TWI609130B - Waste heat recombination hydrogen production device - Google Patents

Description

廢熱重組產氫裝置

本發明是有關於一種產氫裝置，特別是指一種廢熱重組產氫裝置。

提高引擎燃燒效率及降低粒狀污染物(particulate matter，PM)與粒狀污染物顆粒數(particle number，PN)的排放，是目前運輸產業積極改善的問題。

於現有的技術中，氫能源已被證實是極具發展潛力的潔淨能源技術，也是車輛載具最佳的能源載體，可同時整合化石能源(汽/柴油、壓縮天然氣(compressed natural gas，CNG)/液化石油氣(liquefied petroleum gas，LPG))、生質能源、電能，及熱能以進行能源型態轉換。

一般而言，氫氣產生方式可分為高壓產氫、液態產氫、金屬產氫、化學產氫、電解產氫，及重組產氫。其中，重組產氫技術應用於引擎時，具有提高引擎燃燒效率與減少排氣污染的效益，且做為車載燃料電池輔助動力系統(auxiliary power unit，APU)的應用時，則能提供駕駛在車輛惰轉、停車，或臥鋪期間的電力需求，提高燃料經濟性。

目前國際車廠與相關設備製造商陸續發表氫氣對於引擎性能提升與污染減量等相關應用，然而，現有應用於車輛的重組產氫設備皆為獨立系統，於使用上需額外裝載，且重組反應過程須自行提供熱量幫助反應進行，而無法有效利用引擎產生的廢熱進行熱能管理，進而造成能量使用效率低。此外，若重組產氫的反應為水蒸氣重組法(steam reforming，SR)或自發熱重組法(autothermal reforming，ATR)時，則需增加燃料水溶液之體積與重量，及考量保存與油水分離等問題。

因此，本發明的目的，即在提供一種利用引擎廢熱作為重組產氫反應熱源的廢熱重組產氫裝置。

於是，本發明廢熱重組產氫裝置是適用於裝設在一車輛的一廢氣排放口，該廢熱重組產氫裝置包含一加熱腔、一反應腔，及一導管單元。

該加熱腔界定出一包括一進氣口與一出氣口的加熱室，該進氣口與該廢氣排放口相連通。

該反應腔設置於該加熱室內且不與該加熱室相連通，包括一界定出一反應空間的反應腔體，及一設置於該反應空間中的觸媒單元。

該導管單元包括一進油導管、一進氣導管，及一產物導管，該進油導管的一端穿過該加熱腔並與該反應空間相連通，另一端與一供油單元相連接，該進氣導管纏繞於該反應腔體上，且其中一端會穿過該加熱腔，而其中另一端與該反應空間相連通，該產物導管的一端與該反應空間相連通，而另一端穿出該加熱腔。

較佳地，本發明廢熱重組產氫裝置還可包含至少一穿過該加熱腔並可用於加熱該反應腔的該反應空間的預熱器。

本發明的功效在於，將廢熱重組產氫裝置直接裝設在車輛的廢氣排放口，利用引擎產生的廢熱作為熱量來源，而與纏繞在反應腔體的進氣導管中的空氣進行熱交換，再透過車輛自有的供油單元提供燃料，以有效利用引擎的廢熱進行產氫反應，還可進一步設置該預熱器，以於引擎尚未起動或該觸媒單元溫度不足時，主動提供該觸媒單元所需的熱源。

參閱圖1~圖3，本發明廢熱重組產氫裝置的一第一實施例，適用於裝設在一車輛(圖未示)的一廢氣排放口100，該廢熱重組產氫裝置包含一加熱腔2、一反應腔3，及一導管單元4。

具體地說，該加熱腔2界定出一包括兩分別位於相反側的一進氣口211與一出氣口212的加熱室21。將該加熱腔2安裝與該廢氣排放口100先連接，以使該進氣口211與該廢氣排放口100相連通。於本實施例中，該進氣口211為法蘭口態樣，能易於安裝在該車輛的一排氣管101並緊密的連通該廢氣排放口100，使該車輛的一引擎(圖未示)排放的廢氣所產生的廢熱透過該廢氣排放口100輸入至該加熱腔2的該加熱室21中，再由該出氣口212排出。

該反應腔3設置於該加熱室21內且不與該加熱室21相連通，並包括一界定出一反應空間310的反應腔體31、三個分別貫穿該反應腔體31而與該反應空間310相連通的進油孔32、進氣孔33與輸出孔34、一設置於該反應空間310中的觸媒單元35，及兩設置於該反應空間310中而分別位於該觸媒單元35的相反兩端並分別鄰近該進氣口211與該出氣口212的持溫件36。

其中，該進油孔32與該進氣孔33鄰近該加熱腔2的該進氣口211處，該輸出孔34鄰近該加熱腔2的該出氣口212處。也就是說，於本實施例中，該加熱腔2及該反應腔3的該反應腔體31的態樣是相似於該車輛的該排氣管101而呈中空套管狀，使該進氣口211與該出氣口212分別位於套管狀之一軸線的兩相反端，而便於安裝並整合於該車輛中。要說明的是，該加熱腔2及該反應腔3的形狀可視實際安裝位置及設計而可具有不同形狀並不限於此，且該加熱腔2及該反應腔3的形狀亦非本發明之重點，故於此不加以贅述。該觸媒單元35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，於本實施例中，是以顆粒狀的觸媒載體為例做說明。該等持溫件36是由多孔性陶瓷材料所構成，能協助提高該觸媒單元35於後續反應時的反應溫度，以達到持溫的效果，相關反應過程容後說明。

該導管單元4包括一進油導管41、一進氣導管42，及一產物導管43。該進油導管41的一端穿過該加熱腔2並連接該進油孔32而與該反應空間310相連通，而另一端與該車輛的一供油單元102相連接，使該供油單元102的油料藉由該進油導管41與該進油孔32輸入至該反應空間310中，其中，該供油單元102可以直接是該車輛自有的油箱或是額外安裝於該車輛的外加油箱，且該供油單元102所提供的油料可為汽油、柴油，或是生質燃油。較佳地，該車輛可為具有柴油引擎的車輛。

該進氣導管42具有一纏繞段421，及分別與該纏繞段421的兩端連通的進氣段422與輸氣段423。該纏繞段421由鄰近該進氣口211往該出氣口212方向纏繞於該反應腔體31上並位於該加熱室21，該進氣段422連接該纏繞段421之鄰近該進氣口211的一端並穿出該加熱腔2，該輸氣段423的兩端分別連通該纏繞段421之鄰近該出氣口212的一端及該進氣孔33，從而能將外在的一反應空氣透過該進氣段422導入該纏繞段421而與該加熱室21內的廢熱進行熱交換後，再透過該輸氣段423將其輸入至該反應空間310中。於本實施例中，該進氣導管42是以高導熱係數的材質所製成，使在該進氣導管42內流動的該反應空氣能有效率地與該加熱室21內的廢熱進行熱交換。

該產物導管43的一端連接該輸出孔34與該反應空間310相連通，而另一端則穿出該加熱腔2，使在該反應空間310中產生的產物由該輸出孔34經該產物導管43輸出。

詳細地說，當該車輛發動後，其引擎排放的廢氣及廢熱會經由該進氣口211進入該加熱腔2，此時，外在的該反應空氣也被引入該進氣導管42中，由於該進氣導管42的該纏繞段421是以線圈方式纏繞著該反應腔體31，可增加該反應空氣的傳輸路徑並增進熱交換的面積，而可利用位在該加熱腔2中的廢熱藉由熱交換的方式有效的加熱該纏繞段421中的該反應空氣，接著，經加熱的該反應空氣透過該輸氣段423輸入至該反應空間310中，於此同時，一併將該供油單元102的油料由該進油導管41輸入至該反應空間310中，此時，將呈高溫的該反應空氣與油料於該反應空間310中混合部分氣化使其達到反應溫度(＞650℃)，並透過該觸媒單元35進行觸媒催化反應，從而產生富氫合成氣體，而經由該產物導管43輸出。前述藉由部分氣化催化產生的富氫合成氣體的方式與該供油單元102供應的油料及反應空氣的混合比例，決定於油料的碳莫耳數及反應空氣的氧莫耳數，因此，會視使用的油料或是氣體的含氧量不同而有所差異，由於此氧/碳莫耳比值的控制範圍比例為本技術領域所周知，故於此不再多加贅述。

此處要說明的是，該等持溫件36的目的是用以提高該觸媒單元35的反應溫度並增進池溫效果，然而，實際實施時，若該反應腔3的持溫效果較佳時，也可不需設置該等持溫件36，或是僅設置於該觸媒單元35的其中一側邊即可。此外，值得一提的是，本發明廢熱重組產氫裝置透過套管式的組裝設計而緊密地安裝於安裝於該排氣管101上，能避免該引擎所排放之廢氣的壓力損失，且本發明廢熱重組產氫裝置供該廢氣的空間流速是大於該引擎的最大排氣流量，因此，不會影響該引擎排氣背壓(back pressure)。

另外要特別說明的是，當發明的車輛為一般柴油引擎車輛，該供油單元102即為該車輛本身的油箱，該供油單元102所提供的油料則為柴油或含不同比例的生質燃油，而適用於壓燃引擎。此外，本發明廢熱重組產氫裝置的該產物導管43是可視需求的連接至不同裝置以產生不同功效，例如可連接至該車輛的該引擎、或可連接至該車輛的一廢氣後處理器103，或可連接至該車輛的一燃料電池輔助動力系統(圖未示)的其中至少一種。也就是說，該產物導管43也可同時分別連接至例如該引擎與該廢氣後處理器103，而將產出的富氫合成氣體導出利用，並不限於單一位置導出。

詳細地說，由於富氫合成氣體中的氫氣(H ₂)具有火焰傳播速度快、可燃極限 (flammability limits)範圍廣，及熄滅直徑小的特性，而其中的一氧化碳(CO)能提高絕熱火焰溫度，因此，當該產物導管43是連接該車輛的該引擎，使該產物導管43輸出的富氫合成氣體於該引擎氣缸內進行摻燒時，能提供該引擎達到超稀薄(Ultra-lean)燃燒條件，進一步地提升該引擎燃燒效率，並降低油耗與污染排放。

當該產物導管43是連接該車輛的該廢氣後處理器103時，該產物導管43輸出的富氫合成氣體能結合該廢氣後處理器103的再生技術，以提升排氣溫度，從而提高柴油碳微粒濾清器(diesel particulate filter，DPF)的再生效果，及提高選擇性觸媒還原(selective catalytic reduction，SCR)系統在冷起動與低溫情況的氮氧化物(NO _x)的轉化效率，能有效控制排氣污染。

當該產物導管43是連接該車輛的該燃料電池輔助動力系統(APU)時，該產物導管43輸出的富氫合成氣體能做為車載燃料電池輔助電力系統之反應氣體。

配合參閱圖4，本發明廢熱重組產氫裝置的一第二實施例大致相同於該第一實施例，其不同處在於，該第二實施例之該廢熱重組產氫裝置還包含至少一個預熱器5(圖4中以兩個預熱器5為例說明)。該等預熱器5是穿過該加熱腔2與該反應腔3，並包括一位於該反應空間310中的加熱段51。其中，該等預熱器5位於該反應空間310的位置並沒有特別限制，只要能對該反應空間310提供熱源即可。較佳地，於本實施例中，其中一該加熱段51是位於該持溫件36與該進油孔32之間，而其中另一該加熱段51則是位於該等持溫件36之間而與該觸媒單元35直接接觸。藉由設置該預熱器5而將其加熱段51伸入該反應空間310中，可於引擎尚未起動或反應溫度不足時，主動提供反應所需熱源，從而提高輸出富氫合成氣體的流率的穩定性，並可讓該廢熱重組產氫裝置於該車輛引擎未發動的狀態下，也可主動合成富氫合成氣體。

綜上所述，本發明廢熱重組產氫裝置，直接裝設在該車輛的該廢氣排放口100，以利用引擎產生的廢熱作為熱量來源，以與進氣導管42進行熱交換，再配合車輛自有的供油單元102提供燃料，從而有效利用引擎的廢熱進行產氫反應，並能輔以該等持溫件36提高該觸媒單元35反應溫度以增進持溫效果；此外，藉由讓廢氣的空間流速大於該引擎的最大排氣流量，而不會影響該引擎排氣背壓；還可進一步設置該預熱器5於引擎尚未起動或該觸媒單元35溫度不足時，主動提供該觸媒單元35所需的熱源，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

100‧‧‧廢氣排放口

101‧‧‧排氣管

102‧‧‧供油單元

34‧‧‧輸出孔

35‧‧‧觸媒單元

36‧‧‧持溫件

103‧‧‧廢氣後處理器

2‧‧‧加熱腔

21‧‧‧加熱室

211‧‧‧進氣口

212‧‧‧出氣口

3‧‧‧反應腔

31‧‧‧反應腔體

310‧‧‧反應空間

32‧‧‧進油孔

33‧‧‧進氣孔

4‧‧‧導管單元

41‧‧‧進油導管

42‧‧‧進氣導管

421‧‧‧纏繞段

422‧‧‧進氣段

423‧‧‧輸氣段

43‧‧‧產物導管

5‧‧‧預熱器

51‧‧‧加熱段

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一立體圖，說明本發明廢熱重組產氫裝置的一第一實施例； 圖2是一局部剖面圖，輔助說明圖1之該第一實施例連接一車輛的一廢氣排放口； 圖3是一局部剖面圖，說明本發明廢熱重組產氫裝置與一車輛的一廢氣排放口、一供油單元，及一廢氣後處理器的連接關係；及 圖4是一局部剖面圖，說明本發明廢熱重組產氫裝置的一第二實施例

2‧‧‧加熱腔

21‧‧‧加熱室

211‧‧‧進氣口

212‧‧‧出氣口

3‧‧‧反應腔

31‧‧‧反應腔體

310‧‧‧反應空間

32‧‧‧進油孔

34‧‧‧輸出孔

35‧‧‧觸媒單元

36‧‧‧持溫件

41‧‧‧進油導管

42‧‧‧進氣導管

421‧‧‧纏繞段

422‧‧‧進氣段

423‧‧‧輸氣段

33‧‧‧進氣孔

43‧‧‧產物導管

Claims (10)

1. 一種廢熱重組產氫裝置，適用於裝設在一車輛的一廢氣排放口，該廢熱重組產氫裝置包含： 一加熱腔，界定出一包括一進氣口與一出氣口的加熱室，該進氣口與該廢氣排放口相連通； 一反應腔，設置於該加熱室內且不與該加熱室相連通，包括一界定出一反應空間的反應腔體，及一設置於該反應空間中的觸媒單元；及 一導管單元，包括一進油導管、一進氣導管，及一產物導管，該進油導管的一端穿過該加熱腔並與該反應空間相連通，另一端與一供油單元相連接，該進氣導管纏繞於該反應腔體上，且其中一端會穿過該加熱腔，而其中另一端與該反應空間相連通，該產物導管的一端與該反應空間相連通，而另一端穿出該加熱腔。
2. 如請求項1所述的廢熱重組產氫裝置，還包含至少一穿過該加熱腔並可用於加熱該反應腔的該反應空間的預熱器。
3. 如請求項1所述的廢熱重組產氫裝置，其中，該加熱室的該進氣口與該出氣口分別位於兩相反側，該反應腔還包括一該進油導管連通的進油孔、一與該進氣導管連通的進氣孔，及一與該產物導管連通的輸出孔，該進油孔、該進氣孔，及該輸出孔皆貫穿該反應腔體而與該反應空間相連通，該進油孔與該進氣孔鄰近該加熱腔的該進氣口，該輸出孔鄰近該加熱腔的該出氣口。
4. 如請求項3所述的廢熱重組產氫裝置，其中，該反應腔還包括兩位於該反應空間中而分別設置於該觸媒單元的相反兩端的持溫件，且該等持溫件分別鄰近該進氣口及該出氣口。
5. 如請求項3所述的廢熱重組產氫裝置，其中，該進氣導管具有一纏繞段，及分別與該纏繞段的兩端連通的進氣段與輸氣段，該纏繞段由鄰近該進氣口往該出氣口方向纏繞於該反應腔體上並位於該加熱室，該進氣段連接該纏繞段並穿過該加熱腔，該輸氣段分別與該纏繞段及該進氣孔連通。
6. 如請求項3所述的廢熱重組產氫裝置，其中，該產物導管之穿出該加熱腔的該端是連接車輛的一引擎。
7. 如請求項3所述的廢熱重組產氫裝置，其中，該車輛還包含一廢氣後處理器，該產物導管之穿出該加熱腔的該端是連接該廢氣後處理器。
8. 如請求項3所述的廢熱重組產氫裝置，其中，該車輛還包含一燃料電池輔助動力系統，該產物導管之穿出該加熱腔的該端是連接該燃料電池輔助動力系統。
9. 如請求項1所述的廢熱重組產氫裝置，其中，該供油單元為供應柴油或生質燃油。
10. 如請求項1所述的廢熱重組產氫裝置，其中，該車輛具有一柴油引擎，且該供油單元即為該車輛的一油箱。