(57)【要約】【課題】ＮＯ2から転化（還元）したＮＯを再度酸化してＮＯ2にし、このＮＯ2を更に吸着することにより、酸化剤ガス中に含まれる窒素酸化物を効率的に除去することができるケミカルフィルタユニットを提供する。【解決手段】本発明のケミカルフィルタユニット１は、酸化剤ガス中に含まれる窒素酸化物を除去するためのものであって、ＮＯ2を吸着する添着剤をコーティングした活性炭を含む吸着層１１と、ＮＯをＮＯ2に酸化するための酸化剤を含む酸化層１２とを交互に配置させてユニット化したものである。吸着層１１と酸化層１２とは、空気層で分けられていてもよく、吸着層１１と酸化層１２とを積層させた構造としてもよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガス中に含まれる窒素酸化物を除去するためのケミカルフィルタユニットであって、
ＮＯ2を吸着するための添着剤をコーティングした活性炭を含む吸着層と、ＮＯをＮＯ2に酸化するための酸化剤を含む酸化層とを交互に配置させてユニット化したことを特徴とするケミカルフィルタユニット。
【請求項２】
前記吸着層と前記酸化層とを交互に積層させてユニット化したことを特徴とする請求項１に記載のケミカルフィルタユニット。
【請求項３】
複数の前記吸着層と複数の前記酸化層とを交互に積層させてユニット化したことを特徴とする請求項１に記載のケミカルフィルタユニット。
【請求項４】
前記添着剤は炭酸カリウムであり、前記酸化剤は過マンガン酸カリウムであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のケミカルフィルタユニット。
【請求項５】
前記吸着層は前記添着剤と前記活性炭とからなる粒状物から構成されるとともに、前記酸化層は前記酸化剤の粒状物から構成され、前記ケミカルフィルタユニットの流入ガスの上流側及び下流側にはプレフィルタ又はパンチングが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のケミカルフィルタユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤ガス中に含まれる窒素酸化物を除去するためのケミカルフィルタユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池装置等の精密装置に流入する酸化剤ガスやクリーンルーム内からＮＯ2を除去するために、炭酸カリウム等の薬剤を添着した活性炭を含むケミカルフィルタが用いられている。
しかしながら、従来のケミカルフィルタでは、活性炭によってＮＯ2がＮＯに転化（還元）してしまうため、ＮＯ2としての除去効率は高く見えても、ＮＯ及びＮＯ2を含むＮＯｘとして評価するとその除去効率があまりよくはないという問題があった。
この対策として、ＮＯを酸化する酸化剤と、ＮＯ2を吸着する吸着添着剤とを同時に活性炭に添着するＮＯ2除去剤が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２９９３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されるＮＯ2除去剤では、吸着剤として活性炭を用いている以上、ＮＯ2からＮＯへの転化（還元）を効率的に防止することができないという問題があった。
そのため、特許文献１のＮＯ2除去剤をろ材に用いたとしても、結局ＮＯｘの除去効率が高くならず、燃料電池装置等の精密装置やクリーンルームのフィルタのろ材として用いた場合には、例えば、燃料電池の性能が劣化する等の不具合が生じてしまうという問題があった。
そこで、本発明は、ＮＯ2から転化（還元）したＮＯを再度酸化してＮＯ2にし、このＮＯ2を更に吸着することにより、酸化剤ガス中に含まれる窒素酸化物を効率的に除去することができるケミカルフィルタユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のケミカルフィルタユニットは、請求項１に記載の通り、酸化剤ガス中に含まれる窒素酸化物を除去するためのケミカルフィルタユニットであって、
ＮＯ2を吸着するための添着剤をコーティングした活性炭を含む吸着層と、ＮＯをＮＯ2に酸化するための酸化剤を含む酸化層とを交互に配置させてユニット化したことを特徴とする。
また、請求項２に記載のケミカルフィルタユニットは、請求項１に記載のケミカルフィルタユニットにおいて、前記吸着層と前記酸化層とを交互に積層させてユニット化したことを特徴とする。
また、請求項３に記載のケミカルフィルタユニットは、請求項１に記載のケミカルフィルタユニットにおいて、複数の前記吸着層と複数の前記酸化層とを交互に積層させてユニット化したことを特徴とする。
また、請求項４に記載のケミカルフィルタユニットは、請求項１乃至３のいずれかに記載のケミカルフィルタユニットにおいて、前記添着剤は炭酸カリウムであり、前記酸化剤は過マンガン酸カリウムであることを特徴とする。
また、請求項５に記載のケミカルフィルタユニットは、請求項１乃至４のいずれかに記載のケミカルフィルタユニットにおいて前記吸着層は前記添着剤と前記活性炭からなる粒状物から構成されるとともに、前記酸化層は前記酸化剤の粒状物から構成され、前記ケミカルフィルタユニットの流入ガスの上流側及び下流側にはプレフィルタ又はパンチングが設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のケミカルフィルタユニットは、請求項１に記載の通り、ＮＯをＮＯ2に酸化するための酸化剤を含む酸化層を設けたので、吸着層の活性炭によってＮＯ2から転化（還元）したＮＯを効率的に酸化して吸着層で吸着可能なＮＯ2にすることができる。そして、このように酸化されたＮＯ2を吸着層にて吸着することができるので、下流側へのＮＯの流出を最小限に防ぐことができ、ＮＯｘ（窒素酸化物）全体としての除去効率を高めることができる。これにより、本発明のケミカルフィルタユニットをフィルタろ材として利用すると、燃料電池装置等の精密装置やクリーンルーム等に悪影響を及ぼすことがなく、例えば、燃料電池装置では、ＮＯｘによる電池性能の劣化を効果的に防止することができる。なお、最初にＮＯをＮＯ2に酸化し、その後ＮＯ2を吸着除去するためには、少なくとも酸化層の後に吸着層を配置する必要がある。しかしながら、吸着層及び酸化層の配置は、この場合に限らず、例えば、吸着層、酸化層、吸着層の順に３層としてもよく、それ以上の層数を配置してもよい。
この場合、請求項２に記載のように、吸着層と酸化層とを交互に積層させてユニット化してもよく、吸着層と酸化層との間に空気層等を設ける構成としてもよい。吸着層と酸化層とを積層させることにより、ケミカルフィルタユニットやこのケミカルフィルタユニットを含む酸化剤ガス用フィルタユニットをコンパクト化することができる。なお、空気層等を設けた場合であっても、空気層は窒素酸化物の酸化・還元に関与しないので、ケミカルフィルタユニットの窒素酸化物の除去効率を低下させることはない。
また、上述のように、酸化層、吸着層の順に２層を配置あるいは積層することにより、ある程度窒素酸化物を除去することはできるが、下流側の燃料電池装置等の精密装置やクリーンルームにおいて所望する窒素酸化物の濃度まで低減させるために、請求項３に記載のように、複数の吸着層と複数の酸化層（例えば、３層ずつ）とを交互に積層させてユニット化させてもよい。このように、吸着層と酸化層の積層数を必要に応じて変更し、複数の吸着層と複数の酸化層とを交互に積層させることにより、下流側における窒素酸化物の濃度を所望する程度まで低減させることができる。
また、本発明のケミカルフィルタユニットでは、請求項４に記載のように、添着剤として炭酸カリウムと、酸化剤として過マンガン酸カリウムをそれぞれ用いることにより、ケミカルフィルタユニットの製造コストを増加させることなく、ＮＯ2の吸着とＮＯの酸化とを効率よく行うことができる。
また、吸着層は、添着剤や活性炭をバインダ等により接着して成形した成形体から構成されてもよく、添着剤と活性炭からなる粒状物から構成されてもよい。同様に、酸化層は、酸化剤をバインダ等により接着して成形した成形体あるいは粒状物から構成される。なお、酸化層には、ガスの吸着を補助するための活性アルミナ等が含まれていてもよい。
また、請求項５に記載のように、吸着層及び酸化層が粒状物から構成されている場合には、ケミカルフィルタユニットの上流側及び下流側に設けられたプレフィルタ又はパンチングがスペーサとして機能するので、吸着層と酸化層とが混合することなく、それらをしっかりと固定・保持させることができる。これにより、上述の窒素酸化物の吸着・酸化を効率よく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明のケミカルフィルタユニットの好適な実施の形態を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明のケミカルフィルタユニットを含む酸化剤ガス用フィルタユニットの断面図であり、図２は、本発明のケミカルフィルタユニットの概略的断面図である。まず、酸化剤ガス用フィルタユニット１０の構成を説明する。
酸化剤ガス用フィルタユニット１０は、図１に示すように、プレフィルタ５と、ケミカルフィルタユニット４と、プレフィルタ６と、メインフィルタ７とをフィルタユニット容器内に上流側から下流側に向かってこの順に配置したものである。なお、フィルタユニット容器は、例えば、図１に示すように、ペットボトルの底を切り取ったような形状であって、上流側の断面積が広く、下流側の断面積が狭いものである。また、フィルタユニット容器の大きさは、例えば、入口側（上流側）の断面積が８０×８０ｍｍ程度であり、上流側から下流側までの長さが３００ｍｍ程度である。
【０００８】
ここで、ケミカルフィルタユニット４は、流入ガスのＮＯｘを除去するための本発明のＮＯｘ用ケミカルフィルタ（本発明のケミカルフィルタユニット）１と、アルカリ性物質を除去するためのアルカリ用ケミカルフィルタ２と、有機物を除去するための有機物用ケミカルフィルタ３とから構成される。各フィルタの間にはそのフィルタ１、２、３の形状を保持するためのパンチングが設けられている。
この酸化剤ガス用フィルタユニット１０では、大気より取り込まれた酸化剤ガスは、最初にプレフィルタ５を通過して、粒径の大きい粉塵等が除去された後、ＮＯｘ用ケミカルフィルタ１、アルカリ用ケミカルフィルタ２、有機物用ケミカルフィルタ３を順次通過して、ＮＯｘ等の不純物が除去され、最後にプレフィルタ６、メインフィルタ７を通過して、粒径の小さい粉塵等が除去され、結果として、酸化剤ガスに含まれる各種不純物の濃度が低減される。なお、ケミカルフィルタ４の前後に設けられたプレフィルタ５、６は、各ケミカルフィルタ１、２、３を保持するためのスペーサ（保持部材）としても機能する。
また、メインフィルタ７としては、例えば、一般の超ＵＬＰＡ、ＵＬＰＡ、ＨＥＰＡ等の高性能フィルタ、中性能フィルタ等の粒子除去用フィルタを使用することができる。
【０００９】
ＮＯｘ用ケミカルフィルタ１は、本実施形態では、図２に示すように、３層の吸着層１１と、４層の酸化層１２とを交互に配置させてユニット化したものである。なお、図２では、ＮＯｘ用ケミカルフィルタ１の上流側及び下流側に設けられたパンチング８や他のフィルタの図示を省略している。
吸着層１１は、流入ガス中に含まれるＮＯ2を吸着するための層であり、本実施形態では、添着剤として炭酸カリウムをコーティングした活性炭から構成される。また、酸化層１２は、ＮＯをＮＯ2に酸化するための層であり、本実施形態では、酸化剤としての過マンガン酸カリウムと、吸着機能を有する活性アルミナとから構成される。本発明では、このように吸着層１１と酸化層１２とを交互に配置（積層）させているので、大気中では安定に存在するＮＯを酸化層１２で酸化してＮＯ2にし、このＮＯ2を後段の吸着層１１で吸着除去することができる。したがって、下流側へのＮＯの流出を最小限に防ぐことができ、ＮＯｘ（窒素酸化物）全体としての除去効率を高めることができる。これにより、本発明のケミカルフィルタユニット（ＮＯｘ用ケミカルフィルタ１）をフィルタろ材として利用する燃料電池装置等の精密装置やクリーンルーム等に悪影響を及ぼすことがなく、例えば、燃料電池装置では、ＮＯｘによる電池性能の劣化を効果的に防止することができる。
【００１０】
なお、本実施形態では、吸着層１１内の活性炭は破砕炭であり、酸化層１２内の活性アルミナはペレット状のものである。また、吸着層１１及び酸化層１２は、それぞれ、バインダ等により接着して成形した成形体から構成されてもよく、各材料の粒状物から構成されてもよい。吸着層１１及び酸化層１２が粒状物から構成されている場合には、各ケミカルフィルタ１及び２を隔離しているパンチング８は、スペーサとして機能する。このため、吸着層１１と酸化層１２とがしっかりと固定・保持されるので、これらが混合することない。これにより、吸着層１１と酸化層１２とを交互に保持させることができるので、流入ガスは吸着層１１及び酸化層１２を交互に通過することになり、上述のように窒素酸化物の吸着・酸化を効率よく行うことができる。
また、ＮＯｘ用ケミカルフィルタ１は、吸着層１１と酸化層１２とを交互に積層させてユニット化したものであってもよく、吸着層１１と酸化層１２との間に空気層等を設けているものでもよい。また、この空気層の代わりに、プレフィルタを用いてもよい。
【００１１】
本発明では、ＮＯｘ用ケミカルフィルタ１における吸着層１１及び酸化層１２の層数は、上述のような３層の吸着層１１と４層の酸化層１２という構成に限らず、吸着層１１と酸化層１２とが交互に配置される限り、どのような構成であってもよい。例えば、後述する実施例１のように、３層の吸着層１１と３層の酸化層１２という構成でもよい。ここで、転化（酸化）効率のよい酸化剤を含む酸化層１２を利用する場合には、酸化層１２、吸着層１１の順に１層ずつ配置する場合でもある程度の窒素酸化物の除去効率を達成することが可能である。また、吸着層１１、酸化層１２、吸着層１１のように、２層と１層の組み合わせでもよい。この場合、ＮＯｘ用ケミカルフィルタ１では、吸着層１１でまずＮＯ2が吸着除去され、その後、酸化層１２で転化した（還元された）ＮＯがＮＯ2に酸化されて、最後に吸着層１１で酸化されたＮＯ2が吸着除去される。
【００１２】
本実施形態では、吸着層１１の添着剤として炭酸カリウムを、酸化層１２の酸化剤として過マンガン酸カリウムを含む場合について説明したが、本発明はこれらに限らず、窒素酸化物を効率的に除去することができる（炭酸カリウムと同様の機能を発揮し得る）他の添着剤や、ＮＯを効率的に酸化することができる（過マンガン酸カリウムと同様の機能を発揮し得る）他の酸化剤を適宜選択して用いてもよい。また、本明細書では、ＮＯｘ用ケミカルフィルタ１以外の構成について詳細に説明していないが、例えば、特開２００２−２６２８４４号公報に開示されているようなケミカルフィルタの構成等を利用することができる。
【実施例】
【００１３】
次に、本発明のケミカルフィルタユニットについて、以下に示すような具体的な実施例１、２、比較例１及び２のＮＯｘ用ケミカルフィルタ１に基づいて、図４に示すような測定方法を用いてＮＯｘ濃度を測定し、測定されたＮＯｘ濃度からＮＯｘの除去効率（％）を求めて、それらを比較及び評価した。
まず、図４を用いて、ＮＯｘ（窒素酸化物）の測定方法について説明する。図４は、実施例及び比較例のＮＯｘの測定方法を説明するための概念図である。図４では、酸化剤ガス及び原料ガスの流れを矢印で示している。
大気中から流入した酸化剤ガスは、アルカリ物質と有機物とを除去するためのケミカルフィルタ２０を通過し、混合管３０において原料ガスと混合され、加湿調整される。そして、この混合ガスは、実施例及び比較例における試験体であるＮＯｘ用ケミカルフィルタをその内部に配置した試験体容器４０を通過し、流量計５０にてその流量を測定される。その後、その混合ガスは排気ユニット６０を介して大気に放出される。
この際、試験体容器４０の上流（入口側）及び下流（出口側）において、ＮＯｘ分析計Ｃを用いてＮＯ及びＮＯ2の濃度を測定した。
【００１４】
（実施例１）
図３（ａ）に示すように、上記実施形態に示した構成を有する３層の吸着層１１と３層の酸化層１２とを交互に積層させた試験体（ろ材）、すなわち、本発明のＮＯｘ用ケミカルフィルタ１を準備し、この試験体を試験体容器４０内に配置した。そして、酸化剤ガスを流入して、窒素酸化物の濃度を測定した。なお、このときの吸着層１１の合計層厚さと酸化層１２の合計層厚さの比、すなわち、各構成材料の使用量の比は１：１であった。
このとき、試験体容器４０の上流側におけるＮＯ濃度は２５ｐｐｍであり、ＮＯ2濃度は１００ｐｐｍであり、ＮＯｘ濃度は１２５ｐｐｍであった。また、試験体容器４０の下流側におけるＮＯ濃度は０ｐｐｍであり、ＮＯ2濃度は１０．４ｐｐｍであり、これらを合計したＮＯｘ濃度は１０．４ｐｐｍであった。これにより、ＮＯｘの除去効率は９１．７％であった。
【００１５】
（実施例２）
図３（ｂ）に示すように、上記実施形態に示した構成を有する３層の吸着層１１と４層の酸化層１２とを交互に積層させた試験体（ろ材）、すなわち、本発明のＮＯｘ用ケミカルフィルタ１を準備し、この試験体を試験体容器４０内に配置した。そして、酸化剤ガスを流入して、窒素酸化物の濃度を測定した。なお、このときの吸着層１１の合計層厚さと酸化層１２の合計層厚さの比、すなわち、各構成材料の使用量の比は２：３であった。
このとき、試験体容器４０の上流側におけるＮＯ濃度は２５ｐｐｍであり、ＮＯ2濃度は１００ｐｐｍであり、ＮＯｘ濃度は１２５ｐｐｍであった。また、試験体容器４０の下流側におけるＮＯ濃度は０ｐｐｍであり、ＮＯ2濃度は８ｐｐｍであり、これらを合計したＮＯｘ濃度は８ｐｐｍであった。これにより、ＮＯｘの除去効率は９３．６％であった。
【００１６】
（比較例１）
図３（ｃ）に示すように、実施例１の吸着層１１及び酸化層１２の構成材料の使用量の合計に対応する使用量の上記実施形態に示した構成を有する吸着層１１（試験体）、すなわち、従来のＮＯｘ用ケミカルフィルタを準備し、この試験体を試験体容器４０内に配置した。そして、酸化剤ガスを流入して、窒素酸化物の濃度を測定した。
このとき、試験体容器４０の上流側におけるＮＯ濃度は２５ｐｐｍであり、ＮＯ2濃度は１００ｐｐｍであり、ＮＯｘ濃度は１２５ｐｐｍであった。また、試験体容器４０の下流側におけるＮＯ濃度は６５ｐｐｍであり、ＮＯ2濃度は０ｐｐｍであり、これらを合計したＮＯｘ濃度は６５ｐｐｍであった。これにより、ＮＯｘの除去効率は４８％であった。
【００１７】
（比較例２）
図３（ｄ）に示すように、実施例１の吸着層１１及び酸化層１２の構成材料の使用量に対応する使用量の各構成材料を混合し、吸着・酸化混合層１３（試験体）を準備し、この試験体を試験体容器４０内に配置した。そして、酸化剤ガスを流入して、窒素酸化物の濃度を測定した。
このとき、試験体容器４０の上流側におけるＮＯ濃度は２５ｐｐｍであり、ＮＯ2濃度は１００ｐｐｍであり、ＮＯｘ濃度は１２５ｐｐｍであった。また、試験体容器４０の下流側におけるＮＯ濃度は３２．５ｐｐｍであり、ＮＯ2濃度は６２．５ｐｐｍであり、これらを合計したＮＯｘ濃度は９５ｐｐｍであった。これにより、ＮＯｘの除去効率は２４％であった。
以上の窒素酸化物の測定結果及びＮＯｘ除去効率を表１に示す。
【００１８】
【表１】
2007296458.tif 000003
【００１９】
（評価）
表１から分かるように、吸着層１１と酸化層１２とを交互に積層したろ材、すなわち、本発明のＮＯｘ用ケミカルフィルタ１を用いた場合には、実施例１及び２のいずれにおいてもＮＯｘ除去効率が９０％以上と高くなり、ＮＯｘを効率的に除去することができた。
これに対し、比較例１のような従来のろ材を用いた場合には、実施例１及び２の場合に比べ、ＮＯｘ除去効率が半分程度の４８％となった。また、比較例２のように本発明の吸着層１１の構成材料と酸化層１２の構成材料とを混合した場合には、従来の吸着層のみから構成されている場合よりもＮＯｘ除去効率が更に半分程度の２４％となった。このように、比較例１及び２では、いずれの場合においても、ＮＯｘを満足する程度に除去・低減することができなかった。
この理由としては、比較例１では、ＮＯ2を吸着除去していると同時に、ＮＯ2からＮＯへの転化（還元）が起こり、全体としてＮＯｘ除去効率が低下してしまったと考えられ、比較例２では、吸着剤と酸化剤が同時に存在するためにＮＯ2の吸着が起こりにくいのに対し、ＮＯの還元のみが激しく起こり、結果として、ほとんどＮＯｘ濃度を低減することができなかったものと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明のケミカルフィルタは、燃料電池装置等の精密装置に流入する酸化剤ガスからＮＯｘを除去する際に用いられるとともに、食品・医薬・製薬等の雑菌や粉塵等による室内の汚染を制御するクリーンルーム分野においても貢献することができる点で、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明のケミカルフィルタユニットを含む酸化剤ガス用フィルタユニットの断面図
【図２】本発明のケミカルフィルタユニットの概略的断面図
【図３】実施例及び比較例で用いるケミカルフィルタユニットの概略的断面図
【図４】実施例及び比較例のＮＯｘの測定方法を説明するための概念図
【符号の説明】
【００２２】
１      ＮＯｘ用ケミカルフィルタ
１１    吸着層
１２    酸化層
１３    吸着・酸化混合層
２      アルカリ用ケミカルフィルタ
３      有機物用ケミカルフィルタ
４      ケミカルフィルタユニット
５      プレフィルタ
６      プレフィルタ
７      メインフィルタ
８      パンチング
１０    酸化剤ガス用フィルタユニット
２０    ケミカルフィルタ
３０    混合管
４０    試験体容器
５０    ＮＯｘ流量計
６０    排気ユニット
【図１】
2007296458.tif 000004
【図２】
2007296458.tif 000005
【図３】
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【図４】
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