浅谈氢燃料电池电动汽车用空气滤清器

吴发乾，钟辉煌

(一汽海马汽车有限公司，海南海口 570216)

0 引言

随着2018年5月11日李克强总理出访日本参观丰田的氢燃料电池汽车，我国的氢能源行业热度迅速攀升。截至2019年6月，国外丰田、本田、现代、奔驰等都已经推出了氢燃料电池电动汽车；国内上汽、一汽、东风、长城、吉利、众泰、观致、广汽、海马等也都陆续在车展或会议等场合展示和宣称了氢燃料电池电动汽车的研发。

由于氢燃料电池汽车零排放、加氢快、续航里程长等优点，所以它被认为是未来汽车发展的终极方向，成为当前最热门的新技术之一。

结合作者工作实践，首先简单介绍氢燃料电动汽车，然后介绍空气供应系统，以利于理解空气滤清器所处的位置，最后重点剖析氢燃料电动汽车用空气滤清器和传统车的差异，以及设计考虑的重点要素。

1 氢燃料电池电动汽车

1.1 我国氢燃料电池电动汽车来历

根据原GB 9417-1989,中国汽车被划分为8大类：载货汽车、越野汽车、自卸汽车、牵引车、专用汽车、客车、轿车、半挂车。根据GB/T 3730.1-2001《汽车和挂车类型的术语和定义》,中国汽车被划分为3大类：汽车(含乘用车、商用车)、挂车、汽车列车。上述关于汽车分类的国标中都没有氢燃料电池电动汽车，那么它是从哪里来的呢？

首先要从新能源汽车说起。2001年，国家“十五”期间的“863”重大科技课题首先提出了新能源汽车研究项目。在“十一五”期间，我国提出“节能和新能源汽车”战略。2012年，《节能与新能源汽车产业发展规划》指出：“新能源汽车是指采用新型动力系统，完全或主要依靠新型能源驱动的汽车，本规划所指新能源汽车主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及燃料电池汽车。”2017年《新能源汽车生产企业及产品准入管理规定》也提到了燃料电池汽车：“第三条 本规定所称汽车，是指《汽车和挂车类型的术语和定义》国家标准(GB/T 3730.1-2001)第2.1款所规定的汽车整车(完整车辆)及底盘(非完整车辆)，不包括整车整备质量超过400 kg的三轮车辆。本规定所称新能源汽车，是指采用新型动力系统，完全或者主要依靠新型能源驱动的汽车，包括插电式混合动力(含增程式)汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车等。”

可见，氢燃料电池电动汽车就是新能源汽车之一。新能源汽车就是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置)，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进，具有新技术、新结构的汽车。GB/T 24548-2009《燃料电池电动汽车 术语》明确燃料电池汽车的定义为：“燃料电池电动汽车 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)是以燃料电池系统作为动力源或主动力源的汽车。”顾名思义，以氢气为燃料的FCEV就叫氢燃料电池电动汽车。

1.2 氢燃料电池电动汽车简介

燃料电池电动汽车的核心部件是燃料电池。按照GB/T 24548-2009《燃料电池电动汽车 术语》，电堆总成是将外部供应的燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其他反应产物的发电装置。

燃料电池分为多种，例如质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)、碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell，AFC)、磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)、固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)、直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)等。从工作温度、启动时间和氧化剂等角度考虑，汽车最适合用质子交换膜燃料电池(PEMFC)，如图1所示。

图1 PEMFC结构

燃料电池汽车和纯电动汽车相比主要增加了燃料电池系统和车载供氢系统，如图2所示。

图2 燃料电池汽车和纯电动汽车的差别

2 空气供应系统

2.1 燃料电池辅助系统

空气供给系统实际属于燃料电池辅助系统。燃料电池辅助系统还包含氢气供应系统和热管理系统等，如图3所示。

图3 燃料电池辅助系统

2.2 空气供应系统

GB/T 24548-2009《燃料电池电动汽车 术语》定义：空气供应系统是对进入燃料电池的空气进行过滤、加湿、压力调节等方面处理的系统。包含空气滤清器、空气压缩机、中冷器、加湿器和背压阀等，如图4所示。空气首先进入空气滤清器进行过滤，经过空气滤清器出口处的流量传感器，由管路流到空气压缩机；增压后端高温气体进入中冷器冷却，后进入加湿器增湿，然后进入电堆进行化学反应；从电堆出来的高湿度空气重新返回加湿器，为加湿器补充水分，最后经过背压阀排出。

图4 空气供应系统1

为了降低噪声，一般在背压阀后面还会接上管路和消声器，如图5所示。

图5 空气供应系统2

3 空气滤清器

3.1 特点

氢燃料电池电动汽车用空气滤清器与传统燃油汽车的空滤器相比，有其独有特点，主要和燃料电池的极板及其催化剂有关。空气中的颗粒物会堵塞燃料电池极板，所以需要过滤颗粒物，这个作用和传统燃油车一样。但空气中的杂质气体(如SO2、NH3、NOx等)也会使燃料电池催化剂中毒，影响燃料电池性能，因此空气滤清器还应具有去除有害杂质气体的能力。这个作用是传统燃油车没有的，是氢燃料电池电动汽车用空气滤清器的独有特点。

3.2 结构

空气滤清器在结构上一般包含上盖、下盖和滤芯，如图6所示。

图6 一般空气滤清器组成

滤芯至少包含两层，一层是物理过滤，另一层是化学吸附，如图7所示。

下级子件还有装配用的卡扣或螺钉、安装支架，有时候附带流量传感器、温度传感器、气体浓度传感器等，外部接口有进气口、出气口等，如图8所示。

图7 滤芯结构

图8 空气滤清器的接口

有些空气滤清器还增加专门的消声器结构。如 Donaldson公司设计的一款空气滤清器就带有消声器，如图9所示。

图9 Donaldson公司设计的空气滤清器

甚至有些空气滤清器设计智能控制是否通过化学吸附层。例如有害气体浓度较低时不经过化学吸附层。这样的设计可以节省滤芯材料，有利于延长滤芯寿命，但结构复杂。

3.3 功能

空气滤清器的功能包含物理过滤、化学吸附、降音降噪、流量监测、压差监测等。

物理过滤。去除空气中的颗粒物(如沙尘、雾霾、粉尘、气溶胶等)，防止燃料电池极板阻塞和化学吸附效率的降低，而且也能防止磨损空气压缩机和增加中冷器阻力等；同时也要考虑分离空气中的水分以便氢燃料电池能够适应不同的湿度运行。

化学吸附。利用吸附和化学反应有效去除有害气体和挥发性污染物，避免因氢燃料电池阴极催化剂失活而导致的燃料电池性能下降。有害气体和挥发性污染物包含SO2、NOx、H2S、清洗剂、除油漆溶剂、油漆、染料、杀虫剂、消毒剂、胶水、天然气、汽油、柴油、液化气、香水、化妆品、视频添加剂、漂染剂、香波等。

隔音降噪。隔离进气风噪辐射，降低压缩机、鼓风机产生的噪声，从而改善驾乘环境。

流量监测。通过集成空气流量传感器，实施监测进气流量，提高空气利用率。

压差监测。可以通过机械式或电子式设定压差值，及时提示滤芯更换，避免滤芯更换不及时导致的系统故障或损害燃料电池。

3.4 原理

过滤，是指利用有孔介质从流体中去除有害物质，如图10所示。

图10 过滤原理

空气滤清器的物理过滤原理包含直接拦截、惯性撞击和扩散拦截3种。

直接拦截主要是由于有害物质的直径大于滤材纤维构成的孔径，过不去，所以被拦截，见图11。

图11 直接拦截

但有时候直接拦截也会发生以下情形：有害物质颗粒形状不规则，由于搭桥情形被拦截，或者多个微粒形成搭桥拦截，见图12。

惯性撞击是当流体改变运动方向进入纤维空间时，微粒由于自身质量和线速度而具有直线运动惯性，将会离开流体主流而撞上滤材纤维，并因吸附力而停留，见图13。

图12 直接拦截

图13 惯性撞击

扩散拦截适用于那些直径比滤孔还小的微粒。小的微粒不会被黏性流体固定在一个位置，而是在气流中扩散，即自由运动。同时气体分子也在做随机运动，所以气体分子会和微粒相互碰撞。当微粒被撞到纤维上，就被吸附截留，见图14。

图14 扩散拦截

空气滤清器的化学吸附原理是通过选用某些比表面积大、密度小的高孔隙率材料(如活性炭、活性炭纤维、氧化铝)作为载体，辅以表面改性技术或者负载催化剂，既可以达到高效的吸附效果，又改善空气流通孔道，减小空气传输阻力，见图15。

图15 化学吸附

3.5 设计参数

空气滤清器的设计参数一般有空气流量、进气阻力、容灰量、过滤效率等。

燃料电池的空气流量需求可以通过功率经验公式(1)或利用电流公式(2)计算。

Va=30.2P·φ

(1)

式中：P为燃料电池输出功率；φ为空气过量系数。

Va=(60NIVmφ)/(4×0.21F)

(2)

式中：N为电堆片数；I为电堆电流；Vm为气体摩尔体积，取22.4 L/mol；φ为空气过量系数，取2～2.5；F为法拉第常数，取96 485 C/mol。

流量确定后，对燃料电池性能影响较大的参数是进气阻力。这是因为空气滤清器的进气阻力越大，空气压缩机就要消耗更大的功率才能满足燃料电池的空气流量需求。虽然燃料电池的效率可达55%，甚至60%，但除去空气压缩机和燃料电池其他附件系统消耗的功率，剩余的燃料电池发动机(FCE)效率一般只有35%。为了减小空气滤清器的进气阻力，设计上要考虑减小滤芯厚度，增大滤芯面积。通过增大滤芯面积减小阻力原理降低气流速度，图16所示是面积为40 000 mm2和80 000 mm2的滤芯的进气阻力曲线。

图16 不同滤芯面积的进气阻力曲线

实际上进气阻力和滤芯面积需要同时考虑。例如，假设空气流量2 000 L/min，经验要求阻力(2±1)kPa，整车布置空间适合4 000～8 000 mm2，那么建议选取阻力2 kPa，结合图16预计滤芯面积为6 000 mm2。

另外一般选用活性炭颗粒材料作为滤芯吸附剂(可以涂覆KOH和K2CO3等进行改性)。活性炭的颗粒大小也影响进气阻力，一般来说，颗粒直径越大进气阻力越小。

但是活性炭颗粒直径越大，空气滤清器对有害气体的吸附效果越差。不同直径Dp的活性炭的吸附效果如图17所示。

曲线1和3对比可见，3被穿透的时间远远大于1，即直径越小，对吸附效率越有利。减小滤芯厚度对吸附效率也是不利的。可见进气阻力和吸附效率是一对矛盾，设计上要考虑其平衡点。

过滤效率(物理过滤)和容灰量需针对不同的微粒直径设定，如0.2、0.3、0.5、1、10 μm等。而化学吸附效率和吸附量则应该针对不同的有害物质设定，如SO2、NH3、NOx等(同时还有气体流量、浓度等条件)。

图17 不同直径Dp的活性炭对SO2吸附穿透曲线

其他空滤器参数还有密封性、工作温度、材质等，图18所示为某车型空气滤清器参数。

图18 某车型的空气滤清器参数

4 总结

综上，氢燃料电池电动汽车的正常运行必须要空气滤清器。此种空气滤清器除了要有物理过滤层，还应有化学吸附层。设计上要考虑降低进气阻力、提高过滤效率(或吸附效率)和容灰量(或吸附量)。