JP2004532107A - 燃料電池の吸気空気用のフィルタ組立体とシステム - Google Patents

Abstract

導入される汚い空気の流れ中から微粒子汚染物質と化学汚染物質を取り除くことで燃料電池に浄化空気を送るためのフィルタ組立体。またこのフィルタ組立体は音波を減少させるための音抑圧要素であって、コンプレッサーなどのすべての設備から発生する騒音を減衰させることができる。このフィルタ組立体は、物理的か微粒子汚染物質を取り除くための微粒子フィルタ部分と化学汚染物質を取り除くための化学フィルタ部分とを含みこれらの両方の部分を有することもできるものである。

Description

【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国在住のドナルドソン・インコーポレイティドと、米国在住のノルウェー国人のステネルセン，エイヴィンドと、米国在住のノルウェー人のニマン，ウィリアム，マイケルと、米国在住の米国人のカネパ，リチャード，トーマス（すべての出願は米国のみ）により２００２年４月１１日に米国を除くすべての国を指定してＰＣＴ国際出願された。
【０００２】
本開示は、吸気空気中から微粒子と化学汚染物質を取り除くための濾過システムに関連している。特に、この開示は、燃料電池への吸気中から微粒子と化学汚染物質を取り除くための濾過装置に関連しており、さらにまた音響的な減衰をも提供する。
【背景技術】
【０００３】
電気の発見以来、電気エネルギーの実用的および効率的な生成について探求され続けてきた。水力発電、化石燃料と核燃料による発電は、我々の電力の需要を満たすために長い間使用されている。最近になり燃料電池の使用による発電が、急速に商業用と住宅用の両方の需要を満足させる傾向である。従来の化石燃料を燃焼する方式と比べると、燃料電池は比較的に清潔でありかつ効率的である。燃料電池は、効率的に燃料の有する化学エネルギーを直接的に電気エネルギーに変えることのできる電気化学装置である。燃料電池は、燃焼することなく化学的に燃料が酸化剤と結合する結果、従来の燃焼動力系統の多くにみられるような非効率性と多くの汚染を排除することができる。
【０００４】
この燃料電池は、原則として多くのバッテリーのように作動する。しかしながら、 燃料電池は、バッテリーと異なり再充電が不要でありバッテリーあがりがない。燃料電池は、燃料が供給される限り、電気と熱の形態でエネルギーを作り出し続ける。一般に、燃料電池は、電解質の周りでサンドイッチにされる２つの電極(陽極と陰極)から成る。例えば、ＰＥＭ燃料電池は、水素と酸素は陽極と陰極電極をそれぞれ通過して、各電極の間の電圧を発生させる方法で電気と熱を発生し、主要な副産物として水を作り出す。水素燃料は、燃料電池の陽極に供給される。ほかの電池は、直接水素を消費する一方、例えば、天然ガス、メタノール、エタノール系またはガソリンなどの炭化水素燃料から水素を抽出するのに燃料改良物質を使用する電池もある。酸素は燃料電池に入り陰極に向かう。酸素は浄化された形態で供給されるか、あるいは直接大気中から導入される。
【０００５】
燃料電池は、水素原子が陽子と電子に分かれさせる触媒を使用し、それぞれが陰極に異なった経路を取るように構成される。陽子は電解質を通り抜ける。電子は水素陽子と酸素で結合する陽極に戻り水を形成する前に、エネルギー源として使用することができ、電流を発生する。
【０００６】
一般に、燃料電池は陰極と陽極の間で挟まれて、イオン交換のための橋手段として役立つ電解質の材料によって特徴付けられる。５つのタイプの燃料電池が知られている。アルカリ燃料電池（ＡＦＣs)は液体アルカリ電解液を含んでおり、主として宇宙ミッション用に使用されている。陽子交換膜の燃料電池（ＰＥＭＦＣs)は固体ポリマ電解質を含んでいる。これらの電池は、低温動作タイプであり、電力要求時における変動を満足するために急速に出力を変える能力がある高電力密度型であるので、動力式乗り物やビルなどのように移動体と静止した応用分野において理想的である。りん酸燃料電池（ＰＡＦＣs)は、燐酸電解質を利用し、現在は商業施設の発電用に使用されている。溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣs)は、炭酸塩塩電解質を含んでおり、およそ６５０℃の運転温度において溶融状態になる。固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣs)は、セラミックの電解質の材料を使用し、およそ１０００℃までの温度で作動する。ＭＣＦＣsとＳＯＦＣsの双方とも燃料として一酸化炭素を使用することができる。
【０００７】
燃料電池には、広大な範囲の潜在的応用分野がある。燃料電池は、静止した発電所を通って家庭、ビジネスおよび産業で消費される電気を発生させるために使用することができる。燃料電池は、直流(ｄｃ)を生成するので、電送系統に接続されるほとんどの民生用電気製品で使用される交流に変換しなければならない。しかしながら、将来の燃料電池は、電送系統と非電送系統の双方において動作可能な接続モードで使用できるであろう。住宅用の応用分野においては、熱と電力の両方の生成のためにより小さい燃料電池発電所をインストールすることが可能であろう。これらの燃料電池によれば、電力を得るために主要な送電電力へのいかなるアクセス手段がない僻地の住宅に電力を供給でき、散在的に電力供給系統への接続の必要性が排除される。
【０００８】
大きいスケールの電力生成の応用分野に加えて、燃料電池はラップトップコンピュータ、携帯電話および同様の消費者電気製品の乾電池に置き換え可能であり、さらにはミクロで機械加工できれば、燃料電池で直接コンピュータチップを動かすこともできる。
【０００９】
大きいスケールの電力生成の応用分野に加えて、燃料電池の別の有望な商業用応用分野として、乗り物と輸送の応用分野において、内燃機関に置き換える可能性がある。このように、燃料電池の応用分野は実際には無制限である。
【００１０】
上述した周知の燃料電池の構成のすべてには、酸素がセルの化学反応を実行するための共通の肝要な成分としてあげられる。また、ディーゼルエンジンを含む内燃機関などの他の動力装置もまた酸素の必要がある。ほとんどの商業応用分野において、そのような酸素が直接大気から供給されることが望ましい。しかしながら、今日の世界ではすべての大気が幾分かの汚染物質を含んでいるとされている。このような汚染物質としては、分解した残骸、昆虫類、木の花または同様のものなどのように、比較的大きい場合のものと、またはほこり、木の花粉、スモッグまたは煙の微粒子などのように大気中に拡散した小さい微粒子の性格のものがある。また、化学汚染物質も人工汚染の結果または自然界に起こるいかんにかかわらず大気中に広く存在している。典型的な化学汚染物質には、芳香族炭化水素, メタン, ブタン, プロパンおよび他の炭化水素などの揮発性の有機化合物と、アンモニア、窒素酸化物、オゾン、スモッグ、硫黄酸化物、一酸化炭素、硫化水素などが含まれる。このような汚染物質は、故意に(軍事環境下またはテロリストにより)現れるか、意図せずに現れるであろう。燃料電池が自動車の用途で使用されるときは、後者の条件の解決策が特に深刻となる。
【００１１】
効率的な燃料電池動作は、微妙にバランスをとった化学反応によることから、セルによって使用される空気中の汚染物質は、その性質如何によりセルの動作に重要な悪影響を及ぼすので燃料電池の連続動作を中止しなければならない。したがって、 燃料電池においては、有害な汚染物質を排除し、広範囲の用途環境下で使用可能にするように設計された濾過システムを含んでいることが重要である。また、他の電力生成設備には、有害な汚染物質を排除するように設計された濾過システムが設けられることも重要である。
【００１２】
燃料電池と他の設備において必要なエネルギー出力を得るために必要な酸素量を得るために、燃料電池か他の設備に供給される気流中に位置したコンプレッサーやファンなどの空気流設備を通して、酸素を供給することが望ましいことが判明している。しかし、あいにく典型的なコンプレッサーは、望ましくない重要となる、煩わしい騒音レベルで運転される。したがって、電力生成システムではコンプレッサーを通して発散されるかまたは生成される騒音を削減または減少することが望まれる。また、減少したサイズのシステムが通常は望ましいことから、システムの濾過と音響的な減衰を行うための構成が、物理的にできるだけ小さく、望ましくはただ一つのエレメントがハウジングの中において結合される構成が望ましい。本発明は、上記の必要性と願望を達成できる、燃料電池系を含むさまざまな応用分野で使用される効率的で静かなシステムに関するものである。
【００１３】
したがって、望まれていることは、広範囲の汚染物質を有する環境の中で機能する燃料電池などの電力生成装置である。
【００１４】
＜開示の概要＞
本発明は、燃料電池などにおいて電力生成システムで使用される吸気を濾過するための、濾過組立体を提供するものである。本発明は、電力の生成分野に燃料電池を使用する場合に関連する多くの問題点の解決を目的としているが、その電力生成システムが静止した大型発電設備、車両、ラップトップコンピュータや携帯電話、レーダー装置またはセンサなどの可動式の軽量の設備、または小さく静止した電力設備であるか否かに関係なく、発電のための燃料電池技術の実用的な実現と関連づけられる多くの問題点の解決を目的としている。これらの応用分野では、１ＫＷ以下の電力でよいか、または数メガワットの電力まで必要となるかもしれない。本現在の濾過設備は、一般にそのような応用分野において共通に必要となる、汚染物質のない酸化剤を燃料電池に供給でき、または少なくとも減少した汚染物質レベルを有する酸化剤の供給を可能にする。
【００１５】
吸気空気中から除外されるべき汚染物質の量とタイプは、初めに吸気空気(一般に燃料電池を囲む大気か環境)の中に存在している汚染物質の量とタイプに依存するであろう。吸気の流中に存在する汚染物質の量と、汚染物質のタイプは、濾過工程の前において、燃料電池の配置位置または少なくとも空気取入口の配置位置により広く異なる。例えば、いくつかの環境中には、ほこり、スモッグ、煙または花粉などの大きいレベルの微粒子汚染がある一方で、アンモニア、一酸化炭素、二酸化硫黄またはシリコーンなどの大きいレベルの化学汚染物質を有する他の環境がある。一般に、環境には同じ汚染物質の配分を有するものは二つとない。
【００１６】
また、吸気空気中から除外されるべき汚染物質の量とタイプは、使用される燃料電池のタイプにも依存する。本発明のフィルタ組立体は、いずれのタイプの燃料電池とともに使用可能であり、例えば、ＰＥＭ燃料電池、固体酸化物燃料電池、りん酸燃料電池および溶融炭酸塩燃料電池などの濾過のために使用することができる。通常、固体酸化物燃料電池などのより高い温度操作を有する燃料電池は、ＰＥＭM燃料電池などの低温度で動作する電池よりも高いレベルの有機的な汚染物質を許容することができる。
【００１７】
従って、この発明の一つの側面は、燃料電池系のための吸気空気の濾過を提供することである。本発明のフィルタ組立体によれば、浄化された酸化剤の供給を提供するために、微粒子濾過と化学濾過の双方またはいずれかを吸気空気の流れに行う。ほとんどの燃料電池系では、汚染物質を空気の流れに含むコンプレッサーなどの何らかのタイプの空気可動型設備を含んでいることから、本発明では空気可動型設備の空気流の下流側での濾過を達成する。
【００１８】
あいにく、空気可動型設備は、その空気可動の能力と引き換えに大きい騒音を通常は発生する。１メータで８５から１３５デジベルのレベルにおいて、時々は５０，０００ヘルツ、通常は３ヘルツから３０、０００ヘルツの周波数範囲の音波または騒音を発生するのは、ローター、 インペラー、ローブ、風向計、ピストンなどの稼動部品である。このような可動部品のすべてから発生する騒音を排除することは困難であるが、本発明のフィルタ組立体は、騒音分布の最も好ましくない部分を減少させるために使用される。
【００１９】
一つの特定の実施例では、本発明は発電設備のシステムに向けられる。このシステムは、ハウジングとこのハウジングの中のフィルタエレメントを含むエアフィルタ組立体を包括する。このハウジングは入り口と出口とを有しており、入り口は汚い大気をフィルタ組立体に向けて受け入れ、出口はこのフィルタ組立体から浄化された大気を供給する。このフィルタエレメントは、汚い空気から微粒子汚染物質を取り除くために少なくとも物理的または微粒子フィルタ部分を含む。また、フィルタエレメントは、汚い空気から化学汚染物質を取り除くために化学フィルタ部分を含む場合がある。また、フィルタ組立体はハウジング中にさらにまた設けられる音の抑圧か減衰要素が含まれる場合がある。この音の抑圧要素は、フィルタ組立体を通過する音の広帯域の減衰を提供する。空気フィルタ組立体は、燃料電池などのような発電源に動作可能に関連づけられる。
【００２０】
一般に、システムはさらに増強型気流を燃料電池に供給するためにコンプレッサーや送風機などの空気可動型の設備を含む。また、フィルタ組立体は、そのようなどんな設備からの騒音発散のレベルも減少させるように特に構成されている。
【００２１】
本発明は、フィルタ組立体であって、ハウジングを有するフィルタ組立体およびフィルタエレメントをハウジングに供給する。ハウジングは入り口から汚い空気をフィルタ組立体に向け受け入れて、出口にフィルタ組立体からのきれいに濾過された空気を供給する。また、一般にフィルタ組立体には共振器、音波のチョーク、フルチョーク、吸着材の材料などの音の抑圧要素が設けられており、それらによりハウジング中を通過する音を減衰するかまたは減衰させることで、１メータで少なくとも３デシベル、より好ましくは６デジベル分の音を減少させる。
【００２２】
フィルタエレメントは、微粒子フィルタ部分と、化学フィルタ部分と、任意に音の抑圧要素とを、すべてフィルタエレメントの一部として含むことができる。音の抑圧要素は、１メータで少なくとも６デシベルの広帯域の音響減衰を供給する。微粒子フィルタ部分は、汚い空気からフィルタエレメント中に入る微粒子汚染物質を取り除き、化学フィルタ部分は、入る汚い空気中から存在する場合には、化学汚染物質を取り除く。微粒子フィルタ部分は、音の抑圧要素の半径方向に隣接して配置することができる。いくつかの構成では、この微粒子フィルタ部分は直線的に突き抜ける流れを提供する。
【００２３】
このようなフィルタ組立体またはフィルタエレメントは、騒音または音を発生させるが、浄化された取入れ気体（空気のような）から利益を得るようなすべての工程またはシステムに使用できる。燃料電池システムは本発明のフィルタ組立体を使用することができる発電システムの一つである。さらに、ディーゼル機関やガソリン機関などの他の発電システムと共に本発明のフィルタ組立体またはフィルタエレメントを使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
添付の各図を参照して、数頁分の図において同じ数字は同じ部品構成を代表しており、図１においてフィルタ組立体１０は、設備の組立体１０１と組み合わせる状態で模式的に示されている。本発明のフィルタ組立体１０の一つの応用分野は、この設備１０１で使用される空気中から汚染物質を取り除くことである。このフィルタ組立体１０の別の応用分野は、設備１０１から発生する騒音または音を抑圧することである。
【００２５】
図１に表現されるように、大気または環境空気５０が入り、入り口１２を介してフィルタ組立体１０で受け取られる。このフィルタ組立体１０に入る前に、大気５０は一般に様々な物理的(例えば、微粒子)及び化学汚染物質を含んでいることから、ここでは汚い空気と呼ぶ。このフィルタ組立体１０は、フィルタ組立体１０の出口１４から出る浄化大気５４を提供するために、汚い空気５０から様々な汚染物質を取り除くように構成される。この浄化大気５４は設備１０１のための取り入れ空気である。図１で表現される実施例では、この設備１０１は燃料電池１０２を含む。この燃料電池１０２は吸気５４から電力を発生させるように水素（Ｈ₂)などの燃料の原料に合成される酸素を使用する。水（Ｈ₂Ｏ）は、燃料電池１０２の内部で起こる酸素と水素反応の副産物である。
【００２６】
本発明のフィルタ組立体１０は、微粒子と化学汚染物質の双方または一方を取り除くために１５で図式的に示される少なくとも１個のフィルタエレメントを有している。このフィルタエレメント１５には、汚い取り入れ側１３と浄化大気出口側１７とがある。ハウジング１１は、そこにフィルタエレメント１５を保持する。入り口１２が汚い空気の取入側１３と流体的に連通しており、ハウジング出口１４がフィルタエレメント１５の浄化大気側１７と流体的に連通している。ハウジング１１は様々な構成が可能であり、望ましくは、少なくとも２つの分離できる部分を備えており、内部のフィルタエレメント１５に対して近づけるように構成することができる。この複数の部分は、ラッチ、留め金、ひもまたは他の適当な締結機構によって結合させることができる。この二つのハウジング部分を締結するための好ましいシステムの一例は、米国特許番号第６、０５１、０４２号（Coulonvaux)に開示されている。また、他の好ましいシステムは、米国特許番号第５、７５５、８４２号（Patel他)に開示されている。
【００２７】
大気５０はフィルタ組立体１０に汚い空気としてハウジング１１の入り口１２を通って入り、フィルタエレメント１５の汚い空気の取入側１３に進む。空気がフィルタエレメント１５の浄化大気側１７を通り抜けるとき、汚染物質はフィルタエレメント１５によって取り除かれて、フィルターにかけられた空気を供給する。５４で示されたフィルターにかけられた空気は、ハウジングの出口１４を通してフィルタ組立体１０を出て、設備１０１によって使用される。フィルターにかけられた空気５４を供給するために空気から取り除かれる汚染物質のタイプと量は、燃料電池が作動している環境５０とフィルタエレメント１５と使用される燃料電池のタイプとおよび動作する環境温度によって決まる。
【００２８】
フィルタ組立体１０は、またフィルタ組立体１０を通って戻り、設備１０１から発生する騒音または音のレベルを減少するかまたは抑圧する音抑圧要素１９を含む。この抑圧要素１９は、ハウジング１１の中に置かれるが、いくつかの実施例においては、この抑圧要素１９はハウジング１１の構成と形状とによって規定される。
【００２９】
燃料電池の中の化学反応を促進するかまたは強めるために、圧力下で燃料電池に酸素を帯びた空気５４を導入するか、または単純に燃料電池を大気に対して簡単に「露呈」するよりも早いレートで空気５４を導入することがしばしば望ましい。コンプレッサーまたは送風機がこの目的に使用される場合がある。したがって、一つの構成によれば、設備１０１は燃料電池１０２の触媒反応で使用される空気を供給するためのコンプレッサー１０４を含む。コンプレッサー１０４は燃料電池１０２の上流側へ配置される。この用語である「上流側」は、空気がコンプレッサー１０４から燃料電池１０２に流れることを意味し、逆には、燃料電池１０２はコンプレッサー１０４の「下流側」に配置されることを意味する。また、音抑圧要素19を含むフィルタ組立体１０は、コンプレッサー１０４の上流側に配置される。
【００３０】
このコンプレッサー１０４が動作する間は、 一般にコンプレッサー１０４の中に存在している高速度で動くインペラーと、ローターとピストンが、一般に騒音と呼ばれる音を放つ。この騒音はコンプレッサーのタイプと構成によって異なるが、１メータで８５〜１３５デシベルのレベルにおいて３ヘルツから３０、０００ヘルツの間の周波数であり、時々は５０，０００ヘルツの周波数である。一つの特定タイプのコンプレッサー１０４である「リイショルム（Lysholm）」ツインねじ式圧縮機であって、スウェーデンのオプコン・オートロータ・アーベー社（Opoon Autorotor AB）から入手可能のタイプは、約６０から１１００ヘルツの範囲で騒音出力を発生して動作する。あらゆるコンプレッサーはその騒音または周波数の分布がその動作と関連づけられており、この分布は、コンプレッサー(コンプレッサーの特定のモデルを含む)のタイプに如何で、入出力の流量率および環境温度などによりそれぞれ異なる。
【００３１】
ここで、このようなフィルタ構造は、本発明の原理の特定の実施例として示され記載されたものであり、請求の範囲に記述された範囲によって後述する特定の構成が制限されないことが理解されるであろう。
【００３２】
コンプレッサー１０４からの騒音は、フィルタ組立体１０を通り上流側に向かったり、燃料電池１０２を通り下流側に向けて発散するなどしてあらゆる方向に向かう。フィルタ組立体１０は、特にその抑圧要素１９の手段により、フィルタ組立体の取入口１２からコンプレッサー１０４の上流側にかけて１メータで少なくとも３デシベル、通常は少なくとも６デシベル、または望ましくは、２５デシベルの音レベルを減少させる。フィルタエレメント１５と音抑圧要素１９を含むフィルタ組立体１０の様々な特定の構造について以下に記述する。
【００３３】
＜フィルタ組立体の第１の実施例＞
本発明の原理による第１の実施例であるフィルター組立体が図２に示される。理解を容易にするために、図２に示される構成部品は図１の模式図で同じ機能を実行する構成部品と同じ参照番号が付加されており、さらに参照番号にアルファベット（すなわち、「ａ」）を付してある。このことは、図１２の実施例において、アルファベット（すなわち、「ｂ」）が付加されて同様に示されている。
【００３４】
図２と図３において、全出力が２００ＫＷの電力出力を提供するために、ＰＥＭ燃料電池を積層して使用し、バス車両の流路に接続されるフィルタ組立体１０ａが図示されている。このフィルタ組立体１０ａは、例えば２００ＫＷの乗用バスや他の乗り物などの応用分野のためのフィルタ組立体であるが、これは携帯用の電子応用機器のような静止状態で仕様される他の静止ユニットの応用分野にも適用可能であり、このフィルタ組立体１０ａの総合的な特徴から逸脱しない範囲で、そのサイズ、形状、構成, および作動仕様が異なるものも含む点について理解されるべきである。
【００３５】
図２に図示のフィルタ組立体は、図３の長手方向の軸廻りに破断して示した外観斜視図である図３の構成を備えている。このフィルタ組立体１０ａは空気入口１２ａと空気出口１４ａを規定する一般に筒状のハウジング１１ａを含む。この汚い空気５０は入り口１２ａを通ってフィルタ組立体１０ａに入って、出口１４ａを通って浄化大気５４として出口１４ａから出る。このハウジング１１の外部は、取り付けと位置決めのための部材３１ａ、３２ａを含む場合がある。このハウジング１１ａの出口１４ａに隣接してセンサ取り付け孔３５ａが存在している。フィルタハウジング１１ａは、いろいろな物理的な筒状の状態に形成され、例えばフィルタ組立体１０ａは楕円形、長円形、正方形または長方形の横断面の形を備えることと仮定され、いかなる形状において閉じた容器を形成している。
【００３６】
ハウジング１１ａは、必要な構成である例えば、入り口１２ａ、出口１４ａなどから形成することができるいかなる材料から作ることができる。このハウジング１１ａのために使用可能な材料に関する例は、金属、プラスチックまたは他の重合材料が含まれる。通常は、エポキシ材、ポリカーボネート、ポリエチレンおよび同様の熱可塑性材料または熱硬化性の重合材料を使用してハウジング１１ａが作られる。これらの材料は、格子または繊維が重合材料の中の補強部材として設けられ、ハウジングの補強をする場合がある。いくらかの実施例では、シリコーン系の蒸気が燃料電池に有害となる場合があるのでハウジングを成型するときにシリコーン系の剥離剤を使用することは避けることが望まれる。換言すれば、成型後に取り出すときにハウジング１１ａを洗浄し、成型型から取り出すときにあらゆる汚染物質を取り除くことが可能である。
【００３７】
ハウジング１１ａの特徴に戻り、受容体の孔３５はセンサと協力してハウジングの内部の空洞の中の状態のパラメタをモニターできるセンサを受けるために構成される。このセンサ受容体孔３５ａの中に設けられるセンサに関する一つの事例として、一般に空気量を検出する空気流量センサがある。この空気流量センサは、出口１４ａを通り抜ける空気の固まりをモニターすることができる。出口１４ａを通り抜ける空気の固まりは、直接図１の設備１０１(コンプレッサー１０２、燃料電池１０４および任意の排気装置１０３など)のフィルタ組立体１０ａとを含む全体システムを通り抜ける空気の固まりに関連する。フィルタ組立体１０ａを通り抜ける空気流量の特に減少をモニターすることによって、フィルタ組立体１０ａの中のいかなる物理的または微粒子フィルタのシステムと他の設備の寿命を予測することができる。これに代えて、センサは出口１４ａを通り抜ける化学汚染物質のレベルをモニターするために使用される場合がある。出口１４ａにフィルタ組立体１０ａの中のあらゆる種類の化学フィルタの残存する寿命を化学汚染物質の量をモニターすることによって予測することができる。
【００３８】
望ましい空気流量センサに関する一つの例がワイヤを通り過ぎる空気の量を測定するためにワイヤを通して抵抗値変化を使用する「熱いワイヤ」式センサである。このような熱いワイヤセンサは、例えばミネソタ州のセント・ポールのＴＳＩ社から入手可能である。装置をモニターすることで総汚染物質を予測する事例は、米国特許番号第５、９７６、４６７号、第６、１８７、５９６号（双方ともダラス他、Dallas et al.)において開示されている。
【００３９】
フィルタ組立体１０ａの様々な部分については、フィルタ組立体１０ａの要部を破断して示した外観斜視図として図３に図示されている。ハウジング１１ａの中に動作可能に配置されているのは、フィルタエレメント１５ａと音抑圧要素１９ａである。
【００４０】
音抑圧要素１９ａは、ハウジング１１ａで規定された内部の空洞を通り抜けるときに、音波を減衰させるように構成される。望ましい、実施例では、この抑圧要素１９ａは、共振器２１と第２の共振器２２とを包括する。ここに記述される発明の好まれた実施例では、第１の共振器１２は、およそ９００ヘルツのピーク周波数の音を減衰させるように構成され、第２の共振器２２は、およそ５５０ヘルツのピーク周波数での音を減衰させるように構成される。以下に音の抑圧要素１９（図１）と抑圧要素１９ａおよび共振器２１、２２に関する詳細な記述をする。
【００４１】
フィルタ組立体１０ａの望ましい特定の構成が図４に図示される。このフィルタ組立体１０ａは、特にハウジング１１ａであって、長さ「Ｌ」のおよそ１５００ｍｍ以下、望ましくはおよそ１０００ｍｍ以下を有している。一つの望ましい実施例では、この長さ「Ｌ］は３２（８１３ｍｍ）インチ以下である。一般に筒状のフィルタ組立体１０ａは、直径「Ｄ］であるおよそ１９インチ（４６０ｍｍ）以下を有している。望ましい実施例では、この直径「Ｄ」はおよそ１６インチ（４０６ｍｍ）以下である。また、望ましい実施例では、直径「Ｄ」は１０インチ（２５４ｍｍ）以下である。一般に、長さ「Ｌ」と直径「Ｄ」は、フィルタ組立体が使用されるシステムの中のフィルタ組立体１０ａに割り当てられた容積量に依存する。このようなシステム条件は、システムが使われる応用分野に関するスペース条件によって決定される場合がある。
【００４２】
入口１２ａを通りフィルタ組立体１０ａへ空気流が入り、直径は「Ｄ₁」のおよそ１インチから８インチ（２５〜２０３ｍｍ）である。望ましい実施例では、入口の直径の「Ｄ₁」はおよそ４インチ（１０２ｍｍ）である。この入口１２ａの長さ「Ｌ₁」は、ハウジング１１ａの長さ「Ｌ₁」は、入口端部から、フィルタエレメント１５ａの汚い空気側のおよその位置まで測定した距離が、般にはおよそ１インチから８インチ（２５〜２０３ｍｍ）である。望ましい実施例では、長さ「Ｌ₁」は、およそ３．５インチ（９０ｍｍ）である。出口１４ａは、直径の「Ｄ₀」がおよそ１〜８インチ（２５〜２０３ｍｍ）を有している。望ましい実施例では、出口の直径「Ｄ₀」は、およそ４インチ（１０２ｍｍ）である。
【００４３】
およそ４〜８インチ（１０２〜２０３ｍｍ）の長さ「Ｆ」を有するハウジング１１ａの容積部を略占有するようにしてフィルタエレメント１５ａが設けられる。このフィルタエレメント１５ａで占められる特定の長さ「Ｆ」は、使用されるフィルタエレメントのタイプと濾過能力と、抑圧要素１９ａ（図３）に割り当てられたハウジング１１ａの容積と、ハウジング１１ａの全長である「Ｌ」などの特徴を条件として決定される。望ましい実施例では、この長さ「Ｆ」は、およそ７．３インチ（１８５ｍｍ）である。このフィルタエレメント１５ａは、それが置かれる部位において通常はフィルタエレメント１５ａの直径Ｄの大部分を占める。
【００４４】
音抑圧要素１９ａは、ハウジング１１ａの残る長さの大部分を占めている。図３と図４に示される実施例では、抑圧要素１９ａは、第１の共振器２１と第２の共振器２２とを包括する。第１の共振器２１はおよそ６．４インチ（１６３ｍｍ）の長さ「Ｒ₁」を占有し、第２の共振器２２はおよそ１２．２インチ（３１０ｍｍ）の長さ「Ｒ₂」を占有する。共振器によって占有され使用される共振器の数と特定の長さ(例えば、Ｒ₁、Ｒ₂）は、共振器の求められる減衰特性との相関関係にある。すなわち、共振器によって減衰される音の周波数は、明確に容積を占領した共振器の構成に依存する。音響減衰と共振器に関する追加情報は以下に提供される。
【００４５】
フィルタ組立体１０ａの外部上の取り付けブラケット３１ａと３２ａは、１８５インチ（４７０ｍｍ）の「Ｌ_B」分離れている。第１の取り付けブラケット３１ａは、入り口１２ａから８．９インチ（２２７ｍｍ）の「Ｌ_A」分離れている。いずれの取り付けブラケットの位置も、フィルタ組立体１０ａの全長の「Ｌ」に依存しており、これを取り囲む装置または構造物とハウジング１１ａ内の邪魔板と他の構造に対して相対的に望ましい位置に設けられることを理解すべきである。
【００４６】
＜フィルタ組立体の物理的または微粒子除去用部分＞
本発明のフィルタ組立体１０は、特にそのフィルタエレメント１５は、入ってくる空気５０から微粒子などの物理的汚染物を除去する部分を含む。葉、トリ、げっ歯類動物と他の破片などのような大きな物質は、網、メッシュ、分離装置とこれらの種類の手段により入ってくる空気５０中からフィルタ組立体１０に到達する前に除去されることが理解されよう。水または液体の分離装置も含まれ、従来技術により水または液体を取り除きフィルタ組立体１０に入らないようにする。
【００４７】
一連の微粒子除去部分が、フィルタ組立体１０の内部で使用されて、空気５０の流体はフィルタ組立体１０の中でより小さい大きさの微粒子を順次取り除くようにしている。換言すれば一つの微粒子除去部分を使用できる。
【００４８】
代表的には、微粒子除去部分は微粒子を除去するセルロース材料を含む線維性マットやウエブなどの濾過媒体を含んでいる。この微粒子除去部分によって取り除かれる例は、ほこりと花粉とディーゼル機関の排気微粒子と昆虫と木材チップとおがくずと金属削りくずのようなものが含まれる。いくつかの種類の微粒子は、物理的粒子と粒子分子構造として燃料電池の動作にとって二重に有害となる場合があり、例えば石灰岩は酸性であり、ＰＥＭ燃料電池の中の電解質に害を及ぼす基本的な材料である。他のタイプの燃料電池は、酸性の有害な汚染物質によって影響されることがある。また、重炭化水素であって、特に舗装のためのコールタール中に存在する気体もまた燃料電池の動作に有害である。
【００４９】
微小な微粒子を取り除く際に、その濾過効率を改良するためにいろいろな方法で濾過材を扱うことができ、例えば静電気に帯電させた媒体のセルロース、合成媒体またはそれの組み合わせを使用でき、一つ以上を有しているとナノファイバーが層にされるか、周知の濾過媒体が使用できる。使用可能なナノファイバーのタイプに関する詳細に関しては、例えば米国特許第４、６５０、５０６号（バリス他、Barris)を参照のこと。
【００５０】
微粒子除去部分は、微粒子除去効率のさまざまな組み合わせを有する種々の構成が使用可能なことがが理解されよう。この必要な微粒子除去システムは、大気中の汚染物質のおタイプ、サイズと性質(例えば、葉、ポプラの総称花、 糸くず、雪、宇宙塵など)と、結果として得られる濾過後の空気の必要となる浄化レベルに依存することになる。このフィルタエレメント１５に使用される媒体は、必要となる微粒子除去効率と、フィルタエレメント１５を通過するときの許容できる最大の圧力降下レベルと この種のほかの要因からいろいろのものがある。
【００５１】
図３と図４に図示されたフィルタエレメント１５ａは、図５でより詳細に図示されている。望ましい実施例では、フィルタエレメント１５ａは、円柱状にフィルタエレメントを形成するために中央の軸の周りで巻き上げられる濾過材５５を含む。このフィルタエレメントは一般に６０で示された封止システムを含む。この封止システムの一つは、例えば米国特許番号第４、７２０、２９２号に開示されている。
【００５２】
望ましい構造では、濾過材５５は通過する空気中から濾過５５において微粒子を取り除くように設計されるが、封止システム６０については図３と図４とで図示されるようにハウジング１１ａの内壁とフィルタエレメント１５ａとの間で封止状態を形成するように設計される。この「封止」とは、正常な条件下で封止システム６０がハウジング１１ａの内壁とフィルタエレメント１５ａとの間から空気の意図しない通過を防止することを意味し、すなわち、この封止システム６０はフィルタエレメント１５ａの濾過材５５を空気が通過しないことを防止する。
【００５３】
望ましい構成では、濾過材５５は直線的に突き抜ける流れである。この「直線的に突き抜ける流れ」は、第１の流れ面１０５(図示された実施例の入り口の端部に対応する)と、正反対に直面する第２の流れ面１１０(図示された実施例への出口の端部に対応する)とを濾過材５５が有するように構成されることを意味する。直線的に突き抜ける流れは、例えば、ひだをつけられたフィルタとの比較において、より大量の空気を扱うことができることからしばしば望まれる。「直線的に突き抜ける流れ」と「直線的（in-line）な流れ」との間には相違はない。空気は、第１の流れ面１０５を通り、一方向１１４の方向に流れて、第２の流れ面１１０を通り同じ方向１１６で出る。この実施例では、第１の流れ面１０５は、図１のフィルタエレメントの汚す空気を通すための空気側面１３に関連しており、第２の流れ面１１０は図１のフィルタエレメントの浄化大気側面１７にに関連するように構成されている。
【００５４】
図３と図４に図示したような直線の流れを有するハウジングと共にフィルタエレメント１５ａが使用されるときには、一般に空気がハウジングの入り口１２ａを通して一方向にハウジング１１ａ中に入り、同じ方向で第１の流れ面１０５を通りフィルタエレメント１５ａに入り、第２の流れ面１１０から同じ方向でフィルタエレメント１５ａの出口１５ａから出て、同じ方向でハウジング１１ａの出口１４ａから出る。
【００５５】
第１の流れ面１０５は、上述したように入口の端部（汚れた空気側面１３）に対応し、第２の流れ面１１０は、上述したように出口の端部(および、浄化大気側１７）に対応しているが、入り口および出口（および、汚れた空気側面と浄化空気側面）とを逆にすることができる。すなわち、図５に図示した第１の流れ表１０５は、出口の端部に対応させることができる一方で、図５に図示された第２の流れ表１１０は入り口の端部に対応させることができる。言い換えれば、空気の流の方向に対してフィルタエレメント１５ａの物理的な配置方向を逆にすることができる。
【００５６】
図５において、第１の流れ面１０５と第２の流れ面１１０はお互いに平行な平面として図示されている。他の実施例では、第１の流れ面１０５と第２の流れ面１１０は非平面状であって、円錐形状にすることができる。さらに、第１の流れ面１０５と第２の流れ面１１０はお互いに平行である必要はない。
【００５７】
望ましい実施例では、フィルタエレメント１５ａの媒体は巻回または巻きつけられている構成である。代表的には、フィルタエレメント１５ａは中心軸の周りに完全または繰り返し巻きつけられた濾過材の層を含む。代表的には、この巻きつけられた構成はコイル状であり、濾過材の層は中心軸の廻りに一連の回数分が巻きつけられることとなる。巻回またはコイル状の構成であって、代表的には濾過材が通過される流路を有する濾過材の巻回された形状としてフィルタエレメント１５ａが構成される。
【００５８】
次に、図６を参照して、本図は、本発明の原理により動作可能な濾過構成に使用可能な濾過材の部分の概要を透視して模式的に示した外観斜視図である。図６において、流路を有する媒体構成が１２２で示されている。望ましくは、流路を有する構成１２２は、複数の流路１２４と表面シート１３２を有する波型の層１２３を含む。図６の実施例では、表面シート１３２の二つの部分が、１３２Ａ（波型の層１２３の上方に示される）と、１３２Ｂ（波型の層１２３の下方に示される）として図示されている。通常は、ここに記述される構成で使用される望ましい媒体構成１２５は、底面シート１３２Ａに固定される波形の層１２３を含むことになる。この媒体構成１２５を巻き上げて使用するときには、それ自体の周りで巻き上げられることで、底面シート１３２Ｂが波形の層１２３の上層を覆うようになる。この波形の層１２３の上層を覆う表面シート１３２が１３２Ａとして表現されている。ここで、「巻き上げられた」媒体構成においては、面シート１３２Ａと１３２Ｂとが同じシート１３２となることが理解されよう。
【００５９】
このタイプの媒体構成１２５を使用する場合には、望ましくは、流路室１２４は交替する頂点部１２６と谷部１２６とを形成すると良い。図６に図示の特定の構成では、上方の流路は下流側で閉じた流路室１３６を形成する一方で、上流側が第１の端部接着剤１３８で閉じられた流路室１３４は流路の下方の列を形成する。流路室１３４は、流路シート１３０と第２の面シート１３２Ｂの間で上流側部分を充填するための第１の端部接着剤１３８で閉じられる。同様に、第２の接着剤１４０は、交替する流路１３６の下流側の端部を閉じる。いくつかの望ましいシステムによれば、第１の端部接着剤１３８と第２の端部接着剤１４０の双方とも、媒体構成１２５の全ての部位に直線的に沿うようにして、直線から決して外れないようにされる。いくつかの望ましいシステムでは、第１の端部接着剤１３８はまっすぐであり、媒体構成１２５の一方の端部の位置または近くから決して逸れない一方で、第２の端部接着剤１４０はまっすぐでありかつ媒体構成１２５の一方の端部の位置または近くから決して逸れないように設けられる。流路１２４と、表面シート１３２と、端部接着剤１３８、１４０はフィルタエレメント１５ａに形成することができる濾過構成１２５を提供できる。
【００６０】
この濾過構成１２５の形態で使用すると、使用中には、陰影をつけられた矢１４４によって示されるように濾過前の空気が流路室１３６に入る。流路室１３６の各上流の端部１４６は開口している。濾過前の空気の流れは流路室１３６の下流端１４８を通り抜けることはできないように、下流は第２の端部接着剤１４０で閉じられている。したがって、空気は流路のシート１３０または表面シート１３２を通るように強制される。濾過前の空気が、流路のシート１３０または表面シート１３２を通り抜けるとき空気は浄化またはフィルターにかけられる。白抜きの矢印１５０で浄化された空気が示されている。これに続き、空気は流路室１３４（各上流側の端部１５１が閉じられた）を通過するように流れて、開口した下流端部１５２（図５）を介して流路構成１２２の外部に流れる。図示の構成では、濾過前の空気は流路シート１３０と、上面シート１３２Ａと、下方の面シート１３２Ｂとを通り、流路室１３４に流れることができる。
【００６１】
通常、濾過構成１２５が先ず準備され、それに続き、巻き上げられた濾過媒体の構成１００になるように形成される。このタイプの媒体が選択されるときは、濾過構成１２５は端部接着剤１３８で底面シート１３２Ｂ（図６に図示されるが、上面シート１３２Ａはない）に対して固定される波形の層１２３を含む。このようなタイプの構成では、濾過構成１２５は先頭端を一方に、また対向する位置に後端を形成し、上の横端部と底の横端部とが先頭端と後端の間に延設される。この「先頭端」は、端部が最初に曲げられるか回転されることで、ロール形状の構成の中心またはコアを構成するか、この廻りの近くに巻き上げられることを意味する。「後端」は、巻き上げ工程の終了したときにロール形状の構成の外側での端部となることを意味する。
【００６２】
シートを巻き上げする前にこれらのタイプの媒体構造１２５では、先頭端と後端は波形の層１２３と底面シート１３２Ｂの間で封止されるべきである。数多くの方法が可能であるが、先頭端の封止は以下のように形成される。(ａ)波形の層１２３と底面シート１３２Ａが線または経路に沿うようにして上の横端部から底の横端部（あるいは、底の横端部から上の横端部にかけて）にかけて最も高い頂点１２６を残すように切断される。(ｂ)そして、底面シート１３２Ｂと波形の層１２３の間で切断線または経路に沿って封止材が塗布される。これに類似して後端におけるシールは、先頭端でシールを形成する過程で形成することができる。多くの異なるタイプの封止材がこれらのシールを形成するために使用されるが、一つの使用可能な材料はエイチ・ビー フューラー社（H.B. Fuller）、ミネソタ州、セント・ポールから入手可能な非発泡シール材がある。
【００６３】
媒体構成１２５を使用するときに、システム設計者は図５に図示されるように濾過媒体を、巻上げられた形状のフィルタエレメント１５ａにすることを希望するであろう。この巻きあげるかまたは回転させるためにはさまざまな手法を使用することができる。他の濾過媒体を、楕円形、長方形または競馬場トラック形状を有する他の非円形形状に巻き上げるためには、中心軸として非円形の軸を使用できる点に着目されよう。
【００６４】
濾過構成１２５は、またマンドレルまたは中心コアなしで巻き上げられる。コア無しの巻き上げ構成を形成する方法は以下の通りである。(ａ)先頭端から離れた波型のシート１２３の最初の数個の谷部１２８の波部に対して上の横端部から下の横端部にかけて刻み目が入れられる（あるいは、底の横端部から上の横端部にかけて）ことで、巻き上げ構成１２５を容易にする。例えば、先頭端からの最初の４つの数個の波部は、谷部１２８に沿って切断される刻み目を形成する。(ｂ) シール材である接着剤１４０が、波形のシート１２３の上に横端に沿って、接着剤１３８の端部を有する側部の縁から塗布される。(ｃ) 先頭端が最初にターンないし回転されてそれ自体に対してひっくり返る状態になり、この時シール材の接着剤１４０で封止されるされるように一緒に挟まれる。(ｄ) 底面シート１３２Ｂを有する波形シート１２３の残りの部分を、挟まれた先頭端に巻きつかせる。
【００６５】
他の方法では、このコア無しの濾過構成１２５は、自動化工程で作ることができ、これは米国特許第５、５４３、００７号と第５、４３５、８７０号に記載されている。また、手巻きによる他の方法で、媒体構成を手で巻きつけることができる。
【００６６】
濾過構成１００などのように、巻きつけた構造を使用するときに、システム設計者は、濾過構成１００の外の周囲が濾過構成１００から解くのを防ぐために所定適所で閉じられるかまたは固定を確実にしたくなるであろう。この方法には、さまざまな方法がある。いくつかの応用分野では、外の周囲が周囲層で包装される。この周囲層は、非多孔性、半面上に接着剤があるプラスチックなどの粘着性の材料である。このタイプの周囲層が使用される場合には、濾過構成１００が解かれるのが防止され、空気が濾過構成１００の外側の周囲を通り抜けるのが防止されて、濾過構成１００を直線的に突き抜ける流れが維持されることになる。
【００６７】
いくつかの応用分野では、濾過構成１００は線１６０（図５）に沿って塗布される接着剤により外の表面に後端部が封止および固定される。例えば、この接着剤は、線１６０に沿って塗布されるホットメルトのビーズ状のシール材である。
【００６８】
または、この代わりに後端部を固定するために濾過構成１００の外側の周辺の周りにサポートバンド１６２を設けることができる。図５では、サポートバンド１６２は、第１の流れ面１０５に位置している。
【００６９】
フィルターエレメント１５ａは、第２の流れ面１１０に配置される端部フレーム２００を含む。図７に、フィルタエレメント１５ａの横断面が図示されており、さまざまな構成を有する濾過構成１００が二点鎖線で示されている。図５と図７の両方を参照して、フレーム２００は外側の輪状の周囲のバンド２０５と半径方向で交差する支柱２１０が形成されていることが示されている。この交差した支柱２１０は外側の周囲のバンド２０５から内部に延設されており、フィルタエレメントの中心軸上であるセンター２１５で合体している。このようにセンター２１５でフレームを交差させることで、輪状の凹んでいるシート部分が規定される。第２の流れ面１１０から遠い濾過構成１００の外周面には、濾過構成１００の外側の周辺に沿って縦に延設された周囲のバンド２０５が形成される。図５と図７で示される特定の実施例では、フレーム２００は交差している支柱２１０に交差していて接続する第２の内側の環状リング２１２が含まれる。
【００７０】
端部フレーム２００は、封止システム６０を支持するために、この封止システム６０によって形成されたフィルタエレメントとフィルタハウジングの間のシール状態を容易に実現可能にするために固体であり、比較的に変形不可能な表面を備えている。特に、封止システム６０は、丸いシール材をから形成される環状リングを備え、シール材が第２の流れ面から外面的に突出する周囲バンド２０５の端部に位置される構成が包括される。封止システム６０は、望ましくはハウジング１１ａの内部と協働して気密の封止状態にするためのウレタンフォーム材料などの圧縮性材料であると良い。封止システム６０は、封止をすることを容易にでき、かつきついシール状態を確実に得るために一番はずれの直径寸法を減少させるようにした段差を有する横断面の構成を有することができる。
【００７１】
一般に、適切に機能している半径方向シール構造により、フィルタエレメント１５ａが動作状態にあるときに圧縮されるために必要とする圧縮性の封止システムがハウジング１１ａに取り付けられる。多くの望ましい構造によれば、およそ１５％から４０％の厚み(しばしばおよそ２０から３３％）分が圧縮され、それの最も厚い部分で強い強健な封止状態に備えるために、５０ポンド以下、望ましくは８０ポンド以下、一般にはおよ２０から４０ポンドの挿入力で手で装填できるように圧縮される。
【００７２】
本発明のフィルタ組立体に使用される第２の実施例のフィルタエレメントがフィルターエレメント１５ｂとして図８に図示されている。このフィルタエレメント１５ｂは図５と図７のフィルタエレメント１５ａと、フレーム２００を除いて類似しており、環状リング２１２を含まない構成である。
【００７３】
フィルタエレメント１５ａ、フィルタエレメント１５ｂおよび他の使用可能なフィルタエレメントに関する詳細については、米国特許第６、１９０、４３２号から得ることができる。
【００７４】
直線的に突き抜けるように流れる濾過構成を有する以外にも、他の濾過構成も使用できる。他の微粒子濾過構成に関する事例には、波形をつけられたフィルタ媒体、パネルフィルタ、デプス媒体の容積部を有しているフィルタおよび同様のものが含まれる。
【００７５】
＜フィルタ組立体の化学除去部分＞
図１を参照して、望ましくはフィルタ組立体１０は大気から吸着または吸収のどちらかの作用によって汚染物質を取り除く部分を含むと良い。ここに記載される用語である「吸着」と「吸着作用」は、吸収または吸着のメカニズムを含むことを意図している。
【００７６】
化学除去部分は、例えば乾物または化学的吸着物であるデシカント（すなわち、水か水の蒸気を吸着するかまたは吸収する材料)や、揮発性の有機化合物と酸ガスと基本的なガスを吸着の全てまたは少なくとも一つを吸収する材料を通常含む。この「吸着材の材料」、「吸着の材料」、「吸収の材料」、「吸収性材料」の各用語は、吸着か吸収によって化学汚染物質を取り除く全ての材料を網羅することを意図している。好適な吸着材の材料は例えば活性炭、活性炭ファイバー、飽和炭素活性アルミナ、モレキュラーシーブ、イオン交換樹脂、イオン交換ファイバー、シリカゲル、アルミナおよび珪石が含まれる。これらの材料のいずれかを、例えば過マンガン酸カリウム、炭酸カルシウム、炭酸カリウム、炭酸ソーダ、硫酸カルシウム、クエン酸、燐酸他の酸性の材料と組み合わて使用するか、コーティングするか飽和して使用することができる。いくつかの実施例では、吸着の材料は、第２の物質と組み合わせるか飽和して使用できる。
【００７７】
この吸着の材料は、微粒子または粒状体を通常含み、これらを様々な構成である、例えば果粒(ビーズ、ファイバー)か粉またはナノ構成、ナノチューブ、エーロゾルとして構成されるので、コーティング材としてセラミックのビーズなどの基材中に存在させることができ、一枚の構造物、紙の媒体、または金属表面に存在させることができる。通常、吸着の材料(特に微粒子か粒状にされた材料)は、材料のベッドとして供給される。
【００７８】
換言すれば、吸着の材料を単一または均一に例えば、ビーズまたはひだつけ可能な大きいタブレット果粒、任意にはちの巣構造に均一に形成することができる。少なくともいくつかの事例では、フィルタ組立体の正常使用の寿命の期間中は、形状付けされた吸着の材料はその形を実質的に保有する。形状付けされた吸着の材料は、自由に流れる微粒子材料を固体か液体のバインダーと結合すること、流れない状態に形成することができる。この形状付けされた吸着の材料は、例えば成型、圧縮成形または押出成型によって形成することができる。形状付けされた吸着の材料は米国特許第５、１８９、０９２号（コスロー、Koslow）と、第５、３３１、０３７号（コスロー、Koslow）に教示されている。
【００７９】
形状付けされた物体を提供するために使用されるバインダーは乾燥している、粉または粒塊形状の双方または一方であるが、このバインダーが液体、溶融されたかまたは分散されたバインダーである場合がある。湿気で架橋するウレタンと「ホットメルト」と通常呼ばれる材料などのあるバインダーを直接吸着の材料に適用することができるので、これらを例えばスプレー処理される。いくつかの実施例では、一時的な液体バインダーであって、成型の過程の間に取り除くことができる溶剤か分散剤が使用される。適当なバインダーは、例えばラテックス、微小結晶セルロース、ポリビニルアルコール、エチレン酢酸ビニル、でんぷん、カーボキシルメチルセルロース、ポリユニナイロポリモノリドン（polyuinylpymolidone）、二水和りん酸二カルシウムおよびケイ酸ナトリウムを含む。望ましくは、形状付け用材料は吸着材の材料の少なくともおよそ７０重量％であり、いくつかの事例では形成吸着材は吸着材の材料の８５〜９５重量％、望ましくは９０重量％である。形状付けされた吸着の材料は少なくともおよそ２重量％であり、およそ３０重量％以下である。
【００８０】
化学除去部分で使用される好適な吸着材の材料の別の実施例は、キャリアを含む吸着材の材料である。例えば、吸着材の材料とバインダーを保持するためのメッシュか格子を使用することができる。このメッシュか格子としてポリエステルと他の適当な材料を使用することができる。どんなキャリアも通常は、吸着の材料のおよそ５０重量％以下であり、しばしば総吸着材の重さのおよそ２０から４０％である。キャリアに吸着形成されるバインダーの量はおよそ１０から５０％の吸着の材料の重さであり、吸着材の量はおよそ２０から６０％の吸着材の総重さである。
【００８１】
この化学除去部分は空気から酸性の汚染物質を除去のためのの強く基本的な材料あるいは空気から基本的な汚染物質の除去をするためのの強い酸性材料を含むことができる。望ましくは、この基本的な材料と酸性の材料は、それらが互いに相乗効果を発揮し、または取り消さなくいことが望ましい。いくつかの実施例では、吸着材が酸性材料自体である場合があり、強い酸性か強い基本的な材料であるために互いに十分分離することが必要であり、このような材料に関する例は、高分子微粒子、活性炭媒体、ゼオライト、粘土、シリカゲルおよび金属酸化物などの材料が含まれる。他の実施例では、表面塗装として強く酸性の材料と、強く基本的な材料を、粒塊微粒子、ビーズ、ファイバー、セルロース材料、細粉、ナノチューブおよびエーロゾルなどのキャリアの上に供給することができる。さらに、交互に酸性と塩基性の表面を形成する酸性と塩基性の材料は、少なくともキャリアの一部の中に存在する場合があり、これは例えばコーティングで行われるかまたはキャリアの材料に酸性的か基本的な材料が埋め込まれるようにすることができる。
【００８２】
大気中にしばしば存在しており、燃料電池の汚染物質として考えられる酸性の化合物に関する事例としては、例えば酸化硫化物（SOx）、酸化窒化物（NOx）、硫化水素、塩化水素、揮発性の有機酸および不揮発性の有機酸が含まれる。大気中にしばしば存在しており、燃料電池の汚染物質として考えられる塩基性化合物に関する事例は、例えばアンモニア、アミン、アミド、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウム、揮発性の有機塩基および不揮発性の有機塩基が含まれる。
【００８３】
ＰＥＭ燃料電池に関しては、陰極反応は辛辣の条件下で起こることから、基本的な汚染物質が存在することは望ましくない。この場合の好適な材料に関する事例は、活性炭インプリグネイテッドするかまたはクエン酸でアンモニアをコーティングすることで基本的な汚染物質を取り除くことができる。
【００８４】
物理的または微粒子除去部分と化学除去部分の両方を有したフィルタエレメント１５（図１）の第１の実施例についてフィルタエレメント１５ｃとして図９で示されている。このフィルタエレメント１５ｃは図７のフィルタエレメント１５ａと同様であり、フィルタエレメント１５ｃの第１の流れ面１０５を有する濾過構成１００（図９において二点鎖線で示した）と、これに対向する第２の流れ面１１０と支持のためのバンド１６２とフレーム２００と封止システム６０を備えている。またフィルタエレメント１５ｃはさらに吸着材要素３００であって、活性炭素のような吸着材要素３００を備えこれはフレーム２００の中に配置されており、封止システム６０で堅く密閉されている。この圧縮性の封止システム６０は、必要な位置で機能的に吸着材要素３００を保有するものであるが、吸着材の寿命がきたときに、その交換のために吸着材要素３００を取り出せるように変形することができる。.
望ましい実施例では、吸着材要素３００は熱可塑性のバインダーによって結合させられる固まりの活性炭の材料である。望ましい吸着材要素３００は活性炭の材料かふるいのサイズ２１×２０または８×１６にかけられ、８％のエチレン酢酸ビニルバインダーのレベルで成形される。米国特許第５、１８９、０９２号（Koslow）と第５、３３１、０３７号 (Koslow) による教示から吸着材要素３００を作ることができる。別の望ましい実施例では、吸着材要素３００は東ウォルポールのホリングスワース アンド ボーセ社（Hollingsworth & Vose, MA、また, H&Vとして知られている)から入手可能な炭素材の層(不図示)から作られる。
【００８５】
図示される実施例では、吸着材要素３００は第２の流れ面１１０に隣接して配置されており、このためフィルタエレメント１５ｃを通って流れる空気は第１の流れ面１０５を通って濾過構成１００に入り、第２の流れ面１１０を通って出て、吸着材要素３００を通り抜ける。このような構成では、微粒子を取り除く濾過構成１００の「下流側」に吸着材要素３００がある。望ましくは、濾過構成１００を通り抜けるすべての空気が吸着材要素３００を通り抜けると良い。この代わりに濾過構成１００の「上流側」に吸着材要素３００を配置できることが理解されよう。
【００８６】
物理的または微粒子除去部分と化学除去部分の両方を有しているフィルタエレメント１５（図１）の第２の実施例は、フィルタエレメント１５ｄとして図１０に示される。このフィルタエレメント１５ｄは、フィルタエレメント１５ｄが第１の流れ面１０５と第２の流れ面１１０と、保持用のバンド１６２とフレーム２００と封止システム６０を備えた濾過構成１００（二点鎖線で図示される）を有する点で、フィルタエレメント１５ａに似ている構成である。このフィルタエレメント１５ｄは、さらに吸着材要素３００を含むが、この吸着材要素３００は第２の流れ面１１０とフレーム２００の交差部材２１０との間に位置している。フレーム２００の周囲のバンド２０５（図６を見よ）は、吸着材要素３００を第２の流れ面１１０に対して保持する。吸着材要素３００は一つまたはそれぞれのフレーム２００と濾過構成１００に対して永久的に固定されるか、またはこれらから取り外し可能に設けられると良い。ここでも、濾過構成１００の第２の流れ表１１０を通り抜けた全ての空気は望ましくは吸着材要素３００を通り抜けると良い。
【００８７】
フィルタエレメント１５ｃ、１５ｄにおいて、化学除去部分と、特に吸着材要素３００は、単一構造を形成するために微粒子除去部分と結合されている。いくつかの実施例では、化学除去部分が微粒子除去部分から別々であり、区切られていることが理解される。さらに、物理的なものと同様に化学汚染物質を取り除くように単一の要素にするために微粒子除去部分と化学除去部分を結合することができることが理解されよう。一つの事例では、微粒子除去部分の濾過材は、酸性的か基本的な汚染物質とを化学吸着できる表面処理を施したファイバーで作られるか、あるいは反作用するか結合するようにした化学除去部分を提供することができる。別の事例によれば、活性炭果粒ベッドで構成することができ、この果粒の間のピッチが十分に小さく配置および構成して、空気から物理的な汚染物質を取り除くように構成される。
【００８８】
微粒子と化学除去部分の両方を含む望ましい一つのフィルタエレメントは、米国特許第６、１５２、９９６号（Liunersten他)に記載されている。
【００８９】
燃料電池システムで使用されるフィルタエレメントの化学除去部分に関する追加的な情報は、２０００年９月１２日に米国特許出願番号第０９／６６０、１２７号で出願されている。
【００９０】
＜フィルタ組立体の音抑圧要素＞
再び図１を参照して、本発明のフィルタ組立体１０は設備１０１から発生する騒音レベルを減少するかまたは抑圧するための音抑圧要素１９を含む。この騒音減少レベルは、望ましくは１メータで少なくとも３デシベル、通常は少なくとも６デジベルであり、 望ましくは少なくとも１０デシベルであり、そして最も望ましくは少なくとも２５デシベルである。水素燃料の陰極における反応および電力の生成工程では、人間が聞きとれるようなどんな音も発生させないので、燃料電池１０２の中で起こる触媒反応は静かである。燃料電池１０２の構成と動作に関する詳細について以下に記載する。しかしながら、燃料電池１０２は静かであるが、増加した空気流れを燃料電池１０２に対して供給するためにしばしば使用される設備装置の図１に図示したようなコンプレッサー１０４が騒音を発生する。燃料電池１０２に関連して使用される空気可動用の設備にはコンプレッサー、ファン、送風機およびポンプが含まれる。
【００９１】
コンプレッサー１０４などの設備から発する音は、燃料電池と設備およびフィルタ組立体に入りすべての方向に伝わる。すなわち、音はコンプレッサーの上流側から空気の流れに対して伝わり、フィルタ組立体１０と燃料電池１０２の下流側へと伝わる。本発明によると、フィルタ組立体１０は、コンプレッサー１０４から発散する騒音を、フィルタ組立体を通って減少させ、周囲の環境に出すために、フィルタ組立体１０の音抑圧要素１９で減衰するかまたは音を減少させる。
【００９２】
音抑圧要素１９は、フィルタ組立体１０の他の特徴と共に、音を少なくとも３デシベル、通常は少なくとも６デジベル、 望ましくは少なくとも１０デシベル、そして最も望ましくは少なくとも２５デシベル減少させることのできる全てのタイプの要素が含まれる。この音抑圧要素１９に関する事例は、マフラー、内部に防音材を裏打ちしたダクト、バッフルとそれの音の経路、プレナム、膨張室、共振器、音波のチョーク、完全なチョーク、音の吸収材料およびこれらの様々な組み合わせを含む。例えば、米国特許番号第６、０８２、４８７号（アンジェロ他Angelo et al.)において音抑圧要素の様々な詳細が開示されている。
【００９３】
特定の音抑圧要素１９は、内部の容積部を規定する通常は円筒形の外壁と、この外壁の内部の容積部の中に配設される入り口管および出口管とを含む。この外壁といかなる他の構造物においても平面形状または最小量の表面を有する構造が望ましいが、音抑圧要素１９の表面が振動の量を減少させるために曲面として形成される一方、音は平たんな壁でしばしば起こる。典型的な構成では、出口管は音波のチョークを規定する。内部の有孔壁が外壁から区切られることで、環状の容積部をそれらの壁の間に規定する。この環状の容積部の中には、吸収性の材料であるパッキング材または詰め物を含む場合がある。この環状の容積部の中のこの吸収性の材料は、吸収性の機能を提供し外壁または核部分の振動を減少させる。ある構成では、内部の有孔壁と環状の容積部は、音抑圧要素１９の入り口の部分で揃えられる。すなわち、内部の有孔壁は入り口管の少なくとも一部と外接される場合がある。
【００９４】
望ましい音抑圧要素１９は共振器である。共振器は小さい開口部を介して閉じられた容積部の空気を外部と連通させる構成である。閉じられた容積部の空気は有限範囲の周波数で共鳴する。この範囲の周波数と減衰レベルはこの閉じられた容積部の寸法に依存する。この閉じられた容積部の内部での共振周波数が、共振器による騒音周波数の減衰を決定する
図３と図４に図示されるフィルタ組立体１０ａでは、音の抑圧要素１９ａは第１の共振器２１と第２の共振器２２を包括する。第１の共振器２１は上流の出口１４ａの近くに配置され、第２の共振器２２は、上流側または入り口１２ａのより近くに配置される点に着目される。この共振器の「第１」と「第２」の位置決めは、設備１０１（図１）からの騒音はフィルタ組立体１０ａを通して出口１４ａから入り口１２ａを通過するように上流側（空気流の反対方向）に向かうのでこのように選択されたものである。第１と第２の共振器２１、２２は同じ周波数または異なった範囲の音の周波数を減衰するように設計することができる。一般に、共振器２１、２２が同じ範囲の騒音の周波数を取り除くと、騒音減少のレベルはより大きくなるであろう。また、共振器２１、２２が異なった周波数範囲の騒音を取り除くと減衰される周波数の総合的な範囲はより大きくなるであろう。
【００９５】
一つの望ましい実施例では、第１の共振器２１はおよそ９００ヘルツのピーク周波数で音の減衰をするように設計され、第２の共振器２２はおよそ５５０ヘルツのピーク周波数で音を減衰させるように設計される。図３と図４に図示されるように、第１の共振器２１と第２の共振器２２の間には種々の異なる特徴がある。例えば、第１の共振器２１で占有される容積は、第２の共振器２２で占有される容積よりはるかに大きい。一般に、第１の共振器２１の体積は、出口１４ａと内部の環状の邪魔板２５ａとの間におけるハウジング１１ａの内部の壁によって定義される。第２の共振器２２の体積は、一般に内部の邪魔板２５ａとフィルタエレメントの流れ面１１０（図５）の間におけるハウジング１１ａの内部の壁によって定義される。加えて、主要な壁構造２８の穿設状態は第１の共振器２１と第２の共振器２２とで異なる。例えば、孔部の形と間隔サイズ、隣接する孔部のピッチと配置位置はそれぞれの共振器の間で異なっている。それぞれの共振器の各特徴により、所定周波数の音を減衰する。必要な周波数減衰のための共振器の設計は、音の抑圧と減衰のための技術としてよく知られていることから詳細は省略する。
【００９６】
加えて、第１と第２の共振器２１、２２は長手方向におよそ３インチ（７６ｍｍ）離れて孔部が共振器の主要な壁構造２８に穿設されている。この図４において２４で図示される孔部の間の距離は、これらの孔部の間の縦ピッチによって１／４波長に等しい周波数を有している音を減衰させることができる。およそ３インチ（７６ｍｍ）の距離はおよそ１１００ヘルツのピーク減衰を提供する。
【００９７】
図１１は上記の望ましい実施例によって減衰される音のレベルと周波数を図示した図である。第１の共振器２１はおよそ９００ヘルツのピーク周波数で音を減衰させる、また第２の共振器２２はおよそ５５０ヘルツのピーク周波数で音を減衰させ、１／４波長の距離でおよそ１１００ヘルツの音を減衰させる。このように３つのスパンに渡る音の周波数の減衰特性を有する共振器は、通常は、二軸式コンプレッサー、オプコン社（Opcon）によって製造されたリンショルム（Lysholm）のツインねじ圧縮機の１６０から１１００ヘルツの音の減衰に使用できる。
【００９８】
再び図１を参照して、音の抑圧要素１９はハウジング１１の中に置かれる場合があり、いくつかの実施例では、抑圧要素１９はハウジング１１自体で定義される。実施例のフィルタ組立体１０ａによれば、第１および第２の共振器２１、２２はハウジング１１ａ自体で覆われることで部分的に定義される。ハウジング１１ａの内部の壁は、内部の邪魔板２５とともに、共振器２１、２２により占有される体積部を定義する。
【００９９】
ハウジング１１ａの他の様々な特徴により音響的な減衰が供給される場合がある。例えば、図４に図示される入り口１２ａは、軸方向に４インチ（１０２ｍｍ）から１０インチ（２５４ｍｍ）に次第に直径が増加するベル形状の延設部を有している。この延設部はおよそ３デシベルの広帯域の音響減衰を供給する。
【０１００】
ここで、フィルタエレメント１５である、フィルタエレメント１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄのいずれにも微粒子除去部分か化学除去部分と関連づけられる追加的な音響減衰の特性を持つことができる。例えば、濾過構成１００（図５と図７）は、所定周波数を１デシベルのように少ない量減衰させるであろう。さらに、吸着材要素３００（図９と図１０）はいくつかの周波数の音を減衰させるであろう。これらの種々の吸着材要素は、米国特許第５、１８９、０９２号（コスロー、Koslow）と、第５、３３１、０３７号（コスロー、Koslow）に教示されており、何らかの音響減衰が提供され、減衰される周波数のレベル（すなわち、デシベル）はしばしば特定の吸着材要素の形状付けされた特徴に依存するであろう。
【０１０１】
＜フィルタ組立体の第２の実施例＞
第２のフィルタ組立体１０ｂは図１２において半断面図で図示される。フィルタ組立体１０ａと同様に、このフィルタ組立体１０ｂは使用のために燃料電池の動作により２００ＫＷの乗客用バスに総合的な電力出力を提供するＰＥＭ燃料電池を積層して設けている。ここで、フィルタ組立体１０ｂがそのような応用分野（すなわち、２００ＫＷで動作する乗用バス)のために設計されるが、他の応用分野のためにもフィルタ組立体が設計されることは勿論であり、これらのフィルタ組立体１０ｂはその総合的な特徴から逸脱しない範囲でそのサイズ、形状および構成において異なるものになる。
【０１０２】
このフィルタ組立体１０ｂは、入り口１２ｂと出口１４ｂを定義するハウジング１１ｂを含む。汚い空気５０は、入り口１２ｂを通ってフィルタ組立体１０ｂに入って出口１４ｂを通って浄化大気５４として出る。ハウジング１１ｂを覆う外部にはフィルタ組立体１０ｂを取り囲む設備と構造物に固定するための取り付けブラケット３１ｂ、３２ｂが含まれる。センサ受容体の孔部３５ｂは、センサの接続を考慮するために望ましいようにハウジング１１ｂの外部に設けられる。フィルタエレメント１５ａはハウジング１１ｂの中に置かれる。この実施例のフィルタ組立体１０ｂではフィルタエレメント１５ａは第１の実施例のフィルタ組立体１０ａのフィルタエレメント１５ａと同じである。また、ハウジング１１ｂは、１９ｂで示されるように音抑圧要素が中に設けられる。
【０１０３】
抑圧要素１９ｂは、およそ９００ヘルツのピークで音を減衰させるように構成した共振器を包括する。この共振器に関する詳細な情報は、フィルタ組立体１０ａの第１の実施例に関連して提供される。共振器２３は、その片側がフィルタ組立体の出口１４ｂと流体連通されて動作可能に接続される一方、反対側は環状の取り付けブラケット３４２に固定されている。取り付けブラケット３４２は、共振器２３において空気を通らせる孔部が穿設された中央の部分を有しており、入口１２ｂに向かう方向に共振器２３を取り付ける筒状の拡大フランジ部３４５を環状シール３４３との間に定義している。フランジ部３４５の末端の端は、以下で記述される理由で外面的に広がっている。
【０１０４】
図１３の拡大図に図示するように、フィルタ組立体１０ｂが吸着材要素３１０を含んでいる。吸着材要素３１０は、第１と第２の端部３３０ａ、３３０ｂの間に延設される第１の筒状の固まりの炭素３３０を具備する。この炭素要素は、望ましくは活性炭の空洞であって、筒状の押出し状態を熱可塑性のバインダーによっ保持した炭素３３０である。この炭素要素３３０は、例えば米国特許第５、１８９、０９２号（コスロー、Koslow）と、第５、３３１、０３７号（コスロー、Koslow）に教示されている。
【０１０５】
いくらかの実施例では、フィルタエレメント１５ａなどのフィルタエレメントは、吸着材要素３１０などの吸着材要素と単一結合されて微粒子と化学濾過の両方を提供するように構成される。例えば、炭素３３０の外部の表面の周りに微粒子除去媒体を置くことができる。米国特許第６，１５２，９９６号（リマーステン他、Limersten et al.)には微粒子と化学除去部分の両方を含むフィルタエレメントが開示されている。
【０１０６】
吸着材要素の押出された筒状の炭素構成３３０は、端部３３０ａと端部キャップ３５０の端部３３０ｂにおいて封止システム３４０を直に設ける固体の表面を提供する。このような「固体」の炭素／バインダーの押出しによって、それ自体からは炭素を発生せず、空気中へどんな炭素または他の粒子または汚染物質を放出しないようにできる均一な吸着材フィルタエレメント３１０を形成することができる。
【０１０７】
端部キャップ３５０は、炭素吸着材要素３３０の端部３３０ｂに対して封止状態で固定される。この端部キャップ３５０は直接軸方向に炭素吸着材要素３３０の中央の穴に図１２に図示されるように取り付けられることで、フィルタエレメント１５ａを通った空気が吸着材３３０の外側の筒状の表面に向かうようにする。フィルタエレメント１５ａから出た空気がキャップ３５０の湾曲面の表面３５５に衝突して直線的な流れを有するフィルタ１５ａの半径方法の流れを有効に流すようにしている。湾曲した表面３５５は最小量の抵抗で滑らかに空気流す。いくつかの実施例では、チップ３５２は中心位置のキャップ３５０に設けられることになり、このチップ３５２はキャップ３５０の露出した面３５５の主要な先端部となる。この端部キャップ３５０の他の構成であって、平面または段差面を有する他の表面構成を使用することができることは言うまでもない。図１３と図１４を参照して、端部キャップ３５０はそれを通しての炭素構成３３０の外側の表面に空気の通路を形成するための開口部３５４が含まれる。半径方向の腕部３５６は、この開口部３５４を規定し、キャップ３５０に対する構造的な支持部材を提供する。加えて、いくらかの空気がキャップ３５０の外側の周囲の周りとキャップ３５０とハウジング１１ｂの内部の間を通るであろう。
【０１０８】
吸着材要素３１０が図１２に図示のように動作可能に取り付けられると、封止システム３４０は端部３３０ａにおいて、吸着材要素３１０と取り付けブラケット３４２（図１２）のフランジ部３４５との間で気密となる封止部を提供する。フランジ３４５の広くなった末端部分は、封止システム３４０が座面３４３まで案内されることを助ける。このようにして形成された封止部は、邪魔板２５ｂと端部キャップ３５０との組み合わせて形成されて、正常な条件下で吸着材要素３１０に気流が向かう状態にでき、炭素要素３３０を最初に空気が通り抜ける前に予期しないレベルの空気が取り付けブラケット３４２を通り共振器２３の中へ流入することを防止できる。空気が入り口１２ｂから出口１２ｂの方向に流れる方向であるので、邪魔板２５ｂはハウジング１１ｂの側壁の内側面と共振器２３の間で取り付けブラケット３４２の下流側封止部を形成する。端部キャップ３５０と邪魔板２５ｂおよび封止システム３４０を設けることで、フィルタ組立体の出口１４ｂからの出る全ての空気が出る前に、炭素吸着材要素３３０を通して流れ、取り付けブラケット３４２を通過できるようになる。
【０１０９】
この封止システム３４０はポリエチレンなどのフレキシブルでかつ圧縮性の材料から通常作られている。図１３に図示される実施例では封止システム３４０は外側に向けて次第に直径が減少する「段差部」構成を有している封印部を設けており、これにより封止座面３４３と取り付けブラケット３４２の延設フランジ部３４５の間における取り付け状態と封止状態を改善している。この封止システム３４０によりフィルタエレメント１５ａからの空気流は共振器２３に入る前に炭素要素３３０を通るように流れる。
【０１１０】
上述するように気流を管理することに加えて、端部キャップ３５０は吸収性要素３１０の第２の端部３３０ｂをフィルタエレメント１５ａに支持および固定するための構造支持部を、センターフレーム２００(図５を見よ）のセンター部２１５と係合することで提供する。チップ３５２は、センター部２１５の凹んでいる部分と協働して保持および挿入するように設けられる。フレーム２００の中のチップ３５２は吸着材の要素３１０を軸方向に保持し、フィルタエレメント１５ａと軸方向に整列させて吸着材要素３１０を必要な位置に保持する他の特徴を備える。フレーム２００上のチップ３５２により発生する軸方向の圧力は、吸着材要素３１０を封止システム３４０が座面３４３に対して封止する状態を維持できるようになる。
【０１１１】
一時的または永久に各封止システム３４０および端部キャップ３５０を炭素要素３３０に取り付けることができる。この永久的な取り付けのために例えば接着剤または直接炭素３３０に封止システム３４０を成形することができる。例えば端部キャップ３５０の永久的な取り付けのためには端部キャップ３５０を炭素要素３３０に接着で取り付けることができる。キャップ３５０は、炭素要素３３０の第２の端部３３０ｂの一部を受け入れるための環状の凹部を含むであろう。
【０１１２】
吸着材要素３１０は化学除去部分と音の抑圧要素１９ｂの両方の要素として機能する。吸着材要素３１０は、図９と図１０に図示した吸着材要素３００と機能上は類似しており、それを通して通る空気から化学汚染物質を取り除くための吸着材の材料を含む。ハウジング１１ｂと吸着材要素３１０の内部の間の体積部分は音を抑圧するかまたは減衰させるための共振器として機能することができる。加えて、吸着材要素３１０の炭素材３３０は直接音を吸着する結果、独立した音響減衰手段を提供する。望ましい実施例では、吸着材要素３１０は少なくともおよそ７００ヘルツ、しばしば７００ヘルツ以上の周波数ピークを減衰させる。
【０１１３】
また、吸着材素子群と吸着材の材料に必要な他の特性には、化学除去特性と音の抑圧特性の両方があろう。加えて、フィルタエレメント１５ａなどの物理的または特定のフィルタエレメントにはいくつかの音の抑圧特性があろう。
【０１１４】
＜フィルタ組立体の第３の実施例＞
フィルタ組立体に関する第３の実施例は、フィルタ組立体１０ｃとして図２１から図２３に図示される。このフィルタ組立体１０ｃは２５ＫＷの総合的な電力出力を提供するためにＰＥＭ燃料電池の積層体を使用する乗用車での使用のために動作可能に設けられる。ここで、このフィルタ組立体１０ｃは、このような応用分野（すなわち、２５ＫＷで動作する乗り物）に設計されるが、このフィルタ組立体１０ｃの総合的な特徴から逸脱しない範囲でそのサイズ、形および構成において異なる応用分野のためにこのフィルタ組立体を設計することができることは言うまでもない。
【０１１５】
このフィルタ組立体１０ｃは、図２２に図示される入り口１２ｃと出口１４ｃを定義する一般に筒状のハウジング１１ｃを含む。汚い空気は入り口１２ｃを通ってフィルタ組立体１０ｃに入り、出口１４ｃを通って浄化空気として出口から出る。物理的または微粒子フィルタエレメント４１５はハウジング１１ｃの中に置かれる。一般に、このフィルタエレメント４１５はその構造において第１の実施例のフィルタ組立体１０ａの構造と類似しており、フィルタエレメント４１５は円柱状であり、うず巻き状に巻きつけられた流路濾過媒体４１２は直線的に突き抜ける気流を提供する。封止システム４６０を含む端部フレーム４２０は、フィルタエレメント４１５の端部に気密状態で接続され、ハウジング１１ｃに対して空気漏れの無い状態を提供する。このフィルタエレメント４１５の下流側には吸着材要素４３０が位置する。吸着材要素４３０は、上記のすべての吸着材の材料から作ることができるが、望ましくは例えば成型、圧縮成形または押出工法によって作られる吸着材であると良い。このフィルタエレメント４１５は、吸着材要素４３０が微粒子濾過材４１２と端部フレーム４２０の間に置かれるという点において図１０に図示のフィルタエレメント１５ｄと類似する。また、ハウジング１１ｃの内部には音抑圧要素１９ｃが設けられる。この実施例では、音抑圧要素１９ｃは、以下に詳細に記述するように第１の共振器４２１と第２の共振器４２２とを有している。
【０１１６】
必要な要素である例えば入り口１２ｃ、出口１４ｃ他を提供できればハウジング１１ｃはすべての材料から作ることができる。このハウジング１１ｃを作るために使用可能な材料としてはエポキシ材、ポリカーボネート、ポリエチレンおよび同様のものと、金属か重合材料が含まれる。ハウジング１１ｃは少なくとも二つの分離可能な部分から構成され、内部のフィルタエレメント４１５と他の要素に近づくことができるようにラッチ、 留め金、ひもまたは他の適当な締結機構で各部分を結合させることができるように構成される。また、望ましい実施例では、入り口１２ｃは各部分を締結するためのラッチとして機能する。ハウジング１１ｃの外部には、上記の取り付けブラケット３１ａ、３１ｂに類似したブラケット３１ｃを含み、囲むように配置される構造物に固定するとともにフィルタ組立体１０ｃを所定位置に固定する。
【０１１７】
フィルタ組立体１０ｃは、上記のフィルタ組立体１０ａ、１０ｂとはフィルタ組立体１０ｃを通る騒音経路が気流経路と異なっている点で構成が違っている。上記のフィルタ組立体１０ａ、１０ｂでは、騒音は気流経路の方向と同じであるが反対の経路に続いて起こる。すなわち騒音は、フィルタ組立体１０ａ、１０ｂを通り抜けながら空気に対して伝わる。この第３の実施例では騒音は、出口１４ｃを通りフィルタ組立体１０ｃに入り、つぎに音抑圧要素１９ｃに入り音が減衰させられる。空気流は入り口１２ｃを通ってフィルタ組立体１０ｃに入り、フィルタエレメント４１５と吸着材要素４３０を通り、出口１４ｃから外に出る。上記のフィルタ組立体１０ａ、１０ｂではそれぞれの音抑圧要素１９ａ、１９ｂを空気が通過するのとは異なり、正常な気流経路においては音抑圧要素１９ｂを通り抜けない。
【０１１８】
さらにまた、上記のフィルタ組立体１０ａ、１０ｂとは異なり、フィルタ組立体１０ｃはフィルタエレメント４１５が音抑圧要素１９ｃと一体的に構成される。この「一体的」は、フィルタエレメント４１５が永久的に本質的に取り付けられるかまたは別の方法で音抑圧要素１９ｃに接続されることを意味し、悪意がある破壊的な行為を除いてはフィルタエレメント４１５は音抑圧要素１９ｃから移動できないように設けられる。図示される実施例では、フィルタエレメント４１５は音抑圧要素１９ｃの周りに濾過材の層を巻き上げすることによって組み立てられ、この音抑圧要素１９ｃはフィルタエレメント４１５の中心部材となるコアとして機能する。このフィルタエレメント４１５の製作のための詳細は、濾過材が音抑圧要素１９ｃの周りで巻き上げされる点を除いて上記のフィルタエレメント１５ａに関連して記述されたものである。望ましくは、吸着材要素４３０についてもフィルタエレメント４１５と音抑圧要素１９ｃと一体的であると良い。ここで、このような設計に代えて、フィルタエレメント４１５、吸着材要素４３０および音抑圧要素１９ｃのいずれかが互いに取り外し可能に構成される場合があることが理解されよう。
【０１１９】
この音抑圧要素１９ｃは、図２３に図示される第１の共振器４２１と第２の共振器４２２とを含む。騒音が出口１４ｃを通ってフィルタ組立体１０ｃに入り（図２２）、第１の共振器４２１と第２の共振器４２２とによって減衰される。第１の共振器４２１は一般にかなり小さい直径管を延長した、小さい体積部として規定される。第２の共振器４２２は、この第１の共振器４２１よりも大きな体積を有しており、第１の共振器４２１を囲むように環状に放射状に配置される。第２の共振器４２２は非平面状または非平坦状の第１の端部４２４を、非平面状または非平坦状の第２の端部４２５に対向して有している。非平面状または非平坦状の端部４２４、４２５は、エコーを最小にできより良好に音の減衰をできる。この特定の実施例では、端部４２４、４２５は湾曲して凸状の端部と、共振器４２２の外側に凹面となるので音を減衰できる。第１の端部４２４は音波の通路となる複数に周辺部で区切られた開口部４５４を含む。すなわち、開口部４５４は、音波が第２の共振器４２２に入るための入り口を形成する。第１の共振器４２１に関しては、音波の入り口は首部４５１となる。
【０１２０】
各共振器４２１、４２２で減衰される周波数は、占有される体積、長さ、直径、首部４５１の直径、開口部４５４の個数、端部４２４，４２５の曲率などの様々な寸法に依存する。この実施例では、第１の共振器４２１は第２の共振器４２２よりも高い周波数を減衰させるように組み立てられる。加えて、第１の共振器４２１は、より広い範囲の周波数を減衰させるために、第１の共振器４２１は第２の共振器４２２よりも広い減衰範囲を有している。
【０１２１】
図２５は、フィルタ組立体１０ｃで減衰されるレベルと周波数の関係を図示した図であって、第１の共振器４２１はおよそ１０００ヘルツのピーク周波数の音を減衰させ、第２の共振器４２２はおよそ５４０ヘルツのピーク周波数の音を減衰させる。これらの２個の共振器４２１、４２２による合成音響減衰は典型的な二軸式コンプレッサーの基本振動数範囲に渡る。第１の共振器４２１は、必要な周波数に共鳴するかまたは減衰するように設計されるが、濾過材を第２の共振器４２２に巻きつけることでフィルタエレメント４１５を作るときのスピンドルの受容体として機能することができる。組み合わされた共振器構造１９ｃは、微粒子濾過材が巻き付けられたスプールとして機能する。
【０１２２】
図示の望ましい実施例のフィルタ組立体１０ｃにおいて、特にハウジング１１ｃは、およそ５００ｍｍ以下、望ましくはおよそ４００ｍｍ以下の長さを有する。加えて、このフィルタ組立体１０ｃは、一般にはおよそ３００ｍｍ以下、望ましくは２６０ｍｍ以下の直径を有する筒状体である。望ましい、単一のフィルタエレメント４１５、吸着材要素４３０、および音抑圧要素１９ｃの特定の構成は図２４に図示される。一般に、当業者が理解しているように、フィルタ組立体１０ｃの様々な寸法およびフィルタエレメント４１５、吸着材要素４３０、音抑圧要素１９ｃなどの要素は、フィルタ組立体が使用されるシステムの中のフィルタ組立体１０ｃにより割り当てられる体積量に依存する。
【０１２３】
フィルタ組立体１０ｃが設計される望ましい実施例では、フィルタエレメント４１５は長さ「Ｆ’」（「Ｆダッシュ」）のおよそ２４０ｍｍ以下、望ましくはおよそ２００ｍｍ以下である。望ましい実施例では「Ｆ’」はおよそ１９１ｍｍ以下である。この距離の内で、およそ５０ｍｍ以下、望ましくはおよそ２０ｍｍ以下の寸法が、吸着材要素４３０により寸法「Ｃ」として占有される。望ましい実施例では、「Ｃ」はおよそ６．２ｍｍ以下である。波形の濾過媒体４１２は、「Ｆ_M」で測定され、およそ２００ｍｍ以下、望ましくはおよそ１８０ｍｍ以下を占有する。望ましい実施例では、「Ｆ_M」は、およそ１５０ｍｍ以下である。フィルタエレメント４１５によって占有される直径「Ｄ_F」はおよそ２９０ｍｍ以下、望ましくはおよそ２７０ｍｍ以下である。望ましい実施例では、フィルタエレメント４１５は直径「Ｄ_F」のおよそ２３０ｍｍを有する。
【０１２４】
図２５に図示した所望の音の抑圧特性を得るために、音抑圧要素１９ａは、フィルタエレメント４１５と吸着材要素４３０および音抑圧要素１９ｃとの組み合わせで、ハウジング１１ｃの中で直径部分の大部分を占有する。図２１から図２４に示される実施例では、第１の共振器４２１と第２の共振器４２２が含まれる。第１の共振器４２１は首部４５１において、およそ２３ｍｍの直径「Ｄ_Rl」を有し、第２の共振器４２２はおよそ１７８ｍｍの直径「Ｄ_R2」を有している。第２の共振器４２２は、およそ２６７ｍｍの全長「Ｌ_R2」を、フィルタエレメント４１５から延設される部分に有しており、第２の共振器４２２はおよそ３７ｍｍの距離「Ｌ’」分がフィルタエレメント４１５の封止システム４６０から延設している。
【０１２５】
当業者が分かるように、第１の共振器４２１と第２の共振器４２２によって占有される容積は、音抑圧要素１９ｃの音響減衰の特性に作用する。特に、第１の共振器４２１と第２の共振器４２２の長さと直径Ｄ_Rlと、Ｄ_R2は、共振器の特性を減衰させるために必要となるパラメータである。
【０１２６】
特定の実施例において、フィルタエレメント４１５、吸着材要素４３０および音抑圧要素１９ｃを備え、音抑圧要素１９ｃがフィルタエレメント４１５、吸着材要素４３０および音抑圧要素１９ｃの組立体の直径のおよそ５０〜９０パーセントを占有するときには、音抑圧要素１９ｃで占有される断面積はフィルタユニット１０ｃのおよそ２５〜８１パーセントである。望ましくは、音抑圧要素１９ｃの直径は総直径のおよそ６０〜８０パーセントであり、わずかにおよそ３６から６４パーセントの総断面積を示す。望ましい実施例では、音抑圧要素１９ｃがおよそ１７８ｍｍの直径を有し、フィルタエレメント４５１がおよそ２３０ｍｍの直径を有し、音抑圧要素１９ｃは直径の７７パーセントを占有するにもかかわらず、領域の６０パーセントだけを占有する。
【０１２７】
本発明によるフィルタエレメントと吸着材要素と音抑圧要素とを組み合わせたほかの構成のフィルタ組立体も有効である。ここで、音抑圧要素がいろいろな共振器を含むことができることが理解されるであろう。また、このフィルタエレメントそして/又はハウジングそして/又は吸着材要素(例えば、炭素)は上記のように音響減衰を可能にするであろう。これらの結合した構成は、単一構成でき、微粒子か物理的な汚染物質と化学汚染物質を取り除き、また音響減衰を提供できる移動可能かつ取替え可能なユニットまたは抑圧部を提供することができる。
【０１２８】
第４の実施例のフィルタ組立体の説明の前に、燃料電池１０２を含む図１の設備１０１の残る部品について記述する。
【０１２９】
＜燃料電池＞
図１において、本発明のフィルタ組立体１０が動作する設備１０１は燃料電池１０２を含む。いろいろな燃料電池は電解質をサンドイッチにする二つの電極(陽極と陰極)を有する装置である。背景において主要なタイプの知られた燃料電池構成について議論した。これらの燃料電池は、以下に簡潔に議論する共通の特性があるが、運転温度と動作効率で相違する。水素燃料源は陽極に向けられ、そこで陽電荷のイオンを残して水素電子が解放される。解放された電子は外部回路を通って陰極に移動する過程で外部の配電回路に電源として使用することができるように電流を供給する。陽電荷のイオンは、燃料電池電解質を通し、そしてイオンが電子と酸素と化合して水の生成過程の副産物を形成する陰極に拡散する。この陰極反応を促進するために触媒がしばしば使用される。燃料電池反応でしばしば使用される触媒に関する事例は、ニッケル、プラチナ、パラジウム、コバルト、セシウム、ネオジムおよび他の貴金属類を含む。
【０１３０】
燃料電池の陽子交換膜（ＰＥＭ）タイプは、その低温動作のために乗り物を動かす使用のためのポピュラーな燃料電池であって、高電力密度を有し、急速な電力出力の要求に対処する能力を備える。このＰＥＭ燃料電池はその低動作温度は通常およそ７０〜１００℃で、２００℃には時々なることから、しばしば単に「低温燃料電池」と呼ばれる。望ましい実施例の燃料電池１０２は低い温度で動作可能な構成として図示されている。高温の燃料電池は、より高い運転温度のために化学汚染には通常はあまり敏感ではない。しかしながら、高温燃料電池は微粒子汚染および化学汚染のいくつかの形態のものに対して敏感である結果、高温燃料電池であってもここに記載のフィルタリングの特徴の利益を得ることができよう。通常、両方のタイプの燃料電池(低温と高温)は騒音発生設備と組み合わせて使用される。
【０１３１】
様々な燃料電池が商業的に利用可能であり、例えばバンクーバー、カナダのバラード・パワー・システムズ社（Ballard Power Systems, Inc.）、コネチカット州のインターナショナル燃料電池社、コネチカット州ロッキーヒルのプロトン・エナジー・システムズ社（Proton systems Inc.）、マサチューセッツ州のアメリカ燃料電池社、ドイツのアーランゲンのシーメンス社、ドイツのスマート燃料電池社、ミシガン州のデトロイトのゼネラルモータ社、日本のトヨタ自動車から入手できる。
【０１３２】
個々の燃料電池はそれぞれ陽極と陰極とを有しており、必要な量の外部の電力を提供するために「積層」構造で構成される。本発明の原理が一般にどんな燃料電池構成の動作でも有効に使用できることが認められるであろう。例えば、典型的な乗客バスは電力のおよそ２００ＫＷを発生させる燃料電池の積層構造を利用する。乗用車などのより小さい乗り物は電力のおよそ２５ＫＷを発生させる燃料電池の積層構造を利用できる。小さい固定式の電子装置は電力として１ＫＷを発生させる燃料電池の積層構造を利用できる。
【０１３３】
燃料電池の当業者は、本発明のフィルタ組立体の原理が一般にいかなる燃料電池といかなる燃料電池構成の動作用に有効であると認めるであろう。
【０１３４】
様々な燃料電池によって許容できる汚染物質の敷居値は燃料電池の設計に依存する。例えば炭化水素（メタンとこれより重い）、アンモニア、二酸化硫黄、一酸化炭素、シリコーン系および同様のものは触媒にまとわりつき反応を不活発にすることが知られている。したがって、これらの汚染物質については燃料電池の反応領域に入る前に取り除かれる必要がある。
【０１３５】
使用される触媒と運転条件と触媒効率とによって正確なレベルの汚染と許容できる汚染物質のタイプは異なるであろう。本発明のフィルタ組立体は、空気中から燃料電池動作で使用される前に大気から汚染物質を取り除き低い燃料電池と高い温度操作燃料電池の双方に使用できる。
【０１３６】
＜コンプレッサーと他の騒音発生装置＞
上記のように設備１０１は何らかの空気可動型設備を通常含み、空気圧発生機構であるコンプレッサー、ファン、送風機またはポンプなどは騒音(音波)を発生する。この設備は空気(酸化剤)源を燃料電池に供給するものであるが、ローター、インペラー、ローブ、風向計、ピストンおよび空気可動部は騒音を発生する。多くの事例では、音波の周波数は１メータで８５〜１３５デシベルの音圧レベルで３〜３０、０００ヘルツ、時には５０、０００ヘルツの範囲を示す。空気可動型設備から発する騒音のすべてが受け入れられない訳ではないことから、本開示になる様々な組立体はシステムの一部から発生される特定の騒音の最も好ましくない部分を減少させるように設けられる。
【０１３７】
燃料電池１０２と関連して使用されてるのがスエーデンの二軸式コンプレッサー、オプコン社（Opcon）によって製造された「リンショルム（Lysholm）」のツインねじ圧縮機の多く使用されるコンプレッサー１０４がある。このタイプのコンプレッサーは一般におよそ１６０から１１００ヘルツ範囲で、１メータで音圧レベルの１３５デシベルの騒音を発生する。他の多く使用されるコンプレッサーとしては、「ルーツ送風機」コンプレッサーがある。他の一般的に使用されるコンプレッサーには、ピストン圧縮機、ダイアフラム圧縮機、遠心性のコンプレッサーおよび軸流圧縮機が含まれる。あらゆるコンプレッサーは騒音の周波数分布がその動作に関連づけられている。多くのコンプレッサーでは、この分配はコンプレッサーのタイプと入出力率から決定される。多くのコンプレッサーによれば周波数分布は一つ以上の周波数ピークを含む。
【０１３８】
コンプレッサーは、例えば、カリフォルニア州キャマリロのパクストン・プロダクツ社、ウィスコンシン州ケノーシャのニューマチック社（Pneumatec, Inc）、コネチカット州ニュータウンのスタンダード空圧社、コロラド州ボウルダーのバイレッツス社（Vairex）、カリフォルニア州トーランスのハニウエル・エンジン・システム社から入手することが可能である。これらのコンプレッサーは、一般に通常およそ１０グラム／秒から４００グラム／秒の大量の空気流量を発生できる。
【０１３９】
燃料電池とともに使用可能な他の空気可動装置には、電気駆動式ターボチャージャー、コンプレッサーエキスパンダおよび同様のものがある。
【０１４０】
燃料電池の動作の最適化する試みとして、燃料電池１０２に入る空気を加湿し、しばしばその飽和点にされる場合がある。高いレベルの湿気は、乾燥する燃料電池１０２において電気分解膜が乾燥してしまい荷電イオンを運ぶのが不可能となる状況を最小にすることができるので望ましい。この調湿はコンプレッサー１０４の上流またはフィルタ組立体１０の下流側で行われるであろう。これに代えて、コンプレッサー１０４の下流側でこの調湿を行っても良い。乾燥した空気はコンプレッサー１０４を通り抜けるのにより適当であろう。
【０１４１】
＜コンプレッサー放出装置＞
フィルタエレメント１５ａなどのフィルタエレメントはコンプレッサー１０４の上流側に設けられ入って来る空気の流れから粒子と化学薬品などの汚染物質を取り除くが、汚染物質は、例えばコンプレッサー１０４自体から空気の流れに流入することがある。騒音を発生させる以外に、コンプレッサー１０４の高速回転するローター、インペラー、ローブ、風向計またはピストンは、これらの微小な割れ目に存在する微粒子のやり取りを行い、または可動部の表面から微小な微粒子を放出したりする。このような一つのタイプの汚染物質はモリブデン粒子があり、その粒子は弱るかまたは操作の間に摩耗するコンプレッサー内部の各部品におけるコーティング層である。また、コンプレッサーユニット１０４はシール部を通って漏れ空気流に流入する油やグリースなどの流体汚染物質もある。このような汚染物質が燃料電池の積層構造に入る場合には、このような汚染物質は燃料電池１０２にとって非常に有害ないし致命的となる。
【０１４２】
排気装置またはコンプレッサー放出装置１０３が図１で二点鎖線で図示されている。いくつかの過程で、これらが必要であって、この装置１０３をコンプレサー１０４または他の空気可動型設備の下流側において配設して、コンプレッサーからの空気源の流れから汚染物質を除去するとともに、さらに一層の騒音抑圧を行うのためのシステムを設けることが望ましい。この装置１０３は、例えば微粒子フィルタ、化学フィルタ、音の抑圧要素とこれらの全ての組み合わせを備えることができる。この装置１０３の特定の構成と配置は、異なった燃料電池の組立体構成に従ってかなり異なり、例えば、フィルタ組立体１０とフィルタエレメント１５のいずれかが微粒子と化学除去のために必要な効率を備え、フィルタ組立体１０にさらに音の抑圧を行うための条件如何で決定されるであろう。上記のようにコンプレッサー１０４自体から物理的と化学的な汚染物質が空気中に流れるので、これを防ぐ両方のタイプのフィルタ組立体１０が下流側で装置１０３で処理される必要がある。さらに、この放出装置のシステムでの配設位置（すなわち、コンプレッサー１０４の下流で燃料電池１０２により近い位置）によって、装置で有効に使用することができる濾過材料のタイプおよび性質はフィルタエレメント１５によって使用されるときにかなり異なる。さらにまた、この装置１０３はそれを通して空気通過の湿気を増加させる加湿器を含むであろう。加えて、装置１０３はドレイン、浮動逆止め弁、蓄積した余分な水を取り除く他の装置、適当なバルブ構造が含まれる。この装置に関する例は米国特許第６、００９、８９８号（リシュ他、Risch et al.)と第６、２０９、５５９号（リシュ他、Risch et al.)に開示される。
【０１４３】
この排気装置１０３の一つの実施例が図１５で排気装置１０３ａとして図示される。この排気装置１０３ａは、入り口３１２ａと出口３１４ａを定義するハウジング３１１ａを含む。コンプレッサー１０４からの空気が入り口３１２ａを通って排気装置１０３ａに入り、出口３１４ａを通して燃料電池１０２に出る。コンプレッサー１０４からの空気が高い温度と圧力である、通常は３７０°Ｆから４００°Ｆの３気圧（atm）を有する。この状態を維持するために、望ましくはハウジング３１１ａは３１６ＳＳや３２１ＳＳなどのステンレス合金製である。
【０１４４】
図１５と図１６の実施例は騒音の抑圧要素３１９ａを含む。この抑圧要素３１９ａは音波のチョーク３２１ａと共振器３２２ａを包括し、それぞれの音波のチョーク３２１ａと共振器３２２ａは部屋３３２ａ、３３２ａの中にそれぞれ置かれる。部屋３３１ａ、３３２ａはハウジング３１１ａと邪魔板３３５ａで定義される。必要なピーク周波数またはさまざまな周波数を減衰させるように音波のチョーク３２１ａと共振器３２２ａを設計することができる。コンプレッサー１０４の下流側に存在する騒音は、通常はコンプレッサー１０４の上流のフィルタ組立体１０に同じように、または少なくとも存在するが、下流側では気流と音の抑圧されるべき両方が同じ方向に流れることになる。音の抑圧要素と共振器に関する詳細な情報は上述した通りである。
【０１４５】
排気装置１０３の別の実施例は、排気装置１０３ｂとして図１７〜図２０において図示されている。この排気装置１０３ｂは入り口３１２ｂと出口３１４ｂとを規定するハウジング３１１ｂを備え、空気が入り口３１２ｂを通して入り出口３１４ｂを通して外部に出る点において排気装置１０３ａと同様である。図１７〜図２０に図示する実施例はさらに騒音の抑圧要素３１９ｂにおいて共振器３２２ｂをさらに包括している。排気装置１０３ａと類似して、この排気装置１０３ｂには二つの音響減衰の部屋３３１ｂ、３３２ｂが、ハウジング３１１ｂと区画用の邪魔板３３５ｂとから定義されている。
【０１４６】
排気装置１０３ｂは、排気要素１０３ｂを通り抜ける空気中から粒子状物質、油および周囲の塩を取り除くためのフィルタエレメント３１５を含む。このフィルタエレメント３１５は、排気装置１０３ｂの中に存在する高温状態と圧力状態とに対する抵抗力を備えている。このフィルタエレメント３１５の一つの事例は、二つの端部キャップ３１５ａ、３１５ｂの間において取り付けられたひだをつけられた媒体の延設部分が含まれる。望ましくは、孔部を穿設した内側と外側のライナーかスリーブ３１６ａ、３１６ｂのそれぞれがサポートと保護を媒体に提供するように媒体に隣接して置かれると良く、このようなスリーブかライナーは周知である。スリーブ(特に外側のスリーブ)がハウジング３１１ｂに取り付けられることで、フィルタエレメント３１５がこのスリーブを滑るようにして排気装置１３０ｂに取り付けられかつ交換できるようにされる。
【０１４７】
このフィルタエレメント３１５の濾過材は、コンプレッサー１０４の下流での高い温度と高い圧力の条件である３７０°Ｆから４００°Ｆと３気圧（atm）に耐えることができるとともに、濾過材は高いレベルの湿度か湿気を有すると良い。このフィルタエレメント３１５の濾過材として使用可能な材料としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）膜であってアラミドキャリア（「ノーメックス」材）で保持される媒体がフィルタエレメントのために入手できる。この材料はペンシルベニア州フィーストビルのテトラテック社から入手できる。この材料は、油などの塩と石油製品を入り込ませないので広げられたＰＴＦＥ膜を使用することが望ましい。米国特許第６、１２３、７５１号（ネルソン）にはこのＰＴＦＥの有効性について教示している。別の使用可能な媒体はグラスファイバー媒体である。
【０１４８】
フィルタエレメント３１５は、楕円形や長円形またはこれに類似する物理的な形状をハウジング３１１ｂと同じように備えるか、またはフィルタエレメント３１５は円形である場合があろう。平面状のフィルタパネルも使用可能であろう。
【０１４９】
端部キャップ３１５ａは、「閉じた端部キャップ」であって、濾過材の端部から伸びて横切り蓋をするように設けられ、この端部キャップ３１５ａを介してフィルタエレメント３１５の内部に気体の流れが一切発生しないようにしている。端部キャップ３１５ａは、例えば６角ナット３１７のような付属機構を動かすことでフィルタエレメント３１５を必要に応じて取り外せるようにしている本質的なカバーである。Ｏ−リング３６４は気密封止部を端部キャップ３１５ａと、孔部を開けられた外側のスリーブかライナーである濾過材の間に提供する。フィルタエレメント３１５は、ハウジング３１１ｂから移動可能および取替え可能である。
【０１５０】
端部キャップ３１５ｂは、「開端キャップ」であり、すなわち開端キャップ３１５ｂは望ましくは中心に位置する開口部を備える。この端部キャップ３１５ｂは、通常はフィルタエレメント３１５の永久的な特徴である座面３７０であって封止座面または出っ張り部３７３上に位置する。Ｏ−リング３７４は気密封止部を出っ張り部３７３と端部キャップ３１５ｂの間に提供する。
【０１５１】
＜上流側フィルタ組立体−コンプレッサー−排気フィルタ組立体の組み合わせ＞
本発明の実施例に関する上流側フィルタ組立体がコンプレッサーと連通されている様子が図２６から図２８の空気可動型システム５００で示されている。この空気稼働型システム５００は、リモート交通カメラまたは乗り物のレーダー検知システムと共に使用される燃料電池の動作システムであって、ＰＥＭ燃料電池の積層構造を使用し、一般に１ＫＷ以下の電力出力を提供する。このような電力燃料電池の応用分野では、上述したような大きい電力を必要とする応用分野よりもかなり少ない量の酸化剤（すなわち、空気）が必要となるので、これらのシステムでははるかに小さいコンプレッサーまたは他の空気可動型設備を利用することができ、このことは組立体の濾過部分の総合的なサイズをかなり削減できることにつながる。
【０１５２】
空気可動型システム５００は、フィルターにかけられたきれいな空気をコンプレッサー５０４に供給する上流側フィルタ組立体５０１を備える。排気フィルタ組立体５０３はコンプレッサー５０４の下流側に配置されており、燃料電池に導入される前に、コンプレッサー５０４によって空気の流れ中に流入することがあるすべての汚染物質も取り除くか、または上流側フィルタ組立体５０１で取り除くことができなかった汚染物質を除去する。この実施例では、およそ０．１グラム／秒から０．１５グラム／秒までの空気流量を供給する小型のベーンタイプのコンプレッサー５０４である。コンプレッサー５０４の直径はおよそ５ｃｍである。
【０１５３】
図２６と図２７を参照して、フィルタ組立体５０１は第１端部５１１ａとこれに対向する第２端部５１１ｂとを有した一般に筒状のハウジング５１１であり、このハウジングは入り口５１２と出口５１４を規定する。このハウジング５１１の直径はコンプレッサー５０４の直径と同じおよそ５ｃｍである。汚い空気は入り口５１２を通ってフィルタ組立体５０１に入り、出口５１４を通って浄化大気の出口から出る。入り口５１２は、ハウジング５１１と事実上同じ断面積の領域を占有する。ハウジング５１１は、必要に応じてフィルタ組立体５０１を取り付けるために使用できるブラケット５２３を含む。
【０１５４】
この入り口５１２を横切るように伸びるように微粒子スクリーン５１６が設けられており、このスクリーンは大きい粒子と汚染物質を取り除くことで後述する濾過媒体を保護する。このスクリーン５１６は葉、残骸、紙および他の大きい汚染物質を取り除くことができる。このスクリーン５１６の配置される下流側には、微粒子濾過媒体５１８が設けられる。媒体５１８は、紙やセルロース、グラスファイバー、高分子重合体の格子体とこれらの同様の一般的に使用可能な濾過媒体であろう。この媒体５１８は、微粒子汚染物質の通常は、およそ０．０１ミクロメータより大きいサイズのものを取り除く。この媒体５１８は、重合ナノファイバーなどの表面層、または処理層を含む場合がある。この媒体５１８のための１つの望ましい表面層または処理層は、ナイロン共重合体と防水添加物のポリマーブレンドであって、そのポリマーブレンドは米国特許出願番号第０９／８７１、５８３号に記載されており、ドナルドソン カンパニー インコーポティドから商標名イオン（EON）濾過媒体で商業的に入手可能である。濾過媒体５１８は、入り口５１２の全体を横切るように伸ばされ、望ましくはハウジング５１１に対して漏れの無いように形成されることで、入り口５１２を通過した空気は媒体５１８を通り抜けなければならないようにされると良い。
【０１５５】
この媒体５１８の下流側には吸着材濾過要素５２０が配置される。この吸着材要素５２０は、上記のいかなる吸着材の材料から構成することができるが、この実施例では互いに付着したカーボン粒子の固まりである。上記のように望ましくは吸着材要素５２０として上記の成型または,押出された炭素材を使用することができる。この吸着材要素５２０はハウジング５１１を通り抜けるすべての空気がハウジング５１１を通り抜けるときに、この吸着材要素５２０を通り抜けるように漏れのないようにハウジング５１１の全体の横断面範囲を横切るように伸びると良い。この吸着材要素５２０は幾分かの音響減衰を供給するであろう。
【０１５６】
吸着材要素５２０の下流側には、この吸着材要素５２０を保持する目の粗い布５２２が配置される。この目の粗い布５２２は、エレメント５０から通り抜けた炭素微粒子と他の材料がコンプレッサー５４０に流れることを防止する。さらに、この吸着材要素５２０の下流側と、目の荒い布５２２の下流側には、目の荒い布５２６であって、目の荒い布５２２と吸着材要素５２０と媒体５１８を間で保持しスクリーン５１６との間で保持することとなる。
【０１５７】
入り口５１２を介してスクリーン５１６を通過し、濾過媒体５１８と、吸着材要素５２０と、目の粗い布５２２およびスクリーン５２６を通り抜けた空気は、出口５１４を介して出る。出口５１４は容積部５１９に位置しており、この容積部はコンプレッサー５０４の一部に適合する大きさに形成されており、この一部はコンプレッサーの入り口(不図示）を有している。図示の実施例では、ハウジング５１１はコンプレッサー５０４に固定したときの肩部と他の特徴点とを含んでいる。コンプレッサー５０４は容積部５１９の全体を占有するか、または容積部５１９の一部の空間を残して固定する場合がある。この容積部５１９の残りの空間は、コンプレッサー５０４4から発する音波の音の抑圧を行うであろう。
【０１５８】
望ましくは、ハウジング５１１は、コンプレッサー５０４と空気漏れのない気密状態を形成すると良く、フィルタ組立体５０１と出口５１４を通り抜けるようにして、フィルタ組立体５１０を通り抜けなかった空気が直接コンプレッサー５０４の内部を汚染しないようにすると良い。ゴムまたはすべてのタイプの柔らかく圧縮性のシール材を使用することができる。これに代えてさらにスナップ嵌合式のシールが使用されるであろう。このコンプレッサー５０４の入り口から空気はコンプレッサー５０４を通り、出口５０４ｂを出る。上述したように、コンプレッサー５０４を通る空気流量は、およそ０．１グラム／秒からおよそ０．１５グラム／秒である。およそ５ｃｍの直径を有するフィルタ組立体５０１はこのような流量率のために必要となる適切な大きさを備える。
【０１５９】
図２８により詳細に図示されるように、出口５０４ｂは排気用フィルタ組立体５０３の入り口と直接的に流体的に連通している。排気用フィルタ組立体５０３は、コンプレッサー５０４で発生したか、またはそれはコンプレッサー５０４のフィルタ組立体５０１の上流を通り抜けてコンプレッサー５０４の上流側のフィルタ組立体５０１で除去されなかった金属粒子や潤滑剤の霧などの汚染物質を取り除く。
【０１６０】
この排気用フィルタ組立体５０３は入り口５３２と出口５３４を定義する一般に筒状のハウジング５３１を有する。この入り口５３２と出口５３４はハウジング５３１の中心からオフセットしており、入り口と出口の直径をハウジング５３１の直径よりかなり小さくしている。コンプレッサー５０４からの空気は、入り口５３２を通って排気用フィルタ組立体５０３に入り、浄化された空気は出口５３４を通して出る。ハウジング５３１は、排気用フィルタ組立体５０３を所望の形態に応じて取り付けるためのブラケット５３３を含む。
【０１６１】
入り口５３２の下流側には、望ましくはハウジング５３１の直径部分から伸び、その容積で微粒子除去材料５４０を保持するスクリーン５３６が設けられている。このスクリーン５３６は、開口部が空気を通過させるために十分に大きいので一般に空気の流れからどんな微粒子も取り除かない。微粒子および任意に液体汚染物質は、除去材料５４０で捕捉される。除去材料５４０は、必要な汚染物質を取り除くのに適当なすべての濾過媒体または材料であろう。この除去材料５４０は、ハウジング５３１の全体を横切るように伸びており、ハウジング５３１に対して漏れのないように形成されているので、入り口５３１を通って入るすべての空気が材料５４０を通り抜けなければならない。
【０１６２】
図２８で示される実施例では、除去材料５４０は第１のデプス負荷材料(depth loading material)５４２と第２のデプス負荷材料５４４を具備する。これらのデプス負荷材料の事例としては、密度を有するマット状または繊維状のグラスファイバーがある。材料５４２と材料５４４はファイバーにおけるすべてのマットの密度か、繊維のサイズまたは添加物かコーティングか他の特性によってそれぞれ互いに異なる。
【０１６３】
除去材料５４０の下流側には微粒子濾過媒体５４８が位置する。この媒体５４８は、紙、グラスファイバー、重合体の目の粗い布、および同様のすべての一般的に使用できる濾過媒体が良い。この媒体５４８は、除去材料５４０からの抜け落ちた繊維または他の材料が通り抜けることを禁止して、組立体５００の下流側に位置する燃料電池に流れることを防ぐ。この媒体５４８は、ナイロン共重合体のポリマーブレンドと防水添加物とを具備しており、米国特許番号第０９／８７１、５８３号でドナルドソン カンパニー インコーポレイティドから出願されており、同社から商標のイオン（EON）濾過媒体の下で商業的に入手可能である。この媒体５４８の下流側には、媒体５４８を保持するスクリーン５４８が設けられる。除去材料５４０と媒体５４８を通り抜けた空気は、出口５３４を通して出て下流の燃料電池に進む。
【０１６４】
ここで、本発明の多数の特性と本開示の利点について記載したが、本発明は上記の構造の細部と開示の機能とに限定されず、請求の範囲に記載されるすべての構成と方法を含むことはいうまでもない。また、本発明はいかなるタイプの燃料電池による使用に制限されず、特定の部品の使用と構成と材料について記述したものである。
【図面の簡単な説明】
【０１６５】
【図１】は、本発明のフィルタ組立体を含む発電システムの概要の模式図である。
【図２】は、本発明の原理により構成された図１のフィルタ組立体の第１の実施例の正面図である。
【図３】は、図２のフィルタ組立体を一部破断して示した外観斜視図である。
【図４】は、図３のフィルタ組立体の半断面正面図である。
【図５】は、本発明の原理による構成である図３と図４のフィルタ組立体のフィルタエレメント部分の一実施例の外観斜視図である。
【図６】は、図５のフィルタエレメントの中で使用可能な濾過材の部分の概要を透視して示した外観斜視図である。
【図７】は、線５−５に沿って図５のフィルタエレメントを破断して示した横断面図である。
【図８】は、本発明のフィルタ組立体で使用するために、図５と同様に示されるフィルタエレメントの第２の実施例の外観斜視図である。
【図９】は、本発明のフィルタ組立体で使用するために、図７と同様に示されるフィルタエレメントの第３の実施例を破断して示した横断面図である。
【図１０】は、本発明のフィルタ組立体で使用するために、図７と図９で示されるものと同様のフィルタエレメントの第４の実施例を破断して示した横断面図である。
【図１１】は、図３と図４のフィルタ組立体における音響減衰と周波数の関係を示した図である。
【図１２】は、図１のフィルタ組立体の外部構成を有しているフィルタ組立体の第２の実施例の半断面図である。
【図１３】は、図１２のフィルタ組立体の化学吸収要素部分を破断して示した横断面図である。
【図１４】は、図１３の化学吸着原理の端部キャップの右端面図である。
【図１５】は、本発明の原理により構成された図１の排気組立体の一つの実施例の正面図である。
【図１６】は、線６−６に沿って図１５の排気組立体について破断して示した横断面図である。
【図１７】は、本発明の原理により構成された図１の排気組立体の第２の実施例の側面図である。
【図１８】は、図１７の排気組立体の正面図である。
【図１９】は、図１８の線１９−１９に沿って図１７と図１８の排気組立体を破断して示した横断面図である。
【図２０】は、図１７の線２０−２０に沿って図１７と図１８と図１９の排気組立体を破断して示した横断面図である。
【図２１】は、本発明の原理により構成されたフィルタ組立体の第３の実施例の正面図である。
【図２２】は、図２１のフィルタ組立体の一部を破断して示した半断面図である。
【図２３】は、図２１と図２２のフィルタ組立体においてハウジングのないフィルタと音抑圧要素の横断面図である。
【図２４】は、図２３のものと同様のフィルタと音抑圧要素の断面図である。
【図２５】は、図２１から図２４のフィルタ組立体の音響減衰と周波数との関係を示した図である。
【図２６】は、小容積の空気取扱いシステムの外観斜視図であって、空気取扱い装置と、取入口フィルタ組立体および排気用のフィルタ組立体を包括している。
【図２７】は、図２６の取入口フィルタ組立体を破断して示した外観斜視図である。
【図２８】は、図２６の排気用のフィルタ組立体について一部を破断して示した外観斜視図である。

Claims (18)

1. フィルタ組立体であって、
   （ａ）入り口と出口を有したハウジングであって、前記入り口は、前記フィルタ組立体に汚い空気を導入するように構成され、前記出口は前記フィルタ組立体から浄化された空気を供給するように構成され、
   （ｂ）前記ハウジングの中のフィルタエレメントであって、前記フィルタエレメントは微粒子フィルタ部分が前記汚い空気から微粒子汚染物質を取り除くために形成および配置され、
   （ｃ）前記ハウジングの中の音抑制要素であって、前記音抑制要素は、前記フィルタ組立体を通過する音を１メータで少なくとも６デシベルの広帯域の音響減衰をするように形成および配置されることを特徴とするフィルタ組立体。
2. 前記フィルタ組立体は、前記汚い空気から化学汚染物質を取り除くように構成される化学フィルタ部分を、さらに具備することを特徴とする請求項１に記載のフィルタ組立体。
3. 前記化学フィルタ部分が吸着材の材料を含むことを特徴とする請求項２に記載のフィルタ組立体。
4. 前記吸着材の材料が、活性炭、飽和炭素、活性炭素繊維、イオン交換樹脂、イオン交換繊維、アルミナ、活性アルミナ、モレキュラーシーブと珪石からなる群から選択されることを特徴とする請求項３に記載のフィルタ組立体。
5. 前記吸着材の材料は、酸性の汚染物質を取り除くために基本的な表面を有するように構成および配置され、前記酸性の汚染物質は、少なくとも硫化酸素、窒化酸素、硫化水素、塩化水素、揮発性の有機酸および不揮発性の有機酸の少なくとも一つであることを特徴とする請求項４に記載のフィルタ組立体。
6. 前記吸着材の材料は、基本的な汚染物質を取り除くために酸性の表面を有するように構成および配置され、前記基本的な汚染物質は、アンモニア、アミン、アミド、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウム、揮発性の有機塩基および不揮発性の有機塩基の少なくとも一つであることを特徴とする請求項４に記載のフィルタ組立体。
7. 前記微粒子フィルタ部分が、前記音抑圧要素に隣接して放射状に位置決めされることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のフィルタ組立体。
8. 前記微粒子フィルタ部分は、直線的に突き抜ける流れを提供するように構成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のフィルタ組立体。
9. 前記音抑圧要素は、共振器を具備することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のフィルタ組立体。
10. 前記音抑圧要素は、前記ハウジングによって少なくとも部分的に規定されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のフィルタ組立体。
11. 前記音抑圧要素は、前記フィルタ組立体を通り抜ける音を少なくとも１０デシベル減衰させるように構成および配置されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のフィルタ組立体。
12. 前記音抑圧要素は、１３５０ヘルツの周波数範囲の中で音を少なくともおよそ６デシベル減衰させることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のフィルタ組立体。
13. 電力生成のシステムであって、前記システムは、
    （ａ）酸化剤吸気口と燃料吸気口を有し、前記酸化剤吸気口と前記燃料吸気口からの酸化剤と燃料のそれぞれから電力を発生させるように構成される燃料電池組立体と、
    （ｂ）請求項１乃至１２のいずれかに記載のフィルタ組立体であって、浄化大気を前記燃料電池組立体の前記酸化剤吸気口に供給することを特徴とするシステム。
14. さらに、空気コンプレッサーを具備することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
15. 前記空気コンプレッサーは、ツインねじ式圧縮機であることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
16. さらにコンプレッサー放出フィルタ組立体を具備し、
    （ａ） 入り口と出口を有したハウジングであって、前記入り口は前記コンプレッサーから空気を受けるように構成され、
    （ｂ） 前記ハウジングの中のフィルタ部分であって、前記入り口と流体的に連通し、前記フィルタ部部は、前記コンプレサーからの空気から汚染物質を除去するように構成および配置されることを特徴とする請求項１４または１５に記載のシステム。
17. 前記コンプレッサー放出フィルタ組立体は、さらに前記ハウジングの中の音抑圧要素を具備し、前記音抑圧要素は１メータで少なくとも６デシベルの広帯域の音響減衰を提供するように構成および配置されることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
18. 前記フィルタ部分がポリテトラフルオロエチレンを含むことを特徴とする請求項１６または１７に記載のシステム。

Images