(57)【要約】【課題】水素発生設備を提供する。【解決手段】かかる水素発生設備は、水素、前記水素に混在する水気、及び前記水素に混在する有毒気体を発生させる水素発生装置と、水素純化装置と、を含む。前記水素純化装置は、前記水素が通過している時に、前記水素に混在する前記水気を除去する水気ろ過ユニットと、ろ過部を含む有毒気体ろ過ユニットと、を含む。前記ろ過部の表面には、複数の水酸基（-OH）があり、前記水素は、前記水気ろ過ユニットを通過した後に、前記有毒気体ろ過ユニットを通過している時に、前記水素に混在する前記有毒気体は、前記複数の水酸基と反応を行って除去される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素発生設備あって、
水素、前記水素に混在する水気、及び前記水素に混在する有毒気体を発生させる水素発生装置と、
水素純化装置と、を含み、
前記水素純化装置は、
前記水素が通過している時に、前記水素に混在する前記水気を除去する水気ろ過ユニットと、
ろ過部を含む有毒気体ろ過ユニットと、を含み、
前記ろ過部の表面には、複数の水酸基（-OH）があり、前記水素は、前記水気ろ過ユニットを通過した後に、前記有毒気体ろ過ユニットを通過している時に、前記水素に混在する前記有毒気体は、前記複数の水酸基と反応を行って除去される、水素発生設備。
【請求項２】
前記有毒気体は、ジボラン（B2H6）である、請求項１に記載の水素発生設備。
【請求項３】
前記有毒気体が前記複数の水酸基と反応を行った後は、ホウ素酸素結合（B-O）が生成される、請求項２に記載の水素発生設備。
【請求項４】
前記水気ろ過ユニットの材質は、吸水性棉質繊維材料と吸水性有機材料との混合物、又は、吸水性棉質繊維材料と吸水性無機材料との混合物を含む、請求項１に記載の水素発生設備。
【請求項５】
前記水気ろ過ユニットの材質は、ポリアクリル酸塩（Polyacrylate）、ポリビニル・アルコール（Polyvinyl  Alcohol）、エチレン酢酸ビニル共重合体（Ethylene  Vinyl  Acetate  Copolymer；EVA）、ポリウレタン（Polyurethane；PU）、ポリエチレン・オキシド（Polyethylene  Oxide）、でん粉グラフト共重体（Starch  Graft  Copolymer）、又はゴム共混物を含み、或いは、ポリアクリル酸塩（Polyacrylate）、ポリビニル・アルコール（Polyvinyl  Alcohol）、エチレン酢酸ビニル共重合体（Ethylene  Vinyl  Acetate  Copolymer；EVA）、ポリウレタン（Polyurethane；PU）、ポリエチレン・オキシド（Polyethylene  Oxide）、でん粉グラフト共重体（Starch  Graft  Copolymer）、及びゴム共混物から選択された少なくとも二つの組み合わせを含む、請求項１に記載の水素発生設備。
【請求項６】
前記水気ろ過ユニットの材質は、アルミノケイ酸塩（Aluminosilicate）結晶体、塩化カルシウム（CaCl2）、酸化カルシウム（CaO）、無水塩化コバルト（ホスゲン（CoCl2））、無水硫酸銅（CuSO4）、シリカゲル（Silica  Gel）、又は粘土を含み、或いは、アルミノケイ酸塩（Aluminosilicate）結晶体、塩化カルシウム（CaCl2）、酸化カルシウム（CaO）、無水塩化コバルト（ホスゲン（CoCl2））、無水硫酸銅（CuSO4）、シリカゲル（Silica  Gel）、及び粘土から選択された少なくとも２つの組み合わせを含む、請求項１に記載の水素発生設備。
【請求項７】
前記水気ろ過ユニットは、降温部を含み、前記水素は、前記降温部により降温されるここによって、前記水素に混在する前記水気は、凝結する、請求項１に記載の水素発生設備。
【請求項８】
前記ろ過部は、多孔性構造を含む、請求項１に記載の水素発生設備。
【請求項９】
前記ろ過部の材質は、活性炭素（Activated  Carbon）、酸化アルミ(Al2O3)、ゼオライト（Zeolite）、又は分子篩（Molecular  Sieve）を含み、或いは、活性炭素（Activated  Carbon）、酸化アルミ(Al2O3)、ゼオライト（Zeolite）、及び分子篩（Molecular  Sieve）から選択された少なくとも２つの組み合わせを含む、請求項１に記載の水素発生設備。
【請求項１０】
前記ろ過部の表面には、前記水酸基を提供するための単層の水分子がある、請求項１に記載の水素発生設備。
【請求項１１】
前記水素純化装置は、管状構造を含み、前記水気ろ過ユニット及び前記有毒気体ろ過ユニットは、前記管状構造内に配置され、前記水素は、前記管状構造を通過している時に、順に、前記水気ろ過ユニット及び前記有毒気体ろ過ユニットを通過する、請求項１に記載の水素発生設備。
【請求項１２】
固体反応物及び酸性水溶液が前記水素発生装置内で反応を行い、前記水素、前記水素に混在する前記水気、及び前記水素に混在する前記有毒気体を発生させる、請求項１に記載の水素発生設備。
【請求項１３】
前記固体反応物は、固体水素化物を含み、前記固体水素化物は、水素化ホウ素ナトリウム（NaBH4）、水素化ナトリウム（NaH）、水素化ホウ素リチウム(LiBH4)、水素化リチウム（LiH）、水素化カルシウム（CaH2）、水素化ホウ素カルシウム（Ca(BH4)2）、水素化ホウ素マグネシウム（MgBH4）、水素化ホウ素カリウム（KBH4）、水素化ホウ素アルミ（Al(BH4)3）、アンモニアボラン（H3BNH3）、Ｈ２Ｂ（ＮＨ３）２ＢＨ４、（ＮＨ２ＢＨ２）ｎ、ボラジン（B3N3H6）、ＭＰＢ（Morpholineborane）、ＢＨ３−ＴＨＦ、及びジボランのうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の水素発生設備。
【請求項１４】
前記酸性水溶液は、クエン酸（Lemon  Acid）、リンゴ酸（Malic  Acid）、蓚酸（Oxalic  Acid）、酢酸（Acetic  Acid）、酒石酸（Tartaric  Acid）、琥珀酸（Succinic  Acid）、乳酸(Lactic  Acid)、塩酸（HCL）、硫酸（H2S04）、又は硝酸（HNO3）を含む、請求項１２に記載の水素発生設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体発生設備に関し、特に、水素発生設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（Fuel  Cell;  FC）が、化学エネルギーを利用して電気エネルギーに直接変換する発電装置であり、従来の発電方式に比べ、燃料電池は、汚染が低く、騒音が低く、エネルギー密度が高く、及びエネルギー変換率が比較的高いなどの利点を有し、将来性のあるクリーンエネルギーであり、その応用範囲は、携帯式電子製品、家庭用発電システム、運送工具、軍用設備、宇宙工業、及び小型発電システムなどの各種の分野を含む。
【０００３】
各種の燃料電池は、稼動原理及び操作環境の違いによって異なる応用市場を有し、移動可能なエネルギーの応用は、主に、プロトン交換膜燃料電池（Proton  Exchange  Membrane  Fuel  Cell;  PEMFC）及び直接メタノール燃料電池（Direct  Methanol  Fuel  Cell;  DMFC）を主とし、両者は、ともに、プロトン交換膜を使用してプロトン伝導メカニズムを行う低温作動型燃料電池に属する。この種のプロトン交換膜燃料電池の操作原理は、水素が陽極触媒層において酸化反応を行って水素イオン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）を生成するとのこと（ＰＥＭＦＣ原理）であり、そのうち、水素イオンは、プロトン交換膜を経由して陰極に伝達することができ、電子は、外部回路を経由して負荷に到着してから陰極に伝達することができ、この時は、陰極端に供給された酸素が陰極触媒層において水素イオン及び電子と還元反応を行って水を生成する。
【０００４】
固体燃料と酸性水溶液との反応により水素を発生させることは、燃料電池に用いるよくある水素発生方式であるが、酸性水溶液を使用して反応物とする最大の欠点は、毒性のある副産物を生成することができるとのことである。例えば、上述の固体燃料及び酸性水溶液を固体水素化ホウ素ナトリウム（NaBH4）及びクエン酸（C6H8O7）水溶液にそれぞれすると、反応後に人体に有害のジボラン（B2H6）気体を生成することがあり、濃度が高い（0.1ppmよりも高い）ジボラン気体を吸入することにより、ガンを引き起こすおそれがある。
【０００５】
特許文献１には、水素化ホウ素ナトリウム粉末と、水、アルコール類又は希釈後の酸などの液体燃料とを利用して反応を行わせて水素を発生させることが開示されている。特許文献２には、燃料容器及び不純物除去箱を含む燃料供給源が開示されている。特許文献３には、常温下で化学吸着により有害の水素化物の成分を除去する洗剤が開示されている。特許文献４には、ろ過装置により不純物を除去する燃料電池システムが開示されている。特許文献５には、水素を純化するためのろ過器を有する水素発生箱が開示されている。特許文献６には、アルミ化合物を利用して有毒気体を除去する方法が開示されている。特許文献７、８、９には、ともに、酸化アルミを利用してジボランをろ過することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】台湾特許公開第2008/09125号
【特許文献２】台湾特許第I319638号
【特許文献３】台湾特許公開第2005/00295号
【特許文献４】米国特許公開第2008/0113249号
【特許文献５】米国特許公開第2008/0044696号
【特許文献６】米国特許第4532115号
【特許文献６】米国特許第4743435号
【特許文献７】米国特許第4996030号
【特許文献８】米国特許第4910001号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、水素に混在する有毒気体を有効にろ過することができる水素発生設備を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的及び利点については、本発明に開示されている技術的特徴から更なる理解を得ることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の一又は部分又は全部の目的若しくは他の目的を達成するために、本発明の一実施例では、水素発生設備が提供される。この水素発生設備は、水素発生装置及び水素純化装置を含む。水素発生装置は、水素、水素に混在する水気、及び水素に混在する有毒気体を発生させる。水素純化装置は、水気ろ過ユニット及び有毒気体ろ過ユニットを含む。水素を水気ろ過ユニットを通過させることにより、水素に混在する水気を除去する。有毒気体ろ過ユニットは、ろ過部を含む。ろ過部の表面には、複数の水酸基がある。水素は、水気ろ過ユニットを通過した後に、有毒気体ろ過ユニットのろ過部を通過している時に、水素に混在する有毒気体は、これらの水酸基と反応を行って除去される。
【００１０】
上述により、本発明の上述の実施例では、ろ過部がその表面の水酸基を利用して有毒気体と化学反応を行わせることにより、水素に混在する有毒気体をろ過することができるので、物理吸着のろ過方式のような吸着飽和が生じず、ろ過効果を向上させることができる。また、水素発生装置が発生した水素は、水気ろ過ユニットを先に通過し、それから、有毒気体ろ過ユニットのろ過部を通過し、これにより、ろ過部の表面が大量の水気を吸着し水酸基と有毒気体との反応効率が降下することを防ぐ。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施例による水素発生設備を燃料電池に応用する様子を示す図である。
【図２】図１における水素純化装置を示す図である。
【図３】図２におけるろ過部が有毒気体と反応を行う様子を示す図である。
【図４】図１における水素発生装置を示す図である。
【図５】本発明の他の実施例によるろ過部が有毒気体と反応を行う様子を示す図である。
【図６】図１における水素純化装置の局所断面図である。
【図７】本発明の他の実施例による水気ろ過ユニットを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
【００１３】
なお、次の各実施例の説明は、添付した図面を参照して行われたものであり、本発明の実施可能な特定の実施例を例示するために用いられる。また、次の各実施例に言及した方向の用語、例えば、上、下、前、後、左、右などは、添付した図面の方向を参考するためのもののみである。よって、以下に使用された方向の用語は、説明のために用いられ、本発明を限定するためのものでない。
【００１４】
図１は、本発明の一実施例による水素発生設備を燃料電池に応用する様子を示す図である。図１を参照する。本実施例の水素発生設備１００は、燃料電池２００に応用され得る。水素発生設備１００は、水素発生装置１１０及び水素純化装置１２０を含む。水素発生装置１１０は、水素Ｖ１を発生させるために用いられ、且つ、水素Ｖ１に混在する水気Ｖ２及び有毒気体Ｖ３等の副産物を発生させることもある。
【００１５】
図２は、図１における水素純化装置を示す図である。図２を参照する。本実施例の水素純化装置１２０は、水気ろ過ユニット１２２及び有毒気体ろ過ユニット１２４を含み、有毒気体ろ過ユニット１２４は、ろ過部１２４ａを含む。水素Ｖ１は、有毒気体ろ過ユニット１２４を通過する前に、水素Ｖ１に混在する水気Ｖ２を除去するために、先に水気ろ過ユニット１２２を通過する。
【００１６】
図３は、図２におけるろ過部が有毒気体と反応を行う様子を示す図である。図３を参照する。本実施例の有毒気体Ｖ３は、例えば、ジボラン（B2H6）である。ろ過部１２４ａの表面には、複数の水酸基（−ＯＨ）がある。水素Ｖ１は、水気ろ過ユニット１２２を通過して水気Ｖ２をろ過させた後に、有毒気体ろ過ユニット１２４を通過し、この時に、水素Ｖ１に混在する有毒気体Ｖ３は、図３に示すように、複数の水酸基と反応を行ってホウ素酸素結合（Ｂ−Ｏ）を形成させ、これにより、有毒気体Ｖ３を除去させる。最後に、水気ろ過ユニット１２２及び有毒気体ろ過ユニット１２４により純化された水素Ｖ１は、燃料電池２００に導かれて燃料電池２００の使用に供する。
【００１７】
上述の配置方式では、ろ過部１２４ａがその表面の水酸基を利用して有毒気体Ｖ３と化学反応を行わせることにより、水素Ｖ１に混在する有毒気体Ｖ３をろ過させるので、物理吸着のろ過方式のような吸着飽和が生じず、ろ過効果を向上させることができる。また、水素発生装置１１０が発生した水素Ｖ１は、水気ろ過ユニット１２２を先に通過し、それから、有毒気体ろ過ユニット１２４のろ過部１２４ａを通過し、これにより、ろ過部１２４ａの表面が大量の水気を吸着し水酸基と有毒気体Ｖ３との反応効率が降下することを防ぐ。
【００１８】
図４は、図１における水素発生装置を示す図である。図４を参照する。本実施例では、例えば、固体反応物Ｓ及び酸性水溶液Ｌが水素発生装置１１０内で反応を行うことにより水素Ｖ１、水素Ｖ１に混在する水気Ｖ２、及び水素Ｖ１に混在する有毒気体Ｖ３を発生させる。
【００１９】
固体反応物Ｓは、例えば、固体水素化物、又は、固体水素化物と固体触媒との混合物であり、固体水素化物は、水素化ホウ素物、水素化窒素物、水素化炭素物、水素化金属物、水素化ホウ素窒素物、水素化ホウ素炭素物、水素化窒素炭素物、水素化金属ホウ素物、水素化金属窒素物、水素化金属炭素物、水素化金属ホウ素窒素物、水素化金属ホウ素炭素物水素化金属炭素窒素物、水素化ホウ素窒素炭素物、水素化金属ホウ素窒素炭素物、又は、上述の組み合わせであってもよい。例えば、上述の固体水素化物は、水素化ホウ素ナトリウム（NaBH4）、水素化ナトリウム（NaH）、水素化ホウ素リチウム(LiBH4)、水素化リチウム（LiH）、水素化カルシウム（CaH2）、水素化ホウ素カルシウム（Ca(BH4)2）、水素化ホウ素マグネシウム（MgBH4）、水素化ホウ素カリウム（KBH4）、水素化ホウ素アルミ（Al(BH4)3）、アンモニアボラン（H3BNH3）、Ｈ２Ｂ（ＮＨ３）２ＢＨ４、（ＮＨ２ＢＨ２）ｎ、ボラジン（B3N3H6）、ＭＰＢ（Morpholineborane）、ＢＨ３−ＴＨＦ、ジボラン、又は、他のボラン類であってもよい。また、上述の固体触媒は、固体酸と、ルテニウム(Ru)、コバルト（Co）、ニッケル(Ni)、銅（Cu）、鉄（Fe）を含む塩類又はそのイオン利用して生成された固体触媒とを含む。
【００２０】
酸性水溶液Ｌは、クエン酸（Lemon  Acid）、リンゴ酸（Malic  Acid）、蓚酸（Oxalic  Acid）、酢酸（Acetic  Acid）、酒石酸（Tartaric  Acid）、琥珀酸（Succinic  Acid）、乳酸(Lactic  Acid)などの有機酸類水溶液、及び塩酸（HCL）、硫酸（H2S04）、硝酸（HNO3）などの無機酸水溶液を含んでもよい。
【００２１】
図２及び図３に示すろ過部１２４ａは、多孔性構造であるが、多孔性構造に限定されない。例えば、ろ過部１２４ａの材質は、活性炭素（Activated  Carbon）、酸化アルミ(Al2O3)、ゼオライト（Zeolite）、分子篩（Molecular  Sieve）、又は、「活性炭素（Activated  Carbon）、酸化アルミ(Al2O3)、ゼオライト（Zeolite）、分子篩（Molecular  Sieve）」から選択された少なくとも二つの組み合わせであってもよく、上述の水酸基は、例えば、ろ過部１２４a自身により提供されるが、本発明は、これに限定されない。以下、図５を参照しながら例を挙げて説明を行う。図５は、本発明の他の実施例によるろ過部が有毒気体と反応を行う様子を示す図である。図５を参照する。本実施例のろ過部２２４ａの表面には、単層の水分子を有し、複数の水酸基は、単層の水分子により提供される。図３に示す反応方式と同様に、有毒気体Ｖ３（ジボラン）は、図５に示すような単層の水分子による複数の水酸基と反応を行ってホウ素酸素結合（Ｂ−Ｏ）を形成させて除去され得る。
【００２２】
図２の実施例では、水気ろ過ユニット１２２の材質は、吸水性棉質繊維材料と吸水性有機材料との混合物、又は、吸水性棉質繊維材料と吸水性無機材料との混合物を含んでもよい。上述の吸水性有機材料は、例えば、ポリアクリル酸塩（Polyacrylate）、ポリビニル・アルコール（Polyvinyl  Alcohol）、エチレン酢酸ビニル共重合体（Ethylene  Vinyl  Acetate  Copolymer；EVA）、ポリウレタン（Polyurethane；PU）、ポリエチレン・オキシド（Polyethylene  Oxide）、でん粉グラフト共重体（Starch  Graft  Copolymer）、ゴム共混物などの吸水性高分子、又は、上述の組み合わせであってもよい。上述の吸水性無機材料は、例えば、アルミノケイ酸塩（Aluminosilicate）結晶体、塩化カルシウム（CaCl2）、酸化カルシウム（CaO）、無水塩化コバルト（ホスゲン（CoCl2））、無水硫酸銅（CuSO4）、シリカゲル（Silica  Gel）、粘土、又は、上述の組み合わせであってもよい。
【００２３】
図６は、図１における水素純化装置の局所断面図である。図６を参照する。本実施例の水素純化装置１２０は、管状構造１２６を含み、水気ろ過ユニット１２２及び有毒気体ろ過ユニット１２４は、管状構造１２６内に配置され、水素Ｖ１（図１に示されている）は、管状構造１２６を通過する時に、順に、水気ろ過ユニット１２２及び有毒気体ろ過ユニット１２４を通過する。他の実施例では、水素純化装置１２０は、他の適切な構造であってもよく、本発明は、これについての限定がない。また、本発明は、水気ろ過ユニット１２４の形式についての限定もない。以下、図７を参照しながら例を挙げて説明を行う。
【００２４】
図７は、本発明の他の実施例による水気ろ過ユニットを示す図である。図７を参照する。本実施例の水気ろ過ユニット３２２は、降温部３２２ａを含み、水素Ｖ１、水気Ｖ２、及び有毒気体Ｖ３は、降温部３２２ａにより降温され、これにより、水素Ｖ１に混在する水気Ｖ２を凝結させ、Ｖ１中の水気Ｖ２を除去させる。
【００２５】
以上述べたところを総合すれば、本発明の上述の実施例では、ろ過部がその表面の水酸基を利用して有毒気体と化学反応を行わせることにより、水素に混在する有毒気体をろ過することができるので、物理吸着のろ過方式のような吸着飽和が生じず、ろ過効果を向上させることができる。また、水素発生装置が発生した水素は、水気ろ過ユニットを先に通過し、それから、有毒気体ろ過ユニットのろ過部を通過し、これにより、ろ過部の表面が大量の水気を吸着し水酸基と有毒気体との反応効率が降下することを防ぐ。
【００２６】
本発明は、前述した好適な実施例に基づいて以上のように開示されたが、前述した好適な実施例は、本発明を限定するためのものでなく、当業者は、本発明の精神と範囲を離脱しない限り、本発明に対して些細な変更と潤色を行うことができるので、本発明の保護範囲は、添付した特許請求の範囲に定まったものを基準とする。また、本発明の何れの実施例又は特許請求の範囲は、本発明に開示された全ての目的又は利点又は特徴を達成する必要がない。また、要約の部分と発明の名称は、文献の検索を助けるためのみのものであり、本発明の権利範囲を限定するものでない。また、本明細書又は特許請求の範囲に言及している「第一」、「第二」等の用語は、素子（ｅｌｅｍｅｎｔ）に名前を付け、または、異なる実施例又は範囲を区別するためのもののみであり、要素の数量上の上限又は下限を限定するためのものでない。
【符号の説明】
【００２７】
１００  水素発生設備
１１０  水素発生装置
１２０  水素純化装置
１２２、３２２  水気ろ過ユニット
１２４  有毒気体ろ過ユニット
１２４ａ、２２４ａ  ろ過部
１２６  管状構造
２００  燃料電池
３２２ａ  降温部
Ｌ  酸性水溶液
Ｓ  固体反応物
Ｖ１  水素
Ｖ２  水気
Ｖ３  有毒気体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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