DE102013011511A1 - Filtereinrichtung, insbesondere für die einer Brennstoffzelle zuzuführenden Luft - Google Patents

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Abstract

Eine Filtereinrichtung weist ein Trägermedium und Aktivkohle als Adsorptionsmittel auf, die durch Zusatz von Klebstoff immobilisiert ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Filtereinrichtung, insbesondere für die einer Brennstoffzelle zuzuführenden Luft oder zur Pestizidfiltration, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Stand der Technik
  • In der US 7,758,674 B2 wird eine Filtereinrichtung für die einer Brennstoffzelle zuzuführenden Luft beschrieben. Mithilfe der Filtereinrichtung kann die Luft sowohl von Schmutzpartikeln als auch von chemischen Verunreinigungen befreit werden. Hierzu weist die Filtereinrichtung ein Filtervlies auf, an dem die Schmutzpartikel abgeschieden werden, sowie eine Schicht aus Aktivkohle, die als Adsorptionsmittel zur Adsorption gasförmiger Bestandteile in der Luft dient.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen Maßnahmen eine Filtereinrichtung, die Aktivkohle als Adsorptionsmittel aufweist, so auszubilden, dass auch über einen langen Betriebszeitraum ein guter Wirkungsgrad gegeben ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
  • Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung kann dazu verwendet werden, auf chemischem Wege Verunreinigungen in einem Gasstrom durch Adsorption herauszufiltern. Die Filtereinrichtung wird beispielsweise für die Reinigung der einer Brennstoffzelle zuzuführenden Luft eingesetzt, indem gasförmige Verunreinigungen in der Luft adsorbiert werden. Die Filtereinrichtung kann auch zur Pestizidfiltration verwendet werden. Die Filtereinrichtung weist zum einen ein Trägermedium und zum anderen als Adsorptionsmittel Aktivkohle auf, welche erfindungsgemäß durch den Zusatz von Klebstoff immobilisiert ist. Dies ermöglicht es, dicht gepackt Aktivkohleschichten zu realisieren, die ihre Struktur im Unterschied zu losen Aktivkohleschüttungen auch bei mechanischer Beanspruchung sowie über einen langen Betriebszeitraum beibehalten; Verschiebungen und lokale Verdichtungen der Aktivkohlepartikel, die zu einer Beeinträchtigung der Adsorptionsleistung führen können, werden vermieden. Beeinträchtigungen der Adsorptionsleistung beruhen zum Beispiel auf lokalen Fehlstellen in der Schüttung, was zu Leckagen führen kann. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung ist durch die Immobilisierung der Aktivkohlepartikel die Luftdurchlässigkeit höher als bei losen Schüttungen mit Aktivkohlepartikeln vergleichbaren Korndurchmessers. Die Immobilisierung der Aktivkohlepartikel hat des Weiteren den Vorteil, dass verschiedenartige Geometrien der Filtereinrichtung bzw. der Lagen des Trägermediums und der Aktivkohle erzeugt werden können. In Betracht kommen sowohl rechteckige als auch nicht-rechteckige Zuschnitte.
  • Die Immobilisierung der Aktivkohlepartikel in der Aktivkohleschicht wird durch den Zusatz von Klebstoff erreicht, dessen Kleberfäden an der Oberfläche der Aktivkohlepartikel anhaften und verschiedene Aktivkohlepartikel miteinander verbinden, ohne jedoch die Adsorptionsleistung der Aktivkohle zu beeinträchtigen. Als Klebstoff kommt beispielsweise ein reaktiver Kleber in Betracht, z. B. auf Basis von Polyurethan oder Silan. Möglich ist auch ein thermoplastischer Kleber, der z. B. auf Basis von Polyolefinen hergestellt wird.
  • Das Trägermedium ist Träger der Aktivkohle oder grenzt zumindest an die Aktivkohleschicht an. Das Trägermedium ist beispielsweise als eine Trägerlage bzw. -schicht ausgeführt, die ggf. eine mechanische Filtration von partikulären Verunreinigungen des zu reinigenden, gasförmigen Fluids übernimmt. In diesem Fall bildet das Trägermedium beispielsweise ein Träger- bzw. Filtervlies, an welchem Schmutzpartikel abgeschieden werden können. Das Filtervlies besteht z. B. aus Polyester, Polypropylen, Polyamid, Polyacrylnitril oder Polycarbonat.
  • In der Ausführung des Trägermediums als Trägerschicht bildet die Aktivkohle eine unmittelbar an die Trägerschicht angrenzende Aktivkohlelage, die vorzugsweise über den Klebstoff mit der Trägerschicht verbunden ist. Hierbei kommt sowohl ein Aufkleben der Aktivkohlelage auf die Trägerschicht in Betracht als auch die Verklebung über noch nicht abgebundene Klebstofffäden, welche auf die Aktivkohle aufgebracht sind. Die Trägerschicht begrenzt somit die Aktivkohlelage zumindest an einer Seite und ist zugleich mit der Aktivkohlelage verbunden.
  • Diese Ausführung ermöglicht die Ausbildung offener Trägerschicht-Aktivkohleschicht-Lagen mit immobilisierter Aktivkohlelage. Derartige Lagen, die als Medienlage bezeichnet werden und eine Trägerschicht sowie eine Aktivkohleschicht umfassen, können aufeinandergestapelt werden, wobei die Durchströmungsrichtung in Stapelrichtung, also orthogonal zur Ebene der Lagen liegt. In bevorzugter Ausführung werden jeweils zwei Medienlagen, die jeweils aus einer Trägerschicht und einer Aktivkohlelage bestehen, in der Weise aufeinandergestapelt, dass die Aktivkohlelagen der beiden Medienlagen unmittelbar aneinandergrenzen; diese zwei Medienlagen bilden zusammen eine Stapeleinheit. Im gestapelten Zustand liegen somit innerhalb einer oberen und einer unteren Trägerschicht zwei verschiedene Aktivkohlelagen unmittelbar aneinander. Derartige Stapeleinheiten können ggf. weiter aufeinandergestapelt werden, um eine gewünschte Gesamtdicke der Filtereinrichtung mit einer entsprechenden Filtrationsleistung zu erreichen.
  • Eine weitere Ausführungsform weist mehrere, aufeinandergestapelte Medienlagen auf. Jede Medienlage besteht aus einer Trägerschicht, einer Aktivkohlelage und einer Partikelfilterlage. In die Aktivkohlelage ist Klebstoff eingebracht, um die Aktivkohlepartikel zu immobilisieren. Die Aktivkohlelage ist mit der zugehörigen Trägerschicht, mit der die Aktivkohlelage die Medienlage bildet, über den Klebstoff verklebt.
  • Die Partikelfilterlage kann mehrlagig ausgeführt sein. Zudem kann die Partikelfilterlage stromaufwärts oder stromabwärts der Aktivkohlelagen oder auch sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts der Aktivkohlelagen angeordnet sein.
  • Es sind jeweils zwei Medienlagen in der Weise aufeinandergeschichtet, dass die Aktivkohlelagen einander zugewandt sind. Damit ergibt sich eine Stapeleinheit aus zwei Medienlagen, die von einer Trägerschicht und einer Partikelfilterlage begrenzt wird, zwischen denen zwei unmittelbar aneinandergrenzende Aktivkohlelagen angeordnet sind.
  • Auch im Ausführungsbeispiel gemäß 2 können die Aktivkohlelagen an ihren Stirnseiten, also den Breitseiten und den Längsseiten mit einer Versiegelung versehen sein. Unmittelbar aufeinanderliegende Aktivkohlelagen sind vorteilhafterweise nicht miteinander verklebt, vielmehr erfolgt die Verklebung nur über die jeweils unmittelbar angrenzende Trägerschicht.
  • Des Weiteren ist es möglich, in einfacher Weise verschiedene Aktivkohlesorten pro Lage zu kombinieren, beispielsweise verschiedene Rohstoffe wie Kokosnuss, Steinkohle, Holzkohle oder synthetische Ausgangsstoffe, verschiedene Aktivierungsgrade, verschiedene katalytische Eigenschaften und unterschiedliche Imprägnierungen. Hierdurch ist eine Anpassung an das Zielgasspektrum möglich.
  • Gemäß einer alternativen Ausführung ist die Aktivkohlelage an ihren beiden Seitenflächen von jeweils einer Trägerschicht begrenzt; eine zwischenliegende Aktivkohlelage und zwei Trägerschichten bilden eine Medienlage. Zweckmäßigerweise ist die Aktivkohlelage auch mit beiden Trägerschichten verklebt. Eine Medienlage bzw. Stapeleinheit besteht somit aus zwei Trägerschichten und einer zwischenliegenden Aktivkohlelage, wobei ggf. mehrere Stapeleinheiten aufeinandergestapelt werden können.
  • Durch eine unterschiedliche Lagenanzahl bzw. Stapeleinheiten können ggf. auch große Höhen bei verhältnismäßig geringen Längen und Breiten der Filtereinrichtung verwirklicht werden. Die größere Höhe geht mit längeren Verweilzeiten und einer besseren, effektiven Adsorption einher und führt zu größeren Standzeiten des Aktivkohlefilters.
  • Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Aktivkohlelage an ihren Längs- und/oder Breitseiten versiegelt, so dass ggf. gemeinsam mit den an den Seitenflächen anliegenden Trägerschichten eine allseitige Begrenzung der Aktivkohlelage realisiert werden kann. Die Versiegelung an den Längs- und/oder Breitseiten erhöht die Stabilität und verbessert die Sicherheit gegen Delaminierung und Verschiebungen in der Aktivkohlelage.
  • Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist das Trägermedium als ein offenporiger Schaum ausgebildet, beispielsweise als ein Polyurethanschaum, in welchem die Aktivkohle sowie der Klebstoff aufgenommen sind. Es kommen Ausführungen in Betracht, bei denen zur Herstellung der Filtereinrichtung zunächst der Klebstoff in den offenporigen Schaum des Trägermediums eingebracht und anschließend die Aktivkohle eingebracht wird. Möglich ist auch die Ausführung, zunächst den Klebstoff auf die Aktivkohle aufzubringen und das Aktivkohle-Klebstoff-Gemisch in den offenporigen Schaum des Trägermediums einzubringen.
  • Außer den beschrieben Faltenfilterlagen kann die Filtereinrichtung auch mit Flachfilterlagen, insbesondere als Wickelfilter, ausgeführt sein.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
  • 1 in schematischer Darstellung eine erste Filtereinrichtung, die Aktivkohle als Adsorptionsmittel aufweist, mit zwei aufeinandergestapelten Medienlagen, die jeweils aus zwei Trägerschichten mit zwischenliegender Aktivkohlelage bestehen,
  • 2 eine Filtereinrichtung mit verschiedenen Trägerschichten und Aktivkohlelagen in einer weiteren Ausführung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist eine Filtereinrichtung 1 zur Filtration eines gasförmigen Mediums dargestellt, wobei über die Filtereinrichtung 1 sowohl eine mechanische als auch eine chemische Reinigung durchgeführt werden kann. Über die Filtereinrichtung 1 kann beispielsweise die einer Brennstoffzelle zuzuführende Luft von Schmutzpartikeln und von chemischen, gasförmigen Substanzen gereinigt werden.
  • Die Filtereinrichtung 1 weist zumindest zwei aufeinander gestapelte Medienlagen 2 auf, die jeweils aus zwei parallel verlaufenden Trägerschichten 3 und einer zwischenliegenden Aktivkohlelage 4 bestehen. Die Trägerschichten 3 bilden jeweils ein Filtervlies, welches zur Partikelabscheidung eingesetzt wird. Die Aktivkohlelage 4 wirkt als Adsorptionsmittel zur Adsorption von flüchtigen Bestandteilen, die im Gasstrom mitgeführt werden. Die Durchströmungsrichtung erfolgt orthogonal zur Ebene der Trägerschichten 3 bzw. der Aktivkohlelagen 4.
  • Das Filtervlies der Trägerschichten 3 besteht beispielsweise aus Polyester, Polyurethan, Polyamid, Polyacrylnitril oder Polycarbonat. Die Aktivkohle in der Aktivkohlelage 4 ist mittels eines Klebstoffes verfestigt bzw. immobilisiert, so dass die einzelnen Aktivkohlepartikel innerhalb der Aktivkohlelage nicht frei beweglich sind, sondern in der Schicht einen festen Platz einnehmen. Als Klebstoff kommt ein reaktiver Kleber, beispielsweise auf Basis von Polyurethan, oder ein thermoplastischer Kleber, beispielsweise auf Basis von Polyolefinen in Betracht. Der Klebstoff weist Kleberfäden auf, die an der Oberfläche der Aktivkohlepartikel anhaften und hierdurch die Verklebung bewirken.
  • Die Aktivkohlelage 4 ist außerdem mit beiden Trägerschichten 3 verklebt, welche Bestandteil der jeweiligen Medienlage 2 ist und sich an den beiden Seitenflächen der Aktivkohlelage 4 befindet. An den Stirnseiten, also den Längs- und Breitseiten, kann die Aktivkohlelage 4 mit einer Versiegelung versehen sein, welche der Aktivkohlelage eine zusätzliche Stabilität und Sicherung gegen Delaminierung und Verschiebung verleiht.
  • Die einzelnen Medienlagen 2, welche aufeinandergestapelt sind, können entweder lose aufeinandergeschichtet oder ebenfalls durch Verklebung aneinandergehalten sein.
  • Gegebenenfalls kann die Filtereinrichtung 1 mehr als zwei Medienlagen 2 aufweisen.
  • In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Filtereinrichtung 1 ebenfalls mehrere, aufeinandergestapelte Medienlagen 2 aufweist. Jede Medienlage 2 besteht aus einer Trägerschicht 3 und einer Aktivkohlelage 4. In die Aktivkohlelage 4 ist Klebstoff eingebracht, um die Aktivkohlepartikel zu immobilisieren. Die Aktivkohlelage 4 ist mit der zugehörigen Trägerschicht 3, mit der die Aktivkohlelage 4 die Medienlage 2 bildet, über den Klebstoff verklebt.
  • Gemäß 2 sind jeweils zwei Medienlagen 2 in der Weise aufeinandergeschichtet, dass die Aktivkohlelagen 4 einander zugewandt sind. Damit ergibt sich eine Stapeleinheit aus zwei Medienlagen 2, die von einer oberen und einer unteren Trägerschicht 3 begrenzt wird, zwischen denen zwei unmittelbar aneinandergrenzende Aktivkohlelagen 4 angeordnet sind. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind zwei derartige Stapeleinheiten mit jeweils zwei Medienlagen 2 aufeinandergestapelt. Grundsätzlich können aber auch mehr als zwei Stapeleinheiten aufeinandergeschichtet werden.
  • Auch im Ausführungsbeispiel gemäß 2 können die Aktivkohlelagen an ihren Stirnseiten, also den Breitseiten und den Längsseiten mit einer Versiegelung versehen sein. Unmittelbar aufeinanderliegende Aktivkohlelagen 4 sind vorteilhafterweise nicht miteinander verklebt, vielmehr erfolgt die Verklebung nur über die jeweils unmittelbar angrenzende Trägerschicht 3.
  • Direkt aufeinanderliegende Trägerschichten 3 der Stapeleinheiten können gegebenenfalls miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Verkleben.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Filtereinrichtung 1 ebenfalls mehrere, aufeinandergestapelte Medienlagen 2 auf. Jede Medienlage 2 besteht aus einer Trägerschicht 3, einer Aktivkohlelage 4 und einer Partikelfilterlage 5. In die Aktivkohlelage 4 ist Klebstoff eingebracht, um die Aktivkohlepartikel zu immobilisieren. Die Aktivkohlelage 4 ist mit der zugehörigen Trägerschicht 3, mit der die Aktivkohlelage 4 die Medienlage 2 bildet, über den Klebstoff verklebt.
  • Die Partikelfilterlage kann mehrlagig ausgeführt sein. Zudem kann die Partikelfilterlage 5 stromaufwärts oder stromabwärts der Aktivkohlelage 4 oder auch sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts der Aktivkohlelage 4 angeordnet sein.
  • Es sind jeweils zwei Medienlagen 2 in der Weise aufeinandergeschichtet, dass die Aktivkohlelagen 4 einander zugewandt sind. Damit ergibt sich eine Stapeleinheit aus zwei Medienlagen 2, die von einer Trägerschicht 3 und einer Partikelfilterlage 5 begrenzt wird, zwischen denen zwei unmittelbar aneinandergrenzende Aktivkohlelagen 4 angeordnet sind.
  • Auch im Ausführungsbeispiel gemäß 2 können die Aktivkohlelagen an ihren Stirnseiten, also den Breitseiten und den Längsseiten mit einer Versiegelung versehen sein. Unmittelbar aufeinanderliegende Aktivkohlelagen 4 sind vorteilhafterweise nicht miteinander verklebt, vielmehr erfolgt die Verklebung nur über die jeweils unmittelbar angrenzende Trägerschicht 3.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7758674 B2 [0002]

Claims (10)

  1. Filtereinrichtung, insbesondere für die einer Brennstoffzelle zuzuführenden Luft oder zur Pestizidfiltration, mit einem Trägermedium und mit Aktivkohle als Adsorptionsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohlepartikel der Aktivkohle durch Zusatz von Klebstoff immobilisiert sind.
  2. Filtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff in der Aktivkohleschicht ein reaktiver Kleber ist, beispielsweise auf Basis von Polyurethan oder Silan.
  3. Filtereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff in der Aktivkohleschicht ein thermoplastischer Kleber ist, beispielsweise auf Basis von Polyolefinen.
  4. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermedium als Filtervlies zur Partikelabscheidung ausgebildet ist.
  5. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermedium als Trägerschicht (3) ausgebildet ist und die Aktivkohle eine unmittelbar an die Trägerschicht (3) angrenzende Aktivkohlelage (4) bildet.
  6. Filtereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohlelage (4) mit ihren beiden Seitenflächen an jeweils eine Trägerschicht (3) angrenzt.
  7. Filtereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohlelage (4) mit nur einer Seitenfläche an eine Trägerschicht (3) angrenzt.
  8. Filtereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Medienlagen (2), die jeweils aus einer Trägerschicht (3) und einer Aktivkohlelage (4) bestehen, in der Weise aufeinander gestapelt sind, dass die Aktivkohlelagen (4) der beiden Medienlagen (2) unmittelbar aneinandergrenzen.
  9. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das die Aktivkohlelage (4) an den Längs- bzw. Breitseiten versiegelt ist.
  10. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermedium als offenporiger Schaum ausgebildet ist, in welchem die Aktivkohle und der Klebstoff aufgenommen sind.
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