TWI652229B - 富氫水生成裝置及其方法 - Google Patents

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    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Abstract

一種富氫水生成裝置及其方法，該方法包括：在一反應器內放置至少一氫化鎂粉末單元；通入一定量水進入該反應器中，其中，該定量的水與該至少一氫化鎂粉末單元產生氫氣與氫氧化鎂並與該一定量的水和成為一含氫氣與氫氧化鎂的水；以及一動力幫浦，該含氫氣與氫氧化鎂的水輸入至該動力幫浦，該動力幫浦帶動該含氫氣與氫氧化鎂的水通往一逆滲透單元，並由該逆滲透單元輸出一富氫水，其中，該動力幫浦帶動該含氫氣與氫氧化鎂的水之流量與流速係由一控制器所控制。

Description

富氫水生成裝置及其方法
本發明係有關一種富氫水生成方法及其裝置，特別是有關一種氫化鎂粉末之富氫水生成裝置及其方法。
氫為宇宙中最豐富的元素，氫除了水的形式存在地球與我們體內，在宇宙的組成中佔了75%的質量。在亞洲如日本、韓國與中國等地研究氫分子醫學的研究已證實氫分子對於清除壞自由基、保護細胞與粒線體的功用。富氫水保健的產品如雨後春筍般席捲市場，但是否都含有夠多的氫分子以能達到抗氧化保健的效果，其中，的關鍵就在於如何獲取氫分子以製造富氫水。
製造富氫水就是利用某種技術來產生氫氣，並形成氫分子水等保健產品。而目前市面上的富氫水的產氫可概分為：鎂棒製氫、電解水製氫與高分子質子交換膜形成的膜電極組三大主流技術。
首先，鎂棒製造富氫水技術以Hidemitsu Hayashi博士是負責開發富氫水棒的心臟外科醫生，他於1985年開始研究水的醫療效益，並在十年後發表了關於富氫水治療疾病的研究，富氫水的鎂棒由“多孔聚乙烯樹脂”中的鎂構成。鎂與水之間的反應導致氫的生成。這種簡單而有效的工藝生產富含氫氣的抗氧化水，它更加鹼性，對身體更有好處。(詳請參閱Hidemitsu Hayashi,Method of producing hydrogen rich water and hydrogen water generation,US 7,189,330 B2，Mar.13,2007)
鎂棒製造富氫水的原理是金屬鎂直接浸入水中，金屬 鎂與水產生化學反應產生氫氣和氫氧化鎂沉澱。氫氧化鎂是鎂的氫氧化物，為白色晶體或粉末，廣泛用作阻燃劑、抗酸劑和胃酸中和劑。氫氧化鎂在水中的懸濁液稱為氫氧化鎂乳劑，簡稱「鎂乳」，用於中和過多的胃酸和治療便秘。
氫氧化鎂是無色六方柱晶體或白色粉末難溶於水，18℃時其溶解度為0.0009g/100g。化學式如下：Mg+2H2O→H2+Mg(OH)2 (1)
鎂棒製造富氫水雖然便宜簡單，但卻存在嚴重的缺點。首先，這樣的製氫方式反應速率較慢且單位時間產氫的量不易控制，因此很難大量製造品質均等的富氫水。另外，等到金屬鎂反應完後，-下次再產氫又須重新等待反應時間。簡單來說這樣的產氫方式一來沒效率，二來氫氣含量不易控制。另外，從上述(1)式的化學式可以看出金屬鎂與水反應產生氫氣的同時，也會伴隨著氫氧化鎂溶在水中。換言之，在飲用富氫水的同時也會攝取氫氧化鎂。雖然氫氧化鎂可作為胃酸抑制劑對人體雖然沒有潛在危害，但一天攝取量不宜超過300毫克。
秋山博之揭示的電解水生成裝置及電解水生成系統，完整商業化的製造酸性的富氫水。所述電解水生成裝置具備生成單元、讀取單元及控制單元。離子電解生成單元基於多個運轉模式，選擇性地生成並取出含有淨水及富氫水的多種酸性生成水中。讀取單元在使用者攜帶的外部存儲介質接近時，讀取存儲於外部存儲介質中的資訊。控制單元基於所讀取的外部存儲介質的資訊來確定運轉模式，並基於該所確定的運轉模式使離子電解生成單元運轉提高多人使用時的易用性。(詳請參閱Akiyama Hiroyuki，秋山博之，日本特許番号6232037，電解水生成系統，2017年11月15日)
電解水製富氫水的原理，是利用離子電解水的方式在產氫，使用自來水或在水中加入幫助導電的電解質，接上電源通電， 可以將水電解分成氧氣與氫氣。化學式如下：2H2O→2H2+O2 (2)
透過上述(2)之化學式可知，當水被電解產生氫氣與氧氣時，氫氣的產量是氧氣的兩倍。
雖然離子電解水製氫簡單、技術成熟，成本低廉的優勢。但是，離子電解水製氫存在許多的缺點。首先，純水缺乏離子作為導電介質幾乎是不導電，所以市面上一般的氫水機都是利用自來水做為水源，然而自來水裡面含有氯，當水電解時陽極除了產生氧氣外也會讓水中的氯離子失去電子而結合成氯氣。氯氣屬於強氧化性，具有毒性外，少量氯氣溶於水中會發生化學反應產生次氯酸。次氯酸是一種常見的消毒劑，比氯氣更強的氧化劑，喝下過量的氯氣會引發癌症等不良影響，電解水的餘氯含量會比原來的水高出15%~20%。陽極處的水除了氯氣以外，還有臭氧，臭氧會有刺鼻的氣味，同樣對人體健康產生不良影響。臭氧是強氧化劑，它還會傷害肺組織，嚴重會導致肺出血而死亡，當空氣中臭氧含量過高時，一般建議老人和幼兒不宜於戶外作劇烈運動，以免吸入過量臭氧。換言之，離子電解水產富氫水可能會伴隨許多有毒的副產物，如氯氣、臭氧與次氯酸，反而會損害健康外，需要電力才能產出一定量的氫氣且產氫效率不高。此外，隨著氫氣產生，也會讓陰極處的氫氧根離子濃度變高和提高水的pH值，使水更偏向鹼性，人體不適合飲用過鹼的溶液；相反地，如果水偏向中性，產出的氫氣就不夠多了。此外，離子電解水製造富氫水如為了降低成本而不利用氣密的裝置將氫氣與氧氣做進一步分離，可能會造成氫氧合流，致使電解水製富氫水裝置存在爆炸的風險。
第三種離子電解水製造富氫水技術是利用高分子質子交換膜電解水裝置。高分子質子交換膜電解水裝置可為燃料電池提 供高純氫氣和氧氣，依次包括：前端板，擴散板，導電板，前特殊板，氫氧流場板，膜電極，後特殊板，緩衝板，後端板等單元，每個單元為圓型耐壓結構。水和氣體流場板和導電板採用鈦合金和其他耐蝕合金；膜電極擴散層採用碳紙或碳布，膜電極為質子交換膜和復合鉑金催化劑經熱壓成型的高活性零極距電極。(詳請參閱Wang DZ,et al.,CN1966777A,Water electrolysis device with proton exchange membrane，2005年11月17日)
由於離子電解水製造富氫水利用高分子質子交換膜做為固態電解液，因此，不需液態的離子在水中，反而水的純度越高越好。再者，除能保護核心電池之外，可以得到超高純度的氫氣，而不會伴隨其他副產物。
高分子質子交換膜的產氫的化學反應式如下：陽極將水分子電解成氫質子(H+)與氧氣(O2)
陽極處：2H2O→4H++4e-+O2 (3)
在陽極處產生的氫質子(H+)會溶在水裡透過質子交換膜(PEM)的電位牽引達到陰極，並得到電子產生氫氣。
陰極處：4H++4e-→2H2 (4)
離子電解水製造富氫水技術是「氫燃料電池的逆反應」，能夠安全且有效率地產出高純度氫氣。高分子質子交換膜(PEM)氣密的高分子，在陽極所產生的氧氣無法通過高分子膜到陰極，把氧氣與氫氣做完全的隔絕，避免電解過程內部爆炸的疑慮。此外，產氫效率在3A/cm2的電流密度為電解水的5倍之高，電解反應的體積也可以更小、更輕。
雖然離子電解水製造富氫水，對環境沒有污染，可循環使用，產生的氫氣和氧氣純度高，無需繁瑣的淨化處理，但其工作介質必須使用純水。若使用自來水或一般水，則離子或氯氣或一氧化碳氣體會毒化其白金觸媒。此外，其在價格無法與金屬鎂製造富氫水 相提並論。
表1所示為上述三種主要製造富氫水技術之綜合比較。
為解決上述技術問題，本發明公開了一種富氫水生成裝置，包括：一反應器；一開取水開關閥，用以控制一外部水流入該反應器之一定水量；至少一氫化鎂粉末單元，設置於該反應器內；該定量水與該至少一氫化鎂粉末單元產生氫氣與氫氧化鎂並與該定量水和成為一含氫氣與氫氧化鎂的水；一動力幫浦水，帶動一含氫氣與氫氧化鎂的水通往一逆滲透單元；其中，該逆滲透單元可攔截該含氫氣與氫氧化鎂之水中之雜質與氫氧化鎂，且該氫氣可輕易通過該逆滲透單元，進而輸出一富氫水。
本發明還公開了一種富氫水生成之方法，包括：在一反應器內放置至少一氫化鎂粉末單元；通入一定量水進入該反應器中，其中，該定量水與該至少一氫化鎂粉末單元產生氫氣與氫氧化鎂並與該定量水和成為一含氫氣與氫氧化鎂的水；以及一動力幫浦，該含氫氣與氫氧化鎂的水輸入至該動力幫浦，該動力幫浦帶動該含氫氣與氫氧化鎂的水通往一逆滲透單元，並由該逆滲透單元輸出一富氫水，其中，該動力幫浦帶動該含氫氣與氫氧化鎂的水之流量與流速係由一控制器所控制，進而控制該富氫水之氫氣含量與pH值。
100‧‧‧本發明一實施例的富氫水生成裝置的方塊圖
1‧‧‧反應器
2‧‧‧逆滲透單元
3‧‧‧開取水開關閥
4‧‧‧動力幫浦
5‧‧‧控制器
6‧‧‧顯示器
7‧‧‧檢測器
8‧‧‧含氫氣與氫氧化鎂之水
9‧‧‧輸出富氫水
10‧‧‧富氫水
11‧‧‧至少一氫化鎂粉末單元
12‧‧‧一定量水
圖1 本發明的富氫水生成裝置。
圖2 本發明的富氫水生成裝置的氫氣產生百分率和時間的關係圖。
以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明 限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。應理解圖示並未按照比例繪製，且僅描述其中部分結構，以及顯示行程這些結構之各層。此外，亦可結合其他的製程及步驟與此處所討論之製程與步驟，亦即，此處所顯示及描述之步驟之前、中間、及/或之後可有多種製程及步驟。重要的是，本發明之實施例可結合其他製程及步驟而實施之，並不會對其造成重大影響。一般而言，本發明之各種實施例可取代習知製程的某些部分，而不會對其週邊製程及步驟造成重大影響。
圖1為本發明一實施例的富氫水生成裝置100的方塊圖。如圖1所示，富氫水生成裝置100中包括有一反應器1，一逆滲透(Reverse Osmosis,RO)單元2，一取水開關閥3，一動力幫浦4。至少一氫化鎂粉末單元11設置一反應器1內。在一實施例中，開取水開關閥3，用以控制流入反應器1之一定量水12。
至少一氫化鎂粉末單元11放置在反應器1內，至少一氫化鎂粉末單元11通過水即產生氫氣與氫氧化鎂(Mg(OH)2)，其化學式如下：MgH2+H2O→2H2+Mg(OH)2 (5)
至少一氫化鎂粉末單元11可以為多孔燒結塊或粉體塊或多孔樹酯含粉體單元。
在反應器1內，至少一氫化鎂粉末單元產生氫氣與氫氧化鎂並與一定量水12和成為一含氫氣與氫氧化鎂的水8。含氫氣與氫氧化鎂的水8受動力幫浦4帶動強制通過逆滲透單元4。在一實施例中，含氫氣與氫氧化鎂的水8之流量與流速受動力幫浦4控制。
逆滲透單元4可攔截含氫氣與氫氧化鎂水8中之雜質 與氫氧化鎂外，由於氫分子為最小分子，其可以輕易通過逆滲透單元4並將氫氣均勻溶入一定量水12中，以得到一輸出富氫水9。
公式(5)中之氫氣計算如下：H2=2莫耳(MgH2)* LSTP (6)其中，LSTP在標準溫度和壓力環境下為22.4公升。
圖2所示為本發明氫氣產生百分率實驗圖。其中，M代表每一公升水和氫化鎂莫耳數的比值。
在一實施例中，一檢測器7檢測富氫水10之氫氣含量與pH值並顯示在一顯示器6。在另一實施例中，顯示器6可顯示出氫化鎂單元需要更換的提醒。
一控制器5基於檢測器7所檢測富氫水10之氫氣含量與pH值，控制逆滲透單元4輸出之輸出富氫水9之流量與流速以控制氫氣溶於一定量水12的時間和混合效果，進而控制富氫水10之氫氣含量與pH值。
在一實施例中，為提供在不同應用所需要之富氫水10的氫氣含量，至少一氫化鎂粉末單元11可以採用串並聯方式連結以提高該富氫水10的氫氣含量。在另一實施例中，至少一氫化鎂粉末單元11可以添加少量固態檸檬酸以平衡富氫水的pH值和提高氫氣含量。
綜上，本發明提供一種富氫水生成的方法，包括：在一反應器1內放置至少一氫化鎂粉末單元11；通入一定量水12進入反應器1中；一定量水12與至少一氫化鎂粉末單元11產生氫氣與氫氧化鎂並與該一定量水12和成為一含氫氣與氫氧化鎂的水8；在反應器1內之含氫氣與氫氧化鎂的水8，受一動力幫浦4帶動通往逆滲透單元2；一控制器5，控制進入動力幫浦4之輸出富氫水109之流量與流速，以控制氫氣溶於一定量水12的時間和混合效果，進而控制富氫水10之氫氣含量與pH值。
在一實施例中，本發明提供一種富氫水生成的方法，進一步包括：一檢測器7以檢測富氫水10之氫氣含量與pH值並顯示在一顯示器6。在另一實施例中，顯示器6顯示出至少一氫化鎂粉末單元11需要更換的提醒。
上文具體實施方式和附圖僅為本創作之常用實施例。顯然，在不脫離權利要求書所界定的本創作精神和發明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本創作在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本創作之範圍由後附權利要求及其合法等同物界定，而不限於此前之描述。

Claims (8)

  1. 一種富氫水生成裝置，包括：一反應器；一開取水開關閥，耦接該反應器，用以控制一外部水流入該反應器之一定水量；至少一氫化鎂粉末單元，設置於該反應器內；該定量水與該至少一氫化鎂粉末單元產生和成一含氫氣與氫氧化鎂的水；一逆滲透單元，耦接於該反應器與一動力幫浦之間，其中，該逆滲透單元可攔截該含氫氣與氫氧化鎂的水中之雜質與該含氫氣與氫氧化鎂的水中的氫氧化鎂；以及一動力幫浦，帶動該含氫氣與氫氧化鎂的水通往該逆滲透單元；其中，該含氫氣與氫氧化鎂的水中之氫氣通過該逆滲透單元，進而輸出一富氫水。
  2. 如申請專利範圍第1項之富氫水生成裝置，其中，至少一氫化鎂粉末單元添加少量固態檸檬酸粉末以調整該富氫水之pH值及氫氣含量。
  3. 如申請專利範圍第1項之富氫水生成裝置，其中，至少一氫化鎂粉末單元採用串並聯方式連結以提高該富氫水的氫氣含量。
  4. 如申請專利範圍第1項之富氫水生成裝置，進一步包括：一檢測器，檢測該富氫水之氫氣含量及pH值，一控制器，基於所檢測之該富氫水之氫氣含量及pH值進而控制該動力幫浦之流量與流速，以控制該富氫水之氫氣含量及pH值。
  5. 如申請專利範圍第4項之富氫水生成裝置，進一步包括：一顯示器，顯示該檢測器所檢測之該富氫水之氫氣含量及pH值。
  6. 一種富氫水生成之方法，包括：在一反應器內放置至少一氫化鎂粉末單元； 通入一定量水進入該反應器中，其中，該定量水與該至少一氫化鎂粉末單元產生和成為一含氫氣與氫氧化鎂的水；以及一逆滲透單元，耦接於該反應器與一動力幫浦之間，其中，該逆滲透單元可攔截該含氫氣與氫氧化鎂的水中之雜質與該含氫氣與氫氧化鎂的水中的氫氧化鎂；該動力幫浦帶動該含氫氣與氫氧化鎂的水通往該逆滲透單元，並由該逆滲透單元輸出一富氫水，其中，該動力幫浦之流量與流速係由一控制器所控制，進而控制該富氫水之氫氣含量及pH值。
  7. 如申請專利範圍第6項之富氫水生成之方法，其中，至少一氫化鎂粉末單元添加少量固態檸檬酸粉末以調整該富氫水之pH值及氫氣含量。
  8. 如申請專利範圍第6項之富氫水生成之方法，其中，至少一氫化鎂粉末單元採用串並聯方式連結以提高該富氫水的氫氣含量。
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