CN103121663A - 氢气产生设备 - Google Patents

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Abstract

一种氢气产生设备，包括一氢气产生装置及一氢气纯化装置。氢气产生装置产生一氢气、混合于氢气的一水气及混合于氢气的一有毒气体。氢气纯化装置包括一水气过滤单元及一有毒气体过滤单元。氢气通过水气过滤单元，以去除混合于氢气中的水气。有毒气体过滤单元包括一过滤组件。过滤组件表面具有多个羟基。在氢气通过水气过滤单元之后，氢气通过有毒气体过滤单元，混合于氢气中的有毒气体与过滤组件表面的羟基反应，以去除有毒气体。

Description

氢气产生设备
【发明所属的技术领域】 
本发明是有关于一种气体产生设备，且特别是有关于一种氢气产生设备。 
【先前技术】 
燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种利用化学能转换为电能的发电装置，与传统发电方式比较之下，燃料电池具有低污染、低噪音、高能量密度以及较高的能量转换效率等优点，是极具未来前瞻性的干净能源，可应用的范围包括携带式电子产品、家用发电系统、运输工具、军用设备、太空工业以及小型发电系统等各种领域。 
各类燃料电池依其运作原理及操作环境之不同而有不同之应用市场，在可移动式能源上之应用主要是以质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane fuel Cell，PEMFC)及直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)为主，两者皆属于使用质子交换膜进行质子传导机制之低温启动型燃料电池。此类质子交换膜燃料电池操作原理为氢气在阳极触媒层进行氧化反应，产生氢离子(H+)以及电子(e-)(PEMFC原理)，其中氢离子可以经由质子传导膜传递至阴极，而电子则经由外部电路传输至负载作功之后再传递至阴极，此时供给至阴极端的氧气会与氢离子及电子于阴极触媒层进行还原反应并产生水。 
藉由固态燃料与酸性水溶液的反应产生氢气为一种常见的应用于燃料电池的产氢方式，然而使用酸性水溶液作为反应物最大的缺点是会产生具有毒性的副产物。举例来说，若所述固态燃料及酸性水溶液分别选用固态硼氢化钠(NaBH4)及柠檬酸(C6H8O7)水溶液，则其反应后会产生对人体有害的乙硼烷(B2H6)气体，吸入浓度过高(高于0.1ppm)的乙硼烷气体恐有致癌的危险。 
台湾专利编号TW200809125利用硼氢化钠粉末与水、醇类或经稀释的酸等液态燃料反应来产生氢气。台湾专利编号TWI319638揭露一 种燃料供源，包括燃料容器及杂质去除匣。台湾专利编号TW200500295揭露一种洁净剂，用以在常温下透过化学吸附去除有害氢化物成份。美国专利编号US20080113249揭露一种燃料电池系统，其利用过滤装置来移除不纯物。美国专利编号US20080044696揭露一种氢气产生匣，具有用以纯化氢气的过滤器。美国专利编号US4532115揭露一种利用铝化物去除有毒气体的方法。美国专利编号US4743435、US4996030及US4910001皆揭露利用氧化铝来过滤乙硼烷。 
【发明内容】
本发明提出一种氢气产生设备，可有效过滤混合于氢气的有毒气体。 
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。 
为达上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本发明之一实施例提供一种氢气产生设备，包括一氢气产生装置及一氢气纯化装置。氢气产生装置产生一氢气、混合于氢气的一水气及混合于氢气的一有毒气体。氢气纯化装置包括一水气过滤单元及一有毒气体过滤单元。氢气通过水气过滤单元，以去除混合于氢气中的水气。有毒气体过滤单元包括一过滤组件。过滤组件表面具有多个羟基。在氢气通过水气过滤单元之后，当氢气通过有毒气体过滤单元时，混合于氢气中的有毒气体与这些羟基反应，以去除有毒气体。 
基于上述，在本发明的上述实施例中，过滤组件利用其表面的羟基与有毒气体进行化学反应，以过滤混合于氢气中的有毒气体，因此不会如物理性吸附的过滤方式发生吸附饱和的情况，而可增进过滤效果。此外，氢气产生装置所产生的氢气会先通过水气过滤单元，然后再通过有毒气体过滤单元的过滤组件，藉以避免过滤组件表面因吸附过多水气而降低羟基与有毒气体的反应效率。 
为让本发明之上述特征和优点能更明显易懂，下文特举多个实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。 
【实施方式】 
有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式之多个实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。 
图1为本发明一实施例之氢气产生设备应用于燃料电池的示意图。请参考图1，本实施例的氢气产生设备100可应用于燃料电池200，氢气产生设备100包括一氢气产生装置110及一氢气纯化装置120。氢气产生装置110用以产生氢气V1，且会产生混合于氢气V1的水气V2及有毒气体V3等副产物。 
图2为图1之氢气纯化装置的示意图。请参考图2，本实施例的氢气纯化装置120包括一水气过滤单元122及一有毒气体过滤单元124，有毒气体过滤单元124包括一过滤组件124a。氢气V1在通过有毒气体过滤单元124之前，会先通过水气过滤单元122，以去除混合于氢气V1中的水气V2。 
图3为图2之过滤组件与有毒气体反应的示意图。请参考图3，本实施例的有毒气体V3例如为乙硼烷(B2H6)。过滤组件124a表面具有多个羟基(-OH)。氢气V1在通过水气过滤单元122而过滤掉水气V2之后，会接着通过有毒气体过滤单元124，此时混合于氢气V1中的有毒气体V3会如图3所示与这些羟基反应而形成硼氧键(B-O)，以去除有毒气体V3。最后，藉由水气过滤单元122及有毒气体过滤单元124被纯化的氢气V1被导至燃料电池200供利用。 
在上述配置方式之下，过滤组件124a利用其表面的羟基与有毒气体V3进行化学反应，以过滤混合于氢气V1中的有毒气体V3，因此不会如物理性吸附的过滤方式发生吸附饱和的情况，而可增进过滤效果。此外，氢气产生装置110所产生的氢气V1会先通过水气过滤单元122，然后再通过有毒气体过滤单元124的过滤组件124a，藉以避免过滤组件124a表面因吸附过多水气而降低羟基与有毒气体V3的反应效率。 
图4为图1之氢气产生装置的示意图。请参考图4，在本实施例中， 例如是藉由固态反应物S及酸性水溶液L在氢气产生装置110内的反应来产生氢气V1、混合于氢气V1的水气V2及混合于氢气V1的有毒气体V3。 
固态反应物S例如为固态氢化物或固态氢化物混合固态催化剂，所述固态氢化物可为硼氢化物、氮氢化物、碳氢化物、金属氢化物、硼氮氢化物、硼碳氢化物、氮碳氢化物、金属硼氢化物、金属氮氢化物、金属碳氢化物、金属硼氮氢化物、金属硼碳氢化物、金属碳氮氢化物、硼氮碳氢化物、金属硼氮碳氢化物或上述的组合。举例来说，所述固态氢化物可包括硼氢化钠(NaBH4)、氢化钠(NaH)、锂氢硼化物(LiBH4)、氢化锂(LiH)、氢化钙(CaH2)、钙氢硼化物(Ca(BH4)2)、镁氢硼化物(MgBH4)、硼氢化钾(KBH4)、硼氢化铝(Al(BH4)3)、氨硼烷(H3BNH3)、二氨乙硼烷(H2B(NH3)2BH4)、聚氨基硼烷((NH2BH2)n)、环硼氮烷(B3N3H6)、吗啉硼烷(Morpholineborane，MPB)、硼烷-四氢呋喃复合物(BH3/THF)、乙硼烷或其他硼烷类。此外，上述固态催化剂包括固态酸、含钌(Ru)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、铁(Fe)之盐类或利用其离子所制成的固态催化剂。 
酸性水溶液L可包括柠檬酸(Lemon acid)、苹果酸(Malic acid)、草酸(Oxalic acid)、醋酸(Acetic acid)、酒石酸(Tartaric acid)、琥珀酸(Succinic acid)、乳酸(Lactic acid)等有机酸类水溶液，以及盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)等无机酸类水溶液。 
图2及图3所示的过滤组件124a例如为多孔性结构，但不限于多孔性结构。举例来说，过滤组件124a的材质可为活性碳(activated carbon)、氧化铝(Al2O3)、沸石(Zeolite)、分子筛(molecular sieve)或选自活性碳、氧化铝、沸石、分子筛至少其中之二的组合，所述羟基例如为过滤组件124a本身所提供，然本发明不以此为限，以下藉由图5对此加以举例说明。图5为本发明另一实施例之过滤组件与有毒气体反应的示意图。请参考图5，本实施例的过滤组件224a表面具有单层水分子，多个羟基由单层水分子所提供。类似于图3所示的反应方式，有毒气体V3(乙硼烷)会如图5所示与单层水分子的这些羟基反应而形成硼氧键(B-O)，以去除有毒气体V3。 
在图2的实施例中，水气过滤单元122的材质包括吸水性棉质纤维 材料混合吸水性有机材料或吸水性棉质纤维材料混合吸水性无机材料。所述吸水性有机材料例如为聚丙烯酸酯(Polyacrylate)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol)、醋酸乙烯共聚物(Ethylene Vinylacetate Copolymer，EVA)、聚氨酯(Polyurathane，PU)、聚环氧乙烷(Poly Ethylene Oxide)、淀粉接枝共聚物、橡胶共混物等吸水性高分子或上述的组合。所述吸水性无机材料例如为铝硅酸盐(Aluminosilicate)结晶体、氯化钙(CaCl2)、氧化钙(CaO)、无水氯化亚钴(CoCl2)、无水硫酸铜(CuSO4)、硅胶(Slica gel)、黏土或上述的组合。 
图6为图1之氢气纯化装置的局部剖视图。请参考图6，本实施例的氢气纯化装置120包括一管状结构126，水气过滤单元122及有毒气体过滤单元124配置于管状结构126内，氢气V1(绘示于图1)通过管状结构126而依序经过水气过滤单元122及有毒气体过滤单元124。在其他实施例中，氢气纯化装置120可为其他适当形式的结构，本发明不对此加以限制。此外，本发明不对水气过滤单元124的形式加以限制，以下藉由图7对此加以举例说明。 
图7为本发明另一实施例之水气过滤单元的示意图。请参考图7，本实施例的水气过滤单元322包括一降温组件322a，氢气V1、水气V2及有毒气体V3藉由降温组件322a被降温，使混合于氢气V1的水气V2凝结，以移除氢气V1中的水气V2。 
综上所述，在本发明的上述实施例中，过滤组件利用其表面的羟基与有毒气体进行化学反应，以过滤混合于氢气中的有毒气体，因此不会如物理性吸附的过滤方式发生吸附饱和的情况，而可增进过滤效果。此外，氢气产生装置所产生的氢气会先通过水气过滤单元，然后再通过有毒气体过滤单元的过滤组件，藉以避免过滤组件表面因吸附过多水气而降低羟基与有毒气体的反应效率。 
惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即大凡依本发明权利要求书及说明书内容所作之简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。另外，本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露之全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明之权利范围。 
【附图说明】
图1为本发明一实施例之氢气产生设备应用于燃料电池的示意图。 
图2为图1之氢气纯化装置的示意图。 
图3为图2之过滤组件与有毒气体反应的示意图。 
图4为图1之氢气产生装置的示意图。 
图5为本发明另一实施例之过滤组件与有毒气体反应的示意图。 
图6为图1之氢气纯化装置的局部剖视图。 
图7为本发明另一实施例之水气过滤单元的示意图。 
【主要组件符号说明】 
100：氢气产生设备 
110：氢气产生装置 
120：氢气纯化装置 
122、322：水气过滤单元 
124：有毒气体过滤单元 
124a、224a：过滤组件 
126：管状结构 
200：燃料电池 
322a：降温组件 
L：酸性水溶液 
S：固态反应物 
V1：氢气 
V2：水气 
V3：有毒气体 。

Claims (14)

1.一种氢气产生设备，包括：
一氢气产生装置，产生一氢气、混合于该氢气的一水气及混合于该氢气的一有毒气体；以及
一氢气纯化装置，包括：
一水气过滤单元，该氢气通过该水气过滤单元，以去除混合于该氢气中的该水气；以及
一有毒气体过滤单元，包括一过滤组件，其中该过滤组件表面具有多个羟基，在该氢气通过该水气过滤单元之后，当该氢气通过该有毒气体过滤单元时，混合于该氢气中的该有毒气体与该些羟基反应，以去除该有毒气体。
2.如权利要求1所述之氢气产生设备，其中该有毒气体为乙硼烷。
3.如权利要求2所述之氢气产生设备，其中该有毒气体与该些羟基反应后产生硼氧键。
4.如权利要求1所述之氢气产生设备，其中该水气过滤单元的材质包括吸水性棉质纤维材料混合吸水性有机材料或吸水性棉质纤维材料混合吸水性无机材料。
5.如权利要求1所述之氢气产生设备，其中该水气过滤单元的材质包括聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、醋酸乙烯共聚物、聚氨酯、聚环氧乙烷、淀粉接枝共聚物、橡胶共混物或选自聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、醋酸乙烯共聚物、聚氨酯、聚环氧乙烷、淀粉接枝共聚物、橡胶共混物至少其中之二的组合。
6.如权利要求1所述之氢气产生设备，其中该水气过滤单元的材质包括铝硅酸盐结晶体、氯化钙、氧化钙、无水氯化亚钴、无水硫酸铜、硅胶、黏土或选自铝硅酸盐结晶体、氯化钙、氧化钙、无水氯化亚钴、无水硫酸铜、硅胶、黏土至少其中之二的组合。
7.如权利要求1所述之氢气产生设备，其中该水气过滤单元包括一降温组件，该氢气藉由该降温组件被降温，以使混合于该氢气的该水气凝结。
8.如权利要求1所述之氢气产生设备，其中该过滤组件包括多孔性结构。
9.如权利要求1所述之氢气产生设备，其中该过滤组件的材质包括活性碳、氧化铝、沸石、分子筛或选自活性碳、氧化铝、沸石、分子筛至少其中之二的组合。
10.如权利要求1所述之氢气产生设备，其中该过滤组件表面具有单层水分子，以提供该些羟基。
11.如权利要求1所述之氢气产生设备，其中该氢气纯化装置包括一管状结构，该水气过滤单元及该有毒气体过滤单元配置于该管状结构内，该氢气通过该管状结构而依序经过该水气过滤单元及该有毒气体过滤单元。
12.如权利要求1所述之氢气产生设备，其中一固态反应物及一酸性水溶液在该氢气产生装置内反应，而产生该氢气、混合于该氢气的该水气及混合于该氢气的该有毒气体。
13.如权利要求12所述之氢气产生设备，其中该固态反应物包括一固态氢化物，该固态氢化物包括硼氢化钠、氢化钠、锂氢硼化物、氢化锂、氢化钙、钙氢硼化物、镁氢硼化物、硼氢化钾、硼氢化铝、氨硼烷、二氨乙硼烷、聚氨基硼烷、环硼氮烷、吗啉硼烷、硼烷四氢呋喃复合物、乙硼烷至少其中之一。
14.如权利要求12项所述之氢气产生设备，其中该酸性水溶液包括柠檬酸、苹果酸、草酸、醋酸酒石酸、琥珀酸、乳酸、盐酸、硫酸、硝酸。
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