JP2020187931A - エアクリーナ - Google Patents

Abstract

【課題】ケミカルフィルタを含むエアクリーナにおいて、ケミカルフィルタの交換時期を、汚染物質の粒子径によらずに把握する。【解決手段】エアクリーナ１０は、ケミカルフィルタ２２を備えている。ケミカルフィルタ２２は、例えば、アルミ薄板ハニカムに、二酸化マンガン粒子とアルカリ添着活性炭を塗布して形成されている。このケミカルフィルタ２２では、汚染物質を除去する過程で、硫酸、硝酸等により酸性化し、性能が劣化する。ケミカルフィルタ２２の下流側の面には、リトマス試験紙３０が取り付けられている。リトマス試験紙３０の変色を確認することで、ケミカルフィルタ２２の交換時期を把握することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、ケミカルフィルタを備えたエアクリーナに関する。

空気中に含まれる汚染物質等を補足するケミカルフィルタを備えたエアクリーナが知られている。

特許文献１には、燃料電池用のエアクリーナにおいて、ケミカルフィルタの下流にマイクロフィルタを設置する構成が記載されている。このケミカルフィルタでは、吸収する窒素化合物、硫黄酸化物等の量に比例して微細ダストが排出され、マイクロフィルタによって補足される。微細ダストの補足量はマイクロフィルタの圧損として検出されため、圧損が流量に応じた閾値を超えた場合に、ケミカルフィルタの交換を促す警告灯が点灯されるように構成されている。

特許文献２には、ケミカルフィルタの重量を計測することで、あるいは、ケミカルフィルタに照射した赤外線の通過量を計測することで、ケミカルフィルタの交換時期を知らせる構成が記載されている。

特開２００６−１７９３３２号公報 特開２００２−１５１３７２号公報

特許文献１、２の技術では、汚染物質等の粒子径によって計測結果が変わる可能性があり、ケミカルフィルタの交換時期を正確に判断することができないと考えられる。

本発明の目的は、エアクリーナにおけるケミカルフィルタの交換時期の判断精度が、汚染物質の粒子径によって低下することを防止または抑制することにある。

本発明にかかるエアクリーナは、ケミカルフィルタと、ケミカルフィルタに取り付けられた酸化還元反応により色が変化する試験紙と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、空気中に含まれる汚染物質の粒子径によらず、ケミカルフィルタの交換時期を比較的高い精度で判断することが期待できる。

実施形態にかかるエアクリーナの分解図である。 ケミカルフィルタの基材であるアルミ薄板ハニカムの部分的斜視図である。

以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。説明においては、理解を容易にするため、具体的な態様について示すが、これらは実施形態を例示するものであり、他にも様々な実施形態をとることが可能である。

図１は、実施形態にかかるエアクリーナ１０の構造を示す分解図である。実施形態にかかるエアクリーナ１０は、燃料電池車に搭載され、取り込んだ外気を浄化して、燃料電池に供給するものである。エアクリーナ１０は、エアクリーナケース１２と、カセット１４と、フィルタ１６を含んでいる。

フィルタ１６は、空気が流れる上流側から下流側に向けて、順に、エアクリーナフィルタ１８、第１プレフィルタ２０、ケミカルフィルタ２２、第２プレフィルタ２４を積層して形成されている。エアクリーナフィルタ１８は、エアクリーナエレメントあるいはエアフィルターとも呼ばれるフィルタである。エアクリーナフィルタ１８は、例えば、紙、不織布などの空気透過性をもつ細かな網目状の部材で作られており、外気に含まれている砂やダストなどを物理的に除去するフィルタである。

第１プレフィルタ２０は、比較的薄い網目状の部材で作られたフィルタであり、エアクリーナフィルタ１８とケミカルフィルタ２２の間に設けられている。第１プレフィルタ２０は、エアクリーナフィルタ１８とケミカルフィルタ２２を保護するための役割を果たしている。例えば、第１プレフィルタ２０は、エアクリーナフィルタ１８を通過してしまったダストがケミカルフィルタ２２に侵入することを防いでいる。また、第１プレフィルタ２０は、ケミカルフィルタ２２に塗布されているアルカリ添着活性炭等がエアクリーナフィルタ１８に付着することを防いでいる。

ケミカルフィルタ２２は、空気中に含まれる汚染物質などの化学物質を、化学的作用に基づいて除去するフィルタである。実施形態では、ケミカルフィルタ２２は、基材となるアルミ薄板ハニカムに、触媒となる二酸化マンガン粒子と、アルカリ添着活性炭を塗布している。

図２に、アルミ薄板ハニカムの部分的な斜視図を示した。アルミ薄板ハニカムは、直径１〜２ｍｍ程度の小さな六角形の貫通小孔が配列されてなる部材である。図２の右下に示した矢印は、空気の流れる方向を示している。アルミ薄板ハニカムには、貫通小孔の軸の方向に空気が流れる。アルミ薄板ハニカムには、各貫通小孔の内壁を含む全面に、二酸化マンガン粒子とアルカリ添着活性炭が塗布される。各貫通小孔を流される空気中の汚染物質等の化学物質は、二酸化マンガン粒子とアルカリ添着活性炭と接触して、化学的に分解あるいは吸着される。

再び図１に戻って説明を続ける。ケミカルフィルタ２２の下流側（第２プレフィルタ２４側）の面には、リトマス試験紙３０が取り付けられている。リトマス試験紙３０は、酸化還元反応により色が変化する試験紙である。リトマス試験紙３０の詳細については後述する。

第２プレフィルタ２４は、ケミカルフィルタ２２の下流に設けられたフィルタであり、第１プレフィルタ２０と同様に、比較的薄い網目状の部材で作られている。第２プレフィルタ２４は、例えば、ケミカルフィルタ２２に塗布されているアルカリ添着活性炭等が下流側に流れ出すことを防いでいる。

フィルタ１６（すなわち、エアクリーナフィルタ１８、第１プレフィルタ２０、ケミカルフィルタ２２、第２プレフィルタ２４）は、カセット１４に取り付けられる。カセット１４は、樹脂等で作られた部材であり、エアクリーナケース１２に着脱可能に挿入される。カセット１４をエアクリーナケース１２から取り外すことで、フィルタ１６の点検、交換などを容易に行うことができる。

エアクリーナケース１２は、樹脂等で作られた部材である。エアクリーナケース１２は、燃料電池車の前部に設置される。エアクリーナケース１２には、カセット挿入口１２ａが設けられており、カセット１４が着脱可能に挿入される。エアクリーナケース１２には、空気吸入口１２ｂと、図示されていない空気排出口が設けられている。空気排出口は、燃料電池の空気取入口に連結されている。また、エアクリーナケース１２には、空気吸入口１２ｂの内部に、フローメータ４０が設置されている。フローメータ４０は、空気吸入口１２ｂを流れる空気の量を測定するセンサである。測定した値は、例えば、車両に設けられたＥＣＵ（エレクトリックコントロールユニット）などのコンピュータ装置に送られて記憶され、作業者がそのデータを確認できるように設定されている。フローメータ４０による測定値の活用については後述する。

続いて、エアクリーナ１０の使用態様について説明する。エアクリーナ１０は、燃料電池車の前部に設置されており、燃料電池の稼働中は、エアクリーナケース１２の空気吸入口１２ｂを通じて空気を取り入れる。空気吸入口１２ｂから吸入された空気は、カセット１４内のフィルタ１６を通過する。

フィルタ１６では、まず、エアクリーナフィルタ１８によって、砂、ダストなどが除去される。除去されるダストには、いわゆるＰＭ２．５などの微小粒子状物質も含まれる。しかし、エアクリーナフィルタ１８では、特に、微小な化学物質を除去することができない。

続いて、ケミカルフィルタ２２が、微小な化学物質を除去する。化学物質の除去は、燃料電池に清浄な空気（酸素）を送るために必要である上、大気を浄化する効果もある。また、化学物質のうち、二酸化硫黄、アンモニア、窒素酸化物などの大気汚染物質は、ＰＭ２．５の発生要因になるとの報告がある。特に二酸化硫黄から発生するＰＭ２．５の量は多く、次いでアンモニアから発生するＰＭ２．５の量が多いとされている。そこで、実施形態にかかるケミカルフィルタ２２では、二酸化硫黄の除去を最優先とし、次いでアンモニアの除去を優先するように設計されている。

ケミカルフィルタ２２では、二酸化マンガンＭｎＯ_２によって、次の式（１）〜（６）に示す反応が起こり、硫化水素Ｈ_２Ｓ、二酸化硫黄ＳＯ_２、アンモニアＮＨ_３等の除去が行われる。

＜硫化水素Ｈ_２Ｓ除去＞
式（１）に示すように、大気中の硫化水素Ｈ_２Ｓは、二酸化マンガンＭｎＯ_２触媒中で酸化して二酸化硫黄ＳＯ_２となる：
Ｈ_２Ｓ＋Ｏ_２＋ＭｎＯ_２ → ＳＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋ＭｎＯ ・・・（１）

＜二酸化硫黄ＳＯ_２除去＞
式（２）に示すように、二酸化硫黄ＳＯ_２は、二酸化マンガンＭｎＯ_２触媒中で酸化し、大気中の水分を吸収して硫酸Ｈ_２ＳＯ_４となり、活性炭の細孔に吸着される：
ＳＯ_２＋ＭｎＯ_２＋Ｈ_２Ｏ → Ｈ_２ＳＯ_４＋ＭｎＯ ・・・（２）
式（３）に示すように、反応した二酸化マンガンＭｎＯ_２触媒は、一時的に一酸化マンガンＭｎＯになるが、空気中の酸素と反応して元の二酸化マンガンＭｎＯ_２触媒に戻ることになる：
２ＭｎＯ＋Ｏ_２ → ２ＭｎＯ_２ ・・・（３）
式（４）に示すように、副反応として、二酸化マンガンＭｎＯ_２の一部は、吸着された硫酸Ｈ_２ＳＯ_４と反応し、硫酸マンガンＭｎＳＯ_４となって安定化する：
２ＭｎＯ_２＋２Ｈ_２ＳＯ_４ →２ＭｎＳＯ_４＋２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２ ・・・（４）

＜アンモニアＮＨ_３除去＞
式（５）に示すように、アンモニアＮＨ_３は、二酸化マンガンＭｎＯ_２触媒中で酸化し、硝酸ＨＮＯ_３となり、活性炭の細孔に吸着される：
ＮＨ_３＋Ｏ_２＋２ＭｎＯ_２ → ＨＮＯ_３＋Ｈ_２Ｏ＋２ＭｎＯ ・・・（５）
一酸化マンガンＭｎＯは、式（３）に示すように、空気中の酸素と反応して、元の二酸化マンガンＭｎＯ_２触媒に戻る。式（６）に示すように、副反応として、二酸化マンガンＭｎＯ_２の一部は、吸着された硝酸ＨＮＯ_３と反応し、硝酸マンガンＭｎＮＯ_３となって安定化する：
４ＭｎＯ_２＋４ＨＮＯ_３ → ４ＭｎＮＯ_３＋２Ｈ_２Ｏ＋３Ｏ_２ ・・・（６）

また、ケミカルフィルタ２２では、次の式（７）、（８）に示すように、アルカリ添着剤によって、二酸化硫黄ＳＯ_２、窒素酸化物ＮＯｘの除去が行われる。

＜二酸化硫黄ＳＯ_２除去＞
式（７）に示すように、二酸化硫黄ＳＯ_２は、アルカリ添着剤と反応し、硫酸塩ＭＳＯ_４や亜硫酸塩ＭＳＯ_３となり、活性炭の細孔に吸着される：
２ＳＯ_２＋２Ｍ^＋ＯＨ⁻＋Ｏ_２ → ＭＳＯ_３＋ＭＳＯ_４＋Ｈ_２Ｏ ・・・（７）
ここで、Ｍは、アルカリ金属またはアルカリ土類金属を表す。

＜窒素酸化物ＮＯｘ除去＞
式（８）に示すように、窒素酸化物ＮＯｘはアルカリ添着剤と反応し、硝酸塩ＭＮＯ_３や亜硝酸塩ＭＮＯ_２となり、活性炭の細孔に吸着される：
２ＮＯ_２＋２Ｍ^＋ＯＨ⁻ → ＭＮＯ_３＋ＭＮＯ_２＋Ｈ_２Ｏ ・・・（８）

このようにして浄化された空気は、空気排出口から排出され、燃料電池に送出される。化学式から明らかなように、ケミカルフィルタ２２は、化学物質を除去する過程で、徐々に劣化していく。このため、ケミカルフィルタ２２の除去能力がある程度劣化した段階で、交換を行う必要がある。実施形態にかかるケミカルフィルタ２２では、除去の最優先物質である二酸化硫黄の除去目標を例えば９３％以上（ただし、１分間あたり１平方立法メートルあたりに３０ｐｐｍの二酸化硫黄が含まれる場合）として設定し、この性能を確保できなくなった場合にはケミカルフィルタ２２の交換を行うことを想定している。

しかしながら、燃料電池車に搭載しているケミカルフィルタ２２の劣化は、実験室のように正確には把握できない。また、車両毎に、走行距離や走行環境が異なるため、交換時期を一様に決めることもできない。そこで、実施形態では、ケミカルフィルタ２２の交換時期をリトマス試験紙３０によって判断している。

リトマス試験紙３０は、酸化還元反応によって色が変化する試験紙の例である。リトマス試験紙３０には、アルカリ性では青色、酸性では赤色となる酸塩基指示薬が浸み込んでいる。リトマス試験紙３０は、図１に示すように、ケミカルフィルタ２２における下流側の面に貼り付けて設置されている。ケミカルフィルタ２２は、図２に示すようにハニカム構造のアルミ薄板を基材としており、リトマス試験紙３０は、ハニカム構造の複数の細孔の開口を覆うように貼り付けられる。リトマス試験紙３０には、例えば、ハニカム構造の細孔よりも小さな複数の孔部が設けて、空気の流れを過剰に妨げないようにすることができる。

ケミカルフィルタ２２では、化学物質の除去過程で、式（２）の化学変化により硫酸Ｈ_２ＳＯ_４が生成され、式（５）の化学変化により硝酸ＨＮＯ_３が生成される。このため、ケミカルフィルタ２２では、時間の経過とともに、酸性を示すようになり、リトマス試験紙３０は次第に赤色に変化する。リトマス試験紙３０に含まれる酸塩基指示薬の含有量は予め行った試験の結果に基づいて調整してあり、ケミカルフィルタ２２の交換時期に赤色に変色するように設定されている。

燃料電池車では、定期点検などのタイミングで、エアクリーナケース１２からカセット１４が取り外されて、フィルタ１６の状態確認が行われる。この際に、作業者はケミカルフィルタ２２に取り付けられたリトマス試験紙３０の色を、目視により、あるいは、電子カメラなどを通じて確認する。そして、リトマス試験紙３０が赤色に変色していた場合には、ケミカルフィルタ２２の交換時期であると把握することができる。リトマス試験紙３０を用いたこの手法は、簡易かつ低コストで実現可能である。また、ケミカルフィルタ２２の酸性の度合いを確認するため、例えば、空気中の化学物質の粒子径などによらずに、精度よく交換時期を把握することが可能である。

作業者は、ケミカルフィルタ２２を交換する時には、新たなリトマス試験紙３０をケミカルフィルタ２２に取り付ける。これにより、将来的に、新しいケミカルフィルタ２２の交換時期を把握することが可能となる。あるいは、交換用のケミカルフィルタ２２に予め新品のリトマス試験紙３０が貼り付けられていてもよい。

なお、リトマス試験紙３０は、酸塩基指示薬の中では、比較的変色域が広い（変色域はｐＨ４．５−８．３）ため、ケミカルフィルタ２２の交換時期を示すにあたって、比較的誤差が大きくなる可能性がある。そこで、リトマス試験紙３０に代えて、比較的変色域が狭い酸塩基指示薬を用いるようにしてもよい。酸塩基指示薬の例としては、メチルレッド （変色域はｐＨ４．４−６．２、低ｐＨ側で赤、高ｐＨ側で黄色）、ブロモクレゾールグリーン（変色域はｐＨ３．８−５．４、低ｐＨ側で黄色、高ｐＨ側で青緑色）、メチルオレンジ（変色域はｐＨ３．１−４．４、低ｐＨ側で赤色、高ｐＨ側で橙色）などが挙げられるが、これに限定されるものではない。複数の酸塩基指示薬を混合したいわゆる万能指示薬を用いることも有効である。また、ここでは便宜上「試験紙」と呼んでいるが、試験紙はいわゆる紙で作られたものに限られず、例えば合成繊維などによって作成することも可能である。

以上の説明においては、ケミカルフィルタ２２の交換は、リトマス試験紙３０などの酸化還元反応によって色が変わる試験紙のみを用いて行うものとした。しかし、リトマス試験紙３０による確認に加えて、他の観点からの確認を併せておこなうようにしてもよい。

他の観点からの確認の例としては、例えば、フローメータ４０による積算空気量の測定値の確認が挙げられる。一般に、エアクリーナ１０に流れる積算空気量が多いほど、ケミカルフィルタ２２の性能が劣化し、ケミカルフィルタ２２の交換必要性が高まる。他方、エアクリーナ１０に流れる積算空気量が少ない場合には、ケミカルフィルタ２２の性能はそれほど劣化していないと考えられる。

そこで、例えばフローメータ４０による積算空気量について二つの閾値Ｖａ、Ｖｂ（ただしＶａ＜Ｖｂとする）を設定する。そして、積算空気量がＶａ以下の場合には、リトマス試験紙３０が赤く変色したか否かにかかわらず、ケミカルフィルタ２２の交換は行わない。積算空気量がＶａより大きくＶｂ以下の場合には、リトマス試験紙３０が赤く変色していればケミカルフィルタ２２の交換を行い、変色していなければケミカルフィルタ２２の交換は行わない。積算空気量がＶｂより大きい場合には、リトマス試験紙３０が赤く変色したか否かにかかわらず、ケミカルフィルタ２２の交換を行う。この態様では、フローメータ４０とリトマス試験紙３０とのダブルチェックを行うことで、交換時期に対する信頼性を向上させることが可能となる。

なお、フローメータ４０による積算空気量は、燃料電池車の走行距離が多くなるほど増えると考えられる。そこで、フローメータ４０に代えて、燃料電池車の走行距離を用いて、リトマス試験紙３０とのダブルチェックを行うようにしてもよい。

以上の説明では、リトマス試験紙３０は、ケミカルフィルタ２２における下流側の面に取り付けられるものとした。上述のように、リトマス試験紙３０に複数の小孔をあけるなどすれば、ケミカルフィルタ２２を通る空気が過剰に妨げられることはない。しかし、リトマス試験紙３０はその紙面を含む平面が、空気の流れとほぼ直交するように配置されているために、空気の流れをある程度妨げることにはなる。そこで、例えば、リトマス試験紙３０を、その平面が空気の流れとほぼ平行になるように取り付けるようにしてもよい。このような取り付けは、例えば、ケミカルフィルタ２２の下流側の面に、下流側に飛び出た突起を設け、その突起の側面にリトマス試験紙３０（あるいは代替の試験紙）を貼り付けることで実施可能である。

ケミカルフィルタ２２も様々に変更することが可能である。上の説明では、ケミカルフィルタ２２として、アルミ薄板ハニカムに、二酸化マンガン粒子とアルカリ添着活性炭を塗布したものを例にあげた。しかし、基材の材料、形状、大きさなどは適宜変更可能であるし、触媒も他の材料を用いることが可能である。

また、以上の説明では、エアクリーナ１０は、燃料電池車に用いられることを想定した。しかし、実施形態にかかるエアクリーナ１０は、燃料電池を用いた他の移動体や設備にも適用可能であるし、燃料電池を用いない移動体（車両を含む）や設備にも適用可能である。

１０ エアクリーナ、１２ エアクリーナケース、１２ａ カセット挿入口、１２ｂ 空気吸入口、１４ カセット、１６ フィルタ、１８ エアクリーナフィルタ、２０ 第１プレフィルタ、２２ ケミカルフィルタ、２４ 第２プレフィルタ、３０ リトマス試験紙、４０ フローメータ。

Claims (1)

1. ケミカルフィルタと、
   ケミカルフィルタに取り付けられた酸化還元反応により色が変化する試験紙と、
   を備えることを特徴とするエアクリーナ。

Images