KR101047710B1 - 필터 장치 - Google Patents

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디이터 힌텐랑
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칼 프로이덴베르크 카게
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Abstract

본 발명은 제 1 여과재(filter medium)(2,3)의 두개 이상의 층 및 제 2 여과재(4)의 하나 이상의 부가층을 가지고 제 2 여과재(4)는 제 1 여과재(2,3) 사이에 삽입되고 상기 제 1 여과재(2,3)는 마주보는 모서리 섹션(5,6)에 부착되는 하나 이상의 필터(1)를 포함하며, 하나 이상의 상부(9) 및 하나의 하부(10)를 포함하고 상부(9) 및 하부(10)는 각각 플랜지(flange)(11,12)를 가지고 필터(1)의 모서리 섹션(5,6)은 플랜지(11,12) 사이에 배치되는 하우징(8)을 포함하는 연료전지 흡입공기를 세정하기 위한 필터 장치(7)에 관한 것이다.

Description

필터 장치 {FILTER ARRANGEMENT}
본 발명은 연료전지로의 흡입 공기를 세정하기 위한 필터 장치에 관한 것이다.
연료전지, 특히 PEM 연료전지는 최적의 효율 및 긴 내구성을 위해 부식성 성분이 존재하지 않는 흡입 공기를 필요로 한다. 부식성 성분에는 미립자 및 가스상 입자가 있다. 상류 배치된 시스템 구성요소, 예를 들어 공기 이송 장치로부터의 내접된 입자 또는 마모성 입자 또는 부식성 가스는 연료전지에 축적될 수 있으며, 여러 부품, 예를 들어 가스 채널, 가스 확산층, 촉매 또는 막전극 어셈블리의 최적의 기능을 떨어뜨릴 수 있다. 부식성 성분은 이러한 구성요소들의 조기 소모를 야기시킬 수 있다. 연료전지 내로 입자의 유입을 방지하게 위하여, 연료전지 흡입 공기는 필터에 의해 세정된다. 그러나, 이용가능한 디자인 공간은 특히 컴팩트 연료전지에서 제한된다.
본 발명의 설명
본 발명의 목적은 컴팩트 디자인을 가지며, 저렴하게 제작될 수 있는 연료전지 흡입 공기를 세정하기 위한 필터 장치를 제공하기 위한 것이다.
이러한 목적은 청구항 1항의 특징들에 의해 달성된다. 종속항은 유리한 구체예를 언급한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 연료전지 흡입 영역을 세정하기 위한 필터 장치는 제 1 여과재(filter medium)의 두개 이상의 층 및 제 2 여과재의 하나 이상의 부가층을 가지고 제 2 여과재는 제 1 여과재 사이에 삽입되고 상기 제 1 여과재는 서로 마주보는 모서리 섹션에 부착되는 하나 이상의 필터를 포함하며, 하나 이상의 상부 및 하나의 하부를 포함하고 상부 및 하부는 각각 플랜지(flange)를 가지고 필터의 모서리 섹션은 플랜지 사이에 배치되는 하우징을 포함한다.
연료전지, 특히 PEM 및 DMFC 연료전지의 경우에, 예를 들어 흡입 공기는 여과되어야 한다. 이동 사용을 위한 연료전지는 특히 컴팩트 디자인을 가지고, 일부 상황하에서 필터는 단지 접근하기 어려운 위치에 제공될 수 있다. 본 발명의 필터는 이의 디자인으로 인해 특히 용이하게 설치될 수 있다. 필터는 본 발명에 따라 공기 이송 장치의 영역, 다시 말해서 펌프 또는 압축기로서 디자인될 수 있는 공기 이송 장치로부터 상류 및/또는 하류에 배치될 수 있다. 필터 장치는 바람직하게는 공기 습윤기로부터 상류에 위치된다. 공기 습윤기는 전압 하강을 초래하는 막의 건조를 방지하기 위하여 연료전지의 흡입 공기를 습윤시키기 위해 필수적인 것이다.
제 1 여과재의 모서리 섹션은 마찰-로킹(friction-locking) 및/또는 형상-맞춤(form-fitting) 및/또는 일체적으로 결합된 연결에 의해 고정된다. 제 1 여과재의 별도의 연결은 특히, 하우징에 배치된 필터가 교환가능하도록 디자인되지 않은 경우 생략될 수 있다. 필터 및 하우징은 함께 사전어셈블리 유닛을 형성시키며, 여기서 마찰-로킹 및/또는 형상-맞춤 연결의 경우에, 필터의 교환이 가능할 수 있다. 플랜지 사이에 배치된 모서리 섹션은 동시에 하우징을 밀봉시킨다. 여기서, 필터 장치는 단일 구성요소인 것이 유리하며, 이의 필터층은 하우징에 고정적으로 결합된다. 이는 특히 어셈블리를 단순하게 제조하는데, 이는 공기 가이드만이 연결되어야 하기 때문이다. 필터 장치는 또한 저중량이며, 따라서 하우징의 추가 고정은 필요치 않다.
플랜지는 마찰-로킹 및/또는 형상-맞춤 방식으로 함께 연결될 수 있다. 마찰-로킹 및/또는 형상-맞춤 연결은 간단한 도구를 사용하여 저렴하게 설치될 수 있으며 어떠한 어셈블리 보조장치도 필요하지 않다. 이러한 연결은 비파괴적으로 떼어낼 수 있어, 필터를 간단하게 교체할 수 있도록 한다.
플랜지 및 모서리 섹션은 일체적으로 결합된 방식으로 함께 결합될 수 있다. 일체적으로 결합된 연결의 경우에, 힘의 영향으로 인해 플랜지의 비고의적인 방출이 방지된다. 특히 접착성 결합에 의해 일체적으로 결합된 연결은 기밀적으로 디자인될 수 있다. 이후 가스 하우징을 이에 에워싸인 필터로 교체하므로써 필터는 교체되며, 이는 특히 접근하기 어려운 위치에서 유리하다.
플랜지 및 모서리 섹션은 함께 용접될 수 있다. 용접을 위한 플랜지의 특정 형태 또는 외형이 요구되지 않으며 허용한계 요건이 낮다.
상부 및 하부는 사출성형 부분 또는 터닝 워크피스(turning workpiece)로서 디자인될 수 있다. 상부 및 하부는 각각 저렴한 플라스틱, 예를 들어 아크릴로니트릴-부타디엔-스티롤(ABS)로 이루어진다. 사출성형은 단순하며 저렴한 생산 공정이다. 상부 및 하부는 또한 심교 단편(deep-drawn piece)으로서 디자인될 수 있다.
필터는 상부와 필터 사이에 및/또는 하부와 필터 사이에 기실이 형성되는 방식으로 하우징에 고정될 수 있다. 기실은 공기 유동의 분포를 야기시켜, 필터에 대해 균질한 진행 흐름을 초래한다. 또한, 공기 이송 장치에 의해 발생된 소음이 완충될 수 있도록 기실이 소리-흡수 효과를 가진다는 것이 특히 유리하다. 그러므로 필터 장치는 동시에 소리를 억제하기 위한 장치를 형성한다. 소리 억제는 다공성 매질, 예를 들어 부직포가 기실에 배치되는 경우 또는 통로에 의해 상호연결된 수개의 챔버가 기실에 제공되는 경우 추가적으로 개선될 수 있다.
제 1 여과재는 부직포로 이루어질 수 있으며, 여기서 제 1 여과재는 굵은 필터 또는 미세한 필터로서 디자인되며 제 2 필터는 미세한 필터로서 디자인된다. 제 1 여과재는 세정되지 않은 흡입공기 면과 접하고, 제 2 여과재는 세정된 흡입공기 면과 접한다. 부직포는 저렴하고, 다양한 방법에 의해 생산될 수 있다. 부직포는 바람직하게는 플라스틱, 예를 들어 폴리에스테르, 폴리올레핀 또는 폴리아크릴로니트릴로 이루어진다. 제 1 여과재는 또한 상이한 플라스틱으로 이루어진 수개의 부직포 층으로부터 형성될 수 있다. 상이한 생산 공정으로 인해, 부직포에 상이한 성질, 예를 들어 다양한 크기의 고체 및 액체 입자, 소위 에어로졸의 여과를 위한 적합성, 및 특정 화학 성분의 여과를 위한 적합성이 부여될 수 있다. 부직포는 예를 들어 수지의 성질에 따라 염기성 또는 산성 가스, 예를 들어 NH3 또는 SO2를 여과할 수 있는 이온교환수지와 함께 제공될 수 있다. 제 1 여과재는 활성 탄소에 의해 형성될 수 있다. 제 2 여과재는 흡착 필터 및 흡수 필터로서 활성 탄소에 의해 형성되며, 여기서 활성 탄소는 광범위한 화학 성분 및 입자를 여과하는데 적합할 수 있다. 활성 탄소의 수개층이 제공될 수 있다. 그러나, 활성 탄소는 미세하게 분쇄되며 자유-유동하여, 예를 들어 부직포로 이루어진, 제 1 여과재 사이에 이를 고정시키는 수단이 특히 유리하다. 다른 흡착재는 또한 제 2 여과재로서 단독 또는 조합하여 제공될 수 있다. 이는 또한 물리흡착 또는 화학흡착을 통해 활성화될 수 있다. 예를 들어, 첨착 탄소, 실리카겔, 알루미나 또는 이온 교환체가 또한 고려될 수 있다. 나머지 여과 장치는 추가적으로 상류 및/또는 하류 미립자 필터를 가질 수 있다. 여과재는 펀칭된 물품으로서 디자인될 수 있다. 펀칭된 물품은 특히 간단하게 제작된다. 제 2 여과재의 펀칭된 블랭크(blank)가 제 1 여과재의 시트들 사이에 배치된 후 제 1 여과재로부터의 펀칭된 블랭크가 생산되는 경우 연속적으로 생산할 수 있다. 제 1 여과재를 펀칭할 때, 동일한 성형물을 사용한 용접이 동시에 수행될 수 있다. 제 2 여과재가 활성탄소로 이루어진 경우, 필수적으로 접착제를 사용하여 블록 형태로 활성탄소를 고정시킬 수 있다. 여기서 접착제의 양은 특히 낮은 것이 유리한데, 이는 활성 탄소 펀칭된 블랭크가 제 1 여과재들 사이에 고정되기 때문이다. 감소된 접착제 함량으로 인해, 활성탄소 펀칭된 블랭크의 자유롭게 접근가능한 비표면적 및 흡수 성능이 개선된다. 활성탄소 펀칭된 블랭크에서 접착제의 양은 50 중량% 미만으로 감소될 수 있다.
도면의 간단한 설명
다수의 대표적인 구체예는 도면을 참조로 하여 하기에서 보다 상세히 설명하였다. 도면들은 각각 도시적인 다이아그램을 나타낸 것이다:
도 1: 본 발명의 필터 장치;
도 2: 본 발명의 필터;
도 3: 하우징부가 일체적 결합 방식으로 연결된 필터 장치;
도 4: 필터 장치;
도 5: 하우징부가 형상-맞춤 및 마찰-로킹 방식으로 함께 연결된 필터 장치;
도 6: 하우징부가 형상-맞춤 및 마찰-로킹 방식으로 함께 연결되고 부가적인 밀봉 성분을 가지는 필터 장치;
도 7: 하우징부가 형상-맞춤 및 마찰-로킹 방식으로 함께 연결되고 부가적인 밀봉 성분을 가지는 필터 장치.
본 발명의 구체예
도 1은 연료전지(19)로부터 연료전지 흡입 공기를 세정하기 위한 필터 장치(7)를 나타낸 것으로서, 필터 장치(7)는 연료전지(19)의 흡입 기류에 배치된다. 특히 PEM 연료 전지와 관련하여, 습윤기(20)가 흡입 기류에 제공되는 경우, 필터 장치(7)는 습윤기(20)로 세정된 흡입 공기를 제공하기 위하여 습윤기(20)의 앞쪽에 배치될 수 있다. 이에 따라, 필터 장치(7)는 흡입 기류를 운반하기 위해 공기 이송 장치(21) 앞쪽 및/또는 뒤쪽에 제공될 수 있다.
도 2는 필터 장치에 배치된 필터(1)을 나타낸 것이다. 필터(1)는 제 1 여과재(2,3)의 두개의 층, 제 1 여과재(2,3) 사이에 배치된 제 2 여과재(4)의 층으로 형성되며, 이는 샌드위치-타입 디자인의 필터(1)를 이룬다. 여과재(2,3,4)는 평평하게 디자인되며, 제 1 여과재(2,3)는 제 2 여과재 보다 큰 면적을 갖는다. 그러므로, 제 1 여과재(2,3)의 모서리 섹션(5,6)은 중첩된다. 이러한 마주보는 모서리 섹션들(5,6)은 함께 연결된다. 이러한 구체예에서, 모서리 섹션(5,6)은 초음파 용접에 의해 일체적 결합 방식으로 함께 연결된다. 다른 구체예에서, 모서리 섹션(5,6)은 핫-멜트 펀칭에 의해 또는 접착(gluing)에 의해 함께 연결될 수 있다. 제 1 여과재(2,3)는 폴리에스테르 또는 폴리프로필렌 부직포로 이루어지며, 필터(1)의 예비 필터 및 최종 필터를 형성한다. 제 2 여과재는 활성 탄소로 이루어지며, 입자는 접착제에 의해 서로 결합된다. 활성 탄소 블랭크(blank)는 이후 가압된 블랭크의 형태를 가지며, 이는 펀칭에 의해 형태를 가질 수 있다. 제 2 여과재(4)을 제조하기 위하여, 활성 탄소는 제 1 단계에서 부직포로 이루어진 캐리어 상에 배치된다. 다음 단계에서, 캐리어는 활성 탄소와 적층되게 배치되며, 함께 라미네이팅되어, 캐리어는 서로 이격되게 마주보고, 두개의 주 측면을 형성한다. 이러한 구체예에서, 두개의 라미네이팅된 캐리어-활성 탄소-캐리어 층은 적층되게 배치되며, 하나의 활성 탄소층은 산성 가스의 여과를 위해 제공되고, 다른 활성 탄소층은 염기성 가스의 여과를 위해 제공된다.
이러한 구체예에서, 세개의 여과재(2,3,4) 모두는 펀칭된 블랭크로서 디자인된다. 필터(1)는, 제 2 여과재(4)의 펀칭된 블랭크가 제 1 여과재(2,3) 층들 사이에 연속적으로 배치되는 연속 공정으로 제조될 수 있다. 이후, 이들 사이에 제 2 여과재가 배치된 제 1 여과재(2,3)는 펀칭되며; 이러한 펀칭 작업과 동시에, 제 1 여과재(2,3)의 모서리 섹션(5,6)은 일체적으로 결합된다. 필터(1)는 연료전지의 흡입 기류에 배치된다.
도 3은 도 2에 따른 필터(1)가 장착된 하우징(8)으로 이루어진 필터 장치(7)를 도ㅅ한 것이다. 하우징(8)은 상부(9) 및 하부(10)를 가지며, 이는 사출 성형에 의한 플라스틱으로 이루어진 것이다. 상부(9) 및 하부(10) 상에 제공된 플랜지(11,12)는 상부(9) 및 하부(10)가 접촉하게 하는데 사용될 수 있다. 이러한 구체예에 따라, 대칭선의 오른쪽에서, 필터(1)는, 제 1 여과재(2,3)의 모서리 섹션(5,6)이 플랜지(11,12) 사이에 배치되고 고정되도록 상부(9) 및 하부(10) 사이에 배치된다. 대칭선의 왼쪽에 도시된 다른 구체예에서, 제 1 여과재(2,3)의 모서리 섹션(5,6)은 형상-맞춤 방식으로 플랜지(11,12)에 의해 형성된 홈에 고정된다. 상부(9) 및 하부(10)는 심교부(deep-drawn parts)로서 디자인되고 이의 제조를 촉진시키기 위하여 플랜지(11,12)의 방향으로 확장된 단면을 갖는다. 이러한 구체예에서, 플랜지(11,12) 및 모서리 섹션(5,6)은 함께 일체적으로 결합된다. 필터는, 기실이 상부와 필터 사이에, 및/또는 하부와 필터 사이에 존재하는 방식으로 하우징에 고정된다.
필터 장치(7)를 생산하기 위하여, 상부(9)와 하부(10), 및 두개의 제 1 여과재(2,3)와 하나의 제 2 여과재(4)는 적층되게 배치되며, 필터 장치(7)를 제작하기 위해 단지 단일 용접 작업이 필수적이도록 모서리 섹션(5,6)과 플랜지(11,12)는 하나의 작업으로 함께 용접된다. 이러한 구체예에서 필터 장치(7) 및 필터(1)는 이용가능한 절연 공간을 가능한한 최대한의 범위로 사용하기 위해 필수적으로 직사각형의 단면을 갖는다. 필터 장치(7)는 또한 연료전지의 흡입 기류에 배치된다.
도 4는 플랜지(11,12)가 아직 함께 연결되지 않은 도 3에 따른 필터 장치(7)를 도시한 것이다. 상부(9)의 플랜지(11)는 하부(10)의 플랜지(12)에 접하는 측면 상에 경계선 주변으로 이어진 웹(web)(14)을 가지며, 이는 플랜지(11,12) 사이의 접촉을 보장한다. 표면압력은 웹(14)의 작은 면적으로 인해 가장 크며, 이러한 면적은 특히 잘 용접될 수 있다. 이러한 웹(14)으로 인해, 또한 모서리 섹션(5,6)의 양호한 침투가 가능하여, 연결은 개선된 불침투성을 갖도록 한다.
도 5는 도 3에 따른 필터 장치(7)를 도시한 것으로서, 이러한 구체예에서의 플랜지(11,12)는 형상-맞춤 및 마찰-로킹 방식으로 함께 연결된다. 상부(9)의 플랜지(11)는 하부(10)의 플랜지(12)의 내측 경계면에 맞물리게 한다. 불룩한 부분으로 디자인된 형상-맞춤 구성요소는 플랜지(11)의 외측 경계면 상에 제공되며 합동으로 디자인된 홈(15)과 함께 형상-맞춤 방식으로 맞물리고, 약간의 방사상 요구로 인해, 필터(1)의 모서리 섹션(5,6)에 의해 마찰-로킹 방식으로 맞물리며, 상기 홈은 플랜지(12)의 내측 경계면 상에 배치된다. 다른 구체예에서, 두개 이상의 형상-맞춤 구성요소가 또한 제공될 수 있다. 하우징(8)은 이들이 플랜지(11,12) 사이에 가압되도록 배치된 모서리 섹션(5,6)에 의해 밀봉된다. 하우징(8)은 필터(1)를 교환하기 위하여 개방되고 다시 폐쇄될 수 있다.
도 6은 도 5에 따른 필터 장치의 두개의 다른 구체예를 도시한 것으로서, 추가적인 밀봉 구성요소는 플랜지(11,12) 사이에 배치된다. 대칭선의 왼쪽에 도시된 구체에에서, 오-링(17)은 추가적인 밀봉 구성요소로서 플랜지(11) 및 (12) 사이에 배치된다. 오-링은 불침투성이 특별히 요구되는 경우 제공될 수 있으며, 하우징은 동시에 용이하게 개방되어야 한다. 대칭선의 오른쪽에 도시된 구체예에서, 밀봉 화합물(18)은 추가적인 밀봉 구성요소로서 제공되며, 이러한 밀봉 화합물은 플랜지(11,12) 사이의 갭으로 주입된다. 밀봉 화합물은 불침투성이 특별히 요구되는 경우 제공될 수 있으며 허용한계 요건이 낮다. 모서리 섹션이 플라스틱으로 이루어진 부직포로 이루어진 경우, 불침투성은 부직포의 비가역적 분해로 인해 시간에 따라 감소할 수 있다.
도 7은 도 6에 따른 필터 장치(7)의 두개의 구체예를 도시한 것으로서, 형상-맞춤 연결은 스냅 고정장치로서 디자인되고 플랜지(11,12) 사이에 직접 설치된다. 그러므로, 상부(9) 및 하부(10)는 특별한 방법으로 설치될 수 있다. 이러한 구체예에서, 플랜지(11)의 블룩한 부분(16)은 플랜지(12)의 홈(15)에 직접 맞물리게 한다. 불침투성을 개선시키기 위하여, 오-링(17)은 대칭성의 왼쪽의 일 구체예에서 제공되며, 밀봉 화합물(18)은 대칭선의 오른쪽의 구체에에서 제공된다.

Claims (8)

  1. 부직포로 제조된 제 1 여과재(filter medium)(2,3)의 두개 이상의 층, 및 흡착재를 포함하는 제 2 여과재(4)의 하나 이상의 부가층을 가지며, 제 2 여과재(4)는 제 1 여과재들(2,3) 사이에 삽입되며, 제 1 여과재(2,3)의 모서리 섹션(5,6)은 중첩되어 있으며, 상기 제 1 여과재(2,3)는 마주보는 모서리 섹션(5,6)에 부착되는 하나 이상의 필터(1)를 포함하며,
    하나 이상의 상부(9) 및 하나의 하부(10)를 포함하고 상부(9) 및 하부(10)는 각각 플랜지(flange)(11,12)를 가지고 필터(1)의 모서리 섹션(5,6)은 플랜지(11,12) 사이에 배치되고 플랜지(11,12)가 마찰-로킹 방식(friction-locking manner)으로 함께 연결되는 하우징(8)을 포함하는 연료전지 흡입공기를 세정하기 위한 필터 장치(7).
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 플랜지(11,12) 및 모서리 섹션이 일체적으로 결합된 방식(integrally bonded manner)으로 함께 연결됨을 특징으로 하는 필터 장치.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 플랜지(11,12) 및 모서리 섹션(5,6)이 함께 용접됨을 특징으로 하는 필터 장치.
  5. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상부(9) 및 하부(10)가 사출-성형된 부분으로서 디자인됨을 특징으로 하는 필터 장치.
  6. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 필터(1)가, 기실(air space)이 상부(9)와 필터(1) 사이에, 및/또는 하부(10)와 필터(1) 사이에 형성되는 방식으로 하우징(8)에 고정됨을 특징으로 하는 필터 장치.
  7. 제 1항 또는 제 3항에 따른 필터 장치(7)를 포함하는 연료전지(19).
  8. 제 7항에 있어서, 필터 장치(7)가 연료전지(19)의 흡입 기류에 배치됨을 특징으로 하는 연료전지.
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