CN104591088A - 燃料处理装置及其氢气纯化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氢气纯化装置，其包括容器、第一开口与第二开口。其中，容器配置有至少一过滤材料；第一开口配置于容器，用于引入含氢气的混合气体进入容器，且用于让含氢气的混合气体与过滤材料进行反应以生成纯化氢气；第二开口，配置于容器，用于将纯化氢气自容器流出。另提供一种包含上述氢气纯化装置的燃料处理装置。

Description

燃料处理装置及其氢气纯化装置
技术领域
一种燃料处理装置及其氢气纯化装置，尤指一种应用于可携式氢能源发电系统的燃料处理装置及其氢气纯化装置。
先前技术
近年来移动式电子产品蓬勃发展，如平板电脑、相机、智慧型手机等，几乎形成人手一台或多台的现象，而在产品的高使用率下，耗电量往往是最令人困扰的，因此市场上需要一种便宜、长时效供电、体积小、重量轻，且可用于各种环境的电池。
虽然燃料电池具有经济实惠且长效的特点，但受到氢气供应的限制，体积过大，无法广泛运用于各类移动式产品。有鉴于此，如何解决氢气供应问题以提供小型可携式氢能源发电系统，系成为燃料电池发展的主要课题之一。
美国公开专利US20030192251号揭露了一种燃料处理系统包含一个燃料处理器，燃料处理器包含一个氢气生成区域以及一个分离区域。美国公开专利US20080044696号揭露了一种氢气产生匣用来供应氢气至燃料电池系统。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种氢气纯化装置，可解决氢气供应问题以提供小型可携式氢能源发电系统。为达前述目的，氢气纯化装置包括容器、第一开口与第二开口。其中，容器配置有至少一过滤材料；第一开口配置于容器，用于引入含氢气的混合气体进入容器，且用于让含氢气的混合气体与过滤材料进行反应以生成纯化氢气；第二开口，配置于容器，用于将纯化氢气自容器流出。
在本发明之一实施例中，过滤材料包括有机材料与无机材料，且配置于第一开口与第二开口之间。
在本发明之一实施例中，有机材料配置于容器的内侧壁，且有机材料包覆无机材料。
在本发明之一实施例中，过滤材料更包括固态酸性盐类，且固态酸性盐类与第二开口之间配置有机材料与无机材料。
在本发明之一实施例中，有机材料包含选自由离子交换树脂、纤维素、葡聚糖凝胶、琼脂糖凝胶、腐植质组成之群组之一或前述任意组合。
在本发明之一实施例中，离子交换树脂包含选自由苯乙烯系、丙烯酸系、醋酸系、环氧系、乙烯吡啶系、脲醛系、氯乙烯系组成之高分子合成树脂群组之一或前述任意组合。
在本发明之一实施例中，离子交换树脂包含选自由强酸性、弱酸性、强碱性、弱碱性、螫合性、两性、氧化还原性组成之群组之一或前述任意组合。
在本发明之一实施例中，无机材料包括选自酸性盐类、氧化铝、活性碳、沸石、分子筛、蒙脱石组成之群组之一或前述任意组合。
在本发明之一实施例中，过滤材料更包括吸水材料，配置于第一开口与第二开口。
本发明的另一目的在于提出一种燃料处理装置，应用于具有燃料电池的可携式氢能源发电系统中，以达到体积小、安全、成本低、易制造且抽换便利之目的。为达前述目的，燃料处理装置包括氢气产生装置与氢气纯化装置。其中，氢气产生装置，用于让固态氢燃料与水进行反应产生含氢气的混合气体。氢气纯化装置包括容器、第一开口与第二开口。其中，容器配置有至少一过滤材料；第一开口配置于容器，用于引入含氢气的混合气体进入容器，且用于让含氢气的混合气体与过滤材料进行反应以生成纯化氢气；第二开口，配置于容器，用于将纯化氢气自容器流出至燃料电池。
在本发明之一实施例中，固态氢燃料包括选自由硼氢化物、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、金属硼氮碳氢化物组成之群组之一或前述任意组合。
在本发明之一实施例中，固态氢燃料包括选自由氨硼烷(H3BNH3)、二氨乙硼烷、H2B(NH3)2BH4、聚-(氨基硼烷)、环硼氮烷(B3N3H6)、吗啉硼烷(Morpholineborane，MPB)、硼烷-四氢呋喃复合物、乙硼烷组成之群组之一或前述任意组合。
为让本发明之上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1系本发明之可携式氢能源发电系统之一实施例示意图。
图2系本发明之氢气纯化装置之一实施例示意图。
图3系本发明之燃料处理装置之一实施例剖面示意图。
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一较佳实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，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并非用来限制本发明。
请参照图1，图1系本发明之可携式氢能源发电系统之一实施例示意图。可携式氢能源发电系统100具有控制面板10、燃料处理装置20与燃料电池30。燃料处理装置20包含有氢气产生装置21，用以产生氢气作为燃料电池30发电的能源。产生氢气的原理是让水与固态氢燃料发生化学反应，由于利用固态氢燃料作为氢气来源，具有储氢密度高之优点，符合便宜、方便、体积小、重量轻及供氢速率稳定等目标。因此将固态氢燃料213存放于氢气产生装置21中，可利用泵211将水袋212中的水引入固态氢燃料213中来产生氢气。另外，控制面板10会侦测燃料电池30的发电量来决定泵211引水的速率。
固态氢燃料213可包括选自由硼氢化物、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、金属硼氮碳氢化物组成之群组之一或前述任意组合。固态氢燃料213亦可包括选自由氨硼烷(H3BNH3)、二氨乙硼烷、H2B(NH3)2BH4、聚-(氨基硼烷)、环硼氮烷(B3N3H6)、吗啉硼烷(Morpholineborane，MPB)、硼烷-四氢呋喃复合物、乙硼烷组成之群组之一或前述任意组合。举例来说，以硼氢化钠(NaBH4)作为固态氢燃料，与水的化学反应方程式如下：
NaBH4+2H2O→4H2+NaBO2
另外，为了增加固态氢燃料与水的反应速率，可于固态氢燃料213中添加触媒（图未示），触媒可包括固态酸或含钌、钴、镍、铜、铁之固态盐类。
然而，经由上述化学反应后，会产生含氢气的混合气体21a，亦即，除了氢气之外，还包含强碱性的气雾、氨气与因反应热所导致的水蒸气。由于混合气体21a进入燃料电池30会立刻导致燃料电池30效能降低，甚至完全失去功能，因此，必须进行氢气纯化程序。
承上述，本发明之实施例提供一种氢气纯化装置22，配置于燃料处理装置20中。请一并参酌图2，图2系本发明之氢气纯化装置之一实施例示意图。氢气纯化装置22具有容器220、第一开口23与第二开口24，其中，第一开口23与第二开口24皆配置于容器220。值得注意的是，至少一种过滤材料配置于容器220中，且位于第一开口23与第二开口24之间。于本实施例中，氢气纯化装置22仅具有两个开口，即第一开口23与第二开口24，当含氢气的混合气体21a自第一开口23进入容器220，含氢气的混合气体21a会经由过滤材料往第二开口24方向移动，藉由过滤材料与含氢气的混合气体21a进行反应，来去除非氢气物质，如碱性气雾、氨气或水等，达到分离氢气与非氢气物质的目的，使纯化氢气22a自第二开口24流出至燃料电池30。
氢气纯化装置22所使用的过滤材料可包括有机材料或无机材料或两者之组合。有机材料可包含选自由离子交换树脂、纤维素、葡聚糖凝胶、琼脂糖凝胶、腐植质组成之群组之一或前述任意组合。无机材料可包括选自酸性盐类、氧化铝、活性碳、沸石、分子筛、蒙脱石组成之群组之一或前述任意组合。其中，离子交换树脂可包括选自由苯乙烯系、丙烯酸系、醋酸系、环氧系、乙烯吡啶系、脲醛系、氯乙烯系组成之高分子合成树脂群组之一或前述任意组合。离子交换树脂亦可包括选自由强酸性、弱酸性、强碱性、弱碱性、螫合性、两性、氧化还原性组成之群组之一或前述任意组合。
除了有机材料与/或无机材料，过滤材料可更包括固态酸性盐类，可选自由柠檬酸、苹果酸、草酸、醋酸、酒石酸、琥珀酸、乳酸组成之有机酸群组之一或前述任意组合。过滤材料亦更包括液态酸类，可选自由盐酸、硫酸、硝酸组成之无机酸群组之一或前述任意组合。
于本发明之一实施例中，可利用酸型阳离子交换树脂的H+官能基与碱性气雾进行酸碱中和反应以去除碱性气雾，酸型阳离子交换树脂亦可与重金属离子做交换后，再吸附住氨气。于本发明之一实施例中，可利用碱型阴离子交换树脂与碱性气雾进行离子交换反应，亦可与氨气进行酸碱中和反应；或是利用活性碳多孔之特性吸附碱性气雾及氨气。于本发明之一实施例中，固态酸性盐类可与碱性气雾进行酸碱中和反应。另外，触媒除了加速固态氢燃料与水反应外，亦具有去除碱性气雾与氨气之功能。
请参考表一，本发明之一实施例之氢气纯化检测结果，用以观察单一过滤材料或两种过滤材料以上的组合对于去除碱性气雾与氨气的效果。实验条件为：在泵211固定引水的速率下，让固态氢燃料与水反应而生的含氢气的混合气体21a通过单一过滤材料或两种过滤材料以上的组合后所得之纯化气体，待纯化气体流量达到每分钟300标准立方公分(sccm)后，开始随时间进行气体采集，利用气体检知管量测纯化气体中氨气的浓度，并将采集的气体经过冷凝来检测冷凝水的酸碱值(pH)。对照组则系检测混合气体21a。
表一
由表一可知，在无任何氢气纯化装置存在时，也就是混合气体21a未经过任何过滤材料之过滤时，氨气浓度为2ppm，冷凝水pH值大于10，代表混合气体21a具有强碱气雾。当混合气体21a经过表一中的过滤材料反应后，无论在第20分钟或第45分钟所采集到的纯化气体，气体检知管均检测不到氨气的存在（大约低于0.1ppm），而且冷凝水的pH值皆下降，因此，过滤材料可将氨气、碱性气雾自混合气体21a中与氢气分离。
由于目前的燃料电池在偏酸的作用环境中，效能较佳。对此，从表一的结果看来，氢气纯化装置的过滤材料采用强酸型阳离子交换树脂与柠檬酸之组合，使pH值落在6.2～6.3之间为较佳的实施例之一。详细来说，请参考图2所揭示之一实施例，于氢气纯化装置22之容器220中配置前述的过滤材料，如有机材料（如强酸型离子交换树脂）221附着于容器220的内侧壁，并将无机材料（如活性碳）222包覆其中，并于有机材料221及无机材料222靠近第一开口23侧配置固态酸性盐类（如柠檬酸）223。亦可于第一开口23与固态酸性盐类223之间再配置另一有机材料224，以加强过滤效果。另外，活性碳、分子筛、离子交换树脂及吸水性高分子等具有大量亲水基团，与水接触即吸水膨胀，可吸附燃料处理装置20中因反应热所生之水蒸气。
于本发明之一实施例中，过滤材料还可包括吸水材料225与226，分别配置于第一开口23与第二开口24，以吸附燃料处理装置20中因反应热所生的部分水蒸气。吸水材料225与226可包括棉质纤维混合选自由聚丙烯酸酯、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、离子交换树脂组成之吸水性高分子群组之一或前述任意组合。吸水材料225与226亦可包括棉质纤维混合选自由铝硅酸盐结晶体、氯化钙、氧化钙、无水氯化亚钴、无水硫酸铜、硅胶、黏土、氧化铝、活性碳、沸石、分子筛组成之吸水性无机分子群组之一或前述任意组合。据此，于本发明之实施例中，含氢气的混合气体21a从第一开口23进入后，会依序与吸水材料225、有机材料224、固态酸性盐类223、强酸型离子交换树脂221与无机材料222之组合、吸水材料226等进行反应，最后从第二开口24流出纯化氢气22a至燃料电池30。透过本发明的氢气纯化装置22，可有效提高氢气的纯度。
氢气纯化装置22的容器220可呈管状，材质可为硬质地或可卷曲之材料，如硅胶。若容器220由可卷曲的材料制成，则可在有限的空间中，有效增大混合气体21a与过滤材料的接触面积，可提高纯化氢气的效果。
于本发明之一实施例中，可将燃料处理装置20的氢气产生装置21或氢气纯化装置22制作成可抽换式的形态，当固态氢燃料或水耗尽，或是过滤材料的过滤能力降低，皆可直接抽换氢气产生装置21或氢气纯化装置22。或是，将整个燃料处理装置20制作为可抽换式的燃料匣。请参考图3，图3系本发明之燃料处理装置之一实施例剖面示意图。由图中可看出燃料处理装置20内部的空间配置，但本发明并不以此为限。当固态氢燃料213与水进行化学反应后，所生成含氢气的混合气体21a往上流动至氢气纯化装置22的第一开口23处，而整个燃料处理装置20对外只有一个开口，即氢气纯化装置22的第二开口24，使纯化氢气22a通往燃料电池30。
综上，利用本发明之具有氢气纯化装置的燃料处理装置，不仅可有效去除危害人体的氨气与燃料电池的碱性气雾，且装置简单、体积小、成本低，容易大量生产制造。使用固态氢燃料可提高燃料处理装置之使用寿命，且可抽换式的设计便于民众替换，大幅提高燃料处理装置应用于可携式氢能源发电系统的实用性。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。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的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的权利范围。
符号说明
10：控制面板
100：可携式氢能源发电系统
20：燃料处理装置
21：氢气产生装置
21a：含氢气的混合气体
211：泵
212：水袋
213：固态氢燃料
22：氢气纯化装置
22a：纯化氢气
220：容器
221、224：有机材料
222：无机材料
223：固态酸性盐类
225、226：吸水材料
23：第一开口
24：第二开口
30：燃料电池

Claims (18)

1.一种氢气纯化装置，应用于一可携式氢能源发电系统中，该氢气纯化装置包括：
一容器，配置有至少一过滤材料；
一第一开口，配置于该容器，用于引入一含氢气的混合气体进入该容器，且用于让该含氢气的混合气体与该过滤材料进行反应以生成一纯化氢气；以及
一第二开口，配置于该容器，用于将该纯化氢气自该容器流出。
2.如权利要求1所述的氢气纯化装置，其中，该过滤材料包括有机材料与无机材料，且配置于该第一开口与该第二开口之间。
3.如权利要求2所述的氢气纯化装置，其中，该有机材料配置于该容器之内侧壁，且该有机材料包覆该无机材料。
4.如权利要求2所述的氢气纯化装置，其中，该过滤材料更包括固态酸性盐类，且该固态酸性盐类与该第二开口之间配置该有机材料与该无机材料。
5.如权利要求4所述的氢气纯化装置，其中，该固态酸性盐类选自由柠檬酸、苹果酸、草酸、醋酸、酒石酸、琥珀酸、乳酸组成之有机酸群组之一或前述任意组合。
6.如权利要求2所述的氢气纯化装置，其中，该过滤材料更包括液态酸类，且该液态酸类与该第二开口之间配置该有机材料与该无机材料。
7.如权利要求6所述的氢气纯化装置，其中，该液态酸类选自盐酸、硫酸、硝酸组成之无机酸群组之一或前述任意组合。
8.如权利要求2所述的氢气纯化装置，其中，该有机材料包含选自由离子交换树脂、纤维素、葡聚糖凝胶、琼脂糖凝胶、腐植质组成之群组之一或前述任意组合。
9.如权利要求8所述的氢气纯化装置，其中，该离子交换树脂包含选自由苯乙烯系、丙烯酸系、醋酸系、环氧系、乙烯吡啶系、脲醛系、氯乙烯系组成之高分子合成树脂群组之一或前述任意组合。
10.如权利要求8所述的氢气纯化装置，其中，该离子交换树脂包含选自由强酸性、弱酸性、强碱性、弱碱性、螫合性、两性、氧化还原性组成之群组之一或前述任意组合。
11.如权利要求2所述的氢气纯化装置，其中，该无机材料包括选自酸性盐类、氧化铝、活性碳、沸石、分子筛、蒙脱石组成之群组之一或前述任意组合。
12.如权利要求2所述的氢气纯化装置，其中，过滤材料更包括一吸水材料，配置于该第一开口与该第二开口。
13.如权利要求12所述的氢气纯化装置，其中，该吸水材料包括一棉质纤维混合选自由聚丙烯酸酯、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、离子交换树脂组成之吸水性高分子群组之一或前述任意组合。
14.如权利要求12所述的氢气纯化装置，其中，该吸水材料更包括一棉质纤维混合选自由铝硅酸盐结晶体、氯化钙、氧化钙、无水氯化亚钴、无水硫酸铜、硅胶、黏土、氧化铝、活性碳、沸石、分子筛组成之吸水性无机分子群组之一或前述任意组合。
15.一种燃料处理装置，应用于一具有一燃料电池的可携式氢能源发电系统中，该燃料处理装置包括：
一氢气产生装置，用于让一固态氢燃料与水进行反应产生一含氢气的混合气体；以及
一氢气纯化装置，包括：
一容器，配置有至少一过滤材料；
一第一开口，配置于该容器，用于引入该含氢气的混合气体进入该容器，且用于让该含氢气的混合气体与该过滤材料进行反应以生成一纯化氢气；以及
一第二开口，配置于该容器，用于将该纯化氢气自该容器流出至该燃料电池。
16.如权利要求15所述的燃料处理装置，其中，该固态氢燃料包括选自由硼氢化物、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、金属硼氮碳氢化物组成之群组之一或前述任意组合。
17.如权利要求15所述的燃料处理装置，其中，该固态氢燃料包括选自由氨硼烷(H3BNH3)、二氨乙硼烷、H2B(NH3)2BH4、聚-(氨基硼烷)、环硼氮烷(B3N3H6)、吗啉硼烷(Morpholineborane，MPB)、硼烷-四氢呋喃复合物、乙硼烷组成之群组之一或前述任意组合。
18.如权利要求16所述的燃料处理装置，其中，该氢气产生装置具有一触媒，与该固态氢燃料混合，该触媒包括固态酸或含钌、钴、镍、铜、铁之固态盐类。
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