从甲醇水溶液微粒转化及分离氢气的自发性重组系统

摘要

本发明公开了一种从甲醇水溶液微粒转化及分离氢气的自发性重组系统，该系统具有一甲醇水溶液微粒产生器、一火花等离子加热器、一催化剂蒸气反应器及一氢气分离单元；借着将甲醇水溶液微粒子直接喷入火花等离子加热器经由等离子碰撞加热与氧气燃烧加热产生反应，并经催化剂蒸气反应器反应成为氢气与二氧化碳的混合气体，复经氢气分离单元将氢气分离出来，以作为能源供应至内燃机或高温燃料电池或氢气动力机等能量产生单元使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种从甲醇水溶液微粒转化及分离氢气的自发性重组系统，特别是涉及一种从甲醇水溶液微粒分离氢气以作为能源供应至各种动力机使用的氢气分离系统。

背景技术

众所周知，氢气乃是自然界中极为丰富的能源，但是因为其分子最轻，很难储存，均将的压缩或冷却制成液态，而将氢气制成液态再予储存的系统颇为繁复，其获得的成本极为高昂。

(1)甲醇的水蒸气改质法，其反应式如下：

虽然此等甲醇经水蒸气改质成氢气的反应，多年来即为人所熟知，但因技术无法克服而无法于产业上使用。

发明内容

本发明的目的在于延续申请人早先申请的前案(发明专利第200410030696.9号)，提供从甲醇水溶液微粒转化及分离氢气的自发性重组系统，将甲醇水溶液经振荡器oscillator形成细小微粒子后，直接喷入火花等离子加热器加热，并且在反应时引入少量空气与甲醇燃烧产生需要的热量，经催化剂蒸气反应器反应成为氢气、二氧化碳与氮气的混合气体，再经氢气分离单元将氢气分离出来。

依本发明的此种从甲醇水溶液微粒转化及分离氢气的自发性重组系统，将甲醇水溶液经振荡器oscillator形成细小微粒子的产生，粒径平均值小于3μm，加快反应速度及反应效率，此为本发明的次一目的。

依本发明的此种从甲醇水溶液微粒转化及分离氢气的自发性重组系统，其能控制甲醇与空气中的氧气燃烧，以直接提升反应器的温度节省外来能量产生单元的使用，此为本发明的次一目的。

依本发明的此种从甲醇水溶液微粒转化及分离氢气的自发性重组系统，以火花等离子加热，可以利用等离子中离子、电子、自由基(radical)的功能来加快反应速率、延长催化剂的效果寿命及降低催化剂的成本，此为本发明的再一目的。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种从甲醇水溶液微粒转化及分离氢气的自发性重组系统，其具有一甲醇水溶液微粒产生器、一火花等离子加热器、一催化剂蒸气反应器及一氢气分离单元；借着将甲醇水溶液微粒子直接喷入火花等离子加热器经由等离子碰撞加热与氧气燃烧加热产生反应，并经催化剂蒸气反应器反应成为氢气与二氧化碳的混合气体，复经氢气分离单元将氢气分离出来，以作为能源供应至内燃机或高温燃料电池或氢气动力机等能量产生单元使用。

本发明还可以采用以下技术手段实现：

前述的重组系统的甲醇水溶液微粒产生器为一种高效能的微型喷射器，以振荡器输出使甲醇水溶液成为微细的雾滴的高频电能。

前述的重组系统的甲醇水溶液微粒系射入由火花塞的电极间隙放电所形成等离子区，进行等离子碰撞加热与氧气燃烧加热产生反应。

前述的重组系统以火花等离子加热器对甲醇水溶液微粒气体进行等离子碰撞加热与氧气燃烧加热时，火花塞阳极与外接阴极间同时产生电子流并释放电子，让高温的气体进一步离子化，加速重组反应。

前述的重组系统的甲醇水溶液微粒在与催化剂反应前即经火花等离子加热器加热，使其先行反应。

前述的重组系统以火花等离子加热器加热后的甲醇水溶液微粒导入催化剂反应器反应后即转换成含有H₂、CO₂的混合气体，此过程系使用以镍为基的催化剂，操作温度为300℃～460℃。

前述的重组系统催化剂反应器在300℃～460℃，50～300微秒的反应条件底下时，甲醇水溶液微粒自发性高温反应会产生出56.3～65.1％H₂+20.7～23.7％CO₂+11.1～21.1％N₂。

前述的重组系统氢气分离单元系利用氢气与氮气、二氧化碳的密度(density)相差13.9倍以上，使氢气很容易飘浮在氮气、二氧化碳上方，并以一氢浸透薄膜(陶瓷薄膜)提供氢气分离。

前述的重组系统包括可编程逻辑控制器(programmable logic controller)，系用以进行甲醇和水的比例混合→甲醇水溶液微粒产生→空气进气→等离子碰撞加热与氧气燃烧加热→氢气分离等程控，使达到，再经由压力感应器、流率侦测器、压缩机、水位控制器、微阀、微量风扇组等进行控制。

前述的重组系统甲醇在甲醇水溶液中的体积比例控制在57.1～66.7％以控制氢气的产量最佳及温度不会太高。

前述的重组系统包括一储水槽，以提供反应多余水液的储存。

前述的重组系统包括一内燃机或高温燃料电池或氢氧动力机能量产生的以收容水蒸气及作功的电源单元。

前述的重组系统包括一电源供应器，供应火花点燃及电器装置所需电力。

前述的重组系统包括一产生高频率振动能的使甲醇水溶液成为微细的雾滴具有压电转换器(piezoelectric transducers)的芯片。

前述的重组系统的振荡器与压电转换器(piezoelectric transducers)芯片，其安装的斜角会随着相对火花等离子加热器的位置而变化，其变化范围从6°～45°。

前述的重组系统包括一以提供部分氧化反应所需的氧气的微量风扇组。

前述的重组系统包括一以准确控制部分氧化反应所需的空气量分子比例在25.3～44.2％范围的进气控制阀门。

前述的重组系统包括以控制甲醇水溶液微粒产生器能在爬坡及下坡时正常运作的水柱挡板。

前述的重组系统包括一以储存激活电力的电池组。

前述的重组系统包括一以控制火花连续的点火的点火系统。

本发明一种从甲醇水溶液微粒转化及分离氢气的自发性重组系统与现有技术相比具有明显的优势和有益效果：

综上所述可知，本发明的此种从甲醇水溶液微粒转化及分离氢气的自发性重组系统，经由甲醇水溶液微粒产生器、火花等离子加热器、催化剂蒸气反应器、氢气分离单元、热管理单元、可编程逻辑控制器(programmable logic controller)及电池组等流程，通过将甲醇水溶液微粒子喷入火花等离子加热器经由等离子碰撞加热与氧气燃烧加热产生反应，以及由所设氢浸透薄膜(陶瓷薄膜)的作用，使氢的分离更为快速稳定，提供了经由甲醇制造氢气的有效制作方法。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的构成图；

图3为本发明中甲醇水溶液微粒产生器-低马力输出的构造图；

图3A为本发明中压电转换器(piezoelectric transducers)与水面斜角示意图；

图3B为本发明中甲醇水溶液微粒产生器-大马力输出的构造图；

图4为本发明中振荡器oscillator运作流程的说明图；

图4A为本发明中火花等离子加热器及催化剂反应器-低马力输出结构的说明图；

图4B为本发明中进气控制阀门、进气岐管及微量风扇组的说明图；

图4C为本发明中火花等离子加热器及催化剂反应器-大马力输出结构的说明图；

图5为本发明中氢气分离器元的内部构造图与截面图；

图6为本发明的整体系统相关位置表示图。

具体实施方式

有关本发明所采用的技术、手段及其功效，兹举一较佳实施例并配合图式详述如后。

本发明的此种从甲醇水溶液微粒转化及分离氢气的自发性重组系统，如图1所示，包括：甲醇水溶液微粒产生器将甲醇与水溶液混合喷射的流程、以一火花等离子加热器将甲醇水溶液微粒加热的流程、甲醇水溶液微粒与氧气燃烧的流程、催化剂蒸气反应器使已加热的甲醇水溶液微粒反应的流程、一氢气分离器分离出氢气的流程。

上述的自发性高温(autothermal)甲醇蒸气重组反应(3)由(1)甲醇蒸气反应与(2)甲醇部分氧化反应，组合而成，此公式最早由Johnson-Matthey在1980年代末期提出

甲醇蒸气反应

            (1)

甲醇部分氧化反应

          (2)

因此，所有流程的反应变成

    (3)

本发明的进一步详细组成与作用，兹参照图2所示，说明如下：

水箱01，水可以是从内燃机、燃料电池、氢气动力机构氧化反应生成的水，直接流入甲醇水溶液微粒产生器03，多余的水则流入水箱01，可以从外面加干净的水；

甲醇箱02，可以储存从市面或加油站取得的甲醇；

甲醇水溶液微粒产生器03，该甲醇水溶液微粒产生器03为微颗粒喷射器，其内部设有由压电芯片组成的振荡器oscillator，以振荡器电路控制器036产生电流脉波施加给振荡器oscillator 24~48V电压及500KHz~250MHz的讯号，对甲醇水溶液微粒产生器03内的甲醇水溶液作用，使产生甲醇水溶液微粒。

甲醇水溶液微粒产生器03的内部构成，请并参照图3及图3A，图3所表示的低马力的输出示图，图3A所表示的系大马力的输出示图，其中，有多数个振荡器oscillator031，振荡器oscillator 031以一振荡器电路控制器036进行控制，适当高度处设置水位控制器034，其上方则设有相对多数的水柱档板035，水柱檔板035可为横设或直立设置，并设有进气控制阀门044，其上端外部设隔热物053及火花等离子加热器04，图3及图3A的主要不同，系火花等离子加热器04所设位置不同。

振荡器oscillator 031安装的位置及方式，如图3B所示，振荡器031摆放的角度(斜角)033会随着其对映的火花等离子加热器04位置方向不同而变化，斜角变化范围从6°到50°，以利振荡力量对映火花等离子加热器04出口。

如图4所示，该甲醇水溶液微粒产生器03以振荡器oscillator 031高速振荡其表面，甲醇水溶液因其质量惯性跟不上振荡的频率，因此振荡器oscillator 031一通电，振荡器oscillator 031上面就有甲醇水溶液柱产生(如004a)，当振荡器oscillator 031负振幅期间，甲醇水溶液因跟不上移动动作，就有瞬间真空产生(如004b)，空穴产生泡泡，当振荡器oscillator 031正振幅期间就被弹射至甲醇水溶液柱的边缘，并被粉碎成很小的微粒(如004c)。

因甲醇水溶液，经振荡器oscillator 031振荡后，其颗粒变小且整体体积变大，化学反应接触面积也变大，最理想的状况，如1mole H2O，18CC，其颗粒变小完全到气体状态，其体积变成22.4liters，其产生的空气压力大于周围环境，因此，甲醇水溶液微粒会如图4A所示，经由压力差与进气歧管043送出的空气流往外推送，水溶液柱则由水柱挡板035挡回水面，重新振荡。

甲醇水溶液微粒以Insitece公司生产的激光绕射粒径分析仪量测，经几何平均数法、算术平均法、表面积法计算，其粒径平均值小于3μm；

甲醇水溶液微粒产生器03，以水位控制器034控制水面在振荡器031上30mm到45mm范围，水位太低则可编程逻辑控制器(programmable logic controller)09关闭甲醇水溶液微粒产生器03，以免过热故障。

甲醇水溶液微粒进一步导入火花等离子加热器04，该火花等离子加热器04，可为图4A或图4C所示，图4A表示本发明中火花等离子加热器及催化剂反应器以低马力输出的结构说明图；图4C则表示本发明中火花等离子加热器及催化剂反应器以大马力输出的结构说明图；图4A与图4C的不同在于火花塞041及火花塞外接阴极042的数量、位置，以及进气歧管043的位置不同；如图4B所示，进气岐管043一端设置进气控制阀门044，最外侧再设置一微量风扇组045。

其中表示，该火花等离子加热器04以火花塞041的电极间隙放电形成等离子区，所使用的火花塞041可为高能量(HEAVY-DUTY)火花塞，调大阳极阴极间隙增加等离子能量，且火花等离子加热器04内壁涂布氮化硅(Si₃N₄)层或氮化硼(BN)层。

以火花等离子加热器04对甲醇水溶液微粒与适量的空气产生火花使其燃烧加热，该火花等离子加热器04系透过一点火系统06以控制其火花连续点火，经由前述的甲醇部分氧化反应式(2)提供催化剂蒸气反应器05足够的温度，使温度升高至400℃，等离子并对甲醇水溶液微粒混合物的流动气体进行放电，促使前述的甲醇蒸气反应式(1)在转换成含有丰富氢气的气体时，会随着流动的甲醇水溶液微粒的混合而加速形成，因此，该火花等离子加热器04具有提升温度及促进活化甲醇转换成含有丰富氢气的气体的功能；而且，该火花等离子加热器04并使甲醇蒸气混合物与催化剂反应前，即透过同质形式的等离子放电，使其先行反应；

如图4A所示，将以火花等离子加热器04加热后的甲醇水溶液微粒导入催化剂蒸气反应器05反应，该催化剂蒸气反应器05为于一反应管054内设置数个金属蜂窝结构体或陶瓷蜂窝结构体051，反应管054的外部包覆高温保温材料052，并设有隔热物053，其大小与火花等离子加热器04的大小相同，其一端并设有火花塞外接阴极042，以及设有进气歧管043，再，其内壁涂布氮化硅(Si₃N₄)层或氮化硼(BN)层，其蜂窝结构体051则被覆以镍为基础的催化剂，该镍为基础的催化剂布列于蜂窝结构体051；由此，当甲醇水溶液微粒导入催化剂反应器05与镍为基础的催化剂反应后，即以操作温度370℃~460℃之间进行反应，即转换成含有H₂、CO₂的混合气体。

此催化剂反应器05在一定的温度与接触时间范围内作业，如果其在温度300℃的低温下作业，其需要反应时间300微秒，如果要以最快反应(50微秒反应时间)，则反应温度需要超过375℃。

在300℃～460℃，50～300微秒的反应条件底下，甲醇水溶液微粒进行反应，会产生出56.3～65.1％H₂+20.7～23.7％CO₂+11.1～21.1％N₂。

该含有丰富氢气的气体(H₂、CO₂、N₂)，即进入氢气分离单元07，该氢气分离单元07乃如第5图所示，系一导管07，导管07内设有氢浸透薄膜(Hydrogen permeablemembrane)071，因氮气(N₂)的密度(density)是氢气(H₂)的13.9倍，二氧化碳(CO₂)的密度(density)是氢气(H₂)的21.9倍，当含有丰富氢气的气体(H₂、CO₂、N₂)由信道075进入氢气分离单元07后，氢气(H₂)即飘浮在最上层，隔板072先粗略的将氢气(H₂)与氮气(N₂)、二氧化碳(CO₂)分离，再经过氢浸透薄膜(Hydrogen permeable membrane)071，使氢气(H₂)被分离出来，产生出的氢气(H₂)进而通过氢导管074进入各种内燃机、燃料电池、氢气动力机等能量产生单元10，该等能量产生单元10作用后产生电力作功及发电机13发电，进而供应火花点燃、电器装置及电池组08所需电力；能量产生单元10内部产生的水液则再流入甲醇水溶液微粒产生器03。

本发明系统，并包括可编程逻辑控制器(programmable logic controller)09，系用以进行甲醇和水比例混合→甲醇水溶液微粒产生→空气进气→等离子碰撞加热与氧气燃烧加热→氢气分离等控制，使达到，再经由压力感应器、流率侦测器、压缩机、水位控制器、微阀、微量风扇组等进行控制；并包括线圈火星塞点火系统(coil on plug ignition system)11，系用以提供内燃机10运作时能有更高的燃烧效率；并包括混合传动系统(hybrid transmission system)12，系用以与内燃机、燃料电池、氢气动力机等能量产生单元10搭配，能储存空转时的马力及定速巡航多余的马力；初起动时提供马力，以减少内燃机、燃料电池、氢气动力机等能量产生单元10效率的损失及污染；加速爬坡时提供更大的马力需求，进一步达到节省能源的目的。

线圈火星塞点火系统(coil on plug ignition system)11，可以使用市面上的商业系统。

混合传动系统(hybrid transmission system)12，可以使用福特(FORD)公司的混合模块传动系统(modular hybrid transmission system)或市面上的商业系统。

经测试，在催化剂采用美国Synetix(已被Johnson Matthey并购)公司出品的KATALCO 23-4系列以镍为基的催化剂(化学成份：NiO：16wt％、SiO₂＜0.1％wt％、SO₃＜0.05wt％、Al₂O₃：balance＝；或是KATALCO 25-4系列的以镍为基的催化剂(化学成份：NiO：18wt％、K₂O：1.8wt％、SiO₂＜0.1％wt％、Ca/Al₂O₃：balance＝；催化剂与蜂窝状担体的结合方法为先将该粉状催化剂与粘结剂混合成浆状后，再披覆于陶瓷或Fe-Cr-Al的蜂窝状担体，催化剂培烧温度为450℃，池续2小时；以及氢浸透薄膜采用美国REB Research & Consulting Corporate公司的membrane；或是美国ArgonneNational Laboratory、National Energy Technology Laboratory、Eltron Research，Inc.及ITN Energy Systems，Inc.发展的hydrogen transport membrane，可得到以下成果；

实施例1

甲醇水溶液进料70公克/分钟

空气进气24.4公克/分钟

水/甲醇分子数量比例0.8

催化剂蒸汽反应器温度480℃

测试结果：经气相色谱仪(Gas Chromatograph)+浮子式流量计测量

64％H₂，23％CO₂，12％N₂

8公克/分钟氢气。

实施例2

甲醇水溶液进料140公克/分钟

空气进气52.6公克/分钟

水/甲醇分子数量比例0.75

催化剂蒸汽反应器温度440℃

测试结果：经气相色谱仪(Gas Chromatograph)+浮子式流量计测量

64.5％H₂，23.3％CO₂，11.6％N₂

17公克/分钟氢气。

实施例3

甲醇水溶液进料200公克/分钟

空气进气132.3公克/分钟

水/甲醇分子数量比例0.6

催化剂蒸汽反应器温度350℃

测试结果：经气相色谱仪(Gas Chromatograph)+浮子式流量计测量

59.0％H₂，22.3％CO₂，18.1％N₂

25公克/分钟氢气。

实施例4

甲醇水溶液进料440公克/分钟

空气进气228.6公克/分钟

水/甲醇分子数量比例0.667

催化剂蒸汽反应器温度330℃

测试结果：经气相色谱仪(Gas Chromatograph)+浮子式流量计测量

62.1％H₂，23.2％CO₂，14.6％N₂

53.5公克/分钟氢气。

本发明的此种从甲醇水溶液微粒转化及分离氢气的自发性重组系统，借着将微米、纳米颗粒大小的甲醇与微米、纳米颗粒大小的水蒸气混合的超微粒子直接喷入火花等离子加热器加热，微米、纳米颗粒大小的超微粒子可以使化学反应接触面积加大几十倍以上，反应速度非常快，火花等离子除了加热的功能以外，等离子能量移转产生的离子、电子、中子、自由基，则有加快甲醇及水分子分解的反应，并经部分氧气燃烧及催化剂反应器反应成为氢气、氮气与二氧化碳的混合气体，复经氢气分离单元将氢气分离出来，氢气产生诉度快，故能供应至各种内燃机、燃料电池、氢气动力机等能量产生单元使用。

请参阅图6所示，为本发明的系统组成的各部组件相关位置表示图，其中甲醇水溶液微粒产生器03，一端设水位控制器034，其一端连接至水箱01及甲醇箱02，产生的甲醇微粒子进入催化剂反应器05，再经氢分离器07分离，催化剂反应器05的一端设火花塞041及连接火花点火系统06，并以一组微量风扇组045，设于进气歧管043的一端，使火花点火系统06、微量风扇组045及进气歧管043，均联机至可编程逻辑控制器(programmable logic controller)09、电池组08及发电机013，整体组成仅需占用极小空间，故容易实施应用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。