JP5852576B2 - Systems and methods for sustainable economic development through integrated full spectrum production of renewable energy - Google Patents

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Description

関連出願への相互参照
本出願は、2010年2月13日に出願されたFULL SPECTRUM ENERGY AND RESOURCE INDEPENDENCEと題する米国特許仮出願第61/304,403号、2010年2月17日に出願されたELECTROLYTIC CELL AND METHOD OF USE THEREOFと題する米国特許出願第12/707,651号、2010年2月17日に出願されたELECTROLYTIC CELL AND METHOD OF USE THEREOFと題するPCT出願番号PCT/US10/24497号、2010年2月17日に出願されたAPPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING NUCLEATION DURING ELECTROLYSISと題する米国特許出願第12/707,653号、2010年2月17日に出願されたAPPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING NUCLEATION DURING ELECTROLYSISと題するPCT出願番号PCT/US10/24498号、2010年2月17日に出願されたAPPARATUS AND METHOD FOR GAS CAPTURE DURING ELECTROLYSISと題する米国特許出願第12/707,656号、2010年2月17日に出願されたAPPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING NUCLEATION DURING ELECTROLYSISと題するPCT出願番号PCT/US10/24499号、及び2009年8月27日に出願されたELECTROLYZER AND ENERGY INDEPENDENCE TECHNOLOGIESと題する米国特許仮出願第61/237,476号に基づく優先権及びその利益を主張するものである。これらの出願は、参照によりその全体が組み込まれる。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application was filed on Feb. 17, 2010, US Provisional Application No. 61 / 304,403, FULL SPECTRUM ENERGY AND RESOURCE INDEPENDENCE filed on Feb. 13, 2010. US Patent Application No. 12 / 707,651 entitled ELECTROLYTIC CELL AND METHOD OF THE THEREOF, PCT Application No. PC97 / US101024 entitled ELECTROLYTIC CELL AND METHOD OF THE THEREOF filed on Feb. 17, 2010 APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING NUCLEATION DURING ELECTROLY filed on February 17, US Patent Application No. 12 / 707,653 entitled SIS, PCT application number PCT / US10 / 24498, February 2010, APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING NUCLEATION DURING ELECTROLYSIS filed on February 17, 2010. U.S. Patent Application No. 12 / 707,656 entitled APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING CONTROLLED NUMBERS APPLATUS AND METHODS FOR GAS CAPTURE DURING ELECTROLYSIS filed on February 17, 2010 US 10/24499 and 2009 Entitled ELECTROLYZER AND ENERGY INDEPENDENCE TECHNOLOGIES, filed Aug. 27, U.S. Pat which claims priority to and the benefit based on provisional application No. 61 / 237,476. These applications are incorporated by reference in their entirety.

電気を生産するための再生可能資源は、しばしば間欠的である。太陽エネルギーは日中の事象であり、日中太陽エネルギー濃度ポテンシャルは季節によって変化する。風力エネルギーは非常に変化しやすい。落水は季節によって変化し、長期にわたった干ばつ(extended draught)の影響を受けやすい。バイオマスは、季節で変化し、長期にわたった干ばつの影響を受けやすい。住居は、1日の需要、季節的需要、及び時折のエネルギー消費率を含む大きく変化する需要を有する。必要とされるまでエネルギー又は電気を蓄える実用的な方法が欠如しているために、世界中で、水力発電所、風力発電基地、バイオマス変換、及び太陽集熱器によって送達できるかもしれないエネルギーがほうっておかれ又は無駄にされる。増大する世界人口によるエネルギーに対する需要は、生産できるよりも多くの石油及び他の化石資源を要求する点にまで増大した。都市部は、化石燃料の燃焼によって引き起こされるスモッグ及び地球の気象の変化に悩まされる。   Renewable resources for producing electricity are often intermittent. Solar energy is a daytime event, and the daytime solar energy concentration potential varies with the season. Wind energy is highly variable. Falling water changes with the seasons and is susceptible to extended drought. Biomass varies from season to season and is susceptible to drought over time. The dwelling has highly varying demands including daily demand, seasonal demand, and occasional energy consumption rates. Due to the lack of a practical way to store energy or electricity until needed, there is energy around the world that can be delivered by hydropower plants, wind farms, biomass conversions, and solar collectors. You are left or wasted. The demand for energy by the growing world population has increased to require more oil and other fossil resources than can be produced. Urban areas suffer from smog and global weather changes caused by the burning of fossil fuels.

また、バイオ廃棄物由来の水、バイオマス廃棄物、又は有機酸のような供給原料の熱化学又は電気解離によって提供することができる水素、酸素、炭素、及び他の生成物に対する急増する需要が生じた。例えば、アンモニア生産、精製所、化学品製造及び食品加工を含む水素の世界市場は、400億ドルを超える。   There is also a surge in demand for hydrogen, oxygen, carbon, and other products that can be provided by thermochemical or electrodissociation of feedstocks such as water from biowaste, biomass waste, or organic acids. It was. For example, the global market for hydrogen, including ammonia production, refineries, chemical manufacturing and food processing, is over $ 40 billion.

燃料、金属、非金属、及び他の価値ある化学品の電気化学生産は、高価な電気、低い電解槽効率、高いメンテナンス費用、並びに所望の伝送、貯蔵、及び適用圧力への生産されるガスの圧縮ポンピングのようなエネルギー集約型作動に対する面倒な要件によって制限されている。これらの問題を減らす技術を提供する試みは、「Hydrogen Production From Water By Means of Chemical Cycles」、Glandt,Eduardo D.、及びMyers,Allan L.、Department of Chemical and Biochemical Engineering、University of Pennsylvania、Philadelphia, PA19174; Industrial Engineering Chemical Process Development、Vol.15、No.1、1976; 「Hydrogen As A Future Fuel」、Gregory, D.P.、Institute of Gas Technology;及び「Adsorption Science and Technology」、Second Pacific Basin Conference on Adsorption Science and Technologyのプロシーディング、Brisbane, Australia、 May2000年5月14〜18日、D.Do Duong、Duong D.Do、寄稿者(Contributor) Duong D.Do、World Scientific出版、2000年;ISBN9810242638、9789810242633のような刊行物に記され、本明細書に組み込まれる。   Electrochemical production of fuels, metals, non-metals, and other valuable chemicals involves expensive electricity, low cell efficiency, high maintenance costs, and the production of gas to the desired transmission, storage, and application pressure. Limited by cumbersome requirements for energy intensive operations such as compression pumping. Attempts to provide technologies to reduce these problems are described in “Hydrogen Production From Water By Means of Chemical Cycles”, Glandt, Eduardo D. And Myers, Allan L .; , Department of Chemical and Biochemical Engineering, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA 19174; Industrial Engineering Chemical Chemical. 15, no. 1, 1976; “Hydrogen As A Future Fuel”, Gregory, D .; P. , Institute of Gas Technology; and “Admission Science and Technology”, Second Pacific Basin Conference on Aud. Do Duong, Duong D. Do, Contributor Duong D. Do, World Scientific publication, 2000; described in publications such as ISBN 9810242638, 9789810246233, incorporated herein.

水素を酸素と混合できる電解槽は、自然発火又は爆発の潜在的な危険をはらんでいる。ガス生産電極の高価な半透過性膜分離を使用する低圧及び高圧電解槽を含む試みは、費用効果のある水素の生産を提供するのに失敗し、不純物による被毒に起因して劣化及び故障する傾向がある。膜分離が使用される場合であっても、高圧の酸素と水素の混合に起因する膜の破れ及び発火又は爆発の潜在的な危険性がある。   Electrolyzers that can mix hydrogen with oxygen pose a potential danger of spontaneous ignition or explosion. Attempts to include low pressure and high pressure electrolysers using expensive semi-permeable membrane separation of gas production electrodes have failed to provide cost-effective hydrogen production, and degradation and failure due to impurity poisoning Tend to. Even when membrane separation is used, there is a potential danger of membrane rupture and ignition or explosion due to high pressure oxygen and hydrogen mixing.

幾つかの市販の電解槽は、水素イオンのみを伝導するプロトン交換膜(proton exchange membrane)(PEM)が間にある、高価な多孔質電極を用いる(カナダのプロトンエネルギー会社及び電解槽会社(Proton Energy Company and the Electrolyzer Company of Canada)参照)。これは、分極の損失、ガスの蓄積、及び電極とPEM電解質との界面に到達することができる水の解離のために利用可能な電極領域の減少により、電極効率を制限する。限られた電極効率に伴うのは、酸素出口と水素出口との間の圧力差に起因する膜の破れ、補給水中の不純物に起因する膜の被毒、汚染物質又は膜のわずかな過熱に起因する不可逆的な膜の劣化、使われていない間に膜が乾ききる場合の膜の劣化又は破れ、並びに濃淡電池形成、触媒とバルク電極材料との間のガルバニ電池、及びグラウンドループのような1つ又は複数の誘因による侵食に起因する膜界面での電極の劣化を含む他の難しい問題である。電極とPEM 材料とを層状にすることで、反応の反応物又は生成物の組み込まれた停滞(built in stagnation)が提供されて、非効率的な作動が引き起こされる。PEM 電気化学電池は、高価な膜材料、界面活性剤、及び触媒を必要とする。PEM電池は、容易に被毒され、過熱され、溢れ出る又は乾ききり、且つ膜の漏れ又は破れに起因する作動上の危険を課す。   Some commercial electrolysers use expensive porous electrodes (Proton exchange membranes and electrolyzer companies in Canada), with a proton exchange membrane (PEM) that conducts only hydrogen ions. Energy Company and the Electric Company Company of Canada)). This limits electrode efficiency by reducing the electrode area available for loss of polarization, gas accumulation, and dissociation of water that can reach the interface between the electrode and the PEM electrolyte. Accompanying limited electrode efficiency is due to membrane rupture due to pressure difference between oxygen and hydrogen outlets, membrane poisoning due to impurities in make-up water, contaminants or slight overheating of the membrane 1 such as irreversible membrane degradation, membrane degradation or tearing when the membrane dries while not in use, and concentration cell formation, galvanic cell between catalyst and bulk electrode material, and ground loop Other difficult problems include electrode degradation at the membrane interface due to erosion by one or more triggers. Layering the electrode and PEM material provides a built-in stagnation of reactants or products of the reaction, causing inefficient operation. PEM electrochemical cells require expensive membrane materials, surfactants, and catalysts. PEM cells are easily poisoned, overheated, overflow or dry, and pose operational hazards due to membrane leakage or tearing.

能率の悪さに加えて、こうしたシステムに伴う問題は、寄生損失、高価な電極又は触媒及び膜、低いエネルギー変換効率、高価なメンテナンス、及び高い操業費用を含む。水素と酸素及び電気分解の他の生成物を加圧するために、圧縮機又はより高価な膜システムが状況により必要とされる。最後に述べた問題の帰結は、容認できないメンテナンス要件、高い修理費、及び多大な廃棄費用である。   In addition to inefficiencies, the problems associated with such systems include parasitic losses, expensive electrodes or catalysts and membranes, low energy conversion efficiency, expensive maintenance, and high operating costs. In order to pressurize hydrogen and oxygen and other products of electrolysis, a compressor or a more expensive membrane system is required in some circumstances. The consequences of the last mentioned problem are unacceptable maintenance requirements, high repair costs, and high disposal costs.

したがって、本発明の幾つかの実施形態の目的は、再生可能エネルギーの統合フルスペクトル生産を通じた持続可能な経済開発のためのシステム及び方法を提供することであり、これは、作動の不純物及び生成物を許容し、且つ上記に記載の現在の方法に伴う問題のうちの1つ又は複数に対処するために可逆的である、加圧された水素及び酸素を含む、ガスの分離された生産のための、電気化学セル又は電解セルの使用と、その使用方法を含むことができる。   Accordingly, an object of some embodiments of the present invention is to provide a system and method for sustainable economic development through integrated full spectrum production of renewable energy, which includes operational impurities and production. Of separated production of gas, including pressurized hydrogen and oxygen, which is reversible to allow for objects and to address one or more of the problems with the current methods described above The use of an electrochemical cell or an electrolysis cell for and methods for its use can be included.

本発明の一実施形態において、第1の再生可能エネルギー源であり、間欠的であるか又は十分な量のエネルギーを提供しない第1の再生可能エネルギー源を提供するステップと、電気分解を通じてエネルギーキャリアを生産するために第1の再生可能エネルギー源から電解槽にエネルギーを提供するステップと、燃料電池として用いるために電解槽を選択可能に逆転させるステップと、及びエネルギーの生産のために電解槽にエネルギーキャリアを提供するステップとを含む、再生可能エネルギー源を用いてエネルギー供給を提供するための方法が提供される。   In one embodiment of the present invention, providing a first renewable energy source that is a first renewable energy source that is intermittent or does not provide a sufficient amount of energy; and an energy carrier through electrolysis Providing energy to the electrolyzer from a first renewable energy source to produce, selectively reversing the electrolyzer for use as a fuel cell, and to the electrolyzer for energy production Providing a method of providing an energy supply using a renewable energy source.

別の実施形態において、第1の再生可能エネルギー源と、エネルギーキャリアを生産するために第1の再生可能エネルギー源に結合される電解槽であり、燃料としてエネルギーキャリアを用いる燃料電池として作動を選択可能に逆転できるように構成される電解槽と、電解槽からエネルギーキャリアを受け取る又は電解槽にエネルギーキャリアを提供するために電解槽に結合されるエネルギーキャリア貯蔵部と、第1の再生可能エネルギー源及び電解槽からエネルギーを選択的に受け取るため及び第1の再生可能エネルギー源及び電解槽からエネルギーを選択的に提供するために第1の再生可能エネルギー源及び電解槽に結合されるエネルギー貯蔵部とを備える、再生可能エネルギー資源を用いて実質的に連続したエネルギー供給を提供するためのシステムが提供される。   In another embodiment, a first renewable energy source and an electrolyzer coupled to the first renewable energy source to produce an energy carrier, selected to operate as a fuel cell using the energy carrier as a fuel An electrolytic cell configured to be reversibly possible, an energy carrier reservoir coupled to the electrolytic cell to receive energy carriers from the electrolytic cell or to provide energy carriers to the electrolytic cell, and a first renewable energy source And an energy storage coupled to the first renewable energy source and the electrolytic cell for selectively receiving energy from the electrolytic cell and for selectively providing energy from the first renewable energy source and the electrolytic cell; Providing a substantially continuous energy supply using renewable energy resources Because of the system is provided.

また別の実施形態において、第1の再生可能エネルギー源と、メタンを生産するために第1の再生可能エネルギー源に結合される電解槽であり、燃料電池として作動を選択可能に逆転できるように構成される電解槽と、電解槽からメタンを受け取る又は電解槽にメタンを提供するために電解槽に結合されるメタン貯蔵部と、第1の再生可能エネルギー源及び電解槽からエネルギーを選択的に受け取るため及び第1の再生可能エネルギー源及び電解槽からエネルギーを選択的に提供するために第1の再生可能エネルギー源及び電解槽に結合されるエネルギー貯蔵部と、を備える再生可能エネルギー資源を用いて実質的に連続したエネルギー供給を提供するためのシステムが提供される。   In yet another embodiment, a first renewable energy source and an electrolytic cell coupled to the first renewable energy source to produce methane so that operation can be selectively reversed as a fuel cell. Selectively configured to receive energy from the electrolytic cell, a methane reservoir coupled to the electrolytic cell to receive or provide methane to the electrolytic cell, a first renewable energy source, and the electrolytic cell Using a renewable energy resource comprising: an energy storage coupled to the first renewable energy source and the electrolytic cell for receiving and selectively providing energy from the first renewable energy source and the electrolytic cell; And a system for providing a substantially continuous energy supply.

本発明の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。しかしながら、詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、本発明の精神及び範囲内の種々の変化及び修正がこの詳細な説明から当業者には明らかとなるであろうことから、単に例証のためだけに与えられることを理解されたい。   Other features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description. However, although the detailed description and specific examples illustrate preferred embodiments of the present invention, various changes and modifications within the spirit and scope of the invention will become apparent to those skilled in the art from this detailed description. It should be understood that it will be given for illustration only.

本開示の態様に係る統合エネルギー、農業関連産業、及び工業の持続可能な経済開発のシステムを例証するブロック図である。1 is a block diagram illustrating an integrated energy, agricultural industry, and industrial sustainable economic development system according to aspects of the disclosure. FIG. 本開示の態様に係る持続可能な経済開発の統合生産のシステムを例証するブロック図である。1 is a block diagram illustrating an integrated production system for sustainable economic development according to aspects of the disclosure. FIG. 本開示の態様に係る持続可能な経済開発の統合生産の陸上ベースのシステムを概略的に例証する図である。FIG. 2 schematically illustrates a land based system of integrated production for sustainable economic development according to aspects of the present disclosure. 本開示の態様に係る持続可能な経済開発の統合生産の海洋ベースのシステムを例証する概略図である。1 is a schematic diagram illustrating an integrated production marine-based system for sustainable economic development according to aspects of the present disclosure. FIG. 本発明の原理に従って作動されるシステムの或る構成要素の略図である。1 is a schematic illustration of certain components of a system operated in accordance with the principles of the present invention. 本発明に従って作動される実施形態のシステム構成要素の部分縦断面図である。1 is a partial longitudinal sectional view of system components of an embodiment operated in accordance with the present invention. FIG. 本発明に従って作動される実施形態のシステム構成要素の部分縦断面図である。1 is a partial longitudinal sectional view of system components of an embodiment operated in accordance with the present invention. FIG. 本発明の原理に従って作動されるシステムの統合構成要素の略図である。1 is a schematic illustration of integrated components of a system that operates in accordance with the principles of the present invention. 図4のシステムの実施形態の断面図を示す。FIG. 5 shows a cross-sectional view of the embodiment of the system of FIG. 図4のシステムの別の実施形態の断面図を示す。FIG. 5 shows a cross-sectional view of another embodiment of the system of FIG. 本発明の原理に従って作動される実施形態の略図を示す。2 shows a schematic representation of an embodiment operated in accordance with the principles of the present invention. 図7の実施形態の詳細を示す図である。It is a figure which shows the detail of embodiment of FIG. 本発明に係る目的を達成するプロセスの詳細を示す図である。FIG. 4 shows details of a process for achieving the object according to the present invention. 本発明に係るプロセス作動を例証する図である。FIG. 3 illustrates a process operation according to the present invention. 本発明の目的に係るプロセスを示す図である。FIG. 3 shows a process according to the object of the present invention. 本発明の実施形態を概略的に例証する図である。FIG. 2 schematically illustrates an embodiment of the invention. 本発明の実施形態に係る電解槽を示す図である。It is a figure which shows the electrolytic cell which concerns on embodiment of this invention. 図1の実施形態の一部の拡大図を示す。FIG. 2 shows an enlarged view of a portion of the embodiment of FIG. 図2の実施形態のバリエーションを示す図である。It is a figure which shows the variation of embodiment of FIG. 本発明の実施形態に係る電解槽を示す図である。It is a figure which shows the electrolytic cell which concerns on embodiment of this invention. 図4の電解槽の一部に対する代替的な実施形態の拡大図である。FIG. 5 is an enlarged view of an alternative embodiment for a portion of the electrolytic cell of FIG. 4. 可逆燃料電池で用いられる螺旋電極の断面を示す。The cross section of the spiral electrode used with a reversible fuel cell is shown. 光合成によって生産される原料のような有機供給原料をメタン、水素、及び又は二酸化炭素に変換するためのシステムを示す。1 illustrates a system for converting organic feedstock, such as feedstock produced by photosynthesis, to methane, hydrogen, and / or carbon dioxide. 光合成によって生産される原料のような有機供給原料をメタン、水素、及び又は二酸化炭素に変換するためのシステムを示す。1 illustrates a system for converting organic feedstock, such as feedstock produced by photosynthesis, to methane, hydrogen, and / or carbon dioxide. 光合成によって生産される原料のような有機供給原料をメタン、水素、及び又は二酸化炭素に変換するためのシステムを示す。1 illustrates a system for converting organic feedstock, such as feedstock produced by photosynthesis, to methane, hydrogen, and / or carbon dioxide. 本開示の実施形態に係る電極を製造するための方法を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a method for manufacturing an electrode according to an embodiment of the present disclosure.

本出願は、2004年11月9日に出願されたMULTIFUEL STORAGE, METERING AND IGNITION SYSTEM(代理人整理番号69545−8013US)と題する米国特許仮出願第60/626,021及び2009年2月17日に出願されたFULL SPECTRUM ENERGY(代理人整理番号69545−8001US)と題する米国特許仮出願第61/153,253の主題のそのすべてを参照により組み込む。本出願はまた、以下の米国特許出願、すなわち、2010年8月16日に本出願と同時に出願されたMETHODS AND APPARATUSES FOR DETECTION OF PROPERTIES OF FLUID CONVEYANCE SYSTEMS(代理人整理番号69545−8003US)、COMPREHENSIVE COST MODELING OF AUTOGENOUS SYSTEMS AND PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF ENERGY, MATERIAL RESOURCES AND NUTRIENT REGIMES(代理人整理番号69545−8025US)、ELECTROLYTIC CELL AND METHOD OF USE THEREOF(代理人整理番号69545−8026US)、SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED PRODUCTION OF RENEWABLE ENERGY, MATERIALS RESOURCES, AND NUTRIENT REGIMES(代理人整理番号69545−8040US)、SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED FULL SPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLE MATERIAL RESOURCES(代理人整理番号69545−8042US)、METHOD AND SYSTEM FOR INCREASING THE EFFICIENCY OF SUPPLEMENTED OCEAN THERMAL ENERGY CONVERSION (SOTEC)(代理人整理番号69545−8044US)、GAS HYDRATE CONVERSION SYSTEM FOR HARVESTING HYDROCARBON HYDRATE DEPOSITS(代理人整理番号69545−8045US)、APPARATUSES AND METHODS FOR STORING AND/OR FILTERING A SUBSTANCE(代理人整理番号69545−8046US)、ENERGY SYSTEM FOR DWELLING SUPPORT(代理人整理番号69545−8047US)、ENERGY CONVERSION ASSEMBLIES AND ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE(代理人整理番号69545−8048US)、及びINTERNALLY REINFORCED STRUCTURAL COMPOSITES AND ASSOCIATED METHODS OF MANUFACTURING(69545−8049US)の各々の主題のそれらの全体を参照により本明細書に組み込む。   This application is filed on Nov. 9, 2004, US Provisional Application Nos. 60 / 626,021 and 17 Feb. 2009 entitled MULTIFUL STORE, METERING AND IGNITION SYSTEM (Attorney Docket No. 69545-8013US). All of the subject matter of US Provisional Application No. 61 / 153,253 entitled FULL SPECTRUM ENERGY (Attorney Docket No. 69545-8001US) is incorporated by reference. This application is also filed with the following US patent applications: METHODS AND APPARATIES FOR DETECTION OF PROPERITES OF FLUID CONVEYANCE SYSTEMS (Attorney Docket No. 69545-8003US), filed concurrently with this application on August 16, 2010, COMPREHENSIV. MODELING OF AUTOGENOUS SYSTEMS AND PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF ENERGY, MATERIAL RESOURCES AND NUTRIENT REGIMES (Attorney Docket Number 69545-8025US), ELECTROLEFLY CITY Attorney Docket No. 69545-8026US), SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED PRODUCTION OF RENEWABLE ENERGY, MATERIALS RESOURCES, AND NUTRIENT REGIMES (Attorney Docket No. 69545-8040US), SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED FULL SPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLE MATERIAL RESOURCES (attorney (Reference number 69545-8042US), METHOD AND SYSTEM FOR INCREASING THE EFFICIE CY OF SUPPLEMENTED OCEAN THERMAL ENERGY CONVERSION (SOTEC) (Attorney Docket No. 69545-8044US), GAS HYDRATE CONVERSION SYSTEM FOR HARVESTING HYDROCARBON HYDRATE DEPOSITS (Attorney Docket No. 69545-8045US), APPARATUSES AND METHODS FOR STORING AND / OR FILTERING A SUBSTANCE (Agency reference number 69545-8046US), ENERGY SYSTEM FOR DWELLING SUPPORT (Agency reference number 69545-8047US), ENERGY CONVERSION ASSEMBL ES AND ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE (Attorney Docket No. 69545-8048US), and Internally REINFORCED STRUCTURAL COMPOSITES incorporated herein by reference in their entirety for the subject matter of each of the AND ASSOCIATED METHODS OF MANUFACTURING (69545-8049US).

上記で挙げられた詳細並びに本発明に係る他の利点及び目的が得られる方法を十分に理解するために、本発明のより詳細な説明が、その具体的な実施形態を参照することによって与えられるであろう。   In order to fully appreciate the details given above and the manner in which other advantages and objects of the invention may be obtained, a more detailed description of the invention is provided by reference to specific embodiments thereof. Will.

図1Aは、再生可能エネルギーの生産及び材料資源の抽出のためのフルスペクトル・エネルギー・パーク200と、再生可能な栄養分(Nutrient Regimes)(ヒト、動物、及び植物の栄養)及びエネルギー供給原料(バイオマス、バイオ廃棄物、及びバイオ燃料)の生産のためのフルスペクトル農業関連産業ネットワーク300と、持続可能な材料資源の生産とゼロエミッション製造のためのフルスペクトル工業パーク400とを含む、3つの相互に関係付けられるシステムからなるフルスペクトル統合生産システム100を示す。   FIG. 1A shows a full spectrum energy park 200 for renewable energy production and material resource extraction, as well as renewable nutrients (human, animal and plant nutrition) and energy feedstock (biomass). , Biowaste, and biofuels), and three full spectrum agriculture related industrial networks 300 and a full spectrum industrial park 400 for sustainable material resource production and zero emissions production. 1 shows a full spectrum integrated production system 100 consisting of related systems.

図1Aは、エネルギー、材料、及び情報をそれらのシステム間で交換できるようにする、システム200、300、及び400の統合としてのシステム100を示す。システム100の統合、特にシステム200内の方法は、有益な生産能力及び生産効率の増加を達成できる非常に大きい熱機関として効果的に機能するように熱的に結合されて熱力学的全体システムを形成する、複数の相互に関係付けられる熱機関の熱力学的特性を使用する。システム100内で、システム200は、特に、太陽熱、地熱、海洋熱、及びエンジン熱源間での相乗的なリンクを達成することを担い(dedicated)、特定のサイト位置の利用可能な再生可能エネルギーの総出力を増加させ、且つエネルギーと抽出された材料資源をシステム300及び400に提供するようにする。   FIG. 1A shows system 100 as an integration of systems 200, 300, and 400 that allow energy, materials, and information to be exchanged between the systems. The integration of system 100, particularly the method in system 200, is thermally coupled to effectively function as a very large heat engine that can achieve beneficial production capacity and increased production efficiency. Uses the thermodynamic properties of a plurality of interrelated heat engines to form. Within the system 100, the system 200 is specifically responsible for achieving a synergistic link between solar, geothermal, ocean heat, and engine heat sources, and the availability of renewable energy at a particular site location. Increase the total power and provide the systems 300 and 400 with energy and extracted material resources.

フルスペクトル・エネルギー・パーク200は、単一の大きい熱機関として効果的に機能するために熱的に結合され、そのシステムとサブシステムは、2段階以上の段階で加熱される作動流体を用いてエネルギー・カスケードを確立するために相互に関係付けられる。システム200の利用可能な再生可能エネルギーの総出力は、作動流体の熱力学的特性(温度、圧力、純度、位相シフト、及びエネルギー変換効率など)を最適化するカスケード効果を達成するために、作動流体を太陽、地質、エンジン、及び他の熱源の間で系統立てて動かすことによって増加される。1つの段階のエネルギー出力は、作動の増加した効率及び経済性を伴って再生的又は自発的様式で作動するように別の段階の重要なプロセスにおいて再使用(re−invested)される。   The full spectrum energy park 200 is thermally coupled to effectively function as a single large heat engine, and its system and subsystems use a working fluid that is heated in two or more stages. Interrelated to establish an energy cascade. The total available renewable energy output of the system 200 operates to achieve a cascade effect that optimizes the thermodynamic properties of the working fluid (such as temperature, pressure, purity, phase shift, and energy conversion efficiency). Increased by systematically moving fluid between the sun, geology, engine, and other heat sources. The energy output of one stage is re-invested in a critical process of another stage to operate in a regenerative or spontaneous manner with increased efficiency and economy of operation.

フルスペクトル・エネルギー・パーク200の機能は、再生エネルギー源の任意の1つの単独での収穫、変換、及び貯蔵によって達成することができない集合する及び相乗的な恩恵をもたらすためにシステム間の自発的又は再生的なエネルギー・カスケードを確立するように、太陽、風、流水、地熱、バイオマス、及び内燃機関のような再生可能エネルギー源間での運動エネルギー、熱エネルギー、及び放射エネルギー形態の収穫、変換、及び貯蔵を含む。自発的又は再生的なエネルギー方法がシステム200、300、及び400で実施される。さらに、システム200は、システム300及び400で用いられる多数の化学(chemicals)の材料資源の抽出に向けられる。例えば、システム400でのその後の耐久性のある物品の製造生産のための原材料として炭素を抽出する(抽出は、システム200、300、及び400で行うことができる)手段として熱化学再生が用いられる。別の例において、熱化学再生はまた、システム300で用いられる植物肥料のその後の製造生産のための窒素及び微量ミネラルを抽出する手段として用いることができる。さらに、システム200は、バイオ廃棄物、バイオマス、及びバイオ燃料の変換、典型的には、電力発電及び/又は輸送のための内燃機関及び/又は燃料電池用の燃料としてシステム200、300、及び400での要望に応じたバイオメタンガス及び/又は水素ガスの貯蔵、輸送、及び使用を達成することに向けられる。   The function of full spectrum energy park 200 is voluntary between systems to provide collective and synergistic benefits that cannot be achieved by harvesting, converting, and storing any one of the renewable energy sources alone. Or harvest, convert kinetic, thermal, and radiant energy forms between renewable energy sources such as solar, wind, flowing water, geothermal, biomass, and internal combustion engines to establish a regenerative energy cascade And storage. Spontaneous or regenerative energy methods are implemented in systems 200, 300, and 400. Furthermore, the system 200 is directed to the extraction of a number of chemicals material resources used in the systems 300 and 400. For example, thermochemical regeneration is used as a means of extracting carbon as a raw material for subsequent production of durable articles in system 400 (extraction can be performed in systems 200, 300, and 400). . In another example, thermochemical regeneration can also be used as a means of extracting nitrogen and trace minerals for subsequent production production of plant fertilizers used in system 300. Further, the system 200 can be used as a fuel for internal combustion engines and / or fuel cells for biowaste, biomass, and biofuel conversion, typically for power generation and / or transportation. Is directed to achieving storage, transport, and use of biomethane gas and / or hydrogen gas according to demands in the United States.

太陽熱、地熱、海洋熱、及びエンジン熱源の取り扱いは、種々の気候地域の場所でのシステム100の据え付け、及び陸上ベースと海洋ベースとの両方での据え付けのための非常に適応的な統合プラットフォームを提供する。増加した場所適応性のための工学技術は、これにより、再生可能エネルギーの収穫の全体的な利用可能性を大いに増加させ、したがって、地方経済、地区経済、国家経済、及び世界経済のための経済的に実行可能な解決策を提供する。   The handling of solar, geothermal, ocean heat, and engine heat sources provides a highly adaptive integrated platform for installation of the system 100 in various climatic locations, as well as on both land and ocean bases. provide. Engineering for increased site adaptability thereby greatly increases the overall availability of renewable energy harvesting, and thus the economy for local, district, national and global economies. A practically viable solution.

システム300での食物生産は、陸上サイトと海洋サイトとの両方に据え付けることができる。収穫物農場、畜産場、牧場、豚及び鶏の工業生産設備、淡水漁業、大洋漁業、酪農場などは、システム200で生産されるエネルギーの消費者としてシステム200にリンクすることができるが、転じて廃棄副産物を生じ、これは再生可能エネルギーと再生可能な材料資源に変換するためのシステム200に方向転換(diverted)される。さらに、システム300は、光合成ベースのエネルギー収穫の実行可能性を増加させるために、藻類、スイッチグラス、及び他の収穫物のようなこうしたバイオ燃料収穫物のためのエネルギー供給原料の生産の増加に向けられる。生産システム200、300、及び400の各々において水の生産、精製、及び保存のための方法及び装置が用いられる。しかしながら、食物生産における大量の水に対する要件を満たし、且つ従来の食物生産慣行による廃棄物及び水の汚れに起因する持続不可能性(unsustainability)の記述された問題を克服するために、これらはシステム300の重要な構成要素である。   Food production in system 300 can be installed at both onshore and offshore sites. Harvested farms, livestock farms, ranches, pig and chicken industrial production facilities, freshwater fisheries, ocean fisheries, dairy farms, etc. can be linked to system 200 as consumers of energy produced by system 200, but in turn. Waste by-products, which are diverted to a system 200 for conversion into renewable energy and renewable material resources. Furthermore, the system 300 will increase the production of energy feedstock for such biofuel crops such as algae, switchgrass, and other crops to increase the feasibility of photosynthetic-based energy harvesting. Directed. In each of the production systems 200, 300, and 400, methods and apparatus for water production, purification, and storage are used. However, in order to meet the requirements for large amounts of water in food production and to overcome the described problems of unsustainability due to waste and water contamination from conventional food production practices, these are systems 300 key components.

システム統合は、天然資源の枯渇を回避し、且つ汚染及び生産の副産物としての有毒なエミッションのような破壊的な環境への影響を低減し又は無くすために、再生可能な方法を用いるエネルギー、材料資源、及び栄養分の生産の増加として定義される「持続可能性」のための能力を増加させる。持続可能性は、現在の消費者の当面の短期の恩恵だけでなく将来の発電の長期の安寧(wellbeing)のために実行可能な、エネルギー、材料、及び食品の生産方法を必要とする。   Energy, materials that use renewable methods to avoid depletion of natural resources and reduce or eliminate destructive environmental impacts such as toxic emissions as a by-product of pollution and production. Increase capacity for “sustainability”, defined as increased production of resources and nutrients. Sustainability requires energy, material, and food production methods that are viable for the long-term wellbeing of future power generation as well as the immediate short-term benefits of current consumers.

システム統合は、様々な気候地域への大いに改善された適応性(すなわち、温帯気候、熱帯気候、及び寒帯気候の多様な資源特徴に順応することにより、再生可能エネルギーを適応して収穫すること)によって多くの集合的な据え付けサイトを再現し、且つ利用可能なサイト位置の数を増加させる能力によって達成される、エネルギー、材料、及び食品の生産の顕著な増加として定義される「経済的なスケーラビリティ」のための生産能力の増加を可能にする。こうした経済的なスケーラビリティは、人口増加と、途上国の迅速に増加するエネルギー要件を支えるために、地球の持っている能力を増加させることを必要とする。使用の成功のために、こうした生産方法及び場所は、直ちに使用可能でなければならず、従来の化石燃料源及び/又は核エネルギー源を用いることと比べた場合のエネルギー、材料、及び食物生産の現在の生産手段への経済的に実行可能な代替法を提示しなければならない。   System integration greatly improved adaptability to different climatic regions (ie adapting and harvesting renewable energy by adapting to diverse resource characteristics of temperate, tropical and cold climates) "Economic scalability" defined as a significant increase in energy, material and food production achieved by the ability to reproduce many collective installation sites and increase the number of available site locations Allows for increased production capacity for This economic scalability requires increasing the capacity of the planet to support population growth and the rapidly increasing energy requirements of developing countries. For successful use, these production methods and locations must be readily available and provide energy, material, and food production as compared to using conventional fossil fuel sources and / or nuclear energy sources. An economically viable alternative to current means of production must be presented.

システム統合は、ゼロ−エミッション及びゼロ−廃棄物のエネルギー生産200、材料生産400、及び食物生産300方法をさらに可能にし、そうでなければ焼却される、埋立地に埋め立てられる、又は帯水層、河川、海洋に投棄される、若しくは汚染物質として大気中に放出されるであろうシステム300において生じる有機廃棄物が、代わりにシステム200で見られるようにバイオマス、バイオ廃棄物、及びバイオ燃料変換システムに系統立てて引き込まれ、システム200におけるエネルギーと材料資源の抽出が、耐久性のある物品の生産のためのシステム400に渡され、システム200におけるエネルギーと材料資源の抽出はまた、ヒト、陸上及び海洋の動物、及び植物のための栄養分の生産のためのシステム300に渡される。   System integration further enables zero-emission and zero-waste energy production 200, material production 400, and food production 300 methods that would otherwise be incinerated, landfilled, or aquifers, Biomass, biowaste, and biofuel conversion systems where organic waste generated in the system 300 that would be dumped into rivers, oceans, or released into the atmosphere as pollutants is instead found in the system 200 Systematic extraction, energy and material resource extraction in system 200 is passed to system 400 for the production of durable articles, and energy and material resource extraction in system 200 is also Passed to system 300 for the production of nutrients for marine animals and plants .

システム統合は、これらの相互に依存する全体として機能するような状態でエネルギー生産を食物生産及び材料資源生産と意図的にリンクする単一の経済的な生産ユニットを確立する。   System integration establishes a single economic production unit that deliberately links energy production with food production and material resource production in a manner that functions as an interdependent of these.

フルスペクトル統合生産システムは、したがって、現存の比較できる再生可能エネルギーのインフラストラクチャがない場所又は共同体、又は製造能力が不十分であり且つ失業が当たり前である場所、若しくは食物生産が不十分であり且つ貧困と栄養失調が当たり前である場所における据え付けに適している。この統一された経済的生産方法を導入する目的は、GDPに付随する増加した生活の質を伴う国内総生産(GDP)の増加と、有意義な雇用に付随する改善された生活の質を伴う系統的な雇用創出を可能にすることである。   A full-spectrum integrated production system is therefore a place or community where there is no existing comparable renewable energy infrastructure, or where production capacity is insufficient and unemployment is taken for granted, or food production is insufficient and Suitable for installation where poverty and malnutrition are commonplace. The purpose of introducing this unified economic production method is to increase the gross domestic product (GDP) with the increased quality of life associated with GDP and the system with an improved quality of life associated with meaningful employment. It is possible to create effective employment.

そのうえ、システム統合は、それらが相互に依存する全体として機能して汚染及び環境の劣化につながる焼却、埋立て、及び投棄の従来の廃棄物慣行に割り込むように廃棄物管理をエネルギー変換慣行と意図的にリンクする単一の経済的な生産ユニットを確立する。   In addition, system integration intends waste management to be an energy conversion practice and intent so that they function as a whole interdependent and lead to incineration, landfill and dumping conventional waste practices that lead to pollution and environmental degradation. A single economical production unit that links together.

フルスペクトル統合生産システムは、システム全体にわたる統合慣行としての持続可能な廃棄物からエネルギーへの変換の使用を導入する。この統合システムの目的は、自然環境を保護し、有限の天然資源を保全し、伝染病を減らし、陸、水、及び空気の汚染を減らすこと(メタン及びCO2のような気候変動を引き起こす温室効果ガスの減少を含む)である。   Full spectrum integrated production systems introduce the use of sustainable waste-to-energy conversion as a system-wide integration practice. The purpose of this integrated system is to protect the natural environment, conserve finite natural resources, reduce infectious diseases, reduce land, water, and air pollution (greenhouse effects that cause climate change such as methane and CO2). Including gas reduction).

フルスペクトル統合生産システム100は、自然生態系を模擬するヒト−システム生産環境における「産業エコロジー」を達成する手段を提供し、この場合、システムと廃棄物との間のエネルギーと材料の流れは、閉ループの様式での新しいプロセスに対する入力となり、それでもなおシステム全体は、太陽(太陽熱)、地球(地熱)、海洋(海洋熱)、及びバイオマス変換(エンジン熱)システムによって提供される再生可能な持続可能なエネルギーに対して開かれている。   Full spectrum integrated production system 100 provides a means to achieve “industrial ecology” in a human-system production environment that mimics a natural ecosystem, where the energy and material flow between the system and waste is: Input to new processes in a closed-loop manner, yet the entire system is still renewable and sustainable provided by solar (solar heat), earth (geothermal), ocean (ocean heat), and biomass conversion (engine heat) systems Open to new energy.

図1Bは、栄養分(例えば、ヒト、動物、又は植物の栄養のための生成物)の生産及び材料資源(例えば、水素及び炭素)の生産と同時にエネルギー(例えば、電気及び燃料)の生産を含む、持続可能な経済開発のフルスペクトル統合生産システム100を例証するブロック図である。システム100は、各サブシステムの幾らかの又はすべてのエネルギー、物質、及び/又は副産物を取り込み及び再使用する自発的にカスケードするエネルギー変換の適応制御を伴う統合された及び相互に依存するサブシステムからなる。したがって、システム100の継続的な作動は、外部エネルギー又は材料資源の最小限の導入で又は導入なしに持続される。システム100は、とりわけ、従来の技術を用いて達成可能であるよりも多くのエネルギー、食品、及び材料資源の生産である、再生可能エネルギー、食品の生産、及び材料資源の生産の利用のような、持続可能な経済開発を容易にする産業エコロジーの例である。   FIG. 1B includes the production of energy (eg, electricity and fuel) simultaneously with the production of nutrients (eg, products for human, animal or plant nutrition) and the production of material resources (eg, hydrogen and carbon). 1 is a block diagram illustrating a full spectrum integrated production system 100 for sustainable economic development. System 100 is an integrated and interdependent subsystem with adaptive control of spontaneous cascading energy conversion that captures and reuses some or all of the energy, materials, and / or byproducts of each subsystem. Consists of. Thus, continuous operation of the system 100 is sustained with or without a minimal introduction of external energy or material resources. The system 100, among other things, uses renewable energy, food production, and material resource production, which is the production of more energy, food, and material resources than can be achieved using conventional techniques. An example of industrial ecology that facilitates sustainable economic development.

フルスペクトル・エネルギー・パーク200は、再生可能なソース210(例えば、太陽、風、流水、地熱、排熱)からエネルギーを取り込む方法を、再生可能な供給原料220(例えば、バイオ廃棄物320、バイオマス310)からエネルギーを生産する方法及び材料資源(例えば、水素230、炭素240、他の材料資源、例えば微量ミネラル250、純水260)を生産する方法と協働させる。エネルギーは、エネルギーの生産における乗数効果を生じる自発的にカスケードするエネルギー変換の適応制御方法を用いて、貯蔵され、取り出され、及び輸送される。エネルギー収穫及び生産プロセス中に、材料資源(例えば、水素及び炭素)は、再生可能エネルギーの生産に用いられるバイオ廃棄物及びバイオマス供給原料から抽出される。フルスペクトル・エネルギー・パーク200は、エネルギー、材料資源、及び栄養分の生産における効率の改善を達成するために、前記エネルギー及び前記資源を貯蔵し、取り出し、輸送し、監視し、及び制御する。   Full spectrum energy park 200 provides a method for capturing energy from renewable sources 210 (eg, solar, wind, running water, geothermal, waste heat), renewable feedstock 220 (eg, biowaste 320, biomass 310) in conjunction with a method of producing energy and a method of producing material resources (eg hydrogen 230, carbon 240, other material resources such as trace minerals 250, pure water 260). Energy is stored, extracted and transported using an adaptive control method of spontaneous cascading energy conversion that produces a multiplier effect in the production of energy. During the energy harvesting and production process, material resources (eg, hydrogen and carbon) are extracted from biowaste and biomass feedstock used for the production of renewable energy. Full spectrum energy park 200 stores, retrieves, transports, monitors and controls the energy and resources to achieve improved efficiency in energy, material resources and nutrient production.

生産されるエネルギー210、220のうちの幾らかは、フルスペクトル農業関連産業ネットワーク300に提供される。生産されるエネルギー210、220のうちの幾らかは、フルスペクトル工業パーク400に提供される。生産されるエネルギー210、220のうちの幾らかは、フルスペクトル・エネルギー・パーク200において再使用される。生産されるエネルギー201、220のうちの幾らかは、外部受容者に提供され、及び/又は米国送電網及び/又は米国ガスパイプラインに加えられる。   Some of the energy 210, 220 produced is provided to the full spectrum agriculture related industrial network 300. Some of the energy 210, 220 produced is provided to the full spectrum industrial park 400. Some of the energy 210, 220 that is produced is reused in the full spectrum energy park 200. Some of the energy 201, 220 produced is provided to external recipients and / or added to the US grid and / or US gas pipeline.

フルスペクトル農業関連産業ネットワーク300は、フルスペクトル・エネルギー・パーク200によって生産される再生可能エネルギーを受け入れて、農業、家畜業、及び漁業サブシステムの機能に動力を与える。これは、農機具、車両、ボート、及び船のための再生可能な燃料、と、照明設備、熱設備、機械設備などのための電気とを含む。   The full spectrum agriculture related industrial network 300 accepts renewable energy produced by the full spectrum energy park 200 and powers the functions of the agriculture, livestock and fishery subsystems. This includes renewable fuels for farm equipment, vehicles, boats, and ships, and electricity for lighting, heat, machinery, and the like.

フルスペクトル農業関連産業ネットワーク300は、フルスペクトル・エネルギー・パーク200によって生産される他の材料資源(例えば、微量ミネラル250)及び純水260のような材料資源及び副産物を受け入れて、農業、家畜業、及び漁業サブシステムにおける栄養分を富化し、且つ植物収穫物340及び動物収穫物350の生産における増加した効率を生じる。   The full spectrum agriculture related industrial network 300 accepts other material resources (eg, trace mineral 250) produced by the full spectrum energy park 200 and material resources and by-products such as pure water 260 for agriculture, livestock industry. And enrich the nutrients in the fishery subsystem and result in increased efficiency in the production of plant harvest 340 and animal harvest 350.

フルスペクトル農業関連産業ネットワーク300は、エネルギー供給原料を収穫し、且つこれを再生可能エネルギーの生産に用いるためにフルスペクトル・エネルギー・パーク200に供給する。適切な供給原料は、バイオマス310(例えば、刈り取った収穫物(crop slash))、バイオ廃棄物320(例えば、汚水、農業廃水、食肉加工廃棄物、漁場からの廃水)、バイオ燃料ストック330(例えば、藻類、スイッチグラス)などを含む。   The full spectrum agricultural industry network 300 harvests energy feedstock and supplies it to the full spectrum energy park 200 for use in the production of renewable energy. Suitable feedstocks include biomass 310 (eg, crop slash), biowaste 320 (eg, sewage, agricultural wastewater, meat processing waste, wastewater from fishing grounds), biofuel stock 330 (eg, , Algae, switchgrass).

フルスペクトル工業パーク400は、フルスペクトル・エネルギー・パーク200によって生産される再生可能エネルギーを再利用(ruses)して、持続可能な材料資源の生産及びゼロ−エミッション製造の機能に動力を与える。これは、内燃機関(例えば、定置機関、車両)のための再生可能な燃料と、照明設備、熱設備、機械設備などのための電気とを含む。   Full spectrum industrial park 400 reuses the renewable energy produced by full spectrum energy park 200 to power the function of sustainable material resource production and zero-emission manufacturing. This includes renewable fuels for internal combustion engines (eg stationary engines, vehicles) and electricity for lighting equipment, thermal equipment, mechanical equipment, etc.

フルスペクトル工業パーク400は、フルスペクトル・エネルギー・パーク200から受け入れた材料資源230、240及び副産物250を使って、付加的な材料資源(例えば、デザイナーカーボン(designer carbon)420、及び工業用ダイヤモンド430)を生産する。   Full spectrum industrial park 400 uses material resources 230, 240 and by-products 250 received from full spectrum energy park 200 to add additional material resources (eg, designer carbon 420, and industrial diamond 430). ) To produce.

フルスペクトル工業パーク400は、フルスペクトル・エネルギー・パーク200から受け入れた材料資源及び副産物を用いて、太陽熱デバイス410、風力タービン410、水力タービン410、電解槽410、内燃機関及び発電機410、自動車、船、及びトラックの部品440、半導体450、ナノテクノロジー460、農機具及び漁具470などを含む、炭素ベースのグリーンエネルギーマシン410のような製品を製造する。   Full spectrum industrial park 400 uses material resources and by-products received from full spectrum energy park 200 to produce solar thermal device 410, wind turbine 410, hydro turbine 410, electrolytic cell 410, internal combustion engine and generator 410, automobile, Manufacture products such as carbon-based green energy machines 410, including ship and truck parts 440, semiconductors 450, nanotechnology 460, farm equipment and fishing gear 470, and the like.

フルスペクトル工業パーク400は、これらの製品及び副産物のうちの幾つか又はすべてをフルスペクトル・エネルギー・パーク200及びフルスペクトル農業関連産業ネットワーク300に提供する。   Full spectrum industrial park 400 provides some or all of these products and by-products to full spectrum energy park 200 and full spectrum agricultural industry network 300.

フルスペクトル・エネルギー・パーク200は、フルスペクトル工業パーク400によって生産され及び提供される太陽熱デバイス410、風力タービン410、水力タービン410、電解槽410、内燃機関及び発電機410などを用いて、再生可能エネルギーを生産する。   Full spectrum energy park 200 is renewable using solar thermal device 410, wind turbine 410, hydro turbine 410, electrolyzer 410, internal combustion engine and generator 410, etc. produced and provided by full spectrum industrial park 400 Produce energy.

フルスペクトル農業関連産業ネットワーク300は、フルスペクトル工業パーク400によって生産され及び提供される内燃機関及び発電機410、農機具及び漁具470、並びに他のデバイスを用いて栄養分を生産する。   Full spectrum agriculture related industry network 300 produces nutrients using internal combustion engines and generators 410, farm equipment and fishing gear 470, and other devices produced and provided by full spectrum industrial park 400.

フルスペクトル統合生産システム100によって生産されるエネルギーは、再生可能エネルギーのさらなる生産を駆動するためにエネルギーの再使用を含むすべてのサブシステムに対する動力を提供する。同時に、システム100内で生産される幾つかの又はすべての生成物及び副産物は、すべてのサブシステムの機能で使われる。同時に、システム100によって生産される廃棄物は、すべてのサブシステムの機能のための供給原料として取り込まれ及び用いられる。統合された及び相互に依存するサブシステムは、自発的にカスケードするエネルギー変換及び材料資源の自発的な再生を管理するために適応制御を用いる。したがって、システムは、再生可能エネルギー、持続可能な材料資源、及び他の副産物をサブシステム(エネルギー・パーク、農業関連産業ネットワーク、工業パーク)の異なるソース及びプロセスに絶えず再使用する。このように、システム100は、システム内の種々の資源から、従来の手段で達成可能であるよりも大量の供給されるエネルギー及び資源を利用する。この工業共生は、とりわけ、システム内の再生可能な供給原料及び副産物源から収穫された種々の資源及びエネルギーの量に対して乗数効果を生じ、価値を付加し、費用を低下させ、及び環境を改善する。   The energy produced by the full spectrum integrated production system 100 provides power for all subsystems including energy reuse to drive further production of renewable energy. At the same time, some or all products and by-products produced in system 100 are used in the function of all subsystems. At the same time, the waste produced by the system 100 is captured and used as a feedstock for all subsystem functions. Integrated and interdependent subsystems use adaptive control to manage spontaneous cascading energy conversion and spontaneous regeneration of material resources. Thus, the system continually reuses renewable energy, sustainable material resources, and other by-products into different sources and processes of subsystems (energy parks, agricultural related industrial networks, industrial parks). Thus, the system 100 utilizes a greater amount of supplied energy and resources from the various resources in the system than can be achieved by conventional means. This industrial symbiosis produces, among other things, a multiplier effect on the amount of various resources and energy harvested from renewable feed and by-product sources in the system, adding value, reducing costs, and reducing the environment. Improve.

図1Cは、陸上ベースのシステムに対する種々の例示的な機能性ゾーンを示すフルスペクトル統合生産システム100の略図であり、図1Dは、海洋ベースのシステムに対する種々の例示的な機能性ゾーンを示すフルスペクトル統合生産システム100の略図である。示されるシステムは、カスケードするエネルギー変換並びに材料資源の自発的な再生及び栄養分の生産の適応制御を伴う陸又は海洋上の統合生産システムを含む。システムは、エネルギー、材料資源、及び栄養分の生産における効率の改善を達成するために、再生可能なソースからエネルギーを収穫し及び/又は発生させ、且つエネルギー及び材料資源を貯蔵し、取り出し、輸送し、監視し、及び制御する再生可能な供給原料から材料資源を収穫する目的で、機能性ゾーンを含む。以下の表1は、例証となる機能性ゾーンと関連付けられる例示的な出力、システム、及び手段に対して展開する。   FIG. 1C is a schematic diagram of a full spectrum integrated production system 100 showing various exemplary functionality zones for land based systems, and FIG. 1D is a full view showing various exemplary functionality zones for marine based systems. 1 is a schematic diagram of a spectrum integrated production system 100. The system shown includes a land or marine integrated production system with cascaded energy conversion and voluntary regeneration of material resources and adaptive control of nutrient production. The system harvests and / or generates energy from renewable sources and stores, retrieves and transports energy and material resources to achieve improved efficiency in the production of energy, material resources and nutrients. Functional zones are included for the purpose of harvesting material resources from renewable feedstocks that are monitored, controlled and controlled. Table 1 below expands on exemplary outputs, systems, and means associated with exemplary functionality zones.



図1は、図示のように適切なガス−膨張モータ又はエンジン4が電気発電機5のような負荷を駆動する、システム2を示す。膨張装置4を出る蒸気及び/又はガスは、膨張装置4によって仕事に変換されなかった熱の送達のために導管6によって熱交換器8に運ばれる。熱交換器8は、図2の実施形態72の作動、衣類の乾燥、住居の水の加熱及び空間の加熱、歩道及び車道上の氷の融解、熱、乾燥、硬化、及び/又は脱湿を必要とする種々の工業用途、並びに水加熱及び熱により駆動される冷凍のような商業用途、及び/又は大気中の空気、蒸発により冷却される大気中の空気、小川、湖、又は海水への排熱に必要とされる場合がある追加熱(heat addition)に関する嫌気性消化のような用途に熱を送達するのに適した1つ又は複数のサブシステムのうちの代表的且つ典型的なものである。   FIG. 1 shows a system 2 in which a suitable gas-expansion motor or engine 4 drives a load such as an electric generator 5 as shown. Vapor and / or gas exiting the expansion device 4 is carried by the conduit 6 to the heat exchanger 8 for delivery of heat not converted to work by the expansion device 4. The heat exchanger 8 performs the operation of embodiment 72 of FIG. 2, drying clothes, heating residential water and space, melting ice on sidewalks and roadways, heat, drying, curing, and / or dehumidification. Various industrial applications required, and commercial applications such as water heating and heat driven refrigeration, and / or atmospheric air, atmospheric air cooled by evaporation, streams, lakes, or seawater Representative and typical of one or more subsystems suitable for delivering heat to applications such as anaerobic digestion for additional heat that may be required for exhaust heat It is.

(8)で代表される1つ又は複数の熱交換部によって十分な熱が除去されると、作動流体は、一体の電気発電機を伴う用途における形成物シール12よりも下の場所のようなより低い高さにある流体モータ14を推進するために、導管10による送達のための流体カラム(fluid column)又は「ヘッド」を発生させる凝縮物として調整される。導管10の中の液体圧力ヘッドが確立された後で、流体モータ14は、カラム10の中の流体のポテンシャルエネルギーを軸動力に変換する。モータ14に送達された流体が、地熱形成物(geothermal formation)のような適切なソースからの熱を受け取る場合には、作動流体は、モータ14を推進する際に、気化され又は過熱される可能性がある。このエネルギー変換ステップの後で、モータ14から出る液体及び/又は蒸気の作動流体は、次いで、移動経路16によって概して示されるように、再加熱のための地熱形成物のさらなる範囲に送達される。或る形成物においては、加熱された流体を断熱導管20によって表面22に戻すための18での収集井の方への又はこれへの1つ又は複数の水平ボアを使用することが好ましい。適切な地熱形成物を伴う他の場合には、液体のダウンフローが起こる同じ井の中に加熱された作動流体の平行な(side−by−side)又は同軸の流れを提供することが適切である。   When sufficient heat is removed by the one or more heat exchanges represented by (8), the working fluid is such as below the formation seal 12 in an application with an integral electric generator. To propel the fluid motor 14 at a lower height, it is conditioned as a condensate that generates a fluid column or “head” for delivery by the conduit 10. After the liquid pressure head in conduit 10 is established, fluid motor 14 converts the potential energy of the fluid in column 10 to shaft power. If the fluid delivered to the motor 14 receives heat from a suitable source, such as a geothermal formation, the working fluid can be vaporized or superheated as the motor 14 is propelled. There is sex. After this energy conversion step, the liquid and / or vapor working fluid exiting the motor 14 is then delivered to a further area of the geothermal formation for reheating, as generally indicated by the travel path 16. In some formations, it is preferred to use one or more horizontal bores towards or to the collection well at 18 for returning the heated fluid to the surface 22 by the insulated conduit 20. In other cases with appropriate geothermal formation, it is appropriate to provide a side-by-side or coaxial flow of heated working fluid into the same well where liquid downflow occurs. is there.

表面に到達した後で、加熱された作動流体は、導管23及び25によって熱機関32のような1つ又は複数の随意的な熱源又はソーラーヒータ30のような別の熱源への弁34及び24に送られる。さらなる加熱を有益に達成できる時間の間、作動流体は、図示のように、弁34又は24を通して28及び又は36のような1つ又は複数の熱交換器に送られて、熱機関32のようなより高い温度ソースからの又は適切なソーラートラップ又は集中器30による追加熱を受け取る。これは、システム2が、形成物16での一次地熱伝達の後で状況により利用可能な熱の伝熱のこうしたハイブリッド化された増加の結果として、より高い年間エネルギー変換能力及び熱効率を達成することを可能にする。   After reaching the surface, the heated working fluid passes through conduits 23 and 25 to one or more optional heat sources such as heat engine 32 or valves 34 and 24 to another heat source such as solar heater 30. Sent to. During times when additional heating can be beneficially achieved, the working fluid is routed through valves 34 or 24 to one or more heat exchangers such as 28 and 36, as shown, as in heat engine 32, as shown. Receive additional heat from a higher temperature source or by a suitable solar trap or concentrator 30. This is because the system 2 achieves higher annual energy conversion capacity and thermal efficiency as a result of such a hybrid increase in heat transfer available to the situation after primary geothermal transfer in the formation 16. Enable.

示されるハイブリッド化されたシステム構成要素はまた、燃料又は電気の需要のピーク期間の間の、形成物16に貯蔵される際に再加熱される作動流体のより一層長い滞留時間を含む、多くの新しい作動モードを可能にする。これは、より多くの部分の地熱形成物が作動流体に熱を送達し、したがってより高い温度が達成されることを可能にする。システム2の効率のさらなる改善は、ピーク需要を満たすためにエンジン発電機32が用いられ、したがって、エンジン32のような熱源による排熱の回収のために図示のように弁34及び熱交換器36の作動によって提供される熱交換器回路を通して作動流体により多くの量の熱を供給することができるときにもたらされる。   The hybridized system components shown also include many longer residence times of the working fluid that are reheated when stored in the formation 16 during peak periods of fuel or electricity demand. Allows a new mode of operation. This allows a greater portion of the geothermal formation to deliver heat to the working fluid and thus allow higher temperatures to be achieved. A further improvement in the efficiency of the system 2 is that an engine generator 32 is used to meet peak demand, and thus a valve 34 and a heat exchanger 36 as shown for the recovery of exhaust heat by a heat source such as the engine 32. Is provided when a greater amount of heat can be supplied to the working fluid through the heat exchanger circuit provided by the operation of

本発明の実施形態は、14又は44のような混合相又は液体モータ(単数又は複数)よりも上の最も大きい流体ヘッド又は垂直高さを発達させることによって作動流体を調整する目的で熱交換器(単数又は複数)8又は40による凝縮を容易にするために、適切な放送塔50及び風力発電機38、丘の頂上又は尾根25と組み合わされた機能を伴う用途のような減圧された流体を最も高い実用的高度に送達する適切なモータ4又は52における膨張性の仕事を提供する、蒸気及び/又は気体の作動流体の送達である。ランキンサイクルのような熱力学サイクルに対する重要な改善は、作動流体が再加熱され及び気化されるエリアの近くの場所でのこうした作動流体の圧力及び運動エネルギーによって仕事がなされるゾーンからかなりの高さでの濃厚な、液体ではないとしても作動流体の発達によって達成される。したがって、ダウンホール・エネルギー変換サブシステム44は、液体により推進されるモータ、作動流体の混合相の運動エネルギー及び圧力を利用するデバイス、又はこうした相の圧力を維持し又は増加させながら所望の相(単数又は複数)を生じるのに十分な地熱を受け取るゾーンに位置する蒸気膨張デバイスとすることができる。これは、ランキンサイクル作動のこうしたハイブリッド化改善を達成する、システム2及び類似の配置のエネルギー変換能力及び効率をかなり増加させ、こうした液体は、高い高度、通信塔、及び建設された塔での風力タービン塔、丘、又は他の地勢のような実施形態によって提供される高度で生じる。   Embodiments of the present invention include heat exchangers for the purpose of adjusting the working fluid by developing the largest fluid head or vertical height above the mixed phase or liquid motor (s) such as 14 or 44. To facilitate condensation by 8 or 40 (s), a reduced pressure fluid such as an application with a function combined with a suitable broadcast tower 50 and wind generator 38, hilltop or ridge 25 is used. Delivery of vapor and / or gaseous working fluid that provides inflatable work in a suitable motor 4 or 52 that delivers the highest practical altitude. An important improvement over thermodynamic cycles such as the Rankine cycle is a significant elevation from the zone where work is done by the pressure and kinetic energy of these working fluids in the vicinity of the area where the working fluid is reheated and vaporized. This is achieved by the development of a working fluid that is rich, if not liquid. Thus, the downhole energy conversion subsystem 44 may be a motor driven by a liquid, a device that utilizes the kinetic energy and pressure of the mixed phase of the working fluid, or a desired phase while maintaining or increasing the pressure of these phases ( It may be a vapor expansion device located in a zone that receives sufficient geothermal heat to produce one or more. This significantly increases the energy conversion capacity and efficiency of System 2 and similar arrangements to achieve such a hybrid improvement of Rankine cycle operation, and such liquids can be used in wind power at high altitudes, communication towers, and constructed towers. Occurs at the altitude provided by embodiments such as turbine towers, hills, or other terrain.

一般に、風力タービン−発電機38は、それらが最も高い速度の風を受ける表面よりも高くにおかれる場合に、より多くのエネルギーを生じる。こうした風力タービン塔の頂部に又はこの付近に熱交換器40をおくことは、作動流体の所望の相を適切に調節するための冷却能力を改善し、地上の汚れの原因の多くを避け、且つこれは、図示のように同軸導管48内の断熱された導管によってモータ−発電機44に送達される流体カラム42のより大きい高さを提供する。モータ発電機44によるエネルギー変換の後で、こうした膨張により冷却される液体及び又は蒸気44が去っていくときに周囲の地熱形成物46によって加熱されて、図のように断熱された導管48によってモータ発電機52に運ばれる蒸気を生じ、膨張装置52から出る流体は、図示のように導管54によってコンデンサ40に送達される。   In general, wind turbine-generators 38 produce more energy when they are placed higher than the surface that receives the highest speed wind. Placing a heat exchanger 40 at or near the top of such a wind turbine tower improves the cooling capacity to properly adjust the desired phase of the working fluid, avoids many sources of ground contamination, and This provides a greater height of the fluid column 42 delivered to the motor-generator 44 by an insulated conduit within the coaxial conduit 48 as shown. After energy conversion by the motor generator 44, the liquid and / or vapor 44 cooled by such expansion is heated by the surrounding geothermal formation 46 as it leaves and is insulated by a conduit 48 which is insulated as shown. The fluid that produces steam that is carried to the generator 52 and exits the expansion device 52 is delivered to the capacitor 40 by a conduit 54 as shown.

図2のソース128からの化学薬品を含む流体を供給される地質形成物(geoformation)の中に送達するために電動式ポンプとしてそれが時折作動することを可能にする目的で、流体モータ14の流体ポンプ又はモータとしての可逆的な作動を提供することが好ましい。適切なマニホルディング及び弁作動を提供することによって、図1、図2、及び図3のシステムに関して説明されるように種々の地質形成物によって必要とされる場合がある性能及びメンテナンス作動を改善する目的が達成される。   For the purpose of allowing it to operate from time to time as an electric pump to deliver fluid containing chemicals from source 128 of FIG. 2 into the supplied geoformation, It is preferable to provide reversible operation as a fluid pump or motor. Providing proper manifolding and valve actuation improves performance and maintenance operations that may be required by various geological formations as described with respect to the systems of FIGS. 1, 2, and 3 The objective is achieved.

多くの場合において、図1、図2、及び/又は図3のシステムは、こうした作動によるかなりの改善を提供するために、作動及び水面下形成物によって十分に関係づけられる。しかしながら、図2のシステムからかなりの距離で図1のシステムを作動し、且つ図1及び図2のシステムの作動を改善するために、こうした薬剤の送達を支援するポンプ14の時折の使用と共に、供給タンク128と類似した貯蔵を伴うサブシステムからの薬剤を提供することが実用的であり且つしばしば予想され及び奨励される。   In many cases, the systems of FIGS. 1, 2, and / or 3 are well related by actuation and subsurface formations to provide significant improvements from such actuation. However, in order to operate the system of FIG. 1 at a significant distance from the system of FIG. 2 and to improve the operation of the system of FIGS. 1 and 2, along with the occasional use of the pump 14 to assist in the delivery of such agents, It is practical and often expected and encouraged to provide medication from a subsystem with storage similar to the supply tank 128.

地熱エネルギーの季節的増強に対するほぼすべての大陸上でのハイブリッド化の機会の例証として、表1は、ゲーンズビル、フロリダのようなより暖かい地域に比べて中央アラスカのフェアバンクス地域及び他の北部の平野地域のようなより長日及び比較的晴天条件において実質的な夏のエネルギーが利用可能であることを示す。アラスカのフェアバンクス地域及びカナダの類似の地域は、示されるように明るく日が照る夏の長日の間は「暖かいように思われる」北アメリカの都市のうちの8つよりも、多くの太陽エネルギーを受け取る。   As an illustration of hybrid opportunities on almost all continents for seasonal increases in geothermal energy, Table 1 shows the Fairbanks area in Central Alaska and other northern plains areas compared to warmer areas such as Gainesville, Florida. It shows that substantial summer energy is available for longer days and relatively clear weather conditions such as The Fairbanks area of Alaska and similar areas of Canada have more solar energy than eight of the North American cities that seem “warm” during the bright and sunny summer days as shown. Receive.

したがって、石油及び天然ガスを生産する、塩水を捨てる、又は天然ガスを戻すことなどの目的のための井を含む、実質的な地熱エネルギーが入手可能な場所では、及び、高い温度にある形成物にアクセスする枯渇した石油及び天然ガス井の場合、作動流体の一次地熱加熱、その後、状況により利用可能なより高温の太陽集熱源によるさらなる加熱を提供するだけの価値がある。こうした機会はまた、工業プラントによる又はピーク負荷を満たすために作動し且つ大量に排熱するはずの熱機関を含むピストンエンジン、ガスタービン及び/又は蒸気タービン・システム32のような熱機関による時折の排熱を含んでもよい。   Thus, formations where substantial geothermal energy is available and at elevated temperatures, including wells for purposes such as producing oil and natural gas, discarding salt water or returning natural gas In the case of depleted oil and gas wells with access to water, it is worthwhile to provide primary geothermal heating of the working fluid, followed by further heating by the hotter solar heat source available in some circumstances. These opportunities are also occasionally introduced by industrial plants or by heat engines such as piston engines, gas turbines and / or steam turbine systems 32 that include heat engines that operate to meet peak loads and should exhaust large amounts of heat. It may include waste heat.

2,2,3,3−テトラフルオロプロパノールと水及び/又はメタノール、アンモニア、プロパン、又はFreon(フレオン(商標))のようなアルコールとの混合物のような選択された作動流体のより高温への加熱を提供する、こうした地熱エネルギーの太陽、工業、又はピーキング−エンジンによる増加は、図1に示すようにエネルギー変換システムの年間エネルギー生産及び効率を実質的に増加させることができる。所望の熱拡散率をもつ地熱形成物の十分な深さが存在する多くの場合において、作動流体が形成物に接触することを許すことなく閉じた作動流体系として、液体作動流体をエネルギー変換のために導管42によって流体モータ44に送達し、及び、加熱され及び気化された作動流体をモータ52による蒸気膨張及びエネルギー変換のために導管48を通して戻すことが好ましい。他の場合において、形成物が表面で作動流体から抽出され又は分離されてもよい価値ある物質を産出するように促すために、選択された作動流体の地熱形成物との緊密な接触をもたらすことが好ましい。   To higher temperatures of selected working fluids such as mixtures of 2,2,3,3-tetrafluoropropanol and water and / or alcohols such as methanol, ammonia, propane, or Freon (Freon ™) The increase by solar, industrial, or peaking-engine of such geothermal energy that provides heating can substantially increase the annual energy production and efficiency of the energy conversion system as shown in FIG. In many cases where there is sufficient depth of the geothermal formation with the desired thermal diffusivity, the liquid working fluid is converted to energy as a closed working fluid system without allowing the working fluid to contact the formation. For this purpose, the conduit 42 is preferably delivered to the fluid motor 44 and the heated and vaporized working fluid is returned through the conduit 48 for vapor expansion and energy conversion by the motor 52. In other cases, providing intimate contact of the selected working fluid with the geothermal formation to encourage the formation to produce valuable material that may be extracted or separated from the working fluid at the surface. Is preferred.

加えて、パタゴニア及びカラハリのような南半球の南方地域気候で、及び同様にアラスカ、カナダ、スコットランド、スカンジナビア、ロシアの一部及び西アジアの一部のような北半球の北方地域気候において、省エネと共に、再生可能エネルギーの改善された利用に対する重要なニーズがある。これらの地域は、豊富な太陽エネルギーが入手可能であるときの夏季ではなく冬季に、ピーク需要にしばしば直面する。   In addition, in southern southern climates such as Patagonia and Kalahari, as well as in northern northern climates such as Alaska, Canada, Scotland, Scandinavia, parts of Russia and parts of West Asia, along with energy conservation, There is an important need for improved use of renewable energy. These regions often face peak demands in winter rather than summer when abundant solar energy is available.

このような場合、ガス又は蒸気圧縮機に動力を与えるために内部的に提供される多くの比率の(large fraction of)原動力ポテンシャル(motive potential)に起因するブレイトン−サイクル制限の改善又は克服が時宜に適っている。図2は、流体流入に対するかなりのダウンホール圧力及び/又はインピーダンスを有するコンパクトな貯蔵のための及び/又は地層(geological formation)中の貯蔵のための十分に高い圧力での液体のガスへの変換によってどのようにして高圧ガスが実質的に生産されるかを示す。電解槽66は、形成物ドライブを確立し、且つ消化装置72のようなソースからのメタン及び/又は二酸化炭素のインベントリの送達を加圧するために、加圧された水素及び/又は二酸化炭素を提供する。形成物86からの熱を受け取る、物質の混合物を含む流体は、図2に示すようにデバイス94における膨張による仕事に対するはるかに大きい正味能力(net capacity)を提供する。   In such cases, it may be timely to improve or overcome the Brayton-cycle limitation due to the large fraction of motive potential provided internally to power the gas or vapor compressor. Suitable for FIG. 2 shows the conversion of liquid to gas at a sufficiently high pressure for compact storage with significant downhole pressure and / or impedance to fluid inflow and / or for storage in geological formation. Shows how the high pressure gas is substantially produced. The electrolyzer 66 provides pressurized hydrogen and / or carbon dioxide to establish a formation drive and pressurize the delivery of inventory of methane and / or carbon dioxide from a source such as the digester 72. To do. A fluid containing a mixture of materials that receives heat from formation 86 provides a much greater net capacity for work due to expansion in device 94 as shown in FIG.

図2は、メタンハイドレート堆積物及び/又は嫌気性消化装置72から水素又はメタンのような貯蔵できる燃料を生じるためのシステム60を示し、こうした水素及び/又はメタンは、好ましくは、パイプライン102によってかなりの距離にある市場に配給するために電解槽66及び/又は適切な機械式圧縮機122によって生じるより高圧のガスによって循環的に又は連続的に加圧され、弁130及び/又は68を通して圧力調整器104に送達される、又は間欠的な短期の貯蔵又は長期の貯蔵のために導管82によって地層86に送達される。作動時には、図示のようにシステム2及び/又は他のソースによって発生した電気が送電網62を通して伝送されて、調整器(conditioner)システム64に動力を与え、適正な電圧及び整流された電流を提供して電解槽66に動力を与え、嫌気性消化装置72の液体及び又は局所的な帯水層80からポンプ76によって汲み出され及び導管74によって送達される水から水素を生産する。   FIG. 2 shows a system 60 for producing a storable fuel, such as hydrogen or methane, from methane hydrate deposits and / or anaerobic digesters 72, such hydrogen and / or methane preferably being pipeline 102. Through a valve 130 and / or 68 that is cyclically or continuously pressurized by a higher pressure gas produced by the electrolyzer 66 and / or a suitable mechanical compressor 122 for distribution to a significant market by Delivered to pressure regulator 104 or delivered to formation 86 by conduit 82 for intermittent short-term or long-term storage. In operation, electricity generated by system 2 and / or other sources as shown is transmitted through grid 62 to power conditioner system 64 to provide the proper voltage and rectified current. It then powers the electrolyzer 66 to produce hydrogen from the liquid in the anaerobic digester 72 and / or water pumped from the local aquifer 80 by the pump 76 and delivered by the conduit 74.

コントローラ70は、嫌気性消化装置72の中の微生物の活動によって又は導管78によって送達される水の電気分解によって提供された液体からの加圧された水素の生産を含むシステムを最適化する。有機物の嫌気性消化の関数としての微生物の活動によって提供された液体を用いるこうした作動及びエネルギー変換の利点の開示は、同時係属の特許出願及び米国特許第6,984,305号で提供され、これらの開示は、従来の水の電気分解に比べて水素を生産するのに必要とされるエネルギーを大きく低減するための技術を参照することによって本明細書に含まれる。   The controller 70 optimizes the system including production of pressurized hydrogen from the liquid provided by the activity of microorganisms in the anaerobic digester 72 or by electrolysis of the water delivered by the conduit 78. Disclosure of the benefits of such actuation and energy conversion using fluids provided by microbial activity as a function of anaerobic digestion of organic matter is provided in co-pending patent applications and US Pat. No. 6,984,305, which Is disclosed herein by reference to techniques for greatly reducing the energy required to produce hydrogen compared to conventional water electrolysis.

工業作動108又は精製作動112は、式1及び式2に一般に示されるように炭素供与体の部分酸化によって又は炭素供与体と蒸気との反応によって、加圧された二酸化炭素、一酸化炭素及び/又は水素を時折生産するであろうということも考慮される。
2C+1.5O2→CO+CO2 式1
CH4+H2O→CO+3H2 式2
The industrial operation 108 or the refining operation 112 may be performed by pressurized carbon dioxide, carbon monoxide and / or by partial oxidation of the carbon donor, or by reaction of the carbon donor with steam, as generally shown in Equations 1 and 2. It is also considered that hydrogen will be produced occasionally.
2C + 1.5O 2 → CO + CO 2 Formula 1
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 Formula 2

図示のように貯留層86における貯蔵及び/又はヒートゲインのための送達と、その後のモータ−発電機94における膨張からなるプロセスにおけるこうしたガスの利用は、付加的な貯蔵及び/又は熱抽出能力を提供するために重要な状況により生じた機会であり、同時係属の特許出願第60/847,063号で開示されるように、搾乳場、缶詰工場、屠殺場、製造業、工業パーク、又は共同体を含むエネルギーセンターの総合エネルギー利用効率をさらに改善する。   The use of such gases in a process consisting of storage and / or heat gain delivery in reservoir 86 as shown and subsequent expansion in motor-generator 94 provides additional storage and / or heat extraction capabilities. An opportunity arising from an important situation to provide and, as disclosed in co-pending patent application 60 / 847,063, a milking farm, canning factory, slaughterhouse, manufacturing industry, industrial park, or community Further improve the overall energy utilization efficiency of energy centers including

表2は、地熱形成物からの他の価値と共に熱の抽出を容易にする作動流体として及び/又は化学薬品及び加圧剤として働くための種々の候補の機能及び大気圧沸点を比較する。これらの作動流体は、熱交換システムに収容される閉サイクル流体として用いられてもよく、又は適切な場合には、緊密な接触及び改善された熱交換率を可能にするために地熱形成物の中に送達される。   Table 2 compares the various candidate functions and atmospheric pressure boiling points to act as working fluids that facilitate heat extraction and / or as chemicals and pressurizers along with other values from geothermal formations. These working fluids may be used as closed cycle fluids contained in a heat exchange system or, where appropriate, of geothermal formations to allow intimate contact and improved heat exchange rates. Delivered in.

実施形態の全体を通して、投資収益率及び総合エネルギー利用効率を大いに改善するために、「フルスペクトル」エネルギー変換作動における最も高い利用可能性、温度、及び圧力状況からエネルギーをカスケードすることが目的である。これは、このようにして採用されるリサイクルされた材料及びサブシステムを含む古い技術及び公知の材料からの新しい結果を含む。   Throughout the embodiment, the goal is to cascade energy from the highest availability, temperature, and pressure conditions in “full spectrum” energy conversion operations to greatly improve return on investment and overall energy utilization efficiency. . This includes new results from old technology and known materials, including recycled materials and subsystems thus employed.

多くの用途において、Xの量のエネルギーを費やして流体を生産し及び地熱形成物に送達して、Xの量のエネルギーの貯蔵達成することが実用的である。貯蔵された流体を戻すと、熱エネルギー、圧力エネルギー、及び化学ポテンシャルエネルギーの組合せで、より大きい量のエネルギーを送達することができる。   In many applications, it is practical to spend X amounts of energy to produce fluids and deliver them to geothermal formations to achieve storage of X amounts of energy. When the stored fluid is returned, a greater amount of energy can be delivered with a combination of thermal energy, pressure energy, and chemical potential energy.

多くの場合において、本発明の幾つかの実施形態が提供するエネルギー変換及び価値の抽出の機会における形成物の熱参加(thermal participation)の度合いを増す目的で、地熱形成物の中に混合物を混合する及び混ぜることが意図される。例証すると、炭化水素を含有する多くの形成物における伝熱及び価値の抽出を改善するために、エタン、プロパン、ブタンのような示される炭化水素、二酸化炭素、及び/又は水素を混合することが意図される。   In many cases, the mixture is mixed into the geothermal formation to increase the degree of thermal participation of the formation at the energy conversion and value extraction opportunities provided by some embodiments of the present invention. Intended to mix and play. Illustratively, the indicated hydrocarbons such as ethane, propane, butane, carbon dioxide, and / or hydrogen may be mixed to improve heat transfer and value extraction in many products containing hydrocarbons. Intended.

特に、フルスペクトルの機会の結果は、広範なエネルギー変換原理及び構成要素による広範囲の太陽及び下層土IRスペクトルの実用的利用を含む。   In particular, full spectrum opportunity results include practical use of a wide range of solar and subsoil IR spectra with a wide range of energy conversion principles and components.

L(液体ヘッド);S(溶媒);V(蒸気膨張);A(共沸物)
M(混和剤);H(伝熱剤);F(燃料)
L (liquid head); S (solvent); V (vapor expansion); A (azeotrope)
M (admixture); H (heat transfer agent); F (fuel)

凍結した固体による閉塞を防ぐために種々の物質の混合物及び溶液が使用されてもよい。エタノールは、−117.3℃(−179°F)で凍結する。メタノールは、−97℃(−143°F)で凍結する。作動流体混合物及び共沸物は、地球上の最も低温の温度に対する凍結保護をどのようにして提供するか及び約79℃(174°F)又はこれよりも温かい比較的低温の地熱源から伝熱によってどのようにして膨張蒸気を生じるかを例証する。水は100℃(212°F)で沸騰し、エタノールは78.3℃(173°F)で沸騰する。体積百分率で95%のエタノールと5%の水との二成分共沸混合物は、78.2℃(172.8°F)で沸騰する。図1のシステムの実施形態において液体共沸物がモータ−発電機44を駆動し、且つ蒸気がモータ−発電機52を駆動する際に、52%のメタノールと、44%のアセトニトリルと、4%の水との三成分共沸物は、約67℃(153°F)で沸騰して、より一層低温の地熱形成物が使用されることを可能にする。   Mixtures and solutions of various substances may be used to prevent clogging with frozen solids. Ethanol is frozen at −117.3 ° C. (−179 ° F.). Methanol freezes at -97 ° C (-143 ° F). Working fluid mixtures and azeotropes provide cryoprotection against the coldest temperatures on Earth and transfer heat from a relatively cool geothermal source that is about 79 ° C (174 ° F) or warmer. Illustrates how to produce expanded steam. Water boils at 100 ° C (212 ° F) and ethanol boils at 78.3 ° C (173 ° F). A binary azeotrope of 95% ethanol and 5% water by volume boils at 78.2 ° C. (172.8 ° F.). In the system embodiment of FIG. 1, when liquid azeotrope drives motor-generator 44 and steam drives motor-generator 52, 52% methanol, 44% acetonitrile, 4% This ternary azeotrope with water boils at about 67 ° C. (153 ° F.), allowing cooler geothermal formations to be used.

エンジン−発電機131又は高温燃料電池137を含む燃料電池を駆動するための、鉱山及び地熱形成物における「HyBoost」燃料と呼ばれる水素及び/又は水素と炭化水素との混合物のダウンホール利用は、ホスト形成物よりも高温で付加的な熱を提供して、図1及び図2のシステムによる総合エネルギー変換速度及び効率をさらに改善する。熱電気複合利用(combined heat and power)(CHP)エンジン109は、可逆燃料電池137が電気及び熱を生じる又はエンジンによって電気及び排熱を供給される若しくは燃料電池が乾燥、調理、かん詰め、及び水の加熱又は滅菌のような用途に使用される際に、負荷平準化を伴う変化する電気及び熱要件を満たすのに最適な条件で作動することができる。可逆電解槽135によって生産され及び加圧される水素及び又は酸素の非常に純粋な供給は、好ましくは、工業パーク又は共同体における商業及び工業優先事項のために使用される。   The downhole utilization of hydrogen and / or a mixture of hydrogen and hydrocarbons called “HyBoost” fuel in mines and geothermal formations to drive fuel cells including engine-generator 131 or high temperature fuel cell 137 Provide additional heat at a higher temperature than the formation to further improve the overall energy conversion rate and efficiency with the systems of FIGS. A combined heat and power (CHP) engine 109 is a reversible fuel cell 137 that produces electricity and heat, or is supplied with electricity and exhaust heat, or the fuel cell is dried, cooked, canned, and When used in applications such as water heating or sterilization, it can operate at optimal conditions to meet changing electrical and thermal requirements with load leveling. The very pure supply of hydrogen and / or oxygen produced and pressurized by the reversible electrolyzer 135 is preferably used for commercial and industrial priorities in an industrial park or community.

高圧可逆電解槽135からの加圧された酸素はまた、図示のようにライン133によってエンジン発電機131に及び/又は燃料電池137に送達されて、電気を生じ、又は形成物86に熱を加えると共に他の負荷を駆動し、及び/又は蒸気を提供して膨張装置−発電機94へのライン92を通過する蒸気又はガスを加熱し及び断熱する。形成物の温度、深さ、及び本発明の幾つかの実施形態が抽出する又は生産するのを助けることができる炭化水素のような価値の利用可能性に応じて、こうしたエンジン又は燃料電池131及び137は、ライン92に沿って表面のより近く、又はかなりの深さ、若しくは追加熱が結果としてタール及び他の資源からの炭化水素のような価値のより多い抽出及び生産をもたらす形成物内にあってもよい。   Pressurized oxygen from high pressure reversible electrolyzer 135 is also delivered to engine generator 131 and / or fuel cell 137 by line 133 as shown to generate electricity or apply heat to formation 86. As well as driving other loads and / or providing steam to heat and insulate steam or gas passing through line 92 to expander-generator 94. Depending on the temperature, depth of the formation, and the availability of values such as hydrocarbons that some embodiments of the present invention can help extract or produce, such engines or fuel cells 131 and 137 is closer to the surface along line 92 or within a formation where significant heat or additional heat results in more valuable extraction and production such as hydrocarbons from tar and other resources. There may be.

図3は、有機物質の熱解離又は消化のような嫌気性処理から水素及び/又はメタンを生産するのに必要とされるエネルギーをさらに減少させるための新しい技術の実施形態138を示す。活性炭及び剥離グラフェン媒体は、触媒作用で嫌気性消化液からの水素の放出を引き起こすように調製されている。   FIG. 3 shows an embodiment 138 of a new technique for further reducing the energy required to produce hydrogen and / or methane from anaerobic treatments such as thermal dissociation or digestion of organic materials. Activated carbon and exfoliated graphene media are prepared to catalyze the release of hydrogen from anaerobic digestive fluid.

有機物質の微生物消化によって生じる酵素のような或る有機物質が、電荷移動プロセスにおいてより効果的である、及び/又は活性炭による又は活性炭の中への水素の低エネルギー除去によって補助される、及び/又はより効率よく与えられる、及び/又は活性炭又は剥離グラフェン材料によって吸着され、したがって改質された後で、より長い有用な寿命を有することは明らかである。「酵素活性化」を達成するこうした処理の後で、これらの材料は、加圧された嫌気性消化液からの水素と二酸化炭素の放出を引き起こす。さらに、同時係属の特許出願及び米国特許第6,984,305号で開示されるような電気的勢いと併せての、又は随意的な水の電気分解に必要とされる電圧に比べて減少された一定の電圧での、こうした酵素活性炭媒体(enzyme activated carbon media)の使用は、電気仕事の単位当たりの水素の収率を実質的に改善する。   Certain organic materials, such as enzymes produced by microbial digestion of organic materials, are more effective in the charge transfer process and / or are assisted by low energy removal of hydrogen by or into activated carbon, and / or Obviously, it has a longer useful life after being given more efficiently and / or adsorbed by activated carbon or exfoliated graphene material and thus modified. After such treatment to achieve “enzyme activation”, these materials cause the release of hydrogen and carbon dioxide from the pressurized anaerobic digestive fluid. In addition, it is reduced compared to the voltage required for electrolysis with or without electrical power as disclosed in co-pending patent applications and US Pat. No. 6,984,305. The use of such an enzyme activated carbon media at a constant voltage substantially improves the yield of hydrogen per unit of electrical work.

減少したエネルギー消費での水素の生産は、エネルギー収穫物及び廃棄物を含む有機供給原料からの水素抽出の経済性を改善するのに特に有利である。プロセス効率の改善は、メタン燃料及び二酸化炭素を生産するのに嫌気性消化装置140を用いることによって提供され、一方、消化プロセスによって絶えず生じる液体の一部は、図示のように158の頂部での分離器の作動圧力及び温度に応じて弁160又は弁162を通して送達するために消化液の提供及び水素及び/又は二酸化炭素の抽出のための酵素活性炭媒体を充填された圧力容器158に送達するためにフィルタ152及びプレコンディショナ154を通して圧力ポンプ156に伝達される。   Production of hydrogen with reduced energy consumption is particularly advantageous to improve the economics of hydrogen extraction from organic feedstocks including energy harvests and waste. An improvement in process efficiency is provided by using an anaerobic digester 140 to produce methane fuel and carbon dioxide, while some of the liquid that is constantly generated by the digestion process is at the top of 158 as shown. Depending on the operating pressure and temperature of the separator, to deliver to the pressure vessel 158 filled with digestive fluid and enzyme activated carbon media for extraction of hydrogen and / or carbon dioxide for delivery through the valve 160 or 162. To the pressure pump 156 through the filter 152 and the preconditioner 154.

所望の場合、緑色植物の育成のような用途のために、必要に応じて気体水素を二酸化炭素から実質的に分離することができる。こうした分離は、好ましくは米国特許第6,984,305号で開示されるプロセスによって提供され、水素は、送達するための導管及び逆止め弁162によって井174を通して形成物シール175を通過して地熱及び/又は炭化水素貯留層176に運ばれる。存在する二酸化炭素及び他のガスから米国特許第6,984,305号で開示されるような適切なプロセスによって同様に分離されてもよい付加的な水素の電気的に刺激された生産のために、溶液中の多量の二酸化炭素と共に圧力容器158を去る液体は、図示のように導管及び逆止め弁160回路によって圧力容器159に送達される。バイオマス上の微生物の活動によって調製される物質からの水素の触媒で補助された放出のためのシステムは、遷移金属及び遷移金属を含む金属間化合物のような無機触媒と共に、開示される有機触媒(単数又は複数)を含む。図示のようにこうした触媒(単数又は複数)と順に(in sequence with)又は併せて、振動、放射、電動力、及び又は磁気力(単数又は複数)を適用することによってこうした水素生産の速度及び機器効率のさらなる増加を可能にすることが特徴である。   If desired, gaseous hydrogen can be substantially separated from carbon dioxide if desired for applications such as green plant growth. Such separation is preferably provided by the process disclosed in US Pat. No. 6,984,305, where hydrogen is passed through the formation seal 175 through the well seal 175 by a conduit and check valve 162 for delivery. And / or carried to a hydrocarbon reservoir 176. For the electrically stimulated production of additional hydrogen that may also be separated from existing carbon dioxide and other gases by a suitable process as disclosed in US Pat. No. 6,984,305 The liquid leaving the pressure vessel 158 with a large amount of carbon dioxide in solution is delivered to the pressure vessel 159 by a conduit and check valve 160 circuit as shown. A system for the catalytic assisted release of hydrogen from materials prepared by the activity of microorganisms on biomass includes the disclosed organic catalysts, along with inorganic catalysts such as transition metals and intermetallic compounds containing transition metals. Singular or plural). The rate and equipment of such hydrogen production by applying vibration, radiation, electric power, and / or magnetic force (s) in sequence with the catalyst (s) as shown or in sequence with them. It is characterized by allowing further increases in efficiency.

比較的純粋な水素は、逆止め弁166及び弁(図示せず)を通して、二酸化炭素の生産をなくす又は最小にするために描かれる工業、商業、及び輸送用途に送達される。残っている水素は、井174を通して形成物176にチャージするために逆止め弁166を通して水素源(hydrogen sourced)に加えられる。このプロセスにおいて、膨張装置−発電機168は、それが図示のように減圧されている流体中の圧力及び運動エネルギーを変換する際に、電気を発生させる。   Relatively pure hydrogen is delivered through check valves 166 and valves (not shown) to industrial, commercial, and transportation applications that are depicted to eliminate or minimize carbon dioxide production. The remaining hydrogen is added to a hydrogen source through check valve 166 to charge formation 176 through well 174. In this process, the expander-generator 168 generates electricity as it converts pressure and kinetic energy in the fluid being depressurized as shown.

変換器184の中で藻類のような水生収穫物を成長させること及び光合成の速度及び効率を増加させるための温室186の中での大気の富化を含む種々の目的で、及び/又は図示のように変換器184又は温室186の中での所望の熱ゲイン(thermal gain)のための太陽エネルギーを捕えるためにより少ない量の同時分離されたメタンと共に温室効果ガス成分として、減圧された二酸化炭素ガスが使用される。減圧液体流体中に溶存する二酸化炭素は、図示のように水耕変換器ポンド184の中の藻類のような水生植物の富化のために送達される。藻類のような時折収穫される水生収穫物と共に、使用済みの液体は、消化装置140の中に送られてもよく、又は収穫された収穫物の一部は、図示のようにプロセスプラント202によって種々の栄養補給食品、ビタミン、栄養素、アルコール燃料、脂肪などに処理するために、弁マニホルド201及び導管206を通してポンプ200によって送達することができる。プラント202及び他の地域ソースからの廃水は、図示のように弁マニホルド201によってライン208を通して消化装置140に送られる。   For various purposes, including growing aquatic harvests such as algae in converter 184 and enriching the atmosphere in greenhouse 186 to increase the rate and efficiency of photosynthesis and / or illustrated Reduced carbon dioxide gas as a greenhouse gas component with a smaller amount of simultaneously separated methane to capture solar energy for the desired thermal gain in the converter 184 or greenhouse 186 Is used. Carbon dioxide dissolved in the vacuum liquid fluid is delivered for enrichment of aquatic plants such as algae in the hydroponic transducer pound 184 as shown. Along with occasional harvested aquatic crops such as algae, spent liquid may be sent into digester 140, or a portion of the harvested crop may be processed by process plant 202 as shown. It can be delivered by pump 200 through valve manifold 201 and conduit 206 for processing into various dietary supplements, vitamins, nutrients, alcohol fuel, fat, and the like. Wastewater from the plant 202 and other regional sources is sent to the digester 140 through line 208 by valve manifold 201 as shown.

嫌気性消化装置140によって生じるメタンと二酸化炭素は、図示のように、貯蔵のために及び/又は形成物176からの炭化水素の抽出及び収率を増加させるため及び/又は膨張装置−発電機178による仕事及び/又は電気の生産のための地熱エネルギーを得るために、フィルタ142及び導管146を通して圧縮機148に、及び逆止め弁172を通して井174に送達される。圧力調整器150の流量計測回路は、図示のように140で容易にされる嫌気性消化プロセスを混合する、撹拌する、温度を制御する、及びかき立てるのに必要な気体の再循環の量を制御する。   Methane and carbon dioxide produced by the anaerobic digester 140 may be used for storage and / or to increase the extraction and yield of hydrocarbons from the formation 176 and / or expansion device-generator 178, as shown. Is delivered to the compressor 148 through the filter 142 and conduit 146 and to the well 174 through the check valve 172 to obtain geothermal energy for work and / or electricity production. The flow metering circuit of the pressure regulator 150 controls the amount of gas recirculation required to mix, agitate, control the temperature, and stir the anaerobic digestion process facilitated at 140 as shown. To do.

図1、図2、及び図3に示されるシステムに対するエネルギー変換効率における重要な改善は、ポンピングによって液体を加圧し、その後さらに加圧し、及び/又は水の電気分解、嫌気性消化液からの触媒によるガス放出、及び/又は電気分解によるガスの減少されたエネルギー放出の結果としてこうした加圧された液体から導出される気体物質を送達することから結果として生じる。ハイブリッド化され及び改善されたブレイトン−サイクル及び/又はランキンサイクル効率の例証となるものは、それが図示のように本質的に液体ポンプ73によって生じる圧力で気体水素及び/又は二酸化炭素を提供するので、弁75を通して電解槽66に送達するための72の中で生産される消化液のポンプ73による消化装置タンク72からの流体の加圧から結果として生じる。   An important improvement in energy conversion efficiency for the systems shown in FIGS. 1, 2 and 3 is that the liquid is pressurized by pumping and then further pressurized and / or the electrolysis of water, catalyst from anaerobic digestion fluid Resulting from the delivery of gaseous material derived from these pressurized liquids as a result of outgassing by and / or reduced energy release of the gas by electrolysis. An illustration of hybridized and improved Brayton-cycle and / or Rankine cycle efficiency is that it provides gaseous hydrogen and / or carbon dioxide at the pressure essentially generated by the liquid pump 73 as shown. Resulting from pressurization of fluid from the digester tank 72 by a pump 73 of digestive juice produced in 72 for delivery to the electrolyzer 66 through the valve 75.

消化装置72から分離される又は消化装置72によって生産される酢酸及び酪酸(buteric acid)と共に、尿素のような化合物を含む液体から水素を生産するための電力要件は、従来の水の電気分解に比べて大いに減少され、こうしたガスが放出された後のガス圧縮機の適用に比べてポンプ73による液体加圧の結果として所望の水素送達圧の発生によるさらなる改善が達成される。同様に、図2の形成物86からの熱及び/又は付加的な炭化水素の隔離(sequestration)、分離プロセス、膨張性ガスとしてのエネルギー変換、及び/又はコンパクトな貯蔵のためのような目的で、加圧された二酸化炭素を生産することが有利である。   The power requirements for producing hydrogen from liquids containing compounds such as urea, along with acetic acid and butyric acid separated from or produced by digester 72, are the conventional electrolysis of water. Compared to the application of a gas compressor after these gases have been released, a further improvement is achieved by the generation of the desired hydrogen delivery pressure as a result of liquid pressurization by the pump 73. Similarly, for purposes such as heat and / or additional hydrocarbon sequestration from the formation 86 of FIG. 2, separation processes, energy conversion as an expandable gas, and / or compact storage. It is advantageous to produce pressurized carbon dioxide.

システム60によって生産できる水素の量が、電解槽135からライン111によってハイブリッド車110のような燃料電池用途のために送達される非常に純粋な水素を含む、家(単数又は複数)106、商業及び製造業建築物108、及び農業又は輸送ニーズ110のような負荷を含む、パイプライン102によって供給されるCHP及び他の用途による需要を越える時には、72及び66からの余剰の水素、メタン及び又は二酸化炭素メタンが、図示のように水素及び他のガスを貯蔵するのに十分なオーバーバーデン及びシールと共により大きい距離にある枯渇した石油及び/又は天然ガス貯留層86又は類似の地層で再チャージするのに必要とされる圧力で送達される。多くの場合において、形成物84は、84の中に貯蔵された水素及び他のガスをこうした高い温度でタービン発電機94に動力を与えるために表面に戻すことを可能にするのに十分に高い温度にあり、その後、水素は、圧力調整器104及び/又は105によって確立される際のより低い圧力でライン102を通して送達される。   The amount of hydrogen that can be produced by the system 60 includes very pure hydrogen delivered from the electrolyzer 135 for fuel cell applications such as the hybrid vehicle 110 by line 111, the home (s) 106, commercial and Excess hydrogen, methane and / or dioxide from 72 and 66 when exceeding the demand by CHP and other applications supplied by pipeline 102, including loads such as manufacturing buildings 108 and agricultural or transportation needs 110 Carbon methane recharges in a depleted oil and / or natural gas reservoir 86 or similar formation at greater distances with sufficient overburden and seals to store hydrogen and other gases as shown. Delivered at the pressure required. In many cases, the formation 84 is high enough to allow hydrogen and other gases stored in 84 to be returned to the surface to power the turbine generator 94 at such high temperatures. At temperature, hydrogen is then delivered through line 102 at a lower pressure as established by pressure regulators 104 and / or 105.

炭化水素を含有する地層の中に水素及び/又はメタン及び/又は二酸化炭素を貯蔵する利点は、非常に低い粘度及び高い熱容量の水素及び/又はメタンのアクションから結果として生じる増加した駆動圧、炭化水素価値の増加した流動性と共に強化された透過性の結果としてのこうした炭化水素の増加した生産を含む。加えて、本発明の幾つかの実施形態は、128のような貯蔵容器からポンプ126及び弁124を通して、形成物86を通して井導管82にチャージするのに適切なマニホルドに送達されるものとして代表して例証される、プロパン、二酸化炭素、溶媒、及び洗剤溶液のような薬剤を含む生産を強化するために、他の流体の送達を容易にする。   The advantage of storing hydrogen and / or methane and / or carbon dioxide in a hydrocarbon-containing formation is the increased driving pressure, carbonization resulting from the action of hydrogen and / or methane with very low viscosity and high heat capacity. Including increased production of such hydrocarbons as a result of enhanced permeability along with increased fluidity of hydrogen value. In addition, some embodiments of the present invention are representative of being delivered from a storage container such as 128 through a pump 126 and valve 124 to a manifold suitable for charging the well conduit 82 through the formation 86. To facilitate the delivery of other fluids to enhance production including agents such as propane, carbon dioxide, solvents, and detergent solutions.

こうした水素及び/又はメタン及び/又は二酸化炭素貯蔵及び/又は表2によって描かれるような関係する処理作動から結果として得られる、貯留層86からの強化された炭化水素生産は、好ましくは、95又は180で、パイプライン102による送達のための水素で特徴付けられる燃料と、種々の成分の抽出を提供し及び図示のように114、116、118、及び120によって表されるパイプラインによって市場、貯蔵、又はさらなる精製にとられるのに適切なシステム112による価値のさらなる分離及び/又は精製のためにパイプライン103によって送達される炭化水素リッチな成分とに分離される。   The enhanced hydrocarbon production from the reservoir 86 resulting from such hydrogen and / or methane and / or carbon dioxide storage and / or related processing operations as depicted by Table 2 is preferably 95 or At 180, fuel characterized by hydrogen for delivery by pipeline 102, and extraction of various components and marketed and stored by pipelines represented by 114, 116, 118, and 120 as shown. Or separated into hydrocarbon-rich components delivered by pipeline 103 for further separation and / or purification of value by a system 112 suitable for further purification.

図1、図2、及び図3に示されるシステムは、したがって、電気、水素及び/又はメタン燃料及び/又は炭化水素生産の総量によって計測される場合の貯蔵効率、正味電気及び/又は燃料エネルギー変換能力、速度、及び効率を大いに増加させる。急速に発達する需要を満たすための電気の生産、特に、ピーク電力は、ピストン、ロータリー又はタービンICEエンジン(単数又は複数)32及び/又は107及び/又は109のための燃料として水素及び/又はメタンを利用することによって直ちに提供される。各場合において、膨張性ガスの温度を増加させて、モータ−発電機4及び/又は178を駆動し、及び示される熱電気複合利用用途のような農業、工業、又は家庭用途のために熱を送達することによる総合エネルギー利用効率を改善するために、こうしたエンジンによる排熱を使用することが大いに有利である。   The systems shown in FIGS. 1, 2 and 3 are therefore storage efficiency, net electricity and / or fuel energy conversion as measured by the total amount of electricity, hydrogen and / or methane fuel and / or hydrocarbon production. Greatly increase capacity, speed, and efficiency. Production of electricity to meet rapidly developing demand, in particular peak power is hydrogen and / or methane as fuel for piston, rotary or turbine ICE engine (s) 32 and / or 107 and / or 109 Will be provided immediately by using. In each case, the temperature of the expandable gas is increased to drive the motor-generator 4 and / or 178 and to provide heat for agricultural, industrial, or household applications such as the thermoelectric composite application shown. It is highly advantageous to use the exhaust heat from these engines to improve the overall energy utilization efficiency by delivering.

エネルギー変換のためのこれらのプロセスは、一般に、地層からのヒートゲイン、化学エネルギー及び又は圧力エネルギーの間欠的貯蔵、及び価値ある物質の抽出からなる群から選択される目的のために適切に準備され及び維持される地層に1つ又は複数の流体物質を曝し、その後、エンジンの中でこうした流体物質のうちの1つ又は複数をハイブリッド化されたランキンサイクル又はブレイトン−サイクル膨張させて、仕事を達成するステップを含み、流体物質のうちの少なくとも1つは、改善されたブレイトンサイクルの作動のために冷却され、及び/又は凝縮されて、膨張モータに又は液体又は流体モータを駆動して仕事を達成するのにより低い高度に送達される液体を生じてもよい。   These processes for energy conversion are generally adequately prepared for purposes selected from the group consisting of heat gain from the formation, intermittent storage of chemical and / or pressure energy, and extraction of valuable materials. And exposing one or more fluid materials to the formation to be maintained, and then performing a hybrid Rankine cycle or Brayton-cycle expansion of one or more of these fluid materials in the engine to accomplish work At least one of the fluid materials is cooled and / or condensed for improved Brayton cycle operation to drive an expansion motor or a liquid or fluid motor to accomplish work Doing so may result in a lower, highly delivered liquid.

示される実施形態は、電気及び又は化学燃料価値を同時に生産しながら、地熱の熱エネルギー及び/又は適切な形成物からの炭化水素のような価値を抽出し及び変換するのに特に有益である。本発明の実施形態は、地熱エネルギーの改善された抽出及び変換効率と共に、豊富な夏のエネルギーを後で冬季で用いるために貯蔵できる燃料を生産するのに用いることができるようにする。本発明の幾つかの実施形態は、石油及び天然ガス井と共に、或る掘り尽くされた鉱山の再利用を容易にし、且つ石炭、石油、及び天然ガスの枯渇によって荒廃している又は地球温暖化問題によって苦しまされている共同体の経済的再生の機会をもたらす。   The illustrated embodiments are particularly useful for extracting and converting geothermal thermal energy and / or hydrocarbon-like values from suitable formations while simultaneously producing electrical and / or chemical fuel values. Embodiments of the present invention, along with improved extraction and conversion efficiency of geothermal energy, allow abundant summer energy to be used to produce fuels that can be stored for later use in the winter. Some embodiments of the present invention, along with oil and natural gas wells, facilitate the reuse of some mined mines and have been devastated by coal, oil and natural gas depletion or global warming It provides an opportunity for economic revitalization of communities suffering from problems.

開示される本発明の実施形態は、廃棄物から水素を生産して、空気の質及び水質を改善し、化石燃料及び共同体を放射性廃棄物で悩ませる核分裂性燃料への依存を大いに減少させるために、改善された廃棄物処理作業と、大いに低減したエネルギー要件を提供する。変わりやすい風、潮、又は波条件を有する地域では、こうした再生可能エネルギーを適切な地熱形成物の中での貯蔵及びヒートゲインのために水素又はメタンのような化学燃料ポテンシャルに局所的に変換することが重要である。   The disclosed embodiments of the present invention produce hydrogen from waste to improve air and water quality and greatly reduce the dependence on fissile fuels that plague fossil fuels and communities with radioactive waste. In addition, it provides improved waste disposal operations and greatly reduced energy requirements. In areas with variable wind, tide, or wave conditions, these renewable energies are locally converted to chemical fuel potentials such as hydrogen or methane for storage and heat gain within appropriate geothermal formations. This is very important.

燃料及び/又は二酸化炭素貯蔵に適した地熱形成物はまた、鉄道及びトラック送達に加えてパイプライン又は送電網によって図2及び図3に示すように太陽、風、波、又は潮のような再生可能資源が利用される遠方のサイトにリンクされてもよい。   Geothermal formations suitable for fuel and / or carbon dioxide storage are also regenerated like solar, wind, waves, or tides as shown in FIGS. 2 and 3 by pipelines or power grids in addition to rail and truck delivery It may be linked to a remote site where possible resources are used.

化石燃料及び核分裂性燃料への依存と置き換えるために、再生可能エネルギーの大規模な変換が必要とされる場合には、図4のシステムの実施形態400は、地熱エネルギーの強化及び貯蔵を伴うフルスペクトル・ソーラー変換を提供する。図5は、図示のように組立体412の下のゾーン内の又は通路414及び416を通過する空気を加熱するために、エネルギーの全太陽スペクトルの事実上すべての波長を捕えるための支持ケーブル402及びグレイジング404、406及び408の組立体の断面図を示す。スチール、ガラス、セラミック、ポリマー、炭素、又はこうした材料の組合せの棒、ワイヤ、又はファイバのような任意の適切な材料で作成されてもよいケーブル(単数又は複数)402は、大面積の太陽及び/又は地熱エネルギーを変換してエネルギーを生産するために、フィルム410と共に1つ又は複数の透明なグレイジング404及び406を支持する。太陽放射線は、下の地球からの赤外線放射と共に図5のトラップに入り、図示のように通路414及び416の中の及び下の空気を加熱するために熱エネルギーに変換される。   When a large-scale conversion of renewable energy is required to replace the dependence on fossil and fissile fuels, the system embodiment 400 of FIG. Provides spectrum solar conversion. FIG. 5 shows a support cable 402 for capturing virtually all wavelengths of the entire solar spectrum of energy to heat air in the zone below assembly 412 or through passages 414 and 416 as shown. And a cross-sectional view of the assembly of glazings 404, 406 and 408. Cable (s) 402, which may be made of any suitable material such as steel, glass, ceramic, polymer, carbon, or a rod, wire, or fiber of a combination of such materials, One or more transparent glazings 404 and 406 are supported with the film 410 to convert geothermal energy to produce energy. Solar radiation enters the trap of FIG. 5 along with infrared radiation from the Earth below and is converted to thermal energy to heat the air in and below the passages 414 and 416 as shown.

図4は、電気及び/又は水素を生産するための図5及び/又は図6に示すようなグレイジングを使用するためのシステム400を示す。空気は、地熱及び/又は太陽及び/又は種々のエネルギー変換プロセスによる排熱によって加熱され、上方に放出されて垂直シャフト・タービンを回す。ロータ490、432及び/又は434は、図示のように450のようなステータと併せて、図示のように地面又は幾つかの他の適切な境界と膜(単数又は複数)410又は421との間のプレナムの中に空気を送達する。図示のように、こうした動いている空気は、太陽エネルギーを集め、且つ、地熱源、熱交換器476及び内燃タービン、ピストン、又はロータリーエンジン(単数又は複数)460、481並びに熱交換器480によるソーラーエンジン−発電機470のような他の発電機(単数又は複数)及び熱機関からの排熱を除去する。こうした排熱は、好ましくはその後に熱機関の中で燃焼され又は熱交換器を通してリサイクルされる水素によって電気発電機から除去される熱と共に、エンジンジャケット及びオイル冷却を含む。図示のように断熱された排気管461及び464による太陽加熱の最終段の後で、膨張タービン440及び444によって及び/又は442のような1つ又は複数のステータと併せて達成される仕事を増加させるために、内燃機関の排気流からのより高品質の熱を加えることが好ましい。   FIG. 4 shows a system 400 for using glazing as shown in FIGS. 5 and / or 6 for producing electricity and / or hydrogen. The air is heated by geothermal and / or exhaust heat from the sun and / or various energy conversion processes and is released upward to turn the vertical shaft turbine. Rotors 490, 432 and / or 434 may be coupled with a stator such as 450 between the ground or some other suitable boundary as shown and the membrane (s) 410 or 421 as shown. Deliver air into the plenum. As shown, such moving air collects solar energy and is solar generated by a geothermal source, heat exchanger 476 and internal combustion turbine, piston, or rotary engine (s) 460, 481 and heat exchanger 480. Remove exhaust heat from other generator (s) such as engine-generator 470 and heat engine. Such exhaust heat preferably includes the engine jacket and oil cooling along with the heat removed from the electric generator by hydrogen that is subsequently combusted in the heat engine or recycled through the heat exchanger. Increases the work accomplished by expansion turbines 440 and 444 and / or in conjunction with one or more stators such as 442 after the last stage of solar heating with insulated exhaust pipes 461 and 464 as shown. In order to achieve this, it is preferable to apply higher quality heat from the exhaust stream of the internal combustion engine.

内燃ピストン及びロータリーエンジンは、440及び444で描かれるように1つ又は複数のパワーロータでガスに排気が加えられる前に電気発電機又は圧縮機を駆動する一体の排気タービンと共に作動することが好ましい。パワーロータ440及び444からの出力は、速度が増加されてもよいし又は減少されてもよく、図示のように電気発電機(単数又は複数)438と共に圧縮機/モータロータ432及び434を駆動するのに用いられる。   The internal combustion piston and rotary engine preferably operate with an integral exhaust turbine that drives the electric generator or compressor before the exhaust is added to the gas with one or more power rotors as depicted at 440 and 444. . The output from power rotors 440 and 444 may be increased or decreased in speed to drive compressor / motor rotors 432 and 434 with electric generator (s) 438 as shown. Used for.

多くの地域において、図示のように熱交換器484の深さでの天然地熱源からの及び/又は地下熱貯蔵及び交換からのヒートゲインを提供することも有利である。熱交換器480は、機械的仕事、化学プロセスの作動、及び/又は電気の生産を行った後で最終的に熱を排出する流体ポンプ482及びエンジン481、及び/又は熱電、及び/又は熱化学プロセスのような地熱エネルギー変換システムから熱を排出する。こうした排熱は、タービン440及び444で抽出されるエネルギーに加えられ、排熱プロセスを改善しながら組み合わされたプラントシステムの能力を増加させ、したがって、太陽及び地熱エネルギー変換プロセスの効率を相乗的に改善する。   In many areas, it is also advantageous to provide heat gain from natural geothermal sources at the depth of heat exchanger 484 and / or from underground heat storage and exchange as shown. The heat exchanger 480 may be a fluid pump 482 and an engine 481, and / or a thermoelectric and / or thermochemical that eventually discharges heat after performing mechanical work, operating chemical processes, and / or producing electricity. Exhaust heat from geothermal energy conversion systems like processes. Such waste heat is added to the energy extracted by turbines 440 and 444 to increase the combined plant system's capacity while improving the waste heat process, thus synergistically improving the efficiency of the solar and geothermal energy conversion process. Improve.

膜410及び421の下のゾーン内での熱交換からの追加を受け入れることによってこうした相乗的に有益な冷却を行った後で、付加的な太陽エネルギーを得るために図示のように空気が膜410又は421と406又は420との間のチャネルの中に巡回される。加熱された空気は、次いで、440及び444として描かれる1つ又は複数のパワーロータに送達される。可変ピッチ流量コントローラ443、441、及び442は、ロータ490、440及び444と協調され、これはまた、エネルギー変換プロセスを最適化するのに必要とされる場合に可変ピッチを提供してもよい。流れディレクタ443、441及び450での空気速度は、この多重に組み合わされ及びハイブリッド化されたサイクル・システムにおける太陽エネルギー及び他の因子からの熱の利用可能性、及び湿気によって実質的に影響される。   After performing such synergistic beneficial cooling by accepting additions from heat exchange in the zones below the membranes 410 and 421, air is passed through the membrane 410 as shown to obtain additional solar energy. Or circulated into the channel between 421 and 406 or 420. The heated air is then delivered to one or more power rotors depicted as 440 and 444. Variable pitch flow controllers 443, 441, and 442 are coordinated with rotors 490, 440, and 444, which may also provide a variable pitch when needed to optimize the energy conversion process. The air velocity at the flow directors 443, 441 and 450 is substantially affected by the availability of heat from solar energy and other factors and moisture in this multiple combined and hybrid cycle system. .

太陽、地熱及び/又は示される他のデバイスからの排熱が適切であり、周囲空気が比較的乾燥しているときには、システムを通して移動する空気中により高い湿気を生み出すことが有利である。水は、図示のようにシステム560内の及び/又はこれを取り囲む収穫物上に発散され及び/又は噴霧され、及び/又は適切な噴霧器500及び504によってダウンフロー構造(単数又は複数)502及び510内を通過する空気中に分配されて、周囲空気団を冷却し、したがって、タービン432、434、及び490を通過する空気の発電機438及び492への下降気流の増加した勢いを生み出し、且つ光電集熱器403を冷却する。空気を加湿することはまた、図示のようにタービン490、440及び444へのエネルギー送達を増加させるために非常に有利であり、これらの作動は、コンピュータ・コントローラ401によって適応して最適化される。   When exhaust heat from the sun, geothermal and / or other devices shown is appropriate and the ambient air is relatively dry, it is advantageous to produce higher humidity in the air moving through the system. Water is diverged and / or sprayed on the crop in and / or surrounding system 560 as shown and / or downflow structure (s) 502 and 510 by appropriate sprayers 500 and 504 as shown. Distributed in the air passing through it to cool the surrounding air mass, thus creating an increased momentum of the downdraft into the generators 438 and 492 of the air passing through the turbines 432, 434, and 490, and photoelectric The heat collector 403 is cooled. Humidification of the air is also very advantageous to increase energy delivery to the turbines 490, 440 and 444 as shown, and their operation is adaptively optimized by the computer controller 401. .

ロータ432、434、440、444、及び490と共に、流れディレクタ443、441、及び442によるピッチの幅広いバリエーションを提供することは、天候、地熱、及び複合サイクル作動のヒートゲイン範囲の全体にわたる発電機492及び438の同期作動を可能にする。   Providing a wide variation in pitch with flow directors 443, 441, and 442 along with rotors 432, 434, 440, 444, and 490, generator 492 throughout the heat gain range of weather, geothermal, and combined cycle operation. And 438 synchronous operation.

この加熱される空気流の精密適応制御は、したがって、太陽強度、地熱、及び周囲条件のすべてのレベル及び組合せにおける最大タービン効率を生じる。443と共に、流量コントローラ441、442、及び450の重要な利点は、図示のようにタービン490、434、432、440、及び444に動力を与えるための、より高い速度でのより濃厚な方向付けられた空気の送達である。これは、トルク生成と分子の運動エネルギー及び流れのシャフトエネルギーへの変換を最大にするために、ロータ490、440、及び444の可変ピッチ・ブレードの最適な部分での増加した空気速度及び送達を含む。   This precise adaptive control of the heated air flow thus results in maximum turbine efficiency at all levels and combinations of solar intensity, geothermal and ambient conditions. Along with 443, an important advantage of flow controllers 441, 442, and 450 is that they are more densely oriented at higher speeds to power turbines 490, 434, 432, 440, and 444 as shown. Air delivery. This allows for increased air velocity and delivery in the optimal portion of the variable pitch blades of the rotors 490, 440, and 444 to maximize torque generation and conversion of molecular kinetic energy and flow shaft energy. Including.

形成されるプレナム(単数又は複数)内のポンプ(単数又は複数)432及び434から必要とされるときにポジティブな空気流を提供することは、こうしたエンジンの熱効率、したがって総合システム効率を改善するために、ピーキング又はベース負荷熱機関460、470、及び480から熱が排出されるときの温度を低下させる。スターリングサイクルエンジンのようなソーラーエンジン470及び522での熱化学プロセスは、同時係属の米国特許出願第08/700,577号で開示されたものを含む任意の適切なタイプのものであってもよい。   Providing a positive air flow when needed from the pump (s) 432 and 434 in the formed plenum (s) improves the thermal efficiency of such engines and thus the overall system efficiency. In addition, the temperature at which heat is exhausted from the peaking or base load heat engines 460, 470, and 480 is reduced. Thermochemical processes in solar engines 470 and 522, such as Stirling cycle engines, may be of any suitable type, including those disclosed in co-pending US patent application Ser. No. 08 / 700,577. .

ソーラーエンジン470の効率のさらなる改善は、示のように傾斜した膜(単数又は複数)404及び/又は426から貯留層(単数又は複数)471及び473の中への排水(runoff)を含む、適用領域に流れ落ちる雨水の収集によって提供される。雨水は、裏打ちした貯留層473の中に収集され、ポンプ550によって1つ又は複数の電解槽(単数又は複数)702及び704に送達される。収集された水はまた、熱伝達率を改善するため、及び図示のように膜404、406、408及び410によって供給されるチャネルの下の及び中の太陽及び/又は地熱加熱の方に進む空気に熱交換器476によってできるだけ多くの熱を送達した後で、井(単数又は複数)471内の地中(in−ground)熱交換器472を冷却するために用いられる。   Further improvements in the efficiency of the solar engine 470 include application of runoff from the inclined membrane (s) 404 and / or 426 into the reservoir (s) 471 and 473 as shown. Provided by collecting rainwater that falls into the area. Rainwater is collected in a lined reservoir 473 and delivered by pump 550 to one or more electrolyzer (s) 702 and 704. The collected water will also improve the heat transfer rate and air traveling towards solar and / or geothermal heating below and in the channels provided by the membranes 404, 406, 408 and 410 as shown. After the heat exchanger 476 delivers as much heat as possible, it is used to cool the in-ground heat exchanger 472 in the well (s) 471.

選択された膜材料の熱的安定性及び下の地面から入手可能な地熱エネルギーに応じて、赤外線トラッピング膜としての膜410と、表面にかなりの角をもつ又はこうした角のある膜と併せて働くように平坦な黒色膜としての421とを提供することが好ましい。図6は、伝熱膜515、424及び425によって達成される太陽及び/又は地熱吸収性、伝熱面積、及び空気温度をかなり増加させるために、多数の放射を捕らえる及び伝熱する、ひだ状にされた又は概して「W」字形状にされた折り目の組み入れを例証する。個別のエアセル・チャネルを確立するために、1つ又は複数の透明な平行な膜が、図のようにわたる膜417に配置されてもよく、1つ又は複数の透明な膜が膜415に関して示されるようにわたる状態で提供されてもよい。これらの空気チャネルは、断熱し及び膜423を収容する中心チャネルの中の滞留時間を増加させてはるかに高温の空気を生じるために制限される空気流を制御可能に提供する、適切な弁を備えてもよい。これは、接触から及び図示のように不透明な延長された表面をもつ膜423及び424からの放射によって熱を得る中心チャネルの中の94℃(200°F)〜204℃(400°F)のような実質的に温められた空気の迅速な達成を可能にする。   Depending on the thermal stability of the selected membrane material and the geothermal energy available from the underlying ground, the membrane 410 as an infrared trapping membrane works in conjunction with membranes with or with significant corners on the surface Thus, it is preferable to provide 421 as a flat black film. FIG. 6 shows a pleated shape that captures and conducts multiple radiations to significantly increase the solar and / or geothermal absorbency, heat transfer area, and air temperature achieved by the heat transfer films 515, 424, and 425. FIG. 6 illustrates the incorporation of a fold made into a generally or “W” shaped. To establish a separate air cell channel, one or more transparent parallel membranes may be placed on the membrane 417 spanning the figure, and one or more transparent membranes are shown with respect to the membrane 415. It may be provided in such a state. These air channels are provided with appropriate valves that provide controllable air flow to insulate and increase the residence time in the central channel containing the membrane 423 to produce much hotter air. You may prepare. This is between 94 ° C. (200 ° F.) and 204 ° C. (400 ° F.) in the central channel that obtains heat from contact and by radiation from membranes 423 and 424 with opaque extended surfaces as shown. Enables the rapid achievement of such substantially warmed air.

図6の実施形態において、1つ又は複数の反射層が誘電体層の間に交互に位置する膜419を提供し、この膜を図示のようにガスシール膜427から若干離して配置することが一般に好ましい。これは、延長された表面をもつ膜424の太陽トラッピング及び加熱を増加させ、したがって、太陽対熱エネルギー変換プロセスの効率を改善する。反射膜419の下のゾーンに逃げる熱は、下のエアセル又は膜424に関して説明された場合よりも多く又は少なく構築される延長された表面をもつ膜423によって捕えられ、空気は、形成されるチャネルを通過する際に加熱される。延長された表面をもつ膜421によって加熱される空気チャネルを通した空気流の流量の制約は、図示のようにロータ440及び444への送達のための所望の温度を達成する際の改善を提供する。一般に、周囲外気への熱損失を最小にする速度で膜421の上の断熱空気チャネルを通した空気の流量を制御することが望ましい。すべての空気チャネルを通した流量は、図示のようにタービン440及び444での最適化された温度を達成するために、利用可能な太陽及び/又は地熱及び/又はピーキングエンジン及び/又はベース負荷エンジンによる排熱に従って調整することができる。   In the embodiment of FIG. 6, one or more reflective layers may be provided with alternating films 419 between the dielectric layers, which may be positioned slightly away from the gas seal film 427 as shown. Generally preferred. This increases solar trapping and heating of the film 424 with an extended surface, thus improving the efficiency of the solar-to-thermal energy conversion process. The heat escaping to the zone below the reflective film 419 is trapped by the film 423 with an extended surface constructed more or less than described for the underlying air cell or film 424, and the air is channeled through It is heated when passing through. The restriction of the air flow rate through the air channel heated by the membrane 421 with an extended surface provides an improvement in achieving the desired temperature for delivery to the rotors 440 and 444 as shown. To do. In general, it is desirable to control the air flow rate through the insulated air channel above the membrane 421 at a rate that minimizes heat loss to the ambient ambient air. The flow rates through all air channels are available for solar and / or geothermal and / or peaking engines and / or base load engines to achieve an optimized temperature at turbines 440 and 444 as shown. Can be adjusted according to the exhaust heat.

図4、図5、及び図6に示される実施形態の膜に適した幾つかの通例生産される材料は、高温、紫外線保護されるナイロン、ポリエステル、種々のフルオロポリマー、及びシリコンを含む。膜が放射を反射し及び絶縁品質を発達させることを要求される場合、アルミニウム、銀、クロム、ニッケル、亜鉛、銅、金、又はロジウム及び/又は二色性反射を提供する材料の非常に薄いコーティングが使用されてもよい。保護ポリマーの薄い層の間に反射面を挟むことが一般に望ましい。伝熱の効率的な断熱又は阻止は、各層の間に透明ポリマーを備えた1〜8層の反射面を用いることによって提供することができる。   Some commonly produced materials suitable for the membranes of the embodiments shown in FIGS. 4, 5 and 6 include high temperature, UV protected nylon, polyester, various fluoropolymers, and silicon. Very thin of aluminum, silver, chrome, nickel, zinc, copper, gold, or rhodium and / or materials that provide dichroic reflection if the film is required to reflect radiation and develop insulation quality A coating may be used. It is generally desirable to sandwich a reflective surface between a thin layer of protective polymer. Efficient insulation or prevention of heat transfer can be provided by using 1 to 8 reflective surfaces with a transparent polymer between each layer.

入射する放射の低角度での太陽入射伝送を増加させるため、及び膜415及び428を太陽スペクトル入射のトラッピングのための、しかし下からのより長波の赤外線放射の反射器又は遮断器として働く、透明な窓として提供するために、膜404及び/又は406上に1つ又は複数のコーティングを使用する又は表面の幾何学的形状を提供することが好ましい。423の上に形成されるセルチャネルの中の空気への熱損失を防止し及び増加した追加熱を提供する目的で、膜423の下に反射膜421を提供することも好ましい。膜421は、好ましくは、2つの誘電体層の間に挟まれたアルミニウム又は類似の反射物質の非常に薄い層を有する、複数のフィルムで作製される。これは、ミラーブライト(mirror bright)アルミニウムの非常に薄い真空蒸着された又はスパッタされた層が酸化及び損傷から保護されることを可能にする。   Transparent to increase solar incident transmission at low angles of incident radiation, and films 415 and 428 for trapping solar spectrum incidence but acting as reflectors or breakers for longer wave infrared radiation from below It is preferred to use one or more coatings on the membrane 404 and / or 406 or to provide a surface geometry to provide as a transparent window. It is also preferred to provide a reflective film 421 under the film 423 for the purpose of preventing heat loss to the air in the cell channel formed over 423 and providing increased additional heat. The film 421 is preferably made of a plurality of films having a very thin layer of aluminum or similar reflective material sandwiched between two dielectric layers. This allows a very thin vacuum deposited or sputtered layer of mirror bright aluminum to be protected from oxidation and damage.

ケーブル402及び422は、好ましくは、404、406、410、420、421、及び426のような膜に対して、「チキン・フェンス」支持網に類似した四角形、平行四辺形、及び六角形パターンを含む支持網を提供する。これは、強いが可撓性である支持部を提供し、且つこうした膜が、支持されるエネルギー・トラップに非常に高い太陽放射線を採り入れることができるようにし、且つ大雨又は大雪の荷重及び強風に耐え及び退ける(shed)能力を保証しながら、熱収縮及び熱膨張に対する多大な適応を可能にする。したがって、結果として得られる網におけるケーブルの直径及び極限引張強度は、支持部にわたって広がる材料の強度要件を満たし且つ事実上あらゆる風条件又は重たい雪の荷重に耐えるために同じであってもよいし又は異なっていてもよい。しかしながら、ほとんどの場合、こうしたケーブル・ネットワークが恒久的なものであること、及び比較的低価格な膜が必要に応じてリサイクルされ及び交換されるであろうことが意図される。   Cables 402 and 422 preferably have a square, parallelogram, and hexagonal pattern similar to a “chicken fence” support network for membranes such as 404, 406, 410, 420, 421, and 426. Provide a support net including. This provides a strong but flexible support and allows such membranes to incorporate very high solar radiation into the supported energy trap and to handle heavy rain or heavy snow loads and strong winds. Allows great adaptation to thermal shrinkage and thermal expansion while ensuring endurance and sheed ability. Thus, the cable diameter and ultimate tensile strength in the resulting mesh may be the same to meet the strength requirements of the material extending across the support and withstand virtually any wind conditions or heavy snow loads, or May be different. However, in most cases it is intended that such cable networks are permanent and that relatively inexpensive membranes will be recycled and replaced as needed.

比較的低い周囲湿度条件の間は、塔502を通して空気を採り入れ、且つタービン発電機490〜492から電気を抽出する目的で開示されたように湿気を加えることが好ましい。高い周囲湿度条件の間は、排気塔443の間の通過によってモータ/圧縮機432及び424のための中央入口510の中に空気を採り入れることが好ましい。塔443から昇ってくる高温空気は、低温の空気を膜404に沿って及び膜404と平行に移動させて、昇ってくる高温の排気と塔の間を通過して510に流入する空気との混合を最小にする。低温の周囲空気は、したがって、図示のように膜404又は426に沿って、塔22の周りに及び間に移動して、空気ハンドラ432及び434のための入口に入る。   During relatively low ambient humidity conditions, it is preferable to apply air as disclosed for the purpose of taking air through tower 502 and extracting electricity from turbine generators 490-492. During high ambient humidity conditions, air is preferably introduced into the central inlet 510 for the motor / compressors 432 and 424 by passage between the exhaust towers 443. The hot air rising from the tower 443 moves the cold air along and parallel to the membrane 404, and the rising hot exhaust and the air passing between the tower and flowing into the 510 Minimize mixing. The cold ambient air thus travels along the membrane 404 or 426 as shown and around and between the towers 22 and enters the inlets for the air handlers 432 and 434.

総合エネルギー変換効率は、本発明の幾つかの実施形態を含む種々の熱収集及びエネルギー変換システムによって送達されるエントロピー・ゲイン及び温度によって制限される。総合ハイブリッド・システムは、1つ又は複数の熱源とあらゆる瞬間でのエネルギー変換作動とを伴う巨大な熱機関として作動する。圧縮機432及び/又は塔(単数又は複数)502への吸込みにおける周囲空気が約311°K又は38℃(100°F)である典型的な夏日の作動では、タービン(単数又は複数)440に送達される空気が422°K又は149℃(300°F)に加熱される場合、エネルギー変換効率に対する1つのサブシステムのカルノー限界は、以下のようになるであろう。
効率=1−(TL/TH)又は1−(311/422)=26% 式3
The overall energy conversion efficiency is limited by the entropy gain and temperature delivered by various heat collection and energy conversion systems, including some embodiments of the present invention. The integrated hybrid system operates as a huge heat engine with one or more heat sources and energy conversion operations at every moment. In a typical summer day operation where the ambient air in the suction to the compressor 432 and / or the tower (s) 502 is about 311 ° K or 38 ° C. (100 ° F.), the turbine (s) 440 If the air delivered to is heated to 422 ° K or 149 ° C. (300 ° F.), the Carnot limit of one subsystem for energy conversion efficiency would be:
Efficiency = 1- (T L / T H ) or 1- (311/422) = 26% Equation 3

冬季には、圧縮機432に送達される周囲空気は、約283°K又は10℃(50°F)となる場合があり、タービン(単数又は複数)440に送達される空気が422°K又は149℃(300°F)に加熱される場合、エネルギー変換効率に対するカルノー限界は、以下のようになるであろう。
効率=1−(TL/TH)又は1−(283/422)=33% 式4
In winter, the ambient air delivered to the compressor 432 may be about 283 ° K or 10 ° C (50 ° F) and the air delivered to the turbine (s) 440 is 422 ° K or When heated to 149 ° C. (300 ° F.), the Carnot limit for energy conversion efficiency would be:
Efficiency = 1− (T L / T H ) or 1− (283/422) = 33% Equation 4

ソーラーエンジン470は、排熱に対するより低温の条件によって同様に恩恵を受ける。エンジン470内の加熱された作動流体に対して典型的な温度は、約1088°K又は815℃(1500°F)であり、排熱温度が311°K又は38℃(100°F)である場合、エネルギー変換効率に対するカルノー限界は、以下のようになるであろう。
効率=1−(TL/TH)又は1−(311/1088)=71% 式5
Solar engine 470 benefits similarly from the cooler conditions for exhaust heat. A typical temperature for the heated working fluid in the engine 470 is about 1088 ° K or 815 ° C (1500 ° F) and the exhaust heat temperature is 311 ° K or 38 ° C (100 ° F). In that case, the Carnot limit on energy conversion efficiency would be:
Efficiency = 1- (T L / T H ) or 1- (311/1088) = 71% Equation 5

冬季には、及び水が熱交換器472を冷却する時には、熱は、約283°K又は10℃(50°F)以下で排出することができ、エネルギー変換効率に対するカルノー限界は、式4によって示されるように改善されるであろう。
効率=1−(TL/TH)又は1−(283/1088)=74% 式6
In winter, and when water cools heat exchanger 472, heat can be discharged at about 283 ° K or 10 ° C. (50 ° F.) or less, and the Carnot limit for energy conversion efficiency is Will be improved as shown.
Efficiency = 1− (T L / T H ) or 1− (283/1088) = 74% Equation 6

電気のベース負荷供給のためのシステムが使用される場合には、太陽エネルギーを、再生可能エネルギー資源を使用する幾つかの他のサブシステムと組み合わせることが好ましい。熱機関460は、好ましくは、水素及び/又は水素と前に開示したように地熱形成物に貯蔵され又はそこから生じるメタン又は天然ガスとの混合物のような燃料で燃料供給され、図示のように第1段出力タービン440の中に又はこの付近に燃焼生成物を排出して、タービン効率を効果的に増加させる。こうした熱機関は、典型的に、815°K、538℃(1000°F)以上の排気温度を有し、取り付けられた排気タービン462にエネルギーを与えて発電機又は圧縮機を駆動することができる。内燃機関の廃熱によって駆動される取り付けられたガスタービンからの典型的には450から600°Kまでの間である排気は、図5及び図6の太陽トラッピング・グレイジング・システムによって達成される温度を実質的に増加させるのに依然として十分に温かい。   When a system for supplying electrical base loads is used, it is preferable to combine solar energy with several other subsystems that use renewable energy resources. The heat engine 460 is preferably fueled with fuel such as hydrogen and / or a mixture of hydrogen and methane or natural gas stored in or resulting from geothermal formations as previously disclosed, as illustrated. Combustion products are discharged into or near the first stage power turbine 440 to effectively increase turbine efficiency. Such heat engines typically have an exhaust temperature of 815 ° K., 538 ° C. (1000 ° F.) or higher, and can energize the attached exhaust turbine 462 to drive a generator or compressor. . Exhaust, typically between 450 and 600 ° K, from an attached gas turbine driven by internal combustion engine waste heat is achieved by the solar trapping and glazing system of FIGS. Still warm enough to substantially increase the temperature.

表3は、出力タービン(単数又は複数)440に入るガスの温度を増加させるためにこうした排気廃熱を用いることの比較した利点を示す。   Table 3 shows the comparative advantages of using such exhaust waste heat to increase the temperature of the gas entering the power turbine (s) 440.

タービン440及び444に入るガスの温度を増加させることに加えて、内燃機関460及び/又は排気タービン(単数又は複数)462を出る高速のガスのモーメントを伝達することによって、太陽で加熱された気柱にかなりの速度を加えることが好ましい。これは、トルク発生、熱効率、したがってロータ440及び444の出力を増加させる。   In addition to increasing the temperature of the gas entering the turbines 440 and 444, solar heated air is transmitted by transmitting a high-speed gas moment exiting the internal combustion engine 460 and / or the exhaust turbine (s) 462. It is preferred to apply a significant speed to the column. This increases torque generation, thermal efficiency, and thus the output of the rotors 440 and 444.

同時係属の米国特許出願第09/969,860号で提供されるように、電解槽102の中の水又は有機電解質を電気分解するために、ベース負荷要件を超える電気生産が用いられる。このようにして生産される水素は、適切なコンテナの中に、図示のように圧力調整器又はターボ膨張機536によって534のような送達パイプラインの中に、又は遠方の又は局所的な地下貯留層543の中に貯蔵される。熱及び水素及び/又はHy−boost燃料の加圧された流れのポテンシャルエネルギーは、図示のようにターボ発電機537によって抽出されて、図示のように460のようなエンジンを作動するのに必要な場合に所望の圧力低下で送達される。別の方法では、こうした圧力低下は、同時係属の特許出願の開示で開示されるようにエンジンの膨張ストロークに送達される。   As provided in co-pending US patent application Ser. No. 09 / 969,860, electricity production exceeding base load requirements is used to electrolyze water or organic electrolyte in the electrolytic cell 102. The hydrogen thus produced is stored in a suitable container, in a delivery pipeline such as 534 by a pressure regulator or turbo expander 536 as shown, or in a remote or local underground storage. Stored in layer 543. The potential energy of the pressurized flow of heat and hydrogen and / or Hy-boost fuel is extracted by a turbo generator 537 as shown and is necessary to operate an engine such as 460 as shown. In some cases with the desired pressure drop. Alternatively, such pressure drops are delivered to the engine's expansion stroke as disclosed in the co-pending patent application disclosure.

多くの局所的な及び遠方の水素貯蔵形成物において、図示のように貯留層貯蔵543へのアクセス542の水平方向の拡がりによって例証されるように、形成物を通して延びるパイプ又はアクセス穿孔によって形成物との間での分配を提供することが好ましい。   In many local and remote hydrogen storage formations, as illustrated by the horizontal extension of the access 542 to the reservoir storage 543 as shown, the formation is formed by pipes or access perforations extending through the formation. It is preferable to provide a distribution between.

オンサイトの及びパイプラインでアクセスされる水素の地下貯蔵の利用は、再生モードでの可逆電解槽702のような燃料電池、及び/又は発電のニーズを満たすのに必要な場合に燃料によって動力を与えられ又は作動流体を補足されることになる460、470、及び481を含む熱機関の使用を可能にする。同様に、こうした水素は、電解槽702並びにプラント機器及び作動のバランスを通じて使用される種々の変圧器及びインバータと共に、発電機492及び438を含む電気機器を冷却するのに好ましい作動流体である。こうした機器に対する風損抵抗減少(windage drag reduction)を行い、冷却した後で、示される熱機関に燃料を供給するためにこうした水素を用いることが好ましい。   The use of on-site and pipeline-accessed underground hydrogen storage is powered by fuel cells such as reversible electrolyzers 702 in regeneration mode and / or fuel if necessary to meet the needs of power generation. Allows the use of heat engines including 460, 470, and 481 that are provided or supplemented with working fluid. Similarly, such hydrogen is a preferred working fluid for cooling electrical equipment, including generators 492 and 438, along with electrolyzer 702 and various transformers and inverters used throughout the balance of plant equipment and operation. It is preferred to use such hydrogen to supply fuel to the indicated heat engine after windage drag reduction for such equipment and cooling.

生産されるかなりの水素を貯蔵するためにパイプライン534をサイズ設定することが好ましい。低いソーラーゲインの時間中及び夜間は、460、481のようなエンジン及び可逆燃料電池(単数又は複数)702に動力を与えるのにパイプライン及び/又は貯蔵貯留層からの水素を使用することによって電気需要を満たすことが好ましい。付加的な貯蔵は、好ましくは、地熱により恩恵を受ける及び/又は枯渇した石油形成物によって、及び岩塩空洞又は鍾乳洞のような他の適切な形成物によって提供される。   It is preferable to size pipeline 534 to store significant hydrogen produced. During low solar gain hours and at night, electricity is generated by using hydrogen from pipelines and / or storage reservoirs to power engines such as 460, 481 and reversible fuel cell (s) 702. It is preferable to meet the demand. Additional storage is preferably provided by petroleum formations that benefit from and / or are depleted by geothermal and other suitable formations such as salt cavities or limestone caves.

北アメリカの事実上あらゆる地域及びあらゆる他の大陸は、適度に多孔質であって水素を安全且つ効率よく貯蔵するのに十分な深さでシールされる地層を有する。これらの形成物の多くは、かなりの地熱エネルギー発生源(sourcing)と一致する。例証すると、こうした形成物は、それらの地質発達(geological development)時に有機物質が堆積された場合には数百万年にわたって貯蔵されたメタンを有する。他の場合において、水素は、大陸移動により誘発された高温のかんらん石と石灰岩との衝突によって生産されており、こうした形成物の中に数百万年にわたって貯蔵されている。   Virtually every region of North America and every other continent has a formation that is reasonably porous and sealed deep enough to store hydrogen safely and efficiently. Many of these formations are consistent with significant geothermal energy sources. Illustratively, these formations have methane stored for millions of years when organic material is deposited during their geological development. In other cases, hydrogen is produced by the collision of hot olivine and limestone induced by continental migration and has been stored in these formations for millions of years.

エンジン460は、急速に増加した発電需要を満たすのに必要な場合があるように出力を改善するために、タービン440及び444に電気及び付加的な熱を迅速に提供することができる迅速始動(rapid start)エンジンとして提供することが好ましい。水素及び/又は他の燃料の直接燃焼によって必要とされる場合に、ステータ(単数又は複数)441の出力における別の高速応答を提供することができる。   The engine 460 can quickly provide electricity and additional heat to the turbines 440 and 444 to improve power output as may be necessary to meet the rapidly increasing power generation demand ( preferably provided as a rapid start) engine. Another fast response at the output of the stator (s) 441 can be provided when required by direct combustion of hydrogen and / or other fuel.

太陽エネルギーの特に効率的な利用は、炭化水素を水素と炭素に解離するために太陽エネルギーを適用することによって達成される。シャフト仕事及び/又は電気を提供するために熱機関及び/又は燃料電池で開示されるように水素を用いることができる。プロセスによって提供された炭素は、風、波、水力、及び太陽資源を利用する機器を含む耐久性のある物品を製造するために使用することができる。これは、炭素及び/又は水素供与体の解離に関係する本発明者の同時係属の米国特許出願で開示される本発明の実施形態を含む。実施形態400の場所で又はその付近で熱機関又は燃料電池に水素及び/又は他の燃料が使用される場合には、エントロピー増加を最小にする点でシステムを通して動いている空気にこうしたエネルギー変換システムによる排熱を加えることが好ましい。   A particularly efficient utilization of solar energy is achieved by applying solar energy to dissociate hydrocarbons into hydrogen and carbon. Hydrogen can be used as disclosed in heat engines and / or fuel cells to provide shaft work and / or electricity. The carbon provided by the process can be used to produce durable articles including equipment that utilizes wind, waves, hydropower, and solar resources. This includes embodiments of the invention disclosed in the inventors' co-pending US patent application relating to the dissociation of carbon and / or hydrogen donors. If hydrogen and / or other fuel is used in the heat engine or fuel cell at or near the location of embodiment 400, such an energy conversion system into air moving through the system in terms of minimizing entropy increase. It is preferable to add waste heat due to.

別の実施形態において、本発明は、太陽エネルギーを加えて電気分解のために要求される電気エネルギーを減少させることによって、エントロピー・ゲインを減少させる。約18グラム(1グラムモル)の水は、237.13kJである形成物の自由エネルギーΔGに等しい電気仕事によって分解される。このプロセスは、吸熱であり、生産される水素と酸素を標準温度及び圧力に膨張する際になされる仕事である48.7kJ/molの(TΔS)に等しい付加的なエネルギーを消費する。
ΔH=ΔG+TΔS 式7
式5.2 285.83kJ/mol=237.13kJ/mol+48.7kJ/mol。
In another embodiment, the present invention reduces entropy gain by adding solar energy to reduce the electrical energy required for electrolysis. About 18 grams (1 gram mole) of water is broken down by electrical work equal to the free energy ΔG of the formation, which is 237.13 kJ. This process is endothermic and consumes additional energy equal to 48.7 kJ / mol (TΔS), the work done in expanding the produced hydrogen and oxygen to standard temperature and pressure.
ΔH = ΔG + TΔS Equation 7
Formula 5.2 285.83 kJ / mol = 237.13 kJ / mol + 48.7 kJ / mol.

解離プロセスは吸熱であるため、太陽エネルギー及び/又は他のプロセスからの廃熱を加えることが有利である。こうした熱の追加は、これが電気仕事として提供されなければならないギブスの自由エネルギー(ΔG)の量を減少させるので、これが電気分解温度を高める場合に、特に有利である。したがって、印加されなければならない電圧の総量は、室温で水を解離するのに要求されるよりも少ない。   Since the dissociation process is endothermic, it is advantageous to add solar energy and / or waste heat from other processes. This addition of heat is particularly advantageous when increasing the electrolysis temperature, as this reduces the amount of Gibbs free energy (ΔG) that must be provided as electrical work. Thus, the total amount of voltage that must be applied is less than required to dissociate water at room temperature.

吸熱エネルギーが廃熱源又は環境から来ると仮定すると、水を解離するために印加されなければならない最小電圧は、以下の通りである。
ΔG=−nFE0 式8
Assuming that the endothermic energy comes from a waste heat source or the environment, the minimum voltage that must be applied to dissociate the water is:
ΔG = −nFE 0 Formula 8

この最小電圧要件(E0)は自由エネルギー(ΔG)の変化に依存するので、E0は、ΔG/(交換される電子の数(n)×ファラデー定数(F=9.648×104)又は(nF))に等しい。電気分解温度が25℃の標準温度よりも上に増加するのに伴って、電気分解温度が断熱化学量論的燃焼反応によって生じるであろう温度に近づくので、自由エネルギーはゼロに近づく。 Since this minimum voltage requirement (E 0 ) depends on the change in free energy (ΔG), E 0 is ΔG / (number of electrons exchanged (n) × Faraday constant (F = 9.648 × 10 4 )). Or (nF)). As the electrolysis temperature increases above the standard temperature of 25 ° C., the free energy approaches zero as the electrolysis temperature approaches the temperature that would be produced by an adiabatic stoichiometric combustion reaction.

電気分解圧力の増加は、加圧された水素及び酸素貯蔵を所望の密度で生じるために望ましい。圧力の増加は、電気分解のためのより高い電圧を必要とする。式5.4は、圧力要件と電圧要件との関係性を例証する。電気分解電圧(Ep)は、E0に圧力上昇に関するネルンスト調整(Nernst adjustment)を加えることによって見出すことができる。
Ep=E0+RT/nF ln PH2(PO2)/PH2O 式9
An increase in electrolysis pressure is desirable to produce pressurized hydrogen and oxygen storage at the desired density. The increase in pressure requires a higher voltage for electrolysis. Equation 5.4 illustrates the relationship between pressure requirements and voltage requirements. The electrolysis voltage (Ep) can be found by adding a Nernst adjustment for the pressure rise to E 0 .
Ep = E 0 + RT / nF ln P H2 (P O2 ) / P H2O Formula 9

水素と酸素が同じ圧力で生じ、且つ給水が同じ圧力で液体であると仮定すると、式9は、以下のように簡略化される。
Ep=E0+3RT/4F(ln Pi/Patm) 式10
Assuming that hydrogen and oxygen occur at the same pressure and that the water supply is liquid at the same pressure, Equation 9 is simplified as follows:
Ep = E 0 + 3RT / 4F (ln P i / P atm ) Equation 10

10,000PSIの水から10,000PSIの酸素と水素を生じるための電圧の増加は、以下のとおりである。
3RT/4F ln Pi/Patm=3RT/4F ln680.3=3(8.3144J/molK)298K(6.522)/4(9.648×104)=0.125V 式5
The increase in voltage to produce 10,000 PSI of oxygen and hydrogen from 10,000 PSI of water is as follows.
3RT / 4F ln P i / P atm = 3RT / 4F ln680.3 = 3 (8.3144J / molK) 298K (6.522) / 4 (9.648 × 10 4 ) = 0.125V Formula 5

蒸気を生じるために温度を昇降することは、(ΔG0T=ΔH0T(298K)−TΔS0298K)を計算する(accounting)ネルンスト及び/又はギブスのエネルギーによって示されるように、水を解離するのに必要とされる電圧を下げる。 Increasing the temperature to produce steam dissociates water as indicated by Nernst and / or Gibbs energy accounting (ΔG 0 T = ΔH 0 T (298K) −TΔS 0 298K) Lower the voltage needed to do.

したがって、解離に必要とされる電圧は、TΔS0298Kが285.83kJ/molであるΔH0T(298K)に近づくのに伴ってゼロに近づく。標準温度(DS0298K)でのエントロピーの変化は0.1634kJ/molであり、したがって以下のとおりである。
285.83kJ/mol/0.1634kJ/mol=1,749K又は1,476℃(2,689°F)
Thus, the voltage required for dissociation approaches zero as TΔS 0 298K approaches ΔH 0 T (298K), where 285.83 kJ / mol. The change in entropy at the standard temperature (DS 0 298 K) is 0.1634 kJ / mol and is therefore:
285.83 kJ / mol / 0.1634 kJ / mol = 1,749 K or 1,476 ° C. (2,689 ° F.)

地熱エネルギーの季節的増強に対するほぼすべての大陸上でのハイブリッド化の機会の例証として、表1は、ゲーンズビル、フロリダのようなより暖かい地域に比べて中央アラスカのフェアバンクス地域及び他の北部の平野地域のようなより長日及び比較的晴天条件において実質的な夏のエネルギーが利用可能であることを示す。アラスカのフェアバンクス地域及びカナダの類似の地域は、示されるように明るく日が照る夏の長日の間は「暖かいように思われる」北アメリカの都市のうちの8つよりも、多くの太陽エネルギーを受け取る。   As an illustration of hybrid opportunities on almost all continents for seasonal increases in geothermal energy, Table 1 shows the Fairbanks area in Central Alaska and other northern plains areas compared to warmer areas such as Gainesville, Florida. It shows that substantial summer energy is available for longer days and relatively clear weather conditions such as The Fairbanks area of Alaska and similar areas of Canada have more solar energy than eight of the North American cities that seem “warm” during the bright and sunny summer days as shown. Receive.

図7は、パラボラ集熱器520の焦点における送達ライン530によって供給されるメタン又は水のような水素供与体に太陽熱を追加して、低減された電圧で又は電圧無しにこうした加圧された水素供与体の解離を提供するための実施形態522を示す。このようにして提供される加圧された水素は、図示のようにライン532によって貯蔵及び/又はパイプライン534による送達のために送達される。1つの態様において、本明細書で開示される電解槽を含む電解槽は、加圧された水素を含む供給原料を提供することができる。   FIG. 7 shows the addition of solar heat to a hydrogen donor such as methane or water supplied by delivery line 530 at the focus of the parabolic collector 520, with such a pressurized hydrogen at reduced voltage or no voltage. 5 illustrates an embodiment 522 for providing donor dissociation. The pressurized hydrogen provided in this way is delivered for storage by line 532 and / or delivery by pipeline 534 as shown. In one aspect, an electrolyzer comprising an electrolyzer disclosed herein can provide a feedstock that includes pressurized hydrogen.

図7は、太陽を追跡して反応器714のレシーバ・ゾーン730上のミラー712によって受光され反射される太陽エネルギーを絶えず合焦して高い作動温度を生じる太陽集中器520を含む、プロセス回路の構成要素を一般に示す。固定ベース704は、駆動システムを収容し、反応器714との間の材料の伝達を提供する。反応器714に対する燃料及び埋立地のメタンのような供給原料は、パイプライン718及び/又は530への接続によって送達される。   FIG. 7 illustrates a process circuit including a solar concentrator 520 that tracks the sun and continuously focuses the solar energy received and reflected by the mirror 712 on the receiver zone 730 of the reactor 714 to produce a high operating temperature. The components are generally shown. Fixed base 704 houses the drive system and provides material transfer to and from reactor 714. Feedstock such as fuel to reactor 714 and landfill methane is delivered by connection to pipelines 718 and / or 530.

汚水構成要素のような流体供給原料が反応器714によって処理される場合には、適切なパイプライン715への接続によって送達されることが好ましい。生産され又は送達される電気は、ケーブル群717によって伝達される。反応器714によって生じる水素及び/又は他の流体は、市場の需要を満たすために局所的な又は遠方の貯蔵及び分配用の地熱貯留層543へのパイプライン716に送達される。ステージ706は、反応器714の太陽トラッキングを提供するために中心垂直軸の周りで回転し、これは図示のようにミラー712と共に組み立てられる。図示のように支持部710の水平軸709の周りの協調される回転は、太陽を追跡し、及びミラー組立体712から反射される点収束された太陽エネルギーを生じるために提供される。加熱されることになる有機固体及び半固体がホッパ708の中に入れられ、これは、こうした材料をその一部が図8に示されるスクリュー・コンベヤ724の中に供給する。   Where fluid feedstock, such as sewage components, is processed by the reactor 714, it is preferably delivered by connection to a suitable pipeline 715. The electricity produced or delivered is transmitted by the cable group 717. Hydrogen and / or other fluids generated by the reactor 714 are delivered to a pipeline 716 to a geothermal reservoir 543 for local and remote storage and distribution to meet market demand. Stage 706 rotates about a central vertical axis to provide solar tracking for reactor 714, which is assembled with mirror 712 as shown. As shown, coordinated rotation of support 710 about horizontal axis 709 is provided to track the sun and produce point-focused solar energy reflected from mirror assembly 712. Organic solids and semi-solids to be heated are placed in hopper 708, which supplies such material in part in screw conveyor 724 shown in FIG.

図8は、固定レシーバ管722と回転式スクリュー・コンベヤ及び押出機管724とを含み、一体のつる巻きねじフライト726が有機物質のような反応性成分をゾーン730の中に強制し、集中された太陽エネルギーによって高温に迅速に加熱する、レシーバ714の実施形態720の詳細を示す。十分な集中度の太陽エネルギーは、放物線形、球形、又はアレイ状のヘリオスタット・ミラーによって直ちに達成され、閉じ込め管722の材料及び構成仕様によって提供される物理的特性及び化学的特性によって許されるような500℃〜2500℃の典型的な作動温度を生じる。   FIG. 8 includes a fixed receiver tube 722 and a rotating screw conveyor and extruder tube 724 where an integral helical screw flight 726 forces reactive components such as organic materials into the zone 730 and is concentrated. 7A shows details of an embodiment 720 of receiver 714 that is rapidly heated to high temperatures by solar energy. Sufficient concentration of solar energy is readily achieved by parabolic, spherical, or arrayed heliostat mirrors, as allowed by the physical and chemical properties provided by the material and construction specifications of the containment tube 722. A typical operating temperature of 500 ° C to 2500 ° C.

落水、風、波の作用によって、又は集中された又は集中されていない太陽エネルギーを受け入れる光電アレイ403によって、若しくはソーラーエンジン−発電機470又は本明細書で説明される種々の作動によって生産される燃料を用いる460のような内燃機関によって動力を与えられる発電機からの電気を用いる誘導加熱又は抵抗加熱のような他の形態の再生可能な加熱が直ちに適合される。同様に、反応器714によって生産される燃料の一部を燃焼させて、式11、式12、及び式15の反応を達成するために十分にゾーン730を加熱することが考慮される。このゾーン730への代替熱源群は、修復のためのダウンタイム、時々曇り、又は夕暮れの場合の継続作動を保証するのに必要とされる場合の、太陽エネルギーの補足又は置換えのための好ましい措置を例証する。   Fuel produced by the action of falling water, wind, waves, or by a photovoltaic array 403 that accepts concentrated or unconcentrated solar energy, or by a solar engine-generator 470 or various operations described herein. Other forms of renewable heating such as induction heating or resistance heating using electricity from a generator powered by an internal combustion engine such as 460 are readily adapted. Similarly, it is contemplated that a portion of the fuel produced by reactor 714 is combusted to heat zone 730 sufficiently to achieve the reactions of Equations 11, 12, and 15. This alternative heat source group to zone 730 is a preferred measure for supplementing or replacing solar energy when needed to ensure continued operation in case of downtime for repair, sometimes cloudy, or dusk To illustrate.

前に生産された水素及び/又は一酸化炭素の部分燃焼によるゾーン730に対する太陽熱の補足的加熱又は置換えは、好ましくは、管732のボア731内に電解槽707から管737を通して酸素を送達することによって達成される。重要な相乗的な恩恵は、埋立地のメタン及び/又は水素で熱機関7033を作動させ、電気発電機705に動力を与えることによって提供される。あらゆる余剰発電能力は、電解槽707の中で酸素と水素を生産するために用いることができる。こうした作動によって生じる水素は、契約販売のためにパイプライン716及び/又は534の中に直ちに貯蔵することができ、酸素は、反応器714によって生産される燃料の部分燃焼による発熱のプロセス効率を大いに改善するために用いることができる。   The supplemental heating or replacement of solar heat to zone 730 by partial combustion of previously produced hydrogen and / or carbon monoxide preferably delivers oxygen from electrolytic cell 707 through tube 737 into bore 731 of tube 732. Achieved by: Significant synergistic benefits are provided by operating heat engine 7033 with landfill methane and / or hydrogen to power electric generator 705. Any surplus power generation capacity can be used to produce oxygen and hydrogen in the electrolyzer 707. The hydrogen produced by such operations can be immediately stored in pipelines 716 and / or 534 for contract sales, and oxygen greatly increases the process efficiency of the exotherm due to partial combustion of the fuel produced by reactor 714. Can be used to improve.

空気によって大抵供給される窒素の排除は、部分燃焼による熱を生じるために酸素が用いられるときに、管732内のガス混合物から水を凝縮し又はフィルタリングすることによる水素精製費用を大いに減少させる。管737は、オキシダントとして空気が用いられる場合に存在するであろう窒素の最小限の熱損失及び最小限の加熱を伴って、必要とされる燃料の量を燃焼するために図示のように酸素を送達する。   The elimination of nitrogen, mostly supplied by air, greatly reduces the cost of hydrogen purification by condensing or filtering water from the gas mixture in tube 732 when oxygen is used to generate heat from partial combustion. Tube 737 is oxygenated as shown to burn the amount of fuel required, with minimal heat loss and minimal heating of nitrogen that would be present when air is used as the oxidant. To deliver.

管722は、したがって、嫌気性条件で有機供給原料を収容する機能、及び以下の一般的反応を容易にするために集中されたフラックス加熱ゾーン730の中に運ばれるバイオマスに太陽エネルギーを伝達する機能を果たす。
nmx+熱1→xCO+m/2H2+(n−x)C 式11
6105+熱2→5CO+5H2+C 式12
The tube 722 therefore functions to contain the organic feedstock in anaerobic conditions, and to transmit solar energy to the biomass that is carried into the concentrated flux heating zone 730 to facilitate the following general reactions. Fulfill.
C n H m O x + heat 1 → xCO + m / 2H 2 + (nx) C Equation 11
C 6 H 10 O 5 + heat 2 → 5CO + 5H 2 + C Formula 12

圧縮された固体(compacted solid)によって図示のように回転スクリュー管732の中央ボア731の中に強制されるCO及びH2と共に少量のNH3、H2S、N2、及びH2Oもまた、気体生成物中に見られる場合がある。H2Sは、好ましくは、鉄と反応して硫化鉄を形成し、又水素が放出される際のプロセスによって生じる炭素の中に捕集される。固定窒素を典型的にアンモニアとして、硫黄を硫化鉄として捕集すること、及び本発明によって捕集される灰と共にこれらの物質を土壌栄養素として使用することが好ましい。 Small amounts of NH 3 , H 2 S, N 2 , and H 2 O along with CO and H 2 forced into the central bore 731 of the rotating screw tube 732 as shown by the compressed solid are also present. May be found in gaseous products. H 2 S is preferably collected in the carbon produced by the process as it reacts with iron to form iron sulfide and hydrogen is released. It is preferred to collect fixed nitrogen as typically ammonia and sulfur as iron sulfide and to use these materials as soil nutrients with the ash collected by the present invention.

炭素及び灰736のような固体は、図示のようにフライト734に沿ったスクリュー管732の回転する動きによってゾーン730から抽出される。高温断熱740は、好ましくは、図示のようにレシーバ714の端を覆うために用いられ、断熱された領域742は、スクリュー・コンベヤ732によって抽出される炭素リッチな固体とレシーバ及び反応器組立体の加熱ゾーン730の方に動いているバイオマスとの間でなされる向流熱交換に沿って熱の保存を提供する。太陽エネルギーが利用可能ではない時間中は、ゾーン730を覆うために絶縁体スリーブ748が用いられ、好ましくは、図示のように他の構成要素の例証を可能にするために除去される管ガイドの伸縮によって支持され及び示される貯蔵位置との間でガイドされる。   Solids such as carbon and ash 736 are extracted from zone 730 by the rotational movement of screw tube 732 along flight 734 as shown. The high temperature insulation 740 is preferably used to cover the end of the receiver 714 as shown, and the insulated area 742 is carbon rich solids extracted by the screw conveyor 732 and the receiver and reactor assembly. Heat preservation is provided along with countercurrent heat exchange with the biomass moving towards the heating zone 730. During times when solar energy is not available, an insulator sleeve 748 is used to cover the zone 730 and is preferably removed to allow for the illustration of other components as shown. Supported by the telescopic and guided between the storage positions shown.

圧密及び向流予熱の初期段階で除去された水及び他のガスは、好ましくは、捕集管746を通した抽出を可能にするためにルーバー又は穴744を通してベントされる。肥やし及び汚水のような多くの供給原料に対して、この水は、一般に固定窒素及び他の土壌栄養素を含有し、好ましくは、土壌の耕起性及び生産性を上げるために使用される。   Water and other gases removed in the initial stages of consolidation and countercurrent preheating are preferably vented through louvers or holes 744 to allow extraction through collection tube 746. For many feedstocks such as manure and sewage, this water generally contains fixed nitrogen and other soil nutrients and is preferably used to increase soil tillage and productivity.

純炭素及び純水素が好ましい場合には、バイオマスは、カルシウム、マグネシウム、リン、鉄、及び他のミネラルのような灰を生成する物質を除去するために前処理されてもよい。バイオマスの灰成分は、しばしば無駄に埋立地に収集され又は汚水及び生ごみ処理作業から廃水が棄てられる際に川、湖、及び海洋に流される。本発明の幾つかの実施形態は、直ちに収集され及び土壌栄養素として有用な用途に戻されることになる灰のミネラルを提供する。これは、灰構成要素を分離するために適切な溶媒中のバイオマスの機械的分離及び溶解の組合せによって達成されてもよい。   Where pure carbon and pure hydrogen are preferred, the biomass may be pretreated to remove ash-producing materials such as calcium, magnesium, phosphorus, iron, and other minerals. Biomass ash components are often wastefully collected in landfills or spilled into rivers, lakes, and oceans when wastewater is discarded from sewage and garbage disposal operations. Some embodiments of the present invention provide ash minerals that are readily collected and returned to useful use as soil nutrients. This may be achieved by a combination of mechanical separation and dissolution of biomass in a suitable solvent to separate the ash components.

前に開示したように、実施形態72は、以下の一般的反応に従って炭水化物及びセルロースのようなバイオマスの嫌気性消化を提供する。
n(C6105)+nH2O+熱3→n(C6126) 式13
n(C6126)→3n(CH4)+3nCO2+熱4 式14
As previously disclosed, embodiment 72 provides for anaerobic digestion of biomass such as carbohydrates and cellulose according to the following general reaction.
n (C 6 H 10 O 5 ) + nH 2 O + heat 3 → n (C 6 H 12 O 6 ) Formula 13
n (C 6 H 12 O 6 ) → 3 n (CH 4 ) +3 nCO 2 + heat 4 formula 14

式13及び式14のプロセスの後に残る水性液体(aqueous liquor)中に取り込まれる土壌栄養素は、潅漑用水を加えることを含む種々の技術によって、枯渇した土壌に効率よく伝達される。二酸化炭素は、相変化分離を生じるための冷却によって又は水のような適切な溶媒中への吸着によって式14の生成物から直ちに除去される。二酸化炭素は、25気圧及び12℃(54°F)で水の体積1に対してガスの体積約21.6の程度まで水に可溶である。圧力を増加させ、及び/又は温度を低下させることは、水の体積に対して溶解される二酸化炭素の量を増加させる。メタンからの二酸化炭素の分離後に、圧力を下げる又は温度を上昇させることは、溶解した二酸化炭素を放出させる。   Soil nutrients incorporated into the aqueous liquid remaining after the processes of Equations 13 and 14 are efficiently transferred to the depleted soil by various techniques including adding irrigation water. Carbon dioxide is immediately removed from the product of Formula 14 by cooling to cause phase change separation or by adsorption into a suitable solvent such as water. Carbon dioxide is soluble in water at 25 atmospheres and 12 ° C. (54 ° F.) to the extent of a gas volume of about 21.6 per volume of water. Increasing the pressure and / or decreasing the temperature increases the amount of carbon dioxide dissolved relative to the volume of water. After separation of carbon dioxide from methane, reducing the pressure or increasing the temperature releases dissolved carbon dioxide.

図9は、有機物質を生産する光合成762、メタンと二酸化炭素を生産する嫌気性解離及び又は消化764、水又はヒンダード・アミンのような適切な媒体中の二酸化炭素の吸収差によってメタン及び/又は水素から二酸化炭素を分離するための冷却及び相分離又は圧力スイング吸着システム768とを含むプロセス760のブロック図を示す。二酸化炭素、メタン、窒素、及び他のガスを含む混合ガスは、液体溶液中に強制される。吸収又は凝縮されないメタン及び他のガスの除去後に、分離システムから捕集された二酸化炭素は、好ましくは、エネルギー効率の良い住居の建設のためのポリマー発泡体断熱材及び軽量コンクリートを作製するために使用される。   FIG. 9 illustrates photosynthesis 762 that produces organic material, anaerobic dissociation and / or digestion 764 that produces methane and carbon dioxide, methane and / or absorption differences in carbon dioxide in a suitable medium such as water or a hindered amine. FIG. 7 shows a block diagram of a process 760 including a cooling and phase separation or pressure swing adsorption system 768 for separating carbon dioxide from hydrogen. A gas mixture containing carbon dioxide, methane, nitrogen, and other gases is forced into the liquid solution. After removal of methane and other gases that are not absorbed or condensed, the carbon dioxide collected from the separation system is preferably used to make polymer foam insulation and lightweight concrete for the construction of energy efficient residences. used.

反応器720の管722に加えられるメタンのような炭化水素は、高温ゾーン730で分解されて炭素を生成し、式15によって示されるように水素を放出する。
CH4+熱5→C+2H2 式15
A hydrocarbon, such as methane, added to the tube 722 of the reactor 720 is cracked in the hot zone 730 to produce carbon, releasing hydrogen as shown by Equation 15.
CH 4 + heat 5 → C + 2H 2 formula 15

式15によって特徴付けられるプロセスによる炭素の生産は、貯蔵のための炭素源又は耐久性のある物品及び製品の性能を強化するための種々の形態への分化を提供する。式15の一般的プロセスによって炭化水素から生産される炭素は、このような耐久性のある物品で使用される炭素1トンにつき約3.67トンの二酸化炭素の生産を回避する。式15の一般的プロセスによって炭化水素から生産される水素は、大気からの窒素と反応してアンモニアを生成することができ、又は発電所、醸造所、製パン所、又はか焼プラントのような適切な二酸化炭素源と反応してメタノールを生産することができる。こうしたアンモニア及びメタノールは、したがって、低温の液体水素よりも体積当たりより多くの水素を提供する水素貯蔵物質として働き、この実施形態は、式15によって要約されるようなプロセスによって捕集された炭素1トンにつき3.67トンの二酸化炭素の回避によって、正味の二酸化炭素減少システムとして作用する。   The production of carbon by the process characterized by Equation 15 provides differentiation into various forms to enhance the performance of carbon sources for storage or durable articles and products. Carbon produced from hydrocarbons by the general process of Equation 15 avoids the production of about 3.67 tonnes of carbon dioxide per ton of carbon used in such durable articles. Hydrogen produced from hydrocarbons by the general process of Formula 15 can react with nitrogen from the atmosphere to produce ammonia, or like a power plant, brewery, bakery, or calcination plant It can react with a suitable source of carbon dioxide to produce methanol. Such ammonia and methanol thus serve as a hydrogen storage material that provides more hydrogen per volume than cold liquid hydrogen, and this embodiment provides carbon 1 collected by a process as summarized by Equation 15. By avoiding 3.67 tons of carbon dioxide per ton, it acts as a net carbon dioxide reduction system.

アンモニア及びメタノールのような物質は、比較的低い圧力で地熱形成物の中に噴射することができ、熱を得た後はかなり高い圧力で蒸気に変わる。これは、式15の炭化水素供給原料を燃やすことによって得ることができるエネルギーの量よりも図1〜図6に関して説明されるような作動のためにはるかに大きいエネルギーを戻すことを可能にする。加えて、この実施形態は、耐久性のある物品の生産のために使用される炭素1トンにつき3トンよりも多い二酸化炭素を回避すると共に、より一層収益性の高いビジネスの機会を提供する。   Substances such as ammonia and methanol can be injected into geothermal formations at relatively low pressures and turn into steam at fairly high pressures after obtaining heat. This makes it possible to return much greater energy for operation as described with respect to FIGS. 1-6 than the amount of energy that can be obtained by burning the hydrocarbon feedstock of Formula 15. In addition, this embodiment avoids more than 3 tons of carbon dioxide per ton of carbon used for the production of durable articles and provides a more profitable business opportunity.

所与の量の隔離される(sequestered)炭素を生産するために式15のプロセスで必要とされる熱の量は、大気から二酸化炭素を捕集し及び解離するのに必要とされるエネルギーよりもかなり少ない。式15のプロセスを実施するために必要とされる装置は、大気から二酸化炭素を抽出し及びこれを炭素と酸素に分解するために必要とされるよりもはるかに少ない関与であり、非常に簡単であり、且つより堅牢である。同様に、メタンのような炭化水素の解離によって水素を生産するためのエネルギーの量は、水から水素を生産するための要件よりも非常に少ない。こうした水素は、86、176、又は543のような1つ又は複数の地熱形成物の中での局所的な又は遠方の間欠的貯蔵を含む局所的に又は遠い距離で使用することができると共に、その後、モータ−発電機94、178、又は537で膨張し、最終的に107、109、131、137、及び又は460のような熱電気複合利用(CHP)用途に燃料供給して、従来技術の従来の手法よりもはるかに大きい総合エネルギー利用効率を提供することができる。   The amount of heat required in the process of Equation 15 to produce a given amount of sequestered carbon is greater than the energy required to collect and dissociate carbon dioxide from the atmosphere. There are quite few. The equipment required to carry out the process of Equation 15 is much simpler and requires much less involvement than is required to extract carbon dioxide from the atmosphere and decompose it into carbon and oxygen. And more robust. Similarly, the amount of energy to produce hydrogen by dissociation of hydrocarbons such as methane is much less than the requirement to produce hydrogen from water. Such hydrogen can be used locally or at a distance, including local or distant intermittent storage in one or more geothermal formations such as 86, 176, or 543, and It is then expanded with a motor-generator 94, 178, or 537, and finally fueled for thermoelectric combined use (CHP) applications such as 107, 109, 131, 137, and / or 460. It can provide much greater overall energy utilization efficiency than traditional approaches.

バイオマス固体及びメタンを含む炭化水素を炭素と水素に変換するプロセスにおいて、式11、式12、及び式15に関して示されるような解離反応の生成物は、反応物よりも多くの体積を占める傾向がある。これらの吸熱反応を行うための組立体714の装置720は、ボア731を通して流出する水素及び他のガスがボア731の出口上の回転式ユニオン及び圧力調整手段によって所望の程度に加圧され及び維持されてもよいように、押出機フライト726によって入口に沿ってゾーン730に圧縮される炭素リッチな材料で及びゾーン730の出口の押出機フライト734に沿って炭素リッチな材料で反応ゾーン730を直ちにシールすることができる。   In the process of converting biomass solids and hydrocarbons including methane to carbon and hydrogen, the products of the dissociation reaction as shown with respect to Equations 11, 12, and 15 tend to occupy more volume than the reactants. is there. The device 720 of the assembly 714 for performing these endothermic reactions is such that hydrogen and other gases exiting the bore 731 are pressurized and maintained to the desired degree by a rotating union and pressure regulating means on the outlet of the bore 731. As may be done, the reaction zone 730 is immediately filled with a carbon rich material that is compressed by the extruder flight 726 along the inlet into the zone 730 and with a carbon rich material along the extruder flight 734 at the exit of the zone 730. Can be sealed.

メタンが反応器720の中に入る前に適切な加圧技術で低温のメタンを反応器720からの水素の所望の送達圧に加圧することが好ましい。嫌気性消化で生産されるガスが液化によって分離される場合、これはメタンを所望の圧力に気化することによって直ちに達成される。種々のポンプ及び圧縮機770による加圧もまたこの目的のために用いられてもよい。   It is preferable to pressurize the cold methane to the desired delivery pressure of hydrogen from the reactor 720 with a suitable pressurization technique before the methane enters the reactor 720. If the gas produced by anaerobic digestion is separated by liquefaction, this is immediately accomplished by vaporizing methane to the desired pressure. Pressurization by various pumps and compressors 770 may also be used for this purpose.

生産されてもよい炭素のタイプは、市場の需要並びに式15のプロセスが達成される対応する温度及び圧力に応じて大きく変化する。製造段772に送達されるメタンは、ファイバ、カーボン・ブラック、適切な基体上のダイヤモンド状(diamond−like)めっき、グラファイト結晶を、及び米国特許出願第08/921,134号、第08/921,134号、及び第09/370,431号の開示を含む同時係属の開示に対応する多くの他の形態で生産するのに必要な場合に処理されてもよい。   The type of carbon that may be produced varies greatly depending on market demand and the corresponding temperature and pressure at which the process of Equation 15 is achieved. Methane delivered to manufacturing stage 772 includes fiber, carbon black, diamond-like plating on suitable substrates, graphite crystals, and US patent application Ser. Nos. 08 / 921,134, 08/921. , 134, and 09 / 370,431, which may be processed as needed to produce in many other forms corresponding to the co-pending disclosure.

或る用途に関する熱の保存の利点として、スクリュー・コンベヤ732が、ボア731を通して送達される水素及び適切に設計された押出機724によって流入する供給原料と向流熱交換する状態で運ばれるゾーン730における反応によって生産される炭素を伴う供給経路及び予熱器として設計されるであろうということも考慮される。この配置は、供給原料とは反対方向に通過する生成物の並流によってゾーン730に到達する前に内部から及び外部から流入する供給原料の向流加熱を提供する。   As an advantage of heat storage for certain applications, a zone 730 in which the screw conveyor 732 is conveyed in countercurrent heat exchange with the hydrogen delivered through the bore 731 and the feedstock flowing in through a properly designed extruder 724. It is also considered that it will be designed as a feed path and preheater with carbon produced by the reaction in This arrangement provides countercurrent heating of the feed flowing from the inside and from the outside before reaching zone 730 by cocurrent flow of product passing in the opposite direction to the feed.

式15の反応によって生成される炭素は、スクリュー・コンベヤ732によって管724と向流熱交換する状態で搬送されて、流入するメタンを予熱し、したがって太陽エネルギーが式15のプロセスを完了させる全体的効率及び速度を増加させる。生産される水素は、管コンベヤ732のボア731の中に捕集され、熱は、ゾーン730の方に通過する反応物との向流熱交換において除去される。生産される再生可能な水素は、燃料電池又は空気を実際に浄化し且つ周囲大気よりもきれいな排気を提供する既存のエンジンで用いることができる。   The carbon produced by the reaction of Equation 15 is conveyed by the screw conveyor 732 in countercurrent heat exchange with the tube 724 to preheat incoming methane and thus the solar energy completes the Equation 15 process. Increase efficiency and speed. The produced hydrogen is collected in the bore 731 of the tube conveyor 732 and heat is removed in countercurrent heat exchange with the reactants passing towards the zone 730. The renewable hydrogen produced can be used in fuel cells or existing engines that actually clean the air and provide a cleaner exhaust than the ambient atmosphere.

炭素は、式15で要約されるプロセスによって生産される際にコンベヤ・フライト726と管722の内壁との間に気密シールを連続的に形成する。これは、好ましくは、最大の圧密が望まれる場所でより短い押出機スクリュー・フライト・リードを作製することによって保証される。水素への変換を受ける材料がスクリュー・コンベヤ通過ゾーン730における出口上のゾーン730を通過した後で、最大の炭素圧密及びシーリング効果を提供することが一般に望ましい。   The carbon continuously forms an airtight seal between the conveyor flight 726 and the inner wall of the tube 722 when produced by the process summarized in Equation 15. This is preferably ensured by making shorter extruder screw flight leads where maximum compaction is desired. It is generally desirable to provide maximum carbon consolidation and sealing effects after the material undergoing conversion to hydrogen passes through the zone 730 on the exit in the screw conveyor pass zone 730.

式11、式12、式15、式16、及び式18で示されるプロセスにおける反応物の運搬は、図示のようにスクリュー・コンベヤに加えて多くの他の手段によってなされるであろうということが考慮される。例証すると、バイオマスは、往復プランジャの代わりにスクリュー・コンベヤ724によって反応ゾーンに強制することができ、炭素は、スクリュー・コンベヤ732の代わりにチェーン・ドライブ・コンベヤを含む他の抽出方法によって高温端から抽出することができる。   It will be appreciated that the transport of reactants in the processes shown in Equation 11, Equation 12, Equation 15, Equation 16, and Equation 18 may be done by many other means in addition to the screw conveyor as shown. Be considered. Illustratively, biomass can be forced into the reaction zone by a screw conveyor 724 instead of a reciprocating plunger, and carbon can be removed from the hot end by other extraction methods including a chain drive conveyor instead of a screw conveyor 732. Can be extracted.

他の価値ある生成物と共に1つ又は複数のテルペンのような液体燃料又は溶媒の蒸気を生じることが望ましい場合に、反応温度は、普通は低下された温度又は増加された成分のスループット量に調整されてもよい。水素、炭素、メタノール、及びテルペンチンのような有用な化合物は、示される平均化合物式をもつ典型的なバイオマス廃棄物供給原料の一部に対して式16で要約されるように管ボア731の中で生産され及び捕集されてもよい。
6105+熱6→CH3OH+4CO+3H2+C 式16
When it is desired to produce a liquid fuel or solvent vapor such as one or more terpenes with other valuable products, the reaction temperature is usually adjusted to a reduced temperature or increased component throughput. May be. Useful compounds such as hydrogen, carbon, methanol, and terpentine are found in the tube bore 731 as summarized in Equation 16 for a portion of a typical biomass waste feedstock with the average compound formula shown. May be produced and collected.
C 6 H 10 O 5 + heat 6 → CH 3 OH + 4CO + 3H 2 + C Formula 16

液体燃料及び/又は溶媒のより高い収率が望まれる場合、式16の典型的なプロセスで生じる一酸化炭素と水素は、好ましくは適切な触媒の存在下で反応して、付加的なメタノール及び水素を生じてもよい。
4CO+3H2→4CH3OH+H2+熱7 式17
If higher yields of liquid fuel and / or solvent are desired, the carbon monoxide and hydrogen produced in the exemplary process of Formula 16 are preferably reacted in the presence of a suitable catalyst to provide additional methanol and Hydrogen may be generated.
4CO + 3H 2 → 4CH 3 OH + H 2 + heat 7 formula 17

ゾーン730の中へのバイオマスの移動量及び螺旋コンベヤ32による固体残留物の抽出率は、好ましくは、ガス、蒸気、及び固体残留物の流れの中の生成物の種類及び品質の圧力、温度、及び他の指標の計装に応答するコンピュータによって制御される。   The amount of biomass transferred into the zone 730 and the solid residue extraction rate by the spiral conveyor 32 are preferably the pressure, temperature, product type and quality in the gas, vapor, and solid residue streams. And controlled by a computer responsive to instrumentation of other indicators.

一酸化炭素は、式18で要約されるプロセスによって示されるように不均化によって所望の形態の分離された(sequestered)炭素に分解され又は変換されてもよい。
2CO→C+CO2+熱8 式18
Carbon monoxide may be decomposed or converted to the desired form of separated carbon by disproportionation as shown by the process summarized in Equation 18.
2CO → C + CO 2 + heat 8 formula 18

式18におけるような解離又は不均化は、発熱であり、500℃〜800℃で10〜40気圧の条件下で進むであろう。   Dissociation or disproportionation as in Equation 18 is exothermic and will proceed under conditions of 500-40 ° C. and 10-40 atmospheres.

市場条件が燃料電池又は空気を浄化する熱機関のための水素生産を好む場合、一酸化炭素は、式19に示すように蒸気と発熱反応で反応して水素を生じることができる。
CO+H2O→CO2+H2+熱9 式19
If market conditions prefer hydrogen production for fuel cells or heat engines that purify air, carbon monoxide can react with steam in an exothermic reaction to produce hydrogen as shown in Equation 19.
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 + heat 9 formula 19

式11及び式12で要約されるプロセスによって生産される一酸化炭素は、図9及び図10に例証されるように水素及び/又は炭素の生産を要求するプロセスから選択される場合に市場の需要を満たすために多くの生成物に変換することができる。式12、式15、及び式16のプロセスのような吸熱反応に必要とされる追加熱の一部として、式17、式18、及び式19のプロセスによって放出される熱を使用することが好ましい。   Carbon monoxide produced by the processes summarized in Equations 11 and 12 is market demand when selected from processes that require production of hydrogen and / or carbon as illustrated in FIGS. Many products can be converted to meet. As part of the additional heat required for endothermic reactions such as the processes of Equations 12, 15, and 16, it is preferable to use the heat released by the processes of Equations 17, 18, and 19. .

図10は、光合成で始まり、これを通じて肥やし、生ごみ、及び汚水のような有機供給原料が782に表されるように生産され、向流の再生的な予熱及び嫌気性熱分解によって炭素リッチの残留物及び好ましくは図7及び図8に関して開示された実施形態によって784として描かれるプロセスにおけるメタノール、水素、及び一酸化炭素のような流体に変換される、価値ある燃料、溶媒、化学前駆体、及び多様な分離された炭素生成物を生産するための好ましいプロセスステップを示す。   FIG. 10 begins with photosynthesis, through which organic feedstocks such as manure, garbage, and sewage are produced as represented at 782, and carbon-rich by countercurrent regenerative preheating and anaerobic pyrolysis. Valuable fuels, solvents, chemical precursors that are converted to residues and fluids such as methanol, hydrogen, and carbon monoxide, preferably in the process depicted as 784 by the embodiments disclosed with respect to FIGS. And preferred process steps for producing a variety of separated carbon products.

嫌気性熱分解によって生産される水素及び一酸化炭素のようなガスは、ポンプ783によって送達され、分離されて、786において所望の度合いの精製を生じる。ポンプ788は、一酸化炭素を計量ポンプ790及び792によって適切に釣り合いがとられ(proportioned)、且つプロセス794、796、及び798に描かれた生成物のような多様な生成物にさらに変換されるように送達する。   Gases such as hydrogen and carbon monoxide produced by anaerobic pyrolysis are delivered by pump 783 and separated to produce the desired degree of purification at 786. Pump 788 is appropriately balanced by metering pumps 790 and 792 and further converted into a variety of products such as those depicted in processes 794, 796, and 798. To deliver.

プロセス794において、熱8は、一酸化炭素が炭素と二酸化炭素に解離する際に生じる。プロセス796において、熱7は、一酸化炭素が水素と化合してメタノールを生じる際に放出される。プロセス798は、蒸気を一酸化炭素と発熱反応で反応させて水素と二酸化炭素を生じる。これらの発熱プロセスによって放出された熱は、プロセス798で用いられる蒸気を生産するため、プロセス784において付加的な熱が提供される前にバイオマス供給原料を乾燥させるため、プロセス772において嫌気性消化装置764を加熱してメタン及び/又は水素生産率を増加させるため、及び多くの他の有用な目的のために使用される。   In process 794, heat 8 is generated as carbon monoxide dissociates into carbon and carbon dioxide. In process 796, heat 7 is released as carbon monoxide combines with hydrogen to produce methanol. Process 798 reacts the vapor with carbon monoxide in an exothermic reaction to produce hydrogen and carbon dioxide. The heat released by these exothermic processes produces the steam used in process 798, and thus anaerobic digesters in process 772 to dry the biomass feed before additional heat is provided in process 784. 764 is used to increase methane and / or hydrogen production rates and for many other useful purposes.

したがって、本発明の幾つかの実施形態は、光合成からなる大気から炭素を隔離する、光合成されたバイオマスを捕集する、及びバイオマスを加熱して炭素、水素、メタノール、テルペン、及び灰を含む群から選択される生成物をもたらすための実用的なプロセスを提供する。大気中にrotすることを普通は許され、且つ二酸化炭素及び/又はメタンの蓄積に寄与するバイオマス廃棄物は、ここで、効率よく水素、炭素、及び土壌栄養素を生産するために使用することができる。熱力学的及び熱化学的利点をもつ実用的なシステムは、水素及び又は炭素供与体化合物から炭素及び又は水素を抽出し、1つ又は複数の局所的サブシステム用途に又は1つ又は複数の地熱形成物の中での間欠的貯蔵の1つ又は複数の機会の後にかなりの距離で使用されることになるこうした水素を提供する。こうした水素は、最終的に燃料電池で使用され又は内燃機関、外燃機関、複合サイクル熱機関によって燃焼される前の1つ又は複数の膨張モータでの、及び/又は熱電気複合利用用途での熱交換及び膨張を容易にする点で優れている。   Thus, some embodiments of the present invention sequester carbon from the photosynthesis atmosphere, collect photosynthesis biomass, and heat the biomass to include carbon, hydrogen, methanol, terpenes, and ash Provides a practical process for producing a product selected from Biomass waste that is normally allowed to rot into the atmosphere and contributes to carbon dioxide and / or methane accumulation can now be used to efficiently produce hydrogen, carbon, and soil nutrients. it can. A practical system with thermodynamic and thermochemical advantages is the extraction of carbon and / or hydrogen from hydrogen and / or carbon donor compounds, for one or more local subsystem applications or one or more geothermal Providing such hydrogen to be used at a considerable distance after one or more occasions of intermittent storage in the formation. Such hydrogen is ultimately used in fuel cells or in one or more expansion motors before being burned by internal combustion engines, external combustion engines, combined cycle heat engines, and / or in combined thermoelectric applications. Excellent in facilitating heat exchange and expansion.

沼地に、湖に、海洋底上に、極氷塊、ツンドラ、及び永久凍土の凍結した構成要素として、前に貯蔵された有機物質を有する地球の表面ゾーンで空気及び土壌を温める憂慮すべき傾向が発生した。特に、氷及び凍結した有機堆積物中に保存されたメタンハイドレート及び有機物質を含むこうした堆積物は、2000フィートの深さの位置にある場合があり、石炭、石油、及び天然ガスのより深層の堆積物に現存するすべての炭素よりもはるかに多くの炭素を含有すると推定されている。二酸化炭素又はメタンの放出へのこうした有機炭素源の比較的小規模な変換であっても、地球大気中の炭素物質の濃度を倍以上に増やすであろう。   As a frozen component of polar ice blocks, tundra, and permafrost on swamps, lakes, ocean floors, there is an alarming tendency to warm air and soil in the Earth's surface zone with previously stored organic matter Occurred. In particular, such deposits containing methane hydrate and organic materials stored in ice and frozen organic deposits may be at a depth of 2000 feet, deeper in coal, oil, and natural gas. It is estimated to contain much more carbon than all the carbon present in the sediment. Even a relatively small conversion of these organic carbon sources to carbon dioxide or methane emissions will more than double the concentration of carbon material in the Earth's atmosphere.

年を追って放出されている数百万トンの二酸化炭素、メタン、及び他の温室効果ガスによって生じる地球温暖化は、地球の永久凍土を温め、細菌及び他の微生物が他の温室効果ガスと共に有機分(organic contents)をメタンと二酸化炭素のような生成物に変換し、且つリン酸塩及び硝酸塩を放出することを可能にする。   Global warming caused by millions of tons of carbon dioxide, methane, and other greenhouse gases that are being released year by year warms the permafrost of the earth, causing bacteria and other microorganisms to be organic along with other greenhouse gases. Organic contents can be converted into products such as methane and carbon dioxide and phosphate and nitrate can be released.

例証すると、自然生息地は、枯れて以前は魚を養っていた水を嫌気性デッドゾーンにする、植物種の急成長によって脅かされている。海氷の融解及び永久凍土の解凍からのこうした堆積物に起因する漁場の損失は、沿岸地域(costal area)の侵食を悪化させて、村落を放棄させ又は移動させることになる。   Illustratively, natural habitats are threatened by the rapid growth of plant species that make the water that once withered feed the anaerobic dead zone. Loss of fishing grounds due to these deposits from melting sea ice and thawing permafrost will exacerbate coastal area erosion and abandon or move villages.

図11は、メタンの嫌気性生産からのメタンを捕集するために海洋底の広い領域上で採用されてもよい、すなわち幾つかの用途において選択された波長での放射の反射率を提供するためにメタライズされてもよい810のような1つ又は複数の層を有してもよい不透過性膜830の下にあるパイプ812の多孔性又は穿孔814によって永久凍土の解凍からのメタンと二酸化炭素の捕集を提供する実施形態800を示す。膜830は、ポリマーフィルムのような絶縁材の複数の層を含んでもよく、各層は、放射の通過を制御するために、アルミニウム、銀、クロム、亜鉛、又は二色性(diachromatic)反射コーティングのような適切な反射コーティング又はフィルムを含んでもよい。他の用途において、膜830は、夜空条件への排熱を可能にすること、又は膜830の下に収容された材料に熱を加えるための放射を得ることのような目的で、放射伝達を容易にしてもよい。   FIG. 11 may be employed on a large area of the ocean floor to collect methane from anaerobic production of methane, i.e. providing reflectance of radiation at selected wavelengths in some applications. Methane and dioxide from the permafrost thaw by the porosity or perforations 814 of the pipe 812 under the impermeable membrane 830, which may have one or more layers such as 810 that may be metallized for 7 shows an embodiment 800 that provides for carbon capture. The membrane 830 may include multiple layers of insulation, such as a polymer film, each layer of aluminum, silver, chromium, zinc, or a dichroic reflective coating to control the passage of radiation. Any suitable reflective coating or film may be included. In other applications, the membrane 830 can provide radiative transfer for purposes such as allowing exhaust heat to night sky conditions or obtaining radiation to apply heat to the material contained under the membrane 830. It may be easy.

熱を除去し及び図12に示すように膜830の下にある永久凍土822を保存する目的で膜830の下からの熱を表面に移動させるために、840のようなヒートパイプが使用されてもよい。熱は、ゾーン842で適切な液体が蒸発し、ゾーン844で蒸発物が凝縮して周囲に熱を放出する際に伝達され又は除去される。ゾーン844で生産される凝縮物は、ゾーン842に排出されて、サイクルが続いていく際の蒸発によってより多くの熱が除去される。したがって、ゾーン844の周囲温度がゾーン842の温度を下回るときに、熱は表面に除去される。ゾーン844の温度がゾーン842の温度に等しいか又はこれを上回るときに、ヒートパイプ840は、継続的な伝熱に貢献する条件が発生するまで待機する。熱除去率の変調は、846のような弁の作動によって永久凍土822の上の車道のようなゾーンの熱膨張又は熱収縮を制御して、車道を破壊するヒービング又はガスポケットに起因する道路の損傷を防ぐために提供されてもよい。   A heat pipe such as 840 is used to remove heat and transfer heat from underneath the membrane 830 to the surface for the purpose of preserving the permafrost 822 under the membrane 830 as shown in FIG. Also good. Heat is transferred or removed as the appropriate liquid evaporates in zone 842 and the evaporate condenses in zone 844 releasing heat to the environment. The condensate produced in zone 844 is discharged to zone 842 and more heat is removed by evaporation as the cycle continues. Thus, heat is removed to the surface when the ambient temperature of zone 844 is below the temperature of zone 842. When the temperature of zone 844 is equal to or exceeds the temperature of zone 842, heat pipe 840 waits until conditions that contribute to continuous heat transfer occur. Modulation of the heat removal rate controls the thermal expansion or contraction of a zone, such as a roadway over permafrost 822, by the operation of a valve such as 846, which causes road conditions due to heaving or gas pockets that destroy the roadway. It may be provided to prevent damage.

作動時には、膜830を定位置に保持するために及び又はこれをカラブー(caraboo)又は他の地上トラフィックの通過による貫入から保護するために、雪、砂利、廃石、又は土802の上層が使用されてもよい。膜830の下のゾーンから放出されるメタンは、式20、式21、及び式22で要約される例証となる手順のようなステップを行う機器によって捕集され及び処理されてもよい。
CH4+熱→C+2H2 式20
CH4+C→C24 式21
nC24→(C24)n 式22
In operation, upper layers of snow, gravel, waste stone, or soil 802 are used to hold the membrane 830 in place and / or to protect it from penetration by the passage of caraboo or other ground traffic May be. Methane emitted from the zone below the membrane 830 may be collected and processed by equipment that performs steps such as the illustrative procedure summarized in Equation 20, Equation 21, and Equation 22.
CH 4 + heat → C + 2H 2 formula 20
CH 4 + C → C 2 H 4 Formula 21
nC 2 H 4 → (C 2 H 4 ) n Formula 22

メタンは、捕集され解離されて炭素と水素を生じる。こうした水素は、エネルギーを貯蔵する及び又は適切なエネルギー変換プロセスにおいて式21及び式22で要約されるプロセスを行う機器の作動のための動力を生産するために用いられてもよい。式20のプロセスによって提供される炭素は、示されるようにメタンと反応して、重合されて炭素の濃厚な貯蔵を生産するエチレンを、又は本発明のプロセスで使用されるパイプ、取付具、及び弁の生産に適したものであってもよい種々のポリマーとして、生じてもよい。   Methane is collected and dissociated to produce carbon and hydrogen. Such hydrogen may be used to generate power for the operation of equipment that stores energy and / or performs the processes summarized in Equations 21 and 22 in a suitable energy conversion process. The carbon provided by the process of Formula 20 reacts with methane as shown to be polymerized to produce a rich storage of carbon, or pipes, fittings, and It may occur as various polymers that may be suitable for the production of valves.

他の態様において、適切な地層の中での熱、化学、圧力、及び高さのような種々の形態のポテンシャルエネルギーとしてのエネルギーの貯蔵は、形成物と相互作用して、貯蔵される物質の温度、圧力、及び化学ポテンシャルを増加させることを含む多くの利点を提供することができる。これは、化学ポテンシャルエネルギーの貯蔵、圧力ポテンシャルエネルギーの貯蔵、化学及び圧力ポテンシャルエネルギーの貯蔵、形成物からこうした流体への伝熱、前記形成物からこうした流体への物質の伝達、及び前記流体の存在の結果としての前記形成物からの物質の生産を含む目的で、流体の1つ又は複数の物質を地層下におくエネルギー変換システムを可能にする。   In other embodiments, storage of energy as various forms of potential energy, such as heat, chemistry, pressure, and height, within an appropriate formation interacts with the formation and the stored material Many benefits can be provided, including increasing temperature, pressure, and chemical potential. This includes chemical potential energy storage, pressure potential energy storage, chemical and pressure potential energy storage, heat transfer from the formation to such fluid, transfer of material from the formation to such fluid, and the presence of the fluid. Enabling an energy conversion system that places one or more substances of a fluid under the formation in order to include production of substances from the formation as a result of

これは、1つ又は複数のエネルギー変換デバイスにおける物質のうちの少なくとも1つによる仕事生産をさらに可能にし、流体物質のうちの少なくとも1つは、適切なエネルギー変換デバイスを駆動するために送達される液体、混合された液体と蒸気、蒸気、又はガスのような状態を提供するように調整される。   This further enables work production by at least one of the materials in the one or more energy conversion devices, at least one of the fluid materials being delivered to drive the appropriate energy conversion device. It is adjusted to provide a liquid, mixed liquid and vapor, vapor, or gas-like condition.

炭化水素を含有する地層において、システムは、一般に又は特に、地層から1つ又は複数のタイプの炭化水素を抽出する物質を提供することができる。   In formations containing hydrocarbons, the system can generally or in particular provide a material that extracts one or more types of hydrocarbons from the formation.

作動流体は、1つ又は複数の流体物質が太陽、工業、商業、燃料電池、及び熱機関源からの伝達から補足的な熱を受け取る、太陽又は工業、商業、燃料電池、及び熱機関源からの排熱によってさらに加熱することができる。   Working fluids are from solar or industrial, commercial, fuel cell, and heat engine sources, where one or more fluid materials receive supplemental heat from transmission from solar, industrial, commercial, fuel cell, and heat engine sources. It can be further heated by exhaust heat.

かなりの高さでの作動流体の発達及び調整は、プロセス効率を高める。高さは、圧力ヘッドと、下降する作動流体のより多くの運動エネルギーを発達させる。これは、流体が蒸気又はガスとしてその高度に上昇し、凝縮後は、下降して適切なモータによって利用される運動エネルギーを得る液体として働く場合を含む、風力タービン塔、丘、又は高い高度での他の地勢、通信塔、及び建設された塔のような高度で1つ又は複数の流体物質が提供され又は生産されることを可能にする。   The development and adjustment of the working fluid at a significant height increases process efficiency. The height develops more kinetic energy of the pressure head and the descending working fluid. This includes wind turbine towers, hills, or higher altitudes, including when a fluid rises to its altitude as a vapor or gas and after condensation, acts as a liquid that descends to obtain the kinetic energy used by a suitable motor. Allows one or more fluid materials to be provided or produced at altitudes such as other terrain, communication towers, and constructed towers.

流体又は作動流体は、種々のプロセスを通して水素、二酸化炭素、一酸化炭素、メタンなどを抽出することによって生産することができる。調整は、作動流体を所望の状態に変換することを含む。これは、嫌気性消化装置の液体からの触媒作用による放出、水素を含有する化合物からの電解生産、及び嫌気性消化装置の液体からの作動流体生産の組み合わされた電気的及び触媒作用による勢いのようなプロセスを含む、流体を生産し及び調整するためのプロセスを可能にする。これは、エネルギーの安全性を増加させ、需要に応じて給電可能なエネルギー変換を可能にする目的で、汚水、生ごみ、農場廃棄物、及び森林の木くず(forest slash)が、地層の中に貯蔵されてもよい作動流体成分に変換されることを可能にする。作動流体は、化学ポテンシャルエネルギーの貯蔵、圧力ポテンシャルエネルギーの貯蔵、化学及び圧力ポテンシャルエネルギーの貯蔵、前記形成物からこうした流体への伝熱、こうした形成物からこうした流体への物質の伝達、及びこうした流体の存在の結果としての形成物からの物質の生産のような目的で、地層に送達されてもよい。作動流体は、水素、二酸化炭素、又は水素と二酸化炭素との混合物若しくはメタンで構成することができ、又は表2に例証して挙げられる選択物のような他の選択物で構成されてもよい。これは、組み合わされた貯蔵、物質の送達、及び1つ又は複数のエネルギー変換デバイスにおける少なくとも1つの流体物質による仕事生産のためのプロセスを可能にし、流体物質のうちの少なくとも1つは、エネルギー変換デバイスを駆動するために送達される液体、混合された液体と蒸気、蒸気、又はガスのような状態を提供するように調整される。   The fluid or working fluid can be produced by extracting hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, methane, etc. through various processes. The conditioning includes converting the working fluid to a desired state. This is due to the combined electrical and catalytic momentum of catalytic release from anaerobic digester liquid, electrolytic production from hydrogen-containing compounds, and working fluid production from anaerobic digester liquid. Enabling processes to produce and condition fluids, including such processes. This aims to increase energy safety and enable energy conversion that can be powered on demand, so that sewage, garbage, farm waste, and forest litter are in the formation. Allowing it to be converted into working fluid components that may be stored. Working fluids store chemical potential energy, pressure potential energy, chemical and pressure potential energy, heat transfer from the formation to such fluid, transfer of material from such formation to such fluid, and such fluid May be delivered to the formation for purposes such as production of material from the formation as a result of the presence of. The working fluid may be composed of hydrogen, carbon dioxide, or a mixture of hydrogen and carbon dioxide or methane, or may be composed of other choices such as those exemplified in Table 2. . This enables a process for combined storage, material delivery, and work production by at least one fluid material in one or more energy conversion devices, wherein at least one of the fluid materials is energy converted. It is tailored to provide conditions such as liquid delivered, mixed liquid and vapor, vapor, or gas to drive the device.

システムは、エネルギー変換デバイスを作動させ又は駆動するために該システムが送達する作動流体を発達させ、その後、表面、表面付近、又はより深層を含む地層によって供給され又はこの中に貯蔵された熱を利用して、さらなるエネルギー変換ステップを提供すること及び種々の植物の種類を養う又は育成することのような目的で作動流体を調整してもよい。   The system develops a working fluid that it delivers to actuate or drive the energy conversion device, after which the heat supplied by or stored in the formation, including the surface, near the surface, or deeper, is stored. The working fluid may be adjusted for purposes such as providing additional energy conversion steps and nourishing or growing various plant types.

さらに、システムは、地熱を貯蔵し及び又は生産し及び使用して、燃料、化学抽出、及び食物生産目的で選択された種類を含む水生植物生産、温室植物生産、水耕植物生産のための温度を高めること及び二酸化炭素を供給することのような目的で、二酸化炭素、メタン、及び水素のような調整された流体を発達させ及び送達してもよい。   In addition, the system stores and / or produces and uses geothermal heat to produce aquatic plants, greenhouse plants, hydroponic plants, including species selected for fuel, chemical extraction, and food production purposes. Regulated fluids such as carbon dioxide, methane, and hydrogen may be developed and delivered for purposes such as enhancing and supplying carbon dioxide.

このシステムは、有機物質からの水素又は流体燃料の抽出を提供し、且つ化石石油化学物質の置換えに比べてより少ないエネルギーで選択された収穫物からポリマーを作製するので、経済的により効率的である。こうしたシステムはまた、固定窒素及び微量ミネラルを農業、造園、及び他の農作業の土壌に戻すことを可能にする。   This system is economically more efficient because it provides extraction of hydrogen or fluid fuel from organic materials and produces polymers from selected crops with less energy compared to fossil petrochemical replacement. is there. Such systems also allow fixed nitrogen and trace minerals to be returned to soil for agriculture, landscaping, and other farming operations.

別の態様において、システムは、メタン、エタン、プロパン、メタノール、エタノール、水素、硫化水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素のような1つ又は複数の流体物質に有機物質を変換して、農業に対する付加価値活動を生じるために農業慣行を組み入れる効果的な経済開発エンジンを提供することを含む。これは、1カロリーの食用物質を10石油カロリー以上の消費で植物に送達し、施肥し、耕作し、収穫し、及びこうした食用物質を加工する非効率的な慣行を克服することができる。   In another aspect, the system converts organic material into one or more fluid materials, such as methane, ethane, propane, methanol, ethanol, hydrogen, hydrogen sulfide, carbon monoxide, and carbon dioxide, for agriculture. Including providing an effective economic development engine that incorporates agricultural practices to create value-added activities. This can overcome the inefficient practice of delivering 1 calorie edible substance to plants with a consumption of more than 10 petroleum calories, fertilizing, cultivating, harvesting and processing such edible substance.

別の実施形態は、収穫物を生産し、エネルギー変換プロセスにおける蒸発冷却及び加湿の恩恵を提供するために、雨水の捕集及び貯蔵を提供する。   Another embodiment provides rainwater collection and storage to produce crops and provide the benefits of evaporative cooling and humidification in the energy conversion process.

別の実施形態は、適切なフィルタ、圧力スイング吸収、温度スイング吸収、溶液吸収、及び膜分離による、固定窒素及び又は微量ミネラルを農作業に戻すための選択的除去又は付加価値用途のための化学物質の選択的除去を含む選択的除去によって、流体物質の選択された成分を分離するシステムを提供する。   Another embodiment is a chemical for selective removal or value-added applications to return fixed nitrogen and / or trace minerals back to farming by appropriate filters, pressure swing absorption, temperature swing absorption, solution absorption, and membrane separation. A system is provided for separating selected components of a fluid material by selective removal, including selective removal.

別の実施形態は、熱解離のための熱の使用によって有機物質からの水素又は燃料流体の抽出を提供し、及びこうした抽出された物質を地層の中に貯蔵するシステムを提供する。   Another embodiment provides a system that provides for the extraction of hydrogen or fuel fluid from organic materials through the use of heat for thermal dissociation, and stores such extracted materials in the formation.

別の実施形態は、1つ又は複数の前記流体物質の一部の燃焼、太陽加熱、電気加熱、及び内燃機関、外燃機関、膨張モータ、及び燃料電池のようなエネルギー変換デバイスとの熱交換のような熱源を使用する吸熱プロセスによって導出される有機物質を1つ又は複数の流体物質に変換するための向流熱交換を提供するシステムを提供する。   Another embodiment is the combustion, solar heating, electrical heating, and heat exchange with energy conversion devices such as internal combustion engines, external combustion engines, expansion motors, and fuel cells, of one or more of the fluid materials. A system that provides countercurrent heat exchange to convert organic material derived by an endothermic process using a heat source such as to one or more fluid materials.

別の実施形態は、有機物質がエネルギー変換作動のための水素及び又は流体炭化水素のような流体物質に変換されるシステムを提供し、炭素は、耐久性のある物品を製造し及び生産してこうした炭素が汚染成分として環境に入るのを防ぐために抽出される。   Another embodiment provides a system in which organic materials are converted to fluid materials such as hydrogen and / or fluid hydrocarbons for energy conversion operations, where the carbon produces and produces durable articles. This carbon is extracted to prevent it from entering the environment as a pollutant.

上記のシステムの改善は、変換が或る箇所でなされることを含み、1つの箇所で捕集された有機物質と流体物質は、別の箇所に輸送されて炭素を抽出される。   Improvements to the above system include that the conversion is made at one location, and the organic and fluid materials collected at one location are transported to another location to extract carbon.

別の実施形態において、前記有機物質は、前記有機物質が豊富である場所で前記流体物質に変換され、前記流体のうちの1つ又は複数は、前記炭素が気体化合物として大気に入るのを防ぐ目的で前記流体のうちの1つ又は複数から炭素が分離される場所に輸送されて固体生成物を生じる。流体物質への変換の前に有機物質を乾燥させるために熱交換が用いられる。熱交換源は、流体物質の燃焼、流体物質の高温、及びエンジン又は燃料電池のようなエネルギー変換デバイスを含む。   In another embodiment, the organic material is converted to the fluid material at a location rich in the organic material, and one or more of the fluids prevent the carbon from entering the atmosphere as a gaseous compound. At a location where carbon is separated from one or more of the fluids to produce a solid product. Heat exchange is used to dry the organic material prior to conversion to a fluid material. Heat exchange sources include fluid material combustion, fluid material high temperature, and energy conversion devices such as engines or fuel cells.

この実施形態の態様において、前記有機物質は、前記流体物質のうちの1つ又は複数の一部の燃焼、前記有機物質よりも高い温度で生産された後の前記流体物質のうちの1つ又は複数、前記有機物質よりも高い温度に加熱された後の1つ又は複数の前記流体物質、及び内燃機関、外燃機関、膨張モータ、及び燃料電池を含む群から選択されるエネルギー変換デバイスとの熱交換から選択された熱源からの向流熱交換によって、前記流体物質への変換の前に乾燥される。   In an aspect of this embodiment, the organic material is one of the fluid materials after combustion of a portion of one or more of the fluid materials, produced at a temperature higher than the organic material, or An energy conversion device selected from the group comprising a plurality, one or more of the fluid materials after being heated to a temperature higher than the organic material, and an internal combustion engine, an external combustion engine, an expansion motor, and a fuel cell Drying prior to conversion to the fluid material by countercurrent heat exchange from a heat source selected from heat exchange.

この実施形態の別の態様は、スクリュー・コンベヤによる圧密、ラムによる圧密、及び固体からより容積の大きな流体への相変化による圧密を含む群から選択される1つ又は複数のプロセスによる前記流体物質の加圧を含む。   Another aspect of this embodiment is the fluid material by one or more processes selected from the group comprising consolidation by screw conveyor, consolidation by ram, and consolidation by phase change from solid to larger volume fluid. Pressure.

別の実施形態は、水素供与体の解離生成物と熱を交換する水素供与体を備える、向流熱交換のためのシステムを提供する。この実施形態の態様において、解離は、捕えられた太陽熱、集中された太陽熱、燃焼熱、地層熱、非燃焼源からの排熱からなる熱源の群(population)から選択された熱によって引き起こされる。   Another embodiment provides a system for countercurrent heat exchange comprising a hydrogen donor that exchanges heat with the dissociation products of the hydrogen donor. In aspects of this embodiment, the dissociation is caused by heat selected from a population of heat sources consisting of trapped solar heat, concentrated solar heat, combustion heat, formation heat, exhaust heat from non-combustion sources.

別の実施形態は、炭素又は水素供与体化合物からの炭素又は水素の抽出を提供し、前記水素は、1つ又は複数のサブシステム用途に局所的に若しくは1つ又は複数の地層(geologic formation)の中での間欠的貯蔵の1つ又は複数の機会の後に或る距離で使用される。この実施形態の態様において、前記水素は、最終的に燃料電池で使用され又は内燃機関、外燃機関、複合サイクル熱機関からなる群から選択される手段及び熱電気複合利用用途のための手段によって燃焼される前に、1つ又は複数の膨張手段の中で膨張を行う。   Another embodiment provides for the extraction of carbon or hydrogen from carbon or hydrogen donor compounds, wherein the hydrogen is locally or one or more geological formations for one or more subsystem applications. Used at a distance after one or more occasions of intermittent storage in In aspects of this embodiment, the hydrogen is ultimately used in a fuel cell or by means selected from the group consisting of internal combustion engines, external combustion engines, combined cycle heat engines, and means for thermoelectric combined use applications. Before being combusted, the expansion takes place in one or more expansion means.

別の実施形態は、バイオマス上の微生物の活動によって調製される物質からの水素の触媒で補助された放出を提供する。この実施形態の態様において、前記触媒は有機触媒である。この実施形態の別の態様は、前記触媒と併せて使用される放射による力、振動による力、電動力、及び磁力を含む群から選択される勢いを含む。   Another embodiment provides catalytic assisted release of hydrogen from materials prepared by microbial activity on biomass. In aspects of this embodiment, the catalyst is an organic catalyst. Another aspect of this embodiment includes a momentum selected from the group comprising a radiation force, a vibration force, an electric force, and a magnetic force used in conjunction with the catalyst.

別の実施形態は、上昇気流及び下降気流(wind column updrafts and downdrafts)、井、地層、パイプライン、流域コレクション(watershed collection)、及びポリマー材料に関連する機能部を含む本明細書で説明される要素を備えるエネルギー変換装置を提供する。この実施形態の態様において、装置は多様な微気候ゾーンをサポートし、前記ゾーンはサブゾーンをさらに備え、前記サブゾーンは、仕事のために操作することができる独自の熱、湿気、天然資源、又はエネルギー伝達特徴を収容する。   Another embodiment is described herein, including features related to upwind and downdrafts, wells, formations, pipelines, watershed collections, and polymer materials. An energy conversion device comprising an element is provided. In aspects of this embodiment, the device supports a variety of microclimate zones, the zones further comprising subzones, the subzones being unique heat, moisture, natural resources, or energy that can be manipulated for work. Accommodates transmission features.

別の実施形態は、生産性を増加させる経済的誘因のための方法と、生産性を減少させる負の誘因を除去するための方法と、栽培、製造、エネルギー生産、情報、及びエネルギー管理における雇用を創出するための方法と、持続可能性のマクロ経済的アルゴリズムを実施するための方法とを含む、持続可能な経済開発エンジンシステムを提供する。   Another embodiment includes a method for economic incentives to increase productivity, a method to eliminate negative incentives to reduce productivity, and employment in cultivation, manufacturing, energy production, information, and energy management. A sustainable economic development engine system is provided that includes a method for creating and a method for implementing a macroeconomic algorithm for sustainability.

別の実施形態は、収穫物を生産するのに用いられるエネルギーのコストを減少させることによって収穫量を改善する方法と、土壌に微量ミネラルを戻すことによって肥料の必要性を減少させる方法と、収穫物に藻類を施肥する方法と、水管理のためのシステムと、エネルギー生産及び管理のためのシステムと、収穫物のポテンシャルを増加させるためのCO2の使用とを含む、農業プロセスを提供する。   Another embodiment includes a method of improving yield by reducing the cost of energy used to produce the crop, a method of reducing fertilizer needs by returning trace minerals to the soil, An agricultural process is provided that includes a method for fertilizing algae on a product, a system for water management, a system for energy production and management, and the use of CO2 to increase the potential of the crop.

別の実施形態は、必要な場合に囲い込む、若しくは空気(上昇気流/下降気流)又は降水(precipitation)を加える環境へのアクセスを監視することができる、微気候で収穫物を育てるためのシステムと、収穫物の廃棄物(ステム、茎、わら(stover))を炭素又は水素にするマクロ食物生産システムとを提供する。   Another embodiment is a system for growing crops in a microclimate that can monitor access to an environment that encloses, or applies air (upstream / downstream) or precipitation, when necessary And a macro food production system that makes the harvest waste (stem, stem, straw) carbon or hydrogen.

別の実施形態は、魚の産卵をサポートするための栄養素、酸素、及びきれいな水を提供する方法と、環境をサポートするために温度を監視し及び制御するためのシステムと、魚のための栄養としてバイオマス/液体からタンパク質、炭水化物、脂肪、ビタミン、ミネラルを抽出するシステムとを含む、魚の産卵システムを提供する。   Another embodiment includes a method for providing nutrients, oxygen, and clean water to support fish spawning, a system for monitoring and controlling temperature to support the environment, and biomass as a nutrient for fish / A system for the extraction of fish including a system for extracting proteins, carbohydrates, fats, vitamins, minerals from liquids.

別の実施形態は、動物を制御された環境で飼育するシステムと、無農薬又は無肥料で飼料収穫物を育てるためのシステムと、酸性雨及び還元剤によって酸性化された状態に調整される水を含む酸性化された水の他の源からの水素の抽出によって水を浄化する水管理システムとを含む、家禽、ブタ、ウシの(家畜業)システムを提供する。   Another embodiment includes a system for raising animals in a controlled environment, a system for growing feed crops with no pesticides or fertilizers, and water adjusted to acidified conditions with acid rain and reducing agents. A poultry, swine, and bovine (livestock) system, including a water management system that purifies water by extraction of hydrogen from other sources of acidified water, including

別の実施形態は、前記地層からのヒートゲイン、化学エネルギー及び又は圧力エネルギーの間欠的貯蔵、及び価値ある物質の抽出からなる群から選択される目的のために地層に1つ又は複数の流体物質を曝すステップであり、仕事生産が、1つ又は複数のエネルギー変換デバイスにおける前記1つ又は複数の流体物質のうちの少なくとも1つによって達成され、前記1つ又は複数の流体物質のうちの少なくとも1つが、前記1つ又は複数のエネルギー変換デバイスを駆動するために送達される液体、混合された液体と蒸気、蒸気、又はガスからなる群から選択された状態を提供するように調整されるステップを含む、エネルギー変換のためのプロセスを提供する。この実施形態の別の態様は、前記地層が炭化水素を含有することを含む。この実施形態の別の態様は、1つ又は複数の流体物質を地層に曝した後で、前記1つ又は複数の流体物質が太陽、工業、商業、及び熱機関源からなる群から選択される熱源からの補足的な熱を受け取ることを含む。この実施形態の別の態様は、風力タービン塔、丘、又は高い高度での他の地勢、通信塔、及び建設された塔からなる群から選択される実施形態によって提供される高度で前記液体が生産されることを含む。   Another embodiment provides one or more fluid materials in the formation for purposes selected from the group consisting of heat gain from the formation, intermittent storage of chemical and / or pressure energy, and extraction of valuable material Exposure, wherein work production is achieved by at least one of the one or more fluid substances in one or more energy conversion devices, and at least one of the one or more fluid substances One of which is adjusted to provide a state selected from the group consisting of a liquid delivered to drive the one or more energy conversion devices, a mixed liquid and vapor, a vapor, or a gas. Provide processes for energy conversion, including. Another aspect of this embodiment includes the formation containing hydrocarbons. Another aspect of this embodiment is that after the one or more fluid materials are exposed to the formation, the one or more fluid materials are selected from the group consisting of solar, industrial, commercial, and heat engine sources. Including receiving supplemental heat from a heat source. Another aspect of this embodiment is that the liquid at an altitude provided by an embodiment selected from the group consisting of wind turbine towers, hills, or other terrain at high altitudes, communication towers, and constructed towers. Including being produced.

別の実施形態は、嫌気性消化液からの触媒作用による放出、水素を含有する化合物からの電解生産、嫌気性消化液からの作動流体生産の組み合わされた電気的及び触媒作用による勢いからなる群から選択されるプロセスによって流体を生産し及び調整するためのプロセスを提供する。この実施形態の別の態様は、水素、二酸化炭素、水素と二酸化炭素からなる群から選択される前記流体を含む。この実施形態の別の態様は、化学ポテンシャルエネルギーの貯蔵、圧力ポテンシャルエネルギーの貯蔵、化学及び圧力ポテンシャルエネルギーの貯蔵、前記形成物から前記流体への伝熱、前記形成物から前記流体への物質の伝達、及び前記流体の存在の結果としての前記形成物からの物質の生産からなる群から選択される目的のために、前記流体が地層に送達されることを含む。この実施形態の別の態様は、前記流体がエネルギー変換デバイスを推進するために用いられることを含む。   Another embodiment is a group consisting of combined electrical and catalytic momentum of catalytic release from anaerobic digestive fluid, electrolytic production from a compound containing hydrogen, and production of working fluid from anaerobic digestive fluid. A process for producing and conditioning a fluid by a process selected from: Another aspect of this embodiment includes the fluid selected from the group consisting of hydrogen, carbon dioxide, hydrogen and carbon dioxide. Another aspect of this embodiment includes chemical potential energy storage, pressure potential energy storage, chemical and pressure potential energy storage, heat transfer from the formation to the fluid, and from the formation to the fluid. Delivery of the fluid to the formation for purposes selected from the group consisting of transmission and production of material from the formation as a result of the presence of the fluid. Another aspect of this embodiment includes the fluid being used to propel an energy conversion device.

別の実施形態は、地熱を生産し及び使用して、及び水生植物生産、温室植物生産、水耕植物生産、及び1つ又は複数のエネルギー変換デバイスの作動のための作動流体としての使用からなる群から選択される目的で、二酸化炭素、メタン、及び水素からなる群から選択される流体を発達させ及び送達するためのプロセスを提供する。この実施形態の別の態様は、藻類からなる群から選択される前記水生植物を含む。   Another embodiment consists of producing and using geothermal and use as a working fluid for aquatic plant production, greenhouse plant production, hydroponic plant production, and operation of one or more energy conversion devices. A process is provided for developing and delivering a fluid selected from the group consisting of carbon dioxide, methane, and hydrogen for purposes selected from the group. Another aspect of this embodiment includes the aquatic plant selected from the group consisting of algae.

別の実施形態は、メタン、エタン、プロパン、メタノール、エタノール、水素、硫化水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を含む群から選択される1つ又は複数の流体物質に有機物質を変換するためのシステムを提供し、硫化水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を含む群から選択される前記物質の一部の除去が、圧力スイング吸収、温度スイング吸収、溶液吸収、及び膜分離を含む群から選択される選択的除去プロセスによって達成され、有機物質を流体に変換するための前記プロセスが、前記物質のうちの1つ又は複数の一部の燃焼、前記有機物質よりも高い温度で生産された後の前記物質のうちの1つ又は複数、前記有機物質よりも高い温度に加熱された後の前記物質のうちの1つ又は複数、及び内燃機関、外燃機関、膨張モータ、及び燃料電池を含む群から選択されるエネルギー変換デバイスとの熱交換から選択された熱源からの向流熱交換で達成される。この実施形態の別の態様は、前記エネルギー変換デバイスが前記流体物質から選択された物質を使用することを含む。この実施形態の別の態様は、前記有機物質が前記流体物質に変換され、炭素がこうした炭素が気体化合物として大気に入るのを防ぐ目的で前記物質のうちの1つ又は複数から分離されて固体生成物を生じることを含む。この実施形態の別の態様は、前記有機物質が、こうした有機物質が豊富である場所で前記流体物質に変換され、前記流体のうちの1つ又は複数が、こうした炭素が気体化合物として大気に入るのを防ぐ目的で前記流体のうちの1つ又は複数から炭素が分離される場所に輸送されて固体生成物を生じることを含む。この実施形態の別の態様は、前記有機物質が、前記流体物質のうちの1つ又は複数の一部の燃焼、前記有機物質よりも高い温度で生産された後の前記流体物質のうちの1つ又は複数、前記有機物質よりも高い温度に加熱された後の1つ又は複数の前記流体物質、及び内燃機関、外燃機関、膨張モータ、及び燃料電池を含む群から選択されるエネルギー変換デバイスとの熱交換から選択された熱源からの向流熱交換によって、前記流体物質への変換の前に乾燥されることを含む。この実施形態の別の態様は、スクリュー・コンベヤによる圧密、ラムによる圧密、及び固体からより容積の大きな流体への相変化による圧密を含む群から選択される1つ又は複数のプロセスによる前記流体物質の加圧を含む。   Another embodiment is for converting an organic material into one or more fluid materials selected from the group comprising methane, ethane, propane, methanol, ethanol, hydrogen, hydrogen sulfide, carbon monoxide, and carbon dioxide. Providing a system wherein the removal of a portion of said material selected from the group comprising hydrogen sulfide, carbon monoxide, and carbon dioxide is selected from the group comprising pressure swing absorption, temperature swing absorption, solution absorption, and membrane separation After the process for converting an organic material into a fluid is produced by burning some of one or more of the materials at a higher temperature than the organic material One or more of said substances, one or more of said substances after being heated to a temperature higher than said organic substance, and an internal combustion engine, an external combustion engine, an expansion motor, and a fuel It is accomplished by countercurrent heat exchange from the heat source selected from heat exchange with the energy conversion device selected from the group comprising batteries. Another aspect of this embodiment includes the energy conversion device using a material selected from the fluid material. Another aspect of this embodiment is that the organic material is converted to the fluid material and the carbon is separated from one or more of the materials to prevent the carbon from entering the atmosphere as a gaseous compound to form a solid. Including producing things. Another aspect of this embodiment is that the organic material is converted to the fluid material where such organic material is abundant, and one or more of the fluids enters the atmosphere as a gaseous compound of such carbon. Transporting the carbon from one or more of the fluids to a location where carbon is separated to produce a solid product. Another aspect of this embodiment is that the organic material is one of the fluid materials after combustion of a portion of one or more of the fluid materials, produced at a higher temperature than the organic material. One or more, one or more fluid substances after being heated to a temperature higher than the organic substance, and an energy conversion device selected from the group comprising an internal combustion engine, an external combustion engine, an expansion motor, and a fuel cell Drying prior to conversion to the fluid material by countercurrent heat exchange from a heat source selected from heat exchange with. Another aspect of this embodiment is the fluid material by one or more processes selected from the group comprising consolidation by screw conveyor, consolidation by ram, and consolidation by phase change from solid to larger volume fluid. Pressure.

別の実施形態は、内燃機関手段を作動させるためのプロセスであって、前記エンジンにおける出力生産イベントと等しい周波数で起こる機械的移動手段によって作動される通常閉鎖される弁手段によって制御される時に前記エンジンの中に流体燃料が導入され、前記燃料の導入が、エンジンのアイドル、アイドル状態を超える出力生産、全出力生産を含む群から選択されるタスクを達成するように制御される、プロセスを提供する。この実施形態の別の態様は、機械的移動手段によって前記始動の前に作動可能な電磁手段、機械的移動手段によって前記始動中に作動可能な電磁手段、前記始動の後の電動手段、を含む群から選択される手段によって前記弁手段が制御されることを含み、前記電動手段は、電磁ソレノイド、圧電デバイス、磁気流体デバイスを含む群から選択される。この実施形態の別の態様は、ロータリカム手段、前記カム手段からの前記弁手段の実質的な分離を可能にするために機械的プッシュ−ロッド手段と結合されたロータリカム手段、前記カム手段からの前記弁手段の実質的な分離を可能にするために前記通常閉鎖される弁手段を始動するロッカーアーム手段と結合されるロータリカム手段を含む群から選択されるプロセス手段によって提供される前記機械的移動手段によって前記弁手段が作動されることを含む。この実施形態の別の態様は、前記燃料が、燃焼室手段が燃焼に備えて閉鎖された後の前記燃焼室手段、火花点火手段によって点火が起こる箇所での前記燃焼室手段、触媒点火手段によって点火が起こる箇所での前記燃焼室手段、熱点火手段によって点火が起こる箇所での燃焼室手段、前記燃焼室手段の中への気体オキシダントの強化された流れを誘起するために前記燃料のモーメントを使用する目的で選択された場所を含む群から選択される場所及び条件に従って導入されることを含む。   Another embodiment is a process for operating an internal combustion engine means when controlled by a normally closed valve means operated by a mechanical movement means that occurs at a frequency equal to an output production event in the engine. Providing a process in which fluid fuel is introduced into the engine and the introduction of the fuel is controlled to achieve a task selected from the group including engine idle, output production above idle, full power production To do. Another aspect of this embodiment includes electromagnetic means operable before the start by mechanical movement means, electromagnetic means operable during the start by mechanical movement means, and electric means after the start. The valve means is controlled by means selected from a group, and the electric means is selected from the group including an electromagnetic solenoid, a piezoelectric device, and a magnetic fluid device. Another aspect of this embodiment is that the rotary cam means, rotary cam means coupled with mechanical push-rod means to allow substantial separation of the valve means from the cam means, the cam means from the cam means. Said mechanical movement means provided by process means selected from the group comprising rotary cam means coupled with rocker arm means for starting said normally closed valve means to allow substantial separation of the valve means Actuating the valve means. Another aspect of this embodiment is that the fuel is provided by the combustion chamber means after the combustion chamber means is closed in preparation for combustion, the combustion chamber means at a location where ignition occurs by the spark ignition means, and the catalyst ignition means. The combustion chamber means at the point where ignition occurs, the combustion chamber means where ignition occurs by the thermal ignition means, and the moment of the fuel to induce an enhanced flow of gaseous oxidant into the combustion chamber means. Including being introduced according to location and conditions selected from the group including the location selected for use.

別の実施形態は、内燃機関を作動するためのプロセスであって、気体オキシダント内の場所に前記燃料を分配する手段によって、前記燃料と化合できる過剰量の前記オキシダント内の前記燃料の分配、前記燃料が前記燃料の導入手段に加えて前記燃焼室を画定するあらゆる固体表面と接触する前に前記燃料が前記オキシダントと完全燃焼するような前記オキシダント内の前記燃料の分配、及び前記燃料の導入手段による前記燃焼室内の非対称の場所への分配から選択された条件を提供するように前記エンジンの燃焼室手段の中に流体燃料が導入されるプロセスを提供する。   Another embodiment is a process for operating an internal combustion engine, wherein the distribution of the fuel in an excess of the oxidant that can be combined with the fuel by means for distributing the fuel to locations in a gaseous oxidant, Distribution of the fuel in the oxidant such that the fuel is completely combusted with the oxidant before the fuel comes into contact with any solid surface defining the combustion chamber in addition to the means for introducing the fuel; and means for introducing the fuel Provides a process in which fluid fuel is introduced into the combustion chamber means of the engine to provide a condition selected from distribution to asymmetric locations within the combustion chamber.

別の実施形態は、水素供与体及び前記水素供与体の解離生成物による向流熱交換のためのシステムを提供する。この実施形態の別の態様は、解離が、捕えられた太陽熱、集中された太陽熱、燃焼熱、地層熱、非燃焼源からの排熱からなる熱源の群から選択された熱によって引き起こされることを含む。   Another embodiment provides a system for countercurrent heat exchange with a hydrogen donor and dissociation products of the hydrogen donor. Another aspect of this embodiment is that the dissociation is caused by heat selected from the group of heat sources consisting of trapped solar heat, concentrated solar heat, combustion heat, formation heat, exhaust heat from non-combustion sources. Including.

別の実施形態は、炭素又は水素供与体化合物から炭素又は水素を抽出することを含む抽出システムを提供し、前記水素は、1つ又は複数のサブシステム用途に局所的に若しくは1つ又は複数の地層の中での間欠的貯蔵の1つ又は複数の機会の後に或る距離で使用される。この実施形態の別の態様は、前記水素が、最終的に燃料電池で使用され又は内燃機関、外燃機関、複合サイクル熱機関からなる群から選択される手段及び熱電気複合利用用途のための手段によって燃焼される前に、1つ又は複数の膨張手段の中で膨張を行うことを含む。   Another embodiment provides an extraction system that includes extracting carbon or hydrogen from carbon or a hydrogen donor compound, wherein the hydrogen is locally or one or more for one or more subsystem applications. Used at some distance after one or more occasions of intermittent storage within the formation. Another aspect of this embodiment is that the hydrogen is ultimately used in a fuel cell or selected from the group consisting of an internal combustion engine, an external combustion engine, a combined cycle heat engine, and a thermoelectric combined use application. Performing expansion in one or more expansion means before being burned by the means.

別の実施形態は、バイオマス上の微生物の活動によって調製される物質からの水素の触媒で補助された放出を含む、水素放出システムを提供する。この実施形態の別の態様は、前記触媒が有機触媒であることを含む。この実施形態の別の態様は、前記触媒と併せて使用される放射による力、振動による力、電動力、及び磁力を含む群から選択される勢いを含む。   Another embodiment provides a hydrogen release system that includes catalytically assisted release of hydrogen from materials prepared by microbial activity on biomass. Another aspect of this embodiment includes the catalyst being an organic catalyst. Another aspect of this embodiment includes a momentum selected from the group comprising a radiation force, a vibration force, an electric force, and a magnetic force used in conjunction with the catalyst.

別の実施形態は、上昇気流及び下降気流、井、地層、パイプライン、流域コレクション、及びポリマー材料に関連する機能部を含む本明細書で説明される要素を備えるエネルギー変換装置を提供する。この実施形態の別の態様は、前記装置が多様な微気候ゾーンをサポートし、前記ゾーンがサブゾーンをさらに備え、前記サブゾーンが仕事のために操作することができる独自の熱、湿気、天然資源、又はエネルギー伝達特徴を収容することを含む。   Another embodiment provides an energy conversion device comprising elements described herein including functionalities associated with up and down airflow, wells, formations, pipelines, basin collections, and polymer materials. Another aspect of this embodiment is that the device supports a variety of microclimatic zones, the zone further comprising subzones, the unique heat, moisture, natural resources that the subzone can operate for work, Or containing an energy transfer feature.

別の実施形態は、生産性を増加させる経済的誘因のための方法と、生産性を減少させる負の誘因を除去するための方法と、栽培、製造、エネルギー生産、情報、及びエネルギー管理における雇用を創出するための方法と、持続可能性のマクロ経済的アルゴリズムを実施するための方法と、微気候(人工)共同体(持続可能な都市)内の農業と、抽出された炭素からの農機具と、健康上の恩恵とを含む、持続可能な経済開発エンジンシステムを提供する。   Another embodiment includes a method for economic incentives to increase productivity, a method to eliminate negative incentives to reduce productivity, and employment in cultivation, manufacturing, energy production, information, and energy management. , Methods for implementing macroeconomic algorithms for sustainability, agriculture in microclimate (artificial) communities (sustainable cities), farm equipment from extracted carbon, Provide a sustainable economic development engine system, including health benefits.

別の実施形態は、収穫物を生産するのに用いられるエネルギーのコストを減少させることによって収穫量を改善する方法と、土壌に微量ミネラルを戻すことによって肥料の必要性を減少させる方法と、収穫物に藻類を施肥する方法と、水管理のためのシステムと、エネルギー生産及び管理のためのシステムと、収穫物のポテンシャルを増加させるCO2;必要な場合に囲い込む、若しくは空気(上昇気流/下降気流)又は降水を加える環境へのアクセスを監視することができる、微気候で収穫高を育てるためのシステムと、収穫物の廃棄物(ステム、茎、わら)を炭素又は水素にするマクロ食物生産システムと、を含む農業プロセスを提供する。   Another embodiment includes a method of improving yield by reducing the cost of energy used to produce the crop, a method of reducing fertilizer needs by returning trace minerals to the soil, Methods for applying algae to crops, systems for water management, systems for energy production and management, and CO2 to increase the potential of crops; enclose or air (updraft / downward if necessary) A system for growing crop yields in microclimates that can monitor access to the environment (airflow) or precipitation, and macro food production where the harvested waste (stems, stems, straw) is carbon or hydrogen And providing an agricultural process including the system.

別の実施形態は、魚の産卵をサポートするための栄養素、酸素、及びきれいな水を提供する方法と、環境をサポートするために温度を監視し及び制御するためのシステムと、魚のための栄養としてバイオマス/液体からタンパク質、炭水化物、脂肪、ビタミン、ミネラルを抽出するシステムとを含む、魚の産卵システムを提供する。   Another embodiment includes a method for providing nutrients, oxygen, and clean water to support fish spawning, a system for monitoring and controlling temperature to support the environment, and biomass as a nutrient for fish / A system for the extraction of fish including a system for extracting proteins, carbohydrates, fats, vitamins, minerals from liquids.

別の実施形態は、動物を制御された環境で飼育するシステムと、無農薬又は無肥料で飼料収穫物を育てるためのシステムと、酸性雨及び還元剤によって酸性化された状態に調整される水を含む酸性化された水の他の源からの水素の抽出によって水を浄化する水管理システムと、収穫物の点滴潅漑を利用するためのシステムと、を含む家禽、ブタ、ウシの(家畜業)システムを提供する。   Another embodiment includes a system for raising animals in a controlled environment, a system for growing feed crops with no pesticides or fertilizers, and water adjusted to acidified conditions with acid rain and reducing agents. Water management systems that purify water by extraction of hydrogen from other sources of acidified water, including, and systems for utilizing crop drip irrigation, including poultry, pigs, cattle (livestock ) Provide the system.

別の実施形態は、水を浄化するシステムと、酸性雨を中和し及び浄化する方法と、酸性雨から水素を抽出する方法と、収穫物とのドリップライン(drip lines)を使用するためのシステムとを含む、水管理システムを提供する。   Another embodiment provides a system for purifying water, a method for neutralizing and purifying acid rain, a method for extracting hydrogen from acid rain, and a drip line with crops. A water management system including the system.

別の態様において、持続可能な経済開発のための方法は、太陽、風、流水、有機、又は地熱資源を電気、水素、水素を含有する化合物、又は炭素を含有する化合物に変換するための手段を含み、前記炭素は、耐久性のある物品手段、前記変換を可能にする機器手段、又は輸送構成要素手段を生産するために使用される。方法は、前記水素又は前記水素を含有する化合物又は前記炭素を含有する化合物を天然ガスパイプライン手段に加える、貯蔵する、及び分配するための、並びに前記水素又は前記水素を含有する化合物又は前記炭素を含有する化合物を石油地層手段に又は他の地層手段に貯蔵するための手段をさらに含むことができる。方法は、前記石油地層手段又は他の地層手段から前記水素又は前記水素を含有する化合物又は前記炭素を含有する化合物と共に物質を除去する、加える、貯蔵する、及び分配するための手段をさらに含むことができる。別の態様において、方法は、前記石油地層手段又は他の地層手段から前記水素又は前記水素を含有する化合物又は前記炭素を含有する化合物と共に熱を除去するための手段をさらに含むことができる。別の態様において、方法は、前記石油地層手段又は他の地層手段からの前記熱を動かす仕事に変換するための手段をさらに含むことができる。方法は、電気、水素、水素を含有する化合物、又は化合物への太陽、風、流水、有機、又は地熱資源の変換を動かす仕事への前記石油地層手段又は他の地層手段からの前記熱の変換と組み合わせるための手段をさらに含むことができる。方法は、前記太陽エネルギーを、食品手段、ファイバ手段、燃料手段、及び製造手段のための供給原料手段を含む群から選択されるバイオマス手段に変換するための手段をさらに含むことができる。   In another aspect, a method for sustainable economic development includes a means for converting solar, wind, running water, organic, or geothermal resources into electricity, hydrogen, hydrogen-containing compounds, or carbon-containing compounds. And the carbon is used to produce durable article means, equipment means that enable the conversion, or transportation component means. The method includes adding, storing, and distributing the hydrogen or the hydrogen-containing compound or the carbon-containing compound to a natural gas pipeline means, and the hydrogen or the hydrogen-containing compound or the carbon. It may further comprise means for storing the contained compound in petroleum formation means or in other formation means. The method further includes means for removing, adding, storing, and distributing the material along with the hydrogen or the hydrogen-containing compound or the carbon-containing compound from the petroleum formation means or other formation means. Can do. In another aspect, the method can further comprise means for removing heat from the petroleum formation means or other formation means together with the hydrogen or the hydrogen containing compound or the carbon containing compound. In another aspect, the method may further comprise means for converting the heat from the petroleum formation means or other formation means into moving work. The method converts electricity from the petroleum formation means or other formation means into work that drives electricity, hydrogen, hydrogen containing compounds, or conversion of solar, wind, running water, organic, or geothermal resources into compounds. A means for combining with may further be included. The method may further comprise means for converting the solar energy into biomass means selected from the group comprising food means, fiber means, fuel means, and feedstock means for manufacturing means.

以下の実施形態は、上記の実施形態で用いられる電解槽を開示する。   The following embodiment discloses the electrolytic cell used in the above embodiment.

本発明の一実施形態において、閉じ込め容器と、第1の電極と、第2の電極と、第1の電極及び第2の電極と電気的に連通する電流源と、第1の電極及び第2の電極と流体的に連通する電解質と、ガスであり、第1の電極で又はこの付近で電気分解中に生成されるガスと、分離器であり、ガスが第2の電極に対し遠位方向に実質的に流れるように電解質の密度と電解質とガスとの組み合わされた密度との間の差異に起因して電解質とガスの流れを導くために傾斜面を含む分離器とを備える電解槽が提供される。   In one embodiment of the invention, a containment vessel, a first electrode, a second electrode, a current source in electrical communication with the first electrode and the second electrode, a first electrode and a second electrode. An electrolyte in fluid communication with the first electrode, a gas, a gas produced during electrolysis at or near the first electrode, and a separator, wherein the gas is distal to the second electrode An electrolytic cell comprising a separator including an inclined surface to direct the flow of electrolyte and gas due to a difference between the density of the electrolyte and the combined density of the electrolyte and gas to substantially flow into Provided.

別の実施形態において、閉じ込め容器と、第1の電極と、第2の電極と、第1の電極及び第2の電極と電気的に連通する電流源と、第1の電極及び第2の電極と流体的に連通する電解質と、ガスであり、第1の電極で又はこの付近で電気分解中に生成されるガスと、ガス抽出領域と、分離器であり、「V」字形状を形成する2つの傾斜面を備え、ガスが第2の電極に対し遠位方向に実質的に流れるように電解質の密度と電解質とガスとの組み合わされた密度との間の差異に起因して電解質とガスの流れを導き、第1の電極とガス抽出領域と第2の電極との間の電解質の循環を促進して新鮮な電解質を第1の電極及び第2の電極に提供するようにさらに構成される分離器とを備える電解槽が提供される。   In another embodiment, a containment vessel, a first electrode, a second electrode, a current source in electrical communication with the first electrode and the second electrode, a first electrode and a second electrode An electrolyte in fluid communication with the gas, a gas generated during or near the first electrode during electrolysis, a gas extraction region, and a separator, forming a “V” shape Due to the difference between the density of the electrolyte and the combined density of the electrolyte and gas so that the gas flows substantially distally with respect to the second electrode, the electrolyte and gas And is further configured to provide a fresh electrolyte to the first electrode and the second electrode by facilitating electrolyte circulation between the first electrode, the gas extraction region, and the second electrode. An electrolytic cell comprising a separator is provided.

また別の実施形態において、閉じ込め容器と、第1の電極と、第2の電極と、第1の電極及び第2の電極と電気的に連通する電流源と、第1の電極及び第2の電極と流体的に連通する電解質と、ガスであり、第1の電極で又はこの付近で電気分解中に生成されるガスと、分離器であり、ガスが第2の電極に対し遠位方向に実質的に流れるように電解質の密度と電解質とガスとの組み合わされた密度との間の差異に起因して電解質とガスの流れを導くために傾斜面を含む分離器とを備える電解槽が提供される。   In yet another embodiment, the containment vessel, the first electrode, the second electrode, a current source in electrical communication with the first electrode and the second electrode, the first electrode and the second electrode An electrolyte in fluid communication with the electrode; a gas; a gas generated during or near the first electrode during electrolysis; and a separator, wherein the gas is distal to the second electrode. An electrolytic cell comprising a separator including an inclined surface to direct electrolyte and gas flow due to a difference between the electrolyte density and the combined density of electrolyte and gas to substantially flow is provided. Is done.

別の実施形態において、電解槽及びその使用方法が提供される。電解槽は、多くの用途に用いられてもよいが、この実施形態では水素と酸素の生産に用いられることが説明される。本実施形態に係る電解槽は、加圧された水素と酸素の可逆的な分離された生産を提供し、且つ作動の不純物及び生成物を許容する。実施形態は、コンパクトな貯蔵のために望まれるよりもかなり低い大きさに加圧される、解離されることになる物質を供給するステップと、解離される物質よりも低い密度を有する流体生成物を生じるために電極の間に起電力を適用するステップと、コンパクトな貯蔵のための所望の圧力が達成されるまであまり濃厚でない流体生成物の膨張を制限するステップとを含む、電気分解プロセスを作動させるためのオプションをさらに提供する。この及び他の実施形態は、熱機関又は燃料電池の作動によって住宅、レストラン、ホテル、病院、缶詰工場、及び他のビジネス設備のような住居のエネルギー利用効率を改善し、且つこうしたソースからの熱を使用して食品を調理する、水を滅菌する、及び他の物質に熱を送達する、暖房を提供する、若しくはこうしたエンジン又は燃料電池の嫌気性の又は電気的に誘起される燃料の放出を容易にすることができる。そのうえ、本明細書で開示される実施形態の態様は、他のタイプの電気化学電池に適用して類似の利点を提供できることが当業者には分かるであろう。   In another embodiment, an electrolytic cell and method for using the same are provided. Although the electrolyzer may be used for many applications, it is described in this embodiment that it is used for the production of hydrogen and oxygen. The electrolyzer according to this embodiment provides a reversible separated production of pressurized hydrogen and oxygen and allows operating impurities and products. Embodiments include supplying a material to be dissociated that is pressurized to a much lower magnitude than desired for compact storage, and a fluid product having a lower density than the material to be dissociated Applying an electromotive force between the electrodes to produce an electrolysis process and limiting expansion of a less concentrated fluid product until a desired pressure for compact storage is achieved. Provide further options to activate. This and other embodiments improve the energy efficiency of residences such as houses, restaurants, hotels, hospitals, canning factories, and other business facilities through the operation of heat engines or fuel cells, and heat from these sources. To cook food, sterilize water, and deliver heat to other substances, provide heating, or anaerobic or electrically induced fuel release of such engines or fuel cells Can be easily. Moreover, those skilled in the art will appreciate that aspects of the embodiments disclosed herein can be applied to other types of electrochemical cells to provide similar advantages.

所望の成分を生じるために物質移動を生じる及び/又はイオンを送達するのに比較的ゆっくりとした拡散、対流、及び濃度勾配プロセスに大きく依存する従来の電気化学電極とは反対に、本実施形態は、本明細書で説明されるように、迅速なイオン補充プロセスと、より濃厚な液体媒体から逃げる低密度ガスのポンピング作用による所望の電極への送達とを含む、より効率的な物質移動を提供する。これは、望ましくない副反応を防ぐと共に、より高い電気効率、より迅速な解離、及びより高い分離効率を保証する。イオン生産及び電極への送達の速度及び効率を増加させることは、電極面積あたりのシステムの効率及び電流限界を増加させる。   In contrast to conventional electrochemical electrodes that rely heavily on diffusion, convection, and concentration gradient processes to produce mass transfer and / or deliver ions to produce the desired components, this embodiment Provides more efficient mass transfer, including a rapid ion replenishment process and delivery to the desired electrode by the pumping action of low density gas escaping from the denser liquid medium, as described herein. provide. This prevents unwanted side reactions and ensures higher electrical efficiency, faster dissociation, and higher separation efficiency. Increasing the rate and efficiency of ion production and delivery to the electrode increases the efficiency and current limit of the system per electrode area.

図1Bを参照すると、金属管のようなコンテナ4bが閉じ込め容器として働く電解槽2bが示される。随意的に、コンテナ4bはまた、図1Bに示すように電極として働いてもよい。円筒形導電性ワイヤスクリーン電極8bのような多孔性電極が、同軸方向に配置され且つ酸又は塩基のような液体の電解インベントリ(electrolytic inventory)によって管状電極4bから分離される。液体電解質は、絶縁体24bにおける液体−ガス境界面までコンテナ4bの内部空間を占領する。誘電体スリーブ又は導電性円筒形内側ライナ電極上のめっきされた、プラズマ溶射された、又はコンポジット化された電極材料の層4b’(図示せず)が、組立体の電気的に分離された要素として働いてメンテナンス・アイテムとしての便利な置換えを可能にする又は随意的な極性、及び/又は直列、並列、又は直並列接続の目的で多数のセグメント化された電極要素のうちの1つとして働くために、コンテナ4b内に提供されてもよい。水の電気分解のための本発明の可逆的な実施形態において、電極8bは、電極8bで水素が生じるように電子源又はカソードと考えられてもよく、及び電極4bは、電極4bで酸素が生じるようにアノードと考えられてもよい。コンテナ4bは加圧可能であってもよい。コンテナ4bの中身の加圧は、シールされたキャップ30b及び46bによって抑制される。電極8b、ガス分離器10b、及び電気接続部32bを含む構成要素の支持、電気絶縁、及び安定化は、図示のように誘電絶縁体本体20b及び24bによって提供される。電解槽2bの加圧は、電気分解中のガス(単数又は複数)の生産に起因する自己加圧によって、ポンプのような外部ソースによって、又はこれらの任意の組合せによって達成することができる。   Referring to FIG. 1B, an electrolytic cell 2b is shown in which a container 4b such as a metal tube serves as a containment vessel. Optionally, container 4b may also serve as an electrode as shown in FIG. 1B. A porous electrode, such as a cylindrical conductive wire screen electrode 8b, is coaxially arranged and separated from the tubular electrode 4b by an electrolytic inventory of a liquid such as an acid or base. The liquid electrolyte occupies the internal space of the container 4b up to the liquid-gas interface in the insulator 24b. A plated, plasma sprayed, or composited layer of electrode material 4b '(not shown) on the dielectric sleeve or conductive cylindrical inner liner electrode is an electrically isolated element of the assembly. To serve as a convenient maintenance item or to serve as one of a number of segmented electrode elements for the purpose of optional polarity and / or series, parallel, or series-parallel connection Therefore, it may be provided in the container 4b. In a reversible embodiment of the present invention for water electrolysis, electrode 8b may be considered an electron source or cathode so that hydrogen is generated at electrode 8b, and electrode 4b is oxygenated at electrode 4b. It may be considered an anode to occur. The container 4b may be pressurizable. Pressurization of the contents of the container 4b is suppressed by the sealed caps 30b and 46b. Support, electrical insulation, and stabilization of the components including electrode 8b, gas separator 10b, and electrical connection 32b are provided by dielectric insulator bodies 20b and 24b as shown. Pressurization of the electrolyzer 2b can be accomplished by self-pressurization due to the production of gas (s) during electrolysis, by an external source such as a pump, or any combination thereof.

分離器10bは、液体透過性となるが分離器のカソード側から分離器のアノード側への及びこの逆の同様のガスの流れ又は輸送を実質的に防ぐように構成され、電解質中に溶解した又は気泡の核生成後のガスの流れを実質的に防ぐことを含む。随意的に、電極8bは、別個の分離器が必要ではないように分離器10bとして作用するように構成されてもよい。代替的に、分離器10bは、電極8bを含んでもよく、又は電極8bは分離器10bを含んでもよい。加えて、分離器10bはまた陽極の電極4bを含んでもよく、又は陽極の電極4bは分離器10bを含んでもよい。   Separator 10b is configured to be liquid permeable but substantially prevent similar gas flow or transport from the cathode side of the separator to the anode side of the separator and vice versa, and dissolved in the electrolyte. Or substantially preventing gas flow after bubble nucleation. Optionally, electrode 8b may be configured to act as separator 10b such that a separate separator is not required. Alternatively, the separator 10b may include an electrode 8b, or the electrode 8b may include a separator 10b. In addition, the separator 10b may also include an anode electrode 4b, or the anode electrode 4b may include a separator 10b.

絶縁体24bは、図示のように、及び分離器10bと組み合わせての利用を含む4b及び8bのような電極によって生じるガスを分離する、捕集する及び/又は抽出するのに必要に応じて形状設定される。示される同軸円筒形の幾何学的形状において、絶縁体24bは、その内部に電極8b上で放出されたガスが収集される中央円錐形キャビティを有する。同軸に取り囲むこの中央キャビティは、電極4b’の表面から又はコンテナ電極4bの内部から放出されたガスを収集する環状ゾーンである。   Insulator 24b is shaped as necessary to separate, collect and / or extract gas produced by electrodes such as 4b and 8b, including use in combination with separator 10b as shown. Is set. In the coaxial cylindrical geometry shown, the insulator 24b has a central conical cavity in which the gas released on the electrode 8b is collected. This central cavity, which is coaxially surrounded, is an annular zone that collects gas emitted from the surface of the electrode 4b 'or from the inside of the container electrode 4b.

随意的に、図示のように24bの上側収集通路に触媒フィルタ48bが配置されてもよい。分離器10bを交差することによる移動を含む触媒フィルタ48bへの到達を管理する酸素は、水素と反応することによって水を生成することを触媒作用で誘起され、水素は、次いで電解質に戻してもよい。膨大な過剰な水素は、ヒートシンクとして働いて、この触媒反応によって放出された熱が電解槽に影響を及ぼすのを禁止することができる。純水素は、図示のように取付具26bで供給される。同様に、酸素環(oxygen annulus)に到達するあらゆる水素を水に変換するために、図のように酸素を収集する円環(circumferential annulus)の上側領域に触媒フィルタ49bを提供することが好ましい場合がある。酸素は、図示のように取付具22bで除去される。代替的に、触媒フィルタは、取付具22b及び26bに、この付近に、又はこの内部に配置されてもよい。   Optionally, a catalytic filter 48b may be disposed in the upper collection passage of 24b as shown. The oxygen that manages to reach the catalytic filter 48b, including movement by crossing the separator 10b, is catalytically induced to react with hydrogen to produce water, which can then be returned to the electrolyte. Good. The enormous excess of hydrogen can act as a heat sink and inhibit the heat released by this catalytic reaction from affecting the electrolytic cell. Pure hydrogen is supplied by the fixture 26b as shown. Similarly, if it is preferable to provide a catalytic filter 49b in the upper region of the circular annulus collecting oxygen as shown in the figure to convert any hydrogen that reaches the oxygen ring into water There is. Oxygen is removed by the fixture 22b as shown. Alternatively, the catalytic filter may be placed on or near the fixtures 22b and 26b.

例証となる作動において、水が水素と酸素に解離されることになる物質である場合、重炭酸ナトリウム、苛性ソーダ(sodium caustic)、水酸化カリウム、又は硫酸の水性溶液のような適切な電解質が調製され、液体の存在を検出するセンサ50bと、ポンプ40bを作動させて必要な場合に貯留層42bのような適切なソースから水を加えて所望のインベントリ又は圧力を生じ又は維持する、信号コントローラ52bとによって、図示のように所望のレベルに維持される。コントローラ52bは、したがって、熱を受け取る又は送達するためにラジエータ又はヒータ(図示せず)のようなシステムの循環ポンプを含む場合がある熱交換器56bと共に、液面センサ50bと一体化されたユニットに組み入れられてもよい温度又は圧力制御センサ58b、又は液体インベントリセンサ51b、並びに制御ポンプ36b及び40bに応答する。同様に、加熱又は冷却ファンは、電解槽2bに関連する熱源からの熱の受け取り又は排出を強化するためにこうした作動と併せて使用されてもよい。   In an exemplary operation, if water is a substance that will be dissociated into hydrogen and oxygen, a suitable electrolyte such as an aqueous solution of sodium bicarbonate, sodium caustic, potassium hydroxide, or sulfuric acid is prepared. A sensor 50b that detects the presence of a liquid and a signal controller 52b that activates the pump 40b and adds water from an appropriate source, such as a reservoir 42b, if necessary, to create or maintain the desired inventory or pressure. To maintain the desired level as shown. The controller 52b is therefore a unit integrated with the liquid level sensor 50b, along with a heat exchanger 56b that may include a circulation pump of the system such as a radiator or heater (not shown) to receive or deliver heat. In response to temperature or pressure control sensor 58b, or liquid inventory sensor 51b, and control pumps 36b and 40b, which may be incorporated into the control pump. Similarly, heating or cooling fans may be used in conjunction with these operations to enhance the receipt or exhaustion of heat from the heat source associated with the electrolytic cell 2b.

電解槽2bが循環的に適用されることになる幾つかの実施形態において、例えば、余剰電気が低価格であり、そうでなければ要求されないとき、電解槽2bは、水インベントリのかなりの変動で作動することができる。余剰電気が利用可能ではない又はオフにされるときには、水素及び酸素供給は、コンテナ4bから抽出されてもよく、システムは、周囲圧力に戻ることになる。周囲圧力の水は、次いでシステムに加えて満載することができ、これは、こうした循環低圧充填及び電気分解作動を容易にして圧力又は化学エネルギーを仕事に変換する、コンパクトな貯蔵、及び車両、ツール、又は器具の受液器(receiver)への迅速な伝達を提供するのに必要とされる所望の高圧で水素又は酸素を送達するのに望まれる場合があるように、絶縁体24bの円周の周りに大きい環状体積を有するように提供することができる。   In some embodiments where the electrolyzer 2b will be applied cyclically, for example, when surplus electricity is low cost and otherwise not required, the electrolyzer 2b may be subject to significant fluctuations in the water inventory. Can be operated. When surplus electricity is not available or turned off, hydrogen and oxygen supplies may be extracted from the container 4b and the system will return to ambient pressure. Ambient pressure water can then be loaded in addition to the system, which facilitates such circulating low pressure filling and electrolysis operations to convert pressure or chemical energy into work, compact storage, and vehicles, tools Or the circumference of the insulator 24b, as may be desired to deliver hydrogen or oxygen at the desired high pressure required to provide rapid delivery to the instrument receiver Can be provided with a large annular volume around.

電流を印加し及び液体のはるかに小さいインベントリから水素及び酸素の容積の大きな気体供給を生成した後で、システムは、所望の場合に加圧され、且つ溶液中の水のインベントリが、コントローラ52bが電気分解サイクルを中断させること又は図示のように貯留層42bから圧力ポンプ40bによって水を加えることのいずれかを可能にするセンサ50b又は51bによる検出点に枯渇するまで、加圧されたままであってもよい。必要に応じてポンプ40b上の多くのデューティ又はメンテナンスを可能にするために、図示のように逆止め弁44bのような弁の向こう側に水を加えることが好ましい場合がある。   After applying current and generating a large gas supply of hydrogen and oxygen from a much smaller inventory of liquid, the system is pressurized if desired, and an inventory of water in solution is obtained by the controller 52b. Remain pressurized until the detection point by sensor 50b or 51b is depleted, allowing either the electrolysis cycle to be interrupted or water to be added from reservoir 42b by pressure pump 40b as shown. Also good. It may be preferable to add water across a valve, such as a check valve 44b, as shown, to allow for more duty or maintenance on the pump 40b as needed.

図1B、図2B、及び図3Bを参照すると、図2Bは、分離器が「V」字形状を形成する2つの傾斜面14bを含む、図1Bの分離器10bの一実施形態を示す。電解質が水ベースのものである場合、電子は、接続部32bを通して編まれたワイヤシリンダのような多孔質電極8bに加えられ、及びコンテナ4bから電気接続部6bを通して除去されて、水素イオンを水素原子に、その後、二原子分子に連続的に変換し、これは核をなして電極8b上に又はその付近に泡を生成することができる。水素及び酸素の泡は、典型的に、水ベースの電解質よりもはるかにあまり濃厚ではなく、浮力で上方に推進される。酸素の泡は、同様に上方に推進され、図2Bの拡大された断面図に示すように同軸分離器10bの幾何学的形状によって水素から分離される。図2Bに示される構成は、電解槽2bの作動中に生成されるガスの流れが望ましいあらゆる用途に用いられてもよい。さらに、前記分離器構成は、当該技術分野では公知の電気化学電池の他の構成で採用されてもよい。代替的に、電気分解中に生成される材料が電解質よりも高密度のものである場合、分離器10bは、反転されて「Λ」形状を形成してもよい。同様に、電気分解によってカソードで形成される1つの材料が電解質より濃厚ではなく、且つアノードで形成される別の材料が電解質よりも濃厚である場合、分離器10bは、あまり濃厚ではない材料をより濃厚な材料から遠ざかる方に偏向するために斜めの「/」又は「\」形状で構成されてもよい。   Referring to FIGS. 1B, 2B, and 3B, FIG. 2B shows one embodiment of the separator 10b of FIG. 1B, where the separator includes two inclined surfaces 14b that form a “V” shape. If the electrolyte is water-based, electrons are added to the porous electrode 8b, such as a wire cylinder knitted through the connection 32b, and removed from the container 4b through the electrical connection 6b to remove hydrogen ions to hydrogen. It is continuously converted into atoms and then into diatomic molecules, which can nucleate and generate bubbles on or near the electrode 8b. Hydrogen and oxygen bubbles are typically much less concentrated than water-based electrolytes and are propelled upwards by buoyancy. The oxygen bubbles are similarly propelled upward and separated from the hydrogen by the geometry of the coaxial separator 10b as shown in the enlarged cross-sectional view of FIG. 2B. The configuration shown in FIG. 2B may be used in any application where a gas flow generated during operation of the electrolytic cell 2b is desired. Furthermore, the separator configuration may be employed in other configurations of electrochemical cells known in the art. Alternatively, if the material produced during electrolysis is denser than the electrolyte, separator 10b may be inverted to form a “Λ” shape. Similarly, if one material formed at the cathode by electrolysis is not richer than the electrolyte, and another material formed at the anode is thicker than the electrolyte, the separator 10b will remove the material that is less dense. It may be configured with an oblique “/” or “\” shape to deflect away from the thicker material.

4b’又はコンテナ4bの内部から放出される水素と酸素との混合は、図示のように酸素と水素の進入、流れ、又は伝送に対して傾斜される表面12b’及び14bからの偏向によってガスを効率よく分離する液体透過性障壁である分離器10bによって防止される。代替的に、分離器10bは、電気絶縁された導体で又は30%ガラス繊維入り(glass filled)エチレン−クロロトリフルオロエチレンのような不活性誘電体材料からなる螺旋渦巻き(helical spiral)を含んでもよく、渦巻き状にされたストリップ材料の断面は、電気絶縁体及びガス分離器として働くために図示のように「V」字構成である。   The mixing of hydrogen and oxygen released from 4b ′ or the interior of the container 4b causes the gas to escape by deflection from surfaces 12b ′ and 14b that are inclined with respect to the ingress, flow, or transmission of oxygen and hydrogen as shown. It is prevented by the separator 10b, which is a liquid permeable barrier that efficiently separates. Alternatively, the separator 10b may include an electrically insulated conductor or a helical spiral made of an inert dielectric material such as 30% glass filled ethylene-chlorotrifluoroethylene. Often, the cross-section of the spiral strip material is a “V” configuration as shown to act as an electrical insulator and gas separator.

流体移動のための通路は、流体循環及び分配の必要性を満たすのに望まれる場合に、ストリップを時折又は連続的に、特に各縁部で、又は代替的に、13bで断面図が示されるように増幅された波形部として図2Bに示される断面をなして形成されるディスクのスタックで波形にしてhelixの各層の間に隙間を生じることによって増加させることができる。こうした波形部の各々が、軸線15b及び15b’に関して図示されたよりも大きく又は小さく適切に傾斜された半径方向の軸線を中心として起伏を有することが一般に有利である。これは、全体的に液体に対して多孔性であるがガスに対して障壁となる分離器10bの壁厚が、例えば、約0.2mm(0.008インチ)厚以下の所望の厚さとなるように形成されることを可能にする。   A passage for fluid movement is shown in cross-section at 13b, occasionally or continuously, especially at each edge, or alternatively, when desired to meet fluid circulation and distribution needs. As shown in FIG. 2B, the amplified corrugated portion can be increased by forming a gap between the layers of the helix in a corrugated stack of disks. It is generally advantageous for each such corrugation to have undulations about a properly tilted radial axis that is larger or smaller than illustrated with respect to axes 15b and 15b '. This is because the wall thickness of the separator 10b, which is generally porous to liquids but is a barrier to gases, is a desired thickness of, for example, about 0.2 mm (0.008 inch) or less. Allows to be formed.

分離器10bは、液体電解質を電極8bの方に又は電極8bから遠ざかる方に通過させながら、浮力推進及びガスの上方移動によりガスは通過させないようにするのに十分な表面エネルギー条件に関して、非常に小さい寸法を含む、任意の適切な寸法のものであってもよい。例えば、比較的小型の燃料電池及び電解槽に適用可能な代替的な実施形態は、図2Bに示された断面をもつ多数の密接に間隔をおいて配置された平らなねじ山によって提供され、こうしたねじ山は、液体のほぼ開かれたアクセスを提供するねじ山に編まれ又は付着され、且つ「V」字形状にされたねじ山の片側又は両側でほぼ垂直方向に配置される。これは、全体的に液体に対して多孔性であるがガスに対して障壁となる分離器10bの壁厚が、約0.1mm(0.004インチ)厚以下となるように形成されることを可能にする。   Separator 10b is very much in terms of surface energy conditions sufficient to pass the liquid electrolyte towards or away from electrode 8b, while preventing gas from passing through buoyancy propulsion and upward movement of the gas. It may be of any suitable dimension, including small dimensions. For example, an alternative embodiment applicable to relatively small fuel cells and electrolyzers is provided by a number of closely spaced flat threads having the cross section shown in FIG. Such threads are knitted or attached to a thread that provides a substantially open access to the liquid and are positioned substantially vertically on one or both sides of the "V" shaped thread. This is because the wall thickness of the separator 10b, which is porous to the liquid as a whole but serves as a barrier to the gas, is about 0.1 mm (0.004 inch) or less. Enable.

上方への浮力推進は、傾斜面12b及び14bに対する気泡の衝突を偏向させる。この特徴は、電気抵抗、汚れ、停滞、侵食、及び分極の損失のうちの1つ又は複数に起因する能率の悪さをもたらす従来技術の従来の手法の難点及び問題を克服する。そのうえ、幾つかの構成は、電解質の上方への流れを生じる、昇ってくる気泡の浮力ポンピング作用に起因して同軸の層における電解質の循環を促進することができ、ガス(単数又は複数)が液体の頂部で逃げる際に、リサイクルされて気泡が混入した又は溶解されたガスを含むあまり濃厚でない電解質と置き換わるので、比較的ガスを含有しない且つより濃厚な電解質が底部の方に流れる。熱交換器56bは、図示のようにコンテナ4bの頂部から底部に循環される電解質に熱を加える又は除熱するために必要に応じて作動されてもよい。ポンプ36bは、電解質の循環率を増加させるために、又は補給水を加えるためにポンプ40bと併せて、必要に応じて用いられてもよい。   The upward buoyancy propulsion deflects the collision of bubbles against the inclined surfaces 12b and 14b. This feature overcomes the difficulties and problems of prior art prior art techniques that result in inefficiency due to one or more of electrical resistance, dirt, stagnation, erosion, and loss of polarization. In addition, some configurations can facilitate electrolyte circulation in the coaxial layer due to the buoyant pumping action of the rising bubbles, resulting in upward flow of the electrolyte, and the gas (s) can be As it escapes at the top of the liquid, it replaces a less concentrated electrolyte containing gas that is recycled and bubbled or dissolved, so that a relatively gas-free and denser electrolyte flows towards the bottom. The heat exchanger 56b may be operated as needed to add or remove heat from the electrolyte circulated from the top to the bottom of the container 4b as shown. Pump 36b may be used as needed in conjunction with pump 40b to increase electrolyte circulation or to add makeup water.

幾つかの実施形態において、有機物質の迅速な添加を伴うシステムを含む、高い電流密度が適用される。こうした実施形態において、図示のように比較的ガスを含有しない電解質を戻すポンプ36bで、電解質を取付具28bを通してライン34bを通してポンプ36bに循環させて、ライン38b及び取付具16bを通してコンテナ4bに戻すことが有利な場合がある。戻される電解質を取付具16bで接線方向に進入させて、スワールを形成し続けるスワール形成送達を生じ、したがって、上記で説明されたように使用されてもよい分離器10bによるアクションを含む分離を相乗的に強化することが好ましい場合がある。作動圧力に応じて、水素は、酸素よりも約14倍低い濃厚さであり、且つより浮力があり、取付具26bでのフィルタ48bを通した加圧された収集のために分離器10bによってより高い上方への速度で直ちに導かれる傾向がある。非常に高い電流密度では、及び輸送用途で直面する場合があるように電解槽2bが傾ける力又は重力を受ける場合には、スワール分離を強化するためにポンプ36bによって電解質移動速度が増加され、したがって、アノード上で生じるガスがカソードによって生じるガスと混合されるのを防ぐ。   In some embodiments, high current density is applied, including systems with rapid addition of organic material. In such an embodiment, the pump 36b returning the relatively gas-free electrolyte, as shown, circulates the electrolyte through the fitting 28b and through the line 34b to the pump 36b and back to the container 4b through the line 38b and the fitting 16b. May be advantageous. The returned electrolyte is tangentially entered with the fixture 16b, resulting in a swirling delivery that continues to form a swirl, and thus synergizes the separation including action by the separator 10b that may be used as described above. It may be preferable to reinforce mechanically. Depending on the operating pressure, hydrogen is about 14 times less concentrated than oxygen and more buoyant and more by the separator 10b for pressurized collection through the filter 48b at the fixture 26b. There is a tendency to be guided immediately at high upward speeds. At very high current densities and when the electrolyzer 2b is subject to tilting forces or gravity as may be encountered in transportation applications, the electrolyte transfer rate is increased by the pump 36b to enhance swirl separation and thus Prevent the gas produced on the anode from being mixed with the gas produced by the cathode.

非導電性ガス障壁の幾つかの実施形態と、分離器10bを含む液体を伝送する実施形態は、水素及び酸素のようなガスを分離するためにプロトン交換膜に依存する手法を含む以前の手法よりも、はるかにあまり高価でなく、より一層堅牢且つ効率的な可逆電解槽が製造されることを可能にする。1つの態様において、分離器10bは、電気分解中の電解質の流れを改善するように設計することができる。例えば、分離器10bは、ポート16bからポート28bへと上方に移動する液体電解質インベントリ中のイオンの螺旋状の流れを促進するように構成することができる。これは、電極の各部分が、最大電気効率のために必要に応じて新たに補足されたイオン密度を受け入れることを保証する。こうした電極ウォッシング・アクションはまた、水素と酸素の気泡を、それらが電気化学電池のそれぞれの電極上で生成する際に迅速に除去することができる。   Some embodiments of non-conductive gas barriers and embodiments that transmit a liquid that includes a separator 10b include previous approaches that rely on proton exchange membranes to separate gases such as hydrogen and oxygen. Much less expensive, allowing a much more robust and efficient reversible cell to be produced. In one aspect, the separator 10b can be designed to improve electrolyte flow during electrolysis. For example, the separator 10b can be configured to facilitate a helical flow of ions in the liquid electrolyte inventory that moves upward from the port 16b to the port 28b. This ensures that each part of the electrode accepts newly supplemented ion density as needed for maximum electrical efficiency. Such an electrode washing action can also quickly remove hydrogen and oxygen bubbles as they are generated on the respective electrodes of the electrochemical cell.

図3Bは、上記で説明されたようにガス種の分離を達成しながら、平板及び同軸電極構造を含む隣接する電極の電気的分離を提供するための、分離器10bの別の態様の構成要素シート又は螺旋ストリップの代表的な部分の縁部の図を示す。組立体11bにおいて、シート12b’及び14b’は、分離器10bの断面と似ている断面を形成し、且つ機能的に同様に働く。平坦な導電性又は非導電性ポリマー・シート12b’が、傾斜されて図示のようにシート12b’の長軸とおよそ35°から70°の角度の第1の角度15bによって示されるような実質的な角度をなす平行な中心線上の多数の小さい穴を備えるように準備される。ポリマー・シート14b’は、同様に、第2の角度15b’によって図示のように実質的に傾斜されて図示のようにシート14b’の長軸とおよそ35°から70°までの角度をなす平行な中心線上の多数の小さい穴を備えるように準備される。   FIG. 3B is a component of another embodiment of separator 10b to provide electrical separation of adjacent electrodes including flat plate and coaxial electrode structures while achieving gas species separation as described above. FIG. 4 shows an edge view of a representative portion of a sheet or spiral strip. In the assembly 11b, the sheets 12b 'and 14b' form a cross section similar to the cross section of the separator 10b and function similarly. The flat conductive or non-conductive polymer sheet 12b 'is substantially tilted and substantially as indicated by a first angle 15b of approximately 35 ° to 70 ° with the major axis of the sheet 12b' as shown. It is prepared to have a large number of small holes on parallel centerlines at an angle. The polymer sheet 14b ′ is similarly substantially inclined as shown by the second angle 15b ′ to be parallel to the major axis of the sheet 14b ′ as shown to form an angle of approximately 35 ° to 70 °. It is prepared to have a large number of small holes on a central line.

他の実施形態において、角度15b及び15b’は、電気分解プロセス中に分離されることになる材料に応じて変化することができる。例えば、角度は、気体成分を有さない又は1つの気体成分のみを有する化合物の電気分解のために下に傾けることができる。Al23のような化合物が、氷晶石−アルミナ電解質の電気分解によって解離されて、アルミニウムと酸素を生成する場合、アルミニウムは、氷晶石−アルミナ電解質よりも濃厚であり、アルミニウムを分離するカソード電極又は関連する分離器は、(例えば、下に傾けられた角度によって)アルミニウムを下方に、及び上方に移動する酸素から遠ざかる方に送るように構成されるであろう。 In other embodiments, the angles 15b and 15b ′ can vary depending on the material to be separated during the electrolysis process. For example, the angle can be tilted down for the electrolysis of compounds that have no gas component or only one gas component. When compounds such as Al 2 O 3 are dissociated by the cryolite-alumina electrolyte electrolysis to produce aluminum and oxygen, the aluminum is thicker than the cryolite-alumina electrolyte and separates the aluminum. The cathode electrode or associated separator would be configured to deliver aluminum downward (eg, by a tilted down angle) and away from the oxygen moving upward.

シート厚さ寸法の約1/12〜1/3の直径をもつ多数のこうした小さい穴を、レーザ・ドリル加工、高温針穿孔、又は高速粒子浸透を含む適切な技術によって、シート12b’及び14b’に直ちに作製することができる。それぞれ典型的に約0.025〜0.25mm(0.001インチ〜0.10インチ)厚であるシート12b’及び14b’を、溶接又はそうでなければ方法でボンディング、糸結び(thread ties)、弾性バンド、又は導電性又は非導電性ワイヤの1つ又は複数の螺旋ラップによって結果として得られる外径上に一緒に保持して電極8bとの組立体として形成することができる。シート12b’及び14b’はまた、接着剤によって若しくは熱又は溶媒融合(solvent fusion)によって時折又は連続的に接合されてもよい。したがって、シート12b’の傾斜した穴がシート14b’の穴の上に重なる場所で、形成されるガス障壁膜を通したガス伝送を禁止しながら液体及び/又は電解質移動を可能にするために通路が形成される。図1B及び図4Bを参照すると、組み立てられたガス障壁シートの管状構成は、バットシームを付着させる又は溶接することによって、又は意図された分離ガス障壁として機能する重ねられたシームを提供することによって、実施形態2b又は100bに対する適切な直径で形成されてもよい。   A large number of such small holes having a diameter of about 1/12 to 1/3 of the sheet thickness dimension are formed into sheets 12b ′ and 14b ′ by suitable techniques including laser drilling, hot needle drilling, or high speed particle penetration. Can be made immediately. Sheets 12b 'and 14b', each typically about 0.025 to 0.25 mm thick, are welded or otherwise bonded, thread ties Can be formed as an assembly with the electrode 8b, held together on the outer diameter resulting from one or more helical wraps of elastic bands or conductive or non-conductive wires. Sheets 12b 'and 14b' may also be joined occasionally or continuously by adhesives or by heat or solvent fusion. Thus, where the inclined holes in the sheet 12b ′ overlap the holes in the sheet 14b ′, the passageway to allow liquid and / or electrolyte movement while prohibiting gas transmission through the formed gas barrier film. Is formed. Referring to FIGS. 1B and 4B, the tubular configuration of the assembled gas barrier sheet can be achieved by attaching or welding a butt seam or by providing a superimposed seam that functions as the intended separation gas barrier. It may be formed with a suitable diameter for embodiment 2b or 100b.

水の電気分解に対して種々の電解質が適している。一実施形態において、閉じ込め容器4bに対する低炭素鋼と共に水酸化カリウムが用いられてもよい。増加された耐食性を伴う延長された寿命は、ニッケルめっきシリンダ4bによって、又は適切なステンレス鋼合金の利用によって提供されてもよい。他の態様において、増加した閉じ込め容量は、ガラス、セラミック、又は炭素フィラメント、若しくはこれらの組合せのような高強度の補強材でシリンダ4bを覆うことによって提供することができる。   A variety of electrolytes are suitable for water electrolysis. In one embodiment, potassium hydroxide may be used with the low carbon steel for the containment vessel 4b. Extended life with increased corrosion resistance may be provided by the nickel plating cylinder 4b or by the use of a suitable stainless steel alloy. In other aspects, increased confinement capacity can be provided by covering cylinder 4b with a high strength reinforcement such as glass, ceramic, or carbon filament, or a combination thereof.

特定の用途及び強度要件に応じて、分離器20b及び24bを絶縁するために約30%ガラス繊維入りエチレンクロロトリフルオロ−エチレンを用いることが有利な場合がある。電極8bは、編まれたニッケル又はタイプ316ステンレス鋼ワイヤで作成されてもよい。分離器10bは、約30%ガラス繊維入りエチレン−クロロトリフルオロ(chlorotrifluro)−エチレン・ストリップから作製されてもよい。   Depending on the specific application and strength requirements, it may be advantageous to use about 30% glass-filled ethylene chlorotrifluoro-ethylene to insulate the separators 20b and 24b. Electrode 8b may be made of knitted nickel or type 316 stainless steel wire. Separator 10b may be made from an ethylene-chlorotrifluoro-ethylene strip with about 30% glass fiber.

別の実施形態において、有機電解質からメタン又は水素を別々に又は好ましい混合物中に生じるために、電気の制御された印加を使用することも意図される。幾つかの態様において、実施形態は、参照により本明細書に組み込まれる整理番号第09/969,860号を含む同時係属の特許出願の実施形態と併せて作動することができる。普通はメタンを生じる有機物質の嫌気性消化プロセスは、かなり低い電圧で又はパルス−幅変調されたデューティサイクルの減少されたオン時間によって水素を放出する電解質を生じるように制御することができ、結果として水を解離するのに要求されるよりも生じる電気消費が減少される。   In another embodiment, it is also contemplated to use a controlled application of electricity to generate methane or hydrogen separately or in a preferred mixture from the organic electrolyte. In some aspects, embodiments can operate in conjunction with embodiments of co-pending patent applications including Serial No. 09 / 969,860, which is incorporated herein by reference. The anaerobic digestion process of organic substances that normally produce methane can be controlled to produce an electrolyte that releases hydrogen at a much lower voltage or with a reduced on-time of a pulse-width modulated duty cycle, resulting in As a result, the electricity consumption generated is less than required to dissociate water.

微生物消化によって生じる有機溶液の酸性度又はpHは、天然の重炭酸塩緩衝相互作用によって維持することができる。重炭酸塩緩衝系は、消化プロセスにおける二酸化炭素の同時生産によって補足されてもよい。プロセスは、以下のような多くの競合する且つ補足的なプロセスステップを有してもよい単純炭水化物又はグルコースの例証となる消化による有機化合物の嫌気性消化プロセスにおける種々のステップに対して一般化されてもよい。
6126+(嫌気性酸生成菌、通性細菌)→CH3COOH 式1
CH3COOH+NH4HC63→CH3COONH4+H2O+CO2 式2
3CH3COONH4+3H2O(細菌)→3CH4+3NH4HCO3 式3
The acidity or pH of the organic solution produced by microbial digestion can be maintained by natural bicarbonate buffer interactions. The bicarbonate buffer system may be supplemented by simultaneous production of carbon dioxide in the digestion process. The process is generalized to various steps in the anaerobic digestion process of organic compounds by simple digestion of simple carbohydrates or glucose that may have many competing and complementary process steps such as: May be.
C 6 H 12 O 6 + (anaerobic acid producing bacteria, facultative bacteria) → CH 3 COOH Formula 1
CH 3 COOH + NH 4 HC 6 O 3 → CH 3 COONH 4 + H 2 O + CO 2 Formula 2
3CH 3 COONH 4 + 3H 2 O (bacteria) → 3CH 4 + 3NH 4 HCO 3 formula 3

こうした溶液からのメタンが望まれる場合には、7.0付近のpH調整が必要とされる場合がある。周囲圧力、約7.0のpH、及び35〜37℃(99°F)では、メタン生合成が好ましい。ほとんどの家庭廃水は、メタン生合成を提供する生物によって必要とされる多量養素と微量養素との両方を伴うバイオ廃棄物を含有する。嫌気性反応器の中に存在する溶解され及び分配される水素又は単糖類の比較的高い濃度を維持することは、メタンを生成する微生物の働きを阻害する可能性がある。   If methane from such a solution is desired, a pH adjustment around 7.0 may be required. At ambient pressure, a pH of about 7.0, and 35-37 ° C (99 ° F), methane biosynthesis is preferred. Most domestic wastewater contains biowaste with both macronutrients and micronutrients required by organisms that provide methane biosynthesis. Maintaining a relatively high concentration of dissolved or distributed hydrogen or monosaccharides present in the anaerobic reactor may inhibit the action of microorganisms that produce methane.

別の態様において、有機物質からの燃料価値の増加された生産は、電界を印加して、グルコース及び他の有機化合物の細菌性崩壊(bacterial breakdown)によって生じる酢酸(CH3COOH)のような物質の解離を引き起こすことによって、及び水素イオンを生み出す他の酸生成プロセスによって達成することができる。
CH3COOH→CH3COO-+H+ 式4
In another aspect, the increased production of fuel value from organic material is a material such as acetic acid (CH 3 COOH) generated by bacterial breakdown of glucose and other organic compounds by applying an electric field. Can be achieved by causing dissociation of and by other acid generation processes that produce hydrogen ions.
CH 3 COOH → CH 3 COO + H + Formula 4

水素イオンは、負に帯電した電極に移動し又は送達され、電子を得て水素ガスを生じる。
2H++2e-→H2 式5
The hydrogen ions move or be delivered to the negatively charged electrode, obtaining electrons and producing hydrogen gas.
2H + + 2e → H 2 formula 5

2つの電子は、負に帯電した電極によって供給される。他方の電極で、電気化学反応は、式6で要約されるように酢酸イオンの二酸化炭素と水素イオンへの酸化を含む。
CH3COO-+2H2O→2CO2+7H++電子 式6
Two electrons are supplied by a negatively charged electrode. At the other electrode, the electrochemical reaction involves the oxidation of acetate ions to carbon dioxide and hydrogen ions as summarized in Equation 6.
CH 3 COO + 2H 2 O → 2CO 2 + 7H + + electron Formula 6

この電極反応において、酢酸イオンは電子を失い、その後、水と反応し、二酸化炭素ガスと水素イオンに分解する。二酸化炭素は、溶液を飽和し、上記の実施形態に記載されるように液体溶液界面から放出される。水素イオンは、こうしたシステムにおける同時収集を分離するために、反対側の電極から電子が受け取られて水素原子、次いで式5で要約されるように二原子分子を生じるまで循環され及び/又は移動する。分離収集は非常に有利である、例えば、ガス圧縮の代わりの液体ポンピングの結果として加圧を引き起こす又は高圧での分離収集は、特に効率的であり、生じた水素、メタン、又は二酸化炭素を分離し、次いで機械的に圧縮するのに普通は必要とされる資本設備を大いに減少させる。   In this electrode reaction, acetate ions lose electrons, then react with water and decompose into carbon dioxide gas and hydrogen ions. Carbon dioxide saturates the solution and is released from the liquid solution interface as described in the above embodiments. Hydrogen ions are circulated and / or moved until electrons are received from the opposite electrode to produce hydrogen atoms and then diatomic molecules as summarized in Equation 5 to separate simultaneous collections in such systems. . Separation collection is very advantageous, for example, causing pressure increase as a result of liquid pumping instead of gas compression or separation collection at high pressure is particularly efficient, separating the resulting hydrogen, methane, or carbon dioxide And then greatly reduce the capital equipment normally required to mechanically compress.

水素と二酸化炭素を生じる、酢酸のような化合物の嫌気性消化による分解は、一つには、消化反応が水素イオンと発熱エネルギーを生み出すため、水の電気分解よりもかなり少ないエネルギーを必要とする。酢酸のような酸の発熱分解の初期化及びメンテナンスは、より低電圧の印加で又は水を分解するのに典型的に必要とされるような連続した電気分解の代わりに間欠的な又は時折の電気分解によって達成されてもよい。比較的最小限の活性化及び/又は特に有機触媒による触媒作用を必要とする消化装置の尿素と酢酸のような物質と酸の水素と二酸化炭素への電気分解に比べて、周囲温度での水の生成の自由エネルギーは極めて大きい(少なくとも1KWH=放出された水素の3,412BTU)。したがって、レーニーニッケル触媒への修飾、ニッケル−スズ−アルミニウム合金、白金属の群からの選択物、白金−ニッケル及び他の白金−遷移金属の単結晶合金表面、及び本明細書に記載された電極システムと併せて使用される種々の有機触媒を含む選択された触媒は、水素生産速度及び/又は効率をさらに改善する。   Decomposition by anaerobic digestion of compounds such as acetic acid that produce hydrogen and carbon dioxide requires, in part, much less energy than water electrolysis because the digestion reaction produces hydrogen ions and exothermic energy. . Initialization and maintenance of an exothermic decomposition of an acid such as acetic acid may be intermittent or occasional instead of continuous electrolysis, typically required to apply a lower voltage or to decompose water. It may be achieved by electrolysis. Water at ambient temperature compared to electrolysis of substances such as urea and acetic acid and acid and hydrogen and carbon dioxide in digesters that require relatively minimal activation and / or catalysis, especially with organic catalysts The free energy of formation of is very large (at least 1 KWH = 3,412 BTU of released hydrogen). Thus, modifications to the Raney nickel catalyst, nickel-tin-aluminum alloys, selections from the group of white metals, single-crystal alloy surfaces of platinum-nickel and other platinum-transition metals, and described herein Selected catalysts, including various organic catalysts used in conjunction with the electrode system, further improve the hydrogen production rate and / or efficiency.

別の態様において、利用可能なソース・アンペア数及び電圧を図1Bに示すようなセルの直列接続による解離のために必要とされる電圧と合致させる目的で、切換え可能に直列又は並列又は直並列に接続される電極対の多くのセルを使用することが好ましい場合がある。この実施形態の1つの態様において、各セルは、選定される又は有機物質から生化学的に産生される水性電解質に応じて約0.2〜2ボルトを要求する場合があり、そのため家庭用サイズの6−ボルトの光起電源は、3〜30個のセルを直列に有することができ、工業用の220−ボルトの供給は、直列に接続された約100〜1,000個の電極セルを有してもよい。製品ガスは、並列又は直列コレクション配置によって直ちに送達することができる。直列及び/又は並列接続の数を調整するための所望の可撓性に応じて、支持及び流量制御機能部18bは、絶縁材又は非絶縁材の選択によるものであってもよい。   In another aspect, the switchable series, parallel, or series-parallel, in order to match the available source amperage and voltage with the voltage required for dissociation by series connection of cells as shown in FIG. 1B It may be preferable to use many cells of electrode pairs connected to the. In one aspect of this embodiment, each cell may require about 0.2-2 volts depending on the aqueous electrolyte selected or biochemically produced from the organic material, so that the home size The 6-volt photovoltaic power supply can have 3 to 30 cells in series, and the industrial 220-volt supply has about 100 to 1,000 electrode cells connected in series. You may have. Product gas can be delivered immediately by a parallel or series collection arrangement. Depending on the desired flexibility to adjust the number of series and / or parallel connections, the support and flow control feature 18b may be by the choice of insulating or non-insulating materials.

中程度の及び低い電流密度を含む種々の電流密度で、電解質の循環を達成してイオン枯渇及び停滞問題を防ぐために発生される気泡の浮力推進を可能にすることが好ましい場合がある。始動又はより高い電流密度では、一つには、所望の作動温度及び電極表面でのイオンリッチな電解質の発現を提供するためにポンプ36bと熱交換器56bを作動させることができる。これは、極めて高いエネルギー変換率を可能にし、別個の貯蔵及び使用のための二酸化炭素と共に、酸素と水素又は水素と二酸化炭素又は水素とメタンの高圧供給を迅速に且つ効率よく生産するために、太陽、風、落水、又は波資源から入手可能なオフピーク電気のようなエネルギーが使用される。   At various current densities, including moderate and low current densities, it may be preferable to allow buoyancy propulsion of the generated bubbles to achieve electrolyte circulation and prevent ion depletion and stagnation problems. At start-up or higher current density, pump 36b and heat exchanger 56b can be operated, in part, to provide the desired operating temperature and the development of an ion rich electrolyte at the electrode surface. This allows for extremely high energy conversion rates, to produce a high-pressure supply of oxygen and hydrogen or hydrogen and carbon dioxide or hydrogen and methane, with carbon dioxide for separate storage and use, quickly and efficiently, Energy such as off-peak electricity available from the sun, wind, falling water or wave resources is used.

この実施形態の1つの態様において、大量のエネルギーの突然のバーストが化学燃料ポテンシャルに迅速に変換されなければならない、車両の回生制動又は発電所のスピンダウンの問題が対処される。トラック、バス、又は列車推進のための従来の燃料電池は、燃料電池の電極に突然に印加される高い電流密度を許容することができない。この実施形態は、この制限を克服し、且つ再生的なPEM燃料電池が悩まされるPEM劣化又は電極−界面故障の問題なしに高い電気分解効率を達成しながら、高電流条件の極めて堅牢な許容誤差を提供する。堅牢な構成及び提供される冷却のための極めて沢山の機会により、極めて高い電流作動が直ちに適応される。逆に、この実施形態は、種々のPEMに関係する難点、制限、及び故障に関わることなく、直ちに始動し、且つ過酷な低温又は高温条件で効率よく作動する。   In one aspect of this embodiment, the problem of vehicle regenerative braking or power plant spin down, where a sudden burst of large amounts of energy must be quickly converted to a chemical fuel potential, is addressed. Conventional fuel cells for truck, bus, or train propulsion cannot tolerate high current densities that are suddenly applied to the fuel cell electrodes. This embodiment overcomes this limitation and achieves high electrolysis efficiency without the problems of PEM degradation or electrode-interface failure that plague regenerative PEM fuel cells, while providing extremely robust tolerances for high current conditions I will provide a. Due to the robust construction and the numerous opportunities for cooling provided, very high current operation is readily accommodated. Conversely, this embodiment starts immediately and operates efficiently in harsh low or high temperature conditions without the difficulties, limitations, and failures associated with various PEMs.

別の態様において、水力発電所、風力発電基地、波力発電機のシステム、又は従来の発電所のようなエネルギー変換システムにおけるはるかに高い投資収益率を達成するために、実施形態は、オフピーク電気が水の解離によって水素と酸素に又は有機物の嫌気性消化又は劣化によって発生する物質の解離によって水素と二酸化炭素に迅速に且つ効率よく変換されることを可能にする。実施形態のコンパクトなバージョンは、洗濯機よりも大きくはないスペースを占め、そうでなければ2台のファミリーサイズの車両を作動させる及び家庭のエネルギー要件を提供するのに十分な水素を無駄にする可能性があるオフピーク電気を変換することができる。   In another aspect, in order to achieve a much higher return on investment in an energy conversion system such as a hydropower plant, wind farm, wave power generator system, or conventional power plant, embodiments are Can be quickly and efficiently converted to hydrogen and oxygen by dissociation of water or by dissociation of substances generated by anaerobic digestion or degradation of organic matter. The compact version of the embodiment takes up less space than the washing machine, otherwise it wastes enough hydrogen to operate two family size vehicles and provide home energy requirements Potential off-peak electricity can be converted.

上記に記載のように、本明細書で提供される幾つかの実施形態は、迅速なイオン補充プロセスと、より濃厚な液体媒体から逃げる低密度ガスのポンピング作用による所望の電極への送達とを含む、より効率的な物質移動を提供する。これは、望ましくない副反応を防ぐと共に、より高い電気効率、より迅速な解離、及びより高い分離効率を保証する。イオン生産及び電極への送達の速度及び効率を増加させることは、電極面積あたりのシステムの効率及び電流限界を増加させる。有機物質を二酸化炭素と水素又はメタンに変換する用途は、特に、中間イオンの電極へのより効率的な送達と共に、プロセスに関与する微生物への有機物質の強化された送達率、インキュベーション、及びバイオフィルム媒体を拡張させ及び自己修復させるためのインキュベートされた微生物の送達、生じるガスのより迅速な分離、及び有機物質の送達によって恩恵を受ける。   As described above, some embodiments provided herein provide a rapid ion replenishment process and delivery to the desired electrode by the pumping action of low density gas escaping from the richer liquid medium. Provides more efficient mass transfer including. This prevents unwanted side reactions and ensures higher electrical efficiency, faster dissociation, and higher separation efficiency. Increasing the rate and efficiency of ion production and delivery to the electrode increases the efficiency and current limit of the system per electrode area. Applications that convert organic materials to carbon dioxide and hydrogen or methane, in particular, provide enhanced delivery rates of organic materials to microorganisms involved in the process, incubation, and biochemistry, along with more efficient delivery of intermediate ions to the electrode. Benefit from the delivery of incubated microorganisms to expand and self-repair the film media, faster separation of the resulting gas, and delivery of organic materials.

図4Bを参照すると、電圧を印加すること又は閉じ込め容器102bの内壁に電流を流すことが望ましくない用途に特に有益である、別の実施形態の電解槽100bが示される。実施形態はまた、電解槽100b内の110b及び114bのような双極又は複数の電極の組又はセルの直列接続を容易にして、必要とされるガス収集及び電圧マッチングを簡単にする。   Referring to FIG. 4B, another embodiment of an electrolytic cell 100b is shown that is particularly beneficial for applications where it is not desirable to apply a voltage or to pass a current through the inner wall of the containment vessel 102b. Embodiments also facilitate series connection of bipolar or multiple electrode sets or cells, such as 110b and 114b in the electrolyzer 100b, to simplify the required gas collection and voltage matching.

閉じ込め容器102bが円筒形であり、且つ内部の構成要素が同軸である、1つの態様において、電極組立体110b及び114bは、多くの入れ子にされた切頭円錐形構成要素から形成されてもよく、若しくは一方又は両方の電極は、上記で説明されたように螺旋電極として形成されてもよい。電極110b及び114bは、同じ構成、類似した構成、又は異なる構成のものであってもよい。別の態様において、電極114bは、入れ子にされた切頭円錐形区域から組み立てられてもよく、又はこれは、電極110bを連続的に囲む螺旋電極であってもよい。   In one embodiment where the containment vessel 102b is cylindrical and the internal components are coaxial, the electrode assemblies 110b and 114b may be formed from a number of nested frustoconical components. Alternatively, one or both electrodes may be formed as a spiral electrode as described above. The electrodes 110b and 114b may have the same configuration, similar configurations, or different configurations. In another aspect, the electrode 114b may be assembled from nested frustoconical sections, or it may be a helical electrode that continuously surrounds the electrode 110b.

短絡を防ぐための電極110b及び114bの電気的分離は、作動寸法に対する制御された許容誤差、及び/又は電極110b及び114bの間に位置する誘電ねじ山又はフィラメントの使用、及び/又は図2B及び図5Bに関して開示されるように別の形態の分離器10b又は111bを含む種々の手段によって達成されてもよい。   Electrical isolation of electrodes 110b and 114b to prevent short circuit may be achieved by controlled tolerances on the operating dimensions and / or the use of dielectric threads or filaments located between electrodes 110b and 114b, and / or FIG. 2B and It may be achieved by various means including another form of separator 10b or 111b as disclosed with respect to FIG. 5B.

電解槽100bは加圧されてもよい。圧力の閉じ込めは、図示のように上側キャップ104b及び下側キャップ106bによって提供される。絶縁体120b及び122bは、図示のようにキャップ104b及び106bによって支持される。電気接続及び流体接続のための回路構成要素及びハードウェアは例証となるものであり、特定の用途の必要性を満たすために必要に応じてキャップ104b及び106bを通した貫通によって達成することができる。   The electrolytic cell 100b may be pressurized. Pressure confinement is provided by the upper cap 104b and the lower cap 106b as shown. Insulators 120b and 122b are supported by caps 104b and 106b as shown. The circuit components and hardware for electrical and fluid connections are illustrative and can be achieved by penetration through caps 104b and 106b as needed to meet the needs of a particular application. .

電流の実施形態において、電極110b及び114bの両方は、図示のようにそれぞれの収集ゾーンに放出されるガスのような生じる物質を導く傾斜面を有するように形成される。例証すると、水が適切な電解質から解離されることになる場合、電極110bは、プラグ・シール132bによってキャップ106bの中にシールされる接続部108bを通して供給される電子を受け取ってもよい。電子は、したがって、二酸化炭素又は酸素のようなガスが電極114b上で放出される際にコンタクト124bの絶縁を提供するプラグ・シール130bを通して電極114bから取り出される。   In the current embodiment, both electrodes 110b and 114b are formed with inclined surfaces that guide the resulting material, such as gas, released into the respective collection zones as shown. To illustrate, if water is to be dissociated from a suitable electrolyte, electrode 110b may receive electrons supplied through connection 108b that is sealed into cap 106b by plug seal 132b. Electrons are therefore extracted from electrode 114b through plug seal 130b that provides insulation of contact 124b when a gas such as carbon dioxide or oxygen is released on electrode 114b.

こうしたガスは、したがって、電極114bによってコンテナ102bの内壁に沿って送達される際に、浮力によって推進され、上方により多く又は少なく移動する。水素は、電極110bによって及び電極110bの多くの巻き目又は円錐形の層によって形成される中央コア内で送達される際に上方に推進され、絶縁体120bで図示のように収集される。設計圧力での純水素は、圧力取付具116bによって送達される。触媒フィルタ134bは、中心コアに到達して水を生成する酸素のようなあらゆるオキシダントを変換するのに用いられてもよい。図示のように絶縁体120bの外側収集環に到達するあらゆる水素から水を生じるために類似の触媒フィルタ材料が用いられてもよい。加圧されフィルタされた酸素は、圧力取付具118bによって送達される。   Such gases are therefore propelled by buoyancy and move more or less upwards as they are delivered along the inner wall of the container 102b by the electrode 114b. Hydrogen is propelled upward as it is delivered by the electrode 110b and within the central core formed by the many turns or conical layers of the electrode 110b and is collected at the insulator 120b as shown. Pure hydrogen at the design pressure is delivered by the pressure fixture 116b. The catalytic filter 134b may be used to convert any oxidant such as oxygen that reaches the central core and produces water. Similar catalytic filter materials may be used to generate water from any hydrogen that reaches the outer collection ring of insulator 120b as shown. Pressurized and filtered oxygen is delivered by pressure fitting 118b.

随意的に、電解槽100bの効率を改善するために、1つ又は複数のガス収集容器(図示せず)が、電気分解中に生成されるガスを収集するために電解槽100bと流体連通していてもよい。ガス収集容器は、ガスの実質的な膨張の前にガスを高い圧力で取り込むために実装することができる。ガス収集容器は、当該技術分野では公知の方法に従ってガスが膨張する際に仕事を取り込むようにさらに構成することができる。代替的に、ガス収集容器は、ガスが高い圧力で送達されることを望まれる貯蔵、輸送、又は使用のための圧力でガスを提供するように構成することができる。前記態様は種々の電気化学電池において実装できることがさらに考慮される。   Optionally, to improve the efficiency of the electrolyzer 100b, one or more gas collection vessels (not shown) are in fluid communication with the electrolyzer 100b to collect the gas produced during electrolysis. It may be. The gas collection container can be implemented to take gas at high pressure before substantial expansion of the gas. The gas collection container can be further configured to capture work as the gas expands according to methods known in the art. Alternatively, the gas collection container can be configured to provide the gas at a pressure for storage, transport, or use where it is desired that the gas be delivered at a high pressure. It is further contemplated that the above aspects can be implemented in a variety of electrochemical cells.

図2Bを参照すると、別の態様において、ガス膨張装置は、取付具22b、取付具26bに、この付近に、又はこの内部に、若しくは取付具22b又は取付具26bと流体連通する収集容器の中に含まれてもよい。同様に、図4Bを参照すると、ガス膨張装置は、取付具116b、118bに、付近に、又は内部に、若しくは取付具116b又は取付具118bと流体連通するガス収集容器の中に含まれてもよい。   Referring to FIG. 2B, in another aspect, the gas expansion device is located in, near, or in the fixture 22b, fixture 26b, or in a collection container in fluid communication with the fixture 22b or fixture 26b. May be included. Similarly, with reference to FIG. 4B, the gas expansion device may be included in, near, or in the fittings 116b, 118b, or in a gas collection container in fluid communication with the fitting 116b or fitting 118b. Good.

別の態様において、電気分解し、デバイスと結合された流体を加圧して、こうした加圧された流体から仕事を抽出するための方法及び装置が提供される。流体は、液体、液体に吸収されたガス、蒸気、又はガスに加圧されてもよい。加圧された流体の蒸気又はガスへの変換は、取付具116bの中で又は後で起こってもよく、こうした取付具からの圧力及び流れを変換するデバイスは、空気を吸い込み(breathes)及び116bから加圧された水素を噴射するタービン、発電機、ベーンモータ、若しくは種々のピストンモータ又はエンジンを含む群から選択することができる。同様に、加圧された流体の蒸気又はガスへの変換は、取付具118bの中で又は後で起こることができ、こうした取付具からの圧力及び流れを変換するデバイスは、118bからの酸素のような加圧された流体を膨張させる及び/又は燃焼するタービン、発電機、ベーンモータ、若しくは種々のピストンモータ又はエンジンを含む群から選択することができる。   In another aspect, methods and apparatus are provided for electrolyzing and pressurizing fluid coupled with a device to extract work from such pressurized fluid. The fluid may be pressurized to a liquid, a gas absorbed in the liquid, a vapor, or a gas. The conversion of pressurized fluid to vapor or gas may occur in or after fixtures 116b, and devices that convert the pressure and flow from such fixtures can breathe air and 116b. Can be selected from the group comprising turbines, generators, vane motors, or various piston motors or engines that inject pressurized hydrogen from. Similarly, the conversion of pressurized fluid to vapor or gas can occur in or after fixtures 118b, and the device that converts the pressure and flow from such fixtures is capable of oxygen from 118b. Such a pressurized fluid can be selected from the group comprising a turbine, a generator, a vane motor, or various piston motors or engines that expand and / or burn.

別の態様において、変圧器及び整流器回路の高いコスト及び電力損失を克服する装置及び方法が提供される。これは、DC源の負極を、最も下の電極110bの3つの巻き目に、これを電極114bの次の3つの巻き目に、これを電極110bの次の3つの巻き目に、これを電極114bの次の3つの巻き目、そしてこれを電極110bの次の3つの巻き目にと以下同様に接続し、反対の(最高)端から始めてDC源からの正のリードを電極114bの3つの巻き目に、これを電極110bの次の3つの巻き目に、これを電極114bの次の3つの巻き目に、これを電極110bの次の3つの巻き目に、これを電極114bの次の3つの巻き目にと以下同様に接続することのような電極セル又はセル内の電極の直列接続による負荷電圧とソース電圧との調整されたマッチングによって達成される。切頭円錐の巻き目及び/又はスタックは、ソース・アンペア数と合致させるために必要な面積を生じるように調整されてもよい。   In another aspect, an apparatus and method is provided that overcomes the high cost and power loss of transformer and rectifier circuits. This means that the negative electrode of the DC source is placed on the third turn of the lowermost electrode 110b, this is the next three turns of the electrode 114b, and this is the next three turns of the electrode 110b. Connect the next three turns of 114b, and so on to the next three turns of electrode 110b, and so on, starting from the opposite (highest) end, the positive lead from the DC source is connected to the three turns of electrode 114b. In the turn, this is the next three turns of electrode 110b, this is the next three turns of electrode 114b, this is the next three turns of electrode 110b, and this is the next turn of electrode 114b. This is achieved by a coordinated matching of the load voltage and the source voltage by the series connection of the electrode cells or the electrodes in the cells, such as connecting the third winding and so on. The frustoconical turns and / or stack may be adjusted to produce the area required to match the source amperage.

この実施形態の別の態様において、電気分解によって生じるガスの分離を提供することに加えて、本発明の幾つかの実施形態によって発生するポンピング作用は、作動の相対的な規模に応じて、電極110bの部分内及び/又は電極114bの部分とコンテナ102bとの間に一般に位置する炭素布、活性炭粒、膨張シリカ、グラファイト・フェルト、石炭、木炭、果物の種子、木材チップ、細断された紙、おがくず、及び/又はこうした選択物の混合物のような適切な媒体の中に宿る微生物への栄養素の送達を提供する。対応する機能及び恩恵は、システムの熱的安定化、供給原料の循環、及び二酸化炭素のような生成物の除去、並びにこうした微生物のインキュベーション、栄養補給、及び成長によって産生される場合がある酸からの水素の生産を含む。   In another aspect of this embodiment, in addition to providing separation of gases produced by electrolysis, the pumping action generated by some embodiments of the present invention may be dependent on the relative magnitude of operation, depending on the relative magnitude of operation. Carbon cloth, activated carbon granules, expanded silica, graphite felt, coal, charcoal, fruit seeds, wood chips, shredded paper, generally located within 110b and / or between electrode 114b and container 102b Provide for the delivery of nutrients to microorganisms that reside in suitable media such as sawdust and / or mixtures of such selections. Corresponding functions and benefits are derived from acids that may be produced by thermal stabilization of the system, circulation of feedstock, and removal of products such as carbon dioxide, and incubation, nutrition and growth of these microorganisms. Including the production of hydrogen.

低い及び中程度の電流密度では、低密度溶液及び泡によって誘起される浮力が、電解質をコンテナ102b内で循環させることができる。より高い電流密度では、前に開示されたように電解質の温度、圧力、及び循環を適応して制御することが有利である。電解質の外部循環は、図示のように取付具126bから取付具138bにであってもよく、随意的な直列及び/又は直並列回路で接続される1つ又は複数の電極セルがコンテナ102b内に収容される状況を含む。   At low and medium current densities, buoyancy induced by low density solutions and bubbles can cause electrolyte to circulate in container 102b. At higher current densities, it is advantageous to adaptively control electrolyte temperature, pressure, and circulation as previously disclosed. The external circulation of the electrolyte may be from fixture 126b to fixture 138b as shown, and one or more electrode cells connected in an optional series and / or series-parallel circuit are in container 102b. Including the situation of being contained.

別の態様において、実施形態は、電極110b及び114bの間の環状スペースに対して接線方向に流体を導く1つ又は複数の穴又は溝139bを通して相応により高い電解質流体の流量を送達するために、高い電流密度に対して最適化することができる。電解質は、電極によって形成される螺旋スペースに沿って上方に流れ、110b及び114bの間の環状スペースから110b及び114bによって提供される螺旋経路に入る電解質によって補足される。電極110b及び114bの間のスペースに入る電解質の角運動量は、それぞれ電極110b及び114b上で生産され且つこうしたモーメントを加える水素と酸素のような電解生成物による気泡を持ち上げるポンピングの勢いを増加させる。   In another aspect, embodiments deliver a correspondingly higher electrolyte fluid flow rate through one or more holes or grooves 139b that guide fluid tangentially to the annular space between electrodes 110b and 114b. It can be optimized for high current densities. The electrolyte flows up along the spiral space formed by the electrodes and is supplemented by the electrolyte that enters the spiral path provided by 110b and 114b from the annular space between 110b and 114b. The angular momentum of the electrolyte that enters the space between electrodes 110b and 114b increases the pumping momentum that lifts bubbles by electrolytic products such as hydrogen and oxygen that are produced on electrodes 110b and 114b, respectively, and apply such moments.

この電解質の循環は、電極110b及び114bとの間での電荷交換後に水素及び酸素原子又は二酸化炭素のような他のガスとなるイオンの迅速な置換えを保証する目的で、及び電気分解中の最小限の電気分極の損失での収集及び除去のためにこうしたガスを除去するのに非常に有益である。したがって、循環される流体を効率よく電気分解するために非常に高い電流密度が直ちに受け入れられる。別の態様において、電気分解の生成物の害になる停滞及び/又は蒸気核生成のような相変化、及び有効電極面積の減少を防ぐ改善された電解質循環から結果として得られる設計の莫大な冷却能力によって高い電流密度のさらなる適応が提供される。   This electrolyte circulation is intended to ensure rapid replacement of ions that become hydrogen and other gases such as oxygen atoms or carbon dioxide after charge exchange between electrodes 110b and 114b, and a minimum during electrolysis. It is very beneficial to remove these gases for collection and removal with limited loss of electrical polarization. Thus, very high current densities are readily accepted to efficiently electrolyze the circulated fluid. In another aspect, huge cooling of the resulting design from phase changes such as stagnation and / or vapor nucleation that are detrimental to electrolysis products, and improved electrolyte circulation that prevents a reduction in effective electrode area The capability provides further adaptation of high current density.

別の態様において、電極110b及び114bは、共振周波数で有利に作動することができ、又は圧電ドライバ、回転偏心、及び泡生成作用を含む種々の誘因と、結果として生じるポンピング作用によってより高密度の電解質インベントリが電極110b及び114bの表面に送達される際の電解質と気泡のあまり濃厚でない混合物による加速推力とによって摂動する(perturbed)、ばねの形態を構成してもよい。摂動に応答して、電極110b及び114bは、固有周波数又は誘起された周波数で振動して、核生成箇所を含む表面からの泡の除去をさらに強化し、したがって、より高い電流密度及びより高いエネルギー変換効率を可能にする。   In another aspect, the electrodes 110b and 114b can be advantageously operated at a resonant frequency or are more dense due to various incentives, including piezoelectric drivers, rotational eccentricity, and bubble generation effects, and the resulting pumping action. A spring configuration may be configured in which the electrolyte inventory is perturbed by the electrolyte as it is delivered to the surfaces of the electrodes 110b and 114b and the acceleration thrust by a less concentrated mixture of bubbles. In response to the perturbation, the electrodes 110b and 114b oscillate at the natural or induced frequency to further enhance the removal of bubbles from the surface including the nucleation site, and thus higher current density and higher energy. Enable conversion efficiency.

110b及び114bのようなつる巻ばねの形態の電極の誘起される振動はまた、機械的蠕動アクションを引き起こして、それぞれの収集経路及び電解槽100bの出口ポートの方への気泡の加速を強化することができる。この振動中に、電極の巻き目の隣接する層の間の平均距離及び角度の周期的増加及び減少は、誘因(単数又は複数)の大きさ及び周波数に応じて固定の又は移動するノードを生じる。   Induced vibrations of electrodes in the form of helical springs such as 110b and 114b also cause mechanical peristaltic actions to enhance bubble acceleration towards the respective collection path and outlet port of the electrolyzer 100b. be able to. During this oscillation, the periodic increase and decrease of the average distance and angle between adjacent layers of the electrode turns results in a fixed or moving node depending on the magnitude and frequency of the trigger (s). .

図5Bは、種々の用途又は電解質のための螺旋流送達構成を含む図2Bに示される絶縁体10bのような選択物を含む110b’及び114b’の間の電気絶縁性スペーサ111bと併せた作動に対する一組の電極110b’及び114b’の代表的な断面図を示す。同軸電極110b’、スペーサ111b、及び電極114b’の組立体は、改善された効率及び汚れに対する抵抗をもつ、水、嫌気性消化装置からの液体、又は海水のような流体の効率的な解離を可能にするための非常に堅牢な自己強化システムを提供する。電極110b’及び114b’は、導電性カーボン紙、布、又はフェルト;編まれた又はフェルト炭素及び金属フィラメント、編まれた炭素又は金属フィラメントの間に挟まれたグラファイト粒;又は電解質を構成する化学物質に応じて酸素、塩素、又は二酸化炭素のような同時生産されるガスからの水素のそれぞれの分離に関して図示のように傾斜される平行な中心線上の多数の穴と共に前に開示された場合よりも多く又は少なくドリル加工される軟鋼、ニッケルめっきされたスチール、又はステンレス鋼のような金属−めっきされたポリマー又は金属シート素材から構築されてもよい。   FIG. 5B shows the operation in conjunction with an electrically insulating spacer 111b between 110b ′ and 114b ′ that includes a selection such as insulator 10b shown in FIG. 2B that includes a helical flow delivery configuration for various applications or electrolytes. FIG. 2 shows a representative cross-sectional view of a pair of electrodes 110b ′ and 114b ′. The assembly of coaxial electrode 110b ', spacer 111b, and electrode 114b' provides efficient dissociation of fluids such as water, liquid from anaerobic digesters, or seawater with improved efficiency and resistance to contamination. Provides a very robust self-strengthening system to enable. Electrodes 110b 'and 114b' can be conductive carbon paper, cloth, or felt; knitted or felt carbon and metal filaments, graphite grains sandwiched between knitted carbon or metal filaments; or the chemistry that constitutes the electrolyte. More than the case previously disclosed with multiple holes on parallel centerlines inclined as shown for each separation of hydrogen from co-produced gases such as oxygen, chlorine or carbon dioxide depending on the material It may be constructed from metal-plated polymer or metal sheet material such as mild steel, nickel plated steel, or stainless steel that is more or less drilled.

電極110b’、スペーサ111b、及び電極114b’が図4Bに示すように同軸電極配置で使用される場合には、水素は、ポート116bに送達され、解離を受ける物質に応じて、酸素、塩素、又は二酸化炭素のような生成物の送達がポート118bで提供される。幾つかの場合には、各穴がスペーサ111bと接触する表面上の穴の直径からスペーサ111bから離れる出口表面でのより大きい直径に僅かにテーパされるように、110b’及び114b’に多数の穴を提供することが好ましい。   When electrode 110b ′, spacer 111b, and electrode 114b ′ are used in a coaxial electrode arrangement as shown in FIG. 4B, hydrogen is delivered to port 116b and oxygen, chlorine, Alternatively, delivery of a product such as carbon dioxide is provided at port 118b. In some cases, there are multiples in 110b ′ and 114b ′ such that each hole is slightly tapered from the diameter of the hole on the surface in contact with spacer 111b to a larger diameter at the exit surface away from spacer 111b. Preferably, a hole is provided.

結果として生じる電極間の幅スペースを最適化するために利用可能な電力及びシステム伝熱要件と釣り合った速度で138bから電極110b’及び114b’、及びこれらを通して取付具126bに電解質を送達するための螺旋ピッチ、電極間の幅、及びスペーサ111bを備えるストリップの厚さを選定することが好ましい。これは、結果として、電極110b’内のゾーンへの水素の分離及び電極114b’の外部スペースへの酸素、二酸化炭素、又は塩素のような同時生産されるガスの送達を保証しながら、電極110b’及び114b’での電気分解プロセスのためのイオンの豊富な送達をもたらす。   For delivering electrolyte from 138b to electrodes 110b 'and 114b' and through them to fixture 126b at a rate commensurate with the power and system heat transfer requirements available to optimize the resulting width space between the electrodes. It is preferable to select the helical pitch, the width between the electrodes, and the thickness of the strip comprising the spacer 111b. This results in the separation of hydrogen into zones within electrode 110b ′ and the delivery of co-produced gases such as oxygen, carbon dioxide, or chlorine to the external space of electrode 114b ′, while maintaining electrode 110b. This results in rich delivery of ions for the electrolysis process at 'and 114b'.

別の態様において、水素電極の底部に水素、及び酸素電極の底部で酸素を加えるための適切な取付具と共に、水素電極の中のガス流れ溝と酸素電極の中のガス流れ溝とを提供することによって、システムを再生的に作動することが可能である。この場合においては、特に、単一のキャニスタ組立体がエネルギー需要を満たす、小さい燃料電池において、同軸螺旋電極を使用することが有利な場合がある。   In another aspect, a gas flow channel in the hydrogen electrode and a gas flow channel in the oxygen electrode are provided, with suitable fittings for adding hydrogen at the bottom of the hydrogen electrode and oxygen at the bottom of the oxygen electrode. Thus, the system can be operated regeneratively. In this case, it may be advantageous to use a coaxial helical electrode, especially in small fuel cells where a single canister assembly meets the energy demand.

図6Bを参照すると、可逆燃料電池作動の場合に用いられる螺旋電極(単数又は複数)の断面が示される。これは、電極114bの又は類似の螺旋バージョンの電極110bの表面対体積比、断面係数、及びカラム安定性の改善を提供する。電極114bは、螺旋を形成するのに用いられるストリップ・ストックを波形にすることによって形成されて、燃料電池作動のための酸素の送達を提供し、及び電気分解作動において酸素を環136b及び取付具118bに送達する、螺旋溝に沿ってガス152bが流れている状態の断面で例証される。同じ構成は、有機酸を二酸化炭素と水素に変換するための燃料電池及び電気分解モードの電極110bに対して良好に働き、電気分解モードにおいて、前に説明したように所望の収集又はソースポートへの豊富なガス送達を保証する。   Referring to FIG. 6B, a cross section of the spiral electrode (s) used in the case of reversible fuel cell operation is shown. This provides an improvement in the surface to volume ratio, section modulus, and column stability of electrode 114b or similar helical version of electrode 110b. Electrode 114b is formed by corrugating the strip stock used to form the helix to provide delivery of oxygen for fuel cell operation and oxygen in an electrolysis operation 136b and fixture. Illustrated with a cross-section with gas 152b flowing along the spiral groove delivering to 118b. The same configuration works well for fuel cells for converting organic acids to carbon dioxide and hydrogen and electrodes 110b in electrolysis mode, in the electrolysis mode, to the desired collection or source port as previously described. Guarantees abundant gas delivery.

別の態様において、尿素のような化合物と共に炭酸、酢酸、酪酸、及び乳酸のような有機物質の水性誘導体を水素に変換する微生物の成長及び保守を容易にすることによって、改善された電極性能が提供される。水素イオンの生産及び/又は二酸化炭素の放出のために選定された電極上で、基板電極への電気抵抗を減少させ、且つ消化プロセスによって提供される所望のフィルム物質と共に微生物及びバイオフィルムを定位置に保持するのを助ける高いアスペクト比のフィラメント又はウイスカ(whiskers)を含む有効表面積を増加させる立体的(topographical)強化でこうした電極表面を用意することによって、微生物生産性の増加が容易にされる。   In another aspect, improved electrode performance is achieved by facilitating the growth and maintenance of microorganisms that convert aqueous derivatives of organic materials such as carbonic acid, acetic acid, butyric acid, and lactic acid to hydrogen with compounds such as urea. Provided. On electrodes selected for hydrogen ion production and / or carbon dioxide release, the electrical resistance to the substrate electrode is reduced and the microorganisms and biofilms are in place with the desired film material provided by the digestion process By providing such an electrode surface with a topographical enhancement that increases the effective surface area, including high aspect ratio filaments or whiskers that help hold it, increased microbial productivity is facilitated.

理論に制限されることなく、立体的処理又は強化のような電極及び/又は分離器の特定の機能部は、所望の場所での電解質のキャビテーション又はスーパーキャビテーションを含む乱流を促進し、これが次に、その場所での核生成を促進すると考えられる。逆に、電極及び/又は分離器の特定の構成は、所望の場所、例えば電子移動点でのキャビテーション又はスーパーキャビテーションを含む乱流を抑制し、これが次に、該場所での核生成を抑制することがある。これらの機能部を含む要素は、核生成が望まれる電解槽の中のあらゆる場所で実装することができることが考慮される。そのうえ、これらの同じ機能部及び原理は、電解槽と流体的に連通するガス収集容器又はこれに類似のものに、又はそれらの間の通路又は弁との流体連通に当てはめることができる。   Without being limited by theory, certain features of electrodes and / or separators such as steric processing or enhancement promote turbulence including electrolyte cavitation or super cavitation at the desired location, which In addition, nucleation at that location is considered to be promoted. Conversely, certain configurations of electrodes and / or separators suppress turbulence, including cavitation or supercavitation at the desired location, eg, the electron transfer point, which in turn suppresses nucleation at that location. Sometimes. It is contemplated that the elements containing these functional parts can be implemented anywhere in the electrolytic cell where nucleation is desired. In addition, these same features and principles can be applied to a fluid collection communication with a gas collection vessel or the like in fluid communication with the electrolyzer or a passage or valve therebetween.

適切なフィラメント及び又はウイスカは、より効率的に二酸化炭素を放出するための増加した表面積、減少したイオン−輸送及び抵抗損、増加した微生物生産性、及びより効果的な核生成活性化を提供するために、金属又は炭素、ケイ素、若しくは炭素又は窒化ホウ素のナノ直径フィラメントのようなドープされた半導体を含む。こうしたフィラメントはまた、微生物生産性、強化された酵素及び触媒の利用効率、及び関係する有益な水素イオン生産プロセスをさらに改善するグラファイト粒を固定するのに使用されてもよい。同様に、水素イオンが電子と共に提供されて水素原子を生じ、且つ二原子水素の気泡の核をなす電極で、活性領域を増加させ且つプロセス全体に必要な電圧を減少させるためにフィラメント及びウイスカが使用されてもよい。   Appropriate filaments and / or whiskers provide increased surface area, reduced ion-transport and resistance loss, increased microbial productivity, and more effective nucleation activation to release carbon dioxide more efficiently For this purpose, it includes metals or doped semiconductors such as carbon, silicon, or carbon or boron nitride nanodiameter filaments. Such filaments may also be used to immobilize graphite grains that further improve microbial productivity, enhanced enzyme and catalyst utilization efficiency, and related beneficial hydrogen ion production processes. Similarly, at the electrode where hydrogen ions are provided with electrons to form hydrogen atoms and nucleate diatomic hydrogen bubbles, filaments and whiskers are used to increase the active region and reduce the voltage required for the entire process. May be used.

炭素ウイスカに加えて、鉄合金電極のような適切な基板上に蒸気から堆積され又はめっきから成長させられるスズ、亜鉛、ニッケル、及び耐火性金属のような金属から成長させられるフィラメントは、減少された電気抵抗及び改善されたプロセス効率を提供することが見出されている。こうしたフィラメント又はウイスカは、導電性(conducive)界面活性剤の添加、及び又はスパッタリングによって又はメタン、エタン、プロパン、及びブタンを含むアセチレン、ベンゼン、又はパラフィン系ガスのような例証となる前駆体からの炭素供与体のような物質の分解から堆積される炭素、窒化ホウ素、又は炭化ケイ素のような適切な物質での表面めっきによって、バイオフィルムの支持及びプロセスの強化により適したものにされてもよい。   In addition to carbon whiskers, filaments grown from metals such as tin, zinc, nickel, and refractory metals deposited from vapor or grown from plating on suitable substrates such as iron alloy electrodes are reduced. It has been found to provide improved electrical resistance and improved process efficiency. Such filaments or whiskers are derived from exemplary precursors such as acetylene, benzene, or paraffinic gases including the addition of conductive surfactants and / or sputtering or including methane, ethane, propane, and butane. Surface plating with a suitable material such as carbon, boron nitride, or silicon carbide deposited from decomposition of a material such as a carbon donor may make it more suitable for biofilm support and process enhancement. .

図4Bの実施形態及びその変形は、式1〜式6で要約されるように有機液体からの水素分離を含む流体解離の低密度気体誘導体の有利な分離を提供して、水素又は水素を富化された混合物の選択物をポート116bに送達し、一方、二酸化炭素又は固定窒素構成要素を含む二酸化炭素を富化された混合物をポート118bに送達することができる。幾つかの用途において、これらの電極の極性を反転させて、分離されるガスのための送達ポートを反転させることが望ましい場合がある。こうした反転は、種々の目的を達成するために長期のもの又は間欠的なものであってもよい。電極110b及び114bの螺旋ピッチ(単数又は複数)、及び各電極の共振又は課される振動周波数、並びに各電極での相対流体速度の選択に応じて、水素はポート116bに送達されてもよいが、システムはメタンと二酸化炭素とを含むように作動されてもよい。しかしながら、ポート118bに送達される二酸化炭素は、メタン及び水素よりも高い密度の他のガスを含んでもよい。内燃機関、種々のバーナ、炉、又は燃料電池のスロットルを絞られない作動を可能にするために水素とメタンとのハイブースト(Hy−Boost)混合物を提供することが望ましい用途では、ポンプ36b及びコントローラ52bによって提供されるような油圧及び電気回路制御措置で作動する図4Bの実施形態は、ポート116bで送達するために水素とメタンとの制御された比率をもつ所望の燃料混合物を生産し及び分離するオプションを容易にする。   The embodiment of FIG. 4B and variations thereof provide advantageous separation of fluid dissociated low density gas derivatives including hydrogen separation from organic liquids as summarized in Equations 1-6 to enrich hydrogen or hydrogen. The enriched mixture selection can be delivered to port 116b, while the carbon dioxide or carbon dioxide enriched mixture containing a fixed nitrogen component can be delivered to port 118b. In some applications, it may be desirable to reverse the polarity of these electrodes to reverse the delivery port for the gas being separated. Such inversion may be long-term or intermittent to achieve various objectives. Depending on the choice of the helical pitch (es) of electrodes 110b and 114b and the resonance or imposed vibration frequency of each electrode and the relative fluid velocity at each electrode, hydrogen may be delivered to port 116b. The system may be operated to include methane and carbon dioxide. However, the carbon dioxide delivered to port 118b may include other gases of higher density than methane and hydrogen. In applications where it is desirable to provide a high-boost mixture of hydrogen and methane to allow unthrottle operation of an internal combustion engine, various burners, furnaces, or fuel cells, pump 36b and The embodiment of FIG. 4B operating with hydraulic and electrical circuit control measures as provided by controller 52b produces the desired fuel mixture with a controlled ratio of hydrogen and methane for delivery at port 116b and Facilitates the option to separate.

コロイド状の炭素、ナノ構造体を含む炭素フィラメント、剥離炭素結晶、グラフェンの小板(platelet)、活性炭、ゼオライト、セラミックス、及び又は窒化ホウ素粒のような媒体を電気化学電池に加えることによって、有機供給原料の水素及び/又はメタンへの所望の変換を生じる微生物の活発な嫌気性コロニーの生産のための、思いがけないが特に有益である配置が提供される。こうした媒体は、強化された触媒生産性を提供するために種々の薬剤をドープされ又は混合されてもよい。例証すると、望ましい機能性は、ホウ素、窒素、マンガン、硫黄、ヒ素、セレン、ケイ素、テルル、及び又はリンなどにより良く似ている又はあまり似ていない電子構造を有する選択された薬剤をドープすることによって提供されてもよい。電気分解プロセスによって放出されたガスによって誘起される循環は、より効率的な電荷電流の利用のために、こうした媒体の有利な場所及び密度へのソーティングを促進することができる。   By adding media such as colloidal carbon, carbon filaments containing nanostructures, exfoliated carbon crystals, graphene platelets, activated carbon, zeolites, ceramics, or boron nitride grains to an electrochemical cell, An unexpected but particularly beneficial arrangement is provided for the production of active anaerobic colonies of microorganisms that produce the desired conversion of feedstock to hydrogen and / or methane. Such media may be doped or mixed with various agents to provide enhanced catalyst productivity. Illustratively, the desired functionality is to dope selected agents with electronic structures that are more or less similar to boron, nitrogen, manganese, sulfur, arsenic, selenium, silicon, tellurium, and / or phosphorus, etc. May be provided by. Circulation induced by the gas released by the electrolysis process can facilitate sorting of such media to advantageous locations and densities for more efficient charge current utilization.

特定の理論に限定されるものではないが、こうした相乗的な結果は、結果として生じるバイオフィルム及び反応ゾーンへの酵素、水素、メタン、又は二酸化炭素の有利な吸着と共に、重要な場所での増加した表面積と、核生成プロセスを強化する及び又は電子又は水素イオンを伝導するストリンガ、領域、又はフィラメントの開発に関係すると仮定される。微生物は、行われる作動において効率よく使用される場所及び本明細書で開示される種々の実施形態において生じる流路への循環のためにインキュベートされることも示される。   While not being limited to a particular theory, these synergistic results increase with significant adsorption along with the advantageous adsorption of enzymes, hydrogen, methane, or carbon dioxide to the resulting biofilm and reaction zone. It is hypothesized that it relates to the development of stringers, regions, or filaments that enhance the nucleation process and / or conduct electrons or hydrogen ions. It is also shown that the microorganism is incubated for circulation to the flow path that occurs in the various embodiments disclosed herein, where it is used efficiently in the operation performed.

炭素、グラファイト、種々の金属炭化物、及び炭化ケイ素、並びに性能を触媒作用で強化する他の無機物質及び粒子のようなウイスカ及びフィラメントに加えて、微生物プロセスを支援するために所望の栄養素又は触媒を与える活性化された物質及び粒子を使用することが有益である。例証すると、ポリマー、セラミックス、又は活性炭の多孔質基体及び/又は剥離基体は、コ−テトラメトキシフェニルポルフィリン(CoTMPP)又はポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)のような導電性有機触媒を吸着してもよく、及び又は酵素を含む他の触媒物質、並びに付加的な酵素を含む触媒物質を組み入れ及び与えるのに使用されてもよいグラフトポリマーを都合良く配向し及び与えてもよい。   In addition to whiskers and filaments, such as carbon, graphite, various metal carbides, and silicon carbide, and other inorganic materials and particles that catalyze performance, the desired nutrients or catalysts to support microbial processes It is beneficial to use activated materials and particles that provide. Illustratively, polymer, ceramic, or activated carbon porous and / or release substrates are conductive organics such as co-tetramethoxyphenylporphyrin (CoTMPP) or poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). The catalyst may be adsorbed and / or other catalyst materials containing enzymes, as well as graft polymers that may be used to incorporate and provide catalyst materials containing additional enzymes, may be conveniently oriented and provided. .

適切な物質又はグラフトポリマーは、白金及び他の高価な触媒及び導体を最小にし又はこれと置き換えるために、従来の、デンドリマー、ファイバ形態、及び他の有機機能性材料のものを含んでもよい。こうした置換え物質及びそれらの利用は、本明細書で開示される幾つかの実施形態から結果として得られる流体循環に関する混合物又は段階的な場所を含む。様々に特化された導電構造体及び又は触媒構造体は、電極4b、8b、110b、又は114bに成長させられ又は取り付けられ、及び/又は炭素フェルト又は編まれた構造体に重ね合わされ、又は発達中のバイオフィルムの中に分散されてもよい、針状堆積物及びファイバを含む。例証すると、導電機能性及び/又は触媒機能性は、ヒドロゲナーゼ及び他の酵素、CoTMPP、及び又はポリ(3、4−エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)のような他の触媒を保持し及び与えるフィラメントによって、100よりも大きいアスペクト比をもち且つ電荷伝導性に対する低い抵抗を提供する自己組織化した細い直径のナノファイバとして水性界面活性剤溶液から合成されるファイバとして提供されてもよい。陰イオン系界面活性剤のドデシル硫酸ナトリウム(SDS)を含む水性溶液中での合成は、SDSの濃度を変えることによって種々の構成を生じ、且つさらに、FeCl3を添加することによって重合構造体を生じるように適合することができる。(例示的な手順は、Moon Gyu Han et al.、Facile Synthesis of Poly(3,4−ethylenedioxythiophene)(PEDOT)Nanofibers from an Aqueous Surfactant Solution、Small2、No.10、pp.1164〜69(2006)で説明され、参照により本明細書に組み込まれる)。他の例は、セルロースナノファイバから導出されるナノコンポジットの形態の機能性触媒及びマイクロ導体、並びに第4級アンモニウム側鎖をもつポリアニリン(PANI)及びポリ(p−フェニレンエチニレン)(PPE)誘導体を含む半導電性共役ポリマーを含む。陰イオンの表面電荷をもつセルロース、炭素、又はセラミック・ウイスカは、正に帯電した共役ポリマーと組み合わせて、蟻酸のような極性溶媒から溶液キャストすることができる安定な分散を形成することができる。   Suitable materials or graft polymers may include those of conventional dendrimers, fiber forms, and other organic functional materials to minimize or replace platinum and other expensive catalysts and conductors. Such replacement materials and their use include mixtures or staged locations for fluid circulation resulting from some embodiments disclosed herein. Various specialized conductive and / or catalytic structures are grown or attached to the electrodes 4b, 8b, 110b, or 114b and / or superimposed or developed on carbon felt or knitted structures Includes acicular deposits and fibers that may be dispersed within the biofilm therein. Illustratively, the conductive and / or catalytic functionality is a filament that retains and provides hydrogenase and other enzymes, CoTMPP, and / or other catalysts such as poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). May be provided as a fiber synthesized from an aqueous surfactant solution as a self-assembled narrow diameter nanofiber having an aspect ratio greater than 100 and providing low resistance to charge conductivity. Synthesis in an aqueous solution containing the anionic surfactant sodium dodecyl sulfate (SDS) results in various configurations by varying the concentration of SDS, and also produces a polymerized structure by adding FeCl3. Can be adapted. (Exemplary procedures are: Moon Gyu Han et al., Face Synthesis of Poly (3,4-ethylenediothiophene) (PEDOT) Nanofibres from an Aqueous Surfactant. Described and incorporated herein by reference). Other examples are functional catalysts and microconductors in the form of nanocomposites derived from cellulose nanofibers, and polyaniline (PANI) and poly (p-phenyleneethynylene) (PPE) derivatives with quaternary ammonium side chains Including a semiconductive conjugated polymer. Cellulose, carbon, or ceramic whiskers with an anionic surface charge can be combined with a positively charged conjugated polymer to form a stable dispersion that can be solution cast from a polar solvent such as formic acid.

調製物は、有機金属アルコキシド、金属アルキルのグラフトポリマー及びエンドキャップ、並びに酢酸及びCOOH末端基を含有するポリマー触媒の触媒的恩恵の適用を含む。特別な官能性及び二官能末端基は、末端基の混合物と共に、触媒機能、反応性安定剤、グラフト化(grafting)剤、及び分散重合のプロモータを含む多官能性の特徴を生じるように選択されてもよい。同様に、嫌気性微生物によって産生される水素及び又は酵素による炭素又は他の基体の特化された活性化は、局所的に水素リッチな環境を提供してメタンの生産を強化し又は低下させ、及び種々の有機物質からの付加的な水素の生産を強化する。   The preparation includes the application of the catalytic benefits of organometallic alkoxides, metal alkyl graft polymers and end caps, and polymer catalysts containing acetic acid and COOH end groups. Special functional and bifunctional end groups are selected to produce multi-functional features including catalytic functions, reactive stabilizers, grafting agents, and dispersion polymerization promoters, along with a mixture of end groups. May be. Similarly, specialized activation of carbon or other substrates by hydrogen and / or enzymes produced by anaerobic microorganisms provides a locally hydrogen-rich environment to enhance or reduce methane production, And enhance the production of additional hydrogen from various organic materials.

図1B〜図3Bを参照すると、随意的に、炭素フィラメントの1つ又は複数の補足的フェルト及び又は編まれたスクリーンを円筒形構成要素8b、10b、11b、110b、及び/又は114bの外面及び内面に提供することが有利な場合がある。こうした補足的フェルト及び又は編まれたスクリーンは、電極4b、8b、110b、及び又は114b、及び又は分離器10b又は11bと併せて電子を相応に捕集し又は分配し、且つ粒、フィラメント、及び又は他の構造体を固定し又は優先的に配置するのを助けて、圧力損失を減少させ、又は液体の流れをより均等に分配し、且つ所望のエネルギー変換作動における微生物の機能を容易にしてもよい。   1B-3B, optionally, one or more supplemental felts and / or knitted screens of carbon filaments are attached to the outer surface of the cylindrical components 8b, 10b, 11b, 110b, and / or 114b and It may be advantageous to provide it on the inner surface. Such supplemental felt and / or knitted screens, in conjunction with the electrodes 4b, 8b, 110b, and / or 114b, and / or the separator 10b or 11b, appropriately collect or distribute electrons, and particles, filaments, and Or help fix or preferentially place other structures to reduce pressure loss or more evenly distribute liquid flow and facilitate microbial function in desired energy conversion operations Also good.

水素と二酸化炭素の正味生産を提供する補足的な且つ競合する反応及びプロセスのうちの種々のプロセスステップが式8で要約される。
炭素+2H2O→CO2+4H++4電子 式8
Various process steps of complementary and competing reactions and processes that provide net production of hydrogen and carbon dioxide are summarized in Equation 8.
Carbon + 2H 2 O → CO 2 + 4H + +4 electrons Formula 8

嫌気性消化装置又は電解槽からの液体と混合される成分又は炭素質の物質として又は種々の製造成果の結果として供給されてもよい炭素を含む炭素は、式8で要約されるように消費される。例証すると、炭素は、電極、タンクのライナを含む電極上の電極コーティング、又は粒子、又はフィラメント、又は凝集剤、又は熱解離及び反応プロセスによる選択されたカーバイドを生産するための研削、機械加工、電気−放電−機械加工(EDM)、及び種々の熱化学作動からの、有機物質の種々の度合いの脱水素化の成果としてのコロイド状の又は他の懸濁液を含む、スクラップを含んでもよい。   Carbon, including carbon that may be supplied as a component or carbonaceous material mixed with liquid from an anaerobic digester or electrolyzer or as a result of various manufacturing outcomes, is consumed as summarized in Equation 8. The Illustratively, the carbon can be ground, machined to produce electrodes, electrode coatings on electrodes including tank liners, or particles, or filaments, or flocculants, or selected carbides by thermal dissociation and reaction processes, May include scrap, including colloidal or other suspensions as a result of various degrees of dehydrogenation of organic materials from electro-discharge-machining (EDM) and various thermochemical operations .

こうした炭素及び/又は炭素−供与体供給原料は、供給される液体から二酸化炭素及び他の栄養素を受け取る細菌、植物プランクトン、又はより大きい藻類によって、又は水耕及び又は土壌栽培植物への二酸化炭素の循環によって、再生可能に供給されてもよい。高い表面対体積比をもつこうした形態の炭素を使用すること、及び示される反応を駆動する目的で、及び水素の気泡を生産し、核生成し、及び放出するためのフィラメント及び導電性フィルタ物質のような補足的な導電性媒体を含む電極表面に水素イオンを送達して総合水素生産率を増加させるために、それらが送達されるゾーンに電圧勾配を提供することが有利である。   These carbon and / or carbon-donor feedstocks are supplied by bacteria, phytoplankton, or larger algae that receive carbon dioxide and other nutrients from the supplied liquid, or to hydroponic and / or soil-grown plants. It may be reproducibly supplied by circulation. Using these forms of carbon with a high surface-to-volume ratio, and for the purpose of driving the reaction shown and for the production of filaments and conductive filter materials for producing, nucleating and releasing hydrogen bubbles In order to deliver hydrogen ions to an electrode surface containing such a supplemental conductive medium to increase the overall hydrogen production rate, it is advantageous to provide a voltage gradient in the zone where they are delivered.

作用面を増加させるため適切な措置及び又は凝集剤は、種々の形態のコロイド状の炭素、活性炭、及びカーバイドと共に、細菌、タンパク質、単糖類及び多糖類、セルロース、熱により解離されるセルロース、生きている及び解離される植物プランクトンのような有機成分を伴うものを含む。例証すると、植物プランクトン及び又はより大きい藻類は、成長させられ、乾燥され、コーンシロップのようなバインダと混合され、熱により種々の程度に脱水素化され、ミルされて、細粒の凝集剤を提供してもよい。代替的に、活性炭供給原料は、酵素受取体又は綿状媒体として使用される細粒の粒子を提供するためにミルされてもよく、又はこれは、酵素の所望の生産又は効率を強化するため、所望の微生物のインキュベーションをサポートするため、又は水素又はメタンの生産及び又は炭素の消費を増加させて式8によって示されるように電気分解のための水素イオンを生産するために、前に開示された物質と併せて用いられてもよい。   Appropriate measures and / or flocculants to increase the working surface, along with various forms of colloidal carbon, activated carbon and carbide, bacteria, proteins, mono- and polysaccharides, cellulose, cellulose that is dissociated by heat, living Including those with organic components such as phytoplankton being released and dissociated. Illustratively, phytoplankton and / or larger algae are grown, dried, mixed with a binder, such as corn syrup, dehydrogenated to various degrees with heat, milled to produce fine flocculants. May be provided. Alternatively, the activated carbon feedstock may be milled to provide fine particles for use as an enzyme receiver or flocculent medium, or to enhance the desired production or efficiency of the enzyme. In order to support the incubation of the desired microorganism, or to increase the production of hydrogen or methane and / or the consumption of carbon to produce hydrogen ions for electrolysis as shown by Equation 8 above. May be used in combination with other substances.

必要であれば、塩水又は水ベースの電解質への少量の塩の添加の時折の使用は、示される電解槽システムを迅速に消毒するため又はその害になる汚れを防ぐために塩素を生じることができる。幾つかの実施形態、例えば図5Bの利用は、廃水、商業プロセス水、木灰水、海水、フライアッシュ水、運河及び排水溝の水、又は嫌気性消化装置の液体のような電解質を使用するときであっても、結果として得られるシステムが本質的に害になる汚れのないものとなることを可能にする。さらに、こうしたシステムは、取付具118bから138bに電解質又は洗浄水を逆流させて、電極に送達されている場合がある粒子を取り除くことによって、必要な場合に迅速に浄化することができる。   If necessary, occasional use of the addition of small amounts of salt to salt water or water-based electrolytes can produce chlorine to quickly disinfect the cell system shown or to prevent its detrimental soiling. . In some embodiments, for example, the use of FIG. 5B, when using an electrolyte such as waste water, commercial process water, wood ash water, sea water, fly ash water, canal and drainage water, or anaerobic digester liquid Even so, it allows the resulting system to be free of dirt that is inherently harmful. In addition, such a system can be quickly cleaned if necessary by reversing electrolyte or wash water from fittings 118b to 138b to remove particles that may have been delivered to the electrodes.

幾つかの実施形態の用途は、ナノサイズの電解槽への大きな共同体の廃棄物処理作業を含み、そこから水素及び/又はメタン及び又は二酸化炭素及び他の植物栄養素の生産のための有機物質を含有する溶液又は「液体」が供給される従来の廃棄物消化装置への改善を含む。この能力において、幾つかの実施形態は、嫌気性消化装置によって生産される副産物の迅速且つ効率的な変換を提供し、水素イオンを水素に変換し、メタン生産作動の酸劣化を克服することができる。作動時には、嫌気性消化装置からの液体を使用して、水素と二酸化炭素を生産して、メタン生産システムを妨害する場合があるより酸性の条件の代わりに7.0付近のpHの有益な回復及び又はメンテナンスを提供する。これは、消化装置の中のpHを調整するために化学薬品を添加する高価な措置に対する要件を克服するので、増加した総合エネルギー変換効率を可能にする。このような媒体及び大規模な用途では、強化された性能のための様々に活性化された条件でこうした物質を含む炭素、窒化ホウ素、ゼオライト、ポリマー、及びセラミックスのような粒の所望の保持を提供してもよい電子分配回路を含む多機能性構成要素を設計し及び工学的に操作することが有益である。   Applications of some embodiments include large community waste disposal operations into nano-sized electrolyzers from which organic materials for the production of hydrogen and / or methane and / or carbon dioxide and other phytonutrients Includes improvements to conventional waste digesters where the contained solution or “liquid” is supplied. In this capacity, some embodiments provide rapid and efficient conversion of by-products produced by anaerobic digesters, convert hydrogen ions to hydrogen, and overcome acid degradation in methane production operations. it can. In operation, the liquid from the anaerobic digester is used to produce hydrogen and carbon dioxide, beneficial recovery of pH around 7.0 instead of more acidic conditions that may interfere with the methane production system And / or provide maintenance. This allows for increased overall energy conversion efficiency as it overcomes the requirement for expensive measures of adding chemicals to adjust the pH in the digester. In such media and large scale applications, desired retention of grains such as carbon, boron nitride, zeolites, polymers, and ceramics containing such materials in various activated conditions for enhanced performance is achieved. It would be beneficial to design and engineer a multifunctional component that includes an electronic distribution circuit that may be provided.

別の態様において、本明細書で開示されるような電解槽は、屠殺場、搾乳場、養鶏場、及び他の動物飼料センター又はこれに類似の場所からの廃棄物と共に、都市廃水及び埋立地での用途を含む、嫌気性消化によって典型的に生じる酸の迅速な変換を提供するために適用されてもよい。メタンの生産は、嫌気性条件によって生産される酸がpHを7よりもはるかに低く下げる場合に遅くされ又は抑制される。こうした酸は、有機物質の供給率が微生物のメタン生成コロニーの能力を上回る場合に生成することができる。こうした酸から水素を抽出することによって、嫌気性消化による有機物質処理率を増加させることができる。メタンと水素の組合せは、廃棄物1トンにつきはるかに大きい正味エネルギー生産を提供し、廃棄物は、より速く処理されてプロセスの能力を増加させる。   In another aspect, an electrolyzer as disclosed herein can be used with municipal wastewater and landfills, along with waste from slaughterhouses, milking farms, poultry farms, and other animal feed centers or similar locations. May be applied to provide rapid conversion of acids typically produced by anaerobic digestion, including use in Methane production is slowed or suppressed when the acid produced by anaerobic conditions lowers the pH much below 7. Such acids can be produced when the organic feed rate exceeds the capacity of the microbial methanogenic colony. By extracting hydrogen from these acids, the organic substance treatment rate by anaerobic digestion can be increased. The combination of methane and hydrogen provides a much greater net energy production per ton of waste, which is processed faster and increases the capacity of the process.

幾つかの実施形態のうちの特に有用な実施形態は、式1〜式6で要約される嫌気性電解(electro)−消化プロセスで、加水分解された生ごみ、農場廃棄物、及び森林の木くずと共に、汚水のような有機物質を使用して、最小限の酸素生産を伴って又は酸素生産なしに水素を生産する、廃棄物からエネルギーへの用途におけるものである。堅牢な構成及び再循環作動は、電解質として使用される嫌気性プロセス液体中の有機固体及び粒子を含む溶解される固体に対する大きな許容誤差を可能にする。水の電気分解によって放出されるであろう酸素の相応の放出を伴わない水素の生産は、廃棄物により生じる水素の電気発電機のような電気機器における冷却ガスとしての利用に対するより高い効率及び安全性を容易にする。   Among the several embodiments, a particularly useful embodiment is an anaerobic electro-digestion process summarized in Equations 1-6, hydrolyzed garbage, farm waste, and forest debris. At the same time, in waste-to-energy applications using organic materials such as sewage to produce hydrogen with or without minimal oxygen production. The robust construction and recirculation operation allows large tolerances for dissolved solids including organic solids and particles in anaerobic process liquids used as electrolytes. Production of hydrogen without a corresponding release of oxygen that would be released by water electrolysis is more efficient and safer for use as a cooling gas in electrical equipment such as electric generators of hydrogen produced by waste Facilitate sex.

本明細書で開示される幾つかの実施形態の別の用途において、図7Bに示すような電解槽システム900bは、インキュベータの目的でより速い又はより完全な処理、消化及び/又は支持を可能にするために、調整器950bにおける酵素、機械的作用、熱、音響、電気、圧力及び/又は化学的作用及びプロセスによるバイオマスの組織及び/又は細胞の破壊を提供する。調整器950bからのこうした破壊された細胞と変換器902bによって生産される関係する供給原料を含む流体は、図示のようにベース910bの環状分配器922bを通して電解槽914bに循環される。嫌気性微生物は、図示のように媒体940b及び942bによって支持され、導管910bを通して水素分離器904bから再循環される液体と導管908bを通して二酸化炭素分離器906bから再循環される液体とを受け入れる。電極918b及び/又は媒体942bは水素を放出し、電極916b及び/又は媒体940bは二酸化炭素を放出する。形成される絶縁フィルムを克服するために化合物解離要件及び増加した電圧に対する時折のニーズに応じて0.1から約3VDCまでの範囲であってもよいソース924bによって回路926bを通して電極916b及び918bに電動バイアスが提供される。水素は、図示のように所望の直列/並列のバリエーションに応じて導電面であってもよい又は絶縁体930bによって収容され及び支持される、より多い又はより少ない円錐形表面925bに沿って移動することによって、収集及び送達のために分離器904bに送られる。   In another application of some of the embodiments disclosed herein, an electrolyzer system 900b as shown in FIG. 7B allows for faster or more complete processing, digestion and / or support for incubator purposes. In order to do this, it provides destruction of biomass tissue and / or cells by enzymes, mechanical action, heat, acoustics, electricity, pressure and / or chemical action and processes in the regulator 950b. The fluid containing these broken cells from the regulator 950b and the associated feedstock produced by the transducer 902b is circulated to the electrolytic cell 914b through the annular distributor 922b of the base 910b as shown. Anaerobic microorganisms are supported by media 940b and 942b as shown and accept liquid recycled from hydrogen separator 904b through conduit 910b and liquid recycled from carbon dioxide separator 906b through conduit 908b. Electrode 918b and / or medium 942b release hydrogen, and electrode 916b and / or medium 940b release carbon dioxide. Motorized electrodes 916b and 918b through circuit 926b by source 924b, which may range from 0.1 to about 3 VDC depending on compound dissociation requirements and occasional needs for increased voltage to overcome the insulating film formed A bias is provided. The hydrogen moves along more or less conical surface 925b, which may be a conductive surface or accommodated and supported by insulator 930b depending on the desired series / parallel variation as shown. To the separator 904b for collection and delivery.

作動時には、液体は、分配器環922bの中で混ぜられ、上方に移動して、こうした粒を電極916b及び又は918bの近傍で包み及び実質的に保持する活性炭布及び/又は粒940b及び942b及び又は導電性フェルトの中に宿っている微生物にプロセス反応物及び栄養素を提供する。電解槽システムの全体にわたる場所に入り込んで、前に開示されたものを含む電荷伝導性、酵素、及び触媒機能を強化するために、より小さい粒子及びフィラメントが加えられてもよい。分離器902bは、逆浸透膜、若しくは陽イオン又は陰イオン交換膜であってもよく、又はこれは、図2B、図3B、図4B、又は図5Bに示される実施形態に従って構築されてもよく、幾つかの場合には、こうした分離器は、種々の液体循環経路を提供するのに望まれる場合に、及び/又は水素と二酸化炭素を異なる圧力で又は水素と二酸化炭素との間に圧力差をもって生産するために、互いに併せて用いられてもよい。   In operation, the liquid is mixed in the distributor ring 922b and moves upward to wrap and substantially hold these grains in the vicinity of the electrodes 916b and / or 918b and / or grains 940b and 942b and Or provide process reactants and nutrients to microorganisms residing in conductive felt. Smaller particles and filaments may be added to penetrate throughout the electrolyzer system and enhance charge conductivity, enzymes, and catalytic functions, including those previously disclosed. Separator 902b may be a reverse osmosis membrane, or a cation or anion exchange membrane, or it may be constructed according to the embodiment shown in FIG. 2B, FIG. 3B, FIG. 4B, or FIG. 5B. In some cases, such separators can be used to provide various liquid circulation paths and / or pressure differences between hydrogen and carbon dioxide at different pressures or between hydrogen and carbon dioxide. May be used in conjunction with each other to produce

同様に、図示のように電極916bが隣接するフェルト及び又は媒体940bと共に電子源として作動して、ガス生産リフトの作用によって、対流性の流れ、又はポンプ送達によって循環される液体から送達されるイオンから水素を生産する場合に、多くの循環オプションが利用可能である。このオプションにおいて、二酸化炭素は、図示のように、水素イオンが、902b及び950bから送達される酸から生産される又は電極918bによって電極916bとは反対になるように電気的にバイアスされる繊維性又は粒状媒体942b及び関連するフェルト材料の中に宿る微生物によって生産される際に放出される。別の例示的なオプションは、図示のように、電子が電極918bによって供給されて、ガス収集器904bへの送達のために絶縁体930bによって収集される水素を生産する場合の結果である。この場合、電極916bと、これと電気的に関連する媒体は、図示のように、二酸化炭素が放出されて二酸化炭素が絶縁体930bを通過して収集器906bに送達される際の示される流体回路でのポンピングを提供する場合の電子収集器である。   Similarly, as shown, an electrode 916b operates as an electron source with an adjacent felt and / or medium 940b and is delivered from a liquid circulated by convective flow or pump delivery by the action of a gas production lift. Many circulation options are available when producing hydrogen from coal. In this option, the carbon dioxide is fibrous as shown, which is electrically biased so that hydrogen ions are produced from the acid delivered from 902b and 950b or opposite electrode 916b by electrode 918b. Or released when produced by microorganisms that reside in the particulate media 942b and associated felt material. Another exemplary option is the result when electrons are supplied by electrode 918b to produce hydrogen collected by insulator 930b for delivery to gas collector 904b, as shown. In this case, electrode 916b and the electrically associated medium are shown as fluid as carbon dioxide is released and carbon dioxide passes through insulator 930b and is delivered to collector 906b as shown. An electron collector for providing pumping in a circuit.

図7Bを参照すると、システム900bは、メタン、水素、及び/又は二酸化炭素への光合成によって、及び/又は微生物によって生産されるような有機供給原料を変換するために用いることができる。宿る微生物に応じて、尿素のような化合物と共に酢酸及び酪酸のような酸を典型的に含む液体が電解槽914bの中で解離される。電解槽914bは、こうした化合物と酸から水素を生産するのに十分な電圧で電流を提供し、消化装置及び電解槽としての作動を提供してもよく、又は嫌気性消化装置(図示せず)内で作動されてもよく、又は図示のように914bの中で嫌気性消化によって生産される液体を使用してもよい。こうした作動は、炭素強化された耐久性のある物品を製造するために共同体に燃料及び供給原料を供給する目的で共同体及び又は工業パークからの有機廃棄物を変換するために特に有用である。   Referring to FIG. 7B, the system 900b can be used to convert organic feedstock, such as produced by photosynthesis to methane, hydrogen, and / or carbon dioxide, and / or by microorganisms. Depending on the dwelling microorganism, a liquid typically containing an acid such as acetic acid and butyric acid along with a compound such as urea is dissociated in the electrolyzer 914b. The electrolyzer 914b provides current at a voltage sufficient to produce hydrogen from such compounds and acids, and may provide operation as a digester and an electrolyzer, or an anaerobic digester (not shown). The liquid produced by anaerobic digestion in 914b may be used as shown. Such operations are particularly useful for converting organic waste from communities and / or industrial parks for the purpose of supplying the community with fuel and feedstock to produce carbon-reinforced durable articles.

図8Bを参照すると、別の態様において、本明細書で開示されるものを含む、電解槽で利用するための1つ又は複数の導電電極の配置が、電解槽の単極又は二極構成要素として電気的に接続されてもよい平板(図示せず)又は図示のように同軸電極1002b、1003b、1004b、又は1005bを含むものとして示される。こうした導電性電極のうちの幾つか又はすべては、離間されたグラフェン又は他の厚さの層(例えば、炭素及び/又はBN「フィルタ」)などの高い表面対体積の材料として広大な表面を提供する。これは、カソード表面で水素の生産のための電子及びプロトンを放出するために揮発性脂肪酸を含む種々の有機物質を分解する微生物を宿す目的で働き、上記の実施形態のいずれかと共に用いるために実装することができる。   Referring to FIG. 8B, in another aspect, the arrangement of one or more conductive electrodes for use in an electrolytic cell, including those disclosed herein, is a monopolar or bipolar component of the electrolytic cell. As shown as including a flat plate (not shown) that may be electrically connected, or as shown, including coaxial electrodes 1002b, 1003b, 1004b, or 1005b. Some or all of these conductive electrodes provide a vast surface as a high surface to volume material such as spaced graphene or other thickness layers (eg, carbon and / or BN “filters”) To do. This works for the purpose of harboring microorganisms that degrade various organic substances including volatile fatty acids to release electrons and protons for the production of hydrogen at the cathode surface and for use with any of the above embodiments. Can be implemented.

別の態様において、微生物が産生して揮発性脂肪酸及び種々の他の有機物質を分解する本質的な酵素が、電極1002b、1004b、1006b、1008bを備える高い表面対体積の材料の中に組み入れられる活性炭又はポリマー粒子又はフィラメントに加えられる。代替的に、本明細書で説明される任意の微生物、酵素、又はプロモータを前記表面の中に組み入れることができる。こうした酵素又は他の材料又はプロモータが枯渇し、劣化し、又は破壊される際に、補足的な量のこうした酵素、材料、又はプロモータが必要に応じて加えられてもよい。このシステムは、微生物が分離される場所で生育するが図示のように電解槽の作動で使用されることになるこうした酵素を提供できるようにすることを含む、プロモータの最適化を可能にする。   In another embodiment, essential enzymes produced by microorganisms to degrade volatile fatty acids and various other organic substances are incorporated into high surface-to-volume materials comprising electrodes 1002b, 1004b, 1006b, 1008b. Added to activated carbon or polymer particles or filaments. Alternatively, any microorganism, enzyme, or promoter described herein can be incorporated into the surface. As such enzymes or other materials or promoters are depleted, degraded, or destroyed, supplemental amounts of such enzymes, materials, or promoters may be added as needed. This system allows for optimization of the promoter, including allowing such enzymes to grow where the microorganisms are separated but to be used in the operation of the electrolyzer as shown.

別の実施形態において、本質的な酵素、微生物、又はプロモータは、複製又は様々に変更された「デザイナー酵素」として人工的に生産され、これはセルロース又はリグノセルロースのような適切な天然ポリマーに又は種々の工場生産されるポリマー又は化合物にグラフトされる。   In another embodiment, the essential enzyme, microbe, or promoter is artificially produced as a “designer enzyme” that is replicated or variously modified, either in a suitable natural polymer such as cellulose or lignocellulose or Grafted into various factory-produced polymers or compounds.

微生物の生きているコロニー、又は微生物の生きているコロニーから伝達される酵素、又は工場で複製される又は様々に変更されたデザイナー酵素を宿す、維持される酵素システムにおいて、電解槽の中の電解質の電気抵抗を最小にすることが望ましい。これは、水素が所望の高い圧力で生産される際に消費される種々の酸及び尿素のような他の物質と共に酢酸に関して式9で一般に示されるようなプロセスを容易にし、これはまた、本明細書で開示されるあらゆる実施形態で実施することができる。
CH3COOH+2H2O=2CO2+4H2 式9
Electrolyte in an electrolytic cell in a living colony of microorganisms, or an enzyme system that is maintained by an enzyme transmitted from a living colony of microorganisms or a designer enzyme that is replicated or variously modified in a factory It is desirable to minimize the electrical resistance. This facilitates the process as generally shown in Equation 9 for acetic acid along with various acids and other materials such as urea that are consumed when hydrogen is produced at the desired high pressure, which also It can be implemented in any embodiment disclosed in the specification.
CH3COOH + 2H2O = 2CO2 + 4H2 Formula 9

別の態様において、化学的に活性の物質を検出し、及びこうした物質又は酵素の存在、能力、及び実行可能性を識別するためのシステムを、化学的に活性の栄養素の量を含む作動条件及び維持される酵素システムの作動を最適化する目的のための他の作動条件を調整する適応制御システムを可能にする目的で、本実施形態と共に用いることができる。また、前記システムは、本明細書で開示される実施形態のいずれかと共に実装することができる。   In another aspect, a system for detecting chemically active substances and identifying the presence, ability, and feasibility of such substances or enzymes comprises operating conditions that include the amount of chemically active nutrients and It can be used with this embodiment for the purpose of enabling an adaptive control system that adjusts other operating conditions for the purpose of optimizing the operation of the enzyme system being maintained. Also, the system can be implemented with any of the embodiments disclosed herein.

他の実施形態又は本明細書で開示されるあらゆる実施形態の態様において、電解質の導電性を増加する目的で溶液中に溶解され又は他の方法で保持されるCO2の量を増加させるのに十分な圧力で選択された微生物及び/又は維持される酵素と共に作動することが望ましい。これは、システムの効率及び作動能力を、以下の方法を含む幾つかの方法で改善する。
1)高い圧力で生産される水素は、多段水素ガス圧縮機を作動するために資本費用、メンテナンス、又はエネルギー費を被ることなく、コンパクトな加圧された貯蔵部に送達することができる。
2)高い圧力で生産される水素は、市場に伝送するための加圧されたパイプラインに直接採り入れることができる。
3)高い圧力で生産される水素は、他の反応物を加圧して、反応できるようにする又は反応を加速するために用いることができる。例証すると、加圧された水素は、適切な反応器の中の窒素に加えて、アンモニア又は他の生成物を生じることができる。
4)電解槽の電極表面上での二酸化炭素の放出を防ぐ又は最小にするために加圧することは、電解槽の設計を大いに簡素化する。
5)加圧された電解槽又は適切なサブシステムからの高い圧力での水素の収集と別の場所での減圧後の又は別のサブシステムによる二酸化炭素の収集による水素と二酸化炭素の生産の分離
In other embodiments or aspects of any embodiment disclosed herein, to increase the amount of CO 2 dissolved or otherwise retained in solution for the purpose of increasing the conductivity of the electrolyte. It is desirable to work with selected microorganisms and / or enzymes that are maintained at sufficient pressure. This improves the efficiency and operating capability of the system in several ways, including the following:
1) Hydrogen produced at high pressure can be delivered to a compact pressurized reservoir without incurring capital, maintenance, or energy costs to operate a multi-stage hydrogen gas compressor.
2) Hydrogen produced at high pressure can be taken directly into a pressurized pipeline for transmission to the market.
3) Hydrogen produced at high pressure can be used to pressurize other reactants to allow reaction or to accelerate the reaction. To illustrate, pressurized hydrogen can generate ammonia or other products in addition to nitrogen in a suitable reactor.
4) Pressurization to prevent or minimize the release of carbon dioxide on the electrode surface of the electrolyzer greatly simplifies the electrolyzer design.
5) Separation of hydrogen and carbon dioxide production by high pressure hydrogen collection from a pressurized electrolyzer or appropriate subsystem and carbon dioxide collection after depressurization elsewhere or by another subsystem

図9Bを参照すると、適切なポンプ1114bから電解槽1102b内に加圧された電解質及び/又は適切な電解質を形成する前駆体流体を受け入れてもよい高い圧力の電解槽1102bを含むシステム1100bが示される。加圧された水素は、図示のようにタップ1106b及び1124bの端間に印加される電圧と共に、1002b、1004b、1006b、1008bなど又は1104bのように示される1つ又は複数の電極上の微生物の活動及び/又は他の方法で維持される酵素の結果として生産される。高い圧力の水素は、圧力調整器1120bによって導管1122bを通して適切な用途に送達される。   Referring to FIG. 9B, a system 1100b is shown that includes a high pressure electrolyzer 1102b that may receive pressurized electrolyte and / or precursor fluid forming a suitable electrolyte from an appropriate pump 1114b into the electrolyzer 1102b. It is. Pressurized hydrogen, together with the voltage applied across the ends of taps 1106b and 1124b as shown, is microbial on one or more electrodes shown as 1002b, 1004b, 1006b, 1008b, etc. or 1104b. Produced as a result of activity and / or enzymes maintained in other ways. The high pressure hydrogen is delivered to the appropriate application through conduit 1122b by pressure regulator 1120b.

二酸化炭素を含有する加圧された電解質は、流体モータ−発電機1126bを通して流れて、藻類のスイッチグラス、葛、又は種々の他の収穫物1132b及び/又は1134bを成長させるための水耕システム又は温室1130bのような適切な二酸化炭素の使用先に分流される際に、流れている電解質の運動エネルギーと二酸化炭素の周囲圧力への膨張を利用することによって仕事を生じる。二酸化炭素を使い尽くされた電解質は、ポンプ1114bによって3方弁1112bを通してリサイクルされる。   Pressurized electrolyte containing carbon dioxide flows through a fluid motor-generator 1126b, or a hydroponic system for growing algae switchgrass, kudzu, or various other crops 1132b and / or 1134b When diverted to an appropriate carbon dioxide usage, such as greenhouse 1130b, work is created by utilizing the kinetic energy of the flowing electrolyte and the expansion of carbon dioxide to ambient pressure. The electrolyte depleted of carbon dioxide is recycled through the three-way valve 1112b by the pump 1114b.

1130bの中で成長させられる材料を含むバイオマスは、粉砕され又は他の方法でプロセッサ1136bの中での適切な機械的処理、音響処理、化学処理、熱処理、又は放射線処理によって生じる壊れた細胞材料で構成される活性化された物質のスラリーにされる。こうした活性化された有機供給原料は、図示のようにフィルタ1110bを適切に通して3方弁1112bを通してポンプ1114bを通して圧力電解槽1102bに入れるために、アキュムレータ1108bに加えられる。   Biomass containing material grown in 1130b is crushed or otherwise broken cellular material produced by appropriate mechanical, acoustic, chemical, heat treatment, or radiation treatment in processor 1136b. A slurry of the activated material comprised is made. Such activated organic feed is added to the accumulator 1108b for proper passage through the filter 1110b as shown and through the three-way valve 1112b and through the pump 1114b into the pressure electrolyzer 1102b.

システム1100bの作動は、図示のように化学的に活性の薬剤のセンサ1140b及び1150bと共に、圧力、温度、及びpHセンサ1142b、1144b、1146bに応答してコントローラ1101bによって提供される。これは、最適化された性能に対して望まれる維持される酵素条件を提供する目的で、ポート1118bを通して矯正(corrective)物質が加えられることを可能にする。   Operation of system 1100b is provided by controller 1101b in response to pressure, temperature, and pH sensors 1142b, 1144b, 1146b, as well as chemically active agent sensors 1140b and 1150b as shown. This allows corrective material to be added through port 1118b in order to provide the desired maintained enzyme conditions for optimized performance.

別の実施形態において、適切な電極は、本明細書で開示されるように可塑的に(plastically)形成される編まれた実施形態又は螺旋形の実施形態を提供するために、四角形又は長方形又は種々の「星形」形状又は平坦なストリップのような円形又は他の断面のワイヤから形成されるシステムを含む。鉄又は他の遷移金属ベースの合金のような材料選択物が、次いで、熱処理されて、こうした飽和したゾーン、特に表面付近の成長を可能にするために付加的な熱処理によってさらに画定され又は成長させられる飽和したゾーンを含む固体溶液中の種々の量の炭素を浸炭し及び生産する。発達する炭素ゾーンは、炭化水素又は一酸化炭素のような炭素供与体がこうした表面上で分解される際に付加的な炭素の堆積を加速する。式10及び式11は、炭素供与体の生成熱に等しいか又はこれより高い量で熱処理される基体に熱を提供するこうしたプロセスの全体を示す。
CxHy+熱axC+0.5yH2 式10
CO+熱aC+0.5O2 式11
In another embodiment, suitable electrodes can be square or rectangular to provide a knitted or helical embodiment that is plastically formed as disclosed herein. Includes systems formed from round or other cross-section wires such as various “star” shapes or flat strips. Material selections such as iron or other transition metal based alloys are then heat treated and further defined or grown by additional heat treatment to allow growth near such saturated zones, particularly near the surface. Carburize and produce various amounts of carbon in solid solutions that contain saturated zones. The developing carbon zone accelerates the deposition of additional carbon as carbon donors such as hydrocarbons or carbon monoxide are decomposed on such surfaces. Equations 10 and 11 illustrate the overall of such a process that provides heat to the substrate being heat treated in an amount equal to or higher than the heat of formation of the carbon donor.
CxHy + heat axC + 0.5yH2 Formula 10
CO + heat aC + 0.5O2 Formula 11

幾つかの態様において、炭素堆積を続けて、所望の形状及び表面対体積比の非常に耐久性のある複合材を生産するために最初の飽和ゾーンでのボンディングと共に十分な深さで電極全体を効果的に被覆する炭素フィルムを生産することが望ましい。   In some embodiments, carbon deposition is continued until the entire electrode is deep enough with bonding in the first saturation zone to produce a very durable composite of the desired shape and surface to volume ratio. It is desirable to produce carbon films that effectively coat.

別の実施形態において、飽和状態に近づく炭素リッチなゾーンの最初の調製及び配向は、実施形態の高温又は低温仕事によって修正されて、炭素結晶構造の十分に一様な配向を提供し、その後の炭素堆積の顕著にエピタキシャルに影響を受ける堆積を提供する。主として縁が露出され又は元の表面に対してより平行なグラフェン層としてこのように堆積される配向される炭素は、所望の微生物プロセスの支持を提供するために競争的にテストされる。これは、「デザイナーカーボン」が所望の各種の微生物プロセスに対して選択されることを可能にする。   In another embodiment, the initial preparation and orientation of the carbon-rich zone approaching saturation is modified by the high or low temperature work of the embodiment to provide a sufficiently uniform orientation of the carbon crystal structure, followed by Provides a significantly epitaxially affected deposition of carbon deposition. Oriented carbon that is deposited in this manner as a graphene layer that is primarily exposed at the edges or more parallel to the original surface is competitively tested to provide support for the desired microbial process. This allows “designer carbon” to be selected for the various microbial processes desired.

図10Bを参照すると、別の態様において、本明細書で開示された実施形態で用いられる炭素/スチール電極の製造が開示される。これらの電極は、電解槽の改善された作動のための選択的酵素、微生物、又は他のプロモータへの取り付けのための表面処理された炭素を含むことができる。この実施形態に従って電極を製造するために、スチール又は合金鋼基体は炭素が飽和される。飽和される炭素の粒は、相Iに示すように炭素の所望の粒子配向を提供するために、例えば、誘導を通じた熱処理によって位置合わせされる。他の公知の熱処理方法が採用されてもよい。このステップの間、電極はまた、電極への損傷を防ぐ又は他の恩恵を提供するために液体冷却を受けることができる。   Referring to FIG. 10B, in another aspect, the manufacture of a carbon / steel electrode for use in the embodiments disclosed herein is disclosed. These electrodes can include surface-treated carbon for attachment to selective enzymes, microorganisms, or other promoters for improved operation of the electrolytic cell. To produce an electrode according to this embodiment, the steel or alloy steel substrate is saturated with carbon. The carbon grains to be saturated are aligned, for example, by heat treatment through induction, to provide the desired grain orientation of the carbon as shown in Phase I. Other known heat treatment methods may be employed. During this step, the electrode can also be subjected to liquid cooling to prevent damage to the electrode or to provide other benefits.

相IIに示すように、電極は、次いで、ピンチローラの使用を含む公知のプロセスを通じて形状設定される。形状設定は、所望の場合に配向される炭素粒をさらに位置合わせする、平らにする、又は修正する状態で実施することができる。   As shown in Phase II, the electrodes are then shaped through known processes including the use of pinch rollers. Shape setting can be performed with further alignment, flattening, or modification of the oriented carbon grains if desired.

相IIIに示すように、炭素は、次いで、電極の表面上に炭素が堆積される又は成長させられる蒸着を含む公知の炭素堆積技術を通じて電極上に堆積される。このステップの間、炭素は、粒子配向をさらに強化する又は電極の所望の使用に応じて電極上の選択された場所に炭素を選択的に堆積する状態で堆積する又は成長させることができる。例えば、酵素、微生物、又はプロモータは、或る場所に堆積することができ、別の酵素、微生物、又はプロモータは、酵素、微生物、及びプロモータの制御される使用のための別の場所に堆積することができる。加えて、堆積される炭素を伴う電極は、誘導又は他の手段による加熱を通じてさらに処理して、粒をさらに位置合わせする又は配向することができ、これはまた液体冷却を含むことができる。このプロセスは、所望の炭素量及び/又は粒子配向及び/又は粒子位置が達成されるまで繰返すことができる。   As shown in Phase III, the carbon is then deposited on the electrode through known carbon deposition techniques including vapor deposition in which carbon is deposited or grown on the surface of the electrode. During this step, the carbon can be deposited or grown in a manner that further enhances particle orientation or selectively deposits carbon at selected locations on the electrode depending on the desired use of the electrode. For example, an enzyme, microorganism, or promoter can be deposited at one location, and another enzyme, microorganism, or promoter can be deposited at another location for controlled use of the enzyme, microorganism, and promoter. be able to. In addition, the electrode with the deposited carbon can be further processed through heating by induction or other means to further align or orient the grains, which can also include liquid cooling. This process can be repeated until the desired carbon content and / or particle orientation and / or particle position is achieved.

相IVに示すように、表面処理が完了すると、電極は、次いで、電極の特定の用途のために選択された1つ又は複数の酵素、微生物、又はプロモータ、例えば電気分解中の水素のような所望の化合物の生産を強化する酵素に露出される。上記のステップのいずれかにおいて、方法は、電極の特定の場所を対象とすることができる。そのうえ、電極の所望の構成又は使用に応じて異なる場所で異なる酵素を配置することができる又は異なる酵素密度を実装することができるように異なる処理条件を異なる場所に適用することができる。このように、電極は、特定の酵素、微生物、又はプロモータに対する親和力を有する炭素構成を含むように、及び酵素、微生物、又はプロモータを電極に所望の場所で結合して、酵素を所望の場所で電気分解又は電極の他の作動中に用いるために恒久的に又は実質的に保持するように製造される。   As shown in Phase IV, upon completion of the surface treatment, the electrode is then subjected to one or more enzymes, microorganisms, or promoters selected for the particular application of the electrode, such as hydrogen during electrolysis. It is exposed to enzymes that enhance the production of the desired compound. In any of the above steps, the method can target a specific location of the electrode. Moreover, different processing conditions can be applied at different locations so that different enzymes can be placed at different locations or different enzyme densities can be implemented depending on the desired configuration or use of the electrodes. Thus, the electrode includes a carbon configuration that has an affinity for a particular enzyme, microorganism, or promoter, and the enzyme, microorganism, or promoter is coupled to the electrode at the desired location to place the enzyme at the desired location. Manufactured to hold permanently or substantially for use during electrolysis or other operation of the electrode.

本発明は、具体的な実施形態及び例に関して説明されているが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく本発明の修正及び適応が可能であることが当業者にはすぐに分かるであろう。したがって、本発明の範囲は以下の請求項によってのみ制限される。   Although the invention has been described with reference to specific embodiments and examples, those skilled in the art will readily appreciate that modifications and adaptations of the invention can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Let's go. Accordingly, the scope of the invention is limited only by the following claims.

Claims (36)

再生可能エネルギー源を用いてエネルギー供給を提供するための方法であって、
1の再生可能エネルギー源を提供するステップであって、前記第1の再生可能エネルギー源は、間欠的であるか又は十分な量のエネルギーを提供しない、ステップと、
電気分解によりエネルギーキャリアを生産するために、前記第1の再生可能エネルギー源から電解槽にエネルギーを提供するステップと、
料電池として用いるために前記電解槽を選択可能に逆転させるステップと、
前記エネルギーの生産のために前記電解槽に前記エネルギーキャリアを提供するステップと、
前記電解槽に前記エネルギーキャリアを提供する前に、前記エネルギーキャリアを貯蔵するステップであって、前記エネルギーキャリアを貯蔵するステップは、前記エネルギーキャリアを地層内に貯蔵するステップであって、前記地層から追加の熱を受け取るステップをさらに含み、及び前記エネルギーキャリアのエネルギー値は、エネルギーキャリア貯蔵中に前記地層から前記エネルギーキャリアに追加の熱を加えることにより、増加する、前記エネルギーキャリアを貯蔵するステップと
を含むことを特徴とする方法。
A method for providing an energy supply using a renewable energy source comprising:
The method comprising: providing a first renewable energy sources, the first renewable energy sources do not provide energy or sufficient quantity is intermittent, the steps,
To produce energy carrier by electrolysis, and providing energy to the electrolytic cell from the first renewable energy sources,
A step of the to selectably reverse the electrolytic cell for use as a fuel cell,
Providing the energy carrier to the electrolyzer for production of the energy;
Storing the energy carrier before providing the energy carrier to the electrolyzer, wherein storing the energy carrier is storing the energy carrier in a formation, from the formation. Receiving the additional heat, and storing the energy carrier, wherein the energy value of the energy carrier is increased by applying additional heat from the formation to the energy carrier during energy carrier storage; A method comprising the steps of :
前記第1の再生可能エネルギー源が太陽エネルギーであり、燃料電池として用いるために前記電解槽を逆転させる前記ステップと、前記エネルギーの生産のために前記電解槽に前記エネルギーキャリアを提供する前記ステップが、前記第1の再生可能エネルギー源が十分に入手可能でないときに実施される、請求項1に記載の方法。   The first renewable energy source is solar energy, the step of reversing the electrolytic cell for use as a fuel cell, and the step of providing the energy carrier to the electrolytic cell for production of energy; The method of claim 1, wherein the method is performed when the first renewable energy source is not sufficiently available. 前記第1の再生可能エネルギー源が、太陽、風、流水、有機、又は地熱エネルギー源からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the first renewable energy source is selected from the group consisting of solar, wind, running water, organic, or geothermal energy sources. 前記エネルギーキャリアが水素を含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the energy carrier comprises hydrogen. 前記エネルギーキャリアが炭素ベースの材料を含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the energy carrier comprises a carbon-based material. 前記エネルギーキャリアが窒素ベースの材料を含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the energy carrier comprises a nitrogen-based material. 前記エネルギーキャリアがアンモニアを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the energy carrier comprises ammonia. 前記エネルギーキャリアが炭化水素を含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the energy carrier comprises a hydrocarbon. 前記第1の再生可能エネルギー源、前記電解槽、又は前記エネルギーキャリアが、第1の熱源から補足的な熱を受け取る、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the first renewable energy source, the electrolyzer, or the energy carrier receives supplemental heat from a first heat source. 前記第1の熱源が、地熱、太陽、又は他の熱機関からなる群から選択される、請求項9に記載の方法。   The method of claim 9, wherein the first heat source is selected from the group consisting of geothermal, solar, or other heat engine. 前記第1の熱源が第2の再生可能エネルギー源を含む、請求項9に記載の方法。   The method of claim 9, wherein the first heat source comprises a second renewable energy source. 前記第2の再生可能エネルギー源が地層を含む、請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, wherein the second renewable energy source comprises a formation. 膨張から仕事を取り込むように構成された膨張装置を提供するステップであり、前記膨張装置が前記電解槽又は前記エネルギーキャリア貯蔵に結合されるステップと、
圧力の下で前記膨張装置に前記エネルギーキャリアを提供するステップと、
前記エネルギーキャリアの膨張から仕事を取り込むステップと、
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
Providing an expansion device configured to take work from expansion, wherein the expansion device is coupled to the electrolytic cell or the energy carrier storage;
Providing the energy carrier to the expansion device under pressure;
Capturing work from expansion of the energy carrier;
The method of claim 1, further comprising:
エネルギーキャリア貯蔵部が、前記エネルギーキャリアの膨張から仕事を取り込む前に前記エネルギーキャリアに熱を伝達する、請求項13に記載の方法。 The method of claim 13 , wherein an energy carrier reservoir transfers heat to the energy carrier before taking work from expansion of the energy carrier. 前記エネルギーキャリア貯蔵部が地層を含む、請求項14に記載の方法。 The method of claim 14 , wherein the energy carrier reservoir comprises a formation. 前記エネルギーキャリアのエネルギー価が前記エネルギーキャリア貯蔵中に増加する、請求項15に記載の方法。 The method of claim 15 , wherein an energy value of the energy carrier increases during the energy carrier storage. 前記地層から前記エネルギーキャリアに熱を加えることによって、前記エネルギーキャリアのエネルギー価が前記エネルギーキャリア貯蔵中に増加する、請求項15に記載の方法。 16. The method of claim 15 , wherein the energy value of the energy carrier is increased during storage of the energy carrier by applying heat to the energy carrier from the formation. 前記地層から噴出した前記エネルギーキャリアにエネルギー価を有する炭化水素又は他の化合物を加えることによって、前記エネルギーキャリアのエネルギー価が前記エネルギーキャリア貯蔵中に増加する、請求項15に記載の方法。 The method of claim 15 , wherein an energy value of the energy carrier is increased during storage of the energy carrier by adding a hydrocarbon or other compound having an energy value to the energy carrier ejected from the formation. 有機物質の電気分解のために前記電解槽に有機物質源を提供するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising providing a source of organic material to the electrolytic cell for electrolysis of organic material. 前記有機物質源がバイオマス又はバイオ廃棄物を含む、請求項19に記載の方法。 20. The method of claim 19 , wherein the organic material source comprises biomass or biowaste. 再生可能エネルギー資源を用いて実質的に連続したエネルギー供給を提供するためのシステムであって、
1の再生可能エネルギー源と
エネルギーキャリアを生産するために、前記第1の再生可能エネルギー源に結合される電解槽であって、燃前記エネルギーキャリアを用いる燃料電池として作動を選択可能に逆転できるように構成された、電解槽と、
前記電解槽から前記エネルギーキャリアを受け取る又は前記電解槽に前記エネルギーキャリアを提供するために前記電解槽に結合されるエネルギーキャリア貯蔵部であって、前記エネルギーキャリア貯蔵部は、エネルギーキャリア貯蔵中に、前記エネルギーキャリアのエネルギー値を増加させるように、前記エネルギーキャリアに熱を移し、前記エネルギーキャリアを受け取り、前記エネルギーキャリアに熱を移す地層を含む、エネルギーキャリア貯蔵部と、
前記第1の再生可能エネルギー源及び前記電解槽から選択的にエネルギーを受け取るため及び前記第1の再生可能エネルギー源及び前記電解槽から選択的にエネルギーを提供するために前記第1の再生可能エネルギー源及び前記電解槽に結合されるエネルギー貯蔵部と、
を備えるシステム。
A system for providing a substantially continuous energy supply using renewable energy resources,
A first renewable energy source ;
To produce energy carrier, a electrolytic cell coupled to the first renewable energy sources, is configured to be selectably reverse operation as a fuel cell using the energy carrier to the fuel, An electrolytic cell;
An energy carrier reservoir coupled to the electrolyzer for receiving the energy carrier from the electrolyzer or providing the energy carrier to the electrolyzer , wherein the energy carrier reservoir is during energy carrier storage; An energy carrier reservoir comprising a formation that transfers heat to the energy carrier, receives the energy carrier, and transfers heat to the energy carrier so as to increase an energy value of the energy carrier ;
The first renewable energy for selectively receiving energy from the first renewable energy source and the electrolytic cell and for selectively providing energy from the first renewable energy source and the electrolytic cell An energy storage coupled to the source and the electrolytic cell;
A system comprising:
前記第1の再生可能エネルギー源が、太陽、風、流水、有機、及び地熱エネルギー源からなる群から選択される、請求項21に記載のシステム。 The system of claim 21 , wherein the first renewable energy source is selected from the group consisting of solar, wind, running water, organic, and geothermal energy sources. 前記エネルギーキャリアが水素を含む、請求項21に記載のシステム。 The system of claim 21 , wherein the energy carrier comprises hydrogen. 前記エネルギーキャリアが炭素ベースの材料を含む、請求項21に記載のシステム。 The system of claim 21 , wherein the energy carrier comprises a carbon-based material. 前記エネルギーキャリアが炭化水素を含む、請求項21に記載のシステム。 The system of claim 21 , wherein the energy carrier comprises a hydrocarbon. 前記エネルギーキャリアが窒素ベースの材料を含む、請求項21に記載のシステム。 The system of claim 21 , wherein the energy carrier comprises a nitrogen-based material. 前記エネルギーキャリアがアンモニアを含む、請求項21に記載のシステム。 The system of claim 21 , wherein the energy carrier comprises ammonia. 前記第1の再生可能エネルギー源、前記電解槽、又は前記エネルギーキャリアのうちの少なくとも1つが、第1の熱源からの補足的な熱を受け取るように構成される、請求項21に記載のシステム。 The system of claim 21 , wherein at least one of the first renewable energy source, the electrolyzer, or the energy carrier is configured to receive supplemental heat from a first heat source. 前記第1の熱源が前記第1の再生可能エネルギー源又は前記電解槽を含む、請求項28に記載のシステム。 30. The system of claim 28 , wherein the first heat source comprises the first renewable energy source or the electrolyser. 前記第1の熱源が、地熱、太陽、又は他の熱機関からなる群から選択される、請求項28に記載のシステム。 30. The system of claim 28 , wherein the first heat source is selected from the group consisting of geothermal, solar, or other heat engine. 前記第1の熱源が第2の再生可能エネルギー源を含む、請求項28に記載のシステム。 30. The system of claim 28 , wherein the first heat source comprises a second renewable energy source. 前記エネルギーキャリアの膨張から仕事を取り込むように構成される膨張装置をさらに備え、前記膨張装置が前記電解槽又は前記エネルギーキャリア貯蔵に結合される、請求項21に記載のシステム。 The system of claim 21 , further comprising an expansion device configured to take work from expansion of the energy carrier, wherein the expansion device is coupled to the electrolytic cell or the energy carrier storage. 前記エネルギーキャリアの膨張からエネルギーを生産するように構成された膨張装置をさらに備え、前記膨張装置が前記電解槽又は前記エネルギーキャリア貯蔵に結合される、請求項21に記載のシステム。 The system of claim 21 , further comprising an expansion device configured to produce energy from expansion of the energy carrier, wherein the expansion device is coupled to the electrolytic cell or the energy carrier storage. 有機物質源をさらに備え、前記有機物質源が有機物質の電気分解のために前記電解槽に結合される、請求項21に記載のシステム。 The system of claim 21 , further comprising an organic material source, wherein the organic material source is coupled to the electrolyzer for electrolysis of organic material. 前記有機物質源がバイオマス又はバイオ廃棄物を含む、請求項34に記載のシステム。 35. The system of claim 34 , wherein the organic material source comprises biomass or biowaste. 再生可能エネルギー資源を用いて実質的に連続したエネルギー供給を提供するためのシステムであって、
1の再生可能エネルギー源と
前記第1の再生可能エネルギー源に結合され、メタンを生成する電解槽であって、前記電解槽は、燃料電池として作動を選択可能に逆転できるように構成される電解槽と、
前記電解槽から前記メタンを受け取る又は前記電解槽に前記メタンを提供するために電解槽に結合されるメタン貯蔵部であって、前記メタン貯蔵部は、メタン貯蔵中に前記メタンのエネルギー値を増加させるように、前記メタンに熱を移し、さらに前記メタン貯蔵部は、前記メタンを受け取り、前記メタンに熱を移す地層を含む、メタン貯蔵部と、
前記第1の再生可能エネルギー源及び前記電解槽から選択的にエネルギーを受け取るため及び前記第1の再生可能エネルギー源及び前記電解槽から選択的にエネルギーを提供するために前記第1の再生可能エネルギー源及び前記電解槽に結合されるエネルギー貯蔵部と、
を備えるシステム。
A system for providing a substantially continuous energy supply using renewable energy resources,
A first renewable energy source ;
Coupled to the first renewable energy sources, a electrolyzer that generates methane, the electrolyzer, electrolysis and bath configured to allow selectably reverse operation as fuel cells,
A methane reservoir coupled to an electrolytic cell for receiving the methane from the electrolytic cell or providing the methane to the electrolytic cell , wherein the methane reservoir increases an energy value of the methane during methane storage. Transferring heat to the methane, wherein the methane reservoir includes a formation that receives the methane and transfers heat to the methane , and
The first renewable energy for selectively receiving energy from the first renewable energy source and the electrolytic cell and for selectively providing energy from the first renewable energy source and the electrolytic cell An energy storage coupled to the source and the electrolytic cell;
A system comprising:
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