JP4790222B2 - ガス除去装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガスと空気中の酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池の空気供給設備に設置されており、前記燃料電池に供給される空気から不純物ガスを除去するガス除去装置に関する。
これに関連する従来のガス除去装置が特許文献１に記載されている。
前記ガス除去装置９０は、図５に示すように、燃料電池９２の空気供給設備９４に設けられており、容器に充填された活性炭によって空気中に含まれる有機溶剤等の不純物ガスを除去する。これによって、燃料電池９２の電解質と空気中の不純物ガスとの化学反応に基づく電解質の変質をある程度防止することが可能になる。
特開平７−９４２００号公報
上記したガス除去装置９０では、活性炭に形成された多数の微細孔に不純物ガスの分子を吸収することで、空気中の不純物ガスを除去する構成である。しかし、活性炭の微細孔に吸収された不純物ガスの分子は、その細孔内で強固に吸着されている訳ではないため、温度変化や空気の流速変化等により微細孔から再飛散する可能性がある。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、多孔質体の微細孔に吸収された特定の不純物ガスの分子が再飛散しないようにすることで、特定の不純物ガスの除去効率を向上させることである。
上記した課題は、各請求項の発明によって解決される。
請求項１の発明は、燃料ガスと空気中の酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池の空気供給設備に設けられており、前記燃料電池に供給される空気から不純物ガスを除去するガス除去装置であって、空気中の不純物ガスの分子を吸収可能な多数の微細孔を備える活性炭素繊維によって形成された不織布と、前記活性炭素繊維の微細孔の内壁面に形成され、正の電荷を有する帯電膜と負の電荷を有する帯電膜とから構成されて、前記微細孔に吸収された少なくともＳＯｘガスの分子とＨ 2 Ｓガスの分子とを吸着する交互吸着膜とを有しており、前記活性炭素繊維によって形成された不織布は、空気中の粉塵を除去するエアクリーナのエレメントの下流側であって、そのエアクリーナのハウジング内の消音スペースに収納されて、燃料電池に空気を圧送するコンプレッサの上流側に設置可能な構成であることを特徴とする。
ここで、「不純物ガスの分子を吸収可能な多数の微細孔」における「吸収」には、「吸着」または「トラップ」も含まれるものとする。
本発明によると、活性炭素繊維の微細孔の内壁面は正の電荷を有する帯電膜と負の電荷を有する帯電膜とから構成される交互吸着膜が形成されている。このため、それらの微細孔に空気中の不純物ガスの分子が吸収されると、その中の特定の不純物ガスの分子（以下、特定ガス分子という）がその交互吸着膜に吸着される。したがって、多孔質体の微細孔内に吸収された特定ガス分子が温度変化や空気の流速変化等により微細孔から再飛散することがなく、空気中に含まれる特定の不純物ガスの除去効率が向上する。
また、交互吸着膜は、少なくともＳＯｘガスの分子とＨ 2 Ｓガスの分子とが吸着可能なように構成されている。即ち、不純物ガスの種類を数種類に絞ることで、交互吸着膜の帯電膜の数が少なくて済み、コスト低減を図ることができる。さらに、ＳＯｘガス及びＨ 2 Ｓガスは燃料電池の電解質の劣化に特に大きな影響を及ぼすため、これらの不純物ガスを除去することで効率的に燃料電池の長寿命化を図ることができる。
ここで、活性炭素繊維の微細孔は一般的に細孔径2.5nm以下のミクロポアであり、繊維表面に直接開口している。不純物ガスの分子はこのミクロポアで吸収されるため、多孔質体を活性炭素繊維とすることで、流れている大気中の不純物ガスの分子を繊維表面から直接速やかに微細孔内に吸収できるようになる。
また、前記活性炭素繊維により形成された不織布は、空気中の粉塵を除去するエアクリーナのエレメントの下流側であって、燃料電池に空気を圧送するコンプレッサの上流側に設置されている。このように、ガス除去装置がエアクリーナのエレメントの下流側に設置されているため、空気中のダストや油分が多孔質体の微細孔を塞ぐような不具合が生じない。さらに、前記不織布がコンプレッサの上流側に設置されているため、コンプレッサで発生する脈動音がそのコンプレッサの大気吸入口から外部に漏れ難くなる。
また、不織布は、エアクリーナにおけるハウジング内の消音スペースに収納されている。このため、ガス除去装置とエアクリーナとのハウジングを共用できるようになり、コスト低減を図ることができる。
本発明によると、多孔質体の微細孔内に吸収された特定の不純物ガスの分子（特定ガス分子）が温度変化や空気の流速変化等により再飛散することがなく、空気中に含まれる特定の不純物ガスの除去効率が向上する。
以下、図１〜図４に基づいて、本発明の実施形態１に係るガス除去装置について説明する。本実施形態に係るガス除去装置は、燃料電池自動車における燃料電池の空気供給設備に設けられており、空気中の不純物ガスを除去する働きをする。ここで、図１は本実施形態に係るガス除去装置を備える燃料電池の空気供給設備を表す模式系統図（Ａ図）及び燃料電池の模式図（Ｂ図）、図２はガス除去装置で使用される多孔質体の表面を拡大して表す模式縦断面図である。また、図３は多孔質体の表面を覆う交互吸着膜の働きを表す模式図、図４は交互吸着膜の断面を拡大して表した模式図である。
本実施形態に係るガス除去装置４０の説明を行う前に、先ず、燃料電池自動車の駆動源等として使用される燃料電池１０の説明を行う。
燃料電池１０は、燃料ガスである水素と空気中の酸素との化学反応を発電に利用する電池であり、図１（Ｂ）に示すように、電解質１２を挟んでアノード電極１４（陰極）とカソード電極１６（陽極）とを備えている。アノード電極１４には、水素ガスがガス供給設備２０によって供給される（図１（Ａ）参照）。また、カソード電極１６には、空気（酸素）が空気供給設備３０によって供給される。
ガス供給設備２０は、図１（Ａ）に示すように、水素を貯留する水素ボンベ２２と、水素ガスの圧力を調節するガス圧力調整装置（図示省略）と、水素ガスを燃料電池１０まで導く水素ガス配管２４とを備えている。
空気供給設備３０は、車外の空気を濾過するエアクリーナ３２と、エアクリーナ３２を通過した空気を昇圧するコンプレッサ３４と、昇圧後の空気を燃料電池１０まで導く空気配管３６とを備えている。
空気供給設備３０のエアクリーナ３２は、インレットポート３２ｅとアウトレットポート３２ｕとを有するハウジング３２ｈを備えており、そのハウジング３２ｈの内側に空気中の粉塵を除去するエレメント３２ｆが取付けられている。さらに、エレメント３２ｆの下流側でハウジング３２ｈの消音スペースに相当する部位に本実施形態に係るガス除去装置４０が取付けられている。
ガス除去装置４０は、空気中に存在する不純物ガスのうち、例えば、ＳＯｘガス、Ｈ2Ｓガス及びＮＯｘガスを除去するエレメントであり、活性炭素繊維によって形成された不織布を主体に構成されている。
活性炭素繊維４３は、外径寸法が約10μm〜約20μmの細い繊維であり、その表面には、図２（Ｃ）に示すように、内径寸法が約2.5nm以下の無数の微細孔４３ｈが形成されている。ここで、図２（Ｃ）は、一本の活性炭素繊維４３の縦断面を模式的に表したものであり、図２（Ｂ）は図２（Ｃ）のＢ部を実物に近い形状で表した模式図である。
一般的に、流体相と固体の表面とが接触している場合には、流体相中の物質は固体の表面に集まるため、固体の表面の濃度が流体相内部の濃度よりも高くなる。活性炭素繊維４３を前記固体と考えた場合、活性炭素繊維４３の微細孔４３ｈの内壁面（内側）も固体の表面に含まれる。このため、流体相（空気）中の物質（不純物ガスの分子等）が固体（活性炭素繊維４３）の表面に集まる際に、不純物ガスの分子等がその活性炭素繊維４３の微細孔４３ｈ内に吸収されるようになる。即ち、空気中の不純物ガスの分子は、活性炭素繊維４３の近傍に差し掛かるとその活性炭素繊維４３の微細孔４３ｈ内に吸収されるようになる（吸着効果）。したがって、活性炭素繊維４３が本発明の多孔質体に相当する。
活性炭素繊維４３の表面、即ち、活性炭素繊維４３の微細孔４３ｈの内壁面及び活性炭素繊維４３の外周面４３ｕ等は、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、交互吸着膜４８によって覆われている。なお、図２では、交互吸着膜４８は省略されている。
交互吸着膜４８は、活性炭素繊維４３の微細孔４３ｈ内に吸収された不純物ガスの分子のうち特定ガス分子（ＳＯｘガス、Ｈ2Ｓガス及びＮＯｘガスの分子）が化学吸着される膜である。この交互吸着膜４８の働きにより、活性炭素繊維４３の微細孔４３ｈ内に入り込んだＳＯｘガス、Ｈ2Ｓガス及びＮＯｘガスの分子は、周囲温度の変化や空気の流速変化等により、微細孔４３ｈから外部に再飛散することがなくなる。
交互吸着膜４８は、正の電荷を有する帯電膜と負の電荷を有する帯電膜とを交互に積層させることにより形成された膜であり、図４に示すように、ＳＯｘガスの分子ＸとＮＯｘガスの分子Ｙとを吸着可能な帯電膜４８ａと、Ｈ2Ｓガスの分子Ｚを吸着可能な帯電膜４８ｂとを備えている。
なお、交互吸着膜４８の形成方法については、特開２０００−３３４２２９号公報に開示されているため、説明を省略する。
また、帯電膜の積層数を増加させることで、吸着可能な特定ガス分子の種類をさらに増やすことが可能となる。
次に、空気供給設備３０の動作を説明しながら本実施形態に係るガス除去装置４０の働きを説明する。
空気供給設備３０のコンプレッサ３４が駆動されると、車外の空気はエアクリーナ３２のインレットポート３２ｅからハウジング３２ｈ内に吸引される。ハウジング３２ｈ内に導かれた空気はエレメント３２ｆを通過する過程で粉塵や油分が除去される。そして、前記エレメント３２ｆを通過した空気がガス除去装置４０に導かれる。空気がガス除去装置４０を通過する過程で、図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、空気中の不純物ガスの分子は活性炭素繊維４３の無数の微細孔４３ｈに吸収される。そして、それらの微細孔４３ｈに吸収された不純物ガスの分子のうちで、ＳＯｘガスの分子Ｘ、ＮＯｘガスの分子Ｙ及びＨ2Ｓガスの分子Ｚが、図３（Ｃ）に示すように、交互吸着膜４８に化学吸着される。即ち、図４に示すように、ＳＯｘガスの分子ＸとＮＯｘガスの分子Ｙとが交互吸着膜４８の帯電膜４８ａに吸着され、Ｈ2Ｓガスの分子Ｚが交互吸着膜４８の帯電膜４８ｂに吸着される。
このように、空気がガス除去装置４０を通過する過程で、空気中のＳＯｘガスの分子Ｘ、Ｈ2Ｓガスの分子Ｚ及びＮＯｘガスの分子Ｙが除去される。ガス除去装置４０を通過した空気は、アウトレットポート３２ｕからコンプレッサ３４に送られ、コンプレッサ３４で所定圧力まで昇圧された後、燃料電池１０のカソード電極１６まで圧送される。
このように、空気中のＳＯｘガスの分子Ｘ、ＮＯｘガスの分子Ｙ及びＨ2Ｓガスの分子Ｚが除去された空気が燃料電池１０に供給されるため、それらの不純物ガスによる燃料電池１０の電解質１２の変質等を防止できるようになる。このため、燃料電池１０の長寿命化を図ることが可能になる。
上記したように、本実施形態に係るガス除去装置４０によると、活性炭素繊維４３の微細孔４３ｈの内壁面は交互吸着膜４８に覆われているため、それらの微細孔４３ｈに吸収された不純物ガスの分子のうち特定ガス分子（ＳＯｘガスの分子Ｘ等）がその交互吸着膜４８に吸着される。このため、特定ガス分子（ＳＯｘガスの分子Ｘ等）が温度変化や空気の流速変化等により微細孔４３ｈから再飛散することがなく、空気中に含まれる特定の不純物ガス（ＳＯｘガス等）の除去効率が向上する。
また、交互吸着膜４８は、少なくともＳＯｘガス、ＮＯｘガス及びＨ2Ｓガスの分子が吸着可能なように構成されている。このように、吸着可能な特定ガス分子の種類を数種類に絞ることで、交互吸着膜の帯電膜の数が少なくて済み、コスト低減を図ることができる。さらに、ＳＯｘガス、ＮＯｘガス及びＨ2Ｓガスは燃料電池の電解質の劣化に特に大きな影響を及ぼすため、これらの不純物ガスを除去することで効率的に燃料電池の長寿命化を図ることができる。
また、多孔質体として活性炭素繊維４３が使用されており、その活性炭素繊維４３の微細孔４３ｈは径寸法が2.5nm以下のミクロポアであり、直接繊維表面に開口している。このため、不純物ガスの分子を速やかに微細孔内に吸収できるようになる。
また、ガス除去装置４０は、エアクリーナ３２のエレメント３２ｆの下流側設置されているため、空気中のダストや油分が活性炭素繊維４３の微細孔４３ｈを塞ぐような不具合が生じない。また、ガス除去装置４０がコンプレッサ３４の上流側に設置されているため、コンプレッサ３４で発生する脈動音がそのコンプレッサ３４の大気吸入口から外部に漏れ難くなる。
さらに、ガス除去装置４０は、エアクリーナ３２におけるハウジング３２ｈ内の消音スペースに収納されているため、ガス除去装置４０とエアクリーナ３２とのハウジング３２ｈを共用できるようになり、コスト低減を図ることができる。
ここで、本実施形態に係るガス除去装置４０は、活性炭素繊維４３により形成された不織布を主に使用する例を示したが、樹脂繊維と活性炭素繊維４３とを混ぜ込んで形成した不織布を使用することも可能である。また、樹脂繊維の不織布に活性炭素繊維４３の不織布を挟み込んだ状態で使用することも可能である。
また、本実施形態では、多孔質体として活性炭素繊維４３を使用する例を示したが、活性炭素繊維４３の代わりに粒状の活性炭を使用することも可能である。なお、活性炭を使用する場合には、活性炭を例えば樹脂繊維の不織布で覆うようにするのが好ましい。
ここで、粒状の活性炭の場合、図２（Ａ）に示すように、その表面に比較的大きな細孔４５ｗ（100μm程度）が存在し、その細孔４５ｗの中に微細孔４５ｈが存在する。前述のように、ＳＯｘ、Ｈ2Ｓ、ＮＯｘのガス分子は微細孔４５ｈで吸収される。このため、ＳＯｘ、Ｈ2Ｓ、ＮＯｘのガス分子は、空気中から細孔４５ｗに入り、その後に微細孔４５ｈに吸収されるようになる。このため、活性炭素繊維４３の場合と比べて、ＳＯｘ、Ｈ2Ｓ、ＮＯｘのガス分子を吸収するのに時間が掛かるという欠点がある。
なお、本実施形態では、エアクリーナ３２のエレメント３２ｆとガス除去装置４０とを個別に設ける例を示したが、エレメント３２ｆの出側にガス除去装置４０を一体化することも可能である。
また、本実施形態では、ＳＯｘ、Ｈ2Ｓ、ＮＯｘのガス分子を吸着可能なように交互吸着膜４８を形成する例を示したが、交互吸着膜４８の帯電膜の数を増やして吸着可能な特定ガス分子の種類を増やすことも可能である。
以下、実施形態に記載された発明のうちで特許請求の範囲には記載されていない発明を列記する。
（１） 請求項３に記載のガス除去装置であって、
活性炭素繊維によって形成された不織布を備えることを特徴とするガス除去装置。
このため、ガス除去装置をエアクリーナのエレメントに容易に取付け可能となる。
本発明の本実施形態１に係るガス除去装置を備える燃料電池の空気供給設備を表す模式系統図（Ａ図）及び燃料電池の模式図（Ｂ図）である。 ガス除去装置で使用される多孔質体の表面を拡大して表す模式縦断面図（Ａ図、Ｂ図、Ｃ図）である。 多孔質体の表面を覆う交互吸着膜の働きを表す模式図（Ａ図、Ｂ図、Ｃ図）である。 交互吸着膜の断面を拡大して表した模式図である。 従来の燃料電池の空気供給設備を表す模式系統図である。
符号の説明
１０ 燃料電池
３０ 空気供給設備
３２ エアクリーナ
３２ｆ エレメント
３２ｈ ハウジング
３４ コンプレッサ
４３ 活性炭素繊維（多孔質体）
４３ｈ 微細孔
４５ 活性炭（多孔質体）
４５ｈ 微細孔
４８ 交互吸着膜
Ｘ ＳＯｘガスの分子（特定の不純物ガスの分子（特定ガス分子））
Ｙ ＮＯｘガスの分子（特定の不純物ガスの分子（特定ガス分子））
Ｚ Ｈ2Ｓガスの分子（特定の不純物ガスの分子（特定ガス分子））

Claims (1)

  1. 燃料ガスと空気中の酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池の空気供給設備に設けられており、前記燃料電池に供給される空気から不純物ガスを除去するガス除去装置であって、
    空気中の不純物ガスの分子を吸収可能な多数の微細孔を備える活性炭素繊維によって形成された不織布と、
    前記活性炭素繊維の微細孔の内壁面に形成され、正の電荷を有する帯電膜と負の電荷を有する帯電膜とから構成されて、前記微細孔に吸収された少なくともＳＯｘガスの分子とＨ 2 Ｓガスの分子とを吸着する交互吸着膜とを有しており、
    前記活性炭素繊維によって形成された不織布は、空気中の粉塵を除去するエアクリーナのエレメントの下流側であって、そのエアクリーナのハウジング内の消音スペースに収納されて、燃料電池に空気を圧送するコンプレッサの上流側に設置可能な構成であることを特徴とするガス除去装置。
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