氫空燃料電池系統(tǒng)用空氣過濾器研究概述

吳 桐，肖 敏，潘建欣

氫空燃料電池系統(tǒng)用空氣過濾器研究概述

吳 桐，肖 敏，潘建欣

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

空氣過濾器是氫空燃料電池系統(tǒng)中的重要元部件，它能有效地去除進(jìn)料空氣中的有害氣體雜質(zhì)及顆粒粉塵，同時(shí)還考慮空氣供給回路中的壓力損失。本文介紹了空濾器的濾殼和濾芯的結(jié)構(gòu)特征，并重點(diǎn)討論了壓力降、吸附能力和過濾效率等三個(gè)設(shè)計(jì)原則和參數(shù)；總結(jié)分析了目前國內(nèi)外空濾器的產(chǎn)品和研究情況，最后為高性能空濾器的設(shè)計(jì)方向提供建議。

空氣過濾器 燃料電池系統(tǒng) 設(shè)計(jì)參數(shù)

0 引言

氫空燃料電池因其清潔無污染、能源轉(zhuǎn)化率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于新能源汽車和船舶、固定式發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域。日本豐田、韓國現(xiàn)代、德國奔馳等國際老牌車廠先后推出自己燃料電池產(chǎn)品，國內(nèi)宇通、上汽、東風(fēng)等大廠均開始了燃料電池的研究。

在氫空燃料電池系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)品的開發(fā)示范運(yùn)行過程中，外場實(shí)驗(yàn)時(shí)其表現(xiàn)出的性能顯著低于實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果。一個(gè)重要的因素是實(shí)驗(yàn)室使用的潔凈的空氣，而在外場實(shí)驗(yàn)中不可避免的使用大氣環(huán)境中的空氣，其中顆粒物和化學(xué)污染物顯著毒化了燃料電池催化劑。國內(nèi)外對質(zhì)子交換膜燃料電池專用空氣過濾器（空濾器）進(jìn)行了相關(guān)研究。本文界定了空氣過濾器的概念，討論分析設(shè)計(jì)參數(shù)，總結(jié)目前研究現(xiàn)狀，預(yù)測未來空濾器的發(fā)展趨勢。

1 空氣過濾器概述

一個(gè)典型的氫空燃料電池系統(tǒng)包含燃料電池電堆、氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)和水熱管理子系統(tǒng)。其中空氣供應(yīng)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將一定壓力和流量的干凈的空氣輸送至電堆陰極，使得燃料電池發(fā)生反應(yīng)，如圖1所示主要包含空氣過濾器、空氣流量計(jì)、空壓機(jī)、中冷器、膜增濕器、和節(jié)氣門。

燃料電池系統(tǒng)專用空氣過濾器在系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用，不同于常規(guī)空氣過濾器僅去除空氣中的粉塵顆粒，它還要有效地去除空氣中的有害化學(xué)氣體雜質(zhì)，避免燃料電池催化劑中毒導(dǎo)致電堆性能衰減和壽命提前中止。然而，空氣過濾器的過設(shè)計(jì)又造成空氣供給回路中的壓力損失導(dǎo)致系統(tǒng)功耗增加，且結(jié)構(gòu)導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)的體積功率密度下降。因此，需要根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的整體配置和使用環(huán)境設(shè)計(jì)合適的空氣過濾器。

圖1 典型的氫空燃料電池的空氣供應(yīng)子系統(tǒng)

空氣中的顆粒物和化學(xué)物質(zhì)會影響PEMFC的壽命，傳統(tǒng)汽車使用的空氣過濾器僅能過濾空氣中的顆粒物，無法過濾SO2和NOx等會毒化燃料電池催化劑的化學(xué)物質(zhì)。

PEMFC空濾器結(jié)構(gòu)由濾殼和濾芯兩部分構(gòu)成，現(xiàn)有濾殼大多分為圓柱型和方型兩種，如圖1所示。濾殼為空氣過濾器提供強(qiáng)度支撐和連接結(jié)構(gòu)，兩種空濾器連接結(jié)構(gòu)基本一致，包含空氣進(jìn)口、空氣出口和固定孔，部分空濾器有專門的排塵口清理灰塵。隨著空濾器的使用，濾芯的過濾效率會有顯著降低，阻力增大，通過安裝卡扣可以拆分空濾器更換濾芯。方型空濾器結(jié)構(gòu)簡單，體積占用率低，一般用于結(jié)構(gòu)緊湊的乘用車，圓柱型空濾器過濾效率高，壓阻更低，但體積更大，一般用于對安裝體積無限制的商用車。

圖2 （b）典型方型空濾器

濾芯為PEMFC空濾器的核心單元，能有效吸附空氣中的顆粒物和化學(xué)物質(zhì)，截面結(jié)構(gòu)如圖3所示，包含紙質(zhì)濾芯（濾紙）和活性炭兩部分。濾紙有良好的透氣性，并且對空氣中顆粒物有較高的吸附效率，用作空濾器的物理吸附。濾紙通常采用褶狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，濾芯體積一定時(shí)，褶狀結(jié)構(gòu)可以使濾紙的過濾面積最大化，同時(shí)提高空濾器的容塵量和使用壽命[2]。活性炭具有優(yōu)良的吸附性能，可以吸附空氣中能毒化膜電極的SO2、NOx等化學(xué)物質(zhì)。濾芯在使用過程中，顆粒物會逐漸堵塞濾紙，導(dǎo)致空濾器阻力增大，同時(shí)活性炭對化學(xué)物質(zhì)的吸附能力會逐漸降低，因此濾芯需要定期更換。

圖3 PEMFC空濾器濾芯結(jié)構(gòu)

2 空濾器設(shè)計(jì)參數(shù)分析

燃料電池空濾設(shè)計(jì)流程如圖4所示，根據(jù)空氣進(jìn)氣屬性，確定空濾器的設(shè)計(jì)參數(shù)：壓力降、吸附效率和過濾類型，從而選擇正確濾芯材料，設(shè)計(jì)合適的過濾面積和濾芯厚度[3]。空濾器的好壞可以直接影響電堆的性能和壽命。

圖4 空濾器設(shè)計(jì)流程

2.1 空濾器流量壓力降分析

燃料電池的空氣流量air根據(jù)式（1）計(jì)算：

增加氫氣壓力可以使膜電極氫氣側(cè)水和氫離子更容易被壓至空氣側(cè)與空氣中氧氣發(fā)生發(fā)生，從而提高氫氧反應(yīng)速度，提高電堆性能。單純地提高氫氣壓力會使氫氧壓差過大，嚴(yán)重可能壓破膜電極，目前市面上膜電極能承受最大氫氧壓差為25 kPa，因此需要提高空氣入堆壓力與之平衡。空壓機(jī)可以將空氣壓縮來提高空氣壓力，升壓比為空壓機(jī)重要參數(shù)，例如升壓比為2的空壓機(jī)可以將出口壓力壓縮為入口壓力的2倍，由此空濾器的壓損對空壓機(jī)出口壓力的降低也是成倍的。

空壓機(jī)通過葉輪高速旋轉(zhuǎn)為電堆提供一定壓力和一定流量的壓縮空氣，空濾器的壓力降會使成倍降低空壓機(jī)的出口壓機(jī)，增加空壓機(jī)功耗，影響燃料電池性能。空濾器包含濾料透氣阻力和濾芯的結(jié)構(gòu)阻力，根據(jù)達(dá)西定律[4]：

式中，ê為空濾器壓力降；為空氣流速；為空氣黏度系數(shù)；為空濾器厚度；R為濾芯材料的纖維半徑；為修正系數(shù)，為容密度；為動力學(xué)因子。

從式（2）可以看出空濾器壓力降與空氣流速和空濾器厚度成正比，但空氣流量一定時(shí)，空氣流速與空濾器的過濾面積成反比。即可以通過增大過濾面積和減小濾芯厚度的方法來降低壓力降。通常采用褶狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來增大空濾器過濾面積，其設(shè)計(jì)特征包括褶高和褶數(shù)[3]。增加褶高和褶數(shù)均可增過濾面積，同時(shí)會增加褶間距。當(dāng)褶間距較大時(shí)（褶高小，褶數(shù)少），空氣穿過濾芯的流動較為平穩(wěn)，褶間距對壓力降影響不大；當(dāng)褶間距減小到一定數(shù)值時(shí)，會改變空氣的流動形式，使流動更加紊亂，增大了空氣流動的摩擦阻力，從而增大空濾器的壓力降，減小濾芯厚度可以線性減小空濾器壓力降，同時(shí)會降低空濾器過濾效率和使用壽命，因此可以在符合過濾效率的前提下減小濾芯厚度。

對于空氣中的化學(xué)污染物，市場上普遍使用無紡布包裹的活性炭來吸附。同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院陳專等人通過試驗(yàn)研究了活性炭的顆粒大小和堆積高度對空濾器壓力降的影響[5]。活性炭堆積會產(chǎn)生孔隙，空氣從孔隙間流過，經(jīng)過活性炭表面時(shí)，化學(xué)物質(zhì)被吸附，如圖5所示。增大活性炭顆粒可以增大孔隙率，從而降低濾芯壓力，同時(shí)增大活性炭顆粒會降低活性炭與空氣接觸表面積，降低空濾器化學(xué)吸附能力。圖6為相關(guān)試驗(yàn)整理數(shù)據(jù)所得曲線，可以看出：隨著空氣流速增加，濾芯壓力降隨之增大，當(dāng)空氣流動速度相同時(shí)，空濾器壓力降隨活性炭堆積高度呈線性增加。

圖5 活性炭吸附過程

圖6 壓力降-活性炭堆積高度曲線[4]

2.2 空濾器吸附能力分析

PEMFC空濾器吸附能力包含吸附類型和容塵量（飽和吸附量）。燃料電池運(yùn)行時(shí)，空壓機(jī)葉輪高速轉(zhuǎn)動將原始空氣壓縮為高壓氣體并通過電堆，空氣中的顆粒物在運(yùn)動下會撞擊空壓機(jī)葉輪，降低其使用壽命。同時(shí)顆粒物經(jīng)過電堆流道會劃傷膜電極、剝離催化劑并堵塞流道，降低燃料電池性能和使用壽命。燃料電池空濾器需要具備物理吸附能力，常用物理吸附材料有玻璃纖維、聚丙烯或聚丙烯滌綸復(fù)合材料，玻璃纖維經(jīng)濟(jì)性好，纖維尺寸和孔隙率可控，容塵量較差。聚丙烯滌綸復(fù)合材料是將聚丙烯材料進(jìn)行容塵量優(yōu)化，相同過濾精度和壓降條件下容塵量可達(dá)玻璃纖維材料的兩倍，但經(jīng)濟(jì)性較差[6]。

空氣中的SO2、NOx、NH3等化學(xué)物質(zhì)可以降低Pt催化劑活性[7]。因此空濾器續(xù)具備化學(xué)吸附功能，可吸附空氣中的S02、NOx、NH3。特別是，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)用于海島電站、船舶動力等近海環(huán)境時(shí)，需要考慮空氣中的鹽霧雜質(zhì)，如NaCl、F-等。空氣中不同化學(xué)污染物對燃料電池性能的影響如表1所示。

表1 空氣中化學(xué)污染物對燃料電池性能的影響[8-10]

活性炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，與空氣中游離的化學(xué)物質(zhì)接觸，可以憑借分子間作用力將其吸附，因此燃料電池空濾器常使用一定直徑的活性炭顆粒作為化學(xué)吸附層。化學(xué)分子附著在活性炭表面降減少活性炭孔隙，直到活性炭失去吸附能力達(dá)到飽和。飽和吸附量的設(shè)計(jì)直接影響空濾器濾芯的使用壽命，活性炭更小的粒徑和更大堆積厚度可以增加有效表面積，但會增大濾芯體積和壓力降。設(shè)計(jì)空濾器化學(xué)吸附層時(shí)，需要綜合考慮濾芯使用壽命和壓力降要求，選擇合適的活性炭顆粒大小和堆積高度。

空濾器在使用時(shí)，由于空氣流動特性，多數(shù)空氣會從管口沿直線穿過空濾器，只有少數(shù)會擴(kuò)散從邊緣穿過，如圖7所示。濾芯的過濾頻區(qū)會吸收大部分的化學(xué)分子，短暫使用后活性炭就會逐漸失活，而過濾盲區(qū)只吸附少量分子，仍具備較高活性。此時(shí)空氣仍然主要流過過濾頻區(qū)，空濾器化學(xué)吸附達(dá)到飽和，使用壽命大幅縮短。呂洪等[11]通過試驗(yàn)和仿真研究顯示，在空濾器濾芯前端增加導(dǎo)流板可以使空氣流場更加均勻，大幅減小過濾盲區(qū)面積，有效增加空濾器的飽和吸附量和使用壽命。

2.3 空濾器過濾效率分析

空濾器的過濾效率直接影響燃料電池陰極的進(jìn)氣質(zhì)量，從而影響燃料電池性能及壽命。對空濾器物理過濾層的研究已經(jīng)十分成熟，空濾器對顆粒物的過濾只與過濾材料的纖維長度有關(guān)，纖維長度較短，則濾芯孔徑更小，越容易阻攔顆粒物，而細(xì)小的孔徑減小了空濾器的透氣率，增大壓損。

圖7 濾芯有效面積示意圖

PEMFC空濾器人們更關(guān)注其化學(xué)吸附效率。影響空濾器化學(xué)吸附效率的因素主要包括活性炭顆粒半徑、活性炭堆積高度和空氣流速。更小的活性炭顆粒半徑可以減少顆粒間距離，是空氣流動更為分散，空氣與活性炭接觸更加充分，從而提高過濾效率；更高的堆積厚度和更低的空氣流速可以增加空氣與活性炭顆粒的接觸時(shí)間，使活性炭的吸附更完全。改變活性炭顆粒半徑、堆積高度和空氣流速都是以犧牲空濾器壓降性能為代價(jià)提高過濾效率，另一個(gè)改善思路是對活性炭材料的改良。化學(xué)吸附主要除去空氣中SO2、NOx和NH3，其中敏感程度SO2＞NOx＞NH3，酸性分子為主要影響因素，可以在活性炭中適當(dāng)添加KOH、KCO3等堿性物質(zhì)增加其對酸性有害氣體的過濾[12]。

3 國內(nèi)外研究進(jìn)展及發(fā)展方向

3.1 國內(nèi)外空濾器研究進(jìn)展

自美國Donalson公司申請了世界第一個(gè)燃料電池專用空濾器專利，PEMFC空濾器已經(jīng)得到長足發(fā)展。現(xiàn)代ix35為全球第一個(gè)量產(chǎn)的燃料電池汽車，其續(xù)航里程達(dá)594 km，最高時(shí)速160 km/h。圖6是現(xiàn)代為ix35研發(fā)的空濾器，其中空濾器入口采用的是歧管設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)汽車一致，可直接與整車入口管相連，節(jié)省布置空間，提高集成度；該空濾器出口管集成布置了流量傳感器和SO2濃度傳感器，流量傳感器可以監(jiān)測空氣入堆流量，方便系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)，集成到空濾器可減少燃料電池內(nèi)部管路長度，大幅減少燃料電池體積；SO2濃度傳感器監(jiān)測入堆空氣中SO2含量，判斷入堆空氣是否合格，何時(shí)需要更換濾芯。ix35空濾器濾芯采用物理吸附加活性炭，整體使用褶狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高過濾器使用面積。

圖6 ix35空濾器結(jié)構(gòu)示意圖

國鴻空濾器在濾芯中使用了MOFs（有機(jī)金屬骨架）材料代替活性炭的化學(xué)吸附，MOfs是金屬離子與有機(jī)配體配位形成的一種多孔材料，如圖8所示。與活性炭相比，MOFs材料的孔隙可調(diào)，能通過設(shè)計(jì)特定孔隙的濾芯來滿足空濾器的不同壓力降、設(shè)過濾率的設(shè)計(jì)需求。同時(shí)，MOFs的比面積、孔隙率比活性炭更大，過濾性能更優(yōu)。

圖7 國鴻空濾器濾芯

圖8 MOFs材料

蘇州大學(xué)研發(fā)了燃料電池新型濾芯[13]，原理圖如圖9所示，包含顆粒物過濾層（1）、吸附凈化層（3）和防炭灰過濾層（2），顆粒物過濾層由納米纖維構(gòu)成，吸附凈化層由納米纖維氣凝膠構(gòu)成，防碳化過濾層由納米纖維構(gòu)成。納米纖維氣凝膠具有超輕量、超高比面積的特點(diǎn)，對于SO2、NH3等有害氣體具有超高吸附率；采用石墨烯摻雜聚丙烯腈的方法制備前驅(qū)體，經(jīng)碳化后制備碳納米纖維氣凝膠，提高了氣凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。顆粒物過濾層由納米纖維膜構(gòu)成，可有效過濾空氣中的固體和油性顆粒物，對顆粒0.5微米的顆粒物過濾效率達(dá)99.5%，同時(shí)空氣阻力低。

圖9 蘇州大學(xué)研發(fā)新型濾芯

大連新源研發(fā)的空濾器系統(tǒng)[14]具備空氣加熱功能，結(jié)構(gòu)如圖10所示，包含濾清器（1）、空濾外殼（2）、空濾支撐殼體（3）、和消音棉（4）、電阻絲加熱板（5）、入口溫度傳感器（7）、電阻絲出線口（8）所述空濾外殼、出口溫度傳感器（9）。空氣從入口通過濾芯進(jìn)入，經(jīng)過入口溫度傳感器時(shí)，傳感器監(jiān)測空氣入口溫度并開啟電阻絲，冷空氣經(jīng)過電阻絲加熱，通過出口溫度傳感器，再根據(jù)出口溫度傳感器采集到的出口溫度調(diào)節(jié)電阻絲功率，使出口溫度穩(wěn)定，有利于燃料電池低溫順利啟動。同時(shí)，大流量的空氣流動為燃料電池主要噪音來源，在空濾器內(nèi)部集成消音棉可以有效降低噪音，使燃料電池運(yùn)行更安靜。

圖10 大連化物所研發(fā)空濾器組件

鑒于目前市場燃料電池產(chǎn)品小批量化、產(chǎn)品多樣的特點(diǎn)，馬勒公司開發(fā)了用于燃料電池的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。采用模塊化設(shè)計(jì)理念，將空濾器設(shè)計(jì)成通用性組件，不需要針對特定車型重新設(shè)計(jì)空濾器，可以大幅減少開發(fā)時(shí)間和研發(fā)成本。馬勒采用該設(shè)計(jì)理念研發(fā)了25-50 kW和80-120 kW空濾器，具備物理吸附和化學(xué)吸附功能，這一款空濾器從適用性出發(fā)更貼近大眾市場的需求。

3.2 空濾器發(fā)展方向

受益于國家政策的大力扶持，近年來燃料電池乘用車飛速發(fā)展，空濾器相應(yīng)也在不斷更新優(yōu)化。目前空濾器向一體化和多功能化和新材料研發(fā)等方向發(fā)展。

1）一體化

隨著質(zhì)子交換膜燃料電池的快速發(fā)展，市場對燃料電池的體積要求越來越高，日本豐田研發(fā)的燃料電池發(fā)動機(jī)體積比功率已經(jīng)達(dá)到600W/L，未來這一指標(biāo)必然越來越高。空濾器為燃料電池供氣系統(tǒng)重要部件，為了滿足壓力降和過濾效率等性能，目前國內(nèi)外過濾器包絡(luò)體積10L～15L，占燃料電池發(fā)動機(jī)體積15%，而空濾器出口至空壓機(jī)入口管路會進(jìn)一步增大系統(tǒng)體積。因此，空濾器必然會朝著緊湊性一體化方向發(fā)展，如進(jìn)出口使用歧管設(shè)計(jì)來縮短連接管路、集成系統(tǒng)空氣路傳感器等元器件來縮小系統(tǒng)體積。

2）多功能化

隨著燃料電池發(fā)動機(jī)對性能要求越來越高，目前市場上各整車廠對燃料電池發(fā)動機(jī)噪音要求不大于73 dB，能完成-30℃低溫冷啟動等。空濾器作為空氣供應(yīng)系統(tǒng)入口元器件，并且內(nèi)部有較大空腔，必然承擔(dān)更多功能。可在空濾器內(nèi)部空腔覆蓋消音棉、包裹電阻絲集成小型元器件或設(shè)計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方式來實(shí)現(xiàn)更多功能。

3）新材料研發(fā)

制約燃料電池空濾器的性能重要原因是化學(xué)吸附材料單一，目前市場上絕大多數(shù)產(chǎn)品采用改性活性炭顆粒，設(shè)計(jì)思路通過改變活性炭粒徑和堆積厚度來改變化學(xué)吸附效率和使用壽命，而提高過濾效率必然犧牲壓力降性能。要使空濾器性能進(jìn)一步提升，必然要研發(fā)新的替代材料，具備更高的吸附能力、更低壓力降和更長的使用壽命。

4 總結(jié)

空濾器是燃料電池氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的重要組成部件，給系統(tǒng)提供干凈清潔的空氣。空濾器正處于高速發(fā)展階段，目前市場上大多采用物理吸附和化學(xué)吸附相結(jié)合的過濾方式，設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括壓力降、吸附能力和過濾效率。其中壓力降設(shè)計(jì)需要考慮濾紙的褶高和褶數(shù)以及活性炭的顆粒大小和堆積高度；吸附能力包括空濾器的吸附類型和容塵量：吸附類型由濾芯材料決定，燃料電池空濾器必須能吸附空氣中的顆粒物和SO2、NOx、NH3等化學(xué)污染物。容塵量（飽和吸附量）是考核空濾器使用壽命的重要參數(shù)，主要由物理吸附材料和活性炭總有效表面積決定；顆粒物過濾效率與濾紙的纖維長度有關(guān)，纖維長度越短，過濾效率越高，化學(xué)物質(zhì)的過濾效率與活性炭和空氣接觸面積、接觸時(shí)間有關(guān)，同時(shí)可以通過改良活性炭來增加對化學(xué)物質(zhì)的吸附。隨著燃料電池的發(fā)展，空濾器會不斷優(yōu)化自身性能來適應(yīng)燃料電池的需求，空濾器必然朝著小型化、多功能化方向發(fā)展，將有新的更優(yōu)材料來代替活性炭。

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Research on Air Filter for Hydrogen-Air Fuel Cell System

Wu Tong, Xiao Min, Pan Jianxin

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM911.4

A

1003-4862（2021）06-0039-06

2020-11-11

科技部重點(diǎn)專項(xiàng)(2017YFB0103003)

吳桐(1994-)，男，助理工程師。研究方向：燃料電池系統(tǒng)集成。E-mail: 374151094@qq.com