TWI473912B - New energy vehicle plasma hydrogen production unit - Google Patents

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TWI473912B
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西田靖
陳秋榮
岩﨑憲一
劉沖明
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國立成功大學
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Description

新能源汽車用電漿產氫裝置
本發明係有關於一種新能源汽車用電漿產氫裝置，尤指涉及一種使用於燃料電池以及混合動力汽車，特別係指氫混合動力驅動系統之電動汽車之燃料電池與高電容電池之系統。
近年來由於燃燒石化能源而產生過量之二氧化碳，使得溫室效應逐年惡化，加上能源銳減、石油日益枯竭之危機，迫使人們不得不重視能源與環境污染危機之問題，使得使用非石化能源之燃料電池越來越受到重視。過去幾十年，國際上燃料電池技術突破性發展，以氫氣為能源之燃料電池(Fuel cell)已被視為具有產生電力及施用於運輸之顯要潛能，氫氣係眾所周知最佳之乾淨能源之一，可提供燃料電池所需之電力並應用在許多方面，目前在燃料電池之應用上，為了達到最有效率之氫氣生產及輸送方式，必須從整體能量效率之角度，考慮到在氫氣生產、儲存及輸送到燃料電池過程中之能源消耗。
目前最常受用之氫氣輸送方式係在工廠生產氫氣並將其壓縮為液態，然後將壓縮後之液態氫加入汽車之氫燃料箱中，這個方法會消耗大量額外之能量，因為除了在利用碳氫化合物氣體與水蒸氣分解產生氫氣之過程中所需之能量外，還多了把氫氣液化後灌入燃料箱以及將燃料箱攜帶到氫氣供應站所需之能量。例如在把氫氣灌入燃料箱之過程中，氫氣必須維持在35Mpa之高壓與21K之低 溫才能以液態存在，否則燃料箱就無法攜帶足夠燃料電池使用之氫氣，而將氫氣從氣態變為液態所需之能量約為同重量丙烷之一百倍。
目前較為普遍使用之氫氣生產系統係利用碳氫化合物與水蒸氣之混合物，在化學催化劑與高溫(600~1200℃)下分解，惟該系統並不適用於車上使用。此外，在這個系統中為了分解碳氫化合物所須提供之水亦降低了能量使用之效率，並同時在分解之過程中產生二氧化碳氣體，因此，該系統並不能被稱為「乾淨之能源」。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時解決上述問題之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種分解碳氫化合物轉化為氫與碳，可放在汽車上使用電池操作之高效率產氫與氫純化之新能源汽車用電漿產氫裝置，此電漿產氫裝置不會產生二氧化碳。
本發明之次要目的係在於，提供一種將產生之氫氣可以直接使用於車上之燃料電池，以產生驅動汽車所需之電力，藉此可適用於一系列之潔淨綠能源汽車，例如可將電力直接使用在汽車上以提供汽車所需要之電力，或直接提供家庭與工業用電之需求，或與電動車驅動系統結合成氫氣混合式電動車，或與內燃引擎結合成氫氣混合式汽車驅動系統。
為達以上之目的，本發明係一種新能源汽車用電漿產氫裝置，係包括：一液態燃料儲存瓶，用以供應液態碳氫化合物為燃料；一空氣過濾器，其包括一過濾腔體，具有一過濾腔入口與一過濾腔 出口，由該過濾腔入口接收來自該液態燃料儲存瓶之液態碳氫化合物，針對輸出待分解之碳氫化合物氣體進行過濾，以移除輸出碳氫化合物氣體中之空氣；一電漿分解器，包括一電漿腔體，具有一電漿腔入口與一電漿腔出口，且該電漿腔入口連接該空氣過濾器之過濾腔出口，該電漿分解器係由一電漿反應器與一包覆於該電漿反應器外之雙層式氣體過濾器所組成，該電漿反應器具有一電漿分解區與一或多個電極對，且該電極對內含增強電場之觸媒粒子，而該氣體過濾器係連通該電漿腔入口，包含一第一過濾區及一第二過濾區；該電漿分解器係以導入該已移除空氣之碳氫化合物氣體至該電漿反應器之電漿分解區，利用高壓脈衝電源在該電極對之間施加電壓脈衝時，在該電極對內部之放電空間產生放電以將該碳氫化合物氣體分解成氫氣及碳粒子，並由該氣體過濾器針對輸出之氫氣氣體進行純化，以移除輸出氫氣氣體中之碳粒子及未分解碳氫化合物氣體；一高壓電源供應器，連接至該電漿分解器之電極對，用以提供運作該電漿反應器所需要之高壓脈衝電源；一燃料電池電力組，連接該電漿分解器，用以接收純化後之氫氣並據以產生電力；以及一大電容型電池，係接收來自該燃料電池電力組之電力，並將此電力提供給該高壓電源供應器。
上述新能源汽車用電漿產氫裝置，於一具體實施例中，係可直接使用於汽車上，作為提供電力給該大電容電池充電，或直接提供電力給一驅動車輛之馬達驅動系統，或直接提供電力給一家庭與工業用電之家用電源裝置。
上述新能源汽車用電漿產氫裝置，於一具體實施例中，係可進一步適用於與使用液態碳氫化合物為燃料之內燃引擎結合，作為提供電力給該大電容電池充電，或直接提供電力給一馬達驅動系統 驅動一汽車驅動系統，以成為氫氣混合式汽車驅動系統，其中該內燃引擎運作時產生之電力係部分提供給該大電容電池，另部分電力提供給該汽車驅動系統。
上述新能源汽車用電漿產氫裝置，於一具體實施例中，係可進一步適用於與電動車驅動系統(Electric Vehicle car,EV car)結合，作為提供電力給該大電容電池充電，或直接提供電力給一馬達驅動系統，以成為氫氣混合式電動車，其中該大電容電池之電力主要提供給該馬達驅動系統，部分電力提供給該電漿分解器，且該大電容電池亦可使用一外部電源充電。
1‧‧‧液態燃料儲存瓶
2‧‧‧空氣過濾器
20‧‧‧過濾腔體
201‧‧‧過濾腔入口
202‧‧‧過濾腔出口
3‧‧‧電漿分解器
30‧‧‧電漿腔體
301‧‧‧電漿腔入口
302‧‧‧電漿腔出口
31‧‧‧電漿反應區
311‧‧‧電漿分解區
312‧‧‧電極對
312a‧‧‧圓筒型電極管
312b‧‧‧方筒型電極管
312c‧‧‧兩片平板型電極板
313‧‧‧觸媒粒子
32‧‧‧氣體過濾模組
321‧‧‧內層過濾單元
322‧‧‧外層過濾單元
323‧‧‧第一過濾區
324‧‧‧第二過濾區
325‧‧‧絕緣構件
41‧‧‧大電容型電池
42‧‧‧高壓電源供應器
5‧‧‧燃料電池電力組
6、6a‧‧‧氣管連結器
61‧‧‧進氣組件
611‧‧‧入氣管
612‧‧‧天然氣充氣區域
613‧‧‧出氣管
62‧‧‧出氣組件
621、621a‧‧‧氣體排出區域
622‧‧‧入氣管
623‧‧‧震波吸收器
624‧‧‧出氣管
63‧‧‧補助連接器
64、65、66‧‧‧滑動閥
7‧‧‧馬達驅動系統
8‧‧‧家用電源裝置
9‧‧‧內燃引擎
10‧‧‧汽車驅動系統
11‧‧‧外部電源
第1圖，係本發明之基本架構示意圖。
第2A圖，係本發明一較佳實施例之氣管連結器軸對稱橫切示意圖。
第2B圖，係本發明另一較佳實施例之氣管連結器軸對稱橫切局部示意圖。
第3A圖，係本發明一較佳實施例之電極結構示意圖。
第3B圖，係本發明另一較佳實施例之電極結構示意圖。
第3C圖，係本發明再一較佳實施例之電極結構示意圖。
第4圖，係本發明一較佳實施例之使用態樣示意圖。
第5圖，係本發明另一較佳實施例之使用態樣示意圖。
第6圖，係本發明再一較佳實施例之使用態樣示意圖。
請參閱『第1圖』所示，係本發明之基本架構示意圖。如圖所示：本發明係一種可放在汽車上使用電池操作之高效率產氫與氫純 化之新能源汽車用電漿產氫裝置，該裝置只需要輸入碳氫化合物到分解反應器中，就可直接產生純化之氫氣，並將氫氣輸入燃料電池以產生電力，適合在汽車上使用，可放置在汽車內以提供汽車所需要之電力，供驅動汽車或電池充電。其至少包括一液態燃料儲存瓶1、一空氣過濾器2、一電漿分解器3、一高壓電源供應器42、一大電容型電池41以及一燃料電池電力組5所構成。
上述所提之液態燃料儲存瓶1係用以供應液態碳氫化合物為燃料，其中，該液態碳氫化合物係為液態天然氣，包含甲烷、乙烷、丙烷與丁烷等。
上述所提之空氣過濾器2係包括一過濾腔體20，具有一過濾腔入口201與一過濾腔出口202，由該過濾腔入口201接收來自該液態燃料儲存瓶1之液態碳氫化合物，針對輸出待分解之碳氫化合物氣體進行過濾，以移除輸出碳氫化合物氣體中之空氣。
上述所提之電漿分解器3包括一電漿腔體30，具有一電漿腔入口301與一電漿腔出口302，且該電漿腔入口301連接該空氣過濾器2之過濾腔出口202，該電漿分解器3係由一電漿反應器31與一包覆於該電漿反應器31外之雙層式氣體過濾器32所組成，該電漿反應器31係為內分解型之電漿反應器，具有一電漿分解區311與一或多個電極對312，且該電極對312內含增強電場之觸媒粒子313，而該氣體過濾器32係連通該電漿腔入口301，包含一第一過濾區323及一第二過濾區324；該電漿分解器3係將電漿腔體30抽至真空後，將作為燃料之已移除空氣之碳氫化合物氣體經由該電漿腔入口301 導入至該電漿反應器31之電漿分解區311，利用高壓脈衝電源在該電極對312之間施加矩形波形之電壓脈衝時，在該電極對312內部之放電空間產生放電以將該碳氫化合物氣體分解成氫氣及碳粒子，並由該氣體過濾器32針對輸出之氫氣氣體進行純化，以移除輸出氫氣氣體中之碳粒子及剩餘未分解碳氫化合物氣體。
上述所提之高壓電源供應器42連接至該電漿分解器3之電極對312，用以提供運作該電漿反應器31所需要之高壓脈衝電源；上述所提之燃料電池電力組5係連接該電漿分解器3，用以接收純化後之氫氣並據以產生電力。
上述所提之大電容型電池41係接收來自該燃料電池電力組5之電力，並將此電力提供給該高壓電源供應器42。
上述空氣過濾器2之過濾腔體20係由僅吸收空氣分子但不吸收碳氫化合物之材料構成之過濾膜圍成之空腔，可使作為燃料之高壓碳氫化合物將空氣分子推出過濾膜外。於一具體實施例中，係可藉由加入一用於空氣過濾器之連接終點取代該空氣過濾器之方式。
上述電漿反應器31係為介電質屏障放電型電漿反應器或介電質催化劑型電漿反應器。
上述電漿腔體30係為不銹鋼材質，於一具體實施例中，腔體尺寸為300 x 6”。
上述電極對312內含之觸媒粒子係可為磷酸鋁(Aluminum Phosphate,AlPO4)、氧化鋁(Aluminium Oxide,Al2O3)或鈦酸鋇(Barium Titanium Oxide,BaTiO3)。
上述氣體過濾器32係由雙層過濾單元組成，包含一內層過濾單元321與一包覆於該內層過濾單元321外之外層過濾單元322，該內層過濾單元321係設置於該電漿反應器31之電漿分解區311外圍，經電漿分解為氫氣及碳粒子之氣體與未分解之碳氫化合物氣體先經過該內層過濾單元321阻擋碳粒子，使氫氣及未分解之碳氫化合物氣體由該電漿分解區311通過至該第一過濾區323後，再經過該外層過濾單元322濾除未分解之碳氫化合物氣體，將氫氣由該第一過濾區323通過至該第二過濾區324使其純化，以獲得高純度之氫氣。其中，該些無法通過該外層過濾單元322之未分解之碳氫化合物氣體係被收集回該電漿反應器31內繼續反應；並且，該內層過濾單元321亦可進一步設計成只讓氫氣通過。此外，在該外層過濾單元322與該內層過濾單元321之內壁周緣係設有形成絕緣空間之絕緣構件325，並可為陶瓷材質。於其中，該第一過濾區323之壓力係小於該電漿分解區311內之壓力，並大於該第二過濾區324之壓力，而該第二過濾區324之壓力係大於1大氣壓。
如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之新能源汽車用電漿產氫裝置。
當本發明於運用時，係使用儲存液態碳氫化合物(如液態丙烷)為燃料之液態燃料儲存瓶1，將儲存瓶裡之碳氫化合物經空氣過濾器2濾除空氣(含氮氣與氧氣氣體)後直接輸送入電漿分解器3，於電漿反應器31中使用電漿放電技術將碳氫化合物氣體分解成氫氣及碳粒子，經雙層式氣體過濾器32將氫氣純化後，從電漿腔體30取出純化之氫氣，直接提供給汽車上之燃料電池電 力組5以提供所需之電力，而碳粒子則儲存在反應器中、不會散佈在外，可經由例行性反應器清潔之過程取出。因為在該電漿分解器3內部沒有氧氣，因此，本系統在反應過程中不會產生二氧化碳氣體。此外，本發明係在碳氫化合物分解反應發生之電漿分解區311內維持比外界較高之壓力，考量到電漿反應器31之安全性，其電漿分解區311內之壓力必須保持大於1大氣壓並小於10大氣壓，如此即可讓內層過濾單元321有較好地過濾效果，亦即可讓大部份之碳粒子都能被完整過濾，在這樣之情況下，碳氫化合物氣體與氫氣可以同時通過該內層過濾單元321，或是只讓氫氣通過。另外，本發明係以極短上升時間與持續時間之電壓脈衝來改進分解碳氫化合物之效率，由高壓電源供應器42施加之電壓脈衝重覆頻率係介於1千赫茲(KHz)~1兆赫茲(MHz)之間，且脈衝寬度係介於1微秒(μs)~1奈秒(ns)之間。由本發明之研究結果顯示使用極短之電壓脈衝上升時間可以減少加熱電漿區域之氣體所損耗之能量，可避免使用長時間之持續脈衝而導致大部分之放電能量去加熱周遭之殘存氣體，因此本發明之關鍵技術之一係藉由減短脈衝之時間達成減少能量損耗。藉此達到可直接在車上產生氫氣並作為電力提供使用，無需把氫氣液化，與目前將氫氣液化之系統相比可節省大量之能源。
請參閱『第2A圖及第2B圖』所示，係分別為本發明一較佳實施例之氣管連結器軸對稱橫切示意圖、及本發明另一較佳實施例之氣管連結器軸對稱橫切局部示意圖。如圖所示：另一項除去空氣之過濾器之方法係於前述液態燃料儲存瓶與該電漿分解器之間進一步設置一氣管連結器(Gas Pipe Connector)6，其可取代該空氣過濾器或與該空氣過濾器聯合使用。
第2A圖所示之氣管連結器6係一軸對稱結構，其包括一連接該液化燃料儲存瓶之進氣組件61，具有一入氣管611、一天然氣充氣區域612與一出氣管613；一連接該電漿分解器之出氣組件62，具有一入氣管621、一氣體排出區域622、一震波吸收器623與一出氣管624，該震波吸收器623係為固體，可為鐵氟龍(Teflon)或其他化學材料所構成之軟物質；一連結該進氣組件61與該出氣組件62之補助連接器63；以及數個分設於該進氣組件61與該出氣組件62之間可朝向圖中箭頭方向移動之滑動閥64、65及66，其係用以控制氣體通過與否。當運用時，碳氫化合物之高壓氣體由該進氣組件61之入氣管611進入。當該滑動閥64開啟與該滑動閥65關閉時，碳氫化合物氣體會充滿在該天然氣充氣區域612。此時，該液態燃料儲存瓶中之氣體壓力最好為幾十倍大氣壓力。當完成該天然氣充氣區域612之充氣，關掉該滑動閥64並接著打開該滑動閥65，碳氫化合物氣體會進入該氣體排出區域622。此時，該滑動閥66係為關閉。氣體藉由該進氣組件61與該出氣組件62之間缺口外流。因為氣體壓力比外部大，氣體向外之流速會變為超音速。此時，缺口中之空氣會與碳氫化合物氣體一起流出。當氣體流出後，缺口中之壓力會比外面小，缺口必須關閉，接著該補助連接器63會將該進氣組件61與該出氣組件62緊緊地鎖在一起。當進、出氣組件61、62快速接觸時會發生震波，該震波吸收器623便會吸收震波。因此，即始在大氣壓力下，亦無空氣會進入兩個被連接之氣管中。
第2B圖所示係另一個改進後之氣管連結器6a。第2B圖與第2A圖之氣管連結器6不同處為氣體排出區域622a為一拉瓦 噴嘴(Laval nozzle)之形狀，其在流動方向上具有一先窄化然後放寬之流動橫剖面，可使氣體排出之速度增加為超音速，該氣管連結器6a可以很可靠地不讓空氣進入。整個氣管連結器6a系統之運作流程與第2A圖系統之運作流程相似，圖中(a)為氣管分離時使氣體流出之態樣，(b)為氣管連結時之態樣。在此氣管連結器6a系統中，氣體排出之速度會遠高於第2A圖所舉之例子，連接之力量也會比第2A圖所舉之例子大。因此發生空氣洩漏進去之可能性就會非常低。
請參閱『第3A圖~第3C圖』所示，係分別為本發明一較佳實施例之電極結構示意圖、本發明另一較佳實施例之電極結構示意圖、及本發明再一較佳實施例之電極結構示意圖。如圖所示：前述所提之電極對係可為圓筒型電極管312a，如第3A圖所示；或方筒型電極管312b，如第3B圖所示；又或者為兩片平板型電極板312c，如第3C圖所示；亦或，由其變更之幾何形狀。
請參閱『第4圖~第6圖』所示，係分別為本發明一較佳實施例之使用態樣示意圖、本發明另一較佳實施例之使用態樣示意圖、及本發明再一較佳實施例之使用態樣示意圖。如圖所示：本發明係一套汽車上用之高效率生產與純化氫氣之系統，操作此系統所需要之電力由汽車電池提供，產生之氫氣可以直接使用於車上之燃料電池，以產生驅動汽車所需之電力。
第4圖顯示在車輛上以電漿反應分解碳氫化合物氣體燃料，產氫並將氫輸入氫燃料電池以提供電力之整體概念，此系統架構也可以使用於家庭用電。在第4圖中，碳氫化合物燃料係液態丙烷氣體(LPG)，但其他之碳氫化合物也可以被使用來取代丙烷。來 自液態燃料儲存瓶1之碳氫化合物燃料通過去除空氣之空氣過濾器2與氣管連接器(圖中未示)後被帶到電漿分解器3之電漿分解區311，從電漿分解區311產生之純氫氣被直接提供給燃料電池電力組5。所以，整個系統將由碳氫化合物燃料之液態燃料儲存瓶1、空氣過濾器2、氣管連結器(圖中未示)、氫氣之產生與純化之電漿分解器3、運作電漿分解器之高壓電源供應器42、產生電力之燃料電池電力組5、提供電力給高壓電源供應器42之大電容電池41、以及驅動車輛之馬達驅動系統7組成，這整套系統不會產生二氧化碳或一氧化碳，因此，這個系統係一個理想乾淨之車輛運作系統，可直接使用於汽車上，由該燃料電池電力組5作為提供電力給該大電容電池充電6，或直接提供電力給該馬達驅動系統7，或直接提供電力給一家庭與工業用電之家用電源裝置8。
第5圖顯示一種形式之氫混合動力系統，為了驅駛車輛，燃料電池需要提供大量充分之電力，然而在某些情況，燃料電池不能提供足夠之電力，在此情況，可以將本系統與內燃引擎結合成氫氣混合式汽車驅動系統。在第5圖中，此氫氣混合式汽車驅動系統中之燃料係液態丙烷氣體，該液態丙烷氣體可以當作內燃引擎9之燃料，也可作為電漿分解器3產氫之原料。所以，整個系統將由碳氫化合物燃料之液態燃料儲存瓶1、空氣過濾器2、氣管連結器(圖中未示)、氫氣之產生與純化之電漿分解器3、運作電漿分解器之高壓電源供應器42、產生電力之燃料電池電力組5、提供電力給高壓電源供應器42之大電容電池41、驅動車輛之馬達驅動系統7、內燃引擎9以及汽車驅動系統10組成，在這個氫氣混合式汽車驅動系統中，雖然氫燃料電池不會產生二氧 化碳，惟內燃引擎燃燒碳氫化合物會產生二氧化碳。因此，該氫氣混合式汽車驅動系統之二氧化碳之排氣量會遠低於單純燃燒液態丙烷氣體內燃引擎系統之二氧化碳排氣量。顯見本裝置係可進一步適用於與使用液態碳氫化合物為燃料之內燃引擎結合，由該燃料電池電力組5作為提供電力給該大電容電池充電6，或直接提供電力給該馬達驅動系統7驅動該汽車驅動系統10，在運作該內燃引擎9時產生之電力亦可提供給大電容電池6充電，再將電力提供給運作該電漿分解器3之高壓電源供應器42，或將電力直接提供給該汽車驅動系統10。
第6圖顯示另一種形式之氫混合動力系統，係採用電動車驅動系統(Electric Vehicle car,EV car)代替內燃引擎系統，將本系統與電動車驅動系統結合成氫氣混合式電動車。在第6圖中，此氫氣混合式電動車系統，係將內燃引擎去除，將大電容型電池41與燃料電池電力組5一起使用，大電容型電池41之電力主要被提供給馬達驅動系統7，但有一部分之電力也經由高壓電源供應器42提供給分解碳氫化合物之電漿分解器3，此外從燃料電池電力組5得到之電力也可以給大電容型電池6充電，因此能減少透過公共供電系統給大電容型電池6充電之需求。因為電廠通常會產生大量之二氧化碳、氮氧化合物或硫氧化合物，所以純電動車輛系統嚴格來說不算乾淨之系統。然而透過與本裝置結合之方式，就能減少大電容型電池6透過公共供電系統之充電需求，因此，使用此氫氣混合式電動車系統比使用純電動車系統乾淨。顯見本裝置係可進一步適用於與電動車驅動系統結合，由該燃料電池電力組5作為提供電力給該大電容電池41充電，或直接提供電力給馬達驅動系統7，以成為氫氣混合式電動車，且於必 要時，該大電容電池41亦可使用一外部電源11充電。
藉此，使本發明之新能源汽車用電漿產氫裝置，可直接使用於汽車上，作為提供電力給大電容電池充電，或直接提供電力給驅動車輛之馬達驅動系統，或直接提供電力給家庭與工業用電之家用電源裝置之外，亦可進一步適用於與電動車驅動系統結合，作為提供電力給該大電容電池充電，或直接提供電力給馬達驅動系統，以成為氫氣混合式電動車，將可大幅減少大電容電池充電之需求；此外，本發明之新能源汽車用電漿產氫裝置，更可進一步適用於與使用液態碳氫化合物為燃料之內燃引擎結合，作為提供電力給該大電容電池充電，或直接提供電力給馬達驅動系統驅動汽車驅動系統，以成為氫氣混合式汽車驅動系統。
綜上所述，本發明係一種新能源汽車用電漿產氫裝置，可有效改善習用之種種缺點，利用此產氫與氫純化系統來分解碳氫化合物轉化為不產生二氧化碳之氫與碳，通過供給液態碳氫化合物予電漿分解器中進行放電分解，生產純氫氣並供給到燃料電池電力組產生電力，藉此可適用於一系列之潔淨綠能源汽車，例如可將電力直接使用在汽車上以提供汽車所需要之電力，或直接提供家庭與工業用電之需求，或與電動車驅動系統結合成氫氣混合式電動車，或與內燃引擎結合成氫氣混合式汽車驅動系統，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧液態燃料儲存瓶
2‧‧‧空氣過濾器
20‧‧‧過濾腔體
201‧‧‧過濾腔入口
202‧‧‧過濾腔出口
3‧‧‧電漿分解器
30‧‧‧電漿腔體
301‧‧‧電漿腔入口
302‧‧‧電漿腔出口
31‧‧‧電漿反應區
311‧‧‧電漿分解區
312‧‧‧電極對
313‧‧‧觸媒粒子
32‧‧‧氣體過濾模組
321‧‧‧內層過濾單元
322‧‧‧外層過濾單元
323‧‧‧第一過濾區
324‧‧‧第二過濾區
325‧‧‧絕緣構件
41‧‧‧大電容型電池
42‧‧‧高壓電源供應器
5‧‧‧燃料電池電力組

Claims (19)

  1. 一種新能源汽車用電漿產氫裝置，係包括：一液態燃料儲存瓶，用以供應液態碳氫化合物為燃料；一空氣過濾器，其包括一過濾腔體，具有一過濾腔入口與一過濾腔出口，由該過濾腔入口接收來自該液態燃料儲存瓶之液態碳氫化合物，針對輸出待分解之碳氫化合物氣體進行過濾，以移除輸出碳氫化合物氣體中之空氣；一電漿分解器，包括一電漿腔體，具有一電漿腔入口與一電漿腔出口，且該電漿腔入口連接該空氣過濾器之過濾腔出口，該電漿分解器係由一電漿反應器與一包覆於該電漿反應器外之雙層式氣體過濾器所組成，該電漿反應器具有一電漿分解區與一或多個電極對，且該電極對內含增強電場之觸媒粒子，而該氣體過濾器係連通該電漿腔入口，包含一第一過濾區及一第二過濾區；該電漿分解器係以導入該已移除空氣之碳氫化合物氣體至該電漿反應器之電漿分解區，利用高壓脈衝電源在該電極對之間施加電壓脈衝時，在該電極對內部之放電空間產生放電以將該碳氫化合物氣體分解成氫氣及碳粒子，並由該氣體過濾器針對輸出之氫氣氣體進行純化，以移除輸出氫氣氣體中之碳粒子及未分解碳氫化合物氣體，其中該氣體過濾器係由雙層過濾單元組成，包含一內層過濾單元與一包覆於該內層過濾單元外之外層過濾單元，該內層過濾單元係設置於該電漿反應器之電漿分解區外圍，經電漿分解為氫氣及碳粒子之氣體與未分解之碳氫化合物氣體先經過該內層過濾 單元阻擋碳粒子，使氫氣及未分解之碳氫化合物氣體由該電漿分解區通過至該第一過濾區後，再經過該外層過濾單元濾除未分解之碳氫化合物氣體，將氫氣由該第一過濾區通過至該第二過濾區使其純化；一高壓電源供應器，連接至該電漿分解器之電極對，用以提供運作該電漿反應器所需要之高壓脈衝電源；一燃料電池電力組，連接該電漿分解器，用以接收純化後之氫氣並據以產生電力；以及一大電容型電池，係接收來自該燃料電池電力組之電力，並將此電力提供給該高壓電源供應器。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，其中，該液態碳氫化合物係為液態天然氣，包含甲烷、丙烷與丁烷。
  3. 依申請專利範圍第1項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，其中，該空氣過濾器之過濾腔體係由僅吸收空氣分子但不吸收碳氫化合物之材料構成之過濾膜圍成之空腔。
  4. 依申請專利範圍第1項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，其中，該液態燃料儲存瓶與該電漿分解器之間係可進一步設置一氣管連結器(Gas Pipe Connector)，可取代該空氣過濾器或與該空氣過濾器聯合使用。
  5. 依申請專利範圍第4項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，其中，該氣管連結器係一軸對稱結構，包括一連接該液態燃料儲存瓶之進氣組件，具有一入氣管、一天然氣充氣區域與一出氣管；一連接該電漿分解器之出氣組件，具有一入氣管、一氣體排出區域、一震波吸收器與一出氣管；一連結該進氣組件與該出氣組件之補助連接器；以及數個分設於該進氣組件與該出氣組件之間用以 控制氣體通過與否之滑動閥。
  6. 依申請專利範圍第5項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，其中，該氣管連結器之氣體排出區域可進一步改進為拉瓦噴嘴(Laval nozzle)形狀，使氣體在流動方向上具有一先窄化然後放寬之流動橫剖面，俾令排出氣體之速度增加至超音速。
  7. 依申請專利範圍第1項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，其中，該電漿反應器係為內分解型，並可為介電質屏障放電型電漿反應器或介電質催化劑型電漿反應器。
  8. 依申請專利範圍第1項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，其中，該電極對係為圓筒型、方筒型、兩片平板型或由其變更之幾何形狀。
  9. 依申請專利範圍第1項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，其中，該電漿反應器中之電漿分解區內之壓力係大於1大氣壓並小於10大氣壓。
  10. 依申請專利範圍第1項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，其中，該觸媒粒子係可為磷酸鋁(Aluminum Phosphate,AlPO4)、氧化鋁(Aluminium Oxide,Al203)或鈦酸鋇(Barium Titanium Oxide,BaTiO3)。
  11. 依申請專利範圍第1項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，其中，該第一過濾區之壓力係小於該電漿分解區內之壓力，並大於該第二過濾區之壓力，而該第二過濾區之壓力係大於1大氣壓。
  12. 依申請專利範圍第1項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，其中，該些無法通過該外層過濾單元之未分解之碳氫化合物氣體係被收集回該電漿反應器內繼續反應。
  13. 依申請專利範圍第1項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，其中 ，該外層過濾單元與該內層過濾單元之內壁周緣係設有形成絕緣空間之絕緣構件。
  14. 依申請專利範圍第1項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，其中，該碳粒子係儲存於該電漿反應器內部，並於例行性反應器清潔之過程取出。
  15. 依申請專利範圍第1項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，其中，該高壓電源供應器提供之電壓脈衝重覆頻率係介於1千赫茲(KHz)~1兆赫茲(MHz)之間。
  16. 依申請專利範圍第1項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，其中，該高壓電源供應器提供之電壓脈衝寬度係介於1微秒(μs)~1奈秒(ns)之間。
  17. 依申請專利範圍第1項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，係可直接使用於汽車上，作為提供電力給該大電容電池充電，或直接提供電力給一驅動車輛之馬達驅動系統，或直接提供電力給一家庭與工業用電之家用電源裝置。
  18. 依申請專利範圍第1項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，係可進一步適用於與使用液態碳氫化合物為燃料之內燃引擎結合，作為提供電力給該大電容電池充電，或直接提供電力給一馬達驅動系統驅動一汽車驅動系統，以成為氫氣混合式汽車驅動系統，其中該內燃引擎運作時產生之電力係部分提供給該大電容電池，另部分電力提供給該汽車驅動系統。
  19. 依申請專利範圍第1項所述之新能源汽車用電漿產氫裝置，係可進一步適用於與電動車驅動系統(Electric Vehicle car,EV car)結合，作為提供電力給該大電容電池充電，或直接提供電力給一馬達驅動系統，以成為氫氣混合式電動車，其中該大電容 電池之電力主要提供給該馬達驅動系統，部分電力提供給該電漿分解器，且該大電容電池亦可使用一外部電源充電。
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