TW201318968A - 燃料性能提升劑 - Google Patents

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Abstract

於超臨界之溫度及壓力條件下且較佳地不含催化劑，藉由甲醇及水產生氫。利用熱源，例如內燃引擎之排氣系統，以達成超臨界溫度，可於內燃引擎原處生成氫。

Description

燃料性能提升劑
相關申請案之交互參照
本申請案主張早期於2011年9月19日向美國智慧財產局提出之申請案之優先權效益，申請案號為61/626,012，標題為燃料性能提升器，以及於2011年10月24日向美國智慧財產局提出之申請案之優先權效益，申請案號為61/550,507，標題為燃料性能提升器，其二者全部揭露之內容併入此處作為參考。
本發明係有關於一種不使用催化劑，僅使用甲醇及水製造氫之製程。更詳細地，係藉由利用引擎排氣以加熱溶液及壓力泵，以達到反應之超臨界條件，而於行動或固定引擎之內燃引擎原處生成氫之製程。
氫具有許多用途，包含製造氨、乙醇及苯胺；石油之氫裂解及氫精製；植物油之氫化，煤之氫解；有機化合物及金屬礦物之還原劑；預防氧化之還原氣體；高溫氫氧燄；氫原子焊接；攜帶裝置之熱氣球；製造氯化氫及溴化氫；製造高純度金屬；超音速運輸之核子火箭之燃料以及低溫研究。
氫亦可利用作為燃料，舉例而言，火箭燃料。氫可更利用作為燃料電池以產生驅動行動車輛之電力。另一用途係作為改良式內燃引擎之直航燃料。
目前，氫可從許多來源獲得，其包含：(1) 與具有天然氣(蒸汽重組)之蒸汽反應然後純化；(2) 碳氫化合物對一氧化碳之部分氧化以及一氧化碳及蒸汽之相互作用；(3) 煤的氣化；(4) 氨的分解；(5) 氫氣之熱分解或催化分解；(6) 輕油之催化重組；(7) 鐵及蒸汽之反應；(8) 甲醇及蒸汽之催化反應；以及(9) 水之電解。該些製程中，大多需要使用催化劑及需要各自之生產工廠以製造氫。
一般而言，於超臨界條件下，根據方程式：

不使用催化劑，於化學反應式之基礎上，藉由甲醇與水反應將產生氫。
避免使用其餘之氫原料，例如石油、乙醇、柴油、植物油等，由於其無法提供較佳地產出氣體之適合產率且通常需引入其他反應製程，例如高溫裂解、重製、去氫化、氫化或重組。
無催化劑產生氫之製程可實行於具有熱源之內燃引擎，熱源可為例如具有歧管、觸媒轉換器及消音器之排氣系統，其可用以加熱甲醇與水至超臨界溫度。
本發明之一態樣係有關於藉由製程以製造氫，製程包含下列步驟：將甲醇與水反應，其中水對甲醇之重量比為約5至約30，於至少約3100錶壓(psig)之壓力及至少約374°C之溫度中，其中製程實質上不需甲醇之外之燃料，以及產生氫及二氧化碳。
另一態樣係有關於應用內燃引擎，基本上根據下列方程式以產生氫：
實質上不使用催化劑，於至少約3100錶壓之壓力及之至少約374°C之溫度，其中水對甲醇之重量比為約5至約30，且其中製程於每一公升之甲醇與水中，包含少於約5克之甲醇與水之外之燃料。
再另一態樣係有關於一種內燃引擎，其包含：熱源；甲醇源及水源，其中水對甲醇之重量比為約5至約30；至少一壓力泵，其操作性地連接至甲醇源及水源，且可加壓甲醇及水至至少約3100錶壓之壓力；反應器，其操作性地連接至被加壓之水及甲醇，且操作性地連接至熱源，熱源操作性地調整以加熱被加壓之甲醇及水至至少約374°C之溫度且使甲醇與水反應以產生氫及二氧化碳。
於超臨界條件下，藉由甲醇水解反應以製造氫氣，其可用為內燃引擎之燃料性能提升劑。該反應較佳地不使用催化劑，為基本化學反應式且可使用外部熱源，例如可以傳統燃料，如石油，所加熱之加熱器或小型熱爐，或是屬於電池、交流發電機或發電機之電熱元件；或較佳地使用內部熱源例如內燃引擎之排氣熱以加熱反應物至超臨界溫度。
內燃引擎可位於行動載具中或位於一般的固定表面上，例如位於地板、樓板如混凝土樓板或其相似物上。關於行動載具，一般而言，可使用不論其目的之任何型態之行動載具。行動載具一般可根據載客型態或載貨型態或二者以分類。行動載具可具有2、3、4個輪子或更多。因此，內燃引擎可位於載客型態之具有二輪之行動載具上，例如輕型機踏車、小輪機踏車、機車或其相似物，或位於三輪行動載具上，或具有四輪之載客用行動載具，例如所有型態之行動載客載具，包含跑車、運動型多用途車或其相似物。一般具有3、4或更多輪之載貨型行動載具包含小貨車以及任何型態之卡車，例如半拖車、工業升降車、巴士、自動平板車或其相似物。其餘包含具工業性質之內燃引擎之行動載具例如除草機、旋轉式耕耘機、鋤耕機、牽引機、推土機、動力鏟、任何型態之工程車或其相似物。其餘行動載具包含各種火車、船、輪船或其相似物。
固定式內燃引擎一般係用於大量工業用途，例如家庭用途、工廠、製造廠、礦場或碎礦場、機械場、組裝廠、鑄造廠、鍛造廠、加工廠或包裝廠或其相似物。
用於內燃引擎之燃料包含許多成分，例如醇，舉例而言，乙醇、汽油、柴油、生物燃料、植物油、原油、煤油、液化石油氣引擎、液化天然氣、壓縮天然氣、燈油或其相似物。
熱源可為以下所提出之具有熱表面之內燃引擎之任何部分，或足以加熱甲醇與水之溶液至超臨界溫度及壓力之內燃引擎之附屬部分或元件。因此，反應器可位於引擎元件或/及其附屬部分之熱內表面或熱外表面之上，或於引擎下游之高溫區中。較佳地，反應器係位於鄰近內燃引擎之排氣系統或其上，且更佳地，係位於排氣系統內或限界於排氣系統中。
甲醇之用途被發現可導致有效率地製造具有高產率及低雜質之氫。甲醇可藉由許多本領域或文獻已知之製程以獲得，例如從天然氣，煤炭或木頭。其餘較少見之來源包含生物質、藻類和玉米。
本發明中，氫係藉由加熱原料或反應物質以產生，例如加熱甲醇與水至水之超臨界條件，例如加熱至至少374°C或更高。適合的反應溫度包含至少約475°C，一般至少約500°C，較佳地至少約550°C，更佳地為600°C或更高。行動載具例如機車之內燃引擎之排氣溫度一般係為約500°C至約725°C且通常為約575°C至約625°C。若內燃引擎之排氣熱可達到高於所需之反應溫度，例如約500°C或更高，藉由有效率地利用排氣之廢熱，可完全達到水與甲醇產生氫及二氧化碳之反應。排氣溫度愈高，反應(產率)及氫的產生率愈有效率。當可產生高於3200錶壓(psig)(22.063百萬帕斯卡(megapascal))之壓力，例如約3600錶壓(24.821百萬帕斯卡)，由於關於氫之轉換或產生沒有獲得實際之優點，可發現其係為不必要。當可產生低於3200錶壓之壓力，例如約3100錶壓(21.374百萬帕斯卡)，可發現若使用較低之壓力例如約3000錶壓(20.684百萬帕斯卡)或2500錶壓(17.237百萬帕斯卡)較長之一段期間，舉例而言，約1至5小時，轉換效率將受損且製程不再為超臨界。
甲醇水解反應之產率較高，例如至少約60莫耳%(mole %)，較佳地為70莫耳%，更佳地為至少約75莫耳%或至少約80莫耳%，或極佳地至少約90莫耳%之轉換為氫及二氧化碳之甲醇之產率。
該反應一般根據以下方程式發生：


其中溫度及壓力如上所述。因此，藉由簡易地使用甲醇及水，每一莫耳之二氧化碳可產生三莫耳之氫且燃料可作為一般性地任何需要的燃料最終用途，可單獨使用或較佳地與傳統燃料例如石油併用，以提升內燃引擎之性能且同時改善氣體里程。該反應為基本化學反應式，具有任何不反應之部分，基本上為甲醇及水。雜質之量基本上較低，亦即，總量約3莫耳%或更少之二氧化碳、0.1莫耳%或更少之甲烷，且基本上沒有其餘雜質。甲醇與水之未反應部分可簡易地被回收至反應器，因此其為非常有效率之燃料產生系統。
製造氫之傳統製程，例如使用金屬催化劑將甲醇與水反應，係於非臨界反應條件中。本發明於製程中不需使用任何催化劑，該製程於日常生活中同樣非常實用，且亦符合成本效益。由於該製程實質上不使用催化劑，因此不需擔心關於催化劑之毒性，或是昂貴的催化劑損失於內燃引擎之蒸氣中。另一優點係為氫之產生效率在長期之操作時間中幾乎保持不變。關於術語"實質上不使用催化劑"，其意為例如於反應器中使用極少量之鎳，鉑，銥，銠，釕，銅，通常少於約5克或少於約2克，較佳地少於約1克，且更佳地少於約0.5克，於每一公升之甲醇與水之混合物中。較佳地，不使用催化劑，例如，不存在催化劑。
儘管本發明所產生之氫可用為具有一般或市售燃料之內燃引擎中之燃料性能提升劑，但由於許多理由，該些燃料不被使用作為氫之產生來源。舉例而言，石油轉換為氫係與某些化學反應相關，例如高溫裂解、再生、重組、焦化或其相似物。轉換之規則亦有關於金屬催化劑、極高溫之操作條件、石油與氫之不良轉換、甲醇之高產率、系統之碳污染、以及需要淨化於純化之產出氣體。最終結果通常為非常昂貴、不可靠且不實用之燃料提升劑。
關於乙醇，由於轉換為氫之反應路徑類似，乙醇轉換為氫所相關之技術上之困難非常類似於石油之轉換。
柴油、生物柴油或生物燃料作為氫提升劑之燃料來源，當其轉換為氫，將面臨較石油與乙醇更複雜之技術問題。
氫之來源亦可想到植物油；然而，植物油除了與其餘碳氫化合物燃料之轉換之相關問題，亦存在有原料一致性之問題。因此，其轉換至可作為燃料的氫將產生複雜的化學機制以及許多技術相關之步驟。
因此，應避免甲醇以外之原料或燃料來源。亦即，本發明之氫燃料來源或原料實質上不使用例如石油、乙醇、柴油或生物燃料以及植物油作為燃料。因此，若使用上述燃料，於每一公升之甲醇-水原料流中，製程包含一般少於約5.0克，少於約2克，較佳地少於約1克，且更佳地少於0.5克，且最佳地為不使用，之甲醇與水以外之燃料。
本發明之一重要態樣係使用對於甲醇而言超量之水，以獲得甲醇轉換之高產率，且使得水可由熱源吸收能量，較佳地由排氣系統吸收熱，以加熱甲醇，水亦作為熱學吸熱劑。加入之水對於甲醇之質量或重量之比率一般係為約5至約20或約30，較佳地為自約5至約15，且更佳地為約7至約13。若不使用上述之水對於甲醇之高重量比，甲醇轉換為氫及二氧化碳之產率係減少，且產生不良之附產物，例如甲烷、乙烯或其相似物。舉例而言，當使用低比率之水，例如少於5，甲醇轉換為氫及二氧化碳之產率係大幅減少，例如約40%或更少。添加至反應器之初始之水對於甲醇之質量或重量比係如上文所述，例如約10比1。然而，根據化學反應式之反應，由於約1莫耳之水及約1莫耳之甲醇將反應且消耗，後續添加至反應器原料流之水及甲醇之量係為約1莫耳之水及1莫耳之甲醇，以補足反應量。添加至反應器之剩餘材料為回收之水，約為9莫耳之水，因此使得整體重量比約為10比1。
本發明之氫氣可使用於任何一般形式之內燃引擎，例如二行程或四行程，包含柴油或生物柴油引擎，提供外部或內部熱源，例如引擎排氣，足夠之溫度及量以加熱甲醇-水之混合物至水之超臨界溫度，例如至少約374°C。甲醇及水燃料提升系統亦可使用於關於一般具有汽缸體積共至少約2或3公升或約5公升甚至更大之大型內燃引擎。該引擎可位於上述各種行動載具，例如行動車輛、卡車、拖拉機、工程設備以及火車引擎、船引擎及其相似物。
本發明之甲醇水解反應已作為燃料性能提升劑且使得行動載具獲得改善之氣體里程。燃料效率之改善一般至少約20%，較佳地至少約30%或至少約40%，更佳地至少約50%。
本發明之優點包含以下：
不同於碳氫化合物之再生或高溫裂解，該製程之化學性質係根據單一化學反應。反應機制一般而言非常簡單、單一且不受到副反應之影響。
由於僅有單一主要反應，產出氣體組成係一直保持或接近於其化學計量比，H2:CO2= 3:1。
產出之氫分子係來自於甲醇以及水。因此，產出氣體包含相較於僅使用甲醇，可獲得之氫較多。
由於反應係基於單方向之甲醇之直接水解，其若產生有一氧化碳(CO)，亦僅有產生極微量。產出氣體不含一氧化碳，以產出氫以及自動製程之控制之觀點而言係為優點。
另一方面，催化再生反應，除了產生甲烷(CH4)及乙烯(C2H4)，一氧化碳及氫(H2)為其主要產出，以及一些副反應。儘管經由水煤氣轉換反應，一氧化碳可和水反應以產出二氧化碳及氫氣，於600°C下，此反應較慢並且不完全。因此催化再生反應產出氣體必然包含實質上微量之一氧化碳、甲烷及乙烯，且最終產出氣體之組成係根據反應條件大幅變化。於重組過程中，亦存在有碳污染、焦化之可能性，其嚴重影響催化活性且最終使得系統完全停止產出氫。
當結合使用內燃引擎，系統或製程不需要單獨之熱源，而係可使用引擎所產生之熱，其包含於其排氣系統中。提升劑燃料產出之廢熱之回收及利用亦有助於整體燃料性能之增加。
參考以下用於圖解之實施例，將較佳地理解本發明，但其不用以限制本發明。
實施例1
一種1.0標準公升/每分鐘(SLPM)氫燃料提升劑系統
利用化學製程模擬軟體實作1.0標準公升/每分鐘(於0°C，1大氣壓下)氫燃料提升劑系統之製程模擬。以輸入及使用以下之輸入參數及操作條件：
1. 反應溫度選為600°C。
2. 反應壓力設為3200錶壓。
3. 較佳地，氫提升劑氣體產出率為1.0標準公升/每分鐘。
4. 根據實驗結果，甲醇之一次的轉換設為進入轉換器之甲醇總量之80%。
5. 反應器產出氣體包含75%之氫及25%之二氧化碳。
6. 水與甲醇於壓力泵之質量進料比為質量10:1水-甲醇。
7. 於壓力泵之甲醇流率為每分鐘0.595克甲醇。
8. 水流率為每分鐘5.95克。
9. 假設每分鐘4立方呎空氣流，於72°F(22.2°C)，以更加冷卻反應器流出物。
10. 假設熱能抽取之排出氣體溫度為550°C。根據其位置，可能達到較高之溫度。
11. 進入之反應物(所有進入反應器之流體)及輸出之產物(所有來自反應器之流體)之能量交換量係假設為250瓦特(watts)。
12. 反應器流出物係絕熱地調節至1大氣壓。
13. 反應器流出物係絕熱地閃現。
操作條件及輸入參數
選擇1.0標準公升/每分鐘(SLPM)之氫產出率作為基本情況，其可作為10馬力(horsepower)引擎之燃料提昇劑設計之中心。該選擇係根據(1) 較佳的車輪燃料效率之改善程度，(2) 需要裝設於機車上之燃料提昇劑系統之所預測之物理尺寸，以及(3) 於安全操作條件下之現有技術合理的能力。
1. 反應溫度係根據實驗最佳化之結果。即使溫度與基本情況(或設定點)誤差±50°C，不影響系統之產品濃度。然而，較低之溫度實質上將減少氫產出率，因此減低燃料提昇劑系統之效率及益處。
2. 反應器操作壓力係根據實驗最佳化及理論上之化學機制研究以決定。若反應器之壓力維持(或設計為)高於3200錶壓，不影響反應器之效能。然而，若轉換壓力保持低於3100錶壓一段長時間，將損害轉換效率。因此，保持轉換壓力為壓力(P)≥3,200錶壓係為技術上之基礎，然而任何大於3200錶壓之壓力係為不必要且於超過3200錶壓時亦不會產生實際之益處。
3. 選擇1.0標準公升/每分鐘(SLPM)之氫產出率為系統之基本情形轉換率。體積流率係等於每分鐘0.18克氫或每小時10.7克氫。
4. 於上述條件下，反應器之1.5分之持續時間中，反應器中之甲醇之一次轉換係應為約80%。該值係已透過反應器實驗驗證。
5. 產出氣體之體積(或莫耳)組成包含75%之氫及25%之二氧化碳。根據氣體燃料之標準，其餘化學材料之濃度可忽略。於大範圍之操作溫度中，可獲得氫:二氧化碳之(體積)產出率= 3:1。此產出氣體範圍之一致性使得現有製程技術更可行且實際上可採用。
6. 本設計選擇並設定水對甲醇之質量進料率為10:1。根據實驗最佳化研究，當甲醇之轉換作為唯一最佳化目標，於較高之水對甲醇之比率中(例如15或30)可獲得最佳之轉換。然而，較高之比率將呈現氫燃料之整體產出之較大系統規模；因此選擇較低之比率，10，作為設計之設定點。
7. 於此模擬中，甲醇對反應器之進料率設為每分鐘0.595克，相等於每分鐘0.0186莫耳。輸入之甲醇於100%轉換下將產生每分鐘0.0558莫耳之氫，其為1.25標準公升/每分鐘。於80%之一次轉換，將產生1.0標準公升/每分鐘。實際製程設計(以及操作)係根據所組合之反應器進料，其包含未反應之進料以及再循環之水流，其包含未轉換之甲醇，例如未反應之20%甲醇。
8. 進入反應器之總水流率為甲醇之10倍，即使兩者之混和物同時進入。此組合之進料流包含未反應進入之甲醇-水溶液以及再循環之水流，其包含一些於分離器中未分解之甲醇。
9. 為了模擬之目的，該氣流率係為假設值。
10. 根據轉換系統之精確的設置，可能達到高於550°C之溫度。
1.0標準公升/每分鐘之反應器體積係設為70cm3，600°C之反應溫度以及3200錶壓之壓力。此反應體積包含一些由於實驗室實驗之反應器其兩端較冷之終端效應導致之失效容積。於實際之設計中，凸緣的實驗室反應器之終端效應之溫度曲線圖可一起忽視，其中整體反應器本體係位於機車排氣之較高地對流熱傳輸區。在此例中，所需之反應器體積小於約25-30%。
以下資料係根據實際實驗反應資料，其中水-甲醇重量比約10比1，或約15比1，或20比1，且於所假設之機車實作條件下(如前文描述)。其表中特定之資料為計算之結果，假設該反應器係實作於機車且其餘輔助系統亦位於機車中。該些資料存在實際機車燃料提昇劑原型設計之基本值，且為系統之材料及能量平衡之良好的評量。
表1
製程流之材料平衡，利用水及甲醇之初始10比1進料重量比且之後消耗量為1莫耳之水與1莫耳之甲醇，產出1.0標準公升/每分鐘之氫。

加熱進料為由雙管熱交換器排出，於進入轉換器(反應器)途中之反應物，排出流為雙管熱交換器排出之反應器流出物，冷卻流為藉由通過之空氣冷卻之流出物，以及產物為油門反應器流出物。
實施例2
1.3標準公升/每分鐘(SLPM)之氫燃料提升劑系統
利用化學製程模擬軟體實作1.3標準公升/每分鐘之氫燃料提升劑系統之製程模擬。以輸入及使用以下之輸入參數及操作條件：
1. 反應溫度選為600°C。
2. 反應壓力設為3200錶壓。
3. 較佳地，氫提升劑氣體產出率為1.3標準公升/每分鐘。
4. 甲醇之一次的轉換設為進入轉換器之甲醇總量之80%，此反應之基礎為化學反應式。
5. 反應器產出氣體包含約75%之氫及25%之二氧化碳。
6. 水與甲醇於壓力泵之質量進料比為質量10:1水-甲醇。
7. 於壓力泵之甲醇流率為每分鐘0.7735克甲醇。
8. 水流率為每分鐘7.735克。
9. 假設每分鐘4立方呎空氣流，於72°F(22.2°C)，以更加冷卻反應器流出物。
10. 假設熱能抽取之排出氣體溫度為550°C。根據其位置，可能達到較高之溫度。
11. 進入之反應物及輸出之產物之能量交換量係假設為325瓦(W)。
12. 反應器流出物係絕熱地調節至1大氣壓。
13. 反應器流出物係絕熱地閃現。
操作條件及輸入參數
實施例2之模擬係為高30%氫產出率之情形。藉由保持反應器之溫度及壓力於相同值，例如600°C及3200錶壓，反應器體積需增加30%。在此情形中，透過反應器系統之反應器之化學反應持續時間將仍與1.0標準公升/每分鐘時相同。
因此，於600°C及3200錶壓，產生3標準公升/每分鐘所需要之反應器體積係為210毫升(ml)。使用1.3/3.0之縮小係數，1.3標準公升/每分鐘之氫產出所需之反應器體積為91毫升。需注意的是，於不存在溫度冷卻之反應器終端效應之現實情形中，實際所需之體積將較小。
表二
製程流之材料平衡，利用水及甲醇之初始10比1進料重量比且之後消耗量為1莫耳之水與1莫耳之甲醇，產出1.3標準公升/每分鐘之氫。

加熱進料為由雙管熱交換器排出，於進入轉換器(反應器)途中之反應物，排出流為雙管熱交換器排出之反應器流出物，冷卻流為藉由通過之空氣冷卻之流出物，以及產物為油門反應器流出物。
製程流之示意圖係提出於第1圖。
第1圖係為本發明之氫燃料產生製程之示意圖，其僅作為製程流之一實施例，未必為實際之裝置。
經由輸入線11輸入適量之水及甲醇至本發明之無催化劑之氫生產系統10。槽或儲存槽12用以儲存水-甲醇混合物。儲存槽12係安裝於行動載具例如機車上，於便利於反應器35之位置。水-甲醇混合物藉由管線14輸入至上述之壓力泵16，用以增加流體之壓力至至少約3100錶壓或至少約3200錶壓。儘管只顯示一個泵，亦可使用二或更多個泵。增加壓力至所需之指定程度之適當之壓力泵為前文所述以及該領域所知。該壓力泵一般為往復式，例如活塞泵或柱塞泵。於加壓時，水-甲醇流體流經止向閥18而進入與其為一體之熱交換器20。可使用一或多個熱交換器例如一個簡易雙管(例如，兩個同心圓柱)熱交換器，其藉由流經內管24之熱反應器流出物於外環22中加熱水-甲醇混合物。加壓之水-甲醇流體逆流至反應器流出物流體，其中水-甲醇流體已先加熱。水-甲醇流體一般接著會以緩慢之進料率流經反應器輸入線，其較佳地設置於排氣系統30中，其中反應器35一般地係包含於排氣系統內，其中可原處獲得最大溫度之熱。當水-甲醇流體流經非常熱之排氣系統，其已於反應器中加熱至至少374°C之溫度且較佳地高於至少550°C。當達到此溫度，已達到關於水的超臨界條件且一般亦為水-甲醇流體之超臨界條件，並且產生氫以及二氧化碳。超臨界流體接著流經前述之熱交換器20，其部分地加熱流入之水-甲醇流體。加熱之氫-二氧化碳反應產出物接著流經管線37、止向閥39且進入裝設於行動裝置上之另一熱交換器40。熱交換器40可為單獨之熱交換器或可為進入引擎汽缸之進氣系統之一部分。熱交換器40可為任何傳統之設計及形狀，可用以冷卻所加熱之氫-二氧化碳流體以及過量之水，其輸入經過流線42至反壓調節器45。調節器45用以控制及維持氣液反應分隔板之壓力於一較佳地(如前述)壓力且接著氫-二氧化碳流體係輸入至氣液反應分隔板儲存槽50，其中，由於該流體於減少之壓力，剩餘之水以及未反應之甲醇中可分離出氫及二氧化碳氣體。氫-二氧化碳氣體流經藉由反壓儲存槽56調節之氫氣管線54且送入第二氫氣儲存槽60。根據輸入內燃引擎之傳統燃料，例如石油或柴油燃料之總重，氫氣實質上提供至引擎較佳地為約0.3至3.0或至5.0瓦特%(wt%)，較佳地自約0.3至1.5瓦特%，更佳地為自約0.3至0.9瓦特%。於輸入引擎之最終燃料混合物中，氫所提供之能量一般為約0.9%至9.0%或15%，較佳地為約0.9%至4.5%，更佳地為約0.9%至2.7%。然而，意外地，產生能量之燃料效率相較於傳統之石油引擎，改善了約30至50%。
儲存槽50中隔離之液體，其基本上為水以及微量之未轉換之甲醇，流經水回收管線52及螺線止向閥58，以及回收進入水-甲醇儲存槽12或直接地混入進料流14。此流程圖之一個重要處為整個系統中沒有排出水。亦即，由於反應會消耗水，水僅有微量之補充，水係回收進入水-甲醇儲存槽12。因此水至少有兩個用途，反應介質，以及同時為伴隨之反應物。相似地，由於反應會消耗甲醇，將微量補充甲醇至反應器進料流。
第2圖係提出與實際反應系統相關之另一實施例，其與第1圖之反應系統相似。許多反應參數，例如溫度、反應壓力、產率、質量進料率以及其相似物係於前述所提出，因此將完全併入參考。
混合物儲存槽101中之甲醇及水係經由輸入線A輸入至計量泵102，其實質上增加混合物之壓力。泵102經由螺管止向閥103及輸入線B輸入甲醇-水混合物至熱交換器104，其中輸入混合物之溫度係隨著壓力之增加而增加。流經輸入線C之甲醇-水輸入混合物接著輸入至外部加熱之反應器105，例如藉由行動載具之排氣系統，使得反應器溫度為至少約374°C，輸入反應物之壓力至少約3100或約3200錶壓。溫度控制器106確保反應器105於足夠之溫度，使得反應器中存在超臨界條件。於此條件下，甲醇與水實質上反應為產生氣體之氫及二氧化碳。反應及加熱之產物接著經由輸入線D輸入至熱交換器104，其預先加熱輸入之甲醇-水進料。流經輸入線E之產出混合物係輸入至閃現分離器110，其中由於回壓調節器109及螺管止向閥108導致而減少之壓力，可分離出未反應之甲醇及水116且回收至圖上未顯示之反應器。生成物之氫及二氧化碳氣體係由閃現分離器110取出，其中分出微量之進料流，且經由管線F輸入至隔板112。隔板112可作為氣相層析儀分析之氣體取樣部分。富含氫氣之產出氣體經由輸入線G加入質量流控制器113。富含氫氣之產出氣體接著可利用質量流量計114及輸入線115以較佳地足夠之比率加入內燃引擎。
實施例3
表3大致與實施例1及2所提出之相同之分析相關，但其中水及甲醇之重量比約15比1。
表3
如表3所示，良好材料平衡(近於100%，含有微量不可數)，不論溫度之75%氫，水對燃料之比率係為15:1(重量)，CO加上CO2幾乎總是25%，CO2隨著溫度增加(亦隨著反應器持續時間增加，其未顯示於此資料表中)。
如上文及參考資料所述，本發明之產生氫之反應器可一般地結合於任何尺寸之內燃引擎，其中熱源例如其排氣系統可加熱反應器至適合之至少約374°C之超臨界溫度且藉由行動載具引擎驅動之壓力泵可產生至少約3200錶壓之超臨界壓力。藉由本發明之無催化劑氫產生系統所提供之關於燃料效率之改善，關於行動載具之石油里程可為至少約20%，較佳地為至少約30%或40%，更佳地為至少約50%之改善。此改善基本上根據以下四個因素：(1) 利用排氣之廢熱以產生燃料氫；(2) 較高之氫及含氫氣體之內燃效率；(3) 混合燃料之有效原子化；以及(4) 較乾淨之燃燒。
儘管本發明可使用於大型內燃引擎包含載客用載具、小貨車、普通貨車、半拖拉車、鐵路火車引擎以及船引擎等之石油、柴油及生物燃料引擎，其較佳地使用於較小之引擎，例如機車或其相似物之引擎。
根據本專利，提出最佳形式及較佳實施例，然而範疇不限於此，而應為申請專利範圍之範疇。
10．．．氫生產系統
11、A、B、C、D、E、G、115．．．輸入線
12、50、56、60、101．．．儲存槽
14、37、54、F．．．管線
16、102．．．泵
18、39、58、103、108．．．止向閥
20、40、104．．．熱交換器
22．．．外環
24．．．內管
30．．．排氣系統
35、105．．．反應器
42．．．流線
45、109．．．調節器
52．．．回收管線
106．．．溫度控制器
110．．．分離器
112．．．隔板
113．．．質量流控制器
114．．．質量流量計
116．．．未反應之甲醇及水
第1圖係為一實施例之於內燃引擎原處產生氫之製程之示意圖。

第2圖係為另一實施例之於內燃引擎原處產生氫之製程之示意圖。
10．．．氫生產系統
11．．．輸入線
12、50、56、60．．．儲存槽
14、37、54．．．管線
16．．．泵
18、39、58．．．止向閥
20、40．．．熱交換器
22．．．外環
24．．．內管
30．．．排氣系統
35．．．反應器
42．．．流線
45．．．調節器
52．．．回收管線

Claims (20)

  1. 一種製造氫之製程，包含下列步驟：
    將甲醇與水反應，其中水對甲醇之重量比為約5至約30，於至少約3100錶壓(psig)之一壓力及至少約374°C之一溫度中，其中該製程實質上不需甲醇之外之燃料；以及
    產生氫及二氧化碳。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製程，其中該壓力係至少約3200錶壓，其中該溫度係至少約475°C，且其中甲醇轉換為氫及二氧化碳之產率係至少約60%之莫耳百分比。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之製程，其中水對甲醇之重量比係為約5至約20，且其中該製程於每一公升之甲醇與水中，包含少於約5克之甲醇與水之外之燃料。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之製程，其中該溫度係至少約500°C。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之製程，其中甲醇轉換為氫及二氧化碳之產率係至少70 %之莫耳百分比。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之製程，其中水對甲醇之重量比為約7至約13，其中該溫度係至少約550°C，其中甲醇轉換為氫及二氧化碳之產率係至少約80%之莫耳百分比，且其中該製程不需催化劑。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之製程，其中該製程於每一公升之甲醇與水中，包含少於約2克之甲醇與水之外之燃料。
  8. 一種製程，包含：
    應用一內燃引擎，基本上根據下列方程式產生氫：



    於至少約3100錶壓之一壓力及至少約374°C之一溫度下，實質上不需任何催化劑，其中水對甲醇之重量比約為5至30，且其中該製程於每一公升之甲醇與水中，包含少於約5克之甲醇與水之外之燃料。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之製程，其中水對甲醇之重量比為約5至約20，其中該溫度係由該內燃引擎提供且至少約475°C，且其中該製程於每一公升之甲醇與水中，包含少於約2克之甲醇與水之外之燃料。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之製程，其中水對甲醇之重量比為約5至約15，且其中甲醇轉換為氫及二氧化碳之產率係至少約60%之莫耳百分比。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之製程，其中該壓力係至少約3200錶壓，其中該內燃引擎具有一排氣系統，其中該溫度來自該內燃引擎且係至少約500°C，其中水對甲醇之重量比為約7至約13，其中產率係至少70%之莫耳百分比，且其中該製程於每一公升之甲醇與水中，包含少於約1克之甲醇與水之外之燃料。
  12. 一種內燃引擎，其包含：
    一熱源；
    一甲醇源及一水源，其中水對甲醇之重量比為約5至約30；
    至少一壓力泵，係操作性地連接至該甲醇源及該水源，且可加壓甲醇及水至至少約3100錶壓之一壓力；
    一反應器，該反應器操作性地連接至被加壓之水及甲醇，且操作性地連接至該熱源，該熱源操作性地調整以加熱被加壓之甲醇及水至至少約374°C之一溫度且使甲醇與水反應以產生氫及二氧化碳。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之引擎，其中該反應器、該甲醇源及該水源實質上不需甲醇之外之燃料。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之引擎，其中該溫度係至少約475°C，其中甲醇轉換為氫及二氧化碳之產率係至少約60%之莫耳百分比，其中該熱源係為該內燃引擎之一排氣系統，且其於製程中，每一公升之甲醇與水中包含少於約5克之甲醇與水之外之燃料。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之引擎，其中該壓力係為約3200錶壓，且其中重量比為約5至約20。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之引擎，其中該溫度係至少約500°C，其中重量比係維持約7至約15，其中甲醇轉換為氫及二氧化碳之產率係至少約70%之莫耳百分比，且其於製程中，每一公升之甲醇與水中包含少於約2克之甲醇與水之外之燃料。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之引擎，其中該引擎係位於載客型行動載具、載貨型行動載具或兼具兩者之行動載具上或係為固定不動的。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之引擎，其中該引擎係位於輕型機踏車(moped)、小輪機踏車(scooter)、機車(motorcycle)、三輪車(three-wheeler)、客運車(automotive passenger vehicle)、小貨車(pick-up truck)、半拖車(semi-trailer truck)、工業升降車(industrial lift truck)、巴士(bus)、除草機(lawn mower)、旋轉式耕耘機(rototiller)、鋤耕機(backhoe)、牽引機(tractor)、推土機(bulldozer)、動力鏟(power shovel vehicle)、工程車(construction vehicle)、火車、船或輪船，固定內然引擎用於工廠、製造廠、礦場或碎礦場(mining or crushing plant)、機械場(machine shop)、組裝廠(assembly plant)、鑄造廠(foundry)、鍛造廠(forging plant)、加工廠或包裝廠。
  19. 如申請專利範圍第12項所述之引擎，其中該引擎係為汽油引擎、柴油引擎、生物燃料引擎、液化石油氣引擎或壓縮天然氣引擎。
  20. 如申請專利範圍第15項所述之引擎，其中該內然引擎具有該排氣系統，且其中該熱源係為該排氣系統。
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