TW202334507A - 產氫 - Google Patents

Abstract

本發明提供用於產生氫氣及/或氧氣之系統。在一個例示性具體實例中，系統可包括第一腔室、經組態以將微波能量輻射至至少第一腔室中之微波源、與該第一腔室連通之第二腔室，及紫外光源。該第二腔室包括出口及波導，且該紫外光源駐留於該第二腔室之該波導內。該第一腔室包括允許輸入饋料進入該第一腔室之入口，該輸入饋料包含水。該紫外光源經組態以發射紫外光以在水流動通過該第二腔室時至少部分地將該水分解成氫氣及氧氣。本發明亦提供用於產生氫氣及/或氧氣之方法。

Description

產氫

相關申請案之交叉參考

本申請案主張於2021年12月15日申請且名為「過氧化氫（Hydrogen Peroxide）」之美國臨時專利申請案第63/289,920號的優先權，該案以全文引用之方式併入本文中。

本文中所描述之主題係關於自水產生氫及/或氧。

氫廣泛用於多種不同行業中，諸如油精煉、氨生產、甲醇生產及鋼生產、運輸及建築材料。氫可由可再生資源（例如，水、風、太陽能等)及非再生資源（例如，煤、天然氣等）產生。

習知產氫方法包括蒸汽重整（例如，天然氣）、煤氣化、部分氧化（例如，重烴（諸如油））、熱化學循環、光解（例如，太陽能光解）及電解。

本發明提供系統。在一個例示性具體實例中，系統可包括第一腔室、經組態以將微波能量輻射至至少第一腔室中之微波源、與第一腔室連通之第二腔室，及紫外光源。第二腔室包括出口及波導，且紫外光源駐留於第二腔室之波導內。第一腔室包括允許輸入饋料進入第一腔室之入口，輸入饋料包括水。紫外光源經組態以發射紫外光以在水流動通過第二腔室時至少部分地將水分解成氫氣及氧氣。

在一些具體實例中，水可呈蒸氣形式。在一些具體實例中，水可呈氣溶膠形式。

在一些具體實例中，微波源可進一步經組態以將微波能量輻射至第二腔室之波導中，使得微波能量接觸紫外光源，且其中紫外光源可包括在與微波能量接觸時產生紫外光之內部氣體。

在一些具體實例中，波導可包括一末端，該末端經組態使得微波能量在波導內形成駐波。

在一些具體實例中，第二腔室可進一步包括：第一電極，經組態以具有負電荷；及第二電極，經組態以具有正電荷，第一電極及第二電極在紫外光源外部且在波導內部。

在一些具體實例中，系統可進一步包括在波導內且含有紫外光源之管總成，其中管總成包括至少部分地對紫外光及微波能量透明之壁。

在一些具體實例中，第一腔室可位於微波源與第二腔室之間，使得微波能量由微波源產生且微波能量穿過第一腔室至第二腔室。

在一些具體實例中，第二腔室可包括複數個延伸穿過其的管總成且紫外光源包括複數個紫外光源。各管總成可包括管總成出口、對紫外光及微波能量透明之壁及複數個紫外光源中之對應的一個紫外光源，該對應的一個紫外光源包括在與微波能量接觸時產生紫外光之內部氣體。微波源可經組態以將微波能量輻射至第一腔室中及輻射至複數個管總成中，使得微波能量接觸複數個紫外光源以使其中之內部氣體在與微波能量接觸時產生紫外光。

在一些具體實例中，系統可進一步包括耦接至入口之水源及耦接至出口且經組態以將氫氣與氧氣分離之氣體分離器。在一些具體實例中，氣體分離器可為旋液分離器。在一些具體實例中，氣體分離器可包括滲透膜，該滲透膜經組態以至少部分地將氫氣與至少氧氣分離，使得經分離之氫氣經由氣體分離器之出口流通。

在一些具體實例中，紫外光源可輻射具有約150 nm至200 nm之波長範圍的紫外光。

在一些具體實例中，紫外光源可輻射具有185 nm之波長的紫外光。

在一些具體實例中，第二腔室可為長形的且沿著主軸延伸，紫外光源沿著主軸可為長形的且沿著主軸駐留於第二腔室內。第二腔室可進一步包括：第一電極，經組態以具有負電荷；及第二電極，經組態以具有正電荷，第一電極及第二電極在紫外光源外部且在波導內部。第一電極沿著主軸可為長形的且配置於紫外光源上方且第二電極沿著主軸可為長形的且配置於紫外光源下方。

在一些具體實例中，第二腔室可形成旋液分離器。在此等具體實例中，紫外光源可駐留於位於旋液分離器內之渦漩鏡上。

在一些具體實例中，系統可包括駐留於第二腔室內之滲透膜，其中滲透膜至少部分地將氫氣與至少氧氣分離，使得經分離之氫氣經由第二腔室之出口流通。

亦提供方法。在一個例示性具體實例中，方法可包括將水提供至與第二腔室及微波源鄰近且連通之第一腔室，該微波源向第一腔室中輻射微波能量；將水與由微波源產生之微波能量接觸；將微波水提供至第二腔室，第二腔室包括出口及波導，其中紫外光源駐留在第二腔室之波導內；及將微波水與第二腔室內之紫外光接觸，紫外光由紫外光源產生，微波源經組態以將微波能量輻射至第一腔室中，其中水與紫外光之接觸使得水至少部分地分解成氫氣及氧氣。

在一些具體實例中，方法進一步包括將氫氣與氧氣分離。在此類具體實例中，氫氣與氧氣之分離可發生在第二腔室內。在此類具體實例中，第二腔室可包括滲透膜，其中滲透膜至少部分地將氫氣與至少氧氣分離，使得經分離之氫氣經由第二腔室之出口流通。

在一些具體實例中，氫氣與氧氣之分離可發生在與第二腔室耦接且流體連通之氣體分離器內。在此類具體實例中，氣體分離器包括滲透膜，其中滲透膜至少部分地將氫氣與至少氧氣分離，使得經分離之氫氣經由氣體分離器之出口流通。

如本文所用之術語「反應器」係指可以發生化學反應的腔室或容器。可提供反應器以維持用於反應之某一體積，且另外具備控制反應之溫度及/或壓力的功能。

術語「解離」係指在至少兩個原子之間的鍵斷裂。

術語「鍵解離能量」係指斷裂至少兩個原子之間的鍵所需的能量之量。

術語「輻射」係指以光或熱形式發射能量。

本文所用之術語僅出於描述特定具體實例的目的，且並不意欲限制主題。如本文所用，除非上下文另外明確指出，否則單數形式「一（a/an)」及「該（the）」係意欲亦包括複數形式。應進一步理解，術語「包含（comprises及/或comprising）」或「包括（includes及/或including）」在用於本說明書中時指定所陳述特徵、區域、整數、步驟、操作、元件及/或組件的存在，但不排除一或多個其他特徵、區域、整數、步驟、操作、元件、組件及/或其群組的存在或添加。

除非上下文有特別規定或顯而易見，否則如本文所用，術語「約」應理解為在此項技術中之正常容限範圍內，例如在平均值之2個標準差內。「約」可理解為在陳述值之10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01%內。除非上下文另外明確說明，否則本文中所提供之所有數值均皆由術語「約」修飾。

產氫之一些習知方法可係相對昂貴的、能量密集的及/或生產環境汙染物（例如，二氧化碳）。因此，仍需要解決關於產氫之當前問題的改良之系統及方法。

本發明主題可包括用於產氫之系統及方法。氫氣可以自水（H ₂O）獲得。在一些實施中，水可呈水蒸氣（例如，氣相分子）形式。蒸氣典型地係無色（例如不可見）及非濕潤，但可在與液體及/或固體接觸時冷凝及/或反應。在一些實施中，水可呈氣溶膠形式（例如，含有具有約1 nm至10 µm或更大之尺寸之水滴的可見氣溶膠）。在一些實施中，水可呈液體形式。在某些實施中，水並非呈液體形式。

在一些實施中，自水產氫可藉由以微波及紫外（UV）光輻射水以將水分解成氫及氧來進行。微波可用來以熱方式激發水，藉此有利地引起鍵振動及增加鍵長，且UV光可引起鍵解離。水之熱激發可有利地增加水吸收UV光之能力，引起更大的鍵解離且因此導致產氫。此外，水之熱激發可提供使用較短UV波長實現鍵解離之能力，其具有較大鍵穿透力，且因此引起更有效的氫鍵裂解，此在較低UV波長下原本不會發生。

此外，在一些實施中，微波能夠形成駐波，由於水的極性，其可調整水之分子位置，藉此增加有效UV吸收面積。相較於不採用駐波時，增加有效UV吸收面積會增加氫氣產生。例如，駐波之使用能夠暴露氫與氧之間的鍵角。在一些實施中，無電極UV燈可用作UV光源且UV燈可由亦輻射水之微波源驅動。

與習知系統及方法相比，使用本發明之系統及方法可將水分解成氫氣及氧氣，得到更高產率。此係因為相較於習知系統及方法，本發明系統及方法之一些實施能夠以更快速率解離O-H鍵，藉此減少滯留時間，且使用較少量之能量解離O-H鍵。因此，其他物質在鍵解離期間之形成可減少或減至最少。

水包含兩個O-H鍵，其在能量輸入時可解離。可依序斷裂或解離水中之氧及氫鍵。例如，如反應（1）至反應（3）中所描述，當施加大於第一鍵解離能量之足夠能量，例如298K下之498.7 KJ/mol時，第一鍵會斷裂，且當施加大於第二鍵解離能量之能量，例如298K下之428 KJ/mol時，第二鍵會斷裂。 2H ₂O→2H ₂(g)+O ₂(g) （1） H ₂O→H ⁺+OH ^-498.7 KJ/mol                  （2）第一O-H鍵斷裂 （在298K之溫度下） O-H→H+O 428 KJ/mol                            （3）第二O-H鍵斷裂 （在298K之溫度下）

不希望受理論所束縛，O-H鍵之第一及第二解離可以藉由向水反應物分子供應足夠能量來起始及進行。用於解離水之O-H鍵的能量可以藉由輻射光供應。例如，光輻射可以在紫外（UV）光範圍（諸如UV-C光範圍）內。下表1列出各種波長下之UV-C光之能量。

表 1 ： UV-C 光之例示性波長及關聯能量
波長 λ （ nm ）	能量 （ kJ ）
100	1196.66
110	1087.87
120	997.21
130	920.50
140	854.75
150	797.77
160	747.91
170	703.92
180	664.81
190	629.82
200	598.33
210	569.84
220	543.93
230	520.29
240	498.61
250	478.66
260	460.25
270	443.21
280	427.38

具有足以斷裂水之第一O-H鍵及第二O-H鍵之能量的UV光可以輻射適合時間，直至獲得生產氫氣之所需量或產率。例如，H ₂O分子之UV輻射可以進行約1 µs至1秒、1 ms至1秒、.01秒至15分鐘、約1秒至30秒或約.01秒至15秒。亦考慮UV輻射可以進行不落在此等引述範圍中之任一者之外的時間量。

此外，O-H鍵之各解離可以在各種溫度範圍內起始及進行。在一些實施中，溫度可在約27℃至35℃、約20℃至40℃或約0℃至125℃範圍內。例如，用於起始反應之水或活化能之鍵解離能量可在不同溫度範圍內變化，且反應（1）至（3）所需之能量可以基於反應溫度適當地測定。亦考慮溫度不落在此等引述範圍中之任一者之外。

在一些實施中，水可以呈蒸氣形式供應至系統。在一些實施中，系統可包括蒸氣生產子系統，使得呈液體形式之水能夠初始地引入到系統中且隨後加熱成蒸氣。一旦將水加熱成蒸氣，所得水蒸氣隨後可暴露於微波及UV光以使得水蒸氣分解成氫及氧。

在一些實施中，水可以呈氣溶膠形式供應至系統。在一些實施中，系統可包括氣溶膠生產子系統，使得呈液體形式之水可初始地引入到系統中。一旦將水加熱成氣溶膠，則隨後將水蒸氣暴露於微波及UV光使得水蒸氣分解成氫及氧。

在一些實施中，水可以呈液體形式供應至系統。

本發明主題可包括一種產生氫氣之方法。方法可包括將水提供至反應器中及分解水。在一些實施中，本文所描述之本發明反應器可設計成自熄式，以藉此防止在產氫期間發生可燃事件（例如，反應器爆炸）。

可連續地供應水。在一些實施中，可供應或提供水以保持其在反應器中之分壓為約0.1 atm至10 atm，約0.1 atm至1 atm，或約0.1 atm至0.5 atm。亦考慮壓力不落在此等引述範圍中之任一者之外。

替代地，反應器中水之初始壓力可為約0.1 atm至10 atm，約0.1 atm至1 atm，約0.1 atm至0.5 atm。亦考慮初始壓力不落在此等引述範圍中之任一者之外。進一步考慮初始壓力可介於任何此等引述值之間。

反應器可具有約27℃至35℃、20℃至40℃、或約0℃至約125℃之溫度範圍，或替代地，水之分解可以在27℃至35℃、20℃至40℃、或約0℃至約125℃之溫度範圍下進行。例如，可以使用火焰、電爐、空氣流或其類似物加熱反應器。在一些實施中，可以在約環境溫度下進行水之分解。在一些實施中，水之分解可以在至少100℃之溫度下進行。亦考慮溫度不落在此等引述範圍中之任一者之外。在其他具體實例中，溫度可以介於任何此等引述值之間。

可供應能量以分解反應器中之水。用於分解或解離水之能量源可為UV光。UV光可具有約91 nm至400 nm、約100 nm至約280 nm、約100 nm至約200 nm、約150 nm至約190 nm範圍內之波長。在一些實施中，UV光可具有185 nm之波長。在一些實施中，UV光之波長可至少取決於水之形式。因此，其他適合之UV光之波長可用於系統內。此外，在一些實施中，與UV光之波長相關聯的用於使水解離的能量可足夠高以分解反應器內可能存在的其他化合物。例如，在一些實施中，當環境空氣存在於反應器內時（例如，作為輸入饋料之組分），經由UV光施加之能量可足以不僅使水分解，且亦使空氣內存在之其他化合物分解，且防止鍵在分解組分之間形成或重整。因此，可避免形成反應性物質（例如，NO _X、SO _X、CO _X及其類似物），且因此可提高產氫之效能。UV光可輻射約0.01秒至15分鐘、約1秒至30秒或約0.01秒至15秒。亦考慮UV光可輻射不超出此等引述範圍中之任一者的時間段。進一步考慮UV光可輻射介於此等引述值中之任一者之間的時間段。

圖1係用於將水分解成氫氣及氧氣之實例光反應器800的縱向橫截面。光反應器800可耦接至水源（例如，在烴處理設施中）及/或耦接至氣體分離器以將氧氣與氫氣分離。光反應器800可包括微波源805、第一腔室810、第二腔室815及視情況選用之第三腔室835。光反應器800可以大體上圓柱形形狀（例如，管）形成。

第一腔室810可包括用於接收包括水之輸入流的入口812。在某些實施中，水可呈蒸氣形式，而在其他實施中，水可呈氣溶膠形式。第一腔室810可鄰近於第二腔室815，且輸入流可包括水且可經由開口814自第一腔室810流動至第二腔室815中。第一腔室810可由諸如不鏽鋼之合適材料形成。

第二腔室815沿著主軸可為長形的及圓柱形的。第二腔室815可包括波導820，在所示出實例中，波導820係由第二腔室815之壁形成。因此，第二腔室815由諸如不鏽鋼之合適傳導性材料形成。在一些實施中，波導820可由另一結構形成。波導820包括在第二腔室815之不鄰近第一腔室810之末端處的第一波導末端822，及鄰近第一腔室810的第二波導末端824。如圖1中所示出，第一波導末端822與第二腔室815之一末端形成一體。第二腔室815可包括不鄰近第一腔室810之出口826。

管總成830可駐留於第二腔室815內且可沿第二腔室815之主軸延伸。紫外光源825亦可駐留於管總成830內。另外，紫外光源825、負電極827及正電極829可駐留於管總成830內。負電極827及正電極829可在紫外光源825外部且在波導820內部。負電極827及正電極829可為板狀。負電極827可位於或配置於紫外光源825上方，且正電極829可位於或配置於紫外光源825下方。圖2係管總成830之橫截面圖。圖2中所繪示之橫截面圖垂直於圖1之橫截面圖。

在其他具體實例中，除紫外光源825之外，質子交換膜可駐留於管總成830內。

在一些實施中，管總成830之壁832對於紫外光及微波能量均為透明的。壁832可由諸如石英之合適透明材料形成。在一些實施中，壁832自內表面延伸至波導820。石英或其他合適之適當材料（例如，玻璃）可提供結構支撐以及對紫外光及微波能量係透明的。

紫外光源825可包括無電極燈，無電極燈可包括氣體放電燈，其中產生光所需之電力經由電場或磁場自燈外部轉移至內部之氣體。此與使用藉由穿過燈之導體連接至電源之內部電極的氣體放電燈形成對比。無電極燈可存在多個優勢，包括延長燈壽命（因為電極可能失效），及因為可使用較高效率之內部氣體而省電，該等氣體若與電極接觸將發生反應。

此外，相對於電漿，在本文中所呈現之系統及方法中使用無電極燈可具有優點。例如，相較於電漿，使用無電極燈之一個優點為節省成本，因為電漿高度取決於電，且因此消耗大量電。另一優點可包括無電極燈相對於電漿壽命延長。不幸的是，由於可由電漿弧產生之高溫、降低之電弧遷移率及其類似因素，電極可在使用期間過早失效或腐蝕，藉此降低電極壽命。此外，使用電漿作為輻射源可具有其自身缺點，諸如點火、可持續性及約束。

紫外光源825可產生在例如100 nm與300 nm之間、150 nm與200 nm之間、180 nm與190 nm之間及其類似波長範圍內的光。燈中所含有之氣體可包括：氬、汞及碘。在一些實施中，燈可包括在25 KPa下之氬及20 mg之汞。其他氣體、量及壓力係可能的。

第二腔室815、紫外光源825、負電極827及正電極829可為長形的且沿著第二腔室815之主軸延伸。

視情況選用之第三腔室835可與第二腔室815相鄰且可包括兩個出口（第一出口837及第二出口839）。第三腔室835可充當用於經由第一出口837提取氫氣及經由第二出口839提取氧氣及存在之任何其他材料的初始分離空間。在一些實施中，第三腔室835可包括氣體分離器（諸如旋風器）且不必與第二腔室815形成一體。

微波源805可鄰近於第一腔室810且可包括用於輻射微波能量之發射體807。微波源805可以介於200 MHz與300 GHz之間的頻率（對應在100 cm與0.1 cm之間的波長）發射電磁能。在一些實施中，微波源805以介於約900 MHz與2.45 GHz之間的頻率發射電磁能。在一些實施中，微波源805以約2.45 GHz之頻率發射電磁能。亦考慮本發明之微波源可以介於任何此等引述值之間的頻率發射微波。

微波源805可經配置以將微波能量輻射至第一腔室810中及第二腔室815之波導820中且接觸紫外光源825。當微波能量接觸紫外光源825時，紫外光源825可產生紫外光。在一些實施中，微波源805可經配置以輻射微波能量，使得微波能量穿過第一腔室810到達第二腔室815。由微波源805產生之微波能量可對駐留於第一腔室810內之水進行熱激發且同時驅動/激發紫外光源825。此類配置可係效率高的，此係因為極少輻射能量損失，因為其可用來以熱方式激發水及產生紫外光，此兩者有助於鍵解離（例如，自水產生氫氣及氧氣）。此外，此配置可實現微波源之調諧，使得僅用於解離之鍵所需之能量的量輸入至系統，因不必要加熱浪費之能量極少。

可形成第一波導末端822及第二波導末端824，使得第二腔室815及/或波導820充當諧振器，因為輻射至第二腔室815中之微波能量被反射。由於第二腔室815及/或波導820內來回反射之波之間的干涉，此配置可導致在第二腔室內形成駐波。駐波（亦稱作定波）可包括下述波：其中波之軸上之各點具有關聯恆定振幅。例如，圖3繪示具有所繪示之駐波1005之圖1的光反應器800。振幅最小之位置稱為波節，且振幅最大之位置稱為波腹。光反應器800可經設計及/或控制使得駐波之正振幅值位於正電極829上且駐波之負振幅值位於負電極827上。

在操作中，在壓力及溫度下將水氣流引入至入口812中。使水氣與微波源805輻射之呈微波形式的微波能量接觸。當與微波能量接觸時，以熱方式激發水。熱激發之水流入第二腔室815包括流入管總成830之內部。使熱激發之水與駐波接觸。因為水在分子具有不均勻電子分佈時係極性的，所以分子具有帶正電側及帶負電側。在駐波存在下，水將使其自身與駐波對準（例如，定向）。此將增加分子用於紫外光吸收之有效橫截面積。因此，暴露於駐波及紫外光之水相比於駐波不存在下之水將自紫外光吸收更多能量。

暴露於紫外光之熱激發之水可導致鍵解離及氫離子（H ⁺）及氧離子（O ^2-）之產生。氫可被吸引至負電極827且氧可被吸引至正電極829。此可導致氫及氧實體上分離，此減少此等基團將反應形成水的量及可能性。此可充當中止之形式（例如，停止或減少逆反應）。負電極827可配置於正電極829上方，因為氫比氧輕（因此氧將藉由重力向下拉動）。替代地，正電極827及負電極829可用質子交換膜替換，該質子交換膜可充當中止之形式。

第二腔室815內之水的駐留時間可藉由控制第二腔室815之長度及水進入光反應器800中之流動速率來控制。此外，由微波源805及紫外光源825賦予至水中之能量可影響所需駐留時間。

氫及氧可經由第二腔室出口823離開第二腔室815。在包括第三腔室835之實施中，氫係較輕的，可經由第一出口837離開，而氧係較重的，可經由第二出口839離開。在不包括第三腔室835之實施中，氣體分離器（諸如旋風器）可耦接至系統且與第二腔室出口流體連通，使得氫氣可與氧氣分離。

儘管以上實例操作已描述在純水作為輸入提供至光反應器800之情況，但亦可包括汙染物。常見汙染物可包括二氧化碳、甲烷及其他烴類。此等汙染物可例如與氧一起經由第二出口839離開光反應器800。藉由減少水中汙染物之量，由於汙染物暴露於微波能量及紫外光時消耗更多能量，因此系統中之能量效率得到提高。

此外，由紫外光源825產生之紫外光的頻率/波長可藉由控制及/或修改微波源805來變化。藉由改變微波能量之頻率/波長，可改變由紫外光源825產生的光之頻率。改變紫外光之頻率/波長使得操作員能夠基於輸入流中之預期汙染物調諧光反應器800以提高效率。可將紫外光頻率/波長調諧至當水具有較高吸收係數且汙染物具有較低吸收係數時的頻率/波長。因此，無需針對各應用重新設計光反應器800之一些實施。

一些實施可包括平行配置之多個管總成830。例如，圖4係具有多個管總成830之另一實例第二腔室815的橫截面圖。圖4中所繪示之橫截面圖垂直於圖1之橫截面圖。管總成830配置於第二腔室815內且各自可具有其自有紫外光源825、負電極827及正電極829。管總成之間的區域1105可由對紫外光及微波能量均透明的材料（諸如石英）形成。圖4之配置允許自一個紫外光源825發射之光不僅照射其管總成830內之水，且亦照射其他管總成830內之水。多個紫外光源825可由共同微波源805激發/驅動且駐留於共同波導內。在一些實施中，各管總成830包含對應波導820。

圖5至10係根據當前主題之一些實施之實例光反應器800的視圖。

圖11繪示用於分解水之實例系統1800。系統1800包括光反應器800、水源1805及氣體分離器1810。圖12至18繪示實例系統1800的不同視圖。

圖19至22繪示實例微波源805之視圖。在所繪示之實例中，微波源805係磁控管。

圖23係繪示自水產生氫氣之實例處理流3000的系統方塊圖。在3010處，提供水。在320處，水存在於處理管（例如，第一腔室810）中。在3030處，使用光解分裂水（例如，在第二腔室815中）。在3040處，分離器（例如，旋風器）3040將水分裂成氫氣3050及氧氣3060。

圖24至26係繪示呈旋風器形式之實例氣體分離器1810的視圖。在一些實施中，氣體分離器可包括內部襯裡。例如，氣體分離器之內表面的至少一部分可用抗腐蝕材料中之一或多者塗佈。以此方式，例如，可將否則會形成於氣體分離器之內表面上的鏽降至最低或防止其產生。

在一些實施中，光反應器之陣列可平行地使用以按比例調整任何製程。例如，圖27至32繪示光反應器之實例陣列的各種視圖。各光反應器包括水可通過之腔室。在腔室內有至少一個紫外光源用於照射水且將水分解成氫及氧。在圖27中，反應器之陣列包括9個反應器（3×3陣列），其可將輸入流分成9個獨立流且獨立及並行地處理各流。9個輸出流可經重組以用於進一步處理或可保持為獨立流。其他實施係可能的，例如，圖32繪示出5個紫外光腔室。另一例示性光反應器陣列示出於圖40中，其中光反應器2000之陣列包括4個光反應器：2000a、2000b、2000c及2000d。

根據當前主題的另一實例系統或設備可包括電子模組、燈模組、微波模組、反應器模組、感測器模組、提取模組、安裝結構、管道/配件、控制模組、鼓風機模組、分離器/回收模組以及安全模組。電子模組可包括微控制器及動力控制器。燈模組可包括無電極燈及燈座架。微波模組可包括磁控管、動力單元以及波導。反應器模組可包括連續攪拌反應器（CSTR）、座架、感測器埠（熱、壓力、流量、UV、H ₂感測器、H ₂O感測器、多氣體感測器及其類似物）及線束/導管。感測器模組可包括溫度、壓力、UV、流量、閥/致動器位置及氣體感測器（H ₂、CH ₄、CO ₂及其類似物）。提取模組可包括旋風器、冷卻螺管、熱電冷卻器、用於回收基團之電極（例如，板）及閘/閥致動器。安裝結構可包括管、旋風器、微波模組、感測器模組、電子模組、構架及（角、通道、光束等）。管路及配件可包括管道、彎管、漸縮管、T形接頭、插塞及閥。命令及控制模組可包括電腦及資料獲取板。安全模組可包括安全（壓力）釋放系統、氫控制系統、環境監測系統及偶發UV暴露保護系統。鼓風機模組可包括以下類型：離心；螺桿及其類似物；容量（尺寸）：以CFM計之流動速率、排出壓力及控制機構。分離器及回收模組可包括CO ₂液化系統（用於回收來自饋料之CO ₂及其他氣體）、氫處理系統、氧處理系統及CO ₂處理系統。

在一些具體實例中，本發明系統可包括至少兩個與其耦接且流體連通之腔室。第一腔室可經組態以接收及熱激發包括水之至少一部分的輸入饋料。第二腔室可經組態以接收熱激發之饋料，以分解饋料內之水使得產生氫氣及氧氣，且分離氫氣及氧氣以及可存在於輸入饋料中之任何其他組分。

如下文更詳細地論述，第一腔室可包括微波源，該微波源經組態以將在第一腔室中流動且流過第一腔室之輸入饋料暴露於微波能量。此暴露可增加水吸收能量（諸如UV光）之能力，其可增強水之光解分解的效果。此外，在一些具體實例中，如上文所論述，第一腔室可經組態以促進駐波之形成，允許水自身對準，藉此增加其用於UV光吸收之有效橫截面積。

此外，如下文更詳細地論述，第二腔室可包括光源，諸如UV光源，其經組態以將熱激發之饋料暴露於有效量之電磁能，其可導致氫氧鍵之裂解，且因此形成氫氣及氧氣。雖然第二腔室可耦接至分離器以隔離氧氣，但在一些實施中，第二腔室可經組態以隔離氧氣與存在於第二腔室內之剩餘饋料組分。第二腔室亦可經組態以將裂解之氫與剩餘饋料組分分離。

圖33繪示出產氫系統400之例示性具體實例。如所示出，系統400包括耦接在一起且流體連通之兩個腔室402、404。第一腔室402包括接收輸入饋料（圖中未示）之入口406。輸入饋料可為具有包括至少水之組成補充的原始或經處理之饋料。在一些實施中，輸入饋料可呈蒸氣形式，呈氣溶膠形式，或可含有蒸氣及氣溶膠兩者。在一些實施中，系統400可包括入口406上游之蒸氣及/或氣溶膠生產子系統。

入口406可以恆定流動速率供應輸入饋料，此可取決於系統之實施而變化。入口406可包括量規或閥以控制輸入饋料之流動速率。替代地，輸入饋料之流動速率可連續改變，例如以降低、提高或保持產物產率（例如，氧氣）。

第一腔室402亦可包括接近入口406安置（例如，在第一腔室402之遠端402d處）之微波源408。微波源408發射微波能量，以便在輸入饋料流動進入及流過第一腔室402時熱激發存在於輸入饋料中之水。如所示出，第一腔室402沿著主軸可為長形的及圓柱形的（例如，管樣組態）。本文中亦考慮第一腔室402可具有其他組態。此外，亦考慮第一腔室402可為類似於圖1中所示之光反應器800的光反應器或類似於圖40中所示之陣列2000的光反應器之陣列。

第一腔室402可包括波導，該波導經組態以導引微波能量穿過第一腔室（例如，自遠端402d至第一腔室402之近端402p，其中近端404p）。在一些具體實例中，波導可由第一腔室402的壁形成。在此等情況下，第一腔室402可由諸如不鏽鋼之合適反射材料形成。此外，壁之內表面的至少一部分可在用於反射之所要區域中塗佈有組成物。替代地或另外，第一腔室402可包括獨立波導（例如，不由第一腔室之壁形成的波導）。

應注意，在一些具體實例中，第一腔室可包括類似於如圖33中所示之第一腔室402構築之子腔室陣列。子腔室可經串行或並行地配置。

如圖33中所示，第一腔室402之近端402p耦接至第二腔室404。第二腔室404包括光源410。因此，第二腔室404可充當光反應器。雖然光源410可經組態以發射各種類型之光，但在一些實施中，光源410發射UV光。在一些實施中，光源410輻射具有介於約100 nm至約280 nm、約100 nm至約200 nm、約150 nm至約190 nm之範圍內之波長的UV光。在一個實施中，光源410輻射具有185 nm之波長的UV光。如所示出，光源410可附接至第二腔室404之內表面的至少一部分。在一個具體實例中，光源410可耦接至整個內表面。本文中考慮光源410可安置於其他區域處或耦接至第二腔室404之組件，諸如圖34中之渦漩鏡1022周圍，如下文更詳細地描述。

可藉由修改光源410之參數來適當地調整在第二腔室404內發射之光的輻射時間及/或強度。光源410可適合地選自可強化具體波長範圍之輻射裝置。例示性光源可包括無電極燈。無電極燈可包括氣體放電燈。燈中所含有之氣體可包括氬、汞及碘。

在使用時，隨著輸入饋料流自第一腔室402流動及流入第二腔室404，藉由光源410發射之UV光至少部分地由水吸收。因此，發生鍵解離，藉此產生氫氣及氧氣。雖然第二腔室404可具有各種形狀，但第二腔室404如圖33中所示呈旋風器形式，且因此所得氫氣自第二腔室404經由安置於其頂部處之第一出口412流通。此外，比氫氣重的所得氧氣自第二腔室404經由安置於其底部之第二出口414流通。另外，存在於第二腔室404內的饋料之剩餘組分可經由第一出口412與氫氣一起或經由第二出口414與氧氣一起流通。替代地或另外，剩餘組分（例如，氣體雜質）可自第二腔室404經由第三出口（圖中未示）流通。第二腔室404之任何出口可包括用以控制對應成分之排出速率的量規或閥。

雖然未示出，但在一些實施中，第二出口414可耦接至經組態以自氧氣移除一或多種所選汙染物及/或饋料之剩餘組分的下游氧氣淨化子系統。氧氣純化可使用任何一或多種適合的過濾方法進行，該等過濾方法視需要經組態以移除一或多種所選汙染物及/或饋料之剩餘組分。

此外，如圖33中所示，第二腔室404可包括滲透膜418（例如，諸如Nafion ^TM膜之質子交換膜），其可經組態以將氫氣與饋料之剩餘組分及/或氧氣分離。如所示出，滲透膜418實質上分離氫氣，使得氫氣可經由第一出口412流通。此外，在反應物氣體存在於第二腔室404內之一些實施中，滲透膜418亦可經組態以將氫氣與反應物氣體分離。在一些具體實例中，滲透膜418可包括觸媒。

如圖33中所示，第二腔室404可包括冷卻元件420。冷卻元件420可經組態以控制或改變氧氣之溫度，例如，降低溫度以藉此使氧氣微粒化。如所示出，冷卻元件420可耦接至第二腔室404之內表面。在其他具體實例中，冷卻元件420可併入第二腔室404之壁內或耦接至第二腔室404之壁之外表面以便形成有夾套之第二腔室。在另一具體實例中，第二腔室可連接至冷卻裝置（例如，熱交換器）。適合冷卻元件之非限制性實例包括適合溫度之空氣、水及其類似物。

此外，第二腔室404可包括或連接至加熱裝置。加熱裝置可經組態以在分解反應開始時或在分解反應期間控制反應溫度。適合加熱裝置之非限制性實例包含火焰、電爐、熱板及空氣流。替代地或另外，加熱元件可併入第二腔室404之壁內或耦接至第二腔室404之壁之外表面。適合加熱元件之實例包括適合溫度之空氣、水及其類似物。

雖然未示出，但第二腔室404可包含內部襯裡。例如，第二腔室404之內表面的至少一部分可用抗腐蝕材料中之一或多者塗佈。以此方式，例如，可將否則會形成於第二腔室404之內表面上的鏽降至最低或防止其產生。

在一些具體實例中，系統400可包括控制器或可與控制器有線或無線通信。控制器係指可包括記憶體及處理器之硬體裝置。記憶體經組態以儲存模組且處理器經具體組態以執行該等模組以執行一或多個製程。本發明主題之控制邏輯可以係具體化為含有藉由處理器、控制器/控制單元或其類似物執行之可執行程式指令的電腦可讀媒體上的非瞬態電腦可讀媒體。電腦可讀媒體之實例包括但不限於ROM、RAM、光碟（CD）-ROM、磁帶、軟碟、快閃隨身碟、智慧卡及光學資料儲存裝置。電腦可讀記錄媒體亦可分佈於網路耦接電腦系統中，使得電腦可讀媒體以分散式方式儲存及執行，例如藉由車載資訊系統伺服器或控制器區域網路（CAN）。控制器可適當地連接至系統之至少一個組件，例如入口、出口、第一腔室、第二腔室、微波源及光源，及控制反應（分解條件）。控制器可具有可適當地調整系統之條件的控制演算法。

圖34至39繪示用於自水產氫之系統1000的另一例示性具體實例。除下文詳細描述之差異以外，系統1000可類似於圖1中所示之系統400且因此不在本文中詳細地描述。此外，出於簡化的目的，系統1000的某些組件未在圖34至39中繪示。

如圖34及36至37中所示，系統1000包括第一腔室1002及與其耦接之第二腔室1004。第一腔室1002可為光反應器，如圖1中所示之光反應器800，或光反應器之陣列，如圖40中所示之陣列2000。在一些具體實例中，第一腔室1002直接耦接至第二腔室，如圖34及36至37中所示。在其他具體實例中，額外腔室或其他組件可安置於第一腔室1002與第二腔室1004之間。

如圖34中所示，第二腔室可包括圍繞第二腔室1004中之渦漩鏡1022安置之光源1010。雖然光源1010可具有多種組態，如圖34及37至39中所示，但光源1010具有纏繞於渦漩鏡1022之外表面周圍的螺旋組態。在使用時，微波源（未示出）可將微波能量輻射至第二腔室1004中，使得微波能量接觸光源1010。在一些具體實例中，光源1010可包括在與微波能量接觸時產生紫外光之內部氣體。

此外，如圖34及37至39中所示，第二腔室1004包括兩個氣體滲透膜1018，如圖1中所示之氣體滲透膜418及第二氣體滲透膜1024。第二氣體滲透膜安置於渦漩鏡1022之遠端1022d處。第二氣體滲透膜1024（例如，質子交換膜）可類似於氣體滲透膜418組態且因此不在本文中詳細論述。

儘管上文已經詳細地描述若干變體，但其他修改或添加為可能的。例如，紫外光反應器可用於消毒，以用於裂解除水以外之材料的鍵（例如具有適當鍵解離能量之其他二元及三元分子）。

本文所描述之主題之一或多個態樣或特徵可實現於數位電子電路、積體電路、專門設計特定應用積體電路(ASIC)、場可程式化閘陣列(FPGA)電腦硬體、韌體、軟體及/或其組合。此等各種態樣或特徵可包括在一或多個在包括至少一個可程式化處理器之可程式化系統上可執行及/或可解釋的電腦程式中實施，該可程式化處理器可為專用或通用，其經耦接以接收來自以下之資料及指令並且將資料及指令傳送至以下：儲存系統、至少一個輸入器件及至少一個輸出器件。可程式化系統或計算系統可包括用戶端以及伺服器。用戶端以及伺服器大體上彼此遠離且通常經由通信網路互動。用戶端與伺服器之關係藉助於在各別電腦上運作且具有彼此之用戶端-伺服器關係之電腦程式產生。

此等電腦程式，亦可稱為程式、軟體、軟體應用程式、應用程式、組件或程式碼，包括用於可程式化處理器之機器指令，且可實施於高階程序語言、物件導向程式設計語言、功能程式設計語言、邏輯程式設計語言、及/或組件/機器語言中。如本文所使用，術語「機器可讀媒體」係指任何電腦程式產品、設備及/或裝置，諸如磁碟、光碟、記憶體及可程式化邏輯裝置(PLD)，用於將機器指令及/或資料提供至可程式化處理器，包括接收機器指令作為機器可讀訊號的機器可讀媒體。術語「機器可讀訊號」係指用以將機器指令及/或資料提供至可程式化處理器的任何訊號。機器可讀媒體可非瞬態地儲存此類機器指令，諸如非瞬態固態記憶體或磁硬碟機或任何等效儲存媒體。機器可讀媒體可或者或另外以瞬態方式儲存此類機器指令，諸如處理器快取或其他與一或多個實體處理器核心相關之隨機存取記憶體。

為了提供與使用者互動，本文所描述之主題之一或多個態樣或特徵可實施於電腦上，該電腦具有顯示器裝置，諸如陰極光線套管(CRT)或液晶顯示器(LCD)或用於向使用者顯示訊息之發光二極體(LED)監視器及鍵盤及指示裝置，諸如滑鼠或軌跡球，使用者可由其將輸入提供至電腦。其他類型的裝置同樣可用於提供與使用者互動。例如，提供給使用者之回饋可係任何形式之感測回饋，諸如視覺回饋、聽覺回饋或觸覺回饋；且來自使用者之輸入可以係以任何形式接收，包括聲、語音或觸覺輸入。其他可能輸入裝置包括觸控式螢幕或其他觸敏裝置，諸如單點或多點電阻式或電容性軌跡墊、語音辨識硬體及軟體、光學掃描儀、光學指標、數位影像捕捉裝置及關聯解譯軟體及其類似物。

在以上描述及申請專利範圍中，諸如「中之至少一者」或「中之一或多者」之片語可出現在元件或特徵之連接清單之後。術語「及/或」亦可出現在兩個或更多個元件或特徵之清單中。除非與其使用的上下文有含蓄或明確矛盾，否則此片語欲意謂單獨地表示所列元件或特徵中之任一者或所引述元件或特徵中之任一者以及另一引述元件或特徵中之任一者。舉例而言，片語「A及B中之至少一者」；「A及B中之一或多者」及「A及/或B」各意欲意謂「僅A，僅B或A與B一起」。類似解釋亦意圖用於列舉包括三個或更多個物品。舉例而言，片語「A、B及C中之至少一者」；「A、B及C中之一或多者」及「A、B及/或C」各意欲意謂「僅A、僅B、僅C、A及B一起、A及C一起、B及C一起或A及B及C一起」。另外，在申請專利範圍之上文及申請專利範圍中使用之術語「基於」意欲意謂「至少部分地基於」使得未列舉之部件或元件亦係容許的。

取決於所需組態，本文中所描述之主題可體現於系統、設備、方法及/或物品中。闡述於前述描述中之實施不表示與本文中所描述之主題一致的所有實施。實情為，該等實施僅為與所描述之主題相關之態樣一致的一些實例。儘管上文已經詳細地描述若干變體，但其他修改或添加為可能的。詳言之，除了本文中所闡述的特徵及/或變化形式，亦可提供其他特徵及/或變化形式。舉例而言，上文所描述之實施可經導引至所揭示之特徵之各種組合及子組合及/或上文所揭示的若干其他特徵之組合及子組合。此外，隨附圖式中所描繪及/或本文中所描述之邏輯流程未必需要所展示之特定次序或依序次序來達成所期望的結果。其他實施可處於以下申請專利範圍之範疇內。

400:產氫系統 402:第一腔室 402d:遠端 402p:近端 404:第二腔室 406:入口 408:微波源 410:微波源 412:第一出口 414:第二出口 418:滲透膜 420:冷卻元件 800:光反應器 805:微波源 807:發射體 810:第一腔室 812:入口 814:開口 815:第二腔室 820:波導 822:第一波導末端 823:第二腔室出口 824:第二波導末端 825:紫外光源 827:負電極 829:正電極 830:管總成 832:壁 835:第三腔室 837:第一出口 839:第二出口 1000:系統 1002:第一腔室 1004:第二腔室 1005:駐波 1010:光源 1018:氣體滲透膜 1022:渦漩鏡 1022d:遠端 1024:第二氣體滲透膜 1805:水源 1810:氣體分離器 2000:光反應器之陣列 2000a:光反應器 2000b:光反應器 2000c:光反應器 2000d:光反應器 3000:自水產生氫氣之處理流 3010:區塊 3020:區塊 3030:區塊 3040:區塊 3050:區塊 3060:區塊

結合隨附圖式自以下詳細描述將更充分地理解本發明，在隨附圖式中：

[圖1]係用於將水分解成氫氣及氧氣之一實例光反應器的縱向橫截面。

[圖2]係一管總成之橫截面圖。

[圖3]繪示在駐波之情況下之圖1的光反應器。

[圖4]係具有多個管總成之另一實例光反應器的橫截面圖。

[圖5至10]係根據當前主題之一些實施之一實例光反應器的視圖。

[圖11]繪示出用於分解水之一實例系統。

[圖12至18]繪示圖11之實例系統的不同視圖。

[圖19至22]繪示一實例微波源之視圖。

[圖23]係繪示自水產生氫氣之實例處理流程的系統方塊圖。

[圖24至26]係繪示呈旋液分離器形式之一實例氣體分離器的視圖。

[圖27至32]繪示光反應器之一實例陣列的不同視圖。

[圖33]繪示根據本發明主題之一例示性具體實例的例示性反應器。

[圖34至40]繪示根據本發明主題之例示性具體實例之例示性反應器的不同視圖。

各種圖式中的相同元件符號指示相同元件。

825:紫外光源

827:負電極

829:正電極

830:總管成

Claims (24)

1. 一種系統，其包含： 第一腔室，其包括允許輸入饋料進入該第一腔室之入口，該輸入饋料包含水； 微波源，其經組態以將微波能量輻射至至少該第一腔室中； 第二腔室，其與該第一腔室連通，該第二腔室包括出口及波導；及 紫外光源，其駐留於該第二腔室之該波導內，該紫外光源經組態以發射紫外光以在該水流動通過該第二腔室時至少部分地將該水分解成氫氣及氧氣。
2. 如請求項1之系統，其中該水呈蒸氣形式。
3. 如請求項1之系統，其中該水呈氣溶膠形式。
4. 如前述請求項中任一項之系統，其中該微波源經進一步組態以將該微波能量輻射至該第二腔室之該波導中，使得該微波能量接觸該紫外光源，且其中該紫外光源包括在與該微波能量接觸時產生該紫外光之內部氣體。
5. 如前述請求項中任一項之系統，其中該波導包括末端，該末端經組態使得該微波能量在該波導內形成駐波。
6. 如前述請求項中任一項之系統，其中該第二腔室進一步包括： 第一電極，其經組態以具有負電荷；及 第二電極，其經組態以具有正電荷，該第一電極及該第二電極在該紫外光源外部且在該波導內部。
7. 如前述請求項中任一項之系統，其進一步包含： 管總成，其在該波導內且含有該紫外光源，該管總成包括對紫外光及微波能量至少部分透明之壁。
8. 如前述請求項中任一項之系統，其中該第一腔室位於該微波源與該第二腔室之間，使得該微波能量由該微波源產生且該微波能量穿過該第一腔室至該第二腔室。
9. 如前述請求項中任一項之系統，其中該第二腔室包括延伸穿過其的複數個管總成且該紫外光源包含複數個紫外光源，各管總成包含： 管總成出口； 壁，其對紫外光及微波能量透明；及 該複數個紫外光源中之對應的一個紫外光源，該對應的一個紫外光源包括在與微波能量接觸時產生紫外光之內部氣體； 其中該微波源經組態以將該微波能量輻射至該第一腔室中及輻射至該複數個管總成中，使得該微波能量接觸該複數個紫外光源以使其中之該內部氣體在與該微波能量接觸時產生紫外光。
10. 如前述請求項中任一項之系統，其進一步包含： 水源，其耦接至該入口； 氣體分離器，其耦接至該出口且經組態以使氫氣與氧氣分離。
11. 如請求項10之系統，其中該氣體分離器係旋液分離器。
12. 如請求項10或請求項11之系統，其中該氣體分離器包括滲透膜，該滲透膜經組態以至少部分地將該氫氣與至少該氧氣分離，使得該分離之氫氣經由該氣體分離器之出口流通。
13. 如前述請求項中任一項之系統，其中該紫外光源輻射具有約150 nm至200 nm之波長範圍的紫外光。
14. 如前述請求項中任一項之系統，其中該紫外光源輻射具有185 nm之波長的該紫外光。
15. 如前述請求項中任一項之系統，其中該第二腔室係長形的且沿著主軸延伸，該紫外光源沿著該主軸係長形的且沿著該主軸駐留於該第二腔室內，其中該第二腔室進一步包括： 第一電極，其經組態以具有負電荷；及 第二電極，其經組態以具有正電荷，該第一電極及該第二電極在該紫外光源外部且在該波導內部； 其中該第一電極沿著該主軸係長形的且配置於該紫外光源上方且該第二電極沿著該主軸係長形的且配置於該紫外光源下方。
16. 如前述請求項中任一項之系統，其中該第二腔室形成旋液分離器。
17. 如請求項16之系統，其中該紫外光源駐留於位於該旋液分離器內之渦漩鏡上。
18. 如前述請求項中任一項之系統，其進一步包含駐留於該第二腔室內之滲透膜，其中該滲透膜至少部分地將該氫氣與至少該氧氣分離，使得該分離之氫氣經由該第二腔室之該出口流通。
19. 一種方法，其包含： 將水提供至與第二腔室及微波源鄰近且連通之第一腔室，及該微波源向該第一腔室中輻射微波能量； 使該水與由微波源產生之微波能量接觸； 將該微波水提供至該第二腔室，該第二腔室包括出口及波導，其中紫外光源駐留在該第二腔室之該波導內；及 使該微波水與該第二腔室內之紫外光接觸，該紫外光由該紫外光源產生，該微波源經組態以將該微波能量輻射至該第一腔室中，其中該水與該紫外光之接觸使得該水至少部分地分解成氫氣及氧氣。
20. 如請求項19之方法，其進一步包含將該氫氣與該氧氣分離。
21. 如請求項20之方法，其中氫氣與該氧氣之分離發生在該第二腔室內。
22. 如請求項21之方法，其中該第二腔室包含滲透膜，且其中該滲透膜至少部分地將該氫氣與至少該氧氣分離，使得該分離之氫氣經由該第二腔室之出口流通。
23. 如請求項20之方法，其中氫氣與該氧氣之該分離發生在與該第二腔室耦接且流體連通之氣體分離器內。
24. 如請求項23之方法，其中該氣體分離器包含滲透膜，且其中該滲透膜至少部分地將該氫氣與至少該氧氣分離，使得該分離之氫氣經由該氣體分離器之出口流通。