淺談氫燃料電池電動汽車用空氣濾清器

吳發乾，鐘輝煌

(一汽海馬汽車有限公司，海南海口 570216)

0 引言

隨著2018年5月11日李克強總理出訪日本參觀豐田的氫燃料電池汽車，我國的氫能源行業熱度迅速攀升。截至2019年6月，國外豐田、本田、現代、奔馳等都已經推出了氫燃料電池電動汽車；國內上汽、一汽、東風、長城、吉利、眾泰、觀致、廣汽、海馬等也都陸續在車展或會議等場合展示和宣稱了氫燃料電池電動汽車的研發。

由于氫燃料電池汽車零排放、加氫快、續航里程長等優點，所以它被認為是未來汽車發展的終極方向，成為當前最熱門的新技術之一。

結合作者工作實踐，首先簡單介紹氫燃料電動汽車，然后介紹空氣供應系統，以利于理解空氣濾清器所處的位置，最后重點剖析氫燃料電動汽車用空氣濾清器和傳統車的差異，以及設計考慮的重點要素。

1 氫燃料電池電動汽車

1.1 我國氫燃料電池電動汽車來歷

根據原GB 9417-1989,中國汽車被劃分為8大類：載貨汽車、越野汽車、自卸汽車、牽引車、專用汽車、客車、轎車、半掛車。根據GB/T 3730.1-2001《汽車和掛車類型的術語和定義》,中國汽車被劃分為3大類：汽車(含乘用車、商用車)、掛車、汽車列車。上述關于汽車分類的國標中都沒有氫燃料電池電動汽車，那么它是從哪里來的呢？

首先要從新能源汽車說起。2001年，國家“十五”期間的“863”重大科技課題首先提出了新能源汽車研究項目。在“十一五”期間，我國提出“節能和新能源汽車”戰略。2012年，《節能與新能源汽車產業發展規劃》指出：“新能源汽車是指采用新型動力系統，完全或主要依靠新型能源驅動的汽車，本規劃所指新能源汽車主要包括純電動汽車、插電式混合動力汽車及燃料電池汽車。”2017年《新能源汽車生產企業及產品準入管理規定》也提到了燃料電池汽車：“第三條 本規定所稱汽車，是指《汽車和掛車類型的術語和定義》國家標準(GB/T 3730.1-2001)第2.1款所規定的汽車整車(完整車輛)及底盤(非完整車輛)，不包括整車整備質量超過400 kg的三輪車輛。本規定所稱新能源汽車，是指采用新型動力系統，完全或者主要依靠新型能源驅動的汽車，包括插電式混合動力(含增程式)汽車、純電動汽車和燃料電池汽車等。”

可見，氫燃料電池電動汽車就是新能源汽車之一。新能源汽車就是指采用非常規的車用燃料作為動力來源(或使用常規的車用燃料、采用新型車載動力裝置)，綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的技術原理先進，具有新技術、新結構的汽車。GB/T 24548-2009《燃料電池電動汽車 術語》明確燃料電池汽車的定義為：“燃料電池電動汽車 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)是以燃料電池系統作為動力源或主動力源的汽車。”顧名思義，以氫氣為燃料的FCEV就叫氫燃料電池電動汽車。

1.2 氫燃料電池電動汽車簡介

燃料電池電動汽車的核心部件是燃料電池。按照GB/T 24548-2009《燃料電池電動汽車 術語》，電堆總成是將外部供應的燃料和氧化劑中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能、熱能和其他反應產物的發電裝置。

燃料電池分為多種，例如質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)、堿性燃料電池(Alkaline Fuel Cell，AFC)、磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)、固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)、直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)等。從工作溫度、啟動時間和氧化劑等角度考慮，汽車最適合用質子交換膜燃料電池(PEMFC)，如圖1所示。

圖1 PEMFC結構

燃料電池汽車和純電動汽車相比主要增加了燃料電池系統和車載供氫系統，如圖2所示。

圖2 燃料電池汽車和純電動汽車的差別

2 空氣供應系統

2.1 燃料電池輔助系統

空氣供給系統實際屬于燃料電池輔助系統。燃料電池輔助系統還包含氫氣供應系統和熱管理系統等，如圖3所示。

圖3 燃料電池輔助系統

2.2 空氣供應系統

GB/T 24548-2009《燃料電池電動汽車 術語》定義：空氣供應系統是對進入燃料電池的空氣進行過濾、加濕、壓力調節等方面處理的系統。包含空氣濾清器、空氣壓縮機、中冷器、加濕器和背壓閥等，如圖4所示。空氣首先進入空氣濾清器進行過濾，經過空氣濾清器出口處的流量傳感器，由管路流到空氣壓縮機；增壓后端高溫氣體進入中冷器冷卻，后進入加濕器增濕，然后進入電堆進行化學反應；從電堆出來的高濕度空氣重新返回加濕器，為加濕器補充水分，最后經過背壓閥排出。

圖4 空氣供應系統1

為了降低噪聲，一般在背壓閥后面還會接上管路和消聲器，如圖5所示。

圖5 空氣供應系統2

3 空氣濾清器

3.1 特點

氫燃料電池電動汽車用空氣濾清器與傳統燃油汽車的空濾器相比，有其獨有特點，主要和燃料電池的極板及其催化劑有關。空氣中的顆粒物會堵塞燃料電池極板，所以需要過濾顆粒物，這個作用和傳統燃油車一樣。但空氣中的雜質氣體(如SO2、NH3、NOx等)也會使燃料電池催化劑中毒，影響燃料電池性能，因此空氣濾清器還應具有去除有害雜質氣體的能力。這個作用是傳統燃油車沒有的，是氫燃料電池電動汽車用空氣濾清器的獨有特點。

3.2 結構

空氣濾清器在結構上一般包含上蓋、下蓋和濾芯，如圖6所示。

圖6 一般空氣濾清器組成

濾芯至少包含兩層，一層是物理過濾，另一層是化學吸附，如圖7所示。

下級子件還有裝配用的卡扣或螺釘、安裝支架，有時候附帶流量傳感器、溫度傳感器、氣體濃度傳感器等，外部接口有進氣口、出氣口等，如圖8所示。

圖7 濾芯結構

圖8 空氣濾清器的接口

有些空氣濾清器還增加專門的消聲器結構。如 Donaldson公司設計的一款空氣濾清器就帶有消聲器，如圖9所示。

圖9 Donaldson公司設計的空氣濾清器

甚至有些空氣濾清器設計智能控制是否通過化學吸附層。例如有害氣體濃度較低時不經過化學吸附層。這樣的設計可以節省濾芯材料，有利于延長濾芯壽命，但結構復雜。

3.3 功能

空氣濾清器的功能包含物理過濾、化學吸附、降音降噪、流量監測、壓差監測等。

物理過濾。去除空氣中的顆粒物(如沙塵、霧霾、粉塵、氣溶膠等)，防止燃料電池極板阻塞和化學吸附效率的降低，而且也能防止磨損空氣壓縮機和增加中冷器阻力等；同時也要考慮分離空氣中的水分以便氫燃料電池能夠適應不同的濕度運行。

化學吸附。利用吸附和化學反應有效去除有害氣體和揮發性污染物，避免因氫燃料電池陰極催化劑失活而導致的燃料電池性能下降。有害氣體和揮發性污染物包含SO2、NOx、H2S、清洗劑、除油漆溶劑、油漆、染料、殺蟲劑、消毒劑、膠水、天然氣、汽油、柴油、液化氣、香水、化妝品、視頻添加劑、漂染劑、香波等。

隔音降噪。隔離進氣風噪輻射，降低壓縮機、鼓風機產生的噪聲，從而改善駕乘環境。

流量監測。通過集成空氣流量傳感器，實施監測進氣流量，提高空氣利用率。

壓差監測。可以通過機械式或電子式設定壓差值，及時提示濾芯更換，避免濾芯更換不及時導致的系統故障或損害燃料電池。

3.4 原理

過濾，是指利用有孔介質從流體中去除有害物質，如圖10所示。

圖10 過濾原理

空氣濾清器的物理過濾原理包含直接攔截、慣性撞擊和擴散攔截3種。

直接攔截主要是由于有害物質的直徑大于濾材纖維構成的孔徑，過不去，所以被攔截，見圖11。

圖11 直接攔截

但有時候直接攔截也會發生以下情形：有害物質顆粒形狀不規則，由于搭橋情形被攔截，或者多個微粒形成搭橋攔截，見圖12。

慣性撞擊是當流體改變運動方向進入纖維空間時，微粒由于自身質量和線速度而具有直線運動慣性，將會離開流體主流而撞上濾材纖維，并因吸附力而停留，見圖13。

圖12 直接攔截

圖13 慣性撞擊

擴散攔截適用于那些直徑比濾孔還小的微粒。小的微粒不會被黏性流體固定在一個位置，而是在氣流中擴散，即自由運動。同時氣體分子也在做隨機運動，所以氣體分子會和微粒相互碰撞。當微粒被撞到纖維上，就被吸附截留，見圖14。

圖14 擴散攔截

空氣濾清器的化學吸附原理是通過選用某些比表面積大、密度小的高孔隙率材料(如活性炭、活性炭纖維、氧化鋁)作為載體，輔以表面改性技術或者負載催化劑，既可以達到高效的吸附效果，又改善空氣流通孔道，減小空氣傳輸阻力，見圖15。

圖15 化學吸附

3.5 設計參數

空氣濾清器的設計參數一般有空氣流量、進氣阻力、容灰量、過濾效率等。

燃料電池的空氣流量需求可以通過功率經驗公式(1)或利用電流公式(2)計算。

Va=30.2P·φ

(1)

式中：P為燃料電池輸出功率；φ為空氣過量系數。

Va=(60NIVmφ)/(4×0.21F)

(2)

式中：N為電堆片數；I為電堆電流；Vm為氣體摩爾體積，取22.4 L/mol；φ為空氣過量系數，取2～2.5；F為法拉第常數，取96 485 C/mol。

流量確定后，對燃料電池性能影響較大的參數是進氣阻力。這是因為空氣濾清器的進氣阻力越大，空氣壓縮機就要消耗更大的功率才能滿足燃料電池的空氣流量需求。雖然燃料電池的效率可達55%，甚至60%，但除去空氣壓縮機和燃料電池其他附件系統消耗的功率，剩余的燃料電池發動機(FCE)效率一般只有35%。為了減小空氣濾清器的進氣阻力，設計上要考慮減小濾芯厚度，增大濾芯面積。通過增大濾芯面積減小阻力原理降低氣流速度，圖16所示是面積為40 000 mm2和80 000 mm2的濾芯的進氣阻力曲線。

圖16 不同濾芯面積的進氣阻力曲線

實際上進氣阻力和濾芯面積需要同時考慮。例如，假設空氣流量2 000 L/min，經驗要求阻力(2±1)kPa，整車布置空間適合4 000～8 000 mm2，那么建議選取阻力2 kPa，結合圖16預計濾芯面積為6 000 mm2。

另外一般選用活性炭顆粒材料作為濾芯吸附劑(可以涂覆KOH和K2CO3等進行改性)。活性炭的顆粒大小也影響進氣阻力，一般來說，顆粒直徑越大進氣阻力越小。

但是活性炭顆粒直徑越大，空氣濾清器對有害氣體的吸附效果越差。不同直徑Dp的活性炭的吸附效果如圖17所示。

曲線1和3對比可見，3被穿透的時間遠遠大于1，即直徑越小，對吸附效率越有利。減小濾芯厚度對吸附效率也是不利的。可見進氣阻力和吸附效率是一對矛盾，設計上要考慮其平衡點。

過濾效率(物理過濾)和容灰量需針對不同的微粒直徑設定，如0.2、0.3、0.5、1、10 μm等。而化學吸附效率和吸附量則應該針對不同的有害物質設定，如SO2、NH3、NOx等(同時還有氣體流量、濃度等條件)。

圖17 不同直徑Dp的活性炭對SO2吸附穿透曲線

其他空濾器參數還有密封性、工作溫度、材質等，圖18所示為某車型空氣濾清器參數。

圖18 某車型的空氣濾清器參數

4 總結

綜上，氫燃料電池電動汽車的正常運行必須要空氣濾清器。此種空氣濾清器除了要有物理過濾層，還應有化學吸附層。設計上要考慮降低進氣阻力、提高過濾效率(或吸附效率)和容灰量(或吸附量)。