本発明の一実施形態において、第１の再生可能エネルギー源であり、間欠的であるか又は十分な量のエネルギーを提供しない第１の再生可能エネルギー源を提供すること、電気分解を通じてエネルギーキャリアを生産するために第１の再生可能エネルギー源から電解槽にエネルギーを提供すること、燃料電池として用いるために電解槽を選択可能に逆転させること、及びエネルギーの生産のために電解槽にエネルギーキャリアを提供することを含む、再生可能エネルギー源を用いてエネルギー供給を提供するための方法が提供される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、２０１０年２月１３日に出願されたＦＵＬＬ ＳＰＥＣＴＲＵＭ ＥＮＥＲＧＹ ＡＮＤ ＲＥＳＯＵＲＣＥ ＩＮＤＥＰＥＮＤＥＮＣＥと題する米国特許仮出願第６１／３０４，４０３号、２０１０年２月１７日に出願されたＥＬＥＣＴＲＯＬＹＴＩＣ ＣＥＬＬ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＵＳＥ ＴＨＥＲＥＯＦと題する米国特許出願第１２／７０７，６５１号、２０１０年２月１７日に出願されたＥＬＥＣＴＲＯＬＹＴＩＣ ＣＥＬＬ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＵＳＥ ＴＨＥＲＥＯＦと題するＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳ１０／２４４９７号、２０１０年２月１７日に出願されたＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＮＵＣＬＥＡＴＩＯＮ ＤＵＲＩＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＬＹＳＩＳと題する米国特許出願第１２／７０７，６５３号、２０１０年２月１７日に出願されたＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＮＵＣＬＥＡＴＩＯＮ ＤＵＲＩＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＬＹＳＩＳと題するＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳ１０／２４４９８号、２０１０年２月１７日に出願されたＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＧＡＳ ＣＡＰＴＵＲＥ ＤＵＲＩＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＬＹＳＩＳと題する米国特許出願第１２／７０７，６５６号、２０１０年２月１７日に出願されたＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＮＵＣＬＥＡＴＩＯＮ ＤＵＲＩＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＬＹＳＩＳと題するＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳ１０／２４４９９号、及び２００９年８月２７日に出願されたＥＬＥＣＴＲＯＬＹＺＥＲ ＡＮＤ ＥＮＥＲＧＹ ＩＮＤＥＰＥＮＤＥＮＣＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳと題する米国特許仮出願第６１／２３７，４７６号に基づく優先権及びその利益を主張するものである。これらの出願は、参照によりその全体が組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
電気を生産するための再生可能資源は、しばしば間欠的である。太陽エネルギーは日中の事象であり、日中太陽エネルギー濃度ポテンシャルは季節によって変化する。風力エネルギーは非常に変化しやすい。落水は季節によって変化し、長期にわたった干ばつ（ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｄｒａｕｇｈｔ）の影響を受けやすい。バイオマスは、季節で変化し、長期にわたった干ばつの影響を受けやすい。住居は、１日の需要、季節的需要、及び時折のエネルギー消費率を含む大きく変化する需要を有する。必要とされるまでエネルギー又は電気を蓄える実用的な方法が欠如しているために、世界中で、水力発電所、風力発電基地、バイオマス変換、及び太陽集熱器によって送達できるかもしれないエネルギーがほうっておかれ又は無駄にされる。増大する世界人口によるエネルギーに対する需要は、生産できるよりも多くの石油及び他の化石資源を要求する点にまで増大した。都市部は、化石燃料の燃焼によって引き起こされるスモッグ及び地球の気象の変化に悩まされる。
【０００３】
また、バイオ廃棄物由来の水、バイオマス廃棄物、又は有機酸のような供給原料の熱化学又は電気解離によって提供することができる水素、酸素、炭素、及び他の生成物に対する急増する需要が生じた。例えば、アンモニア生産、精製所、化学品製造及び食品加工を含む水素の世界市場は、４００億ドルを超える。
【０００４】
燃料、金属、非金属、及び他の価値ある化学品の電気化学生産は、高価な電気、低い電解槽効率、高いメンテナンス費用、並びに所望の伝送、貯蔵、及び適用圧力への生産されるガスの圧縮ポンピングのようなエネルギー集約型作動に対する面倒な要件によって制限されている。これらの問題を減らす技術を提供する試みは、「Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｆｒｏｍ Ｗａｔｅｒ Ｂｙ Ｍｅａｎｓ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｙｃｌｅｓ」、Ｇｌａｎｄｔ，Ｅｄｕａｒｄｏ Ｄ．、及びＭｙｅｒｓ，Ａｌｌａｎ Ｌ．、Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ、Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ， ＰＡ１９１７４； Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ、Ｖｏｌ．１５、Ｎｏ．１、１９７６； 「Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ａｓ Ａ Ｆｕｔｕｒｅ Ｆｕｅｌ」、Ｇｒｅｇｏｒｙ， Ｄ．Ｐ．、Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇａｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；及び「Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」、Ｓｅｃｏｎｄ Ｐａｃｉｆｉｃ Ｂａｓｉｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙのプロシーディング、Ｂｒｉｓｂａｎｅ， Ａｕｓｔｒａｌｉａ、 Ｍａｙ２０００年５月１４〜１８日、Ｄ．Ｄｏ Ｄｕｏｎｇ、Ｄｕｏｎｇ Ｄ．Ｄｏ、寄稿者（Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｏｒ） Ｄｕｏｎｇ Ｄ．Ｄｏ、Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ出版、２０００年；ＩＳＢＮ９８１０２４２６３８、９７８９８１０２４２６３３のような刊行物に記され、本明細書に組み込まれる。
【０００５】
水素を酸素と混合できる電解槽は、自然発火又は爆発の潜在的な危険をはらんでいる。ガス生産電極の高価な半透過性膜分離を使用する低圧及び高圧電解槽を含む試みは、費用効果のある水素の生産を提供するのに失敗し、不純物による被毒に起因して劣化及び故障する傾向がある。膜分離が使用される場合であっても、高圧の酸素と水素の混合に起因する膜の破れ及び発火又は爆発の潜在的な危険性がある。
【０００６】
幾つかの市販の電解槽は、水素イオンのみを伝導するプロトン交換膜（ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）（ＰＥＭ）が間にある、高価な多孔質電極を用いる（カナダのプロトンエネルギー会社及び電解槽会社（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｍｐａｎｙ ａｎｄ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｃａｎａｄａ）参照）。これは、分極の損失、ガスの蓄積、及び電極とＰＥＭ電解質との界面に到達することができる水の解離のために利用可能な電極領域の減少により、電極効率を制限する。限られた電極効率に伴うのは、酸素出口と水素出口との間の圧力差に起因する膜の破れ、補給水中の不純物に起因する膜の被毒、汚染物質又は膜のわずかな過熱に起因する不可逆的な膜の劣化、使われていない間に膜が乾ききる場合の膜の劣化又は破れ、並びに濃淡電池形成、触媒とバルク電極材料との間のガルバニ電池、及びグラウンドループのような１つ又は複数の誘因による侵食に起因する膜界面での電極の劣化を含む他の難しい問題である。電極とＰＥＭ 材料とを層状にすることで、反応の反応物又は生成物の組み込まれた停滞（ｂｕｉｌｔ ｉｎ ｓｔａｇｎａｔｉｏｎ）が提供されて、非効率的な作動が引き起こされる。ＰＥＭ 電気化学電池は、高価な膜材料、界面活性剤、及び触媒を必要とする。ＰＥＭ電池は、容易に被毒され、過熱され、溢れ出る又は乾ききり、且つ膜の漏れ又は破れに起因する作動上の危険を課す。
【０００７】
能率の悪さに加えて、こうしたシステムに伴う問題は、寄生損失、高価な電極又は触媒及び膜、低いエネルギー変換効率、高価なメンテナンス、及び高い操業費用を含む。水素と酸素及び電気分解の他の生成物を加圧するために、圧縮機又はより高価な膜システムが状況により必要とされる。最後に述べた問題の帰結は、容認できないメンテナンス要件、高い修理費、及び多大な廃棄費用である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の幾つかの実施形態の目的は、再生可能エネルギーの統合フルスペクトル生産を通じた持続可能な経済開発のためのシステム及び方法を提供することであり、これは、作動の不純物及び生成物を許容し、且つ上記に記載の現在の方法に伴う問題のうちの１つ又は複数に対処するために可逆的である、加圧された水素及び酸素を含む、ガスの分離された生産のための、電気化学セル又は電解セルの使用と、その使用方法を含むことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態において、第１の再生可能エネルギー源であり、間欠的であるか又は十分な量のエネルギーを提供しない第１の再生可能エネルギー源を提供するステップと、電気分解を通じてエネルギーキャリアを生産するために第１の再生可能エネルギー源から電解槽にエネルギーを提供するステップと、燃料電池として用いるために電解槽を選択可能に逆転させるステップと、及びエネルギーの生産のために電解槽にエネルギーキャリアを提供するステップとを含む、再生可能エネルギー源を用いてエネルギー供給を提供するための方法が提供される。
【００１０】
別の実施形態において、第１の再生可能エネルギー源と、エネルギーキャリアを生産するために第１の再生可能エネルギー源に結合される電解槽であり、燃料としてエネルギーキャリアを用いる燃料電池として作動を選択可能に逆転できるように構成される電解槽と、電解槽からエネルギーキャリアを受け取る又は電解槽にエネルギーキャリアを提供するために電解槽に結合されるエネルギーキャリア貯蔵部と、第１の再生可能エネルギー源及び電解槽からエネルギーを選択的に受け取るため及び第１の再生可能エネルギー源及び電解槽からエネルギーを選択的に提供するために第１の再生可能エネルギー源及び電解槽に結合されるエネルギー貯蔵部とを備える、再生可能エネルギー資源を用いて実質的に連続したエネルギー供給を提供するためのシステムが提供される。
【００１１】
また別の実施形態において、第１の再生可能エネルギー源と、メタンを生産するために第１の再生可能エネルギー源に結合される電解槽であり、燃料電池として作動を選択可能に逆転できるように構成される電解槽と、電解槽からメタンを受け取る又は電解槽にメタンを提供するために電解槽に結合されるメタン貯蔵部と、第１の再生可能エネルギー源及び電解槽からエネルギーを選択的に受け取るため及び第１の再生可能エネルギー源及び電解槽からエネルギーを選択的に提供するために第１の再生可能エネルギー源及び電解槽に結合されるエネルギー貯蔵部と、を備える再生可能エネルギー資源を用いて実質的に連続したエネルギー供給を提供するためのシステムが提供される。
【００１２】
本発明の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。しかしながら、詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、本発明の精神及び範囲内の種々の変化及び修正がこの詳細な説明から当業者には明らかとなるであろうことから、単に例証のためだけに与えられることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】本開示の態様に係る統合エネルギー、農業関連産業、及び工業の持続可能な経済開発のシステムを例証するブロック図である。
【図１Ｂ】本開示の態様に係る持続可能な経済開発の統合生産のシステムを例証するブロック図である。
【図１Ｃ】本開示の態様に係る持続可能な経済開発の統合生産の陸上ベースのシステムを概略的に例証する図である。
【図１Ｄ】本開示の態様に係る持続可能な経済開発の統合生産の海洋ベースのシステムを例証する概略図である。
【図１】本発明の原理に従って作動されるシステムの或る構成要素の略図である。
【図２】本発明に従って作動される実施形態のシステム構成要素の部分縦断面図である。
【図３】本発明に従って作動される実施形態のシステム構成要素の部分縦断面図である。
【図４】本発明の原理に従って作動されるシステムの統合構成要素の略図である。
【図５】図４のシステムの実施形態の断面図を示す。
【図６】図４のシステムの別の実施形態の断面図を示す。
【図７】本発明の原理に従って作動される実施形態の略図を示す。
【図８】図７の実施形態の詳細を示す図である。
【図９】本発明に係る目的を達成するプロセスの詳細を示す図である。
【図１０】本発明に係るプロセス作動を例証する図である。
【図１１】本発明の目的に係るプロセスを示す図である。
【図１２】本発明の実施形態を概略的に例証する図である。
【図１ｂ】本発明の実施形態に係る電解槽を示す図である。
【図２ｂ】図１の実施形態の一部の拡大図を示す。
【図３ｂ】図２の実施形態のバリエーションを示す図である。
【図４ｂ】本発明の実施形態に係る電解槽を示す図である。
【図５ｂ】図４の電解槽の一部に対する代替的な実施形態の拡大図である。
【図６ｂ】可逆燃料電池で用いられる螺旋電極の断面を示す。
【図７ｂ】光合成によって生産される原料のような有機供給原料をメタン、水素、及び又は二酸化炭素に変換するためのシステムを示す。
【図８ｂ】光合成によって生産される原料のような有機供給原料をメタン、水素、及び又は二酸化炭素に変換するためのシステムを示す。
【図９ｂ】光合成によって生産される原料のような有機供給原料をメタン、水素、及び又は二酸化炭素に変換するためのシステムを示す。
【図１０ｂ】本開示の実施形態に係る電極を製造するための方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本出願は、２００４年１１月９日に出願されたＭＵＬＴＩＦＵＥＬ ＳＴＯＲＡＧＥ， ＭＥＴＥＲＩＮＧ ＡＮＤ ＩＧＮＩＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ（代理人整理番号６９５４５−８０１３ＵＳ）と題する米国特許仮出願第６０／６２６，０２１及び２００９年２月１７日に出願されたＦＵＬＬ ＳＰＥＣＴＲＵＭ ＥＮＥＲＧＹ（代理人整理番号６９５４５−８００１ＵＳ）と題する米国特許仮出願第６１／１５３，２５３の主題のそのすべてを参照により組み込む。本出願はまた、以下の米国特許出願、すなわち、２０１０年８月１６日に本出願と同時に出願されたＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳＥＳ ＦＯＲ ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ ＯＦ ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ ＯＦ ＦＬＵＩＤ ＣＯＮＶＥＹＡＮＣＥ ＳＹＳＴＥＭＳ（代理人整理番号６９５４５−８００３ＵＳ）、ＣＯＭＰＲＥＨＥＮＳＩＶＥ ＣＯＳＴ ＭＯＤＥＬＩＮＧ ＯＦ ＡＵＴＯＧＥＮＯＵＳ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＰＲＯＣＥＳＳＥＳ ＦＯＲ ＴＨＥ ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ ＯＦ ＥＮＥＲＧＹ， ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ ＡＮＤ ＮＵＴＲＩＥＮＴ ＲＥＧＩＭＥＳ（代理人整理番号６９５４５−８０２５ＵＳ）、ＥＬＥＣＴＲＯＬＹＴＩＣ ＣＥＬＬ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＵＳＥ ＴＨＥＲＥＯＦ（代理人整理番号６９５４５−８０２６ＵＳ）、ＳＵＳＴＡＩＮＡＢＬＥ ＥＣＯＮＯＭＩＣ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ＴＨＲＯＵＧＨ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ ＯＦ ＲＥＮＥＷＡＢＬＥ ＥＮＥＲＧＹ， ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ， ＡＮＤ ＮＵＴＲＩＥＮＴ ＲＥＧＩＭＥＳ（代理人整理番号６９５４５−８０４０ＵＳ）、ＳＵＳＴＡＩＮＡＢＬＥ ＥＣＯＮＯＭＩＣ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ＴＨＲＯＵＧＨ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＦＵＬＬ ＳＰＥＣＴＲＵＭ ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ ＯＦ ＲＥＮＥＷＡＢＬＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ（代理人整理番号６９５４５−８０４２ＵＳ）、ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＩＮＣＲＥＡＳＩＮＧ ＴＨＥ ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ ＯＦ ＳＵＰＰＬＥＭＥＮＴＥＤ ＯＣＥＡＮ ＴＨＥＲＭＡＬ ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ （ＳＯＴＥＣ）（代理人整理番号６９５４５−８０４４ＵＳ）、ＧＡＳ ＨＹＤＲＡＴＥ ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＨＡＲＶＥＳＴＩＮＧ ＨＹＤＲＯＣＡＲＢＯＮ ＨＹＤＲＡＴＥ ＤＥＰＯＳＩＴＳ（代理人整理番号６９５４５−８０４５ＵＳ）、ＡＰＰＡＲＡＴＵＳＥＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＳＴＯＲＩＮＧ ＡＮＤ／ＯＲ ＦＩＬＴＥＲＩＮＧ Ａ ＳＵＢＳＴＡＮＣＥ（代理人整理番号６９５４５−８０４６ＵＳ）、ＥＮＥＲＧＹ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＤＷＥＬＬＩＮＧ ＳＵＰＰＯＲＴ（代理人整理番号６９５４５−８０４７ＵＳ）、ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ ＡＳＳＥＭＢＬＩＥＳ ＡＮＤ ＡＳＳＯＣＩＡＴＥＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＵＳＥ ＡＮＤ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥ（代理人整理番号６９５４５−８０４８ＵＳ）、及びＩＮＴＥＲＮＡＬＬＹ ＲＥＩＮＦＯＲＣＥＤ ＳＴＲＵＣＴＵＲＡＬ ＣＯＭＰＯＳＩＴＥＳ ＡＮＤ ＡＳＳＯＣＩＡＴＥＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ（６９５４５−８０４９ＵＳ）の各々の主題のそれらの全体を参照により本明細書に組み込む。
【００１５】
上記で挙げられた詳細並びに本発明に係る他の利点及び目的が得られる方法を十分に理解するために、本発明のより詳細な説明が、その具体的な実施形態を参照することによって与えられるであろう。
【００１６】
図１Ａは、再生可能エネルギーの生産及び材料資源の抽出のためのフルスペクトル・エネルギー・パーク２００と、再生可能な栄養分（Ｎｕｔｒｉｅｎｔ Ｒｅｇｉｍｅｓ）（ヒト、動物、及び植物の栄養）及びエネルギー供給原料（バイオマス、バイオ廃棄物、及びバイオ燃料）の生産のためのフルスペクトル農業関連産業ネットワーク３００と、持続可能な材料資源の生産とゼロエミッション製造のためのフルスペクトル工業パーク４００とを含む、３つの相互に関係付けられるシステムからなるフルスペクトル統合生産システム１００を示す。
【００１７】
図１Ａは、エネルギー、材料、及び情報をそれらのシステム間で交換できるようにする、システム２００、３００、及び４００の統合としてのシステム１００を示す。システム１００の統合、特にシステム２００内の方法は、有益な生産能力及び生産効率の増加を達成できる非常に大きい熱機関として効果的に機能するように熱的に結合されて熱力学的全体システムを形成する、複数の相互に関係付けられる熱機関の熱力学的特性を使用する。システム１００内で、システム２００は、特に、太陽熱、地熱、海洋熱、及びエンジン熱源間での相乗的なリンクを達成することを担い（ｄｅｄｉｃａｔｅｄ）、特定のサイト位置の利用可能な再生可能エネルギーの総出力を増加させ、且つエネルギーと抽出された材料資源をシステム３００及び４００に提供するようにする。
【００１８】
フルスペクトル・エネルギー・パーク２００は、単一の大きい熱機関として効果的に機能するために熱的に結合され、そのシステムとサブシステムは、２段階以上の段階で加熱される作動流体を用いてエネルギー・カスケードを確立するために相互に関係付けられる。システム２００の利用可能な再生可能エネルギーの総出力は、作動流体の熱力学的特性（温度、圧力、純度、位相シフト、及びエネルギー変換効率など）を最適化するカスケード効果を達成するために、作動流体を太陽、地質、エンジン、及び他の熱源の間で系統立てて動かすことによって増加される。１つの段階のエネルギー出力は、作動の増加した効率及び経済性を伴って再生的又は自発的様式で作動するように別の段階の重要なプロセスにおいて再使用（ｒｅ−ｉｎｖｅｓｔｅｄ）される。
【００１９】
フルスペクトル・エネルギー・パーク２００の機能は、再生エネルギー源の任意の１つの単独での収穫、変換、及び貯蔵によって達成することができない集合する及び相乗的な恩恵をもたらすためにシステム間の自発的又は再生的なエネルギー・カスケードを確立するように、太陽、風、流水、地熱、バイオマス、及び内燃機関のような再生可能エネルギー源間での運動エネルギー、熱エネルギー、及び放射エネルギー形態の収穫、変換、及び貯蔵を含む。自発的又は再生的なエネルギー方法がシステム２００、３００、及び４００で実施される。さらに、システム２００は、システム３００及び４００で用いられる多数の化学（ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）の材料資源の抽出に向けられる。例えば、システム４００でのその後の耐久性のある物品の製造生産のための原材料として炭素を抽出する（抽出は、システム２００、３００、及び４００で行うことができる）手段として熱化学再生が用いられる。別の例において、熱化学再生はまた、システム３００で用いられる植物肥料のその後の製造生産のための窒素及び微量ミネラルを抽出する手段として用いることができる。さらに、システム２００は、バイオ廃棄物、バイオマス、及びバイオ燃料の変換、典型的には、電力発電及び／又は輸送のための内燃機関及び／又は燃料電池用の燃料としてシステム２００、３００、及び４００での要望に応じたバイオメタンガス及び／又は水素ガスの貯蔵、輸送、及び使用を達成することに向けられる。
【００２０】
太陽熱、地熱、海洋熱、及びエンジン熱源の取り扱いは、種々の気候地域の場所でのシステム１００の据え付け、及び陸上ベースと海洋ベースとの両方での据え付けのための非常に適応的な統合プラットフォームを提供する。増加した場所適応性のための工学技術は、これにより、再生可能エネルギーの収穫の全体的な利用可能性を大いに増加させ、したがって、地方経済、地区経済、国家経済、及び世界経済のための経済的に実行可能な解決策を提供する。
【００２１】
システム３００での食物生産は、陸上サイトと海洋サイトとの両方に据え付けることができる。収穫物農場、畜産場、牧場、豚及び鶏の工業生産設備、淡水漁業、大洋漁業、酪農場などは、システム２００で生産されるエネルギーの消費者としてシステム２００にリンクすることができるが、転じて廃棄副産物を生じ、これは再生可能エネルギーと再生可能な材料資源に変換するためのシステム２００に方向転換（ｄｉｖｅｒｔｅｄ）される。さらに、システム３００は、光合成ベースのエネルギー収穫の実行可能性を増加させるために、藻類、スイッチグラス、及び他の収穫物のようなこうしたバイオ燃料収穫物のためのエネルギー供給原料の生産の増加に向けられる。生産システム２００、３００、及び４００の各々において水の生産、精製、及び保存のための方法及び装置が用いられる。しかしながら、食物生産における大量の水に対する要件を満たし、且つ従来の食物生産慣行による廃棄物及び水の汚れに起因する持続不可能性（ｕｎｓｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ）の記述された問題を克服するために、これらはシステム３００の重要な構成要素である。
【００２２】
システム統合は、天然資源の枯渇を回避し、且つ汚染及び生産の副産物としての有毒なエミッションのような破壊的な環境への影響を低減し又は無くすために、再生可能な方法を用いるエネルギー、材料資源、及び栄養分の生産の増加として定義される「持続可能性」のための能力を増加させる。持続可能性は、現在の消費者の当面の短期の恩恵だけでなく将来の発電の長期の安寧（ｗｅｌｌｂｅｉｎｇ）のために実行可能な、エネルギー、材料、及び食品の生産方法を必要とする。
【００２３】
システム統合は、様々な気候地域への大いに改善された適応性（すなわち、温帯気候、熱帯気候、及び寒帯気候の多様な資源特徴に順応することにより、再生可能エネルギーを適応して収穫すること）によって多くの集合的な据え付けサイトを再現し、且つ利用可能なサイト位置の数を増加させる能力によって達成される、エネルギー、材料、及び食品の生産の顕著な増加として定義される「経済的なスケーラビリティ」のための生産能力の増加を可能にする。こうした経済的なスケーラビリティは、人口増加と、途上国の迅速に増加するエネルギー要件を支えるために、地球の持っている能力を増加させることを必要とする。使用の成功のために、こうした生産方法及び場所は、直ちに使用可能でなければならず、従来の化石燃料源及び／又は核エネルギー源を用いることと比べた場合のエネルギー、材料、及び食物生産の現在の生産手段への経済的に実行可能な代替法を提示しなければならない。
【００２４】
システム統合は、ゼロ−エミッション及びゼロ−廃棄物のエネルギー生産２００、材料生産４００、及び食物生産３００方法をさらに可能にし、そうでなければ焼却される、埋立地に埋め立てられる、又は帯水層、河川、海洋に投棄される、若しくは汚染物質として大気中に放出されるであろうシステム３００において生じる有機廃棄物が、代わりにシステム２００で見られるようにバイオマス、バイオ廃棄物、及びバイオ燃料変換システムに系統立てて引き込まれ、システム２００におけるエネルギーと材料資源の抽出が、耐久性のある物品の生産のためのシステム４００に渡され、システム２００におけるエネルギーと材料資源の抽出はまた、ヒト、陸上及び海洋の動物、及び植物のための栄養分の生産のためのシステム３００に渡される。
【００２５】
システム統合は、これらの相互に依存する全体として機能するような状態でエネルギー生産を食物生産及び材料資源生産と意図的にリンクする単一の経済的な生産ユニットを確立する。
【００２６】
フルスペクトル統合生産システムは、したがって、現存の比較できる再生可能エネルギーのインフラストラクチャがない場所又は共同体、又は製造能力が不十分であり且つ失業が当たり前である場所、若しくは食物生産が不十分であり且つ貧困と栄養失調が当たり前である場所における据え付けに適している。この統一された経済的生産方法を導入する目的は、ＧＤＰに付随する増加した生活の質を伴う国内総生産（ＧＤＰ）の増加と、有意義な雇用に付随する改善された生活の質を伴う系統的な雇用創出を可能にすることである。
【００２７】
そのうえ、システム統合は、それらが相互に依存する全体として機能して汚染及び環境の劣化につながる焼却、埋立て、及び投棄の従来の廃棄物慣行に割り込むように廃棄物管理をエネルギー変換慣行と意図的にリンクする単一の経済的な生産ユニットを確立する。
【００２８】
フルスペクトル統合生産システムは、システム全体にわたる統合慣行としての持続可能な廃棄物からエネルギーへの変換の使用を導入する。この統合システムの目的は、自然環境を保護し、有限の天然資源を保全し、伝染病を減らし、陸、水、及び空気の汚染を減らすこと（メタン及びＣＯ２のような気候変動を引き起こす温室効果ガスの減少を含む）である。
【００２９】
フルスペクトル統合生産システム１００は、自然生態系を模擬するヒト−システム生産環境における「産業エコロジー」を達成する手段を提供し、この場合、システムと廃棄物との間のエネルギーと材料の流れは、閉ループの様式での新しいプロセスに対する入力となり、それでもなおシステム全体は、太陽（太陽熱）、地球（地熱）、海洋（海洋熱）、及びバイオマス変換（エンジン熱）システムによって提供される再生可能な持続可能なエネルギーに対して開かれている。
【００３０】
図１Ｂは、栄養分（例えば、ヒト、動物、又は植物の栄養のための生成物）の生産及び材料資源（例えば、水素及び炭素）の生産と同時にエネルギー（例えば、電気及び燃料）の生産を含む、持続可能な経済開発のフルスペクトル統合生産システム１００を例証するブロック図である。システム１００は、各サブシステムの幾らかの又はすべてのエネルギー、物質、及び／又は副産物を取り込み及び再使用する自発的にカスケードするエネルギー変換の適応制御を伴う統合された及び相互に依存するサブシステムからなる。したがって、システム１００の継続的な作動は、外部エネルギー又は材料資源の最小限の導入で又は導入なしに持続される。システム１００は、とりわけ、従来の技術を用いて達成可能であるよりも多くのエネルギー、食品、及び材料資源の生産である、再生可能エネルギー、食品の生産、及び材料資源の生産の利用のような、持続可能な経済開発を容易にする産業エコロジーの例である。
【００３１】
フルスペクトル・エネルギー・パーク２００は、再生可能なソース２１０（例えば、太陽、風、流水、地熱、排熱）からエネルギーを取り込む方法を、再生可能な供給原料２２０（例えば、バイオ廃棄物３２０、バイオマス３１０）からエネルギーを生産する方法及び材料資源（例えば、水素２３０、炭素２４０、他の材料資源、例えば微量ミネラル２５０、純水２６０）を生産する方法と協働させる。エネルギーは、エネルギーの生産における乗数効果を生じる自発的にカスケードするエネルギー変換の適応制御方法を用いて、貯蔵され、取り出され、及び輸送される。エネルギー収穫及び生産プロセス中に、材料資源（例えば、水素及び炭素）は、再生可能エネルギーの生産に用いられるバイオ廃棄物及びバイオマス供給原料から抽出される。フルスペクトル・エネルギー・パーク２００は、エネルギー、材料資源、及び栄養分の生産における効率の改善を達成するために、前記エネルギー及び前記資源を貯蔵し、取り出し、輸送し、監視し、及び制御する。
【００３２】
生産されるエネルギー２１０、２２０のうちの幾らかは、フルスペクトル農業関連産業ネットワーク３００に提供される。生産されるエネルギー２１０、２２０のうちの幾らかは、フルスペクトル工業パーク４００に提供される。生産されるエネルギー２１０、２２０のうちの幾らかは、フルスペクトル・エネルギー・パーク２００において再使用される。生産されるエネルギー２０１、２２０のうちの幾らかは、外部受容者に提供され、及び／又は米国送電網及び／又は米国ガスパイプラインに加えられる。
【００３３】
フルスペクトル農業関連産業ネットワーク３００は、フルスペクトル・エネルギー・パーク２００によって生産される再生可能エネルギーを受け入れて、農業、家畜業、及び漁業サブシステムの機能に動力を与える。これは、農機具、車両、ボート、及び船のための再生可能な燃料、と、照明設備、熱設備、機械設備などのための電気とを含む。
【００３４】
フルスペクトル農業関連産業ネットワーク３００は、フルスペクトル・エネルギー・パーク２００によって生産される他の材料資源（例えば、微量ミネラル２５０）及び純水２６０のような材料資源及び副産物を受け入れて、農業、家畜業、及び漁業サブシステムにおける栄養分を富化し、且つ植物収穫物３４０及び動物収穫物３５０の生産における増加した効率を生じる。
【００３５】
フルスペクトル農業関連産業ネットワーク３００は、エネルギー供給原料を収穫し、且つこれを再生可能エネルギーの生産に用いるためにフルスペクトル・エネルギー・パーク２００に供給する。適切な供給原料は、バイオマス３１０（例えば、刈り取った収穫物（ｃｒｏｐ ｓｌａｓｈ））、バイオ廃棄物３２０（例えば、汚水、農業廃水、食肉加工廃棄物、漁場からの廃水）、バイオ燃料ストック３３０（例えば、藻類、スイッチグラス）などを含む。
【００３６】
フルスペクトル工業パーク４００は、フルスペクトル・エネルギー・パーク２００によって生産される再生可能エネルギーを再利用（ｒｕｓｅｓ）して、持続可能な材料資源の生産及びゼロ−エミッション製造の機能に動力を与える。これは、内燃機関（例えば、定置機関、車両）のための再生可能な燃料と、照明設備、熱設備、機械設備などのための電気とを含む。
【００３７】
フルスペクトル工業パーク４００は、フルスペクトル・エネルギー・パーク２００から受け入れた材料資源２３０、２４０及び副産物２５０を使って、付加的な材料資源（例えば、デザイナーカーボン（ｄｅｓｉｇｎｅｒ ｃａｒｂｏｎ）４２０、及び工業用ダイヤモンド４３０）を生産する。
【００３８】
フルスペクトル工業パーク４００は、フルスペクトル・エネルギー・パーク２００から受け入れた材料資源及び副産物を用いて、太陽熱デバイス４１０、風力タービン４１０、水力タービン４１０、電解槽４１０、内燃機関及び発電機４１０、自動車、船、及びトラックの部品４４０、半導体４５０、ナノテクノロジー４６０、農機具及び漁具４７０などを含む、炭素ベースのグリーンエネルギーマシン４１０のような製品を製造する。
【００３９】
フルスペクトル工業パーク４００は、これらの製品及び副産物のうちの幾つか又はすべてをフルスペクトル・エネルギー・パーク２００及びフルスペクトル農業関連産業ネットワーク３００に提供する。
【００４０】
フルスペクトル・エネルギー・パーク２００は、フルスペクトル工業パーク４００によって生産され及び提供される太陽熱デバイス４１０、風力タービン４１０、水力タービン４１０、電解槽４１０、内燃機関及び発電機４１０などを用いて、再生可能エネルギーを生産する。
【００４１】
フルスペクトル農業関連産業ネットワーク３００は、フルスペクトル工業パーク４００によって生産され及び提供される内燃機関及び発電機４１０、農機具及び漁具４７０、並びに他のデバイスを用いて栄養分を生産する。
【００４２】
フルスペクトル統合生産システム１００によって生産されるエネルギーは、再生可能エネルギーのさらなる生産を駆動するためにエネルギーの再使用を含むすべてのサブシステムに対する動力を提供する。同時に、システム１００内で生産される幾つかの又はすべての生成物及び副産物は、すべてのサブシステムの機能で使われる。同時に、システム１００によって生産される廃棄物は、すべてのサブシステムの機能のための供給原料として取り込まれ及び用いられる。統合された及び相互に依存するサブシステムは、自発的にカスケードするエネルギー変換及び材料資源の自発的な再生を管理するために適応制御を用いる。したがって、システムは、再生可能エネルギー、持続可能な材料資源、及び他の副産物をサブシステム（エネルギー・パーク、農業関連産業ネットワーク、工業パーク）の異なるソース及びプロセスに絶えず再使用する。このように、システム１００は、システム内の種々の資源から、従来の手段で達成可能であるよりも大量の供給されるエネルギー及び資源を利用する。この工業共生は、とりわけ、システム内の再生可能な供給原料及び副産物源から収穫された種々の資源及びエネルギーの量に対して乗数効果を生じ、価値を付加し、費用を低下させ、及び環境を改善する。
【００４３】
図１Ｃは、陸上ベースのシステムに対する種々の例示的な機能性ゾーンを示すフルスペクトル統合生産システム１００の略図であり、図１Ｄは、海洋ベースのシステムに対する種々の例示的な機能性ゾーンを示すフルスペクトル統合生産システム１００の略図である。示されるシステムは、カスケードするエネルギー変換並びに材料資源の自発的な再生及び栄養分の生産の適応制御を伴う陸又は海洋上の統合生産システムを含む。システムは、エネルギー、材料資源、及び栄養分の生産における効率の改善を達成するために、再生可能なソースからエネルギーを収穫し及び／又は発生させ、且つエネルギー及び材料資源を貯蔵し、取り出し、輸送し、監視し、及び制御する再生可能な供給原料から材料資源を収穫する目的で、機能性ゾーンを含む。以下の表１は、例証となる機能性ゾーンと関連付けられる例示的な出力、システム、及び手段に対して展開する。
【００４４】
【表１】

【００４５】


【００４６】

【００４７】

【００４８】
図１は、図示のように適切なガス−膨張モータ又はエンジン４が電気発電機５のような負荷を駆動する、システム２を示す。膨張装置４を出る蒸気及び／又はガスは、膨張装置４によって仕事に変換されなかった熱の送達のために導管６によって熱交換器８に運ばれる。熱交換器８は、図２の実施形態７２の作動、衣類の乾燥、住居の水の加熱及び空間の加熱、歩道及び車道上の氷の融解、熱、乾燥、硬化、及び／又は脱湿を必要とする種々の工業用途、並びに水加熱及び熱により駆動される冷凍のような商業用途、及び／又は大気中の空気、蒸発により冷却される大気中の空気、小川、湖、又は海水への排熱に必要とされる場合がある追加熱（ｈｅａｔ ａｄｄｉｔｉｏｎ）に関する嫌気性消化のような用途に熱を送達するのに適した１つ又は複数のサブシステムのうちの代表的且つ典型的なものである。
【００４９】
（８）で代表される１つ又は複数の熱交換部によって十分な熱が除去されると、作動流体は、一体の電気発電機を伴う用途における形成物シール１２よりも下の場所のようなより低い高さにある流体モータ１４を推進するために、導管１０による送達のための流体カラム（ｆｌｕｉｄ ｃｏｌｕｍｎ）又は「ヘッド」を発生させる凝縮物として調整される。導管１０の中の液体圧力ヘッドが確立された後で、流体モータ１４は、カラム１０の中の流体のポテンシャルエネルギーを軸動力に変換する。モータ１４に送達された流体が、地熱形成物（ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）のような適切なソースからの熱を受け取る場合には、作動流体は、モータ１４を推進する際に、気化され又は過熱される可能性がある。このエネルギー変換ステップの後で、モータ１４から出る液体及び／又は蒸気の作動流体は、次いで、移動経路１６によって概して示されるように、再加熱のための地熱形成物のさらなる範囲に送達される。或る形成物においては、加熱された流体を断熱導管２０によって表面２２に戻すための１８での収集井の方への又はこれへの１つ又は複数の水平ボアを使用することが好ましい。適切な地熱形成物を伴う他の場合には、液体のダウンフローが起こる同じ井の中に加熱された作動流体の平行な（ｓｉｄｅ−ｂｙ−ｓｉｄｅ）又は同軸の流れを提供することが適切である。
【００５０】
表面に到達した後で、加熱された作動流体は、導管２３及び２５によって熱機関３２のような１つ又は複数の随意的な熱源又はソーラーヒータ３０のような別の熱源への弁３４及び２４に送られる。さらなる加熱を有益に達成できる時間の間、作動流体は、図示のように、弁３４又は２４を通して２８及び又は３６のような１つ又は複数の熱交換器に送られて、熱機関３２のようなより高い温度ソースからの又は適切なソーラートラップ又は集中器３０による追加熱を受け取る。これは、システム２が、形成物１６での一次地熱伝達の後で状況により利用可能な熱の伝熱のこうしたハイブリッド化された増加の結果として、より高い年間エネルギー変換能力及び熱効率を達成することを可能にする。
【００５１】
示されるハイブリッド化されたシステム構成要素はまた、燃料又は電気の需要のピーク期間の間の、形成物１６に貯蔵される際に再加熱される作動流体のより一層長い滞留時間を含む、多くの新しい作動モードを可能にする。これは、より多くの部分の地熱形成物が作動流体に熱を送達し、したがってより高い温度が達成されることを可能にする。システム２の効率のさらなる改善は、ピーク需要を満たすためにエンジン発電機３２が用いられ、したがって、エンジン３２のような熱源による排熱の回収のために図示のように弁３４及び熱交換器３６の作動によって提供される熱交換器回路を通して作動流体により多くの量の熱を供給することができるときにもたらされる。
【００５２】
本発明の実施形態は、１４又は４４のような混合相又は液体モータ（単数又は複数）よりも上の最も大きい流体ヘッド又は垂直高さを発達させることによって作動流体を調整する目的で熱交換器（単数又は複数）８又は４０による凝縮を容易にするために、適切な放送塔５０及び風力発電機３８、丘の頂上又は尾根２５と組み合わされた機能を伴う用途のような減圧された流体を最も高い実用的高度に送達する適切なモータ４又は５２における膨張性の仕事を提供する、蒸気及び／又は気体の作動流体の送達である。ランキンサイクルのような熱力学サイクルに対する重要な改善は、作動流体が再加熱され及び気化されるエリアの近くの場所でのこうした作動流体の圧力及び運動エネルギーによって仕事がなされるゾーンからかなりの高さでの濃厚な、液体ではないとしても作動流体の発達によって達成される。したがって、ダウンホール・エネルギー変換サブシステム４４は、液体により推進されるモータ、作動流体の混合相の運動エネルギー及び圧力を利用するデバイス、又はこうした相の圧力を維持し又は増加させながら所望の相（単数又は複数）を生じるのに十分な地熱を受け取るゾーンに位置する蒸気膨張デバイスとすることができる。これは、ランキンサイクル作動のこうしたハイブリッド化改善を達成する、システム２及び類似の配置のエネルギー変換能力及び効率をかなり増加させ、こうした液体は、高い高度、通信塔、及び建設された塔での風力タービン塔、丘、又は他の地勢のような実施形態によって提供される高度で生じる。
【００５３】
一般に、風力タービン−発電機３８は、それらが最も高い速度の風を受ける表面よりも高くにおかれる場合に、より多くのエネルギーを生じる。こうした風力タービン塔の頂部に又はこの付近に熱交換器４０をおくことは、作動流体の所望の相を適切に調節するための冷却能力を改善し、地上の汚れの原因の多くを避け、且つこれは、図示のように同軸導管４８内の断熱された導管によってモータ−発電機４４に送達される流体カラム４２のより大きい高さを提供する。モータ発電機４４によるエネルギー変換の後で、こうした膨張により冷却される液体及び又は蒸気４４が去っていくときに周囲の地熱形成物４６によって加熱されて、図のように断熱された導管４８によってモータ発電機５２に運ばれる蒸気を生じ、膨張装置５２から出る流体は、図示のように導管５４によってコンデンサ４０に送達される。
【００５４】
図２のソース１２８からの化学薬品を含む流体を供給される地質形成物（ｇｅｏｆｏｒｍａｔｉｏｎ）の中に送達するために電動式ポンプとしてそれが時折作動することを可能にする目的で、流体モータ１４の流体ポンプ又はモータとしての可逆的な作動を提供することが好ましい。適切なマニホルディング及び弁作動を提供することによって、図１、図２、及び図３のシステムに関して説明されるように種々の地質形成物によって必要とされる場合がある性能及びメンテナンス作動を改善する目的が達成される。
【００５５】
多くの場合において、図１、図２、及び／又は図３のシステムは、こうした作動によるかなりの改善を提供するために、作動及び水面下形成物によって十分に関係づけられる。しかしながら、図２のシステムからかなりの距離で図１のシステムを作動し、且つ図１及び図２のシステムの作動を改善するために、こうした薬剤の送達を支援するポンプ１４の時折の使用と共に、供給タンク１２８と類似した貯蔵を伴うサブシステムからの薬剤を提供することが実用的であり且つしばしば予想され及び奨励される。
【００５６】
地熱エネルギーの季節的増強に対するほぼすべての大陸上でのハイブリッド化の機会の例証として、表１は、ゲーンズビル、フロリダのようなより暖かい地域に比べて中央アラスカのフェアバンクス地域及び他の北部の平野地域のようなより長日及び比較的晴天条件において実質的な夏のエネルギーが利用可能であることを示す。アラスカのフェアバンクス地域及びカナダの類似の地域は、示されるように明るく日が照る夏の長日の間は「暖かいように思われる」北アメリカの都市のうちの８つよりも、多くの太陽エネルギーを受け取る。
【００５７】
【表２】

【００５８】
したがって、石油及び天然ガスを生産する、塩水を捨てる、又は天然ガスを戻すことなどの目的のための井を含む、実質的な地熱エネルギーが入手可能な場所では、及び、高い温度にある形成物にアクセスする枯渇した石油及び天然ガス井の場合、作動流体の一次地熱加熱、その後、状況により利用可能なより高温の太陽集熱源によるさらなる加熱を提供するだけの価値がある。こうした機会はまた、工業プラントによる又はピーク負荷を満たすために作動し且つ大量に排熱するはずの熱機関を含むピストンエンジン、ガスタービン及び／又は蒸気タービン・システム３２のような熱機関による時折の排熱を含んでもよい。
【００５９】
２，２，３，３−テトラフルオロプロパノールと水及び／又はメタノール、アンモニア、プロパン、又はＦｒｅｏｎ（フレオン（商標））のようなアルコールとの混合物のような選択された作動流体のより高温への加熱を提供する、こうした地熱エネルギーの太陽、工業、又はピーキング−エンジンによる増加は、図１に示すようにエネルギー変換システムの年間エネルギー生産及び効率を実質的に増加させることができる。所望の熱拡散率をもつ地熱形成物の十分な深さが存在する多くの場合において、作動流体が形成物に接触することを許すことなく閉じた作動流体系として、液体作動流体をエネルギー変換のために導管４２によって流体モータ４４に送達し、及び、加熱され及び気化された作動流体をモータ５２による蒸気膨張及びエネルギー変換のために導管４８を通して戻すことが好ましい。他の場合において、形成物が表面で作動流体から抽出され又は分離されてもよい価値ある物質を産出するように促すために、選択された作動流体の地熱形成物との緊密な接触をもたらすことが好ましい。
【００６０】
加えて、パタゴニア及びカラハリのような南半球の南方地域気候で、及び同様にアラスカ、カナダ、スコットランド、スカンジナビア、ロシアの一部及び西アジアの一部のような北半球の北方地域気候において、省エネと共に、再生可能エネルギーの改善された利用に対する重要なニーズがある。これらの地域は、豊富な太陽エネルギーが入手可能であるときの夏季ではなく冬季に、ピーク需要にしばしば直面する。
【００６１】
このような場合、ガス又は蒸気圧縮機に動力を与えるために内部的に提供される多くの比率の（ｌａｒｇｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ）原動力ポテンシャル（ｍｏｔｉｖｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）に起因するブレイトン−サイクル制限の改善又は克服が時宜に適っている。図２は、流体流入に対するかなりのダウンホール圧力及び／又はインピーダンスを有するコンパクトな貯蔵のための及び／又は地層（ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）中の貯蔵のための十分に高い圧力での液体のガスへの変換によってどのようにして高圧ガスが実質的に生産されるかを示す。電解槽６６は、形成物ドライブを確立し、且つ消化装置７２のようなソースからのメタン及び／又は二酸化炭素のインベントリの送達を加圧するために、加圧された水素及び／又は二酸化炭素を提供する。形成物８６からの熱を受け取る、物質の混合物を含む流体は、図２に示すようにデバイス９４における膨張による仕事に対するはるかに大きい正味能力（ｎｅｔ ｃａｐａｃｉｔｙ）を提供する。
【００６２】
図２は、メタンハイドレート堆積物及び／又は嫌気性消化装置７２から水素又はメタンのような貯蔵できる燃料を生じるためのシステム６０を示し、こうした水素及び／又はメタンは、好ましくは、パイプライン１０２によってかなりの距離にある市場に配給するために電解槽６６及び／又は適切な機械式圧縮機１２２によって生じるより高圧のガスによって循環的に又は連続的に加圧され、弁１３０及び／又は６８を通して圧力調整器１０４に送達される、又は間欠的な短期の貯蔵又は長期の貯蔵のために導管８２によって地層８６に送達される。作動時には、図示のようにシステム２及び／又は他のソースによって発生した電気が送電網６２を通して伝送されて、調整器（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ）システム６４に動力を与え、適正な電圧及び整流された電流を提供して電解槽６６に動力を与え、嫌気性消化装置７２の液体及び又は局所的な帯水層８０からポンプ７６によって汲み出され及び導管７４によって送達される水から水素を生産する。
【００６３】
コントローラ７０は、嫌気性消化装置７２の中の微生物の活動によって又は導管７８によって送達される水の電気分解によって提供された液体からの加圧された水素の生産を含むシステムを最適化する。有機物の嫌気性消化の関数としての微生物の活動によって提供された液体を用いるこうした作動及びエネルギー変換の利点の開示は、同時係属の特許出願及び米国特許第６，９８４，３０５号で提供され、これらの開示は、従来の水の電気分解に比べて水素を生産するのに必要とされるエネルギーを大きく低減するための技術を参照することによって本明細書に含まれる。
【００６４】
工業作動１０８又は精製作動１１２は、式１及び式２に一般に示されるように炭素供与体の部分酸化によって又は炭素供与体と蒸気との反応によって、加圧された二酸化炭素、一酸化炭素及び／又は水素を時折生産するであろうということも考慮される。
２Ｃ＋１．５Ｏ₂→ＣＯ＋ＣＯ₂ 式１
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂ 式２
【００６５】
図示のように貯留層８６における貯蔵及び／又はヒートゲインのための送達と、その後のモータ−発電機９４における膨張からなるプロセスにおけるこうしたガスの利用は、付加的な貯蔵及び／又は熱抽出能力を提供するために重要な状況により生じた機会であり、同時係属の特許出願第６０／８４７，０６３号で開示されるように、搾乳場、缶詰工場、屠殺場、製造業、工業パーク、又は共同体を含むエネルギーセンターの総合エネルギー利用効率をさらに改善する。
【００６６】
表２は、地熱形成物からの他の価値と共に熱の抽出を容易にする作動流体として及び／又は化学薬品及び加圧剤として働くための種々の候補の機能及び大気圧沸点を比較する。これらの作動流体は、熱交換システムに収容される閉サイクル流体として用いられてもよく、又は適切な場合には、緊密な接触及び改善された熱交換率を可能にするために地熱形成物の中に送達される。
【００６７】
実施形態の全体を通して、投資収益率及び総合エネルギー利用効率を大いに改善するために、「フルスペクトル」エネルギー変換作動における最も高い利用可能性、温度、及び圧力状況からエネルギーをカスケードすることが目的である。これは、このようにして採用されるリサイクルされた材料及びサブシステムを含む古い技術及び公知の材料からの新しい結果を含む。
【００６８】
多くの用途において、Ｘの量のエネルギーを費やして流体を生産し及び地熱形成物に送達して、Ｘの量のエネルギーの貯蔵達成することが実用的である。貯蔵された流体を戻すと、熱エネルギー、圧力エネルギー、及び化学ポテンシャルエネルギーの組合せで、より大きい量のエネルギーを送達することができる。
【００６９】
多くの場合において、本発明の幾つかの実施形態が提供するエネルギー変換及び価値の抽出の機会における形成物の熱参加（ｔｈｅｒｍａｌ ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｉｏｎ）の度合いを増す目的で、地熱形成物の中に混合物を混合する及び混ぜることが意図される。例証すると、炭化水素を含有する多くの形成物における伝熱及び価値の抽出を改善するために、エタン、プロパン、ブタンのような示される炭化水素、二酸化炭素、及び／又は水素を混合することが意図される。
【００７０】
特に、フルスペクトルの機会の結果は、広範なエネルギー変換原理及び構成要素による広範囲の太陽及び下層土ＩＲスペクトルの実用的利用を含む。
【００７１】
【表３】

【００７２】

【００７３】
Ｌ（液体ヘッド）；Ｓ（溶媒）；Ｖ（蒸気膨張）；Ａ（共沸物）
Ｍ（混和剤）；Ｈ（伝熱剤）；Ｆ（燃料）
【００７４】
凍結した固体による閉塞を防ぐために種々の物質の混合物及び溶液が使用されてもよい。エタノールは、−１１７．３℃（−１７９°Ｆ）で凍結する。メタノールは、−９７℃（−１４３°Ｆ）で凍結する。作動流体混合物及び共沸物は、地球上の最も低温の温度に対する凍結保護をどのようにして提供するか及び約７９℃（１７４°Ｆ）又はこれよりも温かい比較的低温の地熱源から伝熱によってどのようにして膨張蒸気を生じるかを例証する。水は１００℃（２１２°Ｆ）で沸騰し、エタノールは７８．３℃（１７３°Ｆ）で沸騰する。体積百分率で９５％のエタノールと５％の水との二成分共沸混合物は、７８．２℃（１７２．８°Ｆ）で沸騰する。図１のシステムの実施形態において液体共沸物がモータ−発電機４４を駆動し、且つ蒸気がモータ−発電機５２を駆動する際に、５２％のメタノールと、４４％のアセトニトリルと、４％の水との三成分共沸物は、約６７℃（１５３°Ｆ）で沸騰して、より一層低温の地熱形成物が使用されることを可能にする。
【００７５】
エンジン−発電機１３１又は高温燃料電池１３７を含む燃料電池を駆動するための、鉱山及び地熱形成物における「ＨｙＢｏｏｓｔ」燃料と呼ばれる水素及び／又は水素と炭化水素との混合物のダウンホール利用は、ホスト形成物よりも高温で付加的な熱を提供して、図１及び図２のシステムによる総合エネルギー変換速度及び効率をさらに改善する。熱電気複合利用（ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｈｅａｔ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ）（ＣＨＰ）エンジン１０９は、可逆燃料電池１３７が電気及び熱を生じる又はエンジンによって電気及び排熱を供給される若しくは燃料電池が乾燥、調理、かん詰め、及び水の加熱又は滅菌のような用途に使用される際に、負荷平準化を伴う変化する電気及び熱要件を満たすのに最適な条件で作動することができる。可逆電解槽１３５によって生産され及び加圧される水素及び又は酸素の非常に純粋な供給は、好ましくは、工業パーク又は共同体における商業及び工業優先事項のために使用される。
【００７６】
高圧可逆電解槽１３５からの加圧された酸素はまた、図示のようにライン１３３によってエンジン発電機１３１に及び／又は燃料電池１３７に送達されて、電気を生じ、又は形成物８６に熱を加えると共に他の負荷を駆動し、及び／又は蒸気を提供して膨張装置−発電機９４へのライン９２を通過する蒸気又はガスを加熱し及び断熱する。形成物の温度、深さ、及び本発明の幾つかの実施形態が抽出する又は生産するのを助けることができる炭化水素のような価値の利用可能性に応じて、こうしたエンジン又は燃料電池１３１及び１３７は、ライン９２に沿って表面のより近く、又はかなりの深さ、若しくは追加熱が結果としてタール及び他の資源からの炭化水素のような価値のより多い抽出及び生産をもたらす形成物内にあってもよい。
【００７７】
図３は、有機物質の熱解離又は消化のような嫌気性処理から水素及び／又はメタンを生産するのに必要とされるエネルギーをさらに減少させるための新しい技術の実施形態１３８を示す。活性炭及び剥離グラフェン媒体は、触媒作用で嫌気性消化液からの水素の放出を引き起こすように調製されている。
【００７８】
有機物質の微生物消化によって生じる酵素のような或る有機物質が、電荷移動プロセスにおいてより効果的である、及び／又は活性炭による又は活性炭の中への水素の低エネルギー除去によって補助される、及び／又はより効率よく与えられる、及び／又は活性炭又は剥離グラフェン材料によって吸着され、したがって改質された後で、より長い有用な寿命を有することは明らかである。「酵素活性化」を達成するこうした処理の後で、これらの材料は、加圧された嫌気性消化液からの水素と二酸化炭素の放出を引き起こす。さらに、同時係属の特許出願及び米国特許第６，９８４，３０５号で開示されるような電気的勢いと併せての、又は随意的な水の電気分解に必要とされる電圧に比べて減少された一定の電圧での、こうした酵素活性炭媒体（ｅｎｚｙｍｅ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｍｅｄｉａ）の使用は、電気仕事の単位当たりの水素の収率を実質的に改善する。
【００７９】
減少したエネルギー消費での水素の生産は、エネルギー収穫物及び廃棄物を含む有機供給原料からの水素抽出の経済性を改善するのに特に有利である。プロセス効率の改善は、メタン燃料及び二酸化炭素を生産するのに嫌気性消化装置１４０を用いることによって提供され、一方、消化プロセスによって絶えず生じる液体の一部は、図示のように１５８の頂部での分離器の作動圧力及び温度に応じて弁１６０又は弁１６２を通して送達するために消化液の提供及び水素及び／又は二酸化炭素の抽出のための酵素活性炭媒体を充填された圧力容器１５８に送達するためにフィルタ１５２及びプレコンディショナ１５４を通して圧力ポンプ１５６に伝達される。
【００８０】
所望の場合、緑色植物の育成のような用途のために、必要に応じて気体水素を二酸化炭素から実質的に分離することができる。こうした分離は、好ましくは米国特許第６，９８４，３０５号で開示されるプロセスによって提供され、水素は、送達するための導管及び逆止め弁１６２によって井１７４を通して形成物シール１７５を通過して地熱及び／又は炭化水素貯留層１７６に運ばれる。存在する二酸化炭素及び他のガスから米国特許第６，９８４，３０５号で開示されるような適切なプロセスによって同様に分離されてもよい付加的な水素の電気的に刺激された生産のために、溶液中の多量の二酸化炭素と共に圧力容器１５８を去る液体は、図示のように導管及び逆止め弁１６０回路によって圧力容器１５９に送達される。バイオマス上の微生物の活動によって調製される物質からの水素の触媒で補助された放出のためのシステムは、遷移金属及び遷移金属を含む金属間化合物のような無機触媒と共に、開示される有機触媒（単数又は複数）を含む。図示のようにこうした触媒（単数又は複数）と順に（ｉｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｗｉｔｈ）又は併せて、振動、放射、電動力、及び又は磁気力（単数又は複数）を適用することによってこうした水素生産の速度及び機器効率のさらなる増加を可能にすることが特徴である。
【００８１】
比較的純粋な水素は、逆止め弁１６６及び弁（図示せず）を通して、二酸化炭素の生産をなくす又は最小にするために描かれる工業、商業、及び輸送用途に送達される。残っている水素は、井１７４を通して形成物１７６にチャージするために逆止め弁１６６を通して水素源（ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｏｕｒｃｅｄ）に加えられる。このプロセスにおいて、膨張装置−発電機１６８は、それが図示のように減圧されている流体中の圧力及び運動エネルギーを変換する際に、電気を発生させる。
【００８２】
変換器１８４の中で藻類のような水生収穫物を成長させること及び光合成の速度及び効率を増加させるための温室１８６の中での大気の富化を含む種々の目的で、及び／又は図示のように変換器１８４又は温室１８６の中での所望の熱ゲイン（ｔｈｅｒｍａｌ ｇａｉｎ）のための太陽エネルギーを捕えるためにより少ない量の同時分離されたメタンと共に温室効果ガス成分として、減圧された二酸化炭素ガスが使用される。減圧液体流体中に溶存する二酸化炭素は、図示のように水耕変換器ポンド１８４の中の藻類のような水生植物の富化のために送達される。藻類のような時折収穫される水生収穫物と共に、使用済みの液体は、消化装置１４０の中に送られてもよく、又は収穫された収穫物の一部は、図示のようにプロセスプラント２０２によって種々の栄養補給食品、ビタミン、栄養素、アルコール燃料、脂肪などに処理するために、弁マニホルド２０１及び導管２０６を通してポンプ２００によって送達することができる。プラント２０２及び他の地域ソースからの廃水は、図示のように弁マニホルド２０１によってライン２０８を通して消化装置１４０に送られる。
【００８３】
嫌気性消化装置１４０によって生じるメタンと二酸化炭素は、図示のように、貯蔵のために及び／又は形成物１７６からの炭化水素の抽出及び収率を増加させるため及び／又は膨張装置−発電機１７８による仕事及び／又は電気の生産のための地熱エネルギーを得るために、フィルタ１４２及び導管１４６を通して圧縮機１４８に、及び逆止め弁１７２を通して井１７４に送達される。圧力調整器１５０の流量計測回路は、図示のように１４０で容易にされる嫌気性消化プロセスを混合する、撹拌する、温度を制御する、及びかき立てるのに必要な気体の再循環の量を制御する。
【００８４】
図１、図２、及び図３に示されるシステムに対するエネルギー変換効率における重要な改善は、ポンピングによって液体を加圧し、その後さらに加圧し、及び／又は水の電気分解、嫌気性消化液からの触媒によるガス放出、及び／又は電気分解によるガスの減少されたエネルギー放出の結果としてこうした加圧された液体から導出される気体物質を送達することから結果として生じる。ハイブリッド化され及び改善されたブレイトン−サイクル及び／又はランキンサイクル効率の例証となるものは、それが図示のように本質的に液体ポンプ７３によって生じる圧力で気体水素及び／又は二酸化炭素を提供するので、弁７５を通して電解槽６６に送達するための７２の中で生産される消化液のポンプ７３による消化装置タンク７２からの流体の加圧から結果として生じる。
【００８５】
消化装置７２から分離される又は消化装置７２によって生産される酢酸及び酪酸（ｂｕｔｅｒｉｃ ａｃｉｄ）と共に、尿素のような化合物を含む液体から水素を生産するための電力要件は、従来の水の電気分解に比べて大いに減少され、こうしたガスが放出された後のガス圧縮機の適用に比べてポンプ７３による液体加圧の結果として所望の水素送達圧の発生によるさらなる改善が達成される。同様に、図２の形成物８６からの熱及び／又は付加的な炭化水素の隔離（ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ）、分離プロセス、膨張性ガスとしてのエネルギー変換、及び／又はコンパクトな貯蔵のためのような目的で、加圧された二酸化炭素を生産することが有利である。
【００８６】
システム６０によって生産できる水素の量が、電解槽１３５からライン１１１によってハイブリッド車１１０のような燃料電池用途のために送達される非常に純粋な水素を含む、家（単数又は複数）１０６、商業及び製造業建築物１０８、及び農業又は輸送ニーズ１１０のような負荷を含む、パイプライン１０２によって供給されるＣＨＰ及び他の用途による需要を越える時には、７２及び６６からの余剰の水素、メタン及び又は二酸化炭素メタンが、図示のように水素及び他のガスを貯蔵するのに十分なオーバーバーデン及びシールと共により大きい距離にある枯渇した石油及び／又は天然ガス貯留層８６又は類似の地層で再チャージするのに必要とされる圧力で送達される。多くの場合において、形成物８４は、８４の中に貯蔵された水素及び他のガスをこうした高い温度でタービン発電機９４に動力を与えるために表面に戻すことを可能にするのに十分に高い温度にあり、その後、水素は、圧力調整器１０４及び／又は１０５によって確立される際のより低い圧力でライン１０２を通して送達される。
【００８７】
炭化水素を含有する地層の中に水素及び／又はメタン及び／又は二酸化炭素を貯蔵する利点は、非常に低い粘度及び高い熱容量の水素及び／又はメタンのアクションから結果として生じる増加した駆動圧、炭化水素価値の増加した流動性と共に強化された透過性の結果としてのこうした炭化水素の増加した生産を含む。加えて、本発明の幾つかの実施形態は、１２８のような貯蔵容器からポンプ１２６及び弁１２４を通して、形成物８６を通して井導管８２にチャージするのに適切なマニホルドに送達されるものとして代表して例証される、プロパン、二酸化炭素、溶媒、及び洗剤溶液のような薬剤を含む生産を強化するために、他の流体の送達を容易にする。
【００８８】
こうした水素及び／又はメタン及び／又は二酸化炭素貯蔵及び／又は表２によって描かれるような関係する処理作動から結果として得られる、貯留層８６からの強化された炭化水素生産は、好ましくは、９５又は１８０で、パイプライン１０２による送達のための水素で特徴付けられる燃料と、種々の成分の抽出を提供し及び図示のように１１４、１１６、１１８、及び１２０によって表されるパイプラインによって市場、貯蔵、又はさらなる精製にとられるのに適切なシステム１１２による価値のさらなる分離及び／又は精製のためにパイプライン１０３によって送達される炭化水素リッチな成分とに分離される。
【００８９】
図１、図２、及び図３に示されるシステムは、したがって、電気、水素及び／又はメタン燃料及び／又は炭化水素生産の総量によって計測される場合の貯蔵効率、正味電気及び／又は燃料エネルギー変換能力、速度、及び効率を大いに増加させる。急速に発達する需要を満たすための電気の生産、特に、ピーク電力は、ピストン、ロータリー又はタービンＩＣＥエンジン（単数又は複数）３２及び／又は１０７及び／又は１０９のための燃料として水素及び／又はメタンを利用することによって直ちに提供される。各場合において、膨張性ガスの温度を増加させて、モータ−発電機４及び／又は１７８を駆動し、及び示される熱電気複合利用用途のような農業、工業、又は家庭用途のために熱を送達することによる総合エネルギー利用効率を改善するために、こうしたエンジンによる排熱を使用することが大いに有利である。
【００９０】
エネルギー変換のためのこれらのプロセスは、一般に、地層からのヒートゲイン、化学エネルギー及び又は圧力エネルギーの間欠的貯蔵、及び価値ある物質の抽出からなる群から選択される目的のために適切に準備され及び維持される地層に１つ又は複数の流体物質を曝し、その後、エンジンの中でこうした流体物質のうちの１つ又は複数をハイブリッド化されたランキンサイクル又はブレイトン−サイクル膨張させて、仕事を達成するステップを含み、流体物質のうちの少なくとも１つは、改善されたブレイトンサイクルの作動のために冷却され、及び／又は凝縮されて、膨張モータに又は液体又は流体モータを駆動して仕事を達成するのにより低い高度に送達される液体を生じてもよい。
【００９１】
示される実施形態は、電気及び又は化学燃料価値を同時に生産しながら、地熱の熱エネルギー及び／又は適切な形成物からの炭化水素のような価値を抽出し及び変換するのに特に有益である。本発明の実施形態は、地熱エネルギーの改善された抽出及び変換効率と共に、豊富な夏のエネルギーを後で冬季で用いるために貯蔵できる燃料を生産するのに用いることができるようにする。本発明の幾つかの実施形態は、石油及び天然ガス井と共に、或る掘り尽くされた鉱山の再利用を容易にし、且つ石炭、石油、及び天然ガスの枯渇によって荒廃している又は地球温暖化問題によって苦しまされている共同体の経済的再生の機会をもたらす。
【００９２】
開示される本発明の実施形態は、廃棄物から水素を生産して、空気の質及び水質を改善し、化石燃料及び共同体を放射性廃棄物で悩ませる核分裂性燃料への依存を大いに減少させるために、改善された廃棄物処理作業と、大いに低減したエネルギー要件を提供する。変わりやすい風、潮、又は波条件を有する地域では、こうした再生可能エネルギーを適切な地熱形成物の中での貯蔵及びヒートゲインのために水素又はメタンのような化学燃料ポテンシャルに局所的に変換することが重要である。
【００９３】
燃料及び／又は二酸化炭素貯蔵に適した地熱形成物はまた、鉄道及びトラック送達に加えてパイプライン又は送電網によって図２及び図３に示すように太陽、風、波、又は潮のような再生可能資源が利用される遠方のサイトにリンクされてもよい。
【００９４】
化石燃料及び核分裂性燃料への依存と置き換えるために、再生可能エネルギーの大規模な変換が必要とされる場合には、図４のシステムの実施形態４００は、地熱エネルギーの強化及び貯蔵を伴うフルスペクトル・ソーラー変換を提供する。図５は、図示のように組立体４１２の下のゾーン内の又は通路４１４及び４１６を通過する空気を加熱するために、エネルギーの全太陽スペクトルの事実上すべての波長を捕えるための支持ケーブル４０２及びグレイジング４０４、４０６及び４０８の組立体の断面図を示す。スチール、ガラス、セラミック、ポリマー、炭素、又はこうした材料の組合せの棒、ワイヤ、又はファイバのような任意の適切な材料で作成されてもよいケーブル（単数又は複数）４０２は、大面積の太陽及び／又は地熱エネルギーを変換してエネルギーを生産するために、フィルム４１０と共に１つ又は複数の透明なグレイジング４０４及び４０６を支持する。太陽放射線は、下の地球からの赤外線放射と共に図５のトラップに入り、図示のように通路４１４及び４１６の中の及び下の空気を加熱するために熱エネルギーに変換される。
【００９５】
図４は、電気及び／又は水素を生産するための図５及び／又は図６に示すようなグレイジングを使用するためのシステム４００を示す。空気は、地熱及び／又は太陽及び／又は種々のエネルギー変換プロセスによる排熱によって加熱され、上方に放出されて垂直シャフト・タービンを回す。ロータ４９０、４３２及び／又は４３４は、図示のように４５０のようなステータと併せて、図示のように地面又は幾つかの他の適切な境界と膜（単数又は複数）４１０又は４２１との間のプレナムの中に空気を送達する。図示のように、こうした動いている空気は、太陽エネルギーを集め、且つ、地熱源、熱交換器４７６及び内燃タービン、ピストン、又はロータリーエンジン（単数又は複数）４６０、４８１並びに熱交換器４８０によるソーラーエンジン−発電機４７０のような他の発電機（単数又は複数）及び熱機関からの排熱を除去する。こうした排熱は、好ましくはその後に熱機関の中で燃焼され又は熱交換器を通してリサイクルされる水素によって電気発電機から除去される熱と共に、エンジンジャケット及びオイル冷却を含む。図示のように断熱された排気管４６１及び４６４による太陽加熱の最終段の後で、膨張タービン４４０及び４４４によって及び／又は４４２のような１つ又は複数のステータと併せて達成される仕事を増加させるために、内燃機関の排気流からのより高品質の熱を加えることが好ましい。
【００９６】
内燃ピストン及びロータリーエンジンは、４４０及び４４４で描かれるように１つ又は複数のパワーロータでガスに排気が加えられる前に電気発電機又は圧縮機を駆動する一体の排気タービンと共に作動することが好ましい。パワーロータ４４０及び４４４からの出力は、速度が増加されてもよいし又は減少されてもよく、図示のように電気発電機（単数又は複数）４３８と共に圧縮機／モータロータ４３２及び４３４を駆動するのに用いられる。
【００９７】
多くの地域において、図示のように熱交換器４８４の深さでの天然地熱源からの及び／又は地下熱貯蔵及び交換からのヒートゲインを提供することも有利である。熱交換器４８０は、機械的仕事、化学プロセスの作動、及び／又は電気の生産を行った後で最終的に熱を排出する流体ポンプ４８２及びエンジン４８１、及び／又は熱電、及び／又は熱化学プロセスのような地熱エネルギー変換システムから熱を排出する。こうした排熱は、タービン４４０及び４４４で抽出されるエネルギーに加えられ、排熱プロセスを改善しながら組み合わされたプラントシステムの能力を増加させ、したがって、太陽及び地熱エネルギー変換プロセスの効率を相乗的に改善する。
【００９８】
膜４１０及び４２１の下のゾーン内での熱交換からの追加を受け入れることによってこうした相乗的に有益な冷却を行った後で、付加的な太陽エネルギーを得るために図示のように空気が膜４１０又は４２１と４０６又は４２０との間のチャネルの中に巡回される。加熱された空気は、次いで、４４０及び４４４として描かれる１つ又は複数のパワーロータに送達される。可変ピッチ流量コントローラ４４３、４４１、及び４４２は、ロータ４９０、４４０及び４４４と協調され、これはまた、エネルギー変換プロセスを最適化するのに必要とされる場合に可変ピッチを提供してもよい。流れディレクタ４４３、４４１及び４５０での空気速度は、この多重に組み合わされ及びハイブリッド化されたサイクル・システムにおける太陽エネルギー及び他の因子からの熱の利用可能性、及び湿気によって実質的に影響される。
【００９９】
太陽、地熱及び／又は示される他のデバイスからの排熱が適切であり、周囲空気が比較的乾燥しているときには、システムを通して移動する空気中により高い湿気を生み出すことが有利である。水は、図示のようにシステム５６０内の及び／又はこれを取り囲む収穫物上に発散され及び／又は噴霧され、及び／又は適切な噴霧器５００及び５０４によってダウンフロー構造（単数又は複数）５０２及び５１０内を通過する空気中に分配されて、周囲空気団を冷却し、したがって、タービン４３２、４３４、及び４９０を通過する空気の発電機４３８及び４９２への下降気流の増加した勢いを生み出し、且つ光電集熱器４０３を冷却する。空気を加湿することはまた、図示のようにタービン４９０、４４０及び４４４へのエネルギー送達を増加させるために非常に有利であり、これらの作動は、コンピュータ・コントローラ４０１によって適応して最適化される。
【０１００】
ロータ４３２、４３４、４４０、４４４、及び４９０と共に、流れディレクタ４４３、４４１、及び４４２によるピッチの幅広いバリエーションを提供することは、天候、地熱、及び複合サイクル作動のヒートゲイン範囲の全体にわたる発電機４９２及び４３８の同期作動を可能にする。
【０１０１】
この加熱される空気流の精密適応制御は、したがって、太陽強度、地熱、及び周囲条件のすべてのレベル及び組合せにおける最大タービン効率を生じる。４４３と共に、流量コントローラ４４１、４４２、及び４５０の重要な利点は、図示のようにタービン４９０、４３４、４３２、４４０、及び４４４に動力を与えるための、より高い速度でのより濃厚な方向付けられた空気の送達である。これは、トルク生成と分子の運動エネルギー及び流れのシャフトエネルギーへの変換を最大にするために、ロータ４９０、４４０、及び４４４の可変ピッチ・ブレードの最適な部分での増加した空気速度及び送達を含む。
【０１０２】
形成されるプレナム（単数又は複数）内のポンプ（単数又は複数）４３２及び４３４から必要とされるときにポジティブな空気流を提供することは、こうしたエンジンの熱効率、したがって総合システム効率を改善するために、ピーキング又はベース負荷熱機関４６０、４７０、及び４８０から熱が排出されるときの温度を低下させる。スターリングサイクルエンジンのようなソーラーエンジン４７０及び５２２での熱化学プロセスは、同時係属の米国特許出願第０８／７００，５７７号で開示されたものを含む任意の適切なタイプのものであってもよい。
【０１０３】
ソーラーエンジン４７０の効率のさらなる改善は、示のように傾斜した膜（単数又は複数）４０４及び／又は４２６から貯留層（単数又は複数）４７１及び４７３の中への排水（ｒｕｎｏｆｆ）を含む、適用領域に流れ落ちる雨水の収集によって提供される。雨水は、裏打ちした貯留層４７３の中に収集され、ポンプ５５０によって１つ又は複数の電解槽（単数又は複数）７０２及び７０４に送達される。収集された水はまた、熱伝達率を改善するため、及び図示のように膜４０４、４０６、４０８及び４１０によって供給されるチャネルの下の及び中の太陽及び／又は地熱加熱の方に進む空気に熱交換器４７６によってできるだけ多くの熱を送達した後で、井（単数又は複数）４７１内の地中（ｉｎ−ｇｒｏｕｎｄ）熱交換器４７２を冷却するために用いられる。
【０１０４】
選択された膜材料の熱的安定性及び下の地面から入手可能な地熱エネルギーに応じて、赤外線トラッピング膜としての膜４１０と、表面にかなりの角をもつ又はこうした角のある膜と併せて働くように平坦な黒色膜としての４２１とを提供することが好ましい。図６は、伝熱膜５１５、４２４及び４２５によって達成される太陽及び／又は地熱吸収性、伝熱面積、及び空気温度をかなり増加させるために、多数の放射を捕らえる及び伝熱する、ひだ状にされた又は概して「Ｗ」字形状にされた折り目の組み入れを例証する。個別のエアセル・チャネルを確立するために、１つ又は複数の透明な平行な膜が、図のようにわたる膜４１７に配置されてもよく、１つ又は複数の透明な膜が膜４１５に関して示されるようにわたる状態で提供されてもよい。これらの空気チャネルは、断熱し及び膜４２３を収容する中心チャネルの中の滞留時間を増加させてはるかに高温の空気を生じるために制限される空気流を制御可能に提供する、適切な弁を備えてもよい。これは、接触から及び図示のように不透明な延長された表面をもつ膜４２３及び４２４からの放射によって熱を得る中心チャネルの中の９４℃（２００°Ｆ）〜２０４℃（４００°Ｆ）のような実質的に温められた空気の迅速な達成を可能にする。
【０１０５】
図６の実施形態において、１つ又は複数の反射層が誘電体層の間に交互に位置する膜４１９を提供し、この膜を図示のようにガスシール膜４２７から若干離して配置することが一般に好ましい。これは、延長された表面をもつ膜４２４の太陽トラッピング及び加熱を増加させ、したがって、太陽対熱エネルギー変換プロセスの効率を改善する。反射膜４１９の下のゾーンに逃げる熱は、下のエアセル又は膜４２４に関して説明された場合よりも多く又は少なく構築される延長された表面をもつ膜４２３によって捕えられ、空気は、形成されるチャネルを通過する際に加熱される。延長された表面をもつ膜４２１によって加熱される空気チャネルを通した空気流の流量の制約は、図示のようにロータ４４０及び４４４への送達のための所望の温度を達成する際の改善を提供する。一般に、周囲外気への熱損失を最小にする速度で膜４２１の上の断熱空気チャネルを通した空気の流量を制御することが望ましい。すべての空気チャネルを通した流量は、図示のようにタービン４４０及び４４４での最適化された温度を達成するために、利用可能な太陽及び／又は地熱及び／又はピーキングエンジン及び／又はベース負荷エンジンによる排熱に従って調整することができる。
【０１０６】
図４、図５、及び図６に示される実施形態の膜に適した幾つかの通例生産される材料は、高温、紫外線保護されるナイロン、ポリエステル、種々のフルオロポリマー、及びシリコンを含む。膜が放射を反射し及び絶縁品質を発達させることを要求される場合、アルミニウム、銀、クロム、ニッケル、亜鉛、銅、金、又はロジウム及び／又は二色性反射を提供する材料の非常に薄いコーティングが使用されてもよい。保護ポリマーの薄い層の間に反射面を挟むことが一般に望ましい。伝熱の効率的な断熱又は阻止は、各層の間に透明ポリマーを備えた１〜８層の反射面を用いることによって提供することができる。
【０１０７】
入射する放射の低角度での太陽入射伝送を増加させるため、及び膜４１５及び４２８を太陽スペクトル入射のトラッピングのための、しかし下からのより長波の赤外線放射の反射器又は遮断器として働く、透明な窓として提供するために、膜４０４及び／又は４０６上に１つ又は複数のコーティングを使用する又は表面の幾何学的形状を提供することが好ましい。４２３の上に形成されるセルチャネルの中の空気への熱損失を防止し及び増加した追加熱を提供する目的で、膜４２３の下に反射膜４２１を提供することも好ましい。膜４２１は、好ましくは、２つの誘電体層の間に挟まれたアルミニウム又は類似の反射物質の非常に薄い層を有する、複数のフィルムで作製される。これは、ミラーブライト（ｍｉｒｒｏｒ ｂｒｉｇｈｔ）アルミニウムの非常に薄い真空蒸着された又はスパッタされた層が酸化及び損傷から保護されることを可能にする。
【０１０８】
ケーブル４０２及び４２２は、好ましくは、４０４、４０６、４１０、４２０、４２１、及び４２６のような膜に対して、「チキン・フェンス」支持網に類似した四角形、平行四辺形、及び六角形パターンを含む支持網を提供する。これは、強いが可撓性である支持部を提供し、且つこうした膜が、支持されるエネルギー・トラップに非常に高い太陽放射線を採り入れることができるようにし、且つ大雨又は大雪の荷重及び強風に耐え及び退ける（ｓｈｅｄ）能力を保証しながら、熱収縮及び熱膨張に対する多大な適応を可能にする。したがって、結果として得られる網におけるケーブルの直径及び極限引張強度は、支持部にわたって広がる材料の強度要件を満たし且つ事実上あらゆる風条件又は重たい雪の荷重に耐えるために同じであってもよいし又は異なっていてもよい。しかしながら、ほとんどの場合、こうしたケーブル・ネットワークが恒久的なものであること、及び比較的低価格な膜が必要に応じてリサイクルされ及び交換されるであろうことが意図される。
【０１０９】
比較的低い周囲湿度条件の間は、塔５０２を通して空気を採り入れ、且つタービン発電機４９０〜４９２から電気を抽出する目的で開示されたように湿気を加えることが好ましい。高い周囲湿度条件の間は、排気塔４４３の間の通過によってモータ／圧縮機４３２及び４２４のための中央入口５１０の中に空気を採り入れることが好ましい。塔４４３から昇ってくる高温空気は、低温の空気を膜４０４に沿って及び膜４０４と平行に移動させて、昇ってくる高温の排気と塔の間を通過して５１０に流入する空気との混合を最小にする。低温の周囲空気は、したがって、図示のように膜４０４又は４２６に沿って、塔２２の周りに及び間に移動して、空気ハンドラ４３２及び４３４のための入口に入る。
【０１１０】
総合エネルギー変換効率は、本発明の幾つかの実施形態を含む種々の熱収集及びエネルギー変換システムによって送達されるエントロピー・ゲイン及び温度によって制限される。総合ハイブリッド・システムは、１つ又は複数の熱源とあらゆる瞬間でのエネルギー変換作動とを伴う巨大な熱機関として作動する。圧縮機４３２及び／又は塔（単数又は複数）５０２への吸込みにおける周囲空気が約３１１°Ｋ又は３８℃（１００°Ｆ）である典型的な夏日の作動では、タービン（単数又は複数）４４０に送達される空気が４２２°Ｋ又は１４９℃（３００°Ｆ）に加熱される場合、エネルギー変換効率に対する１つのサブシステムのカルノー限界は、以下のようになるであろう。
効率＝１−（Ｔ_L／Ｔ_H）又は１−（３１１／４２２）＝２６％ 式３
【０１１１】
冬季には、圧縮機４３２に送達される周囲空気は、約２８３°Ｋ又は１０℃（５０°Ｆ）となる場合があり、タービン（単数又は複数）４４０に送達される空気が４２２°Ｋ又は１４９℃（３００°Ｆ）に加熱される場合、エネルギー変換効率に対するカルノー限界は、以下のようになるであろう。
効率＝１−（Ｔ_L／Ｔ_H）又は１−（２８３／４２２）＝３３％ 式４
【０１１２】
ソーラーエンジン４７０は、排熱に対するより低温の条件によって同様に恩恵を受ける。エンジン４７０内の加熱された作動流体に対して典型的な温度は、約１０８８°Ｋ又は８１５℃（１５００°Ｆ）であり、排熱温度が３１１°Ｋ又は３８℃（１００°Ｆ）である場合、エネルギー変換効率に対するカルノー限界は、以下のようになるであろう。
効率＝１−（Ｔ_L／Ｔ_H）又は１−（３１１／１０８８）＝７１％ 式５
【０１１３】
冬季には、及び水が熱交換器４７２を冷却する時には、熱は、約２８３°Ｋ又は１０℃（５０°Ｆ）以下で排出することができ、エネルギー変換効率に対するカルノー限界は、式４によって示されるように改善されるであろう。
効率＝１−（Ｔ_L／Ｔ_H）又は１−（２８３／１０８８）＝７４％ 式６
【０１１４】
電気のベース負荷供給のためのシステムが使用される場合には、太陽エネルギーを、再生可能エネルギー資源を使用する幾つかの他のサブシステムと組み合わせることが好ましい。熱機関４６０は、好ましくは、水素及び／又は水素と前に開示したように地熱形成物に貯蔵され又はそこから生じるメタン又は天然ガスとの混合物のような燃料で燃料供給され、図示のように第１段出力タービン４４０の中に又はこの付近に燃焼生成物を排出して、タービン効率を効果的に増加させる。こうした熱機関は、典型的に、８１５°Ｋ、５３８℃（１０００°Ｆ）以上の排気温度を有し、取り付けられた排気タービン４６２にエネルギーを与えて発電機又は圧縮機を駆動することができる。内燃機関の廃熱によって駆動される取り付けられたガスタービンからの典型的には４５０から６００°Ｋまでの間である排気は、図５及び図６の太陽トラッピング・グレイジング・システムによって達成される温度を実質的に増加させるのに依然として十分に温かい。
【０１１５】
表３は、出力タービン（単数又は複数）４４０に入るガスの温度を増加させるためにこうした排気廃熱を用いることの比較した利点を示す。
【０１１６】
【表４】

【０１１７】
タービン４４０及び４４４に入るガスの温度を増加させることに加えて、内燃機関４６０及び／又は排気タービン（単数又は複数）４６２を出る高速のガスのモーメントを伝達することによって、太陽で加熱された気柱にかなりの速度を加えることが好ましい。これは、トルク発生、熱効率、したがってロータ４４０及び４４４の出力を増加させる。
【０１１８】
同時係属の米国特許出願第０９／９６９，８６０号で提供されるように、電解槽１０２の中の水又は有機電解質を電気分解するために、ベース負荷要件を超える電気生産が用いられる。このようにして生産される水素は、適切なコンテナの中に、図示のように圧力調整器又はターボ膨張機５３６によって５３４のような送達パイプラインの中に、又は遠方の又は局所的な地下貯留層５４３の中に貯蔵される。熱及び水素及び／又はＨｙ−ｂｏｏｓｔ燃料の加圧された流れのポテンシャルエネルギーは、図示のようにターボ発電機５３７によって抽出されて、図示のように４６０のようなエンジンを作動するのに必要な場合に所望の圧力低下で送達される。別の方法では、こうした圧力低下は、同時係属の特許出願の開示で開示されるようにエンジンの膨張ストロークに送達される。
【０１１９】
多くの局所的な及び遠方の水素貯蔵形成物において、図示のように貯留層貯蔵５４３へのアクセス５４２の水平方向の拡がりによって例証されるように、形成物を通して延びるパイプ又はアクセス穿孔によって形成物との間での分配を提供することが好ましい。
【０１２０】
オンサイトの及びパイプラインでアクセスされる水素の地下貯蔵の利用は、再生モードでの可逆電解槽７０２のような燃料電池、及び／又は発電のニーズを満たすのに必要な場合に燃料によって動力を与えられ又は作動流体を補足されることになる４６０、４７０、及び４８１を含む熱機関の使用を可能にする。同様に、こうした水素は、電解槽７０２並びにプラント機器及び作動のバランスを通じて使用される種々の変圧器及びインバータと共に、発電機４９２及び４３８を含む電気機器を冷却するのに好ましい作動流体である。こうした機器に対する風損抵抗減少（ｗｉｎｄａｇｅ ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）を行い、冷却した後で、示される熱機関に燃料を供給するためにこうした水素を用いることが好ましい。
【０１２１】
生産されるかなりの水素を貯蔵するためにパイプライン５３４をサイズ設定することが好ましい。低いソーラーゲインの時間中及び夜間は、４６０、４８１のようなエンジン及び可逆燃料電池（単数又は複数）７０２に動力を与えるのにパイプライン及び／又は貯蔵貯留層からの水素を使用することによって電気需要を満たすことが好ましい。付加的な貯蔵は、好ましくは、地熱により恩恵を受ける及び／又は枯渇した石油形成物によって、及び岩塩空洞又は鍾乳洞のような他の適切な形成物によって提供される。
【０１２２】
北アメリカの事実上あらゆる地域及びあらゆる他の大陸は、適度に多孔質であって水素を安全且つ効率よく貯蔵するのに十分な深さでシールされる地層を有する。これらの形成物の多くは、かなりの地熱エネルギー発生源（ｓｏｕｒｃｉｎｇ）と一致する。例証すると、こうした形成物は、それらの地質発達（ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）時に有機物質が堆積された場合には数百万年にわたって貯蔵されたメタンを有する。他の場合において、水素は、大陸移動により誘発された高温のかんらん石と石灰岩との衝突によって生産されており、こうした形成物の中に数百万年にわたって貯蔵されている。
【０１２３】
エンジン４６０は、急速に増加した発電需要を満たすのに必要な場合があるように出力を改善するために、タービン４４０及び４４４に電気及び付加的な熱を迅速に提供することができる迅速始動（ｒａｐｉｄ ｓｔａｒｔ）エンジンとして提供することが好ましい。水素及び／又は他の燃料の直接燃焼によって必要とされる場合に、ステータ（単数又は複数）４４１の出力における別の高速応答を提供することができる。
【０１２４】
太陽エネルギーの特に効率的な利用は、炭化水素を水素と炭素に解離するために太陽エネルギーを適用することによって達成される。シャフト仕事及び／又は電気を提供するために熱機関及び／又は燃料電池で開示されるように水素を用いることができる。プロセスによって提供された炭素は、風、波、水力、及び太陽資源を利用する機器を含む耐久性のある物品を製造するために使用することができる。これは、炭素及び／又は水素供与体の解離に関係する本発明者の同時係属の米国特許出願で開示される本発明の実施形態を含む。実施形態４００の場所で又はその付近で熱機関又は燃料電池に水素及び／又は他の燃料が使用される場合には、エントロピー増加を最小にする点でシステムを通して動いている空気にこうしたエネルギー変換システムによる排熱を加えることが好ましい。
【０１２５】
別の実施形態において、本発明は、太陽エネルギーを加えて電気分解のために要求される電気エネルギーを減少させることによって、エントロピー・ゲインを減少させる。約１８グラム（１グラムモル）の水は、２３７．１３ｋＪである形成物の自由エネルギーΔＧに等しい電気仕事によって分解される。このプロセスは、吸熱であり、生産される水素と酸素を標準温度及び圧力に膨張する際になされる仕事である４８．７ｋＪ／ｍｏｌの（ＴΔＳ）に等しい付加的なエネルギーを消費する。
ΔＨ＝ΔＧ＋ＴΔＳ 式７
式５．２ ２８５．８３ｋＪ／ｍｏｌ＝２３７．１３ｋＪ／ｍｏｌ＋４８．７ｋＪ／ｍｏｌ。
【０１２６】
解離プロセスは吸熱であるため、太陽エネルギー及び／又は他のプロセスからの廃熱を加えることが有利である。こうした熱の追加は、これが電気仕事として提供されなければならないギブスの自由エネルギー（ΔＧ）の量を減少させるので、これが電気分解温度を高める場合に、特に有利である。したがって、印加されなければならない電圧の総量は、室温で水を解離するのに要求されるよりも少ない。
【０１２７】
吸熱エネルギーが廃熱源又は環境から来ると仮定すると、水を解離するために印加されなければならない最小電圧は、以下の通りである。
ΔＧ＝−ｎＦＥ⁰ 式８
【０１２８】
この最小電圧要件（Ｅ⁰）は自由エネルギー（ΔＧ）の変化に依存するので、Ｅ⁰は、ΔＧ／（交換される電子の数（ｎ）×ファラデー定数（Ｆ＝９．６４８×１０⁴）又は（ｎＦ））に等しい。電気分解温度が２５℃の標準温度よりも上に増加するのに伴って、電気分解温度が断熱化学量論的燃焼反応によって生じるであろう温度に近づくので、自由エネルギーはゼロに近づく。
【０１２９】
電気分解圧力の増加は、加圧された水素及び酸素貯蔵を所望の密度で生じるために望ましい。圧力の増加は、電気分解のためのより高い電圧を必要とする。式５．４は、圧力要件と電圧要件との関係性を例証する。電気分解電圧（Ｅｐ）は、Ｅ⁰に圧力上昇に関するネルンスト調整（Ｎｅｒｎｓｔ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ）を加えることによって見出すことができる。
Ｅｐ＝Ｅ⁰＋ＲＴ／ｎＦ ｌｎ Ｐ_H2（Ｐ_O2）／Ｐ_H2O 式９
【０１３０】
水素と酸素が同じ圧力で生じ、且つ給水が同じ圧力で液体であると仮定すると、式９は、以下のように簡略化される。
Ｅｐ＝Ｅ⁰＋３ＲＴ／４Ｆ（ｌｎ Ｐ_i／Ｐ_atm） 式１０
【０１３１】
１０，０００ＰＳＩの水から１０，０００ＰＳＩの酸素と水素を生じるための電圧の増加は、以下のとおりである。
３ＲＴ／４Ｆ ｌｎ Ｐ_i／Ｐ_atm＝３ＲＴ／４Ｆ ｌｎ６８０．３＝３（８．３１４４Ｊ／ｍｏｌＫ）２９８Ｋ（６．５２２）／４（９．６４８×１０⁴）＝０．１２５Ｖ 式５
【０１３２】
蒸気を生じるために温度を昇降することは、（ΔＧ⁰Ｔ＝ΔＨ⁰Ｔ（２９８Ｋ）−ＴΔＳ⁰２９８Ｋ）を計算する（ａｃｃｏｕｎｔｉｎｇ）ネルンスト及び／又はギブスのエネルギーによって示されるように、水を解離するのに必要とされる電圧を下げる。
【０１３３】
したがって、解離に必要とされる電圧は、ＴΔＳ⁰２９８Ｋが２８５．８３ｋＪ／ｍｏｌであるΔＨ⁰Ｔ（２９８Ｋ）に近づくのに伴ってゼロに近づく。標準温度（ＤＳ⁰２９８Ｋ）でのエントロピーの変化は０．１６３４ｋＪ／ｍｏｌであり、したがって以下のとおりである。
２８５．８３ｋＪ／ｍｏｌ／０．１６３４ｋＪ／ｍｏｌ＝１，７４９Ｋ又は１，４７６℃（２，６８９°Ｆ）
【０１３４】
地熱エネルギーの季節的増強に対するほぼすべての大陸上でのハイブリッド化の機会の例証として、表１は、ゲーンズビル、フロリダのようなより暖かい地域に比べて中央アラスカのフェアバンクス地域及び他の北部の平野地域のようなより長日及び比較的晴天条件において実質的な夏のエネルギーが利用可能であることを示す。アラスカのフェアバンクス地域及びカナダの類似の地域は、示されるように明るく日が照る夏の長日の間は「暖かいように思われる」北アメリカの都市のうちの８つよりも、多くの太陽エネルギーを受け取る。
【０１３５】
図７は、パラボラ集熱器５２０の焦点における送達ライン５３０によって供給されるメタン又は水のような水素供与体に太陽熱を追加して、低減された電圧で又は電圧無しにこうした加圧された水素供与体の解離を提供するための実施形態５２２を示す。このようにして提供される加圧された水素は、図示のようにライン５３２によって貯蔵及び／又はパイプライン５３４による送達のために送達される。１つの態様において、本明細書で開示される電解槽を含む電解槽は、加圧された水素を含む供給原料を提供することができる。
【０１３６】
図７は、太陽を追跡して反応器７１４のレシーバ・ゾーン７３０上のミラー７１２によって受光され反射される太陽エネルギーを絶えず合焦して高い作動温度を生じる太陽集中器５２０を含む、プロセス回路の構成要素を一般に示す。固定ベース７０４は、駆動システムを収容し、反応器７１４との間の材料の伝達を提供する。反応器７１４に対する燃料及び埋立地のメタンのような供給原料は、パイプライン７１８及び／又は５３０への接続によって送達される。
【０１３７】
汚水構成要素のような流体供給原料が反応器７１４によって処理される場合には、適切なパイプライン７１５への接続によって送達されることが好ましい。生産され又は送達される電気は、ケーブル群７１７によって伝達される。反応器７１４によって生じる水素及び／又は他の流体は、市場の需要を満たすために局所的な又は遠方の貯蔵及び分配用の地熱貯留層５４３へのパイプライン７１６に送達される。ステージ７０６は、反応器７１４の太陽トラッキングを提供するために中心垂直軸の周りで回転し、これは図示のようにミラー７１２と共に組み立てられる。図示のように支持部７１０の水平軸７０９の周りの協調される回転は、太陽を追跡し、及びミラー組立体７１２から反射される点収束された太陽エネルギーを生じるために提供される。加熱されることになる有機固体及び半固体がホッパ７０８の中に入れられ、これは、こうした材料をその一部が図８に示されるスクリュー・コンベヤ７２４の中に供給する。
【０１３８】
図８は、固定レシーバ管７２２と回転式スクリュー・コンベヤ及び押出機管７２４とを含み、一体のつる巻きねじフライト７２６が有機物質のような反応性成分をゾーン７３０の中に強制し、集中された太陽エネルギーによって高温に迅速に加熱する、レシーバ７１４の実施形態７２０の詳細を示す。十分な集中度の太陽エネルギーは、放物線形、球形、又はアレイ状のヘリオスタット・ミラーによって直ちに達成され、閉じ込め管７２２の材料及び構成仕様によって提供される物理的特性及び化学的特性によって許されるような５００℃〜２５００℃の典型的な作動温度を生じる。
【０１３９】
落水、風、波の作用によって、又は集中された又は集中されていない太陽エネルギーを受け入れる光電アレイ４０３によって、若しくはソーラーエンジン−発電機４７０又は本明細書で説明される種々の作動によって生産される燃料を用いる４６０のような内燃機関によって動力を与えられる発電機からの電気を用いる誘導加熱又は抵抗加熱のような他の形態の再生可能な加熱が直ちに適合される。同様に、反応器７１４によって生産される燃料の一部を燃焼させて、式１１、式１２、及び式１５の反応を達成するために十分にゾーン７３０を加熱することが考慮される。このゾーン７３０への代替熱源群は、修復のためのダウンタイム、時々曇り、又は夕暮れの場合の継続作動を保証するのに必要とされる場合の、太陽エネルギーの補足又は置換えのための好ましい措置を例証する。
【０１４０】
前に生産された水素及び／又は一酸化炭素の部分燃焼によるゾーン７３０に対する太陽熱の補足的加熱又は置換えは、好ましくは、管７３２のボア７３１内に電解槽７０７から管７３７を通して酸素を送達することによって達成される。重要な相乗的な恩恵は、埋立地のメタン及び／又は水素で熱機関７０３３を作動させ、電気発電機７０５に動力を与えることによって提供される。あらゆる余剰発電能力は、電解槽７０７の中で酸素と水素を生産するために用いることができる。こうした作動によって生じる水素は、契約販売のためにパイプライン７１６及び／又は５３４の中に直ちに貯蔵することができ、酸素は、反応器７１４によって生産される燃料の部分燃焼による発熱のプロセス効率を大いに改善するために用いることができる。
【０１４１】
空気によって大抵供給される窒素の排除は、部分燃焼による熱を生じるために酸素が用いられるときに、管７３２内のガス混合物から水を凝縮し又はフィルタリングすることによる水素精製費用を大いに減少させる。管７３７は、オキシダントとして空気が用いられる場合に存在するであろう窒素の最小限の熱損失及び最小限の加熱を伴って、必要とされる燃料の量を燃焼するために図示のように酸素を送達する。
【０１４２】
管７２２は、したがって、嫌気性条件で有機供給原料を収容する機能、及び以下の一般的反応を容易にするために集中されたフラックス加熱ゾーン７３０の中に運ばれるバイオマスに太陽エネルギーを伝達する機能を果たす。
Ｃ_nＨ_mＯ_x＋熱₁→ｘＣＯ＋ｍ／２Ｈ₂＋（ｎ−ｘ）Ｃ 式１１
Ｃ₆Ｈ₁₀Ｏ₅＋熱₂→５ＣＯ＋５Ｈ₂＋Ｃ 式１２
【０１４３】
圧縮された固体（ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ｓｏｌｉｄ）によって図示のように回転スクリュー管７３２の中央ボア７３１の中に強制されるＣＯ及びＨ₂と共に少量のＮＨ₃、Ｈ₂Ｓ、Ｎ₂、及びＨ₂Ｏもまた、気体生成物中に見られる場合がある。Ｈ₂Ｓは、好ましくは、鉄と反応して硫化鉄を形成し、又水素が放出される際のプロセスによって生じる炭素の中に捕集される。固定窒素を典型的にアンモニアとして、硫黄を硫化鉄として捕集すること、及び本発明によって捕集される灰と共にこれらの物質を土壌栄養素として使用することが好ましい。
【０１４４】
炭素及び灰７３６のような固体は、図示のようにフライト７３４に沿ったスクリュー管７３２の回転する動きによってゾーン７３０から抽出される。高温断熱７４０は、好ましくは、図示のようにレシーバ７１４の端を覆うために用いられ、断熱された領域７４２は、スクリュー・コンベヤ７３２によって抽出される炭素リッチな固体とレシーバ及び反応器組立体の加熱ゾーン７３０の方に動いているバイオマスとの間でなされる向流熱交換に沿って熱の保存を提供する。太陽エネルギーが利用可能ではない時間中は、ゾーン７３０を覆うために絶縁体スリーブ７４８が用いられ、好ましくは、図示のように他の構成要素の例証を可能にするために除去される管ガイドの伸縮によって支持され及び示される貯蔵位置との間でガイドされる。
【０１４５】
圧密及び向流予熱の初期段階で除去された水及び他のガスは、好ましくは、捕集管７４６を通した抽出を可能にするためにルーバー又は穴７４４を通してベントされる。肥やし及び汚水のような多くの供給原料に対して、この水は、一般に固定窒素及び他の土壌栄養素を含有し、好ましくは、土壌の耕起性及び生産性を上げるために使用される。
【０１４６】
純炭素及び純水素が好ましい場合には、バイオマスは、カルシウム、マグネシウム、リン、鉄、及び他のミネラルのような灰を生成する物質を除去するために前処理されてもよい。バイオマスの灰成分は、しばしば無駄に埋立地に収集され又は汚水及び生ごみ処理作業から廃水が棄てられる際に川、湖、及び海洋に流される。本発明の幾つかの実施形態は、直ちに収集され及び土壌栄養素として有用な用途に戻されることになる灰のミネラルを提供する。これは、灰構成要素を分離するために適切な溶媒中のバイオマスの機械的分離及び溶解の組合せによって達成されてもよい。
【０１４７】
前に開示したように、実施形態７２は、以下の一般的反応に従って炭水化物及びセルロースのようなバイオマスの嫌気性消化を提供する。
ｎ（Ｃ₆Ｈ₁₀Ｏ₅）＋ｎＨ２Ｏ＋熱₃→ｎ（Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆） 式１３
ｎ（Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆）→３ｎ（ＣＨ₄）＋３ｎＣＯ₂＋熱₄ 式１４
【０１４８】
式１３及び式１４のプロセスの後に残る水性液体（ａｑｕｅｏｕｓ ｌｉｑｕｏｒ）中に取り込まれる土壌栄養素は、潅漑用水を加えることを含む種々の技術によって、枯渇した土壌に効率よく伝達される。二酸化炭素は、相変化分離を生じるための冷却によって又は水のような適切な溶媒中への吸着によって式１４の生成物から直ちに除去される。二酸化炭素は、２５気圧及び１２℃（５４°Ｆ）で水の体積１に対してガスの体積約２１．６の程度まで水に可溶である。圧力を増加させ、及び／又は温度を低下させることは、水の体積に対して溶解される二酸化炭素の量を増加させる。メタンからの二酸化炭素の分離後に、圧力を下げる又は温度を上昇させることは、溶解した二酸化炭素を放出させる。
【０１４９】
図９は、有機物質を生産する光合成７６２、メタンと二酸化炭素を生産する嫌気性解離及び又は消化７６４、水又はヒンダード・アミンのような適切な媒体中の二酸化炭素の吸収差によってメタン及び／又は水素から二酸化炭素を分離するための冷却及び相分離又は圧力スイング吸着システム７６８とを含むプロセス７６０のブロック図を示す。二酸化炭素、メタン、窒素、及び他のガスを含む混合ガスは、液体溶液中に強制される。吸収又は凝縮されないメタン及び他のガスの除去後に、分離システムから捕集された二酸化炭素は、好ましくは、エネルギー効率の良い住居の建設のためのポリマー発泡体断熱材及び軽量コンクリートを作製するために使用される。
【０１５０】
反応器７２０の管７２２に加えられるメタンのような炭化水素は、高温ゾーン７３０で分解されて炭素を生成し、式１５によって示されるように水素を放出する。
ＣＨ₄＋熱₅→Ｃ＋２Ｈ₂ 式１５
【０１５１】
式１５によって特徴付けられるプロセスによる炭素の生産は、貯蔵のための炭素源又は耐久性のある物品及び製品の性能を強化するための種々の形態への分化を提供する。式１５の一般的プロセスによって炭化水素から生産される炭素は、このような耐久性のある物品で使用される炭素１トンにつき約３．６７トンの二酸化炭素の生産を回避する。式１５の一般的プロセスによって炭化水素から生産される水素は、大気からの窒素と反応してアンモニアを生成することができ、又は発電所、醸造所、製パン所、又はか焼プラントのような適切な二酸化炭素源と反応してメタノールを生産することができる。こうしたアンモニア及びメタノールは、したがって、低温の液体水素よりも体積当たりより多くの水素を提供する水素貯蔵物質として働き、この実施形態は、式１５によって要約されるようなプロセスによって捕集された炭素１トンにつき３．６７トンの二酸化炭素の回避によって、正味の二酸化炭素減少システムとして作用する。
【０１５２】
アンモニア及びメタノールのような物質は、比較的低い圧力で地熱形成物の中に噴射することができ、熱を得た後はかなり高い圧力で蒸気に変わる。これは、式１５の炭化水素供給原料を燃やすことによって得ることができるエネルギーの量よりも図１〜図６に関して説明されるような作動のためにはるかに大きいエネルギーを戻すことを可能にする。加えて、この実施形態は、耐久性のある物品の生産のために使用される炭素１トンにつき３トンよりも多い二酸化炭素を回避すると共に、より一層収益性の高いビジネスの機会を提供する。
【０１５３】
所与の量の隔離される（ｓｅｑｕｅｓｔｅｒｅｄ）炭素を生産するために式１５のプロセスで必要とされる熱の量は、大気から二酸化炭素を捕集し及び解離するのに必要とされるエネルギーよりもかなり少ない。式１５のプロセスを実施するために必要とされる装置は、大気から二酸化炭素を抽出し及びこれを炭素と酸素に分解するために必要とされるよりもはるかに少ない関与であり、非常に簡単であり、且つより堅牢である。同様に、メタンのような炭化水素の解離によって水素を生産するためのエネルギーの量は、水から水素を生産するための要件よりも非常に少ない。こうした水素は、８６、１７６、又は５４３のような１つ又は複数の地熱形成物の中での局所的な又は遠方の間欠的貯蔵を含む局所的に又は遠い距離で使用することができると共に、その後、モータ−発電機９４、１７８、又は５３７で膨張し、最終的に１０７、１０９、１３１、１３７、及び又は４６０のような熱電気複合利用（ＣＨＰ）用途に燃料供給して、従来技術の従来の手法よりもはるかに大きい総合エネルギー利用効率を提供することができる。
【０１５４】
バイオマス固体及びメタンを含む炭化水素を炭素と水素に変換するプロセスにおいて、式１１、式１２、及び式１５に関して示されるような解離反応の生成物は、反応物よりも多くの体積を占める傾向がある。これらの吸熱反応を行うための組立体７１４の装置７２０は、ボア７３１を通して流出する水素及び他のガスがボア７３１の出口上の回転式ユニオン及び圧力調整手段によって所望の程度に加圧され及び維持されてもよいように、押出機フライト７２６によって入口に沿ってゾーン７３０に圧縮される炭素リッチな材料で及びゾーン７３０の出口の押出機フライト７３４に沿って炭素リッチな材料で反応ゾーン７３０を直ちにシールすることができる。
【０１５５】
メタンが反応器７２０の中に入る前に適切な加圧技術で低温のメタンを反応器７２０からの水素の所望の送達圧に加圧することが好ましい。嫌気性消化で生産されるガスが液化によって分離される場合、これはメタンを所望の圧力に気化することによって直ちに達成される。種々のポンプ及び圧縮機７７０による加圧もまたこの目的のために用いられてもよい。
【０１５６】
生産されてもよい炭素のタイプは、市場の需要並びに式１５のプロセスが達成される対応する温度及び圧力に応じて大きく変化する。製造段７７２に送達されるメタンは、ファイバ、カーボン・ブラック、適切な基体上のダイヤモンド状（ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ）めっき、グラファイト結晶を、及び米国特許出願第０８／９２１，１３４号、第０８／９２１，１３４号、及び第０９／３７０，４３１号の開示を含む同時係属の開示に対応する多くの他の形態で生産するのに必要な場合に処理されてもよい。
【０１５７】
或る用途に関する熱の保存の利点として、スクリュー・コンベヤ７３２が、ボア７３１を通して送達される水素及び適切に設計された押出機７２４によって流入する供給原料と向流熱交換する状態で運ばれるゾーン７３０における反応によって生産される炭素を伴う供給経路及び予熱器として設計されるであろうということも考慮される。この配置は、供給原料とは反対方向に通過する生成物の並流によってゾーン７３０に到達する前に内部から及び外部から流入する供給原料の向流加熱を提供する。
【０１５８】
式１５の反応によって生成される炭素は、スクリュー・コンベヤ７３２によって管７２４と向流熱交換する状態で搬送されて、流入するメタンを予熱し、したがって太陽エネルギーが式１５のプロセスを完了させる全体的効率及び速度を増加させる。生産される水素は、管コンベヤ７３２のボア７３１の中に捕集され、熱は、ゾーン７３０の方に通過する反応物との向流熱交換において除去される。生産される再生可能な水素は、燃料電池又は空気を実際に浄化し且つ周囲大気よりもきれいな排気を提供する既存のエンジンで用いることができる。
【０１５９】
炭素は、式１５で要約されるプロセスによって生産される際にコンベヤ・フライト７２６と管７２２の内壁との間に気密シールを連続的に形成する。これは、好ましくは、最大の圧密が望まれる場所でより短い押出機スクリュー・フライト・リードを作製することによって保証される。水素への変換を受ける材料がスクリュー・コンベヤ通過ゾーン７３０における出口上のゾーン７３０を通過した後で、最大の炭素圧密及びシーリング効果を提供することが一般に望ましい。
【０１６０】
式１１、式１２、式１５、式１６、及び式１８で示されるプロセスにおける反応物の運搬は、図示のようにスクリュー・コンベヤに加えて多くの他の手段によってなされるであろうということが考慮される。例証すると、バイオマスは、往復プランジャの代わりにスクリュー・コンベヤ７２４によって反応ゾーンに強制することができ、炭素は、スクリュー・コンベヤ７３２の代わりにチェーン・ドライブ・コンベヤを含む他の抽出方法によって高温端から抽出することができる。
【０１６１】
他の価値ある生成物と共に１つ又は複数のテルペンのような液体燃料又は溶媒の蒸気を生じることが望ましい場合に、反応温度は、普通は低下された温度又は増加された成分のスループット量に調整されてもよい。水素、炭素、メタノール、及びテルペンチンのような有用な化合物は、示される平均化合物式をもつ典型的なバイオマス廃棄物供給原料の一部に対して式１６で要約されるように管ボア７３１の中で生産され及び捕集されてもよい。
Ｃ₆Ｈ₁₀Ｏ₅＋熱₆→ＣＨ₃ＯＨ＋４ＣＯ＋３Ｈ₂＋Ｃ 式１６
【０１６２】
液体燃料及び／又は溶媒のより高い収率が望まれる場合、式１６の典型的なプロセスで生じる一酸化炭素と水素は、好ましくは適切な触媒の存在下で反応して、付加的なメタノール及び水素を生じてもよい。
４ＣＯ＋３Ｈ₂→４ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂＋熱₇ 式１７
【０１６３】
ゾーン７３０の中へのバイオマスの移動量及び螺旋コンベヤ３２による固体残留物の抽出率は、好ましくは、ガス、蒸気、及び固体残留物の流れの中の生成物の種類及び品質の圧力、温度、及び他の指標の計装に応答するコンピュータによって制御される。
【０１６４】
一酸化炭素は、式１８で要約されるプロセスによって示されるように不均化によって所望の形態の分離された（ｓｅｑｕｅｓｔｅｒｅｄ）炭素に分解され又は変換されてもよい。
２ＣＯ→Ｃ＋ＣＯ₂＋熱₈ 式１８
【０１６５】
式１８におけるような解離又は不均化は、発熱であり、５００℃〜８００℃で１０〜４０気圧の条件下で進むであろう。
【０１６６】
市場条件が燃料電池又は空気を浄化する熱機関のための水素生産を好む場合、一酸化炭素は、式１９に示すように蒸気と発熱反応で反応して水素を生じることができる。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂＋熱₉ 式１９
【０１６７】
式１１及び式１２で要約されるプロセスによって生産される一酸化炭素は、図９及び図１０に例証されるように水素及び／又は炭素の生産を要求するプロセスから選択される場合に市場の需要を満たすために多くの生成物に変換することができる。式１２、式１５、及び式１６のプロセスのような吸熱反応に必要とされる追加熱の一部として、式１７、式１８、及び式１９のプロセスによって放出される熱を使用することが好ましい。
【０１６８】
図１０は、光合成で始まり、これを通じて肥やし、生ごみ、及び汚水のような有機供給原料が７８２に表されるように生産され、向流の再生的な予熱及び嫌気性熱分解によって炭素リッチの残留物及び好ましくは図７及び図８に関して開示された実施形態によって７８４として描かれるプロセスにおけるメタノール、水素、及び一酸化炭素のような流体に変換される、価値ある燃料、溶媒、化学前駆体、及び多様な分離された炭素生成物を生産するための好ましいプロセスステップを示す。
【０１６９】
嫌気性熱分解によって生産される水素及び一酸化炭素のようなガスは、ポンプ７８３によって送達され、分離されて、７８６において所望の度合いの精製を生じる。ポンプ７８８は、一酸化炭素を計量ポンプ７９０及び７９２によって適切に釣り合いがとられ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｅｄ）、且つプロセス７９４、７９６、及び７９８に描かれた生成物のような多様な生成物にさらに変換されるように送達する。
【０１７０】
プロセス７９４において、熱８は、一酸化炭素が炭素と二酸化炭素に解離する際に生じる。プロセス７９６において、熱７は、一酸化炭素が水素と化合してメタノールを生じる際に放出される。プロセス７９８は、蒸気を一酸化炭素と発熱反応で反応させて水素と二酸化炭素を生じる。これらの発熱プロセスによって放出された熱は、プロセス７９８で用いられる蒸気を生産するため、プロセス７８４において付加的な熱が提供される前にバイオマス供給原料を乾燥させるため、プロセス７７２において嫌気性消化装置７６４を加熱してメタン及び／又は水素生産率を増加させるため、及び多くの他の有用な目的のために使用される。
【０１７１】
したがって、本発明の幾つかの実施形態は、光合成からなる大気から炭素を隔離する、光合成されたバイオマスを捕集する、及びバイオマスを加熱して炭素、水素、メタノール、テルペン、及び灰を含む群から選択される生成物をもたらすための実用的なプロセスを提供する。大気中にｒｏｔすることを普通は許され、且つ二酸化炭素及び／又はメタンの蓄積に寄与するバイオマス廃棄物は、ここで、効率よく水素、炭素、及び土壌栄養素を生産するために使用することができる。熱力学的及び熱化学的利点をもつ実用的なシステムは、水素及び又は炭素供与体化合物から炭素及び又は水素を抽出し、１つ又は複数の局所的サブシステム用途に又は１つ又は複数の地熱形成物の中での間欠的貯蔵の１つ又は複数の機会の後にかなりの距離で使用されることになるこうした水素を提供する。こうした水素は、最終的に燃料電池で使用され又は内燃機関、外燃機関、複合サイクル熱機関によって燃焼される前の１つ又は複数の膨張モータでの、及び／又は熱電気複合利用用途での熱交換及び膨張を容易にする点で優れている。
【０１７２】
沼地に、湖に、海洋底上に、極氷塊、ツンドラ、及び永久凍土の凍結した構成要素として、前に貯蔵された有機物質を有する地球の表面ゾーンで空気及び土壌を温める憂慮すべき傾向が発生した。特に、氷及び凍結した有機堆積物中に保存されたメタンハイドレート及び有機物質を含むこうした堆積物は、２０００フィートの深さの位置にある場合があり、石炭、石油、及び天然ガスのより深層の堆積物に現存するすべての炭素よりもはるかに多くの炭素を含有すると推定されている。二酸化炭素又はメタンの放出へのこうした有機炭素源の比較的小規模な変換であっても、地球大気中の炭素物質の濃度を倍以上に増やすであろう。
【０１７３】
年を追って放出されている数百万トンの二酸化炭素、メタン、及び他の温室効果ガスによって生じる地球温暖化は、地球の永久凍土を温め、細菌及び他の微生物が他の温室効果ガスと共に有機分（ｏｒｇａｎｉｃ ｃｏｎｔｅｎｔｓ）をメタンと二酸化炭素のような生成物に変換し、且つリン酸塩及び硝酸塩を放出することを可能にする。
【０１７４】
例証すると、自然生息地は、枯れて以前は魚を養っていた水を嫌気性デッドゾーンにする、植物種の急成長によって脅かされている。海氷の融解及び永久凍土の解凍からのこうした堆積物に起因する漁場の損失は、沿岸地域（ｃｏｓｔａｌ ａｒｅａ）の侵食を悪化させて、村落を放棄させ又は移動させることになる。
【０１７５】
図１１は、メタンの嫌気性生産からのメタンを捕集するために海洋底の広い領域上で採用されてもよい、すなわち幾つかの用途において選択された波長での放射の反射率を提供するためにメタライズされてもよい８１０のような１つ又は複数の層を有してもよい不透過性膜８３０の下にあるパイプ８１２の多孔性又は穿孔８１４によって永久凍土の解凍からのメタンと二酸化炭素の捕集を提供する実施形態８００を示す。膜８３０は、ポリマーフィルムのような絶縁材の複数の層を含んでもよく、各層は、放射の通過を制御するために、アルミニウム、銀、クロム、亜鉛、又は二色性（ｄｉａｃｈｒｏｍａｔｉｃ）反射コーティングのような適切な反射コーティング又はフィルムを含んでもよい。他の用途において、膜８３０は、夜空条件への排熱を可能にすること、又は膜８３０の下に収容された材料に熱を加えるための放射を得ることのような目的で、放射伝達を容易にしてもよい。
【０１７６】
熱を除去し及び図１２に示すように膜８３０の下にある永久凍土８２２を保存する目的で膜８３０の下からの熱を表面に移動させるために、８４０のようなヒートパイプが使用されてもよい。熱は、ゾーン８４２で適切な液体が蒸発し、ゾーン８４４で蒸発物が凝縮して周囲に熱を放出する際に伝達され又は除去される。ゾーン８４４で生産される凝縮物は、ゾーン８４２に排出されて、サイクルが続いていく際の蒸発によってより多くの熱が除去される。したがって、ゾーン８４４の周囲温度がゾーン８４２の温度を下回るときに、熱は表面に除去される。ゾーン８４４の温度がゾーン８４２の温度に等しいか又はこれを上回るときに、ヒートパイプ８４０は、継続的な伝熱に貢献する条件が発生するまで待機する。熱除去率の変調は、８４６のような弁の作動によって永久凍土８２２の上の車道のようなゾーンの熱膨張又は熱収縮を制御して、車道を破壊するヒービング又はガスポケットに起因する道路の損傷を防ぐために提供されてもよい。
【０１７７】
作動時には、膜８３０を定位置に保持するために及び又はこれをカラブー（ｃａｒａｂｏｏ）又は他の地上トラフィックの通過による貫入から保護するために、雪、砂利、廃石、又は土８０２の上層が使用されてもよい。膜８３０の下のゾーンから放出されるメタンは、式２０、式２１、及び式２２で要約される例証となる手順のようなステップを行う機器によって捕集され及び処理されてもよい。
ＣＨ₄＋熱→Ｃ＋２Ｈ₂ 式２０
ＣＨ₄＋Ｃ→Ｃ₂Ｈ₄ 式２１
ｎＣ₂Ｈ₄→（Ｃ₂Ｈ₄）ｎ 式２２
【０１７８】
メタンは、捕集され解離されて炭素と水素を生じる。こうした水素は、エネルギーを貯蔵する及び又は適切なエネルギー変換プロセスにおいて式２１及び式２２で要約されるプロセスを行う機器の作動のための動力を生産するために用いられてもよい。式２０のプロセスによって提供される炭素は、示されるようにメタンと反応して、重合されて炭素の濃厚な貯蔵を生産するエチレンを、又は本発明のプロセスで使用されるパイプ、取付具、及び弁の生産に適したものであってもよい種々のポリマーとして、生じてもよい。
【０１７９】
他の態様において、適切な地層の中での熱、化学、圧力、及び高さのような種々の形態のポテンシャルエネルギーとしてのエネルギーの貯蔵は、形成物と相互作用して、貯蔵される物質の温度、圧力、及び化学ポテンシャルを増加させることを含む多くの利点を提供することができる。これは、化学ポテンシャルエネルギーの貯蔵、圧力ポテンシャルエネルギーの貯蔵、化学及び圧力ポテンシャルエネルギーの貯蔵、形成物からこうした流体への伝熱、前記形成物からこうした流体への物質の伝達、及び前記流体の存在の結果としての前記形成物からの物質の生産を含む目的で、流体の１つ又は複数の物質を地層下におくエネルギー変換システムを可能にする。
【０１８０】
これは、１つ又は複数のエネルギー変換デバイスにおける物質のうちの少なくとも１つによる仕事生産をさらに可能にし、流体物質のうちの少なくとも１つは、適切なエネルギー変換デバイスを駆動するために送達される液体、混合された液体と蒸気、蒸気、又はガスのような状態を提供するように調整される。
【０１８１】
炭化水素を含有する地層において、システムは、一般に又は特に、地層から１つ又は複数のタイプの炭化水素を抽出する物質を提供することができる。
【０１８２】
作動流体は、１つ又は複数の流体物質が太陽、工業、商業、燃料電池、及び熱機関源からの伝達から補足的な熱を受け取る、太陽又は工業、商業、燃料電池、及び熱機関源からの排熱によってさらに加熱することができる。
【０１８３】
かなりの高さでの作動流体の発達及び調整は、プロセス効率を高める。高さは、圧力ヘッドと、下降する作動流体のより多くの運動エネルギーを発達させる。これは、流体が蒸気又はガスとしてその高度に上昇し、凝縮後は、下降して適切なモータによって利用される運動エネルギーを得る液体として働く場合を含む、風力タービン塔、丘、又は高い高度での他の地勢、通信塔、及び建設された塔のような高度で１つ又は複数の流体物質が提供され又は生産されることを可能にする。
【０１８４】
流体又は作動流体は、種々のプロセスを通して水素、二酸化炭素、一酸化炭素、メタンなどを抽出することによって生産することができる。調整は、作動流体を所望の状態に変換することを含む。これは、嫌気性消化装置の液体からの触媒作用による放出、水素を含有する化合物からの電解生産、及び嫌気性消化装置の液体からの作動流体生産の組み合わされた電気的及び触媒作用による勢いのようなプロセスを含む、流体を生産し及び調整するためのプロセスを可能にする。これは、エネルギーの安全性を増加させ、需要に応じて給電可能なエネルギー変換を可能にする目的で、汚水、生ごみ、農場廃棄物、及び森林の木くず（ｆｏｒｅｓｔ ｓｌａｓｈ）が、地層の中に貯蔵されてもよい作動流体成分に変換されることを可能にする。作動流体は、化学ポテンシャルエネルギーの貯蔵、圧力ポテンシャルエネルギーの貯蔵、化学及び圧力ポテンシャルエネルギーの貯蔵、前記形成物からこうした流体への伝熱、こうした形成物からこうした流体への物質の伝達、及びこうした流体の存在の結果としての形成物からの物質の生産のような目的で、地層に送達されてもよい。作動流体は、水素、二酸化炭素、又は水素と二酸化炭素との混合物若しくはメタンで構成することができ、又は表２に例証して挙げられる選択物のような他の選択物で構成されてもよい。これは、組み合わされた貯蔵、物質の送達、及び１つ又は複数のエネルギー変換デバイスにおける少なくとも１つの流体物質による仕事生産のためのプロセスを可能にし、流体物質のうちの少なくとも１つは、エネルギー変換デバイスを駆動するために送達される液体、混合された液体と蒸気、蒸気、又はガスのような状態を提供するように調整される。
【０１８５】
システムは、エネルギー変換デバイスを作動させ又は駆動するために該システムが送達する作動流体を発達させ、その後、表面、表面付近、又はより深層を含む地層によって供給され又はこの中に貯蔵された熱を利用して、さらなるエネルギー変換ステップを提供すること及び種々の植物の種類を養う又は育成することのような目的で作動流体を調整してもよい。
【０１８６】
さらに、システムは、地熱を貯蔵し及び又は生産し及び使用して、燃料、化学抽出、及び食物生産目的で選択された種類を含む水生植物生産、温室植物生産、水耕植物生産のための温度を高めること及び二酸化炭素を供給することのような目的で、二酸化炭素、メタン、及び水素のような調整された流体を発達させ及び送達してもよい。
【０１８７】
このシステムは、有機物質からの水素又は流体燃料の抽出を提供し、且つ化石石油化学物質の置換えに比べてより少ないエネルギーで選択された収穫物からポリマーを作製するので、経済的により効率的である。こうしたシステムはまた、固定窒素及び微量ミネラルを農業、造園、及び他の農作業の土壌に戻すことを可能にする。
【０１８８】
別の態様において、システムは、メタン、エタン、プロパン、メタノール、エタノール、水素、硫化水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素のような１つ又は複数の流体物質に有機物質を変換して、農業に対する付加価値活動を生じるために農業慣行を組み入れる効果的な経済開発エンジンを提供することを含む。これは、１カロリーの食用物質を１０石油カロリー以上の消費で植物に送達し、施肥し、耕作し、収穫し、及びこうした食用物質を加工する非効率的な慣行を克服することができる。
【０１８９】
別の実施形態は、収穫物を生産し、エネルギー変換プロセスにおける蒸発冷却及び加湿の恩恵を提供するために、雨水の捕集及び貯蔵を提供する。
【０１９０】
別の実施形態は、適切なフィルタ、圧力スイング吸収、温度スイング吸収、溶液吸収、及び膜分離による、固定窒素及び又は微量ミネラルを農作業に戻すための選択的除去又は付加価値用途のための化学物質の選択的除去を含む選択的除去によって、流体物質の選択された成分を分離するシステムを提供する。
【０１９１】
別の実施形態は、熱解離のための熱の使用によって有機物質からの水素又は燃料流体の抽出を提供し、及びこうした抽出された物質を地層の中に貯蔵するシステムを提供する。
【０１９２】
別の実施形態は、１つ又は複数の前記流体物質の一部の燃焼、太陽加熱、電気加熱、及び内燃機関、外燃機関、膨張モータ、及び燃料電池のようなエネルギー変換デバイスとの熱交換のような熱源を使用する吸熱プロセスによって導出される有機物質を１つ又は複数の流体物質に変換するための向流熱交換を提供するシステムを提供する。
【０１９３】
別の実施形態は、有機物質がエネルギー変換作動のための水素及び又は流体炭化水素のような流体物質に変換されるシステムを提供し、炭素は、耐久性のある物品を製造し及び生産してこうした炭素が汚染成分として環境に入るのを防ぐために抽出される。
【０１９４】
上記のシステムの改善は、変換が或る箇所でなされることを含み、１つの箇所で捕集された有機物質と流体物質は、別の箇所に輸送されて炭素を抽出される。
【０１９５】
別の実施形態において、前記有機物質は、前記有機物質が豊富である場所で前記流体物質に変換され、前記流体のうちの１つ又は複数は、前記炭素が気体化合物として大気に入るのを防ぐ目的で前記流体のうちの１つ又は複数から炭素が分離される場所に輸送されて固体生成物を生じる。流体物質への変換の前に有機物質を乾燥させるために熱交換が用いられる。熱交換源は、流体物質の燃焼、流体物質の高温、及びエンジン又は燃料電池のようなエネルギー変換デバイスを含む。
【０１９６】
この実施形態の態様において、前記有機物質は、前記流体物質のうちの１つ又は複数の一部の燃焼、前記有機物質よりも高い温度で生産された後の前記流体物質のうちの１つ又は複数、前記有機物質よりも高い温度に加熱された後の１つ又は複数の前記流体物質、及び内燃機関、外燃機関、膨張モータ、及び燃料電池を含む群から選択されるエネルギー変換デバイスとの熱交換から選択された熱源からの向流熱交換によって、前記流体物質への変換の前に乾燥される。
【０１９７】
この実施形態の別の態様は、スクリュー・コンベヤによる圧密、ラムによる圧密、及び固体からより容積の大きな流体への相変化による圧密を含む群から選択される１つ又は複数のプロセスによる前記流体物質の加圧を含む。
【０１９８】
別の実施形態は、水素供与体の解離生成物と熱を交換する水素供与体を備える、向流熱交換のためのシステムを提供する。この実施形態の態様において、解離は、捕えられた太陽熱、集中された太陽熱、燃焼熱、地層熱、非燃焼源からの排熱からなる熱源の群（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）から選択された熱によって引き起こされる。
【０１９９】
別の実施形態は、炭素又は水素供与体化合物からの炭素又は水素の抽出を提供し、前記水素は、１つ又は複数のサブシステム用途に局所的に若しくは１つ又は複数の地層（ｇｅｏｌｏｇｉｃ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）の中での間欠的貯蔵の１つ又は複数の機会の後に或る距離で使用される。この実施形態の態様において、前記水素は、最終的に燃料電池で使用され又は内燃機関、外燃機関、複合サイクル熱機関からなる群から選択される手段及び熱電気複合利用用途のための手段によって燃焼される前に、１つ又は複数の膨張手段の中で膨張を行う。
【０２００】
別の実施形態は、バイオマス上の微生物の活動によって調製される物質からの水素の触媒で補助された放出を提供する。この実施形態の態様において、前記触媒は有機触媒である。この実施形態の別の態様は、前記触媒と併せて使用される放射による力、振動による力、電動力、及び磁力を含む群から選択される勢いを含む。
【０２０１】
別の実施形態は、上昇気流及び下降気流（ｗｉｎｄ ｃｏｌｕｍｎ ｕｐｄｒａｆｔｓ ａｎｄ ｄｏｗｎｄｒａｆｔｓ）、井、地層、パイプライン、流域コレクション（ｗａｔｅｒｓｈｅｄ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）、及びポリマー材料に関連する機能部を含む本明細書で説明される要素を備えるエネルギー変換装置を提供する。この実施形態の態様において、装置は多様な微気候ゾーンをサポートし、前記ゾーンはサブゾーンをさらに備え、前記サブゾーンは、仕事のために操作することができる独自の熱、湿気、天然資源、又はエネルギー伝達特徴を収容する。
【０２０２】
別の実施形態は、生産性を増加させる経済的誘因のための方法と、生産性を減少させる負の誘因を除去するための方法と、栽培、製造、エネルギー生産、情報、及びエネルギー管理における雇用を創出するための方法と、持続可能性のマクロ経済的アルゴリズムを実施するための方法とを含む、持続可能な経済開発エンジンシステムを提供する。
【０２０３】
別の実施形態は、収穫物を生産するのに用いられるエネルギーのコストを減少させることによって収穫量を改善する方法と、土壌に微量ミネラルを戻すことによって肥料の必要性を減少させる方法と、収穫物に藻類を施肥する方法と、水管理のためのシステムと、エネルギー生産及び管理のためのシステムと、収穫物のポテンシャルを増加させるためのＣＯ２の使用とを含む、農業プロセスを提供する。
【０２０４】
別の実施形態は、必要な場合に囲い込む、若しくは空気（上昇気流／下降気流）又は降水（ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ）を加える環境へのアクセスを監視することができる、微気候で収穫物を育てるためのシステムと、収穫物の廃棄物（ステム、茎、わら（ｓｔｏｖｅｒ））を炭素又は水素にするマクロ食物生産システムとを提供する。
【０２０５】
別の実施形態は、魚の産卵をサポートするための栄養素、酸素、及びきれいな水を提供する方法と、環境をサポートするために温度を監視し及び制御するためのシステムと、魚のための栄養としてバイオマス／液体からタンパク質、炭水化物、脂肪、ビタミン、ミネラルを抽出するシステムとを含む、魚の産卵システムを提供する。
【０２０６】
別の実施形態は、動物を制御された環境で飼育するシステムと、無農薬又は無肥料で飼料収穫物を育てるためのシステムと、酸性雨及び還元剤によって酸性化された状態に調整される水を含む酸性化された水の他の源からの水素の抽出によって水を浄化する水管理システムとを含む、家禽、ブタ、ウシの（家畜業）システムを提供する。
【０２０７】
別の実施形態は、前記地層からのヒートゲイン、化学エネルギー及び又は圧力エネルギーの間欠的貯蔵、及び価値ある物質の抽出からなる群から選択される目的のために地層に１つ又は複数の流体物質を曝すステップであり、仕事生産が、１つ又は複数のエネルギー変換デバイスにおける前記１つ又は複数の流体物質のうちの少なくとも１つによって達成され、前記１つ又は複数の流体物質のうちの少なくとも１つが、前記１つ又は複数のエネルギー変換デバイスを駆動するために送達される液体、混合された液体と蒸気、蒸気、又はガスからなる群から選択された状態を提供するように調整されるステップを含む、エネルギー変換のためのプロセスを提供する。この実施形態の別の態様は、前記地層が炭化水素を含有することを含む。この実施形態の別の態様は、１つ又は複数の流体物質を地層に曝した後で、前記１つ又は複数の流体物質が太陽、工業、商業、及び熱機関源からなる群から選択される熱源からの補足的な熱を受け取ることを含む。この実施形態の別の態様は、風力タービン塔、丘、又は高い高度での他の地勢、通信塔、及び建設された塔からなる群から選択される実施形態によって提供される高度で前記液体が生産されることを含む。
【０２０８】
別の実施形態は、嫌気性消化液からの触媒作用による放出、水素を含有する化合物からの電解生産、嫌気性消化液からの作動流体生産の組み合わされた電気的及び触媒作用による勢いからなる群から選択されるプロセスによって流体を生産し及び調整するためのプロセスを提供する。この実施形態の別の態様は、水素、二酸化炭素、水素と二酸化炭素からなる群から選択される前記流体を含む。この実施形態の別の態様は、化学ポテンシャルエネルギーの貯蔵、圧力ポテンシャルエネルギーの貯蔵、化学及び圧力ポテンシャルエネルギーの貯蔵、前記形成物から前記流体への伝熱、前記形成物から前記流体への物質の伝達、及び前記流体の存在の結果としての前記形成物からの物質の生産からなる群から選択される目的のために、前記流体が地層に送達されることを含む。この実施形態の別の態様は、前記流体がエネルギー変換デバイスを推進するために用いられることを含む。
【０２０９】
別の実施形態は、地熱を生産し及び使用して、及び水生植物生産、温室植物生産、水耕植物生産、及び１つ又は複数のエネルギー変換デバイスの作動のための作動流体としての使用からなる群から選択される目的で、二酸化炭素、メタン、及び水素からなる群から選択される流体を発達させ及び送達するためのプロセスを提供する。この実施形態の別の態様は、藻類からなる群から選択される前記水生植物を含む。
【０２１０】
別の実施形態は、メタン、エタン、プロパン、メタノール、エタノール、水素、硫化水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を含む群から選択される１つ又は複数の流体物質に有機物質を変換するためのシステムを提供し、硫化水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を含む群から選択される前記物質の一部の除去が、圧力スイング吸収、温度スイング吸収、溶液吸収、及び膜分離を含む群から選択される選択的除去プロセスによって達成され、有機物質を流体に変換するための前記プロセスが、前記物質のうちの１つ又は複数の一部の燃焼、前記有機物質よりも高い温度で生産された後の前記物質のうちの１つ又は複数、前記有機物質よりも高い温度に加熱された後の前記物質のうちの１つ又は複数、及び内燃機関、外燃機関、膨張モータ、及び燃料電池を含む群から選択されるエネルギー変換デバイスとの熱交換から選択された熱源からの向流熱交換で達成される。この実施形態の別の態様は、前記エネルギー変換デバイスが前記流体物質から選択された物質を使用することを含む。この実施形態の別の態様は、前記有機物質が前記流体物質に変換され、炭素がこうした炭素が気体化合物として大気に入るのを防ぐ目的で前記物質のうちの１つ又は複数から分離されて固体生成物を生じることを含む。この実施形態の別の態様は、前記有機物質が、こうした有機物質が豊富である場所で前記流体物質に変換され、前記流体のうちの１つ又は複数が、こうした炭素が気体化合物として大気に入るのを防ぐ目的で前記流体のうちの１つ又は複数から炭素が分離される場所に輸送されて固体生成物を生じることを含む。この実施形態の別の態様は、前記有機物質が、前記流体物質のうちの１つ又は複数の一部の燃焼、前記有機物質よりも高い温度で生産された後の前記流体物質のうちの１つ又は複数、前記有機物質よりも高い温度に加熱された後の１つ又は複数の前記流体物質、及び内燃機関、外燃機関、膨張モータ、及び燃料電池を含む群から選択されるエネルギー変換デバイスとの熱交換から選択された熱源からの向流熱交換によって、前記流体物質への変換の前に乾燥されることを含む。この実施形態の別の態様は、スクリュー・コンベヤによる圧密、ラムによる圧密、及び固体からより容積の大きな流体への相変化による圧密を含む群から選択される１つ又は複数のプロセスによる前記流体物質の加圧を含む。
【０２１１】
別の実施形態は、内燃機関手段を作動させるためのプロセスであって、前記エンジンにおける出力生産イベントと等しい周波数で起こる機械的移動手段によって作動される通常閉鎖される弁手段によって制御される時に前記エンジンの中に流体燃料が導入され、前記燃料の導入が、エンジンのアイドル、アイドル状態を超える出力生産、全出力生産を含む群から選択されるタスクを達成するように制御される、プロセスを提供する。この実施形態の別の態様は、機械的移動手段によって前記始動の前に作動可能な電磁手段、機械的移動手段によって前記始動中に作動可能な電磁手段、前記始動の後の電動手段、を含む群から選択される手段によって前記弁手段が制御されることを含み、前記電動手段は、電磁ソレノイド、圧電デバイス、磁気流体デバイスを含む群から選択される。この実施形態の別の態様は、ロータリカム手段、前記カム手段からの前記弁手段の実質的な分離を可能にするために機械的プッシュ−ロッド手段と結合されたロータリカム手段、前記カム手段からの前記弁手段の実質的な分離を可能にするために前記通常閉鎖される弁手段を始動するロッカーアーム手段と結合されるロータリカム手段を含む群から選択されるプロセス手段によって提供される前記機械的移動手段によって前記弁手段が作動されることを含む。この実施形態の別の態様は、前記燃料が、燃焼室手段が燃焼に備えて閉鎖された後の前記燃焼室手段、火花点火手段によって点火が起こる箇所での前記燃焼室手段、触媒点火手段によって点火が起こる箇所での前記燃焼室手段、熱点火手段によって点火が起こる箇所での燃焼室手段、前記燃焼室手段の中への気体オキシダントの強化された流れを誘起するために前記燃料のモーメントを使用する目的で選択された場所を含む群から選択される場所及び条件に従って導入されることを含む。
【０２１２】
別の実施形態は、内燃機関を作動するためのプロセスであって、気体オキシダント内の場所に前記燃料を分配する手段によって、前記燃料と化合できる過剰量の前記オキシダント内の前記燃料の分配、前記燃料が前記燃料の導入手段に加えて前記燃焼室を画定するあらゆる固体表面と接触する前に前記燃料が前記オキシダントと完全燃焼するような前記オキシダント内の前記燃料の分配、及び前記燃料の導入手段による前記燃焼室内の非対称の場所への分配から選択された条件を提供するように前記エンジンの燃焼室手段の中に流体燃料が導入されるプロセスを提供する。
【０２１３】
別の実施形態は、水素供与体及び前記水素供与体の解離生成物による向流熱交換のためのシステムを提供する。この実施形態の別の態様は、解離が、捕えられた太陽熱、集中された太陽熱、燃焼熱、地層熱、非燃焼源からの排熱からなる熱源の群から選択された熱によって引き起こされることを含む。
【０２１４】
別の実施形態は、炭素又は水素供与体化合物から炭素又は水素を抽出することを含む抽出システムを提供し、前記水素は、１つ又は複数のサブシステム用途に局所的に若しくは１つ又は複数の地層の中での間欠的貯蔵の１つ又は複数の機会の後に或る距離で使用される。この実施形態の別の態様は、前記水素が、最終的に燃料電池で使用され又は内燃機関、外燃機関、複合サイクル熱機関からなる群から選択される手段及び熱電気複合利用用途のための手段によって燃焼される前に、１つ又は複数の膨張手段の中で膨張を行うことを含む。
【０２１５】
別の実施形態は、バイオマス上の微生物の活動によって調製される物質からの水素の触媒で補助された放出を含む、水素放出システムを提供する。この実施形態の別の態様は、前記触媒が有機触媒であることを含む。この実施形態の別の態様は、前記触媒と併せて使用される放射による力、振動による力、電動力、及び磁力を含む群から選択される勢いを含む。
【０２１６】
別の実施形態は、上昇気流及び下降気流、井、地層、パイプライン、流域コレクション、及びポリマー材料に関連する機能部を含む本明細書で説明される要素を備えるエネルギー変換装置を提供する。この実施形態の別の態様は、前記装置が多様な微気候ゾーンをサポートし、前記ゾーンがサブゾーンをさらに備え、前記サブゾーンが仕事のために操作することができる独自の熱、湿気、天然資源、又はエネルギー伝達特徴を収容することを含む。
【０２１７】
別の実施形態は、生産性を増加させる経済的誘因のための方法と、生産性を減少させる負の誘因を除去するための方法と、栽培、製造、エネルギー生産、情報、及びエネルギー管理における雇用を創出するための方法と、持続可能性のマクロ経済的アルゴリズムを実施するための方法と、微気候（人工）共同体（持続可能な都市）内の農業と、抽出された炭素からの農機具と、健康上の恩恵とを含む、持続可能な経済開発エンジンシステムを提供する。
【０２１８】
別の実施形態は、収穫物を生産するのに用いられるエネルギーのコストを減少させることによって収穫量を改善する方法と、土壌に微量ミネラルを戻すことによって肥料の必要性を減少させる方法と、収穫物に藻類を施肥する方法と、水管理のためのシステムと、エネルギー生産及び管理のためのシステムと、収穫物のポテンシャルを増加させるＣＯ２；必要な場合に囲い込む、若しくは空気（上昇気流／下降気流）又は降水を加える環境へのアクセスを監視することができる、微気候で収穫高を育てるためのシステムと、収穫物の廃棄物（ステム、茎、わら）を炭素又は水素にするマクロ食物生産システムと、を含む農業プロセスを提供する。
【０２１９】
別の実施形態は、魚の産卵をサポートするための栄養素、酸素、及びきれいな水を提供する方法と、環境をサポートするために温度を監視し及び制御するためのシステムと、魚のための栄養としてバイオマス／液体からタンパク質、炭水化物、脂肪、ビタミン、ミネラルを抽出するシステムとを含む、魚の産卵システムを提供する。
【０２２０】
別の実施形態は、動物を制御された環境で飼育するシステムと、無農薬又は無肥料で飼料収穫物を育てるためのシステムと、酸性雨及び還元剤によって酸性化された状態に調整される水を含む酸性化された水の他の源からの水素の抽出によって水を浄化する水管理システムと、収穫物の点滴潅漑を利用するためのシステムと、を含む家禽、ブタ、ウシの（家畜業）システムを提供する。
【０２２１】
別の実施形態は、水を浄化するシステムと、酸性雨を中和し及び浄化する方法と、酸性雨から水素を抽出する方法と、収穫物とのドリップライン（ｄｒｉｐ ｌｉｎｅｓ）を使用するためのシステムとを含む、水管理システムを提供する。
【０２２２】
別の態様において、持続可能な経済開発のための方法は、太陽、風、流水、有機、又は地熱資源を電気、水素、水素を含有する化合物、又は炭素を含有する化合物に変換するための手段を含み、前記炭素は、耐久性のある物品手段、前記変換を可能にする機器手段、又は輸送構成要素手段を生産するために使用される。方法は、前記水素又は前記水素を含有する化合物又は前記炭素を含有する化合物を天然ガスパイプライン手段に加える、貯蔵する、及び分配するための、並びに前記水素又は前記水素を含有する化合物又は前記炭素を含有する化合物を石油地層手段に又は他の地層手段に貯蔵するための手段をさらに含むことができる。方法は、前記石油地層手段又は他の地層手段から前記水素又は前記水素を含有する化合物又は前記炭素を含有する化合物と共に物質を除去する、加える、貯蔵する、及び分配するための手段をさらに含むことができる。別の態様において、方法は、前記石油地層手段又は他の地層手段から前記水素又は前記水素を含有する化合物又は前記炭素を含有する化合物と共に熱を除去するための手段をさらに含むことができる。別の態様において、方法は、前記石油地層手段又は他の地層手段からの前記熱を動かす仕事に変換するための手段をさらに含むことができる。方法は、電気、水素、水素を含有する化合物、又は化合物への太陽、風、流水、有機、又は地熱資源の変換を動かす仕事への前記石油地層手段又は他の地層手段からの前記熱の変換と組み合わせるための手段をさらに含むことができる。方法は、前記太陽エネルギーを、食品手段、ファイバ手段、燃料手段、及び製造手段のための供給原料手段を含む群から選択されるバイオマス手段に変換するための手段をさらに含むことができる。
【０２２３】
以下の実施形態は、上記の実施形態で用いられる電解槽を開示する。
【０２２４】
本発明の一実施形態において、閉じ込め容器と、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極及び第２の電極と電気的に連通する電流源と、第１の電極及び第２の電極と流体的に連通する電解質と、ガスであり、第１の電極で又はこの付近で電気分解中に生成されるガスと、分離器であり、ガスが第２の電極に対し遠位方向に実質的に流れるように電解質の密度と電解質とガスとの組み合わされた密度との間の差異に起因して電解質とガスの流れを導くために傾斜面を含む分離器とを備える電解槽が提供される。
【０２２５】
別の実施形態において、閉じ込め容器と、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極及び第２の電極と電気的に連通する電流源と、第１の電極及び第２の電極と流体的に連通する電解質と、ガスであり、第１の電極で又はこの付近で電気分解中に生成されるガスと、ガス抽出領域と、分離器であり、「Ｖ」字形状を形成する２つの傾斜面を備え、ガスが第２の電極に対し遠位方向に実質的に流れるように電解質の密度と電解質とガスとの組み合わされた密度との間の差異に起因して電解質とガスの流れを導き、第１の電極とガス抽出領域と第２の電極との間の電解質の循環を促進して新鮮な電解質を第１の電極及び第２の電極に提供するようにさらに構成される分離器とを備える電解槽が提供される。
【０２２６】
また別の実施形態において、閉じ込め容器と、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極及び第２の電極と電気的に連通する電流源と、第１の電極及び第２の電極と流体的に連通する電解質と、ガスであり、第１の電極で又はこの付近で電気分解中に生成されるガスと、分離器であり、ガスが第２の電極に対し遠位方向に実質的に流れるように電解質の密度と電解質とガスとの組み合わされた密度との間の差異に起因して電解質とガスの流れを導くために傾斜面を含む分離器とを備える電解槽が提供される。
【０２２７】
別の実施形態において、電解槽及びその使用方法が提供される。電解槽は、多くの用途に用いられてもよいが、この実施形態では水素と酸素の生産に用いられることが説明される。本実施形態に係る電解槽は、加圧された水素と酸素の可逆的な分離された生産を提供し、且つ作動の不純物及び生成物を許容する。実施形態は、コンパクトな貯蔵のために望まれるよりもかなり低い大きさに加圧される、解離されることになる物質を供給するステップと、解離される物質よりも低い密度を有する流体生成物を生じるために電極の間に起電力を適用するステップと、コンパクトな貯蔵のための所望の圧力が達成されるまであまり濃厚でない流体生成物の膨張を制限するステップとを含む、電気分解プロセスを作動させるためのオプションをさらに提供する。この及び他の実施形態は、熱機関又は燃料電池の作動によって住宅、レストラン、ホテル、病院、缶詰工場、及び他のビジネス設備のような住居のエネルギー利用効率を改善し、且つこうしたソースからの熱を使用して食品を調理する、水を滅菌する、及び他の物質に熱を送達する、暖房を提供する、若しくはこうしたエンジン又は燃料電池の嫌気性の又は電気的に誘起される燃料の放出を容易にすることができる。そのうえ、本明細書で開示される実施形態の態様は、他のタイプの電気化学電池に適用して類似の利点を提供できることが当業者には分かるであろう。
【０２２８】
所望の成分を生じるために物質移動を生じる及び／又はイオンを送達するのに比較的ゆっくりとした拡散、対流、及び濃度勾配プロセスに大きく依存する従来の電気化学電極とは反対に、本実施形態は、本明細書で説明されるように、迅速なイオン補充プロセスと、より濃厚な液体媒体から逃げる低密度ガスのポンピング作用による所望の電極への送達とを含む、より効率的な物質移動を提供する。これは、望ましくない副反応を防ぐと共に、より高い電気効率、より迅速な解離、及びより高い分離効率を保証する。イオン生産及び電極への送達の速度及び効率を増加させることは、電極面積あたりのシステムの効率及び電流限界を増加させる。
【０２２９】
図１Ｂを参照すると、金属管のようなコンテナ４ｂが閉じ込め容器として働く電解槽２ｂが示される。随意的に、コンテナ４ｂはまた、図１Ｂに示すように電極として働いてもよい。円筒形導電性ワイヤスクリーン電極８ｂのような多孔性電極が、同軸方向に配置され且つ酸又は塩基のような液体の電解インベントリ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ ｉｎｖｅｎｔｏｒｙ）によって管状電極４ｂから分離される。液体電解質は、絶縁体２４ｂにおける液体−ガス境界面までコンテナ４ｂの内部空間を占領する。誘電体スリーブ又は導電性円筒形内側ライナ電極上のめっきされた、プラズマ溶射された、又はコンポジット化された電極材料の層４ｂ’（図示せず）が、組立体の電気的に分離された要素として働いてメンテナンス・アイテムとしての便利な置換えを可能にする又は随意的な極性、及び／又は直列、並列、又は直並列接続の目的で多数のセグメント化された電極要素のうちの１つとして働くために、コンテナ４ｂ内に提供されてもよい。水の電気分解のための本発明の可逆的な実施形態において、電極８ｂは、電極８ｂで水素が生じるように電子源又はカソードと考えられてもよく、及び電極４ｂは、電極４ｂで酸素が生じるようにアノードと考えられてもよい。コンテナ４ｂは加圧可能であってもよい。コンテナ４ｂの中身の加圧は、シールされたキャップ３０ｂ及び４６ｂによって抑制される。電極８ｂ、ガス分離器１０ｂ、及び電気接続部３２ｂを含む構成要素の支持、電気絶縁、及び安定化は、図示のように誘電絶縁体本体２０ｂ及び２４ｂによって提供される。電解槽２ｂの加圧は、電気分解中のガス（単数又は複数）の生産に起因する自己加圧によって、ポンプのような外部ソースによって、又はこれらの任意の組合せによって達成することができる。
【０２３０】
分離器１０ｂは、液体透過性となるが分離器のカソード側から分離器のアノード側への及びこの逆の同様のガスの流れ又は輸送を実質的に防ぐように構成され、電解質中に溶解した又は気泡の核生成後のガスの流れを実質的に防ぐことを含む。随意的に、電極８ｂは、別個の分離器が必要ではないように分離器１０ｂとして作用するように構成されてもよい。代替的に、分離器１０ｂは、電極８ｂを含んでもよく、又は電極８ｂは分離器１０ｂを含んでもよい。加えて、分離器１０ｂはまた陽極の電極４ｂを含んでもよく、又は陽極の電極４ｂは分離器１０ｂを含んでもよい。
【０２３１】
絶縁体２４ｂは、図示のように、及び分離器１０ｂと組み合わせての利用を含む４ｂ及び８ｂのような電極によって生じるガスを分離する、捕集する及び／又は抽出するのに必要に応じて形状設定される。示される同軸円筒形の幾何学的形状において、絶縁体２４ｂは、その内部に電極８ｂ上で放出されたガスが収集される中央円錐形キャビティを有する。同軸に取り囲むこの中央キャビティは、電極４ｂ’の表面から又はコンテナ電極４ｂの内部から放出されたガスを収集する環状ゾーンである。
【０２３２】
随意的に、図示のように２４ｂの上側収集通路に触媒フィルタ４８ｂが配置されてもよい。分離器１０ｂを交差することによる移動を含む触媒フィルタ４８ｂへの到達を管理する酸素は、水素と反応することによって水を生成することを触媒作用で誘起され、水素は、次いで電解質に戻してもよい。膨大な過剰な水素は、ヒートシンクとして働いて、この触媒反応によって放出された熱が電解槽に影響を及ぼすのを禁止することができる。純水素は、図示のように取付具２６ｂで供給される。同様に、酸素環（ｏｘｙｇｅｎ ａｎｎｕｌｕｓ）に到達するあらゆる水素を水に変換するために、図のように酸素を収集する円環（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ａｎｎｕｌｕｓ）の上側領域に触媒フィルタ４９ｂを提供することが好ましい場合がある。酸素は、図示のように取付具２２ｂで除去される。代替的に、触媒フィルタは、取付具２２ｂ及び２６ｂに、この付近に、又はこの内部に配置されてもよい。
【０２３３】
例証となる作動において、水が水素と酸素に解離されることになる物質である場合、重炭酸ナトリウム、苛性ソーダ（ｓｏｄｉｕｍ ｃａｕｓｔｉｃ）、水酸化カリウム、又は硫酸の水性溶液のような適切な電解質が調製され、液体の存在を検出するセンサ５０ｂと、ポンプ４０ｂを作動させて必要な場合に貯留層４２ｂのような適切なソースから水を加えて所望のインベントリ又は圧力を生じ又は維持する、信号コントローラ５２ｂとによって、図示のように所望のレベルに維持される。コントローラ５２ｂは、したがって、熱を受け取る又は送達するためにラジエータ又はヒータ（図示せず）のようなシステムの循環ポンプを含む場合がある熱交換器５６ｂと共に、液面センサ５０ｂと一体化されたユニットに組み入れられてもよい温度又は圧力制御センサ５８ｂ、又は液体インベントリセンサ５１ｂ、並びに制御ポンプ３６ｂ及び４０ｂに応答する。同様に、加熱又は冷却ファンは、電解槽２ｂに関連する熱源からの熱の受け取り又は排出を強化するためにこうした作動と併せて使用されてもよい。
【０２３４】
電解槽２ｂが循環的に適用されることになる幾つかの実施形態において、例えば、余剰電気が低価格であり、そうでなければ要求されないとき、電解槽２ｂは、水インベントリのかなりの変動で作動することができる。余剰電気が利用可能ではない又はオフにされるときには、水素及び酸素供給は、コンテナ４ｂから抽出されてもよく、システムは、周囲圧力に戻ることになる。周囲圧力の水は、次いでシステムに加えて満載することができ、これは、こうした循環低圧充填及び電気分解作動を容易にして圧力又は化学エネルギーを仕事に変換する、コンパクトな貯蔵、及び車両、ツール、又は器具の受液器（ｒｅｃｅｉｖｅｒ）への迅速な伝達を提供するのに必要とされる所望の高圧で水素又は酸素を送達するのに望まれる場合があるように、絶縁体２４ｂの円周の周りに大きい環状体積を有するように提供することができる。
【０２３５】
電流を印加し及び液体のはるかに小さいインベントリから水素及び酸素の容積の大きな気体供給を生成した後で、システムは、所望の場合に加圧され、且つ溶液中の水のインベントリが、コントローラ５２ｂが電気分解サイクルを中断させること又は図示のように貯留層４２ｂから圧力ポンプ４０ｂによって水を加えることのいずれかを可能にするセンサ５０ｂ又は５１ｂによる検出点に枯渇するまで、加圧されたままであってもよい。必要に応じてポンプ４０ｂ上の多くのデューティ又はメンテナンスを可能にするために、図示のように逆止め弁４４ｂのような弁の向こう側に水を加えることが好ましい場合がある。
【０２３６】
図１Ｂ、図２Ｂ、及び図３Ｂを参照すると、図２Ｂは、分離器が「Ｖ」字形状を形成する２つの傾斜面１４ｂを含む、図１Ｂの分離器１０ｂの一実施形態を示す。電解質が水ベースのものである場合、電子は、接続部３２ｂを通して編まれたワイヤシリンダのような多孔質電極８ｂに加えられ、及びコンテナ４ｂから電気接続部６ｂを通して除去されて、水素イオンを水素原子に、その後、二原子分子に連続的に変換し、これは核をなして電極８ｂ上に又はその付近に泡を生成することができる。水素及び酸素の泡は、典型的に、水ベースの電解質よりもはるかにあまり濃厚ではなく、浮力で上方に推進される。酸素の泡は、同様に上方に推進され、図２Ｂの拡大された断面図に示すように同軸分離器１０ｂの幾何学的形状によって水素から分離される。図２Ｂに示される構成は、電解槽２ｂの作動中に生成されるガスの流れが望ましいあらゆる用途に用いられてもよい。さらに、前記分離器構成は、当該技術分野では公知の電気化学電池の他の構成で採用されてもよい。代替的に、電気分解中に生成される材料が電解質よりも高密度のものである場合、分離器１０ｂは、反転されて「Λ」形状を形成してもよい。同様に、電気分解によってカソードで形成される１つの材料が電解質より濃厚ではなく、且つアノードで形成される別の材料が電解質よりも濃厚である場合、分離器１０ｂは、あまり濃厚ではない材料をより濃厚な材料から遠ざかる方に偏向するために斜めの「／」又は「＼」形状で構成されてもよい。
【０２３７】
４ｂ’又はコンテナ４ｂの内部から放出される水素と酸素との混合は、図示のように酸素と水素の進入、流れ、又は伝送に対して傾斜される表面１２ｂ’及び１４ｂからの偏向によってガスを効率よく分離する液体透過性障壁である分離器１０ｂによって防止される。代替的に、分離器１０ｂは、電気絶縁された導体で又は３０％ガラス繊維入り（ｇｌａｓｓ ｆｉｌｌｅｄ）エチレン−クロロトリフルオロエチレンのような不活性誘電体材料からなる螺旋渦巻き（ｈｅｌｉｃａｌ ｓｐｉｒａｌ）を含んでもよく、渦巻き状にされたストリップ材料の断面は、電気絶縁体及びガス分離器として働くために図示のように「Ｖ」字構成である。
【０２３８】
流体移動のための通路は、流体循環及び分配の必要性を満たすのに望まれる場合に、ストリップを時折又は連続的に、特に各縁部で、又は代替的に、１３ｂで断面図が示されるように増幅された波形部として図２Ｂに示される断面をなして形成されるディスクのスタックで波形にしてｈｅｌｉｘの各層の間に隙間を生じることによって増加させることができる。こうした波形部の各々が、軸線１５ｂ及び１５ｂ’に関して図示されたよりも大きく又は小さく適切に傾斜された半径方向の軸線を中心として起伏を有することが一般に有利である。これは、全体的に液体に対して多孔性であるがガスに対して障壁となる分離器１０ｂの壁厚が、例えば、約０．２ｍｍ（０．００８インチ）厚以下の所望の厚さとなるように形成されることを可能にする。
【０２３９】
分離器１０ｂは、液体電解質を電極８ｂの方に又は電極８ｂから遠ざかる方に通過させながら、浮力推進及びガスの上方移動によりガスは通過させないようにするのに十分な表面エネルギー条件に関して、非常に小さい寸法を含む、任意の適切な寸法のものであってもよい。例えば、比較的小型の燃料電池及び電解槽に適用可能な代替的な実施形態は、図２Ｂに示された断面をもつ多数の密接に間隔をおいて配置された平らなねじ山によって提供され、こうしたねじ山は、液体のほぼ開かれたアクセスを提供するねじ山に編まれ又は付着され、且つ「Ｖ」字形状にされたねじ山の片側又は両側でほぼ垂直方向に配置される。これは、全体的に液体に対して多孔性であるがガスに対して障壁となる分離器１０ｂの壁厚が、約０．１ｍｍ（０．００４インチ）厚以下となるように形成されることを可能にする。
【０２４０】
上方への浮力推進は、傾斜面１２ｂ及び１４ｂに対する気泡の衝突を偏向させる。この特徴は、電気抵抗、汚れ、停滞、侵食、及び分極の損失のうちの１つ又は複数に起因する能率の悪さをもたらす従来技術の従来の手法の難点及び問題を克服する。そのうえ、幾つかの構成は、電解質の上方への流れを生じる、昇ってくる気泡の浮力ポンピング作用に起因して同軸の層における電解質の循環を促進することができ、ガス（単数又は複数）が液体の頂部で逃げる際に、リサイクルされて気泡が混入した又は溶解されたガスを含むあまり濃厚でない電解質と置き換わるので、比較的ガスを含有しない且つより濃厚な電解質が底部の方に流れる。熱交換器５６ｂは、図示のようにコンテナ４ｂの頂部から底部に循環される電解質に熱を加える又は除熱するために必要に応じて作動されてもよい。ポンプ３６ｂは、電解質の循環率を増加させるために、又は補給水を加えるためにポンプ４０ｂと併せて、必要に応じて用いられてもよい。
【０２４１】
幾つかの実施形態において、有機物質の迅速な添加を伴うシステムを含む、高い電流密度が適用される。こうした実施形態において、図示のように比較的ガスを含有しない電解質を戻すポンプ３６ｂで、電解質を取付具２８ｂを通してライン３４ｂを通してポンプ３６ｂに循環させて、ライン３８ｂ及び取付具１６ｂを通してコンテナ４ｂに戻すことが有利な場合がある。戻される電解質を取付具１６ｂで接線方向に進入させて、スワールを形成し続けるスワール形成送達を生じ、したがって、上記で説明されたように使用されてもよい分離器１０ｂによるアクションを含む分離を相乗的に強化することが好ましい場合がある。作動圧力に応じて、水素は、酸素よりも約１４倍低い濃厚さであり、且つより浮力があり、取付具２６ｂでのフィルタ４８ｂを通した加圧された収集のために分離器１０ｂによってより高い上方への速度で直ちに導かれる傾向がある。非常に高い電流密度では、及び輸送用途で直面する場合があるように電解槽２ｂが傾ける力又は重力を受ける場合には、スワール分離を強化するためにポンプ３６ｂによって電解質移動速度が増加され、したがって、アノード上で生じるガスがカソードによって生じるガスと混合されるのを防ぐ。
【０２４２】
非導電性ガス障壁の幾つかの実施形態と、分離器１０ｂを含む液体を伝送する実施形態は、水素及び酸素のようなガスを分離するためにプロトン交換膜に依存する手法を含む以前の手法よりも、はるかにあまり高価でなく、より一層堅牢且つ効率的な可逆電解槽が製造されることを可能にする。１つの態様において、分離器１０ｂは、電気分解中の電解質の流れを改善するように設計することができる。例えば、分離器１０ｂは、ポート１６ｂからポート２８ｂへと上方に移動する液体電解質インベントリ中のイオンの螺旋状の流れを促進するように構成することができる。これは、電極の各部分が、最大電気効率のために必要に応じて新たに補足されたイオン密度を受け入れることを保証する。こうした電極ウォッシング・アクションはまた、水素と酸素の気泡を、それらが電気化学電池のそれぞれの電極上で生成する際に迅速に除去することができる。
【０２４３】
図３Ｂは、上記で説明されたようにガス種の分離を達成しながら、平板及び同軸電極構造を含む隣接する電極の電気的分離を提供するための、分離器１０ｂの別の態様の構成要素シート又は螺旋ストリップの代表的な部分の縁部の図を示す。組立体１１ｂにおいて、シート１２ｂ’及び１４ｂ’は、分離器１０ｂの断面と似ている断面を形成し、且つ機能的に同様に働く。平坦な導電性又は非導電性ポリマー・シート１２ｂ’が、傾斜されて図示のようにシート１２ｂ’の長軸とおよそ３５°から７０°の角度の第１の角度１５ｂによって示されるような実質的な角度をなす平行な中心線上の多数の小さい穴を備えるように準備される。ポリマー・シート１４ｂ’は、同様に、第２の角度１５ｂ’によって図示のように実質的に傾斜されて図示のようにシート１４ｂ’の長軸とおよそ３５°から７０°までの角度をなす平行な中心線上の多数の小さい穴を備えるように準備される。
【０２４４】
他の実施形態において、角度１５ｂ及び１５ｂ’は、電気分解プロセス中に分離されることになる材料に応じて変化することができる。例えば、角度は、気体成分を有さない又は１つの気体成分のみを有する化合物の電気分解のために下に傾けることができる。Ａｌ₂Ｏ₃のような化合物が、氷晶石−アルミナ電解質の電気分解によって解離されて、アルミニウムと酸素を生成する場合、アルミニウムは、氷晶石−アルミナ電解質よりも濃厚であり、アルミニウムを分離するカソード電極又は関連する分離器は、（例えば、下に傾けられた角度によって）アルミニウムを下方に、及び上方に移動する酸素から遠ざかる方に送るように構成されるであろう。
【０２４５】
シート厚さ寸法の約１／１２〜１／３の直径をもつ多数のこうした小さい穴を、レーザ・ドリル加工、高温針穿孔、又は高速粒子浸透を含む適切な技術によって、シート１２ｂ’及び１４ｂ’に直ちに作製することができる。それぞれ典型的に約０．０２５〜０．２５ｍｍ（０．００１インチ〜０．１０インチ）厚であるシート１２ｂ’及び１４ｂ’を、溶接又はそうでなければ方法でボンディング、糸結び（ｔｈｒｅａｄ ｔｉｅｓ）、弾性バンド、又は導電性又は非導電性ワイヤの１つ又は複数の螺旋ラップによって結果として得られる外径上に一緒に保持して電極８ｂとの組立体として形成することができる。シート１２ｂ’及び１４ｂ’はまた、接着剤によって若しくは熱又は溶媒融合（ｓｏｌｖｅｎｔ ｆｕｓｉｏｎ）によって時折又は連続的に接合されてもよい。したがって、シート１２ｂ’の傾斜した穴がシート１４ｂ’の穴の上に重なる場所で、形成されるガス障壁膜を通したガス伝送を禁止しながら液体及び／又は電解質移動を可能にするために通路が形成される。図１Ｂ及び図４Ｂを参照すると、組み立てられたガス障壁シートの管状構成は、バットシームを付着させる又は溶接することによって、又は意図された分離ガス障壁として機能する重ねられたシームを提供することによって、実施形態２ｂ又は１００ｂに対する適切な直径で形成されてもよい。
【０２４６】
水の電気分解に対して種々の電解質が適している。一実施形態において、閉じ込め容器４ｂに対する低炭素鋼と共に水酸化カリウムが用いられてもよい。増加された耐食性を伴う延長された寿命は、ニッケルめっきシリンダ４ｂによって、又は適切なステンレス鋼合金の利用によって提供されてもよい。他の態様において、増加した閉じ込め容量は、ガラス、セラミック、又は炭素フィラメント、若しくはこれらの組合せのような高強度の補強材でシリンダ４ｂを覆うことによって提供することができる。
【０２４７】
特定の用途及び強度要件に応じて、分離器２０ｂ及び２４ｂを絶縁するために約３０％ガラス繊維入りエチレンクロロトリフルオロ−エチレンを用いることが有利な場合がある。電極８ｂは、編まれたニッケル又はタイプ３１６ステンレス鋼ワイヤで作成されてもよい。分離器１０ｂは、約３０％ガラス繊維入りエチレン−クロロトリフルオロ（ｃｈｌｏｒｏｔｒｉｆｌｕｒｏ）−エチレン・ストリップから作製されてもよい。
【０２４８】
別の実施形態において、有機電解質からメタン又は水素を別々に又は好ましい混合物中に生じるために、電気の制御された印加を使用することも意図される。幾つかの態様において、実施形態は、参照により本明細書に組み込まれる整理番号第０９／９６９，８６０号を含む同時係属の特許出願の実施形態と併せて作動することができる。普通はメタンを生じる有機物質の嫌気性消化プロセスは、かなり低い電圧で又はパルス−幅変調されたデューティサイクルの減少されたオン時間によって水素を放出する電解質を生じるように制御することができ、結果として水を解離するのに要求されるよりも生じる電気消費が減少される。
【０２４９】
微生物消化によって生じる有機溶液の酸性度又はｐＨは、天然の重炭酸塩緩衝相互作用によって維持することができる。重炭酸塩緩衝系は、消化プロセスにおける二酸化炭素の同時生産によって補足されてもよい。プロセスは、以下のような多くの競合する且つ補足的なプロセスステップを有してもよい単純炭水化物又はグルコースの例証となる消化による有機化合物の嫌気性消化プロセスにおける種々のステップに対して一般化されてもよい。
Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆＋（嫌気性酸生成菌、通性細菌）→ＣＨ₃ＣＯＯＨ 式１
ＣＨ₃ＣＯＯＨ＋ＮＨ₄ＨＣ₆Ｏ₃→ＣＨ₃ＣＯＯＮＨ₄＋Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂ 式２
３ＣＨ₃ＣＯＯＮＨ₄＋３Ｈ₂Ｏ（細菌）→３ＣＨ₄＋３ＮＨ₄ＨＣＯ₃ 式３
【０２５０】
こうした溶液からのメタンが望まれる場合には、７．０付近のｐＨ調整が必要とされる場合がある。周囲圧力、約７．０のｐＨ、及び３５〜３７℃（９９°Ｆ）では、メタン生合成が好ましい。ほとんどの家庭廃水は、メタン生合成を提供する生物によって必要とされる多量養素と微量養素との両方を伴うバイオ廃棄物を含有する。嫌気性反応器の中に存在する溶解され及び分配される水素又は単糖類の比較的高い濃度を維持することは、メタンを生成する微生物の働きを阻害する可能性がある。
【０２５１】
別の態様において、有機物質からの燃料価値の増加された生産は、電界を印加して、グルコース及び他の有機化合物の細菌性崩壊（ｂａｃｔｅｒｉａｌ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）によって生じる酢酸（ＣＨ₃ＣＯＯＨ）のような物質の解離を引き起こすことによって、及び水素イオンを生み出す他の酸生成プロセスによって達成することができる。
ＣＨ₃ＣＯＯＨ→ＣＨ₃ＣＯＯ^-＋Ｈ⁺ 式４
【０２５２】
水素イオンは、負に帯電した電極に移動し又は送達され、電子を得て水素ガスを生じる。
２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂ 式５
【０２５３】
２つの電子は、負に帯電した電極によって供給される。他方の電極で、電気化学反応は、式６で要約されるように酢酸イオンの二酸化炭素と水素イオンへの酸化を含む。
ＣＨ₃ＣＯＯ^-＋２Ｈ₂Ｏ→２ＣＯ₂＋７Ｈ⁺＋電子 式６
【０２５４】
この電極反応において、酢酸イオンは電子を失い、その後、水と反応し、二酸化炭素ガスと水素イオンに分解する。二酸化炭素は、溶液を飽和し、上記の実施形態に記載されるように液体溶液界面から放出される。水素イオンは、こうしたシステムにおける同時収集を分離するために、反対側の電極から電子が受け取られて水素原子、次いで式５で要約されるように二原子分子を生じるまで循環され及び／又は移動する。分離収集は非常に有利である、例えば、ガス圧縮の代わりの液体ポンピングの結果として加圧を引き起こす又は高圧での分離収集は、特に効率的であり、生じた水素、メタン、又は二酸化炭素を分離し、次いで機械的に圧縮するのに普通は必要とされる資本設備を大いに減少させる。
【０２５５】
水素と二酸化炭素を生じる、酢酸のような化合物の嫌気性消化による分解は、一つには、消化反応が水素イオンと発熱エネルギーを生み出すため、水の電気分解よりもかなり少ないエネルギーを必要とする。酢酸のような酸の発熱分解の初期化及びメンテナンスは、より低電圧の印加で又は水を分解するのに典型的に必要とされるような連続した電気分解の代わりに間欠的な又は時折の電気分解によって達成されてもよい。比較的最小限の活性化及び／又は特に有機触媒による触媒作用を必要とする消化装置の尿素と酢酸のような物質と酸の水素と二酸化炭素への電気分解に比べて、周囲温度での水の生成の自由エネルギーは極めて大きい（少なくとも１ＫＷＨ＝放出された水素の３，４１２ＢＴＵ）。したがって、レーニーニッケル触媒への修飾、ニッケル−スズ−アルミニウム合金、白金属の群からの選択物、白金−ニッケル及び他の白金−遷移金属の単結晶合金表面、及び本明細書に記載された電極システムと併せて使用される種々の有機触媒を含む選択された触媒は、水素生産速度及び／又は効率をさらに改善する。
【０２５６】
別の態様において、利用可能なソース・アンペア数及び電圧を図１Ｂに示すようなセルの直列接続による解離のために必要とされる電圧と合致させる目的で、切換え可能に直列又は並列又は直並列に接続される電極対の多くのセルを使用することが好ましい場合がある。この実施形態の１つの態様において、各セルは、選定される又は有機物質から生化学的に産生される水性電解質に応じて約０．２〜２ボルトを要求する場合があり、そのため家庭用サイズの６−ボルトの光起電源は、３〜３０個のセルを直列に有することができ、工業用の２２０−ボルトの供給は、直列に接続された約１００〜１，０００個の電極セルを有してもよい。製品ガスは、並列又は直列コレクション配置によって直ちに送達することができる。直列及び／又は並列接続の数を調整するための所望の可撓性に応じて、支持及び流量制御機能部１８ｂは、絶縁材又は非絶縁材の選択によるものであってもよい。
【０２５７】
中程度の及び低い電流密度を含む種々の電流密度で、電解質の循環を達成してイオン枯渇及び停滞問題を防ぐために発生される気泡の浮力推進を可能にすることが好ましい場合がある。始動又はより高い電流密度では、一つには、所望の作動温度及び電極表面でのイオンリッチな電解質の発現を提供するためにポンプ３６ｂと熱交換器５６ｂを作動させることができる。これは、極めて高いエネルギー変換率を可能にし、別個の貯蔵及び使用のための二酸化炭素と共に、酸素と水素又は水素と二酸化炭素又は水素とメタンの高圧供給を迅速に且つ効率よく生産するために、太陽、風、落水、又は波資源から入手可能なオフピーク電気のようなエネルギーが使用される。
【０２５８】
この実施形態の１つの態様において、大量のエネルギーの突然のバーストが化学燃料ポテンシャルに迅速に変換されなければならない、車両の回生制動又は発電所のスピンダウンの問題が対処される。トラック、バス、又は列車推進のための従来の燃料電池は、燃料電池の電極に突然に印加される高い電流密度を許容することができない。この実施形態は、この制限を克服し、且つ再生的なＰＥＭ燃料電池が悩まされるＰＥＭ劣化又は電極−界面故障の問題なしに高い電気分解効率を達成しながら、高電流条件の極めて堅牢な許容誤差を提供する。堅牢な構成及び提供される冷却のための極めて沢山の機会により、極めて高い電流作動が直ちに適応される。逆に、この実施形態は、種々のＰＥＭに関係する難点、制限、及び故障に関わることなく、直ちに始動し、且つ過酷な低温又は高温条件で効率よく作動する。
【０２５９】
別の態様において、水力発電所、風力発電基地、波力発電機のシステム、又は従来の発電所のようなエネルギー変換システムにおけるはるかに高い投資収益率を達成するために、実施形態は、オフピーク電気が水の解離によって水素と酸素に又は有機物の嫌気性消化又は劣化によって発生する物質の解離によって水素と二酸化炭素に迅速に且つ効率よく変換されることを可能にする。実施形態のコンパクトなバージョンは、洗濯機よりも大きくはないスペースを占め、そうでなければ２台のファミリーサイズの車両を作動させる及び家庭のエネルギー要件を提供するのに十分な水素を無駄にする可能性があるオフピーク電気を変換することができる。
【０２６０】
上記に記載のように、本明細書で提供される幾つかの実施形態は、迅速なイオン補充プロセスと、より濃厚な液体媒体から逃げる低密度ガスのポンピング作用による所望の電極への送達とを含む、より効率的な物質移動を提供する。これは、望ましくない副反応を防ぐと共に、より高い電気効率、より迅速な解離、及びより高い分離効率を保証する。イオン生産及び電極への送達の速度及び効率を増加させることは、電極面積あたりのシステムの効率及び電流限界を増加させる。有機物質を二酸化炭素と水素又はメタンに変換する用途は、特に、中間イオンの電極へのより効率的な送達と共に、プロセスに関与する微生物への有機物質の強化された送達率、インキュベーション、及びバイオフィルム媒体を拡張させ及び自己修復させるためのインキュベートされた微生物の送達、生じるガスのより迅速な分離、及び有機物質の送達によって恩恵を受ける。
【０２６１】
図４Ｂを参照すると、電圧を印加すること又は閉じ込め容器１０２ｂの内壁に電流を流すことが望ましくない用途に特に有益である、別の実施形態の電解槽１００ｂが示される。実施形態はまた、電解槽１００ｂ内の１１０ｂ及び１１４ｂのような双極又は複数の電極の組又はセルの直列接続を容易にして、必要とされるガス収集及び電圧マッチングを簡単にする。
【０２６２】
閉じ込め容器１０２ｂが円筒形であり、且つ内部の構成要素が同軸である、１つの態様において、電極組立体１１０ｂ及び１１４ｂは、多くの入れ子にされた切頭円錐形構成要素から形成されてもよく、若しくは一方又は両方の電極は、上記で説明されたように螺旋電極として形成されてもよい。電極１１０ｂ及び１１４ｂは、同じ構成、類似した構成、又は異なる構成のものであってもよい。別の態様において、電極１１４ｂは、入れ子にされた切頭円錐形区域から組み立てられてもよく、又はこれは、電極１１０ｂを連続的に囲む螺旋電極であってもよい。
【０２６３】
短絡を防ぐための電極１１０ｂ及び１１４ｂの電気的分離は、作動寸法に対する制御された許容誤差、及び／又は電極１１０ｂ及び１１４ｂの間に位置する誘電ねじ山又はフィラメントの使用、及び／又は図２Ｂ及び図５Ｂに関して開示されるように別の形態の分離器１０ｂ又は１１１ｂを含む種々の手段によって達成されてもよい。
【０２６４】
電解槽１００ｂは加圧されてもよい。圧力の閉じ込めは、図示のように上側キャップ１０４ｂ及び下側キャップ１０６ｂによって提供される。絶縁体１２０ｂ及び１２２ｂは、図示のようにキャップ１０４ｂ及び１０６ｂによって支持される。電気接続及び流体接続のための回路構成要素及びハードウェアは例証となるものであり、特定の用途の必要性を満たすために必要に応じてキャップ１０４ｂ及び１０６ｂを通した貫通によって達成することができる。
【０２６５】
電流の実施形態において、電極１１０ｂ及び１１４ｂの両方は、図示のようにそれぞれの収集ゾーンに放出されるガスのような生じる物質を導く傾斜面を有するように形成される。例証すると、水が適切な電解質から解離されることになる場合、電極１１０ｂは、プラグ・シール１３２ｂによってキャップ１０６ｂの中にシールされる接続部１０８ｂを通して供給される電子を受け取ってもよい。電子は、したがって、二酸化炭素又は酸素のようなガスが電極１１４ｂ上で放出される際にコンタクト１２４ｂの絶縁を提供するプラグ・シール１３０ｂを通して電極１１４ｂから取り出される。
【０２６６】
こうしたガスは、したがって、電極１１４ｂによってコンテナ１０２ｂの内壁に沿って送達される際に、浮力によって推進され、上方により多く又は少なく移動する。水素は、電極１１０ｂによって及び電極１１０ｂの多くの巻き目又は円錐形の層によって形成される中央コア内で送達される際に上方に推進され、絶縁体１２０ｂで図示のように収集される。設計圧力での純水素は、圧力取付具１１６ｂによって送達される。触媒フィルタ１３４ｂは、中心コアに到達して水を生成する酸素のようなあらゆるオキシダントを変換するのに用いられてもよい。図示のように絶縁体１２０ｂの外側収集環に到達するあらゆる水素から水を生じるために類似の触媒フィルタ材料が用いられてもよい。加圧されフィルタされた酸素は、圧力取付具１１８ｂによって送達される。
【０２６７】
随意的に、電解槽１００ｂの効率を改善するために、１つ又は複数のガス収集容器（図示せず）が、電気分解中に生成されるガスを収集するために電解槽１００ｂと流体連通していてもよい。ガス収集容器は、ガスの実質的な膨張の前にガスを高い圧力で取り込むために実装することができる。ガス収集容器は、当該技術分野では公知の方法に従ってガスが膨張する際に仕事を取り込むようにさらに構成することができる。代替的に、ガス収集容器は、ガスが高い圧力で送達されることを望まれる貯蔵、輸送、又は使用のための圧力でガスを提供するように構成することができる。前記態様は種々の電気化学電池において実装できることがさらに考慮される。
【０２６８】
図２Ｂを参照すると、別の態様において、ガス膨張装置は、取付具２２ｂ、取付具２６ｂに、この付近に、又はこの内部に、若しくは取付具２２ｂ又は取付具２６ｂと流体連通する収集容器の中に含まれてもよい。同様に、図４Ｂを参照すると、ガス膨張装置は、取付具１１６ｂ、１１８ｂに、付近に、又は内部に、若しくは取付具１１６ｂ又は取付具１１８ｂと流体連通するガス収集容器の中に含まれてもよい。
【０２６９】
別の態様において、電気分解し、デバイスと結合された流体を加圧して、こうした加圧された流体から仕事を抽出するための方法及び装置が提供される。流体は、液体、液体に吸収されたガス、蒸気、又はガスに加圧されてもよい。加圧された流体の蒸気又はガスへの変換は、取付具１１６ｂの中で又は後で起こってもよく、こうした取付具からの圧力及び流れを変換するデバイスは、空気を吸い込み（ｂｒｅａｔｈｅｓ）及び１１６ｂから加圧された水素を噴射するタービン、発電機、ベーンモータ、若しくは種々のピストンモータ又はエンジンを含む群から選択することができる。同様に、加圧された流体の蒸気又はガスへの変換は、取付具１１８ｂの中で又は後で起こることができ、こうした取付具からの圧力及び流れを変換するデバイスは、１１８ｂからの酸素のような加圧された流体を膨張させる及び／又は燃焼するタービン、発電機、ベーンモータ、若しくは種々のピストンモータ又はエンジンを含む群から選択することができる。
【０２７０】
別の態様において、変圧器及び整流器回路の高いコスト及び電力損失を克服する装置及び方法が提供される。これは、ＤＣ源の負極を、最も下の電極１１０ｂの３つの巻き目に、これを電極１１４ｂの次の３つの巻き目に、これを電極１１０ｂの次の３つの巻き目に、これを電極１１４ｂの次の３つの巻き目、そしてこれを電極１１０ｂの次の３つの巻き目にと以下同様に接続し、反対の（最高）端から始めてＤＣ源からの正のリードを電極１１４ｂの３つの巻き目に、これを電極１１０ｂの次の３つの巻き目に、これを電極１１４ｂの次の３つの巻き目に、これを電極１１０ｂの次の３つの巻き目に、これを電極１１４ｂの次の３つの巻き目にと以下同様に接続することのような電極セル又はセル内の電極の直列接続による負荷電圧とソース電圧との調整されたマッチングによって達成される。切頭円錐の巻き目及び／又はスタックは、ソース・アンペア数と合致させるために必要な面積を生じるように調整されてもよい。
【０２７１】
この実施形態の別の態様において、電気分解によって生じるガスの分離を提供することに加えて、本発明の幾つかの実施形態によって発生するポンピング作用は、作動の相対的な規模に応じて、電極１１０ｂの部分内及び／又は電極１１４ｂの部分とコンテナ１０２ｂとの間に一般に位置する炭素布、活性炭粒、膨張シリカ、グラファイト・フェルト、石炭、木炭、果物の種子、木材チップ、細断された紙、おがくず、及び／又はこうした選択物の混合物のような適切な媒体の中に宿る微生物への栄養素の送達を提供する。対応する機能及び恩恵は、システムの熱的安定化、供給原料の循環、及び二酸化炭素のような生成物の除去、並びにこうした微生物のインキュベーション、栄養補給、及び成長によって産生される場合がある酸からの水素の生産を含む。
【０２７２】
低い及び中程度の電流密度では、低密度溶液及び泡によって誘起される浮力が、電解質をコンテナ１０２ｂ内で循環させることができる。より高い電流密度では、前に開示されたように電解質の温度、圧力、及び循環を適応して制御することが有利である。電解質の外部循環は、図示のように取付具１２６ｂから取付具１３８ｂにであってもよく、随意的な直列及び／又は直並列回路で接続される１つ又は複数の電極セルがコンテナ１０２ｂ内に収容される状況を含む。
【０２７３】
別の態様において、実施形態は、電極１１０ｂ及び１１４ｂの間の環状スペースに対して接線方向に流体を導く１つ又は複数の穴又は溝１３９ｂを通して相応により高い電解質流体の流量を送達するために、高い電流密度に対して最適化することができる。電解質は、電極によって形成される螺旋スペースに沿って上方に流れ、１１０ｂ及び１１４ｂの間の環状スペースから１１０ｂ及び１１４ｂによって提供される螺旋経路に入る電解質によって補足される。電極１１０ｂ及び１１４ｂの間のスペースに入る電解質の角運動量は、それぞれ電極１１０ｂ及び１１４ｂ上で生産され且つこうしたモーメントを加える水素と酸素のような電解生成物による気泡を持ち上げるポンピングの勢いを増加させる。
【０２７４】
この電解質の循環は、電極１１０ｂ及び１１４ｂとの間での電荷交換後に水素及び酸素原子又は二酸化炭素のような他のガスとなるイオンの迅速な置換えを保証する目的で、及び電気分解中の最小限の電気分極の損失での収集及び除去のためにこうしたガスを除去するのに非常に有益である。したがって、循環される流体を効率よく電気分解するために非常に高い電流密度が直ちに受け入れられる。別の態様において、電気分解の生成物の害になる停滞及び／又は蒸気核生成のような相変化、及び有効電極面積の減少を防ぐ改善された電解質循環から結果として得られる設計の莫大な冷却能力によって高い電流密度のさらなる適応が提供される。
【０２７５】
別の態様において、電極１１０ｂ及び１１４ｂは、共振周波数で有利に作動することができ、又は圧電ドライバ、回転偏心、及び泡生成作用を含む種々の誘因と、結果として生じるポンピング作用によってより高密度の電解質インベントリが電極１１０ｂ及び１１４ｂの表面に送達される際の電解質と気泡のあまり濃厚でない混合物による加速推力とによって摂動する（ｐｅｒｔｕｒｂｅｄ）、ばねの形態を構成してもよい。摂動に応答して、電極１１０ｂ及び１１４ｂは、固有周波数又は誘起された周波数で振動して、核生成箇所を含む表面からの泡の除去をさらに強化し、したがって、より高い電流密度及びより高いエネルギー変換効率を可能にする。
【０２７６】
１１０ｂ及び１１４ｂのようなつる巻ばねの形態の電極の誘起される振動はまた、機械的蠕動アクションを引き起こして、それぞれの収集経路及び電解槽１００ｂの出口ポートの方への気泡の加速を強化することができる。この振動中に、電極の巻き目の隣接する層の間の平均距離及び角度の周期的増加及び減少は、誘因（単数又は複数）の大きさ及び周波数に応じて固定の又は移動するノードを生じる。
【０２７７】
図５Ｂは、種々の用途又は電解質のための螺旋流送達構成を含む図２Ｂに示される絶縁体１０ｂのような選択物を含む１１０ｂ’及び１１４ｂ’の間の電気絶縁性スペーサ１１１ｂと併せた作動に対する一組の電極１１０ｂ’及び１１４ｂ’の代表的な断面図を示す。同軸電極１１０ｂ’、スペーサ１１１ｂ、及び電極１１４ｂ’の組立体は、改善された効率及び汚れに対する抵抗をもつ、水、嫌気性消化装置からの液体、又は海水のような流体の効率的な解離を可能にするための非常に堅牢な自己強化システムを提供する。電極１１０ｂ’及び１１４ｂ’は、導電性カーボン紙、布、又はフェルト；編まれた又はフェルト炭素及び金属フィラメント、編まれた炭素又は金属フィラメントの間に挟まれたグラファイト粒；又は電解質を構成する化学物質に応じて酸素、塩素、又は二酸化炭素のような同時生産されるガスからの水素のそれぞれの分離に関して図示のように傾斜される平行な中心線上の多数の穴と共に前に開示された場合よりも多く又は少なくドリル加工される軟鋼、ニッケルめっきされたスチール、又はステンレス鋼のような金属−めっきされたポリマー又は金属シート素材から構築されてもよい。
【０２７８】
電極１１０ｂ’、スペーサ１１１ｂ、及び電極１１４ｂ’が図４Ｂに示すように同軸電極配置で使用される場合には、水素は、ポート１１６ｂに送達され、解離を受ける物質に応じて、酸素、塩素、又は二酸化炭素のような生成物の送達がポート１１８ｂで提供される。幾つかの場合には、各穴がスペーサ１１１ｂと接触する表面上の穴の直径からスペーサ１１１ｂから離れる出口表面でのより大きい直径に僅かにテーパされるように、１１０ｂ’及び１１４ｂ’に多数の穴を提供することが好ましい。
【０２７９】
結果として生じる電極間の幅スペースを最適化するために利用可能な電力及びシステム伝熱要件と釣り合った速度で１３８ｂから電極１１０ｂ’及び１１４ｂ’、及びこれらを通して取付具１２６ｂに電解質を送達するための螺旋ピッチ、電極間の幅、及びスペーサ１１１ｂを備えるストリップの厚さを選定することが好ましい。これは、結果として、電極１１０ｂ’内のゾーンへの水素の分離及び電極１１４ｂ’の外部スペースへの酸素、二酸化炭素、又は塩素のような同時生産されるガスの送達を保証しながら、電極１１０ｂ’及び１１４ｂ’での電気分解プロセスのためのイオンの豊富な送達をもたらす。
【０２８０】
別の態様において、水素電極の底部に水素、及び酸素電極の底部で酸素を加えるための適切な取付具と共に、水素電極の中のガス流れ溝と酸素電極の中のガス流れ溝とを提供することによって、システムを再生的に作動することが可能である。この場合においては、特に、単一のキャニスタ組立体がエネルギー需要を満たす、小さい燃料電池において、同軸螺旋電極を使用することが有利な場合がある。
【０２８１】
図６Ｂを参照すると、可逆燃料電池作動の場合に用いられる螺旋電極（単数又は複数）の断面が示される。これは、電極１１４ｂの又は類似の螺旋バージョンの電極１１０ｂの表面対体積比、断面係数、及びカラム安定性の改善を提供する。電極１１４ｂは、螺旋を形成するのに用いられるストリップ・ストックを波形にすることによって形成されて、燃料電池作動のための酸素の送達を提供し、及び電気分解作動において酸素を環１３６ｂ及び取付具１１８ｂに送達する、螺旋溝に沿ってガス１５２ｂが流れている状態の断面で例証される。同じ構成は、有機酸を二酸化炭素と水素に変換するための燃料電池及び電気分解モードの電極１１０ｂに対して良好に働き、電気分解モードにおいて、前に説明したように所望の収集又はソースポートへの豊富なガス送達を保証する。
【０２８２】
別の態様において、尿素のような化合物と共に炭酸、酢酸、酪酸、及び乳酸のような有機物質の水性誘導体を水素に変換する微生物の成長及び保守を容易にすることによって、改善された電極性能が提供される。水素イオンの生産及び／又は二酸化炭素の放出のために選定された電極上で、基板電極への電気抵抗を減少させ、且つ消化プロセスによって提供される所望のフィルム物質と共に微生物及びバイオフィルムを定位置に保持するのを助ける高いアスペクト比のフィラメント又はウイスカ（ｗｈｉｓｋｅｒｓ）を含む有効表面積を増加させる立体的（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃａｌ）強化でこうした電極表面を用意することによって、微生物生産性の増加が容易にされる。
【０２８３】
理論に制限されることなく、立体的処理又は強化のような電極及び／又は分離器の特定の機能部は、所望の場所での電解質のキャビテーション又はスーパーキャビテーションを含む乱流を促進し、これが次に、その場所での核生成を促進すると考えられる。逆に、電極及び／又は分離器の特定の構成は、所望の場所、例えば電子移動点でのキャビテーション又はスーパーキャビテーションを含む乱流を抑制し、これが次に、該場所での核生成を抑制することがある。これらの機能部を含む要素は、核生成が望まれる電解槽の中のあらゆる場所で実装することができることが考慮される。そのうえ、これらの同じ機能部及び原理は、電解槽と流体的に連通するガス収集容器又はこれに類似のものに、又はそれらの間の通路又は弁との流体連通に当てはめることができる。
【０２８４】
適切なフィラメント及び又はウイスカは、より効率的に二酸化炭素を放出するための増加した表面積、減少したイオン−輸送及び抵抗損、増加した微生物生産性、及びより効果的な核生成活性化を提供するために、金属又は炭素、ケイ素、若しくは炭素又は窒化ホウ素のナノ直径フィラメントのようなドープされた半導体を含む。こうしたフィラメントはまた、微生物生産性、強化された酵素及び触媒の利用効率、及び関係する有益な水素イオン生産プロセスをさらに改善するグラファイト粒を固定するのに使用されてもよい。同様に、水素イオンが電子と共に提供されて水素原子を生じ、且つ二原子水素の気泡の核をなす電極で、活性領域を増加させ且つプロセス全体に必要な電圧を減少させるためにフィラメント及びウイスカが使用されてもよい。
【０２８５】
炭素ウイスカに加えて、鉄合金電極のような適切な基板上に蒸気から堆積され又はめっきから成長させられるスズ、亜鉛、ニッケル、及び耐火性金属のような金属から成長させられるフィラメントは、減少された電気抵抗及び改善されたプロセス効率を提供することが見出されている。こうしたフィラメント又はウイスカは、導電性（ｃｏｎｄｕｃｉｖｅ）界面活性剤の添加、及び又はスパッタリングによって又はメタン、エタン、プロパン、及びブタンを含むアセチレン、ベンゼン、又はパラフィン系ガスのような例証となる前駆体からの炭素供与体のような物質の分解から堆積される炭素、窒化ホウ素、又は炭化ケイ素のような適切な物質での表面めっきによって、バイオフィルムの支持及びプロセスの強化により適したものにされてもよい。
【０２８６】
図４Ｂの実施形態及びその変形は、式１〜式６で要約されるように有機液体からの水素分離を含む流体解離の低密度気体誘導体の有利な分離を提供して、水素又は水素を富化された混合物の選択物をポート１１６ｂに送達し、一方、二酸化炭素又は固定窒素構成要素を含む二酸化炭素を富化された混合物をポート１１８ｂに送達することができる。幾つかの用途において、これらの電極の極性を反転させて、分離されるガスのための送達ポートを反転させることが望ましい場合がある。こうした反転は、種々の目的を達成するために長期のもの又は間欠的なものであってもよい。電極１１０ｂ及び１１４ｂの螺旋ピッチ（単数又は複数）、及び各電極の共振又は課される振動周波数、並びに各電極での相対流体速度の選択に応じて、水素はポート１１６ｂに送達されてもよいが、システムはメタンと二酸化炭素とを含むように作動されてもよい。しかしながら、ポート１１８ｂに送達される二酸化炭素は、メタン及び水素よりも高い密度の他のガスを含んでもよい。内燃機関、種々のバーナ、炉、又は燃料電池のスロットルを絞られない作動を可能にするために水素とメタンとのハイブースト（Ｈｙ−Ｂｏｏｓｔ）混合物を提供することが望ましい用途では、ポンプ３６ｂ及びコントローラ５２ｂによって提供されるような油圧及び電気回路制御措置で作動する図４Ｂの実施形態は、ポート１１６ｂで送達するために水素とメタンとの制御された比率をもつ所望の燃料混合物を生産し及び分離するオプションを容易にする。
【０２８７】
コロイド状の炭素、ナノ構造体を含む炭素フィラメント、剥離炭素結晶、グラフェンの小板（ｐｌａｔｅｌｅｔ）、活性炭、ゼオライト、セラミックス、及び又は窒化ホウ素粒のような媒体を電気化学電池に加えることによって、有機供給原料の水素及び／又はメタンへの所望の変換を生じる微生物の活発な嫌気性コロニーの生産のための、思いがけないが特に有益である配置が提供される。こうした媒体は、強化された触媒生産性を提供するために種々の薬剤をドープされ又は混合されてもよい。例証すると、望ましい機能性は、ホウ素、窒素、マンガン、硫黄、ヒ素、セレン、ケイ素、テルル、及び又はリンなどにより良く似ている又はあまり似ていない電子構造を有する選択された薬剤をドープすることによって提供されてもよい。電気分解プロセスによって放出されたガスによって誘起される循環は、より効率的な電荷電流の利用のために、こうした媒体の有利な場所及び密度へのソーティングを促進することができる。
【０２８８】
特定の理論に限定されるものではないが、こうした相乗的な結果は、結果として生じるバイオフィルム及び反応ゾーンへの酵素、水素、メタン、又は二酸化炭素の有利な吸着と共に、重要な場所での増加した表面積と、核生成プロセスを強化する及び又は電子又は水素イオンを伝導するストリンガ、領域、又はフィラメントの開発に関係すると仮定される。微生物は、行われる作動において効率よく使用される場所及び本明細書で開示される種々の実施形態において生じる流路への循環のためにインキュベートされることも示される。
【０２８９】
炭素、グラファイト、種々の金属炭化物、及び炭化ケイ素、並びに性能を触媒作用で強化する他の無機物質及び粒子のようなウイスカ及びフィラメントに加えて、微生物プロセスを支援するために所望の栄養素又は触媒を与える活性化された物質及び粒子を使用することが有益である。例証すると、ポリマー、セラミックス、又は活性炭の多孔質基体及び／又は剥離基体は、コ−テトラメトキシフェニルポルフィリン（ＣｏＴＭＰＰ）又はポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）のような導電性有機触媒を吸着してもよく、及び又は酵素を含む他の触媒物質、並びに付加的な酵素を含む触媒物質を組み入れ及び与えるのに使用されてもよいグラフトポリマーを都合良く配向し及び与えてもよい。
【０２９０】
適切な物質又はグラフトポリマーは、白金及び他の高価な触媒及び導体を最小にし又はこれと置き換えるために、従来の、デンドリマー、ファイバ形態、及び他の有機機能性材料のものを含んでもよい。こうした置換え物質及びそれらの利用は、本明細書で開示される幾つかの実施形態から結果として得られる流体循環に関する混合物又は段階的な場所を含む。様々に特化された導電構造体及び又は触媒構造体は、電極４ｂ、８ｂ、１１０ｂ、又は１１４ｂに成長させられ又は取り付けられ、及び／又は炭素フェルト又は編まれた構造体に重ね合わされ、又は発達中のバイオフィルムの中に分散されてもよい、針状堆積物及びファイバを含む。例証すると、導電機能性及び／又は触媒機能性は、ヒドロゲナーゼ及び他の酵素、ＣｏＴＭＰＰ、及び又はポリ（３、４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）のような他の触媒を保持し及び与えるフィラメントによって、１００よりも大きいアスペクト比をもち且つ電荷伝導性に対する低い抵抗を提供する自己組織化した細い直径のナノファイバとして水性界面活性剤溶液から合成されるファイバとして提供されてもよい。陰イオン系界面活性剤のドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）を含む水性溶液中での合成は、ＳＤＳの濃度を変えることによって種々の構成を生じ、且つさらに、ＦｅＣｌ３を添加することによって重合構造体を生じるように適合することができる。（例示的な手順は、Ｍｏｏｎ Ｇｙｕ Ｈａｎ ｅｔ ａｌ．、Ｆａｃｉｌｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｐｏｌｙ（３，４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）（ＰＥＤＯＴ）Ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ ｆｒｏｍ ａｎ Ａｑｕｅｏｕｓ Ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ、Ｓｍａｌｌ２、Ｎｏ．１０、ｐｐ．１１６４〜６９（２００６）で説明され、参照により本明細書に組み込まれる）。他の例は、セルロースナノファイバから導出されるナノコンポジットの形態の機能性触媒及びマイクロ導体、並びに第４級アンモニウム側鎖をもつポリアニリン（ＰＡＮＩ）及びポリ（ｐ−フェニレンエチニレン）（ＰＰＥ）誘導体を含む半導電性共役ポリマーを含む。陰イオンの表面電荷をもつセルロース、炭素、又はセラミック・ウイスカは、正に帯電した共役ポリマーと組み合わせて、蟻酸のような極性溶媒から溶液キャストすることができる安定な分散を形成することができる。
【０２９１】
調製物は、有機金属アルコキシド、金属アルキルのグラフトポリマー及びエンドキャップ、並びに酢酸及びＣＯＯＨ末端基を含有するポリマー触媒の触媒的恩恵の適用を含む。特別な官能性及び二官能末端基は、末端基の混合物と共に、触媒機能、反応性安定剤、グラフト化（ｇｒａｆｔｉｎｇ）剤、及び分散重合のプロモータを含む多官能性の特徴を生じるように選択されてもよい。同様に、嫌気性微生物によって産生される水素及び又は酵素による炭素又は他の基体の特化された活性化は、局所的に水素リッチな環境を提供してメタンの生産を強化し又は低下させ、及び種々の有機物質からの付加的な水素の生産を強化する。
【０２９２】
図１Ｂ〜図３Ｂを参照すると、随意的に、炭素フィラメントの１つ又は複数の補足的フェルト及び又は編まれたスクリーンを円筒形構成要素８ｂ、１０ｂ、１１ｂ、１１０ｂ、及び／又は１１４ｂの外面及び内面に提供することが有利な場合がある。こうした補足的フェルト及び又は編まれたスクリーンは、電極４ｂ、８ｂ、１１０ｂ、及び又は１１４ｂ、及び又は分離器１０ｂ又は１１ｂと併せて電子を相応に捕集し又は分配し、且つ粒、フィラメント、及び又は他の構造体を固定し又は優先的に配置するのを助けて、圧力損失を減少させ、又は液体の流れをより均等に分配し、且つ所望のエネルギー変換作動における微生物の機能を容易にしてもよい。
【０２９３】
水素と二酸化炭素の正味生産を提供する補足的な且つ競合する反応及びプロセスのうちの種々のプロセスステップが式８で要約される。
炭素＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ⁺＋４電子 式８
【０２９４】
嫌気性消化装置又は電解槽からの液体と混合される成分又は炭素質の物質として又は種々の製造成果の結果として供給されてもよい炭素を含む炭素は、式８で要約されるように消費される。例証すると、炭素は、電極、タンクのライナを含む電極上の電極コーティング、又は粒子、又はフィラメント、又は凝集剤、又は熱解離及び反応プロセスによる選択されたカーバイドを生産するための研削、機械加工、電気−放電−機械加工（ＥＤＭ）、及び種々の熱化学作動からの、有機物質の種々の度合いの脱水素化の成果としてのコロイド状の又は他の懸濁液を含む、スクラップを含んでもよい。
【０２９５】
こうした炭素及び／又は炭素−供与体供給原料は、供給される液体から二酸化炭素及び他の栄養素を受け取る細菌、植物プランクトン、又はより大きい藻類によって、又は水耕及び又は土壌栽培植物への二酸化炭素の循環によって、再生可能に供給されてもよい。高い表面対体積比をもつこうした形態の炭素を使用すること、及び示される反応を駆動する目的で、及び水素の気泡を生産し、核生成し、及び放出するためのフィラメント及び導電性フィルタ物質のような補足的な導電性媒体を含む電極表面に水素イオンを送達して総合水素生産率を増加させるために、それらが送達されるゾーンに電圧勾配を提供することが有利である。
【０２９６】
作用面を増加させるため適切な措置及び又は凝集剤は、種々の形態のコロイド状の炭素、活性炭、及びカーバイドと共に、細菌、タンパク質、単糖類及び多糖類、セルロース、熱により解離されるセルロース、生きている及び解離される植物プランクトンのような有機成分を伴うものを含む。例証すると、植物プランクトン及び又はより大きい藻類は、成長させられ、乾燥され、コーンシロップのようなバインダと混合され、熱により種々の程度に脱水素化され、ミルされて、細粒の凝集剤を提供してもよい。代替的に、活性炭供給原料は、酵素受取体又は綿状媒体として使用される細粒の粒子を提供するためにミルされてもよく、又はこれは、酵素の所望の生産又は効率を強化するため、所望の微生物のインキュベーションをサポートするため、又は水素又はメタンの生産及び又は炭素の消費を増加させて式８によって示されるように電気分解のための水素イオンを生産するために、前に開示された物質と併せて用いられてもよい。
【０２９７】
必要であれば、塩水又は水ベースの電解質への少量の塩の添加の時折の使用は、示される電解槽システムを迅速に消毒するため又はその害になる汚れを防ぐために塩素を生じることができる。幾つかの実施形態、例えば図５Ｂの利用は、廃水、商業プロセス水、木灰水、海水、フライアッシュ水、運河及び排水溝の水、又は嫌気性消化装置の液体のような電解質を使用するときであっても、結果として得られるシステムが本質的に害になる汚れのないものとなることを可能にする。さらに、こうしたシステムは、取付具１１８ｂから１３８ｂに電解質又は洗浄水を逆流させて、電極に送達されている場合がある粒子を取り除くことによって、必要な場合に迅速に浄化することができる。
【０２９８】
幾つかの実施形態の用途は、ナノサイズの電解槽への大きな共同体の廃棄物処理作業を含み、そこから水素及び／又はメタン及び又は二酸化炭素及び他の植物栄養素の生産のための有機物質を含有する溶液又は「液体」が供給される従来の廃棄物消化装置への改善を含む。この能力において、幾つかの実施形態は、嫌気性消化装置によって生産される副産物の迅速且つ効率的な変換を提供し、水素イオンを水素に変換し、メタン生産作動の酸劣化を克服することができる。作動時には、嫌気性消化装置からの液体を使用して、水素と二酸化炭素を生産して、メタン生産システムを妨害する場合があるより酸性の条件の代わりに７．０付近のｐＨの有益な回復及び又はメンテナンスを提供する。これは、消化装置の中のｐＨを調整するために化学薬品を添加する高価な措置に対する要件を克服するので、増加した総合エネルギー変換効率を可能にする。このような媒体及び大規模な用途では、強化された性能のための様々に活性化された条件でこうした物質を含む炭素、窒化ホウ素、ゼオライト、ポリマー、及びセラミックスのような粒の所望の保持を提供してもよい電子分配回路を含む多機能性構成要素を設計し及び工学的に操作することが有益である。
【０２９９】
別の態様において、本明細書で開示されるような電解槽は、屠殺場、搾乳場、養鶏場、及び他の動物飼料センター又はこれに類似の場所からの廃棄物と共に、都市廃水及び埋立地での用途を含む、嫌気性消化によって典型的に生じる酸の迅速な変換を提供するために適用されてもよい。メタンの生産は、嫌気性条件によって生産される酸がｐＨを７よりもはるかに低く下げる場合に遅くされ又は抑制される。こうした酸は、有機物質の供給率が微生物のメタン生成コロニーの能力を上回る場合に生成することができる。こうした酸から水素を抽出することによって、嫌気性消化による有機物質処理率を増加させることができる。メタンと水素の組合せは、廃棄物１トンにつきはるかに大きい正味エネルギー生産を提供し、廃棄物は、より速く処理されてプロセスの能力を増加させる。
【０３００】
幾つかの実施形態のうちの特に有用な実施形態は、式１〜式６で要約される嫌気性電解（ｅｌｅｃｔｒｏ）−消化プロセスで、加水分解された生ごみ、農場廃棄物、及び森林の木くずと共に、汚水のような有機物質を使用して、最小限の酸素生産を伴って又は酸素生産なしに水素を生産する、廃棄物からエネルギーへの用途におけるものである。堅牢な構成及び再循環作動は、電解質として使用される嫌気性プロセス液体中の有機固体及び粒子を含む溶解される固体に対する大きな許容誤差を可能にする。水の電気分解によって放出されるであろう酸素の相応の放出を伴わない水素の生産は、廃棄物により生じる水素の電気発電機のような電気機器における冷却ガスとしての利用に対するより高い効率及び安全性を容易にする。
【０３０１】
本明細書で開示される幾つかの実施形態の別の用途において、図７Ｂに示すような電解槽システム９００ｂは、インキュベータの目的でより速い又はより完全な処理、消化及び／又は支持を可能にするために、調整器９５０ｂにおける酵素、機械的作用、熱、音響、電気、圧力及び／又は化学的作用及びプロセスによるバイオマスの組織及び／又は細胞の破壊を提供する。調整器９５０ｂからのこうした破壊された細胞と変換器９０２ｂによって生産される関係する供給原料を含む流体は、図示のようにベース９１０ｂの環状分配器９２２ｂを通して電解槽９１４ｂに循環される。嫌気性微生物は、図示のように媒体９４０ｂ及び９４２ｂによって支持され、導管９１０ｂを通して水素分離器９０４ｂから再循環される液体と導管９０８ｂを通して二酸化炭素分離器９０６ｂから再循環される液体とを受け入れる。電極９１８ｂ及び／又は媒体９４２ｂは水素を放出し、電極９１６ｂ及び／又は媒体９４０ｂは二酸化炭素を放出する。形成される絶縁フィルムを克服するために化合物解離要件及び増加した電圧に対する時折のニーズに応じて０．１から約３ＶＤＣまでの範囲であってもよいソース９２４ｂによって回路９２６ｂを通して電極９１６ｂ及び９１８ｂに電動バイアスが提供される。水素は、図示のように所望の直列／並列のバリエーションに応じて導電面であってもよい又は絶縁体９３０ｂによって収容され及び支持される、より多い又はより少ない円錐形表面９２５ｂに沿って移動することによって、収集及び送達のために分離器９０４ｂに送られる。
【０３０２】
作動時には、液体は、分配器環９２２ｂの中で混ぜられ、上方に移動して、こうした粒を電極９１６ｂ及び又は９１８ｂの近傍で包み及び実質的に保持する活性炭布及び／又は粒９４０ｂ及び９４２ｂ及び又は導電性フェルトの中に宿っている微生物にプロセス反応物及び栄養素を提供する。電解槽システムの全体にわたる場所に入り込んで、前に開示されたものを含む電荷伝導性、酵素、及び触媒機能を強化するために、より小さい粒子及びフィラメントが加えられてもよい。分離器９０２ｂは、逆浸透膜、若しくは陽イオン又は陰イオン交換膜であってもよく、又はこれは、図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂ、又は図５Ｂに示される実施形態に従って構築されてもよく、幾つかの場合には、こうした分離器は、種々の液体循環経路を提供するのに望まれる場合に、及び／又は水素と二酸化炭素を異なる圧力で又は水素と二酸化炭素との間に圧力差をもって生産するために、互いに併せて用いられてもよい。
【０３０３】
同様に、図示のように電極９１６ｂが隣接するフェルト及び又は媒体９４０ｂと共に電子源として作動して、ガス生産リフトの作用によって、対流性の流れ、又はポンプ送達によって循環される液体から送達されるイオンから水素を生産する場合に、多くの循環オプションが利用可能である。このオプションにおいて、二酸化炭素は、図示のように、水素イオンが、９０２ｂ及び９５０ｂから送達される酸から生産される又は電極９１８ｂによって電極９１６ｂとは反対になるように電気的にバイアスされる繊維性又は粒状媒体９４２ｂ及び関連するフェルト材料の中に宿る微生物によって生産される際に放出される。別の例示的なオプションは、図示のように、電子が電極９１８ｂによって供給されて、ガス収集器９０４ｂへの送達のために絶縁体９３０ｂによって収集される水素を生産する場合の結果である。この場合、電極９１６ｂと、これと電気的に関連する媒体は、図示のように、二酸化炭素が放出されて二酸化炭素が絶縁体９３０ｂを通過して収集器９０６ｂに送達される際の示される流体回路でのポンピングを提供する場合の電子収集器である。
【０３０４】
図７Ｂを参照すると、システム９００ｂは、メタン、水素、及び／又は二酸化炭素への光合成によって、及び／又は微生物によって生産されるような有機供給原料を変換するために用いることができる。宿る微生物に応じて、尿素のような化合物と共に酢酸及び酪酸のような酸を典型的に含む液体が電解槽９１４ｂの中で解離される。電解槽９１４ｂは、こうした化合物と酸から水素を生産するのに十分な電圧で電流を提供し、消化装置及び電解槽としての作動を提供してもよく、又は嫌気性消化装置（図示せず）内で作動されてもよく、又は図示のように９１４ｂの中で嫌気性消化によって生産される液体を使用してもよい。こうした作動は、炭素強化された耐久性のある物品を製造するために共同体に燃料及び供給原料を供給する目的で共同体及び又は工業パークからの有機廃棄物を変換するために特に有用である。
【０３０５】
図８Ｂを参照すると、別の態様において、本明細書で開示されるものを含む、電解槽で利用するための１つ又は複数の導電電極の配置が、電解槽の単極又は二極構成要素として電気的に接続されてもよい平板（図示せず）又は図示のように同軸電極１００２ｂ、１００３ｂ、１００４ｂ、又は１００５ｂを含むものとして示される。こうした導電性電極のうちの幾つか又はすべては、離間されたグラフェン又は他の厚さの層（例えば、炭素及び／又はＢＮ「フィルタ」）などの高い表面対体積の材料として広大な表面を提供する。これは、カソード表面で水素の生産のための電子及びプロトンを放出するために揮発性脂肪酸を含む種々の有機物質を分解する微生物を宿す目的で働き、上記の実施形態のいずれかと共に用いるために実装することができる。
【０３０６】
別の態様において、微生物が産生して揮発性脂肪酸及び種々の他の有機物質を分解する本質的な酵素が、電極１００２ｂ、１００４ｂ、１００６ｂ、１００８ｂを備える高い表面対体積の材料の中に組み入れられる活性炭又はポリマー粒子又はフィラメントに加えられる。代替的に、本明細書で説明される任意の微生物、酵素、又はプロモータを前記表面の中に組み入れることができる。こうした酵素又は他の材料又はプロモータが枯渇し、劣化し、又は破壊される際に、補足的な量のこうした酵素、材料、又はプロモータが必要に応じて加えられてもよい。このシステムは、微生物が分離される場所で生育するが図示のように電解槽の作動で使用されることになるこうした酵素を提供できるようにすることを含む、プロモータの最適化を可能にする。
【０３０７】
別の実施形態において、本質的な酵素、微生物、又はプロモータは、複製又は様々に変更された「デザイナー酵素」として人工的に生産され、これはセルロース又はリグノセルロースのような適切な天然ポリマーに又は種々の工場生産されるポリマー又は化合物にグラフトされる。
【０３０８】
微生物の生きているコロニー、又は微生物の生きているコロニーから伝達される酵素、又は工場で複製される又は様々に変更されたデザイナー酵素を宿す、維持される酵素システムにおいて、電解槽の中の電解質の電気抵抗を最小にすることが望ましい。これは、水素が所望の高い圧力で生産される際に消費される種々の酸及び尿素のような他の物質と共に酢酸に関して式９で一般に示されるようなプロセスを容易にし、これはまた、本明細書で開示されるあらゆる実施形態で実施することができる。
ＣＨ３ＣＯＯＨ＋２Ｈ２Ｏ＝２ＣＯ２＋４Ｈ２ 式９
【０３０９】
別の態様において、化学的に活性の物質を検出し、及びこうした物質又は酵素の存在、能力、及び実行可能性を識別するためのシステムを、化学的に活性の栄養素の量を含む作動条件及び維持される酵素システムの作動を最適化する目的のための他の作動条件を調整する適応制御システムを可能にする目的で、本実施形態と共に用いることができる。また、前記システムは、本明細書で開示される実施形態のいずれかと共に実装することができる。
【０３１０】
他の実施形態又は本明細書で開示されるあらゆる実施形態の態様において、電解質の導電性を増加する目的で溶液中に溶解され又は他の方法で保持されるＣＯ₂の量を増加させるのに十分な圧力で選択された微生物及び／又は維持される酵素と共に作動することが望ましい。これは、システムの効率及び作動能力を、以下の方法を含む幾つかの方法で改善する。
１）高い圧力で生産される水素は、多段水素ガス圧縮機を作動するために資本費用、メンテナンス、又はエネルギー費を被ることなく、コンパクトな加圧された貯蔵部に送達することができる。
２）高い圧力で生産される水素は、市場に伝送するための加圧されたパイプラインに直接採り入れることができる。
３）高い圧力で生産される水素は、他の反応物を加圧して、反応できるようにする又は反応を加速するために用いることができる。例証すると、加圧された水素は、適切な反応器の中の窒素に加えて、アンモニア又は他の生成物を生じることができる。
４）電解槽の電極表面上での二酸化炭素の放出を防ぐ又は最小にするために加圧することは、電解槽の設計を大いに簡素化する。
５）加圧された電解槽又は適切なサブシステムからの高い圧力での水素の収集と別の場所での減圧後の又は別のサブシステムによる二酸化炭素の収集による水素と二酸化炭素の生産の分離
【０３１１】
図９Ｂを参照すると、適切なポンプ１１１４ｂから電解槽１１０２ｂ内に加圧された電解質及び／又は適切な電解質を形成する前駆体流体を受け入れてもよい高い圧力の電解槽１１０２ｂを含むシステム１１００ｂが示される。加圧された水素は、図示のようにタップ１１０６ｂ及び１１２４ｂの端間に印加される電圧と共に、１００２ｂ、１００４ｂ、１００６ｂ、１００８ｂなど又は１１０４ｂのように示される１つ又は複数の電極上の微生物の活動及び／又は他の方法で維持される酵素の結果として生産される。高い圧力の水素は、圧力調整器１１２０ｂによって導管１１２２ｂを通して適切な用途に送達される。
【０３１２】
二酸化炭素を含有する加圧された電解質は、流体モータ−発電機１１２６ｂを通して流れて、藻類のスイッチグラス、葛、又は種々の他の収穫物１１３２ｂ及び／又は１１３４ｂを成長させるための水耕システム又は温室１１３０ｂのような適切な二酸化炭素の使用先に分流される際に、流れている電解質の運動エネルギーと二酸化炭素の周囲圧力への膨張を利用することによって仕事を生じる。二酸化炭素を使い尽くされた電解質は、ポンプ１１１４ｂによって３方弁１１１２ｂを通してリサイクルされる。
【０３１３】
１１３０ｂの中で成長させられる材料を含むバイオマスは、粉砕され又は他の方法でプロセッサ１１３６ｂの中での適切な機械的処理、音響処理、化学処理、熱処理、又は放射線処理によって生じる壊れた細胞材料で構成される活性化された物質のスラリーにされる。こうした活性化された有機供給原料は、図示のようにフィルタ１１１０ｂを適切に通して３方弁１１１２ｂを通してポンプ１１１４ｂを通して圧力電解槽１１０２ｂに入れるために、アキュムレータ１１０８ｂに加えられる。
【０３１４】
システム１１００ｂの作動は、図示のように化学的に活性の薬剤のセンサ１１４０ｂ及び１１５０ｂと共に、圧力、温度、及びｐＨセンサ１１４２ｂ、１１４４ｂ、１１４６ｂに応答してコントローラ１１０１ｂによって提供される。これは、最適化された性能に対して望まれる維持される酵素条件を提供する目的で、ポート１１１８ｂを通して矯正（ｃｏｒｒｅｃｔｉｖｅ）物質が加えられることを可能にする。
【０３１５】
別の実施形態において、適切な電極は、本明細書で開示されるように可塑的に（ｐｌａｓｔｉｃａｌｌｙ）形成される編まれた実施形態又は螺旋形の実施形態を提供するために、四角形又は長方形又は種々の「星形」形状又は平坦なストリップのような円形又は他の断面のワイヤから形成されるシステムを含む。鉄又は他の遷移金属ベースの合金のような材料選択物が、次いで、熱処理されて、こうした飽和したゾーン、特に表面付近の成長を可能にするために付加的な熱処理によってさらに画定され又は成長させられる飽和したゾーンを含む固体溶液中の種々の量の炭素を浸炭し及び生産する。発達する炭素ゾーンは、炭化水素又は一酸化炭素のような炭素供与体がこうした表面上で分解される際に付加的な炭素の堆積を加速する。式１０及び式１１は、炭素供与体の生成熱に等しいか又はこれより高い量で熱処理される基体に熱を提供するこうしたプロセスの全体を示す。
ＣｘＨｙ＋熱ａｘＣ＋０．５ｙＨ２ 式１０
ＣＯ＋熱ａＣ＋０．５Ｏ２ 式１１
【０３１６】
幾つかの態様において、炭素堆積を続けて、所望の形状及び表面対体積比の非常に耐久性のある複合材を生産するために最初の飽和ゾーンでのボンディングと共に十分な深さで電極全体を効果的に被覆する炭素フィルムを生産することが望ましい。
【０３１７】
別の実施形態において、飽和状態に近づく炭素リッチなゾーンの最初の調製及び配向は、実施形態の高温又は低温仕事によって修正されて、炭素結晶構造の十分に一様な配向を提供し、その後の炭素堆積の顕著にエピタキシャルに影響を受ける堆積を提供する。主として縁が露出され又は元の表面に対してより平行なグラフェン層としてこのように堆積される配向される炭素は、所望の微生物プロセスの支持を提供するために競争的にテストされる。これは、「デザイナーカーボン」が所望の各種の微生物プロセスに対して選択されることを可能にする。
【０３１８】
図１０Ｂを参照すると、別の態様において、本明細書で開示された実施形態で用いられる炭素／スチール電極の製造が開示される。これらの電極は、電解槽の改善された作動のための選択的酵素、微生物、又は他のプロモータへの取り付けのための表面処理された炭素を含むことができる。この実施形態に従って電極を製造するために、スチール又は合金鋼基体は炭素が飽和される。飽和される炭素の粒は、相Ｉに示すように炭素の所望の粒子配向を提供するために、例えば、誘導を通じた熱処理によって位置合わせされる。他の公知の熱処理方法が採用されてもよい。このステップの間、電極はまた、電極への損傷を防ぐ又は他の恩恵を提供するために液体冷却を受けることができる。
【０３１９】
相ＩＩに示すように、電極は、次いで、ピンチローラの使用を含む公知のプロセスを通じて形状設定される。形状設定は、所望の場合に配向される炭素粒をさらに位置合わせする、平らにする、又は修正する状態で実施することができる。
【０３２０】
相ＩＩＩに示すように、炭素は、次いで、電極の表面上に炭素が堆積される又は成長させられる蒸着を含む公知の炭素堆積技術を通じて電極上に堆積される。このステップの間、炭素は、粒子配向をさらに強化する又は電極の所望の使用に応じて電極上の選択された場所に炭素を選択的に堆積する状態で堆積する又は成長させることができる。例えば、酵素、微生物、又はプロモータは、或る場所に堆積することができ、別の酵素、微生物、又はプロモータは、酵素、微生物、及びプロモータの制御される使用のための別の場所に堆積することができる。加えて、堆積される炭素を伴う電極は、誘導又は他の手段による加熱を通じてさらに処理して、粒をさらに位置合わせする又は配向することができ、これはまた液体冷却を含むことができる。このプロセスは、所望の炭素量及び／又は粒子配向及び／又は粒子位置が達成されるまで繰返すことができる。
【０３２１】
相ＩＶに示すように、表面処理が完了すると、電極は、次いで、電極の特定の用途のために選択された１つ又は複数の酵素、微生物、又はプロモータ、例えば電気分解中の水素のような所望の化合物の生産を強化する酵素に露出される。上記のステップのいずれかにおいて、方法は、電極の特定の場所を対象とすることができる。そのうえ、電極の所望の構成又は使用に応じて異なる場所で異なる酵素を配置することができる又は異なる酵素密度を実装することができるように異なる処理条件を異なる場所に適用することができる。このように、電極は、特定の酵素、微生物、又はプロモータに対する親和力を有する炭素構成を含むように、及び酵素、微生物、又はプロモータを電極に所望の場所で結合して、酵素を所望の場所で電気分解又は電極の他の作動中に用いるために恒久的に又は実質的に保持するように製造される。
【０３２２】
本発明は、具体的な実施形態及び例に関して説明されているが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく本発明の修正及び適応が可能であることが当業者にはすぐに分かるであろう。したがって、本発明の範囲は以下の請求項によってのみ制限される。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生可能エネルギー源を用いてエネルギー供給を提供するための方法であって、 第１の再生可能エネルギー源であり、間欠的であるか又は十分な量のエネルギーを提供しない第１の再生可能エネルギー源を提供するステップと、
電気分解を通じてエネルギーキャリアを生産するために前記第１の再生可能エネルギー源から電解槽にエネルギーを提供するステップと、
燃料電池として用いるために前記電解槽を選択可能に逆転させるステップと、
前記エネルギーの生産のために前記電解槽に前記エネルギーキャリアを提供するステップと、を含む方法。
【請求項２】
前記第１の再生可能エネルギー源が太陽エネルギーであり、燃料電池として用いるために前記電解槽を逆転させる前記ステップと、前記エネルギーの生産のために前記電解槽に前記エネルギーキャリアを提供する前記ステップが、前記第１の再生可能エネルギー源が十分に入手可能でないときに実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の再生可能エネルギー源が、太陽、風、流水、有機、又は地熱エネルギー源からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記エネルギーキャリアが水素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記エネルギーキャリアが炭素ベースの材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記エネルギーキャリアが窒素ベースの材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記エネルギーキャリアがアンモニアを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記エネルギーキャリアが炭化水素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の再生可能エネルギー源、前記電解槽、又は前記エネルギーキャリアが、第１の熱源から補足的な熱を受け取る、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の熱源が、地熱、太陽、又は他の熱機関からなる群から選択される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の熱源が第２の再生可能エネルギー源を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記第２の再生可能エネルギー源が地層を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記エネルギーキャリアを前記電解槽に提供する前に前記エネルギーキャリアを貯蔵するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記エネルギーキャリアを貯蔵する前記ステップが、前記エネルギーキャリアを地層の中に貯蔵することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記エネルギーキャリアを地層の中に貯蔵する前記ステップが、前記エネルギーキャリアが前記地層から補足的な熱を受け取ることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
膨張から仕事を取り込むように構成された膨張装置を提供するステップであり、前記膨張装置が前記電解槽又は前記エネルギーキャリア貯蔵に結合されるステップと、
圧力の下で前記膨張装置に前記エネルギーキャリアを提供するステップと、
前記エネルギーキャリアの膨張から仕事を取り込むステップと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記エネルギーキャリア貯蔵部が、前記エネルギーキャリアの膨張から仕事を取り込む前に前記エネルギーキャリアに熱を伝達する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記エネルギーキャリア貯蔵部が地層を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記エネルギーキャリアのエネルギー価が前記エネルギーキャリア貯蔵中に増加する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記地層から前記エネルギーキャリアに熱を加えることによって、前記エネルギーキャリアのエネルギー価が前記エネルギーキャリア貯蔵中に増加する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記地層から噴出した前記エネルギーキャリアにエネルギー価を有する炭化水素又は他の化合物を加えることによって、前記エネルギーキャリアのエネルギー価が前記エネルギーキャリア貯蔵中に増加する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記有機物質の電気分解のために前記電解槽に有機物質源を提供するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記有機物質源がバイオマス又はバイオ廃棄物を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
再生可能エネルギー資源を用いて実質的に連続したエネルギー供給を提供するためのシステムであって、
第１の再生可能エネルギー源と、
エネルギーキャリアを生産するために前記第１の再生可能エネルギー源に結合される電解槽であり、燃料として前記エネルギーキャリアを用いる燃料電池として作動を選択可能に逆転できるように構成される電解槽と、
前記電解槽から前記エネルギーキャリアを受け取る又は前記電解槽に前記エネルギーキャリアを提供するために前記電解槽に結合されるエネルギーキャリア貯蔵部と、
前記第１の再生可能エネルギー源及び前記電解槽からエネルギーを選択的に受け取るため及び前記第１の再生可能エネルギー源及び前記電解槽からエネルギーを選択的に提供するために前記第１の再生可能エネルギー源及び前記電解槽に結合されるエネルギー貯蔵部と、
を備えるシステム。
【請求項２５】
前記第１の再生可能エネルギー源が、太陽、風、流水、有機、及び地熱エネルギー源からなる群から選択される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記エネルギーキャリアが水素を含む、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記エネルギーキャリアが炭素ベースの材料を含む、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２８】
前記エネルギーキャリアが炭化水素を含む、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２９】
前記エネルギーキャリアが窒素ベースの材料を含む、請求項２４に記載のシステム。
【請求項３０】
前記エネルギーキャリアがアンモニアを含む、請求項２４に記載のシステム。
【請求項３１】
前記第１の再生可能エネルギー源、前記電解槽、又は前記エネルギーキャリアのうちの少なくとも１つが、第１の熱源からの補足的な熱を受け取るように構成される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項３２】
前記第１の熱源が前記第１の再生可能エネルギー源又は前記電解槽を含む、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記第１の熱源が、地熱、太陽、又は他の熱機関からなる群から選択される、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３４】
前記第１の熱源が地層を含む、請求項３１に記載のシステム。
前記第１の熱源が第２の再生可能エネルギー源を含む、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３５】
前記エネルギーキャリア貯蔵が、前記エネルギーキャリアに熱を伝達するように構成される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記エネルギーキャリア貯蔵が、前記エネルギーキャリアのエネルギー価が前記エネルギーキャリア貯蔵中に増加するように構成される、請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
前記エネルギーキャリア貯蔵が、前記エネルギーキャリアの貯蔵中に前記エネルギーキャリアに熱を加えることによって前記エネルギーキャリアのエネルギー価が前記エネルギーキャリア貯蔵中に増加するように構成される、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記エネルギーキャリア貯蔵が地層を含む、請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記エネルギーキャリアの膨張から仕事を取り込むように構成される膨張装置をさらに備え、前記膨張装置が前記電解槽又は前記エネルギーキャリア貯蔵に結合される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項４０】
前記エネルギーキャリアの膨張からエネルギーを生産するように構成された膨張装置をさらに備え、前記膨張装置が前記電解槽又は前記エネルギーキャリア貯蔵に結合される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項４１】
有機物質源をさらに備え、前記有機物質源が前記有機物質の電気分解のために前記電解槽に結合される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項４２】
前記有機物質源がバイオマス又はバイオ廃棄物を含む、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４３】
再生可能エネルギー資源を用いて実質的に連続したエネルギー供給を提供するためのシステムであって、
第１の再生可能エネルギー源と、
メタンを生産するために第１の再生可能エネルギー源に結合される電解槽であり、燃料電池として作動を選択可能に逆転できるように構成される電解槽と、
前記電解槽から前記メタンを受け取る又は前記電解槽に前記メタンを提供するために電解槽に結合されるメタン貯蔵部と、
前記第１の再生可能エネルギー源及び前記電解槽からエネルギーを選択的に受け取るため及び前記第１の再生可能エネルギー源及び前記電解槽からエネルギーを選択的に提供するために前記第１の再生可能エネルギー源及び前記電解槽に結合されるエネルギー貯蔵部と、
を備えるシステム。

【図１Ａ】

【図１Ｂ】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１０】

【図１１】

【図１２】

【図１ｂ】

【図２ｂ】

【図３ｂ】

【図４ｂ】

【図５ｂ】

【図６ｂ】

【図７ｂ】

【図８ｂ】

【図９ｂ】

【図１０ｂ】

【図１Ｃ】

【図１Ｄ】

【公表番号】特表２０１３−５０３４５７（Ｐ２０１３−５０３４５７Ａ）
【公表日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５３７８７５（Ｐ２０１２−５３７８７５）
【出願日】平成２２年８月１６日（２０１０．８．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４５６６９
【国際公開番号】ＷＯ２０１２／０４７１８８
【国際公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【出願人】（５１１２０１１７４）マクアリスター　テクノロジーズ　エルエルシー (23)
【Ｆターム（参考）】