CN101987721B - 氢气混合气发生装置 - Google Patents

Abstract

一种氢气混合气发生装置，包括导流管、雾化器、储液筒和等离子体加热器；导流管下端和储液筒以导管连通，使储存于储液筒内部的甲醇混合液得以导入导流管；导流管底端设置雾化器，以将进入导流管的甲醇混合液雾化成颗粒平均直径不大于2μm的混合液微粒子，混合液微粒子形成后即于导流管向上飘浮流动；导流管一端设有进气口以导入氧气含量大于21％的高氧气体，高氧气体导入后和混合液微粒子充分混合氧化，同时推向等离子体加热器；最后，利用等离子体加热器以等离子体电子群冲击混合液微粒子使产生氢离子、氢氧离子及相对的自由基，并使分离的氢离子、氢氧离子及相对的自由基重复和周边未裂解的混合液微粒子反应，借此达到氢气混合气较高的生成效率。

Description

氢气混合气发生装置

技术领域

本发明涉及一种氢气混合气发生装置，尤其是涉及不需使用喷嘴，也不需使用触媒，而是通过雾化器将甲醇混合液雾化成颗粒平均直径不大于2μm的混合液微粒子，再引进氧气含量大于21％的高氧气体和混合液微粒子充份混合氧化，一起推向等离子体加热器，再以低温等离子体加热器对混合液微粒子加热裂解，最终生成温度可维持在15℃～25℃之间的低温氢气混合气，而且氢气生成的效率较仅导入空气更高，甚至可达4.6倍以上。

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，大部份都以液态保存，然而，将氢气压缩成液态后再予储存的系统相当复杂，成本又高。

利用甲醇来产生氢气的作法，虽然早已为人们所熟知，但由于其所使用的触媒皆为铜铬锰或铜锌铝等氧化物，该触媒在温度到达320℃以上时会有加速老化的现象；而且反应器加热时采取加压或无机金属盐的熔融液，也导致成本的增加，不易操作。再者，传统间接加热的方式，燃烧效率差，无法于瞬间反应，温度无法稳定控制，都造成无法实际应用于现有引擎或燃烧设备的困难。

台湾发明公告第503191号“燃料电池式四轮汽车”、第496376号“电动机车燃料电池储氢装置”及第476333号“以燃料电池为能源系统之电动机车配置构造”等专利案。而燃料电池的燃料-氢气的产生方式，其重组器主要利用储存液态燃料的燃料槽，以喷嘴将燃料雾化，液态燃料再经过重组器内的加热器加热而进一步汽化，汽化后的燃料再经过触媒转换器的转化作用，转化成为富氢气体(Hydrogen Rich Gas)，以及二氧化碳(CO₂)等生成物，其中该氢气最后可被送到燃料电池的阳极与阴极空气中的氧气产生电化学反应而产生电能，并且可用来储存在燃料电池产生的电力的辅助电池。

但在转化过程中，液态燃料需要经过重组器均匀的分布加热，才可以使转化后的氢气产生效果，但由于加热产生的温度无法均匀，而且必须额外提供加热所需能源，以致加热效果不甚理想，而由于无法达到使其完全加热汽化的目的，更造成能源上的浪费。

台湾发明公告第M246204号“可自动切换操作模式之碳氢燃料重组器”专利案，主要利用重组器的加热室分别连接加热塞、空气供应系统、燃料供应系统及水蒸汽供应系统，再借由控制模块设有温度传感器，以感测重组器内触媒层出口的温度变化，而分别控制加热塞、空气供应系统、燃料供应系统及水蒸汽供应系统作动，以自动调整产生出不同的重组模式。

然而，上述利用重组器产生氢气的方式，其实有相当多的缺失，不仅加热无法均匀，而且经由喷嘴雾化出来的颗粒仍然很大，使得必需使用高温等离子体加热器进行加热，而高温加热的结果容易导致积碳，而且以高温等离子体加热器加热后的甲醇微粒，还需要经过触媒反应，不仅产生氢气混合气的效果不理想，而且成本高，整体结构也较大，较为复杂。

而且，利用空气燃烧也有效率不能充分提高的问题。空气中主要包含有21％氧气(O₂)、78％氮气(N₂)、0.9％氩气(Ar)、以及0.1％的其它气体。其中具有助燃功能的氧气只占21％体积，而不能发挥燃烧作用的氮气则占了78％体积，即使空气完全燃烧，也只能发挥21％的燃烧效率。

有鉴于现有产生氢气混合气的重组器存在有上述缺失，本发明人乃针对该些缺失研究改进，经长时间研究终有本发明产生。

发明内容

因此，本发明旨在提供一种氢气混合气发生装置，不使用喷嘴及触媒，而是利用雾化器将甲醇混合液雾化成颗粒平均直径不大于2μm的混合液微粒子，使混合液微粒子形成后自然于导流管内向上飘浮流动，再导入氧气含量大于21％的高氧气体，使混合液微粒子充份氧化升温，由此产生温度保持在15℃～25℃间的氢气混合气。

依本发明的氢气混合气发生装置，当使用的高氧气体的氧气含量在90％～96％时，由于气体中氮气占用的空间大幅减少，氢气的反应量即可增加至4.6倍以上，为本发明的另一目的。

依本发明的氢气混合气发生装置，其不仅能稳定且快速地产生氢气混合气，而且整体的结构简单，耗电量低，为本发明的又一目的。

至于本发明的详细构造、应用原理、作用与功效，则参照下列依附图所作的说明即可得到完全的了解。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的平面示图；

图2为本发明的反应部立体示图；

图3为本发明的反应部的上视图及侧视图；

图4为本发明的反应部的平面示图；

图5为本发明的反应部的纵剖面示图。

[图式组件编号与名称对照]

1储液筒

2反应部

3控制器

4导流管

5雾化部

6等离子体加热器

11导管

12单向阀

21液位感知器

50雾化器

31进气口

32高氧气体供应帮浦

33缓冲段

61正极火花塞

62下正极火花塞

71、72高压线圈

63负电极

410、411、412出口

51压电芯片

52护管

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的组件或具有相同或类似功能的组件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明的氢气混合气发生装置，如图1、2所示，包括：储液筒1、反应部2及控制器3，反应部2上设有导流管4、雾化部5和等离子体加热器6；其中，储液筒1内部主要用以储存以甲醇为主体的甲醇混合液，储液筒1的一端借导管11将甲醇混合液输送至反应部2，导管11的通路上设单向阀12，单向阀12的开启时间及流通量以控制器3控制；

导流管4，设于反应部2的上方，其下方设雾化部5，雾化部5的一侧设液位感知器21，该液位感知器21的一端联机至控制器3，当液位感知器21感知反应部2内的甲醇混合液低于预定量时，将讯号传送至控制器3，再由控制器3控制单向阀12开启，输入甲醇混合液至反应部2；

雾化部2的内部设雾化器50(如图5所示)，雾化器50可选用超音波雾化器或压电式振荡雾化器，主要对进入反应部2内的甲醇混合液进行振荡雾化，将甲醇混合液雾化成平均颗粒直径在2μm以下的混合液微粒子；当甲醇混合液被雾化成平均颗粒直径在2μm以下的混合液微粒子后，自然循着导流管4的管道向上飘浮流动；

如图所示，该导流管4的一端设有二进气口31，该进气口31的一端连接管路至高氧气体供应帮浦32，以便引进氧气含量大于21％的高氧气体(较佳含氧量在90％～96％)，借由引进氧气含量大于21％的高氧气体，可和被雾化的混合液微粒子充份氧化，并使氧化的混合液微粒子温度维持在约80℃之间；当高氧气体被导入后，除了能使混合液微粒子充分氧化外，同时可将氧化的混合液微粒子推向加热区(如图3所示)；

上述高氧气体供应帮浦32，可选用变压吸附(PSA，Pressure SwingAdsorption)、真空吸附(VSA，Vacuum Swing Adsorption)或真空变压吸附(P/VSA，pressure/vacuum swing adsorption)等氧气机，供应90％～96％氧气。氧气设备的压缩机可由电传动或引擎直接传动。

如图所示，在导流管4的出口端设置一组等离子体加热器6，该组等离子体加热器6分别在导流管4的末端上下方各设置五支间隔的上正极火花塞61和下正极火花塞62，上正极火花塞61和下正极火花塞62为交错设置，以形成一密布的电弧反应网区，上正极火花塞61和下正极火花塞62的一端各联机至高压线圈71、72。并且，在导流管4的侧边设置负电极63，于通电后形成片状等离子体电弧，对氧化的混合液微粒子进行裂解加热，加热区域的温度可控制在180℃～230℃之间，裂解生成的氢气混合气温度则可保持在15℃～25℃之间。

当部分氧化升温的混合液微粒子经裂解分离成氢离子、氢氧离子及相对的自由基后，生成的氢离子、氢氧离子及相对的自由基会立即与周边未裂解的其它混合液微粒子反应，借此重复裂解反应以快速生成温度保持在15℃～25℃间的氢气(H₂)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)。

由于本发明的氢气混合气发生装置，其产生的氢气混合气的温度仅约15℃～25℃，可直接导入引擎的进气岐管，提供引擎等燃烧设备使用。

上述甲醇混合液可以使用纯甲醇溶液，或预先混合预定比例水或其它溶液的甲醇水溶液。

上述雾化器5可以采用以自激电路制成的雾化器或他激电路制成的雾化器，但以他激电路制成的雾化器较为省电。

而且，因为等离子体加热器6的加热区温度仅约180℃～230℃，可避免火花塞加热端积碳的发生，而且耗电量小，可直接利用汽、机车电瓶的电力。

如图所示，导流管4的一段为弯曲缓冲段33，借由该缓冲段33，当雾化的平均颗粒直径在2μm以下的混合液微粒子循着导流管4管道飘浮流动至该缓冲段33时会形成汇集作用，此时自进气口31导入高氧气体，即可增加高氧气体和混合液微粒子混合的时间以及混合数量，使混合氧化的混合液微粒子升温。而且，由于进气口31是设置在缓冲段33的附近，高氧气体自进气口31导入后可同时推动混合液微粒子向等离子体加热器6流动。

如图4所示，导流管4的末端可再分成三个出口410、411、412，提供多道管路输出。

如图5所示，设于雾化部5的雾化器50，其内部设有多数压电芯片51，压电芯片51的一端连接电路板，压电芯片51的上方设护管52，该护管52具一定高度，使压电芯片51的上方能随时保持一定量的甲醇混合液，以避免反应部2装设于汽车等设备而呈倾斜时，压电芯片51上方因缺乏混合液而损坏。

本发明的氢气混合气发生装置，实施时，当甲醇混合液被导入反应部2，雾化器5将甲醇混合液雾化成平均颗粒直径在2μm以下的混合液微粒子，使平均颗粒直径在2μm以下的混合液微粒子向上飘浮流动；等到混合液微粒子飘浮流到缓冲段附近时，导入含氧量大于21％的高氧气体，高氧气体可和混合液微粒子充份均匀混合成氧化升温的氧化微粒子，同时借由后续导入的高氧气体将氧化微粒子推向等离子体加热器，再以等离子体加热器6加热裂解；氧化微粒子被加热裂解后，生成分离的氢离子、氢氧离子及相对的自由基，氢离子、氢氧离子及相对的自由基再于瞬间和周边未裂解的氧化微粒子反应，借此快速获得温度保持在15℃～25℃间的氢气(H₂)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)等混合气。

等离子体加热器6的作用方式：

1.以第一级线圈和第二级线圈，利用极低电阻及极低电感的升压变压器、搭配无电阻的火花塞为等离子体输出电极，大量增加电流的流通量。

2.利用微法拉的低电压电容，储存能量，提供短时间第一级线圈的电力；

3.利用微微法拉至奈米法拉的20KV～500KV高电压电容，储存高电压能量，提供瞬间大量的等离子体能量。

4.利用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)直流电源，供应第一级线圈的电力需求，减少损耗，以达到节省总耗电量的目的。

5.等离子体加热区的温度维持在180℃～230℃的间，其可使用多个接收电极与射出等离子体电子群的电极搭配，以增加反应范围，进一步增加反应效率。例如可使用2个或多数个接收电极，或者使用圆形接收电极。

本发明的氢气混合气发生装置，利用低温等离子体加热器，将进入加热区的混合液微粒子加热裂解为氢离子、氢氧离子及相对的自由基，分离后的氢离子、氢氧离子及相对的自由基再与其它未被加热裂解的混合液微粒子进行反应，进而产生温度在15℃～25℃的低温氢气混合气，其反应式如下：

CH₃OH→CH₃+OH     (1)

CH₃OH→CH₂HO+H    (2)

CH₃OH→CH₃O+H     (3)

CH₃+OH→CH₄       (4)

H+H→H₂           (5)

本发明的氢气混合气发生装置，借由导入氧气含量在21％以上的高氧气体(例如供应氧气含量在90％～96％之间的气体)至导流管3，具有以下特点：

1.减少氮气等气体所占用的重组器空间，反应量增加4.6倍；

2.电浆反应器射出的电浆电子，直接冲突在甲醇水溶液微粒及氧气的环境，效率增加4.6倍以上；

3.整体耗电量降低；

4.单位体积的重组器能供应的氢气混合气增加4.6倍以上；

5.氢气混合气产品内含的不可燃气体(N₂、Ar、CO₂)可以控制在12％以下。

因甲醇CH₃OH及水H₂O均含有氧原子，反应前提供氧气量只要达到反应所需的热量即可，其余能量由电浆反应器提供，所以反应后还有很多氧气剩余。这样也可避免氢气H₂、一氧化碳CO过度氧化。

本发明的氢气混合气发生装置，借由导入含氧量90～96％，经过实验测试，以气体分析仪(NGA 2000 FID Hydrocarbon Analyzer)进行分析，得到以下的实验数据：

[实验例1]

每分钟80cc甲醇水溶液

每分钟90～96％氧气6.9公升

耗电量：950watt

合成气流量：142 LPM(liter per minute)

合成气成份比例：

H₂：39.96％

CO：43.30％

CO₂：6.02％

N₂+Ar+CH₄：6％

O₂：4.72％

[实验例2]

每分钟235cc甲醇水溶液

每分钟90～96％氧气20.83公升

耗电量：3798watt

合成气流量：463 LPM(liter per minute)

合成气成份比例：

H₂：41.35％

CO：39.55％

CO₂：7.30％

N₂+Ar+CH₄：6.6％

O₂：5.20％

综上所述，本发明的氢气混合气发生装置，在不需使用喷觜及触媒下，透过雾化器将甲醇混合液雾化成颗粒平均直径不大于2μm的混合液微粒子，然后利用微粒子自然于导流管内向上飘浮的特性，同时导入含氧量达90～96％的高氧气体促进氧化，以及以低温等离子体加热器加热裂解，即能达到4.6倍以上反应量，快速生成温度在15℃～25℃的低温氢气、一氧化碳、甲烷、二氧化碳、氮气等混合气；而由于其整体体积小，结构简单，成本可大幅降低，其产生的低温氢气混合气又可以直接导入引擎使用，确能大幅改善习见重组器的缺失，而其并未公开使用，符合专利法的规定，在此依法提出申请。

以上所述者乃是本发明较佳具体实施例，若依本发明的构想所作的改变，其产生的功能作用，仍未超出说明书与附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种氢气混合气发生装置，包括：

雾化部，内设有雾化器以将甲醇混合液雾化，使甲醇混合液雾化成平均颗粒直径为小于2μm的混合液微粒子；

导流管，提供被雾化器雾化成的平均颗粒直径小于2μm的混合液微粒子飘浮流动的管道，其一端设有进气口；

高氧气体供应帮浦，用以供应氧气含量大于21％的高氧气体经进气口导入导流管，使雾化的混合液微粒子氧化；

等离子体加热器，系可将加热区域的温度控制在180℃～230℃之间，其设于导流管的一端，可对氧化的混合液微粒子加热裂解，以分离出氢离子、氢氧离子及相对自由基；

经所述等离子体加热器裂解生成的氢离子、氢氧离子及相对自由基于生成后，立即与导流管内其它未裂解的氧化混合液微粒子反应，由此循环裂解产生温度为15℃～25℃的氢气、一氧化碳、二氧化碳和甲烷气体的低温氢气混合气。

2.如权利要求1所述的氢气混合气发生装置，其中所述高氧气体的氧气含量为90～96％。

3.如权利要求1所述的氢气混合气发生装置，其中所述导流管，其一段为弯曲形缓冲通道，所述进气口面向所述弯曲形缓冲通道，使高氧气体导入后可和汇聚在该处的混合液微粒子混合氧化，并且可将混合液微粒子推向等离子体加热器加热裂解。

4.如权利要求1所述的氢气混合气发生装置，其中所述雾化器设有多数压电芯片，压电芯片的上方设有具一定高度的护管。

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