四、 金屬加工
依照 RP 製霧化器之冷流實驗結果並考量金屬加工的限 制，對重組器進行了設計上的改良，其成品如下圖所示。
金屬加工材質為鋁合金AL-6061，其表面有進行陽極處理，
為 5~35μm 的 Al2O3，功用乃增加硬度、電絕緣性、抗腐蝕性 等，致使重組器能承受更惡劣的工作環境。
圖 2.4-1 重組反應區上視 圖 2.4-2 重組反應區側視
圖 2.4-3 霧化器出口頂端 圖2.4-4 霧化器出口側視
圖2.4-5 擋板 圖 2.4-6 噴嘴側視
圖 2.4-7 甲醇儲存槽內部 圖2.4-8 甲醇儲存槽側視
圖2.4-9 重組器出口
圖2.4-10 重組器組裝圖 五、 重組觸媒
Sud-Chemie 公司製作之觸媒，其作用在於轉化甲醇成為氫 氣。在商用觸媒之中，MDC-3 有良好氫氣轉化率。與成份相同 組成不同的 Nissan-Girdler 公司製作的 G66B 比較之後可以發 現，在 350℃的高反應溫度下，隨著時間的經過，G66B 的甲醇
轉化率逐漸的下降，但是MDC-3 卻一直維持著接近百分之百的 高轉化率。因此MDC-3 的穩定性以及耐久性都優於 G66B。
關於MDC-3 之成份，Sud-Chemie 公司的網頁上只有列出成 份，並沒有明確的指出其組成比例。但是在搜尋過許多資料之 後，發現在有列出 MDC-3 成份之文獻，都標示出其組成為 CuO:ZnO:Al2O3 = 38:41:21 (wt%)[4,10,11]。這應該可以視為 MDC-3 之成份與組成的可能比例。
表 2.5-1 MDC-3 與 G66B 組成之比較[10]
圖2.5-1 MDC-3 與 G66B 觸媒能力比較[10]
因為無法取得MDC-3，Sud-Chemie 公司所研製適合甲醇重
組氫氣使用之觸媒，轉而使用力揚工業股份有限公司所配置的 銅鋅鋁觸媒，比例為CuO:ZnO: Al2O3=34:41:21。載體規格為外 徑52 mm，200 cpsi，長度分別為 30 mm 與 70 mm。其目的是為 了探討重組器的最佳操作長度。
實驗用所使用規格如下：
表 2.5-2 本研究所使用觸媒規格
尺寸(mm) 密度 配方 重量 數量
1 D55X70L 200cpsi ~300g 2 2 D55X30L 200cpsi
Cuo 38%
ZnO 41%
Al2O3 21% ~129g 2
圖2.5-2 觸媒上視圖 圖2.5-3 觸媒側視圖
六、 重組實驗
本實驗是利用甲醇和水從低濃度到高濃度的高度互溶特 性，先按實驗所需比例預混後，再由蠕動式幫浦送入重組器內 的甲醇儲存槽。而後以空氣或氮氣為攜帶氣體，依設定流量進 入儲存槽內噴嘴將甲醇水溶液霧化及輸入反應區段。並以外部
加熱方式加熱反應區段的觸媒，使其達到反應所需溫度，促使 重組反應發生。加熱系統額外設計，對於熱效率的評估及系統 的安全性均有較好控制。反應後的氣體先經過冷凝器冷卻，再 進入氣體的組成分析系統進行分析。
(一) 實驗設備
參考之前實驗室之前的霧化設備，再根據目前實驗的特別 需求。熱流實驗的設備如圖2.6-1、圖 2.6-2 所示。實驗設備包 括：蠕動式幫浦、反應氣體流量計、產出氣體流量計、溫度擷 取系統、冷凝器、氣體組成分析系統。
圖2.6-1 熱流實驗設備示意圖
圖2.6-2 熱流實驗設備
1. 燃料供應
初期實驗得從外部持續供應燃料入甲醇儲存槽來維 持反應的進行，同時能避免因重複拆裝而造成的影響。本 實驗中，甲醇水溶液透過蠕動式幫浦由血清瓶輸入甲醇儲 存槽。蠕動式幫浦是由本實驗是自行裝備，使用選配之馬 達、幫浦頭及染料管，搭配自流電源供應器，用以提供所 需流量。
蠕動式幫浦主要元件：
(1) 幫浦頭：MasterFlex， L/S standard Pump Heads, Max.
600rpm， nominal torque load 6.5kgf-com，operating temp. 0~40℃。
(2) 輸送管：Silicon Tube
(3) 自流馬達：祥儀工業，型號 IG42GM-01，減速比 1/17，
額定扭力8.1Kg-cm，額定轉速 325rpm
(4) 自流電源供應器
圖2.6-3 蠕動式幫浦
2. 加熱及溫控系統
重組反應所需的熱能乃來自電熱系統。所使用之電熱 片安裝在反應區觸媒床外圍，其最大輸出功率為 500 瓦 特，加熱電源由PID-SCR 溫控箱所控制。
圖2.6-4 PID-SCR 溫控箱
3. 溫度擷取
利用直徑1/16”，K-type grounded 的熱電偶，量測觸媒 橫切面上核心與周圍兩端溫度變化。數據擷取是由 NI-PCI 6024E 數據擷取卡配合外接盒 SCB68，而驅動程式是以 LabView 軟體所編寫來將存取資料。
圖2.6-5 溫度擷取系統
4. 氣體冷卻與氣液分離
氣體組成分析儀無法在操作於高溫與高溼度的工作環 境；而重組器出口的氣體溫度介於250~300℃，因此氣體必 需的倒冷卻及氣液分離方能被分析。
冷凝設備：
(1) 冷凍櫃
(2) 銅管繞成螺旋狀，負責將引入高溫重組氣體，並且能以 最小體積增加氣體被冷凝的距離，增加冷凝效果。
(3) 血清瓶，接在銅管末端以收集冷卻後液體。
(4) 軟管，將冷凝後氣體引離冷凝器。
圖2.6-6 冷凝器
圖2.6-7 冷凝器內部
5. 氣體的組成分析
氣體組成分析是同時使用Fisher-Rosemount MLT Online Analyzer 與氣相層析儀(HP 5890 series II)兩套氣體分析系 統。
(1) 氣相層析儀
氣相層析儀用作氣體成分分析，層析法是將混合中的 成分藉由流動相的攜帶流經固定相，因樣品成分之差異導 致不同的移動速率而將之分離。在氣相層析法中的惰性載 流氣體(Carrier Gas)即為流動相，至於固定相是將高分子液
態薄膜滯留在細粉的表面上或是均勻塗佈在毛細管璧 上。分析物經過管柱的移動速率是由流動相和固定相之間 的分配比來決定，混合物中的成分在固定相遲滯愈久，則 會花較長的時間流出管柱，因此能將各成分分離。氣體偵 測原理上普遍使用由熱導偵測器(Thermal Conductivity Detector ， TCD) 與 火 焰 游 離 偵 測 器 (Flame Ionization Detector，FID)兩種。熱導偵測器(TCD)具有結構簡單、性 能穩定、靈敏度高、應用範圍廣、可偵測有機物及無機物、
不破壞樣品等優點。當有分析分析出現時，氣流的熱導性 會改變而被偵測。其感應元件是電熱元件，在固定功率下 其溫度與周圍氣體的熱導性有關。加熱元件可以是金屬絲 或熱電阻器，由其電阻可量度氣體的導熱性。火焰游離偵 測器(FID)是使用最為廣泛的偵測器，係利用 H2在 O2中燃 燒生火焰，當樣品成分在火焰中產生離子(離子化)時，與 電場作用下形成離子流，收集於電極成為電流而加以偵 測。電流的大小與離子數成正比，可用於偵測有機化合 物。其結構簡單、響應快、靈敏度高、線性範圍廣、選擇 性好、低干擾性、堅固且易於使用；但是會破壞樣品。HP 5890 series II 配有兩套 TCD，可同時使用兩種不同氣體作 為參考氣體，氬氣與氦氣，因為氫氣的熱導值與氬氣相差 較遠，而一氧化碳的熱導值卻與氬氣相近，所以用來分析 一氧化碳濃度的參考氣體需要用氦氣，才能同時分析氫氣 與一氧化碳。氣相層析儀的主要操作條件如表2.6-1。
表2.6-1 氣相層析儀的主要操作條件及程溫設定
(2) Fisher-Rosemount MLT Online Analyzer
Fisher-Rosemount MLT Online Analyzer 使用非分散 性紅外線(NDIR)來當一氧化碳與二氧化碳的濃度分析，而 分析氫氣使用的是TCD。分析一氧化碳的莫耳濃度範圍為 1~3000ppm 及 0~20%等；而分析二氧化碳的莫耳濃度範圍 為0~30%；分析氫氣的莫耳濃度範圍為 0~80%。
這兩項分析系統差別在Fisher-Rosemount MLT Online Analyzer 可以線上即時偵測氫氣、一氧化碳、二氧化碳的 莫耳濃度，供以判斷但是重組反應是否已達到穩態；但無 法偵測其他氣體(如氮氣、氧氣等)的莫耳濃度。針對這項
缺失，可由氣相層析儀來作完整的氣體分析。
圖2.6-8 Fisher-Rosemount MLT Online Analyzer
參、結果與討論
甲醇水溶液輸出量介於1~3sccm，隨空氣流量正變化。霧化粒徑 介於 4~8μm，隨空氣流量增加而下降。促使燃料霧化的高空氣 流量同時增加氧氣對甲醇比例(O/C ratio)，造成甲醇被燃燒而影 響重組反應。圖3.1-2 為 S/C=1 時霧化 O/C 比對空氣流量的變化。
Air Flow Rate (LPM)
Liquid Flow Rate (sccm)
0
Liquid flow rate SMD
圖3.1-1 低燃料進料量與霧化粒徑對空氣流量之變化
0.00
Air Flow Rate (LPM)
O/C molar ratio
數列1
7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 Air Flow Rate (LPM)
Liquid Flow Rate (sccm)
0
Liquid flow rate SMD
圖3.1-3 高燃料進料量與霧化粒徑對空氣流量之變化
0.00
7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 Air Flow Rate (LPM)
O/C molar ratio
數列1 作溫度為 600~800℃，介於 0.045~0.06mol。氫氣產生隨 S/C 增 加而下降。圖3.2-2 至 3.2-5 分別為 S/C 從 0.5~2.0 之反應平珩結 果。
0 200 400 600 800 1000
0 200 400 600 800 1000
0 200 400 600 800 1000
H2O(g) H2(g)
CH4(g) 0.25~0.45mole，操作溫度介於 600~700℃，圖 3.2-6 至 3.2-10 分 別為S/C 從 0.5~2.0 之反應平衡結果。
0 200 400 600 800 1000
H2O(g)N2(g)
CO(g)
CH4(g) CO2(g)
圖3.2-6 S/C 為 0.5 反應平衡結果
CO2(g) CO(g)
CH4(g)
圖3.2-7 S/C 為 1 反應平衡結果
0 200 400 600 800 1000
肆、結論
本研究基於以往經驗及參考國內外微小型重組器文獻，重新 設計一微小型重組器，其規格約為500 cm3，預期可達到約30 W 的產氫能量。藉由氣助式噴嘴的霧化特性，霧化器噴嘴經設計改 良，其進料率符合實驗需求。預期能將使重組器之產氫之氧氣-甲 醇質量比能達到預定規格；有關霧化器霧化性能結果亦發表於霧 化相關之國際研討會。
有關重組器的性能，先以化學平衡方式計算其可能的重組反 應及大致產氫概況，至於有關重組之實驗設備仍在進行組裝測試 中，俟有進一步成果，再進行補報告。
伍、參考文獻
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國立成功大學航空太空工程學系，2002 年。
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