CN107686094B - 微波产氢方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波产氢方法及其装置，本方法包含步骤(a)至(b)，在步骤(a)中是将原物料及催化剂均匀分散以避免沉降发生；在步骤(b)中，使原物料及催化剂经一雾化装置以微滴的状态输入一微波共振反应单元内，原物料能持续接受微波作用而进一步崩解成更小尺度的团簇，以致裂解产氢。在微滴崩解的过程中，原物料接受反应单元内微波天线所产生的受激发射电子作用，以增进反应速率的发生。上述反应过程均在催化剂的辅助下达成更佳的裂解效率，最终制成氢气并输出供利用。本装置包含一微波共振反应单元、一直流电源供应器、一储料装置、一雾化装置、一微波产生器，以及一储气装置,从而可以大幅增进催化效率，使原物料的裂解产氢反应具有耗能小且效率高。
Description
技术领域
本发明涉及产氢方法及其装置的技术领域，特别是指一种微波产氢方法及其装置。
背景技术
氢气由于燃烧热值高，且燃烧后的产物是水，因此，极有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。各国也纷纷投入氢能源产制的研究，以美国为例，现今美国每年约生产900 万吨的氢（分子），其中95％是由水蒸气和碳氢化合物反应而得。一般的方法是在高温下使水蒸气通过附有镍基催化剂的含碳化合物，然后加压吸附，就可分离氢气。常用的含碳化合物是煤炭和天然气，与水蒸气作用的生成物是氢气和二氧化碳。碳氢化合物的氧化是另一种热反应生产方法，它是把限量的氧气在高温下，通过碳氢化合物。最常用的碳氢化合物是甲烷，反应生成物是氢气和二氧化碳。由于需要纯氧，所以成本较高。但上述方法都会产生大量的二氧化碳，造成温室效应的环保问题。
另外，电解水则是一种较为简易的方法，氢离子在阴极被还原产生氢气，氢氧离子在阳极被氧化产生氧气。但此种做法的耗电量太大。电解水的电极电压是1.23V，因此生产1公斤氢消耗的电量约32.9度，1 度电等于3.6 百万焦耳。因此电解水生产氢，只适合在电力便宜如水力发电区和离峰时段，或在实验室中进行。
如中国台湾发明公告第I352687号「微波产生氢气的装置与方法」发明专利案，所揭露的装置包含一进料元件、一微波加热器、一微波控制箱、一反应管，以及一出口元件，其中进料元件为三道入口构造，三道入口的管口可允许气体、液体及热感应器个别进入反应管内，以进行化学反应及侦测反应温度。微波控制箱具有热感应器、温度设定器、功率控制器、功率显示器及电源开关，热感应器可侦测反应温度，温度设定器可设定反应温度，功率控制器将依据热感应器所测得的温度讯号进行功率调整，以加热反应物至设定的反应温度，功率显示器则可显示微波加热器输出的功率，电源开关则可控制加热系统的电源。而所揭露的方法则包含(a)将气体与液体以固定流量比例，用同向流方式同时由微波加热反应装置的上方送入反应器；(b)使反应液体及气体通过蓄热介质；(c)启动微波加热器，设定反应温度为350℃至550℃，使反应物在触媒床内维持固定的加热温度；(d)使反应物通过触媒床进行反应，而能快速地产出氢气。借由该装置的运转及适当的进料控制，并配合触媒的作用，可在极短的反应器启动及加热时间下达到产生氢气的目的。
然而上述第I352687号发明案的催化反应的发生会受限于触媒床的表面积大小，以致催化效率不理想。
又如中国台湾新型公告第M394324号「一种制造氢氧气的电浆系统」新型专利案，揭露将适当的水储存在一储存容器内，再利用帮浦(Pump)将储存容器内的水送入氢氧气分解单元内，利用超音波震荡器、高温气体以及电浆，将液态水变成极小的雾化水分子后加温蒸发成气体，再以电浆使气体分解成离子化的氢氧气，借此提供为一般燃料(汽油或瓦斯)燃烧的辅助燃料，以减少燃料(汽油或瓦斯)的损耗。
然而上述第M394324号新型专利案虽利用超音波震荡器产生水雾化效果，但其反应的激发源是采用极耗能的电浆系统，而且也缺乏触媒的催化反应，因此，催化效率不理想。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种耗能小，且产氢效率高的微波产氢方法。
本发明的另一目的在于提供一种便于操作，且产氢效率高的微波产氢装置。
基于此，本发明主要采用下列技术手段，来实现上述目的。
一种微波产氢方法，包含：（a）将原物料及催化剂均匀分散以避免沉降；以及 (b)使已均匀分散的原物料及催化剂经一雾化装置雾化形成微滴状态后再输入一微波共振反应单元内，该微波共振反应单元内的原物料能持续接受微波作用而进一步崩解成更小尺度的团簇甚至直接热裂解产氢，此外，微滴还能同时接受设于该微波共振反应单元内的一个以上微波天线因微波共振激发后被活化所产生的受激发射电子作用，进而达成高电荷密度状态的微滴或团簇，以使裂解作用更容易进行而产生氢气，同时整个过程均能借催化剂的表面催化作用，以使裂解反应所需的活化能下降而达成高效率制成氢气并输出供利用。
进一步，原物料为水，催化剂为能与水分子中氧原子形成键结力大于25KJ/mol以上的化学作用力的物质。
进一步，该微波共振反应单元内设置一个以上微波天线，所述微波天线是由金属电极所构成并与一直流电源供应器电性连接，借该直流电源供应器提供所述金属电极与水分子间的电位差，以使所述金属电极能于该微波共振反应单元内对已均匀分散且形成微滴状态的原物料在催化剂的帮助下有效进行裂解产氢反应。
进一步，在步骤(b)中，催化剂为微米至纳米尺度的氧化铁粉末。
进一步，在步骤(b)中，微波频率为800MHz至100GHz。
进一步，在步骤(b)中，是利用一抽气帮浦将所产制的氢气抽出并导入一储气装置内。
进一步，在步骤(b)中，是利用压差自然排气方式而使所产制的氢气能导入一储气装置内。
进一步，在步骤(a)中，是将原物料及催化剂先置入一储料桶中，借由一设于该储料桶的搅拌元件的搅拌作用而使原物料及催化剂能均匀分散以避免沉降；另外，该微波产氢方法还包含一步骤(c)，在此步骤中是使沉降至该微波共振反应单元底部的催化剂回收至该储料桶。
一种微波产氢装置，包含：一微波共振反应单元，具有一微波共振腔，以及一个以上设于该微波共振腔内的微波天线；一直流电源供应器，与所述微波天线电性连接，该直流电源供应器并能提供电位差至所述微波天线；一储料装置，包括一设于该微波共振反应单元外侧且用以盛装原物料及催化剂之储料桶，以及一设于该储料桶且用以伸入该储料桶内实施搅拌作用以使该储料桶内的原物料及催化剂均匀分散以避免沉降的搅拌元件；一雾化装置，连设于该储料桶与该微波共振反应单元间，用以使已均匀分散的原物料及催化剂经雾化形成微滴状态后输入该微波共振腔内；一微波产生器，设于该微波共振反应单元外侧并能对该微波共振腔内发射一微波信号，使该微波共振腔内的原物料不但能持续接受微波作用而进一步崩解成更小尺度的团簇甚至直接热裂解产氢，此外，微滴还能同时接受所述微波天线被活化后所产生受激发射电子作用，进而达成高电荷密度状态的微滴或团簇，以使裂解作用更容易进行而产生氢气，同时整个过程均能借催化剂的表面催化作用，以使裂解反应所需的活化能下降而达成高效率制成氢气并输出供利用；以及一储气装置，连设于该微波共振反应单元外侧并用以收集于该微波共振反应单元内所产制的氢气。
进一步，该微波产生器与该微波共振腔借由一波导管相连接。
本发明微波产氢方法及其装置借由原物料及催化剂是利用雾化方式送入该微波共振反应单元，使其能均匀的散布在整个微波共振反应单元中，催化反应的发生将不再受限于传统触媒床的表面积大小，可以大幅增进催化效率。另外，该微波共振反应单元内的微波共振作用还具有同时活化原物料及有效激发微波天线表面受激发射电子的多重效益，佐以催化剂的辅助下，使原物料的裂解产氢反应具有耗能小且效率高等功效。
附图说明
图1为一示意图，说明本发明微波产氢方法及其装置的一实施例。
【符号说明】
11 微波共振反应单元 111 微波共振腔
112 微波天线 12 直流电源供应器
13 储料装置 131 储料桶
132 搅拌元件 14 雾化装置
15 微波产生器 16 储气装置
17 波导管 18 高压帮浦。
具体实施方式
本发明的其它的特征及功效，将于参照图式的下述实施例中清楚地呈现。
参阅图1，本发明微波产氢方法及其装置的一实施例，本发明的微波产氢方法包含下列步骤(a)至(b)。
在步骤(a)中是先备置原物料及催化剂，其中原物料为水，催化剂为能与水分子中氧原子形成键结力大于25 KJ/mol以上的化学作用力(例如氢键)的物质，在本实施例中，催化剂是采用微米至纳米尺度的氧化铁粉末，原物料与催化剂的混合比例需依共振腔大小、进料速度、微波强度及微波天线112(容后详述)的数量及位置等因素而调整，以达效率最佳化，其浓度范围为0.01%至20%。再将原物料及催化剂先置入一储料桶131中，借由一设于该储料桶131的搅拌元件132的搅拌作用而使原物料及催化剂能均匀分散以避免沉降发生。
在步骤(b)中，借由一高压帮浦18将该储料桶131内已均匀分散的原物料及催化剂送入一雾化装置14中。在此特别说明的是，也可利用气动方式使原物料及催化剂送入该雾化装置14中。借雾化装置14以使已均匀分散的原物料及催化剂雾化形成微滴状态，进而输入一微波共振反应单元11内，该微波共振反应单元11具有一微波共振腔111，以及一个以上设于该微波共振腔111内的微波天线112，所述微波天线112是由金属电极所构成。该微波共振反应单元11外侧连设一微波产生器15，该微波产生器15与该微波共振腔111借由一波导管17相连接。所述微波天线112与一直流电源供应器12电性连接，借该直流电源供应器12使微波天线112与原物料产生电位差，以使所述微波天线112能于该微波共振腔111内产生微波共振作用，借此微波能量不但能活化原物料，同时能有效激发微波天线112于表面产生受激发射电子，使该微波共振腔111内的原物料不但能持续接受微波作用而进一步崩解成更小尺度的团簇甚至直接热裂解产氢，还能同时接受所述受激发射电子作用，进而通过团簇内高电荷密度的排挤效应以使裂解作用更容易发生而产生氢气。同时整个过程均能借催化剂的表面催化作用，以使裂解反应所需的活化能下降而达成高效率制成氢气并输出供利用。该微波产生器15所输出的微波频率为800MHz至100GHz，需依催化剂浓度、该微波共振腔111的腔体大小及所述金属电极位置及数量而做调整。可利用一抽气帮浦(图未示)将所产制的氢气抽出并导入一储气装置16内，或是利用压差自然排气方式而使所产制的氢气能导入一储气装置16内，以供利用。
另外，本发明的微波产氢方法还包含一步骤(c)，在此步骤中是于该微波共振反应单元11底部与该储料桶131间连接一管路，使沉降至该微波共振反应单元11底部的催化剂回收至该储料桶131，提供循环利用。
再者，本发明的微波产氢装置则包含一微波共振反应单元11、一直流电源供应器12、一储料装置13、一雾化装置14、一微波产生器15，以及一储气装置16。该微波共振反应单元11具有一微波共振腔111，以及一个以上设于该微波共振腔111内的微波天线112。所述微波天线112是由金属电极所构成。该直流电源供应器12与所述微波天线112电性连接，该直流电源供应器12能提供适当电位差于微波天线112与原物料。该储料装置13包括一设于该微波共振反应单元11外侧的储料桶131，以及一设于该储料桶131的搅拌元件132。该储料桶131是用以盛装原物料及催化剂。该搅拌元件132则是用以伸入该储料桶131内实施搅拌作用，以使该储料桶131内的原物料及催化剂均匀分散以避免沉降发生。该雾化装置14连设于该储料桶131与该微波共振反应单元11间，用以使已均匀混合的原物料及催化剂经雾化形成微滴状态后输入该微波共振腔111内。而该微波产生器15设于该微波共振反应单元11外侧且与该微波共振腔111是借由一波导管17相连接，该微波产生器15能对该微波共振腔111内提供微波能量场。另外，该储气装置16耐高压且连设于该微波共振反应单元11外侧，并用以收集于该微波共振反应单元11内所产制的氢气。此外，本发明的微波产氢装置还可包含一连设于该储料桶131与该雾化装置14间的高压帮浦18。借该高压帮浦18高压抽取该储料桶131内已均匀分散的原物料及催化剂进而送入该雾化装置14中。
特别说明的是，电磁波频率范围在300MHz至300GHz的区间内统称微波，本发明利用约2.45GHz附近的频率作为反应发生的激发源，其主要的优势有二：
(1)此波段的电磁辐射与金属表面电子海的震荡频率共振，所以能对金属产生良好的加热效果，若其作用在金属电极上，会使金属电极表面电子因共振产生的热能而做高频的震荡活化。若是在金属电极上施加一个高压电场，其作用只在维持电位差，能量上的损耗低；佐以金属电极形状的锐化，将使针尖尖端部位的被活化电子因高电位密度的排斥效应而形成高能电子发射源作为水裂解的反应器。
(2)此波段的电磁波与水分子的转动能阶频率共振，因此容易被水分子吸收而提供水分子转动动能，在水分子剧烈转动的作用下将有助于水团簇的崩解，使得水裂解反应可以在相对低温的条件下达成。另一反应途径为转动态的水分子彼此间因磨擦产生热能，进而转化为水裂解的动能，达成多重反应途径的优势。
另外，将已均匀混合的原物料及催化剂以雾化形态输入一微波共振反应单元11内，其主要的优势有三：
(1)将液态水细化成微米至纳米尺度的水滴，可以降低金属电极表面的高能受激发射电子在发射过程中，被凝相状态的水干扰所造成能量上的损耗，增大原物料与电子发射源的有效反应截面积。
(2)水团簇分子的数目越多，其稳定水团簇内电子的能力也相对增强，使得水裂解反应不易发生。而雾化后的水滴因小尺度重量轻，所以能降低地心引力的作用，增加其在空间中的停滞时间，较不易重新回归凝相水的状态，且雾化后的原物料因其表面积大幅增加，不管受微波作用或是受环境影响进而产生相变，均能有效的降低水团簇的分子数目，并可增进水裂解的反应速率。此外在本装置中因设置微波天线112，能使微波共振腔111内的水微滴或水团簇在接受微波天线112辐射出的受激发射电子作用后所形成的高电荷密度粒子更有助于水裂解反应发生。
(3)本发明所采用的催化剂为金属氧化物，在高密度的金属氧化物环境中，能对微波造成屏蔽效应，利用雾化的进料方式不仅可以达成催化剂在反应腔中的均匀分散，并且可以利用浓度改变控制催化剂在反应空间中的分布密度，减少催化剂屏蔽效应的影响。
再者，本发明采用微米至纳米尺度的氧化铁粉末作为水裂解的催化剂，铁的氧化物能与水分子形成氢建，有效削弱水分子中氧原子对氢原子的束缚力，降低水裂解反应能量障壁。此外可利用不同价数的铁原子所形成的氧化物作为反应的氧化还原互联组进行电子转移反应，达成多重反应途径的优势。
综上所述，本发明微波产氢方法及其装置借由上述设计，原物料及催化剂利用雾化方式送入微波共振反应单元11，使其能均匀的散布在整个微波共振反应单元11中，催化反应的发生将不再受限于传统触媒床的表面积大小，可以大幅增进催化效率。另外，微波共振反应单元11内具有可作微波天线的金属电极，这些金属电极在接受微波驱动后可以震荡辐射出受激发射电子参与水的裂解产氢反应，佐以催化剂的辅助下，使原物料的裂解产氢反应具有耗能小且效率高等功效。
综合上述实施例的说明，当可充分了解本发明的操作、使用及本发明产生的功效，以上所述实施例仅为本发明的较佳实施例，当不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明权利要求及发明说明内容所作简单的等效变化与修饰，皆属本发明涵盖的范围内。
Claims (8)
1.一种微波产氢方法，其特征在于，该微波产氢方法由一微波产氢装置执行，该微波产氢装置包含一储料装置、一雾化装置，及一微波共振反应单元，该储料装置包括一储料桶以及一搅拌组件，该储料桶设于该微波共振反应单元外侧，该雾化装置连设于该微波共振反应单元，该微波产生器设于该微波共振反应单元外侧，该微波产氢方法包含：
（a）将原物料及催化剂先置入该储料桶中，借由设于该储料桶的该搅拌组件的搅拌作用而使原物料及催化剂能均匀分散以避免沉降，其中，原物料为水，催化剂为能与水分子中氧原子形成键结力大于25KJ/mol以上的化学作用力的物质；以及
(b)使已均匀分散的原物料及催化剂经该雾化装置雾化形成微滴状态后再输入该微波共振反应单元内，该微波共振反应单元内的原物料能持续接受微波作用而进一步崩解成更小尺度的团簇甚至直接热裂解产氢，此外，微滴还能同时接受设于该微波共振反应单元内的一个以上微波天线因微波共振激发后被活化所产生的受激发射电子作用，进而达成高电荷密度状态的微滴或团簇，以使裂解作用更容易进行而产生氢气，同时整个过程均能借催化剂的表面催化作用，以使裂解反应所需的活化能下降而达成高效率制成氢气并输出供利用，其中，催化剂为微米至纳米尺度的氧化铁粉末。
2.如权利要求1所述的微波产氢方法，其特征在于：所述微波天线是由金属电极所构成并与一直流电源供应器电性连接，借该直流电源供应器提供所述金属电极与水分子间的电位差，以使所述金属电极能于该微波共振反应单元内对已均匀分散且形成微滴状态的原物料在催化剂的帮助下有效进行裂解产氢反应。
3.如权利要求1所述的微波产氢方法，其特征在于：在步骤(b)中，微波频率为800MHz至100GHz。
4.如权利要求1所述的微波产氢方法，其特征在于：在步骤(b)中，是利用一抽气帮浦将所产制的氢气抽出并导入一储气装置内。
5.如权利要求1所述的微波产氢方法，其特征在于：在步骤(b)中，是利用压差自然排气方式而使所产制的氢气能导入一储气装置内。
6.如权利要求5所述的微波产氢方法，其特征在于：该微波产氢方法还包含一步骤(c)，在此步骤中是使沉降至该微波共振反应单元底部的催化剂回收至该储料桶。
7.一种微波产氢装置，其特征在于，包含：
一微波共振反应单元，具有一微波共振腔，以及一个以上设于该微波共振腔内的微波天线；
一直流电源供应器，与所述微波天线电性连接，该直流电源供应器并能提供电位差至所述微波天线；
一储料装置，包括一设于该微波共振反应单元外侧且用以盛装原物料及催化剂之储料桶，以及一设于该储料桶且用以伸入该储料桶内实施搅拌作用以使该储料桶内的原物料及催化剂均匀分散以避免沉降的搅拌元件；
一用以使已均匀分散的原物料及催化剂经雾化形成微滴状态后输入该微波共振腔内的雾化装置，连设于该储料桶与该微波共振反应单元间；
一微波产生器，设于该微波共振反应单元外侧并能对该微波共振腔内发射一微波信号，使该微波共振腔内的原物料不但能持续接受微波作用而进一步崩解成更小尺度的团簇甚至直接热裂解产氢，此外，微滴还能同时接受所述微波天线被活化后所产生受激发射电子作用，进而达成高电荷密度状态的微滴或团簇，以使裂解作用更容易进行而产生氢气，同时整个过程均能借催化剂的表面催化作用，以使裂解反应所需的活化能下降而达成高效率制成氢气并输出供利用；以及
一用以收集于该微波共振反应单元内所产制氢气的储气装置，连设于该微波共振反应单元外侧。
8.如权利要求7所述的微波产氢装置，其特征在于：该微波产生器与该微波共振腔借由一波导管相连接。
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