CN100529355C

CN100529355C - 内燃机氢气燃料供应系统

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Publication number: CN100529355C
Application number: CNB2004100306969A
Authority: CN
Inventors: 王绪炀
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-04-06
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2024-04-06
Also published as: CN1680696A

Abstract

一种内燃机氢气燃料供应系统，特别是指一种可快速产生氢气提供内燃机所需燃料，并可做为汽油之辅助燃料，而提供现有内燃机使用以提升环保功效，其包括一蒸汽产生器、一甲醇喷射器、一火花电弧加热器、一触媒蒸汽反应器、一氢气分离单元、一热管理单元、一三段式控制器、一CO氧化单元、以及电池组；借着将甲醇与蒸汽混合之泡沫微粒子直接喷入火花电弧加热器加热，并经触媒蒸汽反应器反应生成氢气，由此产生之氢气可以快速取得，减少于内燃机另外置设氢气储存筒之不便，使现有使用汽油之引擎即可使用，从而提升环保。

Description

内燃机氢气燃料供应系统

技术领域

本发明是有关内燃机氢气燃料供应系统，特别是指一种从甲醇分离氢气以作为能源供应至各种动力机使用的氢气分离系统，使可做为汽油的辅助燃料，提供现有内燃机使用以提升环保功效。

背景技术

目前，随着科技的发展及资源被大量使用，空气污染已成为人们不得不面对与改善的棘手问题，相关以环保为目的的产品亦不断相继问世。制造环境污染的产品中莫过于汽车所排放出的废气，虽然相继有人发明出以电力、太阳能以期能取代汽油，但都因为研发不甚成熟而无法普及。多年前已开发出所谓的氢气引擎亦面临到相同的命运，实令人感到可惜。

一般所谓的氢气引擎，顾名思义可知其是以氢气为主要燃料，但由于氢气的不稳定性特性，其需有一高压储存筒来储存氢气，且因有储存筒容量受限及无法立即充填等问题，使得氢气引擎的使用及被接受度相当受限，因此，如何使氢气的产生速度可以提升，提高其使用普及率，成为吾人所努力的目标。

众所周知，氢气是自然界中极为丰富的能源，但是因为其分子最轻，很难储存，均将之制成液态，而将氢气制成液态再予储存的系统颇为繁复，其获得的成本极为高昂。

一般工业上制造氢气的方法约有下列几种，兹简述如下：

(1)烃类(如天然气或轻重油等)的裂解法，其反应式如下：

该法的反应温度高达千度左右，颇耗费能源，且原料必需先经过脱硫处理才能使用。

(2)纯水的电解法，其反应式如下：

该法虽然原料来源不成问题，但需庞大的电解设备，且颇耗费能源。

(3)食盐水的电解法，其反应式如下：

2NaCl+2H₂O——→Cl₂+2NaOH+H₂↑

该法同上述(2)需庞大的电解设备，颇耗费能源，而且碱的供需有时并不平衡，影响氢气的供给。

(4)甲醇的水蒸汽改质法，其反应式如下：

CH₃OH CO+2H₂

CO+H₂O CO₂+H₂

CH₃OH+H₂O [CO+CO₂]+3H₂

虽然此类甲醇经水蒸汽改质成氢气的反应，多年来即为人所熟知，然一般所使用作为水蒸汽改质的触媒，皆为铜铬锰或者铜锌铝等氧化物而不含碱金属。此类改质触媒于温度320℃以上进行反应时会有加速老化的现象，且反应器进行加热时无法使用普通的热媒油，一般均采取加压或无机金属盐的熔融液，导致资本增加及操作上的困难。再者，其使用传统间接加热方式，燃烧效率差，或者因含水蒸汽的甲醇粒子过粗，无法于瞬间反应，且温度不易稳定控制等，造成氢气取得的困难。

有鉴于此，本发明人针对上述缺陷研究改进之道，经长时间研究终有本发明产生。

发明内容

因此，本发明即旨在提供一种内燃机氢气燃料供应系统。根据本发明的此种内燃机氢气燃料供应系统，将甲醇与水蒸汽混合形成泡沫微粒子后，直接喷入火花电弧加热器加热，经触媒蒸汽反应器反应成为氢气、一氧化碳与二氧化碳的混合气体，再经氢气分离单元将氢气分离，使氢气可以快速产生取得，以供应内燃机的使用。

根据本发明的此种内燃机氢气燃料供应系统，其在氢气的产生取得过程中，除了能将氢(H)快速分离出来外，并能降低一氧化碳(CO)的产生，此为本发明的次一目的。

根据本发明的此种内燃机氢气燃料供应系统，能提供在低氢产品水准下作业，以火花电弧加热，并使氢气能够以小型设备来产生，故可大幅减少氢气储存筒的体积，使现有内燃机即可使用，不仅提升现有内燃机的使用效率，更有助于环保的维护，此为本发明的次一目的。

至于本发明详细构造、应用原理、作用与功效，则参照下列依附图所作的说明即可得到完全的了解。

附图说明

图1：本发明的流程方块图。

图2：本发明的构成方块图。

图3：本发明中甲醇喷射器的构造示图。

图4A-4E：本发明中甲醇喷射器的作用说明图。

图5：本发明的系统中火花电弧加热器的示图。

图6A-6B：本发明中触媒蒸汽反应器的俯视图与纵截面示图。

图6C-6D：本发明中触媒蒸汽反应器中的触媒构造示图。

图7A-7C：本发明中氢气分离单元的正面图、侧面图与截面图。

具体实施方式

本发明的此种内燃机氢气燃料供应系统，其流程，如图1所示，该流程包括：蒸汽产生器产生蒸汽的流程、甲醇喷射器将蒸汽与甲醇混合喷射的流程、以一火花电弧加热器将蒸汽与甲醇混合物加热的流程、触媒蒸汽反应器使已加热的蒸汽与甲醇的混合物反应的流程、一氢气分离器分离出氢气的流程及一CO氧化单元将CO氧化成为CO₂的流程。

上述的触媒蒸汽反应器使甲醇在甲醇触媒蒸汽反应器内撞击到触媒，分离成一氧化碳(CO)及氢气(H₂)

CH₃OH→2H₂+CO

而水蒸汽并分离成为氢气(H₂)和氧，氧和一氧化碳(CO)则经过CO氧化单元结合形成CO₂

CO+H₂O→H₂+CO₂

因此，所有流程的反应变成

CH₃OH+H₂O→H₂+CO₂+CO

本发明的进一步详细结构与作用，兹参照图2所示，说明如下：

蒸汽产生器1，以热交换器9对流入的水加热使形成水蒸汽(温度约160℃)，形成水蒸汽后残留的水则流入储水槽101；

甲醇喷射器2，该甲醇喷射器2系微型喷射器，其内部设有数组的微喷射芯片，以通过温热驱动泡沫微粒子来喷射，即以电流脉波对从甲醇槽10所送来的常态(液态)甲醇作用，使产生泡沫微粒子甲醇，喷入与水蒸汽混合，使其混合温度维持在260℃；

如图3所示，该甲醇喷射器1以硅晶圆11为基材，透过LPCVD多晶硅12，及LPCVD多晶氮化硅13，以加热器14加热，使产生甲醇泡沫微粒子；

该甲醇泡沫微粒子的产生过程，则如图4如示：

于A过程，对甲醇加热；

于B过程，使产生气泡21；

于C过程，气泡变大至使微粒子22射出；

于D过程，微粒子22射出后，气泡21坍消；

于E过程，重新对甲醇加热，进行另一循环；

混合后的甲醇与水蒸汽混合物，连续喷注入水蒸汽，该火花电弧加热器3，如图5所示，以火花塞31的电极间隙放电形成电弧区，所使用的火花塞31并可为高能量(HEAVY-DUTY)火花塞，且火花电弧加热器3内壁涂布氮化硅(Si₃N₄)层；

以火花电弧加热器3对甲醇泡沫微粒子加热，该火花电弧加热器3透过一点火系统104以控制其火花连续点火，提供混合气体在升温时形成部份传导，对甲醇蒸汽混合物的流动气体进行放电，使温度升高至860℃，促使甲醇在转换成含有丰富氢气的气体时，会随着流动的甲醇蒸汽混合物的混合而加速形成，因此，该火花电弧加热器3具有提升温度及促进活化甲醇转换成含有丰富氢气的气体的功能；而且，该火花电弧加热器3并使甲醇蒸汽混合物与触媒反应前，即透过同质形式的电弧放电使其先行反应；

将以火花电弧加热器3加热后的甲醇蒸汽混合物导入触媒反应器4(如图6A、图6B所示)反应，该触媒反应器4于一反应管42内设置数个框格41，反应管42的大小与火花电弧加热器3的大小相同，其内壁涂布氮化硅(Si₃N₄)层，其余框格41间则放置触媒43，触媒43的形状如图6C、图6D所示，为以镍为基础的物体，该触媒43布列于反应管42内部，其平均尺寸以5mm为较佳；或者，该触媒反应器4亦可为蜂巢状触媒反应器(three-way catalytic converters.)。

由此，当甲醇蒸汽混合物导入触媒反应器4与触媒43反应后，即以操作温度810℃～870℃之间进行反应，即转换成含有H₂、CO₂、CO的混合气体。

此触媒反应器4在一定的温度与接触时间范围内作业，如果其在温度300℃的低温下作业，其需要反应时间300微秒，如果要以最快反应(50微秒反应时间)，则反应温度需要超过375℃。

在300℃～460℃，50～300微秒的反应条件底下，甲醇和水蒸汽反应，会产生出73～74％H₂+25～26％CO₂+0.6～1.2％CO，其必需使温度维持在460℃，使CO的最低浓度能够反应作业；

之后，该含有丰富氢气的气体(H₂、CO₂、CO)，即进入氢气分离单元5，该氢气分离单元5如图7A、图7B、图7C所示，系一导管50，导管50内设有由氢浸透薄膜(Hydrogen permeable membrane)所形成的滤氢管51，滤氢管51与导管50内壁之间为信道52，当含有丰富氢气的气体(H₂、CO₂、CO)由一端进入信道52后，氢气(H₂)即可通过该滤氢管51，使氢(H₂)被分离出来，产生出的氢气(H₂)进而通过管路进入内燃机102，该内燃机102作用后产生电力作功及供应电源供应器103，进而供应火花点燃、电器装置及电池组8所需电力；内燃机102内部产生的水则再流入热交换器9加热。

最后残留的CO₂+CO即进入CO氧化单元，使CO₂+CO氧化成CO₂。

本发明系统，还包括一三段式控制器7，用以进行水流→水蒸汽→甲醇和水的混合蒸汽等三段控制，使达到CH₃OH+H₂O→H₂+CO₂+CO，再经由压力感应器、流率侦测器、压缩机、微阀、加热器等进行控制；其内部设一温度管理单元105，以对甲醇喷射器2及火花电弧加热器3控制在较佳温度。

经测试，在触媒采用美国Synetix公司出品的KATALCO 23-4系列以镍为基的触媒(化学成份：NiO：16wt％、SiO₂＜0.1％wt％、SO₃＜0.05wt％、Al₂O₃：balance＝；或者是KATALCO 25-4系列的以镍为基的触媒(化学成份：NiO：18wt％、K2O：1.8wt％、SiO₂＜0.1％wt％、Ca/Al₂O₃：balance)，以及氢浸透薄膜采用美国REBResearch & Consulting Corporate公司的membrane下，可得到以下成果：

实施1

目标2.2公升/分钟氢气

触媒蒸汽反应器温度360℃

水/甲醇分子数量比例1.8

73％H₂，25％ CO₂，0.9％CO

预计处理后的浓度数据

H ₂＞99％，CO₂＜90ppm，CO＜14ppm

实施2

目标5.0公升/分钟氢气

触媒蒸汽反应器温度440℃

水/甲醇分子数量比例 1.78

74％ H₂，24％CO₂，0.8％ CO

预计处理后的浓度数据

H₂＞99％，CO₂＜50ppm，CO＜10ppm

即可分离出纯氢浓度在76％～99.999995％。

本发明的此种内燃机氢气燃料供应系统，由于可提供了从甲醇与水蒸汽的混合气体中快速分离出氢气，故其可直接使用于现有内燃机上使用，以汽油筒作为甲醇储存槽，另将其它单元组合后，即可直接供应内燃机所需燃料使用，可免除传统上使用氢气的内燃机需另外置设氢气储存桶的不便及危险，而提升了内燃机之使用效率。

综上所述可知，本发明的此种内燃机氢气燃料供应系统，经由蒸汽产生器、甲醇喷射器、火花电弧加热器、触媒蒸汽反应器、氢气分离单元、热管理单元、三段式控制器、CO氧化单元及电池组等流程，透过将甲醇与蒸汽混合的泡沫微粒子喷入火花电弧加热器进行加热，以及通过所设氢浸透薄膜(陶瓷薄膜)的作用，使氢的分离更为快速稳定，提供现有内燃机即可使用，不仅能有效提升现有内燃机的使用效率，更有助于环保的维护。

需阐明，以上所述是本专利较佳具体实施例，若依本发明的构想所作的改变，其产生的功能作用，仍未超出说明书与图标所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内。

Claims

1.一种内燃机氢气燃料供应系统，由一蒸汽产生器、一甲醇喷射器、一火花电弧加热器及一触媒反应器组成，利用甲醇与蒸汽混合的气体，经触媒反应器反应后生成氢气，再将氢气导入内燃机内作为燃料；其中，进入触媒反应器前的混合气体系甲醇与蒸汽混合成的泡沫微粒子，并经过火花电弧加热器进行微粒子加热，由此使氢气的生成取得更加快速容易而可适用于内燃机作为燃料使用。

2.如权利要求1的系统，其中蒸汽产生器产生的水蒸汽温度为260℃。

3.如权利要求1的系统，其中甲醇喷射器为微型喷射器，以电流脉波对液态甲醇作用使产生泡沫微粒子后喷入与水蒸汽混合。

4.如权利要求1的系统，其中甲醇与水蒸汽混合后射入由火花塞的电极间隙放电所形成的电弧区进行高温加热。

5.如权利要求4的系统，其中以火花电弧加热器对甲醇与水蒸汽混合物气体进行加热时使温度升高至860℃。

6.如权利要求1的系统，其中以火花电弧加热器加热后的甲醇蒸汽混合物导入触媒反应器反应后即转换成含有H₂、CO₂、CO的混合气体，此过程使用镍基触媒，操作温度为810℃～870℃。

7.如权利要求6的系统，其中触媒反应器所使用的触媒为镍基触媒，该触媒以平均尺寸5mm的条件下反应。

8.如权利要求6的系统，其中触媒反应器在温度300℃的低温下作业时，其反应时间为300微秒。

9.如权利要求6的系统，其中触媒反应器在300℃～460℃，50～300微秒的反应条件下，甲醇和水蒸汽反应会产生出73～74％H₂+25～26％CO₂+0.6～1.2％CO。

10.如权利要求1的系统，其中氢气分离单元以一氢浸透薄膜提供氢气分离。

11.如权利要求1的系统，其中氢气被分离出来后残留的CO₂+CO并进CO氧化单元，使CO₂+CO氧化成CO₂。

12.如权利要求1的系统，其中并包括一三段式控制器，用以进行水流→水蒸汽→甲醇和水的混合蒸汽三段控制，使达到CH₃OH+H₂O→H₂+CO₂+CO，再经由压力感应器、流率侦测器、压缩机、微阀、加热器等进行控制。

13.如权利要求1的系统，其中并包括一温度管理单元以控制甲醇触媒蒸汽反应器保持在460℃。

14.如权利要求1的系统，其中并包括一储水槽，以提供加热器加热后残留水液的储存。

15.如权利要求1的系统，其中并包括一高温燃料电池或燃烧机或动力机能量产生单元。

16.如权利要求1的系统，其中并包括一电源供应器，供应火花点燃及电器装置所需电力。

17.如权利要求1的系统，其中并包括一电池组，以储存激活电力。

18.如权利要求1的系统，其中并包括一点火系统，以控制火花连续的点火。

19.如权利要求1的系统，其中并包括一氢气分离单元，该氢气分离单元可用以将经过触媒反应器反应后含有氢气、一氧化碳与二氧化碳的混合气体予以分离出氢气。

20.如权利要求1的系统，其中所述的触媒反应器可为蜂巢状触煤反应器。