JP2006331722A

JP2006331722A - 燃料電池用フィルター濾材およびそれを用いた燃料電池用フィルター

Info

Publication number: JP2006331722A
Application number: JP2005150764A
Authority: JP
Inventors: Michitoshi Suzuki; 理利鈴木; Eizo Kawano; 栄三川野; Hiroko Niijima; 裕子新島
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】自己発塵の発生、および、空気中の不純物による濾材特性の劣化が抑制され、圧力損失が低く、捕集効率に優れる燃料電池用フィルター濾材と燃料電池用フィルターとを提供する。
【解決手段】燃料電池に供給されるガスを清浄にするための燃料電池用フィルター濾材であって、多孔質フッ素樹脂層と、通気性繊維層とを有する燃料電池用フィルター濾材とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に供給されるガスを清浄にするためのフィルター濾材およびフィルターに関する。

発電効率に優れ、出力エネルギー密度が高いことから、燃料電池、特に、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）に注目が集まっている。ＰＥＦＣのなかでも、燃料にメタノールを用い、アノードにおいてメタノールの直接酸化を行うダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、燃料の携帯および交換が容易であり、パソコンなどの携帯機器用電源としての応用が期待されている。

ＰＥＦＣにおいて、長時間の使用により出力電圧が低下する現象が知られている。この現象の原因の一つとして、酸化剤である空気に含まれる不純物によって、高分子電解質膜が汚染され、そのイオン伝導率が低下することが挙げられる。不純物としては、海水を由来とする塩類、ＮＯ_x、ＳＯ_xなどの大気汚染物質群、オイル、カーボン粒子などを含む塵芥類などが代表的である。

従来、これら不純物を除去するために、燃料電池の空気取り入れ口からカソードまでの間に、フィルターを配置することが試みられてきた（例えば、特許文献１に記載）。フィルターに用いる濾材としては、ガラス繊維、あるいは、ポリプロピレンなどの合繊繊維からなる織布、不織布などが一般的である。ポリプロピレンなどの合繊繊維を用いた場合、捕集効率の経時劣化を抑制した静電式空気フィルターとすることもできる。
特開２００３−１０２８号公報

しかし、ガラス繊維からなる濾材は、自己発塵が発生するため、加工、特に、プリーツなどの折り曲げ加工を行うことが難しい。折り曲げ加工が行えない場合、ＰＥＦＣのフィルター、特に、ＤＭＦＣのように小型化が望まれる燃料電池のフィルターとして用いることが困難となる。自己発塵を抑制するために、ガラス繊維とバインダーとを組み合わせることも考えられるが、バインダーが存在するとフィルターの圧力損失が増大し、燃料電池の効率が低下する。ポリプロピレンなどからなる静電式空気フィルターでは、オイルミストなどによる静電性能の低下や、フィルターに付着した小繊維による問題がある。

そこで、本発明では、自己発塵の発生、および、空気中の不純物による濾材特性の劣化が抑制され、圧力損失が低く、かつ、捕集効率に優れる燃料電池用フィルター濾材と燃料電池用フィルターとを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池用フィルター濾材は、燃料電池に供給されるガスを清浄にするための燃料電池用フィルター濾材であって、多孔質フッ素樹脂層と、通気性繊維層とを有することを特徴としている。

本発明の燃料電池用フィルターは、上述した本発明の燃料電池用フィルター濾材を備えることを特徴としている。

本発明によれば、多孔質フッ素樹脂層と通気性繊維層とを有するフィルタ濾材とすることにより、自己発塵の発生、および、空気中の不純物による濾材特性の劣化が抑制され、圧力損失が低く、かつ、捕集効率に優れる燃料電池用フィルター濾材と燃料電池用フィルターとを提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の説明において、同一の部材に同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。

図１に本発明の燃料電池用フィルター濾材を示す。図１に示す燃料電池用フィルター濾材１（濾材１）は、多孔質フッ素樹脂層２と通気性繊維層３とを有している。

濾材１が有する多孔質フッ素樹脂層２は、フッ素樹脂自体の特性を反映し、柔軟であるとともに化学的に非常に安定である。このため、濾材１における自己発塵の発生、および、空気中の不純物による濾材特性の劣化を抑制できる。また、自己発塵の発生が抑制できるため、加工性、特に、プリーツ加工性に優れる濾材１とすることができ、圧力損失が低く、かつ、捕集効率に優れる濾材１とすることができる。

多孔質フッ素樹脂層２の空孔率は、通常、９０％〜９８％の範囲である。多孔質フッ素樹脂層２の平均孔径は、通常、０．１μｍ〜１０μｍの範囲である。

多孔質フッ素樹脂層２の厚さは、通常、１μｍ〜０．１ｍｍの範囲である。

多孔質フッ素樹脂層２に用いるフッ素樹脂は特に限定されず、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレンなどを用いればよい。多孔質層として強靱であり、濾材１の強度を向上できることから、上記フッ素樹脂としてＰＴＦＥを用いることが好ましい。

多孔質フッ素樹脂層２は、複数の異なる特性を有する、および／または、複数の異なるフッ素樹脂からなる多孔質フッ素樹脂膜が積層された積層体であってもよい。

通気性繊維層３は、多孔質フッ素樹脂層２を支持する層である。

通気性繊維層３の材料や構造などは特に限定されないが、多孔質フッ素樹脂層２よりも通気性に優れることが好ましい。通気性繊維層３は、例えば、織布、不織布、メッシュなど、繊維を含む構造を有する多孔質層であればよく、通気性繊維層３に用いる材料には、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン類、ナイロン、アラミドなどの芳香族ポリアミド類、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなどのポリエステル類などを用いればよい。通気性繊維層３は、これらの材料の複合体であってもよく、例えば、芯／鞘構造を有する繊維を含む不織布、低融点材料と高融点材料との２層構造を有する不織布などを用いてもよい。特に、鞘部分が芯部分に比べて低融点である芯／鞘構造を有する繊維を含む不織布、あるいは、上記２層構造を有する不織布を用いることが好ましい。これらの不織布は、濾材１の製造時において、通気性繊維層３と多孔質フッ素樹脂層２とをラミネートする際に収縮しにくく、濾材１の製造がより容易となる。

通気性繊維層３の厚さは、通常、５０μｍ〜１ｍｍの範囲である。

本発明の濾材１が有する多孔質フッ素樹脂層２および通気性繊維層３の層数は特に限定されず、濾材１として必要な特性に応じて任意に設定すればよい。また、多孔質フッ素樹脂層２および通気性繊維層３以外に、任意の層を有していてもよい。

多孔質フッ素樹脂層２および通気性繊維層３は、一般的な方法により形成すればよい。例えば、多孔質ＰＴＦＥ層は、ＰＴＦＥ粒子のペーストを作製し、作製したペーストを成形、圧延した後に、延伸することにより形成できる。

多孔質フッ素樹脂層２と通気性繊維層３とをラミネートして濾材１を形成する方法は特に限定されず、接着剤ラミネート、熱ラミネート、加熱溶着、超音波溶着などの手法を用いればよい。

本発明の濾材１の捕集効率は、捕集対象粒子の粒径を０．３μｍ〜０．５μｍの範囲とし、濾材１を透過する気体の線速度を５．３ｃｍ／ｓｅｃとした場合に、通常、９９％以上である。

本発明の濾材１によって発生する圧力損失は、濾材１を透過する気体の線速度が５．３ｃｍ／ｓｅｃの場合に、通常、５０Ｐａ〜２００Ｐａの範囲である。

本発明の濾材１では、通気性繊維層３が、燃料電池に供給されるガスに含まれる不純物を吸着する材料（吸着材）を含んでいてもよい。吸着材の種類によっても異なるが、例えば、吸着材が活性炭繊維である場合、ＳＯ_xやＮＯ_xなどの気体状の不純物を低減できる濾材１とすることができる。

吸着材に活性炭繊維を使う場合、活性炭繊維のみからなる通気性繊維層３としてもよいし、活性炭繊維と、通気性繊維層３の説明において上述した材料の繊維とを組み合わせた通気性繊維層３としてもよい。図２に示すように、活性炭繊維を含まない通気性繊維層３ａと、活性炭繊維を含む通気性繊維層３ｂとを配置して、濾材１としてもよい。図２に示す濾材１では、通気性繊維層３ａと通気性繊維層３ｂとにより、多孔質フッ素樹脂層２が狭持されている。

通気性繊維層３が吸着材を含む場合、本発明の濾材１の吸着性能は、通常、平衡吸着量として１０ｍｇ／ｍ²〜３０００ｍｇ／ｍ²の範囲（ホルムアルデヒドの平衡濃度が１０ｐｐｍの時）であることが好ましい。

本発明の燃料電池用フィルターは、上述した本発明の濾材１を備えている。その構成および構造は、形状を含め、特に限定されない。

本発明の燃料電池用フィルターは、燃料電池の空気流路における空気取り入れ口からカソードまでの任意の箇所に配置することができる。例えば、図３に示す燃料電池１１では、空気取り入れ口１２と、カソード１３に空気を供給するファン１４との間に、本発明の燃料電池用フィルター１５（フィルター１５）が配置されている。なお、図３に示す燃料電池１１は、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）であり、図３の符号は、１６が高分子電解質膜、１７が生成水循環ポンプ、１８がアノード、１９が燃料ポンプ、２０がメタノールカートリッジである。

燃料電池１１にフィルター１５を配置する際には、空気取り入れ口側が多孔質フッ素樹脂層２となるように配置することが好ましい。また、図２に示す濾材１を備えたフィルター１５の場合、空気取り入れ口側が活性炭繊維を含む通気性繊維層３ｂとなるように配置することが好ましい。

本発明の燃料電池用フィルターは、ＰＥＦＣであれば、燃料電池の具体的な構造および構成を問わず、用いることができる。

本発明の燃料電池用フィルターは、加工性、特に、プリーツ加工性に優れる濾材１を備えるため、圧力損失を低く保ち、捕集効率を保持したまま、従来よりも小型のフィルターとすることが可能である。このため、携帯機器に用いるＤＭＦＣなど、小型のフィルターが要求される燃料電池用フィルターとして有用である。

以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。本発明は、以下に示す実施例に限定されない。

本実施例では、図１および図２に示す濾材１を作製し、その特性（圧力損失、捕集効率、平衡吸着量）を評価した。

（圧力損失の測定方法）
濾材１を、有効面積１００ｃｍ²の円形状のホルダーにセットし、濾材１の両面に圧力差を印加して濾材１に気体を透過させ、濾材１を透過する気体の線速度を５．３ｃｍ／ｓｅｃとしたときの圧力損失を測定した。

（捕集効率の測定方法）
圧力損失の測定と同様に濾材１をホルダーにセットし、濾材１の両面に圧力差を印加して濾材１に気体を透過させ、多分散ジオクチルフタレート（ＤＯＰ）を、０．１μｍ〜０．１５μｍの粒径を有するＤＯＰ粒子の濃度が約１０⁷個／リットルになるように濾材１の上流側に流し、濾材１の下流側における上記ＤＯＰ粒子の濃度をパーティクルカウンターで測定した。ただし、パーティクルカウンターによる測定対象粒子の粒径は、０．３μｍ〜０．５μｍの範囲とし、捕集効率は、捕集効率＝（１−（下流側ＤＯＰ粒子濃度／上流側ＤＯＰ粒子濃度））×１００（％）の式より算出した。

（平衡吸着量の測定方法）
面積が異なる濾材１を複数作製し、それぞれ、内容積３リットルの密閉容器に収容した後に、ホルムアルデヒドを、容器内におけるホルムアルデヒド濃度が１００ｐｐｍとなるように注入し、２４時間放置した。放置後、容器内のホルムアルデヒドの平衡濃度を、北川式検知管により検出した。すべての濾材１について同様の測定を行い、得られたデータをグラフにプロットして求めた平衡濃度と平衡吸着量との関係式から、ホルムアルデヒドの平衡濃度が１０ｐｐｍの時における濾材１の平衡吸着量を求めた。

各濾材サンプルの作製方法を示す。

−サンプル１−
ＰＴＦＥファインパウダー（ポリフロンＦ−１０４：ダイキン工業社製）１００重量部と、液状潤滑剤として炭化水素油（アイソパーＭ：エッソ石油社製）２５重量部とを均一に混合し、ＰＴＦＥペーストを形成した。次に、形成したＰＴＦＥペーストを、圧力２０ｋｇ／ｃｍ²において予備成形した後にロッド状に押出成形し、さらに、１対の金属ロールにより圧延して、厚さ０．２ｍ、幅１５０ｍｍのＰＴＦＥフィルムを形成した。次に、形成したＰＴＦＥフィルムを２２０℃に加熱して、液状潤滑剤を除去し、縦（長さ）方向に２０倍および横（幅）方向に３０倍延伸して、多孔質ＰＴＦＥ層（厚さ１０μｍ、空孔率９６％）を得た。

次に、得られた多孔質ＰＴＦＥ層の一方の主面に、通気性繊維層として、ポリエステル／ポリエチレンの芯／鞘構造を有するスパンボンド不織布（エルベス：ユニチカ社製：厚さ１８０μｍ）を熱ラミネートさせ、図１に示すような濾材１（サンプル１）を得た。通気性繊維層の目付量は、４０ｇ／ｍ²であった。

−サンプル２−
サンプル１における多孔質ＰＴＦＥ層上に、ホルムアルデヒドの平衡濃度が１０ｐｐｍの時におけるホルムアルデヒドの平衡吸着量が１００ｍｇ／ｍ²である活性炭繊維からなる通気性繊維層（厚さ１０μｍ）をホットメルトラミネートさせ、図２に示すような濾材１（サンプル２）を得た。

−サンプルＡ（従来例）−
ガラス繊維からなる市販の濾材（北越製紙社製：ＧＢ３２０−Ａ）をサンプルＡとした。

−サンプルＢ（従来例）−
市販の静電式空気フィルター濾材（三井化学社製：シンテックスＭＰＥＳ０８）をサンプルＢとした。

このようにして得た各サンプルについて、上述の方法により各特性を評価した。評価結果を以下の表１に示す。

表１に示すように、サンプル１および２では、従来例であるサンプルＡおよびＢに比べて、圧力損失が低く、かつ、捕集効率に優れる（低い圧力損失と優れた捕集効率とを両立させた）濾材１とすることができた。

本発明の燃料電池用フィルターは、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）、特に、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）に用いるのに適している。

本発明の燃料電池用フィルター濾材の一例を模式的に示す断面図である。本発明の燃料電池用フィルター濾材の別の一例を模式的に示す断面図である。本発明の燃料電池用フィルターの配置の一例を示す模式図である。

符号の説明

１燃料電池用フィルター濾材（濾材）
２多孔質フッ素樹脂層
３、３ａ、３ｂ通気性繊維層
１１燃料電池
１２空気取り入れ口
１３カソード
１４ファン
１５燃料電池用フィルター（フィルター）
１６高分子電解質膜
１７生成水循環ポンプ
１８アノード
１９燃料ポンプ
２０メタノールカートリッジ

Claims

燃料電池に供給されるガスを清浄にするための燃料電池用フィルター濾材であって、
多孔質フッ素樹脂層と、通気性繊維層とを有することを特徴とする燃料電池用フィルター濾材。
前記多孔質フッ素樹脂層が、ポリテトラフルオロエチレンからなる請求項１に記載の燃料電池用フィルター濾材。
前記通気性繊維層が、前記供給されるガスに含まれる不純物を吸着する材料を含む請求項１に記載の燃料電池用フィルター濾材。
前記通気性繊維層が、前記材料として活性炭繊維を含む請求項３に記載の燃料電池用フィルター濾材。
捕集対象粒子の粒径を０．３μｍ〜０．５μｍの範囲とし、前記燃料電池用フィルター濾材を透過する気体の線速度を５．３ｃｍ／ｓｅｃとした場合に、
捕集効率が９９％以上である請求項１に記載の燃料電池用フィルター濾材。
前記燃料電池用フィルター濾材を透過する気体の線速度が５．３ｃｍ／ｓｅｃの場合に、前記燃料電池用フィルター濾材によって発生する圧力損失が、５０Ｐａ〜２００Ｐａの範囲である請求項１に記載の燃料電池用フィルター濾材。
請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池用フィルター濾材を備えることを特徴とする燃料電池用フィルター。
前記燃料電池が、ダイレクトメタノール型燃料電池である請求項７に記載の燃料電池用フィルター。