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    本發明提供一種連續式產氫裝置，包括：反應容器、固體材料入口閥、液體材料入口閥、氣體出口閥及溫度控制器。該反應容器中容置一起始溶液，該起始溶液為包含氫氧化鋁的飽和水溶液。固體材料入口閥係用以添加鋁粉作為固體材料於該反應容器中，以與該起始溶液進行化學反應，產生氫氣，液體材料入口閥係用以添加水作為液體材料於該反應容器中。氣體出口閥可使反應產生的氫氣排出。溫度控制器，控制該反應容器內的溫度於一預定反應溫度範圍。
    公开号:TW201323324A
    申请号:TW100145247
    申请日:2011-12-08
    公开日:2013-06-16
    发明作者:王宏文；鄧信德
    申请人:中原大學；
    IPC主号:B01J7-00
    专利说明:
    連續式產氫裝置及其方法
    本發明係關於一種產氫裝置，特別是關於一種連續式產氫裝置及其方法。
    近來，氫氣因其重量輕、高能量密度及無污染等特性，被視為最佳的產生潔淨能源的燃料，而利用水分解反應(water split reaction)產生氫氣之化學產氫方法，特別是鋁與水的反應產生氫氣之方法，已有許多論文及專利發表，該方法在潔淨能源(clean energy)之實用化正在持續發展中。
    由於純金屬鋁會與空氣中的氧氣反應而生成一層薄的氧化鋁薄膜覆蓋在暴露於空氣中鋁表面，這層氧化鋁薄膜能防止鋁被繼續氧化，所以鋁與水的反應產生氫氣之方法，必須先破壞其表面的氧化鋁薄膜。因此，利用鋁-水反應產氫之方法，例如藉由添加促進劑，來促進產生氫氣，如此的促進劑，例如氫氧化物、氧化物、鹽類、或氧化物與鹽類之組合等，或者藉由對鋁金屬進行處理，來促進產生氫氣的反應，例如鹼金屬族、鹼土金屬族等與鋁的合金。
    美國專利第6,582,676號(A. Chaklader)揭露鋁、鎂、矽或鋅之一種金屬與水在陶瓷材料作為觸媒之存在下反應產生氫氣之方法，其中所使用的陶瓷材料為氧化物，特別是氧化鋁、碳較理想，但是這些添加物要在與鋁接觸的情況下才能發揮其效用，所以必須與鋁充分混合後，才能進行反應。
    綜上所述，使用氫氧化鈉或氫氧化鉀等強鹼破壞鋁金屬表面的氧化鋁薄膜之方式(參考例如US No. 4,308,248;6,506,306等)，反應溶液具有強鹼性，容易破壞反應容器，需要特殊的反應容器，此外使用處理過的鋁(鋁合金)之方法，因為使用了其他金屬元素，除增加製造成本外，回收時增加困難度，同時也增加回收成本。因此，在能源取得必須符合潔淨及低成本的考量下，仍亟需一新的產氫裝置及方法，達到快速反應、降低能源取得成本的目標。
    鑒於上述之發明背景，為了符合產業上之要求，本發明之目的之一在於提供一種連續式產氫裝置及其方法，僅需使用無處理過的鋁及一般自來水，可以連續地大量產生氫氣，且產生的氧化鋁(Al2O3)及氫氧化鋁(Al(OH)3(s))沈澱可以使用傳統習知的方法回收。
    本發明之目的之一在於提供一種連續式產氫裝置及其方法，藉由使用包含氫氧化鋁的飽和水溶液，亦即溶解於水中之氫氧化鋁，作為起始溶液，來連續地產生氫氣，在反應系中不再添加、包含其他金屬或金屬離子，可簡化回收方法，進而降低整體的產氫成本。
    再者，本發明之目的之一在於提供一種連續式產氫裝置，藉由使用儲氫裝置，應用本發明的產氫裝置時，可立即從儲氫裝置中提供氫氣，補償產氫裝置進行化學反應所需的時間。
    為了達到上述目的，根據本發明一實施態樣，提供一種連續式產氫裝置，包括：反應容器、固體材料入口閥(inlet)、液體材料入口閥(inlet)、氣體出口閥(outlet)及溫度控制器。該反應容器，該反應容器中容置一起始溶液，該起始溶液為包含氫氧化鋁的飽和水溶液。該固體材料入口閥(inlet)，設置於該反應容器的上部，該固體材料進口閥係用以添加鋁粉作為固體材料於該反應容器中，用以與該起始溶液進行化學反應，產生氫氣。該液體材料入口閥(inlet)，設置於該反應容器的上部，該液體材料進口閥係用以添加水作為液體材料於該反應容器中。該氣體出口閥(outlet)，設置於該反應容器的上部，使反應產生的氫氣排出。該溫度控制器，包含至少一溫度感測器，控制該反應容器內的溫度於一預定反應溫度範圍。其中，當產氫裝置第一次添加鋁粉時，鋁粉與該起始溶液進行化學反應，產生氫氣，同時該反應容器的溫度逐漸升高，該反應容器的溫度升溫至一預定溫度且低於水的沸點時，該溫度控制器控制該反應容器的溫度為該預定反應溫度範圍，當該反應容器的溫度高於一上限溫度時，開啟該液體材料入口閥，添加一預定量的水，使溫度維持於該預定反應溫度範圍內，當該反應容器的溫度低於一下限溫度時，開啟該固體材料入口閥添加鋁粉，以使反應容器連續產生氫氣。
    於一實施例，上述產氫裝置可更包括一固體回收裝置，設置於該反應容器的底部，用以回收沈澱物。
    於一實施例，上述預定反應溫度範圍可為50℃～100℃的範圍，該上限溫度為90～100℃，該下限溫度為50～90℃。
    於一實施例，上述預定溫度係在50℃～100℃的範圍。
    於一實施例，上述產氫裝置可更包括一儲氫裝置，與該氣體出口閥連接。
    於一實施例，上述鋁粉與上述起始溶液的水的重量比，可為1/5～1/15。
    於一實施例，上述起始溶液更包含平均粒徑為500nm以下的氫氧化鋁微粒子。於另一實施例，上述起始溶液的製作方法，可包括：提供一預定量之鋁粉(例如3g)；提供自來水或去離子水(例如15g)，使水與鋁粉的重量比為5～15；鋁粉與水進行反應；反應結束後，使用反應液的上層懸浮液，作為該起始溶液。
    再者，根據本發明另一實施態樣，提供一種連續式產氫之方法，包括：提供一反應容器；添加一包含氫氧化鋁的飽和水溶液至該反應容器中，作為一起始溶液；添加鋁粉(例如3 g)於該反應容器中；混合該起始溶液與該鋁粉，進行化學反應，產生氫氣；以及反應容器的溫度升溫至一預定溫度時(例如：約50～90℃，與水量有關，例如15g～45g，水量越少，溫度越高)，維持該反應容器的溫度為一預定反應溫度範圍(50℃~100℃)，當該反應容器的溫度高於該預定反應溫度範圍的上限溫度時添加水(例如100℃)，使溫度維持於該預定反應溫度範圍內，當該反應容器的溫度低於該預定反應溫度範圍的下限溫度時添加鋁粉(例如90℃)，使反應容器連續產生氫氣。
    於上述方法，上述預定反應溫度範圍可為50℃～100℃的範圍，該上限溫度為90～100℃，該下限溫度為50～90℃。
    於上述方法，上述預定溫度係在50℃～100℃的範圍。
    於上述方法，上述產氫裝置可更包括一儲氫裝置，與該氣體出口閥連接。
    於上述方法，上述鋁粉與上述起始溶液的水的重量比，可為1/5～1/15。
    於上述方法，上述起始溶液更包含平均粒徑為500nm以下的氫氧化鋁微粒子，或者上述起始溶液的製作方法，可包括：提供一預定量之鋁粉；提供水，使水與鋁粉的重量比為5～15；鋁粉與水進行反應；反應結束後，使用反應液的上層懸浮液，作為該起始溶液。於一實施例，該起始溶液可為含有氫氧化鋁微粒子之氫氧化鋁的飽和懸浮液。
    根據本發明的連續式產氫裝置及其方法，僅需使用無處理過的鋁及一般自來水，可以連續地大量產生氫氣，可容易地回收沈澱，再生成鋁，達到連續地大量產生氫氣及降低整體的產氫成本之目的。
    有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。圖示中，相同的元件係以相同的符號表示。本發明的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，且本發明的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。
    根據本發明的一實施例，揭露一種連續式產氫裝置。第一圖表示根據本發明一實施例之連續式產氫裝置的示意圖。連續式產氫裝置10包括反應容器100、固體材料入口閥(inlet)200、液體材料入口閥(inlet)300、氣體出口閥(outlet)400及溫度控制器500。
    反應容器100中容置一起始溶液，該起始溶液為包含氫氧化鋁的飽和水溶液。再者，於一實施例，該起始溶液可為含有氫氧化鋁微粒子之氫氧化鋁的飽和懸浮液，該起始溶液可更包含平均粒徑為500 nm以下的氫氧化鋁微粒子，更理想為包含平均粒徑為100 nm以下的氫氧化鋁微粒子之含有氫氧化鋁的飽和懸浮液，更加理想為包含平均粒徑為50 nm以下的氫氧化鋁微粒子之含有氫氧化鋁的飽和懸浮液。所謂「含有氫氧化鋁的飽和懸浮液」，係指水溶液中溶解氫氧化鋁達到最大量，且具有均勻分散的氫氧化鋁粒子。
    固體材料入口閥(inlet)200，設置於反應容器100的上部，該固體材料進口閥係用以添加鋁粉作為固體材料於反應容器1中，用以與該起始溶液進行化學反應，產生氫氣。液體材料入口閥(inlet)300，設置於反應容器100的上部，液體材料進口閥300係用以添加水作為液體材料於反應容器100中。氣體出口閥(outlet)400，設置於反應容器100的上部，使反應產生的氫氣排出。溫度控制器500，包含至少一溫度感測器，例如熱電偶(thermocouple)，控制反應容器100內的溫度於一預定反應溫度範圍，例如50℃～100℃的範圍，可依據反應容器的設計調節該反應溫度範圍。
    例如，在產氫裝置10中，第一次添加鋁粉3.0 g，此時，鋁粉與該起始溶液進行化學反應，產生氫氣，同時該反應容器的溫度逐漸升高。當反應容器100的溫度升溫至約90℃時(低於水的沸點100℃)，溫度控制器500為了控制反應容器100的溫度為50～100℃的溫度範圍，當反應容器100的溫度高於100℃時，開啟該液體材料入口閥，添加一預定量的水(少量的水，例如5毫升)，降低反應容器100的溫度，使溫度維持於50～90℃範圍內，當反應容器100的溫度低於90℃時，開啟該固體材料入口閥添加鋁粉，以使反應容器連續產生氫氣。該溫度範圍(50～100℃)與水量有關，可以依據需要調節該範圍。例如3 g鋁粉與15 g水，在70℃的情形下，15分鐘內將產生2860毫升的氫氣。於本範例中，僅使用少量的反應物說明產氫裝置10的反應條件，但本發明的產氫裝置不限於此範例，根據應用領域，可調整反應容器的體積、溫度、上限溫度、下限溫度等各種條件。
    根據本發明的產氫裝置，可更包括一固體回收裝置(未圖示)，設置於該反應容器的底部，用以回收沈澱物。該固體回收裝置，可利用習知的構件實施，例如使用歧管，將凝集的沈澱物分離，再使液體回流至反應容器中，或者使用過濾網的方式實施，只要是保留懸浮粒子，收集凝集巨大的沈澱物之方法即可。再者，產氫裝置10，可更包括一儲氫裝置，與該氣體出口閥連接。該儲氫裝置，可利用習知的構件實施，可立即從儲氫裝置中提供氫氣，補償產氫裝置進行化學反應所需的時間。
    根據本發明人等的實驗數據，發現鋁粉與包含氫氧化鋁之飽和水溶液中水的重量比為1/5～1/15較理想。
    第二圖表示根據本發明另一實施例之連續式產氫裝置的示意圖。連續式產氫裝置11，除固體材料入口閥(inlet)200以及液體材料入口閥(inlet)300的位置不同外，其他構成與連續式產氫裝置10的構成相同。但本發明不限於第一圖及第二圖的構成，只要可使固體與液體充分接觸即可。當然，為了提高固體與液體的混合，可依據反應容器的大小，設置習知的攪拌器。
    再者，根據本發明的另一實施例，揭露一種連續式產氫之方法。該連續式產氫之方法，包括以下步驟：提供一反應容器；添加一包含氫氧化鋁的飽和水溶液至該反應容器中，作為一起始溶液；添加鋁粉於該反應容器中；混合該起始溶液與該鋁粉，進行化學反應，產生氫氣；以及反應容器的溫度升溫至一預定溫度時，維持該反應容器的溫度為一預定反應溫度範圍，當該反應容器的溫度高於一上限溫度時添加水，使溫度維持於該預定反應溫度範圍內，當該反應容器的溫度低於一下限溫度時添加鋁粉，使反應容器連續產生氫氣。該預定溫度可在50℃～100℃的範圍，該預定反應溫度範圍可為50℃～100℃的範圍，該上限溫度可為90～100℃，該下限溫度為50～90℃，可依據反應的狀況調整溫度範圍、上限溫度及下限溫度。
    上述起始溶液的製作方法，包括：提供一預定量之鋁粉；提供水，使水與鋁粉的重量比為5～15；鋁粉與水進行反應；反應結束後，使用反應液的上層懸浮液，作為該起始溶液。例如，使用3 g鋁粉與15 g水，在70℃下，進行反應15分鐘，取上層懸浮液，可得到包含氫氧化鋁的飽和懸浮(suspension)液。再者，於一實施例，該起始溶液可為含有氫氧化鋁微粒子之氫氧化鋁的飽和懸浮液，可更包含平均粒徑為500 nm以下的氫氧化鋁微粒子，更理想為包含平均粒徑為100 nm以下的氫氧化鋁微粒子之含有氫氧化鋁的飽和懸浮液，更加理想為包含平均粒徑為50 nm以下的氫氧化鋁微粒子之含有氫氧化鋁的飽和懸浮液。所謂「含有氫氧化鋁的飽和懸浮液」，係指水溶液中溶解氫氧化鋁達到最大量，且具有均勻分散的氫氧化鋁粒子。
    綜上所述，連續式產氫裝置及其方法，藉由使用包含氫氧化鋁的飽和水溶液，亦即溶解於水中之氫氧化鋁，作為起始溶液，來連續地產生氫氣，在反應系中不再添加、包含其他金屬或金屬離子，可簡化回收方法，進而降低整體的產氫成本。
    以上雖以特定實施例說明本發明，但並不因此限定本發明之範圍，只要不脫離本發明之要旨，熟悉本技藝者瞭解在不脫離本發明的意圖及範圍下可進行各種變形或變更。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
    100．．．反應容器
    200．．．固體材料入口閥
    300．．．液體材料入口閥
    400．．．氣體出口閥
    500．．．溫度控制器
    第一圖表示根據本發明一實施例之連續式產氫裝置的示意圖。
    第二圖表示根據本發明另一實施例之連續式產氫裝置的示意圖。
    100．．．反應容器
    200．．．固體材料入口閥
    300．．．液體材料入口閥
    400．．．氣體出口閥
    500．．．溫度控制器
    权利要求:
    Claims (17)
    [1] 一種連續式產氫裝置，包括：一反應容器，該反應容器中容置一起始溶液，該起始溶液為包含氫氧化鋁的飽和水溶液；一固體材料入口閥(inlet)，設置於該反應容器的上部，該固體材料進口閥係用以添加鋁粉作為固體材料於該反應容器中，用以與該起始溶液進行化學反應，產生氫氣；一液體材料入口閥(inlet)，設置於該反應容器的上部，該液體材料進口閥係用以添加水作為液體材料於該反應容器中；一氣體出口閥(outlet)，設置於該反應容器的上部，使反應產生的氫氣排出；以及一溫度控制器，包含至少一溫度感測器，控制該反應容器內的溫度於一預定反應溫度範圍。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之產氫裝置，其中當產氫裝置第一次添加鋁粉時，鋁粉與該起始溶液進行化學反應，產生氫氣，同時該反應容器的溫度逐漸升高，該反應容器的溫度升溫至一預定溫度且低於水的沸點時，該溫度控制器控制該反應容器的溫度為該預定反應溫度範圍，當該反應容器的溫度高於一上限溫度時，開啟該液體材料入口閥，添加一預定量的水，使溫度維持於該預定反應溫度範圍內，當該反應容器的溫度低於一下限溫度時，開啟該固體材料入口閥添加鋁粉，以使反應容器連續產生氫氣。
    [3] 如申請專利範圍第1項所述之產氫裝置，更包括一固體回收裝置，設置於該反應容器的底部，用以回收沈澱物。
    [4] 如申請專利範圍第1項所述之產氫裝置，其中該預定反應溫度範圍為50℃～100℃的範圍，該上限溫度為100℃，該下限溫度為90℃。
    [5] 如申請專利範圍第2項所述之產氫裝置，其中該預定溫度係在50℃～100℃的範圍。
    [6] 如申請專利範圍第1項所述之產氫裝置，更包括一儲氫裝置，與該氣體出口閥連接。
    [7] 如申請專利範圍第1項所述之產氫裝置，其中鋁粉與該起始溶液的水的重量比為1/5～1/15。
    [8] 如申請專利範圍第1項所述之產氫裝置，其中該起始溶液的製作方法，包括：提供一預定量之鋁粉；提供水，使水與鋁粉的重量比為5～15；鋁粉與水進行反應；反應結束後，使用反應液的上層懸浮液，作為該起始溶液。
    [9] 如申請專利範圍第1項所述之產氫裝置，其中該起始溶液更包含平均粒徑為500nm以下的氫氧化鋁微粒子。
    [10] 如申請專利範圍第1項所述之產氫裝置，其中該起始溶液為含有氫氧化鋁微粒子之氫氧化鋁的飽和懸浮液。
    [11] 一種連續式產氫之方法，包括：提供一反應容器；添加一包含氫氧化鋁的飽和水溶液至該反應容器中，作為一起始溶液；添加鋁粉於該反應容器中；混合該起始溶液與該鋁粉，進行化學反應，產生氫氣；以及反應容器的溫度升溫至一預定溫度時，維持該反應容器的溫度為一預定反應溫度範圍，當該反應容器的溫度高於一上限溫度時添加水，使溫度維持於該預定反應溫度範圍內，當該反應容器的溫度低於一下限溫度時添加鋁粉，使反應容器連續產生氫氣。
    [12] 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該起始溶液的製作方法，包括：提供一預定量之鋁粉；逐漸在鋁粉上添加水，使水與鋁粉的重量比為5～15；進行鋁粉與水之反應；反應結束後，使用反應液的上層懸浮液，作為該起始溶液。
    [13] 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該鋁粉與該起始溶液的水的重量比為1/5～1/15。
    [14] 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該預定反應溫度範圍為50℃～100℃的範圍，該上限溫度為100℃，下限溫度為90℃。
    [15] 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該預定溫度係在50℃～100℃的範圍。
    [16] 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該起始溶液更包含平均粒徑為500nm以下的氫氧化鋁微粒子。
    [17] 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該起始溶液為含有氫氧化鋁微粒子之氫氧化鋁的飽和懸浮液。
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