JP5853675B2 - 燃料電池用フィルター - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムの発電装置（燃料電池スタック）に用いられるエアフィルターに関し、更に詳述すると、硫酸アンモニウムによるフィルターの目詰まりを効果的に防止して、大気中の不純物や塵埃の除去率低下を可及的に防止し得る燃料電池用フィルターに関する。

燃料電池は、水素と酸素の電気化学反応により発電を行なうものであり、その際に酸素は大気中から供給されるのが一般的であるが、供給される大気中にＳＯ_XやＮＯ_X等の不純物や塵埃が含まれていると電極触媒を劣化させて起電力を低下させる不都合が生じるため、燃料電池システム内の発電装置（燃料電池スタック）には、大気中に存在する不純物（ＳＯ_X，ＮＯ_Xなど）や大気塵埃を除去するためにエアフィルターが取り付けられている。

従来、この燃料電池用エアフィルターとしては、例えば図２に示したように、活性炭フィルター層１と帯電フィルター層２とを組み合わせたものが知られており、このエアフィルターは、図中矢印の方向に流入する大気につき、活性炭フィルター層１によりＳＯ_X，ＮＯ_Xなどの不純物ガスを吸着除去し、更に帯電フィルター層２で塵埃（１〜２μｍ）を除去するように構成されている。

この場合、上記活性炭フィルター層１としては、例えば繊維状やネット状の基材に活性炭を付着させたものや繊維状に加工した活性炭からなるフィルターやシートが用いられており、また帯電フィルター層２としては、例えばポリプロピレン繊維などを帯電させて織布や不織布としてものが用いられる。

しかしながら、近年、黄砂や大気汚染の影響により大気中に硫酸アンモニウムが浮遊するようになってきており、この硫酸アンモニウムがその潮解性によりフィルター、特に上記帯電フィルター層２に目詰まりを生じさせ、圧力損失が大きくなって性能を低下させると共に、フィルターの寿命を著しく低下させる原因となっていた。

このため、硫酸アンモニウムによるフィルターの目詰まり発生を効果的に抑制してフィルターの性能低下を効果的に防止すると共に、寿命低下を階級的に抑制することが望まれる。なお、本発明に関連する先行技術としては、下記特許文献を挙げることができる。

国際公開第２００７／０６０９２３号パンフレット 特開２００６−１０７９８０号公報

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、活性炭フィルターと帯電フィルターとを組み合わせて大気中の不純物ガス（ＳＯ_X，ＮＯ_Xなど）及び塵埃を除去する燃料電池用フィルターにおいて、大気中の硫酸アンモニウムによる目詰まりの発生を可及的に防止して、硫酸アンモニウムに起因する性能低下や寿命低下の発生を効果的に防止することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するため、鋭意検討を重ねた結果、活性炭フィルターと帯電フィルターとを組み合わせて大気中の不純物ガス（ＳＯ_X，ＮＯ_Xなど）及び塵埃を除去する燃料電池用フィルターにおいて、気体の流入側に上記活性炭フィルターを、気体排出側に上記帯電フィルターをそれぞれ配すると共に、これら活性炭フィルターと帯電フィルターとの間に通気性のウレタンフォームを配設することにより、このウレタンフォーム層により大気中の硫酸アンモニウムを効果的に吸着除去し得、硫酸アンモニウムによる上記帯電フィルター層の目詰まりを可及的に防止することができ、硫酸アンモニウムに起因する性能低下や寿命低下を効果的防止し得ることを見出し本発明を完成したものである。

従って、本発明は、下記請求項１〜７の燃料電池用フィルターを提供する。
［請求項１］
気体の流入側に活性炭フィルター層、気体の排出側に帯電フィルター層が配設された燃料電池用フィルターにおいて、上記活性炭フィルター層と帯電フィルター層との間に該活性炭フィルター層よりも気孔数の多いウレタンフォーム層を配設し、該ウレタンフォーム層により、上記活性炭フィルター層を通過した気体に含まれる硫酸アンモニウムを上記帯電フィルター層の前で吸着除去するように構成したことを特徴とする燃料電池用フィルター。
［請求項２］
上記ウレタンフォーム層が、複数のシート状又はブロック状ウレタンフォームを積層したものである請求項１記載の燃料電池用フィルター。
［請求項３］
上記ウレタンフォーム層を形成するウレタンフォームが、気孔数４０〜６０個／インチである請求項１又は２記載の燃料電池用フィルター。
［請求項４］
上記ウレタンフォーム層を形成するウレタンフォームが、セル膜のない三次元網状骨格を有するポリエーテル系ポリウレタンフォームである請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用フィルター。
［請求項５］
上記活性炭フィルター層が、セル膜のないポリウレタンフォームの骨格に活性炭を付着させフィルターで形成されたものである請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用フィルター。
［請求項６］
上記活性炭フィルター層のフィルター基材を構成する上記ポリウレタンフォームが、気孔数４〜１４個／インチである請求項５記載の燃料電池用フィルター。
［請求項７］
上記帯電フィルター層が、帯電処理を施したポリプロピレン繊維からなる不織布で形成された請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用フィルター。

本発明によれば、大気中の硫酸アンモニウムによる目詰まりの発生を可及的に防止して、良好な性能を長期に亘って安定的に発揮し得る長寿命の燃料電池用フィルターを得ることができる。

本発明燃料電池用フィルターの構造の一例を示す概略断面図である。 従来の燃料電池用フィルターの構造の一例を示す概略断面図である。 実施例１／比較例１で行なわれた実験の結果を示すグラフである。 実施例１／比較例１で行なわれた実験を実施するための試験装置である。 実施例２〜４で行なわれた実験の結果を示すグラフである。 実施例２〜４で行なわれた実験を実施するための試験装置である。

本発明の燃料電池用フィルターは、上記のように、活性炭フィルター層、帯電フィルター層及びウレタンフォーム層を有し、燃料電池システムの燃料電池スタックに供給される大気を浄化するものであり、例えば、図１に示したように、気体の流入側に活性炭フィルター層１、排出側に帯電フィルター層２をそれぞれ配すると共に、これら活性炭フィルター層１と排出側に帯電フィルター層２との間にウレタンフォーム層３を配設したものである。

上記活性炭フィルター層１は、大気中に含まれるＳＯ_X，ＮＯ_Xなどの不純物を吸着除去するものであり、例えば三次元網状構造やハニカム構造のフィルター基材に活性炭が担持されたものや、破砕状又は粒状の活性炭を通気性容器に収容したものなどで形成することができるが、本発明では、三次元網状構造を有するフィルター基材に活性炭を担持させたものが好適に用いられる。

この場合、フィルター基材の三次元網状構造体としては、特に制限されるものではないが、ポリウレタンフォームが特に爆破処理等によりセル膜を除去した三次元網状骨格構造を有するポリウレタンフォームが好ましく用いられ、このポリウレタンフォームは低圧力損失で、空気との接触効率が良い。更に、除膜処理を施したポリウレタンフォームとしては、エーテル系素材の方がエステル系素材に比べて耐加水分解性に優れ、後述のアルカリ添着処理等によるフィルター基材の加水分解劣化を抑制することができることから、より好適である。

このフィルター基材のポリウレタンフォームの気孔数は、基材に付着させる活性炭粒子との関係で異なるが、通常は、気孔数４〜１４個／インチ、特に６〜１２個／インチとすることが好ましく、気孔数が４個／インチ未満であるとフィルターの圧力損失は低下するが、通過する気体との接触効率が低下するため不純物の除去性能が低下する場合があり、また気孔数が１４個／インチを超えると気体との接触効率は高くなるが、圧力損失が高くなり、燃料電池システムの空気供給ファンの負荷増大などの不利を生じる場合がある。

このフィルター基材に担持される活性炭としては、例えば椰子殻活性炭、木質活性炭、石油ピッチ系活性炭、その他の成型活性炭などが例示され、中でも椰子殻活性炭が好ましく用いられる。また、活性炭は特に制限されるものではないが、ＢＥＴ比表面積が５００ｍ²／ｇ以上、特に１０００〜２０００ｍ²／ｇ程度のものが好ましい。吸着能を考えると比表面積は大きい程よいが、比表面積を大きくすると吸着体の硬度が下がる傾向にあり、吸着体の種類によっては発塵要因となる可能性がある。

また、起電力低下となる大気中の硫黄系化合物を高効率で除去する目的で、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムなどの、アルカリ金属の塩、アルカリ金属の水酸化物、アルカリ土類金属の塩、及びアルカリ土類金属の水酸化物よりなる群から選ばれる１種又は２種以上のアルカリ性物質を添着させた添着活性炭を用いてもよい。この場合、活性炭に予めアルカリ性物質を添着して用いても良く、活性炭をフィルター基材に保持させた後、アルカリ性物質の添着処理を行っても良い。活性炭へのアルカリ性物質の添着が過度に多いと、活性炭による吸着性能が損なわれることから、このアルカリ性物質の添着量は活性炭に対して２０質量％以下とすることが好ましい。アルカリ性物質の添着量が少な過ぎても、アルカリ性物質を添着したことによる硫黄化合物の除去性能の向上効果を十分に得ることができない。従って、アルカリ性物質は、活性炭の吸着性能の維持と、硫黄化合物の除去性能の確保の面から、０．１〜２０質量％、特に５〜１０質量％、とりわけ５〜１０質量％とすることが好ましい。

上記帯電フィルター層２は、大気中に含まれる１〜２μｍ程度の塵埃を吸着除去するものである。この帯電フィルター層２を形成するフィルターとしては、帯電処理された繊維からなる不織布や織布を用いることができ、特に帯電処理された繊維からなるスパンポンド不織布、メルトブロー不織布、ニードルパンチ加工された不織布、エンボス加工された不織布などが好ましく用いられ、形状もプリーツ形状、ハニカム形状、フラット形状等、種々の形状のものを用いることができる。また、帯電処理された繊維の種類としては、特に制限されるものではないが、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド等の有機繊維が好ましく用いられ、中でもポリプロピレンが補修効率の点で特に好ましく用いられる。また、不織布や織布目付としては、特に制限はないが、除塵性能及び流通抵抗の面から１５〜５００ｇ／ｍ²、特に５０〜２００ｇ／ｍ²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、図１のように、これら活性炭フィルター層１と帯電フィルター層２との間にウレタンフォーム層３を配設したものであり、このウレタンフォーム層３により、活性炭フィルター層１を通過した気体から硫酸アンモニウムなどの目詰まり原因物質を除去し、帯電フィルター層２の目詰まりを防止するものである。

このウレタンフォーム層３を形成するウレタンフォームとしては、セル膜のない三次元網状骨格を有するポリウレタンフォームが好適に用いられ、特にポリエーテル系のポリウレタンフォームが、湿度の高い環境で使用しても加水分解が生じることなく良好な耐久性を維持し得ることから好ましく用いられる。

このウレタンフォーム層３を形成するウレタンフォームは、特に制限されるものではないが、気孔数が３０〜６０個／インチ、特に４０〜５０個／インチであることが好ましく、気孔数が３０個／インチ未満では十分に硫酸アンモニウムを捕集できない場合があり、一方６０個／インチを超えるとウレタンフォーム層３自体に目詰まりが発生する不都合を生じる場合がある。

このウレタンフォーム層３は、シート状又はブロック状に形成された上記ポリウレタンフォームを複数枚又は複数個積層して形成することができ、その枚数を増減して吸着能力や通気性、寿命などを調整することができる。なお、上記活性炭フィルター層１及び帯電フィルター層２も同様に、複数枚又は複数個のフィルターを積層して形成すると共に、その枚数又は個数を増減して同様の調整を行なうことができる。

本発明の燃料電池用フィルターは、図１のように、活性炭フィルター層１と帯電フィルター層２との間に上記ウレタンフォーム層３を形成したものであるが、その構成は図１のものに限定されるものではなく、例えばウレタンフォーム層３と活性炭フィルター層１又は帯電フィルター層２との間、活性炭フィルター層１又は帯電フィルター層２の外側にその他のフィルター層等を設けることができる。その他のフィルター層等としては、各種不織布やネット、パッキン材などを例示することができる。

本発明の燃料電池用フィルターは、燃料電池システムの燃料電池スタックに取り付けて供給される大気を浄化するものであるが、その燃料電池システムには特に制限はなく、固体高分子型燃料電池、アルカリ水溶液電解質型燃料電池、リン酸水溶液電解質型燃料電池、溶融炭酸塩電解質型燃料電池、固体酸化物電解質型燃料電池などのいずれのものであっても良い。この燃料電池は静置型であっても良く、車両搭載用などの可搬型のものであっても良い。

以下、実施例，比較例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は下記実施例に制限されるものではない。

［実施例１，比較例１］
下記フィルター材をそれぞれ用いて活性炭フィルター層１、帯電フィルター層２及びウレタンフォーム層３を形成して、図１に示した構造の燃料電池用フィルター（実施例１）と、ウレタンフォーム層を有さず活性炭フィルター層１と帯電フィルター層２のみからなる図２に示した構造の燃料電池用フィルター（比較例１）を作製した。この場合、帯電フィルター層２は実施例１及び比較例１ともに下記帯電フィルター材を２４枚積層して形成し、活性炭フィルター層１は下記活性炭フィルター材を２４枚（実施例１）又は２７枚（比較例２）積層して形成し、ウレタンフォーム層３は下記ウレタンフォーム材料を４枚積層して形成した。

［活性炭フィルター層１の材料］
セル膜のない三次元網状骨格を有するポリウレタンフォーム（気孔数１０個／インチ、厚さ５ｍｍ）の骨格に６０メッシュの椰子殻活性炭を付着量３００ｇ／ｍ²となるように固着させたもの（（株）ブリヂストン製、ＤＥＯフィルター「ＯＱ−１０Ｋ」）。サイズはφ６０ｍｍ、厚さ５ｍｍ
［帯電フィルター層２の材料］
φ６４．３ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのポリプロピレン系エレクトレット不織布（東レファインケミカル（株）「ＳＢ０５０Ｎ」）
［ウレタンフォーム層３の材料］
セル膜のない三次元網状骨格を有するポリエーテル系ポリウレタンフォーム（気孔数５０個／インチ）（（株）ブリヂストン製、ＳＦフィルター「ＱＯＫ−５０」）。サイズはφ６３．６ｍｍ、厚さ５ｍｍ。

得られた実施例１，比較例１のフィルターをそれぞれ２５０ｍｍ×２５０ｍｍの縦型風洞の中部にセットし、風洞内の風速を１ｍ／ｓｅｃに調整すると共に、風洞上部に降塵機を設置してＪＩＳ−１５種塵埃を０．５〜０．７ｇ／ｍｉｎで風洞内に導入するように調整した。この風洞を図４に示したように、２０℃／６５％ＲＨに調整した恒温恒湿槽に収容し、恒温恒湿槽内に配置した超音波加湿機で７ｇ／１００ｍｌ濃度の硫酸アンモニウム水溶液を噴霧し、数時間〜数十時間おきに、風洞に接続した送風ポンプで３０Ｌ／ｍｉｎで送風し圧力損失を測定した。なお、風洞内のフィルターを通過した空気は水中を通過させて硫酸アンモニウムが飛散するのを防止した。結果を図３のグラフに示す。

図３に示されているように、ウレタンフォーム層３を有さない比較例１のフィルター（図２）は、硫酸アンモニウムによる目詰まりによって短時間で圧力損失が大きく上昇し、すぐに使用に耐え得ないものとなった。一方活性炭フィルター層１と帯電フィルター層２との間にウレタンフォーム層３を配設した実施例１のフィルターは、目詰まりによる圧力損失の上昇を効果的に防止して、長期に亘り良好な性能を維持し得ることが確認された。この結果から推定される実使用における推定寿命は２年以上である。

［実施例２〜４］
活性炭フィルター層１を構成するセル膜のない三次元網状骨格を有するポリエーテル系ポリウレタンフォームとして、気孔数６個／インチ、厚さ５ｍｍ（実施例２）、気孔数９個／インチ、厚さ５ｍｍ（実施例３）及び気孔数１２個／インチ、厚さ５ｍｍ（実施例４）の３種類のポリウレタンフォームを用い、上記実施例１と同様にして図１に示した構造の燃料電池用フィルターを作製した。得られた各フィルターにつき、図６に示した試験装置を使用して下記方法で二酸化硫黄の吸着性能試験を行なった。結果を図５のグラフに示す。

［二酸化硫黄吸着性能試験］
・ガス発生条件
（株）ガステック社製の標準ガス発生装置（パーミエータ ＰＤ−１Ｂ−２）にパーミエーションチューブ（型式Ｐ−５−Ｈ）を１本充填し、ガス発生温度を３５℃、希釈流通流量（Ｎ₂）を１．０Ｌ／ｍｉｎに設定して１５ｐｐｍの二酸化硫黄標準ガスを発生させた。
・試験方法
被験試料の活性炭フィルターを１４ｍｍφに打ち抜き、内径１４ｍｍφのガラス製又はアクリル製カラム（Ｌ＝１５０ｍｍ）のほぼ中央に試料をセットし、ワンパス通気法により上記発生ガスを通気させてガス採集器に採取すると共に、ガス濃度を（株）ガステック社の検知管（Ｎｏ．５Ｌａ）で測定し、活性炭フィルター通過前のガス濃度と活性炭フィルター通過後のガス濃度の差から除去率を算出した。

図５に示されているように、活性炭フィルター層１を構成するポリウレタンフォームの気孔数が６〜１２個／インチの範囲で増減しても、変わらずに良好な吸着性能を示すことが確認された。なお、この試験では約３６０時間で除去率が０％となったが、図５に示された結果から通常の使用環境での寿命は２年以上と推定される。

１ 活性炭フィルター層
２ 帯電フィルター層
３ ウレタンフォーム層

Claims (7)

1. 気体の流入側に活性炭フィルター層、気体の排出側に帯電フィルター層が配設された燃料電池用フィルターにおいて、上記活性炭フィルター層と帯電フィルター層との間に該活性炭フィルター層よりも気孔数の多いウレタンフォーム層を配設し、該ウレタンフォーム層により、上記活性炭フィルター層を通過した気体に含まれる硫酸アンモニウムを上記帯電フィルター層の前で吸着除去するように構成したことを特徴とする燃料電池用フィルター。
2. 上記ウレタンフォーム層が、複数のシート状又はブロック状ウレタンフォームを積層したものである請求項１記載の燃料電池用フィルター。
3. 上記ウレタンフォーム層を形成するウレタンフォームが、気孔数４０〜６０個／インチである請求項１又は２記載の燃料電池用フィルター。
4. 上記ウレタンフォーム層を形成するウレタンフォームが、セル膜のない三次元網状骨格を有するポリエーテル系ポリウレタンフォームである請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用フィルター。
5. 上記活性炭フィルター層が、セル膜のないポリウレタンフォームの骨格に活性炭を付着させフィルターで形成されたものである請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用フィルター。
6. 上記活性炭フィルター層のフィルター基材を構成する上記ポリウレタンフォームが、気孔数４〜１４個／インチである請求項５記載の燃料電池用フィルター。
7. 上記帯電フィルター層が、帯電処理を施したポリプロピレン繊維からなる不織布で形成された請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用フィルター。

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