DE102014204162A1

DE102014204162A1 - Filterkasten für einen Luftfilter für eine Brennstoffzelle, Filtervorrichtung und Energieumwandler

Info

Publication number: DE102014204162A1
Application number: DE102014204162.7A
Authority: DE
Inventors: Oliver Kleppa; Daniel Grundei
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2015-09-10
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: WO2015131970A1; DE102014204162B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Filterkasten (100) für einen Luftfilter (130) für eine Brennstoffzelle (200). Es ist vorgesehen, dass ein Rohluftteil (120) des Filterkastens (100) eine Rohluftseite (132) des Luftfilters (130) umschließt und ein Reinluftteil (110) des Filterkastens (100) eine Reinluftseite (131) des Luftfilters (130) umschließt. Den Filterkasten (100) kennzeichnet, dass der Rohluftteil (120) zumindest teilweise offenporös ist, sodass zumindest ein Teilvolumenstrom der Rohluft über den offenporösen Teil des Rohluftteils (120) angesogen werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Filterkasten für einen Luftfilter für eine Brennstoffzelle und einen Energieumwandler mit einem solchen Filter.
Zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische oder mechanische Energie durch einen Energieumwandler, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle oder eine Verbrennungskraftmaschine, wird dem Energieumwandler Sauerstoff zugeführt. Der Sauerstoff wird dabei beispielsweise aus der Umgebungsluft gewonnen. Da in der Umgebungsluft Schwebstoffe und Partikel vorhanden sein können, die die Haltbarkeit oder Funktionalität des Energieumwandlers beeinträchtigen können, wird der entnommene Teil der Umgebungsluft gefiltert, ehe die gefilterte Luft dem Energieumwandler zugeführt wird. WO 2008075754 A1 beschreibt eine zugehörige Luftfiltervorrichtung für eine Brennstoffzelle.
Dazu kann beispielsweise ein sogenannter Filterkasten verwendet werden. Ein unterer Teil des Filterkastens ist beispielsweise kasten- oder zylinderförmig ausgeführt mit einer oberen Öffnung, einem Boden, Seitenwand bzw. Seitenwänden und einem Anschlussstutzen für eine Zuführleitung zur Zuführung zu filternder Luft (Rohluft) in der Seitenwand bzw. einer der Seitenwände. Durch Aufsetzen eines oberen Teils, der die obere Öffnung des unteren Teils verschließt und einen weiteren Anschlussstutzen für eine Abführleitung zur Abführung gefilterter Luft (Reinluft) umfasst, kann der Filterkasten so luftdicht verschlossen werden, dass lediglich durch die Zuführleitung und die Abführleitung Luft in den Filterkasten dringen bzw. austreten kann. In den Filterkasten kann ein filtrierendes Element eingesetzt werden, dessen Reinluftseite vollständig von dem Reinluftteil und dessen Rohluftseite vollständig von dem Unterteil umschlossen wird. Das filtrierende Element und der Filterkasten sind so dimensioniert und ausgebildet, dass alle durch den Anschlussstutzen dem Filterkasten zugeführte Rohluft das filtrierendes Element passieren muss, ehe sie durch den weiteren Anschlussstutzen den Filterkasten als Reinluft wieder verlassen kann. Diesen Aufbau nennt man auch geschlossene Filtervorrichtung. Abgesehen von den Anschlussstutzen ist der Filterkasten gasdicht. Zum Ablassen von Wasser, das auf der Rohluftseite anfällt, ist ein Ablassventil vorgesehen. Filterkästen sind beispielsweise aus DE 102009016739 A1 und aus WO 2010115631 A1 bekannt. CN 101439250B beschreibt, dass Filterkästen beispielsweise aus Aluminium, Plastik oder Edelstahl bestehen können.
Offene Filtervorrichtungen verzichten auf den Filterkasten oder zumindest auf den unteren Teil des Filterkastens. Im einfachsten Fall ist eine Öffnung der Abführleitung, die bei Verwendung eines geschlossenen Filterkastens an den weiteren Anschlussstutzen angeschlossen wäre, durch ein filtrierendes Element verschlossen. Sogenannte Sportfilterkästen weisen im Boden des unteren Teils Bohrungen auf, die durch Gummi verschlossen sind. Sportfilterkästen und offene Filtervorrichtungen dienen der Beeinflussung des Motorengeräusches von Verbrennungskraftmaschinen.
Bei geschlossenen Filtervorrichtungen wird durch die Länge und Strömungseigenschaften der Zu- und der Abführleitung ein Druckverlust bewirkt, der durch einen Verdichter kompensiert werden muss und sich so auf den Gesamtwirkungsgrad niederschlägt. Zur Verringerung des Druckverlustes können kurze Zu- und Abführleitungen, strömungsoptimierte Zu- und Abführleitungen oder offenporöse Zuführleitungsabschnitte verwendet werden. Dies wird beispielsweise in EP 1659283 B1 beschrieben.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Filterkasten für einen Luftfilter für eine Brennstoffzelle anzugeben, der einen verbesserten Gesamtwirkungsgrad ermöglicht.
Dazu wird erfindungsgemäß ein Filterkasten nach Anspruch 1 für einen Luftfilter für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen.
Dabei umschließt ein Rohluftteil des Filterkastens eine Rohluftseite des Luftfilters und ein Reinluftteil des Filterkastens umschließt eine Reinluftseite des Luftfilters. Der Filterkasten ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rohluftteil zumindest teilweise offenporös ist, sodass zumindest ein Teilvolumenstrom der Rohluft über den offenporösen Teil des Rohluftteils angesogen werden kann.
Der offenporöse Teil hat viele Vorteile. So kann entweder Druckverlust in der Zuführleitung für Rohluft teilweise kompensiert werden, also bei gleicher Baugröße ein besserer Gesamtwirkungsgrad erzielt werden, oder der Filterkasten verkleinert werden, also bei gleichem Gesamtwirkungsgrad eine geringere Baugröße erreicht werden. Weiterhin kann eine verbesserte Anströmung des Luftfilters realisiert werden. Zudem ist der Filterkasten leichter. Auch kann ein besseres Schallemissionsverhalten erreicht werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der offenporöse Teil einen Boden des Rohluftteils bildet, welches seinerseits einen Unterteil des Filterkasten bildet, sodass durch den offenporösen Teil Wasser aus dem Filterkasten ablaufen kann. Ein Ablassventil ist dann nicht mehr notwendig.
Der offenporöse Teil des Rohluftteils kann beispielsweise makroporöse Keramik umfassen.
Der offenporöse Teil des Rohluftteils kann auch Polymerschaum aus Kapillarsuspensionen umfassen.
Der offenporöse Teil des Rohluftteils kann auch Löcher in einem Boden des Rohluftteils umfassen. Dies ist die einfachste und kostengünstigste Variante.
Dabei kann eine Akustikmatte über die Löcher geklebt sein. So wird Schallschutz erreicht.
Vorteilhafterweise kann in den offenporösen Teil ein Filtermaterial, beispielsweise Aktivkohle eingearbeitet sein. Dann wird der Teilvolumenstrom vorgefiltert.
Erfindungsgemäß wird noch eine Filtervorrichtung gemäß Anspruch 8 vorgeschlagen. Die Filtervorrichtung umfasst den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Filterkasten und ein filtrierendes Element. Das filtrierende Element ist zwischen dem Rohluftteil des Filterkastens und dem Reinluftteil des Filterkastens angeordnet.
Erfindungsgemäß wird noch ein Energieumwandler vorgeschlagen mit einer Brennstoffzelle, einer Reinluftzuführung zu der Brennstoffzelle und der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Filtervorrichtung. Dabei ist die Reinluftzuführung an einen Reinluftanschluss im Reinluftteil des Filterkastens angeschlossen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Filterkastens im Schnitt gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung eines Filterkastens im Schnitt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine schematische Darstellung eines Filterkastens im Schnitt gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 eine schematische Darstellung eines Filterkastens im Schnitt gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 eine schematische Darstellung eines Bodens eines Rohluftteils eines Filterkastens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
6 eine schematische Darstellung eines Bodens eines Rohluftteils eines Filterkastens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
7 eine schematische Darstellung eines Energieumwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Filterkastens im Schnitt gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der Filterkasten 100 besteht aus einem Reinluftteil 110 und einem Rohluftteil 120. Zusammengesetzt umschließt das Rohluftteil 120 eine Rohluftseite 132 und das Reinluftteil 110 eine Reinluftseite 131 eines filtrierenden Elements 130 (Luftfilter), der zwischen dem Reinluft- und dem Rohluftteil 110, 120 angeordnet ist.
An einen Rohluftanschluss 125 im Rohluftteil kann eine Rohluftzuführung angeschlossen werden, über die Rohluft angesaugt werden kann. An einen Reinluftanschluss 115 im Reinluftteil kann eine Reinluftabführung angeschlossen werden, über die Reinluft an eine Brennstoffzelle weitergeleitet werden kann. Dabei ist das Reinluftteil 110 gasdicht ausgebildet, sodass im Wesentlichen alle Reinluft über den Reinluftanschluss austritt. Das Rohluftteil 112 ist hingegen gasdurchlässig ausgebildet, sodass zumindest ein Teil der angesogenen Rohluft über das Rohluftteil 120 in den Filterkasten 100 eintritt.
Im ersten Ausführungsbeispiel bildet das Rohluftteil 120 ein Unterteil des Filterkastens 100 und der Boden 121 des Rohluftteils 120 besteht aus einen offenporösen Material. So kann ein Teilvolumenstrom der Rohluft durch das offenporöse Material angesaugt werden. Das offenporöse Material kann zusätzlich wasserdurchlässig sein. Dann kann rohluftseitig anfallendes Wasser über das Rohluftteil 120 aus dem Filterkasten 100 laufen.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel besteht das gesamte Rohluftteil 120 aus einem offenporösen Material. Dadurch wird das Rohluftteil besonders leicht.
In einem dritten Ausführungsbeispiel, das 3 schematisch zeigt, bildet das Rohluftteil 120 ein Unterteil des Filterkastens 100 und der Boden 121 des Rohluftteils 120 umfasst eine Lochplatte mit durchgehenden Löchern 122, beispielsweise Bohrungen. In einem vierten Ausführungsbeispiel, das 4 schematisch zeigt, umfasst das Rohluftteil 120 zusätzliche durchgehende Löcher 124 in der Seitenwandung. Eine beispielhafte Lochplatte ist in 5 gezeigt. Dabei können die Löcher, wie in 6 schematisch gezeigt, mit offenporöser Füllung 127 gefühlt sein. Zusätzlich oder alternativ kann eine zumindest gasdurchlässige Akustikmatte 123 vom Innenraum 126 des Filterkastens 100 her über den Löchern 122, 124 angebracht sein. So kann die Akustikmatte 123 beispielsweise eingeklebt sein.
Das offenporöse Material, aus dem das Rohluftteil des Filterkastens ganz oder teilweise besteht, kann beispielsweise makroporöse Keramik und/oder makroporösen Polymerschaum umfassen. Makroporöse Keramik und makroporöser Polymerschaum lassen sich auf unterschiedliche Weisen herstellen. In Abhängigkeit von der gewünschten Porengröße und Porendichte können Replikatechnik, Platzhaltermethode oder Schlickerschäumen zum Einsatz kommen. Ein weiteres Verfahren nutzt Kapillareffekte aus und ermöglicht Porengrößen von über 50 nm. In einer dreiphasigen Suspension mit zwei flüssigen Phasen und nano- bis mikropartikulären Feststoffpartikeln sind die flüssigen Phasen von unterschiedlicher Polarität und daher nicht miteinander mischbar, sodass ein dünnflüssiges bis cremeförmiges-Material vorliegt, das in eine gewünschte Form gebracht werden kann. Werden nun die flüssigen Phasen extrahiert, thermisch entbunden oder anderweitig entfernt, und das Material anschließend gesintert, so entsteht ein hoch-offenporöser Festkörper. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Rohluftteil eines Filterkastens hergestellt werden, welcher so offenporös ist, dass die gesamte benötigte Rohluft über das offenporöse Rohluftteil angesaugt werden kann.
Daher kann in allen beispielhaften Ausführungsformen die Rohluftöffnung am Rohluftteil auch weggelassen werden.
Bei der Verwendung von offenporösem Material kann dieses auch eine mechanische Filterwirkung übernehmen, speziell, wenn alle Rohluft über das Material angesaugt wird. In allen Ausführungsbeispielen mit offenporösem Material ist es optional auch möglich, dass das Material chemisch aktive Substanzen zur chemischen Filterung umfasst, beispielsweise Aktivkohle. Dann hat das offenporöse Material zusätzlich eine chemische Filterwirkung.
7 zeigt beispielhaft, wie der erfindungsgemäße Filterkasten verwendet werden kann. Ein Energieumwandler 300 umfasst eine Brennstoffzelle 200, bei der die Luftzuführung mittels einer Reinluftzuführung 210 an einen Reinluftanschluss 115 im Reinluftteil 110 eines erfindungsgemäßen Filterkastens 100 angeschlossen ist, zu der die Brennstoffzelle 200 und ein filtrierendes Element 130 in einem Filterkastens 100 angeschlossen ist. Der niedrigere Ansaugdruck, der zur Luftansaugung notwendig ist, sorgt für einen verbesserten Gesamtwirkungsgrad des Energieumwandlers 300.
Bezugszeichenliste

100: Filterkasten
110: Reinluftteil (Oberteil)
115: Reinluftanschluss
120: Rohluftteil (Unterteil)
121: Boden des Unterteils
122: durchgehendes Loch
123: Akustikmatte
124: weiteres durchgehendes Loch
125: Rohluftanschluss
126: Innenraum des Rohluftteils
127: offenporöse Füllung
130: Filter
131: Reinluftseite des Filters
132: Rohluftseite des Filters
200: Brennstoffzelle
210: Reinluftzuführung
300: Energieumwandler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008075754 A1 [0002]
DE 102009016739 A1 [0003]
WO 2010115631 A1 [0003]
CN 101439250 B [0003]
EP 1659283 B1 [0005]

Claims

Filterkasten (100) für einen Luftfilter (130) für eine Brennstoffzelle (200), wobei ein Rohluftteil (120) des Filterkastens (100) eine Rohluftseite (132) des Luftfilters (130) umschließt und ein Reinluftteil (110) des Filterkastens (100) eine Reinluftseite (131) des Luftfilters (130) umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohluftteil (120) zumindest teilweise offenporös ist, sodass zumindest ein Teilvolumenstrom der Rohluft über den offenporösen Teil des Rohluftteils (120) angesogen werden kann.
Filterkasten (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der offenporöse Teil einen Boden des Rohluftteils (120) bildet, welches seinerseits ein Unterteil des Filterkasten (100) bildet, sodass durch den offenporösen Teil Wasser aus dem Filterkasten (100) ablaufen kann.
Filterkasten (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der offenporöse Teil des Rohluftteils (120) makroporöse Keramik umfasst.
Filterkasten (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der offenporöse Teil des Rohluftteils (120) offenporigen Polymerschaum umfasst.
Filterkasten (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der offenporöse Teil des Rohluftteils (120) aus Löchern (122, 124) im Rohluftteil (120) besteht.
Filterkasten (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohluftteil (120) eine Akustikmatte (123) umfasst, die über die Löcher (122, 124) geklebt ist.
Filterkasten (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den offenporösen Teil Filtermaterial eingearbeitet ist.
Filtervorrichtung (300) mit einem Filterkasten (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche und ein filtrierendes Element (130), dadurch gekennzeichnet, dass das filtrierende Element (130) zwischen dem Rohluftteil (120) des Filterkastens (100) und dem Reinluftteil (110) des Filterkastens (100) angeordnet ist.
Energieumwandler (300) mit einer Brennstoffzelle (200), einer Reinluftzuführung (210) zu der Brennstoffzelle (200) und einer Filtervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinluftzuführung (210) an einen Reinluftanschluss (115) im Reinluftteil (110) des Filterkastens (100) angeschlossen ist.