JP6184499B2 - 水素又は液体燃料を製造する為のｃ−ｏ−ｈ化合物処理 - Google Patents

Description

この発明は、水素又は液体燃料を製造する為のＣ−Ｏ−Ｈ化合物処理に関する。

セルロース（Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５）から水素を抽出する方法は、幾つか存在する。その方法の１つは、微生物を水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）及び触媒と共に使用して、セルロース中の水素を放出し且つセルロース中の炭素を炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）として捕獲する反応を引き起こすことに重点が置かれている。より一般的には、オンサイトでの使用の為に、精製、荷造り、及び配送の為に、又はレシプロエンジン、タービン、若しくは燃料電池を用いた反応生成物水素ガスからの発電の為に、得られる水素の効率的使用を可能にするように、セルロース系バイオマス中に見出される全てのＣ−Ｏ−Ｈ化合物から水素ガスを発生させるより単純且つ費用効果的な方法を開発する必要性が依然として残っている。

種々のセルロース系バイオマス水素抽出技術が当技術分野に存在するが、費用効果的であり、エネルギー効率的であり、且つオンデマンドでの水素の使用をはじめとする水素の使用用途並びに直接燃焼させて電力及び熱を生成可能な水素リッチガス流への変換に有用であり得る代替技術を開発する必要性が依然として一般に存在する。化石燃料ではなく効率的に発生された水素の熱用途及び電力用途は、液体バイオ燃料の製造を含めて熱又は電力を必要とする他の用途の温室効果ガス排出を低減するのに有用である。この必要性は、少なくとも部分的には、水素を利用する多種多様な用途により促進され得る。その用途の幾つかは、他のものとはかなり異なる操作要件を有する。水素をオンデマンドで生成し、それを発生させたサイトでの使用に利用できれば、つまり、その輸送の為に広範なインフラを必要としなければ、而も大気圧で且つ先行技術に存在するよりも低い温度で生成すれば、その必要性が満たされるであろう。

更に、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物の一例であるセルロースからエタノール（分子式：Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）への変換に関する広範な研究が行われてきた。エタノールは、飲料中に見出される飲用アルコールとして知られる。エタノールは、引火性溶媒であり、且つ水及び多くの有機溶媒と混和可能である。エタノールは、自動車燃料及び燃料添加剤として最も多く使用される。米国に於いて、エタノールは、最も一般的には、１０％エタノールブレンドとしてガソリンとブレンドされる。このブレンドは、米国中西部全域に渡り及び１９９０年大気浄化法（Ｃｌｅａｎ Ａｉｒ Ａｃｔ）により冬期に含酸素化合物をガソリンに配合することが義務付けられた都市で広く販売されている。米国に於いてトウモロコシから製造されるエタノールでは、投入エネルギーに対する回収エネルギーは１．３４である。このことは、それを製造するのに要するよりも３４％多くエネルギーが生成されることを意味する。

Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物から液体燃料を製造する為の種々の技術が当技術分野にこのように存在するが、代替技術を開発する必要性が依然として一般に存在する。この必要性は、少なくとも部分的には、液体燃料を利用する多種多様な用途により促進される。その用途の幾つかは、他のものとはかなり異なる操作要件を有する。

米国特許第７，１４４，８２６Ｂ２号明細書 米国特許第７，１９２，６６６Ｂ２号明細書

炭素と酸素と水素とを含む化合物（「Ｃ−Ｏ−Ｈ」）から水素及び／又は液体燃料を抽出する為の方法及びシステムを開示する。化合物は、例えば、セルロース、リグニン、及び／又はヘミセルロースを含み得る。化合物は、少なくとも１種のＣ−Ｏ−Ｈ化合物を含む廃棄物流を含み得る。水をＣ−Ｏ−Ｈ化合物と組み合わせて、湿潤形態のＣ−Ｏ−Ｈ化合物を生成し得る。湿潤形態のＣ−Ｏ−Ｈ化合物は、反応処理チャンバー内に移動され得る。湿潤形態のＣ−Ｏ−Ｈ化合物は、少なくとも水素ガス及び／又は液体燃料を含む反応生成物を伴ってＣ−Ｏ−Ｈ化合物の構成要素が解離して反応するように、反応チャンバー内で加熱され得る。幾つかの実施形態は、水熱分解反応等の非酸化反応を利用して水素及び／又は液体燃料を生成し得る。水素ガス及び／又は液体燃料は、電力や熱を発生させたり又は様々なタイプのエンジンを駆動したりする為に利用され得る。

幾つかの実施形態は、幾つかの利点を提供し得る。種々の実施形態に従ってＣ−Ｏ−Ｈ化合物から発生される水素は、大気圧を含む条件下で起こり得る反応を含み得る。又、反応温度は、生成物水素の形態要件に依存して３００℃〜１２００℃の範囲内の温度を含み得る。実施形態は又、水蒸気の形態で反応させるのではなく、水を液体形態でバイオマスと共に混合導入することを含み得るので、実施形態は、水シフト反応を含んでいなくてもよい。実施形態は又、限定されるものではないが、セルロース、リグニン、ヘミセルロース、又はこれら三者の何れかの組合せをはじめとする多種多様な材料を使用し得る。幾つかの実施形態は、Ｃ−Ｏ−Ｈを含む他の供給原料及び／又は廃棄物流、例えば、紙廃棄物、多種多様な木材タイプの鋸屑、カードボード、乾草、藁、スイッチグラス、都市固体廃棄物、衛生化廃棄物、模擬核廃棄物、解体及び建設の木材廃棄物を利用し得る。これらの種々の供給原料は、一般的には、廃棄物を意味し得る。実施形態は、Ｈ_２をＣＯ_２及び他の副生成物から分離するか又はＨ_２とＣＯ_２とを一体的に維持することにより水素を製造し、単なる例にすぎないが、燃焼させて熱、電力、ＣＨＰ、及び／又は液体燃料の製造に使用され得る。

幾つかの実施形態は、炭素と酸素と水素とを含む化合物から水素を抽出する方法を含む。方法は、水を化合物と組み合わせて湿潤形態の化合物を生成すること、湿潤形態の化合物を反応処理チャンバー内に移動すること、湿潤形態の化合物に含まれる構成要素が解離して反応するように、湿潤形態の化合物を反応チャンバー内で加熱すること、但し、１種の反応生成物は水素ガスを含む、及び／又は水素ガスを抽出すること、を含み得る。

幾つかの実施形態では、反応チャンバー内の湿潤形態の化合物は、湿潤形態の化合物に含まれる構成要素が非酸化反応により解離及び反応し得るように加熱され得る。非酸化反応は、水熱分解反応を含み得る。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、大気圧条件下で行われ得る。

化合物は、炭素と酸素と水素とから成り得る。化合物は、セルロースを含み得る。化合物は、リグニンを含み得る。化合物は、ヘミセルロースを含み得る。化合物は、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物を含む廃棄物流を含み得る。幾つかの実施形態では、水は、液体水を含む。

幾つかの実施形態では、不活性ガス流が反応チャンバーに提供される。不活性ガスは、少なくともアルゴン又は窒素を含み得る。抽出水素ガスは、少なくとも電力又は熱を発生させる為に処理され得る。抽出水素ガスは、液体燃料を製造する為に処理され得る。抽出水素ガスは、水素ガスを燃焼させることにより処理され得る。抽出水素ガスは、水素ガスを燃料電池内に供給することにより処理され得る。

水素ガスの処理は、痕跡量の未反応炭素を除去する為に反応生成物ガスを減圧チャンバーに通すことを含み得る。水素ガスの処理は、未反応水を除去する為に反応生成物ガスを水冷チャンバーに通すことを含み得る。湿潤形態の化合物の加熱は、湿潤形態の化合物を７００℃〜１１００℃の温度に加熱することを含み得る。

反応処理チャンバー内への湿潤形態の化合物の移動は、連続的に行われ得る。反応器内への湿潤形態の化合物の連続移動は、空気の存在を低減するジオメトリーを利用し得る。

幾つかの実施形態は、炭素と酸素と水素とを含む化合物から水素を抽出する為のシステムを含む。システムは、処理チャンバー、処理チャンバーの内部と熱連通状態の加熱源、処理チャンバー内に配設された化合物源、化合物と反応させる為の水源、及び／又は得られた水素ガスを処理チャンバーから抽出する為の排出システムを含み得る。

処理チャンバー及び／又は加熱源は、処理チャンバー内の湿潤形態の化合物を加熱することにより、湿潤形態の化合物に含まれる構成要素が非酸化反応により解離及び反応するように、構成され得る。非酸化反応は、水熱分解反応を含み得る。水源は、水を化合物と組み合わせて処理チャンバー外で湿潤形態の化合物を生成するように構成され得る。

システムは、湿潤形態の化合物を処理チャンバー内に搬送する為の搬送装置を含み得る。処理チャンバーは、大気圧条件下で操作するように構成され得る。

システムでは、化合物は、炭素と酸素と水素とから成り得る。化合物は、セルロースを含み得る。化合物は、リグニンを含み得る。化合物は、ヘミセルロースを含み得る。化合物は、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物を含む廃棄物流を含み得る。水は、液体水を含み得る。

システムは、不活性ガス流を処理チャンバーに提供するように構成されたガス送達システムを含み得る。不活性ガスは、少なくともアルゴン又は窒素を含み得る。抽出水素ガスは、少なくとも電力又は熱を発生させる為に処理され得る。抽出水素ガスは、液体燃料を製造する為に処理され得る。抽出水素ガスは、水素ガスを燃焼させることにより処理され得る。抽出水素ガスは、水素ガスを燃料電池内に供給することにより処理され得る。

幾つかの実施形態では、得られた水素ガスを処理チャンバーから抽出する為の排出システムは、反応生成物ガスを減圧チャンバーに通して痕跡量の未反応炭素を除去するように構成される。幾つかの実施形態では、得られた水素ガスを処理チャンバーから抽出する為の排出システムは、反応生成物ガスを水冷チャンバーに通して未反応水を除去するように構成される。

幾つかの実施形態では、少なくとも処理チャンバー又は加熱源は、湿潤形態の化合物を７００℃〜１１００℃の温度に加熱するように構成される。幾つかの実施形態は、湿潤形態の化合物を処理チャンバー内に移動すべく構成された搬送装置を含む。搬送装置は、湿潤形態の化合物を処理チャンバー内に連続移動するよう構成され得る。これは、空気の存在を低減するジオメトリーを利用し得る。

幾つかの実施形態は、更なる処理の為に水素を抽出する方法を含む。方法は、湿潤化合物に含まれる構成要素が解離して反応して少なくとも水素ガスを形成するように、湿潤化合物である炭素と酸素と水素とを含む化合物を加熱すること、及び／又は水素ガスを処理することを含み得る。

湿潤化合物に含まれる構成要素が非酸化反応により解離及び反応して少なくとも水素ガスを形成し得るように、湿潤化合物を加熱する。非酸化反応は、水熱分解反応を含み得る。水素ガスは、少なくとも電力又は熱を発生させる為に処理され得る。水素ガスは、液体燃料を製造する為に処理され得る。

幾つかの実施形態では、化合物は、炭素と酸素と水素とから成る。化合物は、セルロースを含み得る。化合物は、リグニンを含み得る。化合物は、ヘミセルロースを含み得る。化合物は、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物を含む廃棄物流を含み得る。

水素ガスの処理は、水素ガスを燃焼させることを含み得る。水素ガスの処理は、水素ガスを燃料電池内に供給することを含み得る。

或る実施形態は、湿潤化合物を加熱する前に水を炭素と酸素と水素とを含む化合物と混合することにより湿潤化合物を形成することを含み得る。

幾つかの実施形態は、更なる処理の為に水素を抽出する為のシステムを含む。システムは、湿潤化合物である炭素と酸素と水素とを含む化合物を加熱することにより、湿潤化合物に含まれる構成要素が解離して反応して少なくとも水素ガスを形成するように構成された、熱源と熱連通状態の処理チャンバー、及び／又は水素ガスを処理するように構成された排出システムを含み得る。

熱源と熱連通状態の処理チャンバーは、湿潤化合物を加熱することにより、湿潤化合物に含まれる構成要素が非酸化反応により解離及び反応して少なくとも水素ガスを形成するように、構成され得る。非酸化反応は、水熱分解反応を含み得る。

水素ガスを処理するように構成された排出システムは、少なくとも電力又は熱を発生させる為に水素ガスを処理するように構成され得る。水素ガスを処理するように構成された排出システムは、液体燃料を製造する為に水素ガスを処理するように構成され得る。

システムでは、化合物は、炭素と酸素と水素とから成り得る。化合物は、セルロースを含み得る。化合物は、リグニンを含み得る。化合物は、ヘミセルロースを含み得る。化合物は、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物を含む廃棄物流を含み得る。

水素ガスを処理するように構成された排出システムは、水素ガスを燃焼させるように構成され得る。水素ガスを処理するように構成された排出システムは、水素ガスを燃料電池内に供給するように構成され得る。

システムは、湿潤化合物を処理チャンバーに移動するように構成された搬送装置を含み得る。システムは、熱源と熱連通状態の処理チャンバーが湿潤化合物を加熱する前に、少なくとも水を化合物と混合又は組み合わせて湿潤化合物を形成するように構成されたチャンバーを含み得る。

幾つかの実施形態は、炭素と酸素と水素とを含む化合物から液体燃料を製造する方法を含む。方法は、水を化合物と組み合わせて湿潤形態の化合物を生成すること、湿潤形態の化合物を反応処理チャンバー内に移動すること、及び／又は湿潤形態の化合物に含まれる構成要素が解離して反応するように、湿潤形態の化合物を反応チャンバー内で加熱すること、を含み得る。但し、１種の反応生成物は液体燃料を含む。

湿潤形態の化合物に含まれる構成要素が非酸化反応により解離及び反応し得るように、湿潤形態の化合物を反応チャンバー内で加熱する。非酸化反応は、水熱分解反応を含み得る。

方法の幾つかの実施形態では、化合物は、炭素と酸素と水素とから成り得る。化合物は、セルロースを含み得る。化合物は、リグニンを含み得る。化合物は、ヘミセルロースを含み得る。化合物は、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物を含む廃棄物流を含み得る。

幾つかの実施形態では、液体燃料は、メタノールを含む。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋６Ｈ_２Ｏ→ＣＨ_４Ｏ＋５ＣＯ_２＋９Ｈ_２を引き起こすことを含み得る。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋５Ｈ_２Ｏ→２ＣＨ_４Ｏ＋４ＣＯ_２＋６Ｈ_２を引き起こすことを含み得る。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋４Ｈ_２Ｏ→３ＣＨ_４Ｏ＋３ＣＯ_２＋３Ｈ_２を引き起こすことを含み得る。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋３Ｈ_２Ｏ→４ＣＨ_４Ｏ＋２ＣＯ_２を引き起こすことを含み得る。

幾つかの実施形態では、液体燃料は、エタノールを含む。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋４Ｈ_２Ｏ→Ｃ_２Ｈ_６Ｏ＋４ＣＯ_２＋６Ｈ_２を引き起こすことを含み得る。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋Ｈ_２Ｏ→２Ｃ_２Ｈ_６Ｏ＋２ＣＯ_２を引き起こすことを含み得る。

幾つかの実施形態では、液体燃料は、プロパノールを含む。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋２Ｈ_２Ｏ→Ｃ_３Ｈ_８Ｏ＋３ＣＯ_２＋３Ｈ_２を引き起こすことを含む。

幾つかの実施形態では、液体燃料は、ブタノールを含む。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５→Ｃ_４Ｈ_１０Ｏ＋２ＣＯ_２を引き起こすことを含む。

幾つかの実施形態では、液体燃料は、ガソリンを含む。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋４Ｃ＋４Ｈ_２Ｏ→Ｃ_７Ｈ_１６＋２ＣＯ_２を引き起こすことを含み得る。

幾つかの実施形態では、液体燃料は、ディーゼル油を含む。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋１０Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→Ｃ_１６Ｈ_２４＋６ＣＯ_２を引き起こすことを含み得る。

方法は、他の反応生成物である水素ガスを最終生成物として抽出することを含み得る。幾つかの実施形態は、他の反応生成物である二酸化炭素ガスを最終生成物として抽出することを含む。

幾つかの実施形態は、炭素と酸素と水素とを含む化合物から液体燃料を製造する為のシステムを含む。システムは、少なくとも、処理チャンバー、処理チャンバーの内部と熱連通状態の加熱源、処理チャンバー内に配設された化合物源、化合物源を湿潤させる為の水源、又は湿潤化合物源の解離及び反応を引き起こすように加熱源を制御する為のサブシステムを含み得る。但し、１種の反応生成物は液体燃料を含む。システムは、少なくとも液体燃料又は得られたガスを処理チャンバーから抽出する為の排出システムを含み得る。

湿潤化合物源の解離及び反応を引き起こすように加熱源を制御する為のサブシステムは、非酸化反応を利用し得る。非酸化反応は、水熱分解反応を含む。

システムの幾つかの実施形態では、化合物は、炭素と酸素と水素とから成り得る。化合物は、セルロースを含み得る。化合物は、リグニンを含み得る。化合物は、ヘミセルロースを含み得る。化合物は、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物を含む廃棄物流を含み得る。

システムの幾つかの実施形態では、液体燃料は、メタノールを含む。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋６Ｈ_２Ｏ→ＣＨ_４Ｏ＋５ＣＯ_２＋９Ｈ_２を引き起こすことを含み得る。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋５Ｈ_２Ｏ→２ＣＨ_４Ｏ＋４ＣＯ_２＋６Ｈ_２を引き起こすことを含み得る。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋４Ｈ_２Ｏ→３ＣＨ_４Ｏ＋３ＣＯ_２＋３Ｈ_２を引き起こすことを含み得る。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋３Ｈ_２Ｏ→４ＣＨ_４Ｏ＋２ＣＯ_２を引き起こすことを含み得る。

システムの幾つかの実施形態では、液体燃料は、エタノールを含む。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋４Ｈ_２Ｏ→Ｃ_２Ｈ_６Ｏ＋４ＣＯ_２＋６Ｈ_２を引き起こすことを含み得る。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋Ｈ_２Ｏ→２Ｃ_２Ｈ_６Ｏ＋２ＣＯ_２を引き起こすことを含み得る。

システムの幾つかの実施形態では、液体燃料は、プロパノールを含む。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋２Ｈ_２Ｏ→Ｃ_３Ｈ_８Ｏ＋３ＣＯ_２＋３Ｈ_２を引き起こすことを含む。

システムの幾つかの実施形態では、液体燃料は、ブタノールを含む。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５→Ｃ_４Ｈ_１０Ｏ＋２ＣＯ_２を引き起こすことを含む。

システムの幾つかの実施形態では、液体燃料は、ガソリンを含む。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋４Ｃ＋４Ｈ_２Ｏ→Ｃ_７Ｈ_１６＋２ＣＯ_２を引き起こすことを含み得る。

システムの幾つかの実施形態では、液体燃料は、ディーゼル油を含む。反応チャンバー内の湿潤形態の化合物の加熱は、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋１０Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→Ｃ_１６Ｈ_２４＋６ＣＯ_２を引き起こすことを含み得る。

システムの幾つかの実施形態では、１種の得られたガスは、水素ガスを最終生成物として含む。１種の得られたガスは、二酸化炭素ガスを最終生成物として含み得る。

幾つかの実施形態は、炭素と酸素と水素とを含む化合物から水素を抽出する方法を含む。方法は、少なくとも、化合物源をチャンバー内に導入すること、化合物と反応させる為に水を添加すること、チャンバー内の化合物を加熱して化合物を水素ガスと二酸化炭素ガスと固体炭素残渣とに解離させること、又は水素ガスを二酸化炭素ガスから分離すること、を含み得る。

チャンバー内の化合物を加熱して化合物を水素ガスと二酸化炭素ガスと固体炭素残渣とに解離させるのに、非酸化反応を利用し得る。非酸化反応は、水熱分解反応を含み得る。

方法の幾つかの実施形態では、不活性ガス流がチャンバーに提供される。不活性ガスは、少なくともアルゴン又は窒素を含み得る。化合物は、少なくとも、セルロース、リグニン、ヘミセルロース、又は炭素と酸素と水素とを含む廃棄物を含み得る。セルロースは、セルロース廃棄物を含み得る。セルロース源は、トウモロコシを含み得る。セルロース源は、紙を含み得る。

方法の幾つかの実施形態では、電力を発生させる為に水素ガスを処理する。方法は、空気を含有する処理チャンバー内で処理チャンバー内の空気中の酸素が枯渇するまでセルロースを部分燃焼させることを含み得る。幾つかの実施形態は、セルロースの解離の為に約３２５℃超のチャンバー温度を含み得る。

幾つかの実施形態は、少なくとも、水蒸気を形成してエネルギーを放出する為に酸素の存在下で水素を燃焼させること、又は二酸化炭素を形成してエネルギーを放出する為に酸素の存在下で炭素を燃焼させること、を含み得る。水蒸気は、電力に変換され得る。

方法は、水素ガスを燃料電池内に供給することを含み得る。燃料電池は、水素ガスと酸素ガスとを水に変換して熱を生成し得る。幾つかの実施形態は、自動車エンジン効率を改良する為に水素ガスを使用することを含む。

幾つかの実施形態は、セルロースを水素に変換する為の方法を含む。方法は、少なくとも、セルロース源をチャンバー内に導入すること、セルロースと反応させる為に水をチャンバー内に添加すること、チャンバーを加熱して水蒸気を発生させること、水蒸気とセルロースとの間で反応を引き起こして水素ガスと二酸化炭素ガスとを形成すること、又は水素ガスを二酸化炭素ガスから分離すること、を含み得る。

反応は、非酸化反応を含み得る。非酸化反応は、水熱分解反応を含み得る。水素ガスは、水蒸気を形成してエネルギーを放出する為に酸素ガスの存在下で燃焼され得る。水蒸気は、電力に変換され得る。水素ガスは、燃料電池に供給され得る。燃料電池は、水素ガスと酸素ガスとを水蒸気に変換して電気及び熱を生成する。幾つかの実施形態では、セルロースは、空気を含有する処理チャンバー内で処理チャンバー内の空気中の酸素が枯渇するまで部分燃焼され得る。

幾つかの実施形態では、不活性ガス流がチャンバーに提供される。不活性ガスは、少なくともアルゴン又は窒素を含み得る。

幾つかの実施形態では、水蒸気は、約４００℃以上で形成される。セルロース源は、トウモロコシを含み得る。セルロース源は、紙を含み得る。セルロース源は、セルロース廃棄物を含み得る。

幾つかの実施形態は、炭素と酸素と水素とを含む化合物から水素を製造する為のシステムを含む。システムは、少なくとも、処理チャンバー、処理チャンバーの内部と熱連通状態の加熱源、処理チャンバー内に配設された化合物源、化合物と反応させる為の水源、又は得られた水素ガス及び二酸化炭素ガスを処理チャンバーから抽出する為の排出システムを含み得る。

加熱源は更に、非酸化反応を利用して水源を化合物と反応させるように構成され得る。非酸化反応は、水熱分解反応を含み得る。システムは、熱エネルギーを放出する為に及び水蒸気を形成する為に酸素の存在下で水素ガスを燃焼させるように構成された燃焼チャンバーを更に含み得る。システムは、水素ガスを電力に変換する為に燃料電池を含み得る。

化合物源は、少なくともトウモロコシ又は紙を含み得る。システムは、不活性ガス流を処理チャンバーに提供するように構成されたガス送達システムを含み得る。不活性ガスは、少なくともアルゴン又は窒素を含み得る。化合物は、空気を含有する処理チャンバー内で処理チャンバー内の空気中の酸素が枯渇するまで部分燃焼され得る。

水源は、化合物と水との反応により水素と二酸化炭素とを形成するように処理チャンバー内に配設され得る。化合物源は、セルロース廃棄物を含み得る。システムは、水素ガスを処理して電力を生成するように構成されたサブシステムを含み得る。

以上では、以下の詳細な説明がより良く理解され得るように、本開示に係る実施例の特徴及び技術的利点をやや広範に概説してきた。以下では、更なる特徴及び利点を説明する。開示された概念及び特定例は、変更を加えて又は他の構造を設計して本開示の同一の目的の遂行に供する基礎として容易に利用され得る。そのような等価な構成は、添付の特許請求の趣旨及び範囲から逸脱しない。本明細書に開示される概念に特有であると考えられる特徴は、付随する利点と共に、その構成及び操作方法の両方に関して、添付の図面を参照して検討すれば、以下の説明からより良く理解されるであろう。図面の其々は、例示及び説明の目的で提供されているにすぎず、特許請求の範囲を規定するものとして提供されている訳ではない。

本発明の性質及び利点の更なる理解は、以下の図面を参照することにより達成され得る。添付の図面では、類似の成分又は特徴は、同一の参照ラベルを有し得る。更に、同一のタイプの種々の成分は、ダッシュによる参照ラベル及び類似の成分を識別する第２の標識に従って識別され得る。本明細書で第１の参照ラベルのみが使用されている場合、その記述は、第２の参照ラベルに拘らず同一の第１の参照ラベルを有する類似の成分の何れか１つに適用可能である。

種々の実施形態に従ってＣ−Ｏ−Ｈ化合物を水素及び／又は液体ガスに変換する為の単純化されたシステムの概略図である。 種々の実施形態に従ってＣ−Ｏ−Ｈ化合物を水素及び／又は液体ガスに変換する為の単純化されたシステムの概略図である。 種々の実施形態に従って水素を燃焼チャンバー内で燃焼させる為の単純化されたシステムの概略図である。 種々の実施形態に従って水素ガスを燃料電池により電力に変換する為の単純化されたシステムの概略図である。 種々の実施形態に従ってＣ−Ｏ−Ｈ化合物を発電用の水素に変換する為の方法の一般的態様をまとめたフロー図である。 種々の実施形態に従ってＣ−Ｏ−Ｈ化合物を発電用の水素に変換する為の方法の一般的態様をまとめたフロー図である。 種々の実施形態に従ってセルロース系バイオマスから水素を抽出する第１の特定の方法及び水素を電力に変換する工程をまとめたフロー図である。 種々の実施形態に従ってセルロース系バイオマスから水素を抽出する第２の特定の方法及び水素を電力に変換する工程をまとめたフロー図である。 種々の実施形態に従ってＣ−Ｏ−Ｈ化合物から液体燃料を製造する為の方法の一般的態様をまとめたフロー図である。

炭素と酸素と水素とを含む化合物（「Ｃ−Ｏ−Ｈ」）から水素及び／又は液体燃料を抽出する為の方法及びシステムを開示する。化合物は、例えば、セルロース、リグニン、及び／又はヘミセルロースを含み得る。化合物は、少なくとも１種のＣ−Ｏ−Ｈ化合物を含む廃棄物流を含み得る。水をＣ−Ｏ−Ｈ化合物と組み合わせて、湿潤形態のＣ−Ｏ−Ｈ化合物を生成し得る。湿潤形態のＣ−Ｏ−Ｈ化合物は、反応処理チャンバー内に移動され得る。湿潤形態のＣ−Ｏ−Ｈ化合物は、少なくとも水素ガス及び／又は液体燃料を含む反応生成物を伴ってＣ−Ｏ−Ｈ化合物の構成要素が解離して反応するように、反応チャンバー内で加熱され得る。幾つかの実施形態は、水熱分解反応等の非酸化反応を利用して水素及び／又は液体燃料を生成し得る。水素ガス及び／又は液体燃料は、電力や熱を発生させたり又は様々なタイプのエンジンを駆動したりする為に利用され得る。

以下の説明は、例示的実施形態を提供するにすぎず、本開示の範囲、適用性、又は構成を限定することを意図したものではない。もっと正確に言えば、例示的実施形態の以下の説明は、１つ以上の例示的実施形態の実現を可能する説明を当業者に提供するものであり、添付の特許請求の範囲に示される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく要素の機能及び配置に種々の変更を加え得るものと見做される。幾つかの実施形態が本明細書に記載されており、種々の特徴が異なる実施形態に割り当てられているが、１つの実施形態に対して記載された特徴は、同様に他の実施形態にも組み込まれ得るものと認識すべきである。然しながら、同じ理由で、本発明の他の実施形態がそのような特徴を省略し得るので、任意の記載の実施形態の単一又は複数の特徴は、本発明の全ての実施形態に必須であるものと考えるべきではない。

実施形態の十分な理解を提供する為に、特定の詳細事項が以下の説明に与えられている。然しながら、これらの特定の詳細事項無しで実施形態を実施し得ることは、当業者であれば分かるであろう。例えば、不要な詳細事項で実施形態を不明瞭にしないように、幾つかの実施形態のシステム、ネットワーク、プロセス、及び他の構成要素をブロック図の形態で成分として示し得る。他の場合には、実施形態を不明瞭にすることがないように、周知のプロセス、構造、及び技術を不要な詳細事項無しで示し得る。

又、個々の実施形態が、フローチャート、フロー図、データフロー図、構造図、又はブロック図として表されるプロセスとして記述され得ることに留意されたい。フローチャートにより操作を逐次プロセスとして記述し得るが、操作の多くは、併行して又は同時に行うことが可能である。それに加えて、操作の順序は、再編成され得る。プロセスは、その操作が終了した時に終了し得るが、考察されていない又は図に含まれていない追加の操作も含み得る。更に、任意の特定的に記載されたプロセスの全ての操作が全ての実施形態で実施可能であるとは限らない。プロセスは、方法、関数、手順、サブルーチン、サブプログラム等に相当し得る。プロセスが関数に対応する場合、その終了は、呼出し関数又はメイン関数への関数の戻りに対応する。

更に、実施形態は、少なくとも部分的には、手動的又は自動的の何れかで実現され得る。手動的又は自動的な実現は、機械、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、又はそれらの任意の組合せの使用により実施され得るか又は少なくとも支援され得る。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、又はマイクロコードで実現する場合、必要なタスクを行うプログラムコード又はコードセグメントは、機械可読媒体に記憶され得る。プロセッサーは、必要なタスクを行い得る。

単に例示の為にすぎないが、開示された方法及びプロセスがどのように実現され得るかを示す例として、セルロース、ヘミセルロース、及びリグニン、並びにそれらの組合せをはじめとするリグノセルロースとしても参照されるセルロース系バイオマスの成分が関与する或る特定の反応が、本明細書に記載されている。然しながら、技術は、より一般的にＣ−Ｏ−Ｈ化合物に容易に適用可能であることが本発明者等により見いだされた。これらの成分又はそれらの組合せの何れを用いた例示も、本発明の範囲を何ら限定しようとするものではない。

異なる実施形態は、バイオマス成分の異なる組合せを含み得る。例えば、セルロース、リグニン、及び／又はヘミセルロースの組合せが使用され得る。多くのバイオマス供給原料は、セルロース、リグニン、ヘミセルロース、及び／又はそれらの成分材料中の微量ミネラルの混合物の１つ以上を有し得る。従って、以上に記載の化学組成は、水素とＣＯ_２と微量ガスとのプロセスガス流をもたらす供給原料の処理を支配し得る。幾つかの実施形態は、Ｃ−Ｏ−Ｈを含む供給原料、例えば、紙廃棄物、多種多様な木材タイプの鋸屑、カードボード、乾草、藁、スイッチグラス、都市固体廃棄物、衛生化廃棄物、模擬核廃棄物、解体及び建設の木材廃棄物を利用し得る。これらの種々の供給原料は、一般的には、廃棄物を意味し得る。

幾つかの実施形態は、入力がリグノセルロース系供給原料と水とのブレンドであり得る水熱分解を利用し得る。これは、反応を単一工程にまとめ得ること、高水素ガス混合物を製造し得ること、プロセスが入力供給原料中の湿分に対して非常に耐性であり得ること、及び得られるガス流を内燃機関で直接燃焼可能であることを利点とする既存のシンガス製造技術の多くと類似性を有し得る。

例えば、リグノセルロース系供給原料の生化学的組成物は、３つの主成分、即ち、セルロース、リグニン、及びヘミセルロースを有し得る。異なる供給原料（限定されるものではないが、硬質木材、軟質木材、草本、果実が挙げられ得る）は、これらの３つの主要クラスの成分を異なる相対量で有し得る。種々の実施形態に従って、固体炭素廃棄物及び一酸化炭素発生を最小限に抑える為に、供給原料の各成分により必要とされる水の比率を計算するのに使用し得る方法を以下に提供する。規定量の水を反応に使用することにより、レシプロエンジンで直接燃焼可能なガス生成物混合物を発生し得る。又、バイオ水素製造の為に水素分子の発生を最大化し得る。

幾つかの実施形態で水熱分解プロセスにより駆動される一般的反応クラスは、
Ｃ_ｘＨ_ｙＯ_ｚ＋（２ｘ−ｚ）Ｈ_２Ｏ＝ｘＣＯ_２＋（２ｘ＋ｙ／２−ｚ）Ｈ_２
として記述され得る。

従って、各モルのリグノセルロース系成分をＣＯ_２及びＨ_２に完全に変換する為に、必要とされる水のモル数は、２ｘ−ｚとして記述され得る。

リグノセルロース系材料の生化学的組成物中の優位構造及び完全反応の為の水は、次の通りであり得るが、単に例として提供されているにすぎない。

Ｃ％のセルロース、Ｌ％のリグニン、Ｇ％のグルコマンナン、及びＸ％のキシランの成分重量パーセントを有するバイオマス供給原料では、乾燥入力供給原料の質量当たり添加される水の質量Ｍ_ｗは、
Ｍ_ｗ＝｛０．７７７８Ｃ＋［１８（１６＋ｎ）／（１５０＋３１ｎ）］Ｌ＋０．７９Ｇ＋１．３７Ｘ］｝Ｍ_Ｆ
である。

単に例として挙げるにすぎないが、４５％のセルロース、３０％のｎ＝１．２のリグニン、２％のグルコマンナン、及び２３％のキシランを有する硬質木材では、完全乾燥セルロース系質量に対する水の重量パーセントは、完全反応で１１７．５９％であり得る。

Ｗ％重量パーセントの水を有する完全乾燥でない入力供給原料（通常の状況）では、全送達供給原料Ｍ_Ｔ中に見出されるセルロース系供給原料の乾燥質量Ｍ_Ｆは、
Ｍ_Ｆ＝（１−Ｗ）Ｍ_Ｔ
として記述され得る。

したがって、Ｗ重量パーセントの水を有する供給原料の送達質量Ｍ_Ｔでは、添加される水の残りの質量Ｍ_Ａは、
Ｍ_Ａ＝Ｍｗ−Ｗ Ｍ_Ｔ
＝Ｍ_Ｔ（１−Ｗ）（０．７７７８Ｃ＋［１８（１６＋ｎ）／（１５０＋３１ｎ）］Ｌ＋０．７９Ｇ＋１．３７Ｘ］）−Ｗ Ｍ_Ｔ
＝Ｍ_Ｔ｛（１−Ｗ）（０．７７７８Ｃ＋［１８（１６＋ｎ）／（１５０＋３１ｎ）］Ｌ＋０．７９Ｇ＋１．３７Ｘ］）−Ｗ｝
である。

幾つかの実施形態では、供給原料は、以上の節で使用された生化学的組成物ではなく、究極的元素分析により特徴付けられ得る。この場合、供給原料中に見出される化学元素の重量パーセントは、分析により提供され得る。このように情報が提供され得る場合、入力のマツ鋸屑の分析例は、以下のように提供される。

対象の反応の関与体が主にＣ、Ｈ、及びＯであるので、且つこれらの元素が供給原料の乾燥質量の９９％を超えるので、入力供給原料に添加される水の質量を決定する場合、それらの元素のみを考慮し得る。乾燥質量重量パーセントが％Ｃの炭素、％Ｈの水素、及び％Ｏの酸素を有する入力供給原料では、Ｃ_ｘＨ_ｙＯ_ｚのプロト分子を用いて、対象の反応は、
Ｃ_ｘＨ_ｙＯ_ｚ＋（２ｘ−ｚ）Ｈ_２Ｏ＝ｘＣＯ_２＋（２ｘ＋ｙ／２−ｚ）Ｈ_２
として記述され得る。

従って、各モルのリグノセルロース系成分をＣＯ_２及びＨ_２に完全に変換する為に、必要とされる水のモル数は、２ｘ−ｚである。

究極的元素分析を用いてｘ、ｙ、及びｚの値を見出す為に、１ｇ／モルのモル質量の入力供給原料では、以下のように計算可能である。
ｘ＝％Ｃ／質量（Ｃ）
ｙ＝％Ｈ／質量（Ｈ）
ｚ＝％Ｏ／質量（Ｏ）。

炭素原子の全てを反応させて二酸化炭素にするのに必要とされる水のモル数は、２ｘ−ｚであり、これは、
モル（Ｈ_２Ｏ）＝２％Ｃ／質量（Ｃ）−％Ｏ／質量（Ｏ）
として表され得る。

従って、乾燥入力供給原料質量に対して添加される水の質量パーセントＭ_ｗは、
Ｍ_ｗ＝［質量（Ｈ_２Ｏ）×（２％Ｃ／質量（Ｃ）−％Ｏ／質量（Ｏ））］Ｍ_Ｆ
であり得る。

マツ鋸屑の例示的供給原料では、式は、
モル（Ｈ_２Ｏ）＝．０８５−．０２６２５＝０．０５８７５
質量（Ｈ_２Ｏ）＝１８
Ｍ_ｗ＝１．０５７５Ｍ_Ｆ
として評価される。

Ｗ％重量パーセントの水を有する完全乾燥でない入力供給原料（通常の状況）では、全送達供給原料Ｍ_Ｔ中に見出されるセルロース系供給原料の乾燥質量Ｍ_Ｆは、
Ｍ_Ｆ＝（１−Ｗ）Ｍ_Ｔ
として記述され得る。

従って、Ｗ重量パーセントの水を有する供給原料の送達質量Ｍ_Ｔでは、添加される水の残りの質量Ｍ_Ａは、
Ｍ_Ａ＝Ｍ_Ｗ−Ｗ Ｍ_Ｔ
＝Ｍ_Ｔ（１−Ｗ）［質量（Ｈ_２Ｏ）×（２％Ｃ／質量（Ｃ）−％Ｏ／質量（Ｏ））］−Ｗ Ｍ_Ｔ
＝Ｍ_Ｔ｛（１−Ｗ）［質量（Ｈ_２Ｏ）×（２％Ｃ／質量（Ｃ）−％Ｏ／質量（Ｏ））］−Ｗ｝
である。

単に例として挙げるにすぎないが、２５％の湿分含有率を有する１トンのマツ鋸屑では、添加される水の質量は、
Ｍ_Ａ＝１｛０．７５（１．０５７５）−．２５）
＝０．５４３トン
であり得る。

従って、送達供給原料の入力トンに対して、７５０ｋｇの乾燥供給原料及び２５０ｋｇの水が存在し得る。例えば、５４３リットルの水（５４３ｋｇ）を添加することにより、水の全質量は、７９３ｋｇ又は供給原料の入力乾燥質量の１０５．７３％になり得るので、全ての炭素が熱分解プロセスで反応して二酸化炭素になり得ることが保証される。

セルロースを水素に変換する反応１
セルロースは、Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５の分子式を有する。１つの起こり得る反応では、セルロースは、不活性ガス雰囲気中で又は最小限の他のガスを存在させて、加熱により解離することにより、Ｈ_２Ｏを放出して炭素残渣を発生する。反応は、
Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５→６Ｃ＋５Ｈ_２Ｏ
により記述され得る。然しながら、開始時、本発明者らは、炭素繊維の製造の為に綿の炭化を研究し、約１５ｋｇの綿を加熱チャンバーに導入した。加熱サイクルの終了時、約３ｋｇの炭化綿が残留した。実験時、炭素分の平均収率が２０％〜２５％であったことは、不可解であった。

この実験でのこの観測を更に理解することにより、本発明に至る。炭素がセルロース中の酸素を全て消費して二酸化炭素（ＣＯ_２）を形成した場合、反応は、
２Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５→５ＣＯ_２＋７Ｃ＋１０Ｈ_２
により記述され得る。従って、残りの炭素は、分子量を用いて以下のように計算され得る。
（７モル×炭素のＭ_ｒ）／（２モル×セルロースのＭ_ｒ）＝（７×１２）／（２×１６２）＝２６％

それに加えて、炭素がセルロース中の酸素を全て消費して一酸化炭素（ＣＯ）を形成した場合、反応は、
Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５→５ＣＯ＋Ｃ＋５Ｈ_２
により定義され得る。残りの炭素は、以下のように推定され得る。
炭素のＭｒ／セルロースのＭｒ＝１２／１６２＝７％

従って、恐らく、セルロース加熱（熱分解）時の優位反応は、ＣＯとＣＯ_２との混合物を生じ、ＣＯ_２が混合物中で優位であり得る。従って、不活性ガス中で加熱されたセルロースは、以下の化学反応：
２Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５→５ＣＯ_２＋７Ｃ＋１０Ｈ_２（反応１ａ）
を生じ得る。水素を燃焼させて水を形成し、炭素を燃焼させて二酸化炭素を形成する追加の反応は、以下のように定義され得る。
２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ（反応１ｂ）
Ｃ＋Ｏ_２→ＣＯ_２（反応１ｃ）

熱化学は、一般的には、化学反応時に起こるエネルギー変化に関する研究である。エネルギーが一定体積で熱として移動し、仕事を行わない場合、生じる内部エネルギー変化は、移動した熱に等しい。如何なるプロセスにも依存しない特定の状態変化ΔＵでは、熱力学第一法則により（ΔＵ）_ｖ＝ｑ_ｖと定義される。エネルギーが一定圧力で熱として移動する場合、移動したエネルギーの量は、エンタルピー変化により同定可能である。従って、他の仕事が行われない限り、ΔＨ＝ｑ_ｐである。反応に付随するエンタルピー変化は、反応エンタルピー（ΔＨ）と呼ばれる。生成エンタルピーは、化合物がその元素から形成される時の反応エンタルピーである。幾つかの反応物と生成物との反応では、エンタルピー変化ΔＨは、以下のような全プロセスを意味する。
（非混合反応物）→（非混合生成物）
ΔＨ＞０の反応は、吸熱反応と呼ばれ、ΔＨ＜０の反応は、発熱反応で呼ばれる。

以下の表には、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）、セルロース（Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５）等の化合物の生成エンタルピー及び化合物１モル当たりの分子量が列挙されている。又、化合物の比熱及び水の気化エンタルピーも列挙されている。表に提供されるそのようなデータは、セルロースの加熱及び高温での水蒸気の形成に必要とされるエネルギーの計算に使用される。

次に、反応１ａを参照すると、生成エンタルピーを用いて、２モルのセルロースに対する放出は、以下のように推定され得る。
ΔＨ１＝５（−３９３．５）−２（８７．２）＝−２１４１．８ｋＪ
残りの水素を反応１ｂで燃焼させて水を形成する場合、２モルのセルロースに対して放出される追加のエネルギーは、
ΔＨ２＝１０（−２４１．８）＝−２４１８．３ｋＪ
として計算され得る。従って、２モルのセルロースに対するエネルギー放出は、
ΔＨ＝ΔＨ１＋ΔＨ２＝−４５６０．１ｋＪ
であり得る。従って、反応１ａ及び１ｂでの１モルのセルロースに対するエネルギー放出は、−２２８０ｋＪ／ｍｏｌである。

セルロースを加熱するのに９２ｋＪ／ｍｏｌのエネルギーが必要とされる。何故なら、これは、次式：
ΔＵ＝Ｃ_ｐΔΤ＝２３０Ｊ／Ｋ／ｍｏｌ＊４００Ｋ＝９２，０００Ｊ／ｍｏｌ＝９２ｋＪ／ｍｏｌ
を用いてセルロースの比熱Ｃ_ｐ及び温度変化により計算され得るからである。次いで、セルロースを不活性ガス中で燃焼させた時の正味エネルギー放出は、
ΔＨ３＝−２２８０＋９２＝−２１８８ｋＪ／ｍｏｌ＝−２１８８／１６２ｋＪ／ｇ＝−１３．５１ｋＪ／ｇ
であり得る。

それに加えて、１モルのセルロースに対して３．５モルの炭素（又は３．５＊１２＝４２グラムの炭素）の残渣が燃焼される可能性があり、これにより、二酸化炭素が形成されて、
ΔＨ４＝−３．５＊３９３．５＝−１３７７．３ｋＪ／ｍｏｌ＝−１３７７．３／１６２ｋＪ／ｇ＝−８．５ｋＪ／ｇ
であり得る追加のエネルギーが放出され得る。セルロースに対する全エネルギー放出は、
ΔＨ４＋ΔＨ３＝−１３．５１−８．５＝−２２．０ｋＪ／ｇ
により推定され得る。

窒素ガスは、アルゴンガスよりも低コストであるので、本発明者らは、空気を置き換える為にアルゴンの代わりに窒素ガスを用いて実験を行った。然しながら、ガスをアルゴンから窒素に切り替えた場合、炭素の平均収率は、２０〜２５％から１７％に低下し得る。これは、ＣＮの形成に起因し得るか、又は恐らく窒素は、アルゴンガスと同様に酸素を置き換えない可能性があることに起因し得る。それにも拘らず、幾つかの実施形態は、システム内の空気の一部又は全部を置き換える為に様々な不活性ガスを利用し得る。

セルロースから水素を製造する為の水熱分解
液体水をセルロースに添加してその組合せ物を加熱することによりセルロースから水素を発生させる為の可能な反応は、
Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋７Ｈ_２Ｏ→６ＣＯ_２＋１２Ｈ_２（反応２ａ）
により定義され得る。幾つかの実施形態では、組合せ物は、約１０００℃に加熱され得る。この水熱分解反応では、水素が生成される。水素を生成する為の幾つかの実施形態では、他の非酸化反応も利用され得る。続いて、水素は、
２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ（反応２ｂ）
により定義されるように酸素中で燃焼され得る。反応２ａでは、反応の正味エンタルピーは、１２４１ｋＪ／ｍｏｌとして計算された。

反応２ｂでの水素の燃焼を考慮した場合、以下のエネルギーが放出され得る。
ΔＨ＝１２（−２４１．８）＝−２９０２ｋＪ／モル
従って、正味エネルギー発生は、１６６１ｋＪ／モルセルロースである。消費されたセルロースの各グラムに対して、以下のエネルギーが放出され得る。
ΔＨ＝３１０８ｋＪ／１６２ｇセルロース
＝１０．２５ｋＪ／ｇセルロース
ＣＨｙＰ反応によりセルロースから生成される水素を燃焼させることにより放出される正味熱エネルギーは、
（１０．２５ｋＪ／ｇ）（１，０００，０００ｇ／トン）（１ＭＷ-ｈｒ／３，６００，０００ｋＪ）＝２．８４ＭＷ-ｈｒ／トン
として記述され得る。

以上の分析から、様々な実施形態の熱力学が有利に機能することが示され得る。従って、実施形態は、ガス化空間の問題として特定される課題の多くに対処し得る。

例えば、幾つかの実施形態は、ホームユニットサイズから商用発電まで非常に広範囲に渡るスケーラビリティーに有利な単純化された設計を提供し得る。幾つかの実施形態は、ガス化技術を非効率的にする傾向のある熱損失を引き起こす熱問題に重点を置き得る。幾つかの実施形態は、過剰の熱を生成し得るが、環境への及び排出ガスによる熱損失を補償し得る。発熱性が原因で、入力パワーから出力される熱パワーのテコ比は、１０を超え得る。

幾つかの実施形態は、タール生成更にはＣＯ及びＣ_ｘＨ_ｙを最小限に抑えるように最適化され得る。幾つかの実施形態では、水を含有するセルロースは、水含有率を最小限に抑える為に供給原料の乾燥が必要とされる殆どのバイオマスエネルギープロセスと同様のエネルギー消費問題がないことが利点であり得る。多くの実施形態では、供給原料は、処理前に乾燥させなくてよい。幾つかの実施形態では、オンデマンドで水素を発生させることにより、水素に通常付随する問題、主に貯蔵及び配送の問題を伴うことなく、水素の利点を実現し得る。生成されるガスはＣＯ_２を含有するので、水素が希釈され、幾つかの実施形態では、火炎温度及び火炎速度の低減並びに後続のＮＯ_ｘ汚染物質の低減が起こり、内燃機関の燃焼に実際に有益に作用し得る。生成物ガスの燃焼から生成される火炎は、幾つかの実施形態では、通常は不可視の火炎を可視化する少量のＣ_ｘＨ_ｙ及びＣＯを含有し得るので、取扱いがより安全になり得る。

幾つかの実施形態では、セルロース系バイオマス中のリグニン及び／又はヘミセルロースも又、効果的な水素源として機能し得る。これらは、エタノール製造では幾つかの供給源、特定的にはセルロースに由来する廃棄物であり得るので、これは、本明細書に記載のプロセスを用いた再生可能エネルギー状況への効果的な追加であり得る。

リグニンから水素を製造する為の水熱分解
リグニンは、公称組成Ｃ_９Ｈ_１０Ｏ_２（ＯＣＨ_３）_ｎ（式中、ｎは、比ＭｅＯ：Ｃ９であり、これは、リグニン中のメトキシル化基とフェニルプロパノイド基との比である）を有する。ｎの値は、硬質木材及び紙では約０．９４、草本では１．１８、軟質木材では１．４であり得るが、これらは、単に例として挙げたにすぎない。等価式を用いてリグニンの式を書き換えると、次式：
Ｃ_９Ｈ_１０Ｏ_２（ＯＣＨ_３）_ｎ＝Ｃ_９＋ｎＨ_{１０＋３ｎ}Ｏ_２＋ｎ
が導かれ得る。

種々の実施形態に従って、ＣＨｙＰ水素ジェネレーターにより以下の反応：
Ｃ_９＋ｎＨ_{１０＋３ｎ}Ｏ_２＋ｎ＋（１６＋ｎ）Ｈ_２Ｏ⇒（９＋ｎ）ＣＯ_２＋（２１＋２．５ｎ）Ｈ_２（反応３ａ）
を駆動し得る。

単に例として挙げるにすぎないが、ｎ＝１の場合、これは、湿潤化合物の組成が６２．８ｗｔ％の水に成るように十分な水をリグニンに添加することに対応する。

１０００℃の出力温度に於けるこの反応の正味エンタルピーは、
（９＋ｎ）（−３９３．５）＋（２１＋２．５ｎ）（２９．１）＋１５９２＋（１６＋ｎ）（２８５．８）＝２００８−３４．９５ｎ ｋＪ／ｍｏｌ
として記述され得る。

然しながら、水素の燃焼を考慮した場合、以下のエネルギーが放出され得る。
ΔＨ＝２１＋２．５ｎ（−２４１．８）＝−５０７８−６０５ｎ ｋＪ／モル

従って、単に例として挙げるにすぎないが、ｎ＝１の場合、正味エネルギー発生は、５６８３−１９７３＝３７１０ｋＪ／モルリグニンである。消費されたリグニンの各グラムに対して、以下の正味エネルギーが放出され得る。
ΔＨ＝３７１０ｋＪ／１８１ｇリグニン＝２０．５ｋＪ／ｇリグニン
この反応によりリグニンから生成される水素を燃焼させることにより放出される正味熱エネルギーは、
（１１ｋＪ／ｇ）（１，０００，０００ｇ／トン）（１ＭＷ-ｈｒ／３，６００，０００ｋＪ）＝３．０５ＭＷ-ｈｒ／トン
として記述され得る。

ヘミセルロースから水素を製造する為の水熱分解
幾つかの実施形態では、リグノセルロース系供給原料中のヘミセルロースも又、効果的な水素源をとして機能し得る。ヘミセルロースは、限定されるものではないが、グルコース、キシロース、マンノース、ガラクトース、ラムノース、アラビノース、及びグルコマンナンを含み得る糖で構成される多糖である。これらの糖ビルディングブロックの化学式は、Ｃ_５Ｈ_１０Ｏ_５及びＣ_６Ｈ_１２Ｏ_６として記述され得る。北米のリグノセルロース系バイオマス中の通常のヘミセルロース系材料は、キシラン（Ｃ_１７Ｈ_３６Ｏ_８）及びグルコマンナン（Ｃ_３５Ｈ_４９Ｏ_２９）を含む。多くのヘミセルロース多糖の正確な結合解離エネルギーは、それらの正確な化学組成及び環境に依存し得るので、セルロースの平均値（質量加重）を以下の分析で使用し得る。

キシランからの水素
キシランの化学式は、Ｃ_１７Ｈ_３６Ｏ_８として記述され得る。又、幾つかの実施形態により駆動される反応は、
Ｃ_１７Ｈ_３６Ｏ_８＋２６Ｈ_２Ｏ＝１７ＣＯ_２＋４４Ｈ_２
として記述され得る。

これは、湿潤化合物の組成が５６ｗｔ％の水に成るように十分な水をキシランに添加することに対応するが、これは、単に例として挙げたにすぎない。幾つかの実施形態は、様々な水パーセントを有する湿潤化合物を形成することを含み得る。

１０００℃の出力温度におけるこの反応の正味エンタルピーは、３８５４ｋＪ／ｍｏｌであり得る。

然しながら、水素の燃焼を考慮した場合、以下のエネルギーが放出され得る。
ΔＨ＝４４（−２４１．８）＝−１０，６４０ｋＪ／モル

正味エネルギー発生は、１０６４０−３８５４＝６７８６ｋＪ／モルキシランであり得る。消費されたキシランの各グラムに対して、以下のエネルギーが放出され得る。
ΔＨ＝６７８６ｋＪ／３６８ｇキシラン
＝１８．４４ｋＪ／ｇキシラン

ＣＨｙＰ反応によりキシランから生成される水素を燃焼させることにより放出される正味熱エネルギーは、
（１８．４４ｋＪ／ｇ）（１，０００，０００ｇ／トン）（１ＭＷ-ｈｒ／３，６００，０００ｋＪ）＝５．１２ＭＷ-ｈｒ／トン
として記述され得る。

グルコマンナンからの水素
グルコマンナンの化学式は、Ｃ_３５Ｈ_４９Ｏ_２９として記述され得る。又、幾つかの実施形態により駆動される反応は、
Ｃ_３５Ｈ_４９Ｏ_２９＋４１Ｈ_２Ｏ＝３５ＣＯ_２＋６５．５Ｈ_２
として記述され得る。

これは、湿潤化合物の組成が４４．１３ｗｔ％の水に成るように十分な水をグルコマンナンに添加することに対応するが、これは、単に例として挙げたにすぎない。幾つかの実施形態は、様々な水パーセントを有する湿潤化合物を形成することを含み得る。

１０００℃の出力温度に於けるこの反応の正味エンタルピーは、６８８５ｋＪ／ｍｏｌであり得る。

然しながら、水素の燃焼を考慮した場合、以下のエネルギーが放出され得る。
ΔＨ＝６５．５（−２４１．８）＝−１５，８４０ｋＪ／モル

正味エネルギー発生は、１５，８４０−６８８５＝８９５５ｋＪ／モルグルコマンナンであり得る。消費されたグルコマンナンの各グラムに対して、以下のエネルギーが放出され得る。
ΔＨ＝８９５５ｋＪ／９３３ｇグルコマンナン
＝９．６ｋＪ／ｇグルコマンナン

ＣＨｙＰ反応によりグルコマンナンから生成される水素を燃焼させることにより放出される正味熱エネルギーは、
（９．６ｋＪ／ｇ）（１，０００，０００ｇ／トン）（１ＭＷ-ｈｒ／３，６００，０００ｋＪ）＝２．６７ＭＷ-ｈｒ／トン
として記述され得る。

以下の表は、単に例として挙げるにすぎないが、生化学的成分別にバイオマス供給原料からの水素及びエネルギーの収率を提供する。

幾つかの実施形態では、Ｃ％のセルロース、Ｌ％のリグニン、Ｘ％のキシラン、及びＧ％のグルコマンナンの入力リグノセルロース系バイオマス供給原料で予想される水素収率の式は、次式：
質量（Ｈ_２）＝｛０．１４８Ｃ＋［（２１＋２．５ｎ）／（１５０＋３１ｎ）］Ｌ＋．２３９Ｘ＋．１４Ｇ｝質量（乾燥供給原料）
を用いて決定され得る。

単に例として挙げるにすぎないが、Ｃ＝．４７、Ｌ＝．３、Ｘ＝．１８、Ｇ＝．０５、及びｎ＝１．３を有するハイブリッドポプラでは、
質量（Ｈ_２）＝０．１４８（．４７）＋０．１２７（．３）＋．２３９（．１８）＋．１４（．０５）＝０．１５８質量（乾燥供給原料）
正味エネルギー収率＝１０．２５（．４７）＋２０．５（．３）＋１８．４４（．１８）＋９．６（．０５）＝１４．７７ｋＪ／グラム乾燥供給原料

単に例として挙げるにすぎないが、Ｃ＝．４１、Ｌ＝．２７、Ｘ＝．２７、Ｇ＝．０５、及びｎ＝１を有するアラモスイッチグラスでは、
質量（Ｈ_２）＝０．１４８（．４１）＋０．１３（．２７）＋．２３９（．２７）＋．１４（．０５）＝０．１６７質量（乾燥供給原料）
正味エネルギー収率＝１０．２５（．４１）＋２０．５（．２７）＋１８．９４（．２７）＋９．６（．０５）＝１５．３３ｋＪ／グラム乾燥供給原料

幾つかの実施形態では、Ｃ−Ｏ−Ｈを含む様々な他の供給原料を利用し得る。供給原料の範囲には、限定されるものではないが、紙廃棄物、多種多様な木材タイプの鋸屑、カードボード、乾草、藁、スイッチグラス、都市固体廃棄物、模擬核廃棄物、解体及び建設の木材廃棄物が含まれ得る。幾つかの実施形態では、衛生化廃棄物を利用し得る。幾つかの実施形態では、電力又は効率を殆ど損なうことなくオンザフライ方式で材料を変更することが可能である。

単に例として挙げるにすぎないが、解体及び建設の木材廃棄物等の処理された材料が任意の毒性材料をバイオチャー中に結合させることにより、コストのかかる浸出バリヤーを用いることなく、それらの廃棄物流で＞９０％の低減をもたらすと同時に、安全な廃棄処理を可能にする形態に毒性材料を固定し得る。それに加えて、硫黄を含有するバイオマス流は、硫化水素の生成を伴うことなく処理され得るので、システムは、通常の範囲よりも広範な材料を処理するのに極めて有用である。例えば、幾つかの実施形態では、自動車タイヤの処理が可能であり得る。塩素を固定する追加の処理制御を行って、ＰＶＣ材料を処理することが可能であり得る。利用され得る他の材料としては、全ての木材タイプ、全てのプラスチック、パーム油生産、サトウキビ生産からの廃棄材料、コーンストーバー、及び／又は最終的には肥料を含めて基本的に任意のバイオマス材料が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

幾つかの実施形態は、炭素と酸素と水素とを含む化合物から液体燃料を製造する為の方法及びシステムを提供する。液体燃料は、捕集されるが、幾つかの実施形態では、方法及びシステムの副生成物は、分子状水素の生成を含み、これも又、捕集されてエネルギー生産に使用され得る。

単に例示の為にすぎないが、開示された方法及びプロセスがどのように実現され得るかを示す例として、セルロースが関与する或る特定の反応が、本明細書に記載されている。然しながら、技術は、より一般的にＣ−Ｏ−Ｈ化合物に容易に適用可能であり得る。又、セルロースを用いた例示は、本発明の範囲を何ら限定しようとするものではない。例えば、技術は、セルロースと共にヘミセルロース及びリグニン並びにそれらの組合せを含めて、リグノセルロースとしても参照されるセルロース系バイオマス等のＣ−Ｏ−Ｈ化合物に容易に適用可能であり得る。廃棄物流等の他のＣ−Ｏ−Ｈ化合物も又、利用され得る。

セルロース等のＣ−Ｏ−Ｈ化合物又は他のＣ−Ｏ−Ｈ化合物の実施形態で使用可能な反応の例としては、以下のものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

メタノールの製造
Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋６Ｈ_２Ｏ→ＣＨ_４Ｏ＋５ＣＯ_２＋９Ｈ_２
Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋５Ｈ_２Ｏ→２ＣＨ_４Ｏ＋４ＣＯ_２＋６Ｈ_２
Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋４Ｈ_２Ｏ→３ＣＨ_４Ｏ＋３ＣＯ_２＋３Ｈ_２
Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋３Ｈ_２Ｏ→４ＣＨ_４Ｏ＋２ＣＯ_２

エタノールの製造
Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋４Ｈ_２Ｏ→Ｃ_２Ｈ_６Ｏ＋４ＣＯ_２＋６Ｈ_２
Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋Ｈ_２Ｏ→２Ｃ_２Ｈ_６Ｏ＋２ＣＯ_２

プロパノールの製造
Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋２Ｈ_２Ｏ→Ｃ_３Ｈ_８Ｏ＋３ＣＯ_２＋３Ｈ_２

ブタノールの製造
Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５→Ｃ_４Ｈ_１０Ｏ＋２ＣＯ_２

ガソリンの製造
Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋４Ｃ＋４Ｈ_２Ｏ→Ｃ_７Ｈ_１６＋２ＣＯ_２

ディーゼル油の製造
Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋１０Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→Ｃ_１６Ｈ_２４＋６ＣＯ_２

幾つかの場合、以上の反応は、セルロース等の１種以上のＣ−Ｏ−Ｈ化合物に加えて、水を利用し得る。又、湿潤形態のセルロースを提供することにより、進行され得る。他の場合、炭素源は、反応物の１つとしてセルロースを備える。幾つかの実施形態は又、液体燃料としてバイオ油を製造し得る。

Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物からの水素又は液体燃料の抽出及び電力への変換又は熱発生の為のシステム
バイオマスからのエネルギーの生産は、一般的には、３つの手法、即ち、熱及び／若しくは電気を発生する為のバイオマスの直接燃焼、燃焼により熱及び／若しくは電気を生成する為のバイオマスの熱分解ガス化、又は将来的に燃焼させる為の液体燃料へのバイオマスの変換の１つを利用する。これらの手法の多くは、合成ガスの製造から開始され、幾つかは、特に液体燃料を製造する為に、水シフト反応を利用して反応を促進する。

バイオマスの経済性は、十分に良好であるので、米国では、現在、１１ＧＷの電気の発生に利用されている。然しながら、設備容量の大部分は、水蒸気の発生に利用されており、平均的バイオマスプラントは、約２０％の（ホワットツーホワット（ｗｈａｔ−ｔｏ−ｗｈａｔ））効率で２０ＭＷである。効率を向上させる為に、操作は、より大きいプラントサイズに向かう傾向にある。

それに加えて、セルロースから水素を抽出することを試みている幾つかの研究チームが存在する。これらの取組みは、（ａ）微生物消化及び（ｂ）水素を放出し炭素を炭酸ナトリウムとして捕獲する反応を促進する為のＮａＯＨ及び触媒の使用に基づく。セルロースを処理してエタノールにする為のより広範な取組みが、幾つかのパイロット施設で進められている。

食品加工分野、木材加工分野、及び紙加工分野の多くの会社は、それらのプロセスの有意な副生成物を有し、これらは、それらの主要事業には殆ど価値がないか又はマイナスの価値を有する。同時に、工業分野への電力コストは、毎年５％上昇し続けており、迫り来る二酸化炭素排出規制を受けて、この速度は、来る十年間で更に急速に増加する見込みである。処理副生成物の多くは、何らかの方法で廃棄処分しけなければならいので、投棄費又は他の廃棄処理費が発生する。

施設のエネルギーコストを軽減する為に分散発電に利用可能な選択肢は、多くの場合、施設のエネルギー収支に有意に影響を及ぼしたり又は廃棄物流の低減に影響を及ぼしたりするほど十分に経済的ではない。幾つかの場合、廃棄物の直接燃焼を用いて、プロセス用の熱及び水蒸気を発生させるが、一般に経済的な再生可能エネルギーの発電選択肢は、利用可能でない。光起電力装置からの電気は、３０％の連邦投資税額控除を適用した後、約＄２００／ＭＷｈのコストがかかり、熱電併給システムにディーゼル発電機を使用すると、会社は、ディーゼル燃料の燃料価格変動に晒され、国家エネルギー依存性が増加する。殆どの経済的システムは、天然ガスにより燃料供給される熱電併給（ＣＨＰ）システムであり、これらは、大学、学校、病院等の大型施設建築物では最も一般的である。商業環境及び工業環境では、プロセス熱要件から切り離して経済的に発電する能力は、顕著な市場機会を開くであろう。

種々の実施形態によれば、セルロース系バイオマスを水素に変換する為の二工程プロセスが含まれ得る。幾つかの実施形態は、科学文献で一般的な又は商業的に入手可能な先行技術のプロセスと異なる新規なタイプの水熱分解プロセスを含む。一態様では、プロセスは、セルロース部分、ヘミセルロース部分、及びリグニン部分を含むセルロース系バイオマス成分の殆どに適用可能であり得る。

このプロセスの為に開発されたクリーンエネルギーシステムは、顧客サイト分散発電に有用なガス化器を含み得る。システムは、セルロース系バイオマスを、直接燃焼させて熱及び／又は電力を生成可能な水素リッチガス流に、変換し得る。単に例として挙げるにすぎないが、５００ｋＷ〜５ＭＷの電力範囲にわたり、これらのシステムは、木質系廃棄物、農業副産物、紙廃棄物等のセルロース系バイオマス廃棄物流を有するビジネス顧客に販売され得る。他の顧客としては、コミュニティー規模の独立発電事業者及び手ごろな価格のオンサイト再生可能エネルギーの選択肢を求めている施設が挙げられ得るが、これらに限定されるものではない。

種々の実施形態に係るガス化器の操作プロトタイプは、単に例として挙げるにすぎないが、僅かに１２ｋＷの入力熱分解パワーに対して４５０ｋＷ_ｔｈ（熱）までの割合で複数のセルロース源から水素の連続出力流を発生し得る。生成されたガス混合物は、６５％の水素、３０％の二酸化炭素、及び５％の他の成分を含有し得る。又、プロトタイプにより、９ｋＷ_ｅ（電気）で動作する発電機に直接供給される。システムにより生成されたガスは、他の熱分解ガスよりもエネルギー含有量が高いものであり得る。又、プロセスは、カーボンニュートラルであり、主要排出成分として水蒸気を有する。

幾つかの実施形態は、単に例として挙げるにすぎないが、供給原料の提供から発電の最終生産まで含まれ得る多段階を含み得る。実施形態は、電力及び熱を発生させる為に必要に応じてバイオマスから水素リッチガス流を発生し得る熱分解システム（セルロース系バイオマスから水素への熱分解システム又はＣＨｙＰシステム）を含み得る。ガス流の測定組成（６５％の水素、３０％の二酸化炭素、並びに５％の灰分、タール、及び炭化水素）は、発電用のレシプロエンジンの燃焼に理想的であり得る。このガス流は、機械的及び化学的に調製されたセルロース系廃棄物又はバイオマスから単一プロセス工程で発生され得る。又、灰分及びタールを除去した後、ガスは、内燃（ＩＣ）エンジンに供給され得る。ガス流中のＣＯ_２の存在は、バッファーガスとして作用してＩＣエンジンに対して温度を特定の範囲に維持し得るので、この用途に極めて有益であり得る。ガス流がこれよりも可燃性の構成要素を有する場合、エンジンの得られる温度は、高ＮＯ_ｘ排出物を発生しエンジンの寿命を低減する恐れのあるレベルに上昇するであろう。

幾つかの実施形態に特有の重要な態様は、分散用途向けに小規模（例えば、５００ｋＷ〜５ＭＷ）で供給原料から水素を発生する能力であり得る。殆どの他のセルロース又はバイオマス発生手法は、大規模でのみ経済的に操作可能であるにすぎない。任意のスケールで操作する能力は、現在の手法では利用できない用途に対処し得る。潜在市場機会としては、住宅：熱、電気、又は熱電併給（ＣＨＰ）システム、商用電力：電気又は地域ＣＨＰ、水素供給：水素ガス、工業：熱、電気、又はＣＨＰ、商業：熱、電気、又はＣＨＰが挙げられ得るが、これらに限定されるものではない。

実施形態は、分散発電スケールから商用発電までのスケーラビリティーに有利であり得る単純化された設計を含み得る。全プロセスが発熱性であるので、入力パワーから出力される熱パワーのテコ比は、熱損失をもたらす熱問題に重点を置いた先行技術のガス化技術の２０倍を超え得る。入力バイオマスセクションの柔軟性の増加は、プロセス及び装置が水に対して耐性があることに起因し得る。プロセス及び装置の有益な副次的結果は、タールの排出の最小化であり得る。オンサイト水素発生では、水素の利点は、幾つかの実施形態では、貯蔵及び配送の困難な問題を伴うことなく実現され得る。ＣＨｙＰシンガスは３０％のＣＯ_２を含有し得るので、Ｈ_２が希釈され、既存の内燃機関に好適な燃焼温度をもたらし得ることから、ＮＯ_ｘ排出が許容限度内に維持され、エンジン部材が劣化しない。

幾つかの実施形態のプロセス及び熱分解ユニットは、ガスがそのまま消費される用途に水素混合物を供給する為に使用され得る水素シンガスを生成し得る。水素シンガスは、熱又は電気を発生する内燃機関で燃焼可能である。この発電用途は、得られる燃料に埋め込まれた排出バランスを改良して、統合バイオリファイナリー操作でスイッチグラス等のセルロース系バイオマスから電力を提供する為に使用され得る。単に例として挙げるにすぎないが、生成された電気は、バイオリファイナリープラントで使用され得るか、又は統合バイオリファイナリーの操作の全てで利用されるものと少なくとも等価な量を計測してグリッドに戻され得る。必要に応じて水素を発生し得るので、幾つかの実施形態では、水素の貯蔵を不要にし得る。従って、高圧水素貯蔵の問題が解消され得る。

幾つかの実施形態は、任意の過剰の水及びタールを捕獲する為にＣＨｙＰ水素ジェネレーターの終端に冷却器を含み得る。幾つかの実施形態は、液体燃料を発生する為にこの設計を利用し得る。幾つかの実施形態は、アルコールを製造可能であり得る。この場合、反応は、選択されたアルコールを生成するように制御され得る。

水素抽出手法を含む幾つかの実施形態の主な魅力的特徴は、ガス化器設計及び連続プロセスが単純である為、再現性のある結果を得ることが可能であること及び容易にスケール調整し得ることである。それに加えて、ＣＨｙＰプロセス及び装置の先行する開発により、結果の品質及び再現性を向上させ得る技術的に優れた供給速度技術がもたらされた。ＣＨｙＰコンバーター用に調製された供給原料を生成する為に、最初に、供給原料のサイジング及びミリングプロセスを利用し得るが、セルロース系バイオマスから液体燃料への（ＣｅＬＦ）反応器で使用する為に、開発されたプロセスをうまく変換し得る。

種々の実施形態に従ってＣ−Ｏ−Ｈ化合物を水素及び／又は液体燃料に変換する為の単純化されたシステム１００−ａの全体的概要を図１Ａに提供する。システム１００−ａは、チャンバー１０２−ａ、チャンバー１０２−ａと熱連通状態の加熱システム１１０−ａ、不活性ガスをチャンバー１０２−ａ内に提供する為の任意選択のガス供給ライン１１４−ａ、バルブ１０８−ａを用いて水をチャンバー１０２−ａに添加する為の水供給ライン１０６−ａ、生成物ガス（例えば、使用される特定の化合物に依存してＨ_２及びＣＯ_２）をチャンバー１０２−ａから送出して任意選択のガスセパレーター１２０−ａに流入させる排出ライン１１８−ａ、及びコントローラー１１２−ａを含み得る。Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物１０４−ａは、チャンバー１０２−ａ内で配設され得る。種々の実施形態に係る方法に好適であることが判明し得るＣ−Ｏ−Ｈ化合物１０４−ａの例としては、セルロース源、ヘミセルロース源、及び／又はリグニン源が挙げられるが、これらに限定されるものではない。Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物は、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物を含む廃棄物流を含み得る。以下で更に説明されるように、幾つかのプロセスは、不活性ガスを使用し得る。又、コントローラー１１２−ａは、バルブ１１６−ａを用いて不活性ガスをチャンバー１０２−ａに何時連続的にパージするかを制御し得る。コントローラー１１２−ａは又、チャンバーがチャンバー１０２−ａ内の環境でＣ−Ｏ−Ｈ化合物１０４−ａを解離させるのに必要な高温を提供するように加熱システム１１０−ａを制御し得る。コントローラー１１２−ａは又、湿潤供給原料をチャンバー１０２−ａ内に挿入する速度を制御し得る。コントローラー１１２−ａは、湿潤供給原料中の水を水蒸気に変換し且つＣ−Ｏ−Ｈ化合物１０４−ａを加熱して、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物１０４−ａと水との化学反応を引き起こすように、加熱システム１１０−ａの温度を更に制御し得る。ガスセパレーター１２０−ａは、ガス（Ｈ_２、ＣＯ_２）がチャンバー１０２−ａから出た後、反応生成物（例えば、Ｈ_２及びＣＯ_２ガス並びに恐らく他の反応生成物）を分離する為に使用され得る。

バイオマス処理時、システム１００−ａは、大気圧から極僅かに正の圧力まで（約１０ｔｏｒｒだけ正の圧力まで）で動作し得る。これは、システム内の漏れを最小限に抑えるように機能し、漸増圧力イベントのリスクを有意に低減し得る。一実施形態では、システムは、約７ｔｏｒｒだけ正の圧力で動作する。

幾つかの実施形態では、水供給ライン１０６−ａは、チャンバー１０２−ａ内に導入される前に水がＣ−Ｏ−Ｈ化合物と組み合わされて湿潤形態の化合物を形成し得るように構成され得る。幾つかの実施形態は、湿潤化合物をチャンバー１０２−ａ内に移動させる為に利用され得る搬送装置機構（図示せず）を含み得る。

幾つかの実施形態では、反応生成物は、以上で考察した液体燃料を含み得る。これは、次いで、捕集の為に利用可能であり得る。幾つかの実施形態では、水素及び／又は二酸化炭素ガスが、最終生成物として抽出され得る。

最終生成物として水素ガスを製造する幾つかの特定の実施形態では、次いで、水素ガスは、異なるシステムにより電力若しくは熱を発生させる為に更に使用可能であるか、又は精製ガスとして販売及び配送する為にパッケージング可能である。特定の実施形態では、不活性ガスを提供する為のガス供給ライン１１４−ａは、存在しない。そのような場合、チャンバー１０２−ａに挿入される湿潤供給原料中の痕跡量の連行空気は、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物１０４−ａと反応して水及び二酸化炭素を生成し得る。

種々の実施形態に従ってＣ−Ｏ−Ｈ化合物を水素及び／又は液体燃料に変換する為の他の単純化されたシステム１００−ｂの全体的概要を図１Ｂに提供する。システム１００−ｂは、チャンバー１０２−ｂ、チャンバー１０２−ｂと熱連通状態の加熱システム１１０−ｂ、不活性ガスをチャンバー１０２−ｂ内に提供する為の任意選択のガス供給ライン１１４−ｂ、供給原料ホッパー内又はチャンバー１２２−ｂ内に水を添加する為の及び／又はＣ−Ｏ−Ｈ化合物と混合する為の水供給ライン１０６−ｂ、生成物ガス（例えば、使用される特定の化合物に依存してＨ_２及びＣＯ_２）をチャンバー１０２−ｂから送出して任意選択のガスセパレーター１２０−ｂに流入させる為の排出ライン１１８−ｂ、及び／又はコントローラー１１２−ｂを含み得る。湿潤Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物１０４−ｂは、チャンバー１０２−ｂ内に配設され得る。チャンバー１２２−ｂは、混合チャンバー及び／又は組合せチャンバーとして構成され得る。ここで、水は、化合物と混合されて及び／又は組み合わされて湿潤Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物を形成し得る。種々の実施形態に係る方法に好適であることが判明し得る湿潤Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物１０４−ｂの例としては、湿潤させ得るセルロース源、ヘミセルロース源、及び／又はリグニン源が挙げられるが、これらに限定されるものではない。Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物は、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物を含む廃棄物流源を含み得る。以下で更に説明されるように、幾つかのプロセスは、不活性ガスを使用し得る。又、コントローラー１１２−ｂは、バルブ１１６−ｂを用いて不活性ガスをチャンバー１０２−ｂに何時連続的にパージするかを制御し得る。コントローラー１１２−ｂは又、チャンバーがチャンバー１０２−ｂ内の環境でＣ−Ｏ−Ｈ化合物１０４−ｂを解離させるのに必要な高温を提供するように加熱システム１１０−ｂを制御し得る。コントローラー１１２−ｂは又、湿潤供給原料をチャンバー１０２−ｂ内に挿入する速度を制御し得る。バルブ１１７は、幾つかの場合に利用され売る。コントローラー１１２は、湿潤供給原料中の水を水蒸気に変換し且つＣ−Ｏ−Ｈ化合物１０４−ｂを加熱して、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物１０４−ｂと水との化学反応を引き起こすように、加熱システム１１０−ｂの温度を更に制御し得る。ガスセパレーター１２０−ｂは、ガス（Ｈ_２、ＣＯ_２）がチャンバー１０２−ｂから出た後、反応生成物（例えば、Ｈ_２及びＣＯ_２ガス並びに恐らく他の反応生成物）を分離する為に使用され得る。

バイオマス処理時、システム１００−ｂは、大気圧から極僅かに正の圧力まで（約１０ｔｏｒｒだけ正の圧力まで）で動作し得る。これは、システム内の漏れを最小限に抑えるように機能し、漸増圧力イベントのリスクを有意に低減し得る。一実施形態では、システムは、約７ｔｏｒｒだけ正の圧力で動作する。

幾つかの実施形態では、水供給ライン１０６−ｂは、チャンバー１０２−ｂ内に、例えば、供給原料ホッパー又はチャンバー１２２内に導入される前に水がＣ−Ｏ−Ｈ化合物と組み合わされて湿潤形態の化合物を形成し得るように構成され得る。幾つかの実施形態は、湿潤化合物をチャンバー１０２−ｂ内に移動させる為に利用され得る搬送装置機構１２４を含み得る。幾つかの実施形態は、湿潤供給原料をチャンバー１０２−ｂ内に移動するのを支援する為に重力を利用し得る。幾つかの場合、湿潤供給原料は、チャンバー１０２−ｂ内に手動で移動され得る。

幾つかの実施形態では、反応生成物は、以上で考察した液体燃料を含み得る。これは、次いで、捕集の為に利用可能であり得る。幾つかの実施形態では、水素及び／又は二酸化炭素ガスが、最終生成物として抽出され得る。

最終生成物として水素ガスを製造する幾つかの特定の実施形態では、次いで、水素ガスは、異なるシステムにより電力若しくは熱を発生させる為に更に使用可能であるか、又は精製ガスとして販売及び配送する為にパッケージング可能である。特定の実施形態では、不活性ガスを提供する為のガス供給ライン１１４−ｂは、存在しない。そのような場合、チャンバー１０２−ｂに挿入される湿潤供給原料中の痕跡量の連行空気は、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物１０４４−ｂと反応して水及び二酸化炭素を生成し得る。

水素を燃焼させて電力及び／又は熱を発生させる技術は、当技術分野で公知である。ジョージ・ロタース（Ｇｅｏｒｇｅ Ｒｏｔｅｒｓ）、ヘルムト・ソマー（Ｈｅｌｍｕｔ Ｓｏｍｍｅｒ）、ゲンリー・エルリク（Ｇｅｎｒｉｈ Ｅｒｌｉｋｈ）、及びイェフダ・パシュト（Ｙｅｈｕｄａ Ｐａｓｈｕｔ）による「水素リッチ環境で酸素を燃焼させることにより形成される水蒸気及び水素を含むプロセスガスを製造する為の方法及び装置」という名称の（特許文献１）の全内容は、あらゆる目的で参照により本明細書に組み込まれる。

例示を目的として、水素を燃焼させる為の単純化された例示的システム２００を図２に提供する。システム２００は、燃焼チャンバー２３０、水素に点火して酸素中で燃焼させることにより水蒸気２３８を形成し熱を発生させる為のバーナー２３６、燃焼チャンバー２３０内にＨ_２を提供する為のＨ_２ガス供給ライン、燃焼チャンバー２３０内にＯ_２又は空気を提供する為のガス供給ライン、水蒸気２３８を燃焼チャンバー２３０から送出する為の排出ライン２４０、及び不活性ガスが使用される幾つかの実施形態で燃焼チャンバー２３０にＨ_２ガスを導入する前に不活性ガスを提供して燃焼チャンバーをフラッシングする為の不活性ガス供給ライン２４２を含む。水素ガス２３４と酸素ガス２３２との比は、水素が酸素中で完全燃焼され得るように提供され得る。水蒸気２３８は、当技術分野で公知の幾つかの技術の何れかにより、コンバーター２４０で電力に変換され得る。単に例として挙げるにすぎないが、一般的には、特にＮＯやＯ_３等の酸素含有ガスを酸素の代わりに使用することが可能である。記載のごとく、特定の実施形態では、不活性ガスを提供する為のガス供給ライン２４２は、存在しない。そのような場合、チャンバー２３０内の空気は、空気が枯渇するまでＣ−Ｏ−Ｈ化合物と反応して水及び二酸化炭素を生成し得る。

燃焼チャンバーに水素２３４を充填した後、加熱システム２３６を駆動し得る。この時点で、酸素２３２をチャンバー内に導入し得る。燃焼チャンバー２３０内では、酸素２３４は、例えば、水素２３４に対して５秒間の時間遅延を行って導入され得る。単に例として挙げるにすぎないが、加熱システム２３６は、出口２４４の近傍の領域を約７００℃に加熱して点火し燃焼させ得る。酸素２３２と水素２３４との比は、水素が完全燃焼されるように燃焼チャンバー内に提供され得る。

水素を電力に変換する他の方法は、燃料電池を使用するものである。燃料電池は、電気化学的エネルギー変換デバイスである。それは、化学力を電力に変換する。燃料電池は、水素及び酸素を水に変換し、電気及び熱を生成することが可能である。燃料電池は又、水素ガス以外の他の燃料源、例えば、メタノール、天然ガス、ガソリン等のような液体燃料を使用することが可能である。燃料電池発電装置は、ジョン・Ｃ．カレフーン（Ｊｏｈｎ Ｃ．Ｃａｌｈｏｏｎ）による「燃料電池を加熱する為の装置及び方法」という名称の（特許文献２）（その全内容があらゆる目的で参照により本明細書に組み込まれる）に記載されるように、アノード、電解質膜、カソード、及び拡散層を含み、燃料は、アノードで酸化され、酸素は、カソードで還元される。

図３は、Ｈ_２ガスを燃料として使用する為の単純化された燃料電池システム３００を示している。システム３００は、アノード３５４及びカソード３５６、電解質３５８、水素ガス３５０供給ライン及び酸素ガス３５２供給ラインを含む。水素３５０は、ガス供給ラインから燃料電池のアノード３５４に供給され得る。一方、酸素３５２は、ガス供給ラインから燃料電池のカソード３５６に供給され得る。水素３００原子は、アノード３５４中の触媒３６４と反応して、プロトン３６０及び電子３６２に分離される。一方、酸素分子３５２は、カソード３５６中の触媒３６６と反応して、負電荷を有する２つの個別酸素原子に分離される。

電解質３５８は、アノード３５４とカソード３５６との間に位置決めされる。電解質３５８は、アノード３５４とカソード３５６との間でプロトン３６０を運ぶ為の導体として機能する。プロトン３６０は、電解質を通り抜けることが許可されるが、電子３６２は、許可されない。プロトン３６０は、カソード３５６中の酸素３５２に向って電解質３５８を通り抜ける。その結果、残された電子３６２に起因して、アノード３５４中に負電荷が蓄積される。電子３６２の蓄積により発生した電位は、電力を供給する為に使用される。一方、プロトンは、膜（電解質）を通ってカソードに拡散し、カソードで水素原子が再結合され、カソードで酸素と反応して水を形成する。

水素及び酸素を水に変換して電気を発生する多くのタイプの燃料電池が存在する。例えば、特に、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、及びアルカリ燃料電池（ＡＦＣ）である。効率は、種々の燃料電池によって異なり、単に例として挙げるにすぎないが、３０％〜８５％の範囲内である。

化学反応も又、燃料電池によって異なる。例えば、アノード、カソード、及び燃料電池でのＰＥＭ反応を記述する化学反応式は、以下のように提供され得る。
アノード：Ｈ_２（ｇ）→２Ｈ^＋（ａｑ）＋２ｅ⁻
カソード：１／２Ｏ_２（ｇ）＋２Ｈ^＋（ａｑ）＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ（ｌ）
燃料電池：Ｈ_２（ｇ）＋１／２Ｏ_２（ｇ）→Ｈ_２Ｏ（ｌ）

ＰＡＦＣ反応を記述する化学反応の他の例は、以下に提供される。
アノード：Ｈ_２（ｇ）→２Ｈ^＋（ａｑ）＋２ｅ⁻
カソード：１／２Ｏ_２（ｇ）＋２Ｈ^＋（ａｑ）＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ（ｌ）
燃料電池：Ｈ_２（ｇ）＋１／２Ｏ_２（ｇ）＋ＣＯ_２→Ｈ_２Ｏ（ｌ）＋ＣＯ_２。
ＰＡＦＣが約１．５％の低濃度のＣＯ_２に耐えられることに留意されたい。この為、許容可能な水素燃料の選択の幅が広くなる。

水素を電力に変換する為のプロセス
水素を抽出してその水素を電力に変換する為の種々の実施形態に係るシステム及びプロセスは、ガス化空間の問題として特定される課題の多くに対処し得る。単純化されたシステム設計は、ホームユニットサイズから商用発電まで非常に広範にわたるスケーラビリティーを可能にし得る。プロセスは、ガス化技術を非効率的にする傾向のある熱損失を引き起こす熱問題に重点を置き得る。プロセスは、過剰の熱を生成し得るが、環境への及び排出ガスによる熱損失を補償し得る。発熱性が原因で、入力パワーから出力される熱パワーのテコ比は、２０を超え得る。

図４Ａは、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物を発電用の水素に変換する為に使用し得る種々の実施形態に係る方法４００−ａの概要を提供する。図４Ａ及び他のフロー図では、示された工程の特定の選択及びそれらが示された順序は、単に例示的であることが意図されたものにすぎない。本発明の異なる実施形態に従って、代替的な順序で特定の工程を実施したり、特定の工程を省略したり、特定の追加の工程を加えたりすることが可能である。これらの変形形態の必ずしも全部というわけではないが、幾つかを以下の説明に述べる。方法４００−ａは、図１Ａのシステム１００−ａ、図１Ｂのシステム１００−ｂ、図２のシステム２００、及び／又は図３のシステム３００の態様を利用して実現され得る。

ブロック４０４−ａでは、水をＣ−Ｏ−Ｈ化合物と組み合わせ得る。その例としては、セルロース、ヘミセルロース、及び／又はリグニンが挙げられ得るが、これらに限定されるものではない。Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物は、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物を含む廃棄物流を含み得る。湿潤化合物は、ブロック４０８−ａの反応処理チャンバー内に移動され得る。これらの２つの工程は、工程の一例を提供し、代替的実施形態では、その順序を変更し得る。

ブロック４１２−ａでは、湿潤化合物は、反応チャンバー内で加熱される。そのような加熱は、当業者に公知の多種多様な技術を用いて達成され得る。その幾つかは、特定の構造実施形態に関連して以上に記載した。幾つかの場合、化合物は、７００℃〜１１００℃の温度に加熱され得るが、他の温度も又、有効であることが本発明者らには分かっている。湿潤化合物を加熱することにより、解離を引き起こし、解離された構成要素の反応を引き起こし得る。典型的な反応生成物は、分子状水素Ｈ_２及び二酸化炭素ＣＯ_２を含む。関与する反応は、水熱分解をはじめとする非酸化反応を含み得る。

方法４００−ａは、大気圧から極僅かに正の圧力まで（約１０ｔｏｒｒだけ正の圧力まで）で動作し得る。これは、システム内の漏れを最小限に抑えるように機能し、漸増圧力イベントのリスクを有意に低減し得る。一実施形態では、システムは、約７ｔｏｒｒだけ正の圧力で動作する。

図４Ｂは、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物を発電用の水素に変換する為に使用し得る種々の実施形態に係る方法４００−ｂの概要を提供する。図４Ｂ及び他のフロー図では、示された工程の特定の選択及びそれらが示された順序は、単に例示的であることが意図されたものにすぎない。本発明の異なる実施形態に従って、代替的な順序で特定の工程を実施したり、特定の工程を省略したり、特定の追加の工程を加えたりすることが可能である。これらの変形形態の必ずしも全部というわけではないが、幾つかを以下の説明に述べる。方法４００−ｂは、図１Ａのシステム１００−ａ、図１Ｂのシステム１００−ｂ、図２のシステム２００、及び／又は図３のシステム３００の態様を利用して実現され得る。方法４００−ｂは、図４００−Ａの一例であり得る。

ブロック４０４−ｂでは、水をＣ−Ｏ−Ｈ化合物と組み合わせ得る。その例としては、セルロース、ヘミセルロース、及び／又はリグニンが挙げられ得るが、これらに限定されるものではない。Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物は、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物を含む廃棄物流を含み得る。湿潤化合物は、ブロック４０８−ｂの反応処理チャンバー内に移動され得る。これらの２つの工程は、工程の一例を提供し、代替的実施形態では、その順序を変更し得る。例えば、化合物を乾燥状態で反応処理チャンバー内に配設し得る。この場合、「移動」は、そこに配設された状態で水と組み合わせることにより行われ得る。更に他の例では、反応処理チャンバー内に移動する時に、例えば、移動の一部としてスプレーシステムを用いて、水を化合物に適用し得る。

ブロック４１２−ｂでは、湿潤化合物は、反応チャンバー内で加熱される。そのような加熱は、当業者に公知の多種多様な技術を用いて達成され得る。その幾つかは、特定の構造実施形態に関連して以上に記載した。幾つかの場合、化合物は、７００℃〜１１００℃の温度に加熱され得るが、他の温度も又、有効であることが本発明者らには分かっている。湿潤化合物を加熱することにより、解離を引き起こし、解離された構成要素の反応を引き起こし得る。典型的な反応生成物は、分子状水素Ｈ_２及び二酸化炭素ＣＯ_２を含む。関与する反応は、水熱分解をはじめとする非酸化反応を含み得る。反応チャンバー内で生成された分子状水素は、ブロック４１６〜４２４で処理され得るが、これらの工程の全てが、多くの実施形態に含まれる必要があるとは限らない。

特定的には、水素の生成が１００％であり、且つ反応生成物中に残留する痕跡量の未反応構成要素が存在し得るとは、予想されない。例えば、ブロック４１６で水素反応生成物を減圧チャンバーに通すことは、痕跡量の未反応炭素を除去するのに有用であり得る。又、ブロック４２０で水素反応生成物を水冷チャンバーに通すことは、未反応水及びタールを除去するのに有用であり得る。

水素をプロセスから抽出した後、以上に記載したように、例えば、燃焼プロセス、レシプロエンジン、又は燃料電池プロセスを用いて、エネルギーを発生させる為にブロック４２４で処理され得る。水素は又、幾つかの実施形態では他の目的で利用され得る。

方法４００−ｂは、大気圧から極僅かに正の圧力まで（約１０ｔｏｒｒだけ正の圧力まで）で動作し得る。これは、システム内の漏れを最小限に抑えるように機能し、漸増圧力イベントのリスクを有意に低減し得る。一実施形態では、システムは、約７ｔｏｒｒだけ正の圧力で動作する。

図５及び図６は、特定の実施形態の為に本発明に係る方法のより特定的な例を提供する。例えば、図５は、反応１ａ等の反応に基づいて、セルロース、ヘミセルロース、及び／又はリグニン等のＣ−Ｏ−Ｈ化合物源を水素に変換する第１の方法５００、次いで、水素を電力に変換する工程をまとめたフロー図である。化合物は、少なくとも１種のＣ−Ｏ−Ｈ化合物を含む廃棄物流を含み得る。水をＣ−Ｏ−Ｈ化合物と組み合わせて、湿潤形態のＣ−Ｏ−Ｈ化合物を生成し得る。湿潤形態のＣ−Ｏ−Ｈ化合物は、反応処理チャンバー内に移動され得る。湿潤形態のＣ−Ｏ−Ｈ化合物は、少なくとも水素ガス及び／又は液体燃料を含む反応生成物を伴ってＣ−Ｏ−Ｈ化合物の構成要素が解離して反応するように、反応チャンバー内で加熱され得る。幾つかの実施形態は、水熱分解反応等の非酸化反応を利用して水素及び／又は液体燃料を生成し得る。水素ガス及び／又は液体燃料は、電力や熱を発生させたり又は様々なタイプのエンジンを駆動したりする為に利用され得る。

方法５００は、図１Ａのシステム１００−ａ、図１Ｂのシステム１００−ｂ、図２のシステム２００、及び／又は図３のシステム３００の態様を利用して実現され得る。方法５００の幾つかの方法は、異なる反応を利用し得る。プロセスは、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物源をチャンバー内に導入することにより、ブロック５０２から開始され得る。次いで、ブロック５０４で、チャンバーを不活性ガスでフラッシングしてチャンバー内の空気を置き換え得る。不活性ガスは、アルゴン、窒素、ヘリウム等を含み得る。本発明の特定の実施形態では、チャンバーが空気で充填されるように、不活性ガスがチャンバー内に導入されない。特定の実施形態では、湿潤セルロース系供給原料は、加熱チャンバーを通って連続的に移動し、不活性ガスは使用されない。又、チャンバーのジオメトリーは、チャンバー内の空気の存在を最小限に抑えるものである。空気は、チャンバー内で空気が枯渇するまで、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物と反応し得る。ブロック５０６でＣ−Ｏ−Ｈ化合物源を含有するチャンバーを加熱して、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物の解離を引き起こし得る。解離により、水素ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、他の炭化水素、及び炭素残渣が形成され得る。水素ガスは、当技術分野で公知の技術によりブロック６０８で二酸化炭素ガスから分離され得る。図は、水素を電力に変換する２つの可能な方法を示しているが、他の方法を利用し得る。水素を電気に変換する一方法は、ブロック５１２で燃料電池内で水素を酸素と反応させることである。水素を電気に変換する他の方法は、熱放出と共に水蒸気が形成されるように、ブロック５１０で燃焼チャンバー内で水素ガスを酸素中で燃焼させることである。次いで、当技術分野で公知の技術により、熱エネルギーから電気を生成する為に、ブロック５１４で水蒸気を膨張タービン等のエネルギーコンバーターに供給し得る。

図６は、反応２ａ等の反応に基づいてＣ−Ｏ−Ｈ化合物源を水素に変換する第２の方法５００、及び水素を電力に変換する工程をまとめたフロー図である。方法６００は、図１Ａのシステム１００−ａ、図１Ｂのシステム１００−ｂ、図２のシステム２００、及び／又は図３のシステム３００の態様を利用して実現され得る。方法６００は、幾つかの実施形態では他の反応を利用し得る。プロセスは、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物源をチャンバー内に導入することにより、ブロック６０２から開始される。次いで、ブロック６０４で、チャンバーを不活性ガスでフラッシングしてチャンバー内の空気を置き換え得る。不活性ガスは、アルゴン、窒素、ヘリウム等を含み得る。特定の実施形態では、チャンバーが空気で充填されるように、不活性ガスがチャンバー内に導入されない。空気は、チャンバー内で空気が枯渇するまで、セルロース、ヘミセルロース、及び／又はリグニンと反応する。

次いで、水をＣ−Ｏ−Ｈ化合物と反応させて水素及び二酸化炭素を形成する必要があり得るので、ブロック６０６で水をチャンバー内に添加し得る。液体形態の水を加熱して水蒸気に変化させ得る。又、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物源を含有するチャンバーを、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物がブロック６０８で水蒸気と反応し得る温度に、加熱し得る。特定の実施形態では、湿潤セルロース系供給原料は、加熱チャンバーを通って連続的に移動し、不活性ガスは使用されない。又、チャンバーのジオメトリーは、チャンバー内の空気の存在を最小限に抑えるものである。Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物と水との反応により、水素ガス及び二酸化炭素ガスが形成される。当技術分野で公知の技術によりブロック６１０で水素ガスを二酸化炭素ガスから分離する必要がある。

図は、水素を電力に変換する２つの可能な方法を示しているが、他の方法も利用し得る。水素を電気に変換する一方法は、ブロック６１４で、燃料電池内で水素を酸素と反応させることである。水素を電気に変換する他の方法は、熱放出と共に水蒸気が形成されるように、ブロック６１２で、燃焼チャンバー内で水素ガスを酸素中で燃焼させることである。次いで、当技術分野で公知の技術により、熱エネルギーから電気を生成する為に、ブロック６１６で水蒸気をエネルギーコンバーターに供給し得る。

セルロース反応２ａ及び２ｂは、自動車用途の為の幾つかの特異な特徴を有し得る。最初に、エンジンからの廃熱を利用して水素生成用の反応チャンバーを加熱することにより、以上で考察したように、４００℃で水蒸気を形成する為に及びセルロースを加熱する為に使用される熱である４８７ｋＪ／ｍｏｌのエネルギーを再捕獲できる可能性がある。これは、（４８７ｋＪ／ｍｏｌ）／（２９０２ｋＪ／ｍｏｌ）に等しい１７％だけエネルギー出力を改良し得る。

更に反応２ｂで水素の燃焼から発生された水蒸気を水素発生チャンバーに再循環させ得るので、水の使用は、セルロースプロセスを開始する初期のみにすぎないであろう。反応２ａ及び２ｂに示されるように、変換されたセルロースの各モルから１２モルの水が放出される。単に例として挙げるにすぎないが、反応２ｂからの水を、何ら損失を伴うことなく再使用すれば、反応２ａ及び２ｂで正味５モルの水がセルロースから形成される。反応２ｂからの生成水の適正な使用及び捕獲により、セルロース反応プロセスを持続するうえで正味の水を不要にし得る。これにより、反応２ａで１６２ｇ（１モル）のセルロースに対して１２６ｇ（７モル）の重量の水が自動車に対する追加の負荷になる恐れがあるという初期の懸念が排除され得る。

そのほかに、セルロースを発電用の水素に変換する為のシステムは、ガソリンの使用と比較した場合、二酸化炭素発生の生成を低減し得る。これは、地球温暖化問題の懸念を和らげるのに役立ち得る。先に論述したように、１マイル／ｋＷ-ｈｒでは、反応２ａで１モルのセルロースに対する二酸化炭素の放出は、
（６×４４ｇＣＯ_２）／（１２×２ｇＨ_２）＝１１ｇＣＯ_２／ｇＨ_２
（１１ｋｇＣＯ_２／ｋｇＨ_２）／（３３．６ｋＷ-ｈｒ／ｋｇＨ_２）／（１マイル／ｋＷ-ｈｒ）＝０．３３ｋｇＣＯ_２／マイル
により推定され得る。

これとは対照的に、ガソリンは、１ガロン当たり約９ｋｇの二酸化炭素を放出する可能性がある。単に例として挙げるにすぎないが、車が２８マイル／ガロンガソリンである場合、１モルのセルロースからの二酸化炭素放出は、２８マイル／ガロン×０．３３ｋｇＣＯ_２／マイル＝９．２４ｋｇＣＯ_２／ガロンに等しくなり得る。これは、ガソリンから放出されるものとほぼ等価である。然しながら、セルロースプロセスは再生可能である。控え目な推定１マイル／ｋＷ-ｈｒＨ_２の５倍である５マイル／ｋＷ-ｈｒＨ_２を達成可能であれば、水素燃焼は、５×２８＝１４０マイル／ガロンガソリン等価二酸化炭素放出であろう。従って、比較的少ない二酸化炭素が水素燃焼から生成され得る。

セルロース系バイオマスを水素に変換する為のプロセスは、セルロース系バイオマス生成物の再循環を向上させ、その廃棄物を発電に回し得る。例えば、セルロース系バイオマスの廃棄物には、現時点では経済的に回収されないが深刻な火災の危険を呈する林床が含まれる。本発明の使用によりセルロース系バイオマス廃棄物が経済的に再循環されるようになれば、危険問題が低減され得る。現時点では最終的に埋め立てられる他のセルロース系バイオマス廃棄物も又、再循環により利用され得る。

セルロース又は他のＣ−Ｏ−Ｈ化合物から液体燃料を製造する為のプロセス
図７は、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物、例えば、リグニン、セルロース、若しくはヘミセルロース又はそれらの組合せから液体燃料を製造する為に使用し得る方法７００の概要を提供する。幾つかの実施形態は、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物を含む廃棄物流又は生成物を利用し得る。方法７００は、図１のシステム１００−ａ、図１Ｂのシステム１００−ｂ、図２のシステム２００、及び／又は図３のシステム３００の態様を利用して実現され得る。図７では、示された工程の特定の選択及びそれらが示された順序は、単に例示的であることが意図されたものにすぎない。本発明の異なる実施形態に従って、代替的な順序で特定の工程を実施したり、特定の工程を省略したり、特定の追加の工程を加えたりすることが可能である。これらの変形形態の必ずしも全部というわけではないが、幾つかを以下の説明に述べる。

図７のブロック７０４では、水は、Ｃ−Ｏ−Ｈ化合物、例えば、セルロース、ヘミセルロース、リグニン、又はそれらの組合せと組み合わされ得る。湿潤化合物は、ブロック７０８で反応処理チャンバー内に移動され得る。これらの２つの工程は、工程の一例を提供し、代替的実施形態では、その順序を変更し得る。例えば、化合物を乾燥状態で反応処理チャンバー内に配設し得る。この場合、「移動」は、そこに配設された状態で水と組み合わせることにより行われ得る。更に他の例では、反応処理チャンバー内に移動する時に、例えば、移動の一部としてスプレーシステムを用いて、水を化合物に適用し得る。

ブロック７１２では、湿潤化合物は、反応チャンバー内で加熱され得る。そのような加熱は、当業者に公知の多種多様な技術を用いて達成され得る。その幾つかは、特定の構造実施形態に関連して以上に記載した。幾つかの場合、化合物は、７００℃〜１１００℃の温度に加熱されるが、他の温度も又、有効であることが本発明者らには分かっている。湿潤化合物を加熱することにより、解離を引き起こし、解離された構成要素の反応を引き起こす。典型的な反応生成物は、液体燃料に加えて、分子状水素Ｈ_２及び二酸化炭素ＣＯ_２を含む。特定の反応生成物は、使用される反応機構に依存する。その例は、以上に提供された。液体燃料は、ブロック７１４で捕集され得る。

反応チャンバー内で生成された分子状水素が更に処理される実施形態では、ブロック７１６〜７２４に示された工程が行われ得るが、これら工程は、全ての実施形態に含まれるとは限らない。従って、それらは、破線で示されている。

特定的には、液体燃料の生成が１００％であり、且つ反応生成物中に残留する痕跡量の未反応構成要素が存在し得るとは、予想されない。例えば、ブロック７１６で液体燃料反応生成物を減圧チャンバーに通すことは、痕跡量の未反応炭素を除去するのに有用であり得る。又、ブロック７２０で液体燃料反応生成物を水冷チャンバーに通すことは、未反応水を除去するのに有用であり得る。

水素を最終生成物としてプロセスから抽出した後、以上に記載したように、例えば、燃焼プロセス又は燃料電池プロセスを用いて、エネルギーを発生させる為にブロック７２４で処理され得る。幾つかの実施形態では、二酸化炭素ガスも又、最終生成物として抽出され得る。

他の可能な用途
セルロース又は他のＣ−Ｏ−Ｈ化合物、例えば、ヘミセルロース若しくはリグニン又はそれらの組合せから液体燃料を製造する為のプロセスは、セルロース系バイオマス生成物の再循環を向上させ、セルロース系廃棄物を液体燃料に変換し、エネルギー生産に使用し得る。例えば、セルロース系バイオマスの廃棄物には、現時点では経済的に回収し得ないが深刻な火災の危険を呈する林床が含まれる。異なる実施形態を用いてこのセルロース系廃棄物を再循環させると、この危険問題が低減され得る。現時点では最終的に埋め立てられる他のセルロース系廃棄物も又、再循環により利用され得る。

１つ以上の実施形態の詳細な説明を以上に与えてきたが、本発明の趣旨に違うことなく、種々の代替物、改変物、及び均等物が、当業者には自明であろう。更に、明らかに不適切である場合を除いて又は特に明示的な断りのある場合を除いて、異なる実施形態の特徴、デバイス、及び／又は成分は、置換え及び／又は組合せを行い得ると見做されるべきである。従って、以上の説明は、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の範囲を限定するものと見做されるべきではない。

Claims (15)

1. 炭素と酸素と水素とを含む化合物から少なくとも水素ガス又は液体燃料を抽出する方法であって、
   水を前記化合物と組み合わせて湿潤形態の化合物を生成することと、
   前記湿潤形態の化合物を反応処理チャンバー内に移動することと、
   前記湿潤形態の化合物に含まれる構成要素が水熱分解反応により解離して反応するように、前記湿潤形態の化合物を前記反応処理チャンバー内で７００℃〜１１００℃の温度に加熱することと、但し、１種の反応生成物は少なくとも前記水素ガス又は前記液体燃料を含み、
   少なくとも前記水素ガス又は前記液体燃料を抽出することと、
   を含む方法。
2. 前記湿潤形態の化合物を前記反応処理チャンバー内で加熱することが大気圧条件下で行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記化合物が、少なくとも、セルロース、リグニン、ヘミセルロース、又は廃棄物流を含む、請求項１に記載の方法。
4. 不活性ガス流を前記反応処理チャンバーに提供すること、を更に含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記不活性ガスが少なくともアルゴン又は窒素を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記抽出水素ガスが、少なくとも、電力若しくは熱を少なくとも発生させる為、液体燃料を製造する為、水素ガスを燃焼させることにより、又は前記水素ガスを燃料電池内に供給することにより、処理される、請求項１に記載の方法。
7. 前記水が液体水を含む、請求項１に記載の方法。
8. 反応生成物ガスを減圧チャンバーに通して痕跡量の未反応炭素を除去することを含む、請求項１に記載の方法。
9. 反応生成物ガスを水冷チャンバーに通して未反応水を除去することを含む、請求項１又は８に記載の方法。
10. 前記湿潤形態の化合物を前記反応処理チャンバー内に移動することが連続的に行われる、請求項１に記載の方法。
11. 少なくとも、
    前記液体燃料がメタノールを含むと共に、前記湿潤形態の化合物を前記反応チャンバー内で加熱することが、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋６Ｈ_２Ｏ→ＣＨ_４Ｏ＋５ＣＯ_２＋９Ｈ_２を引き起こすことを含み、または、
    前記液体燃料がメタノールを含むと共に、前記湿潤形態の化合物を前記反応チャンバー内で加熱することが、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋５Ｈ_２Ｏ→２ＣＨ_４Ｏ＋４ＣＯ_２＋６Ｈ_２を引き起こすことを含み、または、
    前記液体燃料がメタノール含むと共に、前記湿潤形態の化合物を前記反応チャンバー内で加熱することが、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋４Ｈ_２Ｏ→３ＣＨ_４Ｏ＋３ＣＯ_２＋３Ｈ_２を引き起こすことを含み、または、
    前記液体燃料がメタノール含むと共に、前記湿潤形態の化合物を前記反応チャンバー内で加熱することが、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋３Ｈ_２Ｏ→４ＣＨ_４Ｏ＋２ＣＯ_２を引き起こすことを含み、または、
    前記液体燃料がエタノール含むと共に、前記湿潤形態の化合物を前記反応チャンバー内で加熱することが、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋４Ｈ_２Ｏ→Ｃ_２Ｈ_６Ｏ＋４ＣＯ_２＋６Ｈ_２を引き起こすことを含み、または、
    前記液体燃料がエタノール含むと共に、前記湿潤形態の化合物を前記反応チャンバー内で加熱することが、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋Ｈ_２Ｏ→２Ｃ_２Ｈ_６Ｏ＋２ＣＯ_２を引き起こすことを含み、または、
    前記液体燃料がプロパノール含むと共に、前記湿潤形態の化合物を前記反応チャンバー内で加熱することが、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋２Ｈ_２Ｏ→Ｃ_３Ｈ_８Ｏ＋３ＣＯ_２＋３Ｈ_２を引き起こすことを含み、または、
    前記液体燃料がブタノール含むと共に、前記湿潤形態の化合物を前記反応チャンバー内で加熱することが、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５→Ｃ_４Ｈ_１０Ｏ＋２ＣＯ_２を引き起こすことを含み、または、
    前記液体燃料がガソリン含むと共に、前記湿潤形態の化合物を前記反応チャンバー内で加熱することが、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋４Ｃ＋４Ｈ_２Ｏ→Ｃ_７Ｈ_１６＋２ＣＯ_２を引き起こすことを含み、または、
    前記液体燃料がディーゼル油含むと共に、前記湿潤形態の化合物を前記反応チャンバー内で加熱することが、反応Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５＋１０Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→Ｃ_１６Ｈ_２４＋６ＣＯ_２を引き起こすことを含む、
    請求項１に記載の方法。
12. 炭素、酸素、及び水素を含む化合物から少なくとも水素ガス又は液体燃料を抽出する為のシステムであって、
    反応処理チャンバーであって、湿潤形態の前記化合物に含まれる構成要素が水熱分解反応により解離して反応することにより前記水素ガス又は前記液体燃料を生成するように、前記反応処理チャンバーと加熱源が、前記湿潤形態の化合物を前記反応処理チャンバー内で加熱するように構成されている、前記反応処理チャンバーと、
    前記反応処理チャンバーの内部と熱連通状態の前記加熱源であって、少なくとも前記反応処理チャンバーと前記加熱源が、前記湿潤形態の化合物を７００℃〜１１００℃の温度に加熱することにより前記水熱分解反応を生じさせて少なくとも前記水素ガス又は前記液体燃料を生成するように構成されている、前記加熱源と、
    前記化合物と反応させる為の水源であって、前記水源が、水を前記化合物と組み合わせて前記湿潤形態の化合物を前記反応処理チャンバー外に生成するように構成されている、前記水源と、
    排出システムであって、少なくとも前記水素ガス又は前記液体燃料を前記反応処理チャンバーから抽出するように構成されている、前記排出システムと、を含む、
    システム。
13. 前記湿潤形態の化合物を生成するために前記化合物と反応させる為の水の量を決定すること、
    を含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記湿潤形態の化合物を生成するために前記化合物と反応させる為の水の量を決定することは、
    前記化合物の水の重量パーセントを決定することと、
    前記湿潤形態の化合物を生成するために前記化合物と反応させる為の水の残りの量を決定することであって、前記水の残りの量は前記化合物の水の重量パーセントに基づいて決定されること、
    を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記水源に接続された混合チャンバーであって、前記反応処理チャンバーの外で前記湿潤形態の化合物を生成するために、前記水を前記化合物に結合させる前記混合チャンバー、
    を含む、請求項１２に記載のシステム。

Images