JP5547752B2 - 電気分解の間の核生成を制御するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気分解の間の核生成を制御するための装置および方法に関する。

関連出願の相互参照
本出願は、２００９年２月１７日に出願された米国特許仮出願第６１／１５３，２５３号、２００９年８月２７日に出願された米国特許仮出願第６１／２３７，４７６号、および２０１０年２月１３日に出願された米国特許仮出願第６１／３０４，４０３号の利益を主張するものであり、それらの各々は、参照により、その全体が本明細書に組み込まれる。

電力を生成するための再生可能な源は、間欠的であることが多い。ソーラーエネルギーは日中の事象であり、日中のソーラーエネルギー密度の潜在性は季節によって変動する。風力エネルギーは、非常に変動しやすい。落下水は季節によって変動し、長期にわたる干ばつの影響を受けやすい。バイオマスは季節によって変化し、干ばつの影響を受けやすい。住居は、日々、季節ごと、および偶発的なエネルギー消費量を含む、非常に様々な需要を有する。必要な時までエネルギーまたは電力を節約するための実用的な方法が不足しているため、世界中で、水力発電所、ウインドファーム、バイオマス変換、およびソーラーコレクタによって送達され得るエネルギーが、見過ごされているかまたは無駄になっている。増え続ける世界人口によるエネルギーの需要は、産出できるよりも多くの石油および他の化石資源を必要とするまでに成長している。都市は、化石燃料の燃焼によって引き起こされるスモッグおよび地球規模の気候変化に悩まされている。

また、水、バイオマス廃棄物、またはバイオ廃棄物に由来する有機酸等の原料の熱化学または電離によって提供され得る、水素、酸素、炭素、および他の生成物に対する需要が急成長している。例えば、水素の世界市場は、４００億ドルを越えており、アンモニアの生成、精製、化学製造、および食品加工が挙げられる。

燃料、金属、非金属、および他の貴重な化学物質の電気化学的生成は、高価な電力、低い電解槽効率、高い維持費、ならびに所望の輸送、保存、および適用圧まで生成ガスを圧縮ポンプで注入する等のエネルギー集約型の操作に対する煩雑な要求によって制限されてきた。これらの問題を減少させるための技術を提供しようとする試みは、“Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｆｒｏｍ Ｗａｔｅｒ Ｂｙ Ｍｅａｎｓ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｙｃｌｅｓ”，Ｇｌａｎｄｔ，Ｅｄｕａｒｄｏ Ｄ．およびＭｙｅｒｓ，Ａｌｌａｎ Ｌ．，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ，Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ，ＰＡ １９１７４、Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．１， １９７６、“Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ａｓ Ａ Ｆｕｔｕｒｅ Ｆｕｅｌ，Ｇｒｅｇｏｒｙ，Ｄ．Ｐ．，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇａｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、および“Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ｐａｃｉｆｉｃ Ｂａｓｉｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｂｒｉｓｂａｎｅ， Ａｕｓｔｒａｌｉａ， １４−１８ Ｍａｙ ２０００， Ｄ． Ｄｏ Ｄｕｏｎｇ， Ｄｕｏｎｇ Ｄ．Ｄｏ，Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｏｒ Ｄｕｏｎｇ Ｄ．Ｄｏ，Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ出版，２０００；ＩＳＢＮ ９８１０２４２６３８，９７８９８１０２４２６３３等の刊行物に記載され、本明細書に組み込まれる。

水素を酸素と混合することを可能にする電解槽は、自然発火または爆発の潜在的な危険性を意味する。ガス生成用電極の高価な半透過性膜による分離を用いた低圧および高圧の電解槽を含む試みは、費用効率の高い水素の生成を提供することができずに、不純物による毒作用のために劣化および破壊する傾向がある。膜分離が用いられる場合であっても、高圧酸素と水素を混合することによる膜の破裂および発火または爆発の潜在的な危険性が存在する。

いくつかの市販の電解槽は、間に水素イオンのみを通す電解質であるプロトン交換膜（ＰＥＭ）を持つ、高価な多孔質電極を使用している（ＣａｎａｄａのＰｒｏｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ ＣｏｍｐａｎｙおよびＥｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙを参照）。分極損失、ガス貯留、および電極とＰＥＭ電解質との界面に到達し得る水の解離に使用可能な電極領域の減少のために、これは電極の効率を制限する。電極効率が制限されることのほかに、酸素排出口と水素排出口との間の圧力差に起因する膜の破裂、補給水中の不純物に起因する膜汚染、汚染物質または膜を若干過熱することに起因する可逆的な膜の劣化、稼動していない時に膜を乾燥させた時の膜の劣化または破裂、ならびに濃淡電池形成、触媒とバルク電極材料との間のガルバーニ電池、および接地ループ等の１つ以上の誘因による腐食に起因する膜界面での電極の劣化を含む、他の難題がある。電極およびＰＥＭ材料を積層することは、反応物または反応生成物の内部滞留をもたらし、非効率的な動作を引き起こす。ＰＥＭ電気化学セルは、高価な膜材料、界面活性剤、および触媒を必要とする。ＰＥＭ電池は、汚染、過熱、浸水、または乾燥しやすく、膜の漏れまたは破裂に起因する操作上の危険をもたらす。

非効率性に加えて、そのようなシステムに伴う問題には、寄生損失、高価な電極または触媒および膜、低いエネルギー変換効率、高価なメンテナンス、および高い操作コストが挙げられる。水素および酸素ならびに他の電気分解の生成物を加圧するための圧縮機またはより高価な膜システムが、状況に応じて必要とされる。最後に言及した問題の必然的結果が、許容できない維持要件、高い修理費、および相当な廃棄費用である。

したがって、不純物および操作の産物に耐性があり、上述した現状方法に付随する問題のうちの１つ以上に対応する、加圧水素および酸素を含むガスの分離生成のための電気化学セルまたは電解セル、およびそれらの使用方法を提供することが、本発明のいくつかの実施形態の目的である。

本発明の一実施形態において、格納容器と、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極および第２の電極と電気的に通信する電流源と、第１の電極および第２の電極と流体連通する電解質と、ガスであって、前記第１の電極でまたはその付近で電気分解の間に形成される、ガスと、分離機と、を備え、第１の電極は、電子伝達および核生成の位置を実質的に分離することによって、ガスの核生成の位置を制御するように構成される、電解セルが提供される。

別の実施形態において、格納容器と、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極および第２の電極と電気的に通信する電流源と、第１の電極および第２の電極と流体連通する電解質と、ガスであって、前記第１の電極でまたはその付近で電気分解の間に形成される、ガスと、分離機と、を備え、第１の電極は、電子伝達および核生成の位置を実質的に分離することによって、ガスの核生成の位置を制御するための局所的増強を備える、電解セルが提供される。

さらに別の実施形態において、格納容器と、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極および第２の電極と電気的に通信する電流源と、第１の電極および第２の電極と流体連通する電解質と、ガスであって、前記第１の電極でまたはその付近で電気分解の間に形成される、ガスと、分離機と、を備え、分離機が、第１の電極を備え、第１の電極は、電子伝達および核生成の位置を実質的に分離することによって、ガスの核生成の位置を制御するように、電流源に対して近位の第１の導電性材料と、電流源に対して遠位の誘電性材料と、を備える、電解セルが提供される。

本発明の他の特徴および利点は、以下の発明を実施する形態から明らかになるであろう。しかしながら、発明を実施する形態および特定の実施例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、この発明を実施する形態から、当業者には本発明の主旨および範囲内の種々の変更および修正が明らかになるため、それらは例示目的で記載されていることを理解されたい。

本発明の実施形態による電解セルを示す図である。 図１の実施形態の一部分の拡大図を示す図である。 図２の実施形態の変形例を示す図である。 本発明の実施形態による電解セルを示す図である。 図４の電解セルの一部分の代替実施形態の拡大図である。 可逆的燃料電池における使用のための螺旋状電極の断面を示す図である。 光合成によって、メタン、水素、および／または二酸化炭素に生成されるような有機原料の変換のためのシステムを示す図である。

上に列挙した詳細ならびに本発明による他の利点および目的が得られる様式を完全に理解するために、その特定の実施形態を参照することにより、本発明のより詳細な説明を提供する。

一実施形態において、電解セルおよび使用方法が提供される。電解セルは、多くの用途において使用され得るが、この実施形態では、水素および酸素の生成における使用について記載される。本実施形態による電解セルは、加圧した水素および酸素の可逆的な分離生成を提供し、不純物および操作の産物に耐性がある。実施形態は、小型収納に所望されるよりもはるかに小さい大きさまで加圧される解離され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成するように、電極間に起電力を印加するステップと、小型収納に所望される圧力に達するまで、より密度の低い流体生成物の拡張を制限するステップと、を含む、電気分解プロセスを行うための選択肢をさらに提供する。これおよび他の実施形態は、熱機関もしくは燃料電池の動作により、および、そのような源からの熱を利用して食物を調理し、水を滅菌し、他の物質に熱を送達するため、暖房を提供するため、またはそのような熱機関もしくは燃料電池用の嫌気性または電気的に誘導される燃料の放出を促進するために、家、レストラン、ホテル、病院、缶詰工場、および他の事業施設等の居住施設のエネルギー利用効率を向上させることができる。また、当業者は、本明細書に開示される実施形態の態様が、同様の利点を提供する他の種類の電気化学セルに適用可能であることを理解するであろう。

所望の構成成分の生成のために、物質移動を生じさせるため、かつ／またはイオンを送達するために、主として比較的遅い分散、対流、および濃度勾配プロセスに依存する従来の電気化学電極とは対照的に、本実施形態は、本明細書に記載されるように、より密度の高い液体媒体から逃げるより密度の低いガスのポンプ作用による迅速なイオン補充プロセスおよび所望の電極への送達を含む、より効率的な物質移動を提供する。これにより、望ましくない副反応の防止とともに、より高い電気効率、より迅速な解離、およびより高い分離効率が保証される。イオンの生成および電極への送達の速度および効率を増加することにより、システム効率および電極領域当たりの電流制限を増加させる。

図１を参照すると、金属管等の容器４が格納容器としての役割を果たす、電解セル２が示される。任意選択で、容器４はまた、図１に示すように電極としての役割を果たしてもよい。円筒状の導電ワイヤ電極８等の多孔質電極が、同軸上に位置し、酸または塩基等の液体の電気分解インベントリによって管状電極４から離される。電解液は、絶縁体２４の液体‐ガス界面まで、容器４の内部空間を満たす。誘電性スリーブ上または導電性の円筒状内側線形電極４’（図示せず）上のめっき、プラズマスプレー、または複合電極材料の層が、メンテナンスアイテムとしての簡便な交換を可能にする電気的に分離されたアセンブリ要素としての役割を果たすように、あるいは、任意選択の極性のための分割された多数の電極要素のうちの１つとして、および／または直列、並列、もしくは直並列接続で機能するように、容器４内に提供されてもよい。水の電気分解のための可逆的な本実施形態において、電極８は、電極８で水素が生成されるように電子源または陰極であると考えられてもよく、電極４は、電極４で酸素が生成されるように陽極であると考えられてもよい。容器４は、加圧可能であり得る。容器４の内容物の加圧は、密封蓋３０および４６によって抑制される。電極８、ガス分離機１０、および電気接続部３２を含む構成要素の支持、電気的絶縁、および安定化は、図示されるように、誘電性絶縁体本体２０および２４によって提供される。電解セル２の加圧は、電気分解の間のガス（複数可）の生成に起因する自己加圧によって、ポンプ等の外部源によって、またはその任意の組み合わせによって達成され得る。

分離機１０は、液体透過性であるが、分離機の陰極側から分離機の陽極側への、およびその逆向きの、ガス流またはガス輸送を実質的に防ぐように構成され、それには、電解質に溶解したガスまたは気泡核生成後のガスの流れを実質的に防ぐことを含む。任意選択で、別の分離機が必要でないように、電極８は、分離機１０として作用するように構成されてもよい。代替として、分離機１０は電極８を含むことができるか、または電極８が分離機１０を含んでもよい。さらに、分離機１０はまた、陽極電極４を含むことができるか、または陽極電極４が分離機１０を含んでもよい。

絶縁体２４は、分離機１０と組み合わせた利用を含め、４および８等の電極によって生成されるガスを分離、回収、および／または抽出するよう、図示されるように、また必要に応じて、成形される。図示される同心円筒状の形状において、絶縁体２４は、電極８上に放出されたガスが回収される中心円錐空洞を有する。この中心空洞を同心円状に取り囲んでいるのが、電極４’の表面からまたは容器の電極４の内側から放出されるガスを回収する環状ゾーンである。

任意選択で、触媒フィルタ４８は、図示されるように２４の上部回収経路に設置されてもよい。分離機１０を横断することによる移動を含め、うまく触媒フィルタ４８に到達した酸素は、水素と反応させることによって水を形成するように触媒的に誘導することができ、次いで、電解質に戻すことができる。膨大な過剰水素は、この触媒反応によって放出される熱が電解セルに影響を及ぼすことを妨げるヒートシンクとしての役割を果たすことができる。図示されるように、精製された水素は継手２６で供給される。同様に、酸素のアニュラスに到達するいかなる水素も水に変換するために、図示されるように、酸素を回収する周辺アニュラスの上部領域に触媒フィルタ４９を提供することが好ましい場合がある。図示されるように、酸素は継手２２で除去される。代替として、触媒フィルタは、継手２２および２６に、その付近に、またはその中に設置されてもよい。

例示する動作において、水が水素および酸素に解離される物質である場合、重炭酸ナトリウム、苛性ナトリウム、水酸化カリウム、または硫酸の水溶液等の好適な電解質が調製され、また、所望のインベントリまたは圧力を生成または維持するために、液体の存在を検出し、必要に応じてポンプ４０を操作して貯蔵容器４２等の好適な源から水を加えるようコントローラ５２に信号を送信するセンサ５０によって示される所望のレベルで維持される。よって、コントローラ５２は、熱を受け取るかまたは送達するための放熱器または加熱器（図示せず）等のシステムの循環ポンプを含み得る熱交換器５６とともに、液体レベルセンサ５０、または液体インベントリセンサ５１ならびに制御ポンプ３６および４０を有する統合ユニット内に組み込まれ得る、温度制御センサまたは圧力制御センサ５８に対応する。同様に、電解セル２と関連する源からの熱の受け取りまたは拒否を容易にするために、加熱ファンまたは冷却ファンが、そのような動作とともに用いられてもよい。

電解セル２が周期的に適用される、例えば、余剰電力が廉価であり他に需要がない、いくつかの実施形態において、電解セル２は、水インベントリの著しい変動を伴って動作させることができる。余剰電力が利用可能ではないか、または停止されている時は、水素および酸素供給が容器４から抽出されてもよく、システムは周囲圧力に戻ることができる。次いで、システムを完全に充填するために周囲圧力の水が加えられてもよく、変換、小型収納を行うため、および車両、工具、または電気器具の受信器への迅速な移動を提供するために圧力または化学エネルギーに必要とされる所望の高圧で水素または酸素を送達するために、そのような周期的な低圧充填および電解操作を容易にすることが所望される場合、水は、絶縁体２４の外周周辺に大きな環状容積部を有するように提供されてもよい。

電流を印加し、はるかに低いインベントリの液体から水素および酸素の大量のガス供給物が産生されると、システムを所望の通りに加圧することができ、センサ５０または５１による検出の時点まで溶液中の水のインベントリが枯渇するまで加圧した状態で保たれ、コントローラ５２が、電解サイクルを中断するか、または、図示されるように、貯蔵容器４２から圧力ポンプ４０によって水を加えるかのいずれかを可能にする。必要に応じて、ポンプ４０に対する複数の負荷またはメンテナンスを可能にするように、図示されるように、逆止弁４４等の弁の向こう側に水を加えることが好ましいかもしれない。

図１、２および３を参照すると、図２は、分離機が「Ｖ」字形を形成する２つの傾斜面１４を含む、図１の分離機１０の一実施形態を示す。電解質が水ベースである場合は、水素イオンを、水素原子と、電極８上またはその付近で核生成して気泡を形成できる実質的に二原子である分子とに連続的に変換するように、電子が接続部３２を通って網状ワイヤシリンダ等の多孔質電極８に加えられ、電気接続部６を通って容器４から除去される。水素および酸素の気泡は、通常、水ベースの電解質よりもかなり密度が低く、浮力で上方に推進される。酸素の気泡は、同様に上方に推進され、図２の拡大断面図に示されるように、同軸分離機１０の形状によって水素から分離される。図２に示される構成は、電解セル２の動作中に形成されるガスの流れが望ましい、いずれの用途に使用されてもよい。さらに、上記分離機の構成は、当該技術分野で既知である電気化学セルの他の構成に用いられてもよい。代替として、電気分解の間に形成される材料が電解質よりも密度の高い材料である場合は、「Λ」字型を形成するように分離機１０を逆にしてもよい。同様に、電気分解によって陰極で形成される１つの材料が電解質よりも密度が低く、陽極で形成される別の材料が電解質よりも密度が高い場合、より密度が低い材料をより密度が高い材料から離れて偏向させるように、分離機１０は、傾斜した「／」または「＼」の形状からなってもよい。

水素と４’または容器４の内側から放出される酸素との混合は、図示されるように、酸素および水素の進入、流れ、または透過に対して傾斜した表面１２’および１４からの偏向によりガスを効率的に分離する液体透過性バリアである分離機１０とによって防止される。代替として、分離機１０は、電気的に絶縁された導体、または３０％ガラスを充填したエチレン−クロロトリフルオロエチレン等の不活性な誘電性材料からなる螺旋状のスパイラルを含んでもよく、図示されるように、螺旋状ストリップ材料の断面図は、電気絶縁体およびガス分離機としての役割を果たすように「Ｖ」字構成である。

螺旋の各層の間に、または代替として、１３で断面図として示される拡大された波形として図２に示されるセクションを構成する形成されたディスクの積層に隙間を作り出するために、流体移動のための経路は、特に各縁部で、時々または連続的にストリップを波状にすることにより、流体の循環および分布の必要性を満たすように所望の通りに増加することができる。軸１５および１５’に関して概ね示されるように、適切に傾斜した放射軸の周囲で、そのようなひだの各々を波状にうねらせることが一般に有利である。これにより、形成される液体多孔質だがガスバリア性の分離機１０の全体的な壁圧を、所望の厚さ、例えば、約０．２ｍｍ（０．００８インチ）の厚さ以下にすることができる。

分離機１０は、非常に小さな寸法を含む、および、電解液が電極８に向かって、またはそこから離れて通れるようにするのに十分な表面エネルギー条件に対して、任意の好適な寸法であってもよいが、ガスの浮力推進および上方移動のために、ガスの通過を許容しない。例えば、比較的小さな燃料電池および電解槽において適用可能な代替の実施形態は、図２に示す断面を有する多数の近接に離間した平坦なスレッドによって提供され、そのようなスレッドは、主に液体の開放アクセスを提供するスレッドに織り込まれるかまたは接着され、「Ｖ」字形スレッドの片側または両側に、ほぼ垂直方向に配置される。これにより、形成される液体多孔質だがガスバリア性の分離機１０の全体的な壁圧を、約０．１ｍｍ（０．００４インチ）の厚さまたはそれ以下にすることができる。

上方への浮力推進は、傾斜面１２および１４上でのガス気泡の衝突を偏向させる。この特徴は、電気抵抗、汚れ、滞留、腐食、および分極損失のうちの１つ以上に起因する非効率性を引き起こす、従来技術の手法の困難および問題を克服する。さらに、いくつかの構成は、電解質の上方への流れを生成する上昇気泡の浮力によるポンプ作用に起因して、同心層における電解質の循環を促進することができ、液体の上部でガス（複数可）が逃げると、気泡と混合されたかまたは溶解ガスを含むより密度の低い電解質を交換するように再循環されるため、比較的ガスを含まない、より密度の低い電解質が底部に向かって流れる。熱交換器５６は、図示されるように、容器４の上部から底部に循環させられる電解質に熱を加えるかまたは除去するために、必要に応じて操作されてもよい。電解質の循環率を増加させるため、または補給水を加えるためのポンプ４０と連動して、ポンプ３６が必要に応じて使用されてもよい。

有機材料の迅速な添加を伴うシステムを含むいくつかの実施形態において、高い電流密度が適用される。そのような実施形態において、図示されるように、比較的ガスを含まない電解質を、継手２８を通りライン３４を通ってポンプ３６へ戻し、ライン３８および継手１６を通って容器４に戻すポンプ３６を用いて電解質を循環させることが有利であるかもしれない。渦を巻き続け、そのため、上述したように用いられ得る分離機１０による作用を含む分離を相乗的に強化する、渦流型の送達を生じるように、戻ってくる電解質を継手１６で接線方向に進入させることが好ましいかもしれない。動作圧力に応じて、水素は、酸素の１４倍密度が低く、かつ浮力がより高いため、継手２６でのフィルタ４８を通した加圧回収のために、分離機１０によるより高い上方速度で容易に方向付けられる傾向がある。非常に高い電流密度で、電解セル２が輸送用途の間に遭遇する可能性のある転動または重力に供される場合、渦流型の分離を強化し、それによって陽極上で生成されるガスが陰極によって生成されたガスと混合されるのを防ぐように、電解質移動の速度がポンプ３６によって増加される。

非導電性ガスバリアのいくつかの実施形態および分離機１０を含む液体透過性の実施形態は、水素および酸素等のガスを分離するプロトン交換膜に依存するものを含む従来の手法と比べて、かなり費用が低く、はるかに頑健で効率のよい、可逆性の電解槽の製造を可能にする。一態様において、分離機１０は、電気分解の間に電解質の流れを向上させるように設計することができる。例えば、分離機１０は、ポート１６からポート２８に上方移動する電解液のインベントリにおけるイオンの螺旋状の流れを促進するように構成されてもよい。これにより、最大電気効率のために、必要に応じて、電極の各部分が新しく補充されたイオン密度を受け取ることが保証される。水素および酸素の気泡が電気化学セルのそれぞれの電極上に形成されると、そのような電極の洗浄作用もまた、それらを迅速に除去することができる。

図３は、上述したようなガス種の分離を達成しつつ、平坦なプレートおよび同心電極構造を含む隣接する電極の電気的単離を提供するための、分離機１０の別の態様のコンポーネントシートまたは螺旋状ストリップの代表的な部分の側面図を示す。アセンブリ１１において、シート１２’および１４’は、分離機１０の断面に類似し、その断面として機能的な役割を果たす断面を形成する。平坦な導電性または非導電性のポリマーシート１２’は、図示されるように、シート１２’の長軸を有する約３５^o〜７０^oの角度である第１の角度１５によって示されるような実質的な角度を形成するように傾斜した、平行な中心線上の多数の小さな孔によって調節される。ポリマーシート１４’は、図示されるように、シート１４’の長軸を有する約３５^o〜７０^oの角度を形成するように、同様に、第２の角度１５’によって示されるような実質的に傾斜した平行中心線上の多数の小さな孔によって調節される。

他の実施形態において、角度１５および１５’は、電気分解プロセスの間に分離される物質によって異なってもよい。例えば、ガス構成成分をまったく有さないか、または１つのガス構成成分のみを有する化合物の電気分解のために、角度が傾斜していてもよい。Ａｌ₂Ｏ₃等の化合物が、アルミニウムおよび酸素を形成するように氷晶石‐アルミナ電解質における電気分解によって解離される場合、氷晶石‐アルミナ電解質よりもアルミニウムの密度が高く、アルミニウムを分離する陰極電極または関連する分離機は、アルミニウムを下方に送り、かつ上方に移動する酸素から離すように（例えば、傾斜角度によって）構成される。

シートの厚さ寸法の約１／１２〜１／３の直径を有する多数のそのような小さな孔は、レーザードリル、熱針穿孔を含む、または高速粒子透過による好適な技術によって、シート１２’および１４’に容易に作製することができる。通常、各々が約０．０２５〜０．２５ｍｍ（０．００１インチ〜０．１０インチ）の厚さであるシート１２’および１４’は、溶接、あるいはさもなければボンディング、紐止め具、伸縮バンド、または、電極８とのアセンブリを形成するように、最終的な外径上に導電性もしくは非導電性ワイヤを１回以上螺旋状に巻くことによって一緒に維持することができる。またシート１２’および１４’は、接着剤によって、または熱融合もしくは溶媒融合によって、時々または継続的に結合されてもよい。したがって、シート１２’の傾斜した孔がシート１４’の孔に重複する場合、形成されるガスバリア膜を通ってガスが通過するのを阻止する一方で、液体および／または電解質を移動させることができる経路が形成される。図１および４を参照すると、組み立てられたガスバリアシートの管状構造物は、バットシームを接着もしくは溶接することによって、または意図する分離ガスバリアとして機能する重複シームを提供することによって、実施形態２または１００のための適切な直径で形成することができる。

水の電気分解には、多様な電解質が好適である。一実施形態において、格納容器４のために、低炭素鋼とともに水酸化カリウムが使用されてもよい。ニッケルめっきシリンダ４によって、または好適なステンレススチール合金の利用によって、増加した腐食耐性に伴って寿命の延長が提供され得る。他の態様において、シリンダ４を、ガラス、セラミック、もしくは炭素フィラメント、またはそれらの組み合わせ等の高強度補強材と重複させることにより、増加した格納能力が提供される。

特定の用途および強度要求によって、絶縁分離機２０および２４に、約３０％ガラスを充填したエチレン−クロロトリフルオロエチレンを使用することが有利であるかもしれない。電極８は、織りニッケルまたは３１６型ステンレススチールワイヤからできていてもよい。分離機１０は、約３０％ガラスを充填したエチレン−クロロトリフルオロエチレンストリップでできていてもよい。

別の実施形態において、メタンまたは水素を別々に、あるいは、有機電解質からの好ましい混合物中に生成するために、制御された電力の印加を用いることも意図される。いくつかの態様において、実施形態は、第０９／９６９，８６０号（参照により本明細書に組み込まれる）を含む同時係属特許出願の実施形態とともに動作することができる。通常メタンを生成する有機材料の嫌気性消化プロセスは、水を解離するために必要とされるよりも著しく低い電圧で、またはパルス幅調節負荷サイクルのオンタイムを減少させることおよびその結果生じる電力支出により、水素を放出する電解質を生成するように制御することができる。

微生物消化によって生成される有機溶液の酸性度またはｐＨは、天然の重炭酸緩衝相互作用によって維持することができる。重炭酸緩衝液は、消化プロセスにおいて二酸化炭素の同時生成によって補充されてもよい。プロセスは、以下のような多くの競合するかつ相補的プロセスのステップを有する単炭水化物またはグルコースの例示的な消化によって、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のために一般化されてもよい。

Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆ ＋（嫌気性酸を形成するもの、通性細菌） → ＣＨ₃ＣＯＯＨ 等式１
ＣＨ₃ＣＯＯＨ ＋ ＮＨ₄ＨＣ₆Ｏ₃ → ＣＨ₃ＣＯＯＮＨ₄ ＋ Ｈ₂Ｏ ＋ ＣＯ₂ 等式２
３ＣＨ₃ＣＯＯＮＨ₄ ＋ ３Ｈ２Ｏ （細菌） → ３ＣＨ₄ ＋ ３ＮＨ₄ＨＣＯ₃ 等式３

そのような溶液に由来するメタンが所望される場合において、７．０付近でのｐＨ制御が必要であるかもしれない。周囲圧力では、約７．０のｐＨ、および３５〜３７℃（９９^oＦ）のメタン生成が好ましい。ほとんどの家庭排水は、メタン生成を提供する有機体によって必要とされる主要栄養素および微量栄養素の両方を含むバイオ廃棄物を含有する。嫌気性反応器中に存在する溶解され分布された水素または単糖の比較的高い濃度を維持することにより、メタンを形成する微生物の働きを阻止することができる。

別の態様において、有機物質から高い燃料値を生成することは、グルコースの細菌分解によって生成される酢酸（ＣＨ₃ＣＯＯＨ）および他の有機化合物等の物質の解離を引き起こすように電場を適用することによって、また、水素イオンを生じる他の酸生成プロセスによって達成され得る。
ＣＨ₃ＣＯＯＨ → ＣＨ₃ＣＯＯ^- ＋ Ｈ⁺ 等式４

水素イオンは、負に帯電した電極まで移動するかまたは送達され、水素ガスを生成するための電子を得る。
２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- → Ｈ₂ 等式５

負に帯電した電極により、２つの電子が供給される。他の電極では、電気化学反応は、等式６に要約されるように、酢酸イオンを二酸化炭素および水素イオンに酸化することを含む。
ＣＨ₃ＣＯＯ^- ＋ ２Ｈ₂Ｏ → ２ＣＯ₂ ＋ ７Ｈ⁺ ＋ 電子 等式６

この電極反応では、酢酸イオンが電子を失い、続いて水と反応して、二酸化炭素ガスと水素イオンとに分かれる。二酸化炭素が溶液を飽和させ、上記実施形態において述べたように、液体溶液界面から放出される。そのようなシステムにおける別個の同時回収のために、水素原子、および次いで、等式５に要約されるような二原子分子を生成するために、電子が反対の電極によって受け取られるまで水素イオンが循環させられ、かつ／または移動する。別個の回収は非常に有利であり、例えば、加圧をもたらすか、または、ガス圧縮ではなく液体ポンピングの結果としての高圧での別個の回収が特に効率的であり、生成された水素、メタン、または二酸化炭素を分離し、次いで機械的に圧縮するために通常必要とされる資本設備を大幅に減少する。

一部には、消化反応は水素イオンおよび発熱エネルギーを生じるため、水素および二酸化炭素を生成する酢酸等の化合物の嫌気性消化による分解は、水の電気分解よりもはるかに低いエネルギーを必要とする。酢酸等の酸の発熱分解の開始および維持は、より低電圧の印加で達成されてもよいか、または水を分解するために通常必要とされる継続的な電気分解の代わりに、間欠的もしくは偶発的な電気分解によって達成されてもよい。特に有機触媒による比較的わずかな活性化および／または触媒作用を必要とする、消化物質および尿素または酢酸等の酸の水素および二酸化炭素への電気分解と比較して、周囲温度での水形成の自由エネルギーは非常に大きい（少なくとも１ＫＷＨ＝放出された水素の３，４１２ＢＴＵ）。したがって、ラネー‐ニッケル触媒に対する修飾物、ニッケル‐スズ‐アルミニウム合金、白金金属群から選択されるもの、白金‐ニッケルおよび他の白金遷移金属の単結晶合金の表面、ならびに本明細書に記載される電極系とともに用いられる種々の有機触媒を含む選択される触媒は、水素生成の速度および／または効率をさらに向上させる。

別の態様において、利用可能な電源のアンペア数および電圧を、図１に示すようなセルの直列接続による解離に必要とされる電圧と一致させる目的で、切替可能な直列、並列、または直並列に接続された電極対の多数のセルを用いることが好ましいかもしれない。この実施形態の一態様において、家庭用サイズの６ボルトの太陽光電源が直列の３〜３０個のセルを有することができ、工業用の２２０ボルトの供給が直列に接続された約１００〜１，０００個の電極のセルを有することができるように、各セルは、有機物質から選択されるかまたは生化学的に生成される水性電解質に応じて、約０．２〜２ボルトを必要としてもよい。生成ガスは、並列または直列の回収構成で容易に送達することができる。直列および／または並列接続の数を調節するための所望の可撓性に応じて、支持および流れ制御機構１８は、絶縁性または非絶縁性の材料選択によってであってもよい。

中程度の電流密度および低い電流密度を含む種々の電流密度では、イオンの枯渇および滞留の問題を防ぐために、電解質の循環を達成するように形成される気泡の浮力推進を可能にすることが好ましいかもしれない。開始時の電流密度またはそれよりも高い電流密度では、ポンプ３６および熱交換器５６を操作して、電極表面におけるイオンに富んだ電解質の所望の操作温度および存在を提供することができる。これによって、別個の保存および使用のために、二酸化炭素とともに、酸素および水素、水素および二酸化炭素、または水素およびメタンの高圧供給を迅速かつ効率的に生成するために、太陽光、風、落下水、または波の源からの利用可能なオフピーク電力等のエネルギーが用いられる、著しく高速のエネルギー変換が可能になる。

この実施形態の一態様において、大量のエネルギーの突然の噴出が迅速に化学燃料に変換されなければならない、車両の回生制動また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、または電車の推進のための従来の燃料電池は、燃料電池の電極に突然印加される高い電流密度に耐えることができない。この実施形態は、再生ＰＥＭ燃料電池が被るＰＥＭ分解または電極界面破壊の問題なしに高い電気分解効率を達成しながら、この限界を克服して、高電流条件の非常に高い許容誤差を提供する。提供される頑健な構造と、非常に豊富な冷却機会のために、著しく高い電流動作が容易に対応される。反対に、この実施形態は、種々のＰＥＭに関連する困難、限度、および不具合にかかわらず、過酷な冷温または高温条件において容易に効率的に開始および動作する。

別の態様において、水力発電所、ウインドファーム、造波機システム、または従来の発電所等のエネルギー変換システムにおいてより高い運用益を達成するために、本実施形態は、嫌気性消化または有機物の分解によって産生される物質の解離による水または水素および二酸化炭素の解離によって、オフピーク電力が迅速かつ効率的に水素および酸素に変換されることを可能にする。本実施形態の小型版は、洗濯機と同じくらいの空間を占め、さもなければ無駄になったかもしれないオフピーク電力を、家庭用サイズの車両を運転するのに十分な水素に変換し、家庭でのエネルギー必要量を提供することができる。

上述したように、本明細書に提供されるいくつかの実施形態は、迅速なイオン補充プロセスと、より密度の高い液体媒体から逃げるより密度の低いガスのポンプ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。これにより、望ましくない副反応の防止とともに、より高い電気効率、より迅速な解離、およびより高い分離効率が保証される。イオンの生成および電極への送達の速度および効率を増加することにより、システム効率および電極領域当たりの電流制限を増加させる。有機物質を二酸化炭素と水素またはメタンに変換する用途は、以下によって特に恩恵を受ける：有機物質をプロセスに関与する微生物に送達する速度の向上、生物膜媒体を伸長および自己修復するためのインキュベートした微生物のインキュベーションおよび送達、より迅速な生成ガスの分離、および中間イオンをより効率的に電極に送達することを伴う、有機物質の送達。

図４を参照すると、別の実施形態である電解セル１００が示されており、これは、電圧を印加すること、または格納容器１０２の内壁に電流を通すことが望ましくない用途において、特に有益である。本実施形態はまた、ガス回収および電圧一致の必要性を簡略化するために、電解セル１００内の１１０および１１４等の双極電極もしくは複合電極の組もしくはセルの直列接続を容易にする。

格納容器１０２が円筒状であり、中の構成要素が同心円である一態様において、電極アセンブリ１１０および１１４が多数の入れ子状の切断された円錐構成要素から形成されてもよいか、または、１つまたは両方の電極が上述したような螺旋電極として形成されてもよい。電極１１０および１１４は、同じか、類似するか、または異なる構成の電極であってもよい。別の態様において、電極１１４は、入れ子状の切断された円錐部から組み立てられてもよいか、または電極１１０を連続的に取り囲むスパイラル電極であってもよい。

短絡を避けるための電極１１０および１１４の電気的分離は、動作寸法の許容誤差の制御によって、および／または電極１１０と１１４との間に設置された誘電性スレッドもしくはフィラメントの使用によって、および／または図２および５に関して開示されるような分離機１０もしくは１１１の別の形態によって、を含む種々の手段によって達成されてもよい。

電解セル１００は加圧されてもよい。図示されるように、上蓋および下蓋１０４および１０６によって、圧力の格納が提供される。図示されるように、絶縁体１２０および１２２は、蓋１０４および１０６によって支持される。電気接続および流体接続のための回路構成要素およびハードウェアは実例であり、特定の用途の必要性に合うように、必要に応じて蓋１０４および１０６を貫通することによって達成することができる。

本実施形態において、電極１１０および１１４は、図示されるように、各々の回収ゾーンに放出されるガス等の生成される物質を方向付ける傾斜面を有するように形成される。実例として、好適な電解質から水が解離される場合、電極１１０は、プラグシール１３２によって蓋１０６にシールされる接続部１０８を通して供給される電子を受け取ることができる。したがって、電子は、プラグシール１３０を通って電極１１４から得られ、二酸化炭素または酸素等のガスが電極１１４上に放出されて、接続部１２４の絶縁を提供する。

したがって、そのようなガスは、浮力によって推進され、電極１１４によって送達されると、容器１０２の内壁に沿って、概ね上方に移動する。水素は、図示されるように、電極１１０によって送達されると上方に推進され、中心コア内で電極１１０の多数の巻回部または円錐状の層によって形成され、絶縁体1２０で回収される。設計圧で精製した水素は、圧力継手１１６によって送達される。触媒フィルタ１３４は、中心コアに到達して水を形成する酸素等の任意の酸化剤を変換するために使用されてもよい。図示するように、絶縁体１２０内の外側回収アニュラスに到達する任意の水素から水を形成するために、同様の触媒フィルタ材料が使用されてもよい。加圧された濾過酸素は、圧力継手１１８によって送達される。

任意選択で、電解セル１００の効率を向上させるために、１つ以上のガス回収容器（図示せず）が、電気分解の間に形成されるガスを回収するために電解セル１００と流体連通していてもよい。ガス回収容器は、ガスの実質的な拡張の前の上昇圧でガスを捕集するように実装されてもよい。ガス回収容器はさらに、当該技術分野で既知の方法にしたがって、ガスが拡張するとワークを捕集するように構成されてもよい。代替として、ガス回収容器は、保存、輸送、または使用のための圧力でガスを提供するように構成されてもよく、ガスは上昇圧で送達されることが望ましい。上記態様は、種々の電気化学セルにおいて実装され得ることがさらに企図される。

図２を参照すると、別の態様において、継手２２、継手２６に、それらの付近に、またはそれらの中に、あるいは継手２２もしくは継手２６と流体連通するガス回収容器の中に、ガスエキスパンダが含まれてもよい。同様に、図４を参照すると、継手１１６、１１８に、それらの付近に、またはそれらの中に、あるいは継手１１６もしくは継手１１８と流体連通するガス回収容器の中に、ガスエキスパンダが含まれてもよい。

別の態様において、そのような加圧した流体からワークを抽出するためのデバイスと連結された流体を加圧するための電気分解の方法および装置が提供される。流体は、加圧された流体、液体に吸収させたガス、蒸気、またはガスであってもよい。加圧した流体の蒸気またはガスへの変換は、継手１１６の中または後で起こり得、そのような継手からの圧力および流れを変換するためのデバイスは、タービン、発電機、ベーンモータ、もしくは種々のピストンモータ、または１１６から空気を吸い込み、加圧された水素を注入するエンジンを含む群から選択されてもよい。同様に、加圧した流体の蒸気またはガスへの変換は、継手１１８の中または後であってもよく、そのような継手からの圧力および流れを変換するためのデバイスは、タービン、発電機、ベーンモータ、もしくは種々のピストンモータ、または１１８から酸素等の加圧された流体を拡張および／または燃焼させるエンジンを含む群から選択されてもよい。

別の態様において、高いコスト、ならびに変圧器および整流器の回路の電力損失を克服するための装置および方法が提供される。これは、ＤＣ源の負の極性を電極１１０の一番下の３つの巻回部に接続し、それを電極１１４の次の３つの巻回部に接続し、それを電極１１０の次の３つの巻回部に接続し、それを電極１１４の次の３つの巻回部に接続し、それを電極１１０の次の３つの巻回部に接続し（以下同様）、反対側（一番上）の端部から始めて、ＤＣ源からの陽電極のリード線を電極１１４の３つの巻回部に接続し、それを電極１１０の次の３つの巻回部に接続し、それを電極１１４の次の３つの巻回部に接続し、それを電極１１０の次の３つの巻回部に接続し、それを電極１１４の次の３つの巻回部に接続（以下同様）する等のセル内の電極セルまたは電極の直列接続によって、負荷電圧とソース電圧の一致を調節することによって達成される。巻回部および／または切断された円錐の積層は、源のアンペア数と一致するために必要とされる領域を作製するために調節されてもよい。

本発明の別の態様において、電気分解によって生成されるガスの分離を提供することに加えて、本発明によって生じるポンプ作用は、相対的な運転規模に応じて、カーボンクロス、活性炭粒、拡張シリカ（ｅｘｐａｎｄｅｄ ｓｉｌｉｃａ）、グラファイトフェルト、石炭、木炭、果物の種子、木片、細断した紙片、おがくず、ならびに／または、通常、電極１１０の部分内、および／もしくは電極１１４と容器１０２の部分の間に位置するそのような選択の混合物等の、好適な媒体に寄生する微生物に栄養素の送達を提供する。対応する機能および利益は、システムの熱安定化、原料の循環および二酸化炭素等の生成物の除去、ならびに、インキュベーション、栄養、およびそのような微生物の成長によって生成され得る酸からの水素の生成を含む。

低いおよび中程度の電流密度では、低密度の溶液および気泡によって誘導される浮力は、容器１０２内で電解質を循環させることができる。より高い電流密度では、以前に開示されるように、電解質の温度、圧力、および循環を適応制御することが有利である。電解質の外部循環は、図示されるように継手１２６から継手１３８までであってもよく、任意選択の直列および／または直並列回路に接続された１つまたは多数の電極セルが容器１０２内に含まれる状況を含む。

別の態様において、実施形態は、電極１１０および１１４の間の環状空間に接線で流体を方向付ける１つ以上の孔または溝１３９を通る、比例して高くなる電解質の流体流速を送達するための高い電流密度に対して最適化されてもよい。電解質は、電極によって形成される螺旋状空間に沿って上方に流れ、１１０および１１４の間の環状空間から１１０および１１４によって提供される螺旋状経路に進入する電解質によって補充される。電極１１０および１１４の間の空間に進入する電解質の角運動量は、それぞれ電極１１０および１１４上で生成される水素および酸素等の電解生成物による気泡上昇ポンプ作用の機動力を増加させ、そのような運動量に加わる。

この電解質の循環は、電極１１０および１１４間で電荷交換が起こると、水素および酸素原子または二酸化炭素等の他のガスになるイオンの迅速な交換の目的のため、ならびに、電気分解の間に最小限の電気的分極の損失を伴う回収および除去のためにそのようなガスを除去するために、非常に有益である。したがって、非常に高い電流密度は、循環された流体を効率的に電気分解するために容易に許容される。別の態様において、電解質の循環が向上されたことによる設計の膨大な冷却能力によって高い電流密度へのさらなる対応が提供され、電気分解の生成物の有害な滞留および／または蒸気核生成等の相変化、ならびに有効な電極領域の減少を防ぐ。

別の態様において、電極１１０および１１４は、結果生じるポンプ作用によって、より高い密度の電解質インベントリが電極１１０および１１４の表面に送達されると、共振周波数で有利に操作され得るか、または、圧電ドライバ、回転偏心器、ならびに気泡形成作用および電解質と気泡の低密度の混合物による加速度推進を含む種々の誘引によって摂動するばね形態を構成し得る。摂動に応答して、電極１１０および１１４が、自然または誘導された周波数で振動し、核生成部位を含む表面からの気泡の除去をさらに強化し、したがって、より高い電流密度およびより高いエネルギー変換効率を可能にする。

１１０および１１４等の螺旋ばね形状の電極の振動を誘導することにより、それぞれの回収経路および電解セル１００の出口ポートに向かう気泡の加速度を促進する蠕動機械運動も引き起こすことができる。この振動の間、電極巻回部の隣接する層間の平均距離および角度の周期的な増加および減少が、誘引（複数可）の強度および頻度に応じて固定または移動ノードを生成する。

図５は、種々の用途または電解質向けの螺旋状の流れ送達構成を含む図２に示される絶縁体１０等の選択を含む、１１０’および１１４’の間の電気的に絶縁されたスペーサ１１１を併用した操作のための、１組の電極１１０’および１１４’の代表的な側面図を示す。同心電極１１０’、スペーサ１１１、および電極１１４’の組み立ては、効率の向上および汚れに対する耐性を持つ、水、嫌気性消化からのアルコール、または海水等の流体の効率的な解離を可能にする非常に頑健な自己強化型システムを提供する。電極１１０’および１１４’は、導電性カーボン紙、布、もしくはフェルト；織りカーボンもしくはフェルトカーボンおよび金属フィラメント、織りカーボンもしくは金属フィラメントに挟まれたグラファイト粒；あるいは、電解質の化学成分に応じて、図示されるように、酸素、塩素、または二酸化炭素等の同時生成されたガスから別個に水素を分離するために傾斜した、平行中心線状の多数の孔に関して概ね以前に開示されたようにドリルで穴を開けられた金属めっきポリマー、または軟鋼、ニッケルめっきスチール、もしくはステンレススチール等の金属板原料から構成されてもよい。

電極１１０’、スペーサ１１１、および電極１１４’が、図４に示されるような同心電極配備で用いられる場合において、水素がポート１１６に送達され、解離される物質に応じて、酸素、塩素、または二酸化炭素等の生成物の送達がポート１１８で提供される。いくつかの場合において、各孔が、スペーサ１１１に接触する表面上の孔の直径からスペーサ１１１から離れた出口面のより大きな直径にかけてやや先細りになるように、１１０’および１１４’に複数の孔を提供することが好ましい。

利用可能な電力、および最終的な電極間の幅空間を最適化するためのシステムの熱伝達要件に一致する速度で、１３８から電極１１０’および１１４’を通って継手１２６まで電解質を送達するための螺旋ピッチ、電極間の幅、およびスペーサ１１１を含むストリップの厚さを選択することが好ましい。これにより、電極１１０’および１１４’における電気分解プロセスのために豊富なイオン送達がもたらされる一方で、電極１１０’内のゾーンへの水素の分離、および電極１１４’の外側の空間への酸素、二酸化炭素、または塩素等の同時生成されたガスの送達が保証される。

別の態様において、水素電極の底部に水素を加え、酸素電極の底部に酸素を加えるための適切な継手とともに、水素電極にガス流溝を提供し、酸素電極にガス流溝を提供することにより、システムを再生的に操作することが可能である。この場合、特に、単一のキャニスターアセンブリがエネルギーの需要を満足させる小さな燃料電池において、同心スパイラル電極を用いることが有利であるかもしれない。

図６を参照すると、可逆的な燃料電池を操作する場合に使用されるスパイラル電極（複数可）の断面が示される。これにより、電極１１４または類似する螺旋状になった電極１１０の表面対体積比、断面係数、およびカラム安定性の向上がもたらされる。電極１１４は、断面図において、螺旋を形成するために使用されるストリップ原料を波状にすることによって形成され、アニュラス１３６および継手１１８に酸素を送達するための燃料電池操作および電解操作のために酸素の送達を提供する螺旋状の溝に沿ってガス１５２が流れることが示されている。同じ構成は、燃料電池、および有機酸を二酸化炭素と水素に変換するための電気分解モード、ならびに電解モードにおいて、電極１１０に対して良好に機能し、以前に記載したように所望の回収ポートまたは源ポートへの豊富なガスの送達を保証する。

別の態様において、尿素等の化合物とともに、炭酸、酢酸、酪酸、および乳酸等の有機物質の水性誘導体を水素に変換する微生物の成長および維持を促進することによって、電極性能の向上が提供される。水素イオンの生成および／または二酸化炭素の放出のために選択される電極上で、基板電極に対する電気抵抗を減少させ、消化プロセスによって提供される所望の膜物質とともに微生物および生体膜を所定の位置に保持するのに役立つ、アスペクト比の高いフィラメントまたはウィスカを含む、有効な表面積を増加させる局所的増強を用いてそのような電極表面を調製することによって、微生物の生産性の増加が促進される。

理論に束縛されるものではないが、局所的な処理もしくは増強等の電極および／または分離機の特定の特徴が、所望の位置で電解質のキャビテーションまたはスーパーキャビテーションを含む乱流を促進し、またその位置で核生成を促進すると考えられる。反対に、電極および／または分離機の特定の構成は、所望の位置（例えば、電子伝達点）におけるキャビテーションまたはスーパーキャビテーションを含む乱流を阻止することができ、また、その位置における核生成を阻止することができる。これらの特徴を含む要素は、核生成が所望される電解セルにおける任意の位置で実装され得ることが企図される。さらに、これらの同じ特徴および原則は、電解セルと流体連通するガス回収容器等、または間の経路もしくは弁との流体連通に適用することができる。

好適なフィラメントおよび／またはウィスカは、表面積の増加、イオン輸送および抵抗損の低下、微生物の生産性の向上、ならびに、より効率的な二酸化炭素放出のためのより効率的な核生成活性化を提供するための金属あるいは炭素、ケイ素、または炭素もしくは窒化ホウ素のナノ直径フィラメント等のドープ半導体を含む。そのようなフィラメントはまた、微生物の生産性、酵素および触媒の利用効率の強化、ならびに関連する有益な水素イオン生成プロセスをさらに向上するグラファイト粒を固着させるために用いられてもよい。同様に、水素原子を生成して二原子水素の気泡核生成を行うように、電子とともに水素イオンが提供される電極では、活性領域を増加し、全体のプロセスに必要とされる電圧を減少させるために、フィラメントおよびウィスカが用いられてもよい。

カーボンウィスカに加えて、スズ、亜鉛、ニッケル等の金属から成長させたフィラメント、および蒸気から堆積させたかまたは鉄合金電極等の好適な基板上のめっきから成長させた耐火金属が、電気抵抗の低下およびプロセス効率の向上を提供することが分かっている。そのようなフィラメントまたはウィスカは、導電性の界面活性剤の添加、ならびに／あるいは、アセチレン、ベンゼン、もしくはメタン、エタン、プロパン、およびブタンを含むパラフィンガス等の例示的な前駆物質からの炭素ドナー等の物質のスパッタリングによって、または分解から堆積する炭素、窒化ホウ素、または炭化ケイ素等の好適な物質を用いた表面めっきによって、生体膜の支持およびプロセス強化により好適になるように作製されてもよい。

図４の実施形態およびその変形例は、水素または一連の水素富化混合物をポート１１６に送達する一方で、固定窒素構成要素を含む二酸化炭素または二酸化炭素富化混合物がポート１１８に送達されるように、等式１〜６に要約されるような有機アルコールからの水素の分離を含む流体解離の低密度ガス誘導体の有利な分離を提供することができる。いくつかの用途において、分離されるガスのための送達ポートを逆にするように、これらの電極の極性を逆にすることが望ましいかもしれない。そのような逆転は、種々の目的を達成するために長期間または間欠的であり得る。電極１１０および１１４の螺旋ピッチ（複数可）の選択、ならびに各電極の振動の共振周波数または強制周波数、そして各電極における相対的な流体速度に応じて、水素がポート１１６に送達されてもよいが、システムがメタンおよび二酸化炭素を含むように操作されてもよい。しかしながら、ポート１１８に送達された二酸化炭素は、メタンと、水素より高い濃度の他のガスとを含んでもよい。内部燃焼機関、種々のバーナー、炉、または燃料電池の非スロットル動作を可能にするために、水素およびメタンのＨｙ−Ｂｏｏｓｔ混合物を提供することが望ましい用途において、ポンプ３６およびコントローラ５２によって提供されるような油圧および電気による回路制御の提供により動作する図４の実施形態は、ポート１１６における送達のために、所望の燃料混合物を水素およびメタンの制御された比率で生成および分離する選択を容易にする。

有機原料の水素および／またはメタンへの所望の変換を生じる活発な微生物の嫌気性コロニーを生成するための、予測されなかったが特に有益な構成は、コロイド状炭素、ナノ構造を含む炭素フィラメント、剥離した炭素結晶、グラフェン板状晶、活性炭、ゼオライト、セラミック、および／または窒化ホウ素粒等の媒体を電気化学セルに加えることによって提供される。そのような媒体は、触媒生産性の向上を提供する種々の薬剤でドープされていてもよいかまたはそれらと配合されてもよい。実例として、概ねホウ素、窒素、マンガン、硫黄、砒素、セレン、ケイ素、テルル、および／またはリンのような電子構造を有する選択された薬剤でドープすることによって、望ましい機能性が提供されてもよい。電気分解プロセスによって放出されるガスにより誘導される循環は、より効率的な電荷電流の利用のための有利な位置および密度にそのような媒体の分類を促進することができる。

特定の理論に拘束されることなく、そのような相乗的な結果は、生体膜および最終的な反応ゾーンにおける酵素、水素、メタン、または二酸化炭素の有利な吸収とともに、重要な位置における表面積の増加、ならびに核生成プロセスを強化するか、および／ならびに電子または水素イオンを伝導するストリンガー、領域、もしくはフィラメントの開発に関連していると仮説が立てられる。また、実行される動作において効率的に用いられる位置および本明細書に開示される種々の実施形態において生成される流れ経路に循環させるように、微生物がインキュベートされることも示される。

炭素、グラファイト、種々の金属炭化物、およびケイ素炭化物、ならびに触媒的に性能を強化する他の無機物質および粒子等のウィスカおよびフィラメントに加えて、微生物のプロセスの補助となる所望の栄養素または触媒を提供する活性化物質および粒子を用いることが有益である。実例として、ポリマー、セラミック、または活性炭の多孔質および／または剥離された基板は、テトラメトキシフェニルポリフィリン（ＣｏＴＭＰＰ）もしくはポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）等の導電性の有機触媒を吸着することができ、および／または追加の酵素を含む触媒物質を組み込んで提供するためにも利用され得る酵素およびグラフトポリマーを含む他の触媒物質を有利に配向および提供することができる。

好適な物質またはグラフトポリマーは、白金ならびに他の高価な触媒および導体を最小限に抑えるかまたはその代替となる、従来のデンドリマー、繊維形状、および他の有機の機能的材料のものを含んでもよい。そのような代替物質およびそれらの利用は、本明細書に開示されるいくつかの実施形態から得られる流体の循環に関して、混合または段階的な位置を含む。多様に特化された導電性および／または触媒性の構造は、電極４、８、１１０、もしくは１１４および／または上に重ねたカーボンフェルトもしくは織り構造に成長させるかまたは付着させてもよいか、あるいは成長している生体膜に分散させてもよい、針状の堆積物および繊維を含む。実例として、導電性および／または触媒性の機能は、ヒドロゲナーゼおよび他の酵素、ＣｏＴＭＰＰおよび／またはポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）等の他の触媒を、１００を超えるアスペクト比を持つ、自己組織化する直径の小さいナノファイバとして界面活性剤水溶液から合成される繊維として保持および提供し、電荷伝導性に対する低い抵抗を提供するフィラメントによって提供されてもよい。アニオン性界面活性剤硫酸ドデシルナトリウム（ＳＤＳ）を含む水溶液中の合成は、ＳＤＳの濃度を変更することによって、またさらには、ポリマー構造を生成するようにＦｅＣｌ₃を加えることによって、種々の構成を生成するように適応させることができる。（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，Ｓｍａｌｌ ２，Ｎｏ．１０，１１６４−６９（２００６）に記載されており、参照により、本明細書に組み込まれる）。他の例は、機能性触媒およびセルロースナノファイバーに由来するナノ複合体の形態のマイクロ伝導体、ならびに４級アンモニウム側鎖を有するポリアニリン（ＰＡＮＩ）およびポリ（ｐ−フェニレンエチニレン）（ＰＰＥ）誘導体を含む半電導性共役ポリマーを含む。アニオン性表面電化を持つセルロース、カーボン、またはセラミックのウィスカは、蟻酸等の極性溶媒からの溶液キャストであり得る安定した分散液を形成するように、正に帯電した共役ポリマーと組み合わせられてもよい。

調製物は、グラフトポリマー、有機金属アルコキシドの末端キャップ、金属アルキル、およびＣＯＯＨ末端基を含有する酢酸およびポリマー触媒の触媒的利点の用途を含む。特殊な機能性および二機能性末端基は、末端基の混合物とともに、触媒機能、反応安定剤、グラフト剤、および分散重合のプロモーターを含む多機能特性を生成するように選択されてもよい。同様に、水素および／または嫌気性微生物によって生成される酵素による炭素または他の基板の特化した活性化は、メタン生成を強化また抑制し、種々の有機物質からのさらなる水素生成を強化する、局所的に水素に富んだ環境を提供する。

図１〜３を参照すると、任意選択で、円筒状構成要素８、１０、１１、１１０、および／または１１４の表面の外側および内側に、１つ以上の補助的なフェルトおよび／または炭素フィラメントの織りスクリーンを提供することが有利であるかもしれない。そのような補助的なフェルトおよび／または織りスクリーンは、電極４、８、１１０、および／もしくは１１４、ならびに／または分離機１０もしくは１１とともに、圧力損失を減少、またはアルコールの流れをより等しく分布させ、所望のエネルギー変換動作において微生物の機能を促進させるように、粒、フィラメント、および／または他の構造を固定または優先的に置くための補助となることができる。

水素および二酸化炭素の純生産量を提供するための相補的および競合する反応およびプロセスの中には、等式８に要約されるプロセスの種々のステップがある。
炭素＋ ２Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ 電子 等式８

嫌気性消化槽もしくは電解槽からのアルコールと混合されたか、または種々の製造成果物の結果としての成分または炭素質の物質として供給され得る炭素を含む炭素は、等式８に要約されるように消費される。実例として、炭素は、電極を生成するための研削、機械加工、電気放電加工（ＥＤＭ）、および種々の熱化学的動作からのスクラップ、タンクライナーを含む電極上の電極被覆、または粒子、フィラメント、凝集剤、または有機物質の種々の程度の脱水素化の結果としてコロイド状もしくは他の懸濁液を含む、熱解離および反応プロセスによる選択された炭化物を含んでもよい。

そのような炭素および／または炭素ドナー原料は、供給されるアルコールからの二酸化炭素および他の栄養素を受け取る細菌、植物プランクトン、もしくはより大きな藻類によって、または、水耕および／もしくは地植えの植物への二酸化炭素の循環によって、再生可能に供給することができる。全体的な水素生産率を増加させるために、水素気泡の生成、核生成、および放出のためのフィラメントおよび導電性フィルタ物質等の相補的な導電性媒体を含む、高い表面対体積比を持つそのような形態の炭素を用いること、および示された反応を推進し、水素イオンを電極表面に送達する目的で炭素が送達されるゾーンに対し電圧勾配を提供することが有利である。

活性表面および／または凝集剤を増加させるために好適に提供されるものには、コロイド状炭素、活性炭、および炭化物の種々の形態とともに、細菌、タンパク質、単純および複雑な糖類、セルロース、熱解離されたセルロース、生きたおよび解離された植物プランクトン等の有機成分を含むものが含まれる。実例として、植物プランクトンおよび／またはより大きな藻類は、成長させ、乾燥させ、種々の程度まで熱的に脱水素化し、細分化された凝集剤を提供するように粉砕されたコーンシロップ等の結合剤と混合されてもよい。代替として、酵素の所望の生成もしくは効率を強化させるように、所望の微生物のインキュベーションを支持するように、あるいは水素もしくはメタンの生成および／または等式８によって示されるような電気分解のために水素イオンを生成するために炭素の消費を増加させるように、活性炭原料は、酵素受容体もしくは凝集剤として用いられる細分化された粒子を提供するように粉砕されてもよいか、または以前に開示された物質とともに使用されてもよい。

必要に応じて、時々塩水を使用すること、または水ベースの電解質に少量の塩を添加することにより、示される電解槽システムを迅速に消毒するか、またはその有害な汚れを防ぐための塩素を生成することができる。いくつかの実施形態、例えば図５の利用は、たとえ、廃水、商業用プロセス水、木灰水、海水、フライアッシュ水、用水路および排水溝の水、または嫌気性消化槽アルコール等の電解質を用いる場合においても、最終的なシステムが有害な汚れを本質的に含まないようにすることができる。さらに、そのようなシステムは、電極に送達された可能性のある粒子を除去するために、電解質または洗浄水を継手１１８から１３８に逆流させることによって、必要に応じて迅速に洗浄することができる。

大規模な地域の廃棄作業からナノサイズ電解槽までを含むいくつかの実施形態の用途は、水素および／もしくはメタンならびに／または二酸化炭素および他の植物養分の生成のために、有機物質を含有する溶液または「アルコール」がそこから供給される、従来の廃棄物消化槽の改善を含む。この能力において、いくつかの実施形態は、嫌気性消化槽によって生成される副産物の迅速かつ効率的な変換を提供し、水素イオンを水素に変換し、メタン生成操作の酸の劣化を克服することができる。操作においては、メタン生成システムの妨げとなり得るより酸性な条件の代わりに、７．０近くのｐＨの有益な回復および／または維持を提供するように、水素および二酸化炭素を生成するために嫌気性消化槽からのアルコールが用いられる。これにより、消化槽におけるｐＨを調節するための化学物質を添加するための高価な設備の要件を克服し、全体的なエネルギー変換効率の増加が可能になる。そのような中規模および大規模な用途において、性能を強化するための種々の活性条件にある物質を含む、炭素、窒化ホウ素、ゼオライト、ポリマー、およびセラミック等の粒の所望の保持を提供することもできる電子分布回路を含む多機能な構成要素を設計および操作することが有益である。

別の態様において、本明細書に開示されるような電解槽は、屠殺場、酪農工場、養鶏場、および他の動物飼育場等からの廃棄物とともに、都市下水および埋め立てごみ処理地を用いる用途を含む、通常、嫌気性消化によって生成される酸の迅速な変換を提供するように適用されてもよい。メタンの生成は、嫌気性条件によって生成される酸がｐＨ７を大きく下回るようにする場合に、遅延または阻止される。有機材料の供給速度が、微生物のメタン生成コロニーの能力を超えた場合、そのような酸が形成し得る。そのような酸から水素を抽出することにより、嫌気性消化による有機材料生成の速度を増加することができる。メタンと水素を組み合わせることにより、遥かに大きな廃棄物１トン当たりの純エネルギー生産量が提供され、プロセスの能力を増加させるために廃棄物がより迅速にプロセスされる。

いくつかの実施形態のうち特に有用な実施形態は、微量の酸素の生成とともに、または酸素を含まずに水素を生成するために、等式１〜６に要約される嫌気性の電気消化プロセスにおける加水分解ごみ、農業廃棄物、および森林の倒木や枝木とともに下水等の有機物質を用いる、廃棄物からエネルギーを生成する（Ｗａｓｔｅ−ｔｏ ｅｎｅｒｇｙ）用途である。頑健な構成および再循環動作は、電解質として用いられる嫌気性プロセスアルコール中の有機固体および粒子を含む溶解した固体に対する高い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比例的な放出なしに水素を生成することは、発電機等の電気機器における冷却ガスとしての廃棄物由来水素の利用のために、より高い効率および安全性を促進する。

本明細書に開示されるいくつかの実施形態の別の用途において、図７に示されるような電解槽システム９００は、酵素、機械的、熱的、音的、電気的、圧力、および／または化学作用によって、バイオマスの組織および／または細胞の破壊を提供し、より迅速またはより完全なプロセシング、消化、および／またはインキュベータの支持という目的を可能にするために調整器９５０においてプロセスを行う。調整器９５０からのそのような破壊された細胞を含む流体および変換機９０２によって生成される関連原料は、図示されるように、基部９１０の環状ディストリビュータ９２２を通って電解槽９１４に循環される。嫌気性微生物は、媒体９４０および９４２によって支持され、図示されるように、導管９１０を通って水素分離機９０４から再循環された液体、および導管９０８を通って二酸化炭素分離機９０６から再循環される液体を受け取る。電極９１８および／または媒体９４２は水素を放出し、電極９１６および／または媒体９４０は二酸化炭素を放出する。化合物の解離要件、および形成する絶縁膜を克服するための電圧増加に対するその時々の必要性に応じて、０．１〜約３ＶＤＣの範囲であり得る起電バイアスが、源９２４から回路９２６を通って電極９１６および９１８に提供される。水素は、回収および送達のために、所望の直列／並列の変形例によって導電性の表面であり得るか、または図示されるように絶縁体９３０によって包含および支持される、概ね円錐である表面９２５に沿って移動することにより、分離機９０４まで導管を通る。

操作において、アルコールはディストリビュータアニュラス９２２内で混合され、そのような粒を包んで電極９１６および／または９１８に対して実質的に近位に保持する活性炭クロスならびに／または粒９４０および９４２ならびに／または導電性フェルトに寄生する微生物に、プロセス反応物および栄養素を提供するために上方に移動する。以前に開示されたものを含む電荷伝導性、酵素および触媒の機能を強化するように、より小さな粒子およびフィラメントが、電解槽システム全体にわたる浸潤位置に加えられてもよい。分離機９０２は、逆浸透圧膜またはカチオンもしくはアニオン交換膜であってもよいか、あるいは、図２、３、４、または５に示される実施形態にしたがって構築されてもよく、いくつかの場合において、そのような分離機は、種々のアルコール循環経路を提供するため、および／または異なる圧力でもしくは水素および二酸化炭素の間の圧力差で水素および二酸化炭素を生成するために望ましくなり得るように、互いと関連付けられて使用されてもよい。

同様に、ガス生成量の増加、滞留電流の作用、または図示されるようなポンプによる送達によって循環されるアルコールから送達されるイオンから水素を生成するように、電極９１６が、隣接するフェルトおよび／または媒体９４０とともに電子源として動作する場合、多数の循環の選択肢が利用可能である。この選択肢において、二酸化炭素は、９０２および９５０から送達される酸から生成される、または図示されるように、電極９１８によって電極９１６の逆になるように電気的にバイアスされた繊維状もしくは粒状の媒体９４２および関連するフェルト材料に寄生する微生物によって生成される、水素イオンとして放出される。図示されるように、ガス回収機９０４への送達のために絶縁体９３０によって回収される水素を生成するように、電子が電極９１８によって供給される場合は、別の例示的な選択肢が生じる。この場合、図示されるように、二酸化炭素が絶縁体９３０を超えて回収機９０６まで送達されるときに、二酸化炭素は、図示される流体回路にポンプ作用を提供するように放出されるので、電極９１６およびそれと電気的に関連する媒体は電子回収機である。

図７を参照すると、システム９００は、光合成によって生成される、および／または微生物によって生成される有機原料等の有機原料を、メタン、水素、および／または二酸化炭素に変換するために使用することができる。寄生する微生物に応じて、通常、酢酸および酪酸等の酸を含むアルコールが尿素等の化合物とともに電解槽９１４において解離される。電解槽９１４は、そのような化合物および酸から水素を生成するために十分な電圧で電流を提供し、消化槽および電解槽としての動作を提供することができるか、嫌気性消化槽（図示せず）内で操作されてもよいか、または図示されるように、９１４における嫌気性消化によって生成されるアルコールを用いることができる。そのような操作は、炭素で強化した耐久性の高い商品を製造するための燃料および原料を地域に供給する目的で、地域および／または工業団地からの有機廃棄物を変換するために特に有用である。

特定の実施形態および例に関して本発明を説明してきたが、当業者は、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく、本発明の修正および改変が可能であることを容易に理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ制限される。

Claims (24)

1. 格納容器と、
   第１の電極と、
   第２の電極と、
   前記第１の電極および前記第２の電極と電気的に通信する電流源と、
   前記第１の電極および前記第２の電極と流体連通する電解質と、
   ガスであって、前記第１の電極で電気分解の間に形成される、ガスと、
   分離機であって、液体が前記分離機の第１の側面から前記分離機の第２の側面へ流れることを可能にするように構成されている、分離機と、を備え、
   前記分離機が、前記第１の電極を備え、前記第１の電極は、電子伝達およびガスの形成の位置を分離することによって、前記ガスの形成の位置を制御するように、前記電流源に対して近位の第１の導電性材料と、前記電流源に対して遠位の誘電性材料と、を備え、
   前記第１の電極は、電子伝達およびガスの形成の位置を分離することによって、前記ガスの形成の位置を制御し、核生成を促進することを特徴とする電解セル。
2. 第２の電極は、第２の導電性材料からなる、請求項１に記載の電解セル。
3. 前記第２の導電性材料は、フィラメントを含む、請求項２に記載の電解セル。
4. 前記第２の導電性材料は、ドープ半導体を含む、請求項３に記載の電解セル。
5. 前記第２の導電性材料は、炭素、ケイ素、窒化ホウ素、または炭化物を含む、請求項３に記載の電解セル。
6. 前記分離機は、微生物をさらに備え、前記第１の電極および／または前記第２の電極は、前記微生物を所望の位置に保持する、請求項２に記載の電解セル。
7. 格納容器と、
   第１の電極であって、前記第１の電極は表面積の増加を提供するように処理され、炭素、ケイ素、窒化ホウ素、または炭化物を含む、第１の電極と、
   第２の電極と、
   前記第１の電極および前記第２の電極と電気的に通信する電流源と、
   前記第１の電極および前記第２の電極と流体連通する電解質と、
   ガスであって、前記第１の電極で電気分解の間に形成される、ガスと、
   分離機と、を備え、
   前記第１の電極は、電子伝達およびガスの形成の位置を分離することによって、前記ガスの形成の位置を制御するように構成される、電解セル。
8. 前記第１の電極は、フィラメントを含む、請求項７に記載の電解セル。
9. 前記第１の電極は、金属を含む、請求項７に記載の電解セル。
10. 前記第１の電極は、ドープ半導体を含む、請求項７に記載の電解セル。
11. 前記分離機は、前記第１の電極を備え、前記分離機は、前記電流源に対して近位の第１の導電性材料と、前記電流源に対して遠位の誘電性材料と、を備える、請求項７に記載の電解セル。
12. 前記第２の電極は、前記誘電性材料に対して近位であり、前記電流源に対して遠位である第２の導電性材料からなる、請求項１１に記載の電解セル。
13. 前記分離機が、前記第１の電極を備える、請求項７に記載の電解セル。
14. 前記分離機は、微生物をさらに備え、前記第１の電極および／または前記第２の電極は、前記微生物を所望の位置に保持する、請求項１３に記載の電解セル。
15. 格納容器と、
    第１の電極と、
    第２の電極と、
    前記第１の電極および前記第２の電極と電気的に通信する電流源と、
    前記第１の電極および前記第２の電極と流体連通する電解質と、
    ガスであって、前記第１の電極で電気分解の間に形成される、ガスと、
    分離機であって、液体が前記分離機を通って流れることを可能にするように構成されている、分離機と、を備え、
    前記第１の電極は、電子伝達およびガスの形成の位置を分離することによって、前記ガスの形成の位置を制御し、核生成を促進することを特徴とする、電解セル。
16. 前記第１の電極は、表面積を増加させる形状をなす、請求項１５に記載の電解セル。
17. 前記第１の電極は、フィラメントを含む、請求項１６に記載の電解セル。
18. 前記第１の電極は、金属を含む、請求項１７に記載の電解セル。
19. 前記第１の電極は、ドープ半導体を含む、請求項１７に記載の電解セル。
20. 前記第１の電極は、炭素、ケイ素、窒化ホウ素、または炭化物を含む、請求項１７に記載の電解セル。
21. 前記分離機は、前記第１の電極を備え、前記分離機は、前記電流源に対して近位の第１の導電性材料と、前記電流源に対して遠位の誘電性材料と、を備える、請求項１５に記載の電解セル。
22. 前記第２の電極は、前記誘電性材料に対して近位であり、前記電流源に対して遠位である、請求項２１に記載の電解セル。
23. 前記分離機が、前記第１の電極を備える、請求項１５に記載の電解セル。
24. 前記分離機は、微生物をさらに備え、前記第１の電極および／または前記第２の電極は、前記微生物を所望の位置に保持する、請求項２３に記載の電解セル。

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