TWI625500B - Hydrogen and oxygen separation to produce energy systems - Google Patents

Abstract

一種氫氧分離產生能源系統，包含補水槽、多個反應器、反應棒、金屬觸媒反應物以及集氣筒，該系統更包含過濾槽、緩衝罐、暫存罐、沉澱槽、螺旋除料器以及其間的連通管件、閥件等硬體設備所組成以提供無污染之混合氫氣氣體。所謂混合氫氣氣體係指其成分中含有30%以上氫氣成分的可燃性氣體，簡稱混氫氣體。各個反應器各別設有進水閥、排水閥、通氣閥以及連接閥。各個反應器之間透過通氣管件連接連接閥，以使各反應器中的金屬觸媒反應物都可以單獨和水進行反應，進而使得氫氧分離產生能源系統可以24小時連續運轉、全年無需停機，故而具備了連續大量生產的工業化條件。

Description

氫氧分離產生能源系統

本發明氫氧分離產生能源系統是產生高熱值、低成本、無污染之清潔能源的反應物料與設備結構。

氫氣燃燒時，會放出大量的熱能，並還原成為潔淨的水份，但不會產生任何有害物質，例如硫氧化物(SO_x)，或粉塵，亦無含碳的成分，例如CO、CO₂。由於氫氣具有高熱值與極潔淨的特性，因此可以應用於供熱、採暖、發電等廣泛用途，及民生、工業、運輸、救難等領域。若能儘速實現氫氣製造之產品規模化與商業化，以供應能源與動力市場，則可因其零碳排、無污染、成本低、安全高等特色，可為國家達成節能減碳、污染防治、經濟發展、生態保護的目標，進而徹底解決能源短缺、環境污染、氣候變遷等重要議題。

有鑑於此，需要一種性能良好、占地較小、原料易得、操作安全、成本經濟的氫氧分離產生能源系統，以產製高熱值、低成本、無污染之潔淨能源。

本發明提供一種氫氧分離產生能源系統，包括：多個反應器，可容納一水氫氣體、一水及含有一金屬觸媒反應物的一反應棒，該水與該金屬觸媒反應物反應產生該水氫氣體以及含有一金屬觸媒氧化物的一反應溶液，且在該些反應器的上部各別設有排出該水氫氣體的一通氣閥，側邊各別設有控制進水的一進水閥，以及底部各別設有排出該反應溶液的一排水閥；一補水槽，連接該些反應器的該進水閥，補充該些反應器反應所需的該水；以及一集氣筒，連接該些反應器的該排氣閥，以匯集該些反應器排出的該水氫氣體。

在本發明一實施例中，該金屬觸媒反應物的材料包括重量百分比在80%以上的鋁。

在本發明一實施例中，該金屬觸媒反應物的材料更包括鋰、鈉、鎂、鎵及鉬的至少其中之一。

在本發明一實施例中，該系統更包括至少一沉澱槽，連接該些反應器的該排水閥，以收集該反應溶液。

在本發明一實施例中，該至少一沉澱槽的底部各別設有一螺旋除料器，以去除沉澱在該至少一沉澱槽的底部的該金屬觸媒氧化物。

在本發明一實施例中，該至少一沉澱槽的上部連接該補水槽，以回送該反應溶液上層的一澄清液至該補水槽。

在本發明一實施例中，該系統更可包括：一過濾槽，連接該集氣筒，使該集氣筒的該水氫氣體通過該過濾槽後，去除多餘水氣、水霧並降溫，而成為本系統所欲得到的混氫氣體。

在本發明一實施例中，該系統更包括：一暫存罐，連接該過 濾槽，以儲存過濾後的該混氫氣體。

在本發明一實施例中，該系統更包括：一緩衝罐，設於該過濾槽及該暫存罐之間，以儲存過濾後的該混氫氣體來提供系統釋壓以及排出該暫存罐的空氣。

透過本發明之氫氧分離產生能源系統，產製高熱值、低成本、無污染之潔淨能源的混氫氣體，其性能良好、占地較小、原料易得、操作安全、成本經濟，並於各個反應器上部及底部都各別裝設有排氣閥、進水閥及排水閥，可隨時關斷此等閥件，以隔絕各個反應器的氣體與水體通路，以便可隨時單獨抽換某個反應器內之反應棒，及其中的金屬觸媒反應物，而不影響其他的反應器，或中止氫氧分離產生能源系統的正常運作。

1‧‧‧氫氧分離反應系統

110‧‧‧反應器

111‧‧‧金屬觸媒反應物

112‧‧‧反應棒

113‧‧‧高低水位監控裝置

120‧‧‧集氣筒

130‧‧‧補水槽

140‧‧‧過濾槽

150‧‧‧緩衝罐

160‧‧‧暫存罐

170‧‧‧沉澱槽

171‧‧‧螺旋除料器

180‧‧‧循環泵

V1‧‧‧進水閥

V2‧‧‧通氣閥

V3‧‧‧排水閥

V5‧‧‧出氣閥

V6a、V6b‧‧‧排污閥

第1圖繪示本發明之氫氧分離產生能源系統的示意圖。

第2a圖繪示本發明之反應器及集氣筒的細部平面圖。

第2b圖繪示本發明之反應器及集氣筒的細部剖面圖。

第3圖繪示本發明之過濾槽的細部示意圖。

第4圖繪示本發明之沉澱槽的細部示意圖。

以下對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

參考第1圖，為本發明之氫氧分離產生能源系統1之較佳實施例。氫氧分離產生能源系統1可包含反應器110、集氣筒120以及補水槽130，該系統更可包含過濾槽140、緩衝罐150、暫存罐160、沉澱槽170以及由其間的連通管件、閥件等硬體設備所組成以提供無污染、可燃性之混合氫氣氣體(簡稱混氫氣體)，上述閥件並不僅限於下列述及的閥件，亦可根據需要設置例如排氣閥以及控制水閥。詳細內容將於後續段落說明。

參考第2a圖及第2b圖，依照系統尺寸大小或混氫氣體之產量需求，可設有多個反應器110，舉例但不僅限於三個反應器110。各個反應器110內可容納水氫氣體、水及含有金屬觸媒反應物111的反應棒112，且各別設有進水閥V1、通氣閥V2、排水閥V3、安全閥V4以及高低水位監控裝置113(第2b圖未式出)。透過高低水位監控裝置113，並透過進水閥V1控制補水槽130之進水，以讓金屬觸媒反應物111可以在反應棒112、反應器110中，誘發水之氫氧分離反應。發生氫氧分離反應的同時，金屬觸媒反應物111也會與從水中分離出來的氧原子，立即發生反應，而產生極為細微的副產品，即是金屬觸媒氧化物，並懸浮於水中，而成為反應溶液。反應所產生的氣體係水氫氣體，可透過集氣筒120連結通氣閥V2，讓各個反應器110上層產生的水氫氣體，可以被分別收集到集氣筒120，再透過集氣筒120的出氣閥V5共同出氣。另外，於各個反應器110下方的進水閥V1可隨時關斷，以隔絕各個反應器110的進水。此種設計方式可讓各個反應器110，可隨時關斷上方通氣閥V2及下方進水閥V1，以單獨抽換其中的反應棒112及置換核心之金屬觸媒反應物111，而讓氫氧分離產生能源系統1可以24小時連續運轉、全年無需停機。

各個反應器110底端，均另設有單獨的排污閥V6a，以於前述金屬觸媒反應物111與水的氫氧分離反應過於劇烈時，或操作人員欲隨時或緊急控制或停止此氫氧分離反應時，可以藉由安全、快速地打開排污閥V6a，將反應器110內之水，快速排至安全的處所或容器中，以立即減緩或中止其氫氧分離反應。

參考第1圖，本發明的補水槽130可連接至反應器110的進水閥V1，可使用一般的自來水，並以反應器110的進水閥V1提供給反應器110之水量及進行水位控制。補水槽130可加裝加熱器，以於必要時，加熱其中的水或防止其結冰。補水槽130下方，亦可加裝排污閥，以於必要時，可以排除水中的髒污或雜質，或進行快速的排水。

參考第3圖，本發明的過濾槽140可連接集氣筒120的出氣閥V5，由於各個反應器110產生的水氫氣體會含有大量的高溫水氣與水霧，可由管線收集水氫氣體到集氣筒120後，導入兩層結構的過濾槽140，利用過濾槽140結構與其中之液態水，以對水氫氣體進行水氣與水霧之過濾，及氣體的冷卻。通過過濾槽140後，即可去除水氫氣體中多餘的水氣與水霧，而成為混氫氣體。

參考第1圖，本發明的緩衝罐150可連接過濾槽140，經過過濾槽140後產生的混氫氣體，可再經過緩衝罐150。此緩衝罐150在氫氧分離產生能源系統1之每次開機運轉時，可以提供作為系統釋壓及排出空氣的功能。其後，再導入暫存罐160，以使混氫氣體可以穩定的輸出，並達到防止氣體回流，及保護過濾槽140和集氣筒120的目的。

參考第1圖，本發明的暫存罐160可連接緩衝罐150，水氫氣 體經過集氣筒120、過濾槽140及緩衝罐150後，會形成混氫氣體。混氫氣體將再被輸送到暫存罐160，並於達到定量、定壓之後，即可供後續的使用。

參考第4圖，本發明的沉澱槽170可連接反應器110的排水閥V3，並可根據需要設置至少一個以上的沉澱槽170。金屬觸媒反應物111在反應器110及反應棒112中，引發水之強烈氫氧分離反應的同時，會在反應器110之水中與分離出來的氧原子立即發生反應，而產生極為細微的副產品，即為金屬觸媒氧化物，並懸浮於水中，而成為反應溶液。此反應溶液可根據其濃度或定時開啟排水閥V3排入沉澱槽170，以使其中細微之金屬觸媒氧化物可以逐漸沉澱，並可在沉澱槽的底部設置螺旋除料器171加以回收金屬觸媒氧化物。沉澱槽170上還可設有排污閥V6b，於需要時打開，藉以平衡沉澱槽170內外之壓力差。

參考第1圖及第4圖，沉澱槽170亦可透過液體管件連接補水槽130，液體管件上設有循環泵180，使沉澱槽170上層的澄清液，可由循環泵180回送到補水槽130。此運作方式可使氫氧分離產生能源系統1中的水不斷循環再利用，而不需中途停機。此過程可全程自動化運行。

本發明中，反應棒112中的金屬觸媒反應物111可由多種不同金屬觸媒備製而成。金屬觸媒反應物111中，以金屬鋁的含量最高，鋁的重量成分百分比可達80%，且可更包含鋰、鈉、鎂、鎵及鉬的至少其中之一。備製金屬觸媒反應物111時，可將其混製成一顆顆之小圓球狀或其他形狀。備製金屬觸媒反應物的大小可依後續所需之混氫氣體產量而定，直徑或顆粒越大，產生水氫氣體之反應越持久，故而可使混氫氣體的產量越多。

備製金屬觸媒反應物111時，可利用機械式研磨方式，將各 個金屬觸媒反應物表面之氧化保護薄膜加以磨除；或可將金屬觸媒反應物浸泡於氫氧化鉀水溶液或是氫氧化鈉水溶液中，以去除金屬觸媒反應物表面之氧化保護薄膜。其後，以清水清洗金屬觸媒反應物，並加以瀝乾、備用。反應前，將瀝乾後之金屬觸媒反應物，均勻放入反應棒112中，再將反應棒112放入已經加水的反應器110，以進行與水之氫氧分離反應。

反應器110中，裝在反應棒112內之金屬觸媒反應物111與水接觸時，所引發水之氫氧分離現象的主要反應過程與原理，是由各個反應器110單獨進行反應，在高溫高壓下讓各種原子、分子在反應器110之密閉腔體內進行粒子間之反彈、衝擊、對撞、共振運動，促使形成高含水氣、水霧的水氫氣體。其主要的反應式為：X_(S)+H₂O_(l) → H_2(g)+XO_(aq.)

X_(S)：金屬觸媒反應物，固態。

H₂O_(l)：水，係指一般潔淨的水，例如乾淨的自來水。

H_2(g)：主要反應產物為氫氣。但因是在水中反應，故會同時混合大量的水霧，故稱之為水氫氣體。其後，將水氫氣體導入過濾槽以濾除水霧後，即可成為本系統所欲得到的混氫氣體。

XO_(aq.)：金屬觸媒氧化物，是反應之副產物，呈微粒懸浮水溶液狀態。

後續，再經過集氣、過濾，以去除水氣、水霧後，即可獲得所欲之混氫氣體。

在高溫高壓的密閉腔體中，可促使前述之反彈、衝擊、對撞及共振運動中，氫原子、氫分子、水分子之間會互相發生極高速碰撞的機率，進而發生少部分原子、分子間的重組現象，而產生高含水氣、水霧的 水氫氣體。此氫氧分離反應過程中，系統也會因為反應的放熱現象，而使溫度、壓力逐漸升高，而形成更激烈、更快速的反應。此時，並無需外界提供任何電能、熱能，即能引起反應器110中之水的自然增溫與逐漸增壓的狀況。內含在反應棒112之水在遇到100℃以上的熱源與壓力環境下，會更快速的釋出氫原子、氧原子，並發生更激烈的高速對撞，而產生更多的渦輪共振，故而成為連鎖的氫氧分離反應現象。

一般而言，在反應約10分鐘後，反應棒112中心的溫度會達到攝氏400度、反應器110的水溫可達100度；在20分鐘的反應後，反應棒112中心溫度將會達到800~1,000度、反應器110的水溫會到約100~135度。其中，分離出來的氫原子會在反應棒112、反應器110中，形成本發明之水氫氣體，並逐漸累積於反應器110的上方及集氣筒120。經集氣筒120彙集水氫氣體後，可再經過過濾槽140，以過濾及除去其中的水氣、水霧後，即變成混氫氣體，可再導入緩衝罐150、暫存罐160，以備使用。

若欲達到控制反應速率的目的，則可將各個反應器110中的水位降低或快速排除其水份，即可立即減緩或中止前述的氫氧分離反應。

含有重量比例至少80%鋁成分的每公斤金屬觸媒反應物111，可以產生約10立方米的水氫氣體。水氫氣體經過集氣筒120、過濾槽濾除水氣、水霧後，即為混氫氣體，所謂混氫氣體係指其成分中含有30%以上氫氣成分的可燃性氣體，因而具有可燃性，且熱值可達到每立方米11,000大卡，而燃燒溫度可達1,000-1,300℃。由於，混氫氣體不含硫、碳或其他雜質，故其在燃燒(氧化)且釋放大量熱能後，只會還原成純淨的水份(H₂O)，而不會產生任何硫氧化物(SO_X)、燃料性氮氧化物(fuel-NO_X)、 碳氧化物(CO、CO₂)、粉塵(PM₁₀、PM_2.5)等污染物或危害物。

本發明、工藝、流程及其產物可以減少對傳統化石能源的依賴，並讓能源使用對環境的危害與污染大幅降低，進而舒緩能源短缺、環境污染、氣候變遷等重要議題。

惟，以上所揭露之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例而已，非為用以限定本發明之實施，大凡熟悉該項技藝之人士其所依本發明之精神，所作之變化或修飾，皆應涵蓋在以下本案之申請專利範圍內。

Claims (8)

1. 一種氫氧分離產生能源系統，包括：多個反應器，可容納一水氫氣體、一水及含有一金屬觸媒反應物的一反應棒，該水與該金屬觸媒反應物反應產生該水氫氣體以及含有一金屬觸媒氧化物的一反應溶液，且在該些反應器各別設有排出該水氫氣體的一通氣閥，控制進水的一進水閥以及排出該反應溶液的一排水閥；一集氣筒，連接該些反應器的該排氣閥，以匯集該些反應器排出的該水氫氣體；以及一補水槽，連接該些反應器的該進水閥，補充該些反應器反應所需的該水，其中，該金屬觸媒反應物的材料包括重量百分比在80%以上的鋁。
2. 如申請專利範圍第1項之氫氧分離產生能源系統，其中該金屬觸媒反應物的材料更包括鋰、鈉、鎂、鎵及鉬的至少其中之一。
3. 如申請專利範圍第1項之氫氧分離產生能源系統，其中該系統更包括：一過濾槽，連接該集氣筒，使該集氣筒的該水氫氣體通過該過濾槽後，去除多餘水氣並降溫。
4. 如申請專利範圍第3項之氫氧分離產生能源系統，其中該系統更包括：一暫存罐，連接該過濾槽，以儲存過濾後的該混氫氣體。
5. 如申請專利範圍第4項之氫氧分離產生能源系統，其中該系統更包括：一緩衝罐，設於該過濾槽及該暫存罐之間，以儲存過濾後的該混氫氣體來提供系統釋壓以及排出該暫存罐的空氣。
6. 如申請專利範圍第1項之氫氧分離產生能源系統，其中該系統更包括： 至少一沉澱槽，連接該些反應器的該排水閥，以收集該反應溶液。
7. 如申請專利範圍第6項之氫氧分離產生能源系統，其中該至少一沉澱槽的底部各別設有一螺旋除料器，以去除沉澱在該至少一沉澱槽的底部的該金屬觸媒氧化物。
8. 如申請專利範圍第6項之氫氧分離產生能源系統，其中該至少一沉澱槽的上部連接該補水槽，以回送該反應溶液上層的一澄清液至該補水槽。