CN101278432B - 过滤器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于净化燃料电池吸入空气的过滤器装置(7)，包括由至少两层第一过滤器介质(2、3)和至少另外一层第二过滤器介质(4)组成的至少一个过滤器(1)，其中，第二过滤器介质(4)嵌入在第一过滤器介质(2、3)之间，所述第一过滤器介质(2、3)连结到彼此相对的边部(5、6)；以及包括壳体(8)，该壳体包括至少一个顶部构件(9)和一个底部构件(10)，其中，顶部构件(9)和底部构件(10)分别具有凸缘(11、12)，过滤器(1)的边部(5、6)设置在凸缘(11、12)之间。

Description

过滤器装置

技术领域

本发明涉及一种用于净化燃料电池吸入空气的过滤器装置。

背景技术

燃料电池尤其是PEM燃料电池要求吸入空气中不含有腐蚀性元素，以获得最佳功效和长期耐用性。腐蚀性元素是微粒和气态颗粒。来自设置在上游的***部件如空气输送设备的可蚀性颗粒(inscribed particles)或磨损性颗粒或者腐蚀性气体可在燃料电池内积聚，并可损坏多个部分如气体通路、空气扩散层、催化剂或膜电极组件的最佳功能。腐蚀性元素可造成这些部件被过早地损耗。为了防止颗粒被夹带进入燃料电池，利用过滤器对燃料电池的吸入空气进行净化。然而，可用的设计空间有限，对于紧凑的燃料电池而言尤其如此。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设计紧凑且制造廉价的用于净化燃料电池吸入空气的过滤器装置。

通过权利要求1的特征实现上述目的。从属权利要求涉及有利的实施方式。

为了实现上述目的，一种用于净化燃料电池吸入空气区域的过滤器装置包括由至少两层第一过滤器介质和至少另外一层第二过滤器介质组成的至少一个过滤器，其中，第二过滤器介质嵌入在第一过滤器介质之间，所述第一过滤器介质连结到彼此相对的边部；以及包括壳体，该壳体包括至少一个顶部构件和一个底部构件，其中，顶部构件和底部构件分别具有凸缘，所述过滤器的边部设置在凸缘之间。

在燃料电池的情况下，特别是对于例如PEM燃料电池和DMFC燃料电池，吸入空气必需经过过滤。手机用燃料电池尤其具有紧凑的设计，在一些情况下，过滤器只能设置在难以到达的部位中。本发明的过滤器由于其设计而能特别容易地被安装。根据本发明，所述过滤器可设置在空气输送设备区域中——换句话说，在空气输送设备的上游和/或下游，所述空气输送设备可被设计成泵或压缩机。所述过滤器装置优选地位于空气加湿器的上游。需要空气加湿器对燃料电池的吸入空气加湿，以防止膜变干，膜变干会导致电压下降。

第一过滤器介质的边部通过力锁合(friction locking)连接和/或形锁合(form fitting)连接和/或整体粘合连接进行固定。可省去对第一过滤器介质的单独连接，尤其是当安装在壳体中的过滤器不被设计成可更换的情况下。过滤器和壳体共同形成预装配单元，从而更换过滤器是可能的——尤其是在力锁合连接和/或形锁合连接和/或整体粘合连接的情况下。设置在凸缘之间的边部同时对壳体进行密封。这里有利地，所述过滤器装置是其过滤器层牢固地连结在壳体上的单一部件。这使得装配特别简单，因为只需要连接空气导管即可。同时，该过滤器装置重量轻，所以无须另外地固定所述壳体。

所述凸缘可以力锁合和/或形锁合的方式联接在一起。可通过使用简单的工具廉价地建立起力锁合连接和/或形锁合连接，并无需组装助手/援助。这种连接可被无破坏地释放，从而简化了过滤器的更换。

所述凸缘和边部可以整体粘合的方式粘合在一起。在整体粘合连接的情况下，由于力的作用而防止了凸缘被无意地释放。整体粘合、尤其是通过胶粘剂的整体粘合连接可被设计成气密的。这时通过更换内部封装有过滤器的壳体来更换过滤器，这特别是在难以到达的部位的情况下非常有利。

所述凸缘和边部可被焊接在一起。焊接对于凸缘的形状或外形无特殊要求，且公差要求低。

所述顶部构件和底部构件可被设计成注射成型件或车削加工件。顶部构件和底部构件均由廉价的塑料如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)制成。注射成型是一种简单且廉价的生产工艺。顶部构件和底部构件也可被设计成深长型件。

所述过滤器可在壳体中安装成使得在顶部构件与过滤器和/或在底部构件与过滤器之间形成有空气空间。空气空间促使空气流分配，从而形成面对过滤器的均匀的来流。另外，特别有利地，所述空气空间具有吸声作用，从而使空气输送设备发出的噪声可被减弱。过滤器装置因此同时形成了用于抑制声音的装置。如果在空气空间中设置有多孔介质如非织造物，或者如果在空气空间中设有利用通路相互连接的多个腔室，则可进一步改善对声音的抑制。

所述第一过滤器介质可由非织造物制成，从而该第一过滤器介质被设计成粗滤器或细滤器，第二过滤器(介质)被设计成细滤器。第一过滤器介质面向未经净化的吸入空气侧，第二过滤器介质面向经净化的吸入空气侧。非织造物廉价且可通过多种方法进行制造。所述非织造物优选由塑料如聚酯、聚烯烃或聚丙烯腈制成。第一过滤器介质也可由通过不同塑料制成的多层非织造物形成。由于制造工艺不同，非织造物可具有不同的性能、例如过滤各种大小的固体颗粒和液体颗粒即所谓的气溶胶以及过滤某些化学成分的适用性。所述非织造物可涂有离子交换树脂以便能够例如过滤碱性气体或酸性气体、例如NH₃或SO₂——这取决于树脂的性能。第二过滤器介质可通过活性炭形成。第二过滤器介质通过活性炭形成吸附式过滤器或吸收式过滤器，其中活性炭适用于过滤多种多样的化学成分及颗粒。可设置有多层活性炭。但是，活性炭是细粒且可自由流动，因此，将活性炭固定在例如由非织造物制成的第一过滤器介质之间的装置/手段特别有利。也可单独地或组合地提供其它吸附剂作为第二过滤器介质。这些吸附剂也可以是通过物理吸附或化学吸附的活性的。例如，也可以设想浸渍炭、硅胶、氧化铝或离子交换剂。其它过滤器装置可另外地具有上游和/或下游粒子过滤器。所述过滤器介质可被设计成冲压件。冲压件特别易于制造。如果将第二过滤器介质的冲压坯件设置在第一过滤器介质的片层之间、然后从第一过滤器介质制造冲压坯件，则可连续地制造。在冲压出第一过滤器介质的同时也可进行使用相同模具的焊接。如果第二过滤器介质由活性炭构成，则可能需要使用粘合剂将活性炭固定成块状。粘合剂的量特别少是有利的，因为活性炭冲压坯件被固定在第一过滤器介质之间。由于减少了粘合剂含量，活性炭冲压坯件的可自由到达的比表面积和吸附性能得以改善。活性炭冲压坯件中的粘合剂的量可减少到小于50wt％。

附图说明

下面参考附图更加详细地说明几个示例性实施例。这些附图分别以概略视图示出：

图1：本发明的过滤器装置；

图2：一种本发明的过滤器；

图3：一种过滤器装置，其壳体构件以整体粘合的方式联接在一起；

图4：一种过滤器装置；

图5：一种过滤器装置，其壳体构件以形锁合和力锁合的方式联接在一起；

图6：一种过滤器装置，其壳体构件以形锁合和力锁合的方式联接在一起，并具有另外的密封元件。

图7：一种过滤器装置，其壳体构件以形锁合和力锁合的方式联接在一起，并具有另外的密封元件。

具体实施方式

图1示出用于净化进入燃料电池19的燃料电池吸入空气的过滤器装置7，该过滤器装置7因此安装在燃料电池19的吸入空气流中。特别是对于PEM燃料电池而言，如果在吸入空气流中设有加湿器20，则过滤器装置7可安装在加湿器20之前，以向加湿器20提供经净化的吸入空气。其中，过滤器装置7可设置在用于输送吸入空气流的空气输送设备21之前和/或之后。

图2示出安装在过滤器装置中的过滤器1。该过滤器1由两层第一过滤器介质2、3和安装在两层第一过滤器介质2、3之间的一层第二过滤器介质4构成，从而形成过滤器1的夹层型设计。过滤器介质2、3、4被设计成扁平的，第一过滤器介质2、3比第二过滤器介质4具有较大的面积。因此，第一过滤器介质2、3的边部5、6重叠。所述相对的边部5、6联接在一起。在该实施例中，边部5、6通过超声波焊接以整体粘合的方式联接在一起。在其它实施例中，边部5、6可通过热熔冲压或通过胶合联接在一起。第一过滤器介质2、3由聚酯或聚丙烯非织造物制成，并形成过滤器1的初级过滤元件和终级过滤元件。第二过滤器介质由活性炭制成，颗粒通过粘合剂相互粘合。这样，活性炭坯件具有压制坯件的形式，其可通过冲压被定型。为了制作第二过滤器介质4，在第一步中将活性炭布置在由非织造物制成的载体上。在接下来的步骤中，所述载体与活性炭一起被相互叠置并被层压在一起，其中，所述载体相互背离并形成两个主要的侧面。在该实施例中，两个层压的载体-活性炭-载体层相互叠置，其中，一个活性炭层用于过滤酸性气体，而另一个活性炭层用于过滤碱性气体。

在该实施例中，三个过滤器介质2、3、4都被设计成冲压坯件。过滤器1可在连续的工艺中进行制作，其中，将第二过滤器介质4的冲压坯件连续地设置在第一过滤器介质2、3的层之间。然后，将其间安装有第二过滤器介质的第一过滤器介质2、3冲压出；在冲压操作的同时，将第一过滤器介质2、3的边部5、6整体粘合。将该过滤器1安装在燃料电池的吸入空气流中。

图3示出包括壳体8的过滤器装置7，所述壳体8保持根据图2的过滤器1。壳体8具有由塑料通过注射成型制成的顶部构件9和底部构件10。设置在顶部构件9和底部构件10上的凸缘11、12可用于使顶部构件9和底部构件10相接触。根据该实施例，在对称线的右侧，过滤器1安装在顶部构件9和底部构件10之间，从而使第一过滤器介质2、3的边部5、6位于凸缘11、12之间并被固定在那里。在对称线左侧示出的另一实施例中，第一过滤器介质2、3的边部5、6以形锁合的方式保持在由凸缘11、12形成的凹槽中。顶部构件9和底部构件10被设计成深长型构件，并在凸缘11、12方向上具有较大的横截面以便于制造。在该实施例中，凸缘11、12和边部5、6整体粘合在一起。过滤器在壳体中安装成使得在顶部构件与过滤器之间和/或在底部构件与过滤器之间留有空气空间。

为制作过滤器装置7，将顶部构件9和底部构件10以及两个第一过滤器介质2、3和一个第二过滤器介质4相互叠置，并在一次操作中将边部5、6和凸缘11、12焊接在一起，因此，制作过滤器装置7只需单次焊接操作。在该实施例中的过滤器装置7和过滤器1具有矩形、大致为方形的横截面，以最大可能地利用可用的隔离空间。过滤器装置7也安装在燃料电池的吸入空气流中。

图4示出根据图3的过滤器装置7，其中凸缘11、12尚未联接在一起。顶部构件9的凸缘11在朝向底部构件10的凸缘12的一侧上具有环绕周边布置的肋部14，确保了凸缘11、12之间的接触。由于肋部14面积很小，所以这里的表面压力最大，并且该区域可特别好地被焊接。由于肋部14，也使得边部5、6能很好地被穿透，因此这种连接具有改善的密闭性。

图5示出根据图3的过滤器装置7，其中，该实施例中的凸缘11、12以形锁合和力锁合的方式联接在一起。顶部构件9的凸缘11接合在底部构件10的凸缘12的内周边中。在凸缘11的外周边上设有一形锁合元件，该形锁合元件被设计成突出部16，并与一设计成相叠合的凹槽15以形锁合的方式相接合，并且由于略微沿径向伸出而经由过滤器1的边部5、6以力锁合的方式相接合，所述凹槽设置在凸缘12的内周边上。在其它实施例中，也可设置两个或更多形锁合元件。壳体8通过边部5、6进行密封，所述边部5、6安装成使其被挤压在凸缘11、12之间。壳体8可被打开和再被关闭以更换过滤器1。

图6示出根据图5的过滤器装置的另两个实施例，其中，在凸缘11、12间设置有另外的密封元件。在对称线左侧示出的实施例中，在凸缘11和12之间设置有O形环17作为另外的密封元件。可在对密封性有特殊需求时设置O形环，同时壳体必须能容易地被打开。在对称线右侧示出的实施例中设有密封复合件18作为另外的密封元件，该密封复合件被注射在凸缘11、12之间的间隙中。可在对密封性有特殊需求且对公差要求较低时设置密封复合件。如果所述边部是由通过塑料制成的非织造物制成的，则密封性可能会由于非织造物的不可逆的形变而随时间的流逝而降低。

图7示出根据图6的过滤器装置7的两个实施例，其中形锁合连接被设计成咬合联接件，并直接形成在凸缘11、12之间。因此，顶部构件9和底部构件10应被特别地安装。在这些实施例中，凸缘11的突出部16直接接合在凸缘12的凹槽15中。为了提高密封性，在对称线左侧在该实施例中设置有O形环17，在对称线右侧在该实施例中设置有密封复合件18。

Claims (8)

1.一种用于净化燃料电池吸入空气的过滤器装置(7)，包括至少一个过滤器(1)，该过滤器具有至少两层第一过滤器介质(2、3)和至少另外一层第二过滤器介质(4)，该第一过滤器介质由非织造布制成，该第二过滤器介质由活性炭制成，其中，第二过滤器介质(4)嵌入在第一过滤器介质(2、3)之间，所述第一过滤器介质(2、3)连结到相对的边部(5、6)；该过滤器装置还包括壳体(8)，该壳体包括至少一个顶部构件(9)和一个底部构件(10)，其中，顶部构件(9)和底部构件(10)分别具有凸缘(11、12)，所述过滤器(1)的边部(5、6)设置在所述凸缘(11、12)之间。

2.根据权利要求1所述的过滤器装置，其特征在于，所述凸缘(11、12)以形锁合和/或力锁合的方式联接在一起。

3.根据权利要求1或2所述的过滤器装置，其特征在于，所述凸缘(11、12)和边部以整体粘合的方式联结在一起。

4.根据权利要求1或2所述的过滤器装置，其特征在于，所述凸缘(11、12)和边部(5、6)被焊接在一起。

5.根据权利要求1或2所述的过滤器装置，其特征在于，所述顶部构件(9)和底部构件(10)被设计成注射成型件。

6.根据权利要求1或2所述的过滤器装置，其特征在于，所述过滤器(1)在所述壳体(8)中安装成使得在所述顶部构件(9)与过滤器(1)和/或在所述底部构件(10)与过滤器(1)之间形成有空气空间。

7.一种燃料电池(19)，该燃料电池包括根据前述权利要求中任一项所述的过滤器装置(7)。

8.根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，所述过滤器装置(7)安装在燃料电池(19)的吸入空气流中。

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