专利名称：一种用于燃料电池的空气净化器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池用空气净化器。
背景技术：
由于能源紧张和环境污染等问题日益突出，清洁能源汽车的发展正受到越来越多 的关注，其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)凭借其工作温度低，环境友好，启动速度快，能 量密度高等优点，逐渐成为新能源汽车的理想动力源，成为各发达国家政府重点扶持以及 知名汽车公司争相发展的方向。然而，燃料电池汽车(Fuel Cell Vehicle, FCV)的商业化还面临着一些挑战，如 耐久性问题、成本问题、性能问题以及相关基础设施问题。对于耐久性问题，FCV达到商业化 所需的PEMFC寿命应大于5000小时，但是目前车载PEMFC其寿命尚不能满足上述要求，主 要原因是质子交换膜及催化剂材料的耐久性有待进一步提高，此外，空气中的污染物(如 固体颗粒物、CO、CmHn、NOx、SO2和H2S等)也会对PEMFC的性能造成不良影响，(如SO2对阴 极催化剂有强吸附作用，从而产生“中毒”效应使电池阴极电势降低，性能迅速显著下降)， 甚至可能造成PEMFC运行中断。为了消除空气中有害气体对燃料电池的影响，最简单有效的方法之一就是在空气 进入燃料电池阴极之前，采用空气过滤装置将有害气体吸附过滤去除。因此，对于FCV空气 净化器，除了能够满足传统汽车空气滤清器的固体颗粒物过滤功能之外，还需要将有害气 体吸附去除。此外，应尽量减小空气净化器所增加的进气阻力和压降。Freudenberg公司的专利WO 2007039037A1设计了一种可以去除颗粒污染物和化 学污染物，同时具有一定消声功能的用于燃料电池的空气过滤器，如图1所示。含有颗粒物 和有害气体的空气由进气端1进入空气过滤器，经过无纺布颗粒过滤层2粗过滤，主要去除 颗粒物，再经过包裹在无纺布内的活性炭吸附层4精过滤到达排气端5进入燃料电池，可以 有效除去有害气体。该过滤器的优点在于考虑了流体力学性能，密封性能可靠，结构简单轻 便，便于拆装和更换滤芯。而且该过滤器采用了扩张式过滤器壳体结构3，当气流通过时先 突然扩张再收拢，会使一部分声能被消耗掉，从而使噪声得到衰减。同济大学的专利CN101079489A采用自主研发的具有良好性能的化学吸附材料以 及整体式吸附剂与空气通道交替排列结构，设计了用于燃料电池的空气过滤器，如图2所 示。其中过滤器的锥形进气通道6由前往后截面逐渐增大的结构有助于降低空气流速，从 而增加空气通过过滤器的时间，提高过滤效率，而排气通道10截面逐渐缩小的结构则有利 于增大排气端空气流速以满足燃料电池空气流量的需要。空气进气端13和排气端14均设 计为圆形，便于过滤器与前端空气压缩机和后端的圆形管道联接，锥形进气通道由圆形逐 渐过渡至正方形。该空气过滤器在空气流动通道中利用与两侧壁面各呈45°角的楔形挡 板12改变空气的流动方向。设置楔形挡板12的作用在于，一方面强迫空气分流经过两侧 的吸附剂后才能继续向前流动，多次分流透过吸附剂可以提高空气的过滤效果，同时能保 证各部分吸附剂的利用率基本相同；另一方面，45°的楔形设置，可以减少空气在改变流动方向过程中的紊流和粘滞阻力，从而减少空气传输阻力，提高空气流速，同时一定程度上还 可以降低噪音。采用不锈钢滤网9的作用是滤除过滤器中可能夹带出的固体颗粒物，同时 通过憎水性膜7有效滤除空气(如海边潮湿的空气)中的水分，并能很方便地将整体式吸 附剂11从吸附层壳体8内取出，进行活化处理或者更换吸附剂。但过滤器的结构较复杂， 空气阻力较大。申请号为200810203557. X的专利申请介绍了一种压降较小，过滤效率高的空气 净化器，如图3所示。主要由净化器壳体、物理过滤滤芯16、化学过滤滤芯19组成，物理过 滤滤芯16由物理过滤滤芯外壳15包覆，化学过滤滤芯19由化学过滤滤芯外壳18包覆，法 兰17连接物理过滤部分和化学过滤部分。图中的箭头表示空气的流动方向。含有颗粒污 染物和化学污染物的空气由空气入口 24进入物理过滤部分，经过物理过滤部分的过滤，空 气中的颗粒污染物被过滤出去，空气进入净化器腔体25，然后空气进入整体式化学过滤部 分19。化学过滤滤芯19由三层滤芯21，22，23组成，每一层滤芯是由改性的活性炭成型而 成，对空气中的不同化学污染物，活性炭的化学改性剂也不一样，从而将空气中对燃料电池 有害的不同化学物质滤除。化学过滤滤芯19外层还包裹有高效粉层过滤网29。最后，经过 过滤的空气通过锥形出气通道20，由过滤器出气口 26进入压缩机或鼓风机，由压缩机或鼓 风机将洁净的空气送入燃料电池系统。其中，物理过滤滤芯16由聚合膜、无纺布和纸质材 料的一种或一种以上构成。化学过滤滤芯19分为3层，可以分别吸附酸性气体、碱性气体、 CO和NOx ；滤芯通常采用活性炭、活性炭纤维、活性氧化铝、分子筛等多孔性、大比表面积材 料的一种活一种以上作为吸附剂，经KOH、Cu(NO3)2或柠檬酸化学改性的。化学滤芯部分具 有一定的倾角，这样既能减小空气通过滤芯的压降，使气流分布更加均勻，又可以满足高效 吸附杂质气体的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的燃料电池汽车空气器存在的不足，提供一种用于燃 料电池的空气净化器，提高吸附杂质气体的效率。为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是一种用于燃料电池的空气净化器，其包括进气通道、排气通道、外壳体、内壳体，进 气通道和排气通道分设于外壳体的顶部及底部，内壳体设于外壳体内底部相接，其顶部及 四周预留有空间，内壳体内至少包括一个导流板和滤芯，导流板作为滤芯的支撑两者间隔 排布，内壳体的底部在排气通道前设有粉尘过滤层。进一步，所述上下两块导流板与其之间的整体式滤芯组成一个过滤单元，根据进 气属性，确定过滤单元的个数。所述导流板设有开槽，相邻导流板的开槽中心位置错开。所述导流板为铝合金、不锈钢、石墨板、橡胶、塑料或高分子聚合物的一种制成。所述滤芯由活性炭、活性炭纤维、活性氧化铝、分子筛、气凝胶、离子交换树脂、离 子交换纤维中的一种或一种以上，通过改性和成型方法制备，采用纸、无纺布或聚合膜的一 种或几种进行包裹。所述粉尘过滤层使用驻极体材料，包括聚丙稀、聚四氟乙烯、环烯聚C0C、六氟丙 稀-聚四氟乙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚丙烯PP(共混)及聚酯。
所述进气通道通过上端盖法兰与外壳体上的上端法兰连接固定，两法兰之间采用 密封垫圈密封。所述排气通道通过下端盖法兰与外壳体上的下端法兰连接固定，两法兰之间采用 密封垫圈密封。所述进气通道和排气通道为锥形结构，进气通道由进气端往后截面积逐渐增大， 排气通道由排气端往后截面积逐渐增大。
所述内壳体顶部连接固定有上端盖，上端盖及内壳体靠近上端盖的壳壁上设有进 气通孔。本发明的双层净化器双层壳体和开槽导流板形成一共鸣器，具有消声效果。由于采用了上述方案，本发明具有以下特点1.改善了空气过滤中的流动阻力；2.抽取式整体型吸附剂设计，方便了吸附剂的更换；3.独特的导流板结构设计使滤芯被利用充分，吸附效率高；4.独特的流动通道设计使其具有消音作用。
图1是专利WO 2007/039037A1的燃料电池空气净化器示意图。图2是专利CN200610030291. 4的燃料电池空气净化器示意图。图3是专利CN200810203557. X的燃料电池空气净化器示意图。图4是根据本发明的一个较佳实施例的燃料电池汽车空气净化器的整体示意图。图5是根据本发明的一个较佳实施例的燃料电池汽车空气净化器的整体装配图。图6是根据本发明的一个较佳实施例的燃料电池汽车空气净化器导流板布置示 意图。图7a是根据本发明的一个较佳实施例的燃料电池汽车空气净化器导流板的结构 图之一。图7b是根据本发明的一个较佳实施例的燃料电池汽车空气净化器导流板的结构 图之二。图8是根据本发明的一个较佳实施例的燃料电池汽车空气净化器内层上端盖的 结构图。
具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。图4所示为采用本发明制得的一个空气净化器，该空气净化器主要由锥形进气通 道32，空气净化器双层壳体净化器外壳体34、净化器内壳体35，5片导流板43，吸附层滤 芯36，锥形排气通道41等组成，空气流通方向如图中箭头所示。其中净化器的锥形进气通 道32由前往后截面积逐渐增大的结构有助于降低空气流速，从而增加空气通过过滤器的 时间，提高净化效率。空气入口设计为圆形，便于净化器与前端空气压缩机的管道联接。锥 形进气通道32利用净化器外壳体上端盖法兰30与净化器外壳体34的上端法兰46由螺栓 通过螺孔33联接，其中两法兰之间采用密封垫圈31将其密封；气流通过净化器内壳体35上的通孔38及净化器内壳体上端盖45上的圆孔37进入净化器内壳体35内的空腔39，随 后通过导流板43的开槽进入滤芯36，滤芯36设于两层导流板43之间，导流板43作为滤 芯36的支撑，不同导流板之间的开槽错位放置(本实施例中槽的宽度为6. 3mm，上下导流 板之间的开槽位置错位30° )，气流经过所有过滤单元后进入聚三氟氯乙烯过滤网44，过 滤气流冲刷下来的活性炭细小颗粒，该过滤层可以过滤颗粒小于0. 1 μ m的粉尘，最后进入 锥形出口。吸附层滤芯36材料利用市售的颗粒活性炭材料，经过K0H/K2C03改性并包裹于 高密度无纺布中制成整体式片状吸附层，其中高密度无纺布可用于过滤空气中的固体颗粒 物。改性活性炭用于除去空气中主要的杂质气体(N0x、S02、H2S*CmHn)。整体式滤芯以导 流板作为支撑，一层层放置在过滤器内，净化器内壳体上端盖板45通过螺栓40与内壳体35 联接，内壳体35的上部第一层滤芯位置设有多个通孔38，上端盖板45则设有多个圆孔37。 锥形排气通道41利用净化器外壳体下端盖法兰42与外壳体34的下端法兰47由螺栓通过 螺孔33联接，其中两法兰之间采用密封垫圈31将其密封。图5是空气净化器的整体装配图。螺栓式的装配结构既能够起到很好的密封效 果，又便于滤芯的更换、疏通被堵塞的过滤孔道。空气净化器的出气通道采取截面积逐渐减 小的结构，有利于空气通过出气通道后流速增大，缩短在通道中的流动时间。净化器的出口 设计为圆形，以方便与通向燃料电池的管道密封连接。此外，本发明的空气净化器采用的双 层壳体结构，可以一定程度上降低噪音。图6是本发明燃料电池汽车空气净化器一种导流板布置示意图。为了改变空气在 吸附层内的流动，可以在片状吸附层内部适当设置导流板。设置导流板的作用在于，一方面 降低了空气在吸附层内的流速，增加空气通过滤芯吸附层的时间；另一方面强迫空气分流 经过两侧的吸附剂后才能继续向前流动，多次分流透过吸附剂可以提高空气的过滤效果， 避免吸附层出现“死区”、“短路”现象，可以保证各部分吸附剂的利用率基本相同。图7描述了空气净化器导流板的结构示意图。本实施例采用5片导流板，导流板 与滤芯呈三明治状布置在净化器壳体内层，导流板开槽中心位置错位30°，起到支撑吸附 层并提高吸附效率的作用。导流板材料采用不锈钢材料，开槽形状为条型槽，条型槽的宽度 为10mm，长度分别为20，40，60mm。图8描述了空气净化器内层上端盖的结构图。净化器内壳体上端盖主要用于夹紧 固定内部吸附层滤芯，每45°开一个圆孔，孔径为20mm，该结构可以减小延阻力，从而降低 空气流动压力损失，使中间气流与两侧气流流速接近。本发明中多孔导流板可以改变气体的流动特性，保证气流在滤芯内分布均勻；双 层净化器壳体具有消声作用。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发 明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的 一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施 例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的 保护范围之内。
权利要求
一种用于燃料电池的空气净化器，其特征在于其包括进气通道、排气通道、外壳体、内壳体，进气通道和排气通道分设于外壳体的顶部及底部，内壳体设于外壳体内底部相接，其顶部及四周预留有空间，内壳体内至少包括一个导流板和滤芯，导流板作为滤芯的支撑两者间隔排布，内壳体的底部在排气通道前设有粉尘过滤层。
2.如权利要求1所述的用于燃料电池的空气净化器，其特征在于所述导流板设有开 槽，相邻导流板的开槽中心位置错开。
3.如权利要求2所述的用于燃料电池的空气净化器，其特征在于所述导流板为铝合 金、不锈钢、石墨板、橡胶、塑料或高分子聚合物的一种制成。
4.如权利要求1所述的用于燃料电池的空气净化器，其特征在于所述滤芯由活性炭、 活性炭纤维、活性氧化铝、分子筛、气凝胶、离子交换树脂、离子交换纤维中的一种或一种以 上，通过改性和成型方法制备，采用纸、无纺布或聚合膜的一种或几种进行包裹。
5.如权利要求1所述的用于燃料电池的空气净化器，其特征在于所述粉尘过滤层使 用驻极体材料，包括聚丙稀、聚四氟乙烯、环烯聚COC、六氟丙稀-聚四氟乙烯共聚物、聚三 氟氯乙烯、聚丙烯PP共混及聚酯。
6.如权利要求1所述的用于燃料电池的空气净化器，其特征在于所述进气通道通过 上端盖法兰与外壳体上的上端法兰连接固定，两法兰之间采用密封垫圈密封。
7.如权利要求1所述的用于燃料电池的空气净化器，其特征在于所述排气通道通过 下端盖法兰与外壳体上的下端法兰连接固定，两法兰之间采用密封垫圈密封。
8.如权利要求1所述的用于燃料电池的空气净化器，其特征在于所述进气通道和排 气通道为锥形结构，进气通道由进气端往后截面积逐渐增大，排气通道由排气端往后截面 积逐渐增大。
9.如权利要求1所述的用于燃料电池的空气净化器，其特征在于所述内壳体顶部连 接固定有上端盖，上端盖及内壳体靠近上端盖的壳壁上设有进气通孔。
全文摘要
本发明一种用于燃料电池的空气净化器，其包括进气通道、排气通道、外壳体、内壳体，进气通道和排气通道分设于外壳体的顶部及底部，内壳体设于外壳体内底部相接，其顶部及四周预留有空间，内壳体内至少包括一个导流板和滤芯，导流板作为滤芯的支撑两者间隔排布，内壳体的底部在排气通道前设有粉尘过滤层。导流板设有开槽，相邻导流板内放置滤芯，且导流板的开槽中心位置错开，可以根据进气属性，确定导流板与滤芯的数量。本发明中多孔导流板可以改变气体的流动特性，保证气流在滤芯内分布均匀；双层净化器壳体具有消声作用。本发明的空气净化器，具有减噪，低阻力，高效去除空气中有害气体和颗粒的特点。
文档编号B01D53/04GK101804283SQ20101014902
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者刘湃, 吕洪, 周伟, 杨代军, 郑俊生, 马建新 申请人:同济大学