TWI397502B - 氫氣製造裝置 - Google Patents

Description

氫氣製造裝置

本發明係有關於一種氫氣製造裝置，特別是有關於一種依照產氫特性所設計並能商業化實施之氫氣製造裝置。

近年來，生物產氫技術已逐漸發展成熟，雖仍未達到商業化應用，但國際上的研發已從實驗室中產氫微生物生理生態、產氫特性研究等逐漸移往戶外進行示範研究，生物產氫裝置的研發也逐漸受到重視。

目前多數的研究僅以一般醱酵裝置應用於生物產氫，傳統醱酵槽設計雖然可以成功產生氫氣，但不易發揮最佳產氫功能，並可能在實際操作中遭遇諸如攪拌不均、氫氣累積、浮渣堵塞與反應器敗槽後重新啟動不易等等問題。僅有少數研究者針對生物產氫特性進行產氫裝置的設計研發，例如JP05－254801設計二氧化碳溶解裝置與薄膜分離裝置，藉由溶解含二氧化碳的氣體至產氫醱酵液中，改善產氫的效率，並利用薄膜分離厭氧菌自有機物分解產生的氫氣。JP05－309400設計真空槽分離氫氣。JP2003－251312設計以惰性氣體引入氫發酵槽中帶出槽中生成的氫氣。

有鑑於此，本發明乃提供一種依照產氫特性所設計並能商業化實施之氫氣製造裝置，可利用各種有機物料與產業廢水廢棄物來轉化製氫。

本發明之氫氣製造裝置包括一反應槽以及一氣液固三 相分離器。在反應槽內設置有一反應工作區，以提供產氫微生物生長並進行有機物質轉化而產生氫氣。氣液固三相分離器設置在反應槽內之反應工作區的上方，將產生的氫氣分離並收集。

在一實施例中，氫氣製造裝置更包括一導流管，設置在反應槽內。

在一實施例中，在工作區中反應槽之內壁以及導流管之內、外壁上設置有固定化生物膜，作為產氫微生物植種與生長。

在一實施例中，氫氣製造裝置更包括一噴射式迴流系統以及一錐形分配器。錐形分配器設置在反應槽底部，噴射式迴流系統設置在反應槽外部，將微生物產生的氣體與醱酵液混合注入反應槽與導流管中央下部以形成向下的噴射流，經過錐形分配器的引流而向導流管外區形成向上流況。

在一實施例中，噴射式迴流系統包括一文氏管構造。

在一實施例中，氫氣製造裝置更包括一浮渣收集器，設置在反應槽內之反應工作區上方，以收集浮渣。

在一實施例中，浮渣收集器包括一漩渦狀的擋板。

為使本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例並配合所附圖式做詳細說明。

請參閱第1圖，第1圖係依據本發明之氫氣製造裝置的示意圖。本發明之氫氣製造裝置100包括一反應槽110， 在反應槽110的頂部設置有一浮渣收集器101以及一氣液固三相分離器104，在反應槽110的反應工作區內設置有一導流管105，在反應槽110的底部設置有一錐形分配器107。

本發明之氫氣製造裝置100採用固定化生物膜技術進行植種，在組裝時，即先行將優勢培養過的產氫菌群，例如Clostridium菌屬或Enterobacter菌屬，上述產氫菌混合乳膠漆塗佈於反應工作區中之反應槽110的內壁以及導流管105的內、外壁，使得本發明之氫氣製造裝置在起動時不需再額外進行植種，將產氫菌培養於攝氏35度pH5~7環境下。

接著啟動氫氣製造裝置100。啟動時，於反應槽110中加入產氫原料，並且經一定的適應期供微生物生長至一定濃度以上，此時氫氣產率逐漸增加直到穩定狀態為止，即完成氫氣製造裝置100的啟動。另外，在啟動時係以批次的型態進行操作，批次式操作主要目的為使固定的菌種自固定化膜中生長出來，並成為反應槽110中的優勢菌種。

當氫氣製造裝置100完成啟動後，即可正式開始量產氫氣。請參閱第2圖，第2圖係依據本發明之氫氣製造裝置於正式量產氫氣時的示意圖。在反應槽110的反應工作區中，利用微生物生長而進行有機物質轉化以產製氫氣。設置在反應槽110頂部的氣液固三相分離器104可將所產生的氫氣分離回收。反應工作區設計為雙套管型式，以具有文氏管構造109的噴射式迴流系統108將生物產氣與醱 酵液混合注入反應槽110與導流管105中央下部形成向下的噴射流，經過底部錐形分配器107的引流向兩側的導流管外區形成向上流況，除了穩定流況提供的良好質傳外，以文氏管構造109導入的氣液混合迴流也提供良好的氣液交換，可使過飽和的溶氫快速釋出。

設置在反應槽110頂部的氣液固三相分離器104，係為一流況穩定而緩慢的沉降區域，此區域最上方為浮渣與泡沫聚集區域，本發明利用一浮渣收集器101來收集並分離浮渣。請同時參閱第3圖，第3圖係浮渣收集器的上視圖，此浮渣收集器101內設置有漩渦狀的擋板，係利用第2圖中之浮渣集中迴流系統102加壓產生高速平面水流，藉由擋板形成渦流，將浮渣與泡沫集中於浮渣收集器的中央，然後經由迴流系統103送回反應槽110，除了解決浮渣堵塞上層設施外，也增加有機物在反應工作區中停留的時間。

本發明之氫氣製造裝置100可以進料有機物料(如澱粉、纖維或醣類有機物等)，也可以處理各式產業廢水或廢棄物(如造紙業廢水、各式食品業廢水、酒廠廢液、製糖業廢水、飼料廢角料等)，經過產氫微生物在適當的條件下轉化為氫氣。

底下以一具體的試驗，來驗證本發明之氫氣製造裝置所具有的產氫效能。

在此試驗中，所使用反應槽的高度為3.5m，總體積為1.5m³ ，反應工作區的容積為1m³ 。

操作時，所採用植種菌原為食品廠廢水厭氧單元污泥(可經熱篩處理獲得)，常用的產氫菌種可為Clostridium菌屬或Enterobacter菌屬(使用量為20克)，生物量MLVSS＝500 mg/L，進料為蔗糖/廢飼料(以4：1的比例)10 g/L，水利停留時間HRT＝1.5 day，有機負荷＝6.7 kg－COD/m³ /day。

試驗結果得到產氫轉化率Yield＝133 L－H₂ /kg－COD，反應槽的產氫效率Efficiency＝890 L－H₂ /m³ /day，氫氣濃度＝55%。

國內外目前尚未有生物產氫商品化實用案例，但依據過去曾有過的研究案例記載，日本National Institute of Advanced Industrial Science and Technology曾建造操作一體積1 m³ 規模生物產氫示範程序，其進料紙廠廢棄物與廚餘可達產氫速率500－1000 L/m³ /day產氫速率與本發明相近，但其進料量極大，每日約進料65 kg的餐廳廢棄物和紙廠廢棄物，與本發明之上述試驗案例不到7公斤有機物量，其轉化率遠低於本發明。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何其所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧氫氣製造裝置

101‧‧‧浮渣收集器

102‧‧‧浮渣集中迴流系統

103‧‧‧迴流系統

104‧‧‧氣液固三相分離器

105‧‧‧導流管

107‧‧‧錐形分配器

108‧‧‧噴射式迴流系統

109‧‧‧文氏管構造

110‧‧‧反應槽

第1圖係依據本發明之氫氣製造裝置之其中一實施例的示意圖。

第2圖係依據第1圖之氫氣製造裝置於正式量產氫氣時的示意圖。

第3圖係依據第2圖之氫氣製造裝置之浮渣收集器的上視圖。

100‧‧‧氫氣製造裝置

101‧‧‧浮渣收集器

102‧‧‧浮渣集中迴流系統

103‧‧‧迴流系統

104‧‧‧氣液固三相分離器

105‧‧‧導流管

107‧‧‧錐形分配器

108‧‧‧噴射式迴流系統

109‧‧‧文氏管構造

110‧‧‧反應槽

Claims (7)

1. 一種氫氣製造裝置，包括：一反應槽，在該反應槽內設置有一反應工作區，以提供產氫微生物生長並進行有機物質轉化而產生氫氣；一氣液固三相分離器，設置在該反應槽內之該反應工作區的上方，將產生的氫氣分離並收集。
2. 如申請專利範圍第1項所述的氫氣製造裝置，其更包括一導流管，設置在該反應槽內。
3. 如申請專利範圍第2項所述的氫氣製造裝置，其中在該工作區中該反應槽之內壁以及該導流管之內、外壁上設置有固定化生物膜，作為該產氫微生物植種與生長。
4. 如申請專利範圍第2項所述的氫氣製造裝置，其更包括一噴射式迴流系統以及一錐形分配器，該錐形分配器設置在該反應槽底部，該噴射式迴流系統設置在該反應槽外部，將該微生物產生的氣體與醱酵液混合注入該反應槽與該導流管中央下部以形成向下的噴射流，經過該錐形分配器的引流而向該導流管外區形成向上流況。
5. 如申請專利範圍第4項所述的氫氣製造裝置，其中該噴射式迴流系統包括一文氏管構造。
6. 如申請專利範圍第1項所述的氫氣製造裝置，其更包括一浮渣收集器，設置在該反應槽內之該反應工作區上方，以收集浮渣。
7. 如申請專利範圍第6項所述的氫氣製造裝置，其中該浮渣收集器包括一漩渦狀的擋板。