KR20170098511A - 연료전지 자동차용 에어 필터 - Google Patents

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정찬정
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현대자동차주식회사
말레동현필터시스템 주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지 자동차용 에어 필터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 자동차의 에어클리너 필터에 있어서 화학 성분 및 먼지 포집량 증대를 통해 주행거리를 증대시킬 수 있는 연료전지 자동차용 에어 필터에 관한 발명이다.

Description

연료전지 자동차용 에어 필터{Air filter for fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지 자동차용 에어 필터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 자동차의 에어클리너 필터에 있어서 화학 성분 및 먼지 포집량 증대를 통해 주행거리를 증대시킬 수 있는 연료전지 자동차용 에어 필터에 관한 발명이다.
일반적으로 자동차의 공기 공급계 구조를 살펴보면, 도 1및 도 2에 도시된 바와 같이, 소음기와 에어클리너(2)가 별도의 단품으로 각각 부착되어 소음기는 공기 흡입 시 발생할 수 있는 소음을 저감하고, 에어클리너(2)는 공기 중의 미세 먼지를 제거하는 기능을 하게 된다.
근래에는 연료전지 자동차에 대하여 많은 연구가 진행되고 있는데, 연료전지는 전지 화학 반응에 의해 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 장치로, 연료 중의 수소와 공기 중의 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 전기를 생산하게 된다.
따라서 연료전지 자동차의 에어 필터는 미세 먼지와 이산화황(SO2), 톨루엔(toluen), 부탄(butane)과 같은 화학적 오염 물질이 여과된 상태의 공기를 스택 내부로 공급하는 것이 중요하다.
종래에는 상기와 같은 오염 물질을 효과적으로 여과하기 위해 도 3에 도시된 바와 같은 구조의 부직포로 이루어진 에어 필터(12)를 양산하여 사용하였다.
종래의 에어 필터(12)는 공기 중의 먼지를 1차로 여과하는 제1여과층(14), 공기 중의 화학물질을 포집하는 가스 흡착층(16), 공기 중의 먼지를 2차로 여과하는 제2여과층(18), 공기 중의 물질을 3차로 여과하며 물리적 형태를 유지하는 역할을 하는 커버층(20)으로 이루어져 있다.
이러한 구조의 종래의 에어 필터(12)는 에어 필터(12)의 재질인 부직포를 수입하여 사용하여야 하기 때문에 고가의 재료 비용이 발생하게 된다.
또한, 에어 필터(12)의 절곡 시 카본층(16)을 구성하는 카본의 이탈로 가스 포집 효율이 저하되고, 화학 성분 및 먼지의 포집량이 적어져 자동차의 실제 주행거리가 짧아지는 문제점이 있었다.
한국 등록특허공보 제10-0287958호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 화학 성분 및 먼지 포집량 증대를 통해 연료 전지 자동차의 주행거리를 증대시키는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 자동차용 에어 필터에 있어서,
2층의 먼지 포집 구조로 형성된 제1여과층;
무정형의 활성탄으로 형성된 가스 흡착층;
섬유들의 결합으로 생긴 무정형의 기공이 형성된 제2여과층;
에어 필터의 물리적 형태를 유지하는 커버층;을 포함한다.
가스 흡착층은 제1여과층 및 제2여과층과의 사이에 바인더가 각각 형성되는 것을 특징으로 한다.
제2여과층은 폴리프로필렌(poly propylene)로 이루어진 장섬유로 구성되는 것을 특징으로 한다.
제1여과층은 제1직경범위와 제2직경범위를 갖는 단섬유가 상하층을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
제1여과층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(poly ethylene terephthalate)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
먼지 제거를 위한 제1여과층과 제2여과층 사이에 가스 흡착을 위한 가스 흡착층이 형성되고, 제2여과층의 상부에는 에어 필터의 물리적 형태를 유지하는 커버층이 형성되는 것으로, 제1여과층의 성분은 AL508이고, 제2여과층의 성분은 AL508과 TAC2000인 것을 특징으로 한다.
연료전지 자동차용 에어 필터의 제조 방법에 있어서,
건식 부직포 (dry laid) 공법을 이용하여 2층의 먼지 포집 구조로 형성되는 제1여과층을 제조하는 단계;
스캐터링(scattering)공법을 이용하여 무정형의 활성탄으로 형성된 가스 흡착층을 제조하는 단계;
멜트 블로운(melt blown) 공법을 이용하여 섬유들의 결합으로 생긴 무정형의 기공이 형성된 제2여과층을 제조하는 단계;
스펀본드(spunbond) 공법을 이용하여 상기 에어 필터의 물리적 형태를 유지하는 커버층을 제조하는 단계;를 포함한다.
연료전지 자동차용 에어 필터의 작동 방법에 있어서,
외부에서 유입된 공기에 포함된 먼지를 2층의 먼지 포집 구조로 형성된 제1여과층에서 1차로 제거하는 단계;
무정형의 활성탄으로 형성된 가스 흡착층에서 상기 제1여과층에서 제거되지 않은 가스를 흡착하는 단계;
가스 흡착층을 통과한 공기 중의 미세 먼지를 무정형의 기공이 형성된 제2여과층에서 제거하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면 화학 성분 및 먼지 포집량을 증대시킴으로써 주행거리를 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 가스 흡착층의 카본 이탈 방지 구조로 인해 에어클리너 필터의 절곡 시 카본 이탈이 방지되어 가스 흡착효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 필터 재질의 국산화를 통해 원가 절감이 가능해지는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 에어클리너 시스템 개략도.
도 2는 종래의 연료전지 자동차용 에어클리너 어셈블리.
도 3은 종래의 연료 전지 자동차용 에어 필터 단층 구조도.
도 4는 본 발명의 연료 전지 자동차용 에어 필터 단층 구조도와 단층 사진.
도 5는 본 발명의 제2 여과층의 단층 사진.
도 6은 본 발명의 가스 흡착층의 단층 사진.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 4에는 본 발명의 연료 전지 자동차용 에어 필터 단층 구조도와 단층 사진을 도시하였으며, 도 5에는 본 발명의 제2 여과층의 단층 사진을 도시하였고, 도 6에는 본 발명의 가스 흡착층의 단층 사진을 도시하였다.
본 발명의 에어 필터는 먼지 제거를 위해 2층의 먼지 포집 구조로 형성된 제1여과층(30, 32)과 무정형의 활성탄으로 형성되어 외부에서 유입되는 공기 중에서 이산화황(SO2), 톨루엔(toluen), 부탄(butane)과 같은 가스를 흡착하기 위한 가스 흡착층(34)과 먼지 제거를 위해 섬유들의 결합으로 생긴 무정형의 기공이 형성된 제2여과층(38)과 폴리 프로필렌(poly propylene) 재질의 커버층(40)이 순차적으로 적층되어 구성된다. 외부에서 유입되는 공기는 상기 제1여과층(30, 32)을 가장 먼저 통과하게 된다.
상기 커버층(40)은 스펀본드(spunbond) 공법을 이용하여 제조되는 것으로, 상기 제2여과층(38)을 도와 먼지를 제거하며 상기 에어 필터의 물리적 형태를 유지하는 역할을 하게 된다.
상기 제1여과층(30, 32)은 건식 부직포 (dry laid) 공법을 이용하여 제조되는 것으로, 제1직경범위와 제2직경범위를 갖는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(poly ethylene terephthalate) 재질의 단섬유가 상하층을 이루도록 형성된다.
상기 제1여과층(30, 32)의 하층(32)은 직경이 5~20um인 섬유로 구성되는 것으로, 직경이 0.5~20um인 무정형 기공이 형성되고, 상기 제1여과층(30, 32)의 상층(30)은 직경이 20~150um인 섬유로 구성되는 것으로, 직경이 20~200um인 무정형 기공이 형성된다.
상기 제1여과층(30, 32)의 두께는 상층(30)과 하층(32)이 9:1의 비율이 되도록 형성되며, 상기 상층(30)과 하층(32)은 서로 물리적으로 접촉되어 결합된다.
상기 가스 흡착층(34)은 스캐터링(scattering)공법을 이용하여 제조되는 것으로, 카본(carbon)을 주 재료로 하여 이루어진다.
상기 가스 흡착층(34)에는 폴리 올레핀(poly olefin)재질의 바인더(36)가 상기 카본의 상단과 하단에 구성된다. 즉, 상기 가스 흡착층(34)과 상기 제2여과층(38) 사이, 상기 가스 흡착층(34)과 상기 제1여과층의 상층(30) 사이에 상기 바인더(36)가 거미줄 형상으로 각각 구성되어 상기 카본 입자들의 결합을 단단하게 함으로써 상기 가스 흡착층(34)으로 유입되는 가스의 흡착율을 증대시키는 것이다.
상기 제2여과층(38)은 멜트 블로운(melt blown) 공법을 이용하여 제조되는 것으로, 폴리프로필렌(poly propylene) 재질의 장섬유로 형성된다.
상기 장섬유의 직경은 5~150um로 구성되어 직경이 10~100um인 무정형의 기공이 형성된다.
폴리에틸렌 테레프탈레이트 재질의 상기 제1여과층(30, 32)은 AL508성분으로 구성되고, 폴리프로필렌 재질의 상기 제2여과층(38)은 AL508과 본 발명에서 제안하는 신규 재질인 TAC2000 성분으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 상기 제1여과층(30, 32)과 상기 제2여과층(38)의 물성은 다음과 같다.
상기 제1여과층(30, 32)의 전체 무게는 710g/m2 이며, 전체 무게 중 챠콜 무게는 500g/m2 이고, 두께는 2.1~2.6mm이며, 공기 투과도는 20~45cc/cm2/sec의 값을 만족하게 된다.
상기 제2여과층(38)의 전체 무게는 810g/m2 이고, 상기 전체 무게 중 챠콜 무게는 500g/m2이며, 두께는 3.5~4.2mm이고, 공기 투과도는 15~30cc/cm2/sec의 값을 만족하게 된다.
상기와 같은 재질로 구성되어 적층된 본 발명의 에어 필터는,
외부에서 유입된 공기에 포함된 먼지를 2층의 먼지 포집 구조로 형성된 제1여과층(30, 32)에서 1차로 제거하는 단계;
무정형의 활성탄으로 형성된 가스 흡착층(34)에서 상기 제1여과층(30, 32)에서 제거되지 않은 가스를 흡착하는 단계;
상기 가스 흡착층(34)을 통과한 공기 중의 미세 먼지를 무정형의 기공이 형성된 제2여과층(38)에서 제거하는 단계;
를 거쳐 외부에서 유입된 공기를 여과하게 된다.
본 발명의 에어 필터와 도 3에 도시된 종래의 에어 필터가 적층 구조와 구성 성분을 제외한 모든 사양이 똑같을 경우, 종래의 에어 필터와 본 발명의 에어 필터의 성능을 비교하면 다음과 같다.
2층으로 구성된 본 발명의 상기 제1여과층(30, 32)에서는 종래의 단층으로 이루어진 제1여과층(14)에 비해 60% 이상의 먼지 포집율이 증가되었으며, 본 발명의 가스 흡착층(34)에서는 바인더(36)의 구성으로 인해 에어 필터 절곡 시 카본의 이탈이 방지되어 종래의 가스 흡착층(16) 보다 4.5% 이상의 가스를 흡착할 수 있었다.
또한, TAC-2000재질이 적용된 본 발명의 상기 제2여과층(38)에서는 99% 이상의 미세 먼지 포집 성능을 확보함으로써 종래의 에어 필터(12)에 비해 효율적인 먼지 포집 성능을 통해 자동차의 주행거리를 증대시킬 수 있게 된다.
이상에서 설명된 본 발명의 연료전지 자동차용 에어 필터의 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
2 : 에어클리너
12 : 종래의 에어 필터
14 : 종래의 제1여과층
16 : 종래의 가스 흡착층
18 : 종래의 제2여과층
20 : 종래의 커버층
30 : 제1여과층(상층)
32 : 제1여과층(하층)
34 : 가스 흡착층
36 : 바인더
38 : 제2여과층
40 : 커버층

Claims (23)

  1. 연료전지 자동차용 에어 필터에 있어서,
    2층의 먼지 포집 구조로 형성된 제1여과층;
    무정형의 활성탄으로 형성된 가스 흡착층;
    섬유들의 결합으로 생긴 무정형의 기공이 형성된 제2여과층;
    상기 에어 필터의 물리적 형태를 유지하는 커버층;을 포함하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 흡착층은 상기 제1여과층 및 상기 제2여과층과의 사이에 바인더가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2여과층은 폴리프로필렌(poly propylene)로 이루어진 장섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 장섬유는 직경이 5~150um인 섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2여과층의 기공은 10~100um의 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 가스 흡착층의 상기 바인더는 거미줄 형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1여과층은 제1직경범위와 제2직경범위를 갖는 단섬유가 상하층을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1여과층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(poly ethylene terephthalate)로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1여과층의 하층은 직경이 5~20um인 섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1여과층의 상층은 직경이 20~150um인 섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1여과층의 하층에는 직경이 0.5~20um인 무정형 기공이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제1여과층의 상층에는 직경이 20~200um인 무정형 기공이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 제1여과층에서 상층과 하층은 9:1 비율의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 제1여과층의 상층과 하층은 물리적 접촉으로 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  15. 연료전지 자동차용 에어 필터에 있어서,
    먼지 제거를 위한 제1여과층과 제2여과층 사이에 가스 흡착을 위한 가스 흡착층이 형성되고, 상기 제2여과층의 상부에는 상기 에어 필터의 물리적 형태를 유지하는 커버층이 형성되는 것으로,
    상기 제1여과층의 성분은 AL508이고,
    상기 제2여과층의 성분은 AL508과 TAC2000인 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1여과층의 전체 무게는 710g/m2 이고, 상기 전체 무게 중 챠콜 무게는 500g/m2 인 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1여과층의 두께는 2.1~2.6mm인 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제1여과층의 공기 투과도는 20~45cc/cm2/sec 인 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 제2여과층의 전체 무게는 810g/m2 이고, 상기 전체 무게 중 챠콜 무게는 500g/m2 인 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 제2여과층의 두께는 3.5~4.2mm인 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 제2여과층의 공기 투과도는 15~30cc/cm2/sec 인 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 에어 필터.
  22. 연료전지 자동차용 에어 필터의 제조 방법에 있어서,
    건식 부직포 (dry laid) 공법을 이용하여 2층의 먼지 포집 구조로 형성되는 제1여과층을 제조하는 단계;
    스캐터링(scattering)공법을 이용하여 무정형의 활성탄으로 형성된 가스 흡착층을 제조하는 단계;
    멜트 블로운(melt blown) 공법을 이용하여 섬유들의 결합으로 생긴 무정형의 기공이 형성된 제2여과층을 제조하는 단계;
    스펀본드(spunbond) 공법을 이용하여 상기 에어 필터의 물리적 형태를 유지하는 커버층을 제조하는 단계;
    를 포함하는 연료전지 자동차용 에어 필터의 제조 방법.
  23. 연료전지 자동차용 에어 필터의 작동 방법에 있어서,
    외부에서 유입된 공기에 포함된 먼지를 2층의 먼지 포집 구조로 형성된 제1여과층에서 1차로 제거하는 단계;
    무정형의 활성탄으로 형성된 가스 흡착층에서 상기 제1여과층에서 제거되지 않은 가스를 흡착하는 단계;
    상기 가스 흡착층을 통과한 공기 중의 미세 먼지를 무정형의 기공이 형성된 제2여과층에서 제거하는 단계;
    를 포함하는 연료전지 자동차용 에어 필터의 작동 방법.


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