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JP2018037170A - 燃料電池システム用エアクリーナ - Google Patents

燃料電池システム用エアクリーナ Download PDF

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貴美子 吉田
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Abstract

【課題】塵埃の捕集性能及び不純ガスの吸着性能の双方を向上させつつ、圧力損失の増大を抑制することができる。【解決手段】エアクリーナ１０は、インレット１６及びアウトレット２０を有するハウジング１２と、ハウジング１２の内部に設けられ、空気に含まれる塵埃を捕集する第１フィルタ３０と、ハウジング１２の内部において空気の流れ方向に第１フィルタ３０と並んで配置され、空気に含まれる硫黄系ガスを吸着する第２フィルタ４０とを備えている。第１フィルタ３０は、不織布と、不織布よりも空気の流れ方向の下流側に位置し、不織布よりも充填密度の高い濾紙とが互いに貼り付けられた濾材を有している。第２フィルタ４０は、多数の透孔を有するハニカム構造の基材と、透孔の内面に設けられ、空気に含まれる硫黄系ガスを酸化する酸化触媒と、硫黄酸化物を吸着する吸着剤とを有している。【選択図】図２

Description

本発明は、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エアクリーナに関する。
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格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に記載の空気供給通路には、上流側から順に、エアクリーナとコンプレッサとが設けられている。エアクリーナのケースの内部には、濾紙からなるエアフィルタが設けられており、吸入された空気がエアフィルタを通過する際に、空気に含まれる塵埃が除去される。
ところで、空気には、二酸化硫黄や硫化水素などの不純ガスが含まれている。特に、こうした硫黄系ガスが燃料電池本体の内部に流入して白金触媒などに吸着されると、触媒機能が低下して電池性能が低下するおそれがある。そこで、従来、空気供給通路の途中に、不純ガスを吸着する吸着フィルタを設けるようにしたものが提案されている。
特開２００８−５２９６９号公報
ところで、特許文献１に記載のエアクリーナを含む従来の燃料電池システム用エアクリーナでは、除塵性において、なお、改善の余地を残すものとなっている。また、空気供給通路に、塵埃を捕集するフィルタと、不純ガスを吸着するフィルタとを設けた場合には、通気抵抗が大きくなって圧力損失が増大するという不都合が生じる。更に、空気に含まれる塵埃を捕集するフィルタや、不純ガスを吸着するフィルタを設けることによって空気供給通路の構成が複雑になるという問題が生じる。
本発明の目的は、塵埃の捕集性能及び不純ガスの吸着性能の双方を向上させつつ、圧力損失の増大を抑制することのできる燃料電池システム用エアクリーナ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クリーナは、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エアクリーナであって、インレット及びアウトレットを有するハウジングと、前記ハウジングの内部に設けられ、空気に含まれる塵埃を捕集する第１フィルタと、前記ハウジングの内部において空気の流れ方向に前記第１フィルタと並んで配置され、空気に含まれる不純ガスを吸着する第２フィルタと、を備え、前記第１フィルタは、不織布と、同不織布よりも空気の流れ方向の下流側に位置し、同不織布よりも充填密度の高い濾紙とが互いに貼り付けられた濾材を有しており、前記第２フィルタは、多数の透孔を有するハニカム構造の基材と、前記透孔の内面に設けられ、不純ガスを吸着する吸着剤と、を有している。
同構成によれば、空気が第１フィルタの濾材を通過する際に、空気に含まれる比較的大きな塵埃などは、不織布によって捕集されるとともに、不織布を通過した小さな塵埃などは、不織布の下流側に貼り付けられた濾紙によって捕集される。このため、幅広い大きさの塵埃を捕集することができ、塵埃の捕集性能を高めることができる。
一方、第２フィルタの基材の透孔を空気が通過する際には、空気に含まれる硫黄系ガスなどの不純ガスが吸着剤により吸着される。基材は多数の透孔を有しているため、不純ガスの吸着性能を維持しつつ、圧力損失の増大を抑制することができる。
更に、第１フィルタ及び第２フィルタが１つのハウジングの内部に収容されているため、空気を供給する通路におけるエアクリーナ以外の他の構成を簡単にすることができる。
本発明によれば、塵埃の捕集性能及び不純ガスの吸着性能の双方を向上させつつ、圧力損失の増大を抑制することができる。
燃料電池システム用エアクリーナの一実施形態について、燃料電池システムの概略構成を示すブロック図。 同実施形態におけるエアクリーナの断面構造を示す断面図。 同実施形態における第１フィルタの濾材の一部における空気の流れ方向に沿った断面構造を示す断面図。 同実施形態における第２フィルタの一部における空気の流れ方向に直交する断面構造を示す断面図。
以下、図１〜図４を参照して、一実施形態について説明する。
まず、図１を参照して、燃料電池システムの概略構成について説明する。
本実施形態の燃料電池システムは、走行の駆動源として電力を発電するために車両に搭載されるものである。
図１に示すように、燃料電池システムには、電解質膜を有する複数のセルを積層して形成された燃料電池スタック５０、燃料電池スタック５０に対して空気を供給する空気供給通路５２、及び燃料電池スタック５０に対して高圧タンク５８からの水素を供給する水素供給通路５６が設けられている。本実施形態の燃料電池スタック５０が、燃料電池本体に相当する。
燃料電池システムには、燃料電池スタック５０からの空気のオフガスを排出する空気排出通路６０、及び燃料電池スタック５０からの水素のオフガスを排出する水素排出通路６２が設けられている。
以降において、空気供給通路５２における空気の流れ方向の上流側及び下流側を「上流側」及び「下流側」と定義する。
空気供給通路５２には、上流側から順に、エアクリーナ１０と、空気を吸入するとともに燃料電池スタック５０に向けて圧送するコンプレッサ５４とが設けられている。なお、コンプレッサ５４の下流側には、空気を加湿するための加湿装置（図示略）が設けられる。
次に、図２〜図４を参照して、本実施形態のエアクリーナ１０について説明する。
図２に示すように、エアクリーナ１０のハウジング１２は、インレット１６を有するケース１４と、アウトレット２０を有するキャップ１８とを備えている。
インレット１６には、インレットダクト２２が接続される。なお、インレットダクト２２を省略することもできる。
アウトレット２０には、接続ダクト２４が接続される。接続ダクト２４の下流側に上記コンプレッサ５４が接続される。
ハウジング１２の内部には、上流側から順に、空気に含まれる塵埃を捕集する第１フィルタ３０と、空気に含まれる硫黄系ガス（例えば、二酸化硫黄や硫化水素）などの不純ガスを吸着する第２フィルタ４０とがハウジング１２の流路断面全体にわたってそれぞれ設けられている。
次に、第１フィルタ３０について説明する。
図３に拡大して示すように、第１フィルタ３０は、襞折りされた濾材３２を有している。なお、濾材３２の外周部には、濾材３２とハウジング１２との間をシールするシール部材（図示略）が設けられている。
濾材３２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３４と、不織布３４の下流側に位置し、不織布３４よりも充填密度の高い濾紙３６とを互いに貼り付けることにより形成されている。本実施形態の不織布３４は、帯電加工が施されたエレクトレット不織布である。本実施形態では、超音波振動を利用したエンボス加工により、不織布３４と濾紙３６とが部分的に熱圧着されている。
次に、第２フィルタ４０について説明する。
図４に拡大して示すように、第２フィルタ４０は、多数の透孔４４を有するハニカム構造の基材（以下、ハニカム基材４２）を備えている。ハニカム基材４２は、アルミニウム箔によって形成されている。なお、ハニカム基材４２の外周部には、ハニカム基材４２とハウジング１２との間をシールするシール部材（図示略）が設けられている。
ここで、「ハニカム構造」とは、断面正六角形の透孔が隔壁を介して隙間なく並べられた狭義のハニカム構造のみではなく、所定の断面形状の透孔が隔壁を介して隙間なく並べられた広義のハニカム構造を意味する。
透孔４４の内面には、空気に含まれる二酸化硫黄や硫化水素などの硫黄系ガスを酸化する紛状の酸化触媒４６と、硫黄酸化物を吸着する紛状の吸着剤４８が塗布されている。なお、同図では、酸化触媒４６及び吸着剤４８を模式的に示している。酸化触媒４６としては、二酸化マンガンが好ましい。また、吸着剤４８としては、活性炭が好ましい。
次に、本実施形態の作用について説明する。
コンプレッサ５４により吸入された空気は、第１フィルタ３０の濾材３２を通過する際に、空気に含まれる比較的大きな塵埃などは不織布３４によって捕集される。また、不織布３４を通過した小さな塵埃などは、不織布３４の下流側に貼り付けられた濾紙３６によって捕集される。このため、幅広い大きさの塵埃を捕集することができる。
一方、第２フィルタ４０のハニカム基材４２の透孔４４を空気が通過する際には、空気に含まれる二酸化硫黄や硫化水素などの硫黄系ガスが酸化触媒４６により酸化され、そうして生成された硫酸などが吸着剤４８により吸着される。
ハニカム基材４２は多数の透孔４４を有しているため、上述した硫黄系ガスの吸着性能を維持しつつ、圧力損失の増大を抑制することができる。
以上説明した本実施形態に係る燃料電池システム用エアクリーナによれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）第１フィルタ３０は、不織布３４と、不織布３４よりも空気の流れ方向の下流側に位置し、不織布３４よりも充填密度の高い濾紙３６とが互いに貼り付けられた濾材３２を有している。第２フィルタ４０は、多数の透孔４４を有するハニカム基材４２と、透孔４４の内面に設けられ、空気に含まれる硫黄系ガスを酸化する酸化触媒４６と、硫黄酸化物を吸着する吸着剤４８とを有している。
こうした構成によれば、上記作用を奏することにより、塵埃の捕集性能及び不純ガスの吸着性能の双方を向上させつつ、圧力損失の増大を抑制することができる。
（２）エアクリーナ１０は、インレット１６及びアウトレット２０を有するハウジング１２と、ハウジング１２の内部に設けられ、空気に含まれる塵埃を捕集する第１フィルタ３０と、ハウジング１２の内部において空気の流れ方向に第１フィルタ３０と並んで配置され、空気に含まれる硫黄系ガスを吸着する第２フィルタ４０とを備えている。
こうした構成によれば、第１フィルタ３０及び第２フィルタ４０が１つのハウジング１２の内部に収容されているため、空気供給通路５２におけるエアクリーナ１０以外の構成を簡単にすることができる。
（３）第１フィルタ３０の濾材３２を構成する不織布３４が、エレクトレット不織布である。
こうした構成によれば、不織布３４が帯電しているため、静電気力によって更に細かい塵埃などを捕集することができる。したがって、塵埃の捕集性能を一層高めることができる。
（４）第２フィルタ４０のハニカム基材４２がアルミニウム箔により形成されている。このため、ハニカム基材４２の剛性を確保しつつ、ハニカム基材４２の薄肉化を図ることができる。したがって、透孔４４の流路断面積を大きくすることができ、圧力損失の増大を抑制することができる。
（５）第１フィルタ３０が第２フィルタ４０よりも上流側に設けられている。このため、第２フィルタ４０が塵埃などで目詰まりすることを抑制することができ、第２フィルタ４０による不純ガスの吸着性能を長期間にわたって維持することができる。
＜変形例＞
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・酸化触媒４６を省略することもできる。
・第２フィルタ４０のハニカム基材４２を構成する各透孔４４の断面形状を正六角形などの他の形状に適宜変更することができる。
・ハニカム基材４２をアルミニウム以外の金属材料やセラミック材料によって形成することもできる。
・帯電加工されていない不織布３４によって第１フィルタ３０の濾材３２を形成することもできる。
・第１フィルタ３０を第２フィルタ４０の下流側に設けるようにしてもよい。この場合、第２フィルタ４０のハニカム基材４２から酸化触媒４６の粉体や吸着剤４８の粉体が脱落しても、これらの粉体が第１フィルタ３０によって捕集されることとなる。
１０…エアクリーナ、１２…ハウジング、１４…ケース、１６…インレット、１８…キャップ、２０…アウトレット、２２…インレットダクト、２４…接続ダクト、３０…第１フィルタ、３２…濾材、３４…不織布、３６…濾紙、４０…第２フィルタ、４２…ハニカム基材、４４…透孔、４６…酸化触媒、４８…吸着剤、５０…燃料電池スタック（燃料電池本体）、５２…空気供給通路、５４…コンプレッサ、５６…水素供給通路、５８…高圧タンク、６０…空気排出通路、６２…燃料ガス排出通路。

Claims (3)

  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エアクリーナであって、
    インレット及びアウトレットを有するハウジングと、
    前記ハウジングの内部に設けられ、空気に含まれる塵埃を捕集する第１フィルタと、
    前記ハウジングの内部において空気の流れ方向に前記第１フィルタと並んで配置され、空気に含まれる不純ガスを吸着する第２フィルタと、を備え、
    前記第１フィルタは、不織布と、同不織布よりも空気の流れ方向の下流側に位置し、同不織布よりも充填密度の高い濾紙とが互いに貼り付けられた濾材を有しており、
    前記第２フィルタは、多数の透孔を有するハニカム構造の基材と、前記透孔の内面に設けられ、不純ガスを吸着する吸着剤と、を有している、
    燃料電池システム用エアクリーナ。
  2. 前記第１フィルタの前記濾材を構成する前記不織布がエレクトレット不織布である、
    請求項１に記載の燃料電池システム用エアクリーナ。
  3. 前記第２フィルタの前記基材を構成する前記透孔の内面には、空気に含まれる硫黄系ガスを酸化する酸化触媒が担持されている、
    請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム用エアクリーナ。
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