氫空燃料電池系統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

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

空氣過濾器是氫空燃料電池系統中的重要元部件，它能有效地去除進料空氣中的有害氣體雜質及顆粒粉塵，同時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構特征，并重點討論了壓力降、吸附能力和過濾效率等三個設計原則和參數；總結分析了目前國內外空濾器的產品和研究情況，最后為高性能空濾器的設計方向提供建議。

空氣過濾器 燃料電池系統 設計參數

0 引言

氫空燃料電池因其清潔無污染、能源轉化率高等諸多優點，可以廣泛應用于新能源汽車和船舶、固定式發電系統等領域。日本豐田、韓國現代、德國奔馳等國際老牌車廠先后推出自己燃料電池產品，國內宇通、上汽、東風等大廠均開始了燃料電池的研究。

在氫空燃料電池系統從實驗室走向產品的開發示范運行過程中，外場實驗時其表現出的性能顯著低于實驗室測試結果。一個重要的因素是實驗室使用的潔凈的空氣，而在外場實驗中不可避免的使用大氣環境中的空氣，其中顆粒物和化學污染物顯著毒化了燃料電池催化劑。國內外對質子交換膜燃料電池專用空氣過濾器（空濾器）進行了相關研究。本文界定了空氣過濾器的概念，討論分析設計參數，總結目前研究現狀，預測未來空濾器的發展趨勢。

1 空氣過濾器概述

一個典型的氫空燃料電池系統包含燃料電池電堆、氫氣供應子系統、空氣供應子系統和水熱管理子系統。其中空氣供應子系統實現了將一定壓力和流量的干凈的空氣輸送至電堆陰極，使得燃料電池發生反應，如圖1所示主要包含空氣過濾器、空氣流量計、空壓機、中冷器、膜增濕器、和節氣門。

燃料電池系統專用空氣過濾器在系統中發揮了重要作用，不同于常規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氣體雜質，避免燃料電池催化劑中毒導致電堆性能衰減和壽命提前中止。然而，空氣過濾器的過設計又造成空氣供給回路中的壓力損失導致系統功耗增加，且結構導致燃料電池系統的體積功率密度下降。因此，需要根據燃料電池系統的整體配置和使用環境設計合適的空氣過濾器。

圖1 典型的氫空燃料電池的空氣供應子系統

空氣中的顆粒物和化學物質會影響PEMFC的壽命，傳統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物質。

PEMFC空濾器結構由濾殼和濾芯兩部分構成，現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度支撐和連接結構，兩種空濾器連接結構基本一致，包含空氣進口、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。方型空濾器結構簡單，體積占用率低，一般用于結構緊湊的乘用車，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物質，截面結構如圖3所示，包含紙質濾芯（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構設計，濾芯體積一定時，褶狀結構可以使濾紙的過濾面積最大化，同時提高空濾器的容塵量和使用壽命[2]?；钚蕴烤哂袃灹嫉奈叫阅?，可以吸附空氣中能毒化膜電極的SO2、NOx等化學物質。濾芯在使用過程中，顆粒物會逐漸堵塞濾紙，導致空濾器阻力增大，同時活性炭對化學物質的吸附能力會逐漸降低，因此濾芯需要定期更換。

圖3 PEMFC空濾器濾芯結構

2 空濾器設計參數分析

燃料電池空濾設計流程如圖4所示，根據空氣進氣屬性，確定空濾器的設計參數：壓力降、吸附效率和過濾類型，從而選擇正確濾芯材料，設計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 空濾器設計流程

2.1 空濾器流量壓力降分析

燃料電池的空氣流量air根據式（1）計算：

增加氫氣壓力可以使膜電極氫氣側水和氫離子更容易被壓至空氣側與空氣中氧氣發生發生，從而提高氫氧反應速度，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?？諌簷C可以將空氣壓縮來提高空氣壓力，升壓比為空壓機重要參數，例如升壓比為2的空壓機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出口壓力的降低也是成倍的。

空壓機通過葉輪高速旋轉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的出口壓機，增加空壓機功耗，影響燃料電池性能。空濾器包含濾料透氣阻力和濾芯的結構阻力，根據達西定律[4]：

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

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，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。通常采用褶狀結構設計來增大空濾器過濾面積，其設計特征包括褶高和褶數[3]。增加褶高和褶數均可增過濾面積，同時會增加褶間距。當褶間距較大時（褶高小，褶數少），空氣穿過濾芯的流動較為平穩，褶間距對壓力降影響不大；當褶間距減小到一定數值時，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。

對于空氣中的化學污染物，市場上普遍使用無紡布包裹的活性炭來吸附。同濟大學汽車學院陳專等人通過試驗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]?；钚蕴慷逊e會產生孔隙，空氣從孔隙間流過，經過活性炭表面時，化學物質被吸附，如圖5所示。增大活性炭顆?？梢栽龃罂紫堵剩瑥亩档蜑V芯壓力，同時增大活性炭顆粒會降低活性炭與空氣接觸表面積，降低空濾器化學吸附能力。圖6為相關試驗整理數據所得曲線，可以看出：隨著空氣流速增加，濾芯壓力降隨之增大，當空氣流動速度相同時，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）。燃料電池運行時，空壓機葉輪高速轉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動下會撞擊空壓機葉輪，降低其使用壽命。同時顆粒物經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合材料，玻璃纖維經濟性好，纖維尺寸和孔隙率可控，容塵量較差。聚丙烯滌綸復合材料是將聚丙烯材料進行容塵量優化，相同過濾精度和壓降條件下容塵量可達玻璃纖維材料的兩倍，但經濟性較差[6]。

空氣中的SO2、NOx、NH3等化學物質可以降低Pt催化劑活性[7]。因此空濾器續具備化學吸附功能，可吸附空氣中的S02、NOx、NH3。特別是，當燃料電池系統用于海島電站、船舶動力等近海環境時，需要考慮空氣中的鹽霧雜質，如NaCl、F-等?？諝庵胁煌瘜W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構，與空氣中游離的化學物質接觸，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吸附層?；瘜W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到飽和。飽和吸附量的設計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。設計空濾器化學吸附層時，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，由于空氣流動特性，多數空氣會從管口沿直線穿過空濾器，只有少數會擴散從邊緣穿過，如圖7所示。濾芯的過濾頻區會吸收大部分的化學分子，短暫使用后活性炭就會逐漸失活，而過濾盲區只吸附少量分子，仍具備較高活性。此時空氣仍然主要流過過濾頻區，空濾器化學吸附達到飽和，使用壽命大幅縮短。呂洪等[11]通過試驗和仿真研究顯示，在空濾器濾芯前端增加導流板可以使空氣流場更加均勻，大幅減小過濾盲區面積，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氣質量，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，纖維長度較短，則濾芯孔徑更小，越容易阻攔顆粒物，而細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空濾器人們更關注其化學吸附效率。影響空濾器化學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提高過濾效率，另一個改善思路是對活性炭材料的改良?；瘜W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添加KOH、KCO3等堿性物質增加其對酸性有害氣體的過濾[12]。

3 國內外研究進展及發展方向

3.1 國內外空濾器研究進展

自美國Donalson公司申請了世界第一個燃料電池專用空濾器專利，PEMFC空濾器已經得到長足發展?，F代ix35為全球第一個量產的燃料電池汽車，其續航里程達594 km，最高時速160 km/h。圖6是現代為ix35研發的空濾器，其中空濾器入口采用的是歧管設計，與傳統汽車一致，可直接與整車入口管相連，節省布置空間，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，流量傳感器可以監測空氣入堆流量，方便系統控制調節，集成到空濾器可減少燃料電池內部管路長度，大幅減少燃料電池體積；SO2濃度傳感器監測入堆空氣中SO2含量，判斷入堆空氣是否合格，何時需要更換濾芯。ix35空濾器濾芯采用物理吸附加活性炭，整體使用褶狀結構設計，提高過濾器使用面積。

圖6 ix35空濾器結構示意圖

國鴻空濾器在濾芯中使用了MOFs（有機金屬骨架）材料代替活性炭的化學吸附，MOfs是金屬離子與有機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，能通過設計特定孔隙的濾芯來滿足空濾器的不同壓力降、設過濾率的設計需求。同時，MOFs的比面積、孔隙率比活性炭更大，過濾性能更優。

圖7 國鴻空濾器濾芯

圖8 MOFs材料

蘇州大學研發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成，吸附凈化層由納米纖維氣凝膠構成，防碳化過濾層由納米纖維構成。納米纖維氣凝膠具有超輕量、超高比面積的特點，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體，經碳化后制備碳納米纖維氣凝膠，提高了氣凝膠的機械強度。顆粒物過濾層由納米纖維膜構成，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99.5%，同時空氣阻力低。

圖9 蘇州大學研發新型濾芯

大連新源研發的空濾器系統[14]具備空氣加熱功能，結構如圖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）?？諝鈴娜肟谕ㄟ^濾芯進入，經過入口溫度傳感器時，傳感器監測空氣入口溫度并開啟電阻絲，冷空氣經過電阻絲加熱，通過出口溫度傳感器，再根據出口溫度傳感器采集到的出口溫度調節電阻絲功率，使出口溫度穩定，有利于燃料電池低溫順利啟動。同時，大流量的空氣流動為燃料電池主要噪音來源，在空濾器內部集成消音棉可以有效降低噪音，使燃料電池運行更安靜。

圖10 大連化物所研發空濾器組件

鑒于目前市場燃料電池產品小批量化、產品多樣的特點，馬勒公司開發了用于燃料電池的標準化解決方案。采用模塊化設計理念，將空濾器設計成通用性組件，不需要針對特定車型重新設計空濾器，可以大幅減少開發時間和研發成本。馬勒采用該設計理念研發了25-50 kW和80-120 kW空濾器，具備物理吸附和化學吸附功能，這一款空濾器從適用性出發更貼近大眾市場的需求。

3.2 空濾器發展方向

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展，空濾器相應也在不斷更新優化。目前空濾器向一體化和多功能化和新材料研發等方向發展。

1）一體化

隨著質子交換膜燃料電池的快速發展，市場對燃料電池的體積要求越來越高，日本豐田研發的燃料電池發動機體積比功率已經達到600W/L，未來這一指標必然越來越高。空濾器為燃料電池供氣系統重要部件，為了滿足壓力降和過濾效率等性能，目前國內外過濾器包絡體積10L～15L，占燃料電池發動機體積15%，而空濾器出口至空壓機入口管路會進一步增大系統體積。因此，空濾器必然會朝著緊湊性一體化方向發展，如進出口使用歧管設計來縮短連接管路、集成系統空氣路傳感器等元器件來縮小系統體積。

2）多功能化

隨著燃料電池發動機對性能要求越來越高，目前市場上各整車廠對燃料電池發動機噪音要求不大于73 dB，能完成-30℃低溫冷啟動等。空濾器作為空氣供應系統入口元器件，并且內部有較大空腔，必然承擔更多功能?？稍诳諡V器內部空腔覆蓋消音棉、包裹電阻絲集成小型元器件或設計內部結構等方式來實現更多功能。

3）新材料研發

制約燃料電池空濾器的性能重要原因是化學吸附材料單一，目前市場上絕大多數產品采用改性活性炭顆粒，設計思路通過改變活性炭粒徑和堆積厚度來改變化學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。要使空濾器性能進一步提升，必然要研發新的替代材料，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

空濾器是燃料電池氫氣供應系統的重要組成部件，給系統提供干凈清潔的空氣?？諡V器正處于高速發展階段，目前市場上大多采用物理吸附和化學吸附相結合的過濾方式，設計參數主要包括壓力降、吸附能力和過濾效率。其中壓力降設計需要考慮濾紙的褶高和褶數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，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，纖維長度越短，過濾效率越高，化學物質的過濾效率與活性炭和空氣接觸面積、接觸時間有關，同時可以通過改良活性炭來增加對化學物質的吸附。隨著燃料電池的發展，空濾器會不斷優化自身性能來適應燃料電池的需求，空濾器必然朝著小型化、多功能化方向發展，將有新的更優材料來代替活性炭。

[1] Spiegel C. 燃料電池設計與制造[M]. 北京: 電子工業出版社, 2008.

[2] 袁惠新, 劉明爽, 呂浪, 等. 濾芯褶高對空氣過濾器性能影響的模擬研究[J]. 常州大學學報(自然科學版), 2016, 28(02): 62-66.

[3] Kennedy D M, Cahela D R,& Zhu W H, et al. Fuel cell cathode air filters: Methodologies for design and optimization[J]. Journal of Power Sources, 2007, 168(2): 391-399.

[4] 馮朝陽, 張振中, 江鋒,等. 核級高效空氣過濾器的結構與阻力關系探討[J]. 環境科學學報, 2008, 28(6): 1041-1046.

[5] 陳專, 呂洪, 馬曉偉, 等. FCE空氣過濾吸附材料壓降試驗與仿真研究[J]. 計算機仿真, 2009, 26(005): 296-298, 340.

[6] 張曉磊, 林忠平, 朱衛華, 等. 空氣過濾器容塵阻力性能與測試方法[J]. 暖通空調, 2015(5): 109-113, 122.

[7] Daniel M K, Donald R C,& Zhu W H，et al. Fuel cell cathode air filters: Methodologies for design and optimization[J]. Journal of Power Sources, 2007, 168(1): 391–399.

[8] Zhai Y, Bender G, Dorn S, et al. The Multiprocess Degradation of PEMFC Performance Due to Sulfur Dioxide Contamination and Its Recovery[J]. Human Biology, 2010, 66(2): 185-204.

[9] Lemaire O, Beno?t Barthe, & Franco A A. Mechanistic investigations of NO2impact on ORR in PEM fuel cells: a coupled experimental and multi- scale modeling approach[J]. ECS Transactions, 2009, 25(1): 1330-1344.

[10] Garzon G H, Lopes T,& Rockward T, et al. The impact of impurities on long-term PEMFC performance[J]. Ecs Transactions, 2009, 25(1): 1575-1583.

[11] 呂洪, 蔡書娟, 許瀟,等. 燃料電池發動機空氣過濾器的實驗與仿真[J]. 汽車工程, 2012.

[12] 陳專, 呂洪, 劉湃, 等. 車用PEMFC發動機空氣過濾器的設計研究[J]. 車用發動機, 2009(01): 13-16.

[13] 魏凱, 姚明, 顧婧, 等. 一種新型氫燃料電池空氣濾芯[P]. 中國, CN110115886A. 2019-08-13.

[14] 李秋紅, 王克勇, 楊景官, 等. 質子交換膜燃料電池系統用的恒溫加熱空氣濾清裝置[P]. 中國, CN205319239U. 2019-06-15.

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

科技部重點專項(2017YFB0103003)

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