氢空燃料电池系统用空气过滤器研究概述

吴 桐，肖 敏，潘建欣

氢空燃料电池系统用空气过滤器研究概述

吴 桐，肖 敏，潘建欣

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

空气过滤器是氢空燃料电池系统中的重要元部件，它能有效地去除进料空气中的有害气体杂质及颗粒粉尘，同时还考虑空气供给回路中的压力损失。本文介绍了空滤器的滤壳和滤芯的结构特征，并重点讨论了压力降、吸附能力和过滤效率等三个设计原则和参数；总结分析了目前国内外空滤器的产品和研究情况，最后为高性能空滤器的设计方向提供建议。

空气过滤器 燃料电池系统 设计参数

0 引言

氢空燃料电池因其清洁无污染、能源转化率高等诸多优点，可以广泛应用于新能源汽车和船舶、固定式发电系统等领域。日本丰田、韩国现代、德国奔驰等国际老牌车厂先后推出自己燃料电池产品，国内宇通、上汽、东风等大厂均开始了燃料电池的研究。

在氢空燃料电池系统从实验室走向产品的开发示范运行过程中，外场实验时其表现出的性能显著低于实验室测试结果。一个重要的因素是实验室使用的洁净的空气，而在外场实验中不可避免的使用大气环境中的空气，其中颗粒物和化学污染物显著毒化了燃料电池催化剂。国内外对质子交换膜燃料电池专用空气过滤器（空滤器）进行了相关研究。本文界定了空气过滤器的概念，讨论分析设计参数，总结目前研究现状，预测未来空滤器的发展趋势。

1 空气过滤器概述

一个典型的氢空燃料电池系统包含燃料电池电堆、氢气供应子系统、空气供应子系统和水热管理子系统。其中空气供应子系统实现了将一定压力和流量的干净的空气输送至电堆阴极，使得燃料电池发生反应，如图1所示主要包含空气过滤器、空气流量计、空压机、中冷器、膜增湿器、和节气门。

燃料电池系统专用空气过滤器在系统中发挥了重要作用，不同于常规空气过滤器仅去除空气中的粉尘颗粒，它还要有效地去除空气中的有害化学气体杂质，避免燃料电池催化剂中毒导致电堆性能衰减和寿命提前中止。然而，空气过滤器的过设计又造成空气供给回路中的压力损失导致系统功耗增加，且结构导致燃料电池系统的体积功率密度下降。因此，需要根据燃料电池系统的整体配置和使用环境设计合适的空气过滤器。

图1 典型的氢空燃料电池的空气供应子系统

空气中的颗粒物和化学物质会影响PEMFC的寿命，传统汽车使用的空气过滤器仅能过滤空气中的颗粒物，无法过滤SO2和NOx等会毒化燃料电池催化剂的化学物质。

PEMFC空滤器结构由滤壳和滤芯两部分构成，现有滤壳大多分为圆柱型和方型两种，如图1所示。滤壳为空气过滤器提供强度支撑和连接结构，两种空滤器连接结构基本一致，包含空气进口、空气出口和固定孔，部分空滤器有专门的排尘口清理灰尘。随着空滤器的使用，滤芯的过滤效率会有显著降低，阻力增大，通过安装卡扣可以拆分空滤器更换滤芯。方型空滤器结构简单，体积占用率低，一般用于结构紧凑的乘用车，圆柱型空滤器过滤效率高，压阻更低，但体积更大，一般用于对安装体积无限制的商用车。

图2 （b）典型方型空滤器

滤芯为PEMFC空滤器的核心单元，能有效吸附空气中的颗粒物和化学物质，截面结构如图3所示，包含纸质滤芯（滤纸）和活性炭两部分。滤纸有良好的透气性，并且对空气中颗粒物有较高的吸附效率，用作空滤器的物理吸附。滤纸通常采用褶状结构设计，滤芯体积一定时，褶状结构可以使滤纸的过滤面积最大化，同时提高空滤器的容尘量和使用寿命[2]。活性炭具有优良的吸附性能，可以吸附空气中能毒化膜电极的SO2、NOx等化学物质。滤芯在使用过程中，颗粒物会逐渐堵塞滤纸，导致空滤器阻力增大，同时活性炭对化学物质的吸附能力会逐渐降低，因此滤芯需要定期更换。

图3 PEMFC空滤器滤芯结构

2 空滤器设计参数分析

燃料电池空滤设计流程如图4所示，根据空气进气属性，确定空滤器的设计参数：压力降、吸附效率和过滤类型，从而选择正确滤芯材料，设计合适的过滤面积和滤芯厚度[3]。空滤器的好坏可以直接影响电堆的性能和寿命。

图4 空滤器设计流程

2.1 空滤器流量压力降分析

燃料电池的空气流量air根据式（1）计算：

增加氢气压力可以使膜电极氢气侧水和氢离子更容易被压至空气侧与空气中氧气发生发生，从而提高氢氧反应速度，提高电堆性能。单纯地提高氢气压力会使氢氧压差过大，严重可能压破膜电极，目前市面上膜电极能承受最大氢氧压差为25 kPa，因此需要提高空气入堆压力与之平衡。空压机可以将空气压缩来提高空气压力，升压比为空压机重要参数，例如升压比为2的空压机可以将出口压力压缩为入口压力的2倍，由此空滤器的压损对空压机出口压力的降低也是成倍的。

空压机通过叶轮高速旋转为电堆提供一定压力和一定流量的压缩空气，空滤器的压力降会使成倍降低空压机的出口压机，增加空压机功耗，影响燃料电池性能。空滤器包含滤料透气阻力和滤芯的结构阻力，根据达西定律[4]：

式中，ê为空滤器压力降；为空气流速；为空气黏度系数；为空滤器厚度；R为滤芯材料的纤维半径；为修正系数，为容密度；为动力学因子。

从式（2）可以看出空滤器压力降与空气流速和空滤器厚度成正比，但空气流量一定时，空气流速与空滤器的过滤面积成反比。即可以通过增大过滤面积和减小滤芯厚度的方法来降低压力降。通常采用褶状结构设计来增大空滤器过滤面积，其设计特征包括褶高和褶数[3]。增加褶高和褶数均可增过滤面积，同时会增加褶间距。当褶间距较大时（褶高小，褶数少），空气穿过滤芯的流动较为平稳，褶间距对压力降影响不大；当褶间距减小到一定数值时，会改变空气的流动形式，使流动更加紊乱，增大了空气流动的摩擦阻力，从而增大空滤器的压力降，减小滤芯厚度可以线性减小空滤器压力降，同时会降低空滤器过滤效率和使用寿命，因此可以在符合过滤效率的前提下减小滤芯厚度。

对于空气中的化学污染物，市场上普遍使用无纺布包裹的活性炭来吸附。同济大学汽车学院陈专等人通过试验研究了活性炭的颗粒大小和堆积高度对空滤器压力降的影响[5]。活性炭堆积会产生孔隙，空气从孔隙间流过，经过活性炭表面时，化学物质被吸附，如图5所示。增大活性炭颗粒可以增大孔隙率，从而降低滤芯压力，同时增大活性炭颗粒会降低活性炭与空气接触表面积，降低空滤器化学吸附能力。图6为相关试验整理数据所得曲线，可以看出：随着空气流速增加，滤芯压力降随之增大，当空气流动速度相同时，空滤器压力降随活性炭堆积高度呈线性增加。

图5 活性炭吸附过程

图6 压力降-活性炭堆积高度曲线[4]

2.2 空滤器吸附能力分析

PEMFC空滤器吸附能力包含吸附类型和容尘量（饱和吸附量）。燃料电池运行时，空压机叶轮高速转动将原始空气压缩为高压气体并通过电堆，空气中的颗粒物在运动下会撞击空压机叶轮，降低其使用寿命。同时颗粒物经过电堆流道会划伤膜电极、剥离催化剂并堵塞流道，降低燃料电池性能和使用寿命。燃料电池空滤器需要具备物理吸附能力，常用物理吸附材料有玻璃纤维、聚丙烯或聚丙烯涤纶复合材料，玻璃纤维经济性好，纤维尺寸和孔隙率可控，容尘量较差。聚丙烯涤纶复合材料是将聚丙烯材料进行容尘量优化，相同过滤精度和压降条件下容尘量可达玻璃纤维材料的两倍，但经济性较差[6]。

空气中的SO2、NOx、NH3等化学物质可以降低Pt催化剂活性[7]。因此空滤器续具备化学吸附功能，可吸附空气中的S02、NOx、NH3。特别是，当燃料电池系统用于海岛电站、船舶动力等近海环境时，需要考虑空气中的盐雾杂质，如NaCl、F-等。空气中不同化学污染物对燃料电池性能的影响如表1所示。

表1 空气中化学污染物对燃料电池性能的影响[8-10]

活性炭具有丰富的孔隙结构，与空气中游离的化学物质接触，可以凭借分子间作用力将其吸附，因此燃料电池空滤器常使用一定直径的活性炭颗粒作为化学吸附层。化学分子附着在活性炭表面降减少活性炭孔隙，直到活性炭失去吸附能力达到饱和。饱和吸附量的设计直接影响空滤器滤芯的使用寿命，活性炭更小的粒径和更大堆积厚度可以增加有效表面积，但会增大滤芯体积和压力降。设计空滤器化学吸附层时，需要综合考虑滤芯使用寿命和压力降要求，选择合适的活性炭颗粒大小和堆积高度。

空滤器在使用时，由于空气流动特性，多数空气会从管口沿直线穿过空滤器，只有少数会扩散从边缘穿过，如图7所示。滤芯的过滤频区会吸收大部分的化学分子，短暂使用后活性炭就会逐渐失活，而过滤盲区只吸附少量分子，仍具备较高活性。此时空气仍然主要流过过滤频区，空滤器化学吸附达到饱和，使用寿命大幅缩短。吕洪等[11]通过试验和仿真研究显示，在空滤器滤芯前端增加导流板可以使空气流场更加均匀，大幅减小过滤盲区面积，有效增加空滤器的饱和吸附量和使用寿命。

2.3 空滤器过滤效率分析

空滤器的过滤效率直接影响燃料电池阴极的进气质量，从而影响燃料电池性能及寿命。对空滤器物理过滤层的研究已经十分成熟，空滤器对颗粒物的过滤只与过滤材料的纤维长度有关，纤维长度较短，则滤芯孔径更小，越容易阻拦颗粒物，而细小的孔径减小了空滤器的透气率，增大压损。

图7 滤芯有效面积示意图

PEMFC空滤器人们更关注其化学吸附效率。影响空滤器化学吸附效率的因素主要包括活性炭颗粒半径、活性炭堆积高度和空气流速。更小的活性炭颗粒半径可以减少颗粒间距离，是空气流动更为分散，空气与活性炭接触更加充分，从而提高过滤效率；更高的堆积厚度和更低的空气流速可以增加空气与活性炭颗粒的接触时间，使活性炭的吸附更完全。改变活性炭颗粒半径、堆积高度和空气流速都是以牺牲空滤器压降性能为代价提高过滤效率，另一个改善思路是对活性炭材料的改良。化学吸附主要除去空气中SO2、NOx和NH3，其中敏感程度SO2＞NOx＞NH3，酸性分子为主要影响因素，可以在活性炭中适当添加KOH、KCO3等碱性物质增加其对酸性有害气体的过滤[12]。

3 国内外研究进展及发展方向

3.1 国内外空滤器研究进展

自美国Donalson公司申请了世界第一个燃料电池专用空滤器专利，PEMFC空滤器已经得到长足发展。现代ix35为全球第一个量产的燃料电池汽车，其续航里程达594 km，最高时速160 km/h。图6是现代为ix35研发的空滤器，其中空滤器入口采用的是歧管设计，与传统汽车一致，可直接与整车入口管相连，节省布置空间，提高集成度；该空滤器出口管集成布置了流量传感器和SO2浓度传感器，流量传感器可以监测空气入堆流量，方便系统控制调节，集成到空滤器可减少燃料电池内部管路长度，大幅减少燃料电池体积；SO2浓度传感器监测入堆空气中SO2含量，判断入堆空气是否合格，何时需要更换滤芯。ix35空滤器滤芯采用物理吸附加活性炭，整体使用褶状结构设计，提高过滤器使用面积。

图6 ix35空滤器结构示意图

国鸿空滤器在滤芯中使用了MOFs（有机金属骨架）材料代替活性炭的化学吸附，MOfs是金属离子与有机配体配位形成的一种多孔材料，如图8所示。与活性炭相比，MOFs材料的孔隙可调，能通过设计特定孔隙的滤芯来满足空滤器的不同压力降、设过滤率的设计需求。同时，MOFs的比面积、孔隙率比活性炭更大，过滤性能更优。

图7 国鸿空滤器滤芯

图8 MOFs材料

苏州大学研发了燃料电池新型滤芯[13]，原理图如图9所示，包含颗粒物过滤层（1）、吸附净化层（3）和防炭灰过滤层（2），颗粒物过滤层由纳米纤维构成，吸附净化层由纳米纤维气凝胶构成，防碳化过滤层由纳米纤维构成。纳米纤维气凝胶具有超轻量、超高比面积的特点，对于SO2、NH3等有害气体具有超高吸附率；采用石墨烯掺杂聚丙烯腈的方法制备前驱体，经碳化后制备碳纳米纤维气凝胶，提高了气凝胶的机械强度。颗粒物过滤层由纳米纤维膜构成，可有效过滤空气中的固体和油性颗粒物，对颗粒0.5微米的颗粒物过滤效率达99.5%，同时空气阻力低。

图9 苏州大学研发新型滤芯

大连新源研发的空滤器系统[14]具备空气加热功能，结构如图10所示，包含滤清器（1）、空滤外壳（2）、空滤支撑壳体（3）、和消音棉（4）、电阻丝加热板（5）、入口温度传感器（7）、电阻丝出线口（8）所述空滤外壳、出口温度传感器（9）。空气从入口通过滤芯进入，经过入口温度传感器时，传感器监测空气入口温度并开启电阻丝，冷空气经过电阻丝加热，通过出口温度传感器，再根据出口温度传感器采集到的出口温度调节电阻丝功率，使出口温度稳定，有利于燃料电池低温顺利启动。同时，大流量的空气流动为燃料电池主要噪音来源，在空滤器内部集成消音棉可以有效降低噪音，使燃料电池运行更安静。

图10 大连化物所研发空滤器组件

鉴于目前市场燃料电池产品小批量化、产品多样的特点，马勒公司开发了用于燃料电池的标准化解决方案。采用模块化设计理念，将空滤器设计成通用性组件，不需要针对特定车型重新设计空滤器，可以大幅减少开发时间和研发成本。马勒采用该设计理念研发了25-50 kW和80-120 kW空滤器，具备物理吸附和化学吸附功能，这一款空滤器从适用性出发更贴近大众市场的需求。

3.2 空滤器发展方向

受益于国家政策的大力扶持，近年来燃料电池乘用车飞速发展，空滤器相应也在不断更新优化。目前空滤器向一体化和多功能化和新材料研发等方向发展。

1）一体化

随着质子交换膜燃料电池的快速发展，市场对燃料电池的体积要求越来越高，日本丰田研发的燃料电池发动机体积比功率已经达到600W/L，未来这一指标必然越来越高。空滤器为燃料电池供气系统重要部件，为了满足压力降和过滤效率等性能，目前国内外过滤器包络体积10L～15L，占燃料电池发动机体积15%，而空滤器出口至空压机入口管路会进一步增大系统体积。因此，空滤器必然会朝着紧凑性一体化方向发展，如进出口使用歧管设计来缩短连接管路、集成系统空气路传感器等元器件来缩小系统体积。

2）多功能化

随着燃料电池发动机对性能要求越来越高，目前市场上各整车厂对燃料电池发动机噪音要求不大于73 dB，能完成-30℃低温冷启动等。空滤器作为空气供应系统入口元器件，并且内部有较大空腔，必然承担更多功能。可在空滤器内部空腔覆盖消音棉、包裹电阻丝集成小型元器件或设计内部结构等方式来实现更多功能。

3）新材料研发

制约燃料电池空滤器的性能重要原因是化学吸附材料单一，目前市场上绝大多数产品采用改性活性炭颗粒，设计思路通过改变活性炭粒径和堆积厚度来改变化学吸附效率和使用寿命，而提高过滤效率必然牺牲压力降性能。要使空滤器性能进一步提升，必然要研发新的替代材料，具备更高的吸附能力、更低压力降和更长的使用寿命。

4 总结

空滤器是燃料电池氢气供应系统的重要组成部件，给系统提供干净清洁的空气。空滤器正处于高速发展阶段，目前市场上大多采用物理吸附和化学吸附相结合的过滤方式，设计参数主要包括压力降、吸附能力和过滤效率。其中压力降设计需要考虑滤纸的褶高和褶数以及活性炭的颗粒大小和堆积高度；吸附能力包括空滤器的吸附类型和容尘量：吸附类型由滤芯材料决定，燃料电池空滤器必须能吸附空气中的颗粒物和SO2、NOx、NH3等化学污染物。容尘量（饱和吸附量）是考核空滤器使用寿命的重要参数，主要由物理吸附材料和活性炭总有效表面积决定；颗粒物过滤效率与滤纸的纤维长度有关，纤维长度越短，过滤效率越高，化学物质的过滤效率与活性炭和空气接触面积、接触时间有关，同时可以通过改良活性炭来增加对化学物质的吸附。随着燃料电池的发展，空滤器会不断优化自身性能来适应燃料电池的需求，空滤器必然朝着小型化、多功能化方向发展，将有新的更优材料来代替活性炭。

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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

科技部重点专项(2017YFB0103003)

吴桐(1994-)，男，助理工程师。研究方向：燃料电池系统集成。E-mail: 374151094@qq.com