一种显著提升除湿性能的燃料电池滤清器及其除湿滤清方法

摘要

本发明公开了一种显著提升除湿性能的燃料电池滤清器及其除湿滤清方法，该滤清器三层同轴瓶状壳体结构，由内向外依次为内壳、中间壳体和外壳；内壳用于排气并设有螺旋隔板、吸水材料和有害气体吸附材料；中层壳体内侧设有螺旋脊突，螺旋脊突上部设有空气入口，中层壳体底部设有若干叶突，且底部内侧外围设有自洁通道；外壳设有进气口和排污口。含各种杂质的空气由螺旋通道向下，使得杂质和液滴进行离心运动，落在中壁壳体底面上，叶突旋转将大颗粒杂质和液滴排出自洁通道，且由排污口排出；随后空气进入内壳，经过分级除湿与有害气体吸除后经空气出口排出。本发明解决了现有空气滤清器自清洁性能弱、无法去除危害燃料电池组的有害气体的问题。

权利要求

1.一种显著提升除湿性能的燃料电池滤清器，其特征在于，所述燃料电池滤清器为三层同轴瓶状壳体结构，由内向外依次为内壳(3)、中间壳体(4)和外壳(5)，内壳(3)与中间壳体(4)可转动连接，中间壳体(4)与外壳(5)可转动连接，且内壳(3)与中间壳体(4)之间设有双转子永磁电机；内壳(3)和中间壳体(4)上部均设有环形滑槽，环形滑槽中设有卡扣结合齿，用于和滑动卡扣(2)结合；内壳(3)内壁通过设有间隙的螺旋隔板支架(17)固连螺旋隔板(15)，螺旋隔板支架(17)下方的内壳(3)上设有内壁通孔(11)；螺旋隔板(15)外缘与内壳(3)之间填充有吸水材料(14)，吸水材料(14)上方的内壳(3)内部填充有害气体吸附材料(21)；中间壳体(4)底部内侧设有湿度传感器(23)；中间壳体(4)上设有空气入口(10)，外壳(5)设有外壳进气口(16)。

2.根据权利要求1所述的显著提升除湿性能的燃料电池滤清器，其特征在于，所述环形滑槽包括环形滑槽A(26)、环形滑槽B(27)，环形滑槽A(26)设在内壳(3)上部，环形滑槽B(27)设在中间壳体(4)上部，且环形滑槽A(26)的位置高于环形滑槽B(27)，环形滑槽A(26)顶部设有卡扣结合齿A(24)，环形滑槽B(27)底部设有卡扣结合齿B(25)。

3.根据权利要求1所述的显著提升除湿性能的燃料电池滤清器，其特征在于，所述中间壳体(4)底部设有若干叶突(18)，且中间壳体(4)内侧外围设有自洁通道(13)；所述外壳(5)底端设有排污口(20)。

4.根据权利要求1所述的显著提升除湿性能的燃料电池滤清器，其特征在于，所述中间壳体(4)内壁上设有螺旋脊突(12)，所述空气入口(10)位于螺旋脊突(12)上部的中间壳体(4)上。

5.根据权利要求1所述的显著提升除湿性能的燃料电池滤清器，其特征在于，所述滑动卡扣(2)由伺服电机(1)相连，伺服电机(1)由控制器控制。

6.一种根据权利要求1-5任意一项权利要求所述的显著提升除湿性能的燃料电池滤清器的除湿滤清方法，其特征在于，含有各种杂质空气从外壳进气口(16)、中间壳体(4)内部的螺旋通道依次进入，分离后的空气进入内壳(3)内部的螺旋通道，最后流出滤清器。

7.根据权利要求6所述的除湿滤清方法，其特征在于，在除湿滤清过程中，控制器根据空气湿度，控制滑动卡扣(2)的位置，调整内壳(3)或者中层壳体(4)的转速。

8.根据权利要求6所述的除湿滤清方法，其特征在于，所述滑动卡扣(2)在空气极为潮湿时，位于环形滑槽A(26)和环形滑槽B(27)的中间位置。

9.根据权利要求6所述的除湿滤清方法，其特征在于，所述滑动卡扣(2)在空气较为潮湿时，与卡扣结合齿A(24)结合。

10.根据权利要求6所述的除湿滤清方法，其特征在于，所述滑动卡扣(2)在空气不潮湿时，与卡扣结合齿B(25)结合。

说明书

一种显著提升除湿性能的燃料电池滤清器及其除湿滤清方法

技术领域

[0001] 本发明属于燃料电池空气供用技术领域，涉及一种显著提升除湿性能的燃料电池滤清器及其除湿滤清方法。

背景技术

[0002] 质子交换膜燃料电池凭借各种优点成为车用燃料电池的首选，但质子交换膜燃料电池运行时对空气的要求极高，硫、一氧化碳等有毒有害物质均可导致催化剂中毒失活。此外为了提升燃料电池组的功率，需要使燃料电池工作在较高压力下，压力由离心式压缩机提供。离心式压缩机对吸入空气的要求同样严格，空气中的液滴和杂质会导致高速旋转的空压机叶片产生异常振动，严重时甚至将损坏空压机，因此，空气滤清器必须对吸入的空气中的各种液滴和杂质进行有效阻挡截留，并最好能吸收空气中的有毒有害气体，对进入空压机和燃料电池组的空气进行严格而彻底的过滤。此外，若要扩大燃料电池车辆的使用范围，在将来实现对现有燃油车辆的全面替代，燃料电池车辆还必须走出城市，在湿热的雨林地区等空气湿度较大的条件下正常运转。现有燃料电池车辆的空气滤清器的滤芯主要有树脂处理的微孔滤纸、无纺布、纤维滤芯等，以及将上述滤芯进行组合的复合滤芯，通过筛分、沉淀、截留、渗滤的原理对空气中的杂质进行分离。滤纸、织造布和纤维等滤芯虽然在干燥环境下运作良好，但一旦进气夹带大量液滴和杂质时，液滴和杂质便会在滤芯纤维上不断凝结进而堵塞纤维间的微孔，导致进气阻力大大增加；同时，现有的空气滤清器少有自清洁功能，且均无法去除空气中的有毒有害气体。

发明内容

[0003] 为了解决现有技术中，燃料电池空气滤清器自清洁力不强、无法去除危害燃料电池组的有害气体的问题，本发明提供了一种显著提升除湿性能的燃料电池滤清器及其除湿滤清方法，使燃料电池车辆的运行范围得以拓展，推进车用动力的燃料电池化进程，进而实现对目前能源短缺及环境问题的缓解。

[0004] 本发明的技术方案为：

[0005] 一种显著提升除湿性能的燃料电池滤清器，所述燃料电池滤清器为三层同轴瓶状壳体结构，由内向外依次为内壳、中间壳体和外壳，内壳与中间壳体可转动连接，中间壳体与外壳可转动连接，且内壳与中间壳体之间设有双转子永磁电机；内壳和中间壳体上部均设有环形滑槽，环形滑槽中设有卡扣结合齿，用于和滑动卡扣结合；内壳内壁通过设有间隙的螺旋隔板支架固连螺旋隔板，螺旋隔板支架下方的内壳上设有内壁通孔；螺旋隔板外缘与内壳之间填充有吸水材料，吸水材料上方的内壳内部填充有害气体吸附材料；中间壳体底部内侧设有湿度传感器；中间壳体上设有空气入口，外壳设有外壳进气口。

[0006] 上述技术方案中，所述环形滑槽包括环形滑槽A、环形滑槽B，环形滑槽A设在内壳上部，环形滑槽B设在中间壳体上部，且环形滑槽A的位置高于环形滑槽B，环形滑槽A顶部设有卡扣结合齿A，环形滑槽B底部设有卡扣结合齿B。

[0007] 上述技术方案中，所述中间壳体底部设有若干叶突，且中间壳体内侧外围设有自洁通道；所述外壳底端设有排污口。

[0008] 上述技术方案中，所述中间壳体内壁上设有螺旋脊突，所述空气入口位于螺旋脊突上部的中间壳体上。

[0009] 上述技术方案中，所述滑动卡扣由伺服电机相连，伺服电机由控制器控制。

[0010] 一种显著提升除湿性能的燃料电池滤清器的除湿滤清方法，含有各种杂质空气从外壳进气口、中间壳体内部的螺旋通道依次进入，分离后的空气进入内壳内部的螺旋通道，最后流出滤清器。

[0011] 进一步，在除湿滤清过程中，控制器根据空气湿度，控制滑动卡扣的位置，调整内壳或者中层壳体的转速。

[0012] 进一步，所述滑动卡扣在空气极为潮湿时，位于环形滑槽A和环形滑槽B的中间位置。

[0013] 进一步，所述滑动卡扣在空气较为潮湿时，与卡扣结合齿A结合。

[0014] 进一步，所述滑动卡扣在空气不潮湿时，与卡扣结合齿B结合。

[0015] 本发明的有益效果为：

[0016] (1)本发明滤清器设有螺旋通道和吸水材料、有害气体吸附材料，借助吸水材料和有害气体吸附材料纤维的致密多孔结构实现对小颗粒杂质和液滴的过滤，且吸水材料和有害气体吸附材料为致密的多孔纤维结构，可以有效消减空压机运行时产生的高频噪声，大幅改善燃料电池车辆的驾乘体验。

[0017] (2)本发明滤清器舍弃传统滤纸，由螺旋通道和吸水材料、有害气体吸附材料，实现旋流粗滤、纤维微孔精滤相结合，集离心分离、惯性分离、筛分过滤、截留过滤多种杂质去除方式于一身，滤清效果出众，可去除进气中存在的对燃料电池组产生危害的成分，改善了燃料电池组的运行环境，提高了燃料电池组的寿命。同时旋流粗滤段和分级除湿段为同轴嵌套布置，使得装置结构紧凑，占用空间小，利于车辆的安装使用。

[0018] (3)本发明滤清器采用结构紧凑高效的双转子永磁电机(由外转子绕组8、内转子磁体9构成)，中层壳体与内壳由双转子永磁电机驱动并可分别或同时运作，加速空气在滤清器内的流动进而提升滤清效果，同时使得滤清器具有自清洁能力，进一步保障了滤清器在严酷环境下的工作效果。

[0019] (4)本发明滤清器中设有内壁通孔，当吸湿材料吸收了大量水分时，内壁通孔附近大量堆积的水分子将被通孔外高速流动且较为干燥的空气卷吸带入外侧螺旋通道中，进而又被甩往中层壳体。此过程将实现水分子由内壳内侧向外侧的“搬运”效果，防止了吸湿材料过快饱和而失去作用。此外内壳旋转时的离心作用将对吸湿材料产生“甩干”作用，加剧水分子由内壳内侧向外侧运动的倾向，进而增强“搬运”效果。

[0020] (5)本发明滤清器的气体除湿功能为可调控的分级除湿，可针对不同的气体湿度控制气体在不同的螺旋通道内被加速，避免了吸水材料的不充分利用，同时最大程度的降低了不同除湿需求下的进气阻力。

附图说明

[0021] 图1为本发明一种显著提升除湿性能的燃料电池滤清器结构示意图；

[0022] 图2为本发明外壳底面及叶突工作示意图；

[0023] 图3为本发明滑动卡扣的不同位置示意图，图3(a)为本发明滑动卡扣处于最高位的示意图，图3(b)为本发明滑动卡扣处于中间位的示意图，图3(c)为本发明滑动卡扣处于最低位的示意图；

[0024] 图4为本发明滤清器的空气流动路线与杂质清除过程示意图；

[0025] 图5为本发明内层壳体内外水分子扩散路线图；

[0026] 图6为本发明一种显著提升除湿性能的燃料电池滤清器的工作流程图。

[0027] 其中，1-伺服电机，2-滑动卡扣，3-内壳，4-中间壳体，5-外壳，6-外轴承组，7-内轴承组，8-外转子绕组，9-内转子磁体，10-空气入口，11-内壁通孔，12-螺旋脊突，13-自洁通道，14-吸水材料，15-螺旋隔板，16-外壳进气口，17-螺旋隔板支架，18-叶突，19-集污区，20-排污口，21-有害气体吸附材料，22-空气出口，23-湿度传感器，24-卡扣结合齿A，25-卡扣结合齿B，26-环形滑槽A，27-环形滑槽B。

具体实施方式

[0028] 下面将结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

[0029] 如图1所示，一种显著提升除湿性能的燃料电池滤清器，包括伺服电机1、滑动卡扣2、内壳3、中间壳体4、外壳5、外轴承组6、内轴承组7、外转子绕组8、内转子磁体9、空气入口
10、内壁通孔11、螺旋脊突12、自洁通道13、吸水材料14、螺旋隔板15、外壳进气口16、螺旋隔板支架17、叶突18、集污区19、排污口20、有害气体吸附材料21、空气出口22、湿度传感器23、卡扣结合齿A24、卡扣结合齿B25、环形滑槽A26以及环形滑槽B27。外转子绕组8与外部电源连接，且由控制器控制外部电源的通断；伺服电机1由控制器控制，湿度传感器23与控制器信号连接。吸水材料14和有害气体吸附材料21均为致密的多孔纤维结构。

[0030] 所述滤清器为三层同轴瓶状壳体结构，由内向外依次为内壳3、中间壳体4和外壳5。内壳3上部设有环形滑槽A26，中间壳体4上部设有环形滑槽B27，且环形滑槽A26的位置高于环形滑槽B27，环形滑槽A26顶部设有卡扣结合齿A24，环形滑槽B27底部设有卡扣结合齿B25，环形滑槽A26和环形滑槽B27之间为滑动卡扣2的末端，滑动卡扣2的顶端与伺服电机1动力输出轴相连。内壳3中部外侧通过内轴承组7和中间壳体4固定，且中间壳体4的顶端与内壳3之间留有间隙；内壳3内部下端设有T字型的螺旋隔板支架17，螺旋隔板支架17上端与内壳3内壁固连，且空气可通过螺旋隔板支架17，螺旋隔板支架17上固连有螺旋隔板15，螺旋隔板15末端靠近内壳3。内壳3在与螺旋隔板支架17的固连处下部设有若干内壁通孔11。
螺旋隔板15外缘和内壳3之间填充有吸水材料14，吸水材料14上方为有害气体吸附材料21，有害气体吸附材料21填充于内壳3内部，用以吸附空气中存在的可能危害燃料电池组的有害气体，同时有害气体吸附材料21的致密多孔结构可以实现对细小冰晶和细小杂质的过滤。

[0031] 内壳3中部外侧嵌有内转子磁体9，中间壳体4中部内侧内嵌有外转子绕组8，内转子磁体9与外转子绕组8水平对齐；内转子磁体9与外转子绕组8构成双转子永磁电机。

[0032] 中间壳体4下部的内壁上加工有螺旋脊突12，使得中间壳体4与内壳3之间的空间形成螺旋通道，从而引导空气在向下流动的过程中作螺旋运动，进而对空气中的杂质、冰晶、液滴实现离心分离；同时螺旋脊突12在旋转过程中，可将凝结在中间壳体4和螺旋脊突12上的液滴向下引导，滴向中间壳体4底部。螺旋脊突12上部的中间壳体4上设有空气入口
10。中间壳体4底部内侧中间位置固定有湿度传感器23，中间壳体4底部加工有若干垂直于中间壳体4底部的叶突18(图2)，且中间壳体4内侧外围设有若干自洁通道13。

[0033] 外壳5顶端和内壳3接触，且接触位置设有供滑动卡扣2穿过开口；外壳5与中间壳体4通过外轴承组6固定。外壳5中下部设有外壳进气口16，此部分外壳设有外伸管道，和外界空气连通。外壳5底部外围空间为集污区19，用以收集从自洁通道13中排出的液滴和杂质；位于集污区19正下方的外壳5底面上加工有若干排污口20，用于将集污区19内的液滴和杂质排出。

[0034] 如图3所示，本实施例的滑动卡扣2可在伺服电机1控制下在环形滑槽A26和环形滑槽B27内上下滑动，滑动过程中滑动卡扣2可以完全上升或完全下降，从而与卡扣结合齿A24或卡扣结合齿B25结合，也可处于中间位置不与任何卡扣结合齿结合；图3(a)为滑动卡扣处于最高位置，图3(b)为滑动卡扣处于中间位置，图3(c)为滑动卡扣处于最低位置。

[0035] 当空气极为潮湿时(空气相对湿度大于80％)，滑动卡扣2位于中间位置，外转子绕组8通电后，内壳3和中层壳体4同时旋转；当空气较为潮湿时(空气相对湿度为50％-80％)，滑动卡扣2位于最高位置，外转子绕组8通电后，中层壳体4旋转；当空气不潮湿时(空气相对湿度小于50％)，滑动卡扣2位于最低位置，外转子绕组8通电后，内壳3旋转。

[0036] 为使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据具体实施例结合附图对本发明的工作过程与控制方法作进一步详细说明。

[0037] 如图4所示，含有各种杂质空气从外壳进气口16进入，在空压机的作用下，空气向上运动进入空气入口10，然后向下进入中层壳体4与内壳3之间的空间，在此空间中空气由中层壳体4上的螺旋脊突12引导进行向下的螺旋流动，此时空气中的大颗粒杂质和液滴受离心力的作用甩出并随筒壁落下，最终掉至中层壳体4底面内侧上。被分离了大颗粒杂质的空气向下到达螺旋通道下方，被向上吸入内壳3内部，这个过程空气流动方向发生由下向上的急剧偏转，该偏转过程起到对空气中的较大颗粒杂质惯性分离。进入内壳3后的空气再次在螺旋隔板15的引导下继续向上螺旋流动，此时空气中的小颗粒液滴继续被离心分离，并被吸水材料14吸收，其中水分子由吸水材料14内侧向外侧扩散，到达内壁通孔11附近时被通孔外的空气卷吸带走。随后空气通过有害气体吸附材料21，被其吸收掉有害气体并拦截掉小直径颗粒物的洁净空气向上流出空气出口22，并进入空压机和燃料电池，如图5所示。空气在中层壳体4内侧的螺旋通道中分离出的杂质和液滴落到中层壳体4底部，外转子绕组
8通电，中层壳体4旋转，壳体底部的叶突18也随之转动(图2)，转动的叶突18对堆积的杂质产生离心力，将杂质甩至壳体底部外围，进而使杂质从自洁通道13排出并落向外壳集污区
19，随后从外壳5底部的排污口20流出，实现滤清器的自清洁，并防止空气将已分离的杂质重新卷吸。

[0038] 如图6所示，湿度传感器23测量空气湿度，并传输给控制器，控制器由空气湿度情况，调整内壳3和中层壳体4的转速(为现有技术)。当空气极为潮湿时，控制器控制伺服电机1驱动滑动卡扣2移动至中间位置，内壳3和中层壳体4自由转动，且内壳3和中层壳体4的转速随空气湿度增加而增加。当空气较为潮湿时，控制器控制伺服电机1驱动滑动卡扣2移动，与卡扣结合齿A24接合，内壳3被限位，只有中层壳体4旋转，且中层壳体4转速随空气湿度增加而增加。当空气不太潮湿时，控制器控制伺服电机1驱动滑动卡扣2移动，与卡扣结合齿B25接合，中层壳体4被限位，只有内壳3旋转，且内壳3转速随空气湿度增加而增加。

[0039] 以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也仅只是本发明的实施方式之一，实际结构并不局限于此。因此，如若本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式以及实施例，均应属于本发明的保护范围。