TW202235685A - 生產氫的製程及機具設備 - Google Patents
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Abstract
一種由包含解離形式的氫氯酸的水性溶液生產氫的製程，所述水性溶液中存在至少一個由金屬合金所組成的電極，該金屬合金包含複數個具有不同標準還原電位的金屬，該製程包含下列步驟：將存在於溶液中的水合氫離子還原成氫，因而在金屬對之間的電極中產生由較低電位金屬至較高電位金屬的電子流，以及萃取由所述水性溶液如此獲得的氫。
Description
本發明關於生產氫的製程。
氫是目前在化學與煉油工業中所使用的重要原料。由於氫的低環境衝擊與高能量含量，亦有越來越大的興趣將氫作為燃料。
目前大規模氫生產的最常見方法包含使用碳氫化合物與石化燃料作為起始材料。
主要的碳氫化合物轉換製程為蒸氣重組，蒸氣重組包含在水蒸氣存在下輕碳氫化合物（例如，甲烷）的吸熱催化轉換。
其他製程為部分氧化，其中重碳氫化合物（例如，來自石化工業的重油殘留物）在氧氣存在下經受熱處理。
然而，碳氫化合物的開採對於環境具有非常負面的影響，這是因為碳氫化合物的開採會釋放大量的二氧化碳至大氣中，導致地球的熱平衡增加與溫室效應。
目前正在研究在不同時獲得二氧化碳的情況下，生產氫的數種技術。
其中一種技術是水電解。然而，由於所產生的氫數量有限且使用電力的高成本，以致此技術具有許多缺點。基於該些原因，水電解製程目前所產生的氫數量可忽略。
亦可由水透過生物生產或藉由使用熱的熱分解來獲得氫。然而，該些技術對於大量氫生產甚至是低效率的。
因此，急需開發更節能、能夠降低排放至大氣中的二氧化碳與低成本的大量氫生產製程。
本發明旨在以低能量消耗與低環境影響的方式來提供生產大量氫的製程。
此可根據請求項1的製程手段來完成。
根據本發明的製程，由包含解離形式的氫氯酸的水性溶液生產氫，所述水性溶液包含水合氫離子（H
3O
+），所述水性溶液中存在至少一個由金屬合金所組成的電極，該金屬合金包含複數個具有不同標準還原電位的金屬，
該製程包含下列步驟：
將存在於溶液中的水合氫離子（H
3O
+）還原成氫氣（H
2），因而在金屬對之間的所述至少一個電極中產生由較低電位金屬至較高電位金屬的電子流，以及
萃取由所述水性溶液如此獲得的氫氣。
藉由將氫氯酸導入水中來製造所述水性溶液，根據以下方程式，此分別解離釋放水合氫離子（H
3O
+）並形成氯離子（Cl
-）：
HCl + H
2O → H
3O
++ Cl
-（1）
標準還原電位（E
0）係化學物種獲得電子（亦即，被還原）的傾向的測量值。E
0值越高，物種的電子親和性越高且物種因而傾向於被還原。標準還原電位（E
0）是相對於電位E
0=0.00 V的標準氫電極來界定，且在標準條件下測量標準還原電位（E
0），亦即，在298 K（25 ℃）的溫度與100 kPa（1 bar）的壓力下。
每個金屬對之間的電位差必須足夠大，以確保此電子流由較低電位金屬遷移至較高電位金屬。較佳地，所述電位差為等於至少0.20 Volt，更較佳地，至少0.50 Volt。
在其間產生所述電子流的每個金屬對中，釋放電子的金屬作為陽極並根據以下半反應氧化，作為還原劑：
M → M
n++ ne
-（2）
「n」為整數，較佳為2或3。
接收電子的金屬而是作為惰性陰極，在陰極處，存在於溶液中的H
3O
+離子作為氧化劑且根據以下半反應獲得電子：
2H
++ 2e
-→ H
2（3）
特別地，在所述至少一個電極上發生以下氧化-還原反應：
H
2O (l) → O
2(g) + 2H
2(g) （4）
這導致氫氣與氧一起形成。
形成所述至少一個電極的金屬合金較佳包含鎂與下列至少一種金屬：鈹（Be）、鋁（Al）、錳（Mn）、鋅（Zn）、鐵（Fe）、銅（Cu）、矽（Si）、鎳（Ni）。
在較佳實施例中，所述金屬合金主要包含鎂。在特定較佳實施例中，所述金屬合金包含85重量%至95重量%的範圍中的鎂含量，較佳是在90重量%至91重量%的範圍中。
鎂是在所述複數個金屬中具有最低標準還原電位的金屬，且因而具有最大的傳送電子傾向。因此，當金屬合金與水性溶液接觸時，會發生由鎂至所述複數個金屬的每個金屬的電子遷移。因此，鎂總是作為陽極，根據半反應（1）氧化，其中n的值為2。
矽為所述金屬組中具有最高標準還原電位的金屬，因此矽總是作為惰性陰極，其中根據半反應（2），存在於溶液中的水合氫離子獲得電子，而形成氫氣。
取決於發生電子交換的金屬，具有介於Mg與Si之間的中等標準還原電位的每個金屬作為惰性陰極或作為根據半反應（1）進行氧化的陽極。當半反應（1）涉及諸如Be、Mn、Zn、Fe、Cu與Ni的金屬時，n的值假定為2，反之，當半反應（1）涉及諸如Al的金屬，n的值假定為3。
在本發明的較佳實施例中，所述金屬合金具有下列重量百分比（%）的組成物：90.81% Mg、5.83% Al、2.85% Zn、0.45% Mn、0.046% Si、0.0036% Cu、0.0012% Be、0.0010% Fe、0.00050% Ni。
根據本發明的其他實施例，所述金屬合金具有下列重量百分比（%）的組成物：90.65% Mg、5.92% Al、2.92% Zn、0.46% Mn、0.043% Si、0.0036% Cu、0.0012% Be、0.0010% Fe、0.00050% Ni。
根據本發明特別有利的實施例，所述至少一個電極的外表面塗佈有塗層，該塗層包含至少一種金屬氟化物，具體為氟化鎂、氟化鋁及/或氟化鋅。
較佳地，所述至少一個電極係外部塗佈有塗層，該塗層包含與甲基丙烯酸樹脂混合的一或多種的前述金屬氟化物。甚至更較佳地，所述甲基丙烯酸樹脂包含50%至70%（以重量計）的PFTE、15%至25%（以重量計）的1,2-丙二醇單甲基丙烯酸酯（1,2-propanediol monomethacrylate）（CAS.27813-02-1）與15%至25%（以重量計）的甲基丙烯酸羥乙酯（hydroxyethyl methacrylate）（CAS 868-77-9）。
根據本發明的較佳實施例，所述甲基丙烯酸樹脂包含60%（以重量計）的PFTE、20%（以重量計）的1,2-丙二醇單甲基丙烯酸酯（CAS.27813-02-1）與20%（以重量計）的甲基丙烯酸羥乙酯（CAS 868-77-9）。
較佳地，所述至少一個電極的此塗層具有0.5 mm至3.0 mm的厚度，更較佳為1.0 mm至2.0 mm。
根據本發明的更較佳實施例，在所述至少一個電極的一個端點處具有石墨構件，該石墨構件並未由電極的外表面的前述塗層所覆蓋。
有利地，亦在至少一個電極內部提供金屬構件，例如，鐵或碳鋼棒，此金屬構件與電極的所述石墨構件接觸。
根據本發明的又另一實施例，以穿孔帶或PTFE網布包覆所述至少一個電極的外塗層。較佳地，施加在塗層上的所述帶或PTFE網布具有數微米的厚度，例如1至3 µm。
根據本發明的其他實施例，以半透性織帶包覆所述至少一個電極的外塗層，該半透性織帶對於通過朝向電極的水性溶液是可滲透，而對反方向中的水性溶液是不可滲透的。所述織帶亦對氫是可滲透的。
藉由將氫氯酸導入水中以形成混合物來製備前述水性溶液。較佳地，所述混合物包含數量介於5與10%之間的氫氯酸，較佳為介於6與7%之間。所述百分比值以體積計。
在水性溶液中的氫氯酸百分比導致本發明製程在酸性環境下進行。發生所述製程的pH較佳為2至4範圍中，更較佳為2至3.4範圍中。
較佳在20至70℃的範圍中的溫度下進行製程，較佳為55至60℃的範圍中。
較佳在低於大氣壓的壓力下進行製程，例如介於0.3與0.5巴絕對（bar absolute）之間。
由於氫的低分子量，由所述溶液自發地釋放如此獲得的氫。
有鑑於氧的高分子量，製程期間產生的氧反而將保留在水性溶液中且將傾向於與亦存在於水性溶液中的氯鍵結，而形成次氯酸（HClO）。
根據本發明的較佳實施例，為了避免在水性溶液中累積次氯酸，後者係有利地藉由水性溶液的再循環步驟與除氣步驟的方式來再生，水性溶液的再循環步驟與除氣步驟係適用於在前述參照半反應（3）的還原步驟期間將與氫一起產生的氧萃取出來。所述除氣步驟包含過濾步驟，在過濾步驟期間移除氧。
具體來說，較佳使用填充MnO
2的多孔檔板膜過濾器來執行過濾步驟，在過濾步驟期間，分別釋放氧（O
2）與氯（Cl
2）兩者。較佳地以起泡的方式，接著將氯再導入水性溶液中以回收氯。
較佳地，所述除氣步驟在真空下執行。
由於形成根據本發明的製程基礎的反應為放熱，故所述再循環步驟亦較佳包含冷卻水性溶液的步驟，適用於將反應溫度保持在前述範圍中。
本發明的其他態樣關於根據前述製程的用於生產氫的機具設備。此機具設備包含：
至少一個緩衝槽，用於儲存包含解離形式的氫氯酸的水性溶液；
至少一個反應器，用於生產氫，在至少一個反應器中放置至少一個電極，該至少一個電極由金屬合金所組成，該金屬合金包含複數個具有不同標準還原電位的金屬；
至少一個進料管線，用於由所述至少一個緩衝槽將水性溶液供應至所述至少一個反應器；
至少一個再循環管線，用於由所述至少一個反應器將水性溶液再循環至所述至少一個緩衝槽；
至少一個裝置，用於再生水性溶液，沿著所述至少一個再循環管線設置所述裝置，以及
構件，用於由所述至少一個反應器萃取氫氣。
較佳地，所述再生裝置包含過濾裝置，該過濾裝置例如包含較佳填充MnO
2的至少一個多孔檔板膜過濾器，適用於分離在所述至少一個反應器（除氣）中生產氫的期間所形成的氧（O
2）。較佳地，所述過濾裝置在真空下操作。
較佳地，根據本發明的機具設備亦包含沿著所述再循環管線的至少一個冷卻裝置，包含至少一個熱交換器，適用於冷卻來自所述至少一個反應器的水性溶液流出物並保持反應溫度在20至70℃的範圍中。
根據特定有利的實施例，所述冷卻裝置係設置在再生裝置的上游處。
在一些實施例中，機具設備包含兩個平行的反應器，每個反應器具有個別的水性溶液的進料與再循環管線、用於在再循環管線中循環再生的水性溶液的個別裝置以及個別的氫萃取構件。
本發明的其他標的關於用於前述氫生產製程中的由金屬合金組成的電極。關於製造電極的金屬合金的組成與電極的實際結構與電極的塗層，可以參考與製程相關的描述內容。
本發明的標的亦為用於前述氫生產製程中的水性溶液，包含水合氫離子（H
3O
+）與氯離子（Cl
-）。
本發明的其他標的為塗佈所述至少一個電極的外表面的方法。
所述方法包含：
-涉及將所述至少一個電極浸入氫氟酸與水浴中的步驟，其中構成電極外表面的金屬與氫氟酸反應形成氟化銅綠（fluorinated patina）的金屬氟化物鹽；
-乾燥所述氟化銅綠的金屬氟化物鹽的第一步驟；
-將甲基丙烯酸樹脂凝膠塗抹在所述氟化銅綠上的步驟，所述甲基丙烯酸樹脂屬於描述與製程有關的種類；
-乾燥如此獲得的包含金屬氟化物與甲基丙烯酸樹脂的混合物的第二步驟，以獲得所述電極的外部塗層。
較佳地，所述第二乾燥步驟具有10至16小時的時間區段，更較佳為12小時。
根據本發明的較佳實施例，塗佈電極的方法更涉及，在所述第二乾燥步驟結束時，以穿孔帶或PTFE網布包覆所述電極。較佳地，所述帶或PTFE網布具有數微米的厚度，例如1至3 µm。
根據本發明的其他實施例，以半透性織帶來執行所述包覆電極的步驟，該半透性織帶對於通過朝向電極的水性溶液是可滲透，而對反方向中的水性溶液是不可滲透的。所述織帶亦對氫是可滲透的。
本發明的優點是提供一種生產大量氫的製程，因為可實質在無熱能與電能的外部輸入的情況下獲得氫，故本發明具有低能量消耗；因為此製程不會將CO
2釋放至大氣中，故本發明具有低環境衝擊以及因為氫氯酸是市面上可廣泛取得的商業物質，故本發明為低成本。
將利用以下實施方式來幫助更清楚呈現本發明優點，實施方式係關於以非限制實例的方式提供的較佳實施例。
第1圖顯示機具設備100，用於連續生產氫。機具設備100實質包含緩衝槽1，用於儲存水性溶液20；兩個反應器2與3，用於生產氫，該兩個反應器2與3是彼此相同且平行設置；個別管線21、22與21、23，用於由緩衝槽1供應水性溶液至反應器2與3；以及構件4與5，例如，習知的放流導管，用於萃取在前述反應器2與3中所生產的氫氣。
每個反應器2與3包含卡匣，分別以元件符號6與7表示，包含複數個由金屬合金所組成的電極，該金屬合金由具有不同標準還原電位的金屬所組成。
所述金屬合金包含鎂與下列至少一種金屬：鈹（Be）、鋁（Al）、錳（Mn）、鋅（Zn）、鐵（Fe）、銅（Cu）、矽（Si）、鎳（Ni）。較佳地，鎂含量在85重量%至95重量%的範圍中，更較佳為90重量%至91重量%。
根據以下製程，由顆粒形式存在的前述金屬來獲得所述電極，其中混合並加熱該些金屬直到該些金屬完全熔化以及其中將如此所獲得的熔融體澆鑄至特定模具中，熔融體在特定模具內部冷卻並固化。最後，將根據本發明的電極由模具中取出。
根據本發明的較佳實施例，在澆鑄熔融體之前，將諸如鐵或碳鋼棒的金屬構件設置在模具內部。較佳地，將金屬構件設置在模具內部，使得金屬構件的末端部分未與熔融體接觸。一旦熔融體已冷卻且已由模具取出電極時，前述金屬構件的末端部分將位於電極外側且由電極凸出。
根據本發明的電極的較佳實施例顯示於第2圖中。
所述第2圖示意性地顯示電極200，包含實質圓柱體201，該實質圓柱體201由所述金屬合金所組成且具有金屬棒202容納於其中。在棒202的末端部分203處，棒202由圓柱體201凸出。所述末端部分203具有石墨構件204，該石墨構件204固定至所述末端部分203。較佳地，將石墨構件螺合在棒202的末端部分上且將塑膠墊圈205放置於石墨構件204與圓柱體201之間。因而形成石墨構件203與棒202之間的接觸。
圓柱體201又具有外塗層，通常以元件符號206表示且包含與甲基丙烯酸樹脂208混合的至少一種金屬氟化物的層207，金屬氟化物特別是氟化鎂、氟化鋁及/或氟化鋅，而甲基丙烯酸樹脂208較佳為60%（以重量計）的PFTE、20%（以重量計）的1,2-丙二醇單甲基丙烯酸酯（CAS.27813-02-1）與20%（以重量計）的甲基丙烯酸羥乙酯（CAS 868-77-9）。
又有利地以穿孔帶或PTFE網布209包覆由至少一種金屬氟化物與甲基丙烯酸樹脂所組成的外塗層206，穿孔帶或PTFE網布209具有數微米的厚度，例如1至3 µm。
在第1圖的實例中，分別將電極與卡匣6與7設置在反應器2與3內部，相對於底部的突起位置中。
每個反應器2與3以個別管線26、28與27、28的方式與緩衝槽1流體連通，用於再循環水性溶液，該水性溶液通過一系列用於處理所述溶液的裝備。具體來說，每個反應器2與3通過前述再循環管線與冷卻裝置8、9流體連通，冷卻裝置8、9由至少一個熱交換器（未圖示）所組成。來自冷卻裝置8、9的水性溶液流動至過濾裝置10，過濾裝置10包含較佳使用MnO
2（未圖示）填充的多孔檔板膜過濾器，能夠分離在反應器2與3（除氣）中生產氫的期間所形成的氧（O
2）。
每個再循環管線26、28、27、28係經由排放導管12與13與反應器2與3的內部連接，排放導管12與13實質延伸至所述反應器的底部。具體來說，所述排放導管12、13的開口位於卡匣6、7下方介於反應器2、3的底部與卡匣本身的基座之間。
機具設備亦具有一或多個管線，用於內循環存在於緩衝槽1中的水性溶液。根據需求，可將該些管線經由個別連接管道連接至用於供應水性溶液至反應器的管線。在第1圖所示的實例中，兩個內循環管線24與25經由個別連接管道24b與25b連接至供應管線22與23。
機具設備亦包含區段14，位於緩衝槽1的上游，在區段14中混合氫氯酸的酸溶液40與自來水41以製備水性溶液20。所述區段14實質包含用於儲存酸溶液40的槽15、用於過濾自來水的裝置16以及用於供應已過濾水的管線42。
藉由位於過濾裝置16上游處的閥V1與位於過濾裝置16下游處的止逆閥V2來控制自來水的流41。改為藉由連接至槽15的氣動泵P1泵送溶液40，當填充緩衝槽1時，啟動氣動泵P1，而打開氣動閥V3。接著，溶液40通過止逆閥V4並與已過濾自來水42混合，而形成前述水性溶液20。
所述水性溶液20較佳包含數量介於3與20體積%之間的氫氯酸以及介於5與10體積%之間、較佳介於6與7體積%之間。
使用期間，以下列方式操作機具設備100：
以水性溶液20填充緩衝槽1。接著將所述水性溶液供應至反應器2與3，直到達到個別液體位準L1與L2。
更詳細參照第1圖所示的實例，利用泵P2泵送經由管線21離開緩衝槽1的水性溶液，輸送通過控制反應器2與3的填充的流量計17，並接著將水性溶液分為兩個部分，經由管線22與23通過個別的氣動閥V6與V7供應該兩個部分至反應器2與3。
一旦反應器被填充時，水性溶液保持在反應器內部達一段預定時間，較佳是在數分鐘的區間，並在電極存在的情況下進行反應，以根據反應（4）：H
2O(l) → O
2(g) + 2H
2(g)一起供給氫氣與氧氣。反應溫度較佳介於55與60℃之間且壓力介於2.5與3 bar之間。
由於氫的低分子量，故如此獲得的氫由溶液釋放並積聚在反應器2、3內部的收集腔室中，所述腔室位於液體位準L1、L2與個別反應器的蓋之間。經由個別放流導管4與5將積聚在所述腔室中的氫由反應器2與3萃取出來並儲存於適當槽（未圖示）中。
改為經由個別排放導管12與13萃取水性溶液並於再循環管線26、27中再循環。藉由氣動閥V5與V6來控制水性溶液的萃取，藉由反應器2、3中的液體位準L1與L2來控制氣動閥V5與V6的開啟。
排放導管12、13的開口位置低於卡匣6、7，使得在電極處形成的氫氣不會與水性溶液一起被吸入再循環管線26、27中。
由反應器經由再循環管線26、27萃取出的水性溶液首先在冷卻裝置8與9的熱交換器中進行冷卻步驟，此藉由與冷卻水流（未圖示）的間接熱交換方式來進行。冷卻於再循環管線26、27中循環的水性溶液，使得在反應器2、3內部維持較佳為55與60℃之間的恆定溫度。
如此冷卻的水性溶液接著進行除氣步驟，以由水性溶液萃取氧。此除氣步驟包含過濾步驟，較佳在過濾裝置10內部於真空下執行過濾步驟。藉此，由水性溶液分離氧並經由特定放流導管32萃取氧。用語「於真空下」表示略小於1 bar的壓力，例如介於0.5與0.8 bar之間。
在較佳使用MnO
2（未圖示）填充的多孔檔板膜過濾器在裝置10內部執行的過濾步驟期間，除了氧之外，亦分別釋放氯（Cl
2）。較佳地以起泡的方式，接著將後者再導入水性溶液中以回收後者。
接著將實質不包含氧的水性溶液經由再循環管線28再循環至緩衝槽1。
將水性溶液20由緩衝槽1經由供應管線21、22與21、23連續再導入反應器2與3中，用以維持液體位準L1與L2恆定。藉由將所述水性溶液20再循環通過內循環管線24與25，而將所述水性溶液20保持為恆定移動。為了允許再循環，經由個別泵P3與P4泵送水性溶液。
在涉及檢查或維修反應器2與3的操作期間，後者經由個別通道29與30排空並將水性溶液以流31的方式送至廢料收集槽（未圖示）。在該些操作期間，假如需要的話，可能執行電極的再生。具體來說，可能藉由將該些電極浸入具有氫氟酸的水性溶液中達適當時間期間（例如，10至20分鐘，較佳為15分鐘）來復原電極的外塗層206。
假如需要的話，在機具設備的操作期間，將在內循環管線24與25中循環的水性溶液的一部分經由個別管道24b、25b供應至反應器2、3，個別管道24b、25b連接內循環管線24、25與個別供應管線22、23。
有利地以密封方式來實現機具設備中所使用的設備，設備較佳由鋼製成，且除了過濾裝置10以外，緩衝槽1亦在真空下操作。在此情況中，緩衝槽1內部的壓力介於0.03與0.08 bar之間。藉此，存在於水性溶液中的氧不會與外部空氣接觸。
以下描述根據本發明製程的執行實例。
實例
使用高度為120公分與直徑為30公分的兩個相同的圓柱形反應器。
在每個反應器中，導入包含32個電極的卡匣，該等電極亦為圓柱形，高度為40公分與直徑為4公分，且由金屬合金所製成，金屬合金由下列所組成：90.81% Mg、 5.83% Al、2.85% Zn、0.45% Mn、0.046% Si、0.0036% Cu、0.0012% Be、0.0010% Fe、0.00050% Ni。
將卡匣設置在距離反應器底部約20公分的高度處。
接著將每個反應器填充總體積為25公升的溶液，該溶液包含水與氫氯酸。
藉由將2.36公升的38%氫氯酸溶液導入諸如補足前述25公升體積的數量的自來水中來製備前述溶液。
因此，在反應器中的溶液組成物為下列：26.464公升的水與0.896公升的氫氯酸。
換言之，混合物包含96.72體積%的自來水與3.28%的氫氯酸。
溶液的駐留時間為約15分鐘且可能生產等於22 Nm
3/h數量的氫氣。利用此氫生產製程，有利地達到小於1.5 kWh的能量消耗。
根據進一步實施例，本發明製程亦包含提供氫氟酸（HF）至包含解離形式的氫氯酸的水性溶液（20）中。較佳地，在每10,000ml的所述水性溶液中加入50至70ml數量的此氫氟酸（HF），更較佳為60ml。
在這方面，除了水合氫離子（H
3O
+）與氯離子（Cl
-），本發明製程中所使用的水性溶液亦包含氫氟酸（HF），數量如前所述。在此水性溶液中，氫氟酸進行離子解離。
藉由以可見同調光（特別是LED光）照射該（等）電極而有利地獲得特別滿意的氫氣（H
2）生產結果，產量增加高達20%。
1:緩衝槽
2:反應器
3:反應器
4:構件
5:構件
6:卡匣
7:卡匣
8:冷卻裝置
9:冷卻裝置
10:過濾裝置
12:排放導管
13:排放導管
14:區段
15:槽
16:過濾裝置
17:流量計
20:水性溶液
21:供應管線
22:供應管線/進料管線
23:供應管線/進料管線
24:內循環管線
24b:連接管道
25:內循環管線
25b:連接管道
26:再循環管線
27:再循環管線
28:再循環管線
29:通道
30:通道
31:流
32:放流導管
40:酸溶液
41:自來水/流
42:管線
100:機具設備
200:電極
201:圓柱體
202:金屬棒
203:末端部分
204:石墨構件
206:外塗層
207:金屬氟化物的層
208:甲基丙烯酸樹脂
209:穿孔帶或PTFE網布
P1:氣動泵
P2:泵
P3:泵
P4:泵
V1:閥
V2:止逆閥
V3:氣動閥
V4:止逆閥
V5:氣動閥
V6:氣動閥
V7:氣動閥
第1圖顯示根據本發明的製程的較佳執行方式的生產氫的機具設備圖。
第2圖詳細顯示根據第1圖的機具設備圖的電極。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無
1:緩衝槽
2:反應器
3:反應器
4:構件
5:構件
6:卡匣
7:卡匣
8:冷卻裝置
9:冷卻裝置
10:過濾裝置
12:排放導管
13:排放導管
14:區段
15:槽
16:過濾裝置
17:流量計
20:水性溶液
21:供應管線
22:供應管線/進料管線
23:供應管線/進料管線
24:內循環管線
24b:連接管道
25:內循環管線
25b:連接管道
26:再循環管線
27:再循環管線
28:再循環管線
29:通道
30:通道
31:流
32:放流導管
40:酸溶液
41:自來水/流
42:管線
100:機具設備
P1:氣動泵
P2:泵
P3:泵
P4:泵
V1:閥
V2:止逆閥
V3:氣動閥
V4:止逆閥
V5:氣動閥
V6:氣動閥
V7:氣動閥
Claims (40)
- 一種由包含解離形式的氫氯酸的一水性溶液（20）開始生產氫的製程，所述溶液包含水合氫離子（H 3O +），在所述水性溶液中存在至少一個由一金屬合金所組成的電極，該金屬合金包含複數個具有不同標準還原電位的金屬， 該製程包含下列步驟： 將存在於該溶液中的該水合氫離子（H 3O +）還原成氫氣（H 2），因而在金屬對之間的所述至少一個電極中產生由具有一較低電位的該金屬至具有一較高電位的該金屬的一電子流，以及 萃取由所述水性溶液如此獲得的氫氣。
- 根據請求項1所述之製程，其中所述金屬合金包含鎂與下列至少一種金屬：鈹（Be）、鋁（Al）、錳（Mn）、鋅（Zn）、鐵（Fe）、銅（Cu）、矽（Si）、鎳（Ni）。
- 根據請求項2所述之製程，其中所述金屬合金主要包含鎂。
- 根據請求項3所述之製程，其中所述金屬合金包含85重量%至95重量%的範圍中的一鎂含量，較佳是90重量%至91重量%。
- 根據請求項2、3或4所述之製程，其中所述至少一個電極的該金屬合金由下列所組成： A）90.81% Mg、5.83% Al、2.85% Zn、0.45% Mn、0.046% Si、0.0036% Cu、0.0012% Be、0.0010% Fe、0.00050% Ni；或 B）90.65% Mg、5.92% Al、2.92% Zn、0.46% Mn、0.043% Si、0.0036% Cu、0.0012% Be、0.0010% Fe、0.00050% Ni。
- 根據請求項1所述之製程，其中所述至少一個電極的外表面塗佈有一塗層，該塗層包含至少一種金屬氟化物，較佳為氟化鎂、氟化鋁及/或氟化鋅。
- 根據請求項6所述之製程，其中所述塗層包含與一甲基丙烯酸樹脂混合的所述至少一種金屬氟化物。
- 根據請求項7所述之製程，其中所述甲基丙烯酸樹脂包含50%至70%（以重量計）的PFTE、15%至25%（以重量計）的1,2-丙二醇單甲基丙烯酸酯（CAS.27813-02-1）與15%至25%（以重量計）的甲基丙烯酸羥乙酯（CAS 868-77-9）。
- 根據請求項8所述之製程，其中所述甲基丙烯酸樹脂包含60%（以重量計）的PFTE、20%（以重量計）的1,2-丙二醇單甲基丙烯酸酯（CAS.27813-02-1）與20%（以重量計）的甲基丙烯酸羥乙酯（CAS 868-77-9）。
- 根據請求項6所述之製程，其中所述至少一個電極的所述塗層具有0.5 mm至3.0 mm的一厚度，更較佳為1.0 mm至2.0 mm。
- 根據請求項6所述之製程，其中在所述至少一個電極的至少一個端點處具有一石墨構件，且其中所述至少一個電極的該外表面的所述塗層並未覆蓋所述石墨構件。
- 根據請求項11所述之製程，其中在所述至少一個電極內部提供一金屬構件，較佳為一鐵或碳鋼棒，所述金屬構件與所述石墨構件接觸。
- 根據請求項6所述之製程，其中以一穿孔帶或一PTFE網布或以一半透性織帶包覆所述外塗層，此對於通過朝向該電極的該水性溶液是可滲透，而對反方向中的該水性溶液是不可滲透的。
- 根據請求項1所述之製程，其中所述水性溶液包含濃度為5至10%的氫氯酸。
- 根據請求項1所述之製程，其中所述水性溶液的pH為2至4範圍中。
- 根據請求項1所述之製程，其中該水合氫離子還原成氫氣的反應在20至70℃之間的一溫度下發生，較佳為55至60℃之間。
- 根據請求項1所述之製程，其中該水合氫離子還原成氫氣的反應在低於大氣壓的一壓力下發生。
- 根據請求項1所述之製程，其中藉由該水性溶液的一再循環步驟與一除氣步驟的方式來再生所述水性溶液，且所述除氣步驟包含一過濾步驟，其中由該水性溶液移除氧。
- 根據請求項18所述之製程，其中使用較佳以MnO 2填充的多孔檔板膜過濾器來執行所述過濾步驟，其中分別釋放氧（O 2）與氯（Cl 2）兩者。
- 根據請求項19所述之製程，其中較佳地以起泡的方式，將如此釋放的該氯回收並再導入該水性溶液中。
- 根據請求項18所述之製程，其中該再循環步驟包含冷卻該水性溶液的一步驟，適用於將該反應溫度維持在實質恆定。
- 一種根據請求項1至21所述之製程來生產氫的機具設備，所述機具設備包含： 至少一個緩衝槽（1），用於儲存包含解離形式的氫氯酸的一水性溶液（20）； 至少一個反應器（2、3），用於生產氫，在該至少一個反應器（2、3）內部放置至少一個電極，該至少一個電極由一金屬合金所組成，該金屬合金包含複數個具有不同標準還原電位的金屬； 至少一個進料管線（22、23），用於由所述至少一個緩衝槽（1）將該水性溶液供應至所述至少一個反應器（2、3）； 至少一個再循環管線（26、28；27、28），用於由所述至少一個反應器（2、3）將該水性溶液再循環至所述至少一個緩衝槽（1）； 至少一個裝置（10），用於再生該水性溶液，沿著所述至少一個再循環管線（26、28；27、28）設置所述裝置，以及 構件（4、5），用於由所述至少一個反應器萃取氫氣。
- 根據請求項22所述之機具設備，其中所述至少一個再生裝置（10）包含一過濾裝置，該過濾裝置包含至少一個較佳使用MnO 2填充的多孔檔板膜過濾器，能夠由所述水性溶液分離氧（O 2）。
- 根據請求項23所述之機具設備，其中所述過濾裝置在真空下操作。
- 根據請求項22、23或24所述之機具設備，沿著所述至少一個再循環管線（26、28；27、28）包含至少一個冷卻裝置（8、9）。
- 一種用於根據請求項1至21所述之氫生產製程中的電極，該電極由一金屬合金所組成，該金屬合金包含鎂與下列至少一種金屬：鈹（Be）、鋁（Al）、錳（Mn）、鋅（Zn）、鐵（Fe）、銅（Cu）、矽（Si）、鎳（Ni）。
- 根據請求項26所述之電極，其中所述金屬合金包含85重量%至95重量%的範圍中的一鎂含量，較佳是90重量%至91重量%。
- 根據請求項27所述之電極，其中所述金屬合金由下列所組成： A）90.81% Mg、5.83% Al、2.85% Zn、0.45% Mn、0.046% Si、0.0036% Cu、0.0012% Be、0.0010% Fe、0.00050% Ni；或 B）90.65% Mg、5.92% Al、2.92% Zn、0.46% Mn、0.043% Si、0.0036% Cu、0.0012% Be、0.0010% Fe、0.00050% Ni。
- 根據請求項26、27或28所述之電極，其中所述電極的外表面塗佈有一塗層，該塗層包含至少一種金屬氟化物，較佳為氟化鎂、氟化鋁及/或氟化鋅。
- 根據請求項29所述之電極，其中所述塗層包含與一甲基丙烯酸樹脂混合的所述至少一種金屬氟化物。
- 根據請求項30所述之電極，其中所述甲基丙烯酸樹脂包含50%至70%（以重量計）的PFTE、15%至25%（以重量計）的1,2-丙二醇單甲基丙烯酸酯（CAS.27813-02-1）與15%至25%（以重量計）的甲基丙烯酸羥乙酯（CAS 868-77-9）。
- 根據請求項31所述之電極，其中所述甲基丙烯酸樹脂包含60%（以重量計）的PFTE、20%（以重量計）的1,2-丙二醇單甲基丙烯酸酯（CAS.27813-02-1）與20%（以重量計）的甲基丙烯酸羥乙酯（CAS 868-77-9）。
- 根據請求項29所述之電極，其中所述電極的所述塗層具有0.5 mm至3.0 mm的一厚度，更較佳為1.0 mm至2.0 mm。
- 根據請求項29所述之電極，其中在所述電極的一個端點處具有一石墨構件，且其中所述電極的該外表面的所述塗層並未覆蓋所述石墨構件。
- 根據請求項34所述之電極，其中在所述電極內部提供一金屬構件，較佳為一鐵或碳鋼棒，所述金屬構件與所述石墨構件接觸。
- 根據請求項29所述之電極，其中以一穿孔帶或一PTFE網布或以一半透性織帶包覆所述外塗層，此對於通過朝向該電極的該水性溶液是可滲透，而對反方向中的該水性溶液是不可滲透的。
- 一種用於根據請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或21所述之氫生產製程中的水性溶液，包含水合氫離子（H 3O +）與氯離子（Cl -）。
- 一種塗佈一電極之方法，該電極由一金屬合金所組成，該金屬合金包含複數個具有不同標準還原電位的金屬，所述電極用於根據請求項1至21所述之氫生產製程中，該塗佈方法包含： -將該電極浸入一氫氟酸與水浴中的一步驟，其中構成該電極的外表面的該等金屬與該氫氟酸反應形成一氟化銅綠的金屬氟化物鹽； -乾燥所述氟化銅綠的金屬氟化物鹽的一第一步驟； -將一甲基丙烯酸樹脂凝膠塗抹在所述氟化銅綠上的一步驟； -乾燥如此獲得的包含金屬氟化物與甲基丙烯酸樹脂的混合物的一第二步驟。
- 根據請求項38所述之塗佈一電極之方法，其中所述甲基丙烯酸樹脂包含50%至70%（以重量計）的PFTE、15%至25%（以重量計）的1,2-丙二醇單甲基丙烯酸酯（CAS.27813-02-1）與15%至25%（以重量計）的甲基丙烯酸羥乙酯（CAS 868-77-9）。
- 根據請求項38或39所述之塗佈一電極之方法，其中在所述第二乾燥步驟結束時，以一穿孔帶或一PTFE網布或以一半透性織帶包覆所述電極，此對於通過朝向該電極的該水性溶液是可滲透，而對反方向中的該水性溶液是不可滲透的。
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