JP4615257B2 - 燃料電池用ガス浄化器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給流路に配設される燃料電池用ガス浄化器に関するものである。

従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード（燃料極）とカソード（空気極）とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下において燃料電池と呼ぶ）を備えている。アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤として空気が供給されると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。

このような燃料電池において、不純物が燃料電池内部に混入することを防止するために、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス流路（特に、空気供給流路）に燃料電池用ガス浄化器を設けたものが知られている。

例えば、特許文献１には、フィルタと、その下流側に配されるブロワと不純物吸着装置とを備え、フィルタにより塵埃を除去し、不純物吸着装置で有機物などを吸着する技術が提案されている。
また、特許文献２には、イオン交換性のガス浄化器で、基材に親水化処理やイオン交換性ポリマー処理を行い、イオン物質をイオン交換することで、吸着させる技術が提案されている。
特開平７−９４２００号公報 特開２００１−３１３０５７号公報

しかしながら、従来の技術においては、以下のような問題がある。
上述の不純物吸着装置は不純物を吸着させる活性炭を備えているが、この活性炭がブロワからの風により不純物を吸着した状態で飛散してしまい、燃料電池内に流入する虞がある。その結果、燃料電池内に流入した活性炭や不純物により、燃料電池の電解質膜や空気極、燃料極が汚染されて、性能を低下させてしまうという問題がある。

また、イオン交換性のガス浄化器で、基材に親水化処理やイオン交換性ポリマー処理を行う方法では、イオン物質が反応ガス中に含まれている場合には除去することができるものの、イオン物質が水中に溶解して水溶液になっている場合にはフィルタを通り抜けてしまい、除去することが困難であるという問題がある。

従って、本発明は、燃料電池に供給される反応ガス中から不純物を効果的に除去することができる燃料電池用ガス浄化器を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１）に反応ガスを供給する反応ガス供給流路（例えば、実施の形態における空気供給流路７）に配設される燃料電池用ガス浄化器（例えば、実施の形態における燃料電池用ガス浄化器１０）であって、反応ガス中の不純物成分を吸着するイオン交換樹脂（例えば、実施の形態におけるイオン交換樹脂１５）を有する吸着剤（例えば、実施の形態における吸着剤１３）を２つ以上のフィルタ（例えば、実施の形態における第１フィルタ１１、第２フィルタ１２）で挟持し、前記２つ以上のフィルタのうち、前記反応ガス供給流路の上流側に配置されるフィルタを第１フィルタとするとともに、下流側に配置されるフィルタを第２フィルタとし、前記第２フィルタのみの表面に撥水層（例えば、実施の形態における撥水層１２ｂ）を形成したことを特徴とする。

この発明によれば、前記燃料電池用ガス浄化器を反応ガスが通過する際に、前記２つ以上のフィルタにより反応ガス中の塵埃が捕集されるとともに、これらのフィルタにより挟持された吸着剤により反応ガス中の不純物成分が吸着される。また、前記２つ以上のフィルタの少なくとも１つのフィルタの少なくとも一方の表面に形成された撥水層により、反応ガスとともに流入する液滴が撥水されるため、前記液滴が燃料電池内に流入することを防止できる。従って、イオン物質が反応ガス中に含まれている場合に加えて、イオン物質が水中に溶解して水溶液となっている場合であっても、フィルタを通り抜けることを防止でき、反応ガス中からイオン物質を除去して燃料電池に供給することができる。また、前記吸着剤が前記フィルタにより挟持されているので、前記吸着剤に活性炭が含まれている場合であっても、活性炭が燃料電池内に流入することを防止することができる。イオン物質は例えばナトリウム、マグネシウム、カルシウムが含まれているものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、記２つ以上のフィルタにおいて、これらのフィルタを構成するエレメント（例えば、実施の形態におけるエレメント１１ａ、１２ａ）のフィルタ形成方向におけるピッチを、前記第１フィルタよりも前記第２フィルタの方が細かくなるように設定することを特徴とする。

この発明によれば、前記反応ガス供給流路の上流側に配置される第１フィルタで比較的粒径の大きい塵埃が捕集されるとともに、前記反応ガス供給流路の下流側に配置される第２フィルタで比較的粒径の小さい塵埃が捕集される。従って、第２フィルタの目詰まりを抑制することができ、燃料電池用ガス浄化器の長寿命化を図ることができる。また、前記撥水層を前記第２フィルタのみに形成したため、前記反応ガス中の液滴が前記第１フィルタを通過することは許容され、反応ガス中に含まれるイオン物質を水和させる際に使用することができる。そして、前記第２フィルタに形成された撥水層により前記液滴が燃料電池内に供給されることを防止することができる。また、前記第２フィルタを構成するエレメントのピッチを前記第１フィルタよりも細かく設定しているため、前記第２フィルタのエレメント同士は前記第１のフィルタのものよりも隙間が小さくなっており、撥水効果を高めることができる。

請求項１に係る発明によれば、反応ガス中の塵埃やイオン物質等の不純物成分を除去して燃料電池に供給することができるので、燃料電池の出力低下を防止して、燃料電池の長寿命化を図ることができる。特にイオン物質については液滴に溶解すると、フィルタを透過してしまうのであるが、フィルタが撥水層を備えているため、液滴に溶解したイオン物質を除去して燃料電池に反応ガスを供給することができる。

請求項２に係る発明によれば、第２フィルタの目詰まりを抑制することができ、ガス浄化器自体の長寿命化を図ることができる。また、反応ガス中に含まれるイオン物質を水和させる際に反応ガス中の液滴を使用することができ、イオン物質を液滴と共に効率的に除去することができる。また、ガス浄化器による撥水効果を高めることができる。

以下、この発明の実施の形態における燃料電池用ガス浄化器を図面と共に説明する。
図１は本発明の実施の形態における燃料電池用ガス浄化器を備える燃料電池システムの概略構成図である。同図に示すように、燃料電池１は、ポリアリレン系電解質材料からなる固体高分子電解質膜２を燃料極（アノード）３と空気極（カソード）４とで両側から挟み込んで形成されたセルを備えている。

燃料極３に燃料ガスとして水素ガスを供給し、空気極４に酸化剤としての酸素を含む空気を供給すると、燃料極３で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２を通過して空気極４まで移動して、空気極４で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。なお、図１では説明を簡略化するために単セルのみを示しているが、実際の燃料電池１は複数のセルを積層したスタックとなっている。

燃料電池システムは、高圧燃料タンク等の燃料供給装置５を備え、燃料供給流路６を介して燃料電池１を構成する各セルの燃料極３に燃料ガスを供給する。
また、燃料電池システムは、空気供給装置であるコンプレッサ（圧縮機）８を備え、コンプレッサ８により圧縮された空気を、空気供給流路７を介して燃料電池１を構成する各セルの空気極４に供給する。

そして、空気供給流路７には、コンプレッサ８の上流側に燃料電池用ガス浄化器１０が配設されている。このガス浄化器１０の構成について図２を用いて説明する。図２は図１の燃料電池用ガス浄化器１０の概略断面図である。同図に示すように、ガス浄化器１０は、空気中の不純物成分を吸着する吸着剤１３を第１フィルタ１１、第２フィルタ１２で挟持してなる。ここで、第１フィルタ１１は空気供給流路７の上流側に配置されるフィルタであり、第２フィルタ１２は下流側に配置されるフィルタである。

第１フィルタ１１、第２フィルタ１２は、不織布やろ紙等の塵埃捕集機能を有するものが用いられる。また、第１フィルタ１１を構成するエレメント（例えば、不織布を構成する繊維）１１ａのフィルタ形成方向におけるピッチＬ１（図３参照）よりも、第２フィルタ１２を構成するエレメント１２ａのフィルタ形成方向におけるピッチＬ２（図４参照）の方が細かくなるように設定している。さらに、本実施の形態では、前記第２フィルタ１２を構成するエレメント１２ａのみに撥水層（例えば、フッ素樹脂）１２ｂを形成している。

そして、これらのフィルタ１１、１２に挟持される吸着剤１３は、薬剤添着活性炭１４やイオン交換樹脂１５を有している。ここで、薬剤添着活性炭１４としては、ゼオライトやシリカゲル等の表面に薬剤を添着したものを用いることができる。

このように構成された燃料電池用ガス浄化器１０の作用について説明する。燃料電池用ガス浄化器１０上流側の空気供給流路７から供給される空気は、まず、第１フィルタ１１を通過する際に、比較的粒径の大きい（粗い）塵埃を捕集される。そして、吸着剤１３の薬剤添着活性炭１４により、空気中に混合されているＳＯｘの一部分や有機ガス、シロキサン等の不純物ガスの分子を物理吸着で捕捉後、表面の薬剤と化学反応させて化学吸着させる。ＳＯｘの大部分は、イオン交換樹脂１５により化学吸着される。

具体的には、燃料電池１に最も劣化影響を与えるＳＯｘの大部分はイオン交換樹脂１５によってその表面上に化学吸着させる。これにより、吸着容量を大幅に向上させることが可能となる。また、有機ガスやシロキサンも、薬剤添着活性炭１４を用いて物理吸着させる。ここで、薬剤添着活性炭１４は有機ガスやシロキサンの分子サイズに合わせた細孔径と表面処理をしたものを用いている。

シロキサン（電解質膜でＳｉＯ２となり拡散層を封止）、有機ガスを吸着させるため、細孔径は１〜２０ｎｍとしてこれらの分子の大きさに対応する。さらに、表面は有機基で修飾することで有機物を吸着させやすくする。

そして、これらの吸着した分子を水和した上で、イオン交換樹脂１５の表面上でイオン交換させる。例えば、ＳＯｘの場合は、下記の化学反応式（１）、（２）のようにイオン交換させる。
ＳＯ_２＋ｎＨ_２Ｏ→ＨＳＯ_３、Ｈ_２ＳＯ_４…反応式（１）
Ｒ−ＯＨ＋ＨＳＯ_３→Ｒ−ＳＯ_３＋Ｈ_２Ｏ…反応式（２）
これにより、イオン交換樹脂１５表面に存在する水酸基とＳＯｘが水に溶解してできた亜硫酸イオンがイオン交換され、イオン交換樹脂１５表面に固定される。このようにして、空気中に含まれる不純物ガスを化学的に除去することができる。

そして、第２フィルタ１２により粒径の小さい（細かい）塵埃を捕集する。また、第２フィルタ１２には、構成要素であるエレメント１２ａに撥水層１２ｂが形成されているので、イオン溶液を除去することができる。

従って、不純物であるイオン物質が空気中に含まれている場合に加えて、イオン物質が空気中の液滴に溶解して水溶液となっている場合であっても、第２フィルタ１２を通り抜けることを防止でき、空気中からイオン物質を除去して燃料電池１に供給することができる。
また、吸着剤１３が前記フィルタ１１、１２により挟持されているので、前記吸着剤１３に薬剤添着活性炭１４が含まれている場合であっても、薬剤添着活性炭１４が燃料電池１内に流入することを防止することができる。

また、第１フィルタ１１を構成するエレメント１１ａのフィルタ形成方向におけるピッチＬ１よりも第２フィルタ１２を構成するエレメント１２ａのフィルタ形成方向におけるピッチＬ２を細かくしたので、エレメント１２ａのピッチＬ２よりも大幅に大きい径の塵埃の第２フィルタ１２への目詰まりを抑制することができ、燃料電池用ガス浄化器の長寿命化を図ることができる。

また、前記撥水層１２ｂを前記第２フィルタ１２のみに形成したため、空気中の液滴が前記第１フィルタ１１を通過することは許容され、反応ガス中に含まれるイオン物質を水和させる際に使用することができる。そして、第２フィルタ１２に形成された撥水層１２ｂにより前記液滴が燃料電池１内に供給されることを防止することができる。また、上述したように、第２フィルタのエレメント同士は前記第１のフィルタのものよりも隙間が小さくなっており、撥水効果を高めることができる。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では、燃料電池用ガス浄化器を空気供給流路のみに設けた場合について説明したが、これに限らず、水素供給流路にも設けてもよい。また、実施の形態では、吸着剤を２つ以上のフィルタで挟持した場合について説明したが、少なくとも１つ以上のフィルタを備え、少なくとも１つのフィルタの一方の表面に撥水層が形成されていればよい。また、実施の形態では、薬剤添着活性炭やイオン交換樹脂は層状に形成されているが、互いが混合して分散していても良い。

本発明の実施の形態における燃料電池用ガス浄化器を備える燃料電池システムの概略構成図である。 図１の燃料電池用ガス浄化器の概略断面図である。 図１の燃料電池用ガス浄化器の上流側フィルタに撥水層を形成した場合についての説明図である。 図１の燃料電池用ガス浄化器の下流側フィルタに撥水層を形成した場合についての説明図である。

符号の説明

１…燃料電池
６…燃料供給流路（反応ガス供給流路）
７…空気供給流路（反応ガス供給流路）
１０…燃料電池用ガス浄化器
１１…第１フィルタ（フィルタ）
１１ａ…エレメント
１１ｂ…撥水層
１２…第２フィルタ（フィルタ）
１２ａ…エレメント
１２ｂ…撥水層

Claims (2)

1. 燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給流路に配設される燃料電池用ガス浄化器であって、
   反応ガス中の不純物成分を吸着するイオン交換樹脂を有する吸着剤を２つ以上のフィルタで挟持し、
   前記２つ以上のフィルタのうち、前記反応ガス供給流路の上流側に配置されるフィルタを第１フィルタとするとともに、下流側に配置されるフィルタを第２フィルタとし、
   前記第２フィルタのみの表面に撥水層を形成したことを特徴とする燃料電池用ガス浄化器。
2. 前記２つ以上のフィルタにおいて、これらのフィルタを構成するエレメントのフィルタ形成方向におけるピッチを、前記第１フィルタよりも前記第２フィルタの方が細かくなるように設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガス浄化器。

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