CN102423581A

CN102423581A - 一种用于燃料电池系统的空气过滤器

Info

Publication number: CN102423581A
Application number: CN2011102542735A
Authority: CN
Inventors: 马建新; 吕洪; 蔡书娟; 周伟; 杨代军; 郑俊生; 许潇
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2012-04-25

Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池系统的空气过滤器，其包括过滤器外壳、物理过滤滤芯、化学过滤滤芯，物理过滤滤芯置于空气进口处，位于化学过滤滤芯的前端，物理过滤滤芯和化学过滤滤芯的中央设置贯通物理过滤滤芯和化学过滤滤芯并与空气出口相连通的气流通道，化学过滤滤芯设有导流板。若化学过滤滤芯为整体式，则在化学过滤滤芯的外侧设置导流板。若化学过滤滤芯为非整体式，包含多层滤芯时，则设置多层导流板，滤芯与导流板之间交错排列设置。本发明的空气过滤器具有分流气体，提高空气过滤效果，而且还具有消声功能。

Description

一种用于燃料电池系统的空气过滤器

技术领域

本发明涉及一种过滤器，尤其是涉及一种用于燃料电池系统的空气过滤器。从空气入口中去除固体颗粒和化学污染物的燃料电池空气过滤器，并且该过滤器具有消声功能。

背景技术

随着社会经济的发展，能源危机和环境污染日益加剧。为了解决这些问难，开发使用替代型新能源汽车正受到越来越多的关注。在所有的新能源汽车中，燃料电池汽车(FCV)以工作温度低、能量转化效率高、环境友好等突出的优越性，成为各国政府和汽车公司的研究热点。

大多数的采用质子交换膜燃料电池(PEMFC)的商业FCV都采用空气作为氧化剂，因此城市空气质量对PEMFC的效率和寿命产生重要的影响。然而，在当今世界中几乎所有的大气都包含某种程度的污染物。大气污染物一般包括尘埃、烟雾、花粉等固体颗粒，SO₂、NO_X、HC、CO等化学污染物。当燃料电池用于汽车，需要承受许多变化的大气条件时，解决空气污染物的问题变得特别尖锐。

此外，由于动力源的改变，燃料电池车的结构布置形式与传统汽车有很大的不同，其噪声振动源也发生根本的改变。燃料电池所必要的氧气量，要求携带如压缩机之类的增强空气流量的设备，这些设备一般都会产生明显的噪音。当采用燃料电池作为发动机驱动汽车行驶时，从压缩机之类的设备发出的声音将沿着燃料电池、过滤器组件和其他设备允许的各个方向传播。即，声音在压缩机上游传播，迎着空气的气流，到过滤器组件；且声音沿下游传到燃料电池。另外，当空气过滤器在大量进气时，也会产生啸叫声。

为了消除空气中有害气体对燃料电池的影响，最简单经济的方法之一就是使用空气过滤器在空气进入阴极之前，将这些杂质除去。同时最大程度地降低通过压缩机传输并返回到环境中的噪音以及空气过滤器自身在进气时产生的噪音，提高乘客乘坐的舒适性，需要对空气过滤器设计必要的消声结构。又由于通常也要求减小系统的尺寸，所以系统的过滤和消声装置最好在实体上尽可能减少，甚至最好组合在单一的壳体内。

中国专利CN 101439250A设计了一种用于燃料电池系统(特别是质子交换膜燃料电池系统)的空气过滤器。此过滤器包括三个部分：颗粒污染物吸收部分2、化学污染物吸收部分5以及过滤器外壳4。物理过滤滤芯2置于空气进口10处，位于化学滤芯前端5，两者通过密封挡板3连接，中央设置共同的气流通道11。物理过滤部分用纸质材料或无纺布作为滤芯材料。化学过滤部分由多层结构7，8，9组成，分别吸附不同的化学污染物，并且化学过滤部分为具有特定角度的空心圆锥体。经过过滤洁净空气通过出口12进入燃料电池系统。过滤器外壳4主要由上壳体1和下壳体6组成，具体结构如图1所示。此结构的主要优点是：进气阻力小，气体在过滤器内部的流动速度较为均匀。但是，此专利没有考虑到化学污染物吸附的均匀性，可能导致部分滤芯没有得到充分利用。此外该结构也不具有消声作用。

发明内容

本发明的目的在于改进现有燃料电池空气过滤器的不足，提供一种用于燃料电池系统的空气过滤器，从空气入口中去除固体颗粒和化学污染物，并且该过滤器具有消声功能。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种用于燃料电池系统的空气过滤器，其包括过滤器外壳、物理过滤滤芯、化学过滤滤芯，物理过滤滤芯置于空气进口处，位于化学过滤滤芯的前端，物理过滤滤芯和化学过滤滤芯的中央设置贯通物理过滤滤芯和化学过滤滤芯并与空气出口相连通的气流通道，化学过滤滤芯设有导流板。

所述化学过滤滤芯为整体式，则在化学过滤滤芯的外侧设置导流板。

所述化学过滤滤芯为非整体式，包含多层滤芯时，则设置多层导流板，滤芯与导流板之间交错排列设置。

所述化学过滤滤芯的内层采用金属滤网作为支撑，外层包裹高效粉尘过滤网。

所述导流板为与化学过滤滤芯具有相同锥度的圆锥体，与垂直方向倾角α为0＜α＜90°。

所述导流板上设有若干槽孔。

所述槽孔的最长直径为5mm，相邻槽孔的中心位置相距10mm。

所述导流板为铝合金、不锈钢、石墨板、橡胶、塑料或高分子聚合物的一种制成。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：

1.独特的导流板结构设计具有降低不同频率噪音作用；

2.独特的流动通道设计使滤芯利用充分，吸附效率高。

附图说明

图1是专利CN 101439250A的燃料电池空气过滤器的示意图。

图2是根据本发明的一个较佳实施例的燃料电池汽车空气过滤器的截面图。

图3是根据本发明的一个较佳实施例的燃料电池汽车空气过滤器化学过滤部分示图。

图4是根据本发明的一个较佳实施例的燃料电池汽车空气过滤器过滤空气过程示意图。

图5是根据本发明的一个较佳实施例的燃料电池汽车空气过滤器导流板布置示意图。

图6是本发明的空气过滤器不加导流板时FLUENT仿真所得空气过滤器滤芯吸附SO₂接近吸附饱和时的SO2浓度分布图。

图7是本发明的空气过滤器不加导流板时FLUENT仿真所得空气过滤器滤芯的预测使用寿命。

图8是根据本发明的一个较佳实施例的燃料电池汽车空气过滤器FLUENT仿真所得空气过滤器滤芯吸附SO₂接近吸附饱和时的SO₂浓度分布图。

图9是根据本发明的一个较佳实施例的燃料电池汽车空气过滤器FLUENT仿真所得空气过滤器的预测使用寿命。

图10是根据本发明的一个较佳实施例的燃料电池汽车空气过滤器多片导流板布置示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的空气过滤器主要由空气入口，过滤器外壳、物理过滤部分，化学过滤部分：金属滤网、化学过滤滤芯、导流板、高效粉尘过滤等组成。其中，过滤器外壳可以用塑料、铝或不锈钢等金属制作而成。用于去除空气中固体颗粒的物理滤芯可以用纸或无纺布制作。化学吸附剂可由活性炭、活性炭纤维、活性氧化铝、分子筛、气凝胶、离子交换树脂、离子交换纤维等多孔性、大比表面积材料中的一种或一种以上。以粒状活性炭为例，经KOH、Cu(NO₃)₂或柠檬酸改性和酚醛树脂黏合后的原位炭化压制成形技术制成本实施例中所述整体式化学过滤滤芯，以去除空气中主要的杂质气体NO_X、SO₂、HN₃和C_mH_n等。

图2所示为本发明的一个实施例的空气过滤器的截面图，该空气过滤器主要有物理过滤部分14，化学过滤部分15以及锥形出口16三部分共同组成。所述物理过滤部分14置于空气进口处，位于化学过滤部分15的前端，其包括第一外壳17、物理过滤滤芯18及第一法兰19，第一外壳17与第一法兰19构成一个框架，物理过滤滤芯18放置在框架内。所述化学过滤过滤部分15包括第二法兰20、化学过滤滤芯21、导流板22及第二外壳23，第二外壳23与第二法兰20构成一个框架，化学过滤滤芯21、导流板22位于框架内。物理过滤部分17利用第一法兰19与化学过滤部分15的第二法兰20由螺栓44通过螺纹孔联接，其中两法兰采用密封垫圈26将其密封。在物理过滤部分14和化学过滤部分15的中央设置贯通无虑过滤滤芯18和化学过滤滤芯21的气流通道，气流通道与锥形出口16相连通。

图3是本发明中空气过滤器化学过滤部分示意图。为了方便空气过滤器的维护，化学过滤部分15制成整体式滤芯，本实例中的整体式滤芯21采用了表面改性剂修饰的活性炭，可用于除去空气中主要的杂质气体(NO_X、SO₂、HN₃和C_mH_n等)，滤芯21采用整体式化学过滤层，同时滤芯21的内层采用不锈钢网(金属滤网)作为支撑。滤芯21外层还包裹有高效粉尘(＜0.1μm)过滤网25，其使用驻极材料，例如聚丙烯、聚四氟乙烯、环烯聚COC、六氟丙稀一聚四氟乙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚丙烯PP共混及聚脂，过滤滤芯部分因气流冲刷可能带出的任何固体颗粒及粉尘。图中角a是化学过滤部分的倾角，倾角a的大小在0到90度之间。根据燃料电池系统功率的大小进行设计。本实例针对5kW功率的燃料电池系统进行设计，倾角a为8°，这样既减小空气通过活性炭的压降，又可以满足活性炭高效吸附杂质的要求。导流板22作为滤芯的支撑，气流经过所有过滤单元后进入聚三氟氯乙烯过滤网25，过滤器气流冲刷下来的活性炭细小颗粒，该过滤层可以过滤颗粒小于0.1μm的粉尘，最后进入出口。

图4详细表达了本发明中空气过滤器是如何达到去除颗粒污染物和化学污染物的目的。图中箭头表示空气流动方向。含有颗粒污染物和化学污染物的空气由空气入口29进入物理过滤部分，经过物理过滤部分14的过滤空气中的颗粒污染物被除去，空气进入过滤器腔体27，然后进入整体式化学过滤部分15。最后，经过过滤的空气通过锥形出气通道16，进入压缩机或鼓风机，由压缩机或鼓风机将洁净的空气送入燃料电池系统。

图5是本发明燃料电池汽车空气过滤器一种导流板布置示意图。本实施例中采用了一片导流板，导流板布置在空气过滤器化学滤芯部分外侧，如图中所示，导流板22上开有若干小孔27，导流板22相邻小孔28的中心位置相距10mm，小孔的直径为5mm。导流板22采用不锈钢材料制成，其小孔也可以根据需要改为其他形状的槽，比如方形、椭圆形、菱形等等各种规则或不规则的槽。本发明中多孔导流板可以起到支撑吸附与滤芯并提高吸附效率的作用，改变气体流动特性，保证气流在滤芯内分布均匀，并且具有消声作用。图10是本发明燃料电池汽车空气过滤器另一种导流板布置示意图。导流板22为两片，化学滤芯采用非整体式，导流板22与化学滤芯31、32、33互相交错排列，即导流板22设置于化学滤芯31和32、化学滤芯32和33之间。根据实际需要滤芯31、32、33可以是同一种或者多种物质。也就是说，为了降低噪声，改变空气在吸附层内的流动，可以在吸附层外部适当设置导流板22，当采用多片导流板时，滤芯和导流板也呈类似交错排列。设置导流板22的作用在于，通过导流板孔结构的设计与活性炭的多孔结构相结合，一方面降低了噪声，另一方面可以降低了空气吸附层内的流速，增加空气通过过滤吸附层的时间，同时，强迫空气分流经过两侧的吸附剂后才能继续向前流动，多次分流透过吸附剂可以提高空气的过滤效果，避免吸附层出现“死区”、短路现象，可以保证各部分吸附剂的利用率基本相同。

本发明采用螺栓式的装配结构既能够起到很好的密封效果，又便于滤芯的更换、疏通被堵塞的过滤孔道。空气过滤器的出气通道采用截面积逐渐减小的结构，有利于空气通过出气通道后流速增大，缩短在通道中的流动时间。空气过滤器出口设置为圆形，以便于与通向燃料电池的管道密封连接。

图6为空气过滤器不加导流板时FLUENT仿真所得空气过滤器滤芯吸附SO₂接近吸附饱和时的SO₂浓度分布图。由图可见，颗粒活性炭滤芯在达到吸附饱和时担载SO₂的浓度分布，出现了“死区”、“短路”现象。由图7可见，空气过滤器滤芯的预测使用寿命为108个小时。

图8是改善后FLUENT仿真所得空气过滤器在滤芯接近吸附饱和时的SO₂浓度分布图。由图可见颗粒活性炭滤芯在达到吸附饱和时担载SO₂的浓度分布较为均匀。图9为改善后FLUENT仿真所得空气过滤器滤芯吸附SO₂近似的穿透曲线，穿透时间约为145个小时，过滤器使用寿命得到改善。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于燃料电池系统的空气过滤器，其包括过滤器外壳、物理过滤滤芯、化学过滤滤芯，物理过滤滤芯置于空气进口处，位于化学过滤滤芯的前端，物理过滤滤芯和化学过滤滤芯的中央设置贯通物理过滤滤芯和化学过滤滤芯并与空气出口相连通的气流通道，其特征在于：化学过滤滤芯设有导流板。

2.如权利要求1所述的用于燃料电池系统的空气过滤器，其特征在于：所述化学过滤滤芯为整体式，则在化学过滤滤芯的外侧设置导流板。

3.如权利要求1所述的用于燃料电池系统的空气过滤器，其特征在于：所述化学过滤滤芯为非整体式，包含多层滤芯时，则设置多层导流板，滤芯与导流板之间交错排列设置。

4.如权利要求1-3任一项所述的用于燃料电池系统的空气过滤器，其特征在于：所述化学过滤滤芯的内层采用金属滤网作为支撑，外层包裹高效粉尘过滤网。

5.如权利要求1-3任一项所述的用于燃料电池系统的空气过滤器，其特征在于：所述导流板为与化学过滤滤芯具有相同锥度的圆锥体，与垂直方向倾角α为0＜α＜90°。

6.如权利要求1-3任一项所述的用于燃料电池系统的空气过滤器，其特征在于：所述导流板上设有若干槽孔。

7.如权利要求6所述的用于燃料电池系统的空气过滤器，其特征在于：所述槽孔的最长直径为5mm，相邻槽孔的中心位置相距10mm。

8.如权利要求6所述的用于燃料电池系统的空气过滤器，其特征在于：所述导流板的材料选用铝合金、不锈钢、石墨板、橡胶、塑料或高分子聚合物中的一种。