JP5790591B2 - 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、ヘキサメチルジシロキサン等のシロキサンガスを除去しつつ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）や大気中の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たものが用いられる。

しかしながら、燃料電池の使用環境によっては、大気中に上記のＳＯ_XやＮＯ_X等の不純物に加えてシロキサンガスが含有されている場合があり、この場合には、従来の燃料電池用エアフィルターの構成ではシロキサンガスの吸着・除去が不十分であった。特に、最近では、精密機械や電子部品等の工場屋内で、シリコーン樹脂又はシリカを含有した原料や部品等を使用することが多く、これらの物質からヘキサメチルジシロキサン等のシロキサンガスが発生し、各種電子・精密機械製品に悪影響を及ぼすことが知られている。従来の燃料電池用エアフィルターにおいてもシロキサンガスは吸着することができたが、その吸着量は少なく、所定濃度以上のシロキサンガスの存在は燃料電池の起電力を著しく低下させる不都合があった。

このため、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、シロキサンガスを吸着・除去する効果を倍増させ、燃料電池の性能低下や寿命低下を可及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、シロキサンガスを効果的に除去し、燃料電池の性能低下や寿命低下の発生を効果的に防止し得る燃料電池用フィルターを提供することを目的とする。

本発明者らは、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設すると共に、これら活性炭フィルターと帯電フィルターとの間に、上記活性炭フィルター層に使用される活性炭よりもメッシュが粗い活性炭を充填した活性炭収容体を配設することにより、この活性炭収容体に充填される活性炭により、大気中のシロキサンガスを効果的に吸着・除去することができ、シロキサンガスに起因する性能低下や寿命低下を効果的に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、上記活性炭フィルター層に使用される活性炭よりもメッシュが粗い活性炭を充填した活性炭収容体を配設することを特徴とする燃料電池用フィルター。
［請求項２]
上記活性炭収容体の活性炭のメッシュが＃６以上２０未満である請求項１記載の燃料電池用フィルター。
［請求項３］
上記活性炭フィルター層の活性炭のメッシュが＃２０以上４０以下である請求項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たフィルターで形成されたものである請求項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４記載の燃料電池用フィルター。

本発明によれば、大気中に含まれるシロキサンガスを効果的に除去し、燃料電池の性能低下や寿命低下の発生を効果的に防止することができる。
ことを目的とする。

本発明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。 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。

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活性炭収容体を有し、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、特定の活性炭を充填した活性炭収容体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***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、石炭系造粒炭、その他の成型活性炭などが例示され、中でも石炭系造粒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１，０００〜２，０００ｍ²／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。更に、上記活性炭フィルター層の活性炭のメッシュは＃２０以上４０以下であることが好適である。その理由は、＃２０未満となると低分子量のガス吸着能力が低くなり、＃４０を超えるとバインダーに活性炭が埋もれてしまい、ＢＥＴ比表面積を十分に確保することができないおそれがあるからである。

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、不織布や織布目付けとしては、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、特定の活性炭を充填した活性炭収容体３を配設したものであり、この活性炭収容体３に充填された活性炭により、活性炭フィルター層１を通過した気体から大気中に含まれるシロキサンガスを確実に吸着・除去するものである。

上記の活性炭収容体３において、使用される活性炭については、例えば椰子殻活性炭、木質活性炭、石油ピッチ系活性炭、石炭系造粒炭、その他の成型活性炭などが例示され、中でも石炭系造粒炭が好ましく用いられる。また、上記の活性炭のＢＥＴ比表面積としては、シロキサンガスを効果的に吸着させるためには、５００〜２，０００ｍ²／ｇ、特に、１，０００〜１，５００ｍ²／ｇ程度のものを使用することが好適である。

また、上記の活性炭収容体３に使用される活性炭のメッシュは上記活性炭フィルター層に使用される活性炭よりもメッシュが粗いものであり、具体的には、メッシュが＃６以上２０未満であることが好適であり、より好ましくは、メッシュが＃８以上１５以下である。上記の活性炭のメッシュの範囲を逸脱すると、シロキサンガスを確実に吸着・除去することができず、すぐに飽和状態になりアウト側にシロキサンガスが流れてしまうおそれがある。

上記活性炭収容体３の容積は、特に制限はないが、本発明の目的であるシロキサンガスの吸着・除去効果をより確実なものにするためには、活性炭収容体３の占有容積が、活性炭フィルター層１、帯電フィルター層２及び活性炭収容体３からなるフィルター全体の容積の１／５〜１／１５とし、より好ましくは、１／１２〜１／１４とすることが望ましい。

また、本発明の目的及び効果は、大気中のシロキサンガスを確実に除去するほか、不純物ガス（ＳＯ_X，ＮＯ_Xなど）及び塵埃を除去することにより燃料電池の性能低下や寿命低下の発生をより効果的に防止し得るものである。このため、活性炭フィルター層１／帯電フィルター層２／活性炭収容体３の容積比は、５〜１５／０．５〜５／０．５〜１０、より好ましくは、９〜１１／０．５〜２／１〜３である。

本発明の燃料電池用フィルターは、活性炭フィルター層１と帯電フィルター層２との間に上記活性炭収容体３を配設したものであるが、図１に示すように、活性炭収容体３と活性炭フィルター層１との間、及び活性炭収容体３と帯電フィルター層２との間に、活性炭収容体３に充填される活性炭が活性炭フィルター層内や帯電フィルター層内に混入することを防止するための、別のフィルターを設けることができる。このようなフィルターとしては、ウレタンフォーム層や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。但し、本発明の効果を十分に発揮させるためには、活性炭フィルター層１、帯電フィルター層２及び活性炭収容体３の占有容積を十分に確保させる点から、上記のフィルターの厚さは、出来る限り小さくすることが望ましく、具体的には、活性炭収容体３の容積の１／２０〜１／５程度のシート状物或いは薄層であることが好適である。

上記の別のフィルターとして、ウレタンフォーム層を使用した場合には、このウレタンフォーム層４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ことができる。この場合、上記のウレタンフォーム層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。上記のウレタンフォーム層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自体に目詰まりが発生する不都合を生じる場合がある。但し、上述したように、ウレタンフォーム層を使用する場合には、活性炭フィルター層１、帯電フィルター層２及び活性炭収容体３の占有容積を十分に確保させ、フィルターの厚さを小さくする点から、薄層又はシート状のウレタンフォーム層を採用することが望まれる。

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、活性炭収容体３及びシート状ウレタンフォーム層４，４を一体的に形成して、図１に示した構造の燃料電池用フィルター（実施例１）と、上記の活性炭収容体３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１）積層して形成し、活性炭収容体３に収容される活性炭は下記のものを使用し、シート状ウレタンフォーム層４，４は下記ウレタンフォーム材料を１枚積層して形成した。実施例１における活性炭フィルター層１／帯電フィルター層２／活性炭収容体３の占有容積の比率は、１２／１／２であった。

［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、メッシュ＃２０〜＃４０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）製、「ＳＢ０５０Ｎ」）を積層したもの。
［活性炭収容体３］
活性炭収容体３に充填される活性炭は、商品名「キントールＳＧ６−２０」、（株）キャタラー製の、メッシュ＃６〜２０の石炭系造粒炭である。活性炭収容体３の容積は、６０．３ｃｍ³、嵩密度は、０．３８ｇ／ｍｌである。
［シート状ウレタンフォーム層４］
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３ｍｍ。

得られた実施例１，比較例１の燃料電池用フィルターについて、シロキサン（ヘキサメチルジシロキサン）濃度０．２２ｐｐｍの大気をフィルターの上流側から導入し、通過させ、帯電フィルター層が近傍に位置する気体の排出側のシロキサンガスの濃度を測定した。

その結果、比較例１の燃料電池用フィルターにおいては、大気中に含まれるシロキサン（ヘキサメチルジシロキサン）濃度は０．１０ｐｐｍ以下であり、約１／２倍以下に低減させることができたが、実施例１の燃料電池用フィルターにおいては、更にシロキサンガスの濃度を低減させ、検出限界以下にすることができた。これにより、実施例１の燃料電池用フィルターは、大気中に含まれるシロキサンガスを確実に除去することができ、比較例１の約２倍以上の吸着量を示すことが分かった。

ＳＯ ₂ 、ＮＯ ₂ 、トルエンの各ガスによる初期吸着能力測定
下記の手順により、実施例１及び比較例１の燃料電池用フィルターの各ガスの吸着性能を評価した。
〔評価方法〕
（１）チャンバーに各例のフィルターを入れる。
（２）ガステック社製標準ガス発生装置（パーミエーター ＰＤ−１Ｂ−２）にて各種ガスを１〜２Ｌ／ｍｉｎでチャンバー内に流す。
（３）ＳＯ₂の濃度が１５ｐｐｍ、ＮＯ₂の濃度が４０ｐｐｍ及びトルエンの濃度が１００ｐｐｍとなるように、チャンバー内を各種ガスで充満させる。
（４）チャンバーからガスを１〜２Ｌ／ｍｉｎで吸引し（標準ガス発生装置に合わせる）、１５分後の各ガスの濃度をガステック社製検知管により測定する。
その結果、下記の表１に示されるように、実施例１の燃料電池用フィルターは、比較例１と同様に、ＳＯ₂、ＮＯ₂、トルエンの各ガスを十分に除去することが確認された。

１ 活性炭フィルター層
２ 帯電フィルター層
３ 活性炭収容体
４ シート状ウレタンフォーム層

Claims (5)

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、上記活性炭フィルター層に使用される活性炭よりもメッシュが粗い活性炭を充填した活性炭収容体を配設することを特徴とする燃料電池用フィルター。
2. 上記活性炭収容体の活性炭のメッシュが＃６以上２０未満である請求項１記載の燃料電池用フィルター。
3. 上記活性炭フィルター層の活性炭のメッシュが＃２０以上４０以下である請求項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たフィルターで形成されたものである請求項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４記載の燃料電池用フィルター。

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