CN110021770B - 用于燃料电池车辆的空气滤清器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃料电池车辆的空气滤清器。用于燃料电池车辆的空气滤清器包括：具有入口和出口的壳体；和固定到壳体的过滤元件，过滤元件被构造成将壳体分成入口侧和出口侧并且过滤从入口侧流向出口侧的空气。朝向壳体的内侧突出的锁定突起被设置在壳体中的入口侧上。第一预过滤器、第二预过滤器和化学过滤器被从作为壳体内侧的过滤元件的入口侧的上游侧朝向作为壳体内侧的过滤元件的出口侧的下游侧、以第一预过滤器、化学过滤器和第二预过滤器的顺序夹在锁定突起和过滤元件之间。

Description

用于燃料电池车辆的空气滤清器
技术领域
本发明涉及用于燃料电池车辆的空气滤清器，所述空气滤清器被设置在用于供应空气到燃料电池组的进气系统中。
背景技术
设置在燃料电池车辆中的燃料电池组通常被形成为使得多个单电池被层叠，在所述多个单电池中的每一个单电池中，电极组件被夹在隔板之间。电极组件被构造使得氢电极催化剂和氧电极催化剂被分别应用到固体聚合物电解质隔膜的相反表面。然而，当使用贵金属诸如钛的催化剂接触杂质诸如灰尘、PM2.5(细小颗粒物)和空气中的分子有害化学物质时，它的活性减小。因此，当将被用作阴极气体的空气在未移除杂质的情况下被供应到燃料电池组时，催化剂的活性减小。这造成的可能是，电化学反应变弱并且输出减小(发电电压减小)。
同时，在相关技术中的发动机的进气系统中，不要求移除空气中的化学物质。相应地，难以通过设置在发动机空气滤清器中以移除灰尘和空气中的颗粒物质的过滤元件来移除分子(气体)有害化学物质。分子(气体)有害化学物质造成燃料电池组的输出减小。
因此，在燃料电池车辆中，为了从将被供应到燃料电池组的空气移除有害化学物质，在相关技术中的进气系统中设置化学过滤器，所述化学过滤器由附接到基材的催化剂、活性炭等制成并且被构造成吸收和移除有害化学物质。
例如，日本未审专利申请公报No.2009-193671(JP 2009-193671A)描述一种空气滤清器，其中化学过滤器作为过滤器被容置。
发明内容
同时，附接到构成化学过滤器的基材的催化剂、活性炭等可能由于振动或进气风而从基材掉落。这里，在仅设置有化学过滤器的空气滤清器的情形中，难以捕获掉落的物质，并且难以捕获不对化学过滤器展现吸附的颗粒物质。由此，存在对JP 2009-193671A中描述的空气滤清器的改进空间。
在相关技术中的空气滤清器中，被构造成过滤从入口侧流向出口侧的空气的过滤元件被设置在具有出口和入口的壳体内侧。鉴于此，可设想化学过滤器与空气滤清器组合。更具体地，可设想化学过滤器被添加到壳体内侧的过滤元件的入口侧(上游侧)。
然而，相关技术中的空气滤清器被形成的前提是过滤元件被附接到空气滤清器。在化学过滤器被附接到空气滤清器的情形中，当化学过滤器被像空气滤清器一样稳固地固定时，存在这样的可能，即它的结构是复杂的并且其成本增加。同时，如果化学过滤器的固定是弱的，则存在这样的可能，即化学过滤器振动以造成异常噪音或造成化学过滤器的基材抵接过滤元件，使得过滤元件被损坏。
此外，也存在这样的可能性，即，从入口进入的较大外来物质抵接化学过滤器，使得化学过滤器变形并且压力损失增加。
本发明涉及一种过滤元件被固定在壳体内侧的燃料电池车辆的空气过滤器，并且提供一种技术以便以简单结构保护化学过滤器并且将化学过滤器固定在壳体内侧而不摆动，并且也限制燃料电池组的输出的减小。
根据本发明，用于燃料电池车辆的空气滤清器被构造成使得朝向壳体内侧突出的突起被设置，并且化学过滤器和设置在化学过滤器的上游侧和下游侧上的保护构件被夹在突起和过滤元件之间，使得化学过滤器被稳固地固定到壳体。
更具体地，本发明涉及一种用于燃料电池车辆的空气滤清器，所述空气滤清器包括壳体和过滤元件。壳体具有入口和出口。过滤元件被固定到壳体，并且被构造成将壳体分成入口侧和出口侧并且过滤从入口侧流向出口侧的空气。
空气滤清器被构造成使得：朝向壳体内侧突出的锁定突起被设置在壳体中的入口侧上；并且每个具有透气性的第一保护构件和第二保护构件以及被构造成吸附包括在空气中的分子物质的化学过滤器被从上游侧朝向下游侧以第一保护构件、化学过滤器和第二保护构件的顺序夹在锁定突起和壳体内侧的过滤元件之间，所述上游侧是壳体内侧的过滤元件的入口侧，所述下游侧是壳体内侧的过滤元件的出口侧。
在该构造中，朝向壳体的内侧突出的锁定突起被设置，并且第一保护构件、第二保护构件和化学过滤器被夹在锁定突起和固定到壳体的过滤元件之间。利用这样的简单构造，化学过滤器可以在不摆动的情况下固定在壳体内侧。这使得能够限制由于化学过滤器的振动造成的异常噪音。
此外，因为第一保护构件被设置在化学过滤器的上游侧上，所以能够限制从入口进入的较大的外来物质抵接化学过滤器的情形，由此使得能够限制由于化学过滤器的变形等导致的压力损失的增加。
此外，因为第二保护构件也被设置在化学过滤器和过滤元件之间，所以能够防止过滤元件因与化学过滤器的基材抵接而被损坏。
另外，因为化学过滤器被设置在具有透气性的第一保护构件的下游侧上，所以能够通过催化剂或活性炭吸附有害化学物质而将经过第一保护构件的空气中的有害化学物质移除。此外，因为过滤元件被设置在具有透气性的第二保护构件的下游侧上，所以经过化学过滤器并且不对化学过滤器展现吸附的颗粒物、从化学过滤器掉落的物质等可以被过滤元件捕获并且被从空气移除。因而，清洁的空气被供应到燃料电池组，由此使得能够限制燃料电池组的输出减小。
此外，在空气滤清器中，第一保护构件可以是用于化学过滤器的预过滤器，并且第二保护构件可以是用于过滤元件的预过滤器。
利用该构造，从入口进入的较大外来物质首先与预过滤器(第一保护构件)抵接，使得能够限制化学过滤器变形。此外，通过预过滤器(第一保护构件)一定程度地移除空气中的灰尘，使得能够限制化学过滤器堵塞。由此，能够进一步限制化学过滤器的压力损失的增加。
类似地，经过化学过滤器的颗粒物等被预过滤器(第二保护构件)在一定程度上移除，使得能够限制过滤元件阻塞。
此外，在空气滤清器中，壳体可以被形成为使得入口侧上的壳体构件被装配到出口侧上的壳体构件，并且过滤元件可以被固定到壳体使得过滤元件的外周边缘被夹在入口侧上的壳体构件和出口侧上的壳体构件之间。
利用该构造，可以通过在入口侧上的壳体构件中将第一保护构件、化学过滤器和第二保护构件设定成与锁定突起锁定并且将过滤元件夹在入口侧上的壳体构件和出口侧上的壳体构件之间的简单操作来组装空气滤清器。
此外，在空气滤清器中，过滤元件可以是带电过滤器。
利用该构造，造成PM2.5的SO2、NH3、NOx等可以被化学过滤器移除并且诸如PM2.5的颗粒物可以被带电过滤器的静电力有效地捕获。由此，能够限制燃料电池组的输出减小并且限制PM2.5的生成，由此使得能够有助于大气空气的净化。
如上所述，根据本发明的空气滤清器，利用简单的结构，能够在没有摆动的情况下将化学过滤器固定在壳体内侧，同时保护化学过滤器，并且也能够限制燃料电池组的输出减小。
附图说明
以下将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点和技术及工业意义，在附图中，相同的标记指示相同的元件，并且其中：
图1是示意性图示根据本发明的实施例1的燃料电池车辆的燃料电池系统的视图；
图2是示意性图示用于燃料电池车辆的空气滤清器的截面视图；
图3是描述当雪沉积在空气滤清器内侧时空气的流动的截面视图；并且
图4是示意性图示根据本发明的实施例2的用于燃料电池车辆的空气滤清器的截面视图。
具体实施方式
以下将参考附图描述用于实施本发明的实施例。
实施例1
图1是示意性图示根据本实施例的燃料电池车辆30的燃料电池系统的视图。燃料电池车辆30在车辆的前后方向上的前侧上设置有格栅31作为进气端口，外部空气经由进气端口吸入。如在图1中由空白箭头指示的，在燃料电池车辆30中，从格栅31吸入的空气被通过进气口(未示出)引入到供应管32中。供应管32被设置有空气滤清器1、空气馈送器(空气压缩机)33和打开/关闭阀(未示出)。空气滤清器1移除被包括在空气中的外来物质。空气馈送器(空气压缩机)33吸入外部空气并且将它压缩到预定压力以便将外部空气发送到下游侧。打开/关闭阀控制作为阴极气体的空气进入和离开燃料电池组(下文中也称为FC组)40。
除了作为阴极气体的空气以外，作为阳极气体的氢被从高压氢罐(未示出)供应到FC组40，如由图1中的黑色箭头所指示的。FC组40是发电机，其被构造成通过使用氢和空气中的氧之间的化学反应来生成待被供应到马达(未示出)或驱动电池(未示出)的电能。FC组40被形成为使得多个单电池被层叠，在所述多个单电池中的每一个单电池中，电极组件被夹在隔板之间。电极组件被构造使得氢电极催化剂和氧电极催化剂被分别应用到固体聚合物电解质隔膜的相反表面。
由氢和氧之间的化学反应生成的水被从FC组40排放到排气排水管34。此外，经过FC组40的氢被排放到排气排水管34，并且然后被稀释器(未示出)稀释到足够低的浓度，并且此后，氢被排放到外部。
同时，当使用贵金属诸如钛并且被用于FC组40的催化剂与杂质诸如灰尘、PM2.5和空气中的有害化学物质接触时，它的活性降低。因此，如果用作阴极气体的空气在未移除杂质的情况下被供应到FC组40，则催化剂的活性减小，使得电化学反应变弱并且输出减小。
鉴于此，在本实施例中，被构造成移除灰尘和颗粒物的过滤元件2被设置在空气滤清器1中，如以下将描述的。此外，在本实施例中，为了从供应到FC组40的空气移除分子(气体)有害化学物质等，被构造成吸附和移除有害化学物质等的化学过滤器3被添加到空气滤清器1。
图2是示意性图示用于燃料电池车辆的空气滤清器1的截面视图。空气滤清器1包括具有入口14和出口15的空气滤清器壳体11、过滤元件2、第一预过滤器4、第二预过滤器5和化学过滤器3。
空气滤清器壳体11具有双舱室结构，其由其中形成入口14的树脂入口侧壳体构件12和其中形成出口15的树脂出口侧壳体构件13组成。空气滤清器壳体11被形成为矩形管形状使得在入口侧壳体构件12中形成的装配部分12a被装配到在出口侧壳体构件13中形成的装配部分13a。供应管32被连接到入口14，使得从格栅31吸入的空气被引入。同时，供应管32被连接到出口15，使得经过空气滤清器壳体11的空气被送出。入口侧壳体构件12包括锁定突起17，其朝向空气滤清器壳体11的内侧突出使得锁定突起17被设置在相比装配部分12a更靠近入口14的一侧上并且被形成在矩形形状的整周的上方。
此外，旁通路径16被形成在空气滤清器壳体11中，空气滤清器壳体11的内侧经由旁通路径16与外部空间S3连通。由此，放置空气滤清器1的马达空间中的空气可以被引入。旁通路径16在与相比锁定突起17更靠近入口14的一侧上与入口侧空间S1(稍后描述)连通。此外，旁通路径16也经由在入口侧壳体构件12中的开口18在与相比锁定突起17更靠近出口15的一侧上与入口侧空间S1连通。事实上，如在图1中所示，旁通路径16被用密封构件6(橡胶唇、聚氨酯海绵等)塞上使得在相比锁定突起17更靠近入口14的一侧上与入口侧空间S1的连通被堵住。相应地，旁通路径16仅经由开口18与入口侧空间S1连通。
过滤元件2包括矩形过滤器介质2a和密封构件2b，密封构件2b设置在过滤器介质2a的外周上以便组成过滤元件2的外周边缘。过滤器介质2a被形成使得精织过滤纸或无纺布被折叠成褶状物。过滤元件2被稳固地固定到空气滤清器壳体11使得外周边缘(密封构件2b)被夹在入口侧壳体构件12的装配部分12a和出口侧壳体构件13的装配部分13a之间，使得过滤元件2密封入口侧壳体构件12和出口侧壳体构件13之间的间隙。过滤元件12被这样设置在空气滤清器壳体11的内侧，并且由此，过滤元件2将空气滤清器壳体11分成入口14侧(上游侧)上的空间S1和出口15侧(下游侧)上的空间S2，并且过滤从入口14侧流向出口15侧的空气以从空气移除灰尘和颗粒物。
第一预过滤器(第一保护构件)4和第二预过滤器(第二保护构件)5每个由粗多孔材料诸如无纺布组成。同时，化学过滤器3被构造成使得MnO2和碱所附接到的活性炭由具有蜂窝结构的铝材料(下文称为铝蜂窝)承载，并且通过吸附SO2、NH3、NOx等而分解或移除它们。这里，SO2、NH3、NOx等是造成对FC组40有害的化学物质和PM2.5的因素。矩形聚氨酯框架(未示出)被设置在铝蜂窝的外周中。
如在图2中所示，第一预过滤器4、第二预过滤器5和化学过滤器3被固定在空气滤清器壳体11的内侧，使得第一预过滤器4、第二预过滤器5和化学过滤器3从作为壳体内侧的过滤元件的入口侧的上游侧朝向作为壳体内侧的过滤元件的出口侧的下游侧、按第一预过滤器4、化学过滤器3和第二预过滤器5的顺序被夹在锁定突起17和过滤元件2之间。
更具体地，当第一预过滤器4、第二预过滤器5和化学过滤器3被安装在空气滤清器壳体11内侧时，化学过滤器3首先被夹在第一预过滤器4和第二预过滤器5之间。在该状态下，用于化学过滤器3的聚氨酯框架被装配到入口侧壳体构件12中，并且第一预过滤器4、化学过滤器3和第二预过滤器5被推入其中直到第一预过滤器4抵接锁定突起17。这样，在本实施例中，可以在化学过滤器3被夹在第一预过滤器4和第二预过滤器5之间的状态下执行安装操作。换言之，可以在不直接接触化学过滤器3的情况下执行装配操作。这使得能够防止如下的情形：铝蜂窝变形或操作员因接触率蜂窝而受伤。
此外，过滤元件2被装配到第一预过滤器4、化学过滤器3和第二预过滤器5被装配到的入口侧壳体构件12中，并且过滤元件2的密封构件2b被夹在入口侧壳体构件12的装配部分12a和出口侧壳体构件13的装配部分13a之间。因而，过滤元件2被固定到空气滤清器壳体11。由此，第一预过滤器4、化学过滤器3和第二预过滤器5在它们被夹在锁定突起17和过滤元件2之间的状态下被固定到空气滤清器壳体11。
在如此构造的空气滤清器1中，利用第一预过滤器4、化学过滤器3和第二预过滤器5被夹在锁定突起17和固定到空气滤清器壳体11的过滤元件2之间的这样的简单构造，化学过滤器3可以在没有摆动的情况下被固定在空气滤清器壳体11内侧。由此，在没有采用用于固定化学过滤器3的复杂结构的情况下，能够限制由于化学过滤器3的振动导致的异常噪音。
此外，因为第一预过滤器4被设置在化学过滤器3的上游侧上，所以能够防止从入口14进入的较大外来物质抵接化学过滤器3的情形。由此，例如，能够防止这样的情形：化学过滤器3因为与空气一起被吸入的卵石等抵接化学过滤器3而变形，或者化学过滤器3因为与空气一起被吸入的树叶等被粘在化学过滤器3上而被堵塞。由此，能够防止化学过滤器3的压力损失的增加。
此外，第二预过滤器5被设置在化学过滤器3和过滤元件2之间。由此，能够防止由滤纸等制成的过滤元件2因与由铝蜂窝制成的化学过滤器3接触而被破坏。
另外，化学过滤器3被设置在具有透气性的第一预过滤器4的下游侧上。由此，能够通过活性炭吸附有害化学物质而将经过第一预过滤器4的空气中的有害化学物质移除。
此外，过滤元件2被设置在具有透气性的第二预过滤器5的下游侧上。由此，经过化学过滤器3并且没有对化学过滤器3展现吸附的颗粒物、从化学过滤器3掉落的物质等可以被过滤元件2捕获并且被从空气移除。因而，清洁的空气被供应到燃料电池组40，由此使得能够限制燃料电池组40的输出减小。
注意的是，当燃料电池车辆30在下雪期间被驱动时，雪50(参见图3)被与空气一起吸入到空气滤清器1中，使得过滤元件2可能被积累在空气滤清器1中的雪50堵塞或阻塞。这可能停止发电，由此使得难以继续燃料电池车辆30的行驶。然而，在本发明中，通过如上所述在空气滤清器1中设置旁通路径16，能够继续燃料电池车辆30的行驶，如以下将描述的。
图3是描述当雪50沉积在空气滤清器1内侧时空气的流动的截面视图。如在图3中所示，当随空气吸入的雪50沉积在空气滤清器壳体11的内侧时，难以从入口14吸入空气(见图3中的十字标记)。然而，因为雪50被设置在过滤元件2的上游侧上的第一预过滤器4和化学过滤器3拦住，所以过滤元件2本身不被雪50堵住。因而，在空气滤清器壳体11中，形成旁通路径16，化学过滤器3和过滤元件2之间的空间S1A经由旁通路径16与空气滤清器壳体11外侧的外部空间S3连通。由此，甚至在由于沉积在空气滤清器壳体11中的雪50而难以从入口14吸入空气的情形中，也能够经由旁通路径16在马达室中吸入空气。注意的是，旁通路径16被用密封构件6塞上使得在相比锁定突起17更靠近入口14的一侧上与入口侧空间S1的连通被堵住。相应地，旁通路径16没有被沉积在空气滤清器壳体11内侧的雪50堵住。
因而，在不包括雪50、卵石等的外部空间S3中的空气被空气压缩机吸入。如由图3中的空白箭头指示的，空气被从旁通路径16引入，以便通过开口18到达化学过滤器3和过滤元件2之间的空间S1A，并且然后，空气经过设置在空间S1A中的第二预过滤器5。此后，灰尘、颗粒物等被过滤元件2从空气移除，使得空气被从出口15送出到供应管32，如由图3中的黑箭头指示的。
这样，利用本实施例的空气滤清器1，甚至在随空气吸入的雪50沉积在空气滤清器壳体11内侧时，移除了外来物质的清洁空气也被供应到燃料电池组。这相应地使得能够发电被停止，由此使得能够继续燃料电池车辆的行驶。
实施例2
本实施例与实施例1的不同在于空气滤清器21的过滤元件是带电过滤器22。以下主要描述与实施例1的不同之处。
图4是示意性图示根据本实施例的用于燃料电池车辆的空气滤清器21的截面视图。空气滤清器21从上游侧开始依次设置有第一预过滤器4、化学过滤器3、第二预过滤器5和带电过滤器22。
带电过滤器22包括矩形过滤器介质22a和密封构件22b，密封构件22b设置在过滤器介质22a的外周上，以便组成带电过滤器22的外周边缘。过滤器介质22a被形成使得附接到精织滤纸的树脂无纺布层经历极化处理并且然后被折成褶状物。带电过滤器22从空气移除灰尘和颗粒物，与实施例1中的过滤元件2类似。此外，与实施例1的过滤元件2不同，通过进行极化处理，细小颗粒物诸如PM2.5被静电力有效地捕获。
如在图4中所示，带电过滤器22被稳固地固定到空气滤清器壳体11，使得外周边缘(密封构件22b)被夹在入口侧壳体构件12的装配部分12a和出口侧壳体构件13的装配部分13a之间，使得带电过滤器22密封入口侧壳体构件12和出口侧壳体构件13之间的间隙。
如此构造的空气滤清器21在具有透气性的第一预过滤器4的下游侧上设置有化学过滤器3，使得能够通过活性炭吸附经过第一预过滤4的空气中的、造成有害化学物质和PM2.5的SO2、NH3、NOx等而将它们移除。
此外，带电过滤器22设置在具有透气性的第二预过滤器5的下游侧上。由此，经过化学过滤器3并且没有展现对化学过滤器3的吸附的颗粒物和从化学过滤器3掉落的物质可以被移除，并且此外，PM2.5也可以被带电过滤器22的静电力吸附。因而，清洁的空气被供应到燃料电池组40，使得能够限制燃料电池组40的输出减小并且限制PM2.5的生成，由此使得能够有助于大气空气的净化。
其它实施例
本发明不限于实施例，并且可以在不背离本发明的精神和主要特征的情况下被以其它各种形式执行。
在以上实施例中的每一个实施例中，第一预过滤器4和第二预过滤器5被用作第一保护构件和第二保护构件。然而，第一保护构件和第二保护构件不限于它们，只要它们具有透气性并且可以保护化学过滤器3、过滤元件2和带电过滤器22。作为第一保护构件和第二保护构件，可以使用不具有空气过滤功能但是能捕获较大外来物质诸如卵石的网构件等。
因而，以上实施例在每一方面仅是示例，并且不应被限制性地解释。此外，与权利要求的范围等同的范围内的改进和变更也包括在本发明中。
根据本发明，利用简单结构，化学过滤器在没有摆动的情况下被固定在壳体内侧，同时化学过滤器被保护，并且燃料电池组的输出减小可以被限制。相应地，当本发明被应用到用于燃料电池车辆的空气滤清器(所述空气滤清器被构造成使得过滤元件被固定在壳体内侧)时，本发明非常有用。

Claims (3)

1.一种用于燃料电池车辆的空气滤清器，所述空气滤清器的特征在于包括：
壳体，所述壳体具有入口和出口；和
过滤元件，所述过滤元件被固定到所述壳体，所述过滤元件被构造成将所述壳体分成入口侧和出口侧并且过滤从所述入口侧流向所述出口侧的空气，
其中：
朝向所述壳体的内侧突出的锁定突起被设置在所述壳体中的所述入口侧上；并且
第一保护构件和第二保护构件以及化学过滤器从上游侧朝向下游侧以所述第一保护构件、所述化学过滤器和所述第二保护构件的顺序在所述壳体内被夹在所述锁定突起和所述过滤元件之间，其中，所述第一保护构件和所述第二保护构件每个均具有透气性，所述化学过滤器被构造成吸附在所述空气中包含的分子物质，所述上游侧是所述壳体内的所述过滤元件的入口侧，并且所述下游侧是所述壳体内的所述过滤元件的出口侧，
其中，所述壳体被形成为使得所述入口侧上的壳体构件被装配到所述出口侧上的壳体构件；并且
所述过滤元件被固定到所述壳体，使得所述过滤元件的外周边缘被夹在所述入口侧上的壳体构件和所述出口侧上的壳体构件之间。
2.根据权利要求1所述的空气滤清器，其特征在于：
所述第一保护构件是用于所述化学过滤器的预过滤器；并且
所述第二保护构件是用于所述过滤元件的预过滤器。
3.根据权利要求1或2所述的空气滤清器，其特征在于，所述过滤元件是带电过滤器。
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