等离子体重组器以及具有此等离子体重组器的内燃机系统的制作方法

专利名称：等离子体重组器以及具有此等离子体重组器的内燃机系统的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种燃料重组装置，且特别是有关于一种等离子体重组 器以及具有此等离子体重组器的内燃机系统。
背景技术：
随着工业的进步，传统能源如煤、石油及天然气的消耗量持续升高，由 于天然能源的存量有限，因此必须研发新的替代能源以取代传统能源，而燃 料电池便是一种重要且具实用价值的选择。简单来说，燃料电池透过氧化还原反应来产生电力，相较于其它发电方 式有洁净以及高效率的优点，而基本上，燃料电池以氢气作为燃料而以氧气 作为氧化剂。同时，电力的产生跟反应物的消耗是成正比的。目前业界常用得到氢气的方法，例如使用碳氢燃料(如天然气、液化石油气LPG、汽油、柴油或其它各式燃料油等)经过多步骤过程(包括初始重 组步骤以及后续数个纯化步骤)以产生氢气。最常用的碳氢燃料重组方式为 蒸汽重组(SR)、自热合重组(ATR)、以及部份氧化法(POX)。而纯化方式则为 脱疏、高/低温水移反应、选择性一氧化碳氧化或选择性的一氧化碳曱醇化步 骤。另外，还有利用"氢"选择性优良的薄膜反应器或过滤器以产生氢气的方 法，但是此种方法的技术不成熟，再加上昂贵的成本使得此方法在应用上仍 不普遍。燃料电池的应用受阻的主要因素在于氢气供应的基础设施不够普遍完 备。再加上由于氢气有相对较低的体积能量密度，因此相较于碳氢燃料，氯 气就显得不易储存与运送。解决上述问题的其中一个方法是建立分布式重组 器转化碳氢燃料成为富氢气体提供燃料电池使用。—般传统型的重组器必须依据燃料的种类选定特殊的触媒以利反应进 行。由于触媒易受燃料中各种硫化物或积碳覆盖而有毒化或失活等缺点，因 此必须定期更换触媒而导致增加成本。由于等离子体可以取代触媒促进反应的进行，因此近年来直流等离子体
燃料重组器已经受到关注。在现有的直流等离子体燃料重组器中，在低电压、 大电流的条件下形成直流电弧等离子体，电极容易受到侵蚀或熔化，而产生 电极寿命降低等问题。为了解决上述问题，而提出种种解决方案，例如采用 冷却水或是特殊电极材料以提高电才及的使用寿命，或者利用稍微提高气压的 方法来增加气体放电气氛中的阻抗，试图以此方法降低电流提高电压的方式 来保护电极。然而，传统的直流等离子体燃料重组器因为有较大能量损失的 因素，所以电功率需求往往比真实需求来的大，电源供应器输出至少都是千 瓦级以上。因此这些方法仍无法有效解决电极寿命降低的问题。发明内容本发明提供一种等离子体重组器，以高电压、低电流的输出方式降低等 离子体功率并延长电极材料使用寿命，达成更好的富氢气体重组效果。。本发明提供一种具有等离子体重组器的内燃机系统，提升内燃机的燃烧 效率、降低空气污染。本发明提出一种等离子体重组器，包括第一电极、第二电极、绝缘构件、 雾化分配器与电源供应器。第二电极与第一电极之间形成有可放电间隙。绝 缘构件设置于第一电极与第二电极之间，以隔离第一电极与第二电极，且在 绝缘构件与第一电极、第二电极之间形成涡旋气体流道，其中第二电极穿过 绝缘构件。雾化分配器设置于第一电极及/或第二电极上。电源供应器连接至 第一电极与第二电极。在本发明的一实施例中，上述的第一电极包括中空圓盘状的导电体、在 圓周方向呈对称形状的中空管状的导电体或在圆周方向呈周期性对称的中 空管状的导电体。在本发明的一实施例中，上述的第一电极包括中空圓盘状的导电体或在 圓周方向呈对称形状的中空管状的导电体。在本发明的一实施例中，上述的第一电极包括中空圆柱管状的导电体、电体:'1 、 、 5''、、、、 在本发明的一实施例中，上述的雾化分配器为将第 一 电极及/或第二电极 本身经过机械细孔加工而形成。在本发明的一实施例中，等离子体重组器还包括耐热构件，此耐热构件
设置于第一电极上。在本发明的一实施例中，上述的第二电极包括中空管状的导电体、实心 圓柱状的导电体、在圓周方向呈对称形状的网目状或轴向针状数组的导电体 或在圓周方向呈周期性对称的网目状或轴向针状数组的导电体。在本发明的一实施例中，上述的第二电极包括圓环状的导电体、圆锥状 的导电体、螺旋状的导电体或弹簧状的导电体。在本发明的一实施例中，上述的第二电极包括第二电极基座与第二电极 延伸部。第二电极延伸部连接第二电极基座，并延伸至第一电极内。在本发明的 一 实施例中，上述的第二电极延伸部包括圓环状的导电体、 圆锥状的导电体、螺旋状的导电体、弹簧状的导电体。在本发明的一实施例中，上述的雾化分配器为将第一电极及/或第二电极 本身经过机械细孔加工而形成。在本发明的一实施例中，上述的雾化分配器包括多数个孔洞，这些孔洞 可均匀或不均匀的方式分布在第二电极的表面。在本发明的一实施例中，上述的绝缘构件的材质包括高氧化铝、陶瓷、 石英、塑料或环氧树脂。在本发明的一实施例中，等离子体重组器还包括切线气体导入管，此切 线气体导入管连通涡漩气体流道。在本发明的一实施例中，上述的该电源供应器包括限电流型高频、高压交流电源供应器或是限电流型高频、高压直流电源供应器。在本发明的一实施例中，等离子体重组器可包括冷却管路，此冷却管路 设置在绝缘构件中，以冷却第二电极。在本发明的一实施例中，上述的等离子体重组器用于产生氢气以供给至 涡轮、内燃机、发电机或燃料电池。本发明提出 一种具有等离子体重组器的内燃机系统，包括等离子体重组 器、内燃机、燃料槽、高压电力分配器。等离子体重组器包括、第一电极、 第二电极、绝缘构件、雾化分配器、燃料导入管、切线气体导入管、产物气 体导出口。第二电极与第一电极之间形成有可放电间隙。绝缘构件设置于第 一电极与第二电极之间，以隔离第一电极与第二电极，且在绝缘构件与第一 电极、第二电极之间形成涡漩气体流道，其中第二电极穿过绝缘构件。雾化 分配器设置于第一电极及/或第二电极上。燃料导入管连接雾化分配器。切线
气体导入管连通涡漩气体流道，以导入空气至涡漩气体流道。产物气体导出 口连通涡旋气体流道，以导出产物气体。内燃机连接等离子体重组器的产物 气体导出口。燃料槽连接内燃机与燃料导入管，以供给燃料至内燃机与等离 子体重组器。高压电力分配器连接内燃机与等离子体重组器，对内燃机所产 生的电能进行分配并供应至内燃机与等离子体重組器。在本发明的一实施例中，上述的第一电极包括中空圓盘状的导电体、在 圆周方向呈对称形状的中空管状的导电体或在圆周方向呈周期性对称的中 空管状的导电体。在本发明的一实施例中，上述的第一电极包括中空圆柱管状的导电体、电体。在本发明的一实施例中，上述的雾化分配器为将第一电极及/或第二电极 本身经过机械细孔加工而形成。在本发明的 一 实施例中，具有等离子体重组器的内燃机系统还包括耐热 构件，此耐热构件设置于第一电极上。在本发明的一实施例中，上述的第二电极包括中空管状的导电体、实心 圆柱状的导电体、在圆周方向呈对称形状的网目状或轴向针状数组的导电体 或在圓周方向呈周期性对称的网目状或轴向针状数组的导电体。在本发明的一实施例中，上述的第二电极包括圓环状的导电体、圓锥状 的导电体、螺旋状的导电体或弹簧状的导电体。在本发明的一实施例中，上述的第二电极包括第二电极基座与第二电极 延伸部。第二电极延伸部连接第二电极基座，并延伸至第一电极内。在本发明的一实施例中，上述的第二电极延伸部包括圓环状的导电体、 圓锥状的导电体、螺旋状的导电体、弹簧状的导电体。在本发明的一实施例中，上述的雾化分配器为将该第一电极及/或第二电 极本身经过机械细孔加工而形成。在本发明的一实施例中，上述的雾化分配器包括多数个孔洞，这些孔洞 可均匀或不均匀的方式分布在该第二电极的表面。在本发明的一实施例中，上述的绝缘构件的材质包括高氧化铝、陶乾、 石英、塑料或环氧树脂。在本发明的一实施例中，具有等离子体重组器的内燃机系统还包括冷却
管路，设置在绝缘构件中，以冷却第二电极。在本发明的一实施例中，上述的冷却管路还连接至该内燃机。 在本发明的一实施例中，上述的燃料包括碳氢燃料。在本发明的一实施例中，上述的产物气体包括氢气、 一氧化碳以及氮气。本发明的等离子体重组器由于在第一电极与第二电极之间设置有环状 间隙，并且具有可产生涡凝等离子体的涡漩气体流道。因此可以形成表面放 电电弧随等离子体气体流动方向滑移的动态电弧。由于表面放电电弧随等离子体气体流动方向滑移，借以产生密度均匀的 低功率大气等离子体环。因此，可降低空间放电电流密度、提高等离子体气 体空间分布的均匀性，而提升等离子体能量与混合燃料气的交互作用面积。而且，借由动态电弧的形成，可以使直流等离子体气氛中的正离子轰击 效应分散，并能够避免电极表面侵蚀或熔化。因此，本发明的等离子体重组 器具有以低功率输出而获得大范围常压等离子体区域以及提高-氩转化率以 及延长电极材料使用寿命的功效。本发明的等离子体重组器也可以与内燃机进气系统结合，作为氢气助效 燃烧内燃机，而提升内燃机的燃烧效率、降低空气污染。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细il明如下。


图1所示为本发明的第一实施例的等离子体重组器的结构示意图。 图2所示为本发明的第二实施例的等离子体重组器的结构示意图。 图3所示为本发明的第三实施例的等离子体重组器的结构示意图。 图4所示为具有本发明的等离子体重组器的内燃机系统的示意图。 主要组件符号说明100、200、300:等离子体重组器102、202、302:第一电极104、204、304:第二电极106、206、306:绝缘构件108、208、308a、308b:雾化分配器110、210、310:电源供应器112、212、312:环状间3巨114、214、314:放电电弧116、216、316:涡旋气体流道120、220、320a、412a、 412b:燃料导入管118、218、318a:燃料导入口122、222、322、410:切线气体导入管124、224、324:耐热构件126、226、326、416:冷却管路128:冷却水导入管130、132、230、232、 330、 332:螺丝134、234、334、414:产物气体导出口204a:电极基座 204b:电4及延伸部 318b:水气导入口 320b:水气导入管400:具有等离子体重组器的内燃机系统402:等离子体重组器404:内燃才几406:燃料槽408:高压电力分配器具体实施方式
本发明的等离子体重组器例如是一种利用气体破坏放电促进碳氢燃料 与水(或含氧气体)重新组合产生富氢气体的装置。图1所示为本发明的第一实施例的等离子体重组器的结构示意图。请参照图l,等离子体重组器100例如是由第一电极102、第二电极104、 绝缘构件106、雾化分配器108、电源供应器110构成。第一电极102的材质例如是导电材料。第一电极102包括中空圆盘状的 导电体、在圆周方向呈对称形状的中空管状的导电体或在圆周方向呈周期性 对称的中空管状的导电体，例如中空圓柱管状的导电体、渐缩或渐开型喇口八 管状的导电体或内表面具有波浪状起伏的中空管状的导电体。在本实施例
中，第一电极102是以中空管状的导电体为例作说明。而且，第一电极102 例如具有大于等于l厘米的管长，而可形成反应腔体。第二电极104例如设置于第一电极102上方。第二电极104的材质例如 是导电材料。第二电极104包括中空管状的导电体、实心圆柱状的导电体、 在圆周方向呈对称形状的网目状或轴向针状数组的导电体或在圓周方向呈 周期性对称的网目状或轴向针状数组的导电体，例如圓环状的导电体、圓锥 状的导电体、螺旋状的导电体或弹簧状的导电体。在本实施例中，第二电极 104是以实心圓柱状的导电体为例作说明。而且，第二电极104例如具有小 于等于IO厘米的长度。第二电极104与第一电极102并没有直接接触，且在第二电极104与第 一电极102之间维持一定的环状间距112(可放电间隙)。环状间距112(可放 电间隙)距离介于lmm 10mm之间。当施以高电位差于第一电极102与第 二电极104之间时，环状间距112的距离保证可以产生放电电弧114。此放 电电弧114的能量用以重组-燃料(气态或液态)与水或空气混合物，成为富含 氢气与一氧化碳为主的重组气体。绝缘构件106设置于第一电极102与第二电极104之间，以隔离第一电 极102与第二电极104，并防止第一电极102与第二电极104之间的电路短 路。第二电极104穿过该绝缘构件106,且在绝缘构件106与第一电极102、 第二电极104之间形成涡旋气体流道116，作为涡漩等离子体气体流场的产 生区域。绝缘构件106的材质例如是高氧化铝、陶瓷、石英、塑料或环氧树 脂，上述材质可以单独使用，也可以混合使用。雾化分配器108例如设置于第一电极102及/或第二电极104上。雾化分 配器108可以是一般的燃料雾化喷嘴，直接安装在第一电极102及/或第二电 极104上。当然，雾化分配器108也可以为直接将第一电极102及/或第二电 极104本身经过机械细孔加工而形成。亦即直接在第一电极102及/或第二电 极104形成多数个孔洞作为雾化分配器108，其中孔洞数目大于四个，直径 为小于等于0.3mm以下。而且，孔洞可以均匀或不均匀的方式分布在第一 电极102及/或第二电极104的表面上，且位于等离子体激发处的上下游区3cm以内(包括等离子体激发区)。本实施例中，以将雾化分配器108是设 置在第二电极104为例作说明。而且。如图1所示，在第二电极104中设置有燃料导入管120,燃料导
入管120的一端连接雾化分配器108,另一端作为燃料导入口 118而连接燃料槽(未示出)。借由从燃料导入口 118导入燃料，并高压注入雾化分配器108，形成雾化的燃料反应物，而能够有效的利用周围涡漩等离子体(富自由基、 离子、电于与紫外光)气氛，促进加速反应进行。从燃料导入管120导入至雾化分配器108的燃料反应物为液态、气态或液气两相混合。雾化分配器108亦可以各种组合的方式，固接在第一电极102及/或第二电极104上。电源供应器IIO连接第一电才及102及第二电纟及104。电源供应器110例 如是限电流型高频、高压交流电源供应器或限电流型高频、高压直流电源供 应器。电源供应器110于第一电极102及第二电极104之间形成100伏特~ 35000伏特的电位差，同时使第一电极102及第二电极104之间的放电电流 范围在10毫安 2安培之间，用以重组燃料成为富含氬气的合成气体。等离子体重组器IOO也可以具有一个或多个切线气体导入管122,此切 线气体导入管122连通涡漩气体流道116,使空气、水气或混合的反应物以 高速切向喷入涡漩气体流道116,作为涡漩流场的旋转动能来源，同时使空 气、水气或氧气等反应物与从燃料导入管120导入的燃料反应物充份混合以 进入等离子体区域。等离子体重组器IOO也可以具有耐热构件124。耐热构件124例如设置 于第一电极102上。在本实施例中，耐热构件124设置于第一电极102内壁 面，以保护第一电极102以后的反应腔体不受热^坡坏。耐热构件124例如是 套入第一电极102中的同心圓管，且耐热构件124的材质包括电绝缘性的耐 热材料，例如是陶瓷纤维材料。等离子体重组器IOO也可以具有冷却管路126。冷却管路126例如设置 在绝缘构件106中，且环绕第二电极104。而且，在第二电极104中例如设 置有冷却水导入管128,冷却水导入管128连接冷却管路126。冷却水导入 管128与冷却管路126例如可通入循环冷却水，以避免第二电极104温度过 高。而且，吸收废热的循环冷却水，亦可直接导入反应区使用增加热回收率。而且，如图l所示，第一电极102与绝缘构件106之间是利用螺丝130 固定，而能够使第一电极102与绝缘构件106紧密固定，确保涡旋流道不会 发生气体泄漏。第二电极104与绝缘构件106之间是也利用螺丝132固定， 而能够使第二电极104与绝缘构件106紧密固定。接着说明本发明的等离子体重组器00的动作原理。
在本实施例中，由绝缘构件106、中空环状对称的第一电极102与实心或中空环状对称的第二电极104组合构成环状的涡漩气体流道116，作为涡 漩等离子体气体流场的产生区域。穿过绝缘构件106的第二电极104与第一 电极102之间形成有环状间距112(可放电间隙)，此环状间距112(可放电间隙)大小是作为进行高压辉光放电或气体破坏放电能量的依据。然后，从切线气体导入管122将空气、水气或混合的反应物以高速切向 喷入涡旋气体流道116,作为涡漩流场的旋转动能来源，而可产生涡漩等离 子体的气体流道。而且，将燃料反应物从燃料导入管120导入，并经由雾化 分配器108雾化后，使雾化的燃料反应物导入涡漩气体流道116。在涡漩气 体流道116中，使从切线气体导入管118导入的空气、水气或混合的反应物 与从燃料导入管120导入的燃料反应物充份混合后，再通过第一电极102与 第二电极104之间的环状间距112(可放电间隙)。当外加电源供应器IIO连接到第一电极102与第二电极104时，环状间 距112(可放电间隙)可产生高压放电能量而形成等离子体气体，并且与预混 合的空气、水气或混合的反应物、燃料反应物发生碰撞电离、燃烧或裂解等 反应而后再重组转化成富氢气体。富氢气体从产物气体导出口 134导出。电 源供应器110施加在第一电极与第二电极上的电压范围介于100伏特到 25000伏特，而第一电极102与第二电极104之间的放电电流介于10毫安到 2安培。第二电极104与第一电极102间的放电，借由涡漩气流带动而在电 极间隙圓周快速滑动称之为动态电弧，且动态电弧回旋频率为50Hz lKHz 之间，以维持准稳定等离子体气氛。由于环状涡旋气流设计可影响第一电极102与第二电极104之间形成的 放电电弧，也就是进行电弧动态环状延伸或电弧滑移控制。因此，可降低空间放电电流密度、提高等离子体气体空间分布的均匀性，而提升等离子体能量与混合燃料气的交互作用面积。而且，借由动态电弧的形成，可以使直流等离子体气氛中的正离子轰击效应分散，并能够避免电极表面侵蚀或熔化。因此，本发明的等离子体重组器100具有以低功率输出而获得大范围常压等离子体区域以及提高-氢转化率以及延长电极材料使用寿命的功效。此外，为了避免第一电极102内部的反应温度过高，也在第一电极102所形成的反应腔体内壁套入陶乾纤维材同心圓管(耐热构件124)作为耐热壁 面。另外，为了避免第二电极104温度过高，在第二电极104内部及绝缘构 件106中分别设置有冷却水导入管128与冷却管路126,以冷却第二电极104。图2所示为本发明的第二实施例的等离于体重组器的结构示意图。如图2所示，等离子体重组器200例如是由第一电极202、第二电极204、 绝缘构件206、雾化分配器208、电源供应器210构成。第一电极202的材质与构造与第一实施例相同。在本实施例中，第一电 极202是以渐缩型喇叭管状的导电体为例作说明。而且，第一电极202例如 具有大于等于1厘米的管长，而可形成反应腔体。第二电极204例如设置于第 一 电极202上方。第二电极204的材质例如 是导电材料。第二电极204例如是由电极基座204a与电极延伸部204b所构 成。电极基座204a包括中空管状的导电体、实心圓柱状的导电体或在圓周 方向呈对称形状的网目状或轴向针状数组的导电体，例如圓环状的导电体、 圓锥状的导电体、螺旋状的导电体或弹簧状的导电体。电极延伸部204b连接电极基座204a,并延伸至第一电极202内。电极 延伸部204b例如是圓环状的导电体、圓锥状的导电体、螺旋状的导电体、 弹簧状的导电体。在本实施例中，以电极基座204a为实心圆柱状的导电体、 电极延伸部204b为螺旋状的导电体为例作说明。螺旋状的电极延伸部204b延伸至第一电极202内，螺旋状的电极延伸 部204b与第一电极202维持一定的环状间距212,同时沿中心轴向延伸使电 极间隙有螺旋情况。当施以高电位差于第 一 电极202与第二电极204之间时， 间距距离保证可以产生放电电弧214,同时放电电弧214依照螺旋状的电极 延伸部204b表面，随气流动向滑移借以产生大范围且密度均匀的低功率大 气等离子体。此一放电电弧的能量用以重组-燃料(气态或液态)与水或空气混 合物，成为富含氢气与一氧化碳为主的重组气体。绝缘构件206设置于第一电极202与第二电极204之间，以隔离第一电 极202与第二电极204,并防止第一电极202与第二电极204之间的电路短 路。第二电极204穿过绝缘构件206，且在绝缘构件206与第一电极202、 第二电极204之间形成涡漩气体流道216,作为涡旋等离子体气体流场的产 生区域。绝缘构件206的材质例如是高氧化铝、陶瓷、石英、塑料或环氧树
脂，上述材质可以单独使用，也可以混合使用。雾化分配器208例如设置于第一电极202及/或第二电极204上。雾化分配器208可以是一般的燃料雾化喷嘴，直接安装在第一电极202及/或第二电 极204上。本实施例中，以将雾化分配器208是设置在第二电极204为例作说明。雾化分配器208安置在第二电极204中靠近放电电弧214附近，借由 从燃料导入口 218提供燃料经过燃料导入管220而高压注入雾化分配器208, 形成雾化的燃料反应物，而能够有效的利用周围涡漩等离子体(富自由基、 离子、电子与紫外光)气氛，促进加速反应进行。电源供应器210连接第一电极202及第二电极204。电源供应器210例 如是限电流型高频、高压交流电源供应器或限电流型高频、高压直流电源供 应器。等离子体重组器200也可以具有一个或多个切线气体导入管222,此切 线气体导入管222连通涡漩气体流道216,使空气、水气或混合的反应物以 高速切向喷入涡漩气体流道216,作为涡漩流场的旋转动能来源，同时使空 气、水气或氧气等反应物与从燃料导入管220导入的燃料反应物的充份混合 以进入等离子体区域。等离子体重组器200也可以具有耐热构件224。耐热构件224例如设置 于第一电极202上。在本实施例中，耐热构件224连接第一电极202，以保 护第 一 电极202下方的反应腔体不受热破坏。耐热构件224的材质包括电绝 缘性的耐热材料，例如是陶覺纤维材料。等离子体重组器200也可以具有冷却管路226。冷却管路226例如设置 在绝缘构件206中，且环绕电极基座204a。冷却管路226例如可通入循环冷 却水，以避免第二电极204温度过高。而且，吸收废热的循环冷却水，亦可 直接导入反应区使用增加热回收率。而且，如图2所示，第一电极202与绝缘构件206之间是利用螺丝230 固定，而能够使第一电极202与绝缘构件206紧密固定，确保涡旋流道不会 发生气体泄漏。第二电极204与绝缘构件206之间是也利用螺丝232固定， 而能够使第二电极204与绝缘构件206紧密固定。接着说明本发明的等离子体重组器200的动作原理。在此只针对和第一 实施例的不同点作说明。在本实施例中，第二电极204由电极基座204a与螺旋状电极延伸部204b
所构成。螺旋状电极延伸部204b连接电极基座204a,并延伸至第一电极202 内。螺旋状的电极延伸部204b与第一电极202维持一定的环状间距212,同 时沿中心轴向延伸使电极间隙有螺旋情况。此环状间距212大小是作为进行 高压辉光放电或气体破坏放电能量的依据。然后，从切线气体导入管222将空气、水气或氧气等以高速切向喷入涡 漩气体流道216,作为涡漩流场的旋转动能来源，而可产生涡漩等离子体的 气体流道。而且，将燃料反应物从燃料导入管220导入，并经由雾化分配器 208雾化后，使雾化的燃料反应物导入涡旋气体流道216。在涡旋气体流道 216中，使从切线气体导入管222导入的空气、水气或混合的反应物与从燃 料导入管220导入的燃料反应物充份混合后，再通过第一电极202与电极延 伸部204b之间的环状间距212(可放电间隙)。当外加电源供应器210连接到第一电极202与第二电极204时，间距距 离保证可以产生放电电弧214,同时放电电弧214依照螺旋状的电极延伸部 204b表面，随气流动向滑移借以产生大范围且密度均匀的低功率大气等离子 体。利用此一放电电弧的能量，以重组-燃料(气态或液态)与水或空气混合物， 成为富氢气体。富氢气体从产物气体导出口 234导出。由于电电弧214依照螺旋状的电极延伸部204b表面，随气流动向滑移。 因此，可降低空间放电电流密度、提高等离子体气体空间分布的均匀性，而 提升等离子体能量与混合燃料气的交互作用面积。而且，借由动态电弧的形成，可以使直流等离子体气氛中的正离子轰击 效应分散，并能够避免电极表面侵蚀或熔化。因此，本发明的等离子体重组 器200具有以低功率输出而获得大范围常压等离子体区域以及提高-氢转化 率以及延长电极材料使用寿命的功效。图3所示为本发明的第三实施例的等离子体重组器的结构示意图。 如图3所示，等离子体重组器300例如是由第一电极302、第二电极304、 绝缘构件306、雾化分配器308a、雾化分配器308b、电源供应器310构成。 第一电极302的材质与构造与第一实施例相同。在本实施例中，第一电具有大于等于l厘米的管长，而可形成反应腔体。第二电极304例如设置于第一电极302上方。第二电极304的材质与构 造与第一实施例相同。在本实施例中，第二电极304是实心圆柱状的导电体
为例作说明。在第二电极304与第一电极302之间维持一定的环状间距 312(可放电间隙)。当施以高电位差于第 一 电极302与第二电极304之间时， 环状间距312的距离保证可以产生放电电弧314。表面放电电弧314随等离 子体气体流动方向滑移，借以产生密度均匀的低功率大气等离子体环。此一放电电弧314的能量用以重组-燃料(气态或液态)与水或空气混合物，成为富 含氢气与一氧化碳为主的重组气体。绝缘构件306设置于第一电极302与第二电极304之间，以隔离第 一电 极302与第二电极304,并防止第一电极302与第二电极304之间的电路短 路。第二电极304穿过绝缘构件306,且在绝缘构件306与第一电极302、 第二电极304之间形成涡旋气体流道316，作为涡漩等离子体气体流场的产 生区域。绝缘构件306的材质例如是高氧化铝、陶瓷、石英、塑料或环氧树 脂，上述材质可以单独使用，也可以混合使用。雾化分配器308a例如设置于第二电极304上。本实施例中，在第二电 极304的最接近第一电极302的几何位置以环绕电极周围顺序进行细孔加 工，作成雾化分配器308a，而形成第二电极304与雾化分配器308a的一体 化设计。雾化分配器308b例如设置于第一电极302上。在第一电极302靠 近最适放电区域附近的位置进行细孔加工，作成雾化分配器308b,而形成第 一电极302与雾化分配器308b的一体化设计。借由从燃料导入口 318a提供 燃料经过燃料导入管320a而高压注入雾化分配器308a，形成雾化的燃料反 应物，且从水气导入口 318b提供水气经过水气导入管320b而高压注入雾化 分配器308b,形成雾化的水气，而能够有效的利用周围涡漩等离子体(富自 由基、离子、电子与紫外光)气氛，促进加速反应进行。电源供应器310连接第一电极302及第二电极304。电源供应器310例 如是限电流型高频、高压交流电源供应器或限电流型高频、高压直流电源供 应器。等离子体重组器300也可以具有一个或多个切线气体导入管322，此切 线气体导入管322连通涡漩气体流道316,使空气、水气或混合的反应物以 高速切向喷入涡旋气体流道316,作为涡旋流场的旋转动能来源，同时使空 气、水气或氧气等反应物与从燃料导入管320导入的燃料反应物的充份混合 以进入等离子体区域。等离子体重组器300也可以具有耐热构件324。耐热构件324例如设置 于第一电极302上。在本实施例中，耐热构件324连接第一电极302，以保 护第一电4及302下方的反应腔体不受热石皮坏。耐热构件324的材质包括电绝 缘性的耐热材料，例如是陶乾纤维材料。等离于体重组器300也可以具有冷却管路326。冷却管路326例如i殳置 在绝缘构件306中，且环绕第二电极304。冷却管路324例如可通入循环冷 却水，以避免第二电极304温度过高。而且，吸收废热的循环冷却水，亦可 直接导入反应区使用增加热回收率。而且，如图3所示，第一电极302与绝缘构件306之间是利用螺丝330 固定，而能够使第一电极302与绝缘构件306紧密固定，确保涡漩流道不会 发生气体泄漏。第二电极304与绝缘构件306之间是也利用螺丝332固定， 而能够使第二电极304与绝缘构件306紧密固定。接着说明本发明的等离子体重组器300的动作原理。在此只针对和第一 实施例的不同点作说明。在本实施例中，第一电极302与第二电极304上分别设置有雾化分配器 308a与雾化分配器308b。从雾化分配器308a提供雾化的燃料反应物，且从 雾化分配器308b提供雾化的水气，从切线气体导入管322将空气或氧气等 以高速切向喷入涡漩气体流道316,作为涡漩流场的旋转动能来源，而可产 生涡漩等离子体的气体流道。再通过第一电极302与第二电极304之间的环 状间距312(可放电间隙)。当外加电源供应器310连接到第 一 电极302与第二电极304时，环状间 距312(可放电间隙)可产生高压放电能量而形成等离子体气体，并且与预混 合的空气、水气或混合的反应物、燃料反应物发生碰撞电离、燃烧或裂解等 反应而后再重组转化成富氬气体。富氬气体从产物气体导出口 334导出。由于表面放电电弧随等离子体气体流动方向滑移，借以产生密度均匀的 低功率大气等离子体环。因此，可降低空间放电电流密度、提高等离子体气 体空间分布的均匀性，而提升等离子体能量与混合燃料气的交互作用面积。而且，借由动态电弧的形成，可以使直流等离子体气氛中的正离子轰击 效应分散，并能够避免电极表面侵蚀或熔化。因此，本发明的等离子体重组 器300具有以低功率输出而获得大范围常压等离子体区域以及提高-氢转化 率以及延长电极材料使用寿命的功效。在本发明的等离子体重组器中，例如可进行重组反应、蒸汽重组反应、 部份氧化反应、自热反应(蒸汽重组+部份氧化反应)、裂解反应等。而且， 在等离子体重组器后端也可以可选择性与触媒层结合，以更进一步的提高转化率。在本发明的等离于体重组器中，当使用碳氢燃料、空气、氧气或二氧化 碳气体作为部份氧化重组反应的反应物质时，所得到的主要产物包括氢气与 一氧化碳以及氮气成份。在本发明的等离子体重组器中，当使用碳氢燃料与水气作为蒸汽重组反 应的反应物质时，所得到的主要产物包括氢气与 一氧化碳成份。在本发明的等离子体重组器中，当使用碳氢燃料与空气、水气或外加二 氧化碳作为自热反应的反应物质时，所得到的主要产物包括氢气、 一氧化碳 成份与氮气。本发明的等离子体重组器可使用液态或气态碳氢燃料与空气或氧气作 为反应物质，进行重组反应而产生合成气体。本发明的等离子体重组器可使用含氢原子的工业废液与空气或氧气作 为反应物质，进行重组反应而产生合成气体。本发明的等离子体重组器可使用以液态或气态有毒化合物与空气或氧 气作为反应物质，进行裂解反应以消除物质毒性并进行废弃物处理。本发明的等离子体重组器也可以与内燃机进气系统结合，作为氢气助效燃烧内燃机。以下接着说明具有等离子体重组器的内燃机系统。图4所示为具有本发明的等离子体重组器的内燃机系统。请参照图4,具有等离子体重组器的内燃机系统400例如是由等离子体 重组器402、内燃机404、燃料槽406、高压电力分配器408所构成。等离子体重组器402例如是本发明的上述第一实施例至第三实施例所示 的等离子体重组器。在一对电极之间形成有可放电间隙。在绝缘构件与一对 电极之间形成涡旋气体流道。 一对电极的其中之一或两者上设置有雾化分配 器。等离子体重组器402例如具有切线气体导入管410、燃料导入管412a、 产物气体导出口 414以及冷却管路416。燃料导入管412a连接雾化分配器， 用以导入燃料。切线气体导入管410连通涡旋气体流道，以导入空气至涡旋 气体流道。产物气体导出口 414连通涡旋气体流道，以导出产物气体。冷却 管路416用以冷却等离子体重组器402的电极。而且，冷却管路416还连接 200610171761.9说明书第16/17页至内燃才几404。内燃机404例如具有空气导入管416与燃料导入管412b。内燃机404 的空气导入管416与等离子体重组器402的产物气体导出口连通。因此，等 离子体重组器402的产物气体(富氢气体，包括氢气、 一氧化^ 灰以及氮气)可 以和空气混合而导入内燃机404,而提升内燃机的燃烧效率、降低空气污染。 其中，等离子体重组器402的产物气体(富氢气体，包括氢气、 一氧化碳以 及氮气)与空气的混合比例可为5%~100%。内燃机404动作后，可产生电能 与动能，其中电能可传送至高压电力分配器408。燃料槽406用于储存燃料。燃料槽406通过燃料导入管412a与燃料导 入管412b而连接等离子体重组器402与内燃机404,以供给燃料至等离子体 重组器402与内燃机404。燃料包括碳氢燃料高压电力分配器408连接等离子体重组器402与内燃机404,对内燃机 404所产生的电能进行分配并供应至等离子体重组器402与内燃机404。接着说明本发明的具有等离子体重组器的内燃机系统400的动作原理。首先，由燃料槽406供给燃料至内燃机404，使内燃机404动作而产生 电能与动能。其中电能传送至高压电力分配器408。高压电力分配器408对 内燃机404所产生的电能进行分配并供应至等离子体重组器402与内燃机 404。由燃料槽406供给燃料至等离子体重组器402。利用雾化分配器使燃料 雾化后，将雾化后的燃料导入等离子体重组器内部涡漩气体流道。由切线气 体导入管410使空气高速切向喷入涡旋气体流道，并在涡旋气体流道形成涡 漩流场。在涡漩气体流道使雾化后的燃料与空气充分混合。再将高压电力分 配器408所分配的电能施加于等离子体重组器402的一对电极上，可产生高 压放电能量而形成等离子体气体，并且与预混合的空气、燃料发生碰撞电离、 燃烧或裂解等反应而后再重组转化成富氢气体。富氢气体从产物气体导出口 414导出，再与空气混合而导入内燃机404,而提升内燃机的燃烧效率、降 低空气污染。综上所述，本发明的等离子体重组器由于在第一电极与第二电极之间设 置有环状间隙，并且具有可产生涡旋等离子体的气体流道。因此可以形成表 面放电电弧随等离子体气体流动方向滑移的动态电弧。由于表面放电电弧随等离子体气体流动方向滑移，借以产生密度均匀的
低功率大气等离子体环。因此，可降低空间放电电流密度、提高等离子体气 体空间分布的均匀性，而提升等离子体能量与混合燃料气的交互作用面积。而且，借由动态电弧的形成，可以使直流等离子体气氛中的正离子轰击 效应分散，并能够避免电极表面侵蚀或熔化。因此，本发明的等离子体重组 器具有以低功率输出而获得大范围常压等离子体区域以及提高-氢转化率以 及延长电极材料使用寿命的功效。等离子体重组器可以具有耐热构件与冷却管路。耐热构件可以保护第一 电极下方的反应腔体不受热破坏。冷却管路可通入循环冷却水，以避免第二 电极温度过高。而且，吸收废热的循环冷却水，亦可直接导入反应区使用增 加热回收率。本发明的等离子体重组器也可以与内燃机进气系统结合，作为氢气助效 燃烧内燃机，而提升内燃机的燃烧效率、降低空气污染。虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何 所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作 些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求
1. 一种等离子体重组器，包括一第一电极；一第二电极，该第二电极与该第一电极之间形成有一可放电间隙；一绝缘构件，该绝缘构件设置于该第一电极与该第二电极之间，以隔离该第一电极与该第二电极，且在该绝缘构件与第一电极、该第二电极之间形成一涡漩气体流道，其中该第二电极穿过该绝缘构件；一雾化分配器，设置于该第一电极及/或该第二电极上；以及一电源供应器，连接至该第一电极与该第二电极。
2. 根据权利要求1所述的等离子体重组器，其中该第一电极包括中空圓 盘状的导电体、在圓周方向呈对称形状的中空管状的导电体或在圓周方向呈 周期性对称的中空管状的导电体。
3. 根据权利要求1所述的等离子体重组器，其中该第一电极包括中空圓的中空管状的导电体。
4. 根据权利要求1所述的等离子体重组器，其中该雾化分配器为将该第 一电极及/或该第二电极本身经过机械细孔加工而形成。
5. 根据权利要求1所述的等离子体重组器，还包括一耐热构件，设置于 该第一电极上。
6. 根据权利要求1所述的等离子体重组器，其中该第二电极包括中空管 状的导电体、实心圆柱状的导电体、在圓周方向呈对称形状(或周期性对称) 的网目状或轴向针状数组的导电体或在圆周方向呈周期性对称的网目状或 轴向针状数组的导电体。
7. 根据权利要求1所述的等离子体重组器，其中该第二电极包括圆环状 的导电体、圓锥状的导电体、螺旋状的导电体或弹簧状的导电体。
8. 根据权利要求1所述的等离子体重组器，其中该第二电极包括 一第二电极基座；以及一第二电极延伸部，连接该第二电极基座，并延伸至该第一电极内。
9. 根据权利要求8所述的等离子体重组器，其中该第二电极延伸部包括 圓环状的导电体、圓锥状的导电体、螺旋状的导电体、弹簧状的导电体。
10. 根据权利要求8所述的等离子体重组器，其中该雾化分配器为将该第 一电极及/或该第二电极本身经过机械细孔加工而形成。
11. 根据权利要求8所述的等离子体重组器，其中该雾化分配器包括多数 个孔洞，该些孔洞可均匀或不均匀的方式分布在该第二电沖及的表面。
12. 根据权利要求1所述的等离子体重组器，其中该绝缘构件的材质包括 高氧化铝、陶瓷、石英、塑料或环氧树脂。
13. 根据权利要求1所述的等离子体重组器，还包括一切线气体导入管， 连通该涡旋气体流道。
14. 根据权利要求1所述的等离子体重组器，其中该电源供应器包括限电 流型高频、高压交流电源供应器或是限电流型高频、高压直流电源供应器。
15. 根据权利要求1所述的等离子体重组器，还包括一冷却管路，设置在 该绝缘构件中，以冷却该第二电极。
16. 根据权利要求1所述的等离子体重组器，其中该等离子体重组器用于 产生氢气以供给至涡轮、内燃机、发电机或燃料电池。
17. —种具有等离子体重组器的内燃机系统，包括 一等离子体重组器，该等离子体重组器包括一第一电极；一第二电极，该第二电极与该第一电极之间形成有一可放电间隙； 一绝缘构件，该绝缘构件设置于该第一电极与该第二电极之间，以 隔离该第一电极与该第二电极，且在该绝缘构件与第一电极、该第二电 极之间形成一涡旋气体流道，其中该第二电极穿过该绝缘构件；一雾化分配器，设置于该第一电极;^/或该第二电极上； 一燃料导入管，连接该雾化分配器；一切线气体导入管，连通该涡漩气体流道，以导入空气至该涡凝气 体流道；以及一产物气体导出口，连通该涡旋气体流道，以导出一产物气体； —内燃机，连接该等离子体重组器的该产物气体导出口； 一燃料槽，连接该内燃机与该燃料导入管，以供给一燃料至该内燃机与该等离子体重组器；以及—高压电力分配器，连接该内燃机与该等离子体重组器，对该内燃机所产生的电能进行分配并供应至该内燃机与该等离子体重组器。
18. 根据权利要求17所述的具有等离子体重组器的内燃机系统，其中该 第一电极包括中空圓盘状的导电体、在圆周方向呈对称形状的中空管状的导 电体或在圓周方向呈周期性对称的中空管状的导电体。
19. 根据权利要求17所迷的具有等离子体重组器的内燃机系统，其中该 第一电极包括中空圆柱管状的导电体、渐缩或渐开型喇。八管状的导电体或内 表面具有波浪状起伏的中空管状的导电体。
20. 根据权利要求17所述的具有等离子体重组器的内燃机系统，其中该 雾化分配器为将该第一电极及/或该第二电极本身经过机械细孔加工而形成。
21. 根据权利要求17所述的具有等离子体重组器的内燃机系统，还包括 一耐热构件，设置于该第一电极上。
22. 根据权利要求17所述的具有等离子体重组器的内燃机系统，其中该 第二电极包括中空管状的导电体、实心圓柱状的导电体、在圆周方向呈对称 形状的网目状或轴向针状数组的导电体或在圓周方向呈周期性对称的网目 状或轴向针状数组的导电体。
23. 根据权利要求17所述的具有等离子体重组器的内燃机系统，其中该 第二电极包括圆环状的导电体、圓锥状的导电体、螺旋状的导电体或弹簧状 的导电体。
24 根据权利要求17所述的具有等离子体重组器的内燃机系统，其中该 第二电极包括一第二电极基座；一第二电极延伸部，连接该第二电极基座，并延伸至该第一电极内。
25. 根据权利要求24所述的具有等离子体重组器的内燃机系统，其中该 第二电极延伸部包括圓环状的导电体、圆锥状的导电体、螺旋状的导电体、 弹簧状的导电体。
26. 根据权利要求24所述的具有等离子体重组器的内燃机系统，其中该 雾化分配器为将该第 一 电极及/或该第二电极本身经过机械细孔加工而形成。
27. 根据权利要求24所述的具有等离子体重组器的内燃机系统，其中该 雾化分配器包括多数个孔洞，该些孔洞可均匀或不均匀的方式分布在该第二 电极的表面。
28. 根据权利要求17所述的具有等离子体重组器的内燃机系统，其中该 绝缘构件的材质包括高氧化铝、陶瓷、石英、塑料或环氧树脂。
29. 根据权利要求n所述的具有等离子体重组器的内燃机系统，还包括 一冷却管路，设置在该绝^彖构件中，以冷却该第二电极。
30. 根据权利要求17所述的具有等离子体重组器的内燃机系统，其中该 冷却管路还连接至该内燃机。
31. 根据权利要求17所述的具有等离子体重组器的内燃机系统，其中该 燃料包括碳氲燃料。
32. 根据权利要求17所述的具有等离子体重组器的内燃机系统，其中该 产物气体包括氢气、 一氧化碳以及氮气。
全文摘要
一种等离子体重组器，包括第一电极、第二电极、绝缘构件、雾化分配器与电源供应器。第二电极与第一电极之间形成有可放电间隙。绝缘构件设置于第一电极与第二电极之间，以隔离第一电极与第二电极，且在绝缘构件与第一电极、第二电极之间形成涡漩气体流道，其中第二电极穿过绝缘构件。雾化分配器设置于第一电极及/或第二电极上。电源供应器连接至第一电极与第二电极。
文档编号C01B3/02GK101209815SQ20061017176
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月29日 优先权日2006年12月29日
发明者施明宪, 林恒如, 萧清松, 黄廷位 申请人:财团法人工业技术研究院