(57)【要約】吸気される汚い空気から微粒子汚染物質と化学汚染物質または双方を除去するエアフィルタ組立体。濾過されたか浄化された空気は燃料電池のような触媒装置に供給される。フィルタ組立体は、物理的および微粒子汚染物質を除去する物理フィルタ部分と、化学汚染物質を除去する化学フィルタ部分または双方の部分を含むことができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を発生するシステムにおいて、前記システムは、
（ａ）エアフィルタ組立体であって、
（ｉ）入口と出口を有するハウジングであって、前記入口は汚い大気の空気を受け、前記エアフィルタ組立体の中に入れ、前記出口は前記エアフィルタ組立体からきれいな空気を受け、
（ｉｉ）前記ハウジングの中のフィルタエレメントであって、前記フィルタエレメントは、
（Ａ）前記汚い空気から微粒子の汚染物質を取り除くように構成されまた配置される物理フィルタ部分と、
（Ｂ）前記汚い空気から化学的な汚染物質を取り除くように構成されまた配置される化学フィルタ部分とを備え、
（ｂ）空気吸気口を有する燃料電池であって、前記エアフィルタ組立体の前記出口から綺麗な空気を、前記空気吸気口に提供するように構成されまた配置される前記エアフィルタ組立体と、
を具備することを特徴とする電力を発生するシステム。
【請求項２】
前記物理フィルタ部分は、
（ａ）約０．６３５ｃｍ（０．２５インチ）以上の大きさの微粒子汚染物質を除去するように構成および配置される目の粗いフィルタ部分と、
（ｂ）約０．６３５ｃｍ（０．２５インチ）以下の大きさの微粒子汚染物質を除去するように構成および配置される微粒子フィルタ部分と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の電力を発生するシステム。
【請求項３】
前記微粒子汚染物質の約０．６３５ｃｍ（０．２５インチ）以上の大きさのものには、葉、種子、紙、ゴミ、破片、花および動物が含まれることを特徴とする請求項２に記載の電力を発生するシステム。
【請求項４】
前記微粒子汚染物質の約０．６３５ｃｍ（０．２５インチ）以下の大きさのものには、塵埃、汚物、花粉、昆虫、木片、大鋸屑、金属切削切子が含まれることを特徴とする請求項２に記載の電力を発生するシステム。
【請求項５】
前記化学フィルタ部分は、吸着性の材料を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電力を発生するシステム。
【請求項６】
前記吸着性の材料が、活性炭、飽和添着炭、活性炭繊維、イオン交換樹脂、イオン交換繊維、アルミナ、活性アルミナ、分子シーブおよび珪石を含む群から選ばれることを特徴とする請求項５に記載の電力を発生するシステム。
【請求項７】
前記吸着性の材料が、第１の吸着層の材料と第２の吸着層の材料とから構成されることを特徴とする請求項５に記載の電力を発生するシステム。
【請求項８】
前記第１の吸着層の材料は、第１の部分に設けられ、前記第２の吸着層の材料は、第２の部分に設けられることを特徴とする請求項７に記載の電力を発生するシステム。
【請求項９】
前記吸着性の材料が、酸性の表面と基本的な表面の一つを有することを特徴とする請求項５に記載の電力を発生するシステム。
【請求項１０】
前記吸着性の材料が、基本的な汚染物質を取り除くように構成されかつ配置された酸性の面を有し、前記基本的な汚染物質は、アンモニア、アミン、アミド、ナトリウム水酸化物、リチウム水酸化物、カリウム水酸化物、揮発性の有機的なベースおよび不揮発性の有機的なベースから成る群であることを特徴とする請求項９に記載の電力を発生するシステム。
【請求項１１】
前記吸着性の材料が、基本的な面を有し、酸性の汚染物質を取り除くように構成されかつ配置されるとともに、前記酸性の汚染物質は、硫化酸化物、窒素酸化物、硫化水素、水素塩化物、揮発性の有機的な酸および不揮発性の有機的な酸から成る群から選ばれることを特徴とする請求項９に記載の電力を発生するシステム。
【請求項１２】
前記エアフィルタ組立体は、さらに、
（ａ）前記物理フィルタ部分と前記エアフィルタ組立体の前記出口との間において流体的に連通されるエアバイパス・システムを含み、前記エアバイパス・システムは、前記物理フィルタ部分から流れる空気流を前記化学フィルタ部分を介することなく前記燃料電池の前記吸気口に送るように構成および配置されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の電力を発生するシステム。
【請求項１３】
燃料電池とともに使用されるフィルタ組立体であって、前記フィルタ組立体は、
（ａ）入口と出口を有するハウジングであって、前記入口は汚い大気の空気を受け、前記フィルタ組立体の中に入れ、前記出口は前記フィルタ組立体からきれいな空気を受け、
（ｂ）前記ハウジングの中のフィルタエレメントであって、前記フィルタエレメントは、
（ｉ）前記汚い空気から微粒子の汚染物質を取り除くように構成されまた配置される物理フィルタ部分と、
（ｉｉ）前記汚い空気から化学的な汚染物質を取り除くように構成されまた配置される化学フィルタ部分であって、前記化学フィルタ部分は、
（Ａ）汚い空気から、アンモニア、アミンを取り除くように構成および配置される第１の部分であって、前記第１の部分は飽和活性炭素の吸収媒体からなり、
（Ｂ）汚い空気から、酸性ガス、有機物質を取り除くように構成および配置される第２の部分であって、前記第２の部分は飽和活性炭素の吸収媒体からなり、
（Ｃ）汚い空気中の汚染物質を酸化するように構成および配置される第３の部分であって、前記第３の部分は触媒材料からなる、ことを特徴とするフィルタ組立体。
【請求項１４】
前記フィルタエレメントは、パネル形状であることを特徴とする請求項１３に記載のフィルタ組立体。
【請求項１５】
前記フィルタエレメントは、円筒形状であることを特徴とする請求項１３に記載のフィルタ組立体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本出願は、２００１年９月１２日に米国を除く全ての国を指定して、ＰＣＴ国際特許出願として米国所在のドナルドソン　カンパニー、インコーポレイティドの出願人名で、２０００年９月１２日に出願された米国出願番号０９／６６０，１２７号の優先権主張に基づき出願された。
【０００２】
（発明の分野）
本出願は、低温の触媒作用の処理工程用のエアフィルタシステムに関する。特に、本開示は、燃料電池の装置で使用されるエアフィルタに係るものである。
【０００３】
（開示の背景）
今日の世界の全ての大気空気は、ある程度の汚染物質を有しているが、これは仕方がないとされている。これらの汚染物質には、例えば枯葉、ちぎれた紙などの破片、綿木の花、昆虫などの大きなものと、微粒子のように空気中に分散するために充分に小さなものがある。このような微粒子は、埃、花粉、スモッグおよび煙の煤塵がある。
【０００４】
化学汚染物質も大気空気中に広く存在している。これらの多くは、人工の汚染の結果であるが、他の化学薬品も自然に発生する。典型的な汚染物質としては、メタン、ブタン、プロパンなどの炭化水素と、アンモニアや窒素の酸化物や硫酸化物や、一酸化炭素や水素硫化物などの揮発性の有機的な化合物が含まれる。
【０００５】
自動車などの今日の殆どの機械は、それらの動作に問題を引き起こすような汚染物質は濾過するか、または汚染物質に耐えることができるように設計されることであろう。例えば、葉や紙などの大きなサイズの汚染物質は、自動車のグリルと種々のベントによって空気の吸気流から取り除かれる。この構成は、またエンジン部に侵入するかもしれない鳥やリスおよびマウスなどの小動物を取り除くようにしている。埃などのより細かい汚染物質は、エンジンルーム内に配設されたエアフィルタにより取り除かれる。そして、典型的な自動車と内燃焼機械群（例えば、芝刈り機、除雪用ブロア装置、スノーモービル他）にとっては、装置の機能上において化学汚染物質の影響がたとえあったとしても、機関の燃焼工程において動力を発生する段階では、吸気空気中に存在する化学汚染物質に耐えることができるためにその影響は非常に少ない。
【０００６】
今日の汚染された大気中で最適に作動するように最適化されていないいくつかの機械とシステムが未だに存在する。この理由は、効率的な動作または最適な動作のいずれかまたは一方の条件に必要となる浄化された吸気空気の重要性が認識されていないか、または空気中の汚染物質により機械の性能を下げる点について未だ最適に認識されていないか定義されていないことによる。
【０００７】
住宅と商業の両目的のために、電力供給源として急速に広まりつつある燃料電池は、未だ完全に理解されているわけではない１つのタイプのシステムである。この燃料電池は、電解質をサンドイッチする２つの電極（陽極と陰極）から成る装置である。そのセルのサイズ、形およびデザインによって燃料電池は、携帯電話やコンピュータ、自動車、住宅の家屋または発電所さえ稼働させることができるようなエネルギーを供給することができる。燃料電池は、通常は燃料資源がセルの陽極側面に供給され、酸化剤が陰極側に供給されている状態で作動する。一般的に使用される燃料は例えば水素である。
【０００８】
多くの燃料電池は、燃料電池の機能に必要な吸気空気中に多量の汚染物質があると効率的に作動するようには設計されていない。さらに、一般的に燃料電池は吸気空気中の汚染物質に対処するか、または濾過できるようには設計されていない。この理由は、燃料電池とその動作が新しい技術であることから、その動作パラメタについて定義されていないことによる。一般に、燃料電池の総合的な能力と限界は完全に理解されているわけではない。
【０００９】
したがって、望まれているものは、広い範囲の汚染物質を有する環境下で機能できる燃料電池である。
【００１０】
（開示の概要）
本発明は、燃料電池のような低温度での触媒反応で使用される吸気された空気を濾過するためのエアフィルタ組立体を提供するものである。この組立体は、浄化された酸化剤を燃料電池などの触媒反応体の陰極側面に提供するために、吸気される空気の流れの特定の濾過と化学濾過のいずれかまたは双方を行う。
【００１１】
このフィルタ組立体は、化学触媒反応を阻害する微粒子または化学汚染物質のいずれかまたは双方を捕らえて捕捉する。一実施例のフィルタ組立体によれば、化学汚染物質を捕捉し、一時的に保持しておき、導入される汚い空気の汚染物質が許容可能レベル以下になると、汚染物質放出する。
【００１２】
このフィルタ組立体は、低温の触媒反応の工程で役に立つ。このフィルタ組立体は、プロトン変換膜（ＰＥＭ）などのように燃料電池で使用される空気を濾過するために使用することができる。
【００１３】
一つの実施例では、電力を発生するシステムが提供される。このシステムは、エアフィルタ組立体であって、ハウジングと、このハウジング中のフィルタエレメントとが含まれる。このハウジングは、入口と出口とを備え、入口は汚い大気をフィルタ組立体に供給し、この出口はフィルタ組立体からきれいな空気を供給する。フィルタエレメントは、汚い空気から微粒子汚染物質を取り除くために組み立てられるとともに配設される物理的または微粒子濾過部分と、汚い空気から化学汚染物質を取り除くための化学フィルタ部分を含む。このシステムはさらに空気導入口を有する燃料電池を含む。このエアフィルタ組立体は、フィルタ組立体の出口から燃料電池の吸気口まできれいな空気を供給するために組み立てられて配設される。
【００１４】
別の実施例では、燃料電池とともに使用されるフィルタ組立体が提供される。このフィルタ組立体は、ハウジングとこのハウジング中のフィルタエレメントを有する。このハウジングは入口と出口とを備え、入口は汚い大気をフィルタ組立体に供給し、この出口はフィルタ組立体からきれいな空気を供給する。フィルタエレメントは、汚い空気から微粒子汚染物質を取り除くために組み立てられるとともに配設される物理的または微粒子濾過部分と、汚い空気から化学汚染物質を取り除くための化学フィルタ部分を含む。特に、化学フィルタ部分は汚い空気からアンモニアとアミンを取り除くために組み立てられて配設される。このために飽和活性炭吸着媒体からなる第１の部分と、汚い空気から酸性のガスと有機的な材料を取り除くために組み立てられて配設される第２の部分とを含み、この第２の部分は飽和活性炭吸着媒体からなり、汚い空気中の汚染物質を酸化させる第３の部分とからなり、この第３の部分は触媒の材料を含む。また、第４の部分と必要な追加部分も含ませることができる。
【００１５】
（好適な実施例の説明）
図１を参照して、本発明のフィルタ組立体１０の一つの適用例は、空気から汚染物質を取り除き、低温の触媒反応で使用するような装置に使用される。
【００１６】
図１に表現されるように、大気または周囲の空気５０は入口１２を通ってフィルタ組立体１０に入る。このフィルタ組立体１０に入る前の大気５０は、様々な物理的汚染物質（例えば、微粒子）および化学汚染物質を持った汚い空気５２である。フィルタエレメント１５は、出口１４を通してフィルタ組立体１０から出されるきれいな空気５４を供給するために、汚い空気５２を濾過する。きれいな空気５４が、設備１００の吸気空気５６となる。この実施例では、設備１００は燃料電池１０２である。この設備１００はこの吸気空気５６を利用して作動し、排気６０は設備１００から出る。
【００１７】
図１を参照して、本発明のフィルタ組立体１０は、フィルタ組立体１０の様々なフィルタエレメントに対して空気を送るための入口１２を持っている。このフィルタ組立体１０は、汚い空気側１３と綺麗な空気側１７を有した少なくとも１つのフィルタエレメントを有する。ほとんどの実施例において、フィルタエレメント１５はハウジング１１内で取り囲まれるか別の方法でケースに入れられる。また、フィルタ組立体１０は、フィルタ組立体１０で取り除かれた空気を燃料電池１０２か他の設備１００に受け渡すための出口１４を含む。
【００１８】
大気５０は、ハウジング１１の入口１２を介してフィルタ組立体１０中に入り、フィルタエレメント１５の汚い空気側１３に進む。空気がフィルタエレメント１５を通過し、綺麗な空気側１７に通り抜けるときに、汚染物質が除かれて濾過された空気５４が供給される。この濾過された空気は、フィルタのハウジング１１の出口１４を介して通過して、設備１００で使用される。濾過された空気５４を提供するために空気中から取り除かれる汚染物質の種類と量は、空気５０中に存在している汚染物質と少なくとも１つのフィルタエレメント１５に依存する。
【００１９】
このフィルタエレメント１５の構成としては、概ね２次平面となるパネルフィルタ構造にすることができる。このパネルフィルタエレメント１５’の一例は図２に示される。確認を容易にするために、図１で述べた主要な構成であって同じ機能をする構成についは、図２においてプライム附合（’’’’’）を各番号に付与して示してある。これは図３に示した構成でも同じである。
【００２０】
最初に、汚い空気５２ がパネルフィルタ １５’の空気側１３’ に入り、フィルタ媒体２５を通過し、次に、浄化された空気５４として空気側１７’ から出る。このパネルフィルタ１５’は、第１の側１３’と第２の側１７’の一方または双方において、フィルタ媒体２５を保護するとともに、特に大きな微粒子または破片を取り除くための外側のライナー２８を備えている。このフィルタ媒体２５は、後述するように少なくとも一つの微粒子濾過エレメントと化学濾過エレメントを少なくとも備える。いくつかの実施例では、フィルタ媒体２５は、微粒子状の汚染物質と化学的な汚染物質の双方を除去する。
【００２１】
これに代えて、図３に示すようにフィルタエレメント１５は、管状または円環状のフィルタエレメント１５’’の構造にすることができる。一般的に、管状のフィルタエレメントは二つの端部キャップ４１、４２の間におけるフィルタ媒体２５’の延設部分を含む。このフィルタエレメント１５は内部容積部３５を規定する外側面３２と内側面３４とを有している。第１の端部キャップ４１は、内部容積部３５への接近を許容するために主に「開口」しており、第２の端部キャップ４２は管状のフィルタエレメント１５’’の底部全体を横切るように延設された主に「閉じた」端部キャップである。外側ライナー２８’をフィルタエレメント１５’’の外周面３２の上に配置することでフィルタ媒体２５’を保護することができ、内側ライナーを内周面３４の上に配置することができる。このフィルタ媒体２５’は、後述するように少なくとも一つの微粒子濾過エレメントと化学濾過エレメントを少なくとも備えるか、フィルタ媒体２５’は微粒子及び化学的汚染物質の除去ができる。
【００２２】
この管状のフィルタエレメント１５’’によれば、空気はフィルタ媒体２５’に対して相対的に内側／外側（すなわち、「逆方向の流れ」）の方向に流れるか、外側／内側（すなわち、「正方向の流れ」）の方向に流れるように案内される。図３において、汚い空気５２がフィルタ媒体の外周面３２から入り、内周面３４を通過してから内部容積部３５を通過する様子が示されている。このような実施例では、外周面３２が汚い空気側１３’’となり内周面３４が綺麗な空気側１７’’である。「逆方向の流れ」では、内周面３４が汚い空気側となり外周面が汚い空気側になるであろう。
【００２３】
パネルフィルタエレメント１５’と管状のフィルタエレメント１５’’は、物理的（例えば、微粒子）汚染物質と、化学汚染物質のいずれか一方または双方を取り除くように設計される。特に、パネルフィルタ１５’のフィルタ媒体２５と管状のフィルタエレメント１５’’のフィルタ媒体２５’は、物理的（例えば、微粒子）汚染物質と、化学汚染物質のいずれか一方または双方を取り除く能力を有する材料から選択される。各種類の汚染物質の除去のために別々のフィルタエレメント部分を使用できるが、単一のフィルタエレメントで複数種類の汚染物質の除去をすることができる。好ましくは、必ずしも限定されるものではないが、別々の微粒子フィルタ部分が微粒子などの物理的な汚染物質を取り除くために使用され、化学フィルタ部分が化学汚染物質を取り除くのに使用される。この構成は、フィルタの目詰まりなどが発生しないようにするために、化学汚染物質が化学フィルタ部分に到達する前に、大きな微粒子を取り除くことで化学フィルタエレメントの効率を最大にすることが望ましい。
【００２４】
フィルタエレメントの物理フィルタ部分
本発明のフィルタ組立体１０において、特にパネルフィルタエレメント１５’または管状のフィルタエレメント１５’’のようなフィルタエレメント１５は、入ってくる空気から微粒子のような物理的汚染物質を除去する部分が含まれる。複数の微粒子フィルタ部分を併設し、隣り合うフィルタ部分で次第に小さいサイズの微粒子を除去するように構成できる。またはこれに代えて、一つの微粒子フィルタ部分を使用できる。
【００２５】
目の粗いフィルタ部分は、葉、種子、紙と他のゴミと破片、綿花、齧歯動物などの小動物のような大きい汚染物質を、装置の吸気管から除去するように配置されることが望ましい。このような粗いフィルタ部分は、格子、網目のようなものであり、金属、プラスチックまたは適当な材料から形成されるとともに、フィルタエレメント１５を取り囲むハウジング１１の入口１２に組み入れられる。この粗いフィルタ部分は、一般的に少なくとも約１インチ（約２．５ｃｍ）の直径以上を有するサイズの物体を除去し、また別の実施例ではより代表的には少なくとも約０．５インチ（約１．２５ｃｍ）の直径以上を有するサイズの物体、または少なくとも約０．２５インチ（約０．６３５ｃｍ）の直径以上を有するサイズの物体を除去する。
【００２６】
通常は、微粒子フィルタ部分は、繊維状マットや織物、紙などのフィルタ媒体を含み、約０．０１ｍｍのサイズの粒子を取り除く。この微粒子フィルタ部分で除去される微粒子は粉塵、 ゴミ、 花粉、 昆虫、 木製のチップ、 のこぎり粉塵、 金属削りくずのようなものがある。
【００２７】
フィルタ媒体は微粒子を除く際に、その効率を改良するために種々の処理方法で処理され、例えば静電処理された媒体、または一層または多層のファインファイバーを有するセルロース媒体、または当業者間で知られているほかの媒体がある。
【００２８】
ＨＥＰＡ（高い効率の粒子空気）フィルタなどのサブミクロンフィルタ部分をフィルタ組立体に含ませることができる。このサブミクロンフィルタは、燃焼やバクテリアやウイルスのようなものによって作り出されるエーロゾルなどの超微粒子を取り除くことを、通常は意図している。
【００２９】
この微粒子フィルタ部分は、入って来る空気から雨とみぞれのような液体汚染物質を取り除くように設計することができる。空気中から液体を除去するために、空気の流れは高い表面エネルギーを有する材料を利用したフィルタ部分を通ることが望ましい。疎水性の表面を有する媒体は凝集によって液体汚染物質を取り除く。この疎水性表面を有するグラスファイバーをコーティングしたものは、液体汚染物質を取り除くための媒体の一事例である。液体汚染物質を取り除くための他の媒体の事例には発泡した金属ビーズを組み合わせた処理グラスファイバーがある。これらの媒体はフィルタ媒体の延設部分に、ひだ付きの紙延設部分として組み込むことができる。他の実施例では、燃料電池装置の内部で利用可能な空間如何では液体汚染物質を取り除くために慣性力を利用した分離装置を使用すると良い。拡張されたＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）膜もさらに空気中から液体汚染物質を取り除くために使用できる。この拡張されたＰＴＦＥは、微細多孔性膜であり孔サイズが小さいので液体は通さず湿気（蒸気）のみの通過を許容する。
【００３０】
微粒子の除去効率を有する様々の組み合わせのフィルタ部分を使用することができることが理解される。望ましい粒子除去システムは、大気中に存在する汚染物質の種類（例えば、葉、綿花、粗い綿、雪など）に存在するとともに、必要となる清浄度レベルに依存する。
【００３１】
フィルタエレメントの化学フィルタ部分
本発明のフィルタ組立体１０において、特にパネルフィルタエレメント１５’または管状のフィルタエレメント１５’’のようなフィルタエレメント１５は、大気から吸着または吸収によって汚染物質を除去する部分が含まれる。ここで、「吸着」、「吸収」、「吸着剤」とした事項は、吸着または吸収するメカニズムも意味するように意図されている。
【００３２】
化学フィルタ部分は、代表的には物理的吸着剤または化学的吸着剤を含み、これらには、例えば乾燥剤（例えば、水か水蒸気を吸着するかまたは吸収する材料）や揮発性の有機的な化合物又は酸性のガスの一方または双方を吸着する材料やこれらの複合材料が通常含まれる。このような適当な吸着性の材料には、例えば活性炭、活性炭ファイバー、飽和炭素、活性アルミナ、分子ふるい材料、イオン換樹脂、イオン交換ファイバー、シリカゲル、アルミナとシリカがある。これらの材料を結合または飽和することで過マンガン酸カリウム、炭酸カルシウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、硫化カルシウムやこれらの混合物にすることができる。また、いくつかの実施例では、吸着性の材料を第２の材料とともに組み合わせるか飽和することができる。いくつかの設計では、吸着性の材料として活性炭素のベッド状のものを飽和炭素の上流側に設けることが望ましい。
【００３３】
この吸着性の材料としては、代表的には、顆粒状、ビーズ、繊維、細かい粉、ナノ構造体、ナノチューブ、エアロゲル（ａｅｒｏｇｅｌｓ）のような粒状または顆粒状材料があり、またはセラミックビーズ、単一構造体、紙媒体、金属製基部上に塗装される材料として存在する場合がある。通常は、吸着性の材料（特に微粒子または粒状にされた材料）は材料のベッドとして供給される。
【００３４】
これに代えて、吸着性の材料を、大型錠剤、顆粒、ビーズ、または折りたためるかハニカム構造であって、さらに形状付けできるように単一形状または一体形状にすることができる。少なくとも、ある事例では吸着性の材料はフィルタ組立体の正常な寿命の期間内においてその形状を実質的に保つ。この吸着性の材料は自由に流動する微粒子材料を、固体または液体のバインダーで結合し、その後、流動しない物体の形状に加工することができる。この吸着性の材料は、例えば成型、圧縮成形または押し出し成型によって形成することができる。
【００３５】
バインダーは、粉または粒状の形態で乾燥しているものや、液体中に溶けた状態のものや液体中に分散しているものが使用される。湿度で硬化するウレタンやて代表的に「ホットメルト（熱溶融）」として参照される材料がバインダーとして、吸着性の材料に直に噴霧するようにして使用することができる。他の実施例では成型過程の間に取り除くことができる溶剤か分散剤を含む一時的な液体バインダーを使用できる。このような適当なバインダーは、例えばラテックス、マイクロ結晶化セルロース、ポリビニル・アルコール、澱粉、カルボキシル・メチル・セルロース、ポリビニルピロロリドン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ）、ダイカルシウム燐酸塩、およびナトリウム・シリケートが含まれる。
【００３６】
望ましくは、形成材料の構成は、少なくとも７０重量％、代表的には９８重量％の吸着性の材料を含む。他の事例では、形成材料の構成は、８５から９５重量％であり、好ましくは約９０重量％の吸着性の材料を含む。形成材料は吸着性の材料が約２重量％以下のバインダーを含み、またバインダーの３０重量％以上を含む。この成型についての型開き、添加剤、及び他の成型技術に関する記載は、米国特許番号５，８７６，４８７号に開示されている。
【００３７】
化学フィルタ部分で使用される他の実施例となる適当な吸着性の材料としては、媒介体を含む吸着性の材料がある。例えば、吸着性の材料とバインダーとを保持させるためにメッシュ（網）かスクリム（幕）を使用することができる。このメッシュかスクリムとしてポリエステルと他の適当な材料を使用することができる。通常どんな媒介体も吸着性の材料の約５０重量％以下に設定され、主に吸着性の材料の約２０から４０重量％に設定される。形状付けされた媒介体を有する吸着性の材料体のバインダーの量は、総吸着性の重さの約１０から５０％の範囲となり、吸着性の材料の量は、通常は総吸着性の重さの約２０から６０％の範囲となる。
【００３８】
化学フィルタ部分は、空気中の汚染物質の除去のための強い基本的な材料を有するか、空気中の酸性物の基本的な汚染物質の除去のための基本的な材料のいずれかまたは双方を持つことができる。好ましくは、これらの強い基本的な材料と酸性物の除去の基本的な材料とは互いに離されることで互いに干渉しないようにすると良い。大気空気中に存在する酸性の化合物としては例えば、硫化酸化物、窒素酸化物、硫化水素、水素塩化物、揮発性の有機的な酸および不揮発性の有機的な酸がある。また、大気空気中の基礎成分としては、アンモニア、 アミン、アミド、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウム、揮発性の有機物と不揮発性の有機物とがある。一般に、化学フィルタ部分の基本的な材料と酸性の材料により、空気中の汚染物質を表面で捕捉することで除去するが、通常は、 酸性の表面材料と汚染物質とが化学反応する結果、少なくとも表面の汚染物質が吸着される。
【００３９】
いくつかの実施例では、媒介体のそれ自体が強い基本的な材料または酸性の基本的な材料となる。このような材料としては例えば高分子微粒子、活性炭媒体、ゼオライト、 粘土、シリカゲルおよび金属酸化物などの材料が含まれる。他の実施例では、強酸性の基本的な材料とより強い材料の媒介体として、表面上に粒状のビーズ、繊維体、細粉体、ナノチューブ、エアロゲルを塗装するようにしても良い。さらに、これに代えて強い基本的な表面または酸性の基本的な表面とを媒介体の一部に形成するために、媒介体を酸性液または基本材料中に漬けるようにしても良い。
【００４０】
アンモニアのような基本的な汚染物質を取り除くための好ましい材料としては、クエン酸をしみ込ませた活性炭顆粒のベッドがある。
【００４１】
基本的な酸性汚染物質を取り除くための好ましい材料としては、ラファエット・カンパニのアイオネックスリサーチ分社において、「ケミソーブ１２０２」としてシー＊ケミ社から販売されており入手可能な飽和活性炭素果粒がある。
【００４２】
フィルタエレメントにおいて基本的な材料と酸性の基本的な材料の双方が化学フィルタ部分に存在することになるが、しかしながらこれらの材料は互い反応せず中和するように離すように設けると良い。
【００４３】
この化学フィルタ部分は、特定の汚染物質の除去のために専用に作られた他の材料を含むことができる。一例として、一酸化炭素を空気中から除去するために強い酸性材料を含むことができる。この強酸性材料は、例えば、触媒材料として名称「ホップカライト（Ｈｏｐｃａｌｉｔｅ）」（多孔性のマンガン酸化物と銅の酸化物の混合物）でピッツバーグのＭＳＡ社から販売されている材料、貴金属、これらの遷移金属とこれの組み合わせ材料、「ホップカライト」と同様の材料の貴金属、遷移金属、無機有機的な酸化物、塩と金属、過酸化水素、パーマンガンテス（ｐｅｒｍａｎｇａｎｔｅｓ）とクロム酸塩とがある。
【００４４】
強酸化材料は窒素酸化物（ＮＯｘ）を空気中から除去する材料に含めることができる。
【００４５】
この化学フィルタ部分は汚い空気流中から汚染物質を捕捉し、永久に保持するか、または化学フィルタ部分は後に化学汚染物質を放出するかもしれない。例えば、化学フィルタ部分は汚い空気流から化学汚染物質を除去することで、フィルターにかけられた後の綺麗な空気は、燃料電池などの設備に導入されるときに許容できる閾値以下の汚染物質の濃度となる。汚い空気中の汚染物質のレベルが閾値以下であるときには、フィルタエレメントは汚染物質の除去は必要でなくなり、むしろある実施例では、化学フィルタ部分は集合した汚染物質を閾値になるまで放出する。この放出は、汚い空気の流れ中の汚染物質濃度と化学フィルタ部分に集合した汚染物質濃度の差によって一般的に発生する。このようにして、化学フィルタ部分は部分的に再生されることで、化学フィルタ部分の使用寿命が延長されるであろう。燃料電池に対する汚染物質濃度の許容閾値レベルが分かっているときに、このような設計が望ましい。
【００４６】
微粒子フィルタ部分と化学フィルタ部分とを組み合わせることで一つのフィルタエレメントを作り、物理的及び化学的な汚染物質の双方を除去することができる。一つの実施例では、微粒子フィルタ部分の濾過媒体は化学的に吸収可能な表面処理がされたかまたは酸性あるいは基本的な汚染物質を相互作用する繊維から作ることができ、化学的濾過部分を形成できる。他の事例では、活性炭素顆粒のベッドを設けることで顆粒体の大きさが充分に小さい場合において空気中から物理的な汚染物質を除去できる。
【００４７】
一つの実施例では、化学フィルタ部分をバイパスするようなバイパスシステムを提供することが望ましいであろう。この構成によれば、吸気される空気が化学汚染物質でかなり汚染されていない場合に望ましい。このバイパスシステムは吸気される空気流中の汚染物質レベルに応じて、活性化と再度活性化されることになる。
【００４８】
好適なフィルタ組立体
好適なフィルタ組立体の第１の事例は、微粒子と化学物質の両方の濾過能力を有するフィルタ組立体である。この特定の実施例では、フィルタ組立体には物理フィルタ部分となる一つの層の微粒子媒体と、化学フィルタ部分となる３層の吸収媒体とを有している。好ましくは、この物理フィルタ部分は化学フィルタ部分の上流側に設けられることで、浄化されるべき空気流は最初に微粒子フィルタ部分を通過し、次に化学フィルタ部分を通過すると良い。吸収媒体の３層の各層は、他のベッドから穴明きアルミ製の分離板によって互いに離隔されるように保持された顆粒状の材料をベッド状にしたものである。
【００４９】
一般的に、好適なフィルタ組立体の構造は、二つの封入された顆粒状の炭素製ベッドと中心の静電媒体の回りに位置される微粒子フィルタとしての折り目を付けたガラス媒体を有する。
【００５０】
この微粒子フィルタ部分は、好ましくは濾過技術において良く知られている折り目を付けたガラス繊維媒体の構造体である。ホットメルト接着剤のようなベッド用の材料は、折り目の分離のために使用することができる。
【００５１】
好ましい実施例では、化学フィルタ部分の第１の層は、クエン酸で飽和された約３５重量％の活性炭素から構成される。好ましくは、米国カリフォルニア州、リッチモンドのカルゴン・カーボン社から「ＲＶＣＡ１２」、「ＲＶＣＡ３５」の商品番号で販売されている８Ｘ１６メッシュのサイズの材料が使用可能である。この第１の層は、いくつかの炭化水素と他の有機材料と同様に、空気の流れからアンモニアとアミンを取り除く。化学フィルタ部分の第２の層は第２の飽和活性炭を含む。望ましくは、８Ｘ１６メッシュの材料は商品名「ケミソーブ１２０２」として販売されており入手可能なものがある。この第２の層は、酸性のガス、炭化水素、他の有機的な材料を取り除くために使用される。第３の層は、触媒の層である。この化学フィルタ部分の層は、１２Ｘ２０メッシュのサイズの材料が使用されるが、これはカルース・ケミカル社から商品名「カルライト３００」で販売されており入手可能なものである。この層は、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する。
【００５２】
第２の好ましいフィルタ組立体の実施例は、第１の実施例に似たものであって、第１の層の飽和活性炭素の「ＲＶＣＡ１２」、「ＲＶＣＡ３５」に代えて非−炭素系の吸収媒体にしたものである。
【００５３】
第３の好ましいフィルタ組立体の実施例は、第１の実施例に似たものであって、第１の層の飽和活性炭素の「ＲＶＣＡ１２」、「ＲＶＣＡ３５」に代えて非−炭素系の触媒体にしたものである。
【００５４】
第４の好ましいフィルタ組立体の実施例は、第１の実施例に似たものであって、第２の層の飽和活性炭素の「ケミソーブ１２０２」に代えて非−炭素系の吸収媒体にしたものである。
【００５５】
第５の好ましいフィルタ組立体の実施例は、第１の実施例に似たものであって、第２の層の飽和活性炭素の「ケミソーブ１２０２」に代えて非−炭素系の触媒体にしたものである。
【００５６】
さらに、他の実施例として一つまたは二つの封入された炭素材料のベッドを、適度な芯またはライナーの回りに巻き付けた炭素材料の繊維で置き換えるものもある。
【００５７】
図４と図５を参照して、本発明の原理に基づく二つのフィルタ組立体の物理的な構成を示す実施例が示されている。図４において、フィルタ組立体１０は、第１の側１１２と第２の側１１４を有したハウジング１０５を設けたパネルフィルタ１１０の特徴を備えている。このパネルフィルタ１１０は、第１の側１１２に物理フィルタ部分１２０を含んでいる。この物理フィルタ部分１２０は、葉や破片などのような大きな物体を取り除くためのルーバー状の格子１１６として構成されている。格子１１６はハウジング１０５と一体的または取り外し可能に設けることができる。このハウジング１０５からは、格子１１６から離れるようにフランジ１０７が延設される。燃料電池のようなあらゆる種類の吸気口に対して改善されたシールを提供するために、このフランジ１０７においてガスケットを設けることができる。
【００５８】
一つの実施例では、パネルフィルタ１１０は格子１１６からフランジ１０７を設けた第２の側１１４までの深さが約４．１５インチ（およそ１０．５ｃｍ）であり、フランジの厚さは約０．２５インチ（およそ０．６３５ｃｍ）であり、第２の側１１４から約３．２１インチ（およそ８．１５ｃｍ）の場所に位置している。このフランジ１０７を含まないハウジング１０２の大きさは、その幅が約１５インチ（およそ３８ｃｍ）であり高さが７インチ（およそ１７．８ｃｍ）である。フランジ１０７を含めると、幅は約１７．２５インチ（およそ４３．８ｃｍ）であり高さが約９．２５インチ（およそ２３．５ｃｍ）である。ここで、当業者はこのような寸法は、フィルタが使用される適用例に基づき、種々設定されることが理解されよう。
【００５９】
パネルフィルタ１１０で濾過されるべき空気は、大きなゴミを除去する格子１１６を介して内部に入る。この格子１１６の背後には、他の物理的なフィルタ部分と化学的なフィルタ部分とこれらの双方が設けられている。好ましくは、上述したような形式の少なくとも一つの化学フィルタ部分が格子１１６の背後においてハウジング１０５の内部に配設されていると良い。格子１１６と他のあらゆる種類の物理フィルタ部分または化学フィルタ部分とを通過して濾過された空気は、第２の側１１４からパネルフィルタ１１０の外部に出る。
【００６０】
図５を参照して、フィルタ組立体１０は６つの側面を備える箱形状のフィルタ組立体１３０である。図５において、ハウジング１３５ はフィルタ組立体１３０の説明を容易にするために一つの側面を省略して示している。このフィルタ組立体１３０は、第１の側１３２と第２の側１３４を有している。
【００６１】
このハウジング１３５ の内部には、物理フィルタ部分１４０ と化学フィルタ部分１５０とが設けられている。種々の邪魔板と流路とがハウジング１３５の内部に設けられており、所望の空気流を得るようにしている。物理フィルタ部分１４０には、汚い大気空気を取り入れるために開口部１４３を形成した多孔スクリーン１４２が設けられている。開口部１４３を通過する空気中からは、葉や破片などの大きな物体が除去される。この部分から、空気は液体除去部１４４を通過することで、雨などの水分を水滴とし、ドレイン回収部１４５で回収され、ハウジング１３５の外部への排水を可能にしている。高い効率の微粒子フィルタ１４６が、開口部１４３を通り抜けた微粒子を取り除くために含まれている。フィルタ組立体１３０は、化学汚染物質を吸着するための顆粒状の炭素のベッドまたは吸着剤を組み合わせた化学フィルタ部分１５０を含む。図５に図示の実施例では、導入された空気は高い効率の微粒子フィルタ１４６を迂回し、液体除去部１４４を通過した後に、化学フィルタ部分１５０に進むことが可能となる。このような流路は、例えは高効率フィルタ１４６が目詰まりして流れが防止された場合において、フィルタ組立体１３０を通過する空気の流れを維持するために望ましいことになるであろう。
【００６２】
ハウジング１３５の第２の側１３４には、出口１６１と第２の出口１６２がある。第１の出口１６１を介して、フィルタ組立体１３０で濾過された綺麗な空気が、電気装置のような包囲体の中に送られる。第２の出口１６２はフィルタ組立体１３０で濾過された綺麗な空気を燃料電池のような装置に送る。この第２の出口１６２を介して出る空気は、第１の出口１６１を出るのにつれて、同じ濾過工程を経て外部に出るか、または異なる濾過動作が種々の流れにおいて行うことができる。一つの実施例では、第２の出口１６２を介して出る空気は、物理フィルタ部分１４０の全ての構成部分を通過し、さらに化学フィルタ部分１５０を通過する一方で、第１の出口１６１を介して出る空気は、物理フィルタ部分１４０の全ての構成部分のみを通過することとなる。
【００６３】
一つの実施例では、フィルタ組立体１３０は、約１２インチと１７インチと１３インチ（およそ３０．５ｃｍと４３．２ｃｍと３３ｃｍ）であり、多孔を有するスクーン１４２を有する第１の側１３２は、約１２インチ（およそ３０．５ｃｍ）幅であり、約１７インチ（およそ４３．２ｃｍ）の高さである。湿った空気中の液化で液体を除去する液体除去部１４４は、約１２インチと５．２５インチと２インチ（およそ３０．５ｃｍと１３．３ｃｍと５ｃｍ）である。微粒子フィルタ１４６は、約１０インチと１２インチと４インチ（およそ２５．４ｃｍと３０．５ｃｍと１０．２ｃｍ）である。化学フィルタ部分１５０は、約１２インチと１１インチと３インチ厚さ（およそ３０．５ｃｍと２７．９ｃｍと７．６ｃｍ）である。このような実施例によれば、毎分約約５５立方フィートｃｆｍ（毎分およそ、１．５６メートル）の汚い空気を処理することができ、毎分で３５ｃｆｍ（毎分およそ、１立方メートル）で第１の出口１６１を介して出すことができ、毎分で２０ｃｆｍ（毎分およそ、０．６立方メートル）で第２の出口１６２を介して出すことができる。
【００６４】
燃料電池
図１において、本発明のフィルタ組立体１０が作動する設備１００として燃料電池 １０２として表現されている。この燃料電池は電解質（液）を挟むように配設された二つの電極（陽極と陰極）を備えた装置である。水素を含む燃料は陽極に注がれ、そのときに水素電子が自由に分離され、陽電荷のイオンとして残る。電荷は、電解質中にそのイオンが拡散するようにして内部電子回路を伝わる。陰極では、電子は水素イオンと酸素と化合して、水と二酸化炭素及び副産物を発生する。この反応を促進するために触媒（体）が多く使用される。この触媒としては、ニッケル、プラチナ、パラジウム、コバルト、セシウム、ネオダイミウム（ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ）などの希土類金属がある。燃料電池内での反応物質は、水素と酸化性物質である。
【００６５】
通常は、燃料電池１０２に使用されるフィルタ組立体は、約７０〜９０℃の範囲の低い運転温度である「低温燃料電池」用として知られている。また、高温燃料電池も知られているが、これらはそれらのより高い運転温度のために化学汚染に敏感でないとされている。高温燃料電池は、しかしながら微粒子汚染物質と、ある種の形態の化学汚染物質に対して敏感であることから、上記の濾過システムによる何らかの利益を得ることもあろう。一つのタイプの低温燃料電池は、一般にプロトン変換膜の使用にちなんで「ＰＥＭ」と命名される。ＰＥＭ燃料電池を、本発明のフィルタ組立体と関連して使用することによって利益を得ることができるであろう。本発明のフィルタ組立体と組み合わせて使用することができる燃料電池のほかの機種に関する例は、例えば米国特許第６，１１０，６１１と、６，１１７、５７９と、６、１０３，４１５と、６、０８３、６３７号が含まれる。燃料電池に拘わる当業者は、フィルタ組立体は一般的に全ての燃料電池の動作に有益となることを理解するであろう。
【００６６】
様々な燃料電池によって許容できる汚染物質の閾値レベルは燃料電池の設計如何に依存する。例えば、炭化水素（メタンとそれより重い物質）と、アンモニア、硫化酸化物、一酸化炭素、シリコンおよび同様のものなどは、触媒の空間を占有して反応を不活発にする。したがって、これらの汚染物質は、それらが燃料電池の反応領域に入る前に取り除く必要がある。
【００６７】
使用される触媒、運転条件および触媒の反応条件によって、正確な許容可能な汚染レベルおよびタイプ汚染物質は異なるであろう。
【００６８】
本発明のフィルタ組立体によれば、大気空気は燃料電池の運転で使用される前に、汚染物質が取り除かれる。
【００６９】
ここで、上記の構造の開示と、この開示とともに以上の記述で詳しく説明された範囲に留まらず、サイズおよびアレンジメント変更は任意に可能であって、請求の範囲に規定された種々の構成についても本発明に吹く舞えることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明のフィルタ組立体を含む電力発生システムの概要を示した模式図である。
【図２】
図２は、図１のフィルタ組立体を使用するためのフィルタエレメントの第１の実施例の概要を示した外観斜視図である。
【図３】
図３は、図１のフィルタ組立体を使用するためのフィルタエレメントの第２の実施例の概要を示した外観斜視図である。
【図４】
図４は、フィルタ組立体の好適な具体例の外観斜視図である。
【図５】
図５は、フィルタ組立体の別の好適な具体例の外観斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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2004508693.tif 000034
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