JP2005536011A - 物理的及び化学的フィルタを用いた、燃料電池を動作させるために供給するガスの浄化方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池（２）を動作させるために供給するガスの浄化方法及び装置に関する。フィルタシステム（５）は、それぞれのガスの供給チャネルに取付けられ、粒子及び有害ガスの分離に供される。このフィルタシステムは、微粒子フィルタ（８、９、１０）、及び吸着又は吸収フィルタ（７）を含む。ガス流れはフィルタ出口で監視され、必要な場合、フィルタの再生が開始される。

Description

本発明は、燃料電池の動作にとって好ましくない成分を除去することによって、燃料電池を動作させるために供給されるガスを浄化する方法及び装置に関する。

燃料電池の高効率及び汚染物質エミッションの低いレベル又は不存在の故に、燃料電池はまた、電気自動車にも使用される。一例として、電気モーター、燃料電池及び燃料タンク、水タンク、並びに蒸発器及び改質器を有する電気自動車が知られている。燃料タンクはメタノールを含み、それは、水タンクからの水と共に、蒸発器でガス状態に変換され、次いで改質器に通され、そこで実質的に水素、二酸化炭素、及び一酸化炭素が形成され、熱は、触媒によるバーナーによって供給される。一酸化炭素は、酸化剤で酸化することができる。改質器からの水素含有燃料ガスは、圧縮機によって燃料電池に供給される。燃料電池は燃料電池スタックを含み、そこに複数の個々の燃料電池モジュールが組み込まれる。加湿空気は、別の圧縮機によって燃料電池に供給される。電気モーター用の電気エネルギーは、水素から及び空気の酸素から燃料電池で発生する（特許文献１）。

膜燃料電池は、いずれの場合にもポリマー材料、例えばフッ化樹脂から製造されるプロトン伝導性イオン交換膜を有し、湿潤状態で非常に良好な電気伝導率を有するが、電気自動車にも使用される。膜表面は、触媒で覆われる。一方の面上で、電解質膜はガス透過性アノードに接続され、他方の面上で、電解質膜はガス透過性カソードに接続される。リブをつけたガス非透過性プレートがアノードに隣接し、このプレートのリブ間の空洞部が、酸化ガス、例えば酸素分を有する空気を供給する働きをする。ガス非透過性のリブをつけたプレートが、同様にカソードに隣接し、そのリブ間の空洞部が、気体燃料、例えば水素含有ガスを供給するために使用される。燃料電池が動作するとき、反応水及び供給されるガス中の湿気によって、電解質膜を湿潤させる。

燃料電池システムの燃料電池は、最初のガスが、燃料電池の動作モードに悪影響を及ぼす成分を含む場合、燃料電池を動作させるために、燃料ガスに関して及び酸化ガスに関して両方とも十分に浄化されたガス及び／又は混合ガスを必要とする。これに関連して、燃料電池という用語は、上記のような構造を有する個々の燃料電池モジュール、並びに、並列に及び／又は直列に接続することができるこのタイプの燃料電池モジュールのスタックの両方を意味するものとして理解されるべきである。使用される酸化ガスが、大気から取られる空気である場合、それは、一般に浄化ステップを実行する必要がある。タンクから取り出す、又は液体燃料から発生する水素を使用する場合、ガス中には阻害成分がなく、その結果としていかなる浄化の必要性もない場合が多い。

独国特許出願公開第４４ １２ ４５０ Ａ１号明細書

本発明は、ガスが燃料電池に供給される前に、汚染物質を燃料電池動作用のガスから除去する方法及び装置を提供する課題に基づく。

本発明によれば、冒頭に記載したタイプの方法において、ガスが、微粒子を分離するように、かつ、燃料電池の動作に損傷作用を及ぼすガス及び蒸気状の成分を除去するように設計されているフィルタシステムに通され、そして、その通過したガスが、燃料電池に供給されることによって目的が達成される。本発明による方法では、ダスト及び炭素粒子などの微粒子だけでなく、汚染ガス、エアロゾル、並びに、藻類、胞子、細菌、及びウイルスなどの有機物などのガスのさらなる成分（それらはまた以下に反応ガスとして言及され、それらはガスの混合物を含む場合があるが、その全てが、燃料電池で反応する又は電力の発生に寄与するわけではない）もまたガスから除去される。ガスの浄化により、燃料電池の動作時間又は使用寿命を延ばすことが可能となる。

具体的には、再生することができ、フィルタ作用の低下を示す判定基準に基づいて監視されるフィルタシステムにガスを通し、一定の判定基準による低下に達したときにメッセージを生成して、フィルタシステムの再生を実行しなければならない。その再生は、燃料電池が動作していないときに実行される。これにより、再生中に汚染物質の自発的放出があったとしても燃料電池への損傷を回避することが可能となる。

本発明によれば、冒頭に記載したタイプの装置において、フィルタシステムを、浄化されるべきガスを燃料電池に供給するガス搬送通路の位置に取付け、そのフィルタシステムが、微粒子、及び、燃料電池の動作に損傷作用を及ぼすガス又は蒸気状の成分の両方を分離することによって、その目的が達成される。このフィルタシステムを使用してそれぞれの反応ガスを浄化することにより、不純物が、原料通路、供給手段、及び燃料電池それ自体に堆積し、それによって燃料電池の機能が徐々に低下するのを防ぎ、又は汚染ガスが、燃料電池で望ましくない反応を引き起こすのを防ぐ。

好都合な実施形態では、このフィルタシステムは、微粒子用の第１のフィルタを有し、その下流側に、ガス又は蒸気状の汚染物質を取り込みかつ結合する物質を有する第２のフィルタがある。高レベルの脱塵を伴う、プラスチック、グラスファイバ、紙から製造される乾式フィルタを、第１のフィルタとして使用することができ、それは、例えば、ラビリンス状の構造を有することができる。第２のフィルタには、具体的には、表面でガス又は蒸気を取り込み、かつ物理的又は化学的に結合する多孔性物質が含まれる。このタイプの物質の例には、活性炭又は珪藻土が挙げられる。

好都合なもう一つの実施形態では、このフィルタシステムには、微粒子用、及び、その表面でガス又は蒸気を取り込みかつ結合する物質用の乾式フィルタが一緒に取付けられるユニットが含まれる。したがって、このフィルタシステムは、微粒子分離の機能と汚染ガス除去の機能を兼ねる。微粒子フィルタが、ガスを結合し及び／又は分離する物質を含むことは好都合であり、それは、微粒子を分離する材料上に取付けられ、又は自己支持形であり、又はバルク床を形成する。

一つの好適な実施形態では、フィルタシステムは、それを再生できるように設計され、作動要素によって再生を始動させることが可能である。これは、例えば、燃料電池が動作しているときに、高レベルの汚染物質が放出されることになり、したがって、燃料電池に損傷を与える可能性がある再生が、自発的に始動するのを防ぐことを可能にする。第１のフィルタの再生は、例えば、圧縮空気を使用して実行することができ、一方、第２のフィルタの再生は、吸着が低い温度に比べて高い温度では少ないので、温度を上げることによって実施することができる。

フィルタシステムを、圧縮機のガス入口の上流側の酸化ガス用のガス搬送通路に取付けると有利である。ガス搬送通路は、燃料電池が属する燃料電池システムの内部又は外側に取付けることができる。

微粒子分離に関する再生又はフィルタ保守の必要性を確定するために、具体的には、フィルタシステムの上流側圧力と下流側圧力の間の圧力差が、予め定め得る限界値と比較され、限界値を上回った場合メッセージが生成される。

汚染物質の吸着に関して、再生又はフィルタの保守を行う必要性は、フィルタシステム下流側の１種以上のガス又は汚染物質センサを使用して確定することができ、そのセンサは、分離されるべき汚染物質を測定するように設定され、そこからの測定値が、それぞれの場合の限界値と比較され、限界値を上回った場合メッセージが生成される。

本発明は、図面に示した例示的な実施形態に基づいて、以下にさらに詳細に記載されており、そこから、さらなる詳細、特徴、及び利点が明らかになるだろう。

燃料電池システム１は、それ自体は知られている方法で、例えば電解質膜を有するタイプの燃料電池２、並びに、図面には示されない、燃料タンク、水タンク、蒸発器、改質器、及び制御ユニットなどのさらなる構成要素を含み、ガスを吸入しかつ圧縮するさらに少なくとも１個の装置３を含む。このガスは、例えば空気であり、その中の酸素は酸化ガスを表し、それが、燃料電池２で気体燃料と反応して、電気エネルギーを生成する。気体燃料は、例えば水素である。

装置３は、空気を吸入しかつ圧縮する圧縮機４を含む。圧縮空気は、通路（さらに詳細には図示せず）及び、適切な場合、制御弁又は調整弁を介して、燃料電池２に通される。使用される圧縮機４は、例えば、電動モータ（図示せず）によって駆動される遠心圧縮機である。比較的高い効率及び汚染物質の低エミッションの故に、燃料電池システムはまた、自動車などの移動式の装置に使用される。小さい構成要素寸法及び低重量が、これらの応用において重要である。

装置３にはまた、圧縮機４によって吸入されるガスを浄化するために使用されるフィルタシステム５が含まれる。フィルタシステム５は、吸気流れから微粒子を分離するために使用される第１のフィルタ６、並びに、吸気流れから所定のガス、エアロゾル、及び蒸気を分離するために使用される第２のフィルタ７を有する多段組合せフィルタである。第１のフィルタ６は、複数のフィルタ区間を有する。第１のフィルタ区間８は、具体的には多孔性の吸気通路として設計され、炭素粒子又はダストなどの微粒子を分離する粗いフィルタとしての働きをする。第２のフィルタ区間９は、微粒子分離のための、例えば吸気中の花粉、ディーゼル炭素微粒子などの有機物を除去するための微細なフィルタとして動作する。ダスト及び微粒子を特に含まない空気が生成されることになる場合、超微細フィルタの形の第３のフィルタ区間１０が設けられ、例えば細菌、ウイルス、及び胞子を分離するために使用される。フィルタ区間８、９、及び１０は、例えば乾式フィルタである。フィルタ区間８は、織布からなることができ、一方、フィルタ区間９及び１０は、プラスチック、グラスファイバ、紙、又は織物からなるラビリンス状セルからなる。不織構造もまた可能である。

第２のフィルタ７は、その出口開口部がガス搬送通路１１を介して圧縮機４に接続されるが、第１のフィルタ６に直接隣接している。第２のフィルタ７は、燃料電池２の動作に干渉し、以下に汚染ガスとして言及するガスを分離する。活性炭及び珪藻土などの吸着剤は、それらの表面でガス及び蒸気を取り込みかつ結合することができるが、汚染ガスを分離するために使用される。圧縮機４によって吸入される空気は、クリーンなガスとして第２のフィルタ７から離れる。

上記したものと異なるフィルタ機能の順序もまた可能である。この順序は、フィルタにかけるべき物質／微粒子及びフィルタシステム５の具体的な構造に依存する。吸着剤又は他の適切な物質による汚染ガスの分離又は結合に加えて、汚染ガスをガス吸入装置から外部に排出することも可能である。

微粒子に関して上記言及したものなどの機械的手段、又は、それ自体は知られている化学的、静電的若しくは光学的方法を、フィルタリングのために使用することができる。これらの方法の組合せもまた可能である。光フィルタリング法の場合、例えば、ＵＶ又は赤外線が使用される。

イオン化を伴う静電フィルタと、その前及び／又はその後の繊維状の物質からできたフィルタとの組合せもまた好都合であり、その結果、静電フィルタは均一に作用し、静電フィルタでは分離されなかった、又は再び伴出した比較的大きい粒子が、空気流れから除去される。

図２は、フィルタシステム１２中の断面図を概略的に示し、それは、単一のユニットに、微粒子分離用の、並びに、汚染ガス、エアロゾル、及び蒸気の物理的及び／又は化学的結合用の両方の構成要素を含む。ガスを結合する又は分離する多孔性物質は、ファイバ・セルのラビリンス形の担体物質１３に取付けられる。担体物質１３上の多孔性物質は、図２の点々（さらに詳細に図示せず）によって表されている。この物質は、自己支持形であってもよく、又はまたバルク床を形成してもよい。フィルタシステム１２は、吸気通路１４と、圧縮機４に至るガス搬送通路１１の間に取付けられる。

再生できるフィルタシステムを使用することが可能である。フィルタシステム１２は、そのような一システムを概略的に表している。圧縮空気は、例えば、フィルタシステム１２に連結する圧縮空気発生装置１５から生じるが、分離された微粒子を除去するために、再生に使用することができる。フィルタシステム１２を再生するために、フィルタシステム１２を加熱することによって、物質に結合しているガスを放出することができる。この再生には、ガス搬送通路１１の遮断、並びに、微粒子及び放出されたガスを導くアパーチャーの開口部などの追加の装置が必要である。これらの追加の装置は、図２には示されていない。

再生は、燃料電池２が動作していない間に適宜実行される。再生の間、フィルタシステムからの汚染物質の自発的エミッションを回避するために、再生実行の自動起動は備えていない。入力要素、例えば押しボタン１６によって作動させることができ、かつ、再生の順序を定める制御ユニット１７がある。押しボタン１６の作動によって、制御ユニット１７が起動され、フィルタ再生を実行する。

フィルタシステムの一部又は全てを、それを再生することができないように設計すること、及び、パーツ又はフィルタシステムを保守の時に交換されるようにすることも可能である。

微粒子の蓄積は、フィルタシステム５及び１２の両端間の圧力差を上昇させる。器具、例えばマノメータ１８を使用して、圧力差を測定することができ、測定値を、予め定め得る限界値と比較することができる。この限界値に達したとき、フィルタを取り替える、又は再生操作を実行する必要性を示す趣旨のメッセージが生成される。吸着剤に取り込まれた汚染ガスの量を、ガス搬送通路１１に取付けられる、吸着された汚染物質のレベルを定めるのに適切なセンサ（図示せず）によって、保守の目的で確認することもまた可能である。センサが汚染物質の予め定め得る限界値を検出した場合、同様にメッセージが生成される。マノメータ１８及び少なくとも１個の汚染物質センサからの測定値は、評価ユニット１９に送信され、そこで、それらを予め定め得る限界値と比較される。

特に燃料電池システムが動作していないときに、フィルタ再生の始動は、機械的手段だけでなく、電気的又は光学的手段によってもまた実施することができる。

反応ガスのフィルタリングは、やはり大気の湿気中に溶解及び分散した微粒子及びガス、例えば溶化塩（ｇｒｉｔｔｉｎｇ ｓａｌｔ）を保持又は除去する。溶化塩（凍結防止塩）は、例えば、冬期に散布され、吸入された空気の成分である場合がある。

本発明による反応ガスのフィルタリングは、汚染物質が燃料電池に供給される結果として燃料電池システムが故障するのを防ぎ、それによって燃料電池の使用寿命又は動作時間を増加させる。

上記タイプの装置は、車両、例えば自動車、機関車、又はボートなどの移動式の装置に有利に使用される。

燃料電池に供給されるべきガスに含まれる汚染成分を除去するフィルタシステムを有する燃料電池システムの概略部分断面図。 図１に示した燃料電池システムのフィルタシステムの別の実施形態を示す図。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ ガスを吸入しかつ圧縮する装置
４ 圧縮機
５ フィルタシステム
６ 第１のフィルタ
７ 第２のフィルタ
８ 第１のフィルタ区間
９ 第２のフィルタ区間
１０ 第３のフィルタ区間
１１ ガス搬送通路
１２ フィルタシステム
１３ 担体物質
１４ 吸気通路
１５ 圧縮空気発生装置
１６ 押しボタン
１７ 制御ユニット
１８ マノメータ
１９ 評価ユニット

Claims (12)

1. 燃料電池の動作にとって好ましくない成分を除去することによって、燃料電池を動作させるために供給されるべきガスの浄化方法であって、
   前記ガスが、微粒子を分離するようにし、前記燃料電池の動作に損傷作用を及ぼすガス及び蒸気状の成分を除去するように設計されているフィルタシステムに通され、
   前記フィルタシステムを通過した前記ガスが前記燃料電池に供給されることを特徴とするガスの浄化方法。
2. 前記ガスが、再生することができて、フィルタ作用の低下及び再生の必要性を示す判定基準に基づいて監視されるフィルタシステムに通され、該判定基準に達したときにメッセージが生成されることを特徴とする請求項１に記載のガスの浄化方法。
3. 燃料電池の動作にとって好ましくない成分を除去することによって、燃料電池を動作させるために供給されるべきガスを浄化する装置であって、
   フィルタシステム（５、１２）が、それぞれのガスを前記燃料電池（２）に供給するために、ガス搬送通路（１１）に取付けられ、前記フィルタシステムが、微粒子、及び、前記燃料電池の動作に損傷作用を及ぼすガス又は蒸気状の成分を分離することを特徴とするガスの浄化装置。
4. 前記フィルタシステム（５）が、微粒子用の第１のフィルタ（６）を有し、その下流側に、ガス又は蒸気状の汚染物質を取り込みかつ結合する物質を有する第２のフィルタ（７）を設けたことを特徴とする請求項３に記載のガスの浄化装置。
5. 前記フィルタシステム（１２）が、微粒子用、及び、ガス又は蒸気状の汚染物質を取り込み結合させる物質用の乾式フィルタが一緒に取付けられるユニットを含むことを特徴とする請求項３に記載のガスの浄化装置。
6. 前記フィルタシステム（１２）が、それを再生することができるように設計され、
   前記再生を作動要素（１６）によって始動することができることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載のガスの浄化装置。
7. 前記フィルタシステム（５、１２）が、圧縮機（４）のガス入口の上流側のガス搬送通路（１１）に取付けられることを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載のガスの浄化装置。
8. 前記フィルタシステムが、直列に接続される区間からなり、そのフィルタ機能が、前記ガス中でフィルタにかけるべきタイプの成分に適合することを特徴とする請求項３、あるいは５〜７のいずれか一項に記載のガスの浄化装置。
9. 前記フィルタシステム（１２）の圧力差を測定する装置（１８）があり、そこからの測定値が、評価ユニット（１９）に送信され、予め定め得る限界値と比較され、限界値に達したときにメッセージが生成されることを特徴とする請求項３〜８のいずれか一項に記載のガスの浄化装置。
10. 汚染ガス用の少なくとも１個のガスセンサが、前記ガスの流れ方向に見て前記フィルタシステムの下流側に取付けられ、そのガスセンサからの測定値が評価ユニットに送信され、予め定め得る限界値と比較され、限界値に達したときにメッセージが生成されることを特徴とする請求項３〜８のいずれか一項に記載のガスの浄化装置。
11. 前記燃料電池に供給されるガスが空気であり、その酸素分が前記燃料電池（２）で燃料ガスと反応することを特徴とする、請求項３〜１０のいずれか一項に記載のガスの浄化装置。
12. 前記ガス浄化装置が、自動車に取付けられることを特徴とする請求項３〜１１のいずれか一項に記載のガスの浄化装置。

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