CN109155421A - 燃料电池过滤器元件和具有燃料电池过滤器元件的燃料电池过滤器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池过滤器元件（10），特别是用于要向燃料电池供给的空气，包括载体介质（12）和吸附剂，其中，所述载体介质（12）和所述吸附剂被连接成单层或多层本体（40），所述单层或多层本体与塑料边缘（50）在无添加材料的情况下直接固定连接，即通过喷铸法或吹塑成型法，其中，所述塑料边缘（50）具有连接面（54），用于与过滤器系统（100）的壳体壁（112）连接，过滤器元件（10）可以被插入到所述过滤器系统中。本发明还涉及一种具有这种燃料电池过滤器元件（10）的燃料电池过滤器系统（100）。
Description
技术领域
本发明涉及按照独立权利要求前序部分所述的一种燃料电池过滤器元件，特别是用于要向燃料电池供给的空气的燃料电池过滤器元件，以及一种具有燃料电池过滤器元件的燃料电池过滤器系统。
背景技术
美国专利US 7,758,674B2公开了一种用于要向燃料电池供给的空气的过滤器元件。借助过滤器元件，不仅可以从空气中去除污物颗粒也可以去除化学性污染物。为此，过滤器元件具有过滤无纺布，污物颗粒沉积在过滤无纺布上，以及具有一层活性炭，其用作吸附空气中气态组分的吸附剂。
发明内容
本发明的任务是，利用简单的措施这样构造具有活性炭作为吸附剂的过滤器元件，使得过滤器元件可以利用少量的耗费来更换。
本发明的另一个任务是构造一种过滤器系统，使得过滤器元件可以利用少量的耗费来更换。
前述任务按照本发明的一个方面通过一种燃料电池过滤器元件、尤其是一种用于要向燃料电池供给的空气的燃料电池过滤器元件来解决，该燃料电池过滤器元件包括载体介质和吸附剂。在此，载体介质和吸附剂被连接成以塑料边缘埋入的单层或多层本体。根据本发明的另一方面，通过具有这种过滤器元件的过滤器系统来解决上述任务。
本发明的有利的设计方案和优点由其他权利要求、说明书和附图获得。
提出了一种燃料电池过滤器元件，特别是用于要向燃料电池供给的空气的燃料电池过滤器元件，其包括载体介质和吸附剂，其中，载体介质和吸附剂被连接成埋入到塑料边缘中的单层或多层本体。
根据本发明的过滤器元件可有利地用于以化学方法通过吸附来滤出气流中的污染物。过滤器元件例如用于通过吸附空气中的气态污染物来清洁要向燃料电池供给的空气。
过滤器元件一方面具有载体介质，另一方面具有作为吸附剂的例如活性炭，其根据本发明通过添加粘接材料来固化。这点可以实现：实现紧密包装的活性炭层，该活性炭层在其结构上与松散的活性炭散装物料不同，即使在机械应力下以及经过长运行时间段之后也被保持住；避免了活性炭颗粒的会导致吸附能力受损的移位和局部压缩。吸附能力受损例如是由于散装物料中的局部缺陷部位，这可能导致泄漏。在根据本发明的实施方案中，通过固化活性炭颗粒，透气性高于与活性炭颗粒具有可比性粒径的松散的散装物料的情况。活性炭颗粒的固化还具有以下优点：可以产生过滤器元件或载体介质覆层和活性炭覆层的各种形式的几何形状。矩形和非矩形下料都是可以考虑的。活性炭层中的活性炭颗粒的固化是通过添加粘接材料实现的，粘接材料的粘接丝附着在活性炭颗粒表面上并使不同的活性炭颗粒彼此连接，但没有对活性炭的吸附能力产生不利影响。作为粘接材料可以考虑例如反应性粘接剂，例如基于聚氨酯或硅烷。也可以是热塑性粘接剂，其例如基于聚烯烃来制备。
该实施方案可以实现构造出具有被固化的活性炭层的开放的载体层-活性炭层-覆层。被称为介质覆层并包括载体层以及活性碳层的这类覆层可以被叠置堆垛，其中，通流方向处在堆垛方向上，即正交于覆层的平面。在一优选实施方案中，分别由载体层和活性炭覆层组成的两个介质覆层分别以如下这样的方式叠置堆垛，即两个介质覆层的活性炭覆层直接相互邻接；这两个介质覆层共同形成一堆垛单元。在堆垛状态下，两个不同的活性炭覆层因此在上部和下部的载体层内部直接彼此贴靠。在某些情况下这类堆垛单元可以进一步叠置堆垛，以便获得具有相应过滤能力的过滤器元件的希望的总厚度。
此外，也能够以简单的方式将每个覆层的不同活性炭类型组合起来，例如不同的原料，如椰子、煤、木炭或合成的初始材料，不同的激活度，不同的催化特性和不同的浸渍。由此可以对目标气体光谱进行适配。
根据另一适宜的实施方案，活性炭覆层在其纵侧和/或宽侧上进行封装，使得可能地活性炭覆层的所有侧的限界可以与贴靠在侧表面上的载体层一起被实现。纵侧和/或宽侧上的封装提高了稳定性并改善了安全性以防活性炭覆层中的分层和移位。封装可以通过塑料或粘接材料进行，或者替换地也可以利用侧边缘来进行，侧边缘被粘接在侧表面上。
根据本发明提出，单层或多层本体与塑料边缘直接在无添加材料的情况下固定连接，例如通过喷铸法或吹塑成形法。这具有以下优点：过滤器和壳体可以在一个工作步骤中制造；埋入直接在该过程步骤中进行，并且取消了将过滤器元件粘入到壳体中，并且还可以省去用于密封的侧边缘。此外，由此还可以确保在壳体和过滤器元件之间不会发生漏电流。
塑料边缘具有连接面，用于与过滤器系统的壳体壁连接，过滤器元件可以被插入到过滤器系统中。由此为壳体壁提供了受限定的界面，这极大地方便了装配过程。经由连接面，过滤器元件可以例如被焊入到壳体中。
有利地，塑料边缘可以具有连接凸缘，该连接凸缘使得可以将过滤器元件构造成整个过滤器系统的且特别是壳体的模块化部分。由此进一步使得过滤器元件在维护情况下的可更换性非常容易。
在一有利设计方案中，塑料边缘在外周上和/或在一或两个端侧上具有焊接面和/或粘接面。另一方面，过滤器元件的焊入能够实现持久且可靠地与过滤器系统的壳体连接。此外，以这种方式也可以实现非常可靠的密封。
有利地，该本体可以在符合规定的入流侧上具有颗粒过滤器，该颗粒过滤器尤其可以构造成具有折叠的过滤介质的颗粒过滤器并且可以通过一个或多个桥接部或支撑栅格来稳定。颗粒过滤器用于过滤掉较粗的颗粒，而活性炭用于待过滤流体中的有害物质的化学结合。相比于它们的体积，折叠的过滤介质具有大的表面，因此它们可以在过滤器中非常高效地使用。桥接部或支撑栅格用于整个颗粒过滤器的机械稳定。
适宜地，在喷铸包覆之前，本体的一个或多个侧边缘可以用密封元件密封，由此简化了制造过程，因为工具（本体被插入其中）通过过滤材料免遭可能的污染。密封元件可以被实施成侧边缘的形式，该侧边缘例如被粘接。
以这种方式，活性炭覆层在其纵侧和/或宽侧上进行封装，使得可能地活性炭覆层的所有侧的限界可以与贴靠在侧表面上的载体层一起被实现。纵侧和/或宽侧上的封装提高了稳定性并改善了安全性以防活性炭覆层中的分层和移位。
在一有利设计方案中，吸附剂的颗粒可以通过添加粘接材料、特别是反应性粘接剂或热塑性粘接剂来固化，以便因此能够容易地实现不同形式的本体构型。
根据另一适宜的实施方案，载体介质被构造成过滤无纺布或开孔泡沫，例如聚氨酯泡沫，在其中容纳活性炭以及粘接材料。可考虑这样的实施方案，其中，为了制造过滤器元件，首先将粘接材料置入载体介质的开孔泡沫中，并随后置入活性炭。还可以是这样的实施方案，首先将粘接材料施加到活性炭上并将活性炭-粘接材料混合物置入载体介质的开孔泡沫中。
在一有利实施方案中，载体介质可以被构造成载体层并且活性炭形成直接邻接到所述载体层上的活性炭覆层，所述活性炭覆层单侧或两侧地邻接到载体层上。载体介质是活性炭的载体或至少邻接到活性炭层上。载体介质例如被实施为载体覆层或载体层，其在某些情况下接管待清洁的气态流体的粒状污染物的机械过滤。在这种情况下，载体介质形成例如载体无纺布或过滤无纺布，其上可沉积污物颗粒。过滤无纺布由以玻璃纤维填充或未填充的热塑性塑料制成，例如由聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚碳酸酯或聚丙烯制成。
在作为载体层的载体介质的实施方案中，活性炭形成直接邻接载体层的活性炭覆层，其优选通过粘接材料与载体层连接。由此，载体层至少在一侧上限界活性炭覆层并同时与活性炭覆层连接。
此外，活性炭覆层可以在其两个侧表面上分别由一载体层限界；中间活性炭覆层和两个载体层形成一介质覆层。适宜地，活性炭覆层也与两个载体层粘接。因此，介质覆层或堆垛单元由两个载体层和中间活性炭覆层组成，其中，在某些情况下多个堆垛单元可以彼此叠置堆垛。
通过不同的覆层数量或堆垛单元，在某些情况下也可以在过滤器元件的相对小的长度和宽度下实现大的高度。较大的高度与较长的停留时间和更好的有效吸附相关，并导致活性炭过滤器的较长的使用寿命。
在另一有利实施方案中，至少两个活性炭覆层因此也可以贴靠邻接。
过滤器元件在用于燃料电池系统的阴极空气过滤器中的符合规定的应用可以是有利的。
根据另一方面，本发明涉及一种具有燃料电池过滤器元件的燃料电池过滤器系统，其中，燃料电池过滤器元件可更换地被布置在燃料电池过滤器系统中。在此，这种过滤器系统的主要优点在于过滤器元件的安全和稳定的装配以及在使用时过滤器元件的非常经济的可更换性。
在一改进方案中，过滤器元件的塑料边缘甚至可以被构造成过滤器系统的壳体或壳体壁的组成部分，由此可以节省整个过滤器系统的材料、重量和成本。
附图说明
其他优点由随后的附图描述中获得。在这些附图中示出了本发明的实施例。附图、说明书和权利要求包含大量的特征组合。本领域技术人员也可以适宜地单独考虑这些特征以及总结出有意义的其它组合。
示例性地：
图1根据本发明的一实施例以示意图示出了燃料电池过滤器元件的本体，其具有作为吸附剂的活性炭，该本体具有两个叠置堆垛的介质覆层，它们分别由两个载体层连同中间活性炭覆层组成；
图2根据本发明另一实施例示出了具有不同的载体层和活性炭覆层的燃料电池过滤器元件；
图3根据本发明一实施例示出了过滤器系统壳体中的埋入塑料中的燃料电池过滤器元件；
图4根据本发明另一实施例示出了过滤器系统壳体中的埋入塑料中的燃料电池过滤器元件，其以密封元件被密封；
图5根据本发明另一实施例示出了过滤器系统壳体中的塑料喷铸包覆的燃料电池过滤器元件，其具有连接凸缘；
图6根据本发明另一实施例示出了塑料喷铸包覆的燃料电池过滤器元件，其具有颗粒过滤器，该颗粒过滤器以桥接部来稳定；以及
图6根据本发明另一实施例示出了塑料喷铸包覆的燃料电池过滤器元件，其具有颗粒过滤器，该颗粒过滤器以桥接部来稳定；
图7根据本发明另一实施例示出了过滤器系统壳体中的塑料喷铸包覆的燃料电池过滤器元件，其在外周上被接合到过滤器系统的壳体中；
图8根据本发明另一实施例示出了塑料喷铸包覆的燃料电池过滤器元件，其在端侧上被接合到过滤器系统的壳体中；以及
图9根据本发明另一实施例示出了具有塑料喷铸包覆的燃料电池过滤器元件的燃料电池过滤器系统，燃料电池过滤器元件在连接凸缘上与过滤器系统的壳体连接。
具体实施方式
在这些附图中，相同或相同形式的部件以相同的附图标记来标示。这些附图仅仅示出了示例并且不能限制性地来理解。
图1中根据本发明的一实施例以示意图示出了燃料电池过滤器元件10（在后续图中仅被称作过滤器元件10）的本体40，其具有作为吸附剂的活性炭，该本体具有两个叠置堆垛的介质覆层20，它们分别由形式为载体层14的两个载体介质12连同中间活性炭覆层18组成。过滤器元件10用于过滤气态介质，其中，通过过滤器元件10不仅可执行机械清洁也可执行化学清洁。通过过滤器元件10，例如可以清洁要向燃料电池供给的空气中的污物颗粒和化学气态物质。
过滤器元件10具有至少两个叠置堆垛的介质覆层20，它们分别由两个平行延伸的载体层14和中间的活性碳覆层18或与其他介质的组合制成。载体层14分别形成过滤无纺布，其被用于颗粒沉积。活性炭覆层18用作吸附在气流中被携带的挥发性组成部分。通流方向与载体层14或活性炭覆层18的平面正交。替换地，载体层14也可以被构造成开孔泡沫，其中容纳活性炭和粘接材料。
载体层14的过滤无纺布包括例如聚酯、聚氨酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚碳酸酯、填充或未填充玻璃纤维的聚丙烯、ABS、热塑性塑料。活性炭覆层18中的活性炭通过粘接材料被紧固或固化，从而使活性炭覆层内部的各个活性炭颗粒不能够自由运动，而是在该层中占据固定的位置。作为粘接材料可以考虑的是例如基于聚氨酯的反应性粘接剂，或热塑性粘接剂，例如基于聚烯烃。粘接材料具有粘接材料丝，其附着在活性炭颗粒的表面上并由此引起粘接。
活性炭覆层18此外利用两个载体层14来固定，载体层是对应的介质覆层20的组成部分并且位于活性炭覆层18的两个侧表面上。在端侧，即纵侧和宽侧上，活性炭覆层18可以设有封装部，该封装部赋予额外的稳定性并防止分层和移位。
彼此叠置堆垛的各个介质覆层20可以要么松散地叠置层设，要么同样通过粘接被相互保持住。可能地，过滤器元件10可以具有多于两个的介质覆层20。
图2中示出了另一实施例，其中过滤器元件10同样具有叠置堆垛的多个介质覆层20。每个介质覆层20由载体层14和活性炭覆层18组成。将粘接材料置入活性炭覆层18中，以固化活性炭颗粒。活性炭覆层18与所属的载体层14通过粘接材料被固定，活性炭覆层18与载体层形成介质覆层20。
根据图2，两个介质覆层20分别以如下方式叠置堆垛，即活性炭覆层18彼此面对。因此获得由两个介质覆层20组成的堆垛单元，该堆垛单元由上载体层和下载体层14来限界，在它们之间布置有两个直接贴靠邻接的活性炭覆层18。在根据图2的实施例中，分别具有两个介质覆层20的两个这样的堆垛单元被叠置堆垛。然而，原则上，两个以上的堆垛单元可以被叠置层设。
同样在根据图2的实施例中，活性炭覆层18可以在其端侧，即宽侧和纵侧上设有封装部。
直接叠置的活性炭覆层18有利地彼此不粘接，确切地说粘接仅在分别直接邻接的载体层14上进行。
堆垛单元的直接叠置的载体层14在某些情况下可以彼此连接，例如通过粘接。
图3根据本发明的一个实施例示出在燃料电池过滤器系统100（在以下附图中仅被称为过滤器系统100）的壳体110中的埋入塑料中的过滤器元件10。过滤器元件10由具有三个介质覆层20的本体40以及颗粒过滤器30组成，其中每个介质覆层20可以例如如示于图1中那样包括两个载体层14连同处于其间的活性炭覆层18，该过滤器元件被埋入在具有塑料边缘50的壳体110中，该塑料边缘可用作过滤器系统100的部件。在此，介质覆层20以其端侧直接被喷铸到壳体壁112中。颗粒过滤器30尤其可以由折叠的过滤介质组成，该颗粒过滤器具有梳状横截面，该梳状横截面具有梳尖和梳谷32。壳体110例如可以以喷铸法来制造，其中，过滤器元件10在此直接与壳体110固定连接。替换地，也可以使用吹塑成形法，其中，-与图中所示的不同-到清洁空气接口的横截面过渡部以合适的方式实施为倒圆。
图4中示出了根据本发明的另一实施例的在过滤器系统100的壳体110中在塑料中埋入的过滤器元件10，其利用密封元件60密封。在此情况下，过滤器元件10的布置与图3中所示非常相似，然而，具有颗粒过滤器30的本体40的介质覆层20在其端侧上以密封元件60，例如侧边缘被封闭。由此，介质覆层20与颗粒过滤器30被布置成一组包，该组包在制作中在插入工具时容易操作并保护工具免受可能的污染。也可靠地表示出带有颗粒过滤器30的介质覆层20与壳体110的壳体壁112的塑料边缘50之间的密封。
图5示出了根据本发明另一实施例的过滤器系统100的壳体110中的带有连接凸缘120的塑料喷铸包覆的过滤器元件10。在该实施例中，本体40也被直接喷铸到过滤器系统100的壳体110的壳体壁112中，然而，塑料边缘50仅表示过滤器系统100的整个壳体的一部分，该部分可以与连接凸缘120连接成整个壳体。以这种方式，在维护的情况下可以容易地更换过滤器元件10。
图6中示出了根据本发明另一实施例的带有颗粒过滤器30的塑料喷铸包覆的过滤器元件10，该颗粒过滤器用桥接部52来稳定。过滤器元件10的本体40包括三个介质覆层20连同颗粒过滤器30的，该本体用塑料边缘50喷铸包覆。桥接部52被安置在颗粒过滤器30的梳谷32中，并且可包括例如塑料桥接部，该塑料桥接部固定梳谷32并同样被喷铸到塑料边缘50中。以这种方式，整个过滤器元件10即便在过滤器系统100运行期间由于较高的流体流速引起的机械负载下也在机械上被良好地固定。塑料边缘50在其外表面上具有连接面54，用于与过滤器系统100的壳体110连接。连接面54可以被构造成例如焊接面。
图7示出了根据本发明另一实施例的塑料喷铸包覆的过滤器元件10，其在外周上被接合到过滤器系统100的壳体110中。在此，过滤器元件10如例如在图6中所示在塑料边缘50的外周上被焊入到过滤器系统100的壳体110中并因此固定地与壳体110连接，该外周可以以焊接面和/或粘接面的形式实施为连接面54。作为接合技术，可以使用常见的塑料焊接法。替换地，过滤器元件10也可以被粘入。
图8中示出了根据本发明另一实施例的塑料喷铸包覆的过滤器元件10，其在端侧56上被接合到过滤器系统100的壳体110中。在该实施例中，过滤器元件10的塑料边缘50在端侧56上与壳体110连接。在这里也可以使用常见的塑料焊接法。
图9示出了根据本发明另一实施例的具有塑料喷铸包覆的过滤器元件10的过滤器系统100，过滤器元件利用连接凸缘120与过滤器系统100的壳体110连接。过滤器系统100的壳体110在该情况下由两个壳体壁部分112和114组成。过滤器元件10被固定地接合到上壳体壁部分114中，如图7中所示。替代地，过滤器元件10的塑料边缘50可以是壳体110的组成部分或壳体壁114。但是，另一具有介质覆层20的单层本体40也可以附加地被接合到下壳体壁部分112中。两个壳体壁部分利用连接凸缘120连接，从而在维护情况下，可以分别容易地更换过滤器元件10。像下壳体壁部分112那样的上壳体壁部分114可以被单独更换。过滤器系统100具有入口130和出口132，由此预先给定了通流方向。过滤器系统100可以以这种形式使用，例如作为燃料电池系统的阴极空气过滤器300。
Claims (14)
1.燃料电池过滤器元件（10），特别是用于要向燃料电池供给的空气，所述燃料电池过滤器元件包括载体介质（12）和吸附剂，其中，所述载体介质（12）和所述吸附剂被连接成单层或多层本体（40），所述单层或多层本体与塑料边缘（50）在无添加材料的情况下直接固定连接，即通过喷铸法或吹塑成型法，并且其中，所述塑料边缘（50）具有连接面（54），用于与过滤器系统（100）的壳体壁（112）连接，所述过滤器元件（10）能够插入到所述过滤器系统中。
2.根据权利要求1所述的燃料电池过滤器元件，其中，所述塑料边缘（50）被构造成过滤器系统（100）的壳体壁（112）的组成部分。
3.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池过滤器元件，其中，所述塑料边缘（50）具有连接凸缘（120）。
4.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池过滤器元件，其中，所述塑料边缘（50）在外周（54）上和/或在一个或两个端侧（56）上具有焊接面和/或粘接面。
5.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池过滤器元件，其中，所述本体（40）在符合规定的入流侧上具有颗粒过滤器（30），特别是具有带折叠过滤介质的颗粒过滤器（30）。
6.根据权利要求5所述的燃料电池过滤器元件，其中，通过一个或多个桥接部（52）或支撑栅格使所述颗粒过滤器（30）稳定。
7.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池过滤器元件，其中，在包覆喷铸之前，用密封元件（60）密封所述本体（40）的一个或多个侧边缘。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的燃料电池过滤器元件，其中，所述吸附剂的颗粒（16）通过添加粘接材料、尤其是反应性粘接剂或热塑性粘接剂来固化。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的燃料电池过滤器元件，其中，所述载体介质（12）被构造成过滤无纺布或被构造成开孔泡沫，在所述开孔泡沫中容纳活性炭和粘接材料。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的燃料电池过滤器元件，其中，所述载体介质（12）被构造成载体层（14）并且所述活性炭形成直接邻接到所述载体层（14）上的活性炭覆层（18），所述活性炭覆层单侧或两侧地邻接到载体层（12）上。
11.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池过滤器元件，其中，至少两个活性炭覆层（18）彼此邻接。
12.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池过滤器元件（10）在用于燃料电池系统的阴极空气过滤器（300）中的应用。
13.燃料电池过滤器系统（100），具有根据权利要求1至11中任一项所述的燃料电池过滤器元件（10），其中，在燃料电池过滤器系统（100）中能更换地布置所述燃料电池过滤器元件（10）。
14.根据权利要求13所述的燃料电池过滤器系统，其中，所述塑料边缘（50）被构造成燃料电池过滤器系统（100）的壳体（110）或壳体壁（112）的组成部分。
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