(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入する水素含有ガスから水素以外の不純物を除去するためのフィルタ装置であって、
前記水素含有ガスが流れる上流側から下流側にわたって順次配置された、複数のフィルタ層を備え、
前記複数のフィルタ層は、水素吸蔵合金が充填された水素吸蔵合金層を含み、
前記水素吸蔵合金層は、前記水素吸蔵合金層より上流側に配置された他のフィルタ層よりも目の細かいフィルタ層である、フィルタ装置。
【請求項２】
請求項１記載のフィルタ装置であって、
前記水素吸蔵合金層は、前記水素吸蔵合金を繊維の間に分散させた不織布を備える、フィルタ装置。
【請求項３】
水素を貯蔵するための水素貯蔵タンクであって、
水素吸蔵合金が収納された、水素を充填するための充填部と、
前記充填部に接続する水素用配管と、
前記水素用配管に設けられた、請求項１又は請求項２記載のフィルタ装置と、
を備える、水素貯蔵タンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素含有ガスから水素以外の不純物を除去するためのフィルタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素の貯蔵方法としては、例えば、水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出を利用した水素貯蔵タンク等が知られている。水素貯蔵タンクでは、水素ガスを充填する際に、水素以外の不純物（イオン化しやすい金属や、活性物質など）も同時に水素貯蔵タンク内に混入してしまう場合がある。こうした不純物は、水素貯蔵タンクの劣化の原因となるばかりでなく、水素の供給先（例えば燃料電池など）の構成部材の劣化の原因となる場合がある。これまで、水素ガスに混入する水素以外の不純物を除去するための種々のフィルタ装置が提案されてきた（特許文献１等）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−０５４７９８号公報
【特許文献２】特開２００４−３０８７６３号公報
【特許文献３】特開２０００−１７１１２５号公報
【特許文献４】特開２００６−４３５４６号公報
【特許文献５】特開２００５−２８１１１５号公報
【０００４】
通常、フィルタ装置では、メッシュ等の微小な気孔（細孔）を有する多孔体によって不純物を濾過する。しかし、微小なサイズの不純物（例えば０．１〜１．０μｍ程度の大きさの不純物など）を濾過するために、当該多孔体の細孔径を小さくすると、目詰まりを生じやすく、フィルタ装置における圧力損失が増大してしまうという問題があった。これまで、こうした問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、水素含有ガスから水素以外の不純物を除去する技術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】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］流入する水素含有ガスから水素以外の不純物を除去するためのフィルタ装置であって、前記水素含有ガスが流れる上流側から下流側にわたって順次配置された、複数のフィルタ層を備え、前記複数のフィルタ層は、水素吸蔵合金が充填された水素吸蔵合金層を含み、前記水素吸蔵合金層は、前記水素吸蔵合金層より上流側に配置された他のフィルタ層よりも目の細かいフィルタ層である、フィルタ装置。このフィルタ装置によれば、上流側のフィルタ層によってサイズの大きい不純物をトラップし、下流側の水素吸蔵合金層によって、サイズの小さい不純物をトラップするとともに、水素吸蔵合金によって水素分子を透過させることができる。従って、フィルタの目詰まりを低減するとともに、圧力損失の増大を抑制しつつ水素分子を透過させることができる。
【０００８】
［適用例２］適用例１記載のフィルタ装置であって、前記水素吸蔵合金層は、前記水素吸蔵合金を繊維の間に分散させた不織布を備えるフィルタ装置。このフィルタ装置によれば、さらに、水素吸蔵合金層による圧力損失の増大を抑制しつつ、水素吸蔵合金層における不純物のトラップ能を向上させることができる。
【０００９】
［適用例３］水素を貯蔵するための水素貯蔵タンクであって、水素吸蔵合金が収納された、水素を充填するための充填部と、前記充填部に接続する水素用配管と、前記水素用配管に設けられた、適用例１又は適用例２記載のフィルタ装置とを備える、水素貯蔵タンク。この水素貯蔵タンクによれば、より不純物の少ない水素ガスを、フィルタ装置による圧力損失の増大を抑制しつつ、供給することができる。
【００１０】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、フィルタ装置、そのフィルタ装置を備えた水素貯蔵タンク、その水素貯蔵タンクを備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、水素供給部２００と、酸素供給部３００とを備えている。
【００１２】
燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電を行う固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池１００としては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。
【００１３】
水素供給部２００は、水素貯蔵タンク２１０と、水素供給用配管２２０と、フィルタ装置２３０と、水素補給用配管２４０とを備えている。水素貯蔵タンク２１０は、水素吸蔵合金が充填されたチューブ（図示せず）を備えている。水素吸蔵合金は、チューブ内の圧力の低下に伴って吸蔵した水素を放出し、圧力の上昇に伴って水素を吸蔵する。
【００１４】
水素貯蔵タンク２１０は、水素供給用配管２２０を介して燃料電池１００と接続されている。これによって、水素供給部２００は、水素貯蔵タンク２１０内に充填された水素を供給水素ガスとして、燃料電池１００のアノード側へと供給する。
【００１５】
水素供給用配管２２０には、その上流側から順に、フィルタ装置２３０と、レギュレータ２２２と、水素遮断弁２２３とが設けられている。レギュレータ２２２は、燃料電池１００に供給される供給水素ガスの圧力を調整し、水素遮断弁２２３は、開閉動作によって供給水素ガスの流れを制御する。フィルタ装置２３０については後述する。
【００１６】
水素補給用配管２４０は、水素貯蔵タンク２１０のタンク内への水素補給時に、水素貯蔵タンク２１０と外部の水素ステーションとを連結する。なお、水素補給用配管２４０には、水素の流れを制御するための水素遮断弁２４１が設けられている。
【００１７】
酸素供給部３００は、エアコンプレッサ３１０と、酸素供給用配管３２０とを備えている。エアコンプレッサ３１０は、酸素供給用配管３２０を介して燃料電池１００と接続されており、燃料電池１００のカソード側に、酸化ガスとして高圧空気を供給する。
【００１８】
なお、燃料電池１００に供給された水素及び酸素のうち、発電反応に供されることのなかった水素及び酸素はそれぞれ、燃料電池１００に接続する水素排出用配管２５０及び酸素排出用配管３５０によって、燃料電池１００の外部へと排出される。
【００１９】
ところで、水素貯蔵タンク２１０に補給される水素ガスには、水素ガスの製造時等に混入した水素分子以外の不純物が含まれる場合がある。そうした不純物が、水素貯蔵タンク２１０から水素分子とともに、燃料電池１００に供給されると、燃料電池１００の構成部材の劣化を引きおこす可能性がある。そこで、この燃料電池１００では、水素供給用配管２２０に設けられたフィルタ装置２３０を用いて、供給水素ガス中の不純物を除去する。
【００２０】
図２は、フィルタ装置２３０の内部構造を示す概略断面図である。フィルタ装置２３０は、ケーシング１０と、複数のメッシュ層２０〜２２と、水素吸蔵合金層３０とを備えている。
【００２１】
ケーシング１０は、中空の容器であり、水素供給用配管２２０（図１）と接続される、水素流入口１１と水素流出口１２とが、それぞれ対向する位置に設けられている。以後、フィルタ装置２３０に水素が流入する水素流入口１１側を「上流側」と呼び、水素が流出する水素流出口１２側を「下流側」と呼ぶ。
【００２２】
複数のメッシュ層２０〜２２及び水素吸蔵合金層３０は、上流側から下流側に渡って積層された状態でケーシング１０内に収納されている。複数のメッシュ層２０〜２２及び水素吸蔵合金層３０は、ケーシング１０内に流入した供給水素ガス中の不純物をトラップして除去するためのトラップ層（フィルタ層）として機能する。複数のメッシュ層２０〜２２としては、ステンレス鋼（ＳＵＳ）の焼結体等の多孔体による多孔層として構成される。なお、複数のメッシュ層２０〜２２は、繊維状の物質を網目状に織り込んだ網状体によって構成される多孔層として構成されるものとしても良い。
【００２３】
水素吸蔵合金層３０は、水素吸蔵合金粉末を成形した多孔体による多孔層として構成される。なお、水素吸蔵合金粉末としては、水素貯蔵タンクなどで使用が継続された結果、微粉化して水素貯蔵タンク外に排出されてしまった水素吸蔵合金の粉末を用いるものとしても良い。これによって、水素吸蔵合金層３０を低コストで製造することが可能である。
【００２４】
複数のメッシュ層２０〜２２及び水素吸蔵合金層３０は、下流側のトラップ層ほど、微小なサイズの不純物をトラップ可能なように目が細かく構成されている。ここで、「トラップ層の目が細かい」とは、例えば、各トラップ層の平均細孔径及び／又は最大細孔径がより小さいことを意味する。「平均細孔径」とは、各多孔体に存在する全細孔の直径の平均値である。また、「最大細孔径」とは、各多孔体に存在する全細孔の直径の最大値である。
【００２５】
水素吸蔵合金層３０の平均細孔径及び／又は最大細孔径は、例えば、０．１〜１．０μｍ程度としても良い。メッシュ層２０〜２２及び水素吸蔵合金層３０の平均細孔径及び最大細孔径は、例えば、窒素などを用いたガス吸着法によって細孔分布を測定することによって得ることができる。なお、複数のメッシュ層２０〜２２を、網状体によって構成した場合には、細孔径は、繊維間の目開きとして解釈することができる。
【００２６】
これまでの説明からも理解できるように、このフィルタ装置２３０では、下流側のトラップ層ほど、サイズの小さい不純物をトラップすることが可能である。ところで、一般のフィルタ装置において、平均細孔径及び最大細孔径が微小（例えば１μｍ以下）であるメッシュ層は、トラップされた異物によって細孔が塞がれる、いわゆる目詰まりを生じる可能性が高い。また、その目の細かさのために圧力損失が増大する傾向にある。しかし、このフィルタ装置２３０では、平均細孔径及び最大細孔径が微小径となる最下流側のトラップ層として水素吸蔵合金層３０が配置されている。この水素吸蔵合金層３０によれば、後述する水素吸蔵合金層３０の水素透過機能により、水素分子を透過しつつ、微小なサイズの不純物をトラップすることが可能である。また、トラップした不純物によって細孔が塞がれてしまうような場合であっても、圧力損失の増大を抑制しつつ水素の透過を継続することが可能である。
【００２７】
図３は、水素吸蔵合金層３０の水素透過機能を説明するための模式図である。図３は、図２に示すフィルタ装置２３０のうち、水素吸蔵合金層３０のみを拡大して図示しており、フィルタ装置２３０内に流入した水素分子１と供給水素ガスに含まれる不純物２の流れを模式的に示している。なお、図３は、紙面に向かって右側が上流側であり、供給水素ガスは図中の矢印ＦＤの示す方向に流れている。
【００２８】
水素吸蔵合金層３０の表面に存在する細孔は、その直径ｄより大きいサイズの不純物２をトラップする。一方、水素吸蔵合金層３０を構成する水素吸蔵合金粉末３１は、水素分子１を吸着する。ここで、水素吸蔵合金は、圧力の低下に伴って水素を放出する性質を有する。また、フィルタ装置２３０内は下流側ほど圧力が低いため、水素吸蔵合金粉末３１に吸着された水素分子は下流側へと放出される。このように、水素吸蔵合金層３０内では、水素吸蔵合金粉末３１のそれぞれが、水素分子の下流側からの吸着と上流側への放出を繰り返し、水素分子を伝搬していく。即ち、水素吸蔵合金層３０は、一種の水素透過膜として機能する。
【００２９】
このように、フィルタ装置２３０の水素吸蔵合金層３０は、上流側の複数のメッシュ層２０〜２２ではトラップされない微小サイズの不純物をトラップするとともに、圧力損失の増大を抑制しつつ水素分子を透過する。これによって、フィルタ装置２３０は、目詰まりの発生の可能性が低減され、圧力損失の増大による供給水素ガスの供給効率の低下が抑制される。
【００３０】
従って、本実施例の燃料電池システム１０００（図１）では、フィルタ装置２３０を設けたことによる供給水素ガスの供給効率の低下を抑制しつつ、供給水素ガス中に含まれる不純物による燃料電池１００の劣化を抑制することができる。
【００３１】
B．第２実施例：
図４は、本発明の一実施例として、フィルタ装置２３０Ａの構成を示す概略断面図である。図４は、水素吸蔵合金層３０の構成が異なる点以外は、図２とほぼ同じである。このフィルタ装置２３０Ａの水素吸蔵合金層３０Ａは、層全体に渡って不織布３２が配置され、不織布３２の繊維の間に水素吸蔵合金粉末が分散・充填されている。なお、水素吸蔵合金層３０Ａは、第１実施例の水素吸蔵合金層３０と同様に、他の上流側のメッシュ層２０〜２２より目が細かくなるように構成されている。
【００３２】
このような構成であれば、第１実施例のフィルタ装置２３０の効果に加えて、不織布３２によって不純物のトラップ能を向上させることが可能である。また、不織布３２は、保水性・吸水性に優れているため、供給水素ガス中の余分な水分を吸収することができる。
【００３３】
C．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３４】
C1．変形例１：
上記実施例において、フィルタ装置２３０，２３０Ａは、複数のメッシュ層２０〜２２を備えていたが、複数のメッシュ層としては、任意の数のメッシュ層が設けられているものとしても良いし、単一のメッシュ層が設けられているものとしても良い。こうした構成であっても、水素吸蔵合金層３０は、上流側に設けられた各メッシュ層よりも目が細かく構成されていれば良い。なお、単一のメッシュ層を備える場合において、当該メッシュ層は、上流側から下流側に渡って細孔の目が徐々に（連続的に）細かくなる構成であっても良い。
【００３５】
C2．変形例２：
上記実施例において、複数のメッシュ層２０〜２２は、下流側の層ほど目が細かくなるように構成されていたが、上流側より下流側に目の粗いメッシュ層が設けられる構成であっても良い。また、上記実施例では、水素吸蔵合金層３０が最下流側に配置されていたが、水素吸蔵合金層３０のさらに下流側に、他のトラップ層が設けられるものとしても良い。
【００３６】
C3．変形例３：
上記実施例において、フィルタ装置２３０，２３０Ａは、水素貯蔵タンク２１０に接続する水素供給用配管２２０に設けられていたが、水素補給用配管２４０に設けられているものとしても良い。また、フィルタ装置２３０，２３０Ａは、水素貯蔵タンク２１０に接続する配管に設けられていなくとも良く、例えば、改質機に接続する配管など、水素が流入する配管に設けられていればよい。
【００３７】
C4．変形例４：
上記実施例において、燃料電池システム１０００に、フィルタ装置２３０，２３０Ａが用いられていたが、他の水素を利用するシステムの水素系統に用いられるものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概略構成図。
【図２】フィルタ装置の内部構成を示す概略断面図。
【図３】水素吸蔵合金層の水素透過機能を説明するための模式図。
【図４】第２実施例としてのフィルタ装置の内部構造を示す概略断面図。
【符号の説明】
【００３９】
１…水素分子
２…不純物
１０…ケーシング
１１…水素流入口
１２…水素流出口
２０〜２２…メッシュ層
３０，３０Ａ…水素吸蔵合金層
３１…水素吸蔵合金粉末
３２…不織布
１００…燃料電池
１０００…燃料電池システム
２００…水素供給部
２１０…水素貯蔵タンク
２２０…水素供給用配管
２２２…レギュレータ
２２３…水素遮断弁
２３０，２３０Ａ…フィルタ装置
２４０…水素補給用配管
２４１…水素遮断弁
２５０…水素排出用配管
３００…酸素供給部
３１０…エアコンプレッサ
３２０…酸素供給用配管
３５０…酸素排出用配管
ＦＤ…矢印
ｄ…細孔の直径
【図１】
0005026931.tif 000002
【図２】
0005026931.tif 000003
【図３】
0005026931.tif 000004
【図４】
0005026931.tif 000005