用於燃料電池的空氣進氣口的過濾器組件和系統的製作方法

2023-06-08 00:24:41

專利名稱：用於燃料電池的空氣進氣口的過濾器組件和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用來從空氣入口中去除顆粒和化學汙染物的空氣過濾系統。具體來說，本發明涉及一過濾器組件，其從燃料電池的空氣入口中去除顆粒和化學汙染物，過濾器組件還提供消聲功能。
背景技術：
自從電發明以來，人們一直在尋求實用和有效的發電方法。水力發電站、燃煤火力發電廠和核電廠以及電池早就已被用來供應人們對電力的需要。採用燃料電池來發電是相當近期的成果，其迅速地得到商業和居家應用的認可。與傳統的燃煤發電相比，它們相當乾淨和有效。燃料電池是電化學裝置，它有效地將燃料的化學能直接地轉換成電能。它們化學地化合燃料和氧化劑而不發生燃燒，由此，消除許多傳統燃燒發電系統中的無效性和大部分的汙染。
燃料電池的操作原理很象一電池。然而，與電池不同，一燃料電池不會逐漸變弱或要求補充。只要有燃料供應給它，它將連續地產生電能形式的能量和熱量。一般來說，燃料電池包括兩個夾在電解液周圍的電極(一陽極和一陰極)。例如，對於一PEM的燃料電池，氫和氧分別通過陽極和陰極，在兩個電極之間產生一電壓，形成電力和熱量，並產生一次的副產物的水。氫燃料被供應到燃料電池的陽極。有些燃料電池直接消耗氫氣，而其它的燃料電池使用一燃料變換器，以從碳氫化合物的燃料中萃取氫，例如，天然氣、甲醇、乙醇，或汽油。氧在陰極處進入到燃料電池。氧可以純氧形式供應，或可直接來自於大氣中。
燃料電池使用催化劑來致使氫原子分裂成一質子和電子，各個質子和電子取不同的路逕到陰極。質子穿過電解液。電子產生一可被用作為電源的有用的電流，然後，返回到陽極，它們與氫質子重新結合，與氧一起形成水。
燃料電池的特徵在於電解液的材料，其夾在陰極和陽極之間，並用作離子交換的橋梁。目前主要有五種已知類型的燃料電池。鹼性燃料電池(AFCs)包含液體的鹼性電解液，並主要地用於航天飛行任務的應用中。質子交換膜燃料電池(PEMFCs)包含一固體的聚合物電解質。它們在低溫下操作，具有高的功率密度，使其能快速改變其輸出，以滿足切換功率的要求，適合用於移動的和固定的應用中，例如，向車輛或建築物供電。磷酸燃料電池(PAFCs)利用磷酸電解液，並普遍地用於商業中的發電。碳酸鹽熔鹽燃料電池(MCFCs)包含一碳酸鹽電解質，在約650℃操作溫度下其變得熔化。固體氧化物燃料電池(SOFCs)使用一陶瓷電解質材料，並在高達約1000℃溫度中進行操作。MCFCs和SOFCs可使用一氧化碳作為燃料。
燃料電池具有廣泛範圍的潛在的應用。它們通過固定的發電廠可為家庭、商業和工業產生電力。燃料電池產生一直流電(dc)，它必須轉化為交流電，以用於電網的應用或用於大部分消費者的產品中。然而，未來的燃料電池可運行在電網連接和非電網連接的模式中。對於居家的應用，可建立較小的燃料電池發電廠，以生產熱能和電力。它們也可用來向未能利用一次電網電力的遠處的居住實體提供電力，就有可能不必建立與電網的連接。
除了較大規模發電用途之外，燃料電池可取代對消費者的電子產品供電的電池，例如，筆記本電腦、行動電話以及諸如此類的電子產品，並甚至可經微加工而直接對計算機晶片供電。燃料電池的其它有前景的商業應用是，它們可能替代車輛和運輸應用中的內燃機。燃料電池的應用實際上是無限的。
所有上述的已知燃料電池的結構對作為整體成分的氧具有共同的需要，以執行電池的化學過程。其它的動力源，例如，內燃機，包括柴油機也需要有氧氣。對於大多數的商業應用來說，這樣的氧的供應希望直接來自於大氣。然而，在今日的世界中，人們已公認所有大氣中的空氣均有某種程度的汙染物呈現在其中。這樣的汙染物可以是相當大，諸如疏鬆碎片、昆蟲、樹上的開花等，或者可以是類似於懸浮在大氣中的小的顆粒，諸如塵埃、樹上的花粉、煙霧，或煙顆粒。化學汙染物也廣泛存在於空氣中，不管是人為汙染的結果還是自然發生的汙染。典型的化學汙染物可包括揮發性的有機化合物，例如，芳烴、甲烷、丁烷、丙烷和其它的碳氫化合物，以及氨，氮的氧化物、臭氧、煙霧、硫的氧化物、一氧化物、硫化氫等。這樣的汙染物可有意地(諸如戰爭環境或由恐怖分子製造)或無意地出現。當燃料電池用於移動使用中，其使燃料電池承受許多變化的大氣條件時，解決後一種要求變得特別地尖銳。
由於有效的燃料電池的操作依賴於精緻地平衡的化學反應，被燃料電池採用的空氣中的汙染物，可對燃料電池的操作帶來顯著不利的影響，根據其特性，甚至可造成燃料電池中斷操作。因此，重要的是，燃料電池系統包括一過濾系統，其設計來消除有害的汙染物，並能使燃料電池在一廣泛範圍的使用環境中使用。重要的是，其它的發電設備也應具有用來消除有害汙染物的過濾系統。
為了獲得燃料電池和其它設備所必要的氧氣量，以產生要求的能量輸出，要求含有攜帶氧氣的空氣通過空氣行動裝置，諸如壓縮機，或位於提供給燃料電池或其它設備的空氣流內的風扇。遺憾的是，通常的壓縮機產生顯著的不理想的且煩人的噪音水平。因此，要求在發電系統中減小並最大程度地降低由壓縮機產生和/或通過壓縮機傳輸的並返回到環境中的噪音。由於通常也要求減小系統的尺寸，所以，系統的過濾和消聲裝置最好在實體上儘可能減少，甚至最好組合在單一的元件和殼體內。本發明著力於上述的諸需要和要求，提供一有效和安靜的系統用於廣泛的用途，包括燃料電池系統。
因此，需要有一諸如燃料電池的發電器，其能在具有大範圍汙染物的環境中發揮功能。

發明內容
本發明為過濾諸如燃料電池之類的發電系統的入口空氣提供過濾器組件。本發明著力於與用於發電的燃料電池技術的具體實施有關的若干個問題，涉及的技術不論是應用於大型固定的發電裝置、車輛、諸如筆記本電腦或行動電話之類的移動輕巧的設備，還是小型的諸如雷達探測器或傳感器之類的固定設備。這些應用可獲取的電力小到1KW，大到幾個兆瓦。本發明的過濾器組件著力於所有這些應用中共同的需要，即，對燃料電池提供無汙染物的氧化劑的需求，或至少提供具有降低汙染物水平的氧化劑。
要求從入口空氣中除去汙染物的量和類型，取決於最初存在於入口空氣(一般是，燃料電池周圍的大氣或環境)中的汙染物的量和類型。在過濾之前，根據燃料電池的位置，或至少空氣入口的位置，呈現在入口氣流中的汙染物的量和類型變化很大。例如，某些環境具有大量的諸如塵埃、煙霧、煙氣或花粉之類的顆粒汙染物，而其它的一些環境具有大量的諸如氨、一氧化碳、二氧化硫，或矽樹脂之類的化學汙染物。一般來說，沒有兩個環境具有相同的汙染物分布。
要求從入口空氣中除去汙染物的量和類型，還取決於燃料電池的類型。任何類型的燃料電池或燃料電池的堆疊可採用本發明的過濾器組件，例如，PEM燃料電池、固體氧化物燃料電池、磷酸燃料電池，以及碳酸鹽熔鹽燃料電池。通常，諸如固體氧化物燃料電池的較高溫下操作的燃料電池，較之諸如PEM燃料電池的低溫下操作的燃料電池，可允許較高水平的有機汙染物。
因此，本發明的一個方面是對燃料電池系統的入口空氣提供過濾。本發明的組件對進入的氣流提供顆粒過濾和/或化學品過濾，以提供純化的氧化劑供應。由於大部分燃料電池系統包括諸如壓縮機之類的某些類型的空氣行動裝置，其可將汙染物引入到氣流中，本發明也致力於空氣行動裝置下遊的空氣的過濾。
遺憾的是，空氣行動裝置通常在交換其移動空氣量時產生大的噪音。正是這些運動部件，例如，轉子、葉輪、辦輪、翼片、活塞以及空氣行動裝置的其它各種零件，產生聲波或頻率範圍在3赫茲至30,000赫茲內的噪音，有時頻率高達50,000赫茲，在一米內測量達85至135分貝的水平。儘管並不是所有從空氣行動裝置中發射出的噪音都是不可接受的，但本發明的各種組件針對噪音分布中的最煩人的部分來減小其噪音。
在一特定的實施例中，本發明涉及一發電的系統。該系統包括一空氣過濾器組件，它包括一外殼和一在外殼內的過濾器元件。外殼具有一入口和一出口，入口接收髒空氣到過濾器組件，而出口從過濾器組件提供乾淨空氣。過濾器元件包括至少一個物理的或顆粒的過濾器部分，以從髒空氣中除去顆粒的汙染物。過濾器元件還可包括一化學過濾器部分，以從髒空氣中除去化學品的汙染物。過濾器組件還包括一容納在外殼內的聲音抑制或消除的元件。聲音抑制元件對通過過濾器組件的聲音提供寬頻帶的衰減。空氣過濾器組件可操作地連接到諸如燃料電池的發電源上。
該系統通常還包括諸如壓縮機或鼓風機之類的空氣行動裝置，以向燃料電池提供增強的空氣流。過濾器組件還特別布置來減小由任何這樣設備發出的噪音水平。
本發明提供一過濾器組件，該過濾器組件具有一外殼和一在外殼內的過濾器元件。外殼具有一入口和一出口，入口接收髒空氣到過濾器組件，而出口從過濾器組件提供乾淨空氣。過濾器元件通常還具有聲音抑制元件，例如，共鳴器、聲音堵塞、全堵塞、吸音材料，其衰減或減小通過外殼的聲音，在一米內至少衰減3分貝，較佳地至少達6分貝。
過濾器元件還包括一顆粒過濾器部分，一化學過濾器部分，以及一供選擇的聲音抑制元件，所有這些均為過濾器元件。聲音抑制元件提供在一米內至少6分貝的寬頻帶的聲音衰減。顆粒過濾器部分從進入過濾器元件的髒空氣中去除顆粒汙染物，而化學過濾器部分(如果存在的話)，從進入的髒空氣中去除化學汙染物。顆粒過濾器部分可徑向地定位在聲音抑制元件的附近，或形成為聲音抑制元件的一部分。在某些結構中，顆粒過濾器部分可構造成提供直通的流動。
這樣的過濾器組件或過濾器元件可用於任何的工藝過程，或產生噪音或聲音、以及從較清潔的入口氣體(例如，空氣)中得益的系統。一燃料電池是採用本發明的過濾器組件的發電系統。此外，過濾器組件或過濾器元件可用於其它的發電系統，例如，柴油機或汽油機。
附圖的簡要說明

圖1是包括本發明的過濾器組件的一發電系統的示意圖；圖2是根據本發明的原理構造的圖1的過濾器組件的第一實施例的前平面圖；圖3是圖2的過濾器組件的局剖的立體圖；圖4是圖3的過濾器組件的局剖的前平面圖；圖5是根據本發明的原理構造的圖3和4的過濾器組件的過濾器元件部分一實施例的立體圖；圖6是用於圖5的過濾器元件中的過濾器介質的一部分的示意的立體圖；圖7是沿圖5的線5-5截取的圖5的過濾器元件的局部剖視圖；圖8是用於本發明的過濾器組件中的類似於如圖5所示的一過濾器元件的第二實施例的立體圖；圖9是用於本發明的過濾器組件中的類似於如圖7所示的一過濾器元件的第三實施例的局部剖視圖；圖10是用於本發明的過濾器組件中的類似於如圖7和9所示的一過濾器元件的第四實施例的局部剖視圖；圖11是對於圖3和4的過濾器組件作的聲音對頻率的衰減曲線圖；
圖12是具有圖1的過濾器組件的外部結構的過濾器組件的第二實施例的局剖的前平面圖；圖13是圖12的過濾器組件的化學吸收元件部分的局剖的剖視圖；圖14是圖13的化學吸收元件的端帽的右端視圖；圖15是根據本發明的原理構造的圖1的排出組件的一實施例的前平面圖；圖16是沿圖15的線6-6截取的圖15的排出組件的剖視圖；圖17是根據本發明的原理構造的圖1的排出組件的第二實施例的側平面圖；圖18是圖17排出組件的前平面圖；圖19是沿圖18的線19-19截取的圖17和18的排出組件的剖視圖；圖20是沿圖17的線20-20截取的圖17、18和19的排出組件的剖視圖；圖21是根據本發明的原理構造的過濾器組件的一第三實施例的前平面圖；圖22是圖21的過濾器組件的局剖的前平面圖；圖23是圖21和22的過濾器組件的過濾器和噪音抑制元件(不帶外殼)的截面圖；圖24是類似於圖23的過濾器組件的過濾器和噪音抑制元件的截面圖；圖25是對於圖21至24的過濾器組件作的聲音對頻率的衰減曲線圖；圖26是小容量空氣處理系統的立體圖，其包括空氣處理設備、入口過濾器組件和排出過濾器組件；圖27是圖26的入口過濾器組件的局剖的立體圖；以及圖28是圖26的排出過濾器組件的局剖的立體圖。
具體實施例方式
參照諸附圖，其中，在全部的若干個視圖中，相同的標號代表相同的零件，在圖1中示意地示出一過濾器組件10，其示為與設備組件101組合。本發明的過濾器組件10的一個用途是從被設備101使用的空氣中去除汙染物。過濾器組件10的另一用途是抑制從設備101產生和/或發射的噪聲或聲音。
如圖1所示，大氣中的或周圍的空氣50進入和通過入口12被過濾器組件10接收。在進入過濾器組件10之前，大氣中的空氣50通常包含各種物理的(例如，顆粒)和化學的汙染物，這裡通稱髒空氣。過濾器組件10構造成從髒空氣50中去除各種汙染物，以提供從過濾器組件10的出口14出來的乾淨的空氣54。乾淨空氣54是用於設備101的吸入空氣。在圖1所示的實施例中，設備101包括一燃料電池102。燃料電池102使用來自於入口空氣54的氧，其與諸如氫(H2)之類的燃料源組合，以產生電力。水(H2O)是發生在燃料電池102內的氧和氫反應的副產物。
本發明的過濾器組件10具有至少一個過濾器元件15，以去除顆粒和/或化學汙染物。過濾器元件15具有一髒空氣入口側13和一乾淨空氣出口側17。外殼11將過濾器元件15保持在其中。入口12與髒空氣入口側13流體連通，外殼出口14與過濾器元件15的乾淨空氣側17流體連通。外殼11可以是變化的結構，並較佳地包括至少兩個分離的部分，這樣，可獲得通到包含的過濾器元件15的通道。多個部分可通過卡鎖、夾具、帶或其它合適的固定機構而保持在一起。一個用來接合過濾器組件的兩個外殼部分的較佳的系統，可以是如美國專利No.6,051,042(Coulonvaux)所公開的那種系統。其它較佳的系統公開在美國專利No.5,755,842(Patel等人)。
當髒空氣通過外殼11內的入口12，並前進到過濾器元件15的髒空氣側13時，大氣中的空氣50進入過濾器組件10。當空氣通過過濾器元件15到器乾淨空氣側17時，汙染物被過濾器元件15去除而提供過濾過的空氣。由標號54表示的過濾過的空氣通過外殼出口14退出過濾器組件10，並被設備101採用。從空氣中去除汙染物後提供過濾過的空氣54的類型和數量，取決於呈現在大氣中的空氣50內的汙染物，過濾器元件15的結構，所採用燃料電池的類型，以及燃料電池操作的環境的溫度。
過濾器組件10還包括一噪音抑制元件19，以減小或抑制從設備101中發出的並返回通過過濾器組件10的噪音或聲音。抑制元件19可定位在外殼11內，在某些實施例中，抑制元件19由外殼11的結構和形狀限定。
為了便於提高燃料電池內的化學反應的速率，通常要求在加壓下引入攜帶氧的空氣54到燃料電池內，或者，比僅將燃料電池「暴露」在大氣壓力下的空氣中獲得的速率大的速率引入到燃料電池內。為此目的，可採用一壓縮機或鼓風機。因此，根據一種結構，設備101包括一壓縮機104，其對燃料電池102提供空氣，以用於催化反應。壓縮機104定位在燃料電池102的上遊。所謂的術語「上遊」是指空氣從壓縮機104流到燃料電池102；相反地，燃料電池102定位在壓縮機104的「下遊」。包括噪音抑制元件19的過濾器組件10也設置在壓縮機104的上遊。
在壓縮機104的操作過程中，通常呈現在壓縮機104內的快速運動的葉輪、轉子或活塞，發出聲音，一般稱之為噪音。該噪音的頻率根據壓縮機的類型和結構而變化，但通常在3赫茲至30,000赫茲的範圍內，有時高達50,000赫茲，在一米距離內達到85至135分貝的水平。一種特殊類型的壓縮機104是「Lysholm」雙螺杆式壓縮機，其可從瑞典的Opcon Autorotor AB公司購得，這種壓縮機操作並產生約160至1100赫茲範圍的噪音輸出。每一壓縮機具有一與其操作相關的噪聲或頻率分布；這種分布將取決於壓縮機(包括壓縮機的具體的型號)的類型，並可依賴於諸如輸入和輸出流量和環境溫度之類的變量。
應該理解的是，將在下文中描述的這種過濾器結構，只是說明實施本發明的原理的這種結構的具體的實施例，且本發明的範圍並不受特別描述的結構的細節的限制。
來自壓縮機104的噪音可沿任何方向傳播，例如，沿下遊通過燃料電池102，以及沿上遊通過過濾器組件10。過濾器組件10，特別是利用抑制元件19的過濾器組件，減小在壓縮機104的上遊前進的聲級，並在過濾器組件入口12外的一米內減小至少達3分貝，通常，至少達6分貝，最好至少達25分貝。下面將描述包括過濾器元件15和噪音抑制元件19在內的過濾器組件10的各種具體的結構。
過濾器組件的第一實施例根據本發明原理構造的過濾器組件的第一實例示於圖2中。為了便於識別，圖2的實施例中與上述圖1視圖中的元件相同或其執行相同的功能的元件，在圖2中，其後將接字母標號(即，「a」)。當描述其它的實施例時，例如，圖12的實施例，將採取同樣的方法，其中，標號後接字母(即，「b」)。
圖2和3示出一用於旅客汽車中的燃料電池內的過濾器組件10a，其採用一堆疊PEM燃料電池，提供200KW的總電力輸出。應該理解的是，過濾器組件10a是特別設計用於這樣的應用，即，一在200KW上運行的汽車，以及用於其它應用的過濾器組件，例如，其它的車輛、固定的單元，或便攜的電子設備，它們設計用於這樣的應用，在不脫離過濾器組件10a的總體特徵的前提下，它們可具有不同的尺寸、形狀和結構，以及操作參數。
相對於圖3的視圖，圖2的過濾器組件的視圖表示為繞其中心縱向軸線轉動180°。過濾器組件10a包括一大致圓柱形的外殼11a，其形成有一空氣入口12a和一空氣出口14a。髒空氣50通過入口12a進入過濾器組件10a，乾淨空氣54通過出口14a退出。外殼11a的外部可包括安裝支架31a、32a，以相對於周圍設備和結構定位和固定過濾器組件10a。一傳感器接納埠35a位於外殼11a的外面並靠近出口14a。過濾器外殼11a可呈現為除圓柱形之外的好多種實體形狀；例如，過濾器組件10a可具有卵形或長圓形、正方形、矩形，或任何其它封閉形的橫截面。
外殼11a可由與諸如入口12a、出口14a等所要求的元件一起形成的任何材料製成。用於外殼11a的實用的材料的實例包括有金屬，或塑料或其它的聚合物材料。通常，外殼11a可以是熱塑性或熱固性的聚合物材料，例如，環氧、聚碳酸酯、聚乙烯以及諸如此類的材料。這些材料可包括在聚合物材料內用諸如平紋棉麻織物或纖維進行加強，以增加外殼11a的強度。在某些實施例中，當製作外殼11a或過濾器元件10a的任何其它零件或元件時，可要求避免矽樹脂脫模劑，因為矽樹脂的煙氣對燃料電池有害。或者，可以衝洗或淨化外殼11a，以去除諸如脫模劑之類的任何的汙染物。
返回到外殼11a結構上來，接收器埠35構造成合作地接收一在外殼內部腔內、可監視要求的諸參數的傳感器。可被要求用於傳感器接收器埠35a的一傳感器的實例是空氣品質流傳感器，通常稱之為流量傳感器或流量計。一空氣品質流傳感器可被用來監視通過出口14a的空氣品質。通過出口14a的空氣品質直接涉及到通過整個系統的空氣品質，該系統包括過濾器元件10a和圖1的設備101(諸如壓縮機102、燃料電池104，以及可供選擇的排出裝置103)。通過監視任何的變化，特別是，在流動通過過濾器元件10a的空氣品質流中的參數的減小，可估計過濾器元件10a內任何物理的或顆粒過濾器或系統中任何其它設備的壽命。或者，一傳感器可用來監視通過出口14a的化學汙染物的水平或累積量。通過監視通過出口14a的化學汙染物量，可估計在過濾器元件10a內的任何化學過濾器的餘下的壽命。
一較佳的空氣品質流傳感器的實例是「熱線式」傳感器，其利用通過熱線的電阻的變化來確定在熱線上流過的空氣量。這種熱線式傳感器例如可從St.Paul，MN的TSI公司購得。可監視汙染物累積或總的汙染物的裝置的實例包括授予Dallas等人的美國專利Nos.5,976,467和6,187,596中公開的那些裝置。
過濾器元件10a的各個部分示於圖3中，其中，示出過濾器元件10a的剖開視圖。可操作地定位在外殼11a內的是過濾器元件15a，以及一噪音抑制元件19a。
噪音抑制元件19a構造成衰減通過由外殼11a限定的內部腔的聲波。在一優選的實施例中，抑制原件19a包括一第一共鳴器21和一第二共鳴器22。在這裡所述的本發明的優選的實施例中，第一共鳴器21構造成在約900赫茲的峰值頻率處衰減聲音，而第二共鳴器22構造成在約550赫茲的峰值頻率處衰減聲音。涉及聲抑制元件19(圖1)、抑制元件19a和共鳴器21、22的詳細信息將在下文中作更為詳細的介紹。
過濾器組件10a的較佳的結構具體特徵示於圖4中。過濾器組件10a，具體來說，外殼11a具有不大於約1500毫米的長度「L」，較佳地不大於約1000毫米。在一優選的實施例中，長度「L」不大於32英寸(813毫米)。通常為圓柱形的過濾器組件10a具有一不大於約18英寸(460毫米)的直徑「D」，較佳地不大於約16英寸(406毫米)。在一優選的實施例中，直徑「D」不大於10英寸(254毫米)。長度「L」和直徑「D」通常取決於使用該過濾器組件的系統內過濾器組件10a所分配佔據的容積量。這種系統的要求可受系統被應用的空間要求的支配。
空氣通過入口12a流入過濾器組件10a，入口具有約1至8英寸(25至203毫米)的直徑「DI」。在一優選的實施例中，入口直徑「DI」約為4英寸(102毫米)。入口12a的長度「LI」是從外殼11a的入口端量測到大約為過濾器元件15a的髒空氣側的距離，入口12a的長度通常約為1至8英寸(25至203毫米)。在一優選的實施例中，「L1」約為3.5英寸(90毫米)。出口14a具有約為1至8英寸(25至203毫米)的直徑「D0」。在一優選的實施例中，外直徑「D0」約為4英寸(102毫米)。
過濾器元件15a在外殼11a內佔據一體積，其具有約為4至8英寸(102至203毫米)的長度「F」。由過濾器元件15a佔據的特定的長度「F」受到下列特徵的支配所用的過濾器元件的類型，外殼11a分配給抑制元件19a的容積(圖3)，以及外殼11a的總長「L」。在一優選的實施例中，長度「F」約為7.3英寸(185毫米)。通常過濾器元件15a佔據其中過濾器元件15a定位的直徑D的大部分。
噪聲抑制元件19a佔據外殼11a的其餘的長度的大部分。在如圖3和4所示的實施例中，噪聲抑制元件19a包括一第一共鳴器21和一第二共鳴器22。第一共鳴器21佔據約為6.4英寸(163毫米)的長度「R1」，而第二共鳴器22佔據約為12.2英寸(310毫米)的長度「R2」。所用共鳴器的數量和由共鳴器佔據的特定的長度(例如，R1和R2)是所要求共鳴器聲衰減特性的函數。即，由共鳴器所衰減的聲音的頻率依賴於共鳴器的結構，特別是，佔據的體積。如上所述，涉及聲衰減和共鳴器的其它的信息將在下面提供。
在過濾器組件10a外部的安裝支架31a、32a間隔為18.5英寸(470毫米)，其用「LB」來表示。第一安裝支架31a離入口12a間距8.9英寸(227毫米)，用「LA」表示。應該理解的是，任何安裝支架的定位取決於過濾器組件10a的總長「L」，其相對於周圍設備或結構所要求的定位，以及內部折流板或外殼11a內的其它結構的定位。
過濾器組件的物理或顆粒去除部分本發明的過濾器組件10，特別是過濾器元件15，包括一用來從流入空氣50中去除諸如顆粒的物理汙染物的一個部分。應該理解的是，在空氣到達過濾器組件10之前，大的物品，例如，樹葉、鳥、齧齒動物以及其它的碎物，將通過篩子、網眼、分離器或諸如此類的裝置，從進入的空氣50中去除。可納入一水或液體分離器，在空氣進入過濾器組件10之前，從空氣50中去除水或流體，這在該技術領域內是眾所周知的。
在過濾器組件10內可採用一系列顆粒去除部分，每一後繼的顆粒去除部分去除越來越小尺寸的顆粒。或者，可使用單一的顆粒去除部分。
通常，顆粒去除部分包含一諸如包括纖維性材料的纖維墊或棉網的過濾器介質，以用來去除顆粒。由顆粒去除部分去除的顆粒或微粒的實例包括有塵埃、泥土、花粉、柴油微粒、昆蟲、木片和鋸末、金屬切屑、宇宙塵埃等。某些微粒因其物理的顆粒和顆粒的分子結構，對燃料電池的操作可具有雙重的危害；例如，石灰石是鹼性材料，其可危害PEM燃料電池內的呈酸性的電解液。其它類型的燃料電池可受到酸性汙染物的有害影響。重烴，特別是存在於馬路瀝青中的重烴，也可有害地影響燃料電池的操作。
過濾器介質可用多種方式進行處理，以提高其去除微小顆粒的效率；例如，可使用靜電處理的介質，其可以是纖維的或合成的介質，或兩者的組合，並具有一層或多層的毫微纖維，或者，為本技術領域內的技術人員熟知的其它類型的介質。有關可被使用的毫微纖維的類型的細節可參見美國專利No.4,650,506(Barris等人)。
應該理解的是，可使用具有任何組合的顆粒去除效率的任何數量的顆粒去除部分。要求的顆粒去除系統將取決於存在於大氣中的汙染物的類型、大小和特性(例如，樹葉、三葉楊花、棉絨、雪、宇宙塵埃等)，以及所要求的最終過濾過的空氣的乾淨程度。用於過濾器元件15的介質可以變化，其取決於所要求的顆粒去除的效率，通過過濾器元件15的最大可接收壓降的水平，以及其它的諸種因素。
圖3和4中的過濾器元件15更詳細地示於圖5中。在一優選的實施例中，過濾器元件15a包括圍繞一中心軸線卷繞的過濾器介質55，以形成一圓柱形的過濾器元件。過濾器元件包括一密封系統60。一優選的密封系統公開在美國專利No.4,720,292。
在較佳的結構中，過濾器介質55設計來從通過過濾器介質55的空氣中去除顆粒，而密封系統60設計來在過濾器元件15a和外殼11a的內側壁之間提供一密封，如圖3和4所示。所謂的術語「密封」是指密封系統60，在正常情況下，其阻止非故意能級的空氣通過介於過濾器元件15a的外表面和外殼11a的內側壁之間的區域，即，密封系統60約束空氣流避免通過過濾器15a的過濾器介質55。
在某些優選的實施例中，過濾器介質55構造成直通的流動。所謂「直通的流動」是指，過濾器介質55構造成具有一第一流動面105(在所示實施例中，對應於一入口端)，以及一相對的第二流動面110(在所示實施例中，對應於一出口端)。常常需要直通的流動，因為較之襉狀的過濾器，一直通流動的過濾器可處理更大量的空氣通過其間。「直通流動」和「軸向流動」不存在差別。空氣沿一個方向114進入通過第一流動面105，並沿同一方向116從第二流動面110退出。在該實施例中，第一流動面105與圖1的過濾器元件的髒空氣側13相關，而第二流動面110與圖1的過濾器元件的乾淨空氣側17相關。
當過濾器元件15a用於諸如圖3和4的外殼11a的軸向流動外殼時，一般來說，空氣將沿一個方向進入通過外殼11a的入口12a，沿同一方向通過第一流動面105進入過濾器元件15a，沿該同一方向從第二流動面110退出過濾器元件15a，還沿同一方向通過出口14a退出外殼11a。
儘管第一流動面105在上述中描述為對應於入口端(及髒空氣側13)，而第二流動面110在上述中描述為對應於出口端(及乾淨空氣側17)，入口和出口端(及髒空氣側和乾淨空氣側)可反過來。即，圖5中所示的第一流動面105可對應於一出口端，而圖5中所示的第二流動面110可對應於一入口端。換句話說，過濾器元件15a的物理定向相對於空氣流通過其間的方向可以反過來。
在圖5中，第一流動面105和第二流動面110示為平面的並且互相平行。在其它的實施例中，第一流動面105和第二流動面110可以是非平面的，例如，截頭圓錐。此外，第一流動面105和第二流動面110不必互相平行。
在一優選的實施例中，過濾器元件15a的介質是卷繞的或卷形的結構。即，過濾器元件15a通常將包括一層過濾器介質，其完全地或重複地繞一中心軸線卷繞。通常，該卷繞結構呈一線圈，其中，一層過濾器介質圍繞一中心軸線卷繞成一系列的匝數。在使用一卷繞線圈的結構的布置中，過濾器元件15a將呈一捲筒過濾器介質的形狀，通常為可滲透的有槽形的過濾器介質。
現在注意力放在圖6上，其中示出表示用於過濾器結構的某些優選介質的操作原理的示意的立體圖。在圖6中，一槽形的介質構造用標號122表示。較佳地，槽形構造122包括一具有多個槽形124的波浪形層123和一面板132。圖6的實施例示出面板132的兩部分，在132A(示于波浪形層123的頂上)和在132B(示于波浪形層123的底下)處。通常，用於這裡所述的布置中的較佳的介質構造125將包括固定在底面板132B上的波浪形層123。當使用這種呈捲筒形構造的介質結構125時，它將繞自身卷繞，這樣，底面板132B將蓋在波浪形層123的頂上。覆蓋波浪形層123的頂的面板132表示為132A。應該理解的是，「卷繞」的介質構造的面板132A和132B是相同的板132。
當使用這種類型的介質構造125時，槽形腔124較佳地形成交替的波峰126和波谷128。波峰126和波谷128將槽形124分為上行和下行。在圖6所示的特定的構造中，上槽形成在下遊端封閉的槽形腔136，而具有其上遊端封閉的槽形腔134形成槽形的下行。槽形腔134被第一端緣138封閉，第一端緣138填充槽形板130和第二面板132B之間的槽的上遊端的一部分。同樣地，第二端緣140封閉交替的槽形136的下遊端。在某些較佳的系統中，第一端緣138和第二端緣140沿介質結構125的所有部分是直的。在某些較佳的系統中，第一端緣138是直的且決不從在介質構造125的端部之一或靠近端部之一中偏離出去，而第二端緣140是直的且決不從在介質構造125的端部之一或靠近端部之一中偏離出去。槽形124、面板132和端緣138、140提供形成為過濾器元件15a的介質結構125。
當使用以介質結構125形式構造的介質時，在使用過程中，未過濾空氣進入由陰影箭頭144表示的槽形腔136。槽形腔136具有其敞開的上遊端146。未過濾的流體流不允許通過槽形腔136的下遊端148，因為其下遊端148被第二端緣140封閉。因此，空氣被迫前進通過槽形板130或面板132。當未過濾空氣通過通過槽形板130或面板132時，空氣被淨化或過濾。淨化的空氣用非陰影的箭頭150表示。然後，空氣通過槽形腔134(其具有封閉的上遊端151)，以通過敞開的下遊端152(圖5)流出槽形結構122。利用所示的結構，未過濾的空氣可流動通過槽形板130、上面板132A，或下面板132B，進入槽形腔134。
通常，製備好介質結構125，然後，卷繞而形成過濾介質的捲筒結構100。當選用這種類型的介質時，介質結構125包括波浪形層123，其用端緣138固定到底面板132B(如圖6所示，但沒有頂面板132A)。在這些類型的構造中，介質構造125將包括在一端處的前導邊緣和在相對端處的尾部邊緣，使頂部側向邊緣和底部側向邊緣在前導邊緣和尾部邊緣之間延伸。術語「前導邊緣」是指，最先彎曲或卷繞的邊緣，以使其在卷繞結構的中心或內芯上或靠近內芯上。術語「尾部邊緣」是指在彎曲或盤卷過程結束後，在卷繞結構外面的邊緣。
在這些類型的介質構造125中，在卷繞板成為盤卷之前，前導邊緣和尾部邊緣應密封在波浪形板123和底面板132B之間。儘管可採用好幾種方式，但某些方法中，在前導邊緣處的密封應如下形成(a)波浪形板123和底面板132B沿從頂部側邊緣到底部側邊緣(或從底部側邊緣到頂部側邊緣)延伸的一直線或路徑切割或切片，沿一槽形124，在峰126的最高點(頂點)處形成峰126；以及(b)沿切割線或路徑，密封劑塗覆在底面板132B和波浪形板123之間。可類似於在前導邊緣處形成密封的工藝過程，形成在尾部邊緣處的密封。儘管形成這些密封可採用多種不同類型的密封劑，但一種有效的材料是可從明尼蘇打的St.Paul市的H.B.Fuller公司購得的非泡沫的密封劑。
當使用介質結構125時，可由系統設計師要求將結構125卷繞到過濾器介質的捲筒的結構上，諸如圖5中的過濾器元件15a。可採用各種工藝來盤卷或卷繞介質。應該認識到，為製作其它形狀的過濾器介質，例如具有長形的或長圓形的、卵形的、矩形的，或賽馬道形外形的過濾器介質，可使用非圓形的中心卷繞件。
介質結構125也可無心軸或內芯情況下卷繞。形成一無芯卷繞結構的方法如下(a)與前導邊緣隔開的波浪形板123的最初幾個波形的槽128，從頂部側邊緣到底部側邊緣(或從底部側邊緣到頂部側邊緣)進行刻痕，以幫助卷繞該結構125；例如，從前導邊緣起的前四個波形將具有沿槽128的刻痕線；(b)密封劑的填料140沿波浪形板123的頂部塗覆，且沿與具有端緣138的側邊緣相對的側邊緣；(c)前導邊緣首先彎曲或卷繞在其自身上，然後，夾緊在一起，以便與密封劑填料140密封；以及(d)具有固定在其上的底部面板132B的其餘的波形板123被盤卷或卷繞或彎曲圍繞夾緊的前導邊緣。
在其它的方法中，無芯結構可通過自動的工藝由介質結構125製成，該工藝如美國專利Nos.5,543,117和5,435,870所公開。在還有的一些方法中，介質結構可由手工卷繞。
當使用諸如過濾器結構100的卷繞結構時，系統設計師將要求確保結構100的外周緣封閉，或鎖定到位，以防止過濾器結構100鬆開。有各種方式可用來完成這要求。在某些應用中，外周緣被周緣層包圍。周緣層可以是無孔的粘結材料，例如，在一側上具有粘結劑的塑料。當採用這種類型的周緣層時，周緣層防止過濾器結構100鬆開，並防止空氣通過過濾器結構100的外周緣，保持通過過濾器結構100的直通流動。
在某些應用中，通過粘結劑密封介質結構125的尾部邊緣，或沿線160(圖5)的密封劑，以將尾部邊緣固定到過濾器結構100的外表面上，由此，過濾器結構100固定在其卷繞的結構上。例如，可沿線160塗覆熱熔的焊料。
此外，另一種方法是，支承帶162可設置在過濾器結構100的外周緣的周圍，以便固定尾部邊緣。在圖5中，支承帶162顯示為定位在第一流動面105。
過濾器元件15a包括一定位在第二流動面110處的一端部框架200。圖7中示出過濾器元件15a的局部剖視圖；過濾器結構100連同其各個部件用虛線表示。參照圖5和7，框架200包括一外環形周緣帶205和徑向十字支柱210。十字支柱210從外周緣帶或軸環205向內延伸，並在過濾器元件的軸線上的中心相遇。當它們相遇在框架200的中心215處時，十字支柱形成一環形下凹座部分。周緣帶205沿在第二流動面110處的過濾器100的外周緣延伸，並沿縱向遠離第二流動面110延伸。在圖5和7所示的具體的實施例中，框架200包括一第二內環形環212，其與十字支柱21相交並與其連接。
端框架200支承密封系統60並提供一實心相對不變形的表面，以便於在過濾器元件和由密封系統60形成的過濾器外殼之間密封。具體來說，密封系統60包括一圓形密封劑材料的環形環，它安裝和坐落在從第二流動面110向外突出的周緣帶205的遠端部分上。密封系統60較佳地是可壓縮的材料，例如，聚亞安酯泡沫材料，其構造成合作地與外殼11a的內部側壁嚙合。並提供一氣密的密封。密封系統60可具有一最外直徑尺寸減小的臺階形的截面結構，以便於密封和保證氣密密封。
一般來說，對於功能合適的徑向密封結構，當過濾器元件15a可操作地安裝在外殼11a內時，可壓縮的密封系統60需要被壓縮。在許多優選的實施例中，它被壓縮大約其厚度的15％至40％(通常約為20至33％)，在其最厚的部分，提供一強壯結實的密封，然而，其仍為手工安裝元件的一種密封，所用力為80磅的量級或不到，較佳地為50磅或不到，通常約為20-40磅。
一用於本發明的過濾器組件的過濾器元件的第二實施例示於圖8中的過濾器元件15b。除了過濾器元件15b的框架200未包括內環形環212之外，過濾器元件15b類似於圖5和7的過濾器元件15a。
關於過濾器元件15a、過濾器元件15b以及其它有用的過濾器元件的額外的細節可見美國專利No.6,190,432。
應該理解的是，還可使用除具有直通流動的過濾器結構之外的其它的過濾器結構。可採用的其它特殊的過濾器結構的實例包括折襉型介質過濾器、平板型過濾器、具有深度介質容積的過濾器等。
過濾器組件的化學去除部分再次參照圖1，過濾器組件10較佳地還包括一設計來通過吸附或吸收的方法從大氣中去除汙染物。如這裡所採用的術語「吸收」、「吸附」、「吸附劑」以及諸如此類的術語，意在包括吸收和吸附的機構。
化學去除部分通常包括一物理吸著或化學吸收的材料，例如，乾燥劑(即，吸附或吸收水或蒸汽)，或吸附或吸收揮發性有機化合物和/或酸性氣體和/或鹼性氣體的材料。術語「吸附劑材料」、「吸附材料」、「可吸附的材料」、「吸收劑材料」、「吸收材料」、「可吸收的材料」，以及其任何變種，用來涵蓋通過吸附或吸收作用去除化學汙染物的任何材料。例如，合適的吸附材料包括活性碳、活性碳纖維、浸漬碳、活性氧化鋁、分子篩、離子交換樹脂、離子交換纖維、矽膠、氧化鋁和矽石。上述材料中的任何一種可與下列材料組合、塗覆或浸漬，例如，高錳酸鉀、碳酸鈣、碳酸鉀、碳酸鈉、硫化鈣、檸檬酸、磷酸、其它的酸性材料，或其混合物。在某些實施例中，吸附材料可與第二種材料複合或浸漬。
吸附材料通常包括微粒狀或顆粒狀材料，並可呈現各種構造，例如，顆粒狀、珠狀、纖維狀、細粉末狀、毫微結構狀、毫微管、氣凝膠，或可呈現為塗覆在諸如陶瓷料的基材上的塗層，單體結構、紙介質或金屬表面。通常，吸附材料，特別是微粒或顆粒材料放置在一材料床上。
或者，吸附材料可成形為單片或單體的形式，例如，大塊的板體、顆粒、珠子，或折襉或蜂窩結構，它們還可有選擇地進一步成形。在至少某些實例中，成形的吸附材料在過濾器組件的正常或期望壽命中，基本上保持其形狀。成形的吸附材料可由組合有固體或事後成形為非流動物品的液體粘結劑的自由流動的微粒形成。成形的吸附材料可通過模製、壓縮模製，或擠出工藝來形成。成形的吸附物，例如，可按美國專利Nos.5,189,092(Koslow)和5,331,037(Koslow)傳授的方法形成。
用於提供成形物的粘結劑可以是幹的，即，呈粉末和/或顆粒形式，或者粘結劑可以是液體，是溶劑化的或分散的粘結劑。某些粘結劑，例如，溼度下固化的聚氨酯橡膠，以及通常稱之為「熱熔」的材料，例如，可通過噴塗工藝直接地塗覆在吸附材料上。在某些實施例中，使用一臨時的液體粘結劑，其包括溶劑或分散劑，它們在模製過程中可被去除。合適的粘結劑包括；乳膠、微晶纖維素、聚乙烯醇、乙烯醋酸乙烯脂、澱粉、羧甲基纖維素、聚乙烯吡咯烷酮、磷酸二鈣二水合物，以及矽酸鈉。較佳地，成形材料的成分包括至少約70％吸附材料(以重量計)，通常約不大於98％(以重量計)。在某些例子中，成形吸附劑包括85至95％，最好是大約90％(以重量計)的吸附材料。成形吸附劑通常包括不小於約2％的粘結劑(以重量計)，且不大於約30％的粘結劑(以重量計)。
用於化學去除部分的合適的吸附材料的另一實施例是一包括一載體的吸附材料。例如，可採用一網眼或平紋棉麻織物來保持吸附材料和粘結劑。聚酯和其它合適的材料可用作網眼或平紋棉麻織物。通常，任何載體不大於吸附材料重量的約50％，且更為通常地是吸附材料總重的約20至40％。在帶有載體的成形吸附物內的粘結劑量，通常約為總吸附劑重量的10至50％，而吸附材料的量通常約為總吸附劑重量的20至60％。
化學去除部分可包括強鹼性材料，以便從空氣中去除酸性汙染物，或者，包括強酸性材料，以便從空氣中去除鹼性汙染物，或者兩者兼而有之。較佳地，鹼性材料和酸性材料互相充分地分開，這樣，它們不會互相反應或中和。在某些實施例中，吸附材料本身可以是強酸性或強鹼性材料。這種材料的實例包括聚合物微粒、活性碳介質、沸石、粘土、矽膠，以及金屬氧化物。在另一些實施例中，強酸性材料或強鹼性材料可以表面塗層設置在載體上，諸如顆粒、珠子、纖維、纖維素材料、細粉末、毫微管，以及氣凝膠。或者，或額外地，形成酸性和鹼性表面的酸性和鹼性材料可呈現在全部的載體的至少一部分；例如，這可通過用酸性或鹼性材料塗覆或浸漬載體而實現。
通常呈現在大氣的空氣中並被認為是燃料電池的汙染物的酸性化合物的實例，包括硫氧化物、氮氧化物、硫化氫、氯化氫，以及揮發的有機酸和不揮發的有機酸。通常呈現在大氣的空氣中並被認為是燃料電池的汙染物的鹼性化合物的實例，包括氨、胺、氨基化合物、氫氧化鈉、氫氧化鋰、氫氧化鉀、揮發的有機鹼和不揮發的有機鹼。
對於PEM燃料電池，陰極反應在酸性條件下發生，因此，不希望有鹼性汙染物的存在。一用來去除鹼性汙染物的諸如氨之類的較佳材料的實例是浸漬或塗覆檸檬酸的活性碳。
一具有物理的或顆粒去除部分和化學去除部分的過濾器元件15(圖1)的第一實施例，在圖9中示為過濾器元件15c。過濾器元件15c與圖7的過濾器元件15a的類似之處在於，過濾器組件15c具有帶有第一流動面105和第二流動面110的過濾器結構100(在圖9中用虛線表示)，支承帶162，框架200，以及密封系統60。過濾器元件15c還包括一諸如成形的活性碳的吸附元件300。吸附元件300定位在框架200上，在框架200和密封系統之內。可壓縮的密封系統60通過摩擦將吸附元件300保持在要求的位置上，但可以變形，以便當吸附劑用過之後為了更換而釋放吸附元件300。
在一優選的實施例中，吸附元件300是成形質量的活性碳材料，它們由熱塑性粘結劑保持在一起。一較佳的吸附元件300包括活性碳材料，濾網尺寸12×20，或8×16，用8％的乙烯-醋酸乙烯酯進行模製。這樣一較佳的吸附元件300可根據美國專利Nos.5,189,092(Koslow)或5,331,037(Koslow)中的傳授進行製造。在另一優選的實施例中，吸附元件300由碳材料層(未示出)製成，其可從麻薩諸塞州East Walpole的HollingsworthVose購得(也稱之為HV)。
在所示的實施例中，吸附元件300定位在第二流動面110的附近；因此，流動通過過濾器元件15c的空氣，通過第一流動面105進入過濾器結構100，並通過第二流動面110退出，然後，通過吸附元件300。這樣的結構具有在顆粒去除過濾器結構100的「下遊」的吸附元件300。所有通過過濾器結構100的空氣較佳地通過吸附元件300。應該理解的是，吸附元件300也可定位在過濾器結構100的「上遊」。
一具有物理的或顆粒去除部分和化學去除部分的過濾器元件15(圖1)的第二實施例，在圖10中示為過濾器元件15d。過濾器元件15d與過濾器元件15a的類似之處在於，過濾器組件15d具有帶有第一流動面105和第二流動面110的過濾器結構100(用虛線表示)，支承帶162，框架200，以及密封系統60。過濾器元件15d還包括吸附元件300，除了吸附元件300定位在第二流動面110和框架200的十字支柱210之間之外。框架200的周緣帶205(見圖8)保持吸附劑300抵靠在第二流動面110上。吸附元件300可永久地連接在框架200和過濾器結構110的一個或每個上，或可從中脫開。再者，通過過濾器結構100的第二流動面110的所有空氣較佳地也通過吸附元件300。
在過濾器元件15c和15d中，化學去除部分，特別是吸附元件300與顆粒去除部分組合而形成一單一的結構。應該理解的是，在某些實施例中，化學去除部分將與顆粒去除部分分離和隔開。還應該理解的是，顆粒去除部分和化學去除部分可組合成一單一的元件，其既去除物理的汙染物也去除化學的汙染物。在一實例中，顆粒去除部分的過濾器介質可用纖維製成，其表面經處理後能化學吸收或與酸性或鹼性汙染物反應或互相作用，因此，提供一化學去除部分。在另一實例中，如果顆粒之間的間隔足夠小，則一活性碳顆粒床可布置和構造成從空氣中去除物理的汙染物。
一包括顆粒和化學去除部分的優選的過濾器元件公開在美國專利No.6,152,996(Linnersten等人)。
有關用於燃料電池系統的過濾器元件的化學去除部分的其它的信息可見2000年9月12日提出的美國專利申請系列號No.09/660,127。
過濾器組件的聲音抑制元件再次參照圖1，本發明的過濾器組件10包括一噪聲或聲音抑制元件19，以減小或抑制從設備101發出的噪聲或聲音的能級。這樣的噪音衰減較佳地在一米內至少3分貝，通常至少為6分貝，較佳地至少為10分貝，且最好為至少25分貝。發生在燃料電池102內的催化反應是靜音的過程，其原因在於，氫燃料、陰極上的反應，以及電的產生，沒有產生人能聽到的聲音。有關燃料電池102的結構和操作的細節將在下面提供。然而，儘管燃料電池102是靜音的，但通常用來提供增強的空氣流到燃料電池102的設備或機械，一般會產生明顯的噪音。與燃料電池102結合使用的空氣行動裝置包括壓縮機、風扇、鼓風機，以及泵。
從諸如壓縮機104之類設備發出的聲音將沿燃料電池、設備和過濾器組件允許的各個方向傳播。即，聲音在壓縮機上遊傳播，迎著空氣的氣流，到過濾器組件10；且聲音沿下遊傳到燃料電池102。根據本發明，通過過濾器組件10的聲音抑制元件19來衰減聲音，過濾器組件10減小從壓縮機104發出、通過過濾器組件傳到周圍環境的噪音。
聲音抑制元件19可以是任何類型的元件，其連同過濾器組件10的其它的零件，可衰減或減小聲音，其提供聲音的衰減至少達3分貝，通常至少為6分貝，較佳地為10分貝，最好至少是25分貝。聲音抑制元件19的實例包括消音器、有內襯的管道、擋板。在聲音通道上的彎頭、充氣增壓、膨脹腔室、共鳴器、聲阻塞、全阻塞、聲音吸附材料，以及上述的各種組合。有關聲音抑制元件的各種細節可見美國專利No.6,082,487(Angelo等人)。
某些典型的抑制元件19包括一外壁，通常為圓柱形，其形成一內部體積，以及一定向在外壁內部體積內的入口和出口管。最好外壁和任何其它的結構具有平面的或平的最小的表面；確切地說，抑制元件19的表面最好是弧形的，以減小平壁上常會發生的振動量和發嗡聲。在通常的結構中，出口管形成一聲阻塞。一打孔的內壁與外壁隔開，以在其間形成一環形體積。該環形體積可包括一在環形體積內的吸收材料的襯墊或填料。在環形體積內的該吸收材料提供一吸收的功能，並還有助於減小外壁或外殼的發嗡聲。在某些結構中，打孔的內壁和環形體積與抑制元件19的入口區域對齊。即，打孔的內壁可限定入口管的至少一部分。
較佳的抑制元件19是共鳴器。一共鳴器是一封閉體積的空氣，其通過一小的開孔與外部連通。該封閉的空氣在有限的頻率範圍內發生共鳴。該頻率範圍和衰減水平取決於封閉體積的尺寸。在封閉體積內共鳴的頻率確定由共鳴器衰減的噪音頻率。
在圖3和4所示的過濾器組件10a中，抑制元件19a包括第一共鳴器21和第二共鳴器22。應指出的是，第一共鳴器21定位在出口14a的附近，而第二共鳴器22定位在入口12a的上遊或緊靠入口12a。這裡表示的共鳴器的「第一」和「第二」定位已被選定，因為從設備101(圖1)發出的噪音將沿上遊方向移動(與空氣流的方向相反)，通過過濾器組件10a從出口14a到入口12a。第一和第二共鳴器21、22可設計成衰減相同的或不同的範圍內的聲音頻率。一般來說，如果共鳴器21、22去除相同範圍的噪音頻率，則噪音降低的水平將會更大。如果共鳴器21、22去除不同頻率範圍的噪音，則衰減頻率的總範圍將會更大。
在一優選的實施例中，第一共鳴器21設計成衰減大約900赫茲峰值頻率的聲音，而第二共鳴器22設計成衰減大約550赫茲峰值頻率的聲波。如圖3和4所示，各個部件在第一共鳴器21和第二共鳴器22之間有所不同。例如，由第二共鳴器22佔據的體積遠大於由第一共鳴器21佔據的體積。第一共鳴器21的體積通常由介於出口14a和內環形擋板25a之間的外殼11a的內部壁限定。由第二共鳴器22佔據的體積通常由介於內擋板25a和過濾器元件的流動面110(圖5)之間的外殼11a的內部壁限定。此外，在一中心壁結構28內的打孔在第一共鳴器21和第二共鳴器22之間變化。例如，諸孔的形狀和大小，相鄰孔之間的間距，以及其定向在兩個共鳴器之間不同。各個共鳴器的不同的特徵支配由此衰減的頻率。對要求頻率衰減的共鳴器的設計在聲抑制和衰減技術領域內是眾所周知的，本文將不再作詳細的介紹。
此外，第一和第二共鳴器21、22大約隔開3英寸(76毫米)，該距離由兩個共鳴器的中心壁結構28的打孔之間的縱向間隔量得。共鳴器21、22之間的距離在圖4中表示為標號24，該距離將衰減具有其1/4波長等於該距離的頻率的聲音。一大約為3英寸(76毫米)的距離提供約1100赫茲的峰值衰減。
圖11用曲線示出上述優選實施例衰減的聲音的能級和頻率。第一共鳴器21衰減約900赫茲峰值頻率處的聲音，第二共鳴器22衰減約550赫茲峰值頻率處的聲音，而1/4波長間距24衰減約1100赫茲處的聲音。三個合成的聲衰減跨越一典型的雙螺杆壓縮機的基本頻率，例如，由Opcon公司製造的Lysholm式雙螺杆壓縮機，其頻率從160至1100赫茲。
再參照圖1，抑制元件19可定位在外殼11內，在某些實施例中，抑制元件19由外殼11形成。在過濾器組件10a的實施例中，第一和第二共鳴器21、22部分地由外殼11a形成。外殼11a的內壁連同內擋板25，形成由共鳴器21、22佔據的體積。
外殼11a的不同的其它的部件可提供聲音衰減。例如，如圖4所示入口12a沿軸線方向具有一鐘形的膨脹，其直徑從4英寸(102毫米)至10英寸(254毫米)。該膨脹提供一大約為3分貝的寬頻帶的聲音衰減。
應該指出的是，諸如過濾器元件15a、15b、15c、15d中任何一個的過濾器元件15，可具有一與顆粒去除部分或化學去除部分相關的附加的聲音衰減特性。例如，過濾器結構100(圖5和7)可衰減某些頻率一小的量，例如，1分貝。此外，吸附元件300(圖9和10)可衰減某些頻率。業已發現，諸如美國專利Nos.5,189,092(Koslow)和5,331,037(Koslow)傳授的各種形狀的吸附元件，可提供某些聲音衰減；衰減的頻率和能級(即，分貝)將取決於成形吸附元件的特定的部件。
過濾器組件的第二實施例一過濾器組件的第二實例在圖12的局部剖視圖中示為過濾器組件10b。類似於過濾器組件10a，過濾器組件10b用於一由燃料電池操作的乘客汽車，該燃料電池採用一堆疊的PEM燃料電池，提供200KW的總的電力輸出。應該理解的是，過濾器組件10b是為這樣的應用特定設計(即，以200KW運行的汽車)，而用於其它應用的過濾器組件將設計用於這些應用中，只是大小、形狀和構造上不同，並不脫離過濾器組件10b的總體的特徵。
過濾器組件10b包括一限定一入口12b和一出口14b的外殼11b。髒空氣50通過入口12b進入過濾器組件10b，而乾淨空氣54通過出口14b退出。外殼11b的外部包括安裝支架31b、32b，用來相對於周圍設備和結構定位和固定過濾器組件10b。一傳感器接納器埠35b位於外殼11b的外部，以允許連接一傳感器(如要求的話)。過濾器元件15a定位在外殼11b內。在該實施例的過濾器組件10b中，所用過濾器元件15a與第一實施例的過濾器組件10a的過濾器元件15a相同。在外殼11b內還有一噪音抑制元件19b。
抑制元件19b包括一構造成衰減約900赫茲峰值處的聲音的共鳴器23。有關共鳴器的詳細信息提供在上述的過濾器組件10a的第一實施例中。共鳴器23的一端可操作地、並流體連通地連接在過濾器組件的出口埠14b，一環形安裝支架342固定在一相對端上。安裝支架342具有一允許空氣通過其間進入到共鳴器23內的打孔的中心部分，並形成一環形的密封座343，其包括一沿朝向入口埠12b從共鳴器23軸向突出的圓柱形延伸突緣345。突緣345的末端向外展開，其理由將在下義中描述。
過濾器組件10b還包括一吸附元件310，在圖13中放大顯示。吸附元件310包括一圓柱形碳質量塊330，其分別在第一和第二端330a和330b之間延伸。碳元件330在優選的實施例中是一中空、圓柱形的擠出成形的活性碳，其由熱塑性粘結劑保持在一起。碳元件330可按照美國專利Nos.5,189,092(Koslow)和5,331,037(Koslow)傳授的方法形成。
在某些實施例中，諸如過濾器元件15a的過濾器元件可與諸如吸附元件310的吸附元件進行組合，以形成提供顆粒和化學過濾的單一的結構。例如，一顆粒去除介質可定位在碳元件330的外表面周圍。一包括顆粒和化學去除部分的過濾器元件公開在美國專利No.6,152,996(Linnersten等人)。
吸附元件310的擠出成形的圓柱形的碳的構造，提供一固體的表面，其用來在端部330a上直接連接一密封系統340，在端部330b上連接一端帽350。這樣的「固體」的碳/粘結劑的擠出成形，還形成一元化的吸附過濾器元件310，其本身不釋放任何的碳或其它的顆粒或汙染物進入到過濾的空氣流中。
端帽350密封地固定到碳吸附元件330的端部330b。端帽350轉向空氣退出過濾器元件15a，這樣，當如圖12所示安裝時，空氣沿吸附劑330的外圓柱形表面通過，而不是直接地、沿軸向移動進入到碳吸附元件330的中心孔區域。從過濾器元件15a退出的空氣撞擊到帽350的弧形的表面355上，並變更路線從其離開過濾器15a的「直線」流動到具有徑向分量的流動。表面355是一從一軸向對齊的末端352沿徑向延伸的弧形表面。弧形表面355以最小的阻力光滑地轉向空氣。末端352是帽350的暴露表面355的中心點，但在某些實施例中，末端352可以不是中心地定位在帽350上。應該認識到，可以採用端帽350的其它的表面結構，例如平的或臺階形的表面。參照圖13和14，端帽350包括諸小孔，其用來在其問通過空氣並沿碳元件330的外表面流過。徑向臂356限定和分離小孔354並對帽350提供結構支承。此外，某些空氣可繞帽350的外周緣並在帽350和外殼11b的內部之間通過。
當吸附元件310可操作地如圖12所示地安裝時，密封系統340在端部330a提供一介於吸附元件310和密封座343和安裝支架342(圖12)的突緣345之間的氣密的密封。突緣345的展開的末端有助於引導密封系統340進入密封座343內。與擋板25b和端帽350組合形成的密封，引導空氣流動通過吸附元件310，且在正常的條件下，在空氣首先已通過碳元件330之前，阻止不要求能級的空氣通過安裝支架342而進入到共鳴器23。使空氣沿從入口12b到出口14b的方向流動，擋板25b在安裝支架342的下遊並介於外殼11b的側壁的內表面和共鳴器23之間形成一密封。各帽350、擋板25b和密封系統340要求所有空氣從過濾器元件15a流動通過碳吸附元件330和安裝支架342，然後，繼續通過到過濾器組件出口14b。
密封系統340通常由一彈性的可壓縮的材料製成，例如，聚亞安酯。圖13所示的實施例示出一密封系統340，其具有最外尺寸減小的「臺階形」結構，它改進坐落和抵靠密封座343和安裝支架342的延伸突緣345的密封。密封系統340引導空氣從過濾器元件15a流動通過碳元件330，然後進入共鳴器23。
除了如上所述控制空氣流動，通過與框架200的接合，具體來說，與框架200(見圖5)的中心接合，端帽350提供結構支承，以及吸附元件310的第二端330b與過濾器元件15a的錨固。末端352適於合作地插入到中心215的下凹部分並被下凹部分保持住。末端352在框架200內的配裝，應保持吸附元件310沿軸向與過濾器元件15a對齊，但也可使用外殼11b內部內的其它的部件來將吸附元件310保持在要求的位置上。由框架200作用在末端352上的沿軸線方向的壓力，可操作地保持吸附元件310，使其抵靠在密封座343上與密封系統340密封地接合。
各個密封系統340和帽350可暫時地或永久地附連在碳元件330上。為了提供一永久的連接，密封系統340可連接到碳330上，例如，通過粘結劑，或通過直接地將密封系統340模製到碳330上。對於帽350的永久的連接，帽350可粘結地連接到碳330上。帽350可包括一環形的下凹，以便接納碳330的第二端330b的一部分。
吸附元件310起作化學去除部分和聲音抑制元件19b的一元件。吸附元件310與圖9和10的吸附元件300功能上的類似之處在於，它包括從流動通過其間的空氣中或由此去除化學汙染物的吸附材料。外殼11b的內部和吸附元件310之間的體積可以用作為一共鳴器來抑制或衰減聲音。此外，吸附元件310的碳材料330直接地吸附聲音，因此，提供獨立的聲音衰減。在一優選的實施例中，吸附元件310構造成衰減至少約700赫茲的頻率峰值，通常大於700赫茲。
吸附元件和吸附材料的其它的結構也可具有化學去除質量和聲音抑制質量。此外，諸如過濾器元件15a的物理的或顆粒的過濾器元件可具有某些聲音抑制質量。
過濾器組件的第三實施例一過濾器組件的第三實施例在圖21-23中示為過濾器組件10c。過濾器組件10c適於用於燃料電池操作的車輛中，例如，一乘客汽車，其使用一提供25KW總電力輸出的堆疊的PEM燃料電池。應該理解的是，過濾器組件10c是特定為這種應用設計的(即，以25KW運行的車輛)，且用於其它應用的過濾器組件可設計用於這些應用中，其在尺寸、形狀和結構上不同，而不脫離過濾器組件10c的總體的特徵。
過濾器組件10c包括一大致圓柱形外殼11c，如圖22所示，其形成有一入口12c和一出口14c。髒空氣通過入口12c進入過濾器組件10c，乾淨空氣通過出口14c退出。一物理的或顆粒的過濾器元件415定位在外殼11c內。過濾器組件415通常在結構上類似於第一實施例的過濾器組件10a的過濾器元件15a，類似之處在於，過濾器元件415具有圓柱形或螺旋形卷繞的槽形過濾介質412，其提供直通的空氣流動。包括一密封系統460的端框架420連接到過濾器元件415的一端，以提供一對外殼11c氣密的無洩漏的配裝。定位在過濾器元件415下遊的是一吸附元件430。吸附元件430可以是上述的任何種吸附材料，但較佳地是由模製、壓縮模製，或擠出工藝製成的成形的吸附劑物品。過濾器元件415與圖10的過濾器元件15d的類似之處在於，吸附元件430定位在顆粒過濾介質412和端框架420之間。一噪音抑制元件19c也設置在外殼11c內。在該實施例中，噪音抑制元件19c具有一第一共鳴器421和一第二共鳴器422，它們將在下文中作詳細描述。
外殼11c可由能提供要求元件(例如，入口12c，出口14c)的任何材料製成。用於外殼11c的有用的材料的實例包括金屬或聚合物材料，例如，環氧、聚碳酸酯、聚乙烯以及諸如此類的材料。外殼11c具有至少兩個分離的部分，這樣，可獲得進入到包含的過濾器元件415和其它元件。多個部分可通過卡鎖、夾具、皮帶，或其它合適的固定機構固定在一起。在一優選的實施例中，入口12c也起作將多個部分保持在一起的一搭鎖的作用。外殼11c的外部包括一安裝支架31c，其類似於上述的支架31a、31b，以便相對於周圍的設備和結構定位和固定過濾器組件10c。
過濾器組件10c與上述過濾器組件10a、10b不同之處在於，通過過濾器組件10c的噪音路徑不同於空氣流動路徑。在各個過濾器組件10a、10b中，噪音所循的路徑與空氣流動路徑相同但方向相反。即，噪音對著空氣傳播通過過濾器組件10a、10b。在該第三實施例中，噪音進入過濾器組件10c通過出口14c，然後，前進到噪音抑制元件19c並被衰減。空氣流通過入口12c進入過濾器組件10c，通過過濾器元件415、吸附元件430，並通過出口14c退出。與過濾器組件10a、10b不同，其中，空氣分別地通過噪音抑制元件19a、19b，但正常的空氣流動路徑不通過噪音抑制元件19c。
再者，與上述的過濾器組件10a、10b不同，過濾器組件10c使用一種結構，其中，過濾器元件415與噪音抑制元件19c一體地形成。術語「一體地」是指過濾器元件415基本上永久地附連在或其它方法連接到噪音抑制元件19c上，這樣，除了惡意的或破壞性的動作之外，過濾器元件415不會從噪音抑制元件19c上拆開。在所示的實施例中，通過在噪音抑制元件19c周圍卷繞多層的過濾器介質，構造成過濾器元件415；噪音抑制元件19c起作過濾器元件415的內芯。具體的製作過濾器元件415的細節在上述過濾器元件15a中已有描述，除了過濾器介質卷繞在噪音抑制元件19c周圍之外。較佳地，吸附元件430也與過濾器元件415和噪音抑制元件19c形成為一體。應該理解的是，在其它的設計中，任何的過濾器元件415、吸附元件430和噪音抑制元件19c可互相拆卸。
噪音抑制元件19c包括第一共鳴器421和第二共鳴器422(見圖23)。噪音通過出口14c(圖22)進入到過濾器組件10c，並被第一共鳴器421和第二共鳴器422衰減。第一共鳴器421通常具有由帶有相當小直徑的一細長管限定的較小的體積。第二共鳴器422比第一共鳴器421具有較大的體積，並且環形地和徑向地定位在第一共鳴器421的周圍。第二共鳴器422具有一非平面或非平的第一端424，以及一相對的非平面或非平的第二端425。非平面或非平的第一端424、425最大程度地減小回音和較佳地衰減噪音。在第二共鳴器422的特定的實施例中，第一端424是上凸的，其中，它向內彎向共鳴器422，而第二端425是下凹的，其中，它向外彎離共鳴器422。第一端422包括多個周向間隔的小孔454，以使聲波通過其間。即，諸小孔起作聲波進入第二共鳴器422的入口。對於第一共鳴器421，一頸部451起作聲波進入第一共鳴器421的入口。
由共鳴器421、422衰減的諸頻率取決於不同的尺寸，例如，佔據的體積、長度、直徑、頸部451的直徑、小孔的數量、端部424、425的曲率等。在該實施例中，第一共鳴器421構造成比第二共鳴器422衰減更高的頻率。此外，第一共鳴器421衰減更寬範圍的頻率；即，第一共鳴器421具有比第二共鳴器422更寬的衰減範圍。
圖25用曲線圖方式示出過濾器組件10c的衰減的能級和頻率，其中，第一共鳴器421衰減約1000赫茲峰值頻率的聲音，而第二共鳴器422衰減約540赫茲峰值頻率的聲音。兩個共鳴器421、422的合成的聲音衰減，跨越一典型的雙螺杆壓縮機的基本的頻率範圍。當將過濾器介質卷繞在第二共鳴器422上，以製成過濾器元件415時，設計來共鳴或衰減一要求頻率的第一共鳴器421，也可起作用於安裝在心軸上的接納器。組合的共鳴器結構19c起作為一顆粒過濾器介質卷繞在其上的捲軸。
在所示的優選的實施例中，過濾器組件10c，特別是外殼11c具有一約不大於500毫米的長度，較佳地約不大於400毫米。此外，大致為圓柱形的過濾器組件10c具有一約不大於300毫米的直徑，較佳地約不大於260毫米。一較佳的一體的過濾器元件415、吸附元件430和噪音抑制元件19c的諸具體的特徵示於圖24中。本技術領域內的技術人員將會認識到，過濾器組件10c，以及諸如過濾器元件415、吸附元件430，以及噪音抑制元件19c的變化的尺寸，通常取決於使用過濾器組件的系統內的過濾器組件10c所分配佔據的體積。
在過濾器組件10c所設計應用的優選的實施例中，過濾器元件415具有約不大於240毫米的長度「F」(「F主長」)，較佳地不大於約200毫米。在優選的實施例中，「F」不大於約191毫米。在此距離中，不大於約50毫米，較佳地不大於約20毫米，被吸附元件430佔據為尺寸「C」。在優選的實施例中，「C」不大於約6.2毫米。折襉的過濾器介質412，在「FM」量測的，佔據不大於約200毫米，較佳地不大於約180毫米。在優選的實施例中，「FM」不大於約150毫米。由過濾器元件415佔據的直徑「DF」通常不大於約290毫米，較佳地不大於約270毫米。在優選的實施例中，過濾器元件415具有約230毫米的直徑「DF」。
對於獲得圖25的所要求的聲音抑制特性，噪音抑制元件19a佔據外殼11c內的組合的過濾器元件415、吸附元件430，以及噪音抑制元件19c的大部分直徑。在如圖21至24所示的實施例中，噪音抑制元件19a包括第一共鳴器421和第二共鳴器422。第一共鳴器421在頸部451處具有約23毫米的直徑「DR1」，而第二共鳴器422具有約267毫米的總長「LR2」，第二共鳴器422的一部分延伸超過過濾器元件415；第二共鳴器422延伸距離「L」，超過過濾器元件415的密封系統460約37毫米。
如本技術領域內的技術人員將會認識到，由第一共鳴器421和第二共鳴器422佔據的特定的體積實現噪音抑制元件19c的聲音衰減特性。具體來說，共鳴器421、422的長度和直徑DR1和DR2是共鳴器所要求的聲音衰減特性的函數。
在組合的過濾器元件415、吸附元件430，以及噪音抑制元件19c的典型的特定實施例中，當噪音抑制元件19c佔據組合的過濾器元件415、吸附元件430，以及噪音抑制元件19c的直徑的50至90％時，由噪音抑制元件19c佔據的過濾器單元10c的橫截面積約為25至81％，較佳地，噪音抑制元件19c的直徑約為總直徑的60至80％，其僅代表總橫截面面積的約36至64％。在優選的實施例中，當噪音抑制元件19c具有約178毫米的直徑，而過濾器元件415具有約230毫米的直徑時，噪音抑制元件19c佔據77％的直徑，但僅佔60％的面積。
過濾器元件、吸附元件，以及噪音抑制元件的其它組合的結構也可用於根據本發明的過濾器組件中。應該理解的是，噪音抑制元件可包括任何數量的共鳴器。再者，如上所述，過濾器元件、其外殼和/或吸附元件(例如，碳元件)可形成聲音的衰減。這些組合的結構提供一單一的、可拆卸的和可更換的單元，該單元可去除顆粒的或物理的汙染物，化學的汙染物，並也提供聲音衰減或抑制。
在繼續討論過濾器組件的第四實施例之前，將描述圖1中的設備101的剩下的部件，包括燃料電池102。
燃料電池在圖1中，本發明的過濾器組件10與其一起操作的設備101包括燃料電池102。燃料電池是具有中間夾有電解液的兩個電極(一陽極和一陰極)的裝置。已知的主要類型的燃料電池構造在本說明書的背景技術中已有描述。它們均具有如下扼要討論的諸特徵，但在操作溫度和操作效率上有變化。氫燃料源導向陽極，在那裡，氫電子被釋放，留下帶正電荷的離子。自由電子通過外電路到達陰極，在此過程中，提供一電流，其可用於外電路的電源。帶正電荷的離子通過燃料電池的電解液擴散到陰極，在那裡，離子與電子結合，與氧複合形成水，水是該過程的副產物。為了加快陰極的反應，通常使用一催化劑。通常在燃料電池反應中使用的催化劑的實例包括鎳、鉑、鈀、鈷、銫、釹，以及其它地球上稀有金屬。
質子交換膜(PEM)型燃料電池由於其低溫操作，高功率密度，以及快速改變功率輸出以滿足功率變換要求的能力，所以是普遍用於車輛動力的燃料電池的結構。PEM燃料電池通常簡單稱之為「低溫燃料電池」，因為其低的操作溫度，通常約為70至100℃，有時高達200℃。這裡示出的優選實施例中的燃料電池102較佳地是PEM型，低溫結構。高溫燃料電池因其較高的操作溫度通常對化學汙染物不敏感。然而，高溫燃料電池對顆粒汙染物和某些形式的化學汙染物敏感，因此，高溫燃料電池可從這裡所述的過濾器裝置中得益。兩種類型的燃料電池，低溫和高溫，通常與噪音設備組合使用。
各種燃料電池可從市場上購得，例如，加拿大的Vancouver市的Ballard PowerSystem，Inc.；康乃狄克州的International Fuel Cells；康乃狄克州Rocky Hill的Proton Energy Systems；麻薩諸塞州的American Fuel Cell Corp.；德國的埃爾蘭根市的西門子公司；德國的Smart Fuel Cell GmbH；密西根州的底特律市的General Motors；以及日本的Toyota Motor Corporation。
各具有一陽極、陰極和電解液的單個的燃料電池構造成「堆疊」，以提供所要求的外部功率數。應該認識到，本發明的原理將有益於通常任何的燃料電池結構。例如，一典型的乘客汽車利用一產生約200KW功率的燃料電池堆疊。諸如一乘客小汽車的較小的車輛利用一產生約1KW功率或不到的燃料電池堆疊。
在燃料電池技術領域內的技術人員將會認識到，本發明的過濾器組件的原理將有益於通常的任何種燃料電池和任何種燃料電池結構。
能被各種燃料電池接受的汙染物水平的閾值取決於燃料電池的設計。例如，已知碳氫化合物(甲烷和重質的)、氨、二氧化硫、一氧化碳、矽樹脂，以及諸如此類的化合物，佔據催化劑的空間並阻止這些場所的反應。因此，這些汙染物在其進入到燃料電池的反應性區域之前，需要加以清除。
能夠接受的汙染物的精確的水平，以及汙染物的類型，將根據所用催化劑、操作條件，以及催化過程效率的要求而變化。本發明的過濾器組件在空氣被使用於燃料電池之前，從大氣的空氣中去除汙染物，並應用於低溫和高溫操作的燃料電池組件中。
壓縮機和其它噪音發生設備如上所述，設備101通常還包括某些發出噪音(聲波)的空氣行動裝置或空氣處理機構，例如，壓縮機、風扇、鼓風機，或泵。該設備提供空氣(氧化劑)到燃料電池102。遺憾的是，諸如轉子、葉輪、瓣、翼片、活塞以及空氣行動裝置的其它各種零件，產生噪音或聲波。在許多例子中，產生的聲波的頻率範圍在3赫茲至30,000赫茲內，有時高達50,000赫茲，在一米內測量達85至135分貝的水平。儘管並不是所有從空氣行動裝置中發射出的噪音都是不可接受的，但本發明的各種組件針對與系統特別產生噪音的部分相關的噪音分布中最煩人的部分來減小其噪音。
一種與燃料電池102結合使用的通用型的壓縮機104是由瑞典的OpconAutorotor AB公司出品的「Lysholm」雙螺杆式壓縮機。這種類型的壓縮機通常具有約160至1100赫茲範圍的噪音輸出，並在一米內高達135分貝的水平。另一通用的壓縮機是「Roots blower」壓縮機。其它普遍使用的壓縮機包括活塞式壓縮機、膜片式壓縮機、離心式壓縮機，以及軸流式壓縮機。每一種壓縮機具有一與其操作相關的噪聲或頻率分布。這種分布取決於壓縮機的類型，並可依賴於諸如輸入和輸出流量之類的變量。對於許多壓縮機，頻率分布包括一個以上的頻率峰值。
壓縮機可從市場上購得，例如，加利福尼亞州的Camarillo的Paxton Products；威斯康星州的Kenosha的Pneumatic，Inc.；康乃狄克州的Newtown的StandardPneumatic Products，Inc.；科羅拉多州的Boulder的Vairex Corporation；加利福尼亞州的Torrance的Honeywell EnginesSystems。這些壓縮機通常具有大的空氣流量，通常約為10克/秒至400克/秒。
一種可用於燃料電池102的空氣行動裝置包括電氣驅動渦輪增壓器、壓縮機擴展器等。
在力圖優化燃料電池102的操作中，進入燃料電池102的空氣可進行加溼，通常接近其飽和點。要求高水平的溼度是為了將燃料電池102的電解膜變幹及不能攜帶帶電荷的離子的任何可能性降到最小。這種加溼可發生在壓縮機104的上遊，過濾器組件10的下遊。或者，較佳地可使這種加溼發生在壓縮機104的下遊。較幹的空氣更適合通過壓縮機104。
壓縮機放流裝置儘管諸如過濾器元件15a的過濾器元件存在於壓縮機104的上遊，以便從進入的空氣流中去除諸如顆粒和化學品之類的汙染物，汙染物質可被系統本身，例如被壓縮機104引導到空氣流中。除了產生噪音，快速旋轉的轉子、葉輪、瓣、翼片或壓縮機104的活塞可捨棄出微小的顆粒，或者從縫隙或折縫或其它隱藏的角落中驅逐出來，或者從移動部件的表面上出來。一種類型的汙染物是鉬的顆粒，它們是由壓縮機內部零件上的塗層造成的，在操作過程中，塗層不斷弱化或被破壞。壓縮機單元104還可以是流體汙染物源，例如，從壓縮機或其密封中洩漏出來的油或油脂，並進入到空氣供應氣流中。如果允許進入到燃料電池的堆疊中，則這樣的汙染物可證明對於燃料電池102的有效的或高效的操作是非常損害或有害的。
一壓縮機放流裝置或排出裝置103用虛線示於圖1中。在某些過程中，在壓縮機104或其它空氣行動裝置的下遊，可能要求或有利地包括一諸如裝置103的放流裝置，以便去除壓縮機產生的或從空氣供應氣流中來的汙染物，和/或進一步從系統中抑制噪音。例如，裝置103可具有一特別的過濾器、一化學品過濾器、一聲音抑制器，或其任何的組合。裝置103的特定的結構和布置可隨不同的燃料電池組件構造明顯地改變，並取決於過濾器組件10的過濾器元件15對顆粒和化學去除所要求的效率，以及取決於對過濾器組件10的聲音抑制的要求。如上所述，某些壓縮機104本身可產生物理的、化學的，或兩種類型的汙染物到在過濾器組件10的下遊的空氣流中，這將需要由裝置103來進行處理。此外，由於放流裝置103在系統中的位置(即，在壓縮機104的下遊並緊密靠近燃料電池102)，過濾的類型和特性以及可被裝置103有效地使用的部件材料，可以顯著地不同於被過濾器元件15使用的材料。還有，裝置103可包括一增加通過其間的空氣的溼度的加溼器。此外，或者，裝置103可包括一疏水、浮動截止閥、或其它的裝置來去除積累的多餘的水。合適的閥的結構的實例公開在美國專利Nos.6,009,898(Risch等人)和6,209,559(Risch等人)。
排出裝置103的一實施例在圖15和16中表示為排出裝置103a。排出裝置103a包括一限定一入口312a和一出口314a的外殼311a。來自壓縮機104的空氣通過入口312a進入到排出裝置103a，並通過出口314a退出到燃料電池102。來自壓縮機104的空氣通常將處於升溫和升壓的狀態，例如，370°F至400°F，以及約3個大氣壓。因為這些條件，外殼311a最好是不鏽鋼合金。例如，316SS或321SS。
圖15和16的實施例包括一聲音抑制元件319a。抑制元件319a包括一聲阻塞321a和一共鳴器322a；各聲阻塞321a和共鳴器322a分別定位在腔室331a、332a內。腔室331a、332a由外殼311a和擋板335a形成。聲阻塞321a和共鳴器322a可設計成衰減一要求的峰值頻率或一頻率範圍。呈現在壓縮機104下遊的聲音通常與交會壓縮機104上遊的過濾器組件10的聲音相同，或至少類似，除了在下遊的情形中，空氣流動和被抑制的聲音均沿相同的方向流動。有關聲音抑制元件和共鳴器的詳細信息已在上面提供。
排出裝置103的另一實施例在圖17至20中示為排出裝置103b。排出裝置103b類似於排出裝置103a，其類似之處在於，排出裝置103b包括一限定有一入口312b和一出口314b的外殼311b，使空氣通過入口312b進入，通過出口314b退出。圖17至20的實施例還包括一含有共鳴器322b的聲音抑制元件319b。類似於排出裝置103a，排出裝置103b具有兩個聲音衰減腔室331b、332b，它們由外殼311b和分離擋板335b限定。
排出元件103b包括一過濾器元件315，其用來從通過排出元件103b的空氣中去除顆粒物質、油和周圍的鹽。過濾器元件315能耐受出現在排出元件103b內的高溫和壓力。過濾器元件315的一個實例包括安裝在兩個端帽315a、315b之間的折襉介質的延伸部。較佳地，打孔的內和外襯墊或套筒316a、316b分別定位在介質附近，以提供對介質的支承和保護；這樣的套筒或襯墊是眾所周知的。套筒，特別是外套筒，可附連到外殼311b上，這樣，當過濾器元件315從排出組件130b中拆卸和更換時，過濾器元件315可滑入和滑出外套筒。
過濾器元件315的過濾器介質應能承受住壓縮機104下遊的工況，即，升高的溫度和壓力，例如，370°F至400°F，以及約3個大氣壓，通常高水平的溼度或潮氣。過濾器元件315的有效的介質實例包括一由芳族載體(諸如「高熔點芳族聚醯胺」材料)承載的聚四氟乙烯(PTFE)膜，其可從賓夕法尼亞州Feasterville的Tetratec Corporation購得。還要求使用膨脹的PTFE膜，因其不允許鹽和諸如油之類的石油製品滲透通過其間。美國專利No.6,123,751(Nelson等人)介紹PTFE的諸多優點。其它有用的介質是玻璃纖維介質。
過濾器元件315可呈多種物理的形狀，例如，卵形或長圓形，類似於外殼311b的形狀，或者過濾器元件315可以是圓形的。也可使用平面的過濾器板。
端帽315a是一「閉合的端帽」，其中，它橫貫延伸並覆蓋過濾器介質的端部，這樣，不能獲得通過端帽315a進入到過濾器元件315的端部的流體流。端帽315a基本上是覆蓋在過濾器元件315的端部上的、能按照要求拆卸的一蓋子，例如，通過拆除諸如六角螺母317的連接機構。一O形環364在端帽315a和過濾器介質的外部之間提供氣密的密封，所述過濾器介質可以是打孔的外套筒或襯墊。過濾器元件315可從外殼311b上拆卸和更換。
端帽315b是一「敞開的端帽」，即，敞開的端帽315b包括一開孔，較佳地位於中心。通常是過濾器元件315的一永久性部件的端帽315b坐落在座表面370上，具體來說，坐在密封座或邊緣373上。一O形環374在邊緣373和端帽315b之間提供一氣密的密封。
上遊過濾器組件-壓縮機-排出過濾器組件的組合本發明的一實施例的一實例，其組合與壓縮機流體連通的上遊過濾器和下遊排出過濾器組件，該實例示於圖26-28中的空氣移動系統500中。空氣移動系統500適用於燃料電池作業系統中，該系統可用於遙控交通攝像頭或車輛雷達探測系統，它們使用一堆疊的PEM燃料電池，以提供通常約小於1KW的總功率輸出。這樣的低功率燃料電池應用，較之上述的較大功率的應用，要求顯著少的氧化劑(例如，空氣)量，因此，這些系統可利用小得多的壓縮機或其它的空氣行動裝置；這反過來又顯著地減小組件的過濾部分的總體尺寸要求。
空氣移動系統500具有一提供乾淨的過濾過的空氣到壓縮機504的上遊過濾器組件501。一排出過濾器組件503位於壓縮機504的下遊，以去除任何的汙染物，它們可能是被壓縮機504引入到空氣流中的汙染物，或者是在空氣流引入到燃料電池之前，還未被過濾器組件501去除的汙染物。在該實施例中，壓縮機504是小體積的翼片式壓縮機，提供約0.1克/秒至0.15克/秒的空氣流量。壓縮機504的直徑約為5釐米。
參照圖26和27，過濾器組件501具有一大致圓柱形外殼511，其具有一第一端511a和一相對的第二端511b，外殼限定一入口512和一出口514。外殼511的直徑類似於壓縮機504的直徑，約為5釐米。髒空氣通過入口512進入過濾器組件501，乾淨氣體通過出口514退出。入口512佔據基本上與外殼511的橫截面面積相同的一面積。外殼511包括一支架523，其可用來按照要求安裝過濾器組件501。
一顆粒篩516橫貫入口512延伸，其去除大的顆粒和汙染物，並保護下面將要描述的過濾介質。篩516可去除樹葉、碎片、紙和其它大的汙染物。定位在篩516下遊的是顆粒過濾介質518。介質518可以是任何普通使用的、或合適的過濾介質，諸如紙或纖維素、玻璃纖維、聚合物的平紋棉麻織物等。介質518去除顆粒的汙染物，通常約為0.01微米和以上。介質518可包括一諸如一聚合物的毫微纖維的表面層或處理。一用於介質518的較佳的表面層是混合有尼龍共聚物和防水添加劑的聚合物，美國專利申請系列號No.09/871,583對此已有描述，並且可以EON過濾介質的商標名從唐納森公司購得。過濾介質518橫貫整個入口512的範圍延伸，並較佳地形成一對外殼511無洩漏的配裝，這樣，通過入口512進入的所有空氣必須通過介質518。
定位在介質518下遊的是一吸附過濾元件520。吸附元件520可以是上述的任何種吸附材料，但在該實施例中，是粘結在一起的碳顆粒群。如上所述的模製的或擠出成形的碳材料可交替地用作吸附元件520。吸附元件520較佳地橫貫外殼511的整個橫截面延伸，以形成一無洩漏的配裝，這樣，通過外殼511的所有空氣必須通過吸附元件520。吸附元件520也可提供一定程度的聲音衰減。
吸附元件520的下遊設置有一用於保持吸附元件520的篩522，平紋棉麻織物522阻止疏鬆的碳顆粒和其它的材料從元件520逃逸和通過而跑到壓縮機504中。在吸附元件520的下遊和篩522的下遊還有一篩526，其緊固地支承平紋棉麻織物522和吸附元件520，以及它與篩516之間的介質518。
空氣通過入口512進入，並通過篩516、過濾介質518、吸附元件520、篩522和篩526，通過出口514退出。出口514呈現在一體積519中，該體積的尺寸和形狀適於接納壓縮機504的一部分，該部分具有壓縮機入口(未示出)。在所示的實施例中，外殼511包括一用作阻擋壓縮機504的臺肩或其它部件。壓縮機504可佔據整個體積519，或體積519的一部分仍保持空置。體積519的任何空置部分可對從壓縮機504發出的聲波提供一定量的聲音的衰減。
外殼511較佳地與壓縮機504形成一無洩漏的密封，這樣，通過過濾器組件501和出口514的空氣，然後直接通入和通過壓縮機504，而未通過過濾器組件501的空氣不汙染壓縮機504的內部。可使用橡膠密封或任何類型的軟而可壓縮的密封。或者，或額外地，可使用一咔噠配裝的密封。從壓縮機504的入口，空氣通過壓縮機504並通過出口504b退出。如上所述，通過壓縮機504的空氣流量約為0.1克/秒至0.15克/秒。對於這樣的流量，具有約5釐米直徑的過濾器組件501的尺寸是足夠的。
出口504b與排出過濾器組件503的入口直接流體連通地連接，圖28更為詳盡地示出上述情形。排出過濾器組件503去除諸如金屬顆粒或潤滑油霧之類的汙染物，它們可由壓縮機504造成，或可通過壓縮機504的上遊的過濾器組件501而未被去除。
排出過濾器組件503具有一大致圓柱形外殼531，其限定入口532和出口534。偏離外殼531的中心的入口532和出口534，各具有一明顯小於外殼531的直徑的直徑。來自壓縮機504的空氣通過入口532進入排出過濾器組件503，乾淨空氣通過出口534退出。外殼531包括一支架533，其可用來按照要求安裝排出過濾器組件503。
一篩536在入口532的下遊，且較佳地延伸外殼531的直徑，篩536將顆粒去除材料540保持在其規定的體積內。篩536通常不去除任何來自空氣流中的顆粒，因諸小孔通常足以大而允許氣流無阻擋地通過。顆粒以及可選擇的液體汙染物陷落在去除的材料540中。去除材料540可以是任何合適的過濾介質，或其它適於去除要求的汙染物的材料。去除材料540橫貫外殼531的整個範圍延伸，並較佳地形成一對外殼531的無洩漏的配裝，這樣，通過入口532進入的所有空氣必須通過材料540。
在如圖28所示的實施例中，去除材料540包括一第一深度的加載材料542和一第二深度的加載材料544。合適的深度加載材料的實例是玻璃纖維，其呈密編的纖維席墊的形式。材料542和材料544在編席的密度、纖維的尺寸、任何的添加劑和在纖維上的塗層，或其它特性上可互相有所不同。
定位在去除材料540下遊的是一顆粒過濾介質548。介質548可以是任何普通使用或合適的過濾介質，例如，紙、玻璃纖維、聚合物的平紋棉麻織物等。介質548阻止疏鬆的纖維和或其它的材料從去除材料540中逃逸和通過而跑到定位在組件500下遊的燃料電池中。一較佳的介質548包括混合有尼龍共聚物和防水添加劑的聚合物，美國專利申請系列號No.09/871,583對此已有描述，並且可以EON過濾介質的商標名從唐納森公司購得。在介質548的下遊還有篩546，它對介質548提供支承。空氣經過去除材料540和介質548而通過排出過濾器組件503，通過出口534退出，並前進到燃料電池的下遊。
然而，應該理解的是，即使在上述的描述中陳述了許多本發明的特徵和優點，以及本發明的結構和功能上的諸多細節，但這樣的描述僅是說明性的，並不意圖以附後的權利要求書之外的任何的方式來限制本發明的範圍。本發明並不局限於所述的實施例，或用於任何特定類型的燃料電池，或使用本文所述的特定的部件、結構或材料。本發明涵蓋落入附後的權利要求書的廣義範圍內的所有變化的改型和變體。
權利要求
1.一過濾器組件，包括(a)一外殼，其具有一入口和一出口，入口構造成接收髒空氣到過濾器組件，而出口構造成從過濾器組件提供乾淨空氣；(b)一在外殼內的過濾器元件，過濾器元件包括一個構造和布置成從髒空氣中去除顆粒汙染物的顆粒過濾器部分；以及(c)一在外殼內的聲音抑制元件，聲音抑制元件構造和布置成對通過過濾器組件的聲音提供在一米內的至少6分貝的寬頻帶的聲音衰減。
2.如權利要求1所述的過濾器組件，其特徵在於，過濾器元件還包括一布置來從髒空氣中去除化學汙染物的化學過濾器部分。
3.如權利要求2所述的過濾器組件，其特徵在於，化學過濾器部分包括一吸附材料。
4.如權利要求3所述的過濾器組件，其特徵在於，吸附材料從包括下列物質的組群中選擇活性碳、浸漬碳、活性碳纖維、離子交換樹脂、離子交換纖維、氧化鋁、活性氧化鋁、分子篩，以及矽石。
5.如權利要求4所述的過濾器組件，其特徵在於，吸附材料具有一鹼性表面，並構造和布置成去除酸性汙染物，酸性汙染物至少是下列物質中的一個硫氧化物、氮氧化物、硫化氫、氯化氫，以及揮發的有機酸和非揮發的有機酸。
6.如權利要求4所述的過濾器組件，其特徵在於，吸附材料具有一酸性表面，並構造和布置成去除鹼性汙染物，鹼性汙染物至少是下列物質中的一個氨、胺、氨基化合物、氫氧化鈉、氫氧化鋰、氫氧化鉀、揮發的有機鹼和不揮發的有機鹼。
7.如權利要求1-6中任何一項所述的過濾器組件，其特徵在於，顆粒過濾器部分定位在徑向地靠近聲音抑制元件。
8.如權利要求1-7中任何一項所述的過濾器組件，其特徵在於，顆粒過濾器部分構造成提供直通的流動。
9.如權利要求1-8中任何一項所述的過濾器組件，其特徵在於，聲音抑制元件包括一共鳴器。
10.如權利要求1-9中任何一項所述的過濾器組件，其特徵在於，聲音抑制元件至少局部地由所述外殼限定。
11.如權利要求1-10中任何一項所述的過濾器組件，其特徵在於，聲音抑制元件構造和布置成對通過過濾器組件的聲音衰減至少達10分貝。
12.如權利要求1-11中任何一項所述的過濾器組件，其特徵在於，聲音抑制元件在高達約1350赫茲的頻率範圍內，衰減聲音至少達6分貝。
13.一發電的系統，該系統包括(a)一燃料電池組件，其具有一氧化劑入口埠和一燃料入口埠，並構造成從分別進入氧化劑入口埠和燃料入口埠的一氧化劑和一燃料中產生電能；(b)一根據權利要求1-12中任何一項所述的過濾器組件，該過濾器組件構造成提供乾淨空氣到燃料電池組件的氧化劑入口埠。
14.如權利要求13所述的系統，其特徵在於，還包括一空氣壓縮機。
15.如權利要求14所述的過濾器組件，其特徵在於，空氣壓縮機是一雙螺杆壓縮機。
16.如權利要求14-15中任何一項所述的系統，其特徵在於，還包括一壓縮機放流過濾器組件，其包括(a)一外殼，其具有一入口和一出口，入口構造成接收來自壓縮機的空氣；以及(b)一在外殼內的過濾器部分，並與入口流體連通，過濾器部分構造和布置成從來自壓縮機的空氣中去除汙染物。
17.如權利要求16所述的系統，其特徵在於，壓縮機放流過濾器組件還包括一在外殼內的聲音抑制元件，聲音抑制元件構造和布置成提供在一米內至少6分貝的寬頻帶的聲音衰減。
18.如權利要求16-17中任何一項所述的系統，其特徵在於，壓縮機放流過濾器組件的過濾器部分包括聚四氟乙烯。
全文摘要
一種用於燃料電池的過濾器組件，其用來從進入的髒空氣流中去除顆粒汙染物和化學汙染物。過濾器組件還包括一聲音抑制元件，其減小從諸如壓縮機之類的任何設備中發出的聲波或噪音。過濾器組件可包括一去除物理的或顆粒的汙染物的顆粒過濾器部分，一去除化學汙染物的化學過濾器部分，或者可兩者兼而有之。
文檔編號B01D46/42GK1646802SQ02808145
公開日2005年7月27日 申請日期2002年4月11日 優先權日2001年4月11日
發明者E·斯特納森, W·M·內曼, R·T·卡內帕 申請人:唐納森公司