(57)【要約】  燃料電池の吸気を清浄するフィルタ装置（7）は、第1の濾材（2、3）の少なくとも２つの層と第2の濾材（4）の少なくとも１つの付加的な層からなる少なくとも１つのフィルタ（1）を含み、第2の濾材（4）が第1の濾材（2、3）の間に埋め込まれ、これらの第1の濾材（2、3）が相互に対向する端部部分（5、6）を備え、かつ、フィルタ装置は、少なくとも１つの上部（9）と１つの底部（10）からなるハウジング（8）を含み、上部（9）及び底部（10）のそれぞれがフランジ（11、12）を有し、フィルタ（1）の端部部分（5、6）がフランジ（11、12）の間に配置されている。【選択図】  図１
2009509733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の吸気を清浄するフィルタ装置（7）であって、
第1の濾材（2、3）の少なくとも２つの層と第2の濾材（4）の少なくとも１つの付加的な層とを有し、該第2の濾材（4）が前記第1の濾材（2、3）の間に埋め込まれ、前記第1の濾材（2、3）が対向する端部部分（5、6）を備えている少なくとも１つのフィルタ（1）と、
少なくとも１つの上部（9）と少なくとも１つの底部（10）からなり、該上部（9）及び該底部（10）がそれぞれフランジ（11、12）を有し、前記フィルタ（1）の端部部分（5、6）が前記フランジ（11、12）の間に配置されているハウジング（8）とからなるフィルタ装置。
【請求項２】
前記フランジ（11、12）が、形状による嵌め合い及び/又は摩擦による固定の仕方で結合されている請求項１のフィルタ装置。
【請求項３】
前記フランジ（11、12）と前記端部部分が、一体的な付着接続により結合されている請求項１又は２のフィルタ装置。
【請求項４】
前記フランジ（11、12）と前記端部部分（5、6）が一緒に溶接されている請求項１から３のいずれか１項のフィルタ装置。
【請求項５】
前記上部（9）及び前記底部（10）が射出成形部品として設計されている請求項１から４のいずれか１項のフィルタ装置。
【請求項６】
前記上部（9）と前記フィルタ（1）の間及び/又は前記底部（10）と前記フィルタ（1）の間に空隙が形成されるような仕方で、前記フィルタ（1）が前記ハウジング（8）内に固定されている請求項１から５のいずれか１項のフィルタ装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項のフィルタ装置（7）を備えている燃料電池。
【請求項８】
前記フィルタ装置（7）が、前記燃料電池（19）の吸気流路に配置されている請求項７の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池への吸気を清浄するフィルタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、特にPEM燃料電池は、最適な効率及び長い耐久性のために、腐食要素の存在しない吸気が要求される。腐食要素は、粒状及び気体状の粒子である。空気輸送装置のような上流に配置されているシステム構成要素からの、内在する粒子や摩擦粒子、又は腐食性気体は、燃料電池内に蓄積されることがあり、気体のチャネル、気体拡散層、触媒又は膜電極アセンブリのような幾つかの部分の最適動作を減じることがある。腐食要素は、それらの構成要素を早期に消耗させることがある。燃料電池内に粒子が取り込まれることを防止するために、燃料電池の吸気はフィルタによって清浄化されている。しかしながら、特に小型の燃料電池では、利用できる設計空間が限られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、燃料電池の吸気を清浄するための、小型設計でありかつ製造するのに廉価であるフィルタ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的は請求項1に記載の特徴によって達成される。従属する請求項は有利な実施形態に言及する。
【０００５】
上記目的を達成するために、燃料電池の吸気口領域を清浄するフィルタ装置が、第1の濾材の少なくとも２つの層と第2の濾材の少なくとも１つの付加的な層を有する少なくとも１つのフィルタからなり、第2の濾材が第1の濾材の間に埋め込まれ、第1の濾材が相互に対向する端部部分を備え、かつ、フィルタ装置が、少なくとも１つの上部と１つの底部を含むハウジングからなり、上部及び底部のそれぞれがフランジを有し、フィルタの端部部分がフランジの間に配置されて構成されている。
【０００６】
例えば、特にPEM及びDMFC燃料電池である燃料電池の場合には、吸気は濾過されなければならない。特に小型設計を有し、ある状況下で使用される携帯用の燃料電池では、フィルタが手の届きにくい位置にのみ設けられている。本発明のフィルタは、その設計のために、特に容易に組み込むことが可能である。本発明によれば、フィルタは、空気輸送装置の領域に、換言すれば、ポンプ又はコンプレッサとして設計される空気輸送装置の上流及び/又は下流に配置される。フィルタ装置は、空気加湿器の上流に配置されることが好ましい。空気加湿器は、膜が完全に乾燥して電圧降下を結果生じることを防止するために、燃料電池の吸気を加湿するのに必要である。
【０００７】
第1の濾材の端部部分は、摩擦による固定及び/又は形状による嵌め合い及び/又は一体的な付着接続により固定されている。特にハウジング内に配置されているフィルタが交換式に設計されていない場合には、第1の濾材を別々に接続することは除かれる。フィルタ及びハウジングはともに予め組み立てられたユニットを形成し、それによって、特に摩擦による固定及び/又は形状による嵌め合いの場合に、フィルタの交換が可能となる。フランジの間に配置されている端部部分は、同時にハウジングを密閉する。ここで、フィルタ装置が単一の構成要素であることが有利であり、そのフィルタ層はハウジング内に固定して連結される。空気の案内のみを接続することが必要とされるので、これによりアセンブリは特に単純になる。また、ハウジングの付加的な固定具を必要とせず、フィルタ装置は軽量である。
【０００８】
フランジを摩擦による固定及び/又は形状による嵌め合いの仕方で結合することができる。摩擦による固定及び/又は形状による嵌め合いによる結合は、組立補助器具を必要とすることなく、簡単な道具を使用することにより安価に達成することを可能にする。結合を破壊することなく解放することができ、それによりフィルタの交換は簡単である。
【０００９】
フランジ及び端部部分を、一体的な付着の仕方で結合することができる。一体的な付着結合の場合には、力が作用することによるフランジの意図しない解放が防止される。特に粘着性の接着による一体的な付着である結合を気密であるように設計することができる。さらに、そこに取り囲まれているフィルタとともにガスハウジングを交換することによってフィルタが交換され、これは、手の届きにくい場所において得に有利である。
【００１０】
フランジと端部部分を一緒に溶接することができる。フランジの特別な形状又は輪郭は溶接のために必要とされず、公差要求は低い。
【００１１】
上部及び底部を射出成形部品又は回転ワークピースとして設計することができる。上部及び底部をそれぞれ、アクリロニトリルブタジエンスチロール（ABS）のような安価なプラスチックから製造することができる。射出成形は、単純であり、安価な製造工程である。また、上部及び底部を深絞り部分品として設計することができる。
【００１２】
上部とフィルタの間及び/又は底部とフィルタの間に空隙が形成されるような方法で、フィルタはハウジング内に固定される。空隙は、気流の分配を生じさせ、フィルタに対して近づく均一な流れを結果生じさせる。加えて、空隙が消音作用を有し、それによって、空気輸送装置によって放たれる騒音を減衰可能であることが特に有利である。したがって、フィルタ装置は、同時に音を抑制する装置を形成する。不織布のような多孔質の媒体が空隙に配置されている場合、又は通路によって相互接続されいて幾つかの室が空隙内に設けられている場合には、音の抑制が付加的に改善される。
【００１３】
第1の濾材を不織布から製造することができ、それによって、第1の濾材を粗いフィルタ又は細かいフィルタとして設計することができ、第2のフィルタを細かいフィルタとして設計することができる。第1の濾材は未清浄の吸気側と対向し、第2の濾材は清浄な吸気側と対向する。不織布は廉価であり、種々の方法によって製造可能である。不織布は、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアクリロニトリルのようなプラスチックから製造されることが好ましい。また、第1の濾材は、異なるプラスチックから製造される不織布の幾つかの層から形成される。異なる製造工程のために、例えば、種々の寸法の、エアロゾルと称される液体粒子及び固体粒子の濾過作用に対する適合性、ならびに特定の化学成分の濾過に対する適合性である、異なる特性を不織布にもたらすことができる。不織布にイオン交換樹脂が備えられ、樹脂の特性に応じて、例えばアンモニア又は二酸化硫黄である塩基性又は酸性の気体を濾過することができる。第2の濾材を活性炭により形成することができる。第2の濾材は、吸収フィルタ又は吸着フィルタとして活性炭により形成され、活性炭は、幅広い種類の化学成分及び粒子の濾過に適している。活性炭の幾つかの層が設けられる。しかしながら、活性炭は微粒子であり、自由に流れるので、例えば、不織布から製造されている第1の濾材の間に活性炭を固定する手段は特に有利である。また、他の吸着剤を、第2の濾材として単独に、又は組み合わせて設けることができる。また、物理吸着又は化学吸着を介して実施することができる。例えば、添着炭、シリカゲル、アルミナ、イオン交換器も考えることができる。残るフィルタ装置は、上流及び/又は下流の粒子フィルタを付加的に有する。濾材をパンチ加工された物品として設計することができる。パンチ加工により物品を製造することは特に簡単である。第2の濾材のパンチ加工された半加工品が第1の濾材の薄板の間に配置され、さらに第1の濾材からパンチ加工された半加工品が製造される場合、製造は連続的に行われる。第1の濾材を打ち抜くと、また、同じ型を利用した溶接が同時に実施される。第2の濾材が活性炭からなるのであれば、粘着剤を使用することによって塊の形で、活性炭を固定する必要がある。ここで、パンチ加工された活性炭の半加工品が第1の濾材の間で固定されるので、粘着剤の量を特に少なくできることが有利である。粘着剤の含有量を少なくすることができるので、パンチ加工された活性炭の半加工品の利用可能な自由表面の比表面積及び収着性能が改善される。パンチ加工された活性炭の半加工品内の粘着剤の量は、50重量％よりも少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図面を参照して、以下において幾つかの実施形態についてより詳細に説明する。図面はそれぞれ概略図を示す。
【００１５】
図1は、燃料電池19からの燃料電池の吸気を清浄するフィルタ装置7を示し、フィルタ装置7は、燃料電池19の吸気流路に配置されている。特にPEM燃料電池であるならば、加湿器20が吸気流路に設けられ、フィルタ装置7は、加湿器20の直前に配置され、清浄化された吸気を加湿器20に供給する。したがって、フィルタ装置7は、空気輸送装置21の直前及び/又は直後に設けられて、吸気流を運ぶ。
【００１６】
図2は、フィルタ装置内に配置されているフィルタ1を示す。フィルタ1は、第1の濾材2、3の少なくとも２層、この第1の濾材2、3の間に配置されている第2の濾材4の層から形成され、フィルタ1のサンドウィッチ型の設計を結果生じている、濾材2、3、4は平坦に設計され、第1の濾材2、3は第2の濾材よりも大きな面積を有する。したがって、第1の濾材2、3の端部部分5、6は重なる。これらの重なる端部部分5、6は結合される。この実施形態では、端部部分5、6は、超音波溶接によって一体に付着する仕方で結合されている。他の実施形態では、端部部分5、6は、ホットメルトパンチ加工により、又は糊付けにより結合される。第1の濾材2、3は、ポリエステル又はポリプロピレンの不織布から製造され、フィルタ1の前置フィルタ及び最終フィルタを形成する。第2の濾材は、活性炭から製造され、粒子が互いに粘着剤により接続されている。さらに、活性炭の半加工品は、パンチ加工により形作ることができるプレス加工された半加工品の形態である。第2の濾材4を製造するために、活性炭が、第一段階で、不織布から製造された担体に配置される。次の段階で、担体は活性炭とともに上下に配置され、積層されて、担体は互いに外側を向き、２つの主たる面を形成する。この実施形態では、２つの積層された担体-活性炭-担体層は上下に配置され、一方の活性炭からなる層が酸性の気体を濾過するのに設けられ、他方の活性炭からなる層が塩基性の気体を濾過するのに設けられている。
【００１７】
この実施形態では、３つの濾材2、3、4すべてが、パンチ加工された半加工品として設計されている。フィルタ1は、第2の濾材4のパンチ加工された半加工品が第1の濾材2、3の層の間に連続して配置される連続工程において製造可能である。さらに、第1の濾材2、3はその間に配置されている第2の濾材とともに打ち抜かれ、この打ち抜き工程と同時に、第1の濾材2、3の端部部分5、6が一体に接続される。フィルタ1は、燃料電池の吸気流路に配置される。
【００１８】
図3は、図2によるフィルタ1を保持するハウジング8からなるフィルタ装置7を示す。ハウジング8は、射出成形によりプラスチックから形成されている上部9及び底部10を有する。上部9及び底部10に設けられているフランジ11、12を利用して、上部9及び底部10を接触させることができる。この実施形態によれば、対称軸の右側において、フィルタ1は、上部9と底部10の間に配置され、第1の濾材2、3の端部部分5、6が、フランジ11、12の間に位置し、そこに固定されている。対称軸の左側に示す他の実施形態では、第1の濾材2、3の端部部分5、6は、形状による嵌め合いの仕方で、フランジ11、12により形成されている溝部内に保持されている。上部9及び底部10は、深絞り部品として設計されて、製造が容易となるようにフランジ11、12の方向に拡大する断面を有する。この実施形態では、フランジ11、12及び端部部分5、6は、一体的に結合されている。フィルタは、上部とフィルタの間及び/又は底部とフィルタの間に空隙が残るような仕方でハウジング内に固定されている。
【００１９】
フィルタ装置7を製造するために、上部9及び底部10ならびに２つの第1の濾材2、3及び１つの第2の濾材4が、上下に配置されて、１つの工程において、端部部分5、6及びフランジ11、12が一緒に溶接されて、それにより、フィルタ装置7を製造するのに唯一回の溶接工程しか必要とされない。この実施形態において、フィルタ装置7及びフィルタ1は本質的に正方形の矩形の断面を有し、可能な最大の広がりのために利用可能な絶縁空間を利用する。また、フィルタ装置7は燃料電池の吸気流路に配置されている。
【００２０】
図4は、フランジ11、12がまだ結合されていない状態の図3によるフィルタ装置7を示す。上部9のフランジ11は、底部10のフランジ12と対向する側に周囲を取り巻き延伸するウエブ14を有し、フランジ11、12の間の接触を確かにする。表面圧力は、ウエブ14の小さな面積のために、ここで最大となり、この領域を特に十分溶接することが可能である。ウエブ14のために、また端部部分5、6の良好な貫通を可能とし、接続部は改善された不通気性を有する。
【００２１】
図5は、図3によるフィルタ装置7を示し、この実施形態では、フランジ11、12が、摩擦による固定及び形状による嵌め合いの仕方で結合されている。上部9のフランジ11は、底部10のフランジ12の周囲の内側に係合している。隆起部として設計されている形状による嵌め合い要素は、フランジ11の周囲外側に設けられ、適合するように設計されている溝部15と形状による嵌め合いの仕方で係合し、半径方向のわずかな予圧のために、フィルタ1の端部部分5、6を介する摩擦による固定の仕方で、フランジ12の周囲内側に配置されている溝部と係合する。他の実施形態では、２つ又はそれ以上の形状による嵌め合い要素を設けることもできる。ハウジング8は、フランジ11、12の間に押圧されるように配置されている端部部分5、6により密閉される。ハウジング8は、フィルタ1の交換のために、再度解放し、閉鎖することができる。
【００２２】
図6は、図5によるフィルタ装置の２つの他の実施形態を示し、付加的な密閉要素がフランジ11、12の間に配置されている。対称軸の左に示す実施形態では、O-リング17が、付加的な密閉要素として、フランジ11と12の間に配置されている。特別な要求が不通気性であり、ハウジングが、同時に、解放するのが容易であることが必要とされる場合に、O-リングが設けられる。対称軸の右に示す実施形態では、密閉用コンパウンド18が付加的な密閉要素として設けられ、この密閉用コンパウンドはフランジ11、12間の隙間内に注入される。特別な要求が不通気性であり、公差要求が低い場合に、密閉用コンパウンドを設けることができる。端部部分がプラスチックからなる不織布から形成されているならば、さらに、不織布の不可逆的な変形のために、時間の経過とともに不通気性は低下することがある。
【００２３】
図7は、図6によるフィルタ装置7の２つの実施形態を示し、形状による嵌め合いによる結合が、スナップ式留め具として設計され、フランジ11、12の間で直接達成される。したがって、上部9及び底部10は特別な仕方で取り付けられる。これらの実施形態では、フランジ11の隆起部16が、フランジ12の溝部15内に直接係合する。不通気性を改善するために、O-リング17が、この実施形態の対称軸の左側において設けられ、密閉用コンパウンド18が、この実施形態の対称軸の右側において設けられている。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明によるフィルタ装置を示す図である。
【図２】本発明のフィルタを示す図である。
【図３】ハウジングの部分が一体的な付着の仕方で結合されているフィルタ装置を示す図である。
【図４】フィルタ装置を示す図である。
【図５】ハウジングの部分が摩擦による固定及び形状による嵌め合いの仕方で結合されているフィルタ装置を示す図である。
【図６】ハウジングの部分が摩擦による固定及び形状による嵌め合いの仕方で結合されているとともに付加的な密閉要素を有するフィルタ装置を示す図である。
【図７】ハウジングの部分が摩擦による固定及び形状による嵌め合いの仕方で結合されているとともに付加的な密閉要素を有するフィルタ装置を示す図である。
【図１】
2009509733.tif 000003
【図２】
2009509733.tif 000004
【図３】
2009509733.tif 000005
【図４】
2009509733.tif 000006
【図５】
2009509733.tif 000007
【図６】
2009509733.tif 000008
【図７】
2009509733.tif 000009
【国際調査報告】
2009509733.tif 000010
2009509733.tif 000011
2009509733.tif 000012