JP7434711B2 - 燃料電池システム用エアフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム用エアフィルタに関する。

燃料電池システムにおいては、電解質膜を有する燃料電池本体に対して燃料ガス及び酸化ガスを各別に供給する通路が設けられている。
例えば燃料電池システムを搭載する車両、すなわち燃料電池本体により発電される電力を動力源として走行する車両では、酸化ガスとしての酸素を含む車外の空気がコンプレッサによって吸入されるとともに空気供給通路を通じて燃料電池本体に対して供給される（例えば特許文献１参照）。

特許文献１には、空気供給通路においてコンプレッサの上流側に設けられた燃料電池システム用エアクリーナが開示されている。エアクリーナのハウジングの内部には、空気に含まれる塵埃を捕集する第１フィルタと、空気に含まれる不純ガスを吸着する第２フィルタとが空気の流れ方向に並んで配置されている。第２フィルタは、多数の透孔を有するハニカム構造の基材を備えている。また、上記基材の透孔の内面には、上記不純ガスとしての硫黄系ガスを酸化する酸化触媒及び上記不純ガスを吸着する吸着剤が担持されている。上記基材は、例えば断面正六角形などの所定の断面形状の多数の透孔が隔壁を介して隙間なく並べられた構造であり、アルミニウム箔によって形成されている。

特開２０１８－３７１７０号公報

ところで、特許文献１に記載の燃料電池システム用エアクリーナの第２フィルタは、ハニカム構造の基材を備えるものである。そのため、基材の構造が複雑になり、同基材の製造に手間を要するものとなっている。

本発明の目的は、簡単な構成で不純ガスを除去できる燃料電池システム用エアフィルタを提供することにある。

上記目的を達成するための燃料電池システム用エアフィルタは、燃料電池システムに適用され、燃料電池本体に空気を供給する通路に設けられるとともに当該空気に含まれる不純ガスを除去するものであって、不織布からなる基材と、前記基材に担持された酸化触媒と、を備える。

同構成によれば、空気が不織布からなる基材を通過する際に、空気に含まれる二酸化硫黄や硫化水素などの硫黄系ガスが酸化触媒の触媒作用により酸化され、硫酸などが生成する。これにより、空気に含まれる二酸化硫黄や硫化水素などの不純ガスが除去される。

ここで、上記構成によれば、基材が不織布からなるため、基材を簡単に製造することができる。したがって、簡単な構成で不純ガスを除去することができる。

本発明によれば、簡単な構成で不純ガスを除去することができる。

燃料電池システム用エアフィルタの一実施形態を示す斜視図。 基材の単位質量当たりのガス除去剤の質量と、圧力損失との関係を示すグラフ。 基材の単位質量当たりのガス除去剤の質量と、不純ガスの除去効率との関係を示すグラフ。 変更例のエアフィルタを示す斜視図。

以下、図１～図３を参照して、燃料電池システム用エアフィルタ（以下、エアフィルタ）の一実施形態について説明する。
図１に示すように、燃料電池システムの燃料電池本体に空気を供給する通路には、空気に含まれる不純ガスを除去するエアフィルタ１０が設けられている。

エアフィルタ１０は、例えばポリプロピレンなどの合成樹脂繊維からなる不織布によって形成された直方体シート状の基材１１を備えている。
同図に拡大して示すように、エアフィルタ１０の基材１１、より詳しくは基材１１を構成する不織布の繊維には、空気に含まれる二酸化硫黄や硫化水素などの硫黄系の不純ガスを除去するガス除去剤がバインダーを介して担持されている。

本実施形態のガス除去剤は、上記不純ガスを酸化する粉状の酸化触媒１２と、酸化触媒１２の触媒作用によって生成された硫酸などを吸着する粉状の吸着剤１３とからなる。本実施形態では、酸化触媒１２及び吸着剤１３とバインダーとの分散液を基材１１に対して塗布することにより酸化触媒１２及び吸着剤１３を基材１１に担持させている。酸化触媒１２としては二酸化マンガンが好ましい。また、吸着剤１３としては、活性炭が好ましい。バインダーとしてはアクリル樹脂が好ましい。本実施形態のガス除去剤では、酸化触媒と吸着剤との質量比が８：２である。

次に、基材１１に坦持されるガス除去剤の構成について詳細に説明する。
＜酸化触媒１２＞
酸化触媒１２の平均粒径は、４μｍ～５μｍであることが好ましい。

酸化触媒１２の平均粒径が５μｍよりも大きい場合には、上記分散液中において、酸化触媒１２が分散されにくくなり、基材１１に対して酸化触媒１２を均一に担持させることが難しくなる。

一方、酸化触媒１２の平均粒径が４μｍよりも小さい場合には、上記分散液中において、酸化触媒１２の粒子同士が凝集しやすくなり、同粒子同士の凝集体の粒径が５μｍよりも大きくなる。

本実施形態の酸化触媒１２の平均粒径は、５μｍである。
＜吸着剤１３＞
吸着剤１３の平均粒径は、１０μｍ～２０μｍであることが好ましい。

吸着剤１３の平均粒径が２０μｍよりも大きい場合には、基材１１を構成する不織布の繊維径よりも大きくなり、基材１１に吸着剤１３が担持されにくくなる。なお、不織布の繊維径については後に詳述する。

一方、吸着剤１３の平均粒径が１０μｍよりも小さい場合には、市販の吸着剤１３を入手することが困難となり、吸着剤１３のコストが増大することとなる。
次に、エアフィルタ１０の基材１１の構成について詳細に説明する。

＜基材１１の繊維表面積Ｓ＞
基材１１を構成する不織布の単位体積当たりの表面積である繊維表面積Ｓは、１５０ｍ^２／ｍ^３～７００ｍ^２／ｍ^３であることが好ましい。

基材１１の繊維表面積Ｓが７００ｍ^２／ｍ^３よりも大きい場合には、不織布の繊維径を５μｍ以下にする必要がある。ただし、不織布の繊維径が５μｍ以下の場合には、上述した酸化触媒１２及び吸着剤１３の平均粒径よりも繊維径が小さくなり、基材１１に酸化触媒１２及び吸着剤１３を安定的に担持させることが難しい。

基材１１の繊維表面積Ｓが１５０ｍ^２／ｍ^３よりも小さい場合には、酸化触媒１２及び吸着剤１３を担持させる面積、すなわち塗布面積が小さくなり、不純ガスの所望の除去効率を得る上で必要な量の酸化触媒１２及び吸着剤１３を担持させることが難しい。

本実施形態では、基材１１の繊維表面積Ｓが１５５ｍ^２／ｍ^３である。
＜基材１１の繊維充填率Ｒ＞
基材１１を構成する不織布（繊維及び繊維間の空間を含む）の単位体積当たりの繊維の体積の割合である繊維充填率Ｒは、０．２～１％であることが好ましい。

基材１１の繊維充填率Ｒが１％よりも大きい場合には、基材１１自体の圧力損失が高くなるとともに、担持される酸化触媒１２及び吸着剤１３が少量であっても圧力損失の増大が無視できなくなる。

上述したように、基材１１の繊維表面積Ｓを好ましい範囲（１５０ｍ^２／ｍ^３～７００ｍ^２／ｍ^３）内に維持しつつ、基材１１の繊維充填率Ｒを低く設定することが好ましい。
一方、繊維充填率Ｒが０．２％よりも小さい場合には、不織布の繊維径を５μｍ以下にする必要がある。ただし、不織布の繊維径が５μｍ以下の場合には、上述した酸化触媒１２及び吸着剤１３の平均粒径よりも繊維径が小さくなり、基材１１に酸化触媒１２及び吸着剤１３を安定的に担持させることが難しいことは上述したとおりである。

本実施形態では、基材１１の繊維充填率が１％である。
＜基材１１の単位質量当たりのガス除去剤の質量Ｎ＞
基材１１の単位質量当たりのガス除去剤の質量Ｎは、１．６～３．４であることが好ましい。

図２に、基材１１の単位質量当たりのガス除去剤の質量Ｎと、エアフィルタの圧力損失ΔＰとの関係を示す。
図３に、基材１１の単位質量当たりのガス除去剤の質量Ｎと、不純ガスの除去効率Ｅとの関係を示す。

図２及び図３において、本実施形態のエアフィルタ１０、すなわちガス除去剤における酸化触媒１２と吸着剤１３との質量比が８：２であるエアフィルタ１０の測定結果を実線Ｌ１にて示す。また、比較例のエアフィルタ、すなわちガス除去剤に吸着剤１３が含まれていないエアフィルタの測定結果を破線Ｌ２にて示す。なお、比較例のエアフィルタのその他の構成は、本実施形態のエアフィルタ１０と同一である。

図２に示すように、基材１１の単位質量当たりのガス除去剤の質量Ｎが０から３．４までの範囲内においては、圧力損失ΔＰは同質量Ｎに略比例して大きくなる。また、上記質量Ｎが３．４よりも大きい範囲においては、圧力損失ΔＰは同質量Ｎの増加に対して急激に増大するようになる。

図３に実線Ｌ１にて示すように、基材１１の単位質量当たりのガス除去剤の質量Ｎが０から１．６までの範囲内においては、不純ガスの除去効率Ｅは、同質量Ｎの増加に対して「０」から急激に上昇する。そして、上記質量Ｎが１．６となると、不純ガスの除去効率Ｅは、約９２％となる。また、上記質量Ｎが１．６よりも大きい範囲においては、不純ガスの除去効率Ｅは、同質量Ｎの増加に対して緩やかに上昇するようになる。

これらのことから、本実施形態では、上記質量Ｎが２．６である。
ところで、図３に破線Ｌ２にて示すように、上記質量Ｎが０から３までの範囲内においては、担持される酸化触媒１２の量が多いことにより、破線Ｌ２の不純ガスの除去効率Ｅが実線Ｌ１よりも高い。

ただし、酸化触媒１２の触媒作用によって生成された硫酸などが、基材１１に坦持された酸化触媒１２の表面に滞留すると、酸化触媒１２の触媒機能が低下し、エアフィルタ１０による不純ガス除去性能が低下するおそれがある。これに対して、本実施形態のエアフィルタ１０によれば、生成された硫酸などが基材１１に坦持された吸着剤１３により吸着されることで、上述した不純ガス除去性能の低下を抑制できる。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
（１）エアフィルタ１０は、不織布からなる基材１１と、基材１１に担持された酸化触媒１２とを備えている。

こうした構成によれば、空気が不織布からなる基材１１を通過する際に、空気に含まれる二酸化硫黄や硫化水素などの硫黄系ガスが酸化触媒の触媒作用により酸化され、硫酸などが生成する。これにより、空気に含まれる二酸化硫黄や硫化水素などの不純ガスが除去される。

ここで、上記構成によれば、基材１１が不織布からなるため、基材１１を簡単に製造することができる。したがって、簡単な構成で不純ガスを除去することができる。
（２）基材１１には、吸着剤１３が担持されている。

こうした構成によれば、生成された硫酸などが基材１１に坦持された吸着剤１３により吸着される。したがって、上述した不純ガス除去性能の低下を抑制できる。
＜変更例＞
上記実施形態は、例えば以下のように変更して実施することもできる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・複数のエアフィルタ１０を空気の流れ方向に積層した構成としてもよい。
・基材１１に坦持させる酸化触媒１２と吸着剤１３との質量比を１０：０～８：２の間で任意に変更することができる。すなわち、基材１１に、吸着剤１３が坦持されていない構成であってもよい。

・図４に示すように、エアフィルタ１０の空気の流れ方向の上流側及び下流側に、補助フィルタ２０，３０をそれぞれ隣り合わせて設けることもできる。このとき、各補助フィルタ２０，３０を、エアフィルタ１０と同一の不織布によって形成し、エアフィルタ１０の基材１１と同一の形状を有する基材２１，３１を備えた構成とすればよい。

こうした構成によれば、エアフィルタ１０は、２つの補助フィルタ２０，３０によって空気の流れ方向の両側から挟まれている。このため、補助フィルタ２０，３０によって、空気に含まれる塵埃を捕集したり、他部材との干渉からエアフィルタ１０を保護することができる。

１０…エアフィルタ、２０，３０…補助フィルタ、１１，２１，３１…基材、１２…酸化触媒、１３…吸着剤。

Claims (1)

1. 燃料電池システムに適用され、燃料電池本体に空気を供給する通路に設けられるとともに当該空気に含まれる硫黄系の不純ガスを除去するエアフィルタであって、
   不織布からなる基材と、前記基材に担持されるとともに前記不純ガスを酸化させて硫酸にする触媒作用を奏する酸化触媒と、前記基材に担持されるとともに前記硫酸を吸着する吸着剤と、を備え、
   前記不織布の単位体積当たりの表面積である繊維表面積が、１５０ｍ ^２ ／ｍ ^３ 以上７００ｍ ^２ ／ｍ ^３ 以下であり、
   前記不織布の単位体積当たりの繊維の体積の割合である繊維充填率が、０．２％以上、１％以下であり、
   前記酸化触媒の平均粒径が、４μｍ以上、５μｍ以下であり、
   前記吸着剤の平均粒径が、１０μｍ以上、２０μｍ以下である、
   燃料電池システム用エアフィルタ。