專利名稱：內(nèi)燃機氫氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)內(nèi)燃機氫氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)，特別是指一種從甲醇分離氫氣以作為能源供應(yīng)至各種動力機使用的氫氣分離系統(tǒng)，使可做為汽油的輔助燃料，提供現(xiàn)有內(nèi)燃機使用以提升環(huán)保功效。
背景技術(shù)：
目前，隨著科技的發(fā)展及資源被大量使用，空氣污染已成為人們不得不面對與改善的棘手問題，相關(guān)以環(huán)保為目的的產(chǎn)品亦不斷相繼問世。制造環(huán)境污染的產(chǎn)品中莫過于汽車所排放出的廢氣，雖然相繼有人發(fā)明出以電力、太陽能以期能取代汽油，但都因為研發(fā)不甚成熟而無法普及。多年前已開發(fā)出所謂的氫氣引擎亦面臨到相同的命運，實令人感到可惜。
一般所謂的氫氣引擎，顧名思義可知其是以氫氣為主要燃料，但由于氫氣的不穩(wěn)定性特性，其需有一高壓儲存筒來儲存氫氣，且因有儲存筒容量受限及無法立即充填等問題，使得氫氣引擎的使用及被接受度相當(dāng)受限，因此，如何使氫氣的產(chǎn)生速度可以提升，提高其使用普及率，成為吾人所努力的目標(biāo)。
眾所周知，氫氣是自然界中極為豐富的能源，但是因為其分子最輕，很難儲存，均將之制成液態(tài)，而將氫氣制成液態(tài)再予儲存的系統(tǒng)頗為繁復(fù)，其獲得的成本極為高昂。
一般工業(yè)上制造氫氣的方法約有下列幾種，茲簡述如下(1)烴類(如天然氣或輕重油等)的裂解法，其反應(yīng)式如下
該法的反應(yīng)溫度高達千度左右，頗耗費能源，且原料必需先經(jīng)過脫硫處理才能使用。
(2)純水的電解法，其反應(yīng)式如下
該法雖然原料來源不成問題，但需龐大的電解設(shè)備，且頗耗費能源。
(3)食鹽水的電解法，其反應(yīng)式如下
該法同上述(2)需龐大的電解設(shè)備，頗耗費能源，而且堿的供需有時并不平衡，影響氫氣的供給。
(4)甲醇的水蒸汽改質(zhì)法，其反應(yīng)式如下
雖然此類甲醇經(jīng)水蒸汽改質(zhì)成氫氣的反應(yīng)，多年來即為人所熟知，然所使用的改質(zhì)觸媒一般皆為銅鉻錳或者銅鋅鋁等氧化物而不含堿金屬。此類改質(zhì)觸媒于溫度320℃以上進行反應(yīng)時會有加速老化的現(xiàn)象，且反應(yīng)器進行加熱時無法使用普通的熱媒油，一般均采取加壓或無機金屬鹽的熔融液，導(dǎo)致資本增加及操作上的困難。再者，其使用傳統(tǒng)間接加熱方式，燃燒效率差，或者因含水蒸汽的甲醇粒子過粗，無法于瞬間反應(yīng)，且溫度不易穩(wěn)定控制等，造成氫氣取得的困難。
有鑒于此，本發(fā)明人針對上述缺陷研究改進之道，經(jīng)長時間研究終有本發(fā)明產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明即旨在提供一種內(nèi)燃機氫氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的此種內(nèi)燃機氫氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)，將甲醇與水蒸汽混合形成泡沫微粒子后，直接噴入火花電弧加熱器加熱，經(jīng)觸媒蒸汽反應(yīng)器反應(yīng)成為氫氣、一氧化碳與二氧化碳的混合氣體，再經(jīng)氫氣分離單元將氫氣分離，使氫氣可以快速產(chǎn)生取得，以供應(yīng)內(nèi)燃機的使用。
根據(jù)本發(fā)明的此種內(nèi)燃機氫氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)，其在氫氣的產(chǎn)生取得過程中，除了能將氫(H)快速分離出來外，并能降低一氧化碳(CO)的產(chǎn)生，此為本發(fā)明的次一目的。
根據(jù)本發(fā)明的此種內(nèi)燃機氫氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)，能提供在低氫產(chǎn)品水準(zhǔn)下作業(yè)，以火花電弧加熱，并使氫氣能夠以小型設(shè)備來產(chǎn)生，故可大幅減少氫氣儲存筒的體積，使現(xiàn)有內(nèi)燃機即可使用，不僅提升現(xiàn)有內(nèi)燃機的使用效率，更有助于環(huán)保的維護，此為本發(fā)明的次一目的。
至于本發(fā)明詳細構(gòu)造、應(yīng)用原理、作用與功效，則參照下列依附圖所作的說明即可得到完全的了解。


圖1本發(fā)明的流程方塊圖。
圖2本發(fā)明的構(gòu)成方塊圖。
圖3本發(fā)明中甲醇噴射器的構(gòu)造示圖。
圖4A-4E本發(fā)明中甲醇噴射器的作用說明圖。
圖5本發(fā)明的系統(tǒng)中火花電弧加熱器的示圖。
圖6A-6B本發(fā)明中觸媒蒸汽反應(yīng)器的俯視圖與縱截面示圖。
圖6C-6D本發(fā)明中觸媒蒸汽反應(yīng)器中的觸媒構(gòu)造示圖。
圖7A-7C本發(fā)明中氫氣分離單元的正面圖、側(cè)面圖與截面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的此種內(nèi)燃機氫氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)，其流程，如圖1所示，該流程包括蒸汽產(chǎn)生器產(chǎn)生蒸汽的流程、甲醇噴射器將蒸汽與甲醇混合噴射的流程、以一火花電弧加熱器將蒸汽與甲醇混合物加熱的流程、觸媒蒸汽反應(yīng)器使已加熱的蒸汽與甲醇的混合物反應(yīng)的流程、一氫氣分離器分離出氫氣的流程及一CO氧化單元將CO氧化成為CO2的流程。
上述的觸媒蒸汽反應(yīng)器使甲醇在甲醇觸媒蒸汽反應(yīng)器內(nèi)撞擊到觸媒，分離成一氧化碳(CO)及氫氣(H2)
而水蒸汽并分離成為氫氣(H2)和氧，氧和一氧化碳(CO)則經(jīng)過CO氧化單元結(jié)合形成CO2
因此，所有流程的反應(yīng)變成本發(fā)明的進一步詳細結(jié)構(gòu)與作用，茲參照圖2所示，說明如下蒸汽產(chǎn)生器1，以熱交換器9對流入的水加熱使形成水蒸汽(溫度約160℃)，形成水蒸汽后殘留的水則流入儲水槽101；甲醇噴射器2，該甲醇噴射器2系微型噴射器，其內(nèi)部設(shè)有微噴射數(shù)組的芯片，以通過溫?zé)狎?qū)動泡泡微粒子來噴射，即以電流脈波對從甲醇槽10所送來的常態(tài)(液態(tài))甲醇作用，使產(chǎn)生泡沫微粒子甲醇，噴入與水蒸汽混合，使其混合溫度維持在260℃；如圖3所示，該甲醇噴射器1以硅晶圓11為基材，透過LPCVD多晶硅12，及LPCVD多晶氮化硅13，以加熱器14加熱，使產(chǎn)生甲醇泡沫微粒子；該甲醇泡沫微粒子的產(chǎn)生過程，則如圖4如示于A過程，對甲醇加熱；于B過程，使產(chǎn)生氣泡21；于C過程，氣泡變大至使微粒子22射出；于D過程，微粒子22射出后，氣泡21坍消；于E過程，重新對甲醇加熱，進行另一循環(huán)；混合后的甲醇與水蒸汽混合物，連續(xù)噴注入水蒸汽，該火花電弧加熱器3，如圖5所示，以火花塞31的電極間隙放電形成電弧區(qū)，所使用的火花塞31并可為高能量(HEAVY-DUTY)火花塞，且火花電弧加熱器3內(nèi)壁涂布氮化硅(Si3N4)層；以火花電弧加熱器3對甲醇泡沫微粒子加熱，該火花電弧加熱器3透過一點火系統(tǒng)104以控制其火花連續(xù)點火，提供混合氣體在升溫時形成部份傳導(dǎo)，對甲醇蒸汽混合物的流動氣體進行放電，使溫度升高至860℃，促使甲醇在轉(zhuǎn)換成含有豐富氫氣的氣體時，會隨著流動的甲醇蒸汽混合物的混合而加速形成，因此，該火花電弧加熱器3具有提升溫度及促進活化甲醇轉(zhuǎn)換成含有豐富氫氣的氣體的功能；而且，該火花電弧加熱器3并使甲醇蒸汽混合物與觸媒反應(yīng)前，即透過同質(zhì)形式的電弧放電使其先行反應(yīng)；將以火花電弧加熱器3加熱后的甲醇蒸汽混合物導(dǎo)入觸媒反應(yīng)器4(如圖6A、圖6B所示)反應(yīng)，該觸媒反應(yīng)器4于一反應(yīng)管42內(nèi)設(shè)置數(shù)個框格41，反應(yīng)管42的大小與火花電弧加熱器3的大小相同，其內(nèi)壁涂布氮化硅(Si3N4)層，其于框格41間則放置觸媒43，觸媒43的形狀如圖6C、圖6D所示，為以鎳為基礎(chǔ)的物體，該觸媒43布列于反應(yīng)管42內(nèi)部，其平均尺寸以5mm為較佳；或者，該觸媒反應(yīng)器4亦可為蜂巢狀觸煤反應(yīng)器(three-way catalytic converters.)。
由此，當(dāng)甲醇蒸汽混合物導(dǎo)入觸媒反應(yīng)器4與觸媒43反應(yīng)后，即以操作溫度810℃～870℃之間進行反應(yīng)，即轉(zhuǎn)換成含有H2、CO2、CO的混合氣體。
此觸媒反應(yīng)器4在一定的溫度與接觸時間范圍內(nèi)作業(yè)，如果其在溫度300℃的低溫下作業(yè)，其需要反應(yīng)時間300微秒，如果要以最快反應(yīng)(50微秒反應(yīng)時間)，則反應(yīng)溫度需要超過375℃。
在300℃～460℃，50～300微秒的反應(yīng)條件底下，甲醇和水蒸汽反應(yīng)，會產(chǎn)生出73～74％H2+25～26％CO2+0.6～1.2％CO，其必需使溫度維持在460℃，使CO的最低濃度能夠反應(yīng)作業(yè)；之后，該含有豐富氫氣的氣體(H2、CO2、CO)，即進入氫氣分離單元5，該氫氣分離單元5如圖7A、圖7B、圖7C所示，系一導(dǎo)管50，導(dǎo)管50內(nèi)設(shè)有由氫浸透薄膜(Hydrogen permeable membrane)所形成的濾氫管51，濾氫管51與導(dǎo)管50內(nèi)壁之間為信道52，當(dāng)含有豐富氫氣的氣體(H2、CO2、CO)由一端進入信道52后，氫氣(H2)即可通過該濾氫管51，使氫(H2)被分離出來，產(chǎn)生出的氫氣(H2)進而通過管路進入內(nèi)燃機102，該內(nèi)燃機102作用后產(chǎn)生電力作功及供應(yīng)電源供應(yīng)器103，進而供應(yīng)火花點燃、電器裝置及電池組8所需電力；內(nèi)燃機102內(nèi)部產(chǎn)生的水則再流入熱交換器9加熱。
最后殘留的CO2+CO即進入CO氧化單元，使CO2+CO氧化成CO2。
本發(fā)明系統(tǒng)，還包括一三段式控制器7，用以進行水流→水蒸汽→甲醇和水的混合蒸汽等三段控制，使達到，再經(jīng)由壓力感應(yīng)器、流率偵測器、壓縮機、微閥、加熱器等進行控制；其內(nèi)部設(shè)一溫度管理單元105，以對甲醇噴射器2及火花電弧加熱器3控制在較佳溫度。
經(jīng)測試，在觸媒采用美國Synetix公司出品的KATALCO 23-4系列以鎳為基的觸媒(化學(xué)成份NiO16wt％、SiO2＜0.1％wt％、SO3＜0.05wt％、Al2O3balance＝；或者是KATALCO 25-4系列的以鎳為基的觸媒(化學(xué)成份NiO18wt％、K2O1.8wt％、SiO2＜0.1％wt％、Ca/Al2O3balance)，以及氫浸透薄膜采用美國REBResearch&Consulting Corporate公司的membrane下，可得到以下成果實施1目標(biāo)2.2公升/分鐘 氫氣觸媒蒸汽反應(yīng)器 溫度360℃水/甲醇 分子數(shù)量比例1.873％H2，25％CO2，0.9％CO預(yù)計處理后的濃度數(shù)據(jù)H2＞99％，CO2＜90ppm，CO＜14ppm實施2目標(biāo)5.0公升/分鐘 氫氣觸媒蒸汽反應(yīng)器 溫度440℃水/甲醇 分子數(shù)量比例1.7874％H2，24％CO2，0.8％CO預(yù)計處理后的濃度數(shù)據(jù)H2＞99％，CO2＜50ppm，CO＜10ppm即可分離出純氫濃度在76％～99.999995％。
本發(fā)明的此種內(nèi)燃機氫氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)，由于可提供了從甲醇與水蒸汽的混合氣體中快速分離出氫氣，故其可直接使用于現(xiàn)有內(nèi)燃機上使用，以汽油筒作為甲醇儲存槽，另將其它單元組合后，即可直接供應(yīng)內(nèi)燃機所需燃料使用，可免除傳統(tǒng)上使用氫氣的內(nèi)燃機需另外置設(shè)氫氣儲存桶的不便及危險，而提升了內(nèi)燃機之使用效率。
綜上所述可知，本發(fā)明的此種內(nèi)燃機氫氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)，經(jīng)由蒸汽產(chǎn)生器、甲醇噴射器、火花電弧加熱器、觸媒蒸汽反應(yīng)器、氫氣分離單元、熱管理單元、三段式控制器、CO氧化單元及電池組等流程，透過將甲醇與蒸汽混合的泡沫微粒子噴入火花電弧加熱器進行加熱，以及通過所設(shè)氫浸透薄膜(陶瓷薄膜)的作用，使氫的分離更為快速穩(wěn)定，提供現(xiàn)有內(nèi)燃機即可使用，不僅能有效提升現(xiàn)有內(nèi)燃機的使用效率，更有助于環(huán)保的維護。
需闡明，以上所述是本專利較佳具體實施例，若依本發(fā)明的構(gòu)想所作的改變，其產(chǎn)生的功能作用，仍未超出說明書與圖標(biāo)所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機氫氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)，由一蒸汽產(chǎn)生器、一甲醇噴射器、一火花電弧加熱器及一觸媒反應(yīng)器組成，利用甲醇與蒸汽混合的氣體，經(jīng)觸媒反應(yīng)器反應(yīng)后生成氫氣，再將氫氣導(dǎo)入內(nèi)燃機內(nèi)作為燃料；其中，進入觸媒反應(yīng)器前的混合氣體系甲醇與蒸汽混合成的泡沫微粒子，并經(jīng)過火花電弧加熱器進行微粒子加熱，由此使氫氣的生成取得更加快速容易而可適用于內(nèi)燃機作為燃料使用。
2.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中蒸汽產(chǎn)生器產(chǎn)生的水蒸汽溫度為260℃。
3.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中甲醇噴射器為微型噴射器，以電流脈波對液態(tài)甲醇作用使產(chǎn)生泡沫微粒子后噴入與水蒸汽混合。
4.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中甲醇與水蒸汽混合后射入由火花塞的電極間隙放電所形成的電弧區(qū)進行高溫加熱。
5.如權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中以火花電弧加熱器對甲醇與水蒸汽混合物氣體進行加熱時使溫度升高至860℃。
6.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中以火花電弧加熱器加熱后的甲醇蒸汽混合物導(dǎo)入觸媒反應(yīng)器反應(yīng)后即轉(zhuǎn)換成含有H2、CO2、CO的混合氣體，此過程使用鎳基觸媒，操作溫度為810℃～870℃。
7.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中觸媒反應(yīng)器所使用的觸媒為鎳基觸媒，該觸媒以平均尺寸5mm的條件下反應(yīng)。
8.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中觸媒反應(yīng)器在溫度300℃的低溫下作業(yè)時，其反應(yīng)時間為300微秒。
9.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中觸媒反應(yīng)器在300℃～460℃，50～300微秒的反應(yīng)條件底下時，甲醇和水蒸汽反應(yīng)會產(chǎn)生出73～74％H2+25～26％CO2+0.6～1.2％CO。
10.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中氫氣分離單元以一氫浸透薄膜(陶瓷薄膜)提供氫氣分離。
11.如權(quán)利要求1的方法，其中氫氣被分離出來后殘留的CO2+CO并進CO氧化單元，使CO2+CO氧化成CO2。
12.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中并包括一三段式控制器，用以進行水流→水蒸汽→甲醇和水的混合蒸汽等三段控制，使達到，再經(jīng)由壓力感應(yīng)器、流率偵測器、壓縮機、微閥、加熱器等進行控制。
13.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中并包括一溫度管理單元以控制甲醇觸媒蒸汽反應(yīng)器保持在460℃。
14.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中并包括一儲水槽，以提供加熱器加熱后殘留水液的儲存。
15.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中并包括一高溫燃料電池或燃燒機或動力機等能量產(chǎn)生單元，以收容水蒸汽及作功之電源。
16.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中并包括一電源供應(yīng)器，供應(yīng)火花點燃及電器裝置所需電力。
17.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中并包括一具有微噴射數(shù)組的芯片，通過溫?zé)狎?qū)動泡泡微粒子來噴射。
18.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中并包括一電池組，以儲存激活電力。
19.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中并包括一點火系統(tǒng)，以控制火花連續(xù)的點火。
20.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中并包括一氫氣分離單元，該氫氣分離單元可用以將經(jīng)過觸媒反應(yīng)器反應(yīng)后含有氫氣、一氧化碳與二氧化碳的混合氣體予以分離出氫氣。
21.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述的觸媒反應(yīng)器可為蜂巢狀觸煤反應(yīng)器(three-way catalytic converters.)。
全文摘要
一種內(nèi)燃機氫氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)，特別是指一種可快速產(chǎn)生氫氣提供內(nèi)燃機所需燃料，并可做為汽油之輔助燃料，而提供現(xiàn)有內(nèi)燃機使用以提升環(huán)保功效，其包括一蒸汽產(chǎn)生器、一甲醇噴射器、一火花電弧加熱器、一觸媒蒸汽反應(yīng)器、一氫氣分離單元、一熱管理單元、一三段式控制器、一CO氧化單元、以及電池組；借著將甲醇與蒸汽混合之泡沫微粒子直接噴入火花電弧加熱器加熱，并經(jīng)觸媒蒸汽反應(yīng)器反應(yīng)生成氫氣，由此產(chǎn)生之氫氣可以快速取得，減少于內(nèi)燃機另外置設(shè)氫氣儲存筒之不便，使現(xiàn)有使用汽油之引擎即可使用，從而提升環(huán)保。
文檔編號F02B43/10GK1680696SQ20041003069
公開日2005年10月12日 申請日期2004年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月6日
發(fā)明者王緒煬 申請人:王緒煬