TWI682095B - 重組產氫裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種重組產氫裝置，包含一重組產氫系統、一進料系統，及一加熱系統。其中，該重組產氫系統具有一界定出一容置空間的外殼、多根設置於該容置空間且不與該容置空間連通的重組器、至少一條繞設於至少其中一根重組器的通氣管，及一連通管，該外殼具有與該容置空間連通的一進氣口及一出氣口，該至少一條通氣管的兩端分別與該進氣口及該出氣口連通，該連通管的其中一端與該出氣口連通進料系統，用於提供燃油及空氣，與該外殼連接，並與該等重組器連通，且該連通管的其中另一端與該進料系統連通，該加熱系統具有一與該容置空間連通並可對該容置空間加熱的加熱器。

Description

重組產氫裝置

本發明是有關於一種產氫裝置，特別是指一種重組產氫裝置。

由於環保意識抬頭及全球日趨嚴苛的環保法規，因此，潔淨能源技術的開發，已是各國於能源發展的重要方向。其中，氫能源已被證實是極具發展潛力的潔淨能源技術。

一般氫氣產生方式可分為碳氫燃料重組產氫、電解產氫等，其中，重組產氫技術是利用重組器將例如天然氣、液化石油氣、甲醇或其他高碳燃料經重組反應後轉化為富氫氣體，該富氫氣體則可供燃料電池使用而轉化成電能。其中，而當進一步將前述重組產氫應用於車輛時，除了可將重組後產生的氫氣供燃料電池車輛使用，以作為提供車輛應用的潔淨動力能源之外，也可用於內燃機或鍋爐提高燃燒效率與減少排氣污染的效益，因此，也是相關技術人員積極開發的方向之一。

目前常用的重組產氫技術有自發熱重組產氫法、水蒸氣重組產氫法，以及部分氧化法。其中，自發熱重組產氫法及水蒸氣重組產氫法，因為所用於氫氣重組的燃料，除了前述的天然氣與高碳燃油之外，還需要添加水，因此，除了重組器的熱能管理之外，還需進一步考量燃料的油水混合等問題。

因此，本發明之目的，即在提供一種具有良好的熱回收及熱管理效能的重組產氫裝置。

於是，本發明重組產氫裝置，包含一重組產氫系統、一進料系統，及一加熱系統。

該重組產氫系統具有一界定出一容置空間的外殼、多根設置於該容置空間且不與該容置空間連通的重組器、至少一條繞設於至少其中一根重組器的通氣管，及一連通管，該外殼具有與該容置空間連通的一進氣口及一出氣口，該至少一條通氣管的兩端分別與該進氣口及該出氣口連通，該連通管的其中一端與該出氣口連通。

該進料系統用於提供包含燃油及空氣，與該外殼連接，並與該等重組器的其中一端連通，且該連通管的其中另一端與該進料系統連通。其中，該空氣是經由該進氣口進入該通氣管並經由該連通管進入該進料系統後，再進入該等重組器，該燃油是由該進料系統直接進入該等重組器，該等重組器可用於將該燃料進行重組後產生氫氣。

該加熱系統具有一與該容置空間連通並可對該容置空間加熱的加熱器。

本發明之功效：利用讓重組產氫系統的重組器以複數根方式設置於單一個可用於加熱的外殼的容置空間中，而可有效的讓熱能分散並均勻的加熱該等重組器，以提升該重組產氫裝置的熱管理效率。

本發明重組產氫裝置可用於進行自發熱重組產氫反應後而得到富氫氣體。該重組產氫反應若是部份氧化重組產氫反應，則用於反應的物質包含燃油及空氣；若是自發熱式重組產氫反應，則反應的物質包含燃油、水，及空氣。於本實施例中，是以自發熱式重組產氫反應作說明，因此，反應的物質包含燃油、水，及空氣。

參閱圖1、2，本發明重組產氫裝置的一第一實施例包含一重組產氫系統2、一進料系統3、一加熱系統4、一偵測系統5，及一控制系統6。其中，圖1僅顯示該重組產氫系統2、該進料系統3，及該加熱系統4之間的結構關係，圖2則為局部剖面示意圖，說明該第一實施例各個系統間的連接關係。

該重組產氫系統2具有一界定出一容置空間211並與該進料系統3連接的外殼21、多根設置於該容置空間211並與該進料系統3連通的重組器22、一條繞設於其中一根重組器22的通氣管23，及一連通管24。要說明的是，圖1僅示出於其中一根重組器22上繞設有一條通氣管23。然實際實施時，可於多數根或是每一根重組器23的表面均繞設有該通氣管23。

詳細地說，該外殼21具有與該容置空間211連通的一進氣口212、一出氣口213、一加熱口214，及一排氣口215。該通氣管23的兩端分別與該進氣口212及該出氣口213連通，該連通管24的兩端分別連接該出氣口213與該進料系統3。

該每一根重組器22是獨立地設置於該容置空間211而不與該容置空間211連通。具有一成中空的管體221，該管體221具有一與該進料系統3連通的入口，及一經由該外殼21與外界連通的出口、容置於該管體221內用於催化重組產氫反應的觸媒222，及容置於該管體221內並分別設於該觸媒222的兩相反端，且導熱性佳的多孔陶瓷223。該等重組器22可將自該進料系統3供應的混合燃料藉由該觸媒222進行自發熱重組反應，而產生富氫氣體(氫氣)。此外，選用導熱特性佳的陶瓷材料，除了可利用前段的多孔陶瓷223預熱進料，還可讓溫度集中在兩個多孔陶瓷223之間的區域，以減少觸媒222的熱散失。其中，該觸媒222可包括各類塗覆如鉑、鈀、銠，或釕等貴金屬的觸媒載體，且可為顆粒狀或蜂巢狀，由於該觸媒222的種類及形式為技術領域所週知因此不再多加贅述。

該進料系統3用於供應進行重組反應的物質至該等重組器22。前述用於進行重組反應的物質包含燃油、水，及空氣等。其中，該燃油可為天然氣、液化石油氣、甲醇、汽油、柴油，或生質燃油等。該進料系統3包含一第一進料單元31、一第二進料單元32，及一位於該第一進料單元31下游的混合腔33。該混合腔33位於該第一進料單元31與該該外殼21之間，其中一端與該第一進料單元31連通，另一端與該外殼21連接並分別與該連通管24及該等重組器22連通。其中，該第一進料單元31與該混合腔33連通，並用於供應燃油及水。該第二進料單元32則自該外殼21的該進氣口212與該通氣管23連通，並可經由該通氣管23及該連通管24供應空氣至該等重組器22。該第一進料單元31與該第二進料單元32供應的燃油、水，及空氣，會在該混合腔33混合後供應至該等重組器22。要說明的是，當進行部分氧化法重組時，則該第一進料單元31只供應燃油。

該加熱系統4具有一加熱器41，及一控制器42，該加熱器41設置於該加熱口214與該容置空間211連通，該控制器42可控制該加熱器41對該容置空間211加熱，而間接加熱該等重組器22。該加熱器41例如但不限於熱風加熱器，且該加熱器41產生的熱氣則可經由該外殼21的該排氣口215排出。此外，要說明的是，該外殼21的該加熱口214以及該加熱器41的數量也可以彼此配合的為多個，且該排氣口215也可以是需求而為多個。於該實施例中，該加熱口214、該排氣口215，以及該加熱器41是以一個為例作說明，然實際實施時，不以此數量為限。

該偵測系統5具有至少一個可分別感測該混合腔33的溫度及該等重組器22的出口溫度的溫度感測器51，及至少一個設置於該等重組器22的排氣口215，用於檢測該等重組器22產生之氣體組成的氣體檢測器52。要說明的是，該溫度感測器51及該氣體檢測器52的設置可視實際需求而自行調整，例如，可在所有重組器22及排氣口均各自設置溫度感測器51及該氣體檢測器52，或是可在所有重組器22均設置溫度感測器51，但僅在其中一個重組器22的排氣口，或是該等重組器22的對外排氣口設置該氣體檢測器52，而不需在每一個重組器22均同時設置該溫度感測器51及該氣體檢測器52。圖2中是以每一個重組器22均分別設置該溫度感測器51，及氣體檢測器52為例說明，然實際實施時並不以此為限。

該控制系統6可為一般的自動控制系統，與該偵測系統5(該等溫度感測器51及該等氣體檢測器52)、該進料系統3(該第一進料單元31及該第二進料單元32)，及該加熱系統4訊號連接，可用於接收該偵測系統5的量測結果，並依據該量測結果控制該加熱系統4的作動及/或該進料系統3的燃料供應。

當利用前述該第一實施例的重組產氫裝置進行自發熱重組產氫反應時，可先利用該加熱器41對該容置空間211加熱(即對該等重組器22加熱)至一預定的反應溫度(約600℃)，接著，先分別自該第一進料單元31及該第二進料單元32分別供應燃油及空氣至該等重組器22，利用部分氧化法重組產氫，並利用該等氣體檢測器52檢測產生之氣體的組成，待確定生成之氣體的組成為富氫氣體，表示該等重組器22的溫度已確實達到反應所需溫度並可穩定運作，此時，即可自該第一進料單元31及該第二進料單元32分別供應燃油、水，及空氣至該等重組器22進行自發熱重組產氫反應，以產生富氫氣體(氫氣)。

本發明該重組產氫裝置的特色在於，因設置了多根重組器22於該容置空間211內，因此，可於加熱過程中讓每一根重組器22達到均勻受熱並可提高升溫速率，且可利用回收該等重組器22反應後產生的熱作為該等重組器22進行反應所需的熱源，而能減少該重組產氫裝置對外界熱能的依賴。此外，設置該通氣管23纏繞於該重組器22上，因此，供應的空氣於經過該通氣管23時即可被加熱，而無需再利用另一加熱系統對空氣加熱。而可令整體重組產氫裝置具有更佳的熱管理效果。再者，還可進一步利用該偵測系統5偵測該混合腔33及該等重組器22的排氣口溫度，以確認重組器22是否升溫且達成熱穩定狀態。當溫度不足，或是溫度過高，則可藉由該控制系統6控制該加熱器41的開、關，或是控制該進料單元3的進料量、及進料速度，以令整體反應可達到最佳效率，並可避免因未達工作溫度而進料，反而造成反應不佳而積碳的問題。

參閱圖3，本發明重組產氫裝置的一第二實施例，其結構大致與該第一實施例相同，不同處在於該第二實施例的該進料系統，還包含一位於該第一進料單元31與該混合腔33之間的乳化單元34。其中，該第二實施例與該第一實施例相同處不再贅述，以下僅就該乳化單元34進行說明。

詳細的說，該乳化單元34介於該第一進料單元31與該混合腔33之間，一端與該第一進料單元31連通，另一端則與該混合腔33連通。該乳化單元34可利用物理乳化方式，將自該第一進料單元31所供應的燃油及水先進行乳化，形成一乳化燃料後再供應至該混合腔33與該空氣混合。

前述的物理乳化方式是指不以添加化學乳化劑的方式進行油(燃油)、水的乳化。

該物理乳化方式可以藉由令該乳化單元34具有前、後不同大小的口徑與數量的孔洞，並利用控制含有燃油及水的一混合液的流速，令該混合液通過不同大小之口徑之孔口後因壓力差與流速差變化急遽，破壞油水介面產生油水混合形成乳化現象而形成該乳化燃料。本發明該第二實施例利用該乳化單元34，讓該燃油及水可預先混合均勻後再被供應至該混合腔33與空氣混合，因此，可讓供應至該等重組器22的燃油與水混合更為均勻，而可避免一般自發熱重組反應因為進料中同時含有油(燃油)及水，因為油/水不相容造成分散不均勻，導致影響重組產氫之反應效率的缺點。

具體的說，該乳化單元34具有至少一乳化入口及至少一個位於該乳化入口下游，用於促進乳化混合的乳化出口。由於該乳化單元34中的孔口(乳化入口、乳化出口)大小對乳化現象有影響，過大的孔口面積其乳化效果較差，而過小的孔口面積則會造成上、下游壓差過大，阻礙流動。因此，以該乳化單元34的該每一個乳化入口的孔口面積(AD)與每一個乳化出口的孔口面積(A _d)的比值表示該乳化單元34的乳化參數，該乳化單元34是控制該每一個乳化入口的孔口面積(A _D)與每一個乳化出口的孔口面積(A _d)的孔口面積比值(A _D/A _d)介於4-25之間，並令該混合液(燃油/乳化油)流過該乳化入口與乳化出口之間的最大壓差不大於20mbar，以得到較佳的乳化效果。此外，要說明的是，該乳化單元34對流量並無任何影響，但對於進料混合與重組產氫效率有正面提升的效果。

參閱圖4，於一些實施例中，該重組產氫系統2還具有多數填置在該容置空間211的陶瓷顆粒25。由於自發熱重組產氫反應會放熱，因此，利用在該容置空間211填置該等陶瓷顆粒25，可更有效增加熱氣滯留時間與蓄熱，使該等重組器22溫度分佈均勻，並維持反應溫度，而達成更好的反應效率及熱管理。此外，由於該等陶瓷顆粒25的孔隙率高，因此，熱空氣可流經該等陶瓷顆粒25的空隙，且不會造成過大的流動阻力影響流動。

參閱圖5，於一些實例中，該重組產氫系統2還包含至少一片設置於該容置空間211的導流板26，且該至少一片導流板26與該外殼21連接並位於該容置空間211。利用該至少一片導流板26可增加對該容置空間211的熱空氣導流的效果，使該容置空間211的熱場更為均勻，而可更均勻的加熱該等重組器22。要說明的是，當該導流板26為多片時，該等導流板26可以是彼此間隔且相對交錯設置於該容置空間211，以達成更佳導流效果。圖4是以該重組器22具有三片導流板26的示意圖，然實際實施時並不以此等數量為限。

綜上所述，本發明的重組產氫裝置利用將重組器22以複數根方式設置於單一個可用於加熱的該外殼21的該容置空間211中，因此，可有效的讓熱能分散並均勻的加熱該等重組器22；而利用該等陶瓷顆粒25的填充，及導流板26的設置，則可進一步提升該重組產氫系統2的蓄熱能力及熱場分散效果，以提升整體的熱回收及熱管理效能，而使重組反應可達到最佳效率。此外，本發明還進一步利用該乳化單元34將用於重組產氫反應的燃油及水，先進行乳化混合，而可避免一般自發熱重組反應因為燃料中同時含有油(燃油)及水，因為油/水不互溶，造成分散不均勻，導致影響重組產氫之反應效率的缺點，故確實能達成本發明之目的。

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，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧重組產氫系統

26‧‧‧導流板

21‧‧‧外殼

3‧‧‧進料系統

211‧‧‧容置空間

31‧‧‧第一進料單元

212‧‧‧進氣口

32‧‧‧第二進料單元

213‧‧‧出氣口

33‧‧‧混合腔

214‧‧‧加熱口

34‧‧‧乳化單元

215‧‧‧排氣口

4‧‧‧加熱系統

22‧‧‧重組器

41‧‧‧加熱器

221‧‧‧管體

42‧‧‧控制器

222‧‧‧觸媒

5‧‧‧偵測系統

223‧‧‧多孔陶瓷

51‧‧‧溫度感測器

23‧‧‧通氣管

52‧‧‧氣體檢測器

24‧‧‧連通管

6‧‧‧控制系統

25‧‧‧陶瓷顆粒

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一局部立體示意圖，說明本發明該重組產氫裝置的一第一實施例； 圖2是一局部側剖示意圖，說明本發明該重組產氫裝置的一第一實施例； 圖3是一局部側剖示意圖，說明本發明該重組產氫裝置的一第二實施例； 圖4是一局部剖視示意圖，說明本發明該重組產氫系統還具有陶瓷顆粒的態樣；及 圖5是一局部剖視示意圖，說明本發明該重組產氫系統還具有導流板的態樣。

2‧‧‧重組產氫系統

21‧‧‧外殼

22‧‧‧重組器

23‧‧‧通氣管

24‧‧‧連通管

3‧‧‧進料系統

31‧‧‧第一進料單元

32‧‧‧第二進料單元

33‧‧‧混合腔

4‧‧‧加熱系統

41‧‧‧加熱器

Claims (9)

1. 一種重組產氫裝置，包含：一重組產氫系統，具有一界定出一容置空間的外殼、多根設置於該容置空間且不與該容置空間連通的重組器、至少一片設置於該容置空間的導流板、至少一條繞設於至少其中一根重組器的通氣管，及一連通管，該外殼具有與該容置空間連通的一進氣口及一出氣口，該至少一條通氣管的兩端分別與該進氣口及該出氣口連通，該連通管的其中一端與該出氣口連通；一進料系統，用於提供燃油及空氣，與該外殼連接，並與該等重組器的其中一端連通，且該連通管的其中另一端與該進料系統連通，其中，該空氣是經由該進氣口進入該通氣管並經由該連通管進入該進料系統後，再進入該等重組器，該燃油是由該進料系統直接進入該等重組器，該等重組器可用於將該燃油及空氣進行重組後產生氫氣；及一加熱系統，具有一與該容置空間連通並可對該容置空間加熱的加熱器。
2. 如請求項第1項所述的重組產氫裝置，其中，每一根重組器具有一成中空的管體、容置於該管體內的觸媒，及容置於該管體內並分別設於該觸媒的兩相反端的多孔陶瓷，該管體具有一與該進料系統連通的入口，及一經由該外殼與外界連通的出口。
3. 如請求項第1項所述的重組產氫裝置，其中，該重組產氫系統還包含多數容置於該容置空間的陶瓷顆粒。
4. 如請求項第1項所述的重組產氫裝置，其中，該導流板具有多片，該等導流板彼此間隔且相對交錯設置於該容置空間並與該外殼連接。
5. 如請求項第1項所述的重組產氫裝置，其中，該進料系統包含一供應該燃油的第一進料單元、一供應該空氣的第二進料單元，及一位於該第一進料單元下游的混合腔，該混合腔的一端與該第一進料單元連通，另一端分別與該連通管及該等重組器連通，且該第二進料單元可經由該至少一條通氣管的進氣口提供空氣至該等重組器。
6. 如請求項第5項所述的重組產氫裝置，其中，該進料系統用於提供燃油、水，及空氣，且該進料系統還包含一介於該第一進料單元與該混合腔之間的乳化單元，該第一進料單元用於供應該燃油、水，該乳化單元可用於將自該第一進料單元供應的燃油及水以物理乳化方式乳化得到一乳化燃料。
7. 如請求項第6項所述的重組產氫裝置，其中，該乳化單元具有至少一個供燃油及水進入的乳化入口及至少一個位於該乳化入口下游，用於促進乳化混合的乳化出口，該乳化入口的口徑與該個乳化出口的口徑面積比值介於4-25之間，且液體流經該乳化入口與該乳化出口之間的壓差不大於20mbar。
8. 如請求項第1項所述的重組產氫裝置，還包含一偵測系統，具有至少一個可分別感測該混合腔的溫度及該等重組器的出口溫度的溫度感測器，及至少一個用於感測該等重組器出口的氣體成分的氣體檢測器。
9. 如請求項第8項所述的重組產氫裝置，其中，還包含一控制系統，該控制系統與該溫度感測系統及該氣體量測系統及該進料系統訊號連接，並可依據該等溫度感測器與氣體成分的感測結果控制該進料系統的燃料供應。

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