崑 山 科 技 大 學 機 械 工 程 系

專 題 研 究 報 告

酒精燃料重組器製作及測試

Fabrication and research of reformer for methanol reforming

專題生：

4940H015 陳宗智

4940H016 陳佑明

4940H033 周弦篁

4940H038 施慶門

指導老師： 洪榮芳

Department of Mechanical Engineering Kun Shan University

Tainan, Taiwan, R.O.C. a report on a special topic

29 Apr. 2009

中華民國九十八年四月

http://tw.dictionary.yahoo.com/search?ei=UTF-8&p=%E5%B0%88%E9%A1%8C%E5%A0%B1%E5%91%8Ahttp://tw.dictionary.yahoo.com/search?ei=UTF-8&p=%E5%B0%88%E9%A1%8C%E5%A0%B1%E5%91%8Ahttp://tw.dictionary.yahoo.com/search?ei=UTF-8&p=%E5%B0%88%E9%A1%8C%E5%A0%B1%E5%91%8Ahttp://tw.dictionary.yahoo.com/search?ei=UTF-8&p=%E5%B0%88%E9%A1%8C%E5%A0%B1%E5%91%8Ahttp://tw.dictionary.yahoo.com/search?ei=UTF-8&p=%E5%B0%88%E9%A1%8C%E5%A0%B1%E5%91%8Ahttp://tw.dictionary.yahoo.com/search?ei=UTF-8&p=%E5%B0%88%E9%A1%8C%E5%A0%B1%E5%91%8A

酒精燃料重組器製作及測試

陳宗智 陳佑明 周弦篁 施慶門

崑山科技大學

機械工程系

摘要

本專題製作針對一小型甲醇重組器之熱傳損失進行探討。研究方

法係以甲醇燃料搭配一定的空氣量，在原系統與使用熱回收來進行熱

傳損失之探討。其實驗參數包括加熱功率、O2/C 比、甲醇進料率與

重組方式。探討加熱功率對冷起動方式至穩態時的壁面溫度、壁面熱

傳及冷起動溫度至穩態溫度所需時間的影響關係，並探討壁面熱傳和

產出氣體濃度、產率之間的影響關係。

當甲醇進料率 20.5cc/min 及 O2/C 比在 0.37 的條件下，來進行部

分氧化重組法，並從冷起動暫態至穩態的熱傳損失進行探討。而操作

方式為原系統及熱回收等不同操作條件下進行試驗，以期使重組器的

整體效率提升。從實驗結果發現，使用熱回收之後的熱傳損失在暫態

過程中最高降低 17~37kJ/min，而穩態方面則降低了 4~6kJ/min。另外

甲醇轉化效率當使用熱回收以後有明顯的提升，在暫態反應時最佳提

升 10%左右，在穩態反應時則提升 2~3%。穩態氫氣產率也從 53%增

加至 58%。

i

關鍵字：甲醇重組器、熱傳損失、產氫、熱回收

ii

誌謝

時光匆匆，光陰如逝，轉眼間我們四年級即將畢業，面臨這個畢

業之際，我們必須把大學必修之實務專題這門重要的學分通過，因此

我們選擇來到了“洪門”也就是“車輛能源實驗室”來完成我們該做的

事並且在此學習更多的東西。

進入了這間實驗室首先我們要感謝洪榮芳教授使學生們有這個

榮幸進入本車輛能源實驗室學習，由衷的感謝老師的殷切指導、諄諄

教誨並且以包容心和耐心的指導我們完成此專題實作。

在實驗過程也要感謝廖奕瑋學長他不畏辛苦的帶領我們做完實

務專題，引領我們看很多資料，也教導許多我們所不了解的資訊，同

時也協助我們參加了許多研討會在此非常感謝。

我們也要感謝實驗室其他的學長:邱韋丞、温智升…等，也是不

畏辛苦的教導我們其他的資訊，同時也關心我們的進度與給我們良好

的建議有關於將來的出路與生活上遇到的困難。

另外也要感謝我們的競爭對手鍾華榮、邱建文、曾偉誠、陳聰智，

因為有這組的競爭對手跟我們互相勉勵與競爭，使我們更有上進心來

做每件事情，使每件事情都能夠做的更完美。

iii

目錄

頁數

摘要 --------------------------------------------------------------- i

誌謝 --------------------------------------------------------------- iii

目錄 --------------------------------------------------------------- iv

表目錄 --------------------------------------------------------------- vi

圖目錄 --------------------------------------------------------------- vii

一、 緒論--------------------------------------------------------- 1

1-1 前言--------------------------------------------------------- 1

1-2 國內文獻--------------------------------------------------- 2

1-3 國外文獻--------------------------------------------------- 4

1-4 研究目的--------------------------------------------------- 5

二、 實驗原理及反應式--------------------------------------- 6

2.1 甲醇重組反應--------------------------------------------- 6

2-2-1 部分氧化法 POX---------------------------------------- 6

2-2-2 水蒸氣重組------------------------------------------------ 7

2-2-3 自發熱重組法------------------------------------------- 8

三、 實驗設備與方法---------------------------------------- 9

3-1 甲醇重組器---------------------------------------------- 9

3-1-1 重組器本體---------------------------------------------- 11

3-1-2 觸媒------------------------------------------------------- 13

3-1-3 燃料供應系統------------------------------------------- 14

3-1-4 溫度控制系統------------------------------------------- 19

3-1-5 氣體取樣分析系統------------------------------------- 23

3-1-6 氣相色層分析儀基本原理---------------------------- 23

3-1-7 車用廢氣分析儀---------------------------------------- 25

iv

3-1-8 氣相層析儀檢量線製作------------------------------- 27

3-2 實驗規劃------------------------------------------------- 28

3-3 實驗參數設定------------------------------------------- 29

3-4 實驗方法與步驟---------------------------------------- 30

四、 結果與討論------------------------------------------------ 32

4-1 甲醇重組器性能測試------------------------------------ 32

4-2 不同操作條件對重組性能的影響比較--------------- 33

4-3 重組器反應參數之分析探討--------------------------- 37

五、 結論及未來方向與建議-------------------------------- 40

5-1 結論--------------------------------------------------------- 40

5-2 未來研究方向與建議------------------------------------ 40

參考文獻 --------------------------------------------------------------- 42

v

表目錄

頁數

表 3-1 甲醇重組器規----------------------------------------------- 9

表 3-2 流量計規格表----------------------------------------------- 15

表 3-3 車用廢氣分析儀詳細規格-------------------------------- 26

表 3-4 GC 用之標準氣體之氣體成分( Vol.% )---------------- 28

表 3-5 甲醇進料率與 O2/C 比設定的範圍---------------------- 30

表 4-1 重組器於不同操作條件下，原系統及熱回收暫態之

反應焓及熱傳損失對氫氣產率的影響-----------------

38

vi

vii

圖 目 錄 頁數

圖 3-1 甲醇重組器系統-------------------------------------------- 10

圖 3-2 甲醇重組器系統(包裹隔熱棉)--------------------------- 10

圖 3-3 實驗配置----------------------------------------------------- 11

圖 3-4 重組器本體組合實體圖----------------------------------- 12

圖 3-5 熱電偶安裝示意圖----------------------------------------- 13

圖 3-6 金屬擔體觸媒----------------------------------------------- 14

圖 3-7 雙流體噴嘴------------------------------------------------- 16

圖 3-8 單流體噴嘴-------------------------------------------------- 16

圖 3-9 電子式空氣流量計----------------------------------------- 18

圖 3-10 浮子式液體流量計----------------------------------------- 18

圖 3-11 加熱塞-------------------------------------------------------- 19

圖 3-12 熱電偶-------------------------------------------------------- 20

圖 3-13 電源控制面板實體圖-------------------------------------- 21

圖 3-14 溫控箱之溫度顯示器-------------------------------------- 22

圖 3-15 Visi DAQ 擷取軟體---------------------------------------- 22

圖 3-16 氣密袋-------------------------------------------------------- 24

圖 3-17 冷凝器-------------------------------------------------------- 25

圖 3-18 HORIBA-554JA 車用廢氣分析儀----------------------- 27

圖 3-19 氣相層析儀需搭配化學工作站擷取分析軟體-------- 28

圖 4-1 冷起動暫態過程中，各種甲醇進料率下於不同加熱

功率對觸媒出口溫度達 200℃所需的時間------------

33

圖 4-2 暫態觸媒出口溫度對轉換效率的影響----------------- 34

圖 4-3 暫態觸媒出口溫度對熱傳損失的影響----------------- 35

圖 4-4 穩態下熱傳損失、熱效率、氫氣和 CO 產率的比較 36

一、緒論

1-1 前言

能源與我們的日常生活息息相關，同時能源是國民經濟發展的動

力，也是衡量综合國力、國家文明發達程度和人民生活水準的重要指

標，不過隨著文明的進步使得能源的消耗日趨漸增。

人類開發的能源與溫室效應有絕對的關係，因人類大量使用含碳

氫化合物的燃料，這些燃料燃燒之後會排放二氧化碳就會造成地球的

溫室效應，造成地球的氣溫變化異常，但這些碳氫化合物是我們不可

獲缺的能源。在我們日常生活上最用的上的能源那就是石油，石油也

隨著文明大量的開發造成環境的汙染，生態受到破壞，石油也漸漸的

減少甚至短缺，目前如何節約能源與保護環境是我們重要議題。人類

也開始在尋找替代能源，尋找一個乾淨又有效率的新能源如：水力、

風力、火力、生質能、太陽能、氫能及核能發電【1】。其中以氫能為

最值得我們去研究，因為氫是宇宙中最豐富的元素。

目前產氫的方式有很多種，例：燃料重組、光電化學、熱化學、

生物產氫、水電解、生植物氣化。利用這些產氫技術產出來的氫做為

燃料電池的燃料是最具有發展潛力的技術。燃料電池，是一種將化學

能轉為電能，沒有噪音，震動的問題。但燃料電池用於車輛上，具有

儲氫困難的問題，所以若將燃料重組應用在汽車上產氫，供給燃料電

1

池使用是最具有潛力的技術。

1-2 國內文獻

詹前歆【2】研究自行設計之甲醇重組器，針對冷起動暫態過程

進行實驗研究，經實驗結果得知進料率 30.3cc/min、加熱功率 240W、

加熱溫度 100℃、冷起動空氣供應率 80L/min、穩態 O/C 比 0.26 以及

穩態模式切換溫度 100℃時可在最短時間內啟動，自冷起動開始，氫

氣達最大穩定產率只要 150 秒，當觸媒出口溫度達 100℃時，開始產

氫，並約於 380℃時氫氣最大濃度約 39.9Vol.%，氫氣產出流率

22.3L/min，甲醇轉化效率可達 98%以上。蔡賢德【3】研究針對一小

型甲醇重組器產氫之暫態過程進行研究，利用自發熱重組法從節能方

向來進行探討，搭配廢熱回收方式提升產氫效果，經實驗結果發現進

料流率 24.9cc/min，熱回收方式其熱效率比原系統平均提升 12%以

上，且在此進料率下，S/C 比 1 時，最高熱效率達 77%。而吳國華【4】

所設計之甲醇重組器則利用超音波霧化器將燃料霧化再導入重組

器，實驗當中發現當進料設定在 S/C=1.8、氮氣攜行量為 8L/min、觸

媒床溫度 350℃時、有較高之氫氣濃度、甲醇轉化效率及氫氣莫耳產

率。王瑞翔【5】研究利用沈積沈澱法(deposition precipitation method)

製備以氧化鋅為支撐物的鉑催化劑，並使用 TPR、XRD、TEM、ICP

等方法來鑑定催化劑的物理與化學特性，也以不同的甲醇重組反應，

2

包括部分氧化(POM)，蒸氣重組反應(SRM)，氧化性蒸氣重組反應

(OSRM)觀察製備鉑催化活性。希望催化劑能具備高的甲醇轉化率

( CM e O H )，氫氣選擇率(SH2)與二氧化碳選擇性(SCO2)。顏世偉【6】 針

對由甲醇以水蒸氣重組反應製氫進行研究。挑選數種適合的觸媒，並

以 XRD、TPR、BET、SEM 測定其基本物理與化學性質。接著做活

性測試，在水與甲醇之莫耳比(S/C)為 1.5，氧氣與甲醇之莫耳比(O/C)

為 0.3，反應溫度 300℃之條件下，測定甲醇之轉化率、氫氣之生成

率以及副產物一氧化碳之濃度，比較這些觸媒的性能。陳永杰 【7】

以金觸媒催化甲醇重組反應製造氫氣之研究。以沉澱沉積法將金顆粒

分散在數個支撐物上，製備出高分散度的金觸媒，測試金觸媒對甲醇

重組製氫反應的選擇性與活性，並比較金觸媒對四組不同重組之程

序：甲醇分解(MD)、甲醇蒸汽重組(SRM)、甲醇部分氧化(POM)與甲

醇氧化性蒸汽重組(OSRM)反應之催化特性。

1-3 國外文獻

Pan 及 Wang【8】研究一個緊密的平鰭式重組器，由緊靠的平板

及鰭片構成，在吸熱及放熱反應下，將其放在一反應室，並利用平板

及鰭片做為熱交換的基礎、利用熱氣促使重組器觸媒氧化。其亦模擬

燃料電池中陽極氣體的排放，提供反應時所需要的熱供給重組器使

用。Park【9】等人研究微流道甲醇水蒸氣重組，是提供純度較高的

3

氫氣供給燃料電池，主要有兩個形式包括利用蒸發霧化及氧化觸媒搭

配水蒸氣重組。Lindstrom【10】等人發展微型甲醇重組器應用於 5kWe

燃料電池起作用在甲醇結合重組(CRM)其結合蒸氣重組和部分氧化

反應。利用反應後剩餘能量發展於燃料電池車輛，且結合系統在重組

時使用觸媒產生的熱，汽化及氧化液態甲醇。Gu-Gon Park【11】研

究微流道方式的重組器，以金屬片製成重組器與蒸發器為反應器單

元，其製成的重組器與蒸發器尺寸不包含附帶配件分別約為

70mm*40mm*30mm，而此反應器產生足夠的氫去供給 15We 的能量。

J. Cunha. 【12】研究奈米觸媒 CuZnAl 和甲醇自發熱蒸氣重組法所產

出的氫用在燃料電池上，並且研究三種參數 H/C、O/C、WHSV 來找

出最佳的性能數值，最佳產率發約 575 mmol kg−1 s−1。S.T. Yong, 【13】

研究由計算、模擬、測試各種數值來建立組合在燃料系統上的小型金

屬板材水蒸氣重組器系統，並且模擬最佳化的曲線。Ya Xu【14】等

人發現過濾鹼金屬的 Ni3Al 粉末對甲醇分解的高催化。氫氣產率增加

反應溫度也隨之迅速上升，此外 Ni3Al 觸媒亦可抑制甲烷的形成和水

氣轉移的反應，結果指出 Ni3Al 對於產氫有很好的發展。Tsutomu

Terazaki【15】等人，研究多層薄膜微型反應器是用陽極接合製造，

微型反應器是由 13 片薄膜組成，從測量與比較模擬的結果發現，甲

醇重組器的熱損失與重組溫度相互接近，而重組溫度約在 280℃。

4

1-4 研究目的

近年來燃料價格飆漲，眾多替代能源紛紛冒出頭，有感於現代趨

勢，本專題小組決定從『氫』方面著手，經由歷屆學長的研究已經把

甲醇重組器產氫方面已達到階段性的成效，故本組討論結果決定以探

討熱傳損失對氫氣的產量是否會產生變化，藉此實驗來驗證減少熱損

失是否會令其反應效率提升，進而使產量提升。

5

二、實驗原理及反應式

2-1 甲醇重組反應

一般甲醇重組反應簡單分為四大類，分別為部分氧化法(Partial

Oxidation, POX)、水蒸氣重組法(Steam Reforming, SR)、自發熱重組

法(Auto Thermal Reforming, ATR)、水氣轉移法(Water-gas shifting)，

SR 主要是工業利用甲烷或甲醇製氫，POX 常用於較高溫的重組器，

而自發熱重組則結合前面兩組的特色。

2-2-1 部分氧化法 POX

原理為將甲醇燃料以及適當比例的氧做為進料依據，由於含氧的

關係，因此重組過程會跟甲醇發生氧化作用，此氧化反應為放熱反

應，會產生極大的熱量【16】，因此此方法不需要額外的加熱設備，

即可自行進行重組反應，若以空氣做為氧氣來源，且不考慮甲醇燃料

汽化所需熱量，其理論反應式【17】為：

CH3OH(g)+1/2(O2(g)+3.76N2(g)) CO2(g)+2H2(g)+1.88N2(g)

△H=-192.2kJ/mole……………(2-1)

POX 的優點為暫態反應佳、反應速度快、不需額外提供熱量、冷起

動較其它方法快，缺點則是一部份甲醇因氧化反應而燒掉，因此氫氣

濃度比其它方法還要低、CO 濃度較高、容易積碳導致觸媒阻塞，影

響反應。

6

2-2-2 水蒸氣重組

水蒸氣重組則為一種吸熱反應，其最大優點是氫氣的產量高，缺

點是屬強吸熱反應，需要一個傳熱面積較大的熱交換器，例用蒸氣與

低碳之石化原料(甲醇)反應產生氫與二氧化碳其反應式如下：

CH3OH(l)+H2O(g)→CO2(g)+3H2(g)

△H 298 = 131.0KJ/mol…………...…(2-2)

若未考慮甲醇水汽化時所需的熱量，則反應是可表示為：

CH3OH(g)+H2O(g)→CO2(g)+3H2(g)

△H298=49.5KJ/mole ………….…....(2-3)

實際上這種反應含有兩個步驟：

1. 吸熱的甲醇分解反應(Methanol Decomposition Reaction)：

CH3OH(g)→CO(g)+2H2(g)

△H298=90.65KJ/mole………………(2-4)

2. 放熱的水氣轉移反應(Water gas-Shift Reaction)：

CO(g)+H2O(g)→CO2(g)+H2(g)

△H298=-41.16KJ/mol………………(2-5)

水氣轉移反應則一般都利用添加水將一氧化碳轉換為二氧化碳。

7

2-2-3 自發熱重組法

此反應係將放熱反應的燃料部分氧化，或將全氧化反應與吸熱蒸

汽重組反應結合

其反應式如下:

CH3OH(g)+(1-x)H2O(g)+1/2{O2(g)+3.76N2(g)} →CO2(g)+(3-x)H2(g)+1.88N2(g)……….(2-6)

此重組方式之優點為氫氣濃度高，熱效率也較佳，故若以自發熱重組

法為較佳的選擇。

8

三、實驗設備與方法

3-1 甲醇重組器

甲醇重組器系統分為絕熱與未絕熱系統分別(如圖 3-1)、(圖

3-2)、實驗配置圖(如圖 3-3 所示)、重組器規格(如表 3-1)，甲醇重組

器共分為重組器本體、燃料供應系統、溫度控制系統、氣體取樣系統

等。而本研究的主要設備為甲醇重組器，研究方向主要是針對降低排

放污染、節能去設計重組器。

表 3-1 甲醇重組器規格

本體

不鏽鋼管

反應室

Φ82mm(內徑)

Φ120mm(外徑)

高度 600 mm

噴嘴 甲醇、空氣

加熱器 120W×4 支加熱塞（POX）

加熱器電源 12VDC（POX）

觸媒

擔體 金 屬

直徑 φ76mm

9

長度

30 mm

成分 Pt 與 Cu-ZnO/Al2O3

孔數 230 cells/in2

圖 3-1 甲醇重組器系統

10

圖 3-2 甲醇重組器系統(包裹隔熱棉)

熱電偶式感知器

加熱塞

球閥

流量計

PumpFlow

Meter

TemperatureControl Unit

PumpCondenser

PC

Methanol Tank

Flow Meter Air

GC

觸媒

圖 3-3 實驗配置

11

3-1-1 重組器本體

本研究則以單管式為基本雛形，配合實驗需求而加以改良，重組

器本體分為四個區段，分別是燃料霧化區、觸媒、餘熱回收區、氣體

取樣區，而材料的選擇是採用耐高溫的 SUS304 不銹鋼材質，並在各

個區段焊接上法蘭，以便日後配合實驗需要更換觸媒或是改良重組器

之本體圖(3-4)。重組器的燃料霧化區上裝有四支 120W 的加熱塞及熱

電偶，而加熱塞的功用為提供燃料氧化及觸媒升溫熱量，並使觸媒能

快速達到工作溫度。而熱電偶是用來測量霧化區段間個別溫度的變化

(如圖 3-5 所示)。

圖 3-4 重組器本體組合實體圖

12

PumpFlow

Meter

Methanol Tank

Flow Meter Air

T1

T3

T5

T10 (

T9

T2

T4

T6

T1

T2

T4

T3

T11 (

圖 3-5 熱電偶安裝示意圖

3-1-2 觸媒

實驗用的觸媒是採用蜂巢式金屬觸媒(如圖 3-6 所示)，由工研院

材化所異相觸媒研究室提供，而採用蜂巢式觸媒的主要原因在於能夠

有效增加觸媒之表面積、提升重組器反應之效果。觸媒主要成份為

Pt 加上 Cu-ZnO/Al2O3 混合氧化物，觸媒直徑為 76mm 長度為 30mm，

孔數為 230cells/in2，擔體材質使用金屬，優點為觸媒反應快速，熱傳

遞效率高。

13

圖 3-6 金屬擔體觸媒

3-1-3 燃料供應系統

液體燃料供應系統功能依序如下：

1. 燃料箱：用來儲存甲醇燃料。

2. 電動燃料泵：將燃料加壓輸送到噴嘴。

3. 過濾器：過濾甲醇燃料及水燃料中的雜質。

4. 調壓器：利用控制回流到油箱中的回流多寡來控制管路中的管壓

及流量大小。

5. 浮子式流量計：依據實驗參數的需要來調整流量(流量計規格如表

3-2)。

14

6. 燃油噴嘴：燃油噴嘴用來將進入重組器的液體燃料(甲醇及水)霧

化成為小顆粒，再經由氣體溫度控制系統來將燃料汽化，以增加與觸

媒接觸時的反應效率。本實驗所使用的噴嘴為思沛雅公司所代理的產

品，甲醇噴嘴採用需氣體輔助霧化之雙流體噴嘴(如圖 3-7 所示)，廠

牌:PNR，型號:MWB2142T8B。水進料部分採用單流體噴嘴(如圖 3-8

所示)，廠牌:Hago，型號 0.60 45°BDFN，此噴嘴噴霧形狀為圓形實心，

噴霧角度 45 度。

表 3-2 流量計規格表

流量計類型 廠牌 型號 規格

空氣流量計 AALBORG GFM37 0~20 NL/min

空氣流量計 AALBORG GFM475 0~100 NL/min

水流量計 AALBORG

P16A4-BAO-052

-01-SA 0~34std.ml/min

甲醇流量計 AALBORG

P16A4-BAO-052

-01-ST

0~63.18std.

ml/min

15

圖 3-7 雙流體噴嘴

圖 3-8 單流體噴嘴

16

氣體供應系統，考慮到日後若將重組器裝於車上時的實用與方便

性,故以空氣來替代氧氣作為重組器氧氣來源，其供應流程如下：

1. 空氣壓縮機：用來加壓空氣，再將空氣輸送到過濾器。

2. 調壓過濾器：調整壓力並過濾系統中空氣的雜質、水氣與油。

3. 電子式空氣流量計：調整重組器重過程中空氣流量，(如圖 3-9 所

示)。

4. 浮子式液體流量計：調整重組器過程中甲醇流量，(如圖 3-10 所

示)

5. 空氣噴嘴：本研究所用之空氣噴嘴為自行設計之多孔噴嘴，將空

氣平均分配至重組器內部，並產生渦流且與燃料充分混合。

本實驗設備所使用的流量計共有 2 支電子式流量計，主要原因為

重組器在進行甲醇燃料霧化粒徑對於冷起動之影響時，需供應較大流

率，故同時搭配 2 支不同的空氣噴嘴來進行實驗，且電子式流量計使

用上精準度也比浮子式流量計來得高。

17

圖 3-9 電子式空氣流量計

圖 3-10 浮子式液體流量計

18

3-1-4 溫度控制系統

本系統所採用之加熱塞型號為 HKT Model PT100(Kitahava

CO.，LTD.，Japan)的產品(如圖 3-11 所示)，加熱塞加熱功率每支為

120W ，本系統共有 4 支，可提供 480W 之加熱功率，針對重組器在

部分氧化法時對氣流溫度作適當的控制。用來測量溫度的 K-type 熱

電偶(如圖 3-12 所示)，量測範圍為 0~1200℃，分別裝置於燃料霧化

區的前、中、後、觸媒入口、觸媒前段、觸媒中段、觸媒後段等。

圖 3-11 加熱塞

19

圖 3-12 熱電偶

溫度控制系統主要電路是自行依據系統需求建立而成的，而控制

加熱塞加熱，主要決定於熱電偶量測到觸媒出口的溫度訊號，即當量

測到的溫度低於加熱溫度設定值時，溫控箱即作動送出 110V 的交流

電訊號，此交流電訊號即透過系統上的電源供應器轉為 12V 直流電，

再經由加熱塞繼電器以小電流控制大電流之原理控制加熱塞作動加

熱。另外在溫控系統安全性及監控方面，本系統設置了過載保護器、

電源保險絲、多組電源開關、電流、電壓錶等，隨時監控各個加熱塞

作動情況是否有正常，電源控制面板(如圖 3-13 所示)。

溫度擷取裝置由溫控箱之溫度顯示器(如圖 3-14 所示)，將熱電偶

之訊號放大傳輸送至資料蒐集系統，由電腦加以擷取紀錄。並配合

20

VisiDAQ 擷取軟體來控制整套數據擷取系統(如圖 3-15 所示)，並將數

據紀錄於電腦中，以便日後將溫度數據整理分析。

圖 3-13 電源控制面板實體圖

21

圖 3-14 溫控箱之溫度顯示器

圖 3-15 Visi DAQ 擷取軟體

22

3-1-5 氣體取樣分析系統

氣體取樣分析系統包括氣相層析儀 (Gas chromatograph,簡稱

GC，型號 Agilent 6850)、車用廢氣分析儀(HORIBA,MEXA-554JA)、

抽氣泵、氣密袋(如圖 3-16 所示)、冷凝器(如圖 3-17 所示)。氣體從甲

醇重組器產出後，氣體經由本實驗所自行設計之冷凝器，將重組器所

產出氣體中的水分過濾掉，並且收集於集液瓶中，最後經過濾器再進

行一次過濾，濾掉氣體中的水分與雜質，再利用抽氣泵抽取重組氣體

輸送至氣密袋中並注入氣相層析儀中分析。另外一部分氣體則是用抽

氣泵送至車用廢氣分析分析儀氣體。重組氣體必須利用冷凝去除水

分，避免有水分進入儀器中，若水分進入氣相層析儀注入口汽化室

時，會損傷氣相層析儀，故在分析重組氣體時，須特別防止水分進入。

3-1-6 氣相色層分析儀基本原理

其 GC 的原理是將樣品中混合物成份利用動向的攜帶流動經靜相

後，每種樣品成分有不同的流速，因此在管柱(Column)中的流滯性相

對的也不同，因此可將混合物分離，一般的靜相是指塗佈於管柱內壁

上的高分子膜，而動相就是混合物與攜帶氣體(Carrier gas)，一般的攜

帶氣體都是惰性氣體，常用的惰性氣體有氮氣、氬氣、氦氣、氫氣等

分析物經過管柱的移動速率再由動相與靜相之間配合的比例來決

定。混合物的成分若在靜相間停滯愈久，則分析時間就會愈長。氣相

23

色層分析儀偵測器(Detector)，一般都分為熱導値偵測器(Thermal

conductivity detector，簡稱 TCD)與火焰離子偵測器(Flame ionization

detector，簡稱 FID)兩種。在本實驗中使用的 Agilent 6850 是搭配 TCD

偵測器使用。

TCD 的特性為應用範圍廣、性能穩定、不破壞樣品等優點。FID

的優點為結構簡單、靈敏度高、線性範圍寬、選擇性好、響應快速、

干擾性低、堅固容易使用等優點，但缺點是當待測氣體通過 FID 時會

遭破壞。本研究是配合化學工作站(Chem station)套裝軟體將 GC 分析

結果呈現出來，功能包含設定 GC 相關條件、升溫、降溫等。

圖 3-16 氣密袋

24

圖 3-17 冷凝器

3-1-7 車用廢氣分析儀

本研究所使用 HORIBA-554JA 車用廢氣分析儀，(如圖 3-18 所

示)。利用非發散型的紅外線氣體分析儀(Non Dispersive Infrared

Rays，簡稱 NDIR Analyzer)來量測，主要量測氣體有 CO、CO2、O2、

HC、AFR(空燃比)與 LAMBDA(空氣過剩率)等，在實驗上 HORIBA

也可將測得的 O2、CO、CO2、HC 與 GC 上測得的數值作比對。

而為了車用廢氣分析儀日後測量之準確性，則必須要定期以標準

氣體作較正。廢氣分析儀詳細規格(如表 3-3 所示)。

25

表 3-3 車用廢氣分析儀詳細規格

廠 牌 HORIBA

型 號 MEXA-554JA

量測成分及範圍

CO： 0.00 ~ 10.00% (Vol.)

HC： 0 ~ 20000ppm (Vol.)

CO2： 0.00 ~ 20.00% (Vol.)

AFR： 10.0 ~ 30.0

LAMBDA： 0.50 ~ 2.50

O2： 0.00 ~ 25.00% (Vol.)

量測最小刻度值

CO：0.01% (Vol.)

HC：0 ~ 2000ppm：2ppm (Vol.)

2000 ~ 20000ppm：10ppm (Vol.)

CO2：0.02% (Vol.)

AFR：0.1

LAMBDA：0.01

O2：0.02% (Vol.)

採樣流量 4 ~ 6 SLPM

26

圖 3-18 HORIBA-554JA 車用廢氣分析儀

3-1-8 氣相層析儀檢量線製作

氣相層析儀所分析出來的氣體成分多寡精準與否需要由檢量線

來決定，而氣相層析儀也是本研究不可或缺的重要設備(如圖 3-19)。

檢量線的決定則必須將三種不同成分之標準氣體注入分析儀中求得

檢量線，三種不同成分之標準氣體(由表 3-4 所示)。且 R2(相關係數)

須達 0.999 以上。檢量線也必須定期的重新製作，因檢量線會因工作

環境不同、管柱的老化而造成誤差，故必須定期更新。

27

表 3-4 GC 用之標準氣體之氣體成分 ( Vol. % )

H2 CO2 CO CH4 N2 1. 20.1 15 15 9.9 Bal 2. 30.1 10 10 20 Bal 3. 40.2 2.9 5.1 29.9 Bal

圖 3-19 氣相層析儀需搭配化學工作站擷取分析軟體

3-2 實驗規劃

當設備建構完成之後，接下來就是針對實驗作好完整的規劃及準

備，本專題製作將實驗方向主要規劃兩個部份：第一部分為 POX 原

系統冷起動；第二部份為 POX 冷起動使用熱回收，來進行熱傳損失

28

在不同條件下的影響，主要設定參數有不同的加熱功率、甲醇進料率

不同的 O2/C 比，分別利用原系統與熱回收，操作以上不同的數據以

POX 冷起動至穩態，以氣體產出濃度、產率以及熱效率，作為第二

代探討冷起動熱傳的基礎數據，壁面熱傳溫度以第一代所設置的 T1

外、T2 內、T3 外、T4 內、T5 外、T6 內、T7 外、T8 內之熱電偶作

為依據，探討加熱功率對冷起動至穩態時的壁面溫度由冷起動低溫至

穩態溫度的影響、壁面熱傳及冷起動溫度至穩態溫度所需時間的影響

關係，並探討壁面熱傳和產出氣體濃度、產率之間的關係。最後再針

對實驗結果做整理，與了解實驗的結果的情況，並且紀錄於本專題實

作上。

3-3 實驗參數設定

本專題研究主要的參數有加熱功率，甲醇進料率與不同的 O2/C

比分別使用原系統與熱回收，加熱功率分別有 120W、240W、480W，

甲醇進料率分別是 10.00cc/min、14.56cc/min、20.50cc/min、24.90cc/min

配合不同的 O2/C，詳細訂定如表 3-5 所示。探討其原系統與使用熱回

收的熱傳損失之影響，以及加熱功率對冷起動至穩態時的壁面溫度、

壁面熱傳的冷起動至穩態所需時間的影響關係，並探討壁面熱傳和產

出氣體濃度、產率之間的影響關係。

29

表 3-5 甲醇進料率與 O2/C 比設定的範圍

甲醇進料率

(cc/min) 空氣供應率

(L/min)

氧氣量

(L/min)

10.0 14.56 20.50 24.90

10 2.10 0.34 0.23 0.16 0.13 12 2.52 0.41 0.28 0.20 0.16 14 2.94 0.48 0.33 0.23 0.19 16 3.36 0.55 0.37 0.26 0.22 18 3.78 0.62 0.42 0.30 0.24 20 4.20 0.68 0.47 0.33 0.27 22 4.62 0.75 0.52 0.36 0.30

3-4 實驗方法與步驟

本專題製作主要採用原系統及熱回收等不同方式，配合部分氧化

法探討甲醇重組器的冷起動暫態至穩態壁面熱損失之特性，主要的實

驗步驟如下：

1. 首先要先訂定實驗規劃與實驗參數(包括甲醇供應率、O2/C 比)，

並且把實驗設備調到所需要的參數設定值。

2. 開啟氣相層析儀使達到可以測試的狀態下，約需 30 分鐘左右，

並啟動資料的搜集系統，並且打開窗戶保持室內通風。

3. 一切前置工作準備就緒後，立即開啟加熱系統，並導入空氣以加

30

熱塞先行使重組室預熱約 20 秒後，甲醇燃料供應系統即開始進

料，(此時溫度每五秒擷取一次)同時利用氣體取樣泵，經由冷凝

器，每隔 60 秒以氣密袋取樣一次。

4. 立即以氣密袋注入氣相層析儀，分析重組氣體產出的暫態特性，

直到氣體產出成分達穩定為止(每包氣密袋分析時間約 7 分鐘)。

5. 分析並整理冷起動過程，重組器各點溫度與氣體產出等數據。

6. 冷起動測試每次間隔至少 6 小時以上，待重組器本體各部位溫度

均已回到室溫後才可再進行下一次的冷起動測試。

7. 實驗完成之後，將氣相層析儀操作模式設定為降溫模式，直到爐

溫與偵測器溫度下降至待機狀態後才能關機。

8. 分析並整理冷起動過程，重組器各點溫度與氣體產出等數據。

31

四、結果與討論

4-1 甲醇重組器性能測試

圖 4-1 冷起動暫態過程中，各種甲醇進料率下於不同加熱功率對

觸媒出口溫度達 200℃所需的時間，在圖中可以發現當甲醇的進料率

設定於 10.0cc/min 時，T9 加熱到 200℃的時間隨著加熱功率的提高而

縮短，主要是因為隨著加熱功率的提高，氧化放熱量也跟著提高，促

使觸媒快速達到工作溫，而 480W 所提供加熱量較大，氧化放熱量較

大，因此較 120W 快上許多，所以到達實驗中設定溫度的時間也跟著

縮短。在甲醇的進料率為 14.6cc/min 時，以加熱功率為 120W 時最快

達到實驗設定溫度，隨著進料率的提高，加熱功率對於觸媒出口溫度

的提升速率趨緩，故其冷起動的時間差異並不明顯，但仍可看出 120W

冷起動反應的時間較快。

由以上的討論當中發現，在甲醇進料流率為 10.0cc/min 時，加熱

功率對於冷起動時間的影響最明顯的，加熱功率越大，氧化放熱量越

大，觸媒出口溫度就越快達到工作溫度。由此顯見，以冷起動暫態過

程來看，加熱功率設定正確，可以大幅縮短冷起動的時間，進一步的

減少在加熱過程當中甲醇的浪費以及加熱的能量損失。

32

100 150 200 250 300 350 400 450 50060

90

120

150

180

210

240

270

300Methanol supply rate: (Cold start air supply)Set Heating temp:100oC

Tim

e fo

r T9 t

o re

ach

200o

C (s

ec)

Heating power(w)

10.0cc/min 14.6cc/min 20.5cc/min 24.9cc/min

圖 4-1 冷起動暫態過程中，各種甲醇進料率下於不同加熱功率對觸媒

出口溫度達 200℃所需的時間

4-2 不同操作條件對重組性能的影響比較

甲醇重組器在不同操作條件，對於重組器會產生不同的特性，因

此本研究針對重組器的特性進行探討。

圖 4-2 為甲醇重組器在不同操作條件下暫態觸媒出口溫度（T9）

對轉化效率的影響。甲醇進料率為 20.5cc/min，O2/C 為 0.37；操作條

件分別為原系統及熱回收，可以看出原系統及熱回收的甲醇轉化效率

都隨著觸媒出口溫度上升而提高，熱回收的轉換效率明顯的高於原系

統，在熱回收冷起動的轉換效率比原系統要高出約 8～11％，主要原

因是重組器的本體，因為熱回收提高了外壁的溫度，減少重組器內壁

33

熱量的散失，讓觸媒反應維持工作溫度。所以由圖可發現，熱回收對

於冷起動暫態觸媒出口溫度高於原系統冷起動暫態觸媒出口溫度，故

熱回收的部份具有較高的轉化效率，在達穩態後使用熱回收的轉化效

率也比原系統高 2～3％。由以上討論發現使用熱回收之後，甲醇的

轉換效率都有明顯的提升。

50 100 150 200 250 300 350 400 450 50020

30

40

50

60

70

80

90

100

Methanol supply rate:20.5cc/minO2/C ratio:0.37

Met

hano

l con

vers

ion

effic

ienc

y (%

)

Temperature of catalyst outlet,T9 (oC)

original heat recycling

圖 4-2 暫態觸媒出口溫度對轉換效率的影響

圖 4-3 為甲醇重組器在不同操作條件下暫態觸媒出口溫度（T9）

對熱傳損失的影響。在圖中發現，操作條件為原系統時，由於能量不

斷的從外壁散失到空氣中，內部的熱量在進行甲醇的轉化又要傳遞熱

量到內壁，使整體達到觸媒對甲醇轉化的工作溫度。原系統在冷起動

期間，大量的氧化放熱，造成重組器大量的熱損失，最高約為 214 kJ

34

/min。而系統達穩態時重組器因壁面溫度穩定，所以熱損失趨緩，能

量損失約為 84kJ/min。在操作條件為熱回收時，由於系統將熱量提供

給重組器本體的外部，減少熱量逸散到空氣之中，減少熱損失，所以

在冷起動暫態時發現熱回收的熱傳損失明顯的減少達到 177kJ/min，

而在穩態時熱傳損失也趨緩到 78kJ/min 左右。整體看來，由於熱回

收將熱量提供到重組器本體達到保溫的關係，重組器熱傳的損失比原

系統還要來得少。

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

50

100

150

200

250

Methanol supply rate:20.5cc/minO2/C ratio:0.37

Hea

t tra

nsfe

r los

s (K

J/m

in)

Temperature of catalyst outlet,T9 (oC)

original heat recycling

圖 4-3 暫態觸媒出口溫度對熱傳損失的影響

圖 4-4 為甲醇重組器在不同操作條件下穩態熱傳損失、熱效率和

重組氣體產率的比較，在圖裡面可以看到系統的熱效率隨著操作條件

由原系統改變成熱回收而 提升，由於熱傳損失減少導致熱效率提

35

升，兩者之間相差的 5％，也可以發現熱回收在氫氣和 CO 產率的表

現較原系統好，原系統的氫氣產率大約為 53％，而熱回收部份則為

85 左右，約高於原系統 5％；在 CO 產率的部份，原系統的 CO 產率

約為 41％，在熱回收時約為 44%，比原系統高約 3％。由以上可以發

現，當操作條件設定為熱回收時，由於熱量對外壁的保溫效果，使得

觸媒出口持續的維持在工作溫度，減少內部傳達熱量到內壁的熱損

失，也由於熱損失的減少使觸媒工作溫度穩定，提高甲醇的轉化效

率，所以氫氣與 CO 的產率也相對的提高。

original heat-recycling0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Exp

erim

enta

l res

ults

Operating system

heat transfer loss (kJ/min) thermal efficiency (%) H2 yield (%) CO yield (%)

圖 4-4 穩態下熱傳損失、熱效率、氫氣和 CO 產率的比較

36

4-3 重組器反應參數之分析探討

接著針對甲醇重組器在不同操作條件下，各個反應參數進行分析。由

表 4-1 中探討甲醇重組器在不同操作條件下，從暫態至穩態期間，反

應焓及熱傳損失以及氫氣產率的關係探討。從表中可以得知，當甲醇

重組器採原系統時，其反應焓介於-101.51～-405 kJ/mol-CH3OH 之

間 ， 而 熱 傳 損 失 介 於 84 ～ 214kJ/min 之 間 ; 此 時 氫 氣 產 率 約 在

1%~53%，而當甲醇重組器的操作條件改為熱回收時，其反應焓介於

-85～-334 kJ/mol-CH3OH，而壁面熱損失則介於 78~177kJ/min 之間;

氫氣產率也提升至 5%~58%。因此可由此表發現，當能量損失越多，

也代表在重組過程中燃料的損失越多，使得導入重組器的燃料並沒有

充分轉化成 H2 和 CO，有一部份直接氧化成 CO2 以及 H2O，亦即反

應焓越高時表示能量釋放越多，重組過程的能量損失越大；反之，反

應焓越低，重組過程的能量損失就越少。

37

表 4-1 重組器於不同操作條件下，原系統及熱回收暫態之反應焓及熱

傳損失對氫氣產率的影響

Methanol supply rate : 20.5 cc/min O2/C : 0.37 Original system Heat recycling

Time （sec）

△H(kJ/mol) Heat transfer loss (kJ/min)

H2 yield (%)

△H(kJ/mol) Heat transfer loss (kJ/min)

H2 yield (%)

60 -405.04 214.48 0.80 -334.63 177.54 4.66 120 -158.44 104.88 41.68 -126.03 87.47 52.53180 -103.54 83.57 54.65 -112.71 87.81 50.76240 -96.35 81.15 55.41 -94.61 80.00 56.23300 -101.51 84.48 52.72 -90.00 78.13 57.57

38

五、結論及未來方向與建議

5-1結論

本實驗針對不同操作條件下對於甲醇重組器進行部分氧化之重

組法研究。探討原系統與熱回收等在進行不同操作條件下對冷起動

時，重組器的熱量損失，而提升轉換效率的效果在熱傳損失方面，與

原系統相較下，冷起動暫態之熱傳損失可減少37kJ/min 左右，而在

達穩態後可減少4kJ/min~6kJ/min 左右。而甲醇轉換效率方面，在使

用熱回收操作方式後，其轉換效率皆有明顯提升，在冷起動暫態時高

於原系統約11%左右，而在穩態後則提升2~3%；熱效率在穩態時也

比原系統高出約5%左右。而在有效利用熱回收之後，氫氣產率也明

顯從原系統的53%提升至熱回收者的58%。因此可以發現在甲醇重組

器使用熱回收後，可使本系統的整體效率明顯提升，但必須注意熱回

收氣流的導入方向與位置。

5-2 未來研究方向與建議

不論使用何種重組方法，其最終目的就是產氫，現在環保議題氫

產業已經是不可或缺的發展之ㄧ，我們未來有兩條路選擇，第一往燃

料電池發展，第二往引擎燃料發展。

一.燃料電池系統部份：

(1) 現在重組器本體的體積是一大問題，要運用在交通工具或是其他

40

機器上是不切實際的，唯有縮小體積,達到輕便無負擔的目的。

(2) 重組器作動時必定會產生熱損失，那麼就會影響到整體系統的效

率，可往如何降低熱損失甚至幾乎沒熱損失之研究。

(3) 我們希望可以把它使用在任何的電子 3C 產品上，例如：手機、電

腦、電子儀器…等。

(4) 現在雖然有攜帶型小型燃料電池出現，效果還是有限，發電量和

持久力是非常重要的，未來可以突破這一層障礙，讓電池更上一層樓。

(5) CO 產出濃度的多寡會直接影響到燃料電池，因此如何減少 CO 毒

化電池就變得很重要。

二.引擎燃料部份：

現在汽機車多是採用內燃機，短時間不可能全部汰換其他環保動

力裝置，如何降低污染，重組器就是一個很好的選擇，往後可以安裝

在排氣管，利用廢熱讓重組器作動，進而產生氫氣供給燃燒室燃燒，

而重組燃料部分可以用其他碳氫燃料，例如：甲醇、丙烷、乙醇…等，

較無污染、產氫又高的燃料，以降低 CO、CO2 和 NOX…等污染物的

產生。

41

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