プラズマ補助の水素保存と気体吸着の方法と設備
本発明はプラズマ補助の下で実現する気体保存の方法と設備を公開する。一つの設備の内に、コロナ放電の方法を採用し、分子気体の中から非平衡負イオンを発生し、それを活性化極性持ち多孔質物質（例えばスパー活性炭微粒子の中）に吸着させ、気体の保存を実現する。吸着した負電気性気体の多孔質物質を適当な温度まで加熱し、且つ補助紫外光の照射を加える時、負電気性気体は釈放される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関係出願のクロスリファレンス
本出願は2006年9月21日に提出されたU.S.S.N.11/525，197の権益優先順位を要求し、2006年2月21日に提出された臨時出願No.60/774,867の権益優先順位を要求する。本文は引用の方式でこの二部の申出の全ての内容を結びつける。
技術の分野
本発明は非平衡プラズマ補助の気体吸着の方法と設備に関連し、即ち、陽電気性を含有する活性化極性多孔質物質の中で、例えば活性炭或はスーパー活性炭、負水素イオンを発生する方法と設備を利用し可逆的に負イオン化水素ガスを保存することである。当方法は他の気体の保存にも応用できる。
【背景技術】
【０００２】
水素は宇宙の中で最も簡単で最も豊富な元素である。水素燃料電池が各種の産業で広く使用されると予想するのは、当電池が水素の化学エネルギーを利用し発電し、燃焼或は汚染を発生しないからである。しかし、これまでの長い間、水素保存は一つの主な技術ボトルネックである。現在水素の保存には主な方法は四つがあり[ 1、 2 ]、即ち圧縮水素ガス、液体水素、冷凍吸着システム及び金属水素化物システム[ 3 ]。一方では、再生可能エネルギーとし、水素は保存可能と移動可能の長所を保有する。またもう一方では、水素の物理密度がとても低いことにかんがみ、もし直接に車載エネルギーの保存に用いるならば、容量が低すぎるため、自動車と他の応用に対し実用価値がない。現在最も常用の方法は、高圧圧縮水素ガスを加圧燃料タンクに入れるのである。当方法が一定のドライビングレンジを提供できるが、燃料タンクの体積が大きすぎ、他の分野に応用しにくい。水素が液化されるのは燃料の密度を1倍以上増加させることができるが、当方法は巨大なエネルギーを必要とし、それにより温度を下げ（(-253℃と大気圧）、そして冷凍温度を維持するように高価な断熱燃料タンクを必要とし、現在でも期待のドライビングレンジに達していない。金属水素化物の方法は水素化物の中の結晶構造を利用し水素ガスを保存し、使用する時に加熱を通じ水素を釈放するのである。当方法で獲得するエネルギーの密度は依然としてあまり大きくなく、しかもコストが非常に高い。
【０００３】
周知のように、多孔質活性炭素粉末も中性水素分子をその微小な内孔に吸着できる。しかし、当材料を使用し水素保存の媒介とするのはたくさんの問題に直面している。例えば、中性水素分子を内孔に入れるために、必ず高気圧を使用しなければならない。冷凍低温と約45−60の気圧の下で、活性炭の内に吸着されることができる水素は大体5.2 wt%だけである[5、6]。室温温度と60の気圧の下で、大体0.5 wt%だけである[4-14]。そのため、たくさんの研究者は、多孔質活性化炭素の方法を使用するのがアメリカエネルギー部門が自動車業界の車載水素保存のために制定した6.5 wt%の指標を満たすことができないと信じる。
【０００４】
現在、電気負性気体とプラズマ技術は主に表面処理、大気科学と環境研究の中の気体処理など分野に用いている。負電気性イオンが現代プラズマ物理学の中に重要な役割を演じるため、その基本的な性質は広範な研究を獲得している[ 15、16 と17 ]。負電気性プラズマは常に負電気性イオン放射線を生産する時にも使用される[ 18 ]。水素の電離技術は気体放電プラズマに対する応用である。気体帯電プラズマは活性と動態の媒介である。プラズマは部分電離した気体と理解される。気体原子の一部分或は分子は電子とぶつかる時、電離しイオンを形成する。これらの帯電物質は相互に作用する。電磁界の中でイオン移動の駆動力を引き起こすことができる。プラズマは電気エネルギーの供給を要求する。電力を気体に入力し電離を引き起こすという過程はプラズマ源を構成する。帯電粒子の以外、プラズマも内側の電子状態が変わる（励起状態）中性粒子或は反応性が増加する粒子（解離性分子とラジカル）を含める。そのため、プラズマは帯電と励起の粒子が絶えず形成し衰亡する動態システムと考えられる。
【０００５】
コロナの過程中に、中性流体（例えば水素或は酸素）の中に放置される電極は高い電位の電流を出すことができる。流体の電離化を通じ、電極の付近でプラズマが発生できる。形成するイオンは最終に電子を隣の低い電位区域または活性化極性多孔質材料或は粉末のイオン欠陥点まで伝送し、再び中性粒子を形成する。コロナの極性は正、負にかかわらず、電極電圧の極性により確定される。負水素の発生過程について、巨大な電子エネルギーが水素分子に伝送されるため、水素流体が流した電位勾配の十分に大きな点で、流体は電離を発生し、しかも更に強い電導性を獲得する。もし一つの水素の吸着した物体には鋭い先端もあるならば、電子の密度は非常に高く、電子は水素原子にぶつかる。一方、もとは水素原子核の外で孤立電子が一つだけあり、水素原子核の自身で発生する磁界を遮蔽するのに不十分であるため、エネルギー最小の安定状態に達する。それは別の電子を捕獲し、安定に達することに傾く。それで、緩慢な電子は水素原子にぶつかる時、水素原子の表面に吸着し安定な負水素イオンを形成するかもしれない。もし鋭い幾何形状と勾配に沿うならば、電離区域は引続き増加することができ、ある半径区域の内に停止するのではなく、それにより完全な電導通路を形成し、短い火花或は連続の火弧をもたらす。その区域の外で、負電気付けの水素粒子は逆荷電付けの物体を探し（例えば活性化極性多孔質物質の中の陽電気性点）、中和を実現し、吸着効果を発生することに傾く。
【発明の開示】
【０００６】
本発明は非熱プラズマの処理方法と設備に関連し、その設備はコロナ技術を採用し、一つの多層微粒子ベッド（例えば活性炭微粒子ベッド）の上方にプラズマと気体負水素イオンを生み、気体非平衡プラズマ（例えば負水素イオンを含有するプラズマ）が活性化極性多孔質微粒子の中に保存するのを助けることができる。
本発明の方法はコロナ放電より発生する電子励起負イオン気体を運用し、活性分極の多孔質粉末（例えば活性炭或は他の類似する活性化極性物質）の上に可逆吸着を獲得する。これらの物質は活性化極性点を持ったほうがよく、例えば陽電気性或はイオン化表面、気体の負イオンは非熱プラズマの発生部品から発生できる。
【０００７】
本発明はコロナ技術を使用し、一つの多層ベッドの上で気体を負イオン含有のプラズマになさせる。本発明の方法と設備は負電圧を発生できる部品を含め、針の先のコロナ放電より負電気性気体イオン或は非熱プラズマを獲得し、それによりイオンを可逆的に吸着させ、または活性化極性物質（例えば活性炭或は他の類似する極性物質例えば液体水）の中で溶解する。その原因は、後者がたくさんの活性化極性点（例えば陽電気性点）を持つことである。負水素を吸着した物質は水素保存の媒介とし、水素保存タンクの内に保存する。
【０００８】
実験によると、帯電多孔質粉末の脱離または脱水素反応は適度の温度（例えば50℃）の下で発生できる。これは、イオン性と共有原子価性との結合混合表面構造を持つ多孔質粉末（例えば商業用活性炭）の発生する水素化表面カバーがエネルギー入力（例えば加熱）の過程中に水素を脱することができると表明する。それで、適度の温度まで加熱し短波紫外光（~254ナノメートル、且つ/または185ナノメートルの波長）で照射するという助けのもとで、水素は粉末物質から釈放され、しかも温和な条件の下で再生することができる。この水素保存過程は可逆であるため、多種類の気体の保存過程中に応用価値を持ち、その応用範囲が上記の多数の分野を含める。
【０００９】
それに応じ、本発明は気体可逆吸着の方法とし、他の方面にも応用できる。室温と異なっている圧力（例えば大気圧（絶対））の下で、多孔質物質を負イオン化気体環境に接触させ、気体の吸着をもたらす。常温と普通の圧力の下で、他の汚染と気体がないほうがよい環境の中で、固体多孔質微粒子はイオン性気体（特に負酸素イオン）を接触することを通じ、酸素を吸着する。
【００１０】
本発明の更に詳細な目標と利点は後で詳しく述べられる。充分に本発明の応用範囲を理解するよう助けるために、次は本発明の関連する具体的な設備の異なっている方面を紹介する。
【００１１】
（図の簡単な説明）
図1は、本発明に関するプラズマ侵入式吸着ベッドの実施方案を示す。
図2は、本発明に関する水素保存連続操作システムの実例を一つ示す。
図3は、本発明に関する負水素脱離プロセスの実施方案を一つ示す。
図4は、本発明に関する負水素を吸着した活性化極性物質或は粉末タンクの積載実例を一つ示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
一層本発明を述べる前に、まず規格、実例と特許優先請求に用いる主な述語を纏める。これらの述語の定義は公然の内容とし、普通の技術員に理解させなければならない。他のところで別に定義がある場合を除き、下記の技術と科学述語の意味は、類似の技術を操作し普通の工芸レベルを持つ人員が通常に理解する意味と同じである。
【００１３】
本文の中で使用される冠詞の「一つ」は、一つ或は一つの以上（即ち、少なくとも一つ）の文法目標物を指す。例えば、一つの部品は一つ或は一つの以上の部品を指す。
述語「活性化極性点」はイオン或は原子と反応しやすい極性点を指す。
述語「含む」は全ての素子を含むという意味であり、広義の上で、他の素子もその中に含まれる。
述語「懸垂の結合」は欠陥を持つ共有結合を指す。
述語「帯電気体持ち多孔質粒子」は電荷―電荷極性作用または共有結合作用のため気体を吸着した一つの多孔質粒子を指す。
述語「含める」は「含めるが、限らない」という意味を指す。「含める」と「含めるが、限らない」という2種類の意味の同じの言い方は本文で交替で使われる。
述語「イオン」は通常に電気中性を呈する原子、一組の原子或は亜原子微粒子が電子を損失（或は増加）するため達するイオン状態を指す。
述語「イオン化気体」はその原子がイオンになる能力を持つ気体を指す。
述語「非平衡プラズマ」はこのようなプラズマを指し、その電子だけが高温にあるが（原子がより高いエネルギーを持つ）、イオンと中性分子が常温にある（イオン或は分子がより低いエネルギーを持つ）。
述語「プラズマ」は負電気性或は陽電気性イオン、自由電子と中性粒子からなる気体類似の物質状態を指す。
述語「多孔質微粒子」は少なくとも一つの孔或は「すきま」を保有する球形または他の形の物体を指し、その物体が気体或は液体が入ることを許す。
【００１４】
我々は既に以下のようなことを発見し、直径が大体2ミクロンから20ミクロンまでの（特定な実施実例の中に直径が大体2ミクロンから15ミクロンまでとする）活性炭微粒子と1000平方メートル/グラムから3800平方メートル/グラムまでの比表面積（特定な実例の中に1000平方メートル/グラムから2600平方メートル/グラムまで）が非熱プラズマ或は水素イオン付けのコロナ放電の環境の下で応用され、室温と大気圧という条件の下で、7.5 wt%から大体8.5 wt%までの水素を吸収できるが、特定の実施実例の中に7.5 wt%から大体9.0wt%までの水素を吸収できる。
【００１５】
本発明の方法と設備を通じ、非平衡プラズマ技術を運用し、気体をイオン化したりプラズマにならせたりし、それからそれを多孔質材料吸着ベッドに吸着させ、水素ガスを保存する。本発明の利点は気体非平衡プラズマ（負イオンと励起原子を含める）と微粒子表面のイオン化または正常な原子の間で極性イオン或は共有原子価の相互作用を発生させ、それにより気体（例えば水素）プラズマ粒子を活性化極性材料或は粉末（例えば活性炭）の上に吸着させられることである。水素ガスに対し、イオンと共有原子価の作用力のため、負水素イオンと水素原子はそれぞれ多孔質材料の活性化極性点の付近に吸着され、水素を吸着物質の内に吸着される。
【００１６】
例えば物質微粒子の表面に少なくとも2種類の活性化点があり、(1)イオン化或は陽電気性を持つ欠陥点、例えば、活性化極性炭素の表面に一つの陽電荷の炭素をつけること、(2)不完全な共有原子価リンク或は懸垂共有結合、例えば、活性炭の表面に一つの共有結合が表面付近の粒子と共同で束縛する電子を失うため、不完全な炭素原子として表現されること。微粒子の表面にたくさんのこのような活性化極性点があり、例えば陽電気性と懸垂共有結合の接点、これによりそれらはイオン力と共有原子価の接合力で負水素イオン及び水素原子と結びつけ、水素を活性化極性吸着物質の中に吸着することができる。
【００１７】
プラズマ浸漬吸着ベッドは高いバイアス電源を含め、負水素イオンを含める非平衡プラズマを発生できる。イオンが活性分極多孔質微粒子バッドの内に吸着され、ベッドの内の微粒子（例えば活性炭微粒子）が全て陽電気性と懸垂結合の結合点を持つ。例えば、多孔質粉末ベッドの内にコロナ放電素子電極を整備でき、非平衡プラズマ或は負イオン化水素分子を発生し、イオンが後で微粒子の孔に入り、これらの多孔質微粒子（例えば活性化極性点或は表面の欠陥を持ち、陽電気性と懸垂結合の結合点を含め、しかも大きな比表面積を持つ活性炭）が水素保存空間を形成できる。
【００１８】
プラズマ補助の吸着ベッドの内に、コロナ放電素子は一連の電極からなり、負電圧を加えるのは負コロナと水素ガスとの相互作用を引き起こし、主に負水素イオンからなる非平衡プラズマを生む。このプラズマは粉末活性化極性点に吸着され、水素化物複合構造を形成することができる。
例えば、コロナ補助の活性炭多孔質微粒子気体吸着過程について、プラズマが少なくとも2種類の成分（負水素イオンと水素原子）からなるため、以下の反応が発生するかもしれない。
【００１９】
水素ガスに対し、以下の反応が発生するかもしれない。
H2+e-→H2 (振動励起状態)+e- (1)
H2 (振動励起状態) + e-→H- + H (2)
H+e-→H-+フォトン(3)
イオン炭素表面の一つの正電荷＜C+＞に対し、
H-+＜C+＞(イオン化点)→[ C：H ] (イオン結合) (4)
炭素表面の＜C−＞懸垂共有結合に対し、
H-+＜C−＞ (懸垂共有結合)→(C-H)- (共有結合) (5)
H+＜C−＞(懸垂共有結合)→(C-H) (共有結合) (6)
【００２０】
可逆吸着を獲得し脱離を実現するために、水素化される活性化極性炭素表面を加熱でき、または別途で紫外線輻射を加え或は電子で励起し、イオンと共有原子価との結合を通じ形成される水素カバーが分離でき、脱水素を実現する。主な反応は以下のようであるかもしれない。
[C：H] (イオン結合)+熱→＜C+＞(イオン化点)+H-(7)
(C-H)
(共有結合)+熱→＜C−＞(懸垂共有結合)+H(8)
(C-H)-
(共有結合)+熱→＜C−＞ (懸垂共有結合)+H-(9)
H-+フォトン→H + e- (10)
H-+e-→H+2e- (11)
H+H→H2 (12)
【００２１】
非平衡プラズマを発生するために、微粒子ベッド容器の内に水素分子気流の中で高負電圧電界でコロナ放電を生成し、微粒子の孔の付近でバイアス電界が発生する。コロナ放電は電子、負水素分子イオンと水素原子を含める強烈なイオン環境を発生できる。水素分子の内にコロナ放電は電離気体と励起原子を発生でき、それらは後で陽電気性と懸垂共有結合点を持つ物質内孔に入ることができる。噴き入れる水素ガスが活性分極の微粒子ベッドを横切る時、非平衡プラズマ素子は複雑なすきまへ接触することもできる。充分な高い濃度の負水素イオンを含める非平衡プラズマを発生するために、バイアス電界の強度を増加でき、これらの負イオンは多孔質微粒子の陽電気性と懸垂共有結合点との結合に傾く。
【００２２】
異なっている電力パワー（例えば1ワットから50キロワットまで）の条件の下で、電極にバイアス負電圧（例えば-1キロボルトから-22キロボルトまで）を加える時、高エネルギーを持つ非平衡プラズマ或は負電気性水素イオンは発生し、有効的に活性化極性多孔質物質に吸着することができる。コロナ放電は一つの密集しているイオン環境を構成でき、これにより、電子、負水素イオンと水素原子を発生する。水素分子コロナ放電で発生する電離気体と励起の原子に対し、それらは後で陽電気性と懸垂結合点を持つ物質の内部に入ることができる。入力水素ガスが活性分極の微粒子或は物質ベッドを横切る時、発生する非平衡プラズマ素子は物質の複雑なすきまの内部に入ることができる。バイアス電界の強度を充分に高いレベルまで増大でき、高い密度の非平衡プラズマ（負水素イオンを含める）を発生し、これらのイオンは活性分極或は陽電気性と懸垂結合点を持つ多孔質微粒子物質を接触し、吸着されることができる。
【００２３】
充分なエネルギーを持つ非平衡プラズマ或は負水素イオンは有効的に多孔質微粒子物質の中に吸入され、それらは異なっているパワー（例えば1ワットから50キロワットまで）の高圧発生器でイオン発生器部品にバイアス負電圧（例えば-1キロボルトから-22キロボルトまで）を加えることを通じ簡単に発生する。電極（針）は微粒子物質ベッドの上に配列され、電子絶縁材料壁に沿い区域の中心位置に指す。平均し一致する電界を獲得するために、電極を平均的に配列されたほうがよく、且つ電極針と壁或は微粒子ベッドと接触を避ける。
例えばプラズマ補助の吸着ベッドは大量に加工される固定ベッドまたは連続に操作できる移動ベッドであってもよい。
負水素イオンは他の非熱プラズマ技術[19]で発生することができ、高頻度方法例えば無線週波数プラズマ（RF）、マイクロ波プラズマ、誘導結合プラズマ（ICP）及び高電圧方法例えば誘電体障碍放電（DBD）と電子ビーム（EB）を含める。
【００２４】
図1は活性化極性粉末或は液体の中に電離水素ガスを吸着することを実現する方法の設備実例を示す。入口で水素ガスは電離され、負水素イオンになさせ、負電気性水素が極性を持つ活性点或は陽電気性点まで吸着される。
図1は典型的なプラズマ補助多孔質微粒子或は流体ベッド構造を示す。前半の部分115はプラズマ粒子の間の質量とエネルギーの伝送を許す。電極（針）は電子絶縁材料ベッド壁に沿い取付け、指針を反応ベッドの中心に指させるが、電極とベッド壁或は物質ベッドとの直接の接触を避けるべきである。後半の部分118は多層ベッドである。前半の部分115はバッチで操作し、或は気体フィルター122を使用する時に連続で操作できる。入口113と物質フィーダ112で、粉末或は流体はベッドの内に入力された後で後半部分のベッドに移られる。ベッド120は電撃防止の機能を持ち、絶縁材料（例えば陶磁器或はガラス）をその電子絶縁ハウシング119をする。操作する時、粉末或は流体層123は支持板121の上に一定の時間に立ち止まりイオンを吸着する。その後、110の水素ガスとポート125の二次水素ガス作用の下で、じょうご126及び磁性リング124とルーティング板128を横切り、粉末或は流体は多層板を通じ、気体に沿い押し寄せ、下へ移る。有効的で快速な吸着に達するために、活性化物質或は粉末の層数は薄いほうがよく、具体的な濃度がイオン強度とイオン、原子の濃度により決定される。例えば、ベッドの高さは大体0.1cmから3cmであってもよい。容易に負イオンを吸着するために、吸着ベッドにはわりに大きな暴露区域を残したほうがよい。プラズマ補助の吸着ベッドは大量に操作する固定ベッド或は連続に操作する移動ベッドであってもよい。操作する前に、吸着ベッドシステムはポート114を通じ不活性気体を噴出したり真空引出し処理をしたりし、その同時に空気と水分を取り除く。水素を吸着した粉末或は流体は大量或は連続的な操作処理を通じ、出口127で排出される。ベッドの外殻は金属材料（例えばステンレス）で作られ、しかもアースを保持する。
【００２５】
吸着ベッド120もバイアス電界発生器116、物質フィーダ112と物質出口127を含める。それは固定ベッド或は移動ベッドであってもよく、大量或は連続的な操作を実現する。水素ガス供給装置は吸着ベッド120に繋がることができる。水素は一定のフィーディング圧力の下で、例えば大気圧（絶対圧力）、入口110からコロナ生成区115に入る。電界発生器116はバイアス負電界の発生に用いる。電界パワーは、プラズマを生み有力のコロナ放電を発生できることに至るまで強大で、しかも区間115の中で高い濃度の負水素イオンを生み、これにより一定の容量の多孔質粉末或は流体に提供し、吸着或は溶解を実現する。全ての他の高い濃度の負水素イオンを発生できるイオン源技術は全部採用されることができ、115区間で高い濃度の負水素イオンを提供し、吸着ベッドに連続で快速な吸着操作を供える。
【００２６】
水素流体の内にコロナ放電を使用するのは、負水素イオンを含める非平衡プラズマを発生できる。負水素イオンを含める非平衡プラズマはベッドの一部分の区域115から活性化極性を持つ多孔質物質ベッド118に流れ込む。いったん微粒子物質に到着したら、負水素イオンを含める非平衡プラズマは活性分極の微粒子物質118のすきまの内部に入ることができる。
電極116に加える高電圧は電界を発生できる。電極116は少なくとも約1キロボルトの負電圧電源（図の中で示されない）に繋がるべきである。それが発生するバイアス負電界は区間115の中の水素分子を電離するために、十分な強度を持たなければならない。
【００２７】
負電気水素イオンが吸着ベッドに入り、快速な電子で破壊されなく、それにより活性化極性点に入る普通の水素原子の数量を最小まで減少するために、永久磁石リング124を使用でき、例えばサマリウムコバルト（Sm-Co）永久磁石或は他の磁界を発生する材料を採用する。磁石は上のベッドと下のベッドの間で置いてもよく、加工範囲を二つの区域に分けさせ、プラズマ区域と物質区域。その機能は負電気性イオンを吸込み、磁気リング通路124を通じ多孔質粉末或は流体区域に入らせ、しかもベッドの内の電子分布の平均程度を改善する。
【００２８】
割に多くの負イオンを吸着するために、大きな比表面或は表面すきま、豊富な陽電気性活性化極性点を持つ微粒子物質を使用したほうがよい。わりに多くの活性化極性点は、陽電気性活性化極性点とわりに強い磁界強度であってもよく、もっと多くの負水素イオンをより速く材料に吸着させたり液体に入ったりし、もっと容易に脱離することができる。例えば、活性化極性微粒子のサイズは小さいほうがよく（例えば1ミクロンから50ミクロンまで）、しかも大きな比表面を持つべきである（例えば1000m2/g或はもっと多い）。最も適当な微粒子はたくさんの活性化極性中心を持ち、負電気性イオンの吸着を供えるために陽電荷を持つべきである。大きかったり小さかったりする微粒子材料が全て使用できるが、しかしその前提は反応に用いる十分な比表面があり、活性化極性中心が存在することである。
【００２９】
バイアス電界は十分で強いパワーを持ったほうがよく、大容量のコロナ放電を引き起こすようにし、それにより区間115の上に相応の大量の負水素イオンを発生し、下の微粒子物質ベッド118に入る。
上記の電離環境も多くの他の中性或は普通の気体分子或は気体廃物を粉末或は流体に保存することをもたらす。他の気体イオン（例えば負電気性酸素イオンなど）も陽電気性或は懸垂結合点を持つ活性化極性物質の中に保存されることができ、例えば活性炭、タバコ繊維、沸石のすきま内。
【００３０】
図2のように、連続的な方式の下で操作できるために、非熱プラズマ或はコロナベッド16は水素源10と繋がることができる（例えば水電解水素発電機或は純粋な水素ガスの保存タンク）。多孔質材料は如何なる水素源と繋がることができる。例えば、天然ガス改質システムより発生する純粋な水素ガスと、水電解方法を使用する水素発生器より発生する純粋な水素ガスとの繋がりはもっと有利であるかもしれない。水と電力がある如何なる地方では、電解で水素を発生し、しかもそれを活性化多孔質粉末或は流体の内に保存する。多孔質物質保存タンク11は十分な物質を必要とし、連続的な操作を行う。負電気性電圧発生器13は負電圧（例えば-3キロボトル電圧）を提供し、物質の上に放置される電極針に加える。最後、物質は下へ容器14まで移る。吸着されない水素ガスは粉末或は流体ベッドを横切り、少なくとも一つの気体/固体分離器（例えば気体フィルター）でベッドの入口まで送り返され、それにより循環に使用する。操作する前に、ポート12で不活性気体で連続に噴出し、或は真空ポンプで空気の中の酸素と湿気を排除する。多孔質粉末は使用する前に再生処理を行い、例えば真空の中にそれを300℃まで加熱する。
【００３１】
図3は水素を吸着した物質18の中から水素を釈放する方法を示す。本発明は紫外輻射の非熱励起機能の補助の下で完成する水素イオン脱離再生の過程を利用し、異なっている応用過程に純粋な水素を提供する。材料活性化極性点に付着する水素イオンは励起を獲得し排出し、脱水素或は再生の後で、固体分子は依然として表面に留める。脱水素の期間で、一定の温度（例えば75℃）まで加熱（例えばマイクロ波を有効的な方法とする）し、次第に物質が吸着する水素イオンを排出するという方法を採用できる。短波紫外光ライト（例えば185ナノメートルから254ナノメートルまでという範囲の商業用紫外ライト）を使用することもできる。発生する254ナノメートル或は185ナノメートルの紫外光はフォトンを送り出し、分極水素原子の脱離と再生を引き起こし、それにより水素ガスを獲得する。しかし、燃料電池の応用に対し、負水素イオンを維持するのは発電に更に助けがあり、その原因はモルごとの負水素イオン或は帯電水素ストリームがモルごとの水素原子より多くの電子を持つことである。そのため、一定の時間内にもっと多くの電子は燃料電池の内に更に大きな電流密度を伝送できる。
【００３２】
図4は水素を吸着した物質を保存する典型的なタンクを示す。タンクは少なくとも三つの部分からなり、即ち物質保存室141、紫外照明室143と加熱器148。全ての部分はネジ155でねじられる。全ての部分が真空状態の中に締切られるために、ゴムワッシャー153と156を使用すべきである。タンクは異なっている材料から製造することができ、例えば金属（ステンレス或はアルミニウム）或は非金属材料（例えば陶磁器、ガラス）。物質保存室141は紫外照明室143から取出し分解することができ、再び水素を吸着した材料を満載する。紫外照明室143は少なくとも一つのガラスウールフィルター151、一つの紫外光ライト149、一つのフィルター142を含める。
【００３３】
紫外ライト149は補助非熱刺激の提供に用い、脱離素子の中から可能の不純物を分解し、それにより水素を再生する。フィルター151は不活性フィーディング材料（例えばガラスウール）であってもよく、或は不活性微小の内孔を持ち不純物を濾過できる如何なる材料である。多孔フィルター142は異なっている材料で作られる網（例えばステンレス網或は炭素、陶磁器或は他の濾過可能の材料で作られる膜）を採用でき、開口部の面積或は多孔板のオープン総面積が大体30％である。ポート144は異なっている応用設備と繋がることができ、それにより提供する水素ガスが各種類の異なっている用途の応用を満たす。多孔質材料の上に位置する短波紫外ライトは非熱光刺激を提供する。ディスクまたは板146は異なっている非金属材料で作られ（例えば多孔石英或は陶磁器盤、ステンレス網）、開口部の総面積が約20~30%である。加熱操作は電源ポート152或は内部加熱器145で実施され、タンクには内部電気加熱素子を設置しなく、外部電気エネルギー或はマイクロ波では加熱してもよい。内部加熱器145（ニクロムコイルまたはマイクロ波管を使用できる）はタンクに差込み、物質を仕事温度（例えば75℃）まで加熱させ、それにより各種類の応用を満たす。水素を吸着した物質147をタンクに詰める前に、タンク140はアルゴンガスで噴出し整理されるべきである。脱離の時、全体のシステムはポート144を通じ真空になり、或は不活性気体（例えばアルゴンガス）で噴出し、それから、水素を吸着した物質を加熱する。
【００３４】
参考文献
本文で言及される全ての出版物及び特許書類は、下記の文献を含め、引用する順序によりここでそれぞれ書き並べられる。
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【００３５】
等価技術
仕来りの実験方法を採用し、本発明の説明の中で実現する効果を獲得できる類似する方法がたくさんあると熟練の技術人員も認識し、または確信する。本文の中で既に発明の具体的な方法を討論したが、述べられた規則は説明的なのであり、制限的なのではない。熟練の技術人員に対し、本発明の多くの他の変化技術は規則に対する考察を通じ、明らかになる。全体の発明内容は主権の声明、参考資料及び全ての類似する実験技術、規則の特徴、そのような技術変化により決定される。そのような等価性も下記の特許請求の中に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に関するプラズマ侵入式吸着ベッドの実施方案を示す。
【図２】本発明に関する水素保存連続操作システムの実例を一つ示す。
【図３】本発明に関する負水素脱離プロセスの実施方案を一つ示す。
【図４】本発明に関する負水素を吸着した活性化極性物質或は粉末タンクの積載実例を一つ示す。
【符号の説明】
【００３７】
１１０ 水素ガス １１２ 物質フィーダ
１１３ 入口
１１５ 前半の部分
１１６ バイアス電界発生器
１１８ 後半の部分 １１９ 電子絶縁ハウジング
１２０ ベッド
１２１ 支持板
１２３ 流体層
１２５ ポート
１２７ 出口
【技術分野】
【０００１】
関係出願のクロスリファレンス
本出願は2006年9月21日に提出されたU.S.S.N.11/525，197の権益優先順位を要求し、2006年2月21日に提出された臨時出願No.60/774,867の権益優先順位を要求する。本文は引用の方式でこの二部の申出の全ての内容を結びつける。
技術の分野
本発明は非平衡プラズマ補助の気体吸着の方法と設備に関連し、即ち、陽電気性を含有する活性化極性多孔質物質の中で、例えば活性炭或はスーパー活性炭、負水素イオンを発生する方法と設備を利用し可逆的に負イオン化水素ガスを保存することである。当方法は他の気体の保存にも応用できる。
【背景技術】
【０００２】
水素は宇宙の中で最も簡単で最も豊富な元素である。水素燃料電池が各種の産業で広く使用されると予想するのは、当電池が水素の化学エネルギーを利用し発電し、燃焼或は汚染を発生しないからである。しかし、これまでの長い間、水素保存は一つの主な技術ボトルネックである。現在水素の保存には主な方法は四つがあり[ 1、 2 ]、即ち圧縮水素ガス、液体水素、冷凍吸着システム及び金属水素化物システム[ 3 ]。一方では、再生可能エネルギーとし、水素は保存可能と移動可能の長所を保有する。またもう一方では、水素の物理密度がとても低いことにかんがみ、もし直接に車載エネルギーの保存に用いるならば、容量が低すぎるため、自動車と他の応用に対し実用価値がない。現在最も常用の方法は、高圧圧縮水素ガスを加圧燃料タンクに入れるのである。当方法が一定のドライビングレンジを提供できるが、燃料タンクの体積が大きすぎ、他の分野に応用しにくい。水素が液化されるのは燃料の密度を1倍以上増加させることができるが、当方法は巨大なエネルギーを必要とし、それにより温度を下げ（(-253℃と大気圧）、そして冷凍温度を維持するように高価な断熱燃料タンクを必要とし、現在でも期待のドライビングレンジに達していない。金属水素化物の方法は水素化物の中の結晶構造を利用し水素ガスを保存し、使用する時に加熱を通じ水素を釈放するのである。当方法で獲得するエネルギーの密度は依然としてあまり大きくなく、しかもコストが非常に高い。
【０００３】
周知のように、多孔質活性炭素粉末も中性水素分子をその微小な内孔に吸着できる。しかし、当材料を使用し水素保存の媒介とするのはたくさんの問題に直面している。例えば、中性水素分子を内孔に入れるために、必ず高気圧を使用しなければならない。冷凍低温と約45−60の気圧の下で、活性炭の内に吸着されることができる水素は大体5.2 wt%だけである[5、6]。室温温度と60の気圧の下で、大体0.5 wt%だけである[4-14]。そのため、たくさんの研究者は、多孔質活性化炭素の方法を使用するのがアメリカエネルギー部門が自動車業界の車載水素保存のために制定した6.5 wt%の指標を満たすことができないと信じる。
【０００４】
現在、電気負性気体とプラズマ技術は主に表面処理、大気科学と環境研究の中の気体処理など分野に用いている。負電気性イオンが現代プラズマ物理学の中に重要な役割を演じるため、その基本的な性質は広範な研究を獲得している[ 15、16 と17 ]。負電気性プラズマは常に負電気性イオン放射線を生産する時にも使用される[ 18 ]。水素の電離技術は気体放電プラズマに対する応用である。気体帯電プラズマは活性と動態の媒介である。プラズマは部分電離した気体と理解される。気体原子の一部分或は分子は電子とぶつかる時、電離しイオンを形成する。これらの帯電物質は相互に作用する。電磁界の中でイオン移動の駆動力を引き起こすことができる。プラズマは電気エネルギーの供給を要求する。電力を気体に入力し電離を引き起こすという過程はプラズマ源を構成する。帯電粒子の以外、プラズマも内側の電子状態が変わる（励起状態）中性粒子或は反応性が増加する粒子（解離性分子とラジカル）を含める。そのため、プラズマは帯電と励起の粒子が絶えず形成し衰亡する動態システムと考えられる。
【０００５】
コロナの過程中に、中性流体（例えば水素或は酸素）の中に放置される電極は高い電位の電流を出すことができる。流体の電離化を通じ、電極の付近でプラズマが発生できる。形成するイオンは最終に電子を隣の低い電位区域または活性化極性多孔質材料或は粉末のイオン欠陥点まで伝送し、再び中性粒子を形成する。コロナの極性は正、負にかかわらず、電極電圧の極性により確定される。負水素の発生過程について、巨大な電子エネルギーが水素分子に伝送されるため、水素流体が流した電位勾配の十分に大きな点で、流体は電離を発生し、しかも更に強い電導性を獲得する。もし一つの水素の吸着した物体には鋭い先端もあるならば、電子の密度は非常に高く、電子は水素原子にぶつかる。一方、もとは水素原子核の外で孤立電子が一つだけあり、水素原子核の自身で発生する磁界を遮蔽するのに不十分であるため、エネルギー最小の安定状態に達する。それは別の電子を捕獲し、安定に達することに傾く。それで、緩慢な電子は水素原子にぶつかる時、水素原子の表面に吸着し安定な負水素イオンを形成するかもしれない。もし鋭い幾何形状と勾配に沿うならば、電離区域は引続き増加することができ、ある半径区域の内に停止するのではなく、それにより完全な電導通路を形成し、短い火花或は連続の火弧をもたらす。その区域の外で、負電気付けの水素粒子は逆荷電付けの物体を探し（例えば活性化極性多孔質物質の中の陽電気性点）、中和を実現し、吸着効果を発生することに傾く。
【発明の開示】
【０００６】
本発明は非熱プラズマの処理方法と設備に関連し、その設備はコロナ技術を採用し、一つの多層微粒子ベッド（例えば活性炭微粒子ベッド）の上方にプラズマと気体負水素イオンを生み、気体非平衡プラズマ（例えば負水素イオンを含有するプラズマ）が活性化極性多孔質微粒子の中に保存するのを助けることができる。
本発明の方法はコロナ放電より発生する電子励起負イオン気体を運用し、活性分極の多孔質粉末（例えば活性炭或は他の類似する活性化極性物質）の上に可逆吸着を獲得する。これらの物質は活性化極性点を持ったほうがよく、例えば陽電気性或はイオン化表面、気体の負イオンは非熱プラズマの発生部品から発生できる。
【０００７】
本発明はコロナ技術を使用し、一つの多層ベッドの上で気体を負イオン含有のプラズマになさせる。本発明の方法と設備は負電圧を発生できる部品を含め、針の先のコロナ放電より負電気性気体イオン或は非熱プラズマを獲得し、それによりイオンを可逆的に吸着させ、または活性化極性物質（例えば活性炭或は他の類似する極性物質例えば液体水）の中で溶解する。その原因は、後者がたくさんの活性化極性点（例えば陽電気性点）を持つことである。負水素を吸着した物質は水素保存の媒介とし、水素保存タンクの内に保存する。
【０００８】
実験によると、帯電多孔質粉末の脱離または脱水素反応は適度の温度（例えば50℃）の下で発生できる。これは、イオン性と共有原子価性との結合混合表面構造を持つ多孔質粉末（例えば商業用活性炭）の発生する水素化表面カバーがエネルギー入力（例えば加熱）の過程中に水素を脱することができると表明する。それで、適度の温度まで加熱し短波紫外光（~254ナノメートル、且つ/または185ナノメートルの波長）で照射するという助けのもとで、水素は粉末物質から釈放され、しかも温和な条件の下で再生することができる。この水素保存過程は可逆であるため、多種類の気体の保存過程中に応用価値を持ち、その応用範囲が上記の多数の分野を含める。
【０００９】
それに応じ、本発明は気体可逆吸着の方法とし、他の方面にも応用できる。室温と異なっている圧力（例えば大気圧（絶対））の下で、多孔質物質を負イオン化気体環境に接触させ、気体の吸着をもたらす。常温と普通の圧力の下で、他の汚染と気体がないほうがよい環境の中で、固体多孔質微粒子はイオン性気体（特に負酸素イオン）を接触することを通じ、酸素を吸着する。
【００１０】
本発明の更に詳細な目標と利点は後で詳しく述べられる。充分に本発明の応用範囲を理解するよう助けるために、次は本発明の関連する具体的な設備の異なっている方面を紹介する。
【００１１】
（図の簡単な説明）
図1は、本発明に関するプラズマ侵入式吸着ベッドの実施方案を示す。
図2は、本発明に関する水素保存連続操作システムの実例を一つ示す。
図3は、本発明に関する負水素脱離プロセスの実施方案を一つ示す。
図4は、本発明に関する負水素を吸着した活性化極性物質或は粉末タンクの積載実例を一つ示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
一層本発明を述べる前に、まず規格、実例と特許優先請求に用いる主な述語を纏める。これらの述語の定義は公然の内容とし、普通の技術員に理解させなければならない。他のところで別に定義がある場合を除き、下記の技術と科学述語の意味は、類似の技術を操作し普通の工芸レベルを持つ人員が通常に理解する意味と同じである。
【００１３】
本文の中で使用される冠詞の「一つ」は、一つ或は一つの以上（即ち、少なくとも一つ）の文法目標物を指す。例えば、一つの部品は一つ或は一つの以上の部品を指す。
述語「活性化極性点」はイオン或は原子と反応しやすい極性点を指す。
述語「含む」は全ての素子を含むという意味であり、広義の上で、他の素子もその中に含まれる。
述語「懸垂の結合」は欠陥を持つ共有結合を指す。
述語「帯電気体持ち多孔質粒子」は電荷―電荷極性作用または共有結合作用のため気体を吸着した一つの多孔質粒子を指す。
述語「含める」は「含めるが、限らない」という意味を指す。「含める」と「含めるが、限らない」という2種類の意味の同じの言い方は本文で交替で使われる。
述語「イオン」は通常に電気中性を呈する原子、一組の原子或は亜原子微粒子が電子を損失（或は増加）するため達するイオン状態を指す。
述語「イオン化気体」はその原子がイオンになる能力を持つ気体を指す。
述語「非平衡プラズマ」はこのようなプラズマを指し、その電子だけが高温にあるが（原子がより高いエネルギーを持つ）、イオンと中性分子が常温にある（イオン或は分子がより低いエネルギーを持つ）。
述語「プラズマ」は負電気性或は陽電気性イオン、自由電子と中性粒子からなる気体類似の物質状態を指す。
述語「多孔質微粒子」は少なくとも一つの孔或は「すきま」を保有する球形または他の形の物体を指し、その物体が気体或は液体が入ることを許す。
【００１４】
我々は既に以下のようなことを発見し、直径が大体2ミクロンから20ミクロンまでの（特定な実施実例の中に直径が大体2ミクロンから15ミクロンまでとする）活性炭微粒子と1000平方メートル/グラムから3800平方メートル/グラムまでの比表面積（特定な実例の中に1000平方メートル/グラムから2600平方メートル/グラムまで）が非熱プラズマ或は水素イオン付けのコロナ放電の環境の下で応用され、室温と大気圧という条件の下で、7.5 wt%から大体8.5 wt%までの水素を吸収できるが、特定の実施実例の中に7.5 wt%から大体9.0wt%までの水素を吸収できる。
【００１５】
本発明の方法と設備を通じ、非平衡プラズマ技術を運用し、気体をイオン化したりプラズマにならせたりし、それからそれを多孔質材料吸着ベッドに吸着させ、水素ガスを保存する。本発明の利点は気体非平衡プラズマ（負イオンと励起原子を含める）と微粒子表面のイオン化または正常な原子の間で極性イオン或は共有原子価の相互作用を発生させ、それにより気体（例えば水素）プラズマ粒子を活性化極性材料或は粉末（例えば活性炭）の上に吸着させられることである。水素ガスに対し、イオンと共有原子価の作用力のため、負水素イオンと水素原子はそれぞれ多孔質材料の活性化極性点の付近に吸着され、水素を吸着物質の内に吸着される。
【００１６】
例えば物質微粒子の表面に少なくとも2種類の活性化点があり、(1)イオン化或は陽電気性を持つ欠陥点、例えば、活性化極性炭素の表面に一つの陽電荷の炭素をつけること、(2)不完全な共有原子価リンク或は懸垂共有結合、例えば、活性炭の表面に一つの共有結合が表面付近の粒子と共同で束縛する電子を失うため、不完全な炭素原子として表現されること。微粒子の表面にたくさんのこのような活性化極性点があり、例えば陽電気性と懸垂共有結合の接点、これによりそれらはイオン力と共有原子価の接合力で負水素イオン及び水素原子と結びつけ、水素を活性化極性吸着物質の中に吸着することができる。
【００１７】
プラズマ浸漬吸着ベッドは高いバイアス電源を含め、負水素イオンを含める非平衡プラズマを発生できる。イオンが活性分極多孔質微粒子バッドの内に吸着され、ベッドの内の微粒子（例えば活性炭微粒子）が全て陽電気性と懸垂結合の結合点を持つ。例えば、多孔質粉末ベッドの内にコロナ放電素子電極を整備でき、非平衡プラズマ或は負イオン化水素分子を発生し、イオンが後で微粒子の孔に入り、これらの多孔質微粒子（例えば活性化極性点或は表面の欠陥を持ち、陽電気性と懸垂結合の結合点を含め、しかも大きな比表面積を持つ活性炭）が水素保存空間を形成できる。
【００１８】
プラズマ補助の吸着ベッドの内に、コロナ放電素子は一連の電極からなり、負電圧を加えるのは負コロナと水素ガスとの相互作用を引き起こし、主に負水素イオンからなる非平衡プラズマを生む。このプラズマは粉末活性化極性点に吸着され、水素化物複合構造を形成することができる。
例えば、コロナ補助の活性炭多孔質微粒子気体吸着過程について、プラズマが少なくとも2種類の成分（負水素イオンと水素原子）からなるため、以下の反応が発生するかもしれない。
【００１９】
水素ガスに対し、以下の反応が発生するかもしれない。
H2+e-→H2 (振動励起状態)+e- (1)
H2 (振動励起状態) + e-→H- + H (2)
H+e-→H-+フォトン(3)
イオン炭素表面の一つの正電荷＜C+＞に対し、
H-+＜C+＞(イオン化点)→[ C：H ] (イオン結合) (4)
炭素表面の＜C−＞懸垂共有結合に対し、
H-+＜C−＞ (懸垂共有結合)→(C-H)- (共有結合) (5)
H+＜C−＞(懸垂共有結合)→(C-H) (共有結合) (6)
【００２０】
可逆吸着を獲得し脱離を実現するために、水素化される活性化極性炭素表面を加熱でき、または別途で紫外線輻射を加え或は電子で励起し、イオンと共有原子価との結合を通じ形成される水素カバーが分離でき、脱水素を実現する。主な反応は以下のようであるかもしれない。
[C：H] (イオン結合)+熱→＜C+＞(イオン化点)+H-(7)
(C-H)
(共有結合)+熱→＜C−＞(懸垂共有結合)+H(8)
(C-H)-
(共有結合)+熱→＜C−＞ (懸垂共有結合)+H-(9)
H-+フォトン→H + e- (10)
H-+e-→H+2e- (11)
H+H→H2 (12)
【００２１】
非平衡プラズマを発生するために、微粒子ベッド容器の内に水素分子気流の中で高負電圧電界でコロナ放電を生成し、微粒子の孔の付近でバイアス電界が発生する。コロナ放電は電子、負水素分子イオンと水素原子を含める強烈なイオン環境を発生できる。水素分子の内にコロナ放電は電離気体と励起原子を発生でき、それらは後で陽電気性と懸垂共有結合点を持つ物質内孔に入ることができる。噴き入れる水素ガスが活性分極の微粒子ベッドを横切る時、非平衡プラズマ素子は複雑なすきまへ接触することもできる。充分な高い濃度の負水素イオンを含める非平衡プラズマを発生するために、バイアス電界の強度を増加でき、これらの負イオンは多孔質微粒子の陽電気性と懸垂共有結合点との結合に傾く。
【００２２】
異なっている電力パワー（例えば1ワットから50キロワットまで）の条件の下で、電極にバイアス負電圧（例えば-1キロボルトから-22キロボルトまで）を加える時、高エネルギーを持つ非平衡プラズマ或は負電気性水素イオンは発生し、有効的に活性化極性多孔質物質に吸着することができる。コロナ放電は一つの密集しているイオン環境を構成でき、これにより、電子、負水素イオンと水素原子を発生する。水素分子コロナ放電で発生する電離気体と励起の原子に対し、それらは後で陽電気性と懸垂結合点を持つ物質の内部に入ることができる。入力水素ガスが活性分極の微粒子或は物質ベッドを横切る時、発生する非平衡プラズマ素子は物質の複雑なすきまの内部に入ることができる。バイアス電界の強度を充分に高いレベルまで増大でき、高い密度の非平衡プラズマ（負水素イオンを含める）を発生し、これらのイオンは活性分極或は陽電気性と懸垂結合点を持つ多孔質微粒子物質を接触し、吸着されることができる。
【００２３】
充分なエネルギーを持つ非平衡プラズマ或は負水素イオンは有効的に多孔質微粒子物質の中に吸入され、それらは異なっているパワー（例えば1ワットから50キロワットまで）の高圧発生器でイオン発生器部品にバイアス負電圧（例えば-1キロボルトから-22キロボルトまで）を加えることを通じ簡単に発生する。電極（針）は微粒子物質ベッドの上に配列され、電子絶縁材料壁に沿い区域の中心位置に指す。平均し一致する電界を獲得するために、電極を平均的に配列されたほうがよく、且つ電極針と壁或は微粒子ベッドと接触を避ける。
例えばプラズマ補助の吸着ベッドは大量に加工される固定ベッドまたは連続に操作できる移動ベッドであってもよい。
負水素イオンは他の非熱プラズマ技術[19]で発生することができ、高頻度方法例えば無線週波数プラズマ（RF）、マイクロ波プラズマ、誘導結合プラズマ（ICP）及び高電圧方法例えば誘電体障碍放電（DBD）と電子ビーム（EB）を含める。
【００２４】
図1は活性化極性粉末或は液体の中に電離水素ガスを吸着することを実現する方法の設備実例を示す。入口で水素ガスは電離され、負水素イオンになさせ、負電気性水素が極性を持つ活性点或は陽電気性点まで吸着される。
図1は典型的なプラズマ補助多孔質微粒子或は流体ベッド構造を示す。前半の部分115はプラズマ粒子の間の質量とエネルギーの伝送を許す。電極（針）は電子絶縁材料ベッド壁に沿い取付け、指針を反応ベッドの中心に指させるが、電極とベッド壁或は物質ベッドとの直接の接触を避けるべきである。後半の部分118は多層ベッドである。前半の部分115はバッチで操作し、或は気体フィルター122を使用する時に連続で操作できる。入口113と物質フィーダ112で、粉末或は流体はベッドの内に入力された後で後半部分のベッドに移られる。ベッド120は電撃防止の機能を持ち、絶縁材料（例えば陶磁器或はガラス）をその電子絶縁ハウシング119をする。操作する時、粉末或は流体層123は支持板121の上に一定の時間に立ち止まりイオンを吸着する。その後、110の水素ガスとポート125の二次水素ガス作用の下で、じょうご126及び磁性リング124とルーティング板128を横切り、粉末或は流体は多層板を通じ、気体に沿い押し寄せ、下へ移る。有効的で快速な吸着に達するために、活性化物質或は粉末の層数は薄いほうがよく、具体的な濃度がイオン強度とイオン、原子の濃度により決定される。例えば、ベッドの高さは大体0.1cmから3cmであってもよい。容易に負イオンを吸着するために、吸着ベッドにはわりに大きな暴露区域を残したほうがよい。プラズマ補助の吸着ベッドは大量に操作する固定ベッド或は連続に操作する移動ベッドであってもよい。操作する前に、吸着ベッドシステムはポート114を通じ不活性気体を噴出したり真空引出し処理をしたりし、その同時に空気と水分を取り除く。水素を吸着した粉末或は流体は大量或は連続的な操作処理を通じ、出口127で排出される。ベッドの外殻は金属材料（例えばステンレス）で作られ、しかもアースを保持する。
【００２５】
吸着ベッド120もバイアス電界発生器116、物質フィーダ112と物質出口127を含める。それは固定ベッド或は移動ベッドであってもよく、大量或は連続的な操作を実現する。水素ガス供給装置は吸着ベッド120に繋がることができる。水素は一定のフィーディング圧力の下で、例えば大気圧（絶対圧力）、入口110からコロナ生成区115に入る。電界発生器116はバイアス負電界の発生に用いる。電界パワーは、プラズマを生み有力のコロナ放電を発生できることに至るまで強大で、しかも区間115の中で高い濃度の負水素イオンを生み、これにより一定の容量の多孔質粉末或は流体に提供し、吸着或は溶解を実現する。全ての他の高い濃度の負水素イオンを発生できるイオン源技術は全部採用されることができ、115区間で高い濃度の負水素イオンを提供し、吸着ベッドに連続で快速な吸着操作を供える。
【００２６】
水素流体の内にコロナ放電を使用するのは、負水素イオンを含める非平衡プラズマを発生できる。負水素イオンを含める非平衡プラズマはベッドの一部分の区域115から活性化極性を持つ多孔質物質ベッド118に流れ込む。いったん微粒子物質に到着したら、負水素イオンを含める非平衡プラズマは活性分極の微粒子物質118のすきまの内部に入ることができる。
電極116に加える高電圧は電界を発生できる。電極116は少なくとも約1キロボルトの負電圧電源（図の中で示されない）に繋がるべきである。それが発生するバイアス負電界は区間115の中の水素分子を電離するために、十分な強度を持たなければならない。
【００２７】
負電気水素イオンが吸着ベッドに入り、快速な電子で破壊されなく、それにより活性化極性点に入る普通の水素原子の数量を最小まで減少するために、永久磁石リング124を使用でき、例えばサマリウムコバルト（Sm-Co）永久磁石或は他の磁界を発生する材料を採用する。磁石は上のベッドと下のベッドの間で置いてもよく、加工範囲を二つの区域に分けさせ、プラズマ区域と物質区域。その機能は負電気性イオンを吸込み、磁気リング通路124を通じ多孔質粉末或は流体区域に入らせ、しかもベッドの内の電子分布の平均程度を改善する。
【００２８】
割に多くの負イオンを吸着するために、大きな比表面或は表面すきま、豊富な陽電気性活性化極性点を持つ微粒子物質を使用したほうがよい。わりに多くの活性化極性点は、陽電気性活性化極性点とわりに強い磁界強度であってもよく、もっと多くの負水素イオンをより速く材料に吸着させたり液体に入ったりし、もっと容易に脱離することができる。例えば、活性化極性微粒子のサイズは小さいほうがよく（例えば1ミクロンから50ミクロンまで）、しかも大きな比表面を持つべきである（例えば1000m2/g或はもっと多い）。最も適当な微粒子はたくさんの活性化極性中心を持ち、負電気性イオンの吸着を供えるために陽電荷を持つべきである。大きかったり小さかったりする微粒子材料が全て使用できるが、しかしその前提は反応に用いる十分な比表面があり、活性化極性中心が存在することである。
【００２９】
バイアス電界は十分で強いパワーを持ったほうがよく、大容量のコロナ放電を引き起こすようにし、それにより区間115の上に相応の大量の負水素イオンを発生し、下の微粒子物質ベッド118に入る。
上記の電離環境も多くの他の中性或は普通の気体分子或は気体廃物を粉末或は流体に保存することをもたらす。他の気体イオン（例えば負電気性酸素イオンなど）も陽電気性或は懸垂結合点を持つ活性化極性物質の中に保存されることができ、例えば活性炭、タバコ繊維、沸石のすきま内。
【００３０】
図2のように、連続的な方式の下で操作できるために、非熱プラズマ或はコロナベッド16は水素源10と繋がることができる（例えば水電解水素発電機或は純粋な水素ガスの保存タンク）。多孔質材料は如何なる水素源と繋がることができる。例えば、天然ガス改質システムより発生する純粋な水素ガスと、水電解方法を使用する水素発生器より発生する純粋な水素ガスとの繋がりはもっと有利であるかもしれない。水と電力がある如何なる地方では、電解で水素を発生し、しかもそれを活性化多孔質粉末或は流体の内に保存する。多孔質物質保存タンク11は十分な物質を必要とし、連続的な操作を行う。負電気性電圧発生器13は負電圧（例えば-3キロボトル電圧）を提供し、物質の上に放置される電極針に加える。最後、物質は下へ容器14まで移る。吸着されない水素ガスは粉末或は流体ベッドを横切り、少なくとも一つの気体/固体分離器（例えば気体フィルター）でベッドの入口まで送り返され、それにより循環に使用する。操作する前に、ポート12で不活性気体で連続に噴出し、或は真空ポンプで空気の中の酸素と湿気を排除する。多孔質粉末は使用する前に再生処理を行い、例えば真空の中にそれを300℃まで加熱する。
【００３１】
図3は水素を吸着した物質18の中から水素を釈放する方法を示す。本発明は紫外輻射の非熱励起機能の補助の下で完成する水素イオン脱離再生の過程を利用し、異なっている応用過程に純粋な水素を提供する。材料活性化極性点に付着する水素イオンは励起を獲得し排出し、脱水素或は再生の後で、固体分子は依然として表面に留める。脱水素の期間で、一定の温度（例えば75℃）まで加熱（例えばマイクロ波を有効的な方法とする）し、次第に物質が吸着する水素イオンを排出するという方法を採用できる。短波紫外光ライト（例えば185ナノメートルから254ナノメートルまでという範囲の商業用紫外ライト）を使用することもできる。発生する254ナノメートル或は185ナノメートルの紫外光はフォトンを送り出し、分極水素原子の脱離と再生を引き起こし、それにより水素ガスを獲得する。しかし、燃料電池の応用に対し、負水素イオンを維持するのは発電に更に助けがあり、その原因はモルごとの負水素イオン或は帯電水素ストリームがモルごとの水素原子より多くの電子を持つことである。そのため、一定の時間内にもっと多くの電子は燃料電池の内に更に大きな電流密度を伝送できる。
【００３２】
図4は水素を吸着した物質を保存する典型的なタンクを示す。タンクは少なくとも三つの部分からなり、即ち物質保存室141、紫外照明室143と加熱器148。全ての部分はネジ155でねじられる。全ての部分が真空状態の中に締切られるために、ゴムワッシャー153と156を使用すべきである。タンクは異なっている材料から製造することができ、例えば金属（ステンレス或はアルミニウム）或は非金属材料（例えば陶磁器、ガラス）。物質保存室141は紫外照明室143から取出し分解することができ、再び水素を吸着した材料を満載する。紫外照明室143は少なくとも一つのガラスウールフィルター151、一つの紫外光ライト149、一つのフィルター142を含める。
【００３３】
紫外ライト149は補助非熱刺激の提供に用い、脱離素子の中から可能の不純物を分解し、それにより水素を再生する。フィルター151は不活性フィーディング材料（例えばガラスウール）であってもよく、或は不活性微小の内孔を持ち不純物を濾過できる如何なる材料である。多孔フィルター142は異なっている材料で作られる網（例えばステンレス網或は炭素、陶磁器或は他の濾過可能の材料で作られる膜）を採用でき、開口部の面積或は多孔板のオープン総面積が大体30％である。ポート144は異なっている応用設備と繋がることができ、それにより提供する水素ガスが各種類の異なっている用途の応用を満たす。多孔質材料の上に位置する短波紫外ライトは非熱光刺激を提供する。ディスクまたは板146は異なっている非金属材料で作られ（例えば多孔石英或は陶磁器盤、ステンレス網）、開口部の総面積が約20~30%である。加熱操作は電源ポート152或は内部加熱器145で実施され、タンクには内部電気加熱素子を設置しなく、外部電気エネルギー或はマイクロ波では加熱してもよい。内部加熱器145（ニクロムコイルまたはマイクロ波管を使用できる）はタンクに差込み、物質を仕事温度（例えば75℃）まで加熱させ、それにより各種類の応用を満たす。水素を吸着した物質147をタンクに詰める前に、タンク140はアルゴンガスで噴出し整理されるべきである。脱離の時、全体のシステムはポート144を通じ真空になり、或は不活性気体（例えばアルゴンガス）で噴出し、それから、水素を吸着した物質を加熱する。
【００３４】
参考文献
本文で言及される全ての出版物及び特許書類は、下記の文献を含め、引用する順序によりここでそれぞれ書き並べられる。
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【００３５】
等価技術
仕来りの実験方法を採用し、本発明の説明の中で実現する効果を獲得できる類似する方法がたくさんあると熟練の技術人員も認識し、または確信する。本文の中で既に発明の具体的な方法を討論したが、述べられた規則は説明的なのであり、制限的なのではない。熟練の技術人員に対し、本発明の多くの他の変化技術は規則に対する考察を通じ、明らかになる。全体の発明内容は主権の声明、参考資料及び全ての類似する実験技術、規則の特徴、そのような技術変化により決定される。そのような等価性も下記の特許請求の中に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に関するプラズマ侵入式吸着ベッドの実施方案を示す。
【図２】本発明に関する水素保存連続操作システムの実例を一つ示す。
【図３】本発明に関する負水素脱離プロセスの実施方案を一つ示す。
【図４】本発明に関する負水素を吸着した活性化極性物質或は粉末タンクの積載実例を一つ示す。
【符号の説明】
【００３７】
１１０ 水素ガス １１２ 物質フィーダ
１１３ 入口
１１５ 前半の部分
１１６ バイアス電界発生器
１１８ 後半の部分 １１９ 電子絶縁ハウジング
１２０ ベッド
１２１ 支持板
１２３ 流体層
１２５ ポート
１２７ 出口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a) イオン化気体が少なくとも一つの多孔質物質と接触し、しかも少なくとも一つの多孔質物質が若干の活性化極性点を含める。
(b) イオン化気体が少なくとも一つの多孔質物質と接触する時、それに一つの負電圧電解を加え、イオン化気体を含める負イオン非平衡プラズマを引き起こすのに十分である。
(c)負イオンは少なくとも一つの多孔質物質の活性化極性点に吸着することができるイオン化気体吸着方法。
【請求項２】
(d) 紫外光が少なくとも一つの多孔質物質を輻射し、吸着される負電気性イオンはその物質の活性化極性点の付近で脱離する請求項１記載のイオン化気体吸着方法。
【請求項３】
その中のイオン化気体は水素であり、しかも負電気性イオンは負水素イオンである請求項１記載のイオン化気体吸着方法。
【請求項４】
その中の活性化極点は少なくとも下記の一つであり、陽電気性結合或は懸垂共有結合である請求項１記載のイオン化気体吸着方法。
【請求項５】
その中の多孔質物質は活性化極性材料或は炭素微粒子である請求項１記載のイオン化気体吸着方法。
【請求項６】
その中の活性化極性点は少なくとも下記の一つであり、陽電気性結合或は懸垂共有結合である請求項５記載のイオン化気体吸着方法。
【請求項７】
その中に負電圧電界加えと吸着は室温に接近する条件の下で行われる請求項１記載のイオン化気体吸着方法。
【請求項８】
その中の過程中に少なくとも一種の多孔質物質は吸着ベッドの内に置かれる請求項１記載のイオン化気体吸着方法。
【請求項９】
その中の負電気性電圧は少なくとも3キロボルトである請求項１記載のイオン化気体吸着方法。
【請求項１０】
(a)紫外光で少なくとも一つの帯電気体持ち多孔質物質を照射し、一定の充足的な時間を経ち、その物質に吸着した電気性気体を出す
(b)しかも照射脱離の中で発生する気体が再生する紫外光照射脱離方法。
【請求項１１】
その中の電気性気体は水素である請求項１０記載の紫外光照射脱離方法。
【請求項１２】
その中の照射は室温に接近する条件の下で行われる請求項１０記載の紫外光照射脱離方法。
【請求項１３】
その中の照射温度は大体-50℃から300℃までとする請求項１０記載の紫外光照射脱離方法。
【請求項１４】
その中の紫外光は短波紫外光である請求項１０記載の紫外光照射脱離方法。
【請求項１５】
(a)活性化極性点持ち多孔質物質を積載できる容器である。
(b)并且容器の中に気体と活性化極性多孔質物質との接触を助ける部品がある。
(c)容器の中に活性化極性多孔質物質の接触する気体に十分な負電圧を提供し、それにより非平衡プラズマを発生する部品がある気体吸着に用いる設備。
【請求項１６】
その中に負電圧を提供する設備はコロナ放電電極である請求項１５記載の設備。
【請求項１７】
その中の設備は一組のコロナ放電ユニットであり、一連の電極を含める請求項１６記載の設備。
【請求項１８】
その中の設備は活性化極性点を含有する多孔質物質からなるベッドである請求項１５記載の設備。
【請求項１９】
その中の設備は一つの固定ベッド或は移動ベッドの内に設置される請求項１７記載の設備。
【請求項２０】
(a)帯電気体持ち活性化極性多孔質物質を積載する容器である。
(b)容器の内に紫外光で帯電気体持ち多孔質物質を照射できる器具があり、この器具には帯電気体持ち多孔質物質を設置する。
(c)容器の内に加熱部品が一つある帯電気体持ち物質の脱離装置。
【請求項１】
(a) イオン化気体が少なくとも一つの多孔質物質と接触し、しかも少なくとも一つの多孔質物質が若干の活性化極性点を含める。
(b) イオン化気体が少なくとも一つの多孔質物質と接触する時、それに一つの負電圧電解を加え、イオン化気体を含める負イオン非平衡プラズマを引き起こすのに十分である。
(c)負イオンは少なくとも一つの多孔質物質の活性化極性点に吸着することができるイオン化気体吸着方法。
【請求項２】
(d) 紫外光が少なくとも一つの多孔質物質を輻射し、吸着される負電気性イオンはその物質の活性化極性点の付近で脱離する請求項１記載のイオン化気体吸着方法。
【請求項３】
その中のイオン化気体は水素であり、しかも負電気性イオンは負水素イオンである請求項１記載のイオン化気体吸着方法。
【請求項４】
その中の活性化極点は少なくとも下記の一つであり、陽電気性結合或は懸垂共有結合である請求項１記載のイオン化気体吸着方法。
【請求項５】
その中の多孔質物質は活性化極性材料或は炭素微粒子である請求項１記載のイオン化気体吸着方法。
【請求項６】
その中の活性化極性点は少なくとも下記の一つであり、陽電気性結合或は懸垂共有結合である請求項５記載のイオン化気体吸着方法。
【請求項７】
その中に負電圧電界加えと吸着は室温に接近する条件の下で行われる請求項１記載のイオン化気体吸着方法。
【請求項８】
その中の過程中に少なくとも一種の多孔質物質は吸着ベッドの内に置かれる請求項１記載のイオン化気体吸着方法。
【請求項９】
その中の負電気性電圧は少なくとも3キロボルトである請求項１記載のイオン化気体吸着方法。
【請求項１０】
(a)紫外光で少なくとも一つの帯電気体持ち多孔質物質を照射し、一定の充足的な時間を経ち、その物質に吸着した電気性気体を出す
(b)しかも照射脱離の中で発生する気体が再生する紫外光照射脱離方法。
【請求項１１】
その中の電気性気体は水素である請求項１０記載の紫外光照射脱離方法。
【請求項１２】
その中の照射は室温に接近する条件の下で行われる請求項１０記載の紫外光照射脱離方法。
【請求項１３】
その中の照射温度は大体-50℃から300℃までとする請求項１０記載の紫外光照射脱離方法。
【請求項１４】
その中の紫外光は短波紫外光である請求項１０記載の紫外光照射脱離方法。
【請求項１５】
(a)活性化極性点持ち多孔質物質を積載できる容器である。
(b)并且容器の中に気体と活性化極性多孔質物質との接触を助ける部品がある。
(c)容器の中に活性化極性多孔質物質の接触する気体に十分な負電圧を提供し、それにより非平衡プラズマを発生する部品がある気体吸着に用いる設備。
【請求項１６】
その中に負電圧を提供する設備はコロナ放電電極である請求項１５記載の設備。
【請求項１７】
その中の設備は一組のコロナ放電ユニットであり、一連の電極を含める請求項１６記載の設備。
【請求項１８】
その中の設備は活性化極性点を含有する多孔質物質からなるベッドである請求項１５記載の設備。
【請求項１９】
その中の設備は一つの固定ベッド或は移動ベッドの内に設置される請求項１７記載の設備。
【請求項２０】
(a)帯電気体持ち活性化極性多孔質物質を積載する容器である。
(b)容器の内に紫外光で帯電気体持ち多孔質物質を照射できる器具があり、この器具には帯電気体持ち多孔質物質を設置する。
(c)容器の内に加熱部品が一つある帯電気体持ち物質の脱離装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２００９−５２７４４０（Ｐ２００９−５２７４４０Ａ）
【公表日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５５５４９０（Ｐ２００８−５５５４９０）
【出願日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０６２２４０
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０９８３６８
【国際公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【出願人】（５０８２４１０３７）ハイチャー エネジー エルエルシー (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０６２２４０
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０９８３６８
【国際公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【出願人】（５０８２４１０３７）ハイチャー エネジー エルエルシー (1)
【Ｆターム（参考）】
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