可在温度和压力条件的多 种组合下提供，包括在10-40个大气压压力和500℃到800℃下进行。

如果市场行情支持制氢用于燃料电池或热力发动机以净化空气，则可使一 氧化碳与水蒸汽以如方程式9中所示的放热反应反应产生氢：

CO+H₂O→CO₂+H₂+热₁₄                    方程式14

通过所概括的过程产生的一氧化碳可被转化为众多产物以满足市场需 求，如选自如所示需要制氢和/或碳的过程。优选利用所述放热过程释放的热 作为所示吸热反应所需的热加入的一部分。

因此，本发明的一些实施方案提供了自大气截存碳的实用方法，所述方法 包括光合作用、收集光合生物质和加热所述生物质以产生选自碳、氢、甲醇、 松烯和灰分的产物。一般让腐烂进入大气并导致二氧化碳和/或甲烷累积的生 物质废弃物现在可以被利用，以高效地产生氢、碳产品和土壤养分。

图12示出了其中以氢内燃机为系统的电源和热源的一个优选实施方案 (未示出的是氧和饮用水也是系统的副产物)。图12强调，一旦过程开始， 其即是自支承的，因为相对少量的氢被用来为系统提供动力。能量效率通过 生物消化池和电解器之间的关系获得。能量效率还通过太阳热抛物面反射器 技术获得：将甲烷裂化为其组成部分：氢和碳。根据一个实施方案，甲烷的 裂化在夜间不发生。根据本公开的方面，由此获得氢燃料的可分配大规模可 再生能生产。根据另外的实施方案，由此获得碳(未加以区分的碳纤维或碳 灰)的可分配大规模可再生资源生产。根据还另外的方面，通过利用不同的 装置，由此获得加以了区分的专用碳的可分配大规模制造。当分配的大规模 可再生资源提取和采集与可再生能采集相组合时，结果是可持续的经济发展 和可持续的生产。

这就是说，从可再生资源和能量，人们获得了具有更高经济价值的精制 的可再生资源和能量，其继而被用来生产耐用品，这些耐用品再用来采集新 的可再生资源和能量，这是一种可持续、无污染和非耗竭的方式。根据本公 开的方面，这种可持续的经济模式可以写成此可持续的经济模式的代数递推 公式(递推公式为用来用一个或多个在先的条件确定一个序列的下一条件的 公式)。本发明的一些实施方案在生产系统内的使用对(a)生物质原料、(b) 甲烷原料和(c)碳产生经济倍增效应；然后甲烷/氢被用来采集更多的可再生 能和可再生材料资源；然后碳变为耐用品，其收获更多的(a)和(b)并产生更多 的(c)。因此，本公开具体化了经济“可持续性”的数学。

图12未必示出大规模储存的经济学含义。既可分配(许多位置)又可 放大(能大量生产)的能量生产与明显局限于当地并不可放大的方法相比， 是一种进步。图13示出了其中以太阳热集中系统为系统的电源和热源的优 选实施方案。图14示出了其中未指定电源和热源以为系统的未来变化性和 适应性留余地的优选实施方案。图15示出了可再生能生产过程的流程图。

上面的实施方案可由如本文中所公开的电解器实现。

在本发明的一个实施方案中，提供了一种电解电池，所述电解电池包括： 密闭壳；第一电极；第二电极；与第一电极和第二电极电连通的电流源；与 第一电极和第二电极流体连通的电解质；气体，其中所述气体在电解过程中 于第一电极处或附近形成；和分离器，其中所述分离器包括倾斜表面以由于 电解质的密度与电解质和气体的组合密度间的差异而引导电解质和气体的 流动，使得气体基本上在第二电极远侧方向上流动。

在另一个实施方案中，提供了一种电解电池，所述电解电池包括：密闭 壳；第一电极；第二电极；与第一电极和第二电极电连通的电流源；与第一 电极和第二电极流体连通的电解质；气体，其中所述气体在电解过程中于第 一电极处或附近形成；气体提取区域；和分离器，其中所述分离器包括两个 形成“V”形的倾斜表面；其中所述分离器由于电解质的密度与电解质和气体 的组合密度间的差异而引导电解质和气体的流动，使得气体基本上在第二电 极远侧方向上流动，且其中所述分离器还被构造为促进电解质在第一电极、 气体提取区域和第二电极之间的循环以向第一电极和第二电极提供新鲜电 解质。

在又一个实施方案中，提供了一种电解电池，所述电解电池包括：密闭 壳；第一电极；第二电极；与第一电极和第二电极电连通的电流源；与第一 电极和第二电极流体连通的电解质；气体，其中所述气体在电解过程中于第 一电极处或附近形成；和分离器，其中所述分离器包括倾斜表面以由于电解 质的密度与电解质和气体的组合密度间的差异而引导电解质和气体的流动， 使得气体基本上在第二电极远侧方向上流动。

在另一个实施方案中，提供了一种电解电池及使用方法。虽然所述电解 电池可以用在许多应用中，但在本实施方案中描述为用在氢和氧的生产中。 根据本实施方案的电解电池提供了加压的氢和氧的可逆分离生产并耐受运 行的杂质和产物。所述实施方案还提供了运行电解过程的选择权，所述电解 过程包括如下步骤：供给被加压至比紧凑储存所需低得多的幅度的待解离物 质，在电极间施加电动势以产生密度比被解离物质的低的流体产物，和限制 密度较小的流体产物的膨胀直至达到紧凑储存的所需压力。该实施方案及其 他实施方案可通过运行热力发动机或燃料电池并利用来自这类源的热来做 饭、消毒水和向其他物质传递热、提供空间加热或促进燃料向这类发动机或 燃料电池的缺氧或电诱导释放而改善住所如家、饭店、旅馆、医院、罐头食 品厂及其他商业设施的能量利用效率。此外，本领域技术人员应理解，本文 中公开的实施方案的方面可应用于其他类型的电化学电池以提供类似的优 势。

与在很大程度上取决于相对较慢扩散、对流和浓度梯度过程来产生传质 和/或递送离子以生产所需组分的常规电化学电极相反，本实施方案提供了更 高效的传质，包括快速的离子补充过程和通过自如本文中所述密度较大的液 体介质逃逸的低密度气体的泵送作用向所需电极的递送。这确保了更高的电 效率、更快的解离和更高的分离效率，此外防止不希望有的副反应。提高离 子的产生及向电极的递送的速率和效率将提高系统效率和每电极面积的电 流极限值。

参见图1B，其示出了其中容器4b如金属管充当密闭壳的电解电池2b。 任选地，容器4b还可充当电极，如图1B中所示。多孔电极如圆柱形导电丝 网电极8b与管状电极4b共轴地定位并由液体电解质持液如酸或碱与管状电 极4b隔开。液体电解质占据容器4b的内部空间至绝缘器24b中的液-气界 面。可在容器4b内提供上有电镀、等离子体喷射或复合的电极材料的层的 介电套筒或导电的圆柱形内部衬里电极4b′(未示出)以充当组件的电隔离 元件，从而使得能够作为维护项目方便地更换，或者充当大量分段电极元件 中的一个以提供任选的极性和/或串联、并联或串并联连接。在本可逆实施方 案中，对于水的电解，电极8b可以看作是电子源或阴极，使得氢在电极8b 处产生，而电极4b可以看作是阳极，使得氧在电极4b处产生。容器4b可 以能加压。容器4b的内容物的加压由密封盖30b和46b约束。包括电极8b、 气体分离器10b和电连接32b的部件的支承、电绝缘和稳定化由介电绝缘体 20b和24b提供，如图所示。电解电池2b的加压可通过电解过程中气体的产 生所致的自加压、通过外部源如泵或通过其任意组合实现。

分离器10b被构造为液体可透过但基本上阻止气体从分离器的阴极侧向 分离器的阳极侧的流动或输送，反之亦然，包括基本上阻止电解质中或气泡 成核后溶解的气体的流动。任选地，电极8b可以被构造为充当分离器10b， 使得不需要单独的分离器。或者，分离器10b可以包括电极8b或者电极8b 可以包括分离器10b。此外，分离器10b也可以包括阳极电极4b或者阳极电 极4b可以包括分离器10b。

绝缘器24b被制作成所示形状并根据需要分离、收集和/或提取电极如 4b和8b(包括与分离器10b组合的利用)所产生的气体。在所示同心圆柱 几何形状中，绝缘器24b具有中央锥形腔，电极8b上释放的气体将收集在 该中央锥形腔内。同心地包绕该中央腔的是环形区，所述环形区收集自电极 4b′的表面或自容器电极4b的内部释放的气体。

任选地，可如图所示在24b的上部收集通道中安放催化过滤器48b。包 括横穿分离器10b行进而设法到达催化过滤器48b的氧可以以催化方式通过 与氢反应而导致水的形成，所述水可然后返回电解质。大量过量的氢可充当 散热器以抑制该催化反应所释放的热影响电解电池。经纯化的氢在如图所示 配件26b处供应。类似地，可能优选在如图所示收集氧的周围环面的上部区 域中提供催化过滤器49b以将到达该氧环面的任何氢转化为水。氧在如图所 示配件22b处取走。或者，可将催化过滤器安放在配件22b和26b处、附近 或里面。

在所示的运行中，如果水为待解离成氢和氧的物质，则制备合适的电解 质如碳酸氢钠、苛性钠、氢氧化钾或硫酸的水溶液并如图所示由传感器50b 保持在所需的液位下，传感器50b检测液体压力并向控制器52b发出信号以 运行泵40b从而根据需要自合适的源如贮存器42b加水以产生或保持所需的 持液量或压力。控制器52b因此对温度和压力控制传感器58b作出响应，传 感器58b可以被包括在具有液位传感器50b或持液量传感器51b、控制泵36b 和40b及热交换器56b的一体化单元中，其中热交换器56b可以包括循环泵 系统如散热器或加热器(未示出)以接收或传递热。类似地，可以结合这样 的运行采用加热或冷却风扇以增强热自伴随电解电池2b的源的接收或排出。

在其中电解电池2b待循环应用的一些实施方案中，例如，当过剩的电 廉价和另外不需要时，可使电解电池2b的持水量有相当大变化地运行。在 过剩的电不可得或其关断时，氢和氧的供给可从容器4b提取并让系统回到 环境压力。然后可加入环境压力的水以使系统装满料，可使系统在绝缘器24b 周围具有大的环空体积，这是为促进这样的循环的低压填充和电解操作，以 在实现压力或化学能向功的转化、紧凑储存以及提供向车辆、工具或器具接 收器的快速转移所需的高压下递送氢或氧可能需要的。

在施加电流并自小得多的持液量生成大量的氢气和氧气后，可根据需要 对系统加压并保持加压直至溶液中的持水被耗尽至传感器50b或51b的检测 使得控制器52b或中断电解循环或如图所示通过压力泵40b自贮存器42b加 水的点。可能优选经过阀门如所示截止阀44b加水，以根据需要实现泵40b 的多种输送量或维护。

参见图1B、2B和3B，图2B示出了图1B的分离器10b的一个实施方 案，其中所述分离器包括两个形成“V”形的倾斜表面14b。如果电解质是基 于水的，则电子通过接头32b加到多孔电极8b如织造丝网圆柱并通过电接 头6b从容器4b取走以不断地将氢离子转化为氢原子和随后双原子分子，所 述双原子分子可在电极8b上或附近成核以形成气泡。氢和氧气泡通常远不 如基于水的电解质的密度大，故将在浮力驱动下上行。氧气泡类似地被驱动 着上行并通过共轴分离器10b的几何形状与氢分离，共轴分离器10b在图2B 的放大截面图中示出。图2B所示构造可用在其中需要电解电池2b的运行过 程中所形成的气体流的任何应用中。此外，所述分离器构造可用在本领域已 知的其他电化学电池构造中。或者，如果电解过程中形成的材料密度比电解 质大，则可以让分离器10b翻转形成“Λ”形。类似地，如果通过电解在阴极 处形成的一种材料密度比电解质小而在阳极处形成的另一材料密度比电解 质大，则可使分离器10b由倾斜的“/”或“\”形组成以使密度较小的材料偏转 远离密度较大的材料。

自40′或容器4b内部释放的氢和氧的混合通过液体可透过的屏障——分 离器10b得以阻止，如图所示，分离器10b通过自倾斜的表面12b′和14b偏 转氧和氢防止其进入、流动或传输而高效地分离气体。或者，分离器10b可 以包括由电绝缘导体或自惰性介电材料如填充30％玻璃的乙烯-三氟氯乙烯 组成的螺旋形物，其中所述螺旋形条带材料的横截面为“V”形构造，如图所 示，以充当电绝缘器和气体分离器。

供流体行进的通路可按需要增加以满足流体循环和分配的需要，做法是 偶尔或连续地波纹化条带，特别是在各个边缘处，以在各层螺旋线之间产生 间隙，或者在所形成的盘的堆叠处，所述盘构成图2B中所示的截面，截面 图中13b处示出了放大的波纹。通常有利的是，让各个这样的波纹或多或少 地绕着适当倾斜的径向轴(如图所示关于轴15b和15b′)起伏。这可使得所 形成的分离器10b的液体可透过但气体被阻挡的壁总厚度为所需的厚度，例 如约0.2mm(0.008″)厚或更小。

分离器10b可以具有任何合适的尺寸，包括非常小的尺寸，且就表面能 状况而论，足以允许液体电解质传向或传离电极8b但因气体的浮力驱动和 向上行进而不允许气体的通行。提供了一种适用于例如相对较小的燃料电池 和电解器中的可供选择的实施方案，做法是提供大量紧密间隔的具有图2B 中所示横截面的扁平线，其中这样的线被织造或粘附于提供液体的主要开放 的入口并在“V”形线的一侧或两侧上排列在主要竖直的方向上的线。这可使 得所形成的分离器10b的液体可透过但气体被阻挡的壁总厚度为约0.1mm (0.004″)厚或更小。

向上的浮力驱动使得碰撞在倾斜表面12b和14b上的气泡偏转方向。这 种特征将克服现有技术的常规方法的困难和问题，这些常规方法因电阻、结 垢、滞流、腐蚀和极化损耗中的一者或多者而导致低效率。此外，由于上升 气泡的浮力抽吸作用产生电解质的向上流动，故一些构造可能促进电解质在 同心层中的循环，且随着气体在液体顶部处逃逸，相对无气体且密度较大的 电解质将流向底部从而再循环以替代混合了气泡或含溶解的气体的较小密 度的电解质。热交换器56b可以根据需要运行以自从容器4b的顶部向底部 循环的电解质加热或移走热，如图所示。泵36b可以根据需要使用以提高电 解质循环的速率，或者泵36b可与泵40b结合使用以添加补充水。

在一些实施方案中施加了高电流密度，包括快速添加有机材料的系统。 在这样的实施方案中，用泵36b循环电解质可能是有利的，如图所示，所述 泵36将通过配件28b和管线34b到达泵36b的相对无气体的电解质通过管 线38b和配件16b返回到容器4b。可能优选在配件16b处成切线地进入返回 的电解质以产生旋流递送，该旋流继续打漩并因此协同地增强分离，包括通 过可如上所述利用的分离器10b的作用。取决于运行的压力，氢的密度比氧 小约十四倍而具有更大浮力并倾向于易于被分离器10b引导具有更高的向上 速度以通过过滤器48b在配件26b处加压收集。在非常高的电流密度及电解 电池2b经受到如运输应用中可能遭遇的倾斜或G-力的情况下，通过泵36b 提高电解质行进的速度以增强旋流分离并因此防止阳极上产生的气体与阴 极上产生的气体混合。

一些包括分离器10b的非导电气体屏障的实施方案和液体传输实施方案 使得可以制造比先前的方法便宜得多并坚固且高效得多的可逆电解器，先前 的方法包括依靠质子交换膜来分离气体如氢和氧的那些。在一个方面，分离 器10b可以设计成改善电解过程中电解质的流动。例如，分离器10b可以被 构造为促进离子在液体电解质持液中从端口16b向端口28b向上行进的螺旋 流动。这将确保电极的各个部分接收到新鲜补充的离子密度，这是获得最大 电效率所需要的。随着氢和氧在电化学电池的相应电极上形成，这样的电极 洗涤动作还可快速移走氢和氧的气泡。

图3B示出了分离器10b的另一方面的部件板或螺旋条带的代表性部分 的边视图，其用于提供相邻电极(包括平板和同心电极结构)的电绝缘，同 时获得如上所述气体物质的分离。在组件11b中，板12b′和14b′形成与分离 器10b相似并用作分离器10b那样的功能的横截面。扁平的导电或非导电聚 合物板12b′制成为在平行的中心线上具有大量小孔，这些孔倾斜为与如图所 示板12b′的长轴形成例如约35°到70°角的实质性角度，例如如第一角15b 所示。聚合物板14b′类似地制成为在平行的中心线上具有大量小孔，这些孔 实质上倾斜为与如图所示板14b′的长轴形成约35°到70°的角，如第二角15b′ 所示。

在其他实施方案中，角15b和15b′可随电解过程中待分离的材料而异。 例如，对于无气体组分或仅一种气体组分的化合物的电解，所述角可以下倾。 如果在冰晶石-氧化铝电解质中电解解离化合物如Al₂O₃以形成铝和氧，则由 于铝的密度比冰晶石-氧化铝电解质的大，故铝分离阴极电极或相关的分离 器应被构造(通过例如下倾的角)为向下发送铝而远离向上行进的氧。

大量直径为板厚度尺寸的约1/12到1/3的这类小孔可易于通过合适的技 术包括激光打孔、热针穿孔或通过高速颗粒穿透在板12b′和14b′中制得。各 自通常厚约0.025至0.25mm(0.001″至0.10″)的板12b′和14b′可通过焊接或 者粘结、线系、松紧带或在所产生的外径上螺旋缠绕一根或多根导电或非导 电的丝固定在一起以形成为包括电极8b的组件。板12b′和14b′还可以偶尔 或连续地通过粘合剂或通过热熔接或溶剂熔接而结合。因此，在板12b′的倾 斜孔与板14b′的孔搭接之处，将形成使得液体和/或电解质能够行进的通路， 而同时阻止气体传输通过所形成的气体屏障膜。参见图1B和4B，对于实施 方案2b或100b，可以通过粘附或焊接对接缝或通过提供用作旨在分离气体 的屏障的搭接缝形成具有适宜直径的管状结构的气体屏障板组件。

对于水的电解，有多种合适的电解质。在一个实施方案中可以使用氢氧 化钾，密闭壳4b采用低碳钢。可以用镀镍缸4b或通过利用合适的不锈钢合 金提供更长的寿命和更高的耐腐蚀性。在其他方面，可以通过用高强度增强 材料如玻璃、陶瓷或碳丝或其组合包绕缸4b而提供更高的密闭能力。

取决于特定的应用和强度需要，对绝缘分离器20b和24b使用填充了约 30％玻璃的乙烯-三氟氯乙烯可能是有利的。电极8b可以由织造的镍或316 型不锈钢丝制成。分离器10b可以由填充了约30％玻璃的乙烯-三氟氯乙烯 条带制成。

在另一实施方案中，还旨在利用电的受控施加来分别地产生甲烷或氢或 在与有机电解质的优选混合物中。在一些方面，该实施方案可以与包括序列 号09/969,860在内的共同待决专利申请的实施方案结合地运行，该专利申请 通过引用并入本文中。平常产生甲烷的有机材料的缺氧消化过程可以经控制 以产生在比解离水所需低得多的电压下释放氢的电解质，或者脉宽调制工作 循环接通时间和所产生的电消费比解离水所需的要少。

微生物消化产生的有机溶液的酸度或pH可以通过天然的碳酸氢盐缓冲 相互作用来保持。碳酸氢盐缓冲液可以通过消化过程中二氧化碳的共同产生 来补充。对于有机化合物的缺氧消化过程中的多个步骤，可以用简单的碳水 化合物或葡萄糖的示例性消化来归纳该过程，该示例性消化可能有许多竞争 性的和补充性的过程步骤如：

C₆H₁₂O₆+(缺氧成酸剂，兼性细菌)→CH₃COOH        方程式1

CH₃COOH+NH₄HC₆O₃→CH₃COONH₄+H₂O+CO₂            方程式2

3CH₃COONH₄+3H₂O(细菌)→3CH₄+3NH₄HCO₃           方程式3

在需要来自这类溶液的甲烷的情况下，可能需要将pH控制在7.0附近。 在环境压力、约7.0的pH和35-37℃(99°F)下，将有利于甲烷生成。大多 数生活污水含有具有提供甲烷生成的生物体所需要的大量和微量营养素二 者的生物废弃物。在缺氧反应器中保持相对较大的溶解和分布氢的浓度或存 在的单糖的浓度可以抑制产甲烷微生物的工作。

在另一方面，可以通过施加电场使得通过葡萄糖和其他有机化合物的细 菌分解和通过其他产酸过程产生的物质如乙酸(CH₃COOH)解离来增加燃 料值自有机物质的生产，其中所述解离产生氢离子。

CH₃COOH→CH₃COO^-+H⁺                           方程式4

氢离子迁移或被递送至带负电荷的电极并获得电子而产生氢气。

2H⁺+2e^-→H₂                                方程式5

带负电荷的电极供给两个电子。在另一电极处，电化学反应包括醋酸根 离子的氧化以产生二氧化碳和氢离子，如方程式6所概括。

CH₃COO^-+2H₂O→2CO₂+7H⁺+电子                方程式6

在此电极反应中，醋酸根离子失去电子，随后与水反应并分解为二氧化 碳气体和氢离子。二氧化碳使溶液饱和并从液体溶液界面释放，如上面的实 施方案中所述。氢离子循环和/或迁移直至电子从相反电极被接收而产生氢原 子和然后双原子分子，如方程式5中所概括，以在这样的系统中分开共收集。 分开收集是高度有利的，例如，分开收集以使得作为液体泵送而不是气体压 缩的结果取得加压或处于高压力下将尤其有效，并将大大减少分离和然后机 械压缩所产生的氢、甲烷或二氧化碳通常所需的固定设备。

化合物如乙酸通过缺氧消化分解产生氢和二氧化碳所需要的能量比水 的电解要少得多，部分因为消化分解产生氢离子和放热能。酸如乙酸的放热 分解的起动和保持可在较低的电压施加下或通过间歇的或偶尔的电解而不 是如分解水通常所需的连续电解实现。环境温度下水的生成自由能相当大 (至少1KWH＝3,412BTU的释氢)，相比之下，消化池物质和酸如尿素和 乙酸电解成氢和二氧化碳需要相对极小的活化和/或催化作用，特别是使用有 机催化剂时。因此，结合本文中所述电极系统使用选定的催化剂包括改性的 Raney-Nickel催化剂、镍-锡-铝合金、铂金属族中选择的、铂-镍和其他铂- 过渡金属单晶合金表面及各种有机催化剂将进一步提高氢生产的速率和/或 效率。

在另一方面，可能优选利用为数众多的电池，其电极对可切换地串联或 并联或串并联以匹配可得到的源安培数和电压与通过串联电池解离所需的 电压，例如图1B中所示。在此实施方案的一个方面，取决于所选或自有机 物质以生物化学方式产生的含水电解质，各个电池可能需要约0.2至2伏特， 故一个家用尺寸的6伏特光伏源可具有3至30个串联的电池，而一个220 伏特的工业源可具有约100至1,000个串联连接的电极电池。产品气体可易 于通过并联或串联连接布置递送。取决于调节串联和/或并联连接的数量的所 需灵活性，支承和流量控制特征18b可以选自绝缘或非绝缘材料。

在各种电流密度下，包括在中等和低电流密度下，可能优选让所生成的 气泡的浮力驱动来实现电解质的循环以防止离子耗尽和滞流问题。在启动时 或更高的电流密度下，可以运行泵36b和热交换器56b以提供所需的运行温 度和在电极表面处提供富离子的电解质。这使得实现特别高的能量转化速 率，其中能量如可从太阳、风、落水或波浪资源得到的低谷电被用来快速且 高效地产生氧和氢或氢和二氧化碳或氢和甲烷及二氧化碳的高压供给以分 开储存和使用。

在此实施方案的一个方面，解决了车辆再生制动或电厂停转中突然爆发 的大量能量必须快速转化为化学燃料势能的问题。用于卡车、公共汽车或火 车推进的常规燃料电池不能耐受突然施加到燃料电池电极上的高电流密度。 本实施方案克服了该限制并提供了特别强的高电流情况耐受性，同时获得高 电解效率而无再生性PEM燃料电池遭遇的PEM退化或电极界面失效的问 题。由于结构坚固并具有特别充分的冷却机会，故易于适应特别高的电流下 的运行。反过来说，本实施方案易于启动并在严苛的寒冷或炎热条件下高效 地运行而无PEM相关的各种困难、限制和失效。

在另一方面，为在能量转化系统如水力发电站、风电场、波浪发电机系 统或常规电厂中获得高得多的投资收益，本实施方案允许低谷电通过水的解 离快速且高效地转化为氢和氧或者通过有机物质的缺氧消化或降解所生成 的物质的解离快速且高效地转化为氢和二氧化碳。本实施方案的紧凑型式占 据的空间可以不比洗衣机大且将否则可能被浪费掉的低谷电转化为足够运 行两辆家用大小车辆的氢并提供住宅的能量需要。

如上所述，本文中提供的一些实施方案将提供更高效的传质，包括快速 离子补充过程和通过自较大密度的液体介质逃逸的低密度气体的抽吸作用 向所需电极的递送。这将确保更高的电效率、更快的解离和更高的分离效率， 此外还阻止不希望有的副反应。提高离子的产生及向电极的递送的速率和效 率将提高系统效率和每电极面积的电流极限值。将有机物质转化为二氧化碳 和氢或甲烷的应用因如下原因而特别受益：有机物质向参与该过程的微生物 的递送速率提高，孵育速率和孵育后的微生物向长寿命且自修复生物膜介质 的传递速率提高，所产生的气体得到更快分离，有机物质得到更快传递，此 外，中间体离子向电极的传递更高效。

参见图4B，其中示出了另一个实施方案——电解电池100b，在其中不 希望施加电压或不希望有电流经过密闭壳102b的内壁的应用中，该电解电 池100b特别有利。本实施方案还将促进电解电池100b内双极或多电极组或 电池如110b和114b的串联连接以简化气体收集和电压匹配需要。

在其中密闭壳102b为圆柱形且其内的部件同心的一个方面，电极组件 110b和114b可以自为数众多的嵌套式截锥形部件形成或者一个或两个电极 可以形成为如上所述螺旋电极。电极110b和114b可具有相同、相似或不同 的构造。在另一方面，电极114b可以自嵌套的截锥形部分组装或者其可以 是连续地环绕电极110b的螺旋形电极。

为防止短路，电极110b和114b的电分离可以通过多种措施实现，包括 通过受控的运行尺寸公差和/或通过使用安置在电极110b和114b之间的介电 线或长丝和/或如关于图2B和5B所公开的通过另一形式的分离器10b或 111b实现。

电解电池100b可以被加压。压力密闭由上盖和下盖104b和106b提供， 如图所示。绝缘器120b和122b由盖104b和106b支承，如图所示。用于电 连接和流体连接的电路部件和硬件是示例性的并可根据需要通过穿透盖 104b和106b实现以满足具体的应用需要。

在本实施方案中，两个电极110b和114b均形成为具有倾斜表面，所述 倾斜表面将所产生的物质例如所释放的气体引导向相应的收集区，如图所 示。示例性地，如果自合适的电解质解离水，则电极110b可以接收通过接 头108b供给的电子，接头108b由堵塞密封件132b密封在盖106b中。电子 因此通过堵塞密封件130b自电极114b取走，堵塞密封件130b提供当气体 如二氧化碳或氧在电极114b上释放时接触点124b的绝缘。

这样的气体因此被浮力推进而在被电极114b递送后或多或少地向上并 沿容器102b的内壁行进。氢在被电极110b递送后在众多匝或锥形层电极 110b所形成的中央芯内向上推进并如图所示在绝缘器120b处收集。经纯化 的处于设计压力下的氢通过压力配件116b递送。可以使用催化过滤器134b 来转化到达中央芯的任何氧化剂如氧以形成水。可以使用类似的催化过滤材 料自到达如图所示绝缘器120b中的外收集环面的任何氢产生水。加压并经 过滤的氧通过压力配件118b递送。

任选地，为提高电解电池100b的效率，可以使一个或多个气体收集容 器(未示出)与电解电池100b流体连通以收集电解过程中形成的气体。气 体收集容器可以实施以在气体的实质性膨胀之前捕集高压下的气体。气体收 集容器还可以按本领域已知的方法被构造成捕集气体膨胀时所作的功。或 者，气体收集容器可以被构造成提供处于适于储存、运输或使用的压力下的 气体，其中所述气体需要在高压下递送。还预期所述方面可在各种电化学电 池中实施。

参见图2B，在另一方面，可以在配件22b、配件26b之处、附近或里面 或者在与配件22b或配件26b流体连通的气体收集容器中引入气体膨胀器。 类似地，参见图4B，可以在配件116b、118b之处、附近或里面或者在与配 件116b或配件118b流体连通的气体收集容器中引入气体膨胀器。

在另一方面，提供了一种加压流体的电解方法和装置，所述流体与从这 样的加压流体提取功的装置相连。所述流体可以是加压的液体、吸收了液体 的气体、蒸气或气体。加压流体向蒸气或气体的转化可在配件116b之中或 之后进行，用于自这样的配件转化压力和流动的装置可以选自涡轮、发电机、 叶片液压马达或各种活塞液压马达、或者“呼吸”空气并自116b注入加压 氢气的发动机。类似地，加压流体向蒸气或气体的转化可以在配件118b之 中或之后进行，用于自这样的配件转化压力和流动的装置可以选自涡轮、发 电机、叶片液压马达或各种活塞液压马达或者膨胀和/或燃烧加压流体如来自 118b的氧的发动机。

在另一方面，提供了一种克服变压器和整流器电路的高成本及功率损耗 的装置和方法。这通过负载电压与源电压的调节匹配实现，所述调节匹配通 过电极电池或电池内电极的串联连接实现，例如将DC源的负极性依次连接 到最下面的三匝电极110b、到接下来的三匝电极114b、到接下来的三匝电 极110b、到接下来的三匝电极114b、再到接下来的三匝电极110b并从相反 (最高)端开始将来自DC源的正导线依次连接到三匝电极114b、到接下来 的三匝电极110b、到接下来的三匝电极114b、到接下来的三匝电极110b、 再到接下来的三匝电极114b。可以调节截锥的匝数和/或堆叠数以产生匹配 源安培数所需的面积。

在本实施方案的另一方面，除提供电解所产生的气体的分离外，本发明 的一些实施方案所产生的抽吸作用还提供养分向微生物的递送，取决于操作 的相对规模，这些微生物寄宿在合适的介质如碳布、活性炭颗粒、膨胀硅石、 石墨毡、煤、木炭、果核、木屑、碎纸、锯屑和/或其混合物中，这些介质通 常位于电极110b的部分内和/或电极114b与容器102b的部分之间。相应的 功能和好处包括系统的热稳定化、原料的循环、产物如二氧化碳的移取及氢 自可能通过这类微生物的孵育、营养和生长产生的酸的生产。

在低和中等电流密度下，低密度溶液和气泡导致的浮力可以使电解质在 容器102b内循环。在较高的电流密度下，有利的是如前面所公开的适应性 地控制电解质的温度、压力和循环。电解质的外循环可以从配件126b到配 件138b，如图所示，并包括其中容器102b内含一个或众多以任选串联和/ 或串并联电路连接的电极电池的情况。

在另一方面，本实施方案可以针对高电流密度加以优化，以通过一个或 多个孔或凹槽139b传递相称地较高的电解质流体流率，所述孔或凹槽139b 与电极110b和114b之间的环形空间相切地引导流体。电解质沿电极所形成 的螺旋形空间向上流动并由来自110b和114b之间的环形空间由110b和 114b所提供的进入螺旋形路径的电解质所补充。进入电极110b和114b之间 的空间的电解质的角动量将增大电解产物如分别在电极110b和114b上产生 的氢和氧的气泡上升抽吸的推动力并加到这样的动量上。

为确保向和自电极110b和114b交换电荷后变为氢和氧原子或其他气体 如二氧化碳的离子的快速补给以及为移取这类气体以便收集和移除同时使 电解过程中的电极化损耗最小，这种电解质循环高度有利。因此易于接受非 常高的电流密度以高效地电解循环的流体。在另一方面，通过因改善的电解 质循环所致的设计的巨大冷却能力而提供了高电流密度的进一步适应，所述 改善的电解质循环将防止电解产物的有害滞流和/或相变如水蒸汽成核及有 效电极面积的减小。

在另一方面，电极110b和114b可以构成弹簧形式，所述弹簧形式可以 有利地在谐振频率下运行或者由各种诱因扰动，这样的诱因包括压电传动 器、旋转的偏心轮、气泡形成的作用以及电解质与气泡的较小密度混合物的 加速推力，因为较高密度的电解质持液将在所产生的抽吸作用下被递送至电 极110b和114b的表面。响应扰动，电极110b和114b将以固有频率或者所 诱导的频率振动以进一步增强气泡从包括成核位点在内的表面的移走并因 此使得得到更高的电流密度和更高的能量转化效率。

螺旋形弹簧形式的电极如110b和114b的诱导振动还可以导致蠕动机械 作用，从而增强气泡向电解电池100b的相应收集路径和离开端口的加速。 在此振动过程中，电极匝的相邻层之间的平均距离和角度的周期性增大和减 小将产生固定或行进的节点，这取决于诱因的振幅和频率。

图5B示出了用于与电极110b′和114b′之间的电绝缘间隔物111b结合运 行的一组电极110b′和114b′的代表性截面图，电绝缘间隔物111b包括选择 如图2B中所示用于多种应用和电解质的包括螺旋形流动递送构造的绝缘器 10b。同心的电极110b′、间隔物111b和电极114b′的组件将提供非常坚固的 自增强系统以以提高的效率和耐结垢性实现流体如水、来自缺氧消化池的液 体或海水的高效解离。电极110b′和114b′可自导电碳纸、布或毡；碳织造物 或碳毡和金属长丝、夹在碳织造物或金属长丝之间的石墨颗粒；或者镀金属 的聚合物或金属板坯如软钢、镀镍钢或不锈钢构造，其或多或少如前面所公 开的那样在平行的中心线上被钻以大量的孔，这些孔如图所示倾斜以自共同 产生的气体如氧、氯或二氧化碳相应地分离氢，所述共同产生的气体取决于 电解质的化学构成。

在电极110b′、间隔物111b和电极114b′以如图4B所示同心电极布置采 用的情况下，氢被递送到端口116b，且取决于发生解离的物质，产物如氧、 氯或二氧化碳被递送到端口118b。在一些情况下，优选在110b′和114b′中提 供大量的孔，使得各个孔的孔径从接触间隔物111b的表面上向远离间隔物 111b的出口表面略微锥形地增大。

优选选择螺旋节距、电极间的宽度和构成间隔物111b的条带的厚度使 得以与可得到的电能和系统传热需要相称的速率从138b向并通过电极110b′ 和114b′向配件126b递送电解质，以优化电极间的所得宽度空间。这使得在 电极110b′和114b′处有丰富的用于电解过程的离子的递送，同时确保氢分离 到电极110b′内的区，而共同产生的气体如氧、二氧化碳或氯被递送到电极 114b′之外的空间。

在另一方面，可以通过在氢电极中提供气体流动凹槽、在氧电极中提供 气体流动凹槽、此外还提供用于向氢电极的底部加氢和在氧电极的底部处加 氧的适宜配件而再生地运行所述系统。在这种情况下，可能有利的是采用同 心螺旋形电极，特别是在其中单个罐组件即满足能量需要的小燃料电池中。

参见图6B，其中示出了用于可逆的燃料电池运行情况下的螺旋形电极 的横截面。这将为电极114b或类似螺旋型式的电极110b提供表面/体积比、 截面模量及柱稳定性的改进。该截面图中示例了电极114b，其中，气体152b 沿螺旋形凹槽流动，所述螺旋形凹槽通过波纹化条带坯形成，所述条带坯用 来形成螺旋并为燃料电池操作提供氧的递送及在电解操作中向环面136b和 配件118b递送氧。对于在燃料电池和电解模式下的电极110b，同样的构造 也适用于在电解模式下将有机酸转化为二氧化碳和氢并确保大量的气体如 前所述被递送到所需的收集或源端口。

在另一方面，通过促进将有机物质的含水衍生物如碳酸、乙酸、丁酸和 乳酸以及化合物如尿素转化为氢的微生物的生长和保持而提供了改进的电 极性能。在选定用于产生氢离子和/或释放二氧化碳的电极上，通过将这类电 极表面制成为具有将增大有效表面积的形貌增强来提高微生物生产率，其中 所述形貌增强包括高纵横比的长丝或晶须，这样的长丝或晶须将减小基质电 极的电阻并帮助把微生物和生物膜同消化过程所提供的所需膜物质一起固 定就位。

不受理论限制，据信，电极和/或分离器的特定特征如形貌处理或增强会 将促进所需位置处电解质的湍流，包括空化或超空化，其继而促进该位置处 的成核。反之，电极和/或分离器的特定构造可以抑制所需位置例如电子转移 的点处的湍流，包括空化或超空化，其继而抑制该位置处的成核。预期，包 括这些特征的元件可以在电解电池中需要成核的任何位置处实施。此外，这 些相同的特征和原理可以应用于气体收集容器或与电解电池流体连通的类 似容器或与其间的通道或阀门流体连通的容器。

合适的长丝和/或晶须包括金属或掺杂半导体如碳、硅或者氮化碳或氮化 硼的纳米直径长丝以提供增大的表面积、减少离子输运损耗和电阻损耗、提 高微生物生产率和使成核作用更有效以更高效地释放二氧化碳。这样的长丝 还可用来锚定石墨颗粒，这将进一步改善微生物生产率、提高酶和催化剂利 用效率并有利于氢离子产生过程。类似地，在其中氢离子被提供以电子而产 生氢原子并成核形成双原子氢的气泡的电极处，可以利用长丝和晶须来增大 有效面积和降低整个过程所需的电压。

除碳晶须外，还已发现自金属如锡、锌、镍和自气相沉积的难熔金属生 长或自合适的衬底如铁合金电极上的镀层生长的长丝将提供减小的电阻和 提高的过程效率。这类长丝或晶须可以通过下述方式制成为更适合于生物膜 支承和过程增强：加入有益的表面活性剂和/或用合适的物质如碳、氮化硼或 碳化硅通过溅射或自物质如来自示例性前体(如乙炔、苯或包括甲烷、乙烷、 丙烷和丁烷在内的链烷气体)的供碳体的分解沉积的表面镀层。

图4B的实施方案及其变型可以提供流体解离的低密度气态衍生物的有 利分离，包括氢自有机液体如方程式1-6中所概括的那样分离，以向端口116b 递送氢或富氢的混合物，而二氧化碳或富二氧化碳的混合物(包括固定氮组 分)被递送至端口118b。在一些应用中，可能期望颠倒这些电极的极性以颠 倒分离开气体的递送端口。这样的颠倒可以是长期的或者是间歇的，以达到 各种目的。取决于电极110b和114b的螺旋节距的选择和各个电极的谐振频 率或强迫振动频率以及各个电极处的相对流体速度，氢可被递送到端口116b 而系统可以运行为包括甲烷和二氧化碳。但递送到端口118b的二氧化碳可 能包括甲烷和其他密度比氢高的气体。在需要提供氢与甲烷的Hy-Boost混 合物以使得实现内燃机、各种燃烧器、炉或燃料电池的非节流运行的应用中， 具有液压和电路控制措施(例如由泵36b和控制器52b所提供)运行的图4B 实施方案将方便下述选择：以受控的氢和甲烷比率产生和分离所需的燃料混 合物并在端口116b处递送。

通过向电化学电池中加入介质如胶态碳、碳长丝(包括纳米结构)、层 状碳晶体、石墨烯小片晶、活性炭、沸石、陶瓷和/或氮化硼颗粒，提供了一 种出乎意料但特别有利的产生微生物的强大厌氧菌落的方案，所述微生物产 生有机原料向氢和/或甲烷的所需转化。这类介质可以被掺杂或复配以各种试 剂，以提供增强的催化生产率。示例性地，可以通过用或多或少具有电子结 构的选定试剂如硼、氮、锰、硫、砷、硒、硅、碲和/或磷掺杂而提供期望的 功能性。电解过程释放的气体引起的循环可以促进这类介质向有利位置和密 度的协调(sorting)，从而实现更高效的电荷流利用。

不受特定理论限制，但据猜测，这样的协同结果与临界位置中表面积的 增加及纤维状夹杂物、区域或长丝的增多有关，所述纤维状夹杂物、区域或 长丝加强成核过程和/或进行电子或氢离子以及酶、氢、甲烷或二氧化碳在生 物膜和所得反应区中的有利吸附。还表明，在本发明公开的各种实施方案中， 微生物被孵育以循环到所进行的操作中及所产生的流动路径中被高效利用 的位置。

除晶须和长丝如碳、石墨、各种金属碳化物和碳化硅及其他以催化方式 提高性能的无机物质和颗粒外，采用提供所需养分或催化剂以辅助微生物过 程的活性物质和颗粒也将是有利的。示例性地，聚合物、陶瓷或活性炭的多 孔和/或层状基材可吸附导电性有机催化剂如四甲氧基苯基卟啉钴 (CoTMPP)或聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)和/或起促进作用地取向 和提供其他催化物质，包括酶和接枝聚合物，所述其他催化物质也可用来引 入和提供催化物质，包括另外的酶。

合适的物质或接枝聚合物可包括常规的树枝状体、纤维形态体及其他有 机功能材料的那些以最大限度地减少或替代铂和其他昂贵的催化剂和导体。 这类替代物质及其利用包括混合物或相对于本文中公开的一些实施方案所 产生的流体循环的分段位置。多种专用的导电和/或催化结构包括可生长或粘 附到电极4b、8b、110b或114b和/或以覆盖碳毡或织造结构或分散到生物膜 挂膜中的针状沉积物和纤维。示例性地，导电和/或催化功能可通过以保持和 提供氢化酶及其他酶、CoTMPP和/或其他催化剂如聚(3，4-亚乙二氧基噻吩) (PEDOT)的长丝作为纤维提供，所述长丝自表面活性剂水溶液合成为自组 织、细直径、纵横比超过100的纳米纤维并提供低的电荷传导阻力。在包含 阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)的水溶液中的合成可适于通过改 变SDS的浓度和此外通过添加FeCl₃以产生聚合的结构来产生各种构型(一 种示例性的程序见述于Moon Gyu Han等人，Facile Synthesis of Poly(3， 4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT)Nanofibers from an Aqueous Surfactant  Solution，Small 2，No.10，1164-69(2006)中，其通过引用并入本文中)。其他 实例包括功能性催化剂和呈纳米复合材料形式的微导体，所述纳米复合材料 源自纤维素纳米纤维和半导体共轭聚合物，所述半导体共轭聚合物包括具有 季铵侧链的聚苯胺(PANI)和聚(对-苯乙炔)(PPE)衍生物。可将具有阴离 子表面电荷的纤维素、碳或陶瓷晶须与带正电荷的共轭聚合物组合以形成稳 定的分散体，这样的分散体可以自极性溶剂如甲酸溶液流延。

制剂包括接枝聚合物和有机金属醇盐、烷基金属的端基及乙酸的催化好 处和含COOH端基的聚合物催化剂的应用。除端基的混合物外，还可以选 择特殊官能和双官能端基来产生多功能特性，包括催化功能、活性稳定剂、 接枝剂和分散聚合的促进剂。类似地，碳或其他物质通过缺氧微生物所产生 的氢和/或酶的特殊活化将提供局部富氢的环境以增强或抑制甲烷的生成并 增强氢自各种有机物质的附加产生。

参见图1B-3B，任选地，向圆柱形部件8b、10b、11b、110b和/或114b 的外和内表面提供一个或多个补充的碳长丝的毡和/或织造筛网可能是有利 的。这样的补充毡和/或织造筛网可以与电极4b、8b、110b和/或114b和/或 分离器10b或11b一起相称地收集或分配电子并帮助锚定或优先安置颗粒、 长丝和/或其他结构，以减少压力损失或更均等地分配液体流和促进微生物在 所需能量转化运行中的功能。

在为提供氢和二氧化碳的净生产的补充性和竞争性反应及过程中，包括 多个过程步骤，这些过程步骤概括在方程式8中。

碳+2H₂O→CO₂+4H⁺+4个电子       方程式8

碳如方程式8中所概括的那样被消耗，包括可能以与来自缺氧消化池或 电解器或作为各种制造输出的结果的液体混合的组分或含碳物质供给的碳。 示例性地，碳可以包括来自为生产电极而进行的磨削、机加工、电火花机加 工(EDM)和各种热化学操作的废料、电极上的电极涂层(包括槽衬)、或 颗粒物、或长丝、或絮凝剂、或通过热解离和反应过程产生的选定碳化物， 包括因有机物质各种程度的脱氢产生的胶体或其他悬浮体。

这样的碳和/或供碳体原料可以由自所供给的液体接收二氧化碳和其他 养分的细菌、浮游植物或较大的藻类可再生地供给，或者通过使二氧化碳循 环到溶液培养和/或土壤支持的植物而可再生地供给。利用这类形式的具有高 表面/体积比的碳并向其中其为驱动所示反应和为向电极表面递送氢离子的 目的而递送的区提供电压梯度将是有利的，其中所述电极表面包括补充的导 电介质如长丝和导电过滤物质以便于氢气泡的产生、成核和释放，从而提高 制氢的总体速率。

增大活性表面的合适措施和/或絮凝剂包括具有有机组成部分例如细菌、 蛋白、单糖和复糖、纤维素、热解离的纤维素、活的和解离的浮游植物的那 些，以及各种形式的胶态碳、活性炭和碳化物。示例性地，浮游植物和/或较 大的藻类可以生长、干燥、与粘结剂如玉米糖浆混合、以热的方式脱氢至各 种程度并碾磨以提供细碎的絮凝剂。或者，可以碾磨活性炭原料以提供细碎 的颗粒物，这些颗粒物用作酶接收器或絮凝剂介质或者其可以与前面公开的 物质结合使用以增强所需的生产或酶的效率、支持所需微生物的孵育、或提 高氢或甲烷产量和/或如方程式8所示消耗碳以产生氢离子用于电解。

如果需要，偶尔使用盐水或向基于水的电解质中加入少量的盐可产生氯 而快速消毒或防止所示电解器系统的有害结垢。一些实施方案的采用，例如 图5B，将使得所产生的系统能够固有地无有害结垢，甚至当采用电解质如 废水、工业过程水、木灰水、海水、粉煤灰水、运河和沟渠水、或缺氧消化 池液体时。此外，如果需要，这样的系统可以通过电解质或清洗水从配件118b 向138b逆流移走可能已被递送到电极的颗粒物而得到快速清洗。

一些实施方案的应用包括大居群水处理操作到纳米尺寸的电解器，包括 对常规废弃物消化池的改进，含有机物质的溶液或“液体”从常规废弃物消 化池被供给以生产氢和/或甲烷和/或二氧化碳及其他植物养分。在此能力下， 一些实施方案可以提供缺氧消化池所产生的副产物的快速且高效转化并将 氢离子转化成氢，以及克服甲烷生产作业的酸降解。在运行中，来自缺氧消 化池的液体被用来产生氢和二氧化碳以使pH有利地恢复到7.0附近或者保 持在7.0附近，而不是可能妨碍甲烷生产系统的更酸性的条件下。这使得实 现总体能量转化效率的提高，因为其克服了对用来添加化学试剂以调节消化 池中的pH的昂贵措施的需要。在这样的中等和大型应用中，有利的是设计 和监造包括电子分配电路的多功能部件，所述多功能部件还可以提供颗粒如 碳、氮化硼、沸石、聚合物和包括这类物质的陶瓷在不同地活化的条件下的 所需保持力以增强性能。

在另一方面，电解器如本文中所公开的可应用以提供通常由缺氧消化所 产生的酸的快速转化，所述缺氧消化包括采用市政废水和垃圾以及来自屠宰 场、牛奶场、蛋鸡场和其他动物饲养中心等的废弃物的应用。如果缺氧条件 所产生的酸使得pH降到远低于7，则甲烷的生产将变慢或被抑制。如果有 机材料的进给速率超过产甲烷微生物群落的能力，则可能形成这样的酸。通 过从这样的酸提取氢，通过缺氧消化处理有机材料的速率可得到提高。甲烷 和氢的组合将提供远远更高的每吨废弃物的净能量生产，且废弃物将得到更 快的处理而增大该过程的能力。

一些实施方案的特别有用的实施方案是在这样的废弃物-能量转化应用 中：所述应用利用有机物质如污水以及在方程式1-6所概括的缺氧电消化过 程中水解了的垃圾、农场废弃物和森林废材来产生氢，而氧的产生极少或无 氧的产生。坚固的构造和再循环运行使得对溶解的固体能够有很高的耐受 性，所述固体包括用作电解质的缺氧过程液体中的有机固体和颗粒物。产生 氢而无和电解水而释放的那样相应地释放氧，将促进以废弃物为源的氢作为 电气设备如发电机中的冷却气体的更高效率和使用安全。

在本文中公开的一些实施方案的另一应用中，如图7B中所示电解器系 统900b提供了在调节器950b中通过酶、机械、热、声、电、压力和/或化学 作用和过程使生物质发生组织和/或细胞破裂以实现更快或更完全的孵育器 处理、消化和/或支持。含来自调节器950b的这类破裂细胞和由转化器902b 所产生的相关原料的流体通过底座910b的环形分配器922b循环到电解器 914b，如图所示。缺氧微生物由介质940b和942b支承并接收通过导管910b 自氢分离器904b再循环的液体和通过导管908b自二氧化碳分离器906b再 循环的液体，如图所示。电极918b和/或介质942b释放氢，而电极916b和/ 或介质940b释放二氧化碳。由源924b通过电路926b向电极916b和918b 提供电动势偏压，所述偏压可以为0.1到约3VDC，这取决于化合物解离需 要和临时的增大电压以克服所形成的绝缘膜的需要。氢通过沿或多或少圆锥 形的表面925b行进而被输送以收集和递送到分离器904b，圆锥形表面925b 可以是导电的表面，这取决于所需的串/并联变型，或者由绝缘器930b容留 和支承，如图所示。

在运行中，液体在分配器环面922b中混合并向上行进以提供过程反应 物和为微生物提供养分，所述微生物寄宿在活性炭布和/或颗粒940b和942b 和/或包住并基本上保持这类颗粒最接近电极916b和/或918b的导电毡中。 可加入较小的颗粒物和长丝以渗入整个电解器系统的位置，从而增强电荷传 导性、酶和催化功能，包括前面公开的那些。分离器902b可以是反渗透膜 或者阳离子或阴离子交换膜或者其可以按图2B、3B、4B或5B中所示的实 施方案构建，且在一些情况下，这样的分离器可以彼此结合地使用，为提供 各种液体循环通路和/或为在不同的压力下产生氢和二氧化碳或使氢和二氧 化碳之间具有压差时，可能需要这样。

类似地，如果电极916b与相邻的毡和/或介质940b一道用作电子源，则 可以得到许多循环选择，以自从在气体升力、对流的作用下或通过泵递送而 循环的液体递送的离子产生氢，如图所示。在此选择下，随着自从902b和 950b所递送或由微生物(寄宿在纤维或颗粒介质942b和由电极918b加电偏 压而与电极916b相反的相关毡材料中)所产生的酸产生氢离子，将释放二 氧化碳。如果电子由电极918b提供，则将产生另一示例性选择而产生氢， 所述氢由绝缘器930b收集以递送到气体收集器904b，如图所示。在这种情 况下，电极916b和与其电相关的介质为电子收集器，因为随着二氧化碳被 递送经过绝缘器930b至收集器906b，二氧化碳被释放而在所示流体回路中 提供抽吸，如图所示。

参见图7B，系统900b可用来将有机原料如通过光合作用所产生的那些 转化为甲烷、氢和/或二氧化碳和/或通过微生物。取决于所寄宿的微生物， 通常含酸如乙酸和丁酸以及化合物如尿素的液体在电解器914b中解离。电 解器914b在足够的电压下提供电流而自这类化合物和酸产生氢并可提供作 为消化池和电解器的运行，或者可以在缺氧消化池(未示出)内运行或者可 以利用914b中缺氧消化所产生的液体，如图所示。对于转化来自居群和/或 工业园的有机废弃物以向居群供给燃料和原料以制造碳增强的耐用品，这样 的运行特别有用。

参见图8B，在另一方面，供用于电解器中的一个或多个导电电极(包 括本文中所公开的那些)的布置示为包括平板(未示出)或如图所示同心电 极1002b、1003b、1004b或1005b，其可以电连接为电解器的单极或双极部 件。一些或所有这样的导电电极因高表面/体积比材料如隔开的石墨烯或其他 厚度的层(例如碳和/或BN“过滤器”)而提供广大的表面。这可用来寄宿 微生物(所述微生物分解包括挥发性脂肪酸在内的各种有机材料以释放电子 和质子，用于在阴极表面处产生氢)并可实施为与任何上述实施方案一起使 用。

在另一方面，微生物产生以分解挥发性脂肪酸和各种其他有机物的必需 酶被加到引入构成电极1002b、1004b、1006b、1008b的高表面/体积材料中 的活性炭或聚合物颗粒或长丝。或者，这里描述的任何微生物、酶或促进剂 可被引入到所述表面中。随着这样的酶或其他材料或促进剂被耗尽、降解或 破坏，可根据需要加入补充量的这类酶、材料或促进剂。该系统允许实现促 进剂的优化，包括允许微生物在分离的但提供这类酶在如图所示电解器的运 行中的利用的位置处茁壮成长。

在另一实施方案中，所述必需酶、微生物或促进剂人工地产生为复制品 或为不同地改变的“设计酶”，其被接枝到合适的天然聚合物如纤维素或木 质纤维素或被接枝到各种工厂生产的聚合物或化合物。

在寄宿微生物的活菌落、或自微生物的活菌落转移的酶、或工厂复制的 或不同地改变的设计酶的保持型酶系统中，需要使电解器中电解质的电阻最 小化。这将促进乙酸以及各种酸和其他将随氢在所需的高压下的产生而被消 耗的物质如尿素的例如方程式9中一般性地示出的过程，这同样可实施在本 文所公开的任何实施方案中。

CH3COOH+2H2O＝2CO2+4H2           方程式9

在另一方面，用于检测化学活性物质和识别这类物质或酶的存在、能力 和生命力以使得实现调节包括化学活性养分的量在内的运行条件及其他运 行条件的适应性系统从而优化保持型酶系统的运行的系统可与本实施方案 一起使用。同样，所述系统可以与本文中公开的任何实施方案一起实施。

在本文中公开的任何实施方案的其他实施方案或方面中，希望在足够的 压力下运行选定的微生物和/或保持的酶以增加溶解的或以其他方式保持在 溶液中的CO₂的量，从而提高电解质的传导性。这将以若干方式提高系统效 率和运行能力，这些方式包括：

1)高压下产生的氢可以被递送至紧凑、加压地储存而不招致运行多级 氢气压缩机的基建费用、维护或能量花费。

2)高压下产生的氢可以直接进入加压管道以传输向市场。

3)高压下产生的氢可以用来加压其他反应物以使得能够反应或加速反 应。示例性地，加压的氢可以被加到合适的反应器中的氮中以产生氨或其他 产物。

4)加压以防止电解器电极表面上的二氧化碳释放或使所述释放最小化 将大大简化电解器设计。

5)通过从经加压的电解器或合适的子系统在高压下收集氢和在另一位 置处或通过另一子系统在减压后收集二氧化碳实现了氢与二氧化碳生产的 分离。

参见图9B，其中示出了系统1100b，该系统1100b包括高压电解器1102b， 高压电解器1102b可以自合适的泵1114b接收经加压的电解质和/或在电解器 1102b内形成合适的电解质的前体流体。作为所示一个或多个电极例如 1002b、1004b、1006b、1008b等或1104b上的微生物和/或保持的酶以及施 加在所示塞1106b和1124b之间的电压的作用的结果，产生经加压的氢。高 压氢经由压力调节器1120b通过导管1122b被递送到合适的应用。

含二氧化碳的加压电解质流经液压马达-发电机1126b，通过利用流动的 电解质的动能和随着二氧化碳被递送到合适的二氧化碳用途如液体培养系 统或温室1130b以生长藻类、柳枝稷、野葛或各种其他作物1132b和/或1134b 时二氧化碳向环境压力的膨胀而产生功。已被耗尽二氧化碳的电解质由泵 1114b经由三通阀1112b再循环。

生物质，包括1130b中生长的材料，被磨细或以其他方式制成活性物质 的浆料，所述浆料由破碎的细胞材料组成，这些破碎的细胞材料是在处理器 1136b中通过合适的机械、声、化学、热或辐射处理而产生。这样的活性有 机原料被加到积贮器1108b，适宜地经过过滤器1110b并经过三通阀1112b， 到达泵1114b，以进入压力电解器1102b，如图所示。

系统1100b的运行由控制器1101b响应压力、温度和pH传感器1142b、 1144b、1146b以及化学活性剂传感器1140b和1150b而提供，如图所示。这 使得补偿物质能够通过端口1118b加入以提供保持的酶发挥最佳性能所需的 条件。

在另一实施方案中，合适的电极包括自圆形或其他横截面如正方形或矩 形或各种“星”形状的金属丝或扁平条带形成的系统以提供塑性地形成的织 造实施方案或如本文中所公开的螺旋形实施方案。然后将选择的材料如铁或 其他基于过渡金属的合金热处理至渗碳而在固体溶液中产生各种量的碳，所 述固体溶液包含饱和区，这些饱和区由附加的热处理进一步限定或生长以使 得这样的饱和区的生长特别靠近表面。随着供碳体如烃或一氧化碳在这样的 表面上分解，产生的碳区将加速另外的碳的沉积。方程式10和11示出了向 经热处理的基材提供量等于或大于供碳体的生成热的热的这类总过程：

CxHy+热àxC+0.5yH2         方程式10

CO+热àC+0.5O2             方程式11

在一些方面，希望继续碳沉积以产生以足够的深度(在初始饱和区结合) 有效覆盖整个电极的碳膜，以产生具有所需形状和表面/体积比的非常耐用的 复合材料。

在另一实施方案中，接近饱和条件的富碳区的初始制备和取向通过热或 冷加工实施方案以提供碳结晶结构充分一致的取向来改变，从而提供显著外 延地影响的相继碳沉积的沉积物。如此沉积的取向的碳例如主要暴露边缘的 或呈与初始表面更平行的石墨烯层的被竞争性地受试以提供所需微生物过 程的支持。这可实现针对各种类型的所需微生物过程选择“设计碳”。

参见图10B，在另一方面，公开了供用于本文中所公开的实施方案中的 碳/钢电极的制造。这些电极可包括经表面处理的碳以粘附于选择性酶、微生 物或其他促进剂以改善电解器的运行。为制造根据该实施方案的电极，使钢 或钢合金基材被碳所饱和。饱和的碳的晶粒通过例如感应热处理排列，以为 碳提供所需的晶粒取向，如阶段I中所示。也可采用其他已知的热处理方法。 在此步骤过程中，也可让电极经受液体冷却以防止电极损坏或提供其他好 处。

如阶段II中所示，然后通过已知的过程包括夹紧辊压而成形电极。成形 可以如所需的进一步排列、平整或改变取向的碳晶粒的方式实施。

如阶段III中所示，碳然后通过已知的碳沉积技术沉积在电极上，沉积 技术包括气相沉积，通过这，碳将在电极的表面上沉积或生长。在此步骤过 程中，碳可以进一步增强晶粒取向的方式沉积或者在电极上的选定位置处选 择性地沉积碳，这取决于电极的所需用途。例如，可以在一个位置处沉积一 种酶、微生物或促进剂，而另一种酶、微生物或促进剂可以被沉积在另一位 置处，以实现酶、微生物和促进剂的受控使用。此外，具有沉积的碳的电极 可通过感应加热或其他措施进一步处理以进一步排列或取向晶粒，这同样可 以包括液体冷却。此过程可反复直至获得所需的碳量和/或晶粒取向和/或晶 粒位置。

如阶段IV中所示，在完成表面处理后，然后使电极暴露于一种或多种 针对电极的特定应用而选择的酶、微生物或促进剂，例如提高电解过程中所 需化合物如氢的产量的酶。在任何上述步骤中，所述方法可靶向电极的特定 位置。此外，可以对不同的位置施加不同的处理条件，使得可以采用不同的 酶或者可以在不同的位置处实施不同的酶密度，这取决于电极的所需构造或 用途。这样，制造出的电极包括对特定酶、微生物或促进剂具有亲和性的碳 结构并将所述酶、微生物或促进剂结合到电极上所需位置处以永久地或基本 上保持所述酶于所需位置以供在电解或其他电极运行过程中使用。

虽然结合特定的实施方案和实施例描述了本发明，但本领域技术人员易 于理解，本发明可以有改变和修改而不偏离本发明的精神和范围。因此，本 发明的范围仅由附随的权利要求书限定。