JP5118636B2 - 燃料電池のためのフィルタユニット - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の供給空気を浄化するためのフィルタユニットであって、少なくとも２つのフィルタ層、つまり、粗フィルタとして設計されている第１のフィルタおよび細フィルタとして設計されている第２のフィルタ層を備えているものに関する。さらに、本発明は、燃料電池のガスを搬送するための設備（構成）も含む。

上記のようなフィルタユニットは、独国特許第１０２３０２８３号明細書より公知である。そこに開示のフィルタユニットは、一方では粒子を、他方では別の成分、例えば有害なガスおよびエアロゾルを供給空気から除去するのに適している。粒子は、第１のフィルタ層で分離除去され、その一方で、エアロゾルを除去するために第２の層が設けられている。このために、第２の層を、電離（イオン化）を利用する静電フィルタとして設計することが提案されている。電磁気フィルタによる方法は、塩を含有するエアロゾルをろ過するのに特に適している。静電フィルタでは、操作のための電磁界を形成するための補助的なエネルギーが必要であるという欠点がある。

本発明の課題は、追加的な補助エネルギーがなくとも、特に塩を含有しているエアロゾルのフィルタリングに適し、かつ簡単に交換可能なフィルタユニットを提供することである。

この課題は、請求項１および７の特徴によって解決される。有利な発展態様は、従属請求項に記載されている。

上記課題を解決した本願構成では、第２のフィルタ層がエレクトレットフィルタ材料からなっている。様々なポリマー繊維を混合し、ニードルにより固化（ボンディング）して、これにより、エレクトレットフィルタ材料を製造する。強い摩擦によって、異なる電気陰性を示す繊維を様々な程度に静電気的に帯電させ、これにより、静電気的なろ過（フィルタリング）性能を有するようになる。よって、第２のフィルタは、正および負に帯電した個々の繊維の混合物によって形成されている。ポリマー繊維は、熱的にまたは水噴流プロセスによって固化することもできる。その後、正電荷は、プラズマ処理によって行うこともできる。静電気的に帯電させた繊維を含むフィルタ材料は、一般的に、エレクトレットフィルタ材料と呼ばれる。特に有利には、このエレクトレットフィルタ材料によって、小さな圧損で微細な粒子をろ過することができる。静電気的な相互作用によって、同じろ過効率で、帯電されていないフィルタ材料の場合よりも孔を大きく設計することができる。エレクトレットフィルタ材料は、補助エネルギーの供給なしで静電気的なフィルタ効果を有する。

このようなフィルタ媒体は、簡単な手段によって供給空気流中に配置でき、また簡単に交換することができる。エレクトレットフィルタ材料は、十分な態様年数を示し、安価である。本発明によるフィルタユニットの場合には、粗フィルタとして設計された第１のフィルタ層が、細フィルタとして設計された第２のフィルタ層の上流に配置される。これによって、より粗い粒子が第１のフィルタ層でまず分離除去される。静電気的な装置を用いての微細粒子の分離、特に塩を含有するエアロゾルの分離は、第２のフィルタ層で行われる。この場合、エアロゾルとは、気相中に存在する固体または液体粒子であると理解されたい。このフィルタユニットは、特にコンパクトである。

第１のフィルタ層よおび／または第２のフィルタ層は、不織布からなっていてよい。不織布は、安価であり、製造が簡単であって、材料、繊維径および単位面積当たり重量の選択によって様々な要求に適合させることができる。この不織布は、好ましくは、プラスチック、例えばポリエステル、ポリオレフィンおよび／またはポリアクリルニトリルからなっている。不織布には、異なる製造方法によって、異なる特性を施与することができ、その特性は、例えば、異なるサイズの粒子のろ過および特定の化学成分のろ過に対する適性である。不織布には、例えばイオン交換体が設けられていてよく、これにより、ガスの性質、つまり塩基性ガスまたは酸性ガス、例えばＮＨ_３またはＳＯ_２に応じてろ過できるようになっている。

フィルタ層は、堅固な結合による方式で（材料接続的に）互いに接合することができる。つまり、これらのフィルタ層は、互いに剛性的に固く接合されており、これにより、この接合されたフィルタ層は、特に簡単に組立ておよび交換することができる。別の態様では、フィルタ層は、キーにより固定される方式で（形状接続的に）かつ／または摩擦により固定される方式で（摩擦接続的に）互いに接合させることができる。２つのフィルタ層を接合させるので、フィルタユニットの固有の剛性も増大する。追加的なメッシュ支持体（support mesh）は必要ではなく、それは、一方で接合によって固有の剛性が増大し、他方でエレクトレットフィルタ材料の使用によってフィルタユニットの圧力損失が低下するからである。固有の剛性（強度）を増大させるために、さらに、フィルタ層は、プラスチック射出成形から製造されたフレーム内に埋設することもできる。

フィルタ層は、互いに溶接することができる。これらのフィルタは、低コストでかつ追加的な補助材料を加えることなく、例えば超音波溶接によって互いに接合することができる。

フィルタ層は、スタンピング成形体として設計することができる。スタンピング成形体は、簡単にかつ様々な形状で製造することができる。

フィルタ層は、エッジに沿って、堅固な結合による方式で互いに接合させることができる。エッジの、堅固な結合による接合、特に溶接は、スタンピングによる１つのステップで行うことができる。これにより、できる限り大きなフィルタ領域が得られる。

課題のさらなる解決策は、燃料電池のガスを搬送するための設備であって、少なくとも１つの第１のフィルタユニットを備えており、この第１のフィルタユニットに、ガス搬送装置および少なくとも１つの別のフィルタユニットが配設されている設備である。粒子および液状エアロゾルは、ガス搬送装置の上流に設けられた本発明によるフィルタユニットで引き留められる。他の成分は、上記の別のフィルタユニットによって引き留められる。これらの成分は、周辺からの有害なガスであり得るが、ガス搬送装置の液体、気体または粒子状の成分であってもよい。ガス搬送装置の典型的な排出物は、例えば、潤滑オイルまたは油圧オイルならびに柔軟剤、離型剤および摩滅によって生じた粒子成分である。これらの排出物は、上記の別のフィルタユニットによって引き留められ、これにより、そういった成分による損傷から下流の燃料電池が保護される。

上記別のフィルタユニットは、化学フィルタからなっていてよい。化学フィルタによって、下流の燃料電池を損傷させ得る有害なガスを、供給空気またはガス搬送装置から除去することができる。

上記別のフィルタユニットは、活性炭の層を備えていてよい。活性炭は、構成装置に応じて、吸着フィルタおよび／または吸収フィルタを形成する。活性炭は、様々な化学成分および粒子のろ過に適している。上記別のフィルタユニットに別の吸収剤を設けることもできる。その場合、フィルタユニットは、物理吸着または化学吸着による作用が可能となる。例えば、含浸炭、二酸化シリコン、ケイ酸アルミニウム、酸化アルミニウムまたはイオン交換体を利用することができる。上記別のフィルタユニットは、追加的に、上流および／または下流の粒子フィルタを備えていてよい。この場合、活性炭層は、活性炭繊維および／または活性炭粒からなっていてもよい。

燃料電池における上記フィルタユニットまたは上記設備は、可動の装置において使用されると有利である。可動装置における、ここで特に、海洋用のまたは近海で利用される装置での使用は、一方で上記フィルタユニットが補助的なエネルギーを必要とせず、他方で特にコンパクトであるので、特に有利である。上記フィルタユニットおよび上記設備は、コンパクトな燃料電池ユニットにおいてフレキシブルさ（融通性）を提供することができる。

さらに、本発明によるフィルタユニットは、塩を含有しかつ粒子を担持した供給空気のろ過のために装着されている。このフィルタユニットは、コンパクトでかつ簡単に交換できるよう設計することができる。この場合、不動の設置場所での利用も可能である。例えば、位置固定された装備は、その場所に応じて深刻なエアロゾル汚染に曝される。これに対し、上述のフィルタユニットおよび上述の設備を効果的に使用することができる。

以下に、本発明のいくつかの態様の例を、図面を用いて詳細に説明する。

図１に、燃料電池供給空気を浄化するためのフィルタユニット１を示す。フィルタユニット１は、燃料電池８の供給空気流９中に配置されている。フィルタユニット１は、不織布からなる２つのフィルタ層２、３を備えている。第１のフィルタ層２は、ポリオレフィン不織布からなっており、粗い粒子をろ過するための目の粗いフィルタとして設計されている。第２のフィルタ層３は、エレクトレットフィルタ材料からなっており、微細な粒子、詳細には塩を含むエアロゾルのろ過のための目の細かいフィルタとして設計されている。エレクトレットフィルタ材料は、ポリプロピレンおよびポリアクリルニトリル繊維の混合物から形成されており、ポリエステルの支持不織布を有している。２つのフィルタ層２、３は、平坦に設計されている。別の態様では、フィルタ層２、３、特に第１のフィルタ層２は、ひだ折りフィルタ（folded filter）として設計されていてもよい。２つのフィルタ層２、３の形成はスタンピングによって行われ、これにより、この態様では、フィルタ層２、３のエッジ４は、スタンピング中に溶接され、よって、堅固な結合により接合される。フィルタ層２、３は、超音波溶接によって接合させることもできる。構築されたフィルタユニット１の厚みは、この態様では、１５ｍｍ未満であり、よって特にコンパクトである。

図２に、燃料電池ガスを搬送するための設備５を示す。この設備は、フィルタユニット１、フィルタユニット１の下流に設けられているガス搬送装置６、およびガス搬送装置６の下流に設けられているフィルタユニット７を備えている。フィルタユニット１は、それぞれ不織布からなる２つのフィルタ層２、３を備えている。第１のフィルタ層２は、ポリオレフィン不織布からなっており、比較的粗い粒子のろ過のための粗フィルタとして設計されている。第２のフィルタ３は、エレクトレットフィルタ材料からなっており、細かい粒子、特に塩を含有するエアロゾルのろ過のための細フィルタとして設計されている。ガス搬送装置６は、この態様では、膜ポンプとして形成されている。別のフィルタユニット７は、活性炭層によって形成されている化学フィルタを含む。ガス搬送装置６からの排出物ならびに他の有害ガスは、この別のフィルタユニット７によって引き留められる。さらに、他の成分の排出物、例えば、燃料電池８の早期の摩滅を招き得るプラスチックからの柔軟剤もろ過することができる。設備５は、燃料電池８の供給空気ライン９中に配置されている。燃料電池８は、可動の装置、この態様では船、例えば帆船に組み付けられる。

フィルタユニットを概略的に示す。 可動の装置における設備を概略的に示す。

Claims (6)

1. 燃料電池の供給ガスを搬送するための設備（５）であって、互いに隣接して設けられている少なくとも２つの層（２、３）を備えている、燃料電池の供給空気を浄化するための少なくとも第１のフィルタユニット（１）を備えており、第１のフィルタ層（２）が粗フィルタとして、第２のフィルタ層（３）が細フィルタとして設計されており、前記第２のフィルタ層（３）が、エレクトレットフィルタ材料からなり、
   前記第１のフィルタユニット（１）に、ガス搬送装置（６）および少なくとも１つの別のフィルタユニット（７）が配設されており、
   前記ガス搬送装置（６）が、前記第１のフィルタユニット（１）の、前記ガスの流れ方向の下流に配置されており、その後ろに、少なくとも１つの別のフィルタユニット（７）が設けられており、
   前記別のフィルタユニット（７）が、化学フィルタからなる、設備。
2. 前記第１のフィルタ層（２）および／または前記第２のフィルタ層（３）が、不織布から製造されている、請求項１に記載の設備。
3. 前記フィルタ層（２、３）が、互いに溶接されている、請求項１または２に記載の設備。
4. 前記フィルタ層（２、３）が、スタンピング成形体として形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の設備。
5. 前記フィルタ層（２、３）が、エッジ（４）に沿って堅固に結合される方式で互いに接合されている、請求項４に記載の設備。
6. 前記別のフィルタユニット（７）が、活性炭層を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の設備。

Images