DE102017119336A1 - Luftfilter für brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Ein Luftfilter (10) für ein Brennstoffzellensystem weist ein Gehäuse (12), eine erste Filtereinheit (30) und eine zweite Filtereinheit (40) auf. Die erste Filtereinheit (30) ist innerhalb des Gehäuses (12) angeordnet und sammelt Staub, der in Luft enthalten ist. Die zweite Filtereinheit (40) ist innerhalb des Gehäuses (12) in einer Luftströmungsrichtung Seite an Seite mit der ersten Filtereinheit (30) angeordnet und adsorbiert unreines Gas, das in Luft enthalten ist. Die erste Filtereinheit (30) weist ein Filterelement auf, das Vliesstoff und am Vliesstoff anhaftendes Filterpapier hat. Das Filterpapier befindet sich in der Luftströmungsrichtung auf einer stromabwärtigen Seite des Vliesstoffs und hat eine höhere Packungsdichte als der Vliesstoff. Die zweite Filtereinheit (40) weist ein Grundelement, das einen Wabenaufbau mit Durchgangslöchern hat, und ein Adsorptionsmittel auf, das auf Innenflächen der Durchgangslöcher vorgesehen ist und das unreine Gas adsorbiert.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Luftfilter, der in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt wird und in einem Durchgang zur Zuführung von Luft zu einem Brennstoffzellenhauptkörper angeordnet ist.
  • Ein Brennstoffzellensystem weist einen Durchgang, um dem Brennstoffzellenhauptkörper, der eine Elektrolytmembran hat, Brennstoffgas zuzuführen, und einen Durchgang, um dem Brennstoffzellenhauptkörper Oxidationsgas zuzuführen, auf.
  • In einem Fahrzeug, das mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, das heißt in einem Fahrzeug, das mit elektrischem Strom fährt, der vom Brennstoffzellenhauptkörper als Stromquelle erzeugt wird, wird zum Beispiel durch einen Verdichter Luft von außerhalb des Fahrzeugs angesaugt, die Oxidationsgas enthält. Die angesaugte Luft wird dem Brennstoffzellenhauptkörper durch einen Luftzuführungsdurchgang zugeführt (siehe zum Beispiel die JP 2008 52969 A ).
  • In dem Luftzuführungsdurchgang, der in dieser Druckschrift beschrieben wird, sind von der stromaufwärtigen Seite aus nacheinander ein Luftfilter und der Verdichter vorgesehen. Der Luftfilter hat in seinem Gehäuse eine aus Filterpapier bestehende Luftfiltereinheit. Wenn die von außerhalb des Fahrzeugs angesaugte Luft durch die Luftfiltereinheit geht, wird der Staub, der in der Luft enthalten ist, durch die Luftfiltereinheit entfernt.
  • Luft enthält unreine Gase wie Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff. Insbesondere dann, wenn ein solches schwefelbasiertes Gas in den Brennstoffzellenhauptkörper strömt und von einem Platinkatalysator oder dergleichen adsorbiert wird, kann sich die Katalysatorfunktion verschlechtern, sodass sich die Batterieleistung verringert. Im Hinblick darauf ist bislang vorgeschlagen worden, in der Mitte des Luftzuführungsdurchgangs einen Adsorptionsfilter vorzusehen, um unreines Gas zu adsorbieren.
  • Herkömmliche Luftfilter für Brennstoffzellensysteme wie der in der obigen Druckschrift beschriebene Luftfilter bieten noch Raum für Verbesserungen beim Staubentfernungsvermögen. Außerdem erhöhen ein Filter zum Sammeln von Staub und ein Filter zum Adsorbieren unreinen Gases den Luftströmungswiderstand im Luftzuführungsdurchgang, was den Druckverlust erhöht. Darüber hinaus verkomplizieren ein Filter zum Sammeln von in der Luft enthaltenem Staub und ein Filter zum Adsorbieren unreinen Gases den Aufbau des Luftzuführungsdurchgangs.
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Es ist dementsprechend eine Zielsetzung der Erfindung, einen Luftfilter für ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, der dazu imstande ist, einen Anstieg des Druckverlusts zu unterdrücken, während sowohl die Staubsammelleistung als auch die Adsorptionsleistung für unreines Gas verbessert werden.
  • Zum Erreichen der oben stehenden Zielsetzung und in Übereinstimmung mit einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Luftfilter für ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, der in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt wird und in einem Durchgang zur Zuführung von Luft zu einem Brennstoffzellenhauptkörper angeordnet ist. Der Luftfilter umfasst ein Gehäuse, das einen Einlass und einen Auslass hat, eine erste Filtereinheit, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und Staub sammelt, der in Luft enthalten ist, und eine zweite Filtereinheit, die innerhalb des Gehäuses in einer Luftströmungsrichtung Seite an Seite mit der ersten Filtereinheit angeordnet ist und unreines Gas adsorbiert, das in Luft enthalten ist. Die erste Filtereinheit weist ein Filterelement auf, das Vliesstoff und am Vliesstoff anhaftendes Filterpapier hat. Das Filterpapier befindet sich in der Luftströmungsrichtung auf einer stromabwärtigen Seite des Vliesstoffs und hat eine höhere Packungsdichte als der Vliesstoff. Die zweite Filtereinheit weist ein Grundelement, das einen Wabenaufbau mit einer großen Anzahl von Durchgangslöchern hat, und ein Adsorptionsmittel auf, das auf Innenflächen der Durchgangslöcher vorgesehen ist und das unreine Gas adsorbiert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Gestaltung eines Brennstoffzellensystems zeigt, in dem ein Luftfilter für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel eingesetzt wird;
  • 2 ist eine Schnittansicht, die den Schnittaufbau des Luftfilters des Ausführungsbeispiels darstellt;
  • 3 ist eine Schnittansicht, die in einem Teil eines Filterelements einer ersten Filtereinheit des Ausführungsbeispiels den Schnittaufbau entlang einer Luftströmungsrichtung zeigt; und
  • 4 ist eine Schnittansicht, die in einem Teil einer zweiten Filtereinheit des Ausführungsbeispiels den Schnittaufbau senkrecht zur Luftströmungsrichtung zeigt.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele Unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 wird nun ein Ausführungsbeispiel beschrieben.
  • Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 eine schematische Gestaltung eines Brennstoffzellensystems beschrieben.
  • Das Brennstoffzellensystem dieses Ausführungsbeispiels ist in einem Fahrzeug eingebaut, um als Antriebsquelle zum Fahren elektrischen Strom zu erzeugen.
  • Wie in 1 gezeigt ist, weist das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel 50, einen Luftzuführungsdurchgang 52 und einen Wasserstoffzuführungsdurchgang 56 auf. Der Brennstoffzellenstapel ist durch Aufstapeln von Zellen gestaltet, die jeweils eine Elektrolytmembran haben. Der Luftzuführungsdurchgang 52 führt dem Brennstoffzellenstapel 50 Luft zu. Der Wasserstoffzuführungsdurchgang 56 führt dem Brennstoffzellenstapel 50 von einem Hochdrucktank 58 aus Wasserstoff zu. Der Brennstoffzellenstapel 50 dieses Ausführungsbeispiels entspricht einem Brennstoffzellenhauptkörper.
  • Das Brennstoffzellensystem weist außerdem einen Luftabgabedurchgang 60, um Luftabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 50 abzugeben, und einen Wasserstoffabgabedurchgang 62, um Wasserstoffabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 50 abzugeben, auf.
  • Im Folgenden werden die in der Luftströmungsrichtung stromaufwärtige Seite und stromabwärtige Seite des Luftzuführungsdurchgangs 52 als eine stromaufwärtige Seite und als eine stromabwärtige Seite definiert.
  • Der Luftzuführungsdurchgang 52 ist von der stromaufwärtigen Seite aus in der angegebenen Reihenfolge mit einem Luftfilter 10 und einem Verdichter 54 versehen. Der Verdichter 54 saugt Luft an und schickt sie unter Druck zum Brennstoffzellenstapel 50. Auf der stromabwärtigen Seite des Verdichters 54 ist ein (nicht gezeigter) Befeuchter vorgesehen, um die Luft zu befeuchten.
  • Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 der Luftfilter 10 dieses Ausführungsbeispiels beschrieben.
  • Wie in 2 gezeigt ist, weist der Luftfilter 10 ein Gehäuse 12 auf. Das Gehäuse 12 umfasst einen Kasten 14 mit einem Einlass 16 und eine Kappe 18 mit einem Auslass 20.
  • Mit dem Einlass 16 ist ein Einlasskanal 22 verbunden. Der Einlasskanal 22 kann wegfallen.
  • Mit dem Auslass 20 ist ein Verbindungskanal 24 verbunden. Der Verdichter 54 ist mit der stromabwärtigen Seite des Verbindungskanals 24 verbunden.
  • Das Gehäuse 12 beherbergt von der stromaufwärtigen Seite aus in der angegebenen Reihenfolge eine erste Filtereinheit 30 und eine zweite Filtereinheit 40. Die erste Filtereinheit 30 sammelt Staub, der in Luft enthalten ist, und die zweite Filtereinheit 40 adsorbiert unreines Gas, das in Luft enthalten ist, etwa schwefelbasiertes Gas (zum Beispiel Schwefeldioxid oder Schwefelwasserstoff). Die erste Filtereinheit 30 und die zweite Filtereinheit 40 sind jeweils über den gesamten Querschnitt des Strömungswegs des Gehäuses 12 hinweg vorgesehen.
  • Es wird nun die erste Filtereinheit 30 beschrieben.
  • Wie vergrößert in 3 gezeigt ist, hat die erste Filtereinheit 30 ein plissiertes Filterelement 32. Auf dem Außenumfang des Filterelements 32 ist ein (nicht gezeigtes) Dichtungselement vorgesehen, um den Spalt zwischen dem Filterelement 32 und dem Gehäuse 12 abzudichten.
  • Das Filterelement 32 wird durch Vliesstoff 34 und Filterpapier 36, das am Vliesstoff 34 anhaftet, ausgebildet. Das Filterpapier 36 befindet sich auf der stromabwärtigen Seite des Vliesstoffs 34 und hat eine höhere Packungsdichte als der Vliesstoff 34. Der Vliesstoff 34 besteht aus zum Beispiel einer Kunststofffaser wie Polypropylen. Der Vliesstoff 34 dieses Ausführungsbeispiels ist ein Elektret-Vliesstoff, der einem Ladungsvorgang unterzogen worden ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind der Vliesstoff 34 und das Filterpapier 36 durch Prägen mit Ultraschallschwingungen teilweise miteinander thermokompressionsverbunden.
  • Es wird nun die zweite Filtereinheit 40 beschrieben.
  • Wie vergrößert in 4 gezeigt ist, weist die zweite Filtereinheit 40 ein Grundelement mit einem Wabenaufbau (nachstehend als Wabengrundelement 42 bezeichnet) auf, der eine große Anzahl von Durchgangslöchern 44 hat. Das Wabengrundelement 42 ist aus Aluminiumfolie ausgebildet. Auf dem Außenumfang des Wabengrundelements 42 ist ein (nicht gezeigtes) Dichtungselement vorgesehen, um den Spalt zwischen dem Wabengrundelement 42 und dem Gehäuse 12 abzudichten.
  • Der "Wabenaufbau" ist nicht im engen Sinne auf einen Wabenaufbau beschränkt, bei dem Durchgangslöcher, die einen regelmäßigen sechseckigen Querschnitt haben, lückenlos mit Trennwänden dazwischen angeordnet sind, sondern er schließt auch einen Wabenaufbau im breiten Sinne ein, bei dem Durchgangslöcher, die eine vorbestimmte Querschnittform haben, lückenlos mit Trennwänden dazwischen angeordnet sind.
  • Auf den Innenflächen der Durchgangslöcher 44 sind ein pulverförmiger Oxidationskatalysator 46, um ein schwefelbasiertes Gas wie Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff, das in Luft enthalten ist, zu oxidieren, und ein pulverförmiges Adsorptionsmittel 48, um Schwefeloxid zu adsorbieren, aufgebracht. 4 stellt schematisch den Oxidationskatalysator 46 und das Adsorptionsmittel 48 dar. Als Oxidationskatalysator ist Mangandioxid vorzuziehen. Als Adsorptionsmittel ist Aktivkohle vorzuziehen.
  • Es wird nun die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels beschrieben.
  • Wenn die Luft, die vom Verdichter 54 angesaugt wird, durch das erste Filterelement 32 der ersten Filtereinheit 30 geht, werden vom Vliesstoff 34 relativ große Staubpartikel und dergleichen gesammelt, die in der Luft enthalten sind. Kleine Staubpartikel und dergleichen, die durch den Vliesstoff 34 gegangen sind, werden vom Filterpapier 36 gesammelt, das an der stromabwärtigen Seite des Vliesstoffs 34 anhaftet. Es ist daher möglich, Staubpartikel in einem großen Bereich von Größen zu sammeln.
  • Wenn die Luft durch die Durchgangslöcher 44 des Wabengrundelements 42 des zweiten Filterelements 40 geht, wird schwefelbasiertes Gas wie Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff, das in der Luft enthalten ist, durch den Oxidationskatalysator 46 oxidiert, und dadurch erzeugte Schwefelsäure und dergleichen werden durch das Adsorptionsmittel 48 adsorbiert.
  • Da das Wabengrundelement 42 eine große Anzahl an Durchgangslöchern 44 hat, ist es möglich, einen Anstieg des Druckverlustes zu begrenzen, während die Adsorptionsleistung für schwefelbasiertes Gas beibehalten wird.
  • Der Luftfilter für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel hat die folgenden Vorteile.
    • (1) Die erste Filtereinheit 30 weist das Filterelement 32 auf. Das Filterelement 32 weist den Vliesstoff 34 und das Filterpapier 36 auf, das am Vliesstoff 34 anhaftet. Das Filterpapier 36 befindet sich in der Luftströmungsrichtung des Vliesstoffs 34 auf der stromabwärtigen Seite und hat eine höhere Packungsdichte als der Vliesstoff 34. Das zweite Filterelement 40 hat das Wabengrundelement 42, das eine große Anzahl an Durchgangslöchern 44 hat, den Oxidationskatalysator 46 und das Adsorptionsmittel 48. Der Oxidationskatalysator 46 und das Adsorptionsmittel 48 sind auf der Innenfläche jedes Durchgangslochs 44 vorgesehen. Der Oxidationskatalysator 46 oxidiert schwefelbasiertes Gas, das in Luft enthalten ist. Das Adsorptionsmittel 48 adsorbiert Schwefeloxide.
  • Da diese Gestaltung auf die oben beschriebene Weise arbeitet, ist es möglich, einen Anstieg des Druckverlusts zu begrenzen, während sowohl die Staubsammelleistung als auch die Adsorptionsleistung für unreines Gas verbessert werden.
    • (2) Der Luftfilter 10 weist das Gehäuse 12, die erste Filtereinheit 30 und die zweite Filtereinheit 40 auf. Das Gehäuse 12 hat den Einlass 16 und den Auslass 20. Die erste Filtereinheit 30 ist innerhalb des Gehäuses 12 vorgesehen und sammelt Staub, der in Luft enthalten ist. Die zweite Filtereinheit 40 ist innerhalb des Gehäuses in der Luftströmungsrichtung Seite an Seite mit der ersten Filtereinheit 30 angeordnet und adsorbiert schwefelbasiertes Gas, das in Luft enthalten ist.
  • Da die erste Filtereinheit 30 und die zweite Filtereinheit 40 bei dieser Gestaltung in dem einzigen Gehäuse 12 untergebracht sind, wird die Gestaltung des Luftzuführungsdurchgangs 52 abgesehen vom Luftfilter 10 vereinfacht.
    • (3) Der Vliesstoff 34, der das Filterelement 32 der ersten Filtereinheit 30 bildet, ist ein Elektret-Vliesstoff.
  • Da der Vliesstoff 34 mit dieser Gestaltung elektrisch geladen ist, ist es möglich, durch elektrostatische Kraft feinere Staubpartikel und dergleichen zu sammeln. Dies verbessert die Staubsammelleistung weiter.
    • (4) Das Wabengrundelement 42 der zweiten Filtereinheit 40 ist aus Aluminiumfolie ausgebildet. Dies erlaubt es, die Dicke des Wabengrundelements 42 zu verringern, während die Steifheit des Wabengrundelements 42 gewährleistet wird. Daher wird die Querschnittfläche des Strömungswegs der Durchgangslöcher 44 erhöht, was einen Anstieg des Druckverlusts begrenzt.
    • (5) Die erste Filtereinheit 30 befindet sich auf der stromaufwärtigen Seite der zweiten Filtereinheit 40. Dies verhindert, dass die zweite Filtereinheit 40 durch Staub oder dergleichen verstopft wird, und die Adsorptionsleistung der zweiten Filtereinheit 40 für unreines Gas wird für eine längere Dauer aufrechterhalten.
  • – Abwandlungen –
  • Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele können wie folgt abgewandelt werden.
  • Der Oxidationskatalysator 46 kann wegfallen.
  • Die Querschnittform der Durchgangslöcher 44, die das Wabengrundelement 42 der zweiten Filtereinheit 40 bilden, können bei Bedarf zu einer anderen Form, etwa einem regelmäßigen Sechseck, geändert werden.
  • Das Wabengrundelement 42 kann aus einem anderen Metallwerkstoff als Aluminium bestehen. Alternativ kann das Wabengrundelement 42 aus einem Keramikwerkstoff bestehen.
  • Das Filterelement 32 der ersten Filtereinheit 30 kann durch Vliesstoff 34 ausgebildet werden, der keinem Ladevorgang unterzogen worden ist.
  • Die erste Filtereinheit 30 kann sich auf der stromabwärtigen Seite der zweiten Filtereinheit 40 befinden. Wenn das Pulver des Oxidationskatalysators 46 oder das Pulver des Adsorptionsmittels 48 vom Wabengrundelement 42 der zweiten Filtereinheit 40 abfällt, wird das Pulver in diesem Fall von der ersten Filtereinheit 30 gesammelt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 200852969 A [0003]

Claims (3)

  1. Luftfilter für ein Brennstoffzellensystem, der in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt wird und in einem Durchgang zur Zuführung von Luft zu einem Brennstoffzellenhauptkörper angeordnet ist, wobei der Luftfilter gekennzeichnet ist durch: ein Gehäuse, das einen Einlass und einen Auslass hat; eine erste Filtereinheit, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und Staub sammelt, der in Luft enthalten ist; und eine zweite Filtereinheit, die innerhalb des Gehäuses in einer Luftströmungsrichtung Seite an Seite mit der ersten Filtereinheit angeordnet ist und unreines Gas adsorbiert, das in Luft enthalten ist, wobei die erste Filtereinheit ein Filterelement aufweist, das Vliesstoff und am Vliesstoff anhaftendes Filterpapier hat, sich das Filterpapier in der Luftströmungsrichtung auf einer stromabwärtigen Seite des Vliesstoffs befindet und eine höhere Packungsdichte als der Vliesstoff hat und die zweite Filtereinheit Folgendes aufweist: ein Grundelement, das einen Wabenaufbau mit einer großen Anzahl von Durchgangslöchern hat, und ein Adsorptionsmittel, das auf Innenflächen der Durchgangslöcher vorgesehen ist und das unreine Gas adsorbiert.
  2. Luftfilter für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff ein Elektret-Vliesstoff ist.
  3. Luftfilter für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Filterelement einen Oxidationskatalysator aufweist, der auf den Innenflächen der Durchgangslöcher getragen wird und schwefelbasiertes Gas oxidiert, das in Luft enthalten ist.
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