CN119968927A - 等离子体装置与气体裂解方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及等离子体装置与方法。该等离子体装置包括内电极以及外电极。该内电极包括界定第一空腔的壁，且该第一空腔的开口被配置为接收第一气体。该外电极环绕该内电极。该内电极具有延伸穿过该内电极的该壁的通孔，使得该第一空腔通过该通孔与等离子体生成区域流体连通，该等离子体生成区域位于该内电极与该外电极之间。该内电极可围绕第一旋转轴旋转，且该第一旋转轴延伸穿过该第一空腔。本公开的一些实施例特别涉及等离子体装置与气体裂解方法。

Description

等离子体装置与气体裂解方法

交叉引用

本申请要求在2022年7月22日提交的申请号为63/391，421、名称为“通过等离子体裂解碳氢化合物气体同时生产碳和氢的方法”的美国临时专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本公开涉及等离子体装置与方法。本公开的一些实施例特别涉及等离子体装置与气体裂解方法。

背景技术

等离子体被认为是除了固态、液态及气态以外的物质的第四态。其被定义为一种物质状态，其中电子、离子及电中性粒子共存于同一空间中。等离子体技术在许多产业中被广泛使用。使用等离子体中的高能量粒子与物质作用可导致增强反应(enhancedreactions)。根据运作环境与工作压力(working pressure)，等离子体可被分为真空等离子体(vacuum plasma)、大气等离子体(atmospheric plasma)及高压等离子体(high-pressure plasma)，各自有其应用领域。举例而言，真空等离子体一般用于涂装。欲被涂装的材料被制作成靶材并放置于阴极。一额外的气体例如氩气被用为工作气体(或载送气体)，且一电压被施加以从工作气体中生成等离子体。该等离子体被用以撞击靶材使得材料溅镀至欲被涂装的基材上，从而达成在基材上的涂装。大气等离子体一般应用于表面改质或清洗。用于大气等离子体处理的工作气体可包括氮气、氧气、氩气、空气或前述气体的组合，其在大气压力下被用以生成等离子体。生成的等离子体一般施加于物体的表面以作为表面处理应用。

当使用等离子体裂解碳氢化合物为氢气与碳时，裂解工艺中生成的碳将涂布于电极上，此将停止等离子体生成及碳氢化合物的等离子体裂解。为避免此问题，氮气、氧气、氩气、空气或前述气体的组合被用为主要工作气体以生成等离子体。如此一来，在一些例子中，仅有小量(例如低于10％)的碳氢化合物气体可进入装置中，且解离效率(dissociationefficiency)与产率(product yield)相对较低。

发明内容

本公开提供一种等离子体装置。该等离子体装置包括一内电极以及一外电极。该内电极包括界定一第一空腔的一壁，且该第一空腔的一开口被配置为接收一第一气体。该外电极环绕该内电极。该内电极具有延伸穿过该内电极的该壁的一通孔，使得该第一空腔通过该通孔与一等离子体生成区域流体连通，该等离子体生成区域位于该内电极与该外电极之间。该内电极可围绕一第一旋转轴旋转，且该第一旋转轴延伸穿过该第一空腔。

在一实施例中，该内电极与该外电极皆为实质上管状。

在一实施例中，该外电极与该内电极为同轴地配置。

在一实施例中，该等离子体装置还包括机械耦接至该内电极的一旋转元件，使得该内电极可围绕该第一旋转轴旋转。

在一实施例中，该旋转元件包括一轴承或一转子。

在一实施例中，该等离子体装置还包括耦接至该内电极的一马达，该马达被配置为提供一旋转驱动力以围绕该第一旋转轴旋转该内电极。

在一实施例中，该通孔被配置为从该第一气体的一气流获得一旋转驱动力，该气流为由该第一空腔通过该通孔至该等离子体生成区域，且该旋转驱动力围绕该第一旋转轴旋转该内电极。

在一实施例中，在该内电极的一截面上，该通孔的一延伸方向与该通孔的一径向方向之间的一第一夹角介于约5度至约85度，且该截面与该内电极的一纵轴垂直。

在一实施例中，该通孔的一延伸方向与一轴向方向之间的一第二夹角介于约5度至约85度，该轴向方向与该内电极的一纵轴重合，且自该第一空腔内的一点延伸至该第一空腔的该开口。

在一实施例中，该等离子体装置还包括被配置为使该第一气体能够流入该第一空腔的一进气口。

在一实施例中，该等离子体装置还包括耦接至该进气口的一气体容器，且该气体容器容纳该第一气体。

在一实施例中，该等离子体装置还包括环状配置于该外电极与该内电极之间的一绝缘层。

在一实施例中，该等离子体装置还包括电性连接至该内电极与该外电极二者的一电源供应器，且该电源供应器被配置为在该内电极与该外电极之间提供一电压。

在一实施例中，该等离子体装置还包括被配置为接触该内电极的一外表面并相对于该内电极的该外表面移动的一刮除单元。

在一实施例中，该刮除单元环绕该内电极的该外表面，并被配置为在沿该内电极的一纵轴的一第一方向以及一第二方向上移动，该第二方向与该第一方向反向。

在一实施例中，该刮除单元包括一第一刮片，一第二刮片，以及连接该第一刮片与该第二刮片的一连接件。该第一刮片被配置为接触该内电极的该外表面并相对于该内电极的该外表面移动，且该第二刮片被配置为接触该外电极的一内表面并相对于该外电极的该内表面移动。

在一实施例中，该等离子体装置还包括被配置为输出一第二气体与一固体产物的一出口，该第二气体与该固体产物产自该第一气体。

在一实施例中，该等离子体装置还包括连接至该出口的一分离装置，该分离装置被配置为从该第二气体中分离该固体产物。

在一实施例中，该分离装置包括一集尘器与连接至该集尘器的一滤网。

在一实施例中，该等离子体装置还包括于该外电极的一端连接至该外电极的一底盖，且该出口设置于该底盖。

在一实施例中，该外电极包括嵌入于该外电极的一壁的一气体管路，且该气体管路被配置为引入该第一气体至该等离子体生成区域。

在一实施例中，该第一气体包括一碳氢化合物气体。

本公开提供一种方法。该方法包括通过一第一空腔的一开口引入一第一气体至该第一空腔，该第一空腔由一内电极的一壁界定。该方法包括将该第一气体由该第一空腔通过一延伸穿过该内电极的该壁的通孔流动至一等离子体生成区域，该等离子体生成区域位于该内电极与一围绕该内电极的外电极之间。该方法包括通过在该内电极与该外电极之间施加一电压，在该等离子体生成区域生成一等离子体。该方法包括使用该等离子体裂解该第一气体。该方法包括围绕一第一旋转轴旋转该内电极，且该第一旋转轴延伸穿过该第一空腔。

在一实施例中，生成该等离子体包括由一部分的该第一气体生成该等离子体。

在一实施例中，该第一气体包括一碳氢化合物气体。

在一实施例中，该方法还包括从一出口输出一产物，该产物由裂解该第一气体产生。

在一实施例中，该产物包括一第二气体与一固体产物。

在一实施例中，该方法还包括通过一分离装置从该第二气体中分离该固体产物。

在一实施例中，该方法还包括将该第二气体输入至一发电机。

在一实施例中，旋转该内电极包括从该第一气体的一气流获得一旋转驱动力，该气流为由该第一空腔通过该通孔至该等离子体生成区域。

在一实施例中，旋转该内电极包括由一马达提供一旋转驱动力，该马达耦接至该内电极。

在一实施例中，该方法还包括通过一刮除单元移除附着于该内电极的一固体产物。

在一实施例中，该方法还包括通过该第一气体的一气流冷却该内电极，该气流为由该第一空腔通过该通孔至该等离子体生成区域。

在一实施例中，引入该第一气体包括由一气体容器引入该第一气体至该第一空腔。

在一实施例中，该方法还包括于该第一气体被引入至该第一空腔之前，加热该第一气体。

在一实施例中，该方法还包括通过一气体管路引入该第一气体至该等离子体生成区域，该气体管路嵌入于该外电极的一壁。

附图说明

图1A与图1B为根据本公开一实施例的一等离子体装置的示意图。

图2为根据本公开一实施例的一等离子体装置的示意图。

图3A与图3B为根据本公开一实施例的一内电极的示意图。

图4为根据本公开一实施例的一内电极的示意图。

图5A与图5B为根据本公开一实施例的一刮除单元的示意图。

图6为根据本公开一实施例的一刮除单元的剖面示意图。

图7为根据本公开一实施例的一等离子体装置的示意图。

图8为根据本公开一实施例的一等离子体装置的示意图。

图9为根据本公开一实施例的一方法的流程图。

具体实施方式

本文中所使用的词汇是用来描述本发明特定具体实施例中的细节，所有的词汇应以最大的范畴做合理解读。某些词汇将在以下特别强调；任何限制性用语将由具体实施例定义。于本发明中，等离子体装置的构件与功效可以下列图式与实施例来说明，然而图式中所示等离子体装置的尺寸及形状并不对本发明的技术特征构成限制。

本说明书中的用语「位于…上」可表示直接接触或间接位于中间元件或中间层之上。空间相对用语如「在下(beneath)」、「下方(below)」、「较低(lower)」、「上方(above)」、「较高(upper)」与其他相对用语，在此可能用来方便描述图式中的元件或特征与另一(另一些)元件或特征之间的关系。除了图式中描述的方向，这些空间相对用语目的在包括装置使用或运作的不同方向。例如当图式中的装置上下翻转，描述为在其他元件或特征「下方」或「在下」的元件将会变为定位在其他元件或特征「上方」。因此，举例中的用语「下方」包括上方与下方方向。这些设备可能会以另一种方式定位(旋转90度或在其他方向上)，因此可利用同样的方式来解释在此所使用的空间相对符号。

图1A与图1B为根据本公开一实施例的一等离子体装置的示意图。图1B为图1A中等离子体装置沿A-A’线的剖面示意图。如图1A与图1B所示，等离子体装置100包括内电极104以及外电极105。内电极104包括界定第一空腔119的壁104a，其中第一空腔119的开口104b被配置为接收第一气体109。外电极105环绕内电极104，并界定位于内电极104与外电极105之间的等离子体生成区域106。内电极104可具有延伸穿过内电极104的壁104a的通孔118，使得第一空腔119通过通孔118与等离子体生成区域106流体连通，等离子体生成区域106位于内电极104与外电极105之间。如此一来，第一气体109能够通过开口104b流入第一空腔119，并接着通过通孔118流入等离子体生成区域106。在一些实施例中，内电极104可具有多个延伸穿过内电极104的壁104a的通孔118。

内电极104可包括不锈钢(stainless steel)、铜(copper)、石墨(graphite)、钼(molybdenum)、铝(aluminum)、任何适当导电材料或前述的组合。外电极105可包括不锈钢、铝、任何适当导电材料或前述的组合。在如图1A与图1B所示的实施例中，内电极104为实质上管状(substantially tubular-shaped)，且第一空腔119的开口104b位于内电极104的第一端104e。内电极104的第二端104f可为封闭的，其中第二端104f与第一端104e相对。然而本公开不限于此。外电极105亦可为实质上管状。在一些实施例中，外电极105与内电极104为同轴地配置(arranged coaxially)。在一些实施例中，位于内电极104与外电极105之间的间隙为固定大小。尽管所示的内电极104与外电极105沿其纵轴(longitudinal axis)具有固定的半径，在一些实施例中，内电极104与外电极105的半径可沿其纵轴变化。举例而言，内电极104及/或外电极105可为中空锥状(hollow conical shaped)。

如图1A与图1B所示，外电极105环绕内电极104的第二端104f。在一些实施例中，内电极104的长度小于外电极105的长度。在一些实施例中，内电极104可具有约20毫米(mm)至约300毫米的长度。在一些实施例中，外电极105可具有约30毫米至约500毫米的长度。内电极104可具有约5毫米至约50毫米的内径104i以及约20毫米至约70毫米的外径104o。内电极104的壁104a可具有约7.5毫米至约10毫米的厚度。外电极105可具有约25毫米至约100毫米的内径105i以及约30毫米至约110毫米的外径105o。外电极105的壁105a可具有约2.5毫米至约5毫米的厚度。这些数值仅为例示，并非用以限定本公开内容。

内电极104可围绕第一旋转轴104c旋转，其中第一旋转轴104c延伸穿过内电极104的第一空腔119。在一些实施例中，第一旋转轴104c可与内电极104的纵轴(例如图3A、图3B与图4所示的纵轴104n)重合。换句话说，内电极104可围绕其纵轴旋转。本文所称的纵轴可意指一沿着长度方向，例如沿着内电极104的第一端104e至第二端104f的方向，并穿过其重心的轴。具体而言，等离子体装置100被配置为使得内电极104可被驱动以旋转，特别是当等离子体装置100运作时。在一些实施例中，等离子体装置还包括一装置，例如提供旋转驱动力以旋转内电极的马达(于图7中有更详尽的描述)。在一些实施例中，内电极可被配置为被第一气体的气流驱动以旋转，该气流穿过内电极的壁(于图3A与图3B中有更详尽的描述)。如此一来，在等离子体裂解过程中于内电极104的外表面累积固体产物的问题可被缓解，且等离子体装置100能够持续运作一段合理时间而无须引入额外的工作气体。因此，可增加解离效率与产率，且可避免与额外的工作气体反应而形成非期望的副产品(side products)。另外，可降低因固体产物的累积导致等离子体装置维护(maintenance)与停机(downtime)的频率。

如图1A与图1B所示，等离子体装置100还包括进气口102。进气口102可于第一空腔119的开口104b耦接至内电极104，并被配置为使第一气体109能够流入第一空腔119。在一些实施例中，等离子体装置100还包括气体容器108。气体容器108可容纳第一气体109，且可耦接至进气口102以提供第一气体109至第一空腔119内以进行等离子体裂解。在一些实施例中，气体容器108可为加压气体容器。在一实施例中，等离子体装置100可还包括被配置为控制第一气体109进入第一空腔119的流速的进气阀101(gas-intake valve)。

在一些实施例中，第一气体109包括碳氢化合物气体，例如烷类(alkanes)、烯类(alkenes)、环烷类(cycloalkanes)与芳香碳氢化合物(aromatic hydrocarbons)，包括但不限于甲烷(methane)、乙烷(ethane)、丙烷(propane)、丁烷(butane)、乙烯(ethylene)、天然气(natural gas)、压缩天然气(compressed natural gas,CNG)、石油气(petroleumgas)与前述的组合。在一些实施例中，第一气体109可包括由碳氢化合物液体汽化的气体，例如烷类、烯类、环烷类与芳香碳氢化合物，包括但不限于己烷(hexane)、柴油(diesel)、汽油(gasoline)、煤油(kerosene)与前述的组合。碳氢化合物液体可通过汽化器加热被汽化至气态。在一些实施例中，第一气体109为纯的或实质上为纯的碳氢化合物，其中不纯物可能需要被滤除以提供实质上为纯的碳氢化合物。在一些实施例中，第一气体109可在流入第一空腔119前通过过滤器过滤。在一些实施例中，第一气体109可在流入第一空腔119前被预热(pre-heated)，使得由此而生的第一气体109的解离效率可被增加。举例而言，第一气体109可流经废热回收系统(waste-heat recycling system)并通过发电厂回收的废热加热。

在如图1A所示的实施例中，等离子体装置100还包括电源供应器107。电源供应器107电性连接至内电极104与外电极105二者，并被配置为在内电极104与外电极105之间提供电压，使得等离子体被生成于等离子体生成区域106。在一些实施例中，等离子体由一部分的第一气体109生成。等离子体可裂解第一气体109的分子并打断其化学键。如此一来，第一气体109可被解离，且产物(例如第二气体125与固体产物124)可被产生。在第一气体包括碳氢化合物的情况，碳氢化合物分子可被解离，且碳与氢气可被生成。

在一些实施例中，电源供应器107包括直流电源供应器及/或交流电源供应器。在如图1A所示的实施例中，外电极105可接地。在一些实施例中，电源供应器的电压及/或频率大小可被调整以达成更高转换率(conversion rate)及/或更大的能源效率。

在如图1A所示的实施例中，等离子体装置100可还包括位于外电极105与内电极104之间的绝缘层103。绝缘层103可被配置为环状(annular shape)且可包绕(wraparound)内电极104的一部分，使得内电极104与外电极105电性绝缘。绝缘层103可包括特夫纶(Teflon)、陶瓷(ceramics)、任何适当绝缘材料或前述的组合。在一些实施例中，绝缘层103提供气密密封(gas-tight seal)以避免气体(例如第一气体109与第二气体125)自位于内电极104与外电极105之间的间隙泄漏。

在如图1A所示的实施例中，等离子体装置100可还包括连接至外电极105的底盖111。具体而言，如图1A所示，绝缘层103于外电极105的第一端105e耦接至外电极105，且底盖111于外电极105的第二端105f连接至外电极105，其中第二端105f与第一端105e相对。在一些实施例中，底盖111可包括非导电材料，例如石英(quartz)、玻璃(glass)、塑料(plastic)、任何适当绝缘材料及前述的组合。在一些实施例中，底盖111可包括导电材料，例如不锈钢、任何适当导电材料及前述的组合。底盖111可通过垫片(gasket)、黏着剂(adhesives)、焊接(welding)及/或其他适当方法连接至外电极105。底盖111与外电极105之间的连接可为气密的。通过气密的配置，等离子体装置可在无额外外壳的情况下运作，可提高第一气体的解离效率，且外电极内的气体压力可被设定至较高压力(例如100巴，依据等离子体装置的气密程度而定)并易于控制。通过使用垫片或焊接方式，底盖111与外电极105之间的连接可形成较强的气密密封。如图1A所示，等离子体装置100还包括出口116。出口116被配置为输出产自第一气体109的第二气体125与固体产物124。在如图1A所示的实施例中，出口116设置于底盖111。然而本公开不限于此。

在如图1A所示的实施例中，等离子体装置100还包括连接至出口116的分离装置117。分离装置117被配置为从第二气体125中分离固体产物124。如图1A所示，分离装置117可包括集尘器120(dust collector)与连接至集尘器120的滤网121(filter screen)。在第一气体109包括碳氢化合物气体的一实施例中，分离装置117可从氢气中分离固体碳以供后续应用。举例而言，分离的固体碳可用为产业原料，且氢气可用于低碳排放(low carbonemission)发电。在一些实施例中，集尘器120被配置为收集较大尺寸的固体碳，且滤网121被配置为拦截未被集尘器120收集的细碳粉。通过分离装置117的第二气体125(例如氢气)可由气体出口122排出。在一些实施例中，集尘器120与滤网121可被选择，使得具有所需粒子大小的固体碳可被收集以供各种应用。

在如图1A所示的实施例中，分离装置117可通过四通管113(four-way pipe)连接至出口116。出口压力计115亦可连接至四通管113以侦测由出口116输出气体的输出压力。在一些实施例中，采样口114(sampling port)亦可通过四通管113连接至出口116。采样口114可用以监测输出气体的组成与解离效率等，使得反馈可被提供至等离子体装置100。

如图1A所示，等离子体装置100可垂直放置。在一些实施例中，通过垂直方向放置等离子体装置100，可改善从第二气体125(例如氢气)中分离固体产物124(例如固体碳)的效率，例如通过重力辅助使较重的固体产物124自较轻的第二气体125中分离。举例而言，如图1A所示，等离子体装置100可还包括在等离子体生成区域106下的反应物收集区112。由于重力作用，固体产物124可沉降于反应物收集区112。其他等离子体装置100的放置方向亦有可能(例如水平方向)。

图2为根据本公开一实施例的一等离子体装置的示意图。图2的等离子体装置200可实质上类似于图1A与图1B的等离子体装置100，其中相同元件符号指示相同元件。如图2所示，等离子体装置200还包括旋转元件203。旋转元件203机械耦接至内电极104，使得内电极104可围绕第一旋转轴104c旋转。旋转元件203为机械元件，其将内电极104的运动限制在所需旋转范围内。旋转元件203亦可提供内电极104机械支持(mechanical support)。在一些实施例中，旋转元件203包括轴承。在一些实施例中，旋转元件203包括转子。转子可通过转子与对应定子的相互作用驱动其旋转。然而本公开不限于此。

在如图2所示的实施例中，旋转元件203被固定于进气口102，且绝缘层103密封位于进气口102与外电极105之间的间隙。然而，在其他实施例中，旋转元件203可被固定于绝缘层103、外电极105或外壳(若存在)。本公开不限于此。如图2所示，旋转元件203可包绕内电极104。旋转元件203可被设置于内电极104与外电极105之间。在一些实施例中，旋转元件203可被配置为环状。在一些实施例中，旋转元件203可被配置为接收旋转驱动力，其驱动内电极104围绕第一旋转轴104c旋转。

如图2所示，内电极104具有多个延伸穿过内电极104的壁104a的通孔118。在一些实施例中，内电极104的通孔118被配置为从第一气体109的气流获得旋转驱动力，其中旋转驱动力围绕第一旋转轴104c旋转内电极104。具体而言，一个或多个通孔118可被配置具有延伸方向(于图3A与图3B中有更详尽的描述)，使得当第一气体109由第一空腔119通过通孔118流动至等离子体生成区域106时，其气流可提供旋转驱动力以围绕第一旋转轴104c旋转内电极104。如此一来，内电极104可被第一气体109(例如碳氢化合物气体)的气流驱动以旋转。通过此方式，由于内电极的旋转及/或第一气体由通孔射出的气流，于内电极的外表面累积固体产物(例如碳)的问题可被缓解，且等离子体装置能够持续运作一段合理时间而无须引入额外的工作气体；此外可降低等离子体装置的停机时间。由于第一气体由通孔射出的气流，于外电极的内表面累积固体产物(例如碳)的问题亦可被缓解。第一气体109的气流亦可带走内电极104的热以冷却内电极104，且亦可冷却外电极105。如此一来，可延长内电极104及/或外电极105的使用寿命。

在一些实施例中，内电极104的旋转速度可介于约每分钟30转(rotations perminute,rpm)至约每分钟180转。然而本公开不限于此。在一些实施例中，内电极104的旋转速度可小于每分钟30转或大于每分钟180转。内电极104的旋转速度可因其尺寸或材料、通孔118的排列与配置等而变化。旋转速度可通过第一气体109的流速控制，且可调整以达成更高转换率及/或更大的能源效率。在一些例子中，如此旋转可使等离子体装置的运作时间由一分钟延长至约七日，甚或至约一个月。这些数值仅为例示，并非用以限定本公开内容。

图3A为根据本公开一实施例的一内电极的示意图。图3B为图3A中内电极沿截面104h的剖面示意图，其中截面104h与内电极104的纵轴104n垂直。图3A与图3B的内电极104可实质上类似于图1A、图1B与图2的内电极104，其中相同元件符号指示相同元件。在如图3A所示的实施例中，内电极104具有排列为三列的十二个通孔118，每列包括四个通孔118，并平均分布在圆周(circumference)上(如图3B所示，相邻通孔118间的夹角为实质上90度)。在一些实施例中，一列通孔118可包括一个至十二个通孔118，并平均或不平均地分布在圆周上。通孔118的数量与分布可依据实际需求变化。在一些实施例中，通孔118的相邻列的距离118d可介于约5毫米至约50毫米。在一些实施例中，通孔118位于壁104a上的开口形状可为圆形。在一些实施例中，通孔118位于壁104a上的开口直径可介于约0.5毫米至约25毫米。这些数值仅为例示，并非用以限定本公开内容。

在一些实施例中，通孔118可被排列以延长第一气体109停留于等离子体生成区域106的滞留时间(residence time)。延长的滞留时间可导致第一气体109有更大的解离效率。举例而言，靠近开口104b通孔118的分布可更密集(例如一列可包括更多通孔及/或相邻列的距离可较短)，从而增加第一气体109的滞留时间与由此而生的解离效率。

如图3B所示，通孔118的延伸方向118f(extension direction)与径向方向118r(radial direction)在截面104h上的投影成一角度，其中通孔118的径向方向118r自内电极104的纵轴104n上的一点延伸至通孔118，通孔118的延伸方向118f自第一空腔119延伸至等离子体生成区域106，且截面104h是指垂直于内电极104的纵轴104n的平面。如此一来，当第一气体109由第一空腔119通过通孔118流动至等离子体生成区域106时，其气流可提供旋转驱动力以围绕第一旋转轴104c旋转内电极104，且内电极104能够旋转而无须额外的驱动装置。

在一些实施例中，在内电极104的截面104h上，通孔118的延伸方向118f与通孔118的径向方向118r之间的第一夹角θ1介于约5度至约85度。然而本公开不限于此。在一些实施例中，第一夹角θ1可小于5度或大于85度。第一夹角θ1可被调整以达成内电极104所需的旋转速度。在一些实施例中，第一夹角θ1介于约45度至约90度。这些数值仅为例示，并非用以限定本公开内容。

图4为根据本公开一实施例的一内电极的示意图。图4的内电极204可实质上类似于图1A至图3B的内电极104，其中相同元件符号指示相同元件。如图4所示，通孔118可被配置为朝上(upward)延伸以延长第一气体109停留于等离子体生成区域106的滞留时间。延长的滞留时间可导致第一气体109有更大的解离效率。在一些实施例中，通孔118的延伸方向118f与轴向方向104x(axial direction)之间的第二夹角θ2介于约5度至约85度，其中轴向方向104x与内电极204的纵轴104n重合，并自第一空腔119内的一点104p延伸至第一空腔119的开口104b。在一些实施例中，第二夹角θ2可小于5度或大于85度。第二夹角θ2可被调整以达成更大的解离效率。在一些实施例中，第二夹角θ2介于约0度至约45度。这些数值仅为例示，并非用以限定本公开内容。

图5A与图5B为根据本公开一实施例的一刮除单元的示意图。图5A与图5B的等离子体装置500可实质上类似于图1A与图1B的等离子体装置100，其中相同元件符号指示相同元件。在如图5A与图5B所示的实施例中，等离子体装置500还包括刮除单元123。刮除单元123被配置为接触内电极104的外表面104d并相对于内电极104的外表面104d移动。刮除单元123亦可被配置为接触外电极105的内表面105d并相对于外电极105的内表面105d移动。在一些实施例中，刮除单元123环绕内电极104的外表面104d，并被配置为在沿内电极104的纵轴104n的第一方向126以及第二方向127上移动，其中第二方向127与第一方向126反向。在一些实施例中，沉积(depositing)于内电极104的外表面104d及/或外电极105的内表面105d的累积固体产物124可使等离子体装置500停止生成等离子体。刮除单元123可用以移除附着于内电极104及/或外电极105的固体产物124，使得等离子体装置500的运作与第一气体109的等离子体裂解可被维持。

如图5A与图5B所示，环绕内电极104的外表面104d的刮除单元123可在第一方向126上移动，以移除沉积于内电极104的外表面104d及/或外电极105的内表面105d的一部分固体产物124。刮除单元123可在与第一方向126反向的第二方向127上移动并回到起始位置(initial position)。在一些实施例中，刮除单元123可通过连接至刮除单元123的控制棒(未显示)或磁铁组(未显示)移动。刮除单元123可通过致动装置(actuation device)移动或可手动移动。在一些实施例中，刮除单元123可在等离子体装置500运作期间使用。如此一来，可更降低等离子体装置维护与停机的频率。

图6为根据本公开一实施例的一刮除单元的剖面示意图。在如图6所示的实施例中，刮除单元123包括第一刮片123a，第二刮片123b，以及连接第一刮片123a与第二刮片123b的连接件123c。第一刮片123a可被配置为接触内电极104的外表面104d并相对于内电极104的外表面104d移动，且第二刮片123b可被配置为接触外电极105的内表面105d并相对于外电极105的内表面105d移动。第一刮片123a与第二刮片123b可包括特夫纶、金属、陶瓷、任何适当绝缘材料或前述的组合。在一些实施例中，第二刮片123b及/或第一刮片123a可包括铁、任何适当铁磁性(ferromagnetic)材料或前述的组合，使得刮除单元123的移动可通过磁性元件控制。在一些实施例中，连接件123c可包括特夫纶、陶瓷、任何适当绝缘材料或前述的组合以避免电极间短路。

图7为根据本公开一实施例的一等离子体装置的示意图。图7的等离子体装置701可实质上类似于图1A与图1B的等离子体装置100，其中相同元件符号指示相同元件。如图7所示，等离子体装置701还包括马达129。马达129可耦接至内电极104，且被配置为提供旋转驱动力以围绕第一旋转轴104c旋转内电极104。马达129可直接或间接地耦接至内电极104。如此一来，内电极104可被马达129驱动以旋转。通过此方式，由于内电极的旋转，于内电极的外表面累积固体产物(例如碳)的问题可被缓解，且如前所述可降低等离子体装置的停机时间。内电极104的旋转速度可通过马达129的旋转速度控制，且可调整以达成更高转换率及/或更大的能源效率。如适用时，前述如图1A至图6中关于等离子体装置与内电极的所有其他叙述可适用于此。

图8为根据本公开一实施例的一等离子体装置的示意图。图8的等离子体装置801可实质上类似于图1A与图1B的等离子体装置100，其中相同元件符号指示相同元件。如图8所示，等离子体装置801的外电极105还包括气体管路130。气体管路130可被嵌入于外电极105的壁105a。在一些实施例中，外电极105可具有多个气体管路130。在一实施例中，等离子体装置801可还包括被配置为控制第一气体109进入等离子体生成区域106的流速的进气阀101。在一些实施例中，气体管路130被配置为引入第一气体109至等离子体生成区域106。换句话说，第一气体109能够通过气体管路130流入等离子体生成区域106。通过此方式，由于第一气体由气体管路射出的气流，于内电极的外表面及/或于外电极的内表面累积固体产物(例如碳)的问题可被缓解，且可更降低等离子体装置801的停机时间。第一气体109的气流亦可带走外电极105的热以冷却外电极105，且亦可冷却内电极104。如此一来，可延长外电极105及/或内电极104的使用寿命。

图9为根据本公开一实施例的一方法的流程图。方法900可在等离子体装置上运作，例如前述的等离子体装置100、等离子体装置200、等离子体装置500、等离子体装置701与等离子体装置801。在一些实施例中，等离子体装置的内电极可包括任一或所有如前述图2至图4的特征、性质与参数。

参照图9与图1A至图1B，方法900包括通过第一空腔119的开口104b引入第一气体109至第一空腔119(步骤910)。第一空腔119可由内电极104的壁104a界定。在一些实施例中，第一气体109包括碳氢化合物气体。在一些实施例中，步骤910可包括由气体容器108引入第一气体109至第一空腔119。在一些实施例中，方法900可包括于第一气体109被引入至第一空腔119之前，加热第一气体109。如适用时，前述如图1A至图8中关于等离子体装置的所有其他叙述可适用于此。

参照图9与图1A至图1B，方法900包括将第一气体109由第一空腔119通过通孔118流动至等离子体生成区域106，且围绕第一旋转轴104c旋转内电极104(步骤920)。如前所述，等离子体生成区域106为位于内电极104与围绕内电极104的外电极105之间的区域。通孔118延伸穿过内电极104的壁104a。第一旋转轴104c延伸穿过内电极104的第一空腔119。更参照图2、图3A与图3B，在一些实施例中，旋转内电极104包括如前所述从第一气体109的气流获得旋转驱动力，该气流为由第一空腔119通过通孔118至等离子体生成区域106。更参照图7，在一些实施例中，旋转内电极104包括如前所述由耦接至内电极104的马达129提供旋转驱动力。如适用时，前述如图1A至图8中关于等离子体装置与内电极的所有其他叙述可适用于此。

参照图9与图1A至图1B，方法900包括通过在内电极104与外电极105之间施加电压，在等离子体生成区域106生成等离子体(步骤930)。在一些实施例中，生成等离子体包括由一部分的第一气体109生成等离子体。换句话说，该方法可被执行而无须引入额外的工作气体(例如氮气、氧气、氩气、空气)。如此一来，可增加该方法的解离效率与产率，且可避免与额外的工作气体反应而形成非期望的副产品。等离子体可为冷等离子体(cold plasma)或非热等离子体(non-thermal plasma)，且等离子体装置可维持在相对低温。举例而言，等离子体可在非热力学条件(non-thermodynamic conditions)下被生成，使得有效电子温度可达到约摄氏1000度(1000℃)至约摄氏2000度(2000℃)或更高，而整体气体温度(bulkgas temperature)维持在约低于摄氏500度(500℃)。如此可避免在使用热等离子体(hotor thermal plasma)(例如整体气体温度为约摄氏2000度的等离子体)裂解碳氢化合物时，形成具有高分子量的非期望副产品(例如长链碳氢化合物(higher hydrocarbons)、多环化合物(polycyclic compounds))而降低生成产物纯度的问题。

参照图9与图1A至图1B，方法900包括使用等离子体裂解第一气体109(步骤940)。如前所述，等离子体可裂解第一气体109的分子并打断其化学键。在一些实施例中，裂解工艺发生于等离子体生成区域106。在一些实施例中，方法900可包括从出口116输出由裂解第一气体109产生的产物。在一些实施例中，产物包括第二气体125与固体产物124。在第一气体109包括碳氢化合物的情况，第二气体125可包括氢气，且固体产物124可包括固体碳。在一些实施例中，一部分未裂解的第一气体109及/或其他不纯物可从出口116被输出。在一些实施例中，第二气体125可包括去碳(decarbonized)碳氢化合物气体(例如氢气与碳氢化合物气体的混合物)。

参照图9与图1A至图1B，在一些实施例中，方法900可还包括如前所述通过分离装置117从第二气体125中分离固体产物124。在第一气体109包括碳氢化合物的情况，分离装置117可从氢气(或去碳碳氢化合物气体)中分离固体碳。固体碳可用为产业原料例如碳黑。此外，生产与分离碳黑可被执行而无须额外的能源。氢气或去碳碳氢化合物气体可用于低碳排放发电。在一些实施例中，氢气可被以液态氢(liquid hydrogen)、压缩氢气(compressed hydrogen)或金属氢化物(metal hydride)形式储存。

参照图9与图1A至图1B，在一些实施例中，方法900可还包括将第二气体125输入至发电机110。如图1A所示，发电机110可被耦接至分离装置117的气体出口122。如此一来，通过分离装置117的第二气体125(例如氢气或去碳碳氢化合物气体)可由气体出口122排出并输入至发电机110。在一实施例中，发电机110可包括燃料电池(fuel cell)。在一实施例中，发电机110可包括涡轮(turbine)或引擎(engine)。在一些实施例中，由于如前所述绝缘层103及/或底盖111的气密设计，第二气体125可以所需的气体压力(例如大气压力，或较高压力例如100巴)输入至发电机110，而无须通过泵(pump)或压缩机(compressor)。第二气体125的输入压力可被控制，例如通过进气阀101控制。

参照图9与图1A至图1B并更参照图2，在一些实施例中，方法900可还包括如前所述通过第一气体109的气流冷却内电极104，该气流为由第一空腔119通过通孔118至等离子体生成区域106，为简洁起见省略相关描述。在一些实施例中，等离子体装置可在没有额外的冷却系统下运行。如适用时，前述如图1A至图8中关于等离子体装置的所有其他叙述可适用于此。

参照图9与图1A至图1B并更参照图5A至图6，在一些实施例中，方法900可还包括如前所述通过刮除单元123移除附着于内电极104的固体产物124，为简洁起见省略相关描述。如适用时，前述如图1A至图8中关于等离子体装置的所有其他叙述可适用于此。

参照图9与图1A至图1B并更参照图8，在一些实施例中，方法900可还包括如前所述通过气体管路130引入第一气体109至等离子体生成区域106，气体管路130嵌入于外电极105的壁105a，为简洁起见省略相关描述。如适用时，前述如图1A至图8中关于等离子体装置的所有其他叙述可适用于此。

上述实施例的描述可供所属领域具有通常技术者据以实施本主题。对实施例的各种修改对于所属领域具有通常技术者是显而易见的，并且此处确定的基本原理不需要创造性劳动便可以应用于其他实施例。因此，本所要求的主题不仅限于此处展示的实施例，而是要符合与此处公开的原理及新颖特征一致的最广范围。可以预想其他的实施例也在本发明所公开的精神及范围内。因此，本发明意旨为涵盖属于所附的专利权利要求及其等同物的范围内的修改及变化。

Claims (36)

1.一种等离子体装置，包括：

内电极，包括界定第一空腔的壁，所述第一空腔的开口被配置为接收第一气体，所述内电极可围绕第一旋转轴旋转，其中所述第一旋转轴延伸穿过所述第一空腔；以及

外电极，所述外电极环绕所述内电极；

其中所述内电极具有延伸穿过所述内电极的所述壁的通孔，使得所述第一空腔通过所述通孔与等离子体生成区域流体连通，所述等离子体生成区域位于所述内电极与所述外电极之间。

2.根据权利要求1所述的等离子体装置，其中所述内电极与所述外电极皆为实质上管状。

3.根据权利要求1所述的等离子体装置，其中所述外电极与所述内电极为同轴地配置。

4.根据权利要求1所述的等离子体装置，还包括机械耦接至所述内电极的旋转元件，使得所述内电极可围绕所述第一旋转轴旋转。

5.根据权利要求4所述的等离子体装置，其中所述旋转元件包括轴承或转子。

6.根据权利要求1所述的等离子体装置，还包括耦接至所述内电极的马达，所述马达被配置为提供旋转驱动力以围绕所述第一旋转轴旋转所述内电极。

7.根据权利要求1所述的等离子体装置，其中所述通孔被配置为从所述第一气体的气流获得旋转驱动力，所述气流为由所述第一空腔通过所述通孔至所述等离子体生成区域，且所述旋转驱动力围绕所述第一旋转轴旋转所述内电极。

8.根据权利要求1所述的等离子体装置，其中在所述内电极的截面上，所述通孔的延伸方向与所述通孔的径向方向之间的第一夹角介于约5度至约85度，其中所述截面与所述内电极的纵轴垂直。

9.根据权利要求1所述的等离子体装置，其中所述通孔的延伸方向与轴向方向之间的第二夹角介于约5度至约85度，其中所述轴向方向与所述内电极的纵轴重合，且自所述第一空腔内的一点延伸至所述第一空腔的所述开口。

10.根据权利要求1所述的等离子体装置，还包括被配置为使所述第一气体能够流入所述第一空腔的进气口。

11.根据权利要求10所述的等离子体装置，还包括耦接至所述进气口的气体容器，其中所述气体容器容纳所述第一气体。

12.根据权利要求1所述的等离子体装置，还包括环状配置于所述外电极与所述内电极的间的绝缘层。

13.根据权利要求1所述的等离子体装置，还包括电性连接至所述内电极与所述外电极二者的电源供应器，其中所述电源供应器被配置为在所述内电极与所述外电极之间提供电压。

14.根据权利要求1所述的等离子体装置，还包括被配置为接触所述内电极的外表面并相对于所述内电极的所述外表面移动的刮除单元。

15.根据权利要求14所述的等离子体装置，其中所述刮除单元环绕所述内电极的所述外表面，并被配置为在沿所述内电极的纵轴的第一方向以及第二方向上移动，所述第二方向与所述第一方向反向。

16.根据权利要求15所述的等离子体装置，其中所述刮除单元包括第一刮片，第二刮片，以及连接所述第一刮片与所述第二刮片的连接件，其中所述第一刮片被配置为接触所述内电极的所述外表面并相对于所述内电极的所述外表面移动，且所述第二刮片被配置为接触所述外电极的内表面并相对于所述外电极的所述内表面移动。

17.根据权利要求1所述的等离子体装置，还包括被配置为输出第二气体与固体产物的出口，所述第二气体与所述固体产物产自所述第一气体。

18.根据权利要求17所述的等离子体装置，还包括连接至所述出口的分离装置，所述分离装置被配置为从所述第二气体中分离所述固体产物。

19.根据权利要求18所述的等离子体装置，其中所述分离装置包括集尘器与连接至所述集尘器的滤网。

20.根据权利要求17所述的等离子体装置，还包括于所述外电极的一端连接至所述外电极的底盖，其中所述出口设置于所述底盖。

21.根据权利要求1所述的等离子体装置，其中所述外电极包括嵌入于所述外电极的壁的气体管路，且所述气体管路被配置为引入所述第一气体至所述等离子体生成区域。

22.根据权利要求1所述的等离子体装置，其中所述第一气体包括碳氢化合物气体。

23.一种方法，包括：

通过第一空腔的开口引入第一气体至所述第一空腔，所述第一空腔由内电极的壁界定；

将所述第一气体由所述第一空腔通过延伸穿过所述内电极的所述壁的通孔流动至等离子体生成区域，所述等离子体生成区域位于所述内电极与围绕所述内电极的外电极之间；

通过在所述内电极与所述外电极之间施加电压，在所述等离子体生成区域生成等离子体；

使用所述等离子体裂解所述第一气体；以及

围绕第一旋转轴旋转所述内电极，其中所述第一旋转轴延伸穿过所述第一空腔。

24.根据权利要求23所述的方法，其中生成所述等离子体包括由一部分的所述第一气体生成所述等离子体。

25.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一气体包括碳氢化合物气体。

26.根据权利要求23所述的方法，还包括从出口输出产物，所述产物由裂解所述第一气体产生。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述产物包括第二气体与固体产物。

28.根据权利要求27所述的方法，还包括通过分离装置从所述第二气体中分离所述固体产物。

29.根据权利要求27所述的方法，还包括将所述第二气体输入至发电机。

30.根据权利要求23所述的方法，其中旋转所述内电极包括从所述第一气体的气流获得旋转驱动力，所述气流为由所述第一空腔通过所述通孔至所述等离子体生成区域。

31.根据权利要求23所述的方法，其中旋转所述内电极包括由马达提供旋转驱动力，所述马达耦接至所述内电极。

32.根据权利要求23所述的方法，还包括通过刮除单元移除附着于所述内电极的固体产物。

33.根据权利要求23所述的方法，还包括通过所述第一气体的气流冷却所述内电极，所述气流为由所述第一空腔通过所述通孔至所述等离子体生成区域。

34.根据权利要求23所述的方法，其中引入所述第一气体包括由气体容器引入所述第一气体至所述第一空腔。

35.根据权利要求23所述的方法，还包括于所述第一气体被引入至所述第一空腔之前，加热所述第一气体。

36.根据权利要求23所述的方法，还包括通过气体管路引入所述第一气体至所述等离子体生成区域，所述气体管路嵌入于所述外电极的壁。