TW201808790A - 微波產氫方法及其裝置 - Google Patents
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Abstract
一種微波產氫方法及其裝置，本方法包含步驟(a)至(b)，在步驟(a)中是將原物料及催化劑均勻分散以避免沉降發生；在步驟(b)中，使原物料及催化劑經一霧化裝置以微滴的狀態輸入一微波共振反應單元內，原物料能持續接受微波作用而進一步崩解成更小尺度的團簇，以致裂解產氫。此外在微滴崩解的過程中，原物料接受反應單元內微波天線所產生的受激發射電子作用，以增進反應速率的發生。上述反應過程均在催化劑的輔助下達成更佳的裂解效率，最終製成氫氣並輸出供利用。而本發明之裝置包含一微波共振反應單元、一直流電源供應器、一儲料裝置、一霧化裝置、一微波產生器，以及一儲氣裝置。
Description
本發明是有關於一種產氫方法及其裝置，特別是指一種微波產氫方法及其裝置。
氫氣由於燃燒熱值高，且燃燒後的產物是水，因此，極有可能在世界能源舞臺上成為一種舉足輕重的二次能源。各國也紛紛投入氫能源產製之研究，以美國為例，現今美國每年約生產900 萬噸的氫（分子），其中95％是由水蒸氣和碳氫化合物反應而得。一般的方法是在高溫下使水蒸氣通過附有鎳基催化劑的含碳化合物，然後加壓吸附，就可分離氫氣。常用的含碳化合物是煤炭和天然氣，與水蒸氣作用的生成物是氫氣和二氧化碳。碳氫化合物的氧化是另一種熱反應生產方法，它是把限量的氧氣在高溫下，通過碳氫化合物。最常用的碳氫化合物是甲烷，反應生成物是氫氣和二氧化碳。由於需要純氧，所以成本較高。但上述方法都會產生大量的二氧化碳，造成溫室效應的環保問題。
另外，電解水則是一種較為簡易的方法，氫離子在陰極被還原產生氫氣，氫氧離子在陽極被氧化產生氧氣。但此種做法的耗電量太大。電解水的電極電壓是1.23V，因此生產1 公斤氫消耗的電量約32.9度，1 度電等於3.6 百萬焦耳。因此電解水生產氫，只適合在電力便宜如水力發電區和離峰時段，或在實驗室中進行。
如中華民國發明公告第I352687號「微波產生氫氣的裝置與方法」發明專利案，所揭露之裝置包含一進料元件、一微波加熱器、一微波控制箱、一反應管，以及一出口元件，其中進料元件為三道入口構造，三道入口之管口可允許氣體、液體及熱感應器個別進入反應管內，以進行化學反應及偵測反應溫度。微波控制箱具有熱感應器、溫度設定器、功率控制器、功率顯示器及電源開關，熱感應器可偵測反應溫度，溫度設定器可設定反應溫度，功率控制器將依據熱感應器所測得的溫度訊號進行功率調整，以加熱反應物至設定的反應溫度，功率顯示器則可顯示微波加熱器輸出的功率，電源開關則可控制加熱系統的電源。而所揭露之方法則包含(a)將氣體與液體以固定流量比例，用同向流方式同時由微波加熱反應裝置的上方送入反應器；(b)使反應液體及氣體通過蓄熱介質；(c)啟動微波加熱器，設定反應溫度為350℃至550℃，使反應物在觸媒床內維持固定的加熱溫度；(d)使反應物通過觸媒床進行反應，而能快速地產出氫氣。藉由該裝置的運轉及適當的進料控制，並配合觸媒的作用，可在極短的反應器啟動及加熱時間下達到產生氫氣之目的。
然而上述第I352687號發明案之催化反應的發生會受限於觸媒床的表面積大小，以致催化效率不理想。
又如中華民國新型公告第M394324號「一種製造氫氧氣的電漿系統」新型專利案，揭露將適當的水儲存在一儲存容器內，再利用幫浦(Pump)將儲存容器內的水送入氫氧氣分解單元內，利用超音波震盪器、高溫氣體以及電漿，將液態水變成極小的霧化水分子後加溫蒸發成氣體，再以電漿使氣體分解成離子化的氫氧氣，藉此提供為一般燃料(汽油或瓦斯)燃燒的輔助燃料，以減少燃料(汽油或瓦斯)的損耗。
然而上述第M394324號新型專利案雖利用超音波震盪器產生水霧化效果，但其反應的激發源是採用極耗能的電漿系統，而且也缺乏觸媒的催化反應，因此，催化效率不理想。
因此，本發明之一目的，即在提供一種耗能小，且產氫效率高之微波產氫方法。
本發明之另一目的，則是在提供一種便於操作，且產氫效率高之微波產氫裝置。
於是，本發明微波產氫方法，包含下列步驟(a)至(b)：
(a)將原物料及催化劑均勻分散以避免沉降；以及
(b)使已均勻分散的原物料及催化劑經一霧化裝置霧化形成微滴狀態後再輸入一微波共振反應單元內，該微波共振反應單元內的原物料能持續接受微波作用而進一步崩解成更小尺度的團簇甚至直接熱裂解產氫，此外，微滴還能同時接受設於該微波共振反應單元內之一個以上微波天線因受微波激發後被活化產生的受激發射電子作用，進而達成高電荷密度狀態的微滴或團簇，以使裂解作用更容易進行而產生氫氣，同時整個過程均能藉催化劑的表面催化作用，以使裂解反應所需的活化能下降而達成高效率製成氫氣並輸出供利用。
另一方面，本發明微波產氫裝置，包含一微波共振反應單元、一直流電源供應器、一儲料裝置、一霧化裝置、一微波產生器，以及一儲氣裝置。
該微波共振反應單元具有一微波共振腔，以及一個以上設於該微波共振腔內之微波天線。
該直流電源供應器與該等金屬電極電性連接，該直流電源供應器並能提供電位差至該等微波天線。
該儲料裝置包括一設於該微波共振反應單元外側且用以盛裝原物料及催化劑之儲料桶，以及一設於該儲料桶且用以伸入該儲料桶內實施攪拌作用以使該儲料桶內的原物料及催化劑均勻分散以避免沉降之攪拌元件。
該霧化裝置連設於該儲料桶與該微波共振反應單元間，用以使已均勻分散的原物料及催化劑經霧化形成微滴狀態後輸入該微波共振腔內。
該微波產生器設於該微波共振反應單元外側並能對該微波共振腔內發射一微波訊號，使該微波共振腔內的原物料不但能持續接受微波作用而進一步崩解成更小尺度的團簇甚至直接熱裂解產氫，此外，微滴還能同時接受該等微波天線被活化後所產生受激發射電子作用，進而達成高電荷密度狀態的微滴或團簇，以使裂解作用更容易進行而產生氫氣，同時整個過程均能藉催化劑的表面催化作用，以使裂解反應所需的活化能下降而達成高效率製成氫氣並輸出供利用。
該儲氣裝置是連設於該微波共振反應單元外側並用以收集於該微波共振反應單元內所產製的氫氣。
本發明之功效在於藉由原物料及催化劑是利用霧化方式送入該微波共振反應單元，使其能均勻的散佈在整個微波共振反應單元中，催化反應的發生將不再受限於傳統觸媒床的表面積大小，可以大幅增進催化效率。另外，該微波共振反應單元內的微波共振作用還具有同時活化原物料及有效激發微波天線表面受激發射電子的多重效益，佐以催化劑的輔助下，使原物料的裂解產氫反應具耗能小且效率高等功效。
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的下述實施例中清楚地呈現。
參閱第一圖，本發明微波產氫方法的一實施例，包含下列步驟(a)至(b)。
在步驟(a)中是先備置原物料及催化劑，其中原物料為水，催化劑為能與水分子中氧原子形成鍵結力大於25 KJ/mol以上的化學作用力(例如氫鍵)的物質，在本實施例中，催化劑是採用微米至奈米尺度的氧化鐵粉末，原物料與催化劑的混合比例需依共振腔大小、進料速度、微波強度及微波天線112(容後詳述)的數量及位置等因素而調整，以達效率最佳化，其濃度範圍為100ppm至20%。再將原物料及催化劑先置入一儲料桶131中，藉由一設於該儲料桶131之攪拌元件132的攪拌作用而使原物料及催化劑能均勻分散以避免沉降發生。
在步驟(b)中，藉由一高壓幫浦18將該儲料桶131內已均勻分散的原物料及催化劑送入一霧化裝置14中。在此特別說明的是，也可利用氣動方式使原物料及催化劑送入該霧化裝置14中。藉霧化裝置14以使已均勻分散的原物料及催化劑霧化形成微滴狀態，進而輸入一微波共振反應單元11內，該微波共振反應單元11具有一微波共振腔111，以及一個以上設於該微波共振腔111內之微波天線112，該等微波天線112是由金屬電極所構成。該微波共振反應單元11外側連設有一微波產生器15，該微波產生器15與該微波共振腔111是藉由一波導管17相連結。該等微波天線112並與一直流電源供應器12電性連接，藉該直流電源供應器12使微波天線112與原物料產生電位差，以使該等微波天線112能於該微波共振腔111內產生微波共振作用，藉此微波能量不但能活化原物料，同時能有效激發微波天線於表面產生受激發射電子，使該微波共振腔111內的原物料不但能持續接受微波作用而進一步崩解成更小尺度的團簇甚至直接熱裂解產氫，還能同時接受所述受激發射電子作用，進而透過團簇內高電荷密度的排擠效應以使裂解作用更容易發生而產生氫氣。同時整個過程均能藉催化劑的表面催化作用，以使裂解反應所需的活化能下降而達成高效率製成氫氣並輸出供利用。該微波產生器15所輸出之微波頻率為800MHz至100GHz，需依催化劑濃度，該微波共振腔111的腔體大小及該等金屬電極位置及數量而做調整。產生的氫氣可利用一抽氣幫浦(圖未示)將所產製的氫氣抽出並導入一儲氣裝置16內，或是利用壓差自然排氣方式而使所產製的氫氣能導入一儲氣裝置16內，以供利用。
另外，本發明微波產氫方法還包含一步驟(c)，在此步驟中是於該微波共振反應單元11底部與該儲料桶111間連接一管路，使沉降至該微波共振反應單元11底部的催化劑回收至該儲料桶111，提供循環利用。
再者，本發明微波產氫裝置則包含一微波共振反應單元11、一直流電源供應器12、一儲料裝置13、一霧化裝置14、一微波產生器15，以及一儲氣裝置16。該微波共振反應單元11具有一微波共振腔111，以及一個以上設於該微波共振腔111內之微波天線112。該等微波天線112是由金屬電極所構成。該直流電源供應器12與該等微波天線112電性連接，該直流電源供應器12並能提供適當電位差於微波天線112與原物料。該儲料裝置13包括一設於該微波共振反應單元11外側之儲料桶131，以及一設於該儲料桶131之攪拌元件132。該儲料桶131是用以盛裝原物料及催化劑。該攪拌元件132則是用以伸入該儲料桶131內實施攪拌作用，以使該儲料桶131內的原物料及催化劑均勻分散以避免沉降發生。該霧化裝置14連設於該儲料桶131與該微波共振反應單元11間，用以使已均勻混合的原物料及催化劑經霧化形成微滴狀態後輸入該微波共振腔111內。而該微波產生器15設於該微波共振反應單元11外側且與該微波共振腔111是藉由一波導管17相連結，該微波產生器15並能對該微波共振腔111內提供微波能量場。另外，該儲氣裝置16耐高壓且連設於該微波共振反應單元11外側，並用以收集於該微波共振反應單元11內所產製的氫氣。此外，本發明微波產氫裝置還可包含一連設於該儲料桶131與該霧化裝置14間之高壓幫浦18。藉該高壓幫浦18高壓抽取該儲料桶131內已均勻分散的原物料及催化劑進而送入該霧化裝置14中。
特別說明的是，電磁波頻率範圍在300MHz至300GHz的區間內統稱微波，本發明利用約2.45GHz附近的頻率作為反應發生的激發源，其主要的優勢有二：
(1)此波段的電磁輻射與金屬表面電子海的震盪頻率共振，所以能對金屬產生良好的加熱效果，若其作用在金屬電極上，會使金屬電極表面電子因共振產生的熱能而做高頻的震盪活化。若是在金屬電極上施加一個高壓電場，其作用只在維持電位差，能量上的損耗低；佐以金屬電極形狀的銳化，將使針尖尖端部位的被活化電子因高電位密度的排斥效應而形成高能電子發射源作為水裂解的反應器。
(2)此波段的電磁波與水分子的轉動能階頻率共振，因此容易被水分子吸收而提供水分子轉動動能，在水分子劇烈轉動的作用下將有助於水團簇的崩解，使得水裂解反應可以在相對低溫的條件下達成。另一反應途徑為轉動態的水分子彼此間因磨擦產生熱能，進而轉化為水裂解的動能，達成多重反應途徑的優勢。
另外，將已均勻混合的原物料及催化劑以霧化形態輸入一微波共振反應單元11內，其主要的優勢有三：
(1)將液態水細化成微米至奈米尺度的水滴，可以降低金屬電極表面的高能受激發射電子在發射過程中，被凝相狀態的水干擾所造成能量上的損耗，增大原物料與電子發射源的有效反應截面積。
(2)水團簇分子的數目越多，其穩定水團簇內電子的能力也相對增強，使得水裂解反應不易發生。而霧化後的水滴因小尺度重量輕，所以能降低地心引力的作用，增加其在空間中的停滯時間，較不易重新回歸凝相水的狀態，且霧化後的原物料因其表面積大幅增加，不管受微波作用或是受環境影響進而產生相變，均能有效的降低水團簇的分子數目，並可增進水裂解的反應速率。此外在本裝置中因設置有微波天線112，能使微波共振腔111內的水微滴或水團簇在接受微波天線112輻射出的受激發射電子作用後所形成的高電荷密度粒子更有助於水裂解反應發生。
(3)本發明所採用的催化劑為金屬氧化物，在高密度的金屬氧化物環境中，能對微波造成屏蔽效應，利用霧化的進料方式不僅可以達成催化劑在反應腔中的均勻分散，並且可以利用濃度改變控制催化劑在反應空間中的分佈密度，減少催化劑屏蔽效應的影響。
再者，本發明採微米至奈米尺度的氧化鐵粉末作為水裂解的催化劑，鐵的氧化物能與水分子形成氫建，有效削弱水分子中氧原子對氫原子的束縛力，降低水裂解反應能量障壁。此外可利用不同價數的鐵原子所形成的氧化物作為反應的氧化還原互聯組進行電子轉移反應，達成多重反應途徑的優勢。
綜上所述，本發明微波產氫方法及其裝置藉由上述設計，原物料及催化劑是利用霧化方式送入微波共振反應單元11，使其能均勻的散佈在整個微波共振反應單元11中，催化反應的發生將不再受限於傳統觸媒床的表面積大小，可以大幅增進催化效率。另外，微波共振反應單元11內具可作微波天線的金屬電極，這些金屬電極在接受微波驅動後可以震盪輻射出受激發射電子參與水的裂解產氫反應，佐以催化劑的輔助下，使原物料的裂解產氫反應具耗能小且效率高等功效。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。
11‧‧‧微波共振反應單元
111‧‧‧微波共振腔
112‧‧‧微波天線
12‧‧‧直流電源供應器
13‧‧‧儲料裝置
131‧‧‧儲料桶
132‧‧‧攪拌元件
14‧‧‧霧化裝置
15‧‧‧微波產生器
16‧‧‧儲氣裝置
17‧‧‧波導管
18‧‧‧高壓幫浦
111‧‧‧微波共振腔
112‧‧‧微波天線
12‧‧‧直流電源供應器
13‧‧‧儲料裝置
131‧‧‧儲料桶
132‧‧‧攪拌元件
14‧‧‧霧化裝置
15‧‧‧微波產生器
16‧‧‧儲氣裝置
17‧‧‧波導管
18‧‧‧高壓幫浦
[第一圖]為一示意圖，說明本發明微波產氫裝置的一實施例。
11‧‧‧微波共振反應單元
111‧‧‧微波共振腔
112‧‧‧微波天線
12‧‧‧直流電源供應器
13‧‧‧儲料裝置
131‧‧‧儲料桶
132‧‧‧攪拌元件
14‧‧‧霧化裝置
15‧‧‧微波產生器
16‧‧‧儲氣裝置
17‧‧‧波導管
18‧‧‧高壓幫浦
Claims (10)
- 一種微波產氫方法，包含： (a)將原物料及催化劑均勻分散以避免沉降；以及 (b)使已均勻分散的原物料及催化劑經一霧化裝置霧化形成微滴狀態後再輸入一微波共振反應單元內，該微波共振反應單元內的原物料能持續接受微波作用而進一步崩解成更小尺度的團簇甚至直接熱裂解產氫，此外，微滴還能同時接受設於該微波共振反應單元內之一個以上微波天線因微波共振激發後被活化所產生的受激發射電子作用，進而達成高電荷密度狀態的微滴或團簇，以使裂解作用更容易進行而產生氫氣，同時整個過程均能藉催化劑的表面催化作用，以使裂解反應所需的活化能下降而達成高效率製成氫氣並輸出供利用。
- 如申請專利範圍第1項所述之微波產氫方法，其中，原物料為水，催化劑為能與水分子中氧原子形成鍵結力大於25KJ/mol以上的化學作用力的物質。
- 如申請專利範圍第2項所述之微波產氫方法，其中，該微波共振反應單元內設置有一個以上微波天線，該等微波天線是由金屬電極所構成並與一直流電源供應器電性連接，藉該直流電源供應器提供該等金屬電極與水分子間的電位差，以使該等金屬電極能於該微波共振反應單元內對已均勻分散且形成微滴狀態的原物料在催化劑的幫助下有效進行裂解產氫反應。
- 如申請專利範圍第2項所述之微波產氫方法，其中，在步驟(b)中，催化劑為微米至奈米尺度的氧化鐵粉末。
- 如申請專利範圍第4項所述之微波產氫方法，其中，在步驟(b)中，微波頻率為800MHz至100GHz。
- 如申請專利範圍第1項所述之微波產氫方法，其中，在步驟(b)中，是利用一抽氣幫浦將所產製的氫氣抽出並導入一儲氣裝置內。
- 如申請專利範圍第1項所述之微波產氫方法，其中，在步驟(b)中，是利用壓差自然排氣方式而使所產製的氫氣能導入一儲氣裝置內。
- 如申請專利範圍第7項所述之微波產氫方法，其中，在步驟(a)中，是將原物料及催化劑先置入一儲料桶中，藉由一設於該儲料桶之攪拌元件的攪拌作用而使原物料及催化劑能均勻分散以避免沉降；另外，該微波產氫方法還包含一步驟(c)，在此步驟中是使沉降至該微波共振反應單元底部的催化劑回收至該儲料桶。
- 一種微波產氫裝置，包含： 一微波共振反應單元，具有一微波共振腔，以及一個以上設於該微波共振腔內之微波天線； 一直流電源供應器，與該等微波天線電性連接，該直流電源供應器並能提供電位差至該等微波天線； 一儲料裝置，包括一設於該微波共振反應單元外側且用以盛裝原物料及催化劑之儲料桶，以及一設於該儲料桶且用以伸入該儲料桶內實施攪拌作用以使該儲料桶內的原物料及催化劑均勻分散以避免沉降之攪拌元件； 一霧化裝置，連設於該儲料桶與該微波共振反應單元間，用以使已均勻分散的原物料及催化劑經霧化形成微滴狀態後輸入該微波共振腔內； 一微波產生器，設於該微波共振反應單元外側並能對該微波共振腔內發射一微波訊號，使該微波共振腔內的原物料不但能持續接受微波作用而進一步崩解成更小尺度的團簇甚至直接熱裂解產氫，此外，微滴還能同時接受該等微波天線被活化後所產生受激發射電子作用，進而達成高電荷密度狀態的微滴或團簇，以使裂解作用更容易進行而產生氫氣，同時整個過程均能藉催化劑的表面催化作用，以使裂解反應所需的活化能下降而達成高效率製成氫氣並輸出供利用；以及 一儲氣裝置，連設於該微波共振反應單元外側並用以收集於該微波共振反應單元內所產製的氫氣。
- 如申請專利範圍第9項所述之微波產氫裝置，其中，該微波產生器與該微波共振腔是藉由一波導管相連結。
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