CN105144450A - 用于原料材料的可变处理的在多种模式下可操作的燃料电池系统，以及相关联的装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于有选择地反应原料材料具有或不具有发电的燃料电池及相关的系统和方法被公开。根据一具体的实施方式的燃料电池系统包括被安置在第一区域内的第一电极，被安置在第二区域内的第二电极，被安置在第一和第二区域之间的离子传输介质，以及在第一和第二电极之间连接的电路。该系统是在第一模式下可操作以通过非发电反应来反应原料材料以产生产物，并通过发电反应在第二模式下反应原料材料以产生电力。控制器接收输入(例如，对应于电力需求的变化)，并且引起系统能够在第一模式下操作和在第二模式下操作之间进行切换，以响应于输入。

Description

用于原料材料的可变处理的在多种模式下可操作的燃料电池系统，以及相关联的装置、系统和方法

相关申请交叉引用

本申请要求于2013年2月11日提交的美国13/764,346的优先权，它是部分继续申请，并且它与于2012年8月13日提交的美国申请号13/584,748相关，其要求于2011年8月12日提交的美国临时申请61/523,270的优先权。在一定程度上前述申请和/或在此通过引用并入的任何其它材料与本公开冲突时，以本发明为准。

技术领域

本公开大体上涉及原料材料的可变处理以形成有用的反应产物和/或发电的装置、系统和方法。在一具体的实施方式中，燃料电池和燃料电池系统在热分解原料材料而不会发电的第一模式和利用该原料材料的部分并发电的第二模式下是可操作的。例如，在第一模式的烃原料材料可热分解形成氢和碳(例如，作为结构材料)，以及在第二模式电解地形成二氧化碳、电流，和水。在另一实施方式中，硅烷原料材料可以在第一模式热分解形成氢和硅(例如，作为结构材料)并且在第二模式电解地形成二氧化硅、电流，和水。

背景技术

可再生能源诸如太阳能、风能、波能、落水能和生物质的能源具有巨大潜力，但是目前遇到的各种技术问题阻止了其被普遍采用。例如，在发电中使用可再生能源依赖于可能是间断性的能源的可用性。太阳能受限于太阳的可用性(即，仅白天)，风能受限于风的变化性，落水能受限于干旱，而生物质能受限于季节变化。作为这些和其它因素的结果，许多来自可再生能源的能量，捕获的或未捕获的，倾向于被浪费掉。

与捕获和存储能量的传统方法相关联的低效往往会导致从可再生能源产生能量的高昂的成本。这些高昂的成本限制了在世界许多地区中可再生能源的广泛采用。因此，世界继续依赖石油和其它化石燃料作为主要能源，这至少部分地因为，支持与化石燃料相关的技术开发的政府补助金和其它项目使得使用这种燃料被误认为方便的且表面上是廉价的。与此同时，在由这些燃料产生的能量的购买价格中没有包括消耗的资源的重置成本，以及环境退化的代价、对健康的影响，以及使用化石燃料的其它副产品。

鉴于目前与持续生产可再生资源相关的前述和其它缺点，仍然需要提高使用这样的资源生产产品和燃料的有效性和商业可行性。

附图说明

图1是根据本公开的技术的实施方式被配置的燃料电池系统系统的方框图。

图2是根据本公开的技术的实施方式被配置的在第一模式下操作的燃料电池的局部示意图。

图3是根据本公开的技术的实施方式被配置的在第二模式下操作的燃料电池的局部示意图。

图4是根据本公开的技术的另一实施方式的包括多个串联连接的燃料电池的系统的局部示意图。

图5是根据本公开的技术的实施方式的具有设有透射表面的反应器的系统的局部示意、局部剖示图。

图6是根据本公开的技术的实施方式的具有环形安置的透射表面的反应器的一部分的局部示意、剖示图。

图7是根据本公开的技术的实施方式的具有设有再辐射部件的反应器的系统的局部示意、局部剖示图。

图8是根据本公开的技术的实施方式所示出的吸收特性作为波长的函数用于代表性的反应物和再辐射材料。

图9是根据本公开的技术的具体实施方式被配置的具有再辐射部件的在图7中所示的反应器的部分的放大的、局部的示意图。

图10是根据本技术的具体实施方式被配置的热传递装置的示意性剖视图。

图11A和11B是根据本技术的其它实施方式被配置的热传递装置的示意性剖视图。

图12A是根据本技术的进一步的实施方式的在第一方向操作的热传递装置的示意剖面图，图12B是在与第一方向相对的第二方向操作的图12A的热传递装置的示意性剖视图。

图13是根据本技术的实施方式的适合于传递热量的热泵的局部示意图。

图14是根据本技术的实施方式的具有直接引导热量到反应器容器的太阳能集中器的系统的局部示意图。

图15是根据公开的技术的实施方式的包括用于控制太阳能递送到反应区的附加特征的反应器容器的部分的局部示意、放大图。

图16是根据本公开的实施方式的具有环形安置的产物移除的反应器容器和反应物递送系统的局部示意、剖面图。

图17是根据本技术的实施方式被配置的具有太阳能集中器的系统的局部示意、局部剖示图。

图18是根据本公开的实施方式的如图1所示的具有被配置为在冷却过程中发射能量的太阳能集中器的系统的实施方式的局部示意、局部剖示图。

图19是根据本公开的实施方式的具有可移动的太阳能集中器盘的局部示意、局部剖示图。

图20是根据本公开的技术的实施方式的具有面向基底用于在批量模式中操作的反应器的系统的局部示意图。

图21是根据本公开的技术的实施方式的从内燃机接收能量并返回反应产物到发动机的反应器系统的局部示意、局部剖示图。

图22是根据本公开的实施方式的具有交互吸热和放热反应区的反应器的局部示意、剖示图。

具体实施例

1、概述

用于执行以下描述的在燃料电池系统中的燃料电池内以及燃料电池的上游和/或下游中的反应的装置、系统和方法的若干示例。在一些实施方式中，根据多种操作模式，燃料电池系统和/或在燃料-电池系统中的燃料电池可以被使用。例如，第一模式可以包括执行在原料材料上的非发电反应，以产生一个或多个第一模式反应产物。在一些实方式中，非发电反应可以是热-分解反应。第二模式可包括在原料材料上执行发电反应，以产生一个或多个第二模式反应产物和电流。在一些实施方式中，发电反应可以是电解-分解反应。在烃原料材料的情况下，例如，第一模式可以是内部-改进模式以及第二模式可以是直接的-烃燃料电池模式。此外，相对于烃和非烃原料材料，第一模式可以是化学-生产模式(例如，主要针对化学燃料、前体，和/或其他有用的化学产物的生产)以及第二模式可以是一个发电模式(例如，主要针对电流的生产)。

在第一和/或第二模式中来自操作的反应产物可以被投入到各种合适的非浪费用途中。在第一和/或第二模式中来自操作的反应产物可包括，例如，气体燃料(例如，氢)，其他有用的气态材料(例如，卤素气体)，和/或有用的非气态材料(例如，碳和/或硅)。以下描述特定的实施方式在生产非气态材料的语境下，例如，在燃料-电池系统的材料收集器处被收集的非气态材料。在其他实施方式中，收集器可以收集气态材料。来自在第二模式下操作的反应产物可以包括，例如，有用的氧化产物(例如，二氧化碳，一氧化碳，二氧化硅和卤素气体)和/或有用的还原产物(例如，水和卤化氢)。因此，被配置为根据本技术的至少一些实施方式的燃料-电池系统可以产生清洁-燃烧化学燃料(例如，氢)、重新利用碳、硅，和/或原料材料的其它成分(例如，用于耐久品)，并产生电。在某些情况下，原料材料的成分可被进一步处理成聚合物、碳复合材料，和/或其他有用物质。尽管下面的描述提供了在有代表性的示例的许多具体细节，以一种足以使本领域技术人员实践，制造，和使用有代表性的示例的方式。以下被描述的若干细节和优点相对于本技术的某些示例可能是没有必要的。此外，本技术可以包括未在此处详细描述的其他示例。

在本说明书中提及的“一个示例”、“示例”、“一个实施方式”或“实施方式”是指，结合该示例描述的特定特征、结构、过程或特征被包括在本技术的至少一个示例中。因而，短语“在一个示例中”、“在示例中”、“一个实施方式”或“实施方式”或类似的短语在本说明书的不同地方的出现，不一定都是指同一个示例。此外，特定特征、结构、例程、步骤或特性可以以任意合适的方式组合进所述技术的一个或多个示例中。本文提供的标题仅仅是为了方便，无意限制或解释要求保护的技术的范围或含义。

下述技术的某些实施方式可以采取计算机可执行指令(包括由可编程的计算机或控制器执行的例程)的形式。相关领域的技术人员会明白，本技术可以在下面示出和描述的那些以外的计算机或控制器系统上实现。此外，本技术可以被体现在专用计算机、控制器或数据处理器中，其被专门地编程、配置或构建成执行一个或多个下述的计算机可执行指令。因此，在本文中一般使用的术语“计算机”和“控制器”是指任何数据处理器，且可以包括因特网设备、手提式装置、多处理器系统、可编程的用户电子器件、网络计算机、微型计算机等等。本技术也可以在分布式环境中实现，在该分布式环境中由通过通信网络连接的远程处理装置来执行任务或模块。下述技术的方面可以被储存或分布在计算机可读介质上，包括磁盘或光学可读盘或可移动的计算机盘以及电子地分布在网络上的介质。在具体的实施方式中，本技术的某些方面特有的数据结构和数据传输也被包括在本发明的技术范围内。本技术包括将计算机可读介质程序化成执行特定步骤、以及执行该步骤的方法。

2.代表性的燃料电池系统和相关方法

图1是示出了根据本技术的实施方式被配置的燃料电池系统100的选定的部件的示意性框图。系统100可以包括执行多种功能的燃料电池110(例如，第一燃料电池)。在一些实施方式中，系统100包括第一电极115a，第二电极115b以及在第一和第二电极115a，115b之间的离子传输介质117(例如，电解质或电解质膜)。根据系统100的选定的操作，第一电极115a可以作为阳极且第二电极115b可以作为阴极，第一电极115a可以作为阴极且第二电极115b可以作为阳极，或第一和第二电极115a，115b可既不充当阳极也不充当阴极(例如，第一和第二电极115a，115b可以是电休眠的)。离子传输介质117，例如，可以是聚合物膜、碱性水溶液、熔融碳酸盐、陶瓷氧化物(例如，氧化铝或氧化锆)、尖晶石，纳米结构，或适合于离子传输的另一种材料。

系统100可以接收来自于原料源(未示出)的原料材料180至燃料电池110的第一端口111。虽然以下描述的特定的示例主要是在烃原料材料180的情况下，而其它合适的原料材料180也可被使用。在一些实施方式中，原料材料180可包括含有氢、卤素、硼、氮、过渡金属，或它们的组合作为构成元素的化合物。合适的原料材料180可以包括，例如，烃类(例如，甲烷)，硼烷(例如，乙硼烷)，硅烷(例如甲硅烷)，含氮化合物(例如，氨)，硫化物(例如，硫化氢)，醇(例如，甲醇)，烷基卤化物(例如，四氯化碳，氯仿，二氯甲烷，碳氟化合物(如，四氟化碳)和氯氟烃)，芳基卤(例如，氯苯)和卤化氢(例如，盐酸)，等等。在一些情况下，原料材料180可以是否则将被浪费或未被充分利用的蕴含能源或材料的人造的或天然源。此外，原料材料180可以是一种环境污染物(如有毒物质和/或导致气候变化)。因此，在一些情况下，系统100可以是在环境修复或废物处理的情况下被使用。

在一些实施方式中，系统100可以被配置为用于紧靠于原料材料180的合适的源。例如，系统100可以被配置为在处理甲烷的填埋地附近使用，否则其将被燃烧或释放到大气中。作为另一示例，系统100可以被配置为在水下或在浮动或锚定的平台上使用，用于处理来自海底的海洋生物质和/或甲烷水合物。类似地，系统100可以被配置为用于处理在油田处的滞留井，来自永冻土的甲烷水合物，和/或其他否则将被浪费或没有得到充分利用的原料材料180。在一些实施方式中，系统100可以被配置为当原料材料180的旧源被耗尽时被移动到原料材料的新源。例如，系统100可以被配置为在浮动平台上或与浮动平台一起使用，以移动(例如，在自动化控制下)到海洋生物质或甲烷水合物的不同源。在其他实施方式中，系统100可以被配置为固定使用。当在水下操作时，来自系统或到系统100中去的一定的输入和输出流，可以分别通过在系统100和合适的在水上的位置之间延伸的管道行进。

除了少数例外，大部分传统燃料电池被配置为氢的消耗。但是，通过使用传统的方法(例如，蒸汽重组)来产生氢可以是昂贵的，并且对于储存和运输也是昂贵的。因此，通过在系统100中使用非氢原料材料180对于许多传统的燃料电池系统具有降低系统100的投资和运行成本的潜力。如本文所公开的，使用非氢原料材料180也可促进燃料电池110在多种模式下的操作。例如，燃料电池110可以根据强调生产化学燃料、结构材料，和/或其他有用的化学产物的第一模式以及强调产生电流的第二模式下进行操作。在图1中，为了说明的目的，典型地与第一模式或第一模式与第二模式共同相关联的流动路径由实线示出，并且典型地与第二模式相关联的流动路径由虚线示出。虽然非氢原料材料180在一些实施方式中是有用的，但是系统100还可以与氢一起使用作为原料材料180。例如，当氢是原料材料180时，系统100可被配置为在第一模式中非电解地反应氢以产生有用的化学产物，以及在第二模式中电解地反应氢以产生电。

在何种程度上系统100强调第一模式或第二模式可以由控制器170引导，如在下面进一步详细描述的。通常地，在第一模式中，原料材料180可以在燃料电池110内被反应(例如，热分解)以形成气态产物133和非气态产物135(例如，液体和/或固体)。例如，硅烷可以被热分解以形成作为气态产物133的氢气和作为非气态产物135的硅。在其他实施方式中，原料材料180可以在燃料电池110内被反应以仅形成气态产物133或仅形成非气态产物135。例如，合适的卤化氢可以被热分解以形成作为气态产物133的氢和卤素气体的组合，而没有附带非气态产物135。在一些实施方式中，气态产物133可包括气态燃料(例如，氢)和/或非气态产物135可包括单质材料(例如，碳或硅)。气态产物133可以通过燃料电池110的第二端口112被引导，并且非气态产物135可以在燃料电池110内的材料收集器136处被收集。例如，碳可以在材料收集器136作为热解碳、石墨烯、石墨，和/或其它合适的碳基材料被收集。除了分解反应，系统100也可以被配置以在第一模式执行其它合适的反应。例如，当原料是氢时，在第一模式，在系统100的操作过程中，该系统100可被配置为将氢与反应物(未示出)反应，以产生非气态产物135和/或气态产物133。

在一些实施方式中，非气态产物135可在处理单元130被进一步处理。例如，非气态产物135可以是结构基本成分，可以在处理单元130中被进一步处理以产生有用的材料(未示出)，其中的示例可以包括陶瓷、碳结构、聚合物结构、薄膜、纤维(例如，碳纤维和硅纤维)，以及起过滤作用的多孔物质，等等。在处理单元130中的处理可以包括除其它类型的处理以外的与其它材料的反应(未示出)、与其它材料的结合(如，混合或涂层)、退火和成形(例如，成型)。该处理可以利用来自系统100内的能量源，例如当系统100在第二模式下操作时来自燃料电池110的电力。系统100的效率和/或系统100收获否则将被浪费的能量的能力，可以使能源密集型处理在经济上是可行的。在一特定示例中，在处理单元130中的处理包括退火碳基非气态产物135。在另一示例中，在处理单元130中的处理包括向碳基非气态产物135上溅射涂层。

非气态产物135通常是相对较纯的，因为它离开燃料电池110并，在某些情况下，可以进一步被精炼、蒸馏、分离，和/或以其他方式在处理单元130中被纯化。非气态产物135的高度纯的形式可以是特别适合于形成半导体装置、光学传感器，以及用于光传输的细丝，等等。非气态产物135也可被使用而不做进一步的处理。非气态产物135和/或有用的材料可以是结构或非结构的。例如，当非气态产物135包括硅时，硅可以与氮气反应(例如，来自空气)或与卤素气体(例如，从一个单独的工业过程被回收)反应以形成作为结构材料的氮化硅或形成作为非结构材料的卤化硅。下面提供关于处理硅的其它细节。

在一些情况下，非气态产物135可以被用作燃料。例如，非气态产物135可被氧化，例如，在空气存在时(未示出)，在第一燃烧器137产生热量138和燃烧产物(未示出)，例如，二氧化碳或二氧化硅。在一具体的示例中，燃料电池110在第一模式中被厌氧操作并且第一燃烧器137包括靠近燃料电池110的好氧反应室，使得来自第一燃烧器137的热量138主要被释放到燃料电池110中。当燃料电池110是固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池或其它高温燃料电池时，这可以是有用的。来自第一燃烧器137的燃烧产物可以被进一步处理和/或直接应用到各种适宜的用途中。例如，当燃烧产物包括二氧化硅时，二氧化硅可被用于制造高性能的玻璃。此外，在一些情况下，非气态产物135可在第一辅助燃料电池143内的拆分的氧化还原反应中被反应，而不是在第一燃烧器137中被燃烧。例如，非气态产物135可以与反应物(未示出)反应以产生一种或多种产物(未示出)和额外的电能(未示出)。额外的电能，例如，可被提供给电路160。

在一些实施方式中，第一电极115a的全部或一部分可以用作材料收集器136。例如，第一电极115a可被配置为碳纤维、硅支柱的种子生长(例如，外延生长)，或其它非气态产物135的合适的结构。此外，这样的结构可以在第一电极115a上间隔开的位置处播撒(例如，以一阵列)，以减少(例如，防止)通过离子传输介质117的离子转移。在这些和其它实施方式中，非气态产物135可以是周期地或连续不断地从燃料电池110中移除。例如，该材料收集器136的表面(例如，第一电极115a的表面)可以被周期性地或连续地用通过燃料电池110的第三端口113被引入的冲洗介质193冲洗。在一些实施方式中，冲洗介质193可以是厌氧的，例如，如果在燃料电池110内的非气态产物135的氧化是不希望的。在其他实施方式中，冲洗介质193可以是好氧的。此外，冲洗介质193可以在一些情况下是反应物。例如，可以通过非气态产物135与冲洗介质193的反应而发生非气态产物135转换成结构材料、非气态产物135转换成非结构材料，或者非气态产物135的氧化。

在一些情况下，非气态产物135和冲洗介质193的反应可以连续地或周期性地发生在燃料电池110内，并且可以是针对特定地点和/或以其它方式被用于促进改进效率。例如，当原料材料180是烃时，燃料电池110可以在第一模式被厌氧地操作以产生作为气态产物133的氢气和作为非气态产物135的碳。然后，燃料电池110可以切换(例如，通过系统100的一个或多个阀的操作)到冲洗模式，其中好氧冲洗介质193(例如，空气)被引入到燃料电池110中来氧化碳并由此释放热量到燃料电池110中。在另一示例中，当原料材料180是硅烷时，燃料电池110可以在第一模式下操作，以产生作为气态产物133的氢气和作为非气态产物135的硅。然后燃料电池110可以切换到冲洗模式，其中从适当的源(例如，来自空气)引入氮气到燃料电池110中作为冲洗介质193以将硅转化成作为结构材料的氮化硅。在其他实施方式中，冲洗介质193可以是一种非反应性载体(例如，氦)。

在至少某些实施方式中，材料，如能源作物、森林废材、填埋垃圾，和/或其它有机废物可以被转移到系统100作为原料材料180，其具有或不具有不同程度的预处理。在某些情况下，这些材料可以被厌氧加热以产生诸如甲烷、水蒸汽、氢气和一氧化碳等气体。此过程和/或其他过程可以产生灰分和/或焦，其，如果允许累积，会妨碍辐射加热和/或其它在燃料电池110内的过程。因此，灰分和/或焦残渣(未示出)可以被收集在内部灰分收集器154中，并被转移到外部灰分收集器155中(例如，容器)用于各种用途，例如返回稀有矿物质以提高来自水耕操作或土壤的作物生产力，或者作为混凝土配方的构成。内部灰分收集器154，相对于其它的产物和/或反应物，可以被冷却和/或定位以选择性地吸引灰分和/或焦沉积。被引入和从燃料电池110处移除的灰分和/或焦的量通常至少部分地取决于原料材料180的构成，具有相对简单的和/或纯的原料材料180(例如，纯甲烷)会产生很少或没有灰分和焦。当灰分和/或焦被产生时，在燃料电池110内而不是从离开燃料电池110的产物(例如，从气态产物133或非气态产物135)中收集灰分和/或焦，可以在至少一些情况下有利地减少或消除污染物、污垢，和/或其它对燃料电池110的有效操作的不利妨碍。在至少一些实施方式中，灰分和/或焦产生的速率和/或从燃料电池110中移除的速率对在燃料电池110中的反应速率可能有很小的或没有影响。因此，在这些和其他实施方式中，灰分和/或焦的移除可以是较不频繁的和/或不如对反应产物的移除的控制那样紧密。

除了移除反应产物以使得反应产物使用和/或进一步处理，反应产物可以以有利于反应在燃料电池110内发生的一种方式和/或速率被移除。固体产物(例如，碳)可以被移除，例如，通过传送机，以及流体(气体和/或液体)可以被移除，例如，通过选择性过滤器或膜，由此来避免也移除反应物。当反应产物被移除时，在某些情况下，反应产物可以与一个或多个进入的反应物(例如，原料材料180)交换热量。除了预加热反应物，在某些情况下，这个过程可以收缩和/或改变反应产物的相，其可以进一步加快移除反应产物，控制(例如，降低)在燃料电池110中的压力，和/或增加热传递(例如，由于反应产物释放其汽化的潜热)。在一些实施方式中，离开燃料电池110的在产物流中的水和/或乙醇可以被冷凝，以促进产物流的移除和/或增加对进入到燃料电池110的反应物流的热传递。在许多情况下，迅速而不是缓慢移除反应产物可以增加在燃料电池110中发生的反应的速率和/或效率，例如，通过移动或反应平衡朝向反应产物的生产移动。

公式1示出了烃原料材料180的热分解反应的示例。如反应式1所示，烃原料材料180可以通过施加能量(E)被分解以产生氢和碳。该反应可以发生在，例如，燃料电池110内，当系统100在第一模式下操作时。

C_xH_y+E→xC+0.5yH₂反应式1

所得的氢和碳可以分别是图1所示的气态产物133和非气态产物135。类似的机制可以适用于其他合适的原料材料180的热分解。

如如下的反应式2和3所示，来自反应式1中所示的反应的碳可以被氧化(例如，在第一燃烧器137中)，以产生一氧化碳和/或二氧化碳作为反应产物。

C+0.5O₂→CO反应式2

C+O₂→CO₂反应式3

碳也可以被用来产生电(例如，在第一辅助燃料电池143内)，如下面进一步描述的，被用作结构材料，或用作反应物用于生产结构材料。例如，碳可以是反应物，用于从二氧化硅中提取硅，如以下反应式4和/或5所示。

C+SiO₂→CO₂+Si反应式4

2C+SiO₂→2CO+Si反应式5

该二氧化硅可从砂、尾矿、煤厂废水，或另外的合适的来源来获得。来自反应式4和5所示的反应的硅和/或作为非气态产物135可以被形成为，例如，颗粒状(例如，粉末)的形式，其可包括非晶态和/或结晶材料的控制量。例如，燃料电池110的操作温度可被编程或以其他方式被控制，以控制何时、何地和/或是否硅以非晶态或结晶形式被沉积。

在一些实施方式中，来自系统100的硅可以被反应以形成卤代硅烷或卤化硅，例如，SiBrH₃，SiBrFH₂，SiBrH₃，SiBr₃H，SiCl₂H₂，SiBr₄，或SiCl₄，等等。此外，来自系统100的硅可以被制成各种有用的产物和材料，例如从或基于硅(如煅制二氧化硅)、含硅有机中间体以及含硅聚合物等等的特殊形式产生的产物。这样的产物可以被形成，例如，通过使用如在美国专利4,814,155，4,414,364，4,243,779，和4,458,087中公开的合适的过程，它们在此通过引用被并入。来自系统100的硅，也可以被用于各种结构材料的生产，例如碳化硅或氮化硅，例如，如反应式6所示。

3Si+2N₂→Si₃N₄反应式6

氮化硅制品可以被形成，例如，通过使用硅粉末，被注浆成型、压力压实，或注模，然后转化成氮化硅。同样地，碳化硅可被压成具有铝粉末的模具，以形成模制的复合物。

通过使用来自系统100的硅、碳，和/或其它材料形成的制品可具有非常适合于各种高性能应用的密度、疲劳、耐力、电介质、耐化学性，和/或其它性质。例如，来自系统100的氮化硅可以被形成为用于熔融玻璃的坩埚。硅-氮化物基耐用品可以被用于，例如，具有较低密度的热电绝缘部件，并且可在比通常用在阀门、火箭发动机、燃气轮机和正位移内燃机中的某些金属合金(例如，钢)在更高的操作温度处操作。包括碳化硅和铝的复合材料可以被使用，例如，以取代钴合金用于生产风力涡轮机叶片，等等。使用来自系统100的氮化硅和/或碳组分取代通常消耗钴、镍、难熔金属、稀土的重要供给，和/或其他供应不足的材料的金属合金，可以使更具成本效益的发动机、燃料电池和其它设备的生产。在一特定的示例中，由于二氧化硅(例如，来自沙)和氮气(例如，来自空气)的相对丰度，系统100可以被配置成在能源是可获得的但是多数原材料是稀缺的环境中(例如，远程环境)，通过在反应式4-6中所示的反应经济地生产硅氮基产物。

除了形成无机材料，系统100可以形成各种有用的有机材料。例如，原料材料180可以包括丙烷或丙烯，其可根据反应式7和8在第一模式与氨气反应，以形成丙烯腈和氢作为气态产物133或在第二模式被电解地离解以产生电。

C₃H₈+NH₃→CH₂＝CH-C≡N+4H₂反应式7

CH₃-CH＝CH₂+NH₃→CH₂＝CH-C≡N+3H₂反应式8

包括丙烯腈的气态产物133的随后处理可以包括反应丙烯腈以形成聚合物、橡胶、碳纤维，和/或其它非常适合用于耐用品的材料(例如，利用太阳能、风能、流动的水，或地热能的设备)。因此，使用系统100处理丙烷或丙烯的整体能量学可以是比简单的燃烧显著且更有利的。此外，在一些情况下，使用系统100处理丙烷或丙烯可以产生很少或没有有害污染(如，环境释放的二氧化碳、氮氧化物，或微粒)或相对于简单的燃烧具有显著的较小的有害污染。

在一些实施方式中，来自系统100的操作的一种或多种化学反应产物可以被用于形成介电材料用于耐用品使用。例如，反应产物可被用于形成聚合物(例如，聚酰亚胺，聚醚酰亚胺，聚对二甲苯，或氟聚合物)和/或无机介电材料(例如，二氧化硅或氮化硅)，其可被掺入到聚合物基的纳米电介质中。无机和有机材料的复合材料(其一种或两种都可以由系统100的操作来产生)可提供连同灵活性一起的相对高的电介质强度和机械强度。这样的材料可以是非常适合用于宽范围的温度，例如温度范围从低温(如，约-200℃或更高)到热发动机排气温度(例如，约500℃或更高)。在其他实施方式中，反应产物可以被用于形成无机非晶碳、氧氮化硅、氧氮化铝，或其它合适的材料的薄膜。如上所讨论的，在一些情况中，来自系统100的操作的化学反应产物可被进一步处理以形成有用的材料，其使用的技术可以包括使用由系统100在第二模式时产生的电。此外，在一些实施方式中，系统100可以具有双光束沉积和/或网络处理能力，对用于处理合适的化学反应产物有用(例如，以形成非晶或结晶碳膜)。

该系统100可以被配置为存储非气态产物135，而不是立即使用非气态产物135(例如，在处理单元130内或在第一燃烧器137内)。例如，在离开燃料电池110之后，非气态产物135可被导送到存储容器139。以这种方式，在处理单元130处理和/或在第一燃烧器137处产生热量可以根据需要发生。固体和液体材料通常比气态材料更便于储存。因此，在一些实施方式中，系统100可以在第一模式中存储由系统100在第一模式连续操作所产生的或相当于由系统100在第一模式在约1个月到约5年的范围的期间内(如从约6个月到2年，或在另一个合适的范围内)连续操作所产生的非气态产物135的量。

在第二种操作模式中，燃料电池110可以以产生电流的方式反应(例如，在拆分的氧化还原反应中的电解分解)原料180。在第二模式中的原料材料180的反应可包括在一侧离子传输介质117中的氧化反应，在离子传输介质117的另一侧的还原反应，离子传输穿过离子传输介质，并且电子传输通过系统100的外部电路160。离子传输介质117可以被选择以允许合适的离子传输(例如，氢、氧、碳酸盐，或另一种合适的离子反应物)通过离子传输介质117，并防止电子传输通过离子传输介质117，使得在离子传输介质117的两侧伴随反应的电子流被迫使通过电路160。如图1，在第二模式下操作，燃料电池110可以反应原料材料180，以形成氧化产物190。

在一些实施方式中，在第二模式中反应原料材料180也可以形成非气态产物135，例如，相较于在第一模式下操作系统100所产生的相同或不同的非气态产物135。在其他实施方式中，在第二模式中反应原料材料180可以形成氧化产物190，而不形成非气态产物135。氧化产物190可以被引导通过燃料电池110的第四端口114。原料材料180可被氧化，例如，通过与第一反应物196反应，而该第一反应物可以通过燃料电池110的第五端口194被引导进入燃料电池110和/或与原料材料180一起通过第一端口111被引导进入燃料电池110。在其他实施方式中，原料材料180可以通过与穿过离子传输介质117的离子进行反应而被氧化并且第一反应物196可以被消除。此外，在某些情况下，原料材料180可以被减少，并且第一反应物196或穿过离子传输介质117的离子可以被氧化，以产生自由电子和氧化产物190。

行进通过电路160的电流(例如，电子)可以为电负载161提供电力，并返回到燃料电池110。如以上所讨论的，在一些情况下，电负载161与在系统100内的另一操作相关联，如在处理单元130内发生的处理。在燃料电池110处，电子可以参与来自第二反应物源(未示出)的第二反应物181的反应，该第二反应物源通过第六端口197被提供给燃料电池110。第二反应物181可以是还原剂并且可被氧化，例如，通过与行进跨越离子传输介质117的离子进行反应。可替代地，第二反应物181可以是氧化剂并且可以被减少，例如，通过与离子反应。反应第二反应物181可以形成还原产物191，其可以通过第七端口198离开燃料电池110。在一些实施方式中，第二反应物181可以是氧、双原子卤素，或其它合适的含氧或含卤素材料(例如，含碘材料或含溴材料)。例如，第二反应物181可以是来自空气的氧气并且来自空气的残留氮气可以穿过燃料电池110到排气装置(未示出)。该废气可以被收集并且残留氮气可有利地被使用。例如，残留的氮气可以与氢气结合以产生氨和/或可以以其他方式被处理以形成其他有用的材料，例如Si₃N₄，AlN，BN，TiN，ZrN，TiCSi₃N₄和/或合适的硅铝氧氮聚合材料。还原产物191可以在系统100内被使用或在其他地方被路由以便进一步处理。例如，如在下面更详细描述的，还原产物191可以是水，其可在系统100内作为冲洗介质被重复利用。

在一些实施方式中，原料材料180是对系统100的输入。例如，在被引入到系统100之前，原料材料180可以被收集(在某些情况下运输)。第一反应物196和第二反应物181可以是对系统100的输入或系统100内操作的副产物。例如，当还原产物191是水时，在某些情况下，可将水重新引入到燃料电池110中，作为第一反应物196的全部或部分。作为另一示例，当氧化产物190是二氧化碳时，在一些情况下，二氧化碳可以被重新引入到燃料电池110中，作为第二反应物181的全部或部分。

反应式9，10，和11分别示出了拆分的氧化还原反应的阳极部分、拆分的氧化还原反应的阴极部分，以及相应的整体的拆分的氧化还原反应的示例，当该系统100在第二模式下操作时，其可以在燃料电池110内被实施。

CH₄+2H₂O→CO₂+8H⁺+8e^-反应式9

2O₂+8H⁺+8e^-→4H₂O反应式10

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O反应式11

在反应式9-11中所示的原料材料180是甲烷。如反应式9所示，甲烷可被水氧化(例如，作为第一反应物196)以产生二氧化碳(例如，作为氧化产物190)、氢离子，和自由电子。氢离子可以流过离子传输介质117并且电子可以流过电路160。在离子传输介质117的另一侧，氧(例如，作为第二反应物181)可以被减少以形成水(例如，作为还原产物191)。类似的机制可以被应用于其他合适的原料材料180的反应。

氧化产物190的性质可以取决于燃料电池内发生的反应的类型。由于系统100在第二模式下操作而产生的氧化产物190的示例可以包括氮气、二氧化碳，和一氧化碳，等等。在一些实施方式中，氧化产物190可以在合适的回收位置195被回收，该位置可以是在现场或不在现场。例如，当氧化产物190包括一氧化碳时，回收再利用可包括在硅、甲醇或其它燃料的醇或聚合物的生产中氧化一氧化碳。一氧化碳还可以被分解成氧和碳，而碳被使用，例如，作为结构材料。当氧化产物190包括二氧化碳时，回收再利用可包括，例如，提供二氧化碳到藻类养殖场和/或另一合适的生物出口，或使用二氧化碳在碳基结构或绝缘体中形成开放的或封闭气孔空隙。

控制器170可以控制燃料电池110操作的方式并且可以相应地接收输入171并提供多个输出172以控制各种部件并改变(例如，优化)系统100的操作。出于说明的目的，在控制器170和传感器、阀门，开关和/或其它的系统100的部件之间的单独的连接并未在图1中示出。在一些实施方式中，控制器170包括存储器(未示出)和处理电路(未示出)，并且该存储器存储非暂时性指令。当由控制器170通过使用处理电路执行时，这些指令可导致系统100能够在第一模式下操作和在第二模式下操作之间进行切换以响应于输入171。一个或多个输入171，例如，可对应于对电力需求的变化，对非气态产物135需求的变化，或两者的需求的变化。在一示例中，系统100包括连接到电路160的光伏电池179，并且一个或多个输入171对应于由光伏电池179产生的发电的水平、到光伏电池179上的入射光的水平，或对应于两者。在另一示例中，一个或多个输入171对应于存储容器139内的非气态产物135的量。在又一示例中，系统100可操作地被连接至电网(未示出)(例如，通过电路160)，并且一个或多个输入171对应于在电网内的功率消耗的非峰值期间和峰值期间之间的变化。各种其他合适的输入171也是可能的。

在一具体的实施方式中，控制器170可以控制可操作地被连接到电路160的负载控制器或开关162的操作。当开关162打开时，电流被阻止流过电路160，从而可以致使系统100在第一模式下操作。当控制器170闭合开关162时，电流可以被允许流过电路160，它可以开启或有利于操作第二模式。如下面所讨论，在一些实施方式中，控制器170和开关162可以被配置为脉冲宽度调制。此外，系统100可以包括各种适合的功率调节子系统。例如，系统100可以包括反相器(未示出)以提供在电网电压和频率的电，并且系统100可以被连接至电网。在其他实施方式中，来自系统100的电力可被用于在系统100的内部或外部执行特定处理。例如，该电可被用于在系统100外电解包含硅的化合物以形成二氧化硅，然后硅可以被输入到系统100内并在处理单元130内单独被处理或与非气态产物135一起被处理。

除了或代替改变电路160的操作，系统100的其它操作特性可以被改变以造成，或者响应于，从在第一模式下操作改变为在第二模式下操作或从在第二模式下操作改变为在第一模式下操作。例如，在第一模式中，燃料电池110可以被厌氧地操作，并且在第二模式中，燃料电池110可以被好氧地操作。作为另一示例，燃料电池110的操作温度可在第一模式和第二模式之间改变。在一些实施方式中，在第一模式中的操作温度可以大于足够引起原料材料180的热分解的温度，并且在第二模式中的操作温度可以是较低或较高的温度，例如，选定的较低或较高的温度以便于或提高离子传输通过离子传输介质117。此外，合适的阀、材料传送机，和/或系统100的其他合适的部件，如与第一、第二、第三、第四、第五、第六，和第七端口111，112，113，114，194，197，198相关联的阀(未示出)可以被打开、关闭，或以其他方式被控制，取决于系统100是在第一模式还是在第二模式下操作。在一些实施方式中，第一、第二、第三、第四、第五、第六，和/或第七端口111，112，113，114，194，197，198可包括远离燃料电池110延伸的合适的入口或出口。

第一和第二模式可以顺序地被执行(例如，在第一模式中形成非气态产物135而没有发电，在随后的第二模式中没有形成非气态产物135但进行发电)。在其他实施方式中，这两种模式可以同时或以选定的定期或不定期的频率进行循环操作。例如，控制器170可以改变负载161和/或可以改变速率，使得第一反应物196和/或第二反应物181以一种既允许一些非气态产物135的产生也允许一些电力的产生的方式被提供给燃料电池110。在一些实施方式中，控制器170(例如，自动地或响应于输入171)可以调节燃料电池110、负载161和/或其他参数的适当的阀，以强调一种模式高于其他模式，而不排除模式被同时实施。

第一和第二操作模式之间的切换的速率能够相对快速(例如，当燃料电池110是比较小的)，反之切换可以相对缓慢(例如，当燃料电池110是相对大的)。在某些情况下，切换的速率可引起第一和第二模式是同时有效的。例如，当控制器170和开关162控制通过使用脉冲宽度调制负载161时，在一系列脉冲过程中电可以流过电路160，而在脉冲之间的期间不流动。在脉冲过程中，燃料电池110在第二模式下进行操作。脉冲之间，燃料电池110可以在第一模式下操作。以这种方式，燃料电池110可以继续连续或几乎连续地完成有用的工作，甚至当向负载161供电所需的占空比小于100％时(例如，小于约80％，或小于约60％)。在一些实施方式中，在第一模式下操作系统100和在第二模式下操作系统100之间的转换以相对较快的速率发生，如从每分钟约60次至每分钟约960,000次的范围内，如从每分钟约100次至约每种约900,000次，或者在另一个合适的范围内。

操作的第一和第二模式之间的切换的速率也可以是相对较慢的。慢切换可以是有用的，例如，在较大的燃料反应器电池的偶然或季节性优化操作中以满足燃料生产和电力需求。切换的定时、在第一模式下操作的持续时间和定时、在第二模式下操作的持续时间和定时，以及其它系统100的操作的合适的参数可以基于除了电力、环境约束，和/或其它因素以外对电力、对化学前体的需求和/或对来自系统100的其它产物的需求而被选定。例如，关于切换的定时，当该系统100被连接至电网时，在对电力具有低需求的期间过程中(例如，非峰值期间)，系统100可以被配置为主要在第一模式下操作，而在对电力具有高需求的期间过程中(例如，峰值期间)系统100主要是在第二模式下操作。例如，系统100可以在夜间主要在第一模式下操作，在白天主要在第二模式下操作。在其他情况下，系统100可以在白天主要在第一模式下操作，在夜间主要在第二模式下操作。这可以是有用的，例如，当系统100被用于与光伏电池179结合。

在第一和第二模式之间的切换也可以是季节性的。例如，当系统100被用于食品生产中，系统100可在对电的需求相对较低的生长季节主要在第一模式下操作，在对电的需求相对较高收获季节(例如，为罐装设备供电)主要在第二模式下操作。类似地，当系统100被通常地用以产生电力用于电网配送，系统100可以从第二模式切换到第一模式，以在适当的维修间隔容纳某些维护程序(例如，间隔范围从约5年至约20年)。在这些和其它实施方式中，系统100也可以是能够从第二模式切换到第一模式，以产生燃料或满足在当地灾难时的其它需要。在这些情况下，系统100可以被用于，例如，将致病性疑似废料和/或灾难的残骸转换为燃料以操作发动机供电的设备、消毒饮用水、加热紧急避难所，和/或支持医疗和/或医院操作。此外，对电的相对较小的当地需求通过使用系统100可以被满足，例如，通过在每60Hz周期的自适应调整部分的切换。在这样的紧急救援行动之后，切换回到电力的或多或少的稳定生产可以遵循电网操作的最终恢复。

系统100可以包括一个或多个内部环路、电路，和/或再利用、再循环和/或重新利用能源和/或由燃料电池110的操作产生的或与之相关联的材料的其他布置。热分解、电解分解，和/或燃料电池110内的其它反应，可能会发生在升高的温度处(例如，大约4000°F，在某些情况下)。因此，从燃料电池110中移除的产物在它们被存储和/或被使用之前通常被冷却。热量可通过包括适当的热交换器的一个或多个子系统(例如，逆流热交换器)而被重新利用，而不是拒绝来自这些产物的热量进入到环境中。在一具体的实施方式中，第一热交换器140a对于在于第四端口114处离开燃料电池110的氧化产物190和从原料源被引导进入燃料电池110的进入原料材料180之间的热量进行交换。在其他实施方式中，系统100可以包括多种其它布置用于重新利用热量和/或其他形式的否则可能会被浪费的能量。

产生在系统100中的提高的温度的能量的合适来源包括集中的太阳辐射、风，和流动的水，等等。能量的这些来源可以被使用，例如，以产生用于电加热的电(例如，电阻式和/或感应式加热)。选定的燃料也可以被燃烧以提供适当的加热。在某些情况下，能量可以被添加到系统100，该能量来自被选定为相较于其他有潜力的能源更容易获得、污染较少，和/或较便宜的能源。此外，该能源或能源的组合可以被选择以允许系统100不管天气条件能够昼夜操作。

除了或代替第一热交换器140a，系统100可包括第二热交换器140b，其被配置为将来自气态产物133的热量和/或离开燃料电池110的其他产物传递到进入燃料电池110的原料材料180。此外，系统100可以包括被配置为通过泵141接收水的第三热交换器140c。水可以是来自外部源(未示出)、来自燃料电池110(例如，作为还原产物191)、来自与处理气态产物133(例如，如下所述)相关联的单元操作，或来自另一种合适的来源。水可以由离开第四端口114的氧化产物190在第三热交换器140c处被加热(例如，形成蒸汽)。被加热的水然后可通过第一阀142被引入到在第一端口111进入燃料电池110的原料材料180的流中。在一些实施方式中，被加热或以其它方式被化学激活的物质(如，在第三热交换器140c中产生的蒸汽)可以在系统100中起到预防性的和/或保持功能。例如，这种物质可以防止碳或含碳薄膜、清漆或粒子沉积在系统100的特定部件的表面上，例如被配置为装载原料材料180到第一端口111的管道。这种操作的预防性模式可以保存热量并保持或提高热交换效率。

如以上所讨论的，在一些实施方式中，非气态产物135在拆分氧化还原反应中被反应(例如，在第一辅助燃料电池143内)以产生电。反应式12，13，和14，分别示出了拆分的氧化还原反应的阳极部分，拆分的氧化还原反应的阴极部分，以及可以在第一辅助燃料电池143内实施的相应的整体的拆分的氧化还原反应。

C+2O₂ ^-→CO₂+4e^-反应式12

O₂+4e^-→2O₂ ^-反应式13

C+O₂→CO₂反应式14

在反应式12-14中示出的非气态产物135是碳。如反应式12所示，碳可以通过氧离子被氧化，生成二氧化碳和自由电子。氧离子可以流过在第一辅助燃料电池143内的离子传输介质并且电子可以流过电路160。在离子传输介质的另一侧，氧气可被还原以形成氧离子。类似的机制可以应用于其他合适的非气态产物135的反应。

在操作过程中由燃料电池110在第一模式下提取的气态产物133可以是从系统100可递送的和/或可以被系统100内部地使用。例如，气态产物133可被用作化学前体或在非现场位置134产生功率。当气态产物133是氢气时，功率可以在非现场位置134从氢气中被提取，例如，通过燃烧或通过氢燃料电池(未示出)。这些形式的氢基能源产生也可以通过系统100内部地被使用。例如，系统100可包括被配置为燃烧氢的第二燃烧器150，例如，在存在空气(未示出)的情况下，以产生可被引导到燃料电池110的热量151。如以上所讨论的关于第一燃烧器137，当燃料电池110是固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池，或其它类型的高温燃料电池时，将热量151引入至燃料电池110可以是有用的。系统100可以包括被配置成控制氢气递送到第二燃烧器150，例如，在内部的氢气使用和在非现场位置134用于发电的氢气使用之间进行切换。来自第二燃烧器150的燃烧产物可包括水102，其可被用于，例如，第三热交换器140c中。在一些实施方式中，除了或代替燃烧气态产物133，第二燃烧器150可燃烧原料材料180的部分。来自原料材料180的燃烧产物(未示出)可以被进一步处理和/或挪为他用，例如，如上述关于来自第一燃烧器137和氧化产物190的燃烧产物。

除了或代替第二燃烧器150，系统100可以包括第二辅助燃料电池101和被配置为控制气态产物133递送到第二辅助燃料电池101的第三阀199。这可以是有用的，例如，当气态产物133是氢时。第二辅助燃料电池101可以被配置以产生额外的电能(未示出)和水103。额外的电能，例如，可被提供给电路160并且水103可以被使用，例如，在第三热交换器140c中。在一些实施方式中，来自第二辅助燃料电池101的电可被用于在系统100内产生热量，例如，支持燃料电池110的操作和/或支持处理单元130的操作。合适的热量产生或传递方法可以包括，例如，辐射、电阻和电感。在一些情况下，来自另一来源的热量可以补充或替代由第二辅助燃料电池101产生的电。这样的来源可以包括，例如，光源(例如，太阳能、集中辐射、激光，或其他合适的光源)，风源，或非峰值电源，等等。

反应式15，16，和17，分别示出了拆分的氧化还原反应的阳极部分，拆分的氧化还原反应的阴极部分，以及可以在第二辅助燃料电池101内实施的相应的整体的拆分的氧化还原反应。

H₂+2O^2-→2H₂O+4e^-反应式15

O₂+4e^-→2O^2-反应式16

2H₂+O₂→2H₂O反应式17

在反应式15-17内示出的气态产物133是氢气。如反应式15所示，氢气可以被氧离子氧化以产生水和自由电子。氧离子可以流过第二辅助燃料电池101内的离子传输介质并且电子可以流过电路160。在离子传输介质的另一侧，氧气可被还原以形成氧离子。类似的机制可以应用于其他合适的气态产物133的反应。

图2是当系统100根据上述的第一模式操作时燃料电池110的放大的局部示意图。在这个特定的实施方式中，燃料电池110通过第一端口111接收来自原料源202的原料材料180(例如，甲烷)。燃料电池110包括由离子传输介质117分离的第一电极115a和第二电极115b。离子传输介质117可以把燃料电池110分为包括第一电极115a的第一区域118a和包括第二电极115b的第二区域118b。如图2所示，燃料电池110可以进一步包括气态副产物目的地204、冲洗介质源205、氧化产物目的地206，以及位于第一区域内的第一反应物源207。该气态副产物目的地204可在第二端口112被耦合到燃料电池110；冲洗介质源205可在第三端口113被耦合到燃料电池110；氧化产物目的地206可在第四端口114被耦合到燃料电池110；以及第一反应物源207可以在第五端口194被耦合到燃料电池110。燃料电池110还可以包括在第二区域118b内的第二反应物源208和还原产物目的地210。第二反应物源208可以在第六端口197被耦合到燃料电池110；以及还原产物目的地210可在第七端口198被耦合到燃料电池110。

在第一种模式中，第一端口111和第二端口112可以是工作的(例如，打开)，而第三端口113、第四端口114、第五端口194、第六端口197，和第七端口198处于非工作状态(例如，关闭)。例如，控制器170可以关闭与不工作的端口相关联的阀(示意性示出)并且打开与工作的端口相关联的阀。控制器170还可以打开开关162或改变负载161的阻抗，以减少或消除电路160从燃料电池110中抽出电流的能力。当在第二模式下操作时(以下被描述为参考图3)，控制器170可以关闭与第二端口112相关联的阀并打开与第四端口114、第五端口194、第六端口197，和第七端口198相关联的阀。控制器170还可以闭合开关162或改变负载161的阻抗，以允许电路160装载在第一和第二电极115a，115b之间的电流。如上所述参考图1，控制器170也可以对系统100进行其它合适的调整以在第一模式下操作和在第二模式下操作之间进行改变。

在第一区域118a中，第一电极115a可以在升高的温度下操作(例如，至少约3000°F，至少约4000°F或另一种合适的温度)。在第一模式下操作的过程中在围绕第一电极115a的区域处的温度，在某些情况下，高于在大多数传统的燃料电池中发展的温度。例如，大多数传统的氢消耗燃料电池通常工作在相对低的温度。在其他实施方式中，燃料电池110可以在其它合适的温度下操作(即，更高或更低)，这取决于许多因素，如原料材料180的组分和反应产物所需的组分。热量203可以被提供给燃料电池110以控制温度。在一些实施方式中，热量203是来自于燃料电池110相关联的燃烧器(例如，图1中所示的第二燃烧器150)。在其他实施方式中，热量203可以从另一合适的源，例如，合适的可再生源(例如，太阳能、风能，或流动的水)，被提供到燃料电池110。此外，燃料电池110可以包括一个或多个合适的组分用于递送热量203，诸如电阻加热器152(示意性示出)，感应加热器153(示意性示出)，伴随热传递机构的(未示出)远程感应加热器(未示出)，或其他合适的部件。在一些实施方式中，热量203可被施加到第一电极115a和/或离子传输介质117和/或第二电极115b的选定区域中。此外，热绝缘件(未示出)可以被包括围绕燃料电池110的部分，以便在燃料电池110的一个或多个区域内保持热量203，例如，在围绕第一电极115a的区域内。

第一电极115a可具有收集表面120，在该收集表面处非气态产物135可以生长(例如，外延生长)或以其它方式在原料材料180的反应(例如，分解)之后收集。在一具体实施方式中，收集表面120可以被加热到比其它在第一区域118a内的表面更热，以便鼓励碳、硼，或另一合适的物质作为非气态产物135在收集表面120处的形成，并减少或消除在第一区域118a的其他地方的烟灰或其它颗粒的形成。此外，燃料电池的高温度可以便于原料180在第一模式下和在第二模式下操作的反应(例如，分解)，如下面参考图3所讨论的。

在一些实施方式中，非气态产物135可在收集表面120处或收集表面120的附近被消耗。例如，如以上所讨论的，非气态产物135可被燃烧以释放热量或被反应以形成有用的反应产物。在一些实施方式中，这些反应可以部分地，主要地或全部地在沉积的非气态产物135和收集表面120之间的界面发生。例如，系统100可包括压力装置(由箭头P示意地指出)，其可以施加压力到非气态产物135(例如，迫使它靠向收集表面120)，以便于非气态产物135的反应和/或减少或防止所沉积的非气态产物抑制离子传递通过离子传输介质117。压力装置P可以包括，例如，具有推杆、弹簧的框架，或其它被配置成施加力到框架的合适致动器。在其他实施方式中，进入原料材料180和/或冲洗介质193(图1)的压力，例如被引入作为对非气态产物135的喷射可以代替压力装置P或可以是压力装置P的补充的效果。燃料电池110也可以在没有压力装置P时操作。

原料材料180和/或收集表面120的特性可影响(例如，确定)所沉积的非气态产物135的组成和/或结构。在一些实施方式中，第一电极115a可包括对收集特定的非气态产物具有密切关系的材料或结构。在碳的情况下，例如，第一电极115a可以包括碳结构。在一些实施方式中，第一电极115a可包括合适的结构构造体，例如，如在2011年8月12日提交的美国专利申请号61/523,261中所讨论的，其在此通过引用被并入。第一电极115a还可以包括在合适的基底(例如，聚合物基底)上的金属的薄膜或涂层(例如，铝)。在一些实施方式中，第一电极115a可以包括与特定的非气态产物反应的材料135。例如，第一电极115a可以包括与碳反应的含硼化合物、过渡金属，和/或难熔金属以在收集表面120处形成一种或多种碳化物。此外，收集表面120的温度可能会影响所沉积的非气态产物135的结构。例如，该温度可被控制以沉积非气态产物135(例如，碳或硅)在非晶或结晶形式。

当非气态产物135是碳时，它可以被沉积在收集表面120处，例如，以热解碳的形式。热解碳可以是有用的，例如，以颗粒、纤维，或其它合适的形式来加强材料(如，塑料和金属)。热解碳也可以具有有用的抗磁特性，并且可以与难熔金属共享某些性质。此外，热解碳可以具有各向异性的热特性使其特别适合于在某些定位和应用中在平坦的热绝缘体中使用，而在其它定位和应用中在热传导元件中使用。在一些实施方式中，热解碳可以被用于燃料电池110的热绝缘体(未示出)。如上所讨论的，由于升高的内部温度(例如，在第一电极115a处)，热绝缘件可以在某些情况下是有用的以提高燃料电池110的能量效率。片式或箔式热解碳可以承受非常高的温度并提供合适的热绝缘件用于提高燃料电池110的效率。

在一些实施方式中，当非气态产物135是碳而不是作为热解碳被沉积时，其可以在收集表面120以石墨烯或各种其它合适类型的纳米尺寸的石墨的形式被沉积。被沉积的碳的特定形式可通过，除其他因素外，在第一区域118a中的电场、温度，和/或压力而被控制。在任何这些实施方式中，沉积的碳可通过接触收集表面120和从收集表面120切割所沉积的碳而从燃料电池110中被移除。然后收集表面120可以重新被使用以产生额外的碳，并且所收集的碳可被用于合适的目的。例如，所收集的碳可被用于产生任何种类的合适的结构构造体，例如，于2011年2月14日提交的美国专利申请号13/027,208中描述的那些，其在此通过引用被并入。在其他实施方式中，所收集的碳可以被周期性地或连续地用冲洗介质193移除，如上所述参考图1所描述的。

如图2所示，原料材料180(例如，甲烷)和气态产物133(例如，氢气)可以同时存在于第一区域118a中。因此，燃料电池110可以包括被安置在接近于第二端口112的出口膜116，以优先允许气态产物133的通过，并抑制原料材料180的通过。在具体的实施方式中，出口膜116可以包括银-钯膜和/或另一种对氢具有选择性的高温膜。可替代地，低温膜(例如，聚合物膜)可被用于在冷却后从原料材料180分离气体产物133。仍然其他实施方式中，其他合适的结构和/或过程可以被使用，如变温吸附和/或变压吸附过程。

图3是当系统100在第二模式下操作时燃料电池110的示意图。因此，控制器170已闭合开关162，并反转与第二端口112、第四端口114、第五端口194、第六端口197和第七端口198相关联的阀。在这种操作模式下，原料材料180通过第一端口111进入燃料电池110并且与通过第五端口194进入燃料电池110的第一反应物196(例如，水)反应以形成氧化产物190(例如，二氧化碳)、离子(例如氢离子)和自由电子。氧化产物190通过第四端口114离开燃料电池110，离子流过离子传输介质117并且电子流过电路160。在离子传输介质117的另一侧，通过第六端口197进入燃料电池110的第二反应物181(例如，氧气)与离子反应以形成还原产物191(例如，水)，其通过第七端口198离开燃料电池110。在一些实施方式中，燃料电池110的操作根据在燃料电池110中实施的反应可被反向。例如，如图3中所示，原料材料180的反应可以解放离子进入离子传输介质117并且电子进入电路160。在其他实施方式中，原料材料180的反应可以消耗来自离子传输介质117的离子和来自电路160的电子。此外，离子传输介质117可以被配置为选择性地允许各种合适的离子通过。

参考图1-3，燃料电池系统100和燃料电池110可以被配置成用于特定的一组反应或不同的反应，例如，这取决于，例如，不同的原料材料180的可用性，对不同的化学产物的需求，或其它经济的或不经济的因素。原料材料180、第一反应物196、冲洗介质193、第二反应物181，和/或其他输入到燃料电池110的类型可以被变化以改变在第一和第二模式下的化学产物并且影响在第二模式下的发电。同样地，非气态产物135、气态产物133、氧化产物190，和/或还原产物191的处理可被控制以产生不同的化学产物并影响系统100的整体能量学。

作为额外的说明性示例，原料材料180可以是氢气(例如，来自热分解过程)，第二反应物181可以是氮气(例如，来自空气)，以及还原产物191可以是氨气。根据如反应式18所示的反应，这种氨气的协同应用可以包括用硅反应氨气(例如，由反应式4和/或5的反应产生的)以形成具有特别良好的密度、强度和耐疲劳度特性的氮化硅。

4NH₃+3Si→Si₃N₄+6H₂反应式18

通过如反应式18所示的反应产生的氢气可被用于，例如，作为额外的原料材料180或作为额外的气体产物133。

在一些实施方式中，当系统100在第二模式下操作时，氧化产物190的不同氧化态(例如，二氧化碳对一氧化碳)可选择性地被青睐。具体参考碳的种类，通常地，产生二氧化碳通常导致相比于生产一氧化碳具有更高的燃料电池电压。生产二氧化碳还是一氧化碳可以被控制，例如，通过控制第一反应物196通过第五端口被递送到燃料电池110的速率和/或通过控制负载161。在一些实施方式中，产生一氧化碳，同时仍获得高燃料电池的电压可以是理想的。为实现这一结果的一种技术是提高压力和/或调节燃料电池110的温度，从而降低否则可能会形成的二氧化碳。在一些情况下，中间还原剂(例如，铁)可被引入到燃料电池110中以从二氧化碳中脱去氧气。然后中间还原剂可以进一步被加热和/或在随后的步骤中经受电场以释放氧气。此外，在一些情况下，单独的热量可以是足以驱动如反应式19中所示的反应。

CO₂+C→2CO反应式19

在一些实施方式中，控制器170可以调节处理参数，以有利于氧化产物190的所需的氧化态。

在上文被描述的参考图1-3所公开技术的具体实施方式主要是在单个接收原料材料180的燃料电池的情况下。在其它的实施方式中，多个燃料电池可以被结合，例如，串联以增加净输出电压和/或并联以增加净输出电流。图4示出了包括多个燃料电池的系统400的一个示例。系统400的第一燃料电池401可包括第一电极402、第二电极403，和在第一电极402和第二电极403之间的离子传输介质404。类似地，系统400的第二燃料电池405可包括第一电极406、第二电极407，和在第一电极406和第二电极407之间的离子传输介质408。第一电极402，406可被安置在系统400的第一区域418a内。第一燃料电池401的第二电极403可以被安置在系统400的第二区域418b内。第二燃料电池405的第二电极407可以被安置在系统400的第三区域418c内。如图4所示，系统400可以包括被耦合在第一燃料电池401的第一和第二电极402，403之间的电路425，沿电路525具有开关426和负载427。类似地，系统400可包括被耦合在第二燃料电池405的第一和第二电极406，407之间的电路428，沿电路具有开关429和负载430。电路425，428和负载427，430可以被独立地或共同地操作(例如，并联或串联)。

通过将第一电极402，406朝向彼此在第一区域418a中安置，每个第一电极402，406可以单独地反射由另一个所产生辐射能。以这种方式用于反射辐射能量的布置的进一步的细节被描述于共同未决的于2011年2月14日提交的美国专利申请号13/027,215，其在此通过引入被并入。在如图4所示的第一和第二燃料电池401，405的布置也可以减少来自系统400的热量损失并增加可用于非气态产物435的沉积的表面积。在其他实施方式中，第一和第二燃料电池401，405的布置可以是不同的和/或系统400可以包括多于两个的燃料电池。此外，第一和第二燃料电池401，405可被配置为执行相同或不同的反应。第一和第二燃料电池401，405的操作可以由控制器470协调以接收输入471。例如，该输入471可以指示控制器470发出命令472来选择和/或强调一个或另一个上述参照图1-3所描述的操作模式和/或系统400的其他功能。控制器470可引起第一和第二燃料电池单元401，405的一个或两个在第一和第二模式之间改变，例如，通过控制开关426，429的一个或两个和/或第二反应物端口422，423的一个或两个。

如图4所示，系统400可以包括共同的进料端口411，通过该进料端口甲烷或其它合适的原料材料可以被提供给第一电极402，406。在第一模式下操作的过程中，出口膜416可以被安置在气态产物出口端口412以选择性地允许气态产物(如，氢气)离开系统400。在第二模式下操作的过程中，第一反应物(例如，水)可以与原料材料一起被引入通过共同的进料端口411。第二反应物(例如，氧气)可通过第一和第二燃料电池401，405的第二反应物端口420，421被引入，单独地，并且还原产物(例如水)可以通过第一和第二燃料电池401，405的还原产物端口422，423离开系统400，单独地。第二反应物和还原产物可以是对于第一和第二燃料电池401，495相同的或不同的。在其他实施方式中，第一和第二燃料电池401，405可以被颠倒，例如，使得它们可以处理不同的原料材料。例如，第一和第二燃料电池401，405可以通常独立地在第一模式下操作并且通常共同地在第二模式下操作。此外，在如图4所示的配置中，第一燃料电池401可以在第一模式下操作并且第二燃料电池405可在第二模式下同时地进行操作。当系统400包括多个燃料电池时，选择(例如，通过控制器470)在第一和第二模式下操作的燃料电池的相对数量可以改变来自系统400的电力和化学反应产物的相对量。

除了或代替在同一个系统内包括多个燃料电池，在一些实施方式中，多个系统100可以在网络内一齐操作。例如，在网络内的系统100可以被操作以产生非气态产物135用作在同一网络内的不同系统中的原料材料180。作为另一示例，在网络中的系统100可以被配置为产生非气态产物135的第一类型(例如，硅基非气态产物135)并且在同一网络中的另一系统可以被配置为产生非气态产物的第二类型(比如，碳基非气态产物)。以这种方式，整个网络可以相对于可被处理的原料材料180和/或相对于所产生的有用材料具有更大的多功能性。网络内的个人系统100可以是在相同或不同的位置。此外，无论是独立操作的，或在网络中，系统100可以是高度可缩放性的。例如，系统100可以包括微型(例如，微流体)部件，并且可以是相对小的，或者可以包括标准部件并且可以是相对较大的。在一些实施方式中，系统100具有总体积在约0.0003m³至约30m³的范围内，例如，从约0.003m³至约3m³，或在另一个适当的范围内。

3.进一步的代表性的反应器

下面的部分描述了代表性的反应器和相关联的系统，其可被单独使用或以任何各种适当的组合被使用，用于实施参考图1-4所描述的一个或多个前述过程。特别是，在以下各部分中描述的系统的任何适当的部件可以代替或补充在前述部分中所描述的合适的部件。

在一些实施方式中，可在局部范围获得反应物，反应物可以在局部范围被实施，并且产物可以被用于局部范围以产生局部结果。在其他实施方式中，反应物、反应、产物和处理的整体效果可以具有更大的效果。例如，该技术可以具有大陆的和/或超出大陆的范围。在具体实施方式中，该技术可以被部署以保存在大陆规模上多年冻土的广大地区，以及或保存来自保存区处于海上的生态系统。在其它实施方式中，该技术可以在海上被部署以产生在大片海水上的效果。更进一步的，实施方式中，该技术可以被部署在可移动系统上，以将技术的优势传送到全世界更广泛的区域。

一般地，所公开的反应器将供体材料(反应物)离解、重整和/或重新形成为多个成分(例如，第一成分和第二成分)。下述代表性的反应器的具体方面是在特定反应物和产物的情况下，例如，载氢和碳的供体，载氢产物或成分，和载碳产物或成分。在所公开技术的某些其它实施方式中，相同或相似的反应器可被用于处理其它的反应物和/或形成其它产物。例如，非氢原料材料(反应物)被用于至少一些实施方式中。在具体的示例中，二氧化硫可在非燃烧的热反应器中被处理以产生硫和氧气，和/或二氧化碳可以被处理以产生碳和氧。在许多这些实施方式中，所得到的离解产物可包括结构构建块和/或氢基燃料或其它离解的成分。结构构建块包括可以被进一步处理以产生结构构造体的组合物。例如，结构构建块可包括来自离解过程的化合物或分子，并可以包括碳、各种有机物(如甲基，乙基或丁基或各种烯烃)、硼、氮、氧、硅、硫、卤素，和/或过渡金属。在许多应用中，基础成分元素不包括氢。在一具体的示例中，甲烷被离解以形成氢气(或其它载氢成分)和碳和/或二氧化碳和/或一氧化碳(结构构建块)。碳和/或二氧化碳和/或一氧化碳可以被进一步加工以形成聚合物、石墨烯、碳纤维，和/或另一种结构构造体。结构构造体可以包括由任何包括上述的元素(碳、氮、硼、硅、硫，和/或过渡金属)的各种合适的元素形成的自组织结构(例如，晶体)。在任何这些实施方式中，结构构造体可形成耐用品，例如，石墨烯或碳复合材料，和/或其他结构。

尽管以下具有代表性的反应器和相关的部件、装置和方法的任何一个或多个可以与上述系统结合使用，某些反应器可在这样的实施方式中具有特别的协同和/或其它有益的效果。例如，以下在标题3.6描述的感应反应器可被用于上述参考图2所描述的第一区域118a以将甲烷(或另一氢供体)离解为载氢成分和载供体成分。

3.1代表性的具有透射表面的反应器

图5是包括反应器1110的系统1100的局部示意图。反应器1110进一步包括反应器容器1111，其包围或部分地包围反应区1112。反应器容器1111具有一个或多个透射表面以便于化学反应发生在反应区1112内。在一代表性的示例中，反应器容器1111接收由供体源1130提供的氢供体至入口1113。例如，氢供体可以包括含氮化合物如氨气或含有碳和氢的化合物如甲烷或其它烃。氢供体可以在进入到反应区1112之前被适当地过滤以除去污染物，例如硫。在反应器容器1111内的供体分配器或歧管1115分散或分配氢供体进入反应区1112。反应器容器1111还通过蒸汽入口1114从蒸汽/水源1140接收氧供体如乙醇或蒸汽。在反应器容器1111内的蒸汽分配器1116分配蒸汽进入反应区1112。反应器容器1111还可以包括加热器1123以提供热量到反应区1112以促进吸热反应。这种反应可包括离解化合物，如含氮化合物，或含氢和碳的化合物，例如甲烷或其它烃成为氢或氢化合物，以及碳或碳化合物。该反应的产物通过出口1117离开反应器容器1111并在反应产物收集器1160a处被收集。

系统1100还可以包括辐射能量和/或额外的反应物的源1150，其提供成分到反应器容器1111内的通道1118。例如，辐射能量/反应物源1150可以包括燃烧室1151以提供热燃烧产物1152到通道1118，如箭头A所示。燃烧产物收集器1160b收集离开反应器容器1111的燃烧产物用于回收再利用和/或其他用途。在具体的实施方式中，燃烧产物1152可以包括二氧化碳、一氧化碳、水蒸汽，和其他成分。一个或多个透射表面1119被安置于反应区1112(其可以环形地围绕通道1118安置)和通道1118的内部区域之间。透射表面1119可以相应地允许辐射能量和/或化学成分径向向外地从通道1118通过进入反应区1112，如箭头B所示。通过递送由燃烧产物1152的流提供的辐射能量和/或化学成分，系统1100可以增强发生在反应区1112中的反应，例如，通过提高反应区温度和/或压力，从而，增加反应速率，和/或反应的热力学效率。类似地，化学成分例如水或蒸汽可以被回收再利用或以其它方式从通道1118被添加来替换被消耗在反应区1112内的水或蒸汽。在该实施方式的一特定的方面，燃烧产物和/或由源1150提供的其它成分可以是来自另一化学过程(例如，内部燃烧过程)的废产物。因此，上述过程除了促进在反应区112的反应以外，可以回收和重新利用否则将被浪费的能量和/或成分。

透射表面1119的组成和结构可以被选择，以允许辐射能量容易地从通道1118的内部区域1120通过到达反应区1112。例如透射表面1119可以包括玻璃或另外的可透射的或至少对红外能量和/或在其它波长的辐射能量是部分可透过的材料，其对于促进在反应区的反应1112是有用的。在许多情况下，辐射能量存在于燃烧产物1152中作为燃烧过程的固有结果。在其他实施方式中，操作者可以将添加剂引入到燃烧产物1152的流中以增加以辐射能量的形式从流中被提取的和被递送到反应区1112的能量的量。例如，燃烧产物1152可以是播撒钠、钾，和/或镁，其可以从燃烧产物1152中吸收能量，并通过透射表面1119向外辐射能量。在具体的实施方式中，反应区1112的壁可以是深色的和/或可以具有其它处理以促进辐射能量注入反应区1112。然而，也通常希望避免形成微粒和/或焦油，它们可能在深色表面上是更可能形成的。因此，反应区1112上的温度和暗度的级别可以被控制/选择以产生或防止焦油/微粒形成。

在具体实施方式中，在反应区处执行的过程包括调节过程，以产生变暗的辐射接收区，例如，通过最初将热量提供给反应区的特定区域1112。在这些区已经充分被加热以引起离解后，少量含碳的氢供体被引入以导致碳沉积或富碳材料的沉积。根据需要这样的操作可以被重复以恢复所需的变暗区。

在该实施方式的另一具体的方面，该处理可以进一步包括防止不希望的固体或液体，如由碳供体的离解所产生的微粒和/或焦油，在某些区域形成和/或阻断包括入口1113和分配器1115的通路。这可以通过从加热器1123和/或透射表面1119供应热量到氧供体(如蒸汽)以加热氧供体来实现。当氧供体被充分加热时，它可以提供所需的吸热热量并与碳供体反应而不允许颗粒或焦油被产生。例如，碳供体如甲烷或含有碳和氢的另一种化合物从蒸汽接收热量以形成一氧化碳和氢气，从而避免了不希望的颗粒和/或焦油的形成。

如上所述，燃烧产物1152可包括蒸汽和/或其他成分，可作为在反应区1112的反应物。因此，除了或代替接纳辐射能量进入反应区1112，透射表面1119可以被制造以选择性地允许这样的成分进入反应区1112中。在一具体的实施方式中，透射表面1119可以由碳晶体结构来形成，例如层状石墨烯结构。碳基晶体结构可以包括间隔(例如，面向横向于流动方向A的平行的层之间)，被故意选择成允许水分子通过。同时，该间隔可以被选择以防止在反应区1112中产生的有用的反应产物通过到反应区之外。合适的结构和相关的方法在于2011年2月14日提交的，标题为“具有例如多个结构晶体的结构构造体”的未决的美国专利申请号12/857,228中进一步被公开，并通过引用在此被全部并入。被用于形成透射表面1119的结构可以是碳基的，如以上所讨论的，和/或可以基于其他能够形成自组织结构的元素，或能够修改表面1119以通过或再辐射特定的辐射频率和/或阻止或通过选定的分子的成分。这样的元素可以包括过渡金属、硼、氮，硅和硫，等等。在具体的实施方式中，透射表面1119可以包括再辐射材料，其被选择以再辐射特别可能被一个或多个反应物在反应区1112中吸收的在一波长的能源。除了或代替对透射表面1119提供这种处理，反应区1112的壁可以包括这种材料处理。这样的结构、材料和处理的进一步细节会在下面的3.2部分描述。

系统1100还可以包括接收输入信号1191(例如，从传感器)和提供至少部分基于输入1191的输出信号1192(例如，控制指令)的控制器1190。因此，控制器1190可包括适当的处理器、存储器和I/O功能。控制器1190可接收对应于被测量的或感测的压力、温度、流速，化学浓度和/或其它合适的参数的信号，并能发出指令控制反应物递送速率、压力和温度、加热器激活、阀设置和/或其它合适的激活控制参数。操作者可以提供额外的输入以修改、调整和/或覆盖由控制器1190自主实施的指令。

从石墨烯或其它晶体结构形成的透射表面1119的一个特征是它可以同时允许辐射能量和有用成分(例如，水)通过进入反应区1112。在一具体的实施方式中，石墨烯层之间的间隔可被选择为“挤压”或以其他方式定向水分子，其以一种趋向于在反应区1112处优先地呈现氧原子的方式。因此，使用氧气的那些反应部分(如氧化或氧化步骤)可以比正常情况更容易进行。其结果是，该机制可提供进一步的渠道用于促进离解元素或来自氢供体和水(和/或其他反应物)以及重整合适的最终产物的过程。

图6是包括由三个环状(例如，同心地)安置的管道1322形成的容器1311的反应器1310的局部示意、局部剖示图。因此，反应器1310可以以连续流的方式操作。如本文所使用的，“连续流”通常是指反应物和产物可以被连续地提供到反应器容器和从反应器容器内移除而不停止反应以将反应物重新装入反应区的过程。在其他实施方式中，在反应物被间歇地提供到反应区并且产物被间歇地从反应区移除的过程中，反应器1310可以以分批方式操作。三个管道1322包括第一或内管道1322a，第二或中间管道1322b，以及第三或外管道1322c。第一管道1322a限定了燃烧产物通道1318，并相应地具有内部区域1320，燃烧产物1152通过该内部区域通过。第一管道1322a具有第一透射表面1319a，辐射能量以径向向外的方向穿过该表面，如箭头B所示。在本实施方式的一具体的方面中，第一管道1322a和第二管道1322b之间的环形区域容纳有加热器1323，在第二管道1322b和第三管道1322c之间的环形区域容纳有反应区1312。加热器1323与来自燃烧产物1152的辐射热量一起将热量提供到反应区1312。相应地，第二管道1322b可以包括第二透射表面1319b，以允许来自燃烧产物1152和加热1323的辐射能量径向向外通过反应区1312。在该实施方式的一具体方面，第一透射表面1319a和第二透射表面1319b对燃烧产物1152的化学成分不可透射，以避免燃烧产物1152和加热器1323之间的接触(例如，腐蚀性或其他破坏性接触)。在另一实施方式中，加热器1323可以以一种保护其免受化学成分穿过第一和第二透射表面1319a，1319b的方式被制造(例如，具有适当的涂层、处理，或其它特征)。在又一实施方式中，加热器1323可以从反应区1312向外被安置。在任何这些实施方式中，加热器1323可以包括电阻加热器、感应加热器或其它合适的装置。在至少一些情况下，加热器1323是由燃烧在反应器1312内产生的氢气的一部分而被供电。在其他实施方式中，燃烧是在反应器本身内进行的，例如，具有第二管道1322b用作气罩用于辐射在选定的频率上的能量以加速在反应区1312中的所需反应。

在任何前述的实施方式中，反应区1312可以容纳一个或多个蒸汽分配器1316和一个或多个氢供体分配器1315。分配器1315，1316的每一个可以包括孔1324和/或其它的开孔、开口或通道，以允许化学反应物进入反应区1312。供体分配器1315，1316可以包括一个或多个螺旋形管道，包括，例如，编织式布置的管道以在轴向、径向及圆周方向上均匀地分配反应物进入反应区。反应区1312由第三管道1322c限定，它可以具有绝缘反应器外表面1321以保存在反应区1312内的热量。在操作期间，发生在反应区1312内的反应可通过调节蒸汽和氢供体进入反应区1312的速率、热量进入反应区1312的速率(通过燃烧产物通道1318和/或加热器1323)和其他变量包括在反应区1312中的压力来控制。适当的传感器和控制反馈回路自主地实施这些过程，具有可选的控制器的介入，如上面参考图5所述。

具有透射表面的合适的反应器的再进一步的实施方式在于2011年2月14日提交的未决的美国申请号13/026,996中被公开，并通过引用被并入本文。

3.2代表性的具有再辐射部件的反应器

图7是根据本公开的实施方式的包括具有一个或多个可选择(再辐射)的表面的反应器2110的系统2100的局部示意图。反应器2110进一步包括具有包围或部分包围反应区2112的外表面2121的反应器容器2111。在代表性的示例中，反应器容器2111接收由供体源2101提供的氢供体到供体入2113。例如，氢供体可以包括甲烷或其它烃。在反应区2111内的供体分配器或歧管2115分散或分配氢供体进入反应区2112。反应器容器2111还通过蒸汽入口2114接收来自蒸汽/水源2102的蒸汽。在反应器容器2111内的蒸汽分配器2116分配蒸汽进入反应区2112。反应器容器2111仍然可以进一步包括加热器2123向反应区2112供给热量，以促进吸热反应。这种反应可包括离解甲烷或其它烃成为氢或氢化合物，以及碳或碳化合物。反应的产物(例如，碳和氢)经由出口2117离开反应器容器2111，在反应产物收集器2160a处被收集。

系统2100还可以包括辐射能量和/或额外的反应物的源2103，其提供成分到反应器容器2111内的通道2118。例如，辐射能量/反应物源2103可以包括燃烧室2104以提供热燃烧产物2105到通道2118，如箭头A所示。在具体的实施方式中，通道2118相对于通道中心线2122是同轴的。在其他实施方式中，通道2118可具有其它几何形状。燃烧产物收集器2160b收集离开反应器容器2111的燃烧产物用于回收再利用和/或其他用途。在一具体的实施方式中，燃烧产物2105可以包括一氧化碳、水蒸汽，和其他成分。

一个或多个再辐射部件2150被安置在反应区2112和通道2118的内部区域2120之间(其可以被布置以环形地围绕通道2118)。再辐射部件2150可以相应地从通道2118吸收入射辐射R并直接再辐射能量RR进入反应区2112。再辐射能量RR可以具有波长谱或分布更密切地匹配、接近、重叠和/或对应于反应物的至少一个的和/或所得产物的至少一个的吸收谱。通过递送处于顺利转移的波长的辐射能量，系统2100可以增强发生在反应区2112中的反应，例如，通过增加能量被反应物吸收的效率，从而增加反应区温度和/或压力，因此，增加了反应速率，和/或反应的热力学效率。在该实施方式的一具体的方面中，燃烧产物2105和/或由源2103所提供的其他成分可以是来自另一种化学过程(例如，内部燃烧过程)的废产物。因此，除了促进在反应区2112处的反应，上述过程可以回收再利用和重新利用否则将被浪费的能量和/或成分。

在至少一些实施方式中，再辐射元件2150可以是与透射表面2119配合使用，和/或集成在一起的，以允许化学成分(例如，反应物)容易地从通道2118的内部区域2120通过到反应区2112。代表性的透射表面的进一步的细节在上述标题3.1下被讨论。在其他实施方式中，反应器2110可包括一个或多个再辐射部件2150而不包括透射表面2119。在任何这些实施方式中，存在于燃烧产物2105中的辐射可以作为燃烧过程的固有结果存在。在其他实施方式中，操作者可以将添加剂引入到燃烧产物2105的流(和/或产生燃烧产物的燃料)，以增加从流中提取的和以辐射能量的形式被递送到反应区2112的能量的量。例如，燃烧产物2105(和/或燃料)可以播撒钠、钾、和/或镁的来源，它们可从燃烧产物2105吸收能量并在所希望的频率向外辐射能量进入反应区2112。除了再辐射部件2150外，这些发光添加剂可被使用。

图8呈现了吸收作为波长的函数的用于代表性的反应物(例如，甲烷)和代表性的再辐射部件的曲线图。图8示出了反应物吸收光谱2130，其包括多个反应物峰值吸收范围2131，其中三个在图8中突出显示作为第一、第二和第三峰值吸收范围2131a，2131b，2131c。峰值吸收范围2131表示反应物比在光谱2130的其它部分吸收更多能量的波长。光谱2130可包括在特定范围内的峰值吸收波长2132，例如，第三峰值吸收范围2131c。

图8还示出了具有第一峰值波长范围2141a的第一辐射能谱2140a。例如，第一辐射能谱2140a可以代表来自上述参考图7描述的燃烧产物2105的发射。如上所述当辐射能量被吸收并通过再辐射部件2150被再发射后，其可以产生具有第二峰值波长范围2141b的第二辐射能谱2140b，其反过来包括再辐射峰值2142。一般来说，再辐射部件2150的功能是将辐射能量的光谱从第一辐射能谱2140a和峰值波长范围2141a转移到第二辐射能谱2140b和峰值波长范围2141b，图箭头S指示。转移的结果是，第二峰值波长范围2141b比第一峰值波长范围2141a更接近于反应物的第三峰值吸收范围2131c。例如，第二峰值波长范围2141b能够与第三峰值吸收范围2131c重叠并且在一具体的实施方式中，再辐射峰值2142可以是在或大约在与反应物峰值吸收波长2132相同的波长处。以这种方式，该再辐射部件更紧密地对准辐射能量的光谱，具有反应物有效地吸收能量的峰值。用于执行此功能的代表性结构在下面参考图9被进一步描述。

图9是上述参考图7的反应器2110的一部分的局部示意的放大的剖示图，其具有根据本技术的特定实施方式被配置的再辐射部件2150。该再辐射部件2150被安置在通道2118(以及在通道2118中的辐射能量R)和反应区2112之间。再辐射部件2150可包括材料的层2151，其形成间隔开的结构2158，这反过来又载有再辐射材料2152。例如，层2151可包括石墨烯层或其它由合适的基础成分元素如碳、硼、氮、硅、过渡金属制成的晶体或自定向层。碳是特别合适的成分，因为它相对便宜并且容易获得。事实上，它是反应的目标输出产物，可以在反应区2112中被完成。适当结构的进一步细节在先前的共同未决的美国申请号12/857,228通过引用被并入本文。每个结构2158可以通过间隙2153与其近邻分离。间隙2153可以通过间隔物2157被保持，该间隔物在相邻结构2158之间延伸。在具体实施方式中，在结构2158之间的间隙2153的宽度可以是从约2.5微米至约25微米。在其它实施方式中，间隙2153可以具有其它值，这取决于，例如，入射辐射能量R的波长。间隔物2157被安置在间隔开的位置，同时位于图9的平面内并垂直于图9的平面，以便不阻碍经由部件2150的辐射和/或化学成分的通过。

辐射能量R能够包括第一部分R1，其大致上对准平行于间隔开的层结构2158并且相应地经由间隙2153完全穿过再辐射元件2150通过并且进入反应区2112而不接触再辐射材料2152。辐射能源R也可以包括第二部分R2，其撞击到再辐射材料2152上并相应地作为再辐射部分RR进入反应区2112。再辐射区2112可以相应地包括具有不同能谱和/或不同的峰值波长范围的辐射，这取决于入射辐射R是否撞击到再辐射材料2152上。这种在反应区2112中的能量的组合对于至少一些反应式有益的。例如，辐射能量的更短的波长、更高的频率(较高能量)部分可促进发生在反应区2112中的基本反应，例如在蒸汽存在时离解甲烷以形成一氧化碳和氢气。较长波长，较低频率(较低能量)部分能防止反应产物粘附在反应器2110的表面上，和/或可以从反应器表面分离此类产物。在具体的实施方式中，辐射能量可以在反应区2112内通过甲烷被吸收，而在其他实施方式中，辐射能量可以通过其它反应物被吸收，例如，在反应区2112内的蒸汽，或产物。在至少一些情况下，最好是用蒸汽吸收辐射能量。以这种方式，蒸汽接收足够的能量，足够热以完成反应区2112内的吸热反应，而不会不必要地加热碳原子，因为如果碳原子没有在离解后迅速被氧化，其可以潜在地产生微粒或焦油。

再辐射材料2152可以包括多种合适的成分，包括碳化铁，碳化钨，碳化钛，碳化硼，和/或氮化硼。这些材料，以及形成间隔开的结构2158的材料，可以基于包括耐腐蚀性和/或压缩载荷在内的几种性能而被选择。例如，用任何上述的碳化物或氮化物加载碳结构可以产生压缩结构。压缩结构的一个优点是，它较受拉力的结构而言经受较少的腐蚀。此外，结构的成分(如，前述碳化物和氮化物)的固有的耐腐蚀性可以被增强，这是因为在压缩情况下结构较少渗透腐蚀剂，包括可以很好的作为反应区2112内的反应物和在通道2118中的燃烧产物的的成分而存在的蒸汽。前述组分可以被单独使用或与磷，氟化钙和/或另一种磷光材料组合使用，以使得由再辐射材料2152再辐射的能量可能被延迟。这个特征可以消除辐射能量被供给到反应区2112的至少一些不规则处或间歇性。

另一种合适的再辐射材料2152包括尖晶石或镁和/或铝氧化物的另一合成物。尖晶石可以提供上述的压应力，并且可以将被吸收的辐射转变为红外，以便于加热反应区2112。例如，钠或钾可以发射可见光辐射(例如，红色/橙色/黄色辐射)，其可以由尖晶石或其它载氧化铝材料转变为红外(IR)波段。如果镁和铝氧化物，包括具有着色剂添加剂，如镁，铝，钛，铬，镍，铜和/或钒的组分，存在于再辐射材料2152中，再辐射材料2152可以发射具有多个峰值的辐射，其可以反过来允许在反应区2112内的多个成分吸收辐射能量。

在图9中所示的再辐射部件2150的具体结构包括间隙2153，其可以不仅允许辐射穿过，也可以允许成分通过。因此，再辐射部件2150也可形成透射表面2119，其如以上参考图7所描述的，可进一步通过接纳反应物促进在反应区2112内的反应。

具有再辐射部件的合适的反应器的更进一步的实施方式在于2011年2月14日提交的未决的美国申请号13/027,015中被公开，并通过引用被并入本文。

3.3代表性的具有热管和热泵的反应器

图10是根据本技术的实施方式被配置的热传递装置3100(“装置3100”)的示意性剖面图。如图10所示，装置3100可以包括管道3102，具有输入部分3104、与输入部分3104相对的输出部分3106以及在输入和输出部分3104和3106之间的侧壁3120。装置3100可以进一步包括在输入部分3104处的第一端盖3108和在输出部分3106处的第二端盖3110。装置3100可以装入工作流体3122(由箭头示出)，其在汽化冷凝循环过程中在汽相3122a和液相3122b之间改变。

在所选择的实施方式中，装置3100还可以包括一个或多个结构构造体3112。结构构造体3112是晶体的合成矩阵特性，主要由石墨烯，石墨，氮化硼，和/或另一合适的晶体构成。这些晶体的结构和处理严重影响结构构造体3112将表现出的特性，由其是当其经历一定的条件时。例如，如在下面进一步详细解释的，装置3100可利用结构构造体3112的热性能、毛细管特性、吸收性能、催化性能和电磁、光学和声学特性。如图10所示，结构构造体3112可以排列成通过间隙3116而彼此间隔开的多个基本上平行的层3114。在各种实施方式中，层3114可以是单原子厚度的。在其他实施方式中，层3114的厚度可大于和/或小于一个原子的厚度且在层3114之间的间隙3116可以变化。制造和配置结构构造体的方法，例如如图10所示的结构构造体3112，在先前通过引入被并入的美国专利申请号12/857,228中被描述。

如图10所示，第一端盖3108可被安装邻近于热源(未示出)，使得第一端盖3108用作热界面以汽化工作流体3122。因此，第一端盖3108可以包括具有高热导率和/或透射率的材料以吸收或递送来自热源的热量。如图10所示的实施方式中，例如，第一端盖3108包括由导热晶体(例如，石墨烯)制成的结构构造体3122。结构构造体3112可以被布置以增加其热传导，通过配置层3114为具有高集中度的热传导通路(例如，由层3114形成)基本上平行于热量的涌入。例如，在所示的实施方式中，层3114基本上与进入热量流对准，使得热量进入在层3114之间的结构构造体3112。有利的是，尽管具有比金属低的多的密度，结构构造体3112可以传导地和/或辐射地传递比固体银、原料石墨、铜或铝更大量的每单位面积热量。

如在图10中进一步示出的，第二端盖3110可以从装置3100排出热量到热沉(未示出)，使得第二端盖3110用作冷界面以冷凝工作流体3122。第二端盖3110，与第一端盖3108类似，可以包括具有高导热率(例如，铜，铝)和/或透射率的材料，以吸收和/或输送来自工作流体3122的潜热。因此，与第一端盖3108类似，第二端盖3110可包括结构构造体3112。然而，第二端盖3110可以传递潜热到装置之外，而不是与第一端盖3108类似将热量带入装置3100。在各种实施方式中，第一和第二端盖3108和3110的结构构造体3112可以由类似的材料制成和/或被布置成具有基本上相似的热导率。在其他实施方式中，结构构造体3112可以包括不同的材料，可以在不同的方向被布置，和/或以其他方式被配置成提供不同的热传送能力，包括所需的传导率和透射率。在进一步的实施方式中，无论是第一端盖3108还是第二端盖3110都不包括结构构造体3112。

在所选择的实施方式中，第一端盖3108和/或第二端盖3110可以包括具有不同的热导率。例如，接近于管道3102的第一端盖3108的部分的可以包括高热导材料(例如，被配置为促进热传导的结构构造体3112，铜等等)，使得其吸收来自热源的热量并汽化工作流体3122。从管道3102被间隔开的第一端盖3108的另一部分可以包括低热导材料以绝缘传导部分。在某些实施方式中，例如，绝缘部分可以包括具有高辐射吸收率和/或低热导率的陶瓷纤维，密封死空气空间，和/或其它材料或结构。在其他实施方式中，第一端盖3108的绝缘部分可以包括被布置以包括低集中度的热传导通路(例如，层3114由大间隙3116被间隔开)的结构构造体3112使得其具有传导传递热量的低可用性。

在其它实施方式中，结构构造体3112的结构可能会与如图10所示的那些不同，基于装置3100的尺寸、在热源和热沉之间的温差、所期望的热传递、工作流体3122，和/或其它适合的热传递特性。例如，具有较小的表面积的结构构造体3112可适合于装置3100的微观应用和/或高温差，而具有较大表面积可以是更适合于装置3100的宏观应用和/或热传递的较高效率。结构构造体3112的热导率也可被改变，通过在层3114上涂覆深色涂层以增加热吸收，和涂覆浅色涂层以反映热量离开从而降低热吸收。

仍参考图10，装置3100可以通过毛细作用返回工作流体3122的液相3122b至输入部分3104。因此，管道3102的侧壁3120可以包括芯结构，其将毛细压力施加在液相3122b上以驱动它朝向所希望的位置(例如，输入部分3104)。例如，侧壁3120可以包括纤维素、陶瓷芯吸材料、烧结或胶粘金属粉末、纳米纤维，和/或其它合适的芯结构或材料以提供毛细作用。

在图10所示的实施方式中，结构构造体3112与管道3102的纵向轴线3118对准并被配置为施加必要的毛细压力以引导工作流体3122的液相3122b到输入部分3104。层3114的合成物、掺杂物、间隔和/或厚度能够被选择，基于对工作流体3122提供毛细作用所需的表面张力。有利地，结构构造体3112可以施加足够的毛细压力在液相3122b上以在短距离和长距离驱动工作流体3122(例如，毫米至公里)。此外，在选定的实施方式中，层3114的表面张力可以被操纵使得结构构造体3112拒绝预选定的流体。例如，结构构造体3112可被配置成具有表面张力，其拒绝除了工作流体3122的液相3122b以外的任何液体。在这种实施方式中，结构构造体3112可具有过滤器的功能以防止除了工作流体3122以外的任何流体(通过杂质扩散进入管道而被污染的流体)干扰汽化冷凝循环。

在其它实施方式中，结构构造体3112的选择性毛细作用在比常规的蒸馏技术低得多的温度下分离物质。由结构构造体的物质的更快分离可以减少或消除如果物质在装置3100内达到更高的温度而引起的物质降解。例如，在工作流体3122达到更高的温度接近于输入部分3104之前通过结构构造体的选择性的毛细作用，潜在的有害物质可以从工作流体3122中被移除。

该管道3102和第一和第二端盖3108和3110可以通过使用合适的紧固件被固定在一起，以能够经受装置3100的温差。在其他实施方式中，装置3100被整体地形成。例如，装置3100可以通过使用一种或多种材料被模制。真空可以被用于移除管道3102内的任何空气，然后管道3102可以被填充有少量的被选择与操作温度相匹配的工作流体3122。

在操作中，装置3100利用工作流体3122的汽化冷凝循环传递热量。更具体地说，第一端盖3108可从热源吸收热量，并且工作流体3122可以依次从第一端盖3108吸收热量以产生蒸汽相3122a。由工作流体3122的相变引起的压力差可以驱动工作流体3122的蒸汽相3122a填充可用的空间，并且从而递送工作流体3122通过管道3102到达输出部分3104。在输出部分3104，第二端盖3110能够吸收来自工作流体3122的热量以改变工作流体3122为液相3122b。来自工作流体3122的冷凝的潜热可以经由第二端盖3110被转移出装置3100。一般地，涌入到第一端盖3108的热量基本上等于由第二端盖3101移除的热量。如在图10中进一步示出，由结构构造体3112提供的毛细作用或其它芯吸结构可以返回工作流体3122的流体相3122b到输入部分3104。在所选择的实施方式中，层3114的末端可以被交错或成朝着管道3102成角度，以方便层3114之间的液相3122b的进入和/或促进液相3122b到在输入部分3104处的汽相3122b的转化。在输入部分3104，工作流体3122可以再次汽化并继续通过管道3102经由汽化冷凝循环装置循环。

装置3100还可以在相反的方向操作以上描述的汽化冷凝循环。例如，当在热源和热沉被颠倒时，第一端盖3108可作为冷界面并且第二端盖3110可以用作热界面。因此，输入和输出部分3104和3106被反转，使得工作流体3122靠近第二端盖3110汽化，靠近第一端盖3108冷凝，并且通过使用由侧壁提供的毛细作用返回到第二端盖3110。装置3100的可逆性允许装置3100被安装，不论热源和热沉的位置。另外，装置3100可以容纳热源和热沉的位置可以颠倒的环境。例如，如下面进一步描述的，装置3100可以在冬季逆转方向以利用在之前的夏季期间存储的热量。

包括结构构造体3112的装置3100的实施方式在第一端盖3108和/或第二端盖3110具有比常规导体单位面积更高的热导率。该增加的热导率可增加处理速度和在第一和第二端盖3108和3110之间的温度差，以产生更大的和更有效的热传递。此外，包括结构构造体3112的实施方式在第一和/或第二端盖3108和3110需要较少的表面积来吸收实现汽化冷凝循环所需的热量。因此，装置3100可以比常规的传递等量热量的热管更紧凑并且提供相当大的成本降低。

仍参考图10，在各种实施方式中，装置3100还可以包括贮液器3124与管道3102流体连通，使得贮液器3124可以收集和存储工作流体3122的至少一部分。如图10所示，贮液器3124可通过管子或其它适当的管状结构被耦合到管道3102的输入部分3104。液相3122b可因此从侧壁3120(例如，结构构造体3112，芯结构等)流入贮液器3124。在其他实施方式中，贮液器3124与管道3102的另一部分(例如，输出部分3106)流体连通，使得贮液器3124收集在汽相3122a或在混合相的工作流体3122。

贮液器3124允许装置3100在至少两种模式下操作：蓄热模式和热传递模式。在蓄热模式中，通过从管道3102汇集工作流体3122到贮液器，工作流体3122的汽化冷凝循环可被减缓或停止。第一端盖3108然后可以用作蓄热器，以吸收能量而没有汽化冷凝循环驱散积热。在第一端盖3108积聚热量的所需量和/或热源(例如，太阳)不再提供热量后，通过汇集工作流体3122进入管道3102，装置3100可改变到热传递模式。存储在第一端盖3108的热量可以汽化进入的工作流体3122并且压力差可以朝着管道3102的输出部分3106驱动汽相3122a以重新启动上述汽化冷凝循环。在某些实施方式中，汽化冷凝循环的重新启动可以被监控以分析工作流体3122的特性(例如，组成、蒸汽压、潜热、效率)。

如图10所示，控制器3126可以被可操作地耦合到贮液器3124来调制工作流体3122进入管道3102的速率和/或调整工作流体3122流入或流出管道3102的体积。从而控制器3126可以改变管道内的压力3102，使得装置3100可在热源和散热器之间的不同的温度差处操作。因此，尽管是降级的热源(例如，第一端盖3108)或间歇性汽化冷凝循环，装置3100可以提供恒定的热通量。

图11A和11B是根据本技术的其它实施方式的热传递装置3200a，3200b(“装置3200”)的示意性剖视图。装置3200的几个特征基本上类似于在图10中所示的装置3100，例如，每个装置3200可包括管道3102、侧壁3120，以及第一和第二端盖3108和3110。通过利用大体上类似于参考图10所描述的工作流体3122的汽化冷凝循环，装置3200也从热源将热量传递到热沉。此外，如图11A和11B所示，装置3200还可以包括贮液器3124和控制器3126，使得该装置3200可以在蓄热模式和热传递模式下操作。

如图11A和11B所示的装置3200可以利用重力，而不是在图10中所描述的毛细作用，返回工作流体3122的液相3122b到输入部分3104。因此，如图11A和11B所示，热量流入是在热量输出的下面，使得重力可以驱动液相3122b向下沿侧壁3120到输入部分3104。因此，如图11A所示，侧壁3120仅需要包括防渗膜3228，而不是毛细作用所需的芯结构，以在管道3102内密封工作流体3122。防渗膜3228可以由聚合物制成，例如聚乙烯，金属或金属合金如铜和不锈钢，和/或其他合适的防渗材料。在其它实施方式中，装置3200可以利用加速度的其他来源(例如，离心力，毛细作用)将液相3122b返回到输入部分3104，使得在输入和输出部分3104和3106的位置不依赖于重力。

如图11B所示，在其他实施方式中，侧壁3120可以进一步包括结构构造体3112。例如，结构构造体3112可以被布置成使得层3114被定向正交于管道3102的纵轴轴线3118，以形成热传导通路，将热量远离管道3102传递。因此，当液相3122b沿着侧壁3120流动时，结构构造体3112可以从液相3122b引入热量，沿层3114，并远离装置3200的侧壁3120。这可以增加输入和输出部分3104和3106之间的温差，以增加热传递的速率和/或促进汽化冷凝循环，当温度梯度不充分时。在其他实施方式中，层3114能够相对于纵向轴线3118以不同的角度被定向以在不同的方向传递热量。在某些实施方式中，结构构造体3112可以在防渗膜3228的径向向外的位置安置。在其它实施方式中，防渗膜3228可以在结构构造体3112的径向向外的位置或结构构造体3112本身可提供足够的不渗透壁以将工作流体3122密封在管道3102内。

在图11A和11B中所示的第一和第二端盖3108和3110还可以包括结构构造体3112。如图11A和11B所示，结构构造体3112的层3114通常与热量输入和热量输出的方向对准，以提供热传导通路能够有效地传递热量。此外，第一和/或第二端盖3108和3110的结构构造体3112可以被配置为应用毛细压力用于特定物质进入或离开管道。例如，结构构造体3112的层3114的组合物、间距、掺杂剂，和/或厚度可以被调制以选择性地在层3114之间引入特定物质。在所选择的实施方式中，结构构造体3112可以包括被配置为第一物质的层3114的第一区以及被配置为第二物质的层3114的第二区，以选择性地从管道3102移除和/或添加两个或多个所需的物质。

在进一步的实施方式中，第二端盖3110可以利用结构构造体3112的吸收性质以选择性地在层3114之间加载工作流体3122所需的成分。结构构造体3112的构造可以被操纵以获得必需的表面张力以加载几乎任何元素或可溶物。例如，该层3114能够预装入预定的掺杂剂或材料以调整沿着这些表面的吸收的表面张力。在某些实施方式中，层3114可被预加载CO₂，使得当热量通过第二端盖3110时，结构构造体3112可以选择性地从工作流体3122中采掘CO₂。在其他实施方式中，层3114可以以预定的距离彼此间隔开，包括某些涂覆，和/或以其他方式被布置以选择性地加载所需的成分。在一些实施方式中，所希望的成分吸附到各个层3114的表面上，而在其它实施方式中，所希望的成分吸收到层3114之间的区域。在进一步的实施方式中，物质可以有目的地从输入部分3104(例如，通过第一端盖3108)被供入管道3102内，使得所添加的物质可以与工作流体3122结合或反应，以产生所需的成分。因此，在第二端盖3110的结构构造体3112能够促进成分的有选择性采掘。此外，结构构造体3112可以移除杂质和/或可能已进入管道3102和对装置3200的效率具有潜在干扰的其它不希望的可溶物。

类似地，在选定的实施方式中，在第一端盖3110的结构构造体3112也可以有选择性地加载所需的化合物和/或元素，以防止他们进入管道3102。例如，结构构造体3112可以过滤掉可以阻碍或以其它方式干扰装置3200的热传递的链烷烃。在其它实施方式中，装置3200可以包括其它过滤器，其可以被用于防止某些材料进入管道3102。

此外，类似于选择性地加载化合物和元素的，在第一和第二端盖3108和3110的结构构造体3112还可以被配置为吸收所需波长的辐射能量。例如，层3114可具有一定的厚度、组成、间隔以吸收辐射能量的特定波长。在选定的实施方式中，结构构造体3112吸收第一波长的辐射能量并将其转换成第二波长的辐射能量，重新传输至少一些被吸收的能量。例如，层3114可以被配置为吸收紫外辐射并将紫外辐射转换为红外辐射。

此外，层3114还可通过将热量传递到反应会发生的区域来催化反应。在其它实现方式中，层3114通过传递热量远离反应会发生的区域来催化反应。例如，热量可被传导地传递进入层3114(例如，如于2010年8月16日提交的标题为“用于存储和/或过滤物质的设备和方法”的美国专利申请号12/857,515中被讨论的，其全部内容通过引用被并入。)以供给热量到层3114的支撑管内的吸热反应中。在一些实现方式中，层3114通过从反应会发生的区域移除反应的产物来催化反应。例如，层3114可从醇是副产物的中心支撑管内的生化反应中吸收醇，从而在层3114的外边缘上排出醇并延长在生化反应中涉及的微生物的寿命。

图12A是根据本技术的进一步的实施方式在第一方向上操作热传递装置3300(“装置3300”)的示意性剖视图，以及图12B是在与第一方向相对的第二方向上操作的图12A的装置3300的示意性剖视图。装置3300的几个特征一般类似于在图10-2B中所示的装置3100和3200的特征。例如，装置3300可包括管道3102、第一和第二端盖3108和3110，以及结构构造体3112。如图12A和12B所示，装置3300的侧壁3120可以包括两个结构构造体3112：具有层3114被定向成平行于管道3102的纵向轴线3118的第一结构构造体3112a，以及从第一结构构造体3112a径向向内并具有层3114被定向成垂直于纵向轴线3118的第二结构构造体3112b。第一结构构造体3112a的层3114可以执行毛细作用，并且第二结构构造体3112b的层3114可以形成热传导通路，以从管道3102的侧面转移走热量并由此增加输入和输出部分3104和3106之间的温差。

类似于图10所示的装置3100，该装置3300还可以在当热量流的方向改变并且与输入和输出部分3104和3106颠倒时操作。如图12A所示，例如，装置3300可以在第一端盖3108吸收热量以在输入部分3104汽化工作流体3122，经由工作流体3122的汽相3122a传递热量通过管道3102，并从第二端盖3110排出热量以在输出部分3106冷凝工作流体3122。如在图12A中所示，工作流体3122的液相3122b可以通过如以上参考图10所描述的毛细作用在结构构造体的层3114之间移动。在其它实施方式中，侧壁3120可以包括不同的毛细结构(例如，纤维素)，可以驱动液相3122b从输出部分3106到输入部分3104。如图12B所示，条件可被颠倒，使得热量在接近第二端盖3110处进入装置3300和在接近第一端盖3108处离开该装置3300。有利地，如上面讨论的，工作流体3122的双向的汽化冷凝循环容纳热量源和热沉颠倒的位置的环境。

在至少某些实施方式中，除了或代替热管，热泵可被用于传递热量，且被传递的热量可以被用于提高与热泵耦合的反应器的效率和/或性能。在具体实施方式中，热量从多年冻土、地热、海洋和/或其它源中被提取。图13是被安置以从源3202(例如，地热源)接收热量(如箭头H1表示)并在较源的温度的更高的温度下递送热量(如箭头H2表示)的可逆热泵3150的局部示意图。热泵3150通过可以在闭环制冷循环中操作的工作流体传递热量。因此，热泵3150可以包括压缩机3154、膨胀阀3162、供给和返回管道3156，3160，和第一和第二热交换器3152，3158。在操作中，工作流体通过第二热交换器3158从源3202接收热量。工作流体通过供应管道3156到压缩机3154并在那里被压缩，并在第一热交换器3152处递送热量(例如，到非燃烧反应器)。然后工作流体通过膨胀阀3162膨胀并通过返回管道3160返回到第二热交换器3158。

工作流体可至少部分基于源3202的温度和所需的递送温度而被选择。例如，工作流体可以是相对惰性的流体，例如氟利昂、氨、或二氧化碳。这种流体是与各种聚合物和金属组分相容。这些组分可包括管衬聚合物如氟化乙烯-丙烯，全氟烷氧基，聚偏氟乙烯，四氟乙烯，乙烯-丙烯二聚物，和/或许多其他可以用纤维(如石墨，E-玻璃，S-玻璃，玻璃-陶瓷或各种有机长丝以形成管道3156，3160)增强的材料。热交换器3158可以由金属合金制成，例如，304型或其他“300”系列的奥氏体不锈钢，铝合金，黄铜或青铜的选择。压缩机3154可以是容积式压缩机或涡轮式压缩机，其取决的因素包括应用的规模。膨胀阀3162可以被选择为满足压降和流量的特定应用的要求。

在代表性的实施方式中，源3202是处于中等温度(例如，125°F(52℃))，工作流体可以包括二氧化碳，其被膨胀通过阀门3162至降低的温度(例如，115°F(46℃))。工作流体在源3202接收热量以达到有代表性的温度120°F(49℃)。在压缩机3154处，工作流体的温度被升高到325°F(163℃)或更高的代表值。在具体实施方式中，一个或多个附加的热泵循环(未示出)可被用于进一步提高递送温度。使用热泵循环来递送处于比源3202的温度更高的热量可以是特别有利的，因为这种循环一般递送相比于压缩机3154的操作所需的能量2到多于10倍的热能。

以大致类似的方式，使用一个或多个热泵循环反过来冷却工作流体至低于环境温度的温度，从而“冷藏”被冷却的物质。例如，在这样的应用中，在湖底或海洋沉积物中的永久冻土或甲烷水合物可被冷却到远低于空气的环境温度或周围的水的温度。

具有透射表面的合适的反应器与的再进一步的实施方式在于2011年2月14日提交的未决的美国申请号13/027,244中被公开，并通过引用被并入本文。

3.4代表性的具有太阳能传送机的反应器

图14是包括具有反应区4111的反应器容器4110的系统4100的局部示意图。系统4100进一步包括引导太阳能4103到反应区4111的太阳能收集器4101。太阳能收集器4101可包括盘、槽、定日镜布置，菲涅耳透镜和/或其它辐射聚焦元件。反应器容器4110和太阳能收集器4101可被安装到基座4102，其允许太阳能收集器4101围绕两个正交轴旋转以便随着地球旋转继续高效率地聚焦太阳能4103。该系统4100可以进一步包括多个反应物/产物容器4170，其包括第一和第二反应物容器4170a，4170b，以及第一和第二产物容器4170c，4170d。在具体的实施方式中，第一反应物容器4170a能够提供含有氢和碳(例如甲烷)的反应物，其在反应区4111处在吸热反应中被处理以产生氢和碳，并分别被提供到第一和第二产物容器4170c，4170d。在其他实施方式中，其它反应物，例如，城市固体废物流、生物质反应物，和/或其它废物流可以在形成第二反应物容器4170b的一部分的料斗4171处被提供。在任何这些实施方式中，内部反应物递送系统和产物移除系统提供反应物到反应区4111并从反应区4111移除产物，将在后面参照图16进一步详细地描述。

系统4100还可以包括补充热源4180，当可用的太阳能4103不足以维持在反应区4111的吸热反应时提供热量至反应区4111。在具体的实施方式中，补充热源4180可包括在白天被安置为远离反应区4111的感应加热器4181，以允许集中的太阳能4103进入反应区4111，并能在夜间滑到反应区4111上以提供热量至反应区4111。感应加热器4181可以由可再生的清洁能源供电，例如，由反应器容器4110在白天产生的氢，或降水、地热能源、风能，或其它合适来源。

在任何前述的实施方式中，系统4100可以进一步包括控制器4190，其接收输入信号4191，并通过信号或其它输出4192引导装配系统4100的装置的操作。例如，控制器4190可以从辐射传感器4193接收信号，指示当入射太阳辐射不足以维持在反应区4111的反应时。作为响应，控制器4190可以发出命令以激活补充热源4180。控制器4190还可以引导反应物递送和产物移除系统，下面参照图16进一步的描述。

图15是在图14中所示的反应器容器4110的实施方式的局部示意图，示出了被安置为允许入射太阳能4103进入反应区4111的透射部件4112。在具体的实施方式中，透射部件4112可以包括玻璃或其他合适的透明的高温材料，其很容易透射太阳辐射，并被配置为经受在反应区4111内的高温。例如，在某些实施方式中的在反应区4111处的温度预计将达到44000°F，并且对反应物和/或产物可以是更高的。

在其它实施方式中，透射部件4112可包括吸收在一波长的辐射并在另一波长将其再辐射的一个或多个元件。例如，透射部件4112可以包括接收在一波长的入射太阳能的第一表面4113a，和再辐射在另一波长的能量进入反应区4111的第二表面4113b。以这种方式，被提供到反应区4111的能量可被专门定制，以匹配或近似于置于反应区4111内的反应物和/或产物的吸收特性。有代表性的再辐射装置的进一步细节在上述3.2部分中被描述。

在其它实施方式中，反应器容器4110可包括执行相关功能的其他结构。例如，反应器容器4110可以包括具有第一和第二表面4113a，4113b的百叶窗布置4114，其可以根据外部条件(例如入射太阳能的水平4103)被转动以呈现一个表面或另一表面。在本实施方式的具体方面中，第一表面4113a可具有相对高的吸收率和相对低的发射率。该表面可以在白天相应地容易吸收辐射。第二表面4113b可以具有相对低的吸收率和相对高的发射率，并且可以相应地操作以冷却反应区4111(或反应器4110的另一部件)，例如，在夜间。这种布置的代表性应用是既传导吸热又传导放热反应的反应器，如在下面3.8部分中进一步描述的。其他用于在冷却模式下操作太阳能收集器4101(图14)的布置的进一步细节在下面3.5部分中被描述。

在又进一步的实施方式中，反应器4110可包括再定向“泄漏”辐射(例如，没有精确地聚焦在透射部件4112)的特征，该“泄漏”是由于收集器表面的像差、环境的缺陷、不平行辐射，风和/或其他干扰或扭曲。这些特征可以包括附加的百叶窗4114a，其可被安置和/或调整以再定向辐射(有或没有波长移位)进入到反应区411内。

图16是根据本公开的实施方式被配置的反应器容器4110的部分的局部示意的剖示图。在该实施方式的一个方面中，反应器4110包括被安置在大致圆柱形、桶形的反应器4110内的反应物递送系统4130，以及从反应物递送系统4130被环形向内安置的产物移除系统4140。例如，该反应物递送系统4130可包括外螺杆4131，其继而又包括外螺轴4132和向外延伸的外螺纹4133。外螺杆4131具有轴向延伸的第一轴向开口4135，其中产物移除系统4140被安置。外螺杆4131绕着中心旋转轴线4115旋转，如箭头0表示。由于它是这样的，它带有至少一个反应物4134(例如，气态、液态和/或固态反应物)向上地并向右如图16所示，向着反应区4111。当反应物4134在外螺纹4133内被装载时，它也被压实，从而潜在地释放出气体和/或液体，其可以通过百叶窗和/或通过从外螺杆4131被环状向外定位的其他开口4118逸出。随着反应物4134在外螺纹4133内变得压实，它形成对容器4110的内壁4119的密封。这种布置可以防止反应物4134丢失，并且可以代之以迫使反应物4134移向反应区4111。除了外螺纹4133，反应物递送系统4130可包括其他特征，以迫使反应物4134朝向反应区4111。例如，反应器容器4110的内壁4119可包括一个或多个螺旋形的步枪槽4116，其趋向于当外螺杆4131旋转时轴向地迫使反应物4134。除了或代替该特征，整个外螺杆4131可前后往复运动，如箭头R所示，以防止反应物4134粘到内壁4119，和/或释放可能粘到内壁4119的反应物4134。除了或代替上述特征，安置在内壁4119附近的桶加热器4117还可以减少反应物粘着。在至少一些实施方式中，当温暖时预期反应物4134将不太可能粘着。

反应物4134可以包括各种合适的组合物，例如，提供氢供体到反应区4111的组合物。在代表性的实施方式中，反应物4134可包括生物质成分，例如，城市固体废物、商业废物、森林产物废物或沼泽低地、纤维素、木质纤维素、烃废物(例如，轮胎)，和/或其它。被压实后，这些废产物可以是高度细分的，这意味着它们可以很容易地吸收入射辐射，由于粗糙表面特征和/或表面特性，以再反射和最终吸收入射辐射。该属性可进一步提高反应物4134在反应区4111加热的效率。

一旦反应物4134已被到递送到反应区4111，它接收来自入射太阳能4103或其他源的热量，并经历吸热反应。反应区4111可具有环形形状，并且可以包括绝缘部4120，以防止热量从容器4110中逸出。在一实施方式中，发生在反应区4111的吸热反应包括离解甲烷，和重整碳和氢成分为元素碳和双原子氢，或其他碳化合物(例如，一氧化碳或二氧化碳的形式的氧化碳)和氢化合物。所得到的产物4146可以包括气态部分(由箭头G表示)，其从反应区4111环形地向内通过，由产物移除系统4140收集。产物4146的固态部分4144(例如，灰分和/或其它副产物)也由产品移除系统4140收集。

产物移除系统4140可包括被安置在外螺杆4131内的第一轴向开口4135中的内螺杆4141。内螺杆4141可以包括内螺轴4142和内螺纹4143。内螺杆4141还可以绕旋转轴4115旋转，如箭头I表示，与外螺杆4131在相同或相反的方向。内螺杆4141包括具有开口的第二轴向通路4145，其允许气态产物G进入。气态产物G向下行进第二轴向开口4145以被收集并且，在至少一些情况下，进一步被处理(例如，对来自反应中产生氢的反应中产生的碳进行隔离)。在具体实施方式中，气态产物G可以通过额外的热交换器(图16中未示出)与进入的反应物4134交换额外的热量以冷却该产物G并加热反应物4134。在其他实施方式中，气态产物G可以通过驱动斯特林发动机或其它装置来产生机械和/或电功率而被冷却。当内螺杆4141旋转时，它向下并向左装载着产物4146的固态部分4144，如图16所示。固态产物4144(和气态产物G)可以通过传导传送热量到外螺杆4131以加热进入的反应物4134，在这之后固态部分4144可以被移除使用。例如，在反应区4111处执行的来自反应的含氮和/或含硫产物可以在农业或工业生产过程中使用。产物，以及因此固态部分的化学和物理的组分可以取决于进入的反应物的特性，该进入的反应物可以广泛地变化，例如，从城市固体废物到工业废物到生物质。

如上面参考图14和15所讨论的，系统4100可以包括能够引导能量(如热能)进入到反应区4111的特征，即使当可用的太阳能不足以维持反应时。在图16所示的实施方式中，补充热源4180可包括燃烧反应物4182(例如，氧化剂和/或含氢的可燃材料)，其是通过安置在第二轴向开口4145的递送管4184而被引导到与反应区4111是热连通的燃烧器或燃烧器区4183。在夜间或当入射太阳能低的其他时期，补充热源4180可提供额外的热量到反应区4111以维持在其中发生的吸热反应。

上述参考图16描述的实施方式的一个特征是进入的反应物4134可与离开反应区的固态产物4144是密切或亲密热连通的。特别是，外螺轴4132和外螺纹4133可以由高热导材料制成，以便从由内螺杆4141装载的固态产物4144接收热量，并递送热量到进入的反应物4134。这种布置的一个优点是，它是高热效率的，因为它移除来自否则将以浪费热量的方式被冷却的产物的热量，并同时加热进入的反应物4134，从而减少必须由太阳能收集器4101(图14)和/或补充热源4180产生的热量。通过提高氢和/或碳或其他基础成分在反应器容器4110中被产生的效率，该反应器系统4100可以增加用于生产产物的可再生的反应物和能源的商业可行性。

对合适的反应器和太阳能传送机的进一步的实施方式在授权的美国专利8,187,549中已公开，其通过引用并入本文。

3.5代表性的具有太阳能集中器的反应器

图17根据技术的具体实施方式的具有被耦合到太阳能集中器的反应器5110的系统5100的局部示意、局部剖视图。在该实施方式的一个方面，太阳能集中器5120包括被安装到基座5122的盘5121。盘5121可以包括集中器表面5123，其接收入射太阳能5126并引导太阳能作为聚焦的太阳能5127朝向聚焦区域5124。盘5121可以被耦合到集中器致动器5125，其至少在两个正交轴线移动盘5121，以便随着地球旋转而有效地聚焦太阳能5126。如将在下面进一步详细描述的，集中器致动器5125也可以被配置为有意地在冷却操作期间安置盘5121避开太阳。

反应器5110可以包括一个或多个反应区5111，如图17中如第一反应区5111a和第二反应区5111b所示。在一具体的实施方式中，第一反应区5111a被安置在聚焦区域5124以接收聚焦的太阳能5127并促进分解反应或其他的吸热反应。因此，系统5100可进一步包括分配/收集系统5140，可提供反应物到反应器5110，并收集来自反应器5110的产物。在这个实施方式的一个方面，分配/收集系统5140包括反应物源5141，其引导反应物到第一反应区5111a，和一个或多个产物收集器5142(在图17中示出两个，如第一产物收集器5142a和第二产物收集器5142b)从反应器5110收集产物。当反应器5110包括单一的反应区时(例如，第一反应区5111a)，产物收集器5142a，5142b可以直接从第一反应区5111a收集产物。在另一实施方式中，在第一反应区5111a生产的中间产物被引导到第二反应区5111b中。在第二反应区5111b中，中间产物可经历放热反应，然后所得的产物沿流动路径5154被递送到产物收集器5142a，5142b。例如，在代表性的实施方式中，反应物源5141可包括甲烷和二氧化碳，其被提供(例如，以单独控制的方式)到第一反应区5111a并被加热以产生一氧化碳和氢气。然后一氧化碳和氢气被提供到第二反应区5111b以在放热反应中产生甲醇。这种布置的进一步细节以及在第一反应区5111a和第二反应区5111b之间相关联的热量传递过程在以下的3.8部分被更详细地描述。

在至少某些情况下，除了上述的太阳能加热，期望提供冷却到反应器5110中。例如，冷却可被用于移除由在第二反应区5111b处实施的放热反应所产生的热量，从而使反应继续。当在第二反应区5111b中产生的产物包括甲醇时，可期望进一步冷却甲醇至液体，以提供方便的存储和运输。因此，系统5100可包括便于使用集中器表面5123以冷却在反应器5110处的组分或成分的特征。在一具体实施方式中，系统5100包括可操作地被耦合到热交换器致动器5151b的第一热交换器5150a，该热交换器致动器5151b相对于聚焦区域5124移动第一热交换器5150a。第一热交换器5150a可以包括与在反应器5110中的成分热连通、但与这些成分流体隔离的热交换器流体，以避免污染成分和/或妨碍发生在反应器5110中的反应。热交换器流体围绕热交换器流体流动路径5153行进，以一环路从第一热交换器5150a到第二热交换器5150b并返回。在第二热交换器5150b，随着产物从第二反应区5111b到配送/收集系统5140，热交换器流体接收由反应器5110产生的产物(如甲醇)的热量。热交换器流体流动路径5153递送加热的热交换器流体返回到第一热交换器5150a进行冷却。在热交换器流体流动路径5153(例如，盘绕管道)中的一个或多个应变消除特征5152便于第一热交换器5150a的移动。系统5100还可以包括控制器5190，其接收来自任何各种传感器、换能器，和/或系统5100的其它元件的输入信号5191，以及，响应于从这些元件接收的信号，递送控制信号5192以调整系统5100的操作参数。

图18示出了冷却被提供到第一热交换器5150a的热交换流体的一机制。在这一实施方式中，控制器5190引导热交换器致动器5151驱动第一热交换器5150a从图17所示的位置到聚焦区域5124，如箭头A表示。此外，控制器5190可以引导集中器致动器5125定位盘5121，以使集中器表面5123指向远离太阳并向着具有非常小的辐射能量的天空的区域。在一般情况下，当更容易避免太阳的辐射能量和当地环境时，这个过程可以在夜间完成，但在至少一些实施方式中，这个过程也可以在白天进行。被耦合到控制器5190的辐射能量传感器5193可以检测到当进入的太阳辐射通过低于阈值水平时，表明这是将第一热交换器5150a安置在图18所示位置的一个适当的时间。

当第一换热器5150a在图18所示的位置处，在热交换器5150a中的热的热传导流体辐射由盘5121收集的发射的能量5128，并向外改道作为定向的发射能量5129。被安置邻近于聚焦区域5124的绝缘体5130能够防止辐射能量在除了朝向集中器表面5123的方向上发射。通过安置集中器表面5123指向在空间中具有非常小的辐射能量的区域，在空间中的区域可以作为热沉操作，并且可以相应地接收由第一热交换器5150a拒绝的定向的发射能量5129。热交换器流体，于第一热交换器5150a冷却后返回到第二热交换器5150b以吸收更多的来自沿产物流动路径5154流动的产物的热量。因此集中器表面5123可被用于冷却，以及加热反应器5110的元件。

在一个具体的实施方式中，第一热交换器5150a在白天如图17所示被安置，并且在夜间如图18所示被安置。在其他实施方式中，多个系统5100可被耦合在一起，一些具有相应的如图17所示的被安置的第一热交换器5150a，而其他的具有如图18所示被安置的第一换热器5150a，以同时提供加热和冷却。在任何这些实施方式中，冷却过程可被用于液化甲醇，和/或提供其他功能。这种功能可以包括液化或固化其它物质，例如，二氧化碳、乙醇、丁醇或氢。

在具体的实施方式中，被递送到反应器5110的反应物被选择为包含氢，其是从反应物的其它元素中离解的(如碳、氮、硼、硅、过渡金属，和/或硫)以产生氢基燃料(例如双原子氢)以及可以被进一步处理的结构构建块以产生耐用品。这样耐用品包括可以从碳结构构建块中产生的石墨、石墨烯，和/或聚合物，以及从含氢或其它基础结构形成的其它合适的化合物。合适的工艺和产物的进一步细节在以下共同未决的美国专利申请中公开：13/027,208名称为“用于有效地产生氢燃料和结构材料的化学方法和反应器，以及相关的系统和方法”；13/027,214名称为“具有例如多个结构晶体的结构构造体”(代理人案号69545.8701US)；和12/027,068标题为“来自生物质废物离解的碳基耐用品和可再生燃料”(代理人案号69545.9002US)，所有这些都是于2011年2月14日提交的并通过引用在此被并入。

图19示出了根据所公开的技术的另一实施方式被配置的具有可移动盘5321的反应器5310的系统5300。在该实施方式的一具体方面中，反应器5310包括第一反应区5311a和第二反应区5311b，当盘5321具有第一位置时，第一反应区5311a接收聚焦的太阳能5127，如在图19中所示的实线。盘5321被耦合到盘致动器5331，其相对于反应区5311a，5311b移动盘5321。因此，在操作的第二阶段，控制器5190引导盘致动器5331移动盘5321到第二位置，如在图19中虚线所示的。在一实施方式中，这样的布置可以被用于当盘5321在第二位置时提供热量给第二反应区5311b。在另一实施方式中，这样的布置可以被用于冷却第二反应区5311b。因此，控制器5190可以引导集中器致动器5125将盘5321指向到在天空中的具有很少或没有辐射能的位置，从而允许第二反应区5311b拒绝热量到盘5321，并最终到空间，以大致类似于上面参考图17和18所描述的方式。

具有太阳能集中器的合适的反应器的进一步的实施方式在授权的美国专利号8,187,550中公开，其通过引用并入本文。

3.6代表性的具有感应加热的反应器

图20是根据本公开的技术的实施方式被配置的具有反应器6110的系统6110的局部示意、局部剖视图。在该实施方式的一个方面，反应器6110包括具有被感应线圈6120加热的反应或感应区6123的反应器容器6111。感应线圈6120可以是液体冷却的高频交流线圈，其被耦合到合适的电功率源6121。反应器容器6111可进一步包括被耦合到前体气体源6101的入口6112以接收合适的前体气体，和被安置以从容器6111移除废气和/或其他组分6111的出口6113。在一具体的实施方式中，前体气体源6101装载烃类气体(例如，甲烷)，其在感应区6123处被离解成碳和氢。碳随后沉积在基底上以形成产物，如下面进一步描述的，氢和/或其它成分被移除以进行进一步处理，如以下进一步描述的。

反应容器6111容纳有具有第一支撑表面6115a的第一支撑6114a，和具有面向第一支撑表面6115a的第二支撑表面6115b的第二支撑6114b。每个支撑6114a，6114b可以装载基底，而前体气体的一种或多种成分被沉积于其上。例如，第一支撑6114a可装载第一基底6130a且第二支撑6114b可装载第二基底6130b。在一代表性的实施方式中，前体气体被选择以沉积碳，第一和第二基底6130a，6130b也可以包括碳，例如，以石墨或钢的成分的形式。当该前体气体包括不同的沉积元素时(例如，氮和/或硼)，第一和第二基底6130a，6130b的构成可以是不同的。每个基底6130a，6130b可以具有面对另一个的最初的暴露表面。因此，第一基底6130a可具有朝向第二基底6130b的第二暴露表面6131b的暴露的第一表面6131a。每个基底6130a，6130b的剩余表面可以被绝缘，以防止或显著限制从这些表面的辐射损失。支撑6114a和6114b可以绝缘每个基底6130a，6130b中的至少一个表面。其它表面(除了暴露的第一和第二基底6131a，6131b之外)可由相应的绝缘体6132保护。绝缘体6132可以由合适的高温陶瓷或其它材料来形成。

系统6100还可以包括控制器6190，其接收来自任何各种传感器、换能器，和/或系统6100的其它元件的输入信号6191，以及，响应于从这些元件接收的信号，递送控制信号6192以调整系统6100的操作参数。这些参数可以包括气态成分被提供给反应器容器6111和/或从反应器容器6111被移除所具有的压力和流量，感应线圈6120的操作和相关联的功率源6121，和分离器6103的操作(下文描述)，等等。

在操作中，前体气体源6101供给气体至感应区6123，感应线圈6120被激活，并且将前体气体离解成沉积在第一和第二基底6130a，6130b上的至少一种成分(例如，碳)。该成分可以在外延过程中被沉积，其保留了相应的基底6130a，6130b的晶粒取向。因此，所沉积的成分也可以具有晶体和/或其他自组织结构。当成分被沉积时，它在第一基底6130a形成第一形成结构或产物6140a，并且在第二基底6130b形成第二形成结构或产物6140b。第一和第二形成结构6140a，6140b的每个具有相应的朝向对方的暴露表面6141a，6141b。结构6140a，6140b可具有相同或不同的横截面形状和/或面积，和/或可以具有非结晶，单晶或多晶组织，这取决于所选择的实施方式。由第一基底6130a的第一暴露表面6131a，和/或由第一形成结构6140a的第一暴露表面6141a发射的辐射(由箭头R1统一标识)，在第二形成结构6140b的第二暴露表面6141b，和/或第二基底6130b的第二暴露表面6131b上被接收。同样地，由第二形成结构6140b的第二暴露表面6141b和/或第二基底6130b的第二暴露表面6131b发射的辐射(由箭头R2共同标识)在第一形成结构6140a和/或第一基底6130a被接收。

随着形成结构6140a，6140b生长，出口6113提供开口，通过该开口来自离解的前体气体的残留成分和/或前体气体的非离解量可以通过。这些成分被引导至收集系统6102，其可包括被配置成将成分分离成两个或多个流束的分离器6103。例如，分离器6103可以引导成分的一束到第一产物收集器6104a，并引导成分的第二束到第二产物收集器6104b。在具体的实施方式中，第一产物收集器6104a可以收集纯的或基本上纯的氢，其可被递送到氢基燃料电池6105或其他需要较高水平纯度氢的装置。被引导到第二产物收集器6104b的成分的第二束可包括与其它元素或化合物混合的氢。这些元素或化合物可包括甲烷或另一未离解的前体气体，和/或碳(或针对沉积的其他元素或化合物)，其未沉积在第一基底6130a或第二基底6130b上。这些成分可被引导到发动机6106，例如，涡轮发动机或其它类型的内燃机，其可以燃烧氢和其它成分的混合物。发动机6106和/或燃料电池6105可以为任何数量的装置提供电力，包括用于感应线圈6120的电功率源6121。在此实施方式的另一方面，在第二收集器6104b接收的成分的至少一些(例如，未离解的前体气体)可通过入口6112被引导返回到反应器6110。

上述安排的一个优点是，通常会遭遇到的化学汽相淀积设备的辐射损耗可通过安置多个基底以允许从一个表面发射的辐射在另一针对沉积的表面被接收的方式而避免。在图20中所示的具体的实施方式中，两个基底被示出，每一个具有单一的暴露表面朝向彼此。在其他实施方式中，额外的基底可以被安置(例如，在一平面上横向于图20的平面向内和/或向外横延伸)，以允许形成产物的额外的暴露表面辐射热量到其它形成产物的相应的表面。

上述安排的另一个优点是，它可以被用来生产结构构建块和/或结构构造体，以及来自氢供体的清洁燃烧的氢燃料。当前体气体包括烃时，结构构造体可包括石墨烯和/或另一载碳材料，例如，可以被进一步加工以形成碳基复合材料或碳基聚合物的材料。在其他实施方式中，前体气体可包括其他元素(例如，硼、氮、硫、硅，和/或过渡金属)，也可被用于形成包含该元素的结构构建块，和/或来自基础成分的结构构造体。合适的工艺和有代表性的结构构造体在以下共同未决的美国专利申请中被进一步描述，所有这些申请都是于2011年2月14日被提交，并在此通过引用被并入的。申请号13/027,208；申请号13/027,214；和申请号13/027,068。

上述参考图20的实施方式的一特征是，它可以以分批工艺实施。例如，第一和第二形成结构6140a，6140b的每一个可以以特定的量生长，然后从反应器容器6111中移除。在其他实施方式中，产物可以连续方式被形成，而不需要停止反应来移除产物。

具有感应加热的合适的反应器的再进一步的实施方式在未决的美国申请13/027,215中被公开，其于2011年2月14日被提交，并通过引用并入本文。

3.7代表性的使用发动机热量的反应器

图21是根据本技术的另一实施方式的包括与辐射能量/反应物源7150结合的反应器7110的系统7100的局部示意图。在本实施方式中，辐射能量/反应物源7150包括发动机7180，例如，具有在汽缸7181中往复运动的活塞7182的内燃机。在其它实施方式中，发动机7180可具有其它配置，例如，外部燃烧配置。在图21所示的实施方式中，发动机7180包括进气口7184a，其由进气阀7183a打开的和关闭以控制空气通过空气过滤器7178进入汽缸7181。空气流可以在图21所示的实施方式中是未节流的，并且可以在其它实施方式中被节流。燃料喷射器7185引导燃料进入燃烧区7179，在那里与空气混合并点燃，以产生燃烧产物7152。额外的燃料可以通过喷射阀7189a被引入。燃烧产物7152经由通过排气阀7183b控制的排气口7184b离开汽缸7181。代表性的发动机和点火系统的进一步的细节在于2010年12月7日提交的共同未决的美国申请12/653,085中被公开，并通过引用被并入本文。

发动机7180可包括专门设计用于将发动机的操作与反应器7110的操作整合的特征。例如，发动机7180和反应器7110能够从共同的燃料源7130共享燃料，其细节在下面进一步的被描述。燃料经由调节器7186被提供到燃料喷射器7185。发动机7180也可以从反应器7110通过第一管道或通道7177a接收最终产物，以及从反应器7110通过第二管道和通道7177b接收水(例如，液体或蒸汽)。这些特征的进一步的方面在下文中更详细地描述，下面是整个系统7100的其他特征的描述。

在图21所示的系统7100还包括根据所公开的技术被配置为传递热量和分离反应产物的热交换器和分离器。在该实施方式的一具体的方面，系统7100包括蒸汽/水源7140，以提供蒸汽到反应器容器7111以促进产物的形成。来自蒸汽/水源7140的蒸汽可以经由至少两个通路被提供到反应器7110。第一通路包括第一水路径7141a，其通过第一热交换器7170a并经由第一蒸汽分配器7116a进入反应器容器7111。从反应器容器7111移除的产物经由反应器产物出口7117并沿产物路径7161通过。产物路径7161以逆流或反向流的方式通过第一热交换器7170a以冷却产物并加热进入反应器容器7111的蒸汽。产物继续到反应产物分离器7171a以分离有用的最终产物(例如，氢和碳或碳化合物)。产物的至少一些然后直接返回到发动机7180，并且其他产物随后在产物收集器7160a被收集。第一阀7176a调节产物流。残留在产物路径7161中的水可以在反应产物分离器7171处被分离并被返回到蒸汽/水来源7140。

经由蒸汽/水源7140提供蒸汽到反应器7110的第二通路包括经由第二热交换器7170b通过的第二水路径7141b。水继续沿第二水路径7141b通过第二蒸汽分配器7116b以蒸汽的形式进入反应器7110。这水由离开燃烧区7179并经由沿燃烧产物路径7154的传递通道7118(其可以包括透射表面7119)通过的燃烧产物加热。耗费的燃烧产物7152在燃烧产物收集器7160b被收集并且可以包括氮化合物、磷酸盐、重新使用的光源添加剂(如，钠、镁和/或钾源)，和/或可再循环或用于其他目的(例如，农业目的)的其它组合物。光源添加剂可被添加到反应器7110的上游的燃烧产物7152(和/或由发动机7180所使用的燃料)，以增加可用于传送进入到反应区7112的辐射能量的量。

除了沿第二水路径7141b加热水和沿燃烧产物路径7154冷却燃烧产物，第二热交换器7170b可以加热沿供体路径7131通过到位于反应器容器7111内的供体分配器7115的氢供体。供体容器7130容纳有氢供体，例如，烃如甲烷，或含氮供体如氨。供体容器7130可以包括一个或多个加热器7132(被示为第一加热器7132a和第二加热器7132b)来汽化和/或加压其中的氢供体。三向阀7133和调节器7134控制离开供体容器7130并沿供体路径7131经由第二热交换器7170b通过并进入反应器容器7111的流体和/或蒸汽的量。如上所述，氢供体也可以用作燃料用于发动机7180，在至少一些实施方式中，可以通过第三管道或通道7177c被递送到发动机7180。

在反应器容器7111中，当递送辐射能量和/或反应物通过透射表面进入反应区7112时，燃烧产物7152通过燃烧产物通道7118。在通过第二热交换器7170b之后，燃烧产物7152可以进入从燃烧产物中分离水的燃烧产物分离器7171b。水返回到蒸汽/水源7140并且剩余的燃烧产物在燃烧产物收集器7160b处被收集。在一具体的实施方式中，分离器7171b能包括由燃烧产物流的动能驱动的离心式分离器。如果燃烧产物流的动能不足以通过离心力来分离水，马达/发电机7172可以添加能量到分离器7171b以提供必要的离心力。如果燃烧产物流的动能大于分离水所需的能量，马达/发电机7172可以产生能量，例如，可以由系统7100的其它部件使用。控制器7190接收来自系统7100的各种元件的输入并控制流量、压力、温度，和/或其他参数。

控制器7190也可以控制反应器产物返回到发动机7180。例如，控制器可以通过一系列阀门引导反应产物和/或再俘获的水返回到发动机7180。在特定实施方式中，控制器7190可以引导第一阀7176a的操作，其引导从第一分离器7171a获得的氢气和一氧化碳通过第一管道7177a至发动机7180。这些成分可以在燃烧区7179内被燃烧以从发动机7180提供额外的功率。在一些情况下，可能期望冷却燃烧区7179和/或发动机7180的其它元件，如图所示。在这种情况下，控制器7190可以通过第二和第三阀7176b，7176c和相应的第二管道7177b控制水流或蒸汽至发动机7180。

在一些情况下，可能希望平衡提供到反应器7110的热量和从发动机7180提取的用作他用的热量。因此，系统7100可以包括在燃烧产物流中的比例阀7187，其可以引导一些燃烧产物7152到功率提取装置7188，例如，涡轮发电机，涡轮增压器或者增压器。当功率提取装置7188包括增压器时，其操作以压缩通过进气口7184a进入发动机汽缸7181的空气。当提取装置7188包括涡轮增压器时，它可以包括额外的燃料喷射阀7189b，引导燃料进入到燃烧产物的混合物中用于进一步燃烧以产生额外的功率。这个功率可以补充由发动机7180提供的功率，或者可以单独被提供，例如，通过单独的发电机。

如从前述讨论中显而易见的，系统7100的一特征是，它是专门被配置以保存和重新使用来自燃烧产物的能量的。因此，系统7100可以包括被设计来减少从燃烧产物7152的能量损失的额外的特征。这样的特征可以包括被安置在气缸7181周围的、在活塞7182的头部的，和/或在阀7183a，7183b的端部的绝缘件。因此，绝缘件防止或至少限制热量通过除了通道7188以外的任何热通路传送离开发动机7180。

前述实施方式的至少一些的一特征是反应器系统可以包括反应器和以相互依赖的方式相连的发动机。具体地，发动机可以提供废热有助于在反应器中实施离解过程，以产生氢基燃料和非氢基结构构建块。基础成分可以包括包含碳、硼、氮、硅和/或硫的分子，并且可以被用于形成结构构造体。结构构造体的代表性例子，除了聚合物和上述复合材料，被进一步详细地描述在共同未决的美国申请12/027,214中，先前通过引用并入本文。这种布置的一个优点是，它可以提供在发动机和反应器之间的协同作用。例如，通常由反应器要求的实施上述离解过程的能量输入可以凭借由燃烧产物提供的额外的能量而被减少。发动机的效率可以通过添加清洁燃烧的氢气至燃烧室，和/或通过提供水(如，以蒸汽或液体形式)用于冷却发动机而被提高。虽然蒸汽和氢基燃料是由反应器产生，它们可以以不同的速率被递送到发动机和/或可以按照不同的时间表和/或以其他方式改变。

具有使用发动机热量的合适的反应器的再进一步的实施方式在于2011年2月4日提交的未决的美国申请13/027,198中被公开，并通过引用并入本文。

3.8代表性的放热/吸热反应器

图22是包括反应器容器8101的系统8100的特定部件的局部示意性剖示图。反应器容器8101包括被朝向图22的左上角安置的第一反应区8110(例如，在第一反应器部分)，以接收入射太阳辐射8106，例如，通过太阳能透射表面8107。第二反应区8120也被安置在反应器容器8101内，例如，在第二反应器部分，以从第一反应区8110接收产物并产生最终产物，例如，甲醇。反应物源8153提供反应物到反应器容器8101，并且产物收集器8123收集所得的最终产物。可包括阀8151或其他调节器和相应的致动器8152的调节系统8150被耦合到反应物源8153，以控制反应物递送到第一反应区8110并控制在系统8100内的其它流。在其它实施方式中，阀可以被其它机制替换或补充，例如，泵。

在一具体的实施方式中，反应物源8153包括甲烷源8153a和二氧化碳源8153b。甲烷源8153a被耦合到具有相应的致动器8152a的第一反应物阀8151a，以及二氧化碳源8153b被耦合到具有相应的致动器8152b的第二反应物阀8151b。反应物通过进入反应容器8101并被实施向上围绕第二反应区8120和第一反应区8110，如箭头A所示。当反应物行进通过反应器容器8101时，它们可以从第一和第二反应区8110，8120以及从第一反应区8110通过到第二反应区8120的产物接收热量，这将在后面进一步详细说明。反应物在第一反应物端口8111进入第一反应区8110。在第一反应区8110，反应物可经历以下反应：

CH₄+CO₂+热量→2CO+2H₂[反应式20]

在一具体的实施方式中，前述的吸热反应是在约900℃并且在压力高达至约1,500psi的情况下进行的。在其他实施方式中，与其它反应物的反应可以在第一反应区8110处于其他温度下进行。第一反应区8110可以包括任何各种适当的催化剂，例如，镍/氧化铝催化剂。在具体的实施方式中，反应物和/或第一反应区8110能够经受声压波动(除了由引入反应物、发生反应，并从第一反应区8110移除产物所引起的整体的压力变化)以帮助递送反应物到催化剂的反应位点。在任何这些实施方式中，由在第一反应区8110生产出来的产物(例如一氧化碳和氢气)在第一产物端口8112离开第一反应区8110并进入第一热交换器8140a。第一产物沿着第一流动路径8141行进通过第一热交换器8140a并将热量传递到沿第二流动路径8142行进进入的反应物。因此，进入的反应物可在第一热交换器8140a预加热，并凭借沿着或围绕第一反应区8110的外部通过。在具体的实施方式中，第一热交换器8140a的一个或多个表面可包括吸收处于一个频率的辐射，并在另一频率将其重新辐射的元素或材料。合适的材料和布置的进一步的细节在上面3.2部分被公开。

第一产物经由第二反应物端口8121和止回阀8156或其它流动抑制器进入第二反应区8120。当第一产物的压力超过在第二反应区8120中的压力时，止回阀8156被配置为允许第一产物的单向流动进入到第二反应区8120。在其他实施方式中，止回阀8156可被另一机制替代，例如，传送第一产物到第二反应区8120的活塞或泵。

在第二反应区8120，来自第一反应区8110的第一产物经历了放热反应，例如：

2CO+2H₂+2’H₂→CH₃OH+热量[反应式21]

前述放热反应可以在大约250℃的温度下，并且在许多情况下，在比在第一反应区中的吸热反应8110更高的压力下进行。为了增加在第二反应区8120的压力，系统8100可包括额外的成分源8154(例如氢的源)，其通过阀8151c和相应的致动器8152c被提供给第二反应区8120。额外的成分(如氢，在反应式21中由’H₂表示)可以对第二反应区增压，具有或不具有必须作为消耗参与到反应式21确定的反应中。特别是，额外的氢可以在压力水平超出1,500psi，例如，高达约5000psi或更高的情况下被产生，以提供在第二反应区8120的增加的压力。在一代表性的实施方式中，额外的氢可以在使用甲烷或另一种反应物的单独的离解反应中被提供的。例如，氢可以在单独的吸热反应中被产生，独立于在第一和第二反应区8110，8120的反应，具体如下：

CH₄+热量→C+2H₂[反应式22]

除了生产氢气用于对第二反应区8120增压，上述反应可以产生碳，其适合于作为任何各种合适的终端产物(包括聚合物、自组织碳基结构如石墨烯、碳复合材料，和/或其它材料)的生产中的基础成分。合适的产物的进一步的例子被包括在先前同时提交的共同未决的美国申请12/027,214中，并且通过引用并入本文。

在第二反应区8120的反应可以由具有合适的催化剂，例如，铜、锌、铝和/或化合物包括一种或多种前述元素而被促进。在第二反应区8120反应得到的产物(例如甲醇)在产物收集器8123被收集。因此，甲醇在第二产物端口8122离开第二反应区8120并通过第二换热器8140b。在第二热交换器8140b处，甲醇沿着第三流动路径8143行进并将热量传递给沿第四流动路径8144被提供到第一反应区域8110的进入的成分。因此，两个热交换器8140a，8140b可以通过保存和回收再利用在第一和第二反应区处产生的热量来增加发生在反应器容器8101中的反应的整体效率。

在一具体的实施方式中，能量通过太阳能集中器8103被提供到第一反应区8110，如上面参照图22所述。因此，由太阳能收集器8103被提供给第一反应区的能量8103将是间歇性的。系统8100可以包括补充的能量源，以允许反应在没有足够的太阳能的情况下继续。特别地，系统8100可以包括补充的热源8155。例如，补充的热源8155可以包括燃烧反应物源8155a(例如提供一氧化碳)和氧化剂源8155b(例如提供氧)。来自反应物源8155a和氧化剂源8155b的流量是通过相应的阀8151，8151e和致动器8152d被控制的。在操作中，反应物和氧化剂通过相应的管道8157a，8157b被递送至反应器容器8101。在到达燃烧区8130之前，反应物和氧化剂可以在反应器容器8101内被预加热，由箭头B表示。在燃烧区8130，燃烧反应物和氧化剂被燃烧以提供热量到第一反应区8110，从而支持在没有足够的太阳能的情况下发生在第一反应区8110内的吸热反应。燃烧的结果也可以产生二氧化碳，从而减少了对来自二氧化碳源8153b的二氧化碳的需求。当二次热源8155被激活和去激活时，控制器8190可以控制，例如，响应于热量或光传感器。

在另一实施方式中，由氧化剂源8155b提供的氧气可直接在燃烧区8130与甲烷反应，以产生二氧化碳和氢。这反过来也可以减少在第一反应区8110所需的二氧化碳的量。合适的放热/吸热反应器的更进一步的实施方式在于2011年2月14日提交的未决的美国申请13/027,060中公开，并通过引用在此被并入。

从前述内容可以理解，目前公开的技术的特定的实施方式在此出于说明的目的已经被描述，但是可以做出各种修改而不脱离本发明公开的技术。例如，虽然以上被描述的具体的实施方式是在烃原料材料的情况下，并且更具体地说，是甲烷，但是其他实施方式可包括其它合适的烃和非烃原料材料。例如，合适的烃原料材料可以包括乙烷、丙烷和丁烷，等等。在一些实施方式中，烃原料材料可包括有害的(例如，致癌)化合物，如苯或其它多环芳香族烃。在这种情况下，根据本技术的实施方式被配置的系统可除去有害的化合物的(例如，通过将它们处理成无害的或危害较小的化合物)。

除了制造和使用所公开的装置和系统的方法，本文所公开的方法包括和涵盖指导他人制造和使用所公开的装置和系统的方法。例如，根据一具体实施方式的方法包括：在第一模式下操作燃料电池以通过第一反应来反应原料材料以产生产物，从燃料电池回收产物，在第二模式下操作燃料电池以由第二反应来反应原料材料以产生电力，以及在第一模式下操作燃料电池和在第二模式下操作燃料电池之间进行切换，以响应于对电力需求的增加、对产物需求的减少，或响应于两者的需求。根据另一个实施方式的方法包括指示这样的方法。因此，使用和制造在此公开的任何或所有方法也充分公开并且允许指导使用和制造这种方法的相应方法。

在具体的实施方式的上下文中被描述本技术的某些方面可被组合或在其它实施方式中被排除。例如，在图1的上下文中描述的热交换器、燃烧器，和/或氢燃料电池可以被应用于参照图4所描述的布置中。以下美国非临时申请描述了热化学反应器和相关联的系统的另外的实施方式，都是与本申请同时提交的，并在此通过引用被并入：

US13/584,741，标题为“收集和处理冻土气体，以及用于冷却冻土的系统和方法”(代理人案卷号69545.8609US1)；

US13/584,688，标题为“非燃烧化学反应器的地热通电及相关的系统和方法”，(代理人案卷号69545.8610US1)；

US13/584,773，标题为“提供补充的水溶液热能的系统和方法”(代理人案卷号69545.8612US1)；

US13/584,708，标题为“从水下来源除去和处理气体的系统和方法”(代理人案号69545.8613US1)；

US13/584,749，标题为“用于生产氢材料和结构材料的移动运输平台，以及相关的系统和方法”(代理人案号69545.8614US1)；以及

US13/584,786，标题为“从运输车辆减少和/或收获阻力能，包括用于化学反应器，和相关的系统和方法”(代理人案号69545.8615US2)。

此外，虽然该技术的某些实施方式相关联的优点已经在那些实施方式的上下文中进行了描述，其他实施方式也可展现此类优点，且并非所有实施方式中需要必然地展现出这些优点以落入本发明公开的范围内。因此，本公开的内容和相关联的技术可包括在此未明确示出或描述的其它实施方式。

Claims (25)

1.一种燃料电池系统，包括：

被安置在所述系统的第一区域内的第一电极，所述第一区域被安置以接收原料材料；

被安置在所述系统的第二区域内的第二电极；

被安置在所述第一区域和所述第二区域之间的离子传输介质；

在所述第一电极和所述第二电极之间延伸的电路；以及

包括存储器和处理电路的控制器，

其中-

所述系统在第一模式下是可操作的以通过非发电反应以反应所述原料材料来产生产物，

所述系统在第二模式下是可操作的以通过发电反应以反应所述原料材料来产生产物，以及

所述存储器存储非暂时性指令，当由所述控制器通过使用所述处理电路执行时，引起所述系统响应于输入在所述第一模式下操作和所述第二模式下操作之间切换，所述输入对应于对电力的需求变化、对产物的需求变化，或两者的需求变化。

2.根据权利要求1所述系统，进一步包括光伏电池，其中，所述输入对应于由所述光伏电池发电的水平，到所述光伏电池上的入射光的水平，或对应于两者。

3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括被安置以接收所述产物的存储容器，其中所述输入对应于产物在所述存储容器内的量。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述电路是可操作地连接到电网。

5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括被配置为反应所述产物以产生电力的辅助燃料电池。

6.根据权利要求5所述的系统，其中：

所述产物是非气态产物；

所述非发电反应进一步产生气态产物；和所述辅助燃料电池是第一辅助燃料电池；以及

所述系统进一步包括被配置为反应气态产物以产生电力的第二辅助燃料电池。

7.一种方法，包括：

在第一模式下操作燃料电池以通过第一反应来反应原料材料以产生产物，所述第一反应不是拆分的氧化还原反应；

从所述燃料电池中回收所述产物；

在第二模式下操作所述燃料电池以通过第二反应来反应所述原料材料以产生电力，所述第二反应是拆分的氧化还原反应；以及

在所述第一模式下操作所述燃料电池和在所述第二模式下操作所述燃料电池之间进行切换，以响应于电力的需求增加、所述产物的需求降低，或两者的需求。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括从在所述第二模式下操作所述燃料电池改变为在所述第一模式下操作所述燃料，以响应于电力的需求降低、所述产物的需求增加，或两者的需求。

9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括在回收所述产物后存储所述产物在存储容器中。

10.根据权利要求7所述的方法，其中：

所述燃料电池是可操作地被连接到电网；以及

在所述第一模式下操作所述燃料电池和在所述第二模式下操作所述燃料电池之间进行切换包括响应于在所述电网内在功率消耗的非峰值期和峰值期之间的变化而进行切换。

11.根据权利要求7所述的方法：

所述产物是气态产物；以及

所述方法进一步包括在辅助燃料电池中反应所述气态产物以产生电力。

12.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述产物是非气态产物；

所述第一反应进一步产生气态产物；以及

所述方法进一步包括-

在第一辅助燃料电池内反应所述非气态产物以产生电力；以及

在第二辅助燃料电池内反应所述气态产物以产生电力。

13.一种燃料电池系统，包括：

被安置在所述系统的第一区域内的第一电极，所述第一区域被安置为接收原料材料；

被安置在所述系统的第二区域内的第二电极；

在所述第一区域中的材料收集器，所述材料收集器被安置以在所述系统在第一模式下操作的过程中从非发电反应收集非气态产物，在所述非发电反应中，所述原料材料是反应物；

安置于所述第一区域和所述第二区域之间的离子传输介质，所述离子传输介质被配置为在所述系统在第二模式下操作的过程中在发电反应中传送离子反应物或产物，在所述发电反应中，所述原料材料是反应物；

在所述第一电极和所述第二电极之间延伸的电路；

辅助燃料电池，其被安置为在所述系统在所述第一模式下操作的过程中从非发电反应中接收气态产物；以及

被配置为通过使用来自所述电路、所述辅助燃料电池或两者的电力来处理所述非气态产物的处理单元。

14.一种方法，包括：

在第一模式下操作燃料电池以通过第一反应来反应原料材料以产生非气态产物和气态产物，所述第一反应不是拆分的氧化还原反应；

回收来自所述燃料电池的非气态产物；

在第二模式下操作所述燃料电池以通过第二反应来反应所述原料材料以产生电力，所述第二反应是拆分的氧化还原反应；

操作辅助燃料电池以通过第三反应来反应所述气态产物以产生电力，所述第三反应是拆分的氧化还原反应；以及

使用所述电力的至少一部分处理所述非气态产物，所述非气态产物来自在所述第二模式下操作所述燃料电池，操作辅助燃料电池，或操作两者。

15.根据权利要求14所述的方法：

所述产物包括硅；以及

处理所述产物包括用氮气反应所述产物以形成氮化硅。

16.根据权利要求14所述的方法，其中处理包括退火所述非气态产物。

17.根据权利要求14所述的方法，其中处理包括成形所述非气态产物。

18.一种燃料电池系统，包括：

被安置在所述系统的第一区域内的第一电极，所述第一区域被安置以接收原料材料；

被安置在所述系统的第二区域内的第二电极；

被安置在所述第一区域和所述第二区域之间的离子传输介质；

在所述第一电极和所述第二电极之间延伸的电路；以及

包括存储器和处理电路的控制器，

其中-

所述系统在第一模式下是可操作的，以通过非发电反应来反应所述原料材料以产生产物，

所述系统在第二模式下是可操作的，以通过发电反应来反应所述原料材料以产生产物，以及

所述存储器存储非暂时性指令，当由所述控制器通过使用所述处理电路执行时，引起所述系统在所述第一模式下操作和所述第二模式下操作之间以从约60至约960,000次每分钟的范围内的速率进行切换。

19.根据权利要求18所述的系统，进一步包括可操作地连接到所述电路的开关，其中所述指令，当由所述控制器通过使用所述处理电路执行时，通过改变所述开关的状态引起所述系统在所述第一模式下操作和在所述第二模式下操作之间进行切换。

20.根据权利要求19所述的系统，其中由所述控制器通过使用所述处理电路执行的所述指令，通过使用所述开关的脉冲宽度调制引起所述系统在所述第一模式下操作和在所述第二模式下操作之间进行切换。

21.根据权利要求20所述的系统，其中所述脉冲宽度调制的占空比小于60％。

22.一种方法，包括：

在第一模式下操作燃料电池以通过第一反应来反应原料材料以产生产物，所述第一反应不是拆分的氧化还原反应；

回收来自所述燃料电池的产物；

在第二模式下操作所述燃料电池以通过第二反应来反应所述原料材料以产生电力，所述第二反应是拆分的氧化还原反应；以及

在所述第一模式下操作所述燃料电池和在所述第二模式下操作所述燃料电池之间以速率从约60至约960,000次每分钟的范围内的速率进行切换。

23.根据权利要求22所述的方法，其中在所述第一模式下操作所述燃料电池和在所述第二模式下操作所述燃料电池之间的切换包括通过改变被可操作地连接到所述燃料电池的电路的开关的状态来进行在所述第一模式下操作所述燃料电池和在所述第二模式下操作所述燃料电池之间的切换。

24.根据权利要求23所述的方法，其中在所述第一模式下操作所述燃料电池和在所述第二模式下操作所述燃料电池之间的切换包括通过使用所述开关的脉冲宽度调制来进行在所述第一模式下操作所述燃料电池和在所述第二模式下操作所述燃料电池之间的切换。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述脉冲宽度调制的占空比小于60％。