JP5047555B2

JP5047555B2 - 大気中の不純物除去システム

Info

Publication number: JP5047555B2
Application number: JP2006201874A
Authority: JP
Inventors: 信彦中垣; 安成荒井; 明司森田; 剛浅井; 広志有澤; 豊一梅花; 真上野; 潤治長澤
Original assignee: Toyota Boshoku Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2026-07-25
Also published as: JP2008023497A

Description

本発明は、大気中の不純物除去システムに関する。

燃料電池は、カソード極（陽極）に酸素が供給され、アノード極（陰極）に燃料である水素が供給されて水素の酸化還元反応により発電する。一般に、カソードに供給される酸素は大気として供給されるが、大気中には燃料電池の発電を阻害する不純物が含有されていることがあるため、一般に、フィルタ等により不純物が取り除かれた大気が供給される。大気中の不純物を除去するシステムとしては、例えば、特許文献１には、微粒子フィルタと、化学汚染物質用フィルタとの２つのフィルタを通過させることにより不純物を取り除く汚染管理システムが開示されている。この汚染管理システムによれば、微粒子フィルタによりゴミ、スモッグ、煙等の微粒子状の不純物を取り除き、化学汚染物質用フィルタで硫黄化合物や一酸化炭素等の不純物ガスを取り除くことができる。

また、引用文献２には、燃料電池に供給する大気から不要な二酸化炭素をフィルタで除去することにより必要な酸素の濃度を高めて供給する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムに備えられているフィルタは、流路方向に複数の室に分割されており、複数のうちのいずれかの室に加熱されていない大気を通過させることにより不要な二酸化炭素を吸着することができる。同時に、他の室には加熱した大気を流すことにより既にその室に吸着されている二酸化炭素を脱離してフィルタを再生することができる。

特表２００５−５０２９８８号公報特開２００１−７０７３６号公報

ところで、燃料電池の発電に悪影響を及ぼす不純物ガスの種類は限られたものであり、それらのガス種でも一定以上の濃度でなければ悪影響を及ぼさない。一般的な都市環境下では大気中にこれらのガス種が燃料電池の発電に悪影響を及ぼす一定以上の濃度で存在することは稀である。しかしながら、上記特許文献１に記載の汚染管理システムでは、常に微粒子フィルタと、化学汚染物質用フィルタとの両方に大気が通気される。したがって、化学汚染物質用フィルタでは、大気中に含まれる不純物ガスの濃度に関わらず、システム運転中は常に不純物ガスを吸着する。すなわち、不純物ガスの濃度が一定より低く、燃料電池の発電に悪影響を及ぼさない場合であっても化学汚染物質用フィルタが使用されるため、消耗が早くなり寿命が短くなる。したがって、化学汚染物質用フィルタは、交換頻度が多くなったり、あるいは、交換頻度を少なくするために吸着材を多量に充填しなければならなかった。

一方、上記特許文献２の燃料電池システムのフィルタは、システム運転中に吸着に使用していない室を再生することができるため、取り外さずに再生可能であり、取り外して再生するフィルタに比べてフィルタの交換頻度は少ない。しかしながら、このフィルタは上記特許文献１の化学汚染物質用フィルタ同様に不純物ガス濃度に関わらずシステム運転中は常に不純物ガスが吸着し、常に吸着と再生を繰り返すためにダメージを受けやすく、寿命が十分に長いとは言い難い。また、フィルタを再生するための専用のヒーター設備とエネルギーを要する。

而して、本発明が解決しようとする課題は、吸入した大気の不純物の濃度が予め設定した所定値を超えているときのみフィルタに大気を通気して不純物を取り除くことによりフィルタの消耗を遅らせることにある。
更に、本発明は上記課題に加えて、フィルタを取り外さずに再生可能とすることによりフィルタの交換頻度を低減することにある。

上記課題を達成するために、大気中の不純物除去システムは次の手段をとる。
先ず、第１の発明は、吸入した大気に含まれる不純物を吸着除去する大気中の不純物除去システムであって、吸入した大気中の不純物の濃度を測定する濃度検出手段と、吸入した大気中に含まれる不純物を吸着除去する吸着フィルタと、前記濃度検出手段、前記吸着フィルタを流路に大気吸入側から順に配置した主流路と、該主流路における吸着フィルタを迂回するバイパス流路と、前記濃度検出手段による不純物の濃度に基づき前記主流路又は前記バイパス流路のいずれかを選択する流路切替手段と、を備え、該流路切替手段による切替は、吸入した大気の不純物の濃度が予め設定した所定値を超えているときには前記主流路を選択する切替状態とし、前記所定値以下のときには前記主流路を吸着フィルタ位置よりも上流側位置で閉じることによって前記バイパス流路を選択する切替状態として大気を通過させ、前記主流路は燃料電池のカソード極に接続されていることを特徴とする大気中の不純物除去システムである。
この第１の発明の大気中の不純物除去システムによれば、吸入した大気中の不純物の濃度を濃度検出手段で測定し、吸入した不純物の濃度が予め設定した所定値を超えている場合にのみ主流路を選択して吸着フィルタを経由させ大気中の不純物を取り除き、所定値以下であるときは吸着フィルタを経由しないバイパス流路を選択することによって、吸着フィルタの消耗を遅らせることができる。さらに、上記の作用が顕著に発揮されることにより、車両等の限られたスペースに対して燃料電池を搭載する場合にも容易に対応することができる。

次に、第２の発明は、上記第１の発明の大気中の不純物除去システムであって、前記主流路における吸着フィルタの下流側の流路には大気強制送給手段が配置されており、吸入した大気を前記大気強制送給手段から前記吸着フィルタを循環させて大気に排出する第１の吸着フィルタ再生流路が前記主流路と前記バイパス流路に組み込まれて形成されており、該第１の吸着フィルタ再生流路の選択切替は前記流路切替手段によって可能とされており、該流路切替手段による前記第１の吸着フィルタ再生流路への切替は、吸入した大気の不純物の濃度が前記所定値以下の時に可能とされていることを特徴とする大気中の不純物除去システムである。
この第２の発明の大気中の不純物除去システムによれば、吸入した大気の不純物の濃度が所定値以下の時に第１の吸着フィルタ再生流路へ大気を送給することにより、吸着フィルタを取り外さずに再生可能とし、吸着フィルタの交換頻度を低減することができる。

次に、第３の発明は、上記第１の発明の大気中の不純物除去システムであって、前記燃料電池のカソード極に供給された大気の一部が前記吸着フィルタを循環して大気に排出する第２の吸着フィルタ再生流路が前記第１の吸着フィルタ再生流路とは別に独立して又前記第１の吸着フィルタ再生流路と共に前記主流路と前記バイパス流路に組み込まれて形成されており、前記第１の吸着フィルタ再生流路および／または前記第２の吸着フィルタ再生流路の選択切替は前記流路切替手段によって可能とされており、該流路切替手段による前記第１の吸着フィルタ再生流路および／または前記第２の吸着フィルタ再生流路への切替は、吸入した大気の不純物濃度が前記所定値以下の時に可能とされていることを特徴とする大気中の不純物除去システムである。
この第３の発明の大気中の不純物除去システムによれば、上記第１の発明の作用に加えて、第２の吸着フィルタ再生流路を用いれば、燃料電池のカソード極へ大気を供給すると同時に吸着フィルタを再生することができる。

次に、第４の発明は、上記第２又は第３の発明の大気中の不純物除去システムであって、前記濃度検出手段の検出結果に基づいて前記吸着フィルタの不純物吸着量を算出し、該不純物吸着量に基づいて前記流路切替手段が前記第１の吸着フィルタ再生流路および／または前記第２の吸着フィルタ再生流路を選択することを特徴とする大気中の不純物除去システムである。
この第４の発明の大気中の不純物除去システムによれば、濃度検出手段の検出結果に基づいて算出された吸着フィルタの不純物吸着量に基づいて吸着フィルタが再生されるため、吸着フィルタの吸着能が飽和する前に確実に吸着フィルタを再生することができる。

次に、第５の発明は、上記第２から第４のうちいずれかの不純物除去システムであって、前記第１の吸着フィルタ再生流路および／または前記第２の吸着フィルタ再生流路が選択された状態では前記吸着フィルタに送給される大気は前記大気強制送給手段で加熱されていることを特徴とする大気中の不純物除去システムである。
この第５の発明の大気中の不純物除去システムによれば、加熱された大気により吸着フィルタが再生されるため、より効率よく再生することができる。また、大気強制送給手段で加熱された大気により吸着フィルタを再生するため、吸着フィルタを再生することのみを目的として大気を加熱する装置を設ける必要がない。

先ず、第１の発明によれば、吸着フィルタの消耗を遅らせることができる。また、車両等の限られたスペースに対して燃料電池を搭載する場合にも容易に対応することができる。
次に、第２の発明によれば、吸着フィルタを取り外さずに再生可能とし、吸着フィルタの交換頻度を低減することができる。
次に、第３の発明によれば、燃料電池のカソード極へ大気を供給すると同時に吸着フィルタを再生することができる。
次に、第４の発明によれば、吸着フィルタの吸着能が飽和する前に確実に吸着フィルタを再生することができる。
次に、第５の発明によれば、大気強制送給手段で加熱された大気により吸着フィルタを再生するため、吸着フィルタを再生することのみを目的として大気を加熱する装置を設けることなく、効率よく吸着フィルタを再生することができる。

本発明の大気中の不純物除去システムは、吸入した大気に含まれる不純物を吸着フィルタにより吸着除去し、大気を利用して何らかの機能あるいは作用を発揮するもの（以下、本明細書では大気利用手段と言う。）に対して大気を供給することができる。本発明の不純物とは、大気中に混入していることにより大気利用手段の機能や作用に悪影響を及ぼすもののことである。本発明の不純物除去システムは、吸入した大気の不純物の濃度を測定し、その不純物の濃度が予め設定した所定値を超えている時にのみ、大気を吸着フィルタに通すことを特徴とする。この「所定値」は、例えば、その不純物が大気中に混入していることにより大気利用手段の機能や作用に悪影響を及ぼす濃度に対応して設定することができる。すなわち、大気利用手段に供給すべき大気として許容されるレベルに対応して設定することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、具体的な実施形態を挙げ、詳細に説明する。

［第１の実施形態］
先ず、第１の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施形態の不純物除去システム１０を模式的に示した図であり、（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ異なる流路を選択した状態を示している。

図１（Ａ）に示すように、第１の実施形態の不純物除去システム１０は、ガス濃度センサ１８と、除塵フィルタ１４と、ガス吸着フィルタ１５と、コンプレッサ１６と、大気利用手段１７とを備え、それらが互いに配管で接続されており、これらを順に経由する主流路１１が設定されている。主流路１１には切替弁１９ａ，１９ｂが設けられており、図１（Ｂ）に示すように主流路１１においてガス吸着フィルタ１５を迂回するバイパス流路１２へ切り替え可能に構成されている。先ず以下にこれらの各構成要素について説明する。

ガス濃度センサ１８は、大気中のガス状の不純物（以下、本明細書では不純物ガスと言う。）の濃度を測定することができる。切替弁１９ａ，１９ｂは、ガス濃度センサ１８と電気的に接続されており、ガス濃度センサ１８による不純物ガスの濃度の測定結果に対応して向きを変えることにより大気の流路を切り替えることができる。このガス濃度センサ１８が本発明の濃度検出手段に相当し、切替弁１９ａ，１９ｂが本発明の流路切替手段に相当する。
除塵フィルタ１４は、大気中に含まれる粉塵等の微粒子状の不純物を取り除くことができるフィルタであり、必要に応じて設けられる。
ガス吸着フィルタ１５は、大気に含まれる不純物ガスを吸着して取り除くことができる。このガス吸着フィルタ１５では、吸着材として主に活性炭が用いられており、常温の大気状態では不純物ガスの濃度が高いほど不純物ガスを吸着しやすく脱離しにくい。逆に不純物ガス濃度が低いほど不純物ガスを脱離しやすい。つまり、吸着と脱離のバランスが通過する大気の不純物ガスの濃度によって変化する。本明細書においては、脱離に比べて吸着が有利な状態について単に「吸着」といい、吸着に比べて脱離が有利な状態を単に「脱離」という。このガス吸着フィルタ１５は、大気中の不純物ガスの濃度が大気利用手段１７に供給すべき大気として許容されないレベルのときには不純物ガスを吸着し、許容されるレベルのときには不純物ガスを脱離するように作成されているが、加熱された大気を通気させればより脱離しやすい。このガス吸着フィルタ１５は、吸着した不純物ガスを脱離させて再生することができる。このガス吸着フィルタ１５が本発明の吸着フィルタに相当する。
コンプレッサ１６は、吸入口１６ａから吸入した大気を圧縮して吐出するが、大気利用手段１７へ供給する供給口１６ｂと、ガス吸着フィルタ１５へ送給する排出口１６ｃとの２箇所において吐出可能となっている。供給口１６ｂと排出口１６ｃは、それぞれ弁によって開閉可能となっている。このコンプレッサ１６が本発明の大気強制送給手段に相当する。
大気利用手段１７は、供給される大気を利用して何らかの機能あるいは作用を発揮するものであれば特に限定されない。

不純物除去システム１０は、基本的動作として上流(吸気口２０)で吸入した大気を清浄な空気としてコンプレッサ１６から下流の大気利用手段１７に供給することができる。以下、この基本的動作を単に供給動作とよぶ。なお、ここで言う清浄な空気とは、吸入した大気の不純物ガスの濃度が大気利用手段１７に供給すべき大気として許容されるレベルである大気であることを示している。以下、供給動作について説明する。

供給動作では、吸気口２０から吸入した大気の不純物ガスの濃度を測定し、その測定結果に基づいて流路が選択され、切替弁１９ａ，１９ｂの向きが変わることにより流路が設定される。

図１（Ａ）は、吸入した不純物ガスの濃度が大気利用手段１７に供給すべき大気として許容されるレベルを超えている場合の大気の流路を示している。この場合、大気は、図１（Ａ）中に矢印１１ａ、矢印１１ｃ及び矢印１１ｂで示される主流路１１を選択する。まず、矢印１１ａで示されるように、吸気口２０で大気を吸入してガス濃度センサ１８によりガス濃度が測定されると、その測定結果に基づいて直ちに切替弁１９ａ，１９ｂが作動して大気の流路が変更される。大気は、除塵フィルタ１４により微粒子状の不純物が取り除かれ、矢印１１ｃで示されるようにガス吸着フィルタ１５を経由してコンプレッサ１６へ送られる。このとき大気はガス吸着フィルタ１５を通過することにより不純物ガスがほぼ取り除かれ、清浄な空気としてコンプレッサ１６へ送られる。コンプレッサ１６に送られた清浄な空気は、矢印１１ｂで示すように供給口１６ｂから大気利用手段１７へ供給される。

図１（Ｂ）は、吸入した不純物ガスの濃度が大気利用手段１７に供給すべき大気として許容されるレベルである場合の大気の流路を示している。この場合大気は図１（Ａ）に示される主流路１１においてガス吸着フィルタ１５を迂回するバイパス流路１２を選択する。その結果、図１（Ｂ）に示す矢印１１ａ、矢印１２（バイパス流路）、矢印１１ｂを経由することとなる。矢印１１ａで示すように、吸気口２０で大気を吸入してガス濃度センサ１８により不純物ガスの濃度が測定されると、その測定結果に基づいて直ちに切替弁１９ａ，１９ｂが作動して大気の流路が変更される。除塵フィルタ１４により微粒子状の不純物が取り除かれた大気は、清浄な空気としてバイパス流路１２を経由し、ガス吸着フィルタ１５を迂回してそのままコンプレッサ１６に送られ、大気利用手段１７へ供給される。

不純物除去システム１０は、清浄な空気を大気利用手段１７へ供給しないときにガス吸着フィルタ１５に清浄な空気を通過させることによりガス吸着フィルタ１５を再生させることができる。以下、このガス吸着フィルタ１５を再生させる動作を再生動作とよぶ。以下、再生動作について説明する。
図１（Ｃ）は、ガス吸着フィルタ１５を再生する際の大気の流路を示している。

不純物除去システム１０は、再生動作においても吸気口２０から大気を吸入し（矢印１１ａ）、吸入した不純物ガスの濃度が大気利用手段１７に供給すべき大気として許容されるレベルである場合に除塵フィルタ１４で微粒子状の不純物が取り除かれ、バイパス流路１２を経由して清浄な空気としてコンプレッサ１６に送る。再生動作では、コンプレッサ１６の排出口１６ｃから清浄な空気を吐出して矢印１３ａで示すようにガス吸着フィルタ１５に送給する。ガス吸着フィルタ１５を清浄な空気が通過することによりガス吸着フィルタ１５から不純物ガスが脱離し、矢印１３ｂで示すように、ガス吸着フィルタ１５から脱離した不純物ガスを含む大気として排気口２２から排出される。このとき、この不純物除去システム１０では、大気強制送給手段としてコンプレッサ１６を用いているため、コンプレッサ１６で大気が圧縮されて１００〜２００℃程度に加熱されてガス吸着フィルタ１５に送られる。ガス吸着フィルタ１５に加熱された清浄な空気が送給されることにより不純物ガスの脱離がより促進され、効率よくガス吸着フィルタ１５を再生することができる。図１（Ｃ）中に矢印１３ａ、１３ｂで示される流路１３が本発明の第１の吸着フィルタ再生流路に相当する。

以上の構成の不純物除去システム１０は、以下の作用効果を奏する。
先ず供給動作では、ガス濃度センサ１８で吸入した大気中の不純物ガスの濃度を測定し、吸入した不純物ガスの濃度が大気利用手段１７に供給すべき大気として許容されるレベルを超えている場合にのみガス吸着フィルタ１５を経由させ大気中の不純物ガスを取り除き、許容されるレベルの場合にはガス吸着フィルタ１５を迂回する。したがって、ガス吸着フィルタ１５の消耗を遅らせることができる。また、供給動作においては吸入した不純物ガスの濃度が大気利用手段１７に供給すべき大気として許容されるレベルの大気はガス吸着フィルタ１５に送給されないから、ガス吸着フィルタ１５から不純物ガスが脱離して大気利用手段１７に流れ込むのを防ぐことができる。したがって、大気利用手段１７に対して常に清浄な空気を供給することができる。

次に再生動作では、ガス吸着フィルタ１５を取り外さずに効率よく再生可能とすることによりガス吸着フィルタ１５の交換頻度が低減される。また、大気強制送給手段であるコンプレッサ１６で清浄な空気が加熱されるため、ガス吸着フィルタ１５を再生することのみを目的とした大気を加熱する装置を設けることなく、ガス吸着フィルタ１５を効率よく再生することができる。

なお、不純物除去システム１０は、ガス濃度センサ１８の測定値と吸入した大気量からガス吸着フィルタ１５に吸着した不純物ガス吸着量を算出し、その算出結果に基づいて再生動作が開始されるように構成するとより好ましい。それにより、ガス吸着フィルタ１５の吸着能が飽和する前にガス吸着フィルタ１５を再生することができる。算出した不純物ガス吸着量に基づいてアラームを発するように構成してもよい。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図２は、第２の実施形態の不純物除去システム３０を模式的に示した図である。なお、第２の実施形態は、第１の実施形態における大気利用手段１７として燃料電池２９のカソード極２７を適応した実施形態である。第１の実施形態から変更を要しない部分については同じ符号を用い、詳細な説明は省略する。

この燃料電池２９は、カソード極２７に酸素が供給され、アノード極２８に燃料である水素が供給されて水素の酸化還元反応により発電する一般的な発電形式の燃料電池である。カソード極２７に供給される酸素は大気として供給されるため、このカソード極２７を本発明の大気利用手段として用いることができる。
大気利用手段として燃料電池２９のカソード極２７を用いた場合、不純物ガスとしては、具体的には、温泉地等に存在する硫黄系ガス（ＳＯ₂、Ｈ₂Ｓ）や、排気ガス等に含まれるＮＯ_X、ＳＯ_X等があげられる。不純物ガスの種類によって異なるが、これらの不純物ガスは０．１ｐｐｍ以下であれば燃料電池２９の発電にほとんど悪影響をおよぼさず、一般に許容されるレベルである。

この第２の実施形態の不純物除去システム３０は、供給動作および再生動作の際の流路は第１の実施形態の不純物除去システム１０と同様であるから詳細な説明は省略する。なお、図２では、不純物除去システム３０の大気の流路として、矢印１１ａ、１２、１１ｂが示されており、これは、吸入した不純物ガスの濃度がカソード極２７に供給すべき大気として許容されるレベルである場合に大気がバイパス流路１２を経由してカソード極２７へ供給される流路が示されている。図２では図示しないが、第１の実施形態の不純物除去システム１０と同様に、図１（Ａ）に示される主流路１１を選択することもでき、同様に図１（Ｃ）に示される第１の吸着フィルタ再生流路１３に切り替えることもできる。したがって、この不純物除去システム３０は供給動作と再生動作について第１の実施形態の不純物除去システム１０と同様の作用効果を奏する。

この不純物除去システム３０においては、燃料電池２９の発電を制御するためのコンピュータ２６が設けられている。このコンピュータ２６は、燃料電池２９の発電を制御するのみでなく、切替弁１９ａ、１９ｂやコンプレッサ１６の制御、ガス濃度センサ１８により測定された不純物ガス濃度や吸気口２０からの大気の吸気量等の情報の記録、演算、または通信等が可能となっており、不純物除去システム３０の供給動作および再生動作を制御することができる。

この不純物除去システム３０は、コンピュータ２６によりあらかじめプログラムされた再生条件で切替弁１９ａ、１９ｂの向きを変えて第１の吸着フィルタ再生流路１３に切り替えることにより、ガス吸着フィルタ１５の再生を行うことができる。あらかじめプログラムする再生条件としては、例えば以下のａ〜ｄが挙げられる。

再生条件
ａ）吸入した大気の不純物ガス濃度と、吸入した大気の量とから算出したガス吸着フィルタ１５に吸着した不純物ガス量が一定量を超えたとき。
ｂ）ガス吸着フィルタ１５への通気時間が一定時間を越えたとき。
ｃ）燃料電池２９が発電を停止したとき。
ｄ）不純物除去システム３０起動直後で燃料電池２９の発電開始前のウォームアップ時。

このコンピュータ２６は、燃料電池２９の発電の制御機能と、不純物除去システム３０の供給動作および再生動作の制御機能とを合わせ持つものとして備えられているが、不純物除去システム３０の供給動作および再生動作を制御するコンピュータを燃料電池２９の発電を制御するコンピュータとは別に独立して設けてもよい。

このような不純物除去システム３０は、例えば燃料電池自動車等の車両に適応することができる。車両は走行することにより外部環境が変化して吸入する大気中に含まれる不純物ガスの濃度が変化しやすい。そのため、吸入した大気の不純物ガスの濃度が許容レベルを超えている場合にのみ主流路１１（図１（Ａ））を選択してガス吸着フィルタ１５が無駄に消耗されるのを防ぐことができるという不純物除去システム３０の作用効果がより顕著に発揮される。また、ガス吸着フィルタ１５が無駄に消耗されることがなく、しかも取り外さずに再生可能であることから、より少ない吸着材で構成されていても一定の寿命を保証することが可能となる。したがって、この不純物除去システム３０は、車両のような限られたスペースに対して搭載するのに適していると言える。

この不純物除去システム３０を車両に適応した場合、あらかじめコンピュータ２６にプログラムする再生条件としては、上記の再生条件ａ〜ｄに加えて、例えば以下のｅ〜ｈが挙げられる。

再生条件
ｅ）主流路１１が選択されたときの大気中の不純物ガス濃度と、主流路１１が選択されたときの走行距離と、の積より求めたガス吸着フィルタ１５の吸着量の概算値が一定の値を超えたとき。
ｆ）主流路１１が選択されている状態での走行距離が一定の値を超えたとき。
ｇ）火山が近い、あるいはトンネルが近いなどの地図情報から外部環境の不純物ガス濃度の増加あるいは減少が予想される場合。
ｈ）一般環境大気測定局、自動車排出ガス測定局等の気象情報により外部環境の不純物ガス濃度の増加あるいは減少が予想されるあるいは確認される場合。

［第３の実施形態］
次に、大気利用手段として燃料電池のカソード極を用いる別の実施形態として第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図３は、第３の実施形態の不純物除去システム４０を模式的に示した図である。なお、この不純物除去システム４０に設けられた燃料電池５９は、カソード極５７とアノード極５８とを備えた一般的な発電形式の燃料電池であるが、カソード極５７で使用された後の大気をシステム外へ排出する排気口５７ｂと、ガス吸着フィルタ４５へ送給するための送給口５７ｃとを備えており、それぞれ弁によって開閉可能である。

図３に示すように、第３の実施形態の不純物除去システム４０は、ガス濃度センサ４８と、除塵フィルタ４４と、ガス吸着フィルタ４５と、コンプレッサ４６と、カソード極５７とを備え、それらが互いに配管で接続されており、これらを順に経由する主流路４１が設定されている。主流路４１には切替弁４９ａ，４９ｂが設けられており、主流路４１においてガス吸着フィルタ４５を迂回するバイパス流路４２へ切り替え可能に構成されている。以下に、この不純物除去システム４０の供給動作について説明する。

吸気口５０から吸入した不純物ガスの濃度がカソード極５７に供給すべき大気として許容されるレベルを超えている場合には、大気の流路は矢印４１ａ、矢印４１ｃ、および矢印４１ｂで示される主流路４１を選択することとなる。先ず矢印４１ａで示されるように、吸気口５０で大気を吸入してガス濃度センサ４８によりガス濃度が測定されると、その測定結果に基づいて直ちに切替弁４９ａ，４９ｂが作動して大気の流路が変更される。大気は、除塵フィルタ４４により微粒子状の不純物が取り除かれ、矢印４１ｃで示すようにガス吸着フィルタ４５を経由して不純物ガスが取り除かれて清浄な空気としてコンプレッサ４６へ送られる。コンプレッサ４６に送られた清浄な空気は、吸入口４６ａから取り込まれ、圧縮されて供給口４６ｂから吐出されて矢印４１ｂで示すようにカソード極５７へ供給される。吸気口５０から吸入した不純物ガスの濃度がカソード極５７に供給すべき大気として許容されるレベルである場合には、吸気口５０で大気を吸入してガス濃度センサ４８によりガス濃度が測定されると、その測定結果に基づいて直ちに切替弁４９ａ，４９ｂが作動して流路が変更され、バイパス流路４２へ導かれる。除塵フィルタ４４により微粒子状の不純物が取り除かれた大気は、ガス吸着フィルタ４５を経由することなくそのままコンプレッサ４６に送られ、コンプレッサ４６から圧縮空気としてカソード極５７（吸入口５７ａ）へ供給される。

次に、再生動作について説明する。
不純物除去システム４０では、カソード極５７に供給された大気の一部をガス吸着フィルタ４５に送給することによりガス吸着フィルタ４５を再生することができる。すなわち、カソード極５７に大気(清浄な空気)が供給されると、大気中の酸素の一部のみが発電により消費され、消費されない残りの一部をガス吸着フィルタ４５に送給することによりガス吸着フィルタ４５を再生することができる。この再生動作をしないときはカソード極５７で消費されなかった酸素や酸素以外の大気成分は矢印５５で示されるように排気口５７ｂから排気される。この不純物除去システム４０では、再生動作時には排気口５７ｂを閉鎖して送給口５７ｃを開放することにより、矢印４３ａで示されるようにカソード極５７に大気をガス吸着フィルタ４５に送給する。ガス吸着フィルタ４５を大気（清浄な空気）が通過することによりガス吸着フィルタ４５から不純物ガスが脱離し、矢印４３ｂで示すように、ガス吸着フィルタ４５から脱離した不純物ガスを含む大気として排気口５２から排出される。カソード極５７からガス吸着フィルタ４５に送給された大気は、燃料電池５９の発電に伴いカソード極５７で加熱されている。したがって、ガス吸着フィルタ４５に送給することにより不純物ガスの脱離がより促進され、効率よくガス吸着フィルタ４５を再生することができる。図３中に矢印４３ａと矢印４３ｂとで示される流路４３が本発明の第２の吸着フィルタ再生流路に相当する。

以上の構成の不純物除去システム４０は、再生動作において以下の作用効果を奏する。
ガス吸着フィルタ４５を取り外さずに効率よく再生可能とすることによりガス吸着フィルタ４５の交換頻度が低減される。また、カソード極５７で加熱された大気を用いるため、再生することのみを目的とした大気を加熱する装置を設けることなく、ガス吸着フィルタ４５を効率よく再生することができる。また、この不純物除去システム４０の再生動作は、主に燃料電池５９の発電中に行われ、供給動作においてバイパス流路４２が選択されてガス吸着フィルタ４５が供給動作に関与していないときであれば、供給動作に平行して行うことができる。もちろん、燃料電池５９が発電中でなくても、カソード極５７に供給された清浄な空気をそのままガス吸着フィルタ４５に送給して再生することもできる。

なお、この再生動作においてカソード極５７からガス吸着フィルタ４５に送給される大気は、カソード極５７で使用されなかった酸素や酸素以外の大気成分の他に、発電に伴ってカソード極で生じた水蒸気を含んでいてもよい。
また、コンピュータ５６は、燃料電池５９の発電の制御機能と、不純物除去システム４０の供給動作および再生動作の制御機能とを合わせ持つものとして備えられている。もちろん、不純物除去システム４０の供給動作および再生動作を制御するコンピュータを燃料電池５９の発電を制御するコンピュータとは別に独立して設けてもよい。

［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図４は、第４の実施形態の不純物除去システム６０を模式的に示した図である。なお、第４の実施形態は、第３の実施形態において、主流路４１（矢印４１ａ、４１ｃ、４１ｂ）におけるガス吸着フィルタ４５とコンプレッサ４６との間にサブガス濃度センサ５４を設けた実施形態である。第４の実施形態から変更を要しない部分については同じ符号を用い、詳細な説明は省略する。

この不純物除去システム６０では、供給動作において主流路４１が選択されるときに、サブガス濃度センサ５４によりガス吸着フィルタ４５を通過した大気中の不純物ガス濃度を測定する。ガス吸着フィルタ４５の吸着性能が低下していれば、ガス吸着フィルタ４５で吸着されなかった不純物ガスがコンプレッサ４６へ送られるため、サブガス濃度センサ５４で測定される不純物ガス濃度は高くなる。サブガス濃度センサ５４の測定結果に基づき、不純物ガス濃度が一定値を超えた場合に再生動作を開始する構造とすることができる。

［第５の実施形態］
次に、第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図５は、第５の実施形態の不純物除去システム７０を模式的に示した図である。第５の実施形態においては、大気強制送給手段として、大気の吐出口が１つしか設けられていないコンプレッサ７６を用いる場合の実施形態を示している。

図５に示すように、不純物除去システム７０は、ガス濃度センサ７８と、除塵フィルタ７４と、ガス吸着フィルタ７５と、コンプレッサ７６と、大気利用手段７７とを備え、それらが互いに配管で接続されおり、これらを順に経由する主流路７１が設定されている。主流路７１には切替弁７９ａ，７９ｂが設けられており、主流路７１においてガス吸着フィルタ７５を迂回するバイパス流路７２へ切り替え可能に構成されている。

供給動作では、ガス濃度センサ７８で吸入した大気の不純物ガスの濃度を測定し、その測定結果により切替弁７９ａ，７９ｂが動作して流路が切り替えられる。大気利用手段７７に供給すべき大気として許容されるレベルを超えている場合は、ガス吸着フィルタ７５を経由する主流路７１（矢印７１ａ、７１ｃ、７１ｂ）を選択し、許容されるレベルであればバイパス流路７２を選択する。

再生動作では、コンプレッサ７６は、吸入口７６ａから取り込んだ大気を吐出口７６ｂのみからしか排出できないため、コンプレッサ７６から大気利用手段７７へ清浄な空気を送給する流路（矢印７１ｂ）から分岐させて清浄な空気をガス吸着フィルタ７５へ送給する流路（矢印７３ａ）を設ける。大気利用手段７７へ清浄な空気を送給する流路（矢印７１ｂ）と、清浄な空気をガス吸着フィルタ７５へ送給する流路（矢印７３ａ）とを切り替える再生切替弁７９ｃにより流路を切り替えることができる。この不純物除去システム７０では、再生動作時は、図５中に矢印７１ａ、矢印７２、矢印７３ａ、矢印７３ｂで示される流路をとる。吸入口８０から取り込まれた大気の不純物ガス濃度をガス濃度センサ７８で測定し、大気利用手段により許容されるレベルであれば、バイパス流路７２を経て直接コンプレッサ７６に送り、コンプレッサ７６から吐出された大気（清浄な空気）がガス吸着フィルタ７５に送られる。ガス吸着フィルタ７５を清浄な空気が通過することにより不純物ガスが脱離して、不純物ガスを含む大気として排気口８２から排出される。図５中に矢印７３ａと矢印７３ｂとで示される流路７３が本発明の第１の吸着フィルタ再生流路に相当する。

［第６の実施形態］
次に、第６の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図６は、第６の実施形態の不純物除去システム９０を模式的に示した図である。本発明の不純物除去システムでは、ガス吸着フィルタとして、不純物ガスを吸着する機能のほかに、除塵機能等の不純物ガス以外の不純物を補足する機能を兼ね備えたフィルタを用いることもできる。第６の実施形態は、ガス吸着フィルタとして除塵機能を兼ね備えたガス吸着フィルタ９５を用いた場合の実施形態を示している。

不純物除去システム９０は、図６に示すように、ガス濃度センサ９８と、除塵フィルタ９４と、除塵機能を兼ね備えたガス吸着フィルタ９５と、コンプレッサ９６と、大気利用手段９７とを備え、それらが互いに配管で接続されている。ガス濃度センサ９８と、ガス吸着フィルタ９５と、コンプレッサ９６と、大気利用手段９７とを順に経由する主流路９１と、主流路９１においてガス吸着フィルタ９５を迂回して除塵フィルタ９４を経由するバイパス流路９２とが設定されている。主流路９１とバイパス流路９２とが、切替弁９９ａ、９９ｂがガス濃度センサ９８の測定結果に対応して作動して流路を変更可能に構成されている。

先ず供給動作について説明する。
この不純物除去システム９０においても、上記第１から第５の実施形態同様に、吸入した大気の不純物ガスの濃度が大気利用手段９７に供給すべき大気として許容されるレベルにより流路を選択する。不純物ガスの濃度が許容されるレベルでない場合はガス吸着フィルタ９５を経由する主流路９１（図６中に実線で示される矢印９１ａ，矢印９１ｂ）を選択し、許容されるレベルである場合は主流路９１においてガス吸着フィルタ９５を迂回するバイパス流路９２を選択する。吸気口１００から大気を吸入し、先ずガス濃度センサ９８で大気中の不純物ガスの濃度を測定する。次いでガス濃度センサ９８の測定結果に基づき、切替弁９９ａ，９９ｂが作動することにより流路が変更される。吸入した大気の不純物ガスの濃度が大気利用手段９７に供給すべき大気として許容されるレベルでない場合は、主流路９１に切り替わり、大気はガス吸着フィルタ９５を通過することにより不純物ガスが取り除かれるとともに、この吸着フィルタ９５は除塵機能を兼ね備えているから、微粒子状の不純物も取り除かれる。大気は、清浄な空気としてコンプレッサ９６（吸入口９６ａ）に送られ、圧縮されて供給口９６ｂから大気利用手段９７に供給される。吸入した大気の不純物ガスの濃度が大気利用手段９７に供給すべき大気として許容されるレベルである場合はバイパス流路９２が選択され、大気は除塵フィルタ９４を通過して微粒子状の不純物が取り除かれ、清浄な空気としてコンプレッサ９６に送られ、大気利用手段９７に供給される。

次に再生動作について説明する。
再生動作では、吸気口１００から大気を吸入し、吸入した不純物ガスの濃度が大気利用手段９７に供給すべき大気として許容されるレベルである場合にバイパス流路９２を経由させて除塵フィルタ９４で微粒子状の不純物が取り除かれ、清浄な空気としてコンプレッサ９６に送る。コンプレッサ９６が排出口９６ｃから清浄な空気を吐出して矢印９３ａで示すようにガス吸着フィルタ９５に送給する。ガス吸着フィルタ９５を清浄な空気が通過することによりガス吸着フィルタ９５から不純物ガスが脱離し、矢印９３ｂで示すように、ガス吸着フィルタ９５から脱離した不純物ガスを含む大気として排気口１０２から排出される。図６中に矢印９３ａ、９３ｂで示される流路９３が本発明の第１の吸着フィルタ再生流路に相当する。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態３及び４では、カソード極５７において、排気口５７ｂの他に送給口５７ｃを設けることにより、カソード極５７からガス吸着フィルタ４５に大気を送給する第２の吸着フィルタ再生流路４３への切り替えを可能としたが、カソード極５７に送給口５７ｃを設けない場合でも本発明を適応することができる。その場合、図示しないが、排気口５７ｂから排出された大気の流路を分岐させて、システム外へ排気する流路と、ガス吸着フィルタ４５へ送給する流路とを設け、それらの流路を切り替え可能とすればよい。
また、上記の実施形態では第１の吸着フィルタ再生流路と、第２の吸着フィルタ再生流路とをそれぞれ別に設けた実施形態を示したが、第１の吸着フィルタ再生流路と、第２の吸着フィルタ再生流路とをともに設け、いずれかを選択可能に構成してもよい。

第１の実施形態の不純物除去システムを模式的に示した図であり、（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ異なる流路を選択した状態を示している。第２の実施形態の不純物除去システムを模式的に示した図である。第３の実施形態の不純物除去システムを模式的に示した図である。第４の実施形態の不純物除去システムを模式的に示した図である。第５の実施形態の不純物除去システムを模式的に示した図である。第６の実施形態の不純物除去システムを模式的に示した図である。

符号の説明

１０不純物除去システム
１１主流路
１２バイパス流路
１３第１の吸着フィルタ再生流路
１４除塵フィルタ
１５ガス吸着フィルタ
１６コンプレッサ
１７大気利用手段
１８ガス濃度センサ
１９ａ，１９ｂ切替弁
２７カソード極
２８アノード極
２９燃料電池
３０不純物除去システム
４０不純物除去システム
４１主流路
４２バイパス流路
４３第２の吸着フィルタ再生流路
４４除塵フィルタ
４５ガス吸着フィルタ
４６コンプレッサ
４８ガス濃度センサ
４９ａ，４９ｂ切替弁
５４サブガス濃度センサ
５６コンピュータ
５７カソード極
５９燃料電池
６０不純物除去システム
７０不純物除去システム
７１主流路
７２バイパス流路
７３第１の吸着フィルタ再生流路
７４除塵フィルタ
７５ガス吸着フィルタ
７６コンプレッサ
７７大気利用手段
７８ガス濃度センサ
７９ａ，７９ｂ切替弁
９０不純物除去システム
９１主流路
９２バイパス流路
９３第１の吸着フィルタ再生流路
９４除塵フィルタ
９５ガス吸着フィルタ
９６コンプレッサ
９７大気利用手段
９８ガス濃度センサ
９９ａ，９９ｂ切替弁

Claims

吸入した大気に含まれる不純物を吸着除去する大気中の不純物除去システムであって、
吸入した大気中の不純物の濃度を測定する濃度検出手段と、吸入した大気中に含まれる不純物を吸着除去する吸着フィルタと、前記濃度検出手段、前記吸着フィルタを流路に大気吸入側から順に配置した主流路と、
該主流路における吸着フィルタを迂回するバイパス流路と、
前記濃度検出手段による不純物の濃度に基づき前記主流路又は前記バイパス流路のいずれかを選択する流路切替手段と、を備え、
該流路切替手段による切替は、吸入した大気の不純物の濃度が予め設定した所定値を超えているときには前記主流路を選択する切替状態とし、前記所定値以下のときには前記主流路を吸着フィルタ位置よりも上流側位置で閉じることによって前記バイパス流路を選択する切替状態として大気を通過させ、
前記主流路は燃料電池のカソード極に接続されていることを特徴とする大気中の不純物除去システム。
請求項１に記載の大気中の不純物除去システムであって、
前記主流路における吸着フィルタの下流側の流路には大気強制送給手段が配置されており、
吸入した大気を前記大気強制送給手段から前記吸着フィルタを循環させて大気に排出する第１の吸着フィルタ再生流路が前記主流路と前記バイパス流路に組み込まれて形成されており、
該第１の吸着フィルタ再生流路の選択切替は前記流路切替手段によって可能とされており、
該流路切替手段による前記第１の吸着フィルタ再生流路への切替は、吸入した大気の不純物の濃度が前記所定値以下の時に可能とされていることを特徴とする大気中の不純物除去システム。
請求項１に記載の大気中の不純物除去システムであって、
前記燃料電池のカソード極に供給された大気の一部が前記吸着フィルタを循環して大気に排出する第２の吸着フィルタ再生流路が前記第１の吸着フィルタ再生流路とは別に独立して又は前記第１の吸着フィルタ再生流路と共に前記主流路と前記バイパス流路に組み込まれて形成されており、
前記第１の吸着フィルタ再生流路および／または前記第２の吸着フィルタ再生流路の選択切替は前記流路切替手段によって可能とされており、
該流路切替手段による前記第１の吸着フィルタ再生流路および／または前記第２の吸着フィルタ再生流路への切替は、吸入した大気の不純物濃度が前記所定値以下の時に可能とされていることを特徴とする大気中の不純物除去システム。
請求項２又は請求項３に記載の大気中の不純物除去システムであって、
前記濃度検出手段の検出結果に基づいて前記吸着フィルタの不純物吸着量を算出し、該不純物吸着量に基づいて前記流路切替手段が前記第１の吸着フィルタ再生流路および／または前記第２の吸着フィルタ再生流路を選択することを特徴とする大気中の不純物除去システム。
請求項２から請求項４のうちいずれか１項に記載の大気中の不純物除去システムであって、
前記第１の吸着フィルタ再生流路および／または前記第２の吸着フィルタ再生流路が選択された状態では前記吸着フィルタに送給される大気は前記大気強制送給手段で加熱されていることを特徴とする大気中の不純物除去システム。