氫氣發生器及其應用的製作方法

2023-08-08 16:44:01

專利名稱：氫氣發生器及其應用的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種氫氣發生器；具體說，是關於一種提供低一氧化碳含量的氫 氣混合氣體的氫氣發生器及其應用。
背景技術：
高純度氫氣對於眾多能源轉換裝置而言，是一重要的燃料來源。舉例說，有 「綠色環保發電機」之稱的燃料電池，即是利用高純度的氫氣作為燃料與氧氣(或空氣)
反應，通過將化學能直接轉化為電能而產生電力。現有常用於製造氫氣的方法為蒸氣重組反應(steam reforming reaction，SRR)，
其是於SRR觸媒存在下，使蒸氣與醇類(如甲醇、乙醇)或碳氫化合物(如甲烷、己烷) 反應，產生所欲的氫氣混合氣體。其中，由於SRR是一吸熱反應，故必須提供一熱源， 以滿足反應所需的熱。舉例說，可於重組反應器中以氧化觸媒催化一放熱氧化反應，提 供重組反應所需的熱。另一方面，供SRR用的重組觸媒通常亦會催化水煤氣轉移反應(water gas shift reaction, WGSR)，即如下向右進行的放熱反應CO + H2O *CO2 + H2因此，當重組反應器中觸媒床的溫度越高(即，觸媒床中存在熱區)，則越有利 於抑制WGSR(即，C0+H20 —C02+H2)進行，促使重組反應所生成的二氧化碳及氫氣轉 換成一氧化碳及水；相對地，在較低的溫度下，則較有利於WGSR進行，進一步減少一 氧化碳濃度並增加氫氣濃度。但如上述，SRR是一吸熱反應，若重組反應器中觸媒床的 溫度過低(即，觸媒床中存在冷區)，將降低SRR的速率及轉化率。以甲醇蒸氣重組反應為例，可在一例如銅鋅觸媒的重組觸媒存在下，於約250°C 至300°C的溫度中使甲醇與水蒸氣反應，形成氫氣、二氧化碳及少量一氧化碳。如前所 述，重組觸媒通常亦會催化WGSR。若重組反應器本身的熱傳效能不佳，將使得重組反 應器在熱源端的熱能無法迅速傳遞至重組反應器整體，造成重組反應器在熱源端附近形 成一溫度過高的熱區，且在遠離熱源端形成一溫度過低的冷區。前述因熱傳效能不佳所 產生的冷/熱區，將導致甲醇蒸氣重組反應在冷區的反應速率與轉化率偏低，而在熱區 則因過高的溫度而使重組反應所產生的氫氣與二氧化碳反應轉換成一氧化碳與水，降低 所生成的含氫氣混合氣體的商用價值。為避免上述情形發生，在設計觸媒反應器時，重 組反應器的溫度分布甚為重要，具優異熱傳效能的反應器，尤其是業界所深切期盼的。為提高重組反應器的熱傳導能力，目前均著眼於提高反應器中進行熱交換的表 面積，包括，增加於重組反應器中提供熱能的放熱氧化反應的氧化觸媒床表面積，以將 氧化反應產生的熱能迅速傳導至重組反應器的重組觸媒床，及/或增加重組觸媒床的表 面積，以快速吸收氧化反應所產生的熱能等，藉此避免於反應器中形成冷/熱區，影響 產物的氫氣含量及/或品質。本申請發明人經不斷研究後發現，單純地增加觸媒床的表面積，其改良效果有限，且過度增加表面積，甚至會產生不良效果。因此，本發明提供一種氫氣發生裝置， 其於一條件基礎下增加重組反應器的表面積，並使用具有特定熱傳導係數的物質作為制 作重組反應器的材料，從而提供具極佳熱傳導能力的重組反應器，其在反應進行時具有 良好的溫度分布，當其用於蒸氣重組反應時，可提供極具商業價值的低一氧化碳含量的 氫氣混合氣體。

發明內容
本發明的一目的，在於提供一種氫氣發生器及其應用，可在反應進行時具有良 好的溫度分布，當其用於蒸氣重組反應時，可提供極具商業價值的低一氧化碳含量的氫 氣混合氣體。根據本發明一方面提供一種氫氣發生器，其實質上是由一第一介質所構成，包 含一重組區，容置一重組觸媒，供一產氫原料進行蒸氣重組反應以產生氫氣；一氧化區，其中存在一第一氧化觸媒，供進行放熱氧化反應；以及一預熱區，其中，該重組區、氧化區與預熱區的安置，是使得於該氧化區進行的氧化反應 所產生的熱供應該預熱區及該重組區，以使該產氫原料先於該預熱區預熱，接著於該重 組區進行蒸氣重組反應；且各該重組區、氧化區以及預熱區之間存在該第一介質，且相 隔一至少約0.5毫米的最短距離，該第一介質的熱傳導係數(K)為至少約60W/m-K。根據本發明另一方面提供一種氫氣發生裝置，包含前述的氫氣發生器；一熱交換器；以及一一氧化碳去除器，供一氧化碳於其中氧化反應成二氧化碳；其中，該氫氣發生器、熱交換器與一氧化碳去除器的安置，是使該氫氣發生器 的產物與進入該氫氣發生器的產氫原料於該熱交換器中進行熱交換，以於該產氫原料進 入該氫氣發生器的預熱區之前，先初步加熱該產氫原料；且該氫氣發生器的產物於離開 該熱交換器後，進入該一氧化碳去除器以去除所含的一氧化碳。本發明的有益技術效果是本發明的氫氣發生器具有良好的熱傳效能，於進行 蒸氣重組反應時溫度分布極為均勻，氫氣發生器內不會有冷區或熱區的情形發生，因此 所製得的含氫氣混合氣體的一氧化碳含量相當少，能直接應用於一般燃料用途。且本發 明的氫氣發生裝置能提供一氧化碳低至5至Sppm的含氫燃料，能直接做為燃料電池的燃 料來源，極富經濟價值。


為讓本發明的上述目的、技術特徵及優點能更明顯易懂，下面將配合附圖對本 發明的較佳實施例進行詳細說明，其中圖1是本發明的氫氣發生器的一實施態樣的剖面圖；圖2是本發明的氫氣發生器的另一實施態樣的剖面圖；圖3是本發明的氫氣發生器的再一實施態樣的剖面圖4是本發明的氫氣發生器的再一實施態樣的剖面圖；圖5是本發明的氫氣發生裝置的一實施態樣的剖面圖；圖6是本發明的氫氣發生裝置製造含氫氣混合氣體時的氫氣產率；圖7是本發明的氫氣發生裝置的製造含氫氣混合氣體時，所測得含氫氣混合氣體中的一氧化碳含量；圖8是將本發明的氫氣發生裝置所製得的重組氣體及一般鋼瓶氣體用於燃料電池中時，所測得的電壓-電流圖的比較；以及圖9是應用本發明的氫氣發生裝置所製得的重組氣體的燃料電池的電池效能測
試結果。
具體實施例方式以下將具體地描述根據本發明的部分具體實施態樣；但在不背離本發明的精神 下，本發明還可以多種不同形式的態樣來實踐，不應將本發明保護範圍解釋為限於說明 書所陳述的具體實施例。且為明確起見，附圖中可能誇示各元件及區域的尺寸，而未按 照實際比例繪示。此外，下文所指「平行」並非僅限於絕對平行的情形，在不影響本發 明效能的前提下，亦可包括非絕對平行的情形。本發明的氫氣發生器是實質上由一第一介質所構成，包含一重組區，容置一 重組觸媒，供一產氫原料進行蒸氣重組反應以產生氫氣；一氧化區，其中存在一第一氧 化觸媒，供進行放熱氧化反應；以及一預熱區。其中，該重組區、氧化區與預熱區的安 置，是使得氧化區所進行氧化反應產生的熱供應該預熱區及重組區，以使產氫原料先於 預熱區預熱，接著於重組區進行蒸氣重組反應，且重組區、氧化區以及預熱區之間存在 第一介質。根據本領域通常知識者的一般認知，為避免重組區內的溫度分布不均，造成在 進行重組反應時存在冷區及熱區，影響蒸氣重組反應的效能，在相同反應器尺寸下，應 儘可能將氧化區及其觸媒床的表面積提高，以提高反應效能並使得氧化區內經氧化反應 所產生的熱能得以較高的速度傳遞至重組區；同時亦應儘可能提高重組區及其觸媒床的 表面積，以使得重組區能快速接收自氧化區所傳遞來的熱量並提高重組反應效能，供重 組觸媒及產氫原料進行蒸氣重組反應，獲致較佳的反應效能。為儘可能的增加表面積及反應效能，常用的方式是將觸媒裝填於小孔徑的管道 中，以縮短觸媒顆粒與管壁的距離，同時增加管壁的面積以增大熱能傳遞的面積。然 而，本申請發明人經不斷研究發現，單純增加氧化區及觸媒床(即重組區)的表面積，並 無法如所預期般地獲得理想的改良效果，必須同時提升反應設備材料的熱傳導係數，方 能在反應設備體內得到所欲的熱傳遞速度。經研究發現，為獲致最佳的熱傳效能，於本 發明氫氣發生器中，各區之間應存在第一介質且相隔至少約0.5毫米的最短距離，且較佳 相隔至少約1.0毫米的最短距離。構成氫氣發生器的第一介質的熱傳導係數(K)為至少 約60W/m_K，較佳為至少約100W/m-K，尤以至少約200W/m_K為佳。若各區間的最 短距離小於0.5毫米，則各區之間容易因缺乏足夠的高熱傳導係數媒介而降低整體熱傳效 能，進而影響氫氣產率。於不受理論限制的前提下，可採用任何熱傳導係數(K)不小於約60W/m-K的金屬作為本發明氫氣發生器的第一介質，例如可採用選自以下群組的至少之一為該第一介 質鋁、鋁合金、銅、銅合金及石墨，較佳是選用鋁合金或銅合金(如黃銅及白銅(Ni/ Cu)),但應確認所涉的反應溫度是低於該第一介質的軟化點。可用於本發明的產氫原料可為任何常用於進行重組反應製造氫氣的物質，例如 選自以下群組(^至仏碳氫化合物、其氧化物及前述的組合。於本發明的一實施態樣 中，是採用甲醇來進行蒸氣重組反應，由於甲醇蒸氣重組反應的反應溫度較低，故於此 情況下，可選用軟化點550°C以上的鋁合金(如AI-6061，熱傳係數約180W/m_K)作為 氫氣發生器的第一介質。可用於本發明的重組觸媒並無特殊限制。舉例說，當採用甲醇蒸氣重組反應 時，可採用選自以下群組的觸媒作為重組觸媒銅鋅觸媒(CU0Zn0/Al203)、鉬觸媒(Pt/ Al2O3)、鈀觸媒(Pd/Al203)及前述的組合。可用於本發明的第一氧化觸媒亦無特殊限制。舉例說，當採用甲醇氧化反應以 提供重組反應所需的全部或一部分熱能時，則可使用選自以下群組的第一氧化觸媒鉬 觸媒(Pt/Al203)、鈀觸媒(Pd/Al203)、鉬鈷觸媒(Pt_Co/Al203)、經氮化硼改質的鉬觸媒 或鉬鈷觸媒(Pt-hBN/Al203(PBN)，Pt-Co_hBN/Al203)及前述的組合。於本發明的部分 實施態樣中，是以PBN催化甲醇氧化反應，提供重組反應所需的熱能。參考圖1，顯示一由第一介質所構成的本發明的圓柱形氫氣發生器1的剖面圖， 其包含一氧化區12、一預熱區14及一重組區16。如圖1所示，於本實施態樣中，氧化 區12是由單一孔道所構成；預熱區14是由8個圍繞氧化區12且實質上相互平行的孔道 所構成，且包含一預熱區入口 141及一預熱區出口 143 ；以及重組區16是由16個實質上 相互平行的孔道所構成，且包含一重組區入口 161及一重組區出口 163。預熱區14與重 組區16內的任一孔道至少與同區內的另一孔道相通，且同區內的入口及出口不相連通。 此外，為不影響氫氣發生器1的熱傳效果，各孔道間彼此是相隔一至少約0.5毫米、較佳 至少約1.0毫米的最短距離a。氧化區12的各孔道內填有第一氧化觸媒，重組區16的各 孔道內則填有重組觸媒。於蒸氣重組反應進行時，是將可受第一氧化觸媒氧化並釋放出熱量的燃料通入 氧化區12，進行放熱氧化反應，以提供預熱區14及重組區16所需的熱量。舉例說，可 將部份供蒸氣重組反應使用的產氫原料(如甲醇)混合空氣作為該燃料，自氧化區12孔 道的一端導入氧化區12以進行放熱氧化反應，所產生的熱量通過構成氫氣發生器的第一 介質傳導到其它區域，過量的熱量則由氧化區12孔道的另一端排出；其餘產氫原料則與 水(或水蒸氣)混合先自預熱區入口 141導入預熱區14中，通過第一介質的傳導而接受 來自氧化區12的熱量以進行預熱，其後，經預熱後的氣態或大部分為氣態的產氫原料及 水蒸氣混合物由預熱區出口 143離開預熱區14，並自重組區入口 161進入重組區16中， 且於重組區16的孔道中行進並藉由重組觸媒的催化而充分進行(甲醇)蒸氣重組反應， 最後，自重組區出口 163獲得富含氫氣的混合氣體。需說明的是，於本發明的氫氣發生器中，各出入口的連通方式並無特殊限制， 舉例說，可使 用構成氫氣發生器的第一介質或其它材質所製成的管路相連。圖2所示是本發明的氫氣發生器的另一實施態樣的剖面圖，其是一由第一介質 所構成的矩形氫氣發生器2，包含一氧化區22、一預熱區24及一重組區26。於本實施態樣中，氧化區22是由2個相互平行的孔道所構成，分別作為氧化區入口 221及氧化區出 口 223;預熱區24是由6個相互平行的相通孔道所構成，包含一預熱區入口 241及一預 熱區出口 243;以及重組區26是由7個實質上相互平行的孔道所構成，包含一重組區入 口 261及一重組區出口 263。各該區內的任一孔道至少與同區內的另一孔道相通，且同區 內的入口及出口不相連通。為不影響氫氣發生器2的熱傳效果，各孔道間是彼此相隔一 至少約0.5毫米、較佳至少約1.0毫米的最短距離a。同樣地，氧化區22內填有第一氧化 觸媒，且重組區26內填有重組觸媒。 圖3所示是本發明的氫氣發生器的再一實施態樣的剖面圖，其是由第一介質所 構成的矩形氫氣發生器3，包含一氧化區32、一預熱區34及一重組區36。於本實施態樣 中，氧化區32同樣是由2個相互平行且分別作為氧化區入口 321及氧化區出口 323的孔 道所構成；預熱區34是由9個相互平行的孔道所構成，包含一預熱區入口 341及一預熱 區出口 343;以及重組區36是由20個實質上相互平行的孔道所構成，包含一重組區入口 361及一重組區出口 363。各區內的任一孔道至少與同區內的另一孔道相通，且同區內的 入口及出口不相連通。為不影響氫氣發生器3的熱傳效果，各孔道間彼此是相隔一至少 約0.5毫米、較佳至少約1.0毫米的最短距離a。同樣地，氧化區32內填有第一氧化觸 媒，且重組區36內填有重組觸媒。圖4所示是本發明的氫氣發生器的再一實施態樣的剖面圖，其是由第一介質所 構成的矩形氫氣發生器4，包含一氧化區42、一預熱區44及一重組區46。於本實施態 樣中，氧化區42是由4個相互平行的孔道所構成，包含一氧化區入口 421及氧化區出口 423 ；預熱區44是由4個相互平行的孔道所構成，包含一預熱區入口 441及一預熱區出口 443 ；以及重組區46是由28個實質上相互平行的孔道所構成，包含一重組區入口 461及 一重組區出口 463。各區內的任一孔道至少與同區內的另一孔道相通，且同區內的入口 及出口不相連通。為不影響氫氣發生器4的熱傳效果，各孔道間彼此是相隔一至少約0.5 毫米、較佳至少約1.0毫米的最短距離a。同樣地，氧化區42內填有第一氧化觸媒，且 重組區46內填有重組觸媒。其中，圖2至圖4的氫氣發生器2、3及4的產氫過程及方法是實質上與圖1所示 的氫氣發生器1相同，於此不另詳述。為更具體說明本發明孔道間的關係，續參考圖3， 其是例示性說明重組區36中的混合氣體流向，其中所繪示的箭頭是表示反應器中的重組 區36中的混合氣體流向，且實線箭頭是表示兩孔道是於圖標的氫氣發生器中接近讀者的 一端相連通，虛線所示箭頭是表示兩孔道是於另一端(即遠離讀者的一端)相連通。本發明的氫氣發生器能提供低一氧化碳含量的氫氣混合氣體產物，能直接用於 一般燃料用途，如用於鍋爐燃燒。本發明另提供一氫氣發生裝置，其包含前述氫氣發生器、一氧化碳去除器、以 及一視需要的熱交換器。各該氫氣發生器、一氧化碳去除器以及視需要的熱交換器，可 由相同或不同的介質所構成，例如可使用與氫氣發生器相同的第一介質或使用熱傳係數 較低(如約0.01至約30W/m_K)材料。此外，熱交換器與氫氣發生器之間、以及熱交換 器與一氧化碳去除器之間可直接相連或相接觸，或例如搭配管線相連。圖5顯示本發明氫氣發生裝置的一實施態樣的剖面圖，其中，氫氣發生裝置5包 含一由第一介質所構成的氫氣發生器50、一熱交換器52及一一氧化碳去除器54。一氧化碳去除器54中存在一第二氧化觸媒，以供一氧化碳於其中氧化反應成二氧化碳，進一 步降低所獲得混合氣體中的一氧化碳濃度，例如降低至IOppm以下。其中，熱交換器 52與氫氣發生器50之間、以及熱交換器52與一氧化碳去除器54之間存在第一介質，以 分別連接熱交換器52與氫氣發生器50及一氧化碳去除器54。此外，氫氣發生器50與一 氧化碳去除器54之間則不相連接或接觸，以維持氫氣發生器50與一氧化碳去除器54各自保持在最佳反應溫度。氫氣發生器50實質上與圖3所示的氫氣發生器態樣相同，包含一氧化區501、一 預熱區503及一重組區505。氧化區501是由2個相互平行且分別作為氧化區入口 501a 及氧化區出口 501b的孔道所構成；預熱區503是由9個相互平行的孔道所構成，包含一 預熱區入口 503a及一預熱區出口 503b ；及重組區505是由20個實質上相互平行的孔道 所構成，包含一重組區入口 505a及一重組區出口 505b。熱交換器52可由任何合宜的材料構成，於本發明部分實施態樣中，熱交換器52 是與氫氣發生器50同樣由第一介質所構成。熱交換器52包含一第一通道區521、一第二 通道區523、一第三通道區525、一第四通道區527及一第五通道區529，各通道區之間較 佳由第一介質相連，以傳遞熱量。其中，第一通道區521是由5個相互平行的孔道所構 成，包含一第一入口 521a及一第一出口 521b ；第二通道區523是由5個相互平行的孔道 所構成，包含一第二入口 523a及一第二出口 523b;第三通道區525是由11個相互平行 的孔道所構成，包含一第三入口 525a及一第三出口 525b;第四通道區527是由5個相互 平行的孔道所構成，包含一第四入口 527a及一第四出口 527b;且第五通道區529是由4 個相互平行的孔道所構成，包含一第五入口 529a及一第五出口 529b。一氧化碳去除器54包含一氧化碳反應區541及保溫區543。其中，一氧化碳反 應區541及保溫區543是各自由一或多個實質上相互平行的孔道所構成，且當由二或多個 孔道構成時，各該區內的任一孔道至少與同區內的另一孔道相通。於圖5的態樣中，一 氧化碳反應區541是由9個相互平行的孔道所構成，包含一反應區入口 541a及一反應區 出口 541b，且各該孔道中填有第二氧化觸媒。保溫區543是由21個相互平行的孔道所構 成，包含一保溫區入口 543a及一保溫區出口 543b，用以接受來自氫氣發生器50的氧化區 出口 501b的熱氣，以維持一氧化碳反應區541於一適當的反應溫度。其中，可用於一氧 化碳去除器54的第二氧化觸媒並無特殊限制，例如可採用至少一種選自以下群組的氧化 觸媒經鈷改質的PBN、Pt-CoZAl2O3或其它商用氧化觸媒。於本發明的部分實施態樣 中，是採用 1 % CoMl2O3> 1% Co, 1% hBN/Al2O3 或 1 % Co，1% hBN, 1 % Ce/Al2O3。同樣地，於氫氣發生裝置5中，各區內的任一孔道至少與同區內的另一孔道相 通，且同區內的入口及出口不相連通，且各孔道間彼此是相隔一至少約0.5毫米、較佳至 少約1.5毫米的最短距離a。此外，各出入口的連通方式亦無特殊限制，例如可使用與第 一介質相同或不相同的材質所製成的管路相連。於氫氣發生裝置5中，氫氣發生器50的蒸氣重組反應進行的方式實質上與前述 態樣相同，但用於提供蒸氣重組反應所需熱量的燃料(如甲醇及空氣的混合物)是通過第 二入口 523a導入第二通道區523的孔道中，並通過第二出口 523b導出後，始通過氧化區 入口 501a進入氧化區501進行氧化反應；且產氫原料(如甲醇及水蒸氣)是通過第一入 口 521a導入第一通道區521的孔道中，並通過第一出口 521b導出後，始通過預熱區入口503a進入預熱區503進行預熱。 氫氣發生器50所產生的含氫混合氣體自重組區出口 505b導出後，通過例如一管 路而導引至熱交換器52，並通過第三入口 525a導入第三通道區525的孔道中以進行熱交 換，以初步加熱第一通道區521的產氫原料，且同時預熱第二通道區523的燃料。經熱 交換後的含氫混合氣體通過第三通道區出口 525b導出，並通過反應區入口 541a進入一氧 化碳反應區541，以於其中進行一氧化碳的氧化反應，獲得幾乎不含一氧化碳的含氫混合 氣體。氫氣發生器50的氧化區501所產生的熱氣將大部份熱量通過第一介質提供給重 組區505後，通過氧化區出口 501b導出，分成兩部分並各自通過一管路導引至熱交換器 52及一氧化碳去除器54。經導引至熱交換器52的熱氣續通過第四入口 527a導入第四通 道區527的孔道中，進行熱交換以提供熱交換器52 —熱源，最後通過第四出口 527b排 出。其中，氧化區501所提供的熱量同樣是用於初步加熱第一通道區521的產氫原料及 第二通道區523的燃料。經導引至一氧化碳去除器54的熱氣，通過保溫區入口 543a導 入保溫區543孔道中，以於通道行進過程中，提供保持一氧化碳去除器54處於一有利於 去除含氫混合氣體中的一氧化碳的溫度所需的熱量，最後通過保溫區出口 543b排出，並 自第五區入口 529a進入第五通道區529，將殘餘的熱量提供給熱交換器52後，自第五區 出口 529b排出。其中第四出口 527b及第五區出口 529b所排出的廢氣，可例如導引至一 廢氣處理器做必要的處理。本發明氫氣發生裝置所提供的含氫混合氣體，其一氧化碳含量極低，可與高純 度氫氣鋼瓶相比擬，可直接應用於燃料電池並能提供與使用高純度氫氣鋼瓶者相當的電 池效能，極富商業價值。現以下列具體實施態樣以進一步例示說明本發明。實施例1 200公升/小時產氫測試使用如圖1所示的圓柱形氫氣發生器1，其中是使用鋁合金(AI-6061)作為構成 氫氣發生器1的第一介質，其中氫氣發生器1的直徑約51毫米、深度約50毫米，且各孔 道間的最短距離a約1毫米。氫氣發生器1中央的氧化區12的直徑為約13毫米且深度 為約50毫米，氧化區12內並填有約9公克的PBN氧化觸媒；預熱區14的8個孔道的直 徑為約7毫米且深度為約50毫米；重組區16的16個孔道的直徑為約7毫米且深度為約 50毫米，重組區16的孔道內並填充約43公克的重組觸媒JM-51。使用甲醇作為產氫原料，並使用甲醇及空氣的混合物作為進行氧化反應的燃 料。首先將作為燃料的甲醇以約31.8公克/小時的速率混合空氣(莫耳數比為02/C = 約1.65)，導入氧化區12進行氧化反應，使得氫氣發生器1於約332秒鐘的時間即達到約 230度的工作溫度，其中該燃料混合物的供給速率以使得氫氣的產生速率達200公升/小 時為準。測量氫氣發生器1的最高溫(氧化區12的孔道邊緣)與最低溫(氫氣發生器1 外緣)的溫差並將結果記錄於表1。隨後將液態甲醇及水分別以約96公克/小時及60 公克/小時的速率(莫耳數比為H20/C = 1.1)自預熱區入口 141導入預熱區14，使得 其於預熱區14的孔道行進過程中受熱氣化，最後由預熱區出口 143離開預熱區14並自重 組區入口 161進入重組區16的孔道中，並於行進過程中與重組觸媒JM-51進行蒸氣重組 反應，最後於重組區出口 163收集所獲得的含氫氣混合氣體，氫氣產率約為200公升/小時。測量氫 氣發生器1的溫度分布情形、計算氫氣與總甲醇的熱效率及分析所得的含氫 氣混合氣體中一氧化碳的含量，並將結果記錄於表1。實施例2 200公升/小時產氫測試以與實施例1相同的氫氣發生器及方式進行甲醇蒸氣重組反應。但是使用黃銅 (70% Cu, 30% Zn,熱傳導係數約121W/m_K)作為構成氫氣發生器1的第一介質，並 調整燃料中甲醇的供給速率以使得氫氣的產生速率達200公升/小時。測量氫氣發生器 1的溫度分布情形、計算氫氣與總甲醇的熱效率及分析所得的含氫氣混合氣體中一氧化碳 的含量，並將結果記錄於表1。比較例3 200公升/小時產氫測試以與實施例1相同構造的氫氣發生器及方式進行甲醇蒸氣重組反應。但是使用 不鏽鋼(導熱係數約15W/m_K)作為構成氫氣發生器1的第一介質，與實施例1相同， 將液態甲醇及水分別以約96公克/小時及60公克/小時的速率供給，以使得氫氣的產生 速率達200公升/小時。測量氫氣發生器1的溫度分布情形、計算氫氣與總甲醇的熱效 率及分析所得的含氫氣混合氣體成分，並將結果記錄於表1。表 權利要求
1.一種氫氣發生器，其實質上是由一第一介質所構成，包含一重組區，容置一重組觸媒，供一產氫原料進行蒸氣重組反應以產生氫氣；一氧化區，其中存在一第一氧化觸媒，供進行放熱氧化反應；以及一預熱區，其中，該重組區、氧化區與預熱區的安置，是使得於該氧化區進行氧化反應所產生 的熱供應該預熱區及該重組區，以使該產氫原料先於該預熱區預熱，接著於該重組區進 行蒸氣重組反應；且各該重組區、氧化區以及預熱區之間存在該第一介質，且相隔一至 少約0.5毫米的最短距離，該第一介質的熱傳導係數(K)為至少約60W/m-K。
2.根據權利要求1所述的氫氣發生器，其特徵在於，該第一介質的熱傳導係數是至少 約 100W/m-K。
3.根據權利要求1所述的氫氣發生器，其特徵在於，該第一介質的熱傳導係數是至少 約 200W/m-K。
4.根據權利要求1所述的氫氣發生器，其特徵在於，各該區之間的最短距離為至少 1.0毫米。
5.根據權利要求1所述的氫氣發生器，其特徵在於，該重組區、該氧化區及該預熱區 是各自由一個或多個實質上相互平行的孔道所構成，當由二個或多個孔道構成時，各該 區內的任一孔道至少與同區內的另一孔道相通，且該發生器內的各該孔道之間存在該第 一介質，且彼此相隔至少約0.5毫米的最短距離。
6.根據權利要求5所述的氫氣發生器，其特徵在於，各該孔道之間的最短距離為至少 約1.5毫米。
7.根據權利要求1所述的氫氣發生器，其特徵在於，該第一介質是選自以下群組的至 少之一鋁、鋁合金、銅、銅合金及石墨。
8.根據權利要求7所述的氫氣發生器，其特徵在於，該第一介質是鋁合金或銅合金。
9.根據權利要求1所述的氫氣發生器，其特徵在於，該產氫原料是選自以下群組C1 至C6碳氫化合物、其氧化物及前述的組合。
10.根據權利要求9所述的氫氣發生器，其特徵在於，該產氫原料是甲醇。
11.根據權利要求1所述的氫氣發生器，其特徵在於，該重組觸媒是選自以下群組 銅鋅觸媒(CuOZn(VAl2O3)、鉬觸媒(Pt/Al2O3)、鈀觸媒(Pd/Al2O3)及前述的組合。
12.根據權利要求1所述的氫氣發生器，其特徵在於，該第一氧化觸媒是選自以下群 組鉬觸媒(Pt/Al203)、鈀觸媒(Pd/Al203)、鉬鈷觸媒(Pt_Co/Al203)、經氮化硼改質的 鉬觸媒或鉬鈷觸媒(Pt-hBN/Al2O3(PBN), Pt-Co-hBN/Al2O3)及前述的組合。
13.—種氫氣發生裝置，包含一根據權利要求1至12中任一項所述的氫氣發生器；一熱交換器；以及一一氧化碳去除器，供一氧化碳於其中氧化反應成二氧化碳；其中，該氫氣發生器、熱交換器與一氧化碳去除器的安置，是使該氫氣發生器的產 物與進入該氫氣發生器的產氫原料於該熱交換器中進行熱交換，以於該產氫原料進入該 預熱區之前，先初步加熱該產氫原料；且該氫氣發生器的產物於離開該熱交換器後，進 入該一氧化碳去除器以去除所含的一氧化碳。
14.根據權利要求13所述的氫氣發生裝置，其特徵在於，於該熱交換器與該氫氣發生 器之間、以及該熱交換器與該一氧化碳去除器之間存在該第一介質，以分別連接該熱交 換器與該氫氣發生器及該一氧化碳去除器。
15.根據權利要求13所述的氫氣發生裝置，其特徵在於，該一氧化碳去除器包含一一 氧化碳反應區及一保溫區，且該一氧化碳反應區中填有一第二氧化觸媒。
16.根據權利要求15所述的氫氣發生裝置，其特徵在於，該一氧化碳反應區及該保溫 區是各自由一或多個實質上相互平行的孔道所構成，當由二或多個孔道構成時，各該區 內的任一孔道至少與同區內的另一孔道相通。
17.根據權利要求13所述的氫氣發生裝置，其特徵在於，該熱交換器及該一氧化碳去 除器是由該第一介質所構成。
18.根據權利要求13所述的氫氣發生裝置，其特徵在於，該第二氧化觸媒是經氮化硼 改質的鉬觸媒(Pt-hBN/Al203 (PBN))。
全文摘要
本發明是一種氫氣發生器及其應用，該氫氣發生器是由一第一介質所構成，包含一重組區、一氧化區及一預熱區。該重組區容置一重組觸媒，以進行一產氫原料的蒸氣重組反應產生氫氣；且該氧化區用以進行放熱氧化反應以提供一熱源，且該氧化區內存在一第一氧化觸媒。其中，該氧化區所提供的熱源供應熱能給該預熱區及該重組區，以使該產氫原料先於該預熱區預熱後，接著於該重組區進行蒸氣重組反應；且各該重組區、氧化區以及預熱區之間存在該第一介質，且相隔一至少約0.5毫米的最短距離，該第一介質的熱傳導係數(K)為至少約60W/m-K。本發明氫氣發生器所製得的含氫氣混合氣體的一氧化碳含量相當少，能直接應用於一般燃料用途。
文檔編號C01B3/38GK102020245SQ200910175008
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月16日 優先權日2009年9月16日
發明者葉冠廷, 楊勝淵, 洪嘉業, 陳世忠, 陳毓麟, 雷敏宏, 高玉玲 申請人:碧氫科技開發股份有限公司